JP5011005B2

JP5011005B2 - 燃料電池用改質器の制御装置

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Publication number: JP5011005B2
Application number: JP2007171853A
Authority: JP
Inventors: 剛武藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2027-06-29
Also published as: JP2009007222A

Description

この発明は燃料電池用改質器の制御装置に関し、より具体的には、アノードオフガスと空気を燃焼させて改質触媒を加熱する燃焼バーナを備えた燃料電池用改質器の制御装置に関する。

従来より、燃料と水蒸気を改質触媒でアノードガスに改質して燃料電池に供給する燃料電池用改質器の制御装置は種々提案されている。例えば特許文献１に記載される技術にあっては、燃料電池から排出されるアノードオフガスと空気を燃焼させて改質触媒を加熱する燃焼バーナを備えると共に、改質器に供給される燃料の流量などに基づいて燃焼バーナへの空気の供給量を決定し、決定された空気の供給量に改質触媒の温度などに基づいて算出される補正量を加算して補正し、よって燃焼バーナにおける燃焼状態を安定させつつ改質触媒の温度を調整するようにしている。
特開平０８−４５５２１号公報（段落０００２，０００６〜０００８、図２０など）

ところで、アノードガスとアノードオフガスは共に多量の水分を含んでいるため、アノードガスを燃料電池に直接供給すると、燃料電池の内部で水分が凝縮してガス通路が閉塞され、燃料電池の出力低下を招くという不具合が生じる。また、アノードオフガスを燃焼バーナに直接供給すると、不完全燃焼や失火などの原因になるおそれがある。これらの不具合は、アノードガスなどを強制的に冷却して水分を凝縮させて除去すれば解消される。

ガスから除去された水分は一般に、水分供給路を介して貯水タンクに供給されて改質水などに利用される。このように構成した場合、アノードガスなどが貯水タンクを介して外部に漏洩するのを防止するため、水分供給路に遮断弁を介挿して水分が水分供給路に一旦貯留されるようにし、アノードガスなどが貯水タンクに流出しないように遮断弁を開閉させ、水分のみを貯水タンクに流出させる必要がある。

しかしながら、上記したガス中の水分を除去する構成を特許文献１記載の技術にそのまま適用すると、燃焼バーナにおいて安定した燃焼状態を保持することが難しいという不都合が生じるおそれがある。即ち、水分供給路の遮断弁が開閉されると、アノードガスなど流通させる配管内においてガスの流速の変化や圧力の変動が生じ、それによって例えばガス中の水分が飛散して改質触媒の温度センサなどに付着し、センサ出力が急激に変動する可能性がある。センサ出力が変動すると、空気の補正量が正確に算出されないため、結果的に燃焼バーナにおいて安定した燃焼状態を保持できないという不都合が生じ得る。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、改質触媒を加熱する燃焼バーナを備えた燃料電池用改質器において、アノードガスなどから除去された水分を貯水タンクに供給する水分供給路を開閉させる際、燃焼バーナでの安定した燃焼状態を保持するようにした燃料電池用改質器の制御装置を提供することにある。

上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、燃料をアノードガスに改質する改質触媒と、燃料電池から排出されるアノードオフガスと空気を燃焼させて前記改質触媒を加熱する燃焼バーナからなる燃料電池用改質器と、前記燃焼バーナへの空気の供給量を決定する空気供給量決定手段と、前記燃料電池に供給されるアノードガスと前記燃料電池から排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を除去する水分除去手段と、前記除去された水分を貯水タンクに供給する水分供給路と、および前記水分供給路を開閉させて水分の供給量を調整する水分供給量調整手段とを備えた燃料電池用改質器の制御装置において、前記燃焼バーナの排ガス排出路に設けられた排ガスセンサの出力に応じて前記決定された空気の供給量を補正する空気供給量補正手段を備え、前記水分供給量調整手段は、前記水分除去手段によって除去された水分の水量が所定値以上のとき、前記水分供給路を開放すると共に、前記空気供給量補正手段は、前記水分供給路が開放されるとき、前記決定された空気の供給量の補正を中止するように構成した。

請求項２にあっては、前記空気供給量補正手段は、前記水分供給路が開放された後、前記水分除去手段によって除去された水分の水量が所定値未満となって前記水分供給路が閉鎖されたとき、前記水分供給路が閉鎖されてから所定時間経過した後に前記排ガスセンサの出力を読み込み、前記読み込んだ排ガスセンサの出力に応じて前記決定された空気の供給量を補正するように構成した。また、請求項３にあっては、前記改質触媒でアノードガスに改質される燃料の供給量を検出する燃料供給量検出手段と、前記燃料電池の出力電流を検出する出力電流検出手段と、および前記検出された燃料の供給量と出力電流の少なくともいずれかに基づいて前記燃料電池から排出されるアノードオフガスの排出量を推定するアノードオフガス排出量推定手段とを備えると共に、前記空気供給量決定手段は、前記推定されたアノードオフガスの排出量に基づいて前記空気の供給量を決定するように構成した。

請求項４にあっては、前記排ガスセンサは、空燃比センサと酸素濃度センサのいずれかからなるように構成した。

請求項５にあっては、前記水分除去手段は、前記燃料電池に供給されるアノードガスと前記燃料電池から排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮された凝縮水をガスから分離して除去する気液分離器からなるように構成した。

請求項１に係る燃料電池用改質器の制御装置にあっては、改質触媒を加熱する燃焼バーナへの空気の供給量を決定し、燃料電池に供給されるアノードガスと燃料電池から排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を除去し、除去された水分を貯水タンクに供給する水分供給路を開閉させて水分の供給量を調整すると共に、燃焼バーナの排ガスラインに設けられた排ガスセンサの出力に応じて決定された空気の供給量を補正する一方、除去された水分の水量が所定値以上のとき、水分供給路を開放し、水分供給路が開放されるとき、決定された空気の供給量の補正を中止するように構成したので、水分供給路を開閉させる際、燃焼バーナにおいて安定した燃焼状態を保持することができる。

具体的には、水分供給路が例えば遮断弁などによって開閉されると、アノードガスやアノードオフガスを流通させる配管内においてガスの流速の変化や圧力の変動が生じ、それによって例えばガス中の水分が飛散して各種センサ（具体的には、排ガスセンサ）の出力が変動する可能性がある。排ガスセンサの出力が変動すると、決定された空気の供給量を正確に補正することができないおそれがあるが、上記の如く、水分供給路が開閉されるとき、補正された空気の供給量を保持するように構成、換言すれば、水分供給路が開閉されるときの排ガスセンサの出力に応じた空気の供給量の補正を行わず、前回補正された空気の供給量を保持するように構成したので、アノードガスなどを流通させる配管内の流速や圧力が水分供給路の開閉によって変化する場合であっても、その影響を受けることなく、燃焼バーナにおいて安定した燃焼状態を保つことができる。

請求項２に係る燃料電池用改質器の制御装置にあっては、水分供給路が開放された後、除去された水分の水量が所定値未満となって水分供給路が閉鎖されたとき、水分供給路が閉鎖されてから所定時間経過した後に排ガスセンサの出力を読み込み、読み込んだ排ガスセンサの出力に応じて決定された空気の供給量を補正するように構成したので、正確な酸素濃度を示す値に収束してからの排ガスセンサの出力を読み込むことができる。また、請求項３に係る燃料電池用改質器の制御装置にあっては、改質触媒でアノードガスに改質される燃料の供給量と燃料電池の出力電流を検出すると共に、検出された燃料の供給量と出力電流の少なくともいずれかに基づいて燃料電池から排出されるアノードオフガスの排出量を推定し、推定されたアノードオフガスの排出量に基づいて前記空気の供給量を決定するように構成したので、上記した効果に加え、燃焼バーナへの空気の供給量を、改質器や燃料電池の運転状態に応じて正確に決定することができる。

請求項４に係る燃料電池用改質器の制御装置にあっては、排ガスセンサは、空燃比センサと酸素濃度センサのいずれかからなるように構成したので、上記した効果に加え、排ガス中の酸素濃度を正確に検出できるため、決定された空気の供給量をより一層正確に補正することができる。

請求項５に係る燃料電池用改質器の制御装置にあっては、水分除去手段は、燃料電池に供給されるアノードガスと燃料電池から排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器と、凝縮器で凝縮された凝縮水をガスから分離して除去する気液分離器からなるように構成したので、上記した効果に加え、アノードガスやアノードオフガスに含まれる水分を確実に除去することができ、よって燃料電池の内部で水分が凝縮することで生じる出力の低下、燃焼バーナにおける不完全燃焼や失火などの不具合を効果的に防止することができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池用改質器の制御装置の最良の実施の形態について説明する。

図１は、この発明の実施例に係る燃料電池用改質器の制御装置を燃料電池も含めて全体的に示す概略図である。

図１において、符号１０は燃料電池を示す。燃料電池１０は、電解質膜（固体高分子膜）と、それを挟持するカソード極（空気極）とアノード極（燃料極）と、各電極の外側に配置されるセパレータとから構成される単電池（セル）を複数個積層して形成されたスタック（いずれも図示せず）などを有する、公知の固体高分子型燃料電池である。

燃料電池１０には、カソード極にカソードガス（反応空気）を供給するカソードガス供給系１２と、アノード極にアノードガス（改質ガス）を供給するアノードガス供給系１４と、燃料電池１０で発生する電力を制御する電力制御系１６が接続される。

カソードガス供給系１２は、カソードガスを供給するカソードガス供給路２０と、燃料電池１０から排出されるカソードオフガスを外部に排出（排気）させるカソードオフガス排出路２２を備える。カソードガス供給路２０には、空気を吸引してカソードガスとして燃料電池１０に圧送するカソードガスポンプ２４が接続される。また、カソードガス供給路２０とカソードオフガス排出路２２の途中には加湿器２６が配置され、そこでカソードガスはカソードオフガスなどによって加湿される。

アノードガス供給系１４は、改質燃料（燃料。例えば、メタンを主成分とする都市ガス）を改質させ、燃料電池１０のアノード極に供給されるべき水素を含有したアノードガスを生成する燃料電池用改質器（以下、単に「改質器」という）３０と、改質器３０と燃料電池１０を接続してアノードガスを燃料電池１０に供給する第１のアノードガス供給路３２ａと、燃料電池１０と改質器３０の燃焼バーナ（後述）を接続してアノードオフガスを燃焼バーナに供給するアノードオフガス供給路３４を備える。

改質器３０は、改質燃料などが流入される改質燃料管３０ａと、改質燃料を水蒸気と反応させてアノードガスに改質する改質触媒３０ｂと、改質燃料管３０ａに接続されると共に、改質触媒３０ｂが充填される改質管３０ｃと、改質管３０ｃに接続されると共に、改質触媒３０ｂで改質されたアノードガスを排出させるアノードガス管３０ｄと、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスと空気を燃焼させて改質触媒３０ｂなどを加熱する燃焼バーナ３０ｅと、燃焼バーナ３０ｅに接続され、前記燃焼によって発生する排ガスを排出する排ガス管３０ｆなどからなる。また、改質触媒３０ｂの近傍には温度センサ３０ｇが取り付けられ、温度センサ３０ｇは改質触媒３０ｂの温度に応じた信号を出力する。

改質器３０の改質燃料管３０ａには、改質燃料供給源（図示せず）の改質燃料を供給する改質燃料供給路３６と、改質水タンク（貯水タンク）３８に貯留される改質水（改質に使用される純水）を供給する改質水供給路４０が接続される。改質燃料供給路３６には、改質燃料の付臭剤、例えば有機硫黄化合物などを除去する脱硫器４２と、脱硫器４２の下流側を通過する改質燃料の流量、別言すれば、改質触媒３０ｂでアノードガス改質される改質燃料の供給量を検出する流量センサ（燃料供給量検出手段）４４が設けられる。流量センサ４４は、改質燃料の供給量に応じた信号を出力する。尚、この明細書において「下流」とは、そこを流れる気体あるいは液体（流体）などの流れ方向における下流を意味する。

一方、改質水供給路４０には、改質水を改質器３０に圧送する送水ポンプ４６と、送水ポンプ４６の下流側において改質水に含まれる不純物を除去するイオンフィルタ４８と、イオンフィルタ４８の下流側において改質水供給路４０を開閉する第１の遮断弁５０が設置される。

また、改質器３０の燃焼バーナ３０ｅには、燃焼用の空気（以下、単に「空気」という）などを供給する空気供給路５２が接続される。空気供給路５２には、空気を燃焼バーナ３０ｅに向けて圧送する空気ポンプ５４と、空気ポンプ５４の下流側において空気の流量（供給量）を調整する流量調整弁５６が設けられる。空気供給路５２であって流量調整弁５６の下流側には、燃料電池１０の始動時、別言すれば、燃料電池１０からアノードオフガスが排出されないとき、例えば都市ガスを加熱燃料として供給する加熱燃料供給路５８が接続される。

改質器３０の排ガス管３０ｆの排出口３０ｆ１には排ガスを外部に排出（排気）させる排ガス排出路６０が接続されると共に、排ガス排出路６０の途中には排ガスセンサ６２が設けられる。排ガスセンサ６２は、具体的には空燃比センサと酸素濃度センサのいずれかからなり、排ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力する。

第１のアノードガス供給路３２ａには、第１のアノードガス供給路３２ａとアノードオフガス供給路３４を連通させる第２のアノードガス供給路３２ｂが接続される。第２のアノードガス供給路３２ｂには、第２のアノードガス供給路３２ｂを開閉する第２の遮断弁（電磁弁）６４が介挿される。第２の遮断弁６４は、非通電時に閉弁し、燃料電池１０において必要なアノードガスの量が減少したとき、通電されて開弁し、アノードガスを第２のアノードガス供給路３２ｂを介してアノードオフガス供給路３４に供給する。

第１のアノードガス供給路３２ａにおいて第２のアノードガス供給路３２ｂの接続位置よりも下流側には、第１のアノードガス供給路３２ａを開閉する第３の遮断弁６６が介挿され、その下流側には、アノードガスに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成するアノードガス凝縮器（凝縮器。水分除去手段）６８と、アノードガス凝縮器６８で凝縮された凝縮水をアノードガスから分離して除去するアノードガス気液分離器（気液分離器。水分除去手段）７０が接続される。

アノードガス凝縮器６８には、アノードガスを冷却する冷却水を供給する冷却水供給路６８ａが接続され、これによりアノードガスは冷却水によって冷却されて水分が凝縮し、凝縮水が生成される。このように、アノードガス凝縮器６８はアノードガスを冷却水と熱交換させて冷却する熱交換器として機能する。

アノードガス気液分離器７０には、分離された凝縮水を貯留するアノードガス凝縮水タンク７２が接続される。アノードガス凝縮水タンク７２の適宜位置には、アノードガス凝縮水タンク７２の水量が所定値以上であることを検知する水量センサ７２ａが設けられる。水量センサ７２ａは、アノードガス凝縮水タンク７２の水量が所定値以上であるときにオン信号を出力し、所定値未満であるときにオフ信号を出力する。

アノードガス凝縮水タンク７２には、貯留された凝縮水、即ち、アノードガスから除去された水分を前記した改質水タンク３８に供給するアノードガス水分供給路（水分供給路）７４が接続される。また、アノードガス水分供給路７４の途中には、アノードガス水分供給路７４を開閉させて水分の供給量を調整する第４の遮断弁（水分供給量調整手段）７６が介挿されると共に、第４の遮断弁７６の下流側に改質水タンク３８が接続される。従って、アノードガスに含まれる水分をアノードガス凝縮器６８で凝縮させて得られる凝縮水は、アノードガス気液分離器７０、アノードガス凝縮水タンク７２、アノードガス水分供給路７４および第４の遮断弁７６を介して改質水タンク３８に供給され、改質水として貯留される（回収される）。

アノードオフガス供給路３４には、アノードオフガス供給路３４を開閉する第５の遮断弁８０が介挿される。第５の遮断弁８０と前述した第１、第３の遮断弁５０，６６、流量調整弁５６はいずれも電磁弁からなり、燃料電池１０の非運転時にアノードガスなどが外部に流出するのを防止するため、燃料電池１０の運転終了時に全て閉弁されているものとする。

アノードオフガス供給路３４において第５の遮断弁８０より下流側には、アノードオフガスに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成するアノードオフガス凝縮器（凝縮器。水分除去手段）８２と、アノードオフガス凝縮器８２で凝縮された凝縮水をアノードオフガスから分離して除去するアノードオフガス気液分離器（気液分離器。水分除去手段）８４が接続される。

このアノードオフガス凝縮器８２とアノードオフガス気液分離器８４は、上記したアノードガス凝縮器６８とアノードガス気液分離器７０と略同様に構成される。具体的に説明すると、アノードオフガス凝縮器８２には、アノードオフガスを冷却する冷却水を供給する冷却水供給路８２ａが接続され、これによりアノードオフガスは冷却水によって冷却されて水分が凝縮し、凝縮水が生成される。このように、アノードオフガス凝縮器８２はアノードオフガスを冷却水と熱交換させて冷却する熱交換器として機能する。

アノードオフガス気液分離器８４には、分離された凝縮水を貯留するアノードオフガス凝縮水タンク８６が接続される。アノードオフガス凝縮水タンク８６の適宜位置には、水量センサ８６ａが設けられる。水量センサ８６ａは、アノードオフガス凝縮水タンク８６の水量が所定値以上であるときにオン信号を出力し、所定値未満であるときにオフ信号を出力する。

アノードオフガス凝縮水タンク８６には、貯留された凝縮水、即ち、アノードオフガスから除去された水分を改質水タンク３８に供給するアノードオフガス水分供給路（水分供給路）９０が接続される。アノードオフガス水分供給路９０の途中には、アノードオフガス水分供給路９０を開閉させて水分の供給量を調整する第６の遮断弁（水分供給量調整手段）９２が介挿されると共に、第６の遮断弁９２の下流側に改質水タンク３８が接続される。従って、アノードオフガスに含まれる水分をアノードオフガス凝縮器８２で凝縮させて得られる凝縮水は、アノードオフガス気液分離器８４、アノードオフガス凝縮水タンク８６、アノードオフガス水分供給路９０および第６の遮断弁９２を介して改質水タンク３８に供給され、改質水として貯留される（回収される）。

尚、第６の遮断弁９２と上記した第４の遮断弁７６はいずれも電磁弁からなり、対応する水量センサ７２ａ，８６ａからの信号に基づいて動作が制御されるが、それについては後述する。

電力制御系１６は、マイクロ・コンピュータなどからなる電子制御ユニット（Electronic Control Unit。以下「ＥＣＵ」という）１００と、燃料電池１０で発生する電力（直流電流）を所定の周波数の交流電流に変換して電気負荷（交流電源機器）１０２に出力するインバータ１０４などからなり、燃料電池１０で発生した電力を出力する出力端子１０６に接続される。

インバータ１０４と電気負荷１０２を接続する電線には、燃料電池１０の出力電流を検出する電流センサ（出力電流検出手段）１１０が接続され、燃料電池１０の出力電流に応じた信号を出力する。ＥＣＵ１００は、電流センサ１１０や前記した温度センサ３０ｇ、流量センサ４４、排ガスセンサ６２および水量センサ７２ａ，８６ａなどの信号が信号線１１２を介して入力されると共に、入力された各センサの信号に基づき、流量調整弁５６や第１から第６の遮断弁５０，６４，６６，７６，８０，９２、送水ポンプ４６などの補機類の動作を制御するが、それについては後述する。

尚、燃料電池１０には、上記した各構成要素の他に、燃料電池１０を冷却する冷却系なども接続されるが、それらは本願の要旨と直接の関係を有しないので、図示および説明を省略する。

次いで上記した構成を前提に、燃料電池１０および改質器３０などの動作について概説する。

先ず燃料電池１０の始動指示がオペレータによってなされると、改質器３０においてアノードガスが生成される。具体的には、空気ポンプ５４を作動させると共に、流量調整弁５６を開弁させる。これにより、空気は空気ポンプ５４によって吸引され、空気供給路５２と流量調整弁５６を介して燃焼バーナ３０ｅに向けて流通させられる。空気には、加熱燃料供給路５８を介して加熱燃料が供給されて予混合ガスが生成され、燃焼バーナ３０ｅに供給される。燃焼バーナ３０ｅは供給された予混合ガスを点火電極（図示せず）によって点火（着火）して燃焼させ、その燃焼によって比較的高温の排ガスが発生する。

排ガスは、図１に矢印で示す如く、排ガス管３０ｆ内を流通させられる。排ガス管３０ｆは改質管３０ｃの外壁３０ｃ１を被覆するような形状を呈しているため、排ガス管３０ｆの排ガスは、改質管３０ｃに充填される改質触媒３０ｂを昇温させる。排ガス管３０ｆの排ガスはその後、排出口３０ｆ１、排ガス排出路６０を介して大気中に排気される。

改質触媒３０ｂが改質可能な温度（例えば、７００［℃］程度）まで加熱されると、次いで第１、第３、第５の遮断弁５０，６６，８０を開弁させると共に、送水ポンプ４６を駆動させる。これにより、改質水タンク３８の改質水が改質水供給路４０、送水ポンプ４６、イオンフィルタ４８および第１の遮断弁５０を介して改質器３０の改質触媒３０ｂに供給される。

改質触媒３０ｂにはさらに、改質燃料が改質燃料供給路３６、脱硫器４２および流量センサ４４を介して供給されて改質動作が開始される。具体的には、改質水は燃焼バーナ３０ｅの排ガスなどによって加熱されて蒸発し、水蒸気となる。水蒸気は改質燃料と混合された後、改質可能な温度まで加熱された改質触媒３０ｂに供給され、そこで水蒸気改質反応が起こる、即ち、混合された改質燃料と水蒸気をアノードガスに改質させる。

アノードガスは、改質器３０において一酸化炭素などが除去された後、アノードガス管３０ｄ、第１のアノードガス供給路３２ａおよび第３の遮断弁６６を介してアノードガス凝縮器６８に流入させられ、そこで水分が凝縮されて凝縮水が生成される。生成された凝縮水を含むアノードガスは、アノードガス気液分離器７０に供給されて凝縮水が分離された後、燃料電池１０のアノード極に供給される。他方、アノードガス気液分離器７０においてアノードガスから分離された凝縮水は、アノードガス凝縮水タンク７２に一時的に貯留される。

ここで、アノードガス水分供給路７４に設けられた第４の遮断弁７６の動作について説明すると、第４の遮断弁７６は水量センサ７２ａからの信号に基づいて動作が制御される。詳しくは、第４の遮断弁７６は、水量センサ７２ａがオン信号を出力するとき、即ち、アノードガス凝縮水タンク７２の水量が所定値以上のときに開弁されてアノードガス凝縮水タンク７２の凝縮水をアノードガス水分供給路７４を介して改質水タンク３８に供給する一方、オフ信号が出力されるとき（アノードガス凝縮水タンク７２の水量が所定値未満のとき）に閉弁されるように、その動作が制御される。これにより、アノードガス凝縮水タンク７２から改質水タンク３８への水分の供給量を適宜に調整できると共に、アノードガスがアノードガス凝縮水タンク７２を介して改質水タンク３８や外部に漏洩するのを防止することができる。

燃料電池１０などの動作の説明を続けると、次いでカソードガスポンプ２４を作動させる。これにより、カソードガスはカソードガス供給路２０を介して加湿器２６に流入させられ、そこでカソードオフガスに含まれた水分などの供給を受けて所望の湿度となるまで加湿された後、燃料電池１０のカソード極に供給される。

燃料電池１０においては、アノード極に供給されたアノードガスをカソード極に供給されたカソードガスと電気化学反応させて発電動作が行われる。電気化学反応によって燃料電池１０で発生した電力は、出力端子１０６から取り出され、その一部がＥＣＵ１００や送水ポンプ４６などの補機類の電源として使用されると共に、残部がインバータ１０４を介して電気負荷１０２に供給される。

燃料電池１０から排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出路２２を介して加湿器２６に供給され、カソードガス供給路２０を流れるカソードガスを加湿した後、大気中に排気される。

燃料電池１０から排出されるアノードオフガス、正確には、燃料電池１０の発電動作において使用されずに排出されたアノードオフガス（未反応ガス）は、アノードオフガス供給路３４、第５の遮断弁８０を介してアノードオフガス凝縮器８２に流入させられ、そこで水分が凝縮されて凝縮水が生成される。生成された凝縮水を含むアノードオフガスは、アノードオフガス気液分離器８４に供給されて凝縮水が分離された後、改質器３０の燃焼バーナ３０ｅに加熱用の燃料として供給される。尚、燃料電池１０において発電動作が開始されてアノードオフガスが燃焼バーナ３０ｅに供給されると、加熱燃料供給路５８に設置される遮断弁（図示せず）を閉弁させ、加熱燃料（都市ガス）の燃焼バーナ３０ｅへの供給は遮断（停止）される。

アノードオフガス気液分離器８４においてアノードオフガスから分離された凝縮水は、アノードオフガス凝縮水タンク８６に一時的に貯留された後、第６の遮断弁９２の開閉動作により改質水タンク３８に供給される。具体的に説明すると、第６の遮断弁９２は、第４の遮断弁７６と同様、水量センサ８６ａがオン信号を出力するとき、開弁されて凝縮水をアノードオフガス水分供給路９０を介して改質水タンク３８に供給する一方、オフ信号が出力されるときに閉弁されるように、その動作が制御される。これにより、アノードオフガス凝縮水タンク８６から改質水タンク３８への水分の供給量を適宜に調整できると共に、アノードオフガスがアノードオフガス凝縮水タンク８６を介して改質水タンク３８や外部に漏洩するのを防止することができる。

続いて、図２以降を参照して改質器３０の制御装置の動作の内、燃焼バーナ３０ｅへの空気の供給量を決定する処理などについて説明する。

図２は、燃焼バーナ３０ｅへの空気の供給量を決定する処理などを実行するＥＣＵ１００の動作を示すフロー・チャートであり、図３はその処理を示すタイム・チャートである。

以下説明すると、Ｓ１０において改質燃料の供給量と燃料電池１０の出力電流と改質触媒３０ｂの温度を検出する。次いでＳ１２に進み、検出された改質燃料の供給量、燃料電池１０の出力電流および改質触媒３０ｂの温度に基づいてアノードオフガスの排出量を推定する。アノードオフガスの排出量の推定は、具体的には、予め設定されたマップ値（図示せず）を改質燃料の供給量などに基づいて検索することにより行われる。

次いでＳ１４に進み、推定されたアノードオフガスの排出量に基づいて燃焼バーナ３０ｅへの空気の供給量（基本供給量）を決定する。空気の供給量の決定も、予め設定されたマップ値（図示せず）を、推定されたアノードオフガスの排出量に基づいて検索することにより行われる。

Ｓ１６に進み、水回収フラグがオンされているか否か判断する。この水回収フラグは、図示しない別処理において水量センサ７２ａ，８６ａの少なくともいずれかがオン信号を出力するとき、オンにセットされることから、この判断はアノードガス凝縮水タンク７２あるいはアノードオフガス凝縮水タンク８６の水量が所定値以上であり、凝縮水を改質水タンク３８に供給する必要があるか否か判断することに相当する。

最初のプログラムループではＳ１６の判断は通例否定されてＳ１８に進み、第４、第６の遮断弁７６，９２を閉弁させる。第４、第６の遮断弁７６，９２は、最初のプログラムループでは既に閉弁されているため、次いでＳ２０に進み、排ガスセンサ６２の出力を読み込んで排ガス中の酸素濃度を検出する。次いでＳ２２に進み、検出された排ガス中の酸素濃度に基づいて燃焼バーナ３０ｅへ供給される空気の補正量（初期値０）を算出する。尚、空気の補正量は、燃焼バーナ３０ｅへ供給される空気の量が燃焼バーナ３０ｅにおいて安定した（最適な）燃焼状態を保つことができるような値が算出され、具体的には、予め設定されたマップ値（図示せず）を酸素濃度に基づいて検索することで算出される。

次いでＳ２４に進み、前回のプログラム実行時に算出された補正量の値を今回算出された補正量に置き換える、即ち、更新する。次いでＳ２６に進み、Ｓ１４で決定された空気の供給量に、Ｓ２４で更新された補正量を減算して空気の供給量を補正する。このように、決定された空気の供給量は燃焼バーナ３０ｅの排ガス排出路６０に設けられた排ガスセンサ６２の出力に応じて補正される。

Ｓ２８に進み、空気供給路５２の空気の流量がＳ２６で補正された空気の供給量となるように、流量調整弁５６を開閉動作させる。これにより、燃焼バーナ３０ｅにおいては安定した（最適な）燃焼状態が保持されると共に、不完全燃焼や失火なども防止でき、さらに空気ポンプ５４などの消費電力も低減でき、結果として装置全体の効率を向上させることができる。

他方、Ｓ１６で肯定、即ち、水回収フラグがオンされるとき、Ｓ３０に進んで補正された空気の供給量を保持した後、Ｓ３２に進み、水量が所定値以上である凝縮水タンクに対応する遮断弁を前述した如く開弁、具体的には、第４あるいは第６の遮断弁７６，９２を開弁させる。ここで、Ｓ１６からＳ３２までの処理について図３を参照して説明する。尚、以下において、アノードガス凝縮水タンク７２の水量が所定値以上となって水回収フラグがオンされる場合を例にとって説明するが、以下の説明はアノードオフガス凝縮水タンク８６の水量が所定値以上となって水回収フラグがオンされる場合にも略妥当する。

図３に示すように、水回収フラグが時点ｔ_０でオンされると、アノードガス凝縮水タンク７２の水量が所定値以上であることから、その後時点ｔ_１で第４の遮断弁７６は開弁される。尚、時点ｔ_０から時点ｔ_１までの時間は約０．１〜１ｓｅｃである。第４の遮断弁７６が開弁されてアノードガス水分供給路７４が開閉されると、第１のアノードガス供給路３２ａやアノードオフガス供給路３４の内部においてガスの圧力（図３において「配管内圧」という）などが急激に変動する。

配管内圧が急激に変動すると、それによって例えばガス中の水分や配管内に付着／滞留していた水分が飛散し、各種センサ（具体的には、排ガスセンサ６２）の出力が変動する。排ガスセンサ６２の出力が変動すると、排ガスセンサ６２の出力によって算出される補正量や、その補正量によって補正される燃焼バーナ３０ｅへの空気の供給量が、図３に破線で示すように変化する。このような状態で流量調整弁５６の動作を制御すると、燃焼バーナ３０ｅの熱量が変化するため、配管内圧の変化をさらに増幅させることとなり、結果として燃焼バーナ３０ｅにおいて安定した（最適な）燃焼状態を保持することが難しくなる。

そこで、Ｓ１６で肯定されるときはＳ３０に進み、補正された空気の供給量を保持する、換言すれば、アノードガス水分供給路７４が開閉されるとき、前回補正された空気の供給量を保持するようにした。これにより、流量調整弁５６は、空気供給路５２の空気の流量が前回補正された空気の供給量となるように開閉動作されるため、第１のアノードガス供給路３２ａ内のガスの流速や圧力などがアノードガス水分供給路７４の開閉によって変化する場合であっても、その影響を受けることなく、燃焼バーナ３０ｅにおいて安定した燃焼状態を保つことができる。

尚、次回以降のプログラムループにおいてＳ１６で否定されると（時点ｔ_２）、その後時点ｔ_３において（Ｓ１８の処理で）第４の遮断弁７６が閉弁される。第４の遮断弁７６が閉弁されると、配管内圧は変動しなくなるが、図３に示すように、排ガスセンサ６２の出力は、正確な酸素濃度を示す値に収束するのに一定の時間を要する。そこで、Ｓ１８の処理を実行した後、所定時間（時点ｔ_３〜ｔ_４。例えば１０〜１５ｓｅｃ）が経過するまで待機するように構成する。

具体的には、時点ｔ_３で第４の遮断弁７６が閉弁されると、図示しない別のプログラムでカウンタ（アップカウンタ）をスタートさせ、そのカウンタ値が所定時間に達したとき（時点ｔ_４）、排ガスセンサ６２の出力を読み込んで排ガス中の酸素濃度を検出する（Ｓ２０）ようにする。尚、図３において、燃焼バーナ３０ｅへの空気の供給量が排ガスセンサ６２の出力によって補正される区間を「補正制御区間」とし、水分供給路が開閉されて補正された空気の供給量を保持する区間を「制御補正量保持区間」と示す。また、前記した所定時間は、配管の取り回しなどを考慮して適宜に設定される。

上記した如く、この発明の実施例にあっては、燃料（改質燃料）をアノードガスに改質する改質触媒３０ｂと、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスと空気を燃焼させて前記改質触媒を加熱する燃焼バーナ３０ｅからなる燃料電池用改質器３０と、前記燃焼バーナへの空気の供給量を決定する空気供給量決定手段（ＥＣＵ１００。Ｓ１４）と、前記燃料電池に供給されるアノードガスと前記燃料電池から排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を除去する水分除去手段（アノードガス凝縮器６８、アノードガス気液分離器７０、アノードオフガス凝縮器８２、アノードオフガス気液分離器８４）と、前記除去された水分を貯水タンク（改質水タンク３８）に供給する水分供給路（アノードガス水分供給路７４、アノードオフガス水分供給路９０）と、および前記水分供給路を開閉させて水分の供給量を調整する水分供給量調整手段（第４の遮断弁７６、第６の遮断弁９２）とを備えた燃料電池用改質器の制御装置において、前記燃焼バーナの排ガス排出路に設けられた排ガスセンサの出力に応じて前記決定された空気の供給量を補正する空気供給量補正手段（ＥＣＵ１００。Ｓ２２〜Ｓ２６）を備え、前記水分供給量調整手段は、前記水分除去手段によって除去された水分の水量が所定値以上のとき、前記水分供給路を開放すると共に、前記空気供給量補正手段は、前記水分供給路が開放されるとき、前記決定された空気の供給量の補正を中止する（Ｓ３０）ように構成した。

これにより、水分供給路７４，９０を開閉させる際、燃焼バーナ３０ｅにおいて安定した燃焼状態を保持することができる。具体的には、水分供給路７４，９０が遮断弁７６，９２などによって開閉されると、アノードガスやアノードオフガスを流通させる配管内においてガスの流速の変化や圧力の変動が生じ、それによって例えばガス中の水分が飛散して各種センサ（具体的には、排ガスセンサ６２）の出力が変動する可能性がある。排ガスセンサ６２の出力が変動すると、決定された空気の供給量を正確に補正することができないおそれがあるが、上記の如く、水分供給路７４，９０が開閉されるとき、補正された空気の供給量を保持するように構成、換言すれば、水分供給路７４，９０が開閉されるときの排ガスセンサ６２の出力に応じた空気の供給量の補正を行わず、前回補正された空気の供給量を保持するように構成したので、アノードガスなどを流通させる配管内の流速や圧力が水分供給路の開閉によって変化する場合であっても、その影響を受けることなく、燃焼バーナ３０ｅにおいて安定した燃焼状態を保つことができる。

また、前記空気供給量補正手段は、前記水分供給路が開放された後、前記水分除去手段によって除去された水分の水量が所定値未満となって前記水分供給路が閉鎖されたとき、前記水分供給路が閉鎖されてから所定時間経過した後に前記排ガスセンサ６２の出力を読み込み、前記読み込んだ排ガスセンサの出力に応じて前記決定された空気の供給量を補正するように構成した（ＥＣＵ１００。Ｓ１６〜Ｓ２６。図３のｔ _３〜ｔ _４）。これにより、正確な酸素濃度を示す値に収束してからの排ガスセンサの出力を読み込むことができる。また、前記改質触媒でアノードガスに改質される燃料の供給量を検出する燃料供給量検出手段（流量センサ４４、ＥＣＵ１００。Ｓ１０）と、前記燃料電池の出力電流を検出する出力電流検出手段（電流センサ１１０、ＥＣＵ１００。Ｓ１０）と、および前記検出された燃料の供給量と出力電流の少なくともいずれかに基づいて前記燃料電池から排出されるアノードオフガスの排出量を推定するアノードオフガス排出量推定手段（ＥＣＵ１００。Ｓ１２）とを備えると共に、前記空気供給量決定手段は、前記推定されたアノードオフガスの排出量に基づいて前記空気の供給量を決定する（Ｓ１４）ように構成した。これにより、燃焼バーナ３０ｅへの空気の供給量を、改質器３０や燃料電池１０の運転状態に応じて正確に決定することができる。

また、前記排ガスセンサ６２は、空燃比センサと酸素濃度センサのいずれかからなるように構成した。これにより、排ガス中の酸素濃度を正確に検出できるため、決定された空気の供給量をより一層正確に補正することができる。

また、前記水分除去手段は、前記燃料電池に供給されるアノードガスと前記燃料電池から排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器（アノードガス凝縮器６８、アノードオフガス凝縮器８２）と、前記凝縮器で凝縮された凝縮水をガスから分離して除去する気液分離器（アノードガス気液分離器７０、アノードオフガス気液分離器８４）からなるように構成した。これにより、アノードガスやアノードオフガスに含まれる水分を確実に除去することができ、よって燃料電池１０の内部で水分が凝縮することで生じる出力の低下、燃焼バーナ３０ｅにおける不完全燃焼や失火などの不具合を防止することができる。

尚、上記において、水分除去手段である凝縮器と気液分離器を、第１のアノードガス供給路３２ａとアノードオフガス供給路３４にそれぞれ備えるように構成したが、いずれかの供給路にのみ備えるように構成しても良く、その意味から、請求項１において「前記燃料電池に供給されるアノードガスと前記燃料電池から排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を除去する水分除去手段」と記載した。

また、時点ｔ_０から時点ｔ_１までの時間や改質触媒の改質可能な温度などを具体的に示したが、それらの数値は例示であって限定されるものではない。

また、燃料電池１０を固体高分子型としたが、それに限られるものではなく、他の形式であってもよい。

また、改質燃料や加熱燃料として都市ガスを使用するように構成したが、それに限られるものではなく、ＬＰガスなどであっても良い。

この発明の実施例に係る燃料電池用改質器の制御装置を燃料電池も含めて全体的に示す概略図である。図１に示すＥＣＵの動作を示すフロー・チャートである。図１に示す排ガスセンサの出力や燃焼バーナへの空気の供給量などの変化を表すタイム・チャートである。

符号の説明

１０燃料電池、３０改質器（燃料電池用改質器）、３０ｂ改質触媒、３０ｅ燃焼バーナ、３８改質水タンク（貯水タンク）、４４流量センサ（燃料供給量検出手段）、６０排ガス排出路、６２排ガスセンサ、６８アノードガス凝縮器（水分除去手段）、７０アノードガス気液分離器（水分除去手段）、７４アノードガス水分供給路（水分供給路）、７６第４の遮断弁（水分供給量調整手段）、８２アノードオフガス凝縮器（水分除去手段）、８４アノードオフガス気液分離器（水分除去手段）、９０アノードオフガス水分供給路（水分供給路）、９２第６の遮断弁（水分供給量調整手段）、１００電子制御ユニット（ＥＣＵ）、１１０電流センサ（出力電流検出手段）

Claims

ａ．燃料をアノードガスに改質する改質触媒と、燃料電池から排出されるアノードオフガスと空気を燃焼させて前記改質触媒を加熱する燃焼バーナからなる燃料電池用改質器と、
ｂ．前記燃焼バーナへの空気の供給量を決定する空気供給量決定手段と、
ｃ．前記燃料電池に供給されるアノードガスと前記燃料電池から排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を除去する水分除去手段と、
ｄ．前記除去された水分を貯水タンクに供給する水分供給路と、
および
ｅ．前記水分供給路を開閉させて水分の供給量を調整する水分供給量調整手段と、
を備えた燃料電池用改質器の制御装置において、前記燃焼バーナの排ガス排出路に設けられた排ガスセンサの出力に応じて前記決定された空気の供給量を補正する空気供給量補正手段を備え、前記水分供給量調整手段は、前記水分除去手段によって除去された水分の水量が所定値以上のとき、前記水分供給路を開放すると共に、前記空気供給量補正手段は、前記水分供給路が開放されるとき、前記決定された空気の供給量の補正を中止することを特徴とする燃料電池用改質器の制御装置。
前記空気供給量補正手段は、前記水分供給路が開放された後、前記水分除去手段によって除去された水分の水量が所定値未満となって前記水分供給路が閉鎖されたとき、前記水分供給路が閉鎖されてから所定時間経過した後に前記排ガスセンサの出力を読み込み、前記読み込んだ排ガスセンサの出力に応じて前記決定された空気の供給量を補正することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用改質器の制御装置。
ｆ．前記改質触媒でアノードガスに改質される燃料の供給量を検出する燃料供給量検出手段と、
ｇ．前記燃料電池の出力電流を検出する出力電流検出手段と、
および
ｈ．前記検出された燃料の供給量と出力電流の少なくともいずれかに基づいて前記燃料電池から排出されるアノードオフガスの排出量を推定するアノードオフガス排出量推定手段と、
を備えると共に、前記空気供給量決定手段は、前記推定されたアノードオフガスの排出量に基づいて前記空気の供給量を決定することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用改質器の制御装置。
前記排ガスセンサは、空燃比センサと酸素濃度センサのいずれかからなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池用改質器の制御装置。
前記水分除去手段は、前記燃料電池に供給されるアノードガスと前記燃料電池から排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮された凝縮水をガスから分離して除去する気液分離器からなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池用改質器の制御装置。