JP5032720B2 - Control method of fuel cell system - Google Patents

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01B—BOILING; BOILING APPARATUS ; EVAPORATION; EVAPORATION APPARATUS
    • B01B1/00—Boiling; Boiling apparatus for physical or chemical purposes ; Evaporation in general
    • B01B1/005—Evaporation for physical or chemical purposes; Evaporation apparatus therefor, e.g. evaporation of liquids for gas phase reactions

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応器から燃料電池へ供給される燃料ガスの組成を過渡時においても安定化させることができる燃料電池システムの制御方法に関し、さらに詳しくは、反応器の改質手段及びＣＯ除去手段に導入する空気の流量を制御する制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料改質装置で生成した水素を含有する燃料ガスを燃料電池のアノード極（水素極）に供給するとともに、酸素を含有する酸化剤ガスを燃料電池のカソード極（酸素極）に供給して発電を行う燃料電池を中核とした発電システムである。この燃料電池システムは、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものであり、高い発電効率を有することや有害物質の排出量が極めて少ないこと等から最近注目されている。
【０００３】
従来の燃料電池システムとしては、図６に示すようなものが知られている。
この燃料電池システムは、
液体原燃料（例えば水・メタノール混合液）を蒸発させた原燃料ガスと空気とを用いて改質ガスを生成する改質器１００ａと、前記改質器１００ａで生成した改質ガス中の一酸化炭素ＣＯを選択酸化して低減するＣＯ除去器１００ｂと、前記ＣＯ除去器１００ｂの前後に設けられ、改質ガス及び燃料ガスの温度を所定の温度にコントロールする熱交換器１００ｃ，１００ｄとから構成される反応器１００と、
前記反応器１００からアノード極に供給される燃料ガス中に含まれる水素とＳ／Ｃ(スーパーチャージャ)１０２からカソード極に供給される空気中に含まれる酸素とを反応させて発電を行う燃料電池１０１と、
前記燃料電池１０１のカソード極に空気を供給するＳ／Ｃ(スーパーチャージャ)１０２と、
前記燃料電池１０１から排出される排気ガスを燃焼する触媒燃焼器１０３と、前記触媒燃焼器１０３で発生させた燃焼ガスの熱を利用して、前記燃料ガスの原料となる前記液体原燃料を蒸発させる蒸発器１０４と、
から主要部が構成される。
【０００４】
このように構成される燃料電池システムの作用について説明する。
最初に液体原燃料（例えば水・メタノール混合液）が蒸発器１０４の図示しない原燃料噴射装置に供給されて蒸発室内に噴射される。液体原燃料の蒸発用熱源としては、燃料電池１０１から排出されたガス（未利用の水素を含む燃料ガスと空気との混合ガス）を触媒燃焼器１０３において燃焼して生成した燃焼ガスが使用される。
蒸発器１０４で蒸発させた液体原燃料は、原燃料ガスとして改質器１００ａに供給される。
前記改質器１００ａに供給された原燃料ガスは、触媒層の入口で一部が空気酸化され、その際発生する酸化熱で触媒層の温度を上昇させた後、改質触媒により改質される。
生成した前記改質ガスは、熱交換器１００ｃで冷却された後、次工程に設けられたＣＯ除去器１００ｂに導入される。ＣＯ除去器１００ｂでは改質ガス中のＣＯが選択的に酸化され、ＣＯ濃度が１００ｐｐｍ以下に低減される。改質ガス中のＣＯ濃度が１００ｐｐｍ以下に低減された燃料ガスは、さらに熱交換器１００ｄで燃料電池１０１に適した温度に冷却された後、燃料電池１０１のアノード極に燃料ガスとして供給される。
【０００５】
燃料電池１０１では、前記ＣＯ除去器１００ｂから燃料電池１０１のアノード極に供給される燃料ガス中に含まれる水素と、Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）１０２によりカソード極に供給される空気中の酸素とが反応し、化学エネルギーを電気エネルギーとして取り出し発電する。
燃料電池１０１のアノード極及びカソード極から排出された排気ガスは、後段の触媒燃焼器１０３に導入されて触媒燃焼される。前記触媒燃焼器１０３で触媒燃焼されて発生する燃焼ガスは、再び蒸発器１０４の蒸発用熱源として利用される。液体原燃料を蒸発器１０４で蒸発させた燃焼ガスは燃焼排ガスとして外部に排出される。
【０００６】
このような構成と作用を有する従来の燃料電池システムは、改質器１００ａの改質触媒の温度をコントロールするために、図７に示すように、燃料電池１０１への要求出力に応じて改質器１００ａに供給する改質用空気流量Ｑ１mapを決定している。また、ＣＯ除去器１００ｂに供給するＣＯ除去用空気流量Ｑ２mapも燃料電池１０１への要求出力に応じて決定している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の改質触媒の温度をコントロールする方法では以下のような問題があった。
改質用空気の供給量を一定とした場合、改質触媒の温度は、燃料電池１０１の出力に応じて変化している。この燃料電池１０１の出力と改質触媒の温度との関係は、図８に示すように、燃料電池１０１の出力が大きいほど改質触媒の温度が高くなる比例関係にある。
しかし燃料電池１０１の出力やガス流量が変化する過渡状態では、改質触媒自身の熱マス（熱容量）や放熱があるため、改質触媒の温度が影響を受け、改質触媒の温度が所定の設定温度に至るまでには時間的な遅れを生じる。そのため一時的に設定温度との間に温度差が生じる。この温度差は、加減速の変化量が大きく、また加減速の変化率が大きいほど大きい。
【０００８】
例えば車両の過渡状態である加速時及び減速時における改質触媒の温度の挙動を図９に示す。これによれば、実際の改質触媒の温度は、
（１）加速時は、改質触媒の温度が低温から高温に変化するが、温度の応答遅れがあるため設定温度を下回る。
（２）一方、減速時は、反対に温度が高温から低温に変化するが、温度の応答遅れがあるため設定温度を上回る。
【０００９】
ここで、図１０に示すように、改質触媒の温度と改質ガス中の有害成分ＣＯ（一酸化炭素），ＴＨＣ(全炭化水素)の濃度とは密接な関係があるため、前記のように改質触媒の温度が一時的に変化し、設定温度と実際の改質触媒の温度の温度差が大きくなると、改質ガスの組成が悪化する恐れがあり、しいては燃料電池１０１にダメージ（例えばＣＯによる電極触媒の被毒）を与える恐れがあった。
尚、改質触媒の設定温度は、ＣＯ（一酸化炭素）濃度曲線とＴＨＣ(全炭化水素)濃度曲線とが交差した近傍の温度が決定される。
【００１０】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであって、燃料電池システムの改質手段で生成する改質ガスの組成を過渡状態においても安定化させることができ、かつ、燃料電池に供給される燃料ガスの組成も安定化させることができる燃料電池システムの制御方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための請求項１に係る燃料電池システムの制御方法の発明は、改質ガスからＣＯを除去して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され発電する燃料電池と、前記燃料電池の排気ガスを燃焼させ、この熱により前記改質ガスの原料を蒸発させる蒸発手段と、前記蒸発手段で蒸気化した原料を触媒反応により改質して前記改質ガスを生成する改質手段と、前記改質手段で生成した前記改質ガス中に存在するＣＯを触媒反応により除去するＣＯ除去手段とを備えた、車両に搭載される燃料電池システムにおいて、前記改質手段に空気を導入するとともに空気流量を制御する改質用空気の流量制御手段を設け、前記車両の加速時に、前記燃料電池に対する要求出力と前記燃料電池の現在の出力との差である出力変化量が大きいほど大きくなるように予め設定された補正係数を求め、予め設定された所定のマップにおける前記要求出力に対応する空気流量に対し、前記補正係数を掛け合わせることにより、補正された空気流量を求め、前記補正された空気流量となるように、前記流量制御手段は前記空気流量を増加させることを特徴とする制御方法である。
【００１２】
請求項１の発明によると、改質手段付き燃料電池システムにおいて、改質手段に空気を導入するとともに流量を制御する改質用空気の流量制御手段を設け、燃料電池に対する要求出力の変化に基づいて、前記改質用空気の流量制御手段から導入する空気流量に補正を加えて制御するようにしたので、過渡状態における改質ガスの組成を安定させながら燃料電池にもダメージを与えることなく運転をすることができる。
【００１３】
請求項２に係る燃料電池システムの制御方法の発明は、改質ガスからＣＯを除去して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され発電する燃料電池と、前記燃料電池の排気ガスを燃焼させ、この熱により前記改質ガスの原料を蒸発させる蒸発手段と、前記蒸発手段で蒸気化した原料を触媒反応により改質して前記改質ガスを生成する改質手段と、前記改質手段で生成した前記改質ガス中に存在するＣＯを触媒反応により除去するＣＯ除去手段と、を備えた、車両に搭載される燃料電池システムにおいて、前記改質手段に空気を導入するとともに空気流量を制御する改質用空気の流量制御手段を設け、前記車両の加速時に、前記燃料電池に対する要求出力と前記燃料電池の現在の出力との差である出力変化量についての時間あたりの出力変化率が大きいほど大きくなるように予め設定された補正係数を求め、予め設定された所定のマップにおける前記要求出力に対応する空気流量に対し、前記補正係数を掛け合わせることにより、補正された空気流量を求め、前記補正された空気流量となるように、前記流量制御手段は前記空気流量を増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法である。
【００１５】
請求項３に係る燃料電池システムの制御方法の発明は、改質ガスからＣＯを除去して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され発電する燃料電池と、前記燃料電池の排気ガスを燃焼させ、この熱により前記改質ガスの原料を蒸発させる蒸発手段と、前記蒸発手段で蒸気化した原料を触媒反応により改質して前記改質ガスを生成する改質手段と、前記改質手段で生成した前記改質ガス中に存在するＣＯを触媒反応により除去するＣＯ除去手段と、を備えた、車両に搭載される燃料電池システムにおいて、前記ＣＯ除去手段に供給される空気を導入するとともに空気流量を制御するＣＯ除去用空気の流量制御手段を設け、前記車両の加速時に、前記燃料電池に対する要求出力と前記燃料電池の現在の出力との差である出力変化量が大きいほど小さくなるように予め設定された補正係数を求め、予め設定された所定のマップにおける前記要求出力に対応する空気流量に対し、前記補正係数を掛け合わせることにより、補正された空気流量を求め、前記補正された空気流量となるように、前記流量制御手段は前記空気流量を減少させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法である。
【００１７】
請求項４に係る燃料電池システムの制御方法の発明は、改質ガスからＣＯを除去して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され発電する燃料電池と、前記燃料電池の排気ガスを燃焼させ、この熱により前記改質ガスの原料を蒸発させる蒸発手段と、前記蒸発手段で蒸気化した原料を触媒反応により改質して前記改質ガスを生成する改質手段と、前記改質手段で生成した前記改質ガス中に存在するＣＯを触媒反応により除去するＣＯ除去手段と、を備えた、車両に搭載される燃料電池システムにおいて、前記ＣＯ除去手段に供給される空気を導入するとともに空気流量を制御するＣＯ除去用空気の流量制御手段を設け、前記車両の加速時に、前記燃料電池に対する要求出力と前記燃料電池の現在の出力との差である出力変化量についての時間あたりの出力変化率が大きいほど小さくなるように予め設定された補正係数を求め、予め設定された所定のマップにおける前記要求出力に対応する空気流量に対し、前記補正係数を掛け合わせることにより、補正された空気流量を求め、前記補正された空気流量となるように、前記流量制御手段は前記空気流量を減少させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法である。
【００１９】
請求項５に係る燃料電池システムの制御方法の発明は、前記燃料電池が許容できる水素量から計算して求めた改質用空気の空気流量についての限界値を求め、前記補正された空気流量が前記限界値以下である場合、前記改質用空気の空気流量を前記補正された空気流量に設定し、前記補正された空気流量が前記限界値を超えている場合、前記改質用空気の空気流量を前記限界値に設定することを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池システムの制御方法である。
【００２１】
請求項６に係る燃料電池システムの発明は、改質ガスからＣＯを除去して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され発電する燃料電池と、前記燃料電池の排気ガスを燃焼させ、この熱により前記改質ガスの原料を蒸発させる蒸発手段と、前記蒸発手段で蒸気化した原料を触媒反応により改質して前記改質ガスを生成する改質手段と、前記改質手段で生成した前記改質ガス中に存在するＣＯを触媒反応により除去するＣＯ除去手段と、を備えた、車両に搭載される燃料電池システムにおいて、前記ＣＯ除去手段に供給される空気を導入するとともに空気流量を制御するＣＯ除去用空気の流量制御手段を設け、前記車両の減速時に、前記燃料電池に対する要求出力と前記燃料電池の現在の出力との差である出力変化量が負の方向で大きいほど大きくなるように予め設定された補正係数を求め、予め設定された所定のマップにおける前記要求出力に対応する空気流量に対し、前記補正係数を掛け合わせることにより、補正された空気流量を求め、前記補正された空気流量となるように、前記流量制御手段は前記空気流量を増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法である。
【００２３】
請求項７に係る燃料電池システムの発明は、改質ガスからＣＯを除去して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され発電する燃料電池と、前記燃料電池の排気ガスを燃焼させ、この熱により前記改質ガスの原料を蒸発させる蒸発手段と、前記蒸発手段で蒸気化した原料を触媒反応により改質して前記改質ガスを生成する改質手段と、前記改質手段で生成した前記改質ガス中に存在するＣＯを触媒反応により除去するＣＯ除去手段と、を備えた、車両に搭載される燃料電池システムにおいて、前記ＣＯ除去手段に供給される空気を導入するとともに空気流量を制御するＣＯ除去用空気の流量制御手段を設け、前記車両の減速時に、前記燃料電池に対する要求出力と前記燃料電池の現在の出力との差である出力変化量についての時間あたりの出力変化率が負の方向で大きいほど大きくなるように予め設定された補正係数を求め、予め設定された所定のマップにおける前記要求出力に対応する空気流量に対し、前記補正係数を掛け合わせて補正された空気流量を求め、前記補正された空気流量となるように、前記流量制御手段は前記空気流量を増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法である。
また、請求項８に係る燃料電池システムの発明は、改質ガスからＣＯを除去して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され発電する燃料電池と、前記燃料電池の排気ガスを燃焼させ、この熱により前記改質ガスの原料を蒸発させる蒸発手段と、前記蒸発手段で蒸気化した原料を触媒反応により改質して前記改質ガスを生成する改質手段と、前記改質手段で生成した前記改質ガス中に存在するＣＯを触媒反応により除去するＣＯ除去手段と、を備えた、車両に搭載される燃料電池システムにおいて、前記改質手段に空気を導入するとともに空気流量を制御する改質用空気の流量制御手段を設け、前記車両の減速時に、前記燃料電池に対する要求出力と前記燃料電池の現在の出力との差である出力変化量が負の方向で大きいほど小さくなるように予め設定された補正係数を求め、予め設定された所定のマップにおける前記要求出力に対応する空気流量に対し、前記補正係数を掛け合わせることにより、補正された空気流量を求め、前記補正された空気流量となるように、前記流量制御手段は前記空気流量を減少させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法である。
さらに、請求項９に係る燃料電池システムの発明は、改質ガスからＣＯを除去して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され発電する燃料電池と、前記燃料電池の排気ガスを燃焼させ、この熱により前記改質ガスの原料を蒸発させる蒸発手段と、前記蒸発手段で蒸気化した原料を触媒反応により改質して前記改質ガスを生成する改質手段と、前記改質手段で生成した前記改質ガス中に存在するＣＯを触媒反応により除去するＣＯ除去手段と、を備えた、車両に搭載される燃料電池システムにおいて、前記改質手段に空気を導入するとともに空気流量を制御する改質用空気の流量制御手段を設け、前記車両の減速時に、前記燃料電池に対する要求出力と前記燃料電池の現在の出力との差である出力変化量についての時間あたりの出力変化率が負の方向で大きいほど小さくなるように予め設定された補正係数を求め、予め設定された所定のマップにおける前記要求出力に対応する空気流量に対し、前記補正係数を掛け合わせることにより、補正された空気流量を求め、前記補正された空気流量となるように、前記流量制御手段は前記空気流量を減少させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
車両に搭載された燃料電池システムに本発明に係る燃料電池システムの制御方法を適用した場合の第１実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明に係る燃料電池システム全体を示す構成図、図２は本発明に係る燃料電池システムにおいて、過渡状態における改質ガスの組成が悪化し燃料電池にダメージを与える恐れがある場合の改質用空気及びＣＯ除去用空気の空気流量の補正方法を示すフローチャートである。また、図３は本発明に係る燃料電池システムにおいて、過渡状態における改質ガスの組成の悪化が懸念されない場合の改質用空気及びＣＯ除去用空気の空気流量の補正方法を示すフローチャート、図４は本発明に係る燃料電池の出力変化量、出力変化率、補正時間との関係を説明するための図、図５は過渡状態で空気を増量した場合に改質ガス中の水素ガスが減ってしまい燃料電池にダメージを与える恐れがある場合の空気流量の補正方法を説明するためのフローチャートである。
【００２６】
最初に、車両に搭載される本発明に係る燃料電池システムの全体の構成について、図１を参照して説明する。
本発明に係る燃料電池システムは、
液体原燃料である水・メタノール混合液を蒸発手段である蒸発器５により蒸発させた原燃料ガスを、改質触媒により水素を含んだ改質ガスとして生成するための改質手段である改質器１ａと、前記改質器１ａで生成した改質ガス中の一酸化炭素ＣＯを選択的に酸化して燃料ガスとするＣＯ除去手段であるＣＯ除去器１ｂと、前記ＣＯ除去器１ｂの前後に設けられて改質ガス及び燃料ガスをそれぞれ所定の温度に制御する水冷式熱交換器１ｃ，１ｄとから形成される反応器１と、
前記反応器１から供給される燃料ガス中の水素とＳ／Ｃ(スーパーチャージャ)３から供給される酸化剤ガスである空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池２と、
前記燃料電池２から排出される未利用の前記燃料ガスと空気との混合ガスを燃焼する触媒燃焼器４と、
前記触媒燃焼器４で前記混合ガスを燃焼して発生させた燃焼ガスの熱で前記液体原燃料を蒸発させる蒸発器５と、
前記改質器１ａで使用される前記原燃料ガスの改質用空気を改質器１ａへ供給する流量制御手段ＡＶ１，ＡＶ２と、
前記ＣＯ除去器１ｂで使用されるＣＯ除去用空気をＣＯ除去器１ｂへ供給する流量制御手段ＡＶ３と、
から主要部が構成される。
【００２７】
反応器１は、液体原燃料である水・メタノール混合液から燃料電池２のアノード極に供給する燃料ガスを生成するための触媒反応装置である。反応器１は、改質器１ａと、ＣＯ除去器１ｂと、このＣＯ除去器１ｂの前後に設けられる熱交換器１ｃ，１ｄとから主要部が構成される。
改質器１ａは、液体原燃料である水・メタノール混合液を蒸発させた原燃料ガスと、流量制御手段ＡＶ１，ＡＶ２から供給される改質用空気とから水素を含んだ改質ガスを触媒反応により生成する。
尚、本発明で使用する「改質ガス」とは、改質器１で改質反応により発生したガスを意味し、「燃料ガス」とは、改質器１の次工程のＣＯ除去器２で「改質ガス」中のＣＯを選択的に酸化処理した後のガスであって、ＣＯ濃度が低濃度で、かつ、水素濃度が高いガスを意味する。
改質器１ａの改質部では、改質反応に必要な熱量が、触媒層の入口部における水・メタノール混合液を蒸発させた原燃料ガス中のメタノール蒸気の燃焼熱及び部分酸化熱により供給され（ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2→２Ｈ2Ｏ+ＣＯ2）、蒸発器５から導入された原燃料ガスが改質触媒により水蒸気と反応して水素と二酸化炭素とからなる改質ガスを生成する（ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2及びＣＨ3ＯＨ＋１／２Ｏ2→２Ｈ2＋ＣＯ2）。ここで、触媒としては、例えばＣｕ／Ｚｎからなる改質触媒が使用される。その反応温度は、２５０℃〜３００℃に保持される。
【００２８】
尚、改質器１ａにおいて改質反応を受けて得られる改質ガス中には、熱分解反応（ＣＨ3ＯＨ→２Ｈ2+ＣＯ）によって発生する１％近くの一酸化炭素が含有されており、そのまま燃料電池１のアノード極に供給すると、電極成分に付着して被毒を引き起こす。
そこで、この改質ガスを次工程のＣＯ除去器１ｂに導入し、選択酸化触媒の下で改質ガス中の一酸化炭素を酸化し、燃料電池２のアノード極に導入する燃料ガス中の一酸化炭素濃度を１００ｐｐｍ以下にまで低減することが行われる。ＣＯ除去器１ｂで使用されるＣＯ除去用空気は流量制御手段ＡＶ３から導入される。ここで使用される触媒は、例えば、Ａｕ／α−Ｆｅ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3であり、酸化反応（ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2）により改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する。反応温度は常に１８０℃以下に保持する必要がある。また、触媒にはＲｕやＰｔ系の触媒を用いても良い。この場合、反応温度は、１００〜２５０℃に保つ必要がある。
しかし、ＣＯ除去器１ｂでの酸化反応は強い発熱反応なので、ＣＯ除去器１ｂに導入されてくる改質ガスの温度が高いと急激に反応温度が上昇してしまうため、ＣＯ除去器１ｂの入口側には改質ガスを冷却するための水冷式熱交換器１ｃが設けられている。一方、ＣＯ除去器１ｂから燃料電池２のアノード極に供給される燃料ガスは、燃料電池２を運転する上で１００℃以下に冷却する必要があり、ＣＯ除去器１ｂの出口側には水冷式熱交換器１ｄが設けられている。
【００２９】
このように１００℃以下に冷却された改質ガスは、ＣＯ除去器１ｂで一酸化炭素量を１００ｐｐｍ以下に低減されて燃料電池用の燃料ガスとなり、水冷式熱交換器１ｄで８０℃前後に冷却された後、燃料電池２のアノード極に導入される。
【００３０】
燃料電池２は、固体高分子型の燃料電池であり、ＣＯ除去器１ｂから供給される燃料ガス中の水素とＳ／Ｃ（スーパーチャージャ）３から供給される酸化剤ガスである空気中の酸素とを反応させて発電する。反応式で示すと、下記の通りとなる。（１）式は、アノード極における反応を、（２）式は、カソード極における反応を示し、電池全体としては、（３）式に示す反応が進行する。このように、燃料電池２は、電池反応の進行に伴ってカソード極で生成水が生じる。通常、生じた生成水は、カソード極に供給されている空気中に気化し、未反応の空気とともに燃料電池２から排出される。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- ------------------（１）
２Ｈ+＋（１／２）Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ-------（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ----------------（３）
尚、固体高分子型の燃料電池２は、電解質層として、固体高分子膜を用い、この固体高分子膜を挟持する一対のガス拡散電極と、ガス拡散電極をさらに外側から挟持して燃料ガスと空気とを分離するセパレータとを有する単セルを複数積層した構造を備えている。
【００３１】
Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）３は、常温・常圧の酸化剤ガスである空気を吸引して加圧し、燃料電池２のカソード極に供給するための機械式過給機である。Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）３として容積型圧縮機例えばリショルム型の圧縮機などを使用することができる。
【００３２】
触媒燃焼器４は、蒸発器５の蒸発室の底部に隣接して設けられ、燃料電池２から排出される未利用の水素を含む燃料ガスと未利用の酸素を含む空気との混合ガスを触媒燃焼して、蒸発器５の蒸発用熱源となる燃焼ガスを発生させるためのものである。触媒としては、ハニカム形状の白金属系の触媒が用いられる。前記燃焼ガスは、後記する蒸発器５の蒸発室内に設けられるＵチューブ式熱交換器のチューブ側（配管の内側）に通流される。尚、燃焼器としては低温燃焼ができ、かつ、排ガスの発生量が少ない触媒燃焼器４が望ましいが、バーナ式燃焼器も使用できる。
【００３３】
蒸発器５は、蒸発器本体と原燃料噴射装置とから主要部が構成される。蒸発器本体は、蒸発室と蒸発室内に設けられたＵチューブ式熱交換器とから形成される。原燃料噴射装置は、インジェクタであり、蒸発室の上部に複数台設けられる。蒸発器５では、水・メタノール混合液が貯蔵タンク等からポンプを介して原燃料噴射装置に供給され、前記Ｕチューブ式熱交換器のシェル側（配管の外表面）に噴射されて原燃料ガスとして蒸発・ガス化され、前記原燃料ガスは次工程の改質反応に適した所定の蒸気温度（例えば２５０℃）となって改質器１ａへと導入される。
蒸発器５の蒸発用熱源としては、前記触媒燃焼器４で燃料電池２から排出される未利用の水素を含む燃料ガスと未利用の酸素を含む空気の混合ガスを燃焼したときに得られる燃焼ガスの保有熱が使用される。
【００３４】
流量制御手段ＡＶ１，ＡＶ２は、改質器１ａの改質反応に必要な改質用空気を改質器１ａに供給し、かつ、供給する空気流量を制御するための制御弁である。制御弁としては、なるべくレンジアビリティが大きく流量制御性の良いニードル弁やゲート弁等を使用するのが望ましい。
改質器１ａへの改質用空気の供給方法としては、図１に示すように、
（１）２つの流量制御手段ＡＶ１，ＡＶ２により同時に改質用空気を供給する方法、
（２）蒸発器５で液体原燃料を蒸発させるときに、前記液体原燃料を噴射する空気と一緒に改質用空気を流量制御手段ＡＶ１から供給する方法、
（３）改質器１ａに改質用空気を流量制御手段ＡＶ２から直接供給する方法、
とがある。
空気と原燃料ガスとを均一に混合して改質器１ａで反応させ、改質ガスの組成を均一にする意味からは、蒸発器５側から空気を導入する方法が良い。一方、温度応答性を良くする意味からは、改質器１ａ側から直接空気を導入する方法が良い。
これらの導入方法は必要に応じて適宜変更することが可能である。本発明の実施の形態では、（１）の方法を採用している。
【００３５】
流量制御手段ＡＶ３は、ＣＯ除去器１ｂのＣＯ除去反応に必要なＣＯ除去用空気をＣＯ除去器１ｂに供給し、かつ、供給する空気流量を制御するための制御弁である。制御弁としては、なるべくレンジアビリティが大きく流量制御性の良いニードル弁やゲート弁等を使用するのが望ましい。これら流量制御手段ＡＶ１，ＡＶ２及びＡＶ３は、制御弁の代わりに空気用インジェクタを使用しても良い。
【００３６】
尚、制御装置６は、電気的制御回路、又は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵ(又はＭＰＵ)及びＩ／Ｏ等を中心として構成されたマイクロコンピュータからなる電子制御ユニットである。この制御装置６の入力部には、アクセル開度センサ、バッテリ容量センサ等の燃料電池２の出力に関連する電気信号が入力され、これらの入力信号に基づく出力信号により燃料電池システムが制御される。
【００３７】
また、燃料電池２で発電した電気を使用する電力消費側には、回路に対して直列に電流計Ｉが設けられるとともに、回路に対して並列に電圧計Ｖが設けられており、燃料電池２の実出力の信号が制御装置６に送出できるようになっている。尚、燃料電池２で発電した電力は、インバータにより直流から交流に変換され電動機等を駆動する電力として使用される。
【００３８】
このように構成される燃料電池システムの作用について説明する、最初に液体原燃料である水・メタノール混合液が、貯蔵タンク等からポンプを介して蒸発器５の原燃料噴射装置に供給され、蒸発器本体の蒸発室内で噴射される。このとき燃料電池２の出力に対応して補正された改質用空気の一部の空気が改質用空気の流量制御手段ＡＶ１から蒸発器５に供給される。
蒸発器５で蒸発・ガス化された水・メタノール混合液は、次工程の改質反応に適した所定の温度（例えば２５０℃）を有する原燃料ガスとなり、改質器１ａに供給される。
改質器１ａに供給された原燃料ガスは、燃料電池２の出力に対応して流量が補正された改質用空気のうち、前記流量制御手段ＡＶ２から供給される残分と混合された後、改質触媒により改質ガスに改質される。改質ガスは、次工程に設けられたＣＯ除去器１ｂに供給される。ＣＯ除去器１ｂには、燃料電池２の出力に対応して流量が補正されたＣＯ除去用空気が流量制御手段ＡＶ３から供給され、改質ガス中のＣＯが選択的に酸化されて燃料電池用の燃料ガスとなる。前記燃料ガスは、燃料電池２のアノード極に供給される。一方、燃料電池２のカソード極にはＳ／Ｃ(スーパーチャージャ)３から酸化剤ガスである空気が供給される。
【００３９】
燃料電池２では、ＣＯ除去器１ｂから燃料電池２のアノード極に供給される燃料ガス中に含まれる水素と、カソード極に供給される空気中の酸素とを反応させて、化学エネルギーを電気エネルギーとして取り出し発電する。
【００４０】
燃料電池２から排出されるガス（未利用の水素を含む燃料ガスと未利用の酸素を含む空気の混合ガス）は、蒸発器５の蒸発用熱源となる燃焼ガスを発生させるため、蒸発器本体の蒸発室の底部に隣接して設けられた触媒燃焼器４へと導入される。触媒燃焼器４で燃料ガスを触媒燃焼することにより発生した燃焼ガスは、再び蒸発器５で液体原燃料である水・メタノール混合液を蒸発させて原燃料ガスとする。原燃料ガスは、流量制御手段ＡＶ１から供給される燃料電池２の出力に対応して補正された改質用空気の一部の空気と蒸発室内で混合された後、改質器１ａへと供給される。一方、燃焼ガスは蒸発器５から燃焼排ガスとして外部に排出される。
【００４１】
このような構成と作用を有する燃料電池システムに、本発明に係る燃料電池システムの制御方法を適用した場合の第１実施形態について図１、図２、図９及び図１０を参照して説明する。
第１実施形態の燃料電池システムの制御方法は、車両の加減速時において改質器１ａから生成される改質ガスの組成が一時的に悪化して燃料電池にダメージを与える恐れがある場合に、改質用空気流量又はＣＯ除去用空気流量を補正して一時的に増量する制御方法である。この制御方法は、改質ガス組成及び燃料ガスの安定化を目的として実施する。すなわち、
（ａ）車両の加速時は、改質触媒の熱マス等の影響により、図９に示す設定温度に対して改質触媒の温度が下回るため、図１０に示す改質ガス中の成分のうちＴＨＣ（全炭化水素）が増加してガス組成が悪化する傾向を有している。これは燃料の吹き抜けが一時的に多くなることを意味する。そこで低下ぎみの改質触媒温度を上昇させることにより、改質触媒を設定温度に近づけＴＨＣを減らすことを狙って、改質用空気を増加させ、改質触媒での酸化発熱を促すように空気流量制御を行う。
（ｂ）逆に車両の減速時には、改質触媒の熱マス等の影響により、図９に示す設定温度に対して改質触媒の温度が上回るため、図１０に示す改質ガス中の成分のうちＣＯ（一酸化炭素）が増加してガス組成が悪化する傾向を有する。そこで高ＣＯ濃度となった改質ガス中からより多くのＣＯを除去することを狙って、ＣＯ除去用空気流量を増加させ、ＣＯ酸化反応を促すように空気流量制御を行う。
尚、補正をかける時間は加減速中の時間内である。また、図１中のＲＧＡは改質ガスの組成を分析する分析計である。
[補正前の改質用空気流量及びＣＯ除去用空気流量の求め方]
（１）燃料電池２に要求される出力関連量が制御装置６（例えば電子制御ユニット）に入力される（Ｓ１）。尚、ここで言う出力関連量とは、燃料電池２の目標出力（例えばアクセル開度、バッテリの残容量などから算出する。）及び燃料電池２の実出力（燃料電池の発電電流Ｉ、発電電圧Ｖから算出する。）の両方を含む。
（２）Ｉ−Ｖ特性（電流−電圧特性）から燃料電池２の要求電流が算出される（Ｓ２）。
（３）燃料電池２の要求電流からカソード利用率及びアノード利用率が求まり（Ｓ３，Ｓ５）、カソード極に供給する空気流量及びアノード極に供給する必要のある燃料ガス流量（ＦＰ要求負荷）が算出される（Ｓ４，Ｓ６）。
ここで、カソード利用率は、カソード極で消費された空気流量／カソード極に供給された空気流量で定義される値である。
また、アノード利用率は、アノード極で消費された燃料ガス流量／アノード極に供給された燃料ガス流量で定義される値である。
（４）アノード極に必要な燃料ガス流量（ＦＰ要求負荷）から燃料噴射量が算出される（Ｓ７）。
（５）燃料噴射量に対する改質反応に必要な改質用空気流量Ｑ１mapと燃料噴射量に対する改質ガス中の一酸化炭素を除去するために必要なＣＯ除去用空気流量Ｑ２mapとをそれぞれのマップ（Ｓ８、Ｓ１０）から求める（Ｓ９，Ｓ１１）。
【００４２】
[空気流量の補正の方法]
（６）現在の燃料電池２の出力Ｐ２を電圧計Ｖ、電流計Ｉから検知する（Ｓ１２）。
（７）要求出力Ｐ１と現在の出力Ｐ２との差である出力変化量ΔＰ及び時間Ｔあたりの出力変化量ΔＰである出力変化率Ｒ１を求める（Ｓ１３，Ｓ１７）。
（８）出力変化量ΔＰと補正係数のマップ（Ｓ１４，Ｓ１５）から改質用空気流量Ｑ１map及びＣＯ除去用空気流量Ｑ２mapを補正するための補正係数Ｇ１，Ｇ２をそれぞれ求める（Ｓ１６）。
（９）出力変化率Ｒ１と補正係数のマップ（Ｓ１８，Ｓ１９）から改質用空気流量Ｑ１map及びＣＯ除去用空気流量Ｑ２mapを補正するための補正係数Ｇ３，Ｇ４をそれぞれ求める（Ｓ２０）。
（１０）車両の加速時は、上記（ａ）に基づき、以下のように改質用空気流量を増量するように補正係数をかける。
すなわち、出力変化量ΔＰ又は出力変化率Ｒ１が大きいほど改質用空気流量Ｑ１mapの補正係数Ｇ１×Ｇ３が大きくなるように設定し、その係数を初期のマップ値に掛け合わせることで空気流量を増量する（Ｓ２１）。一方、出力変化量ΔＰ及び出力変化率Ｒ１が小さい（０に近い）場合には、補正係数Ｇ１×Ｇ３を１に近づけて空気流量の増分を少なくするようにする。
（１１）これに対して車両の減速時は、上記（ｂ）に基づき、ＣＯ除去用空気流量を増量するように補正係数をかける。
すなわち、出力変化量ΔＰ又は出力変化率Ｒ１が負の方向で大きいほどＣＯ除去用空気流量Ｑ２mapの補正係数Ｇ２×Ｇ４が大きくなるように設定し、その係数を初期のマップ値に掛け合わせることで空気流量を増量する（Ｓ２１）。一方、出力変化量ΔＰ及び出力変化率Ｒ１が小さい（０に近い）場合には、補正係数Ｇ２×Ｇ４を１に近づけることで空気流量の増量分を少なくすることができる。
【００４３】
このようにして増量された空気流量を、加速時は、改質用空気の流量制御手段ＡＶ１，ＡＶ２からそれぞれ蒸発器５、改質器１ａに供給し、減速時は、ＣＯ除去用空気の流量制御手段ＡＶ３からＣＯ除去器１ｂに供給するようにしたことにより、過渡状態においても改質ガスの組成及び燃料ガスの組成を安定させることができ、燃料電池にダメージを与えることなく運転をすることができる。
【００４４】
次に、第２実施形態の燃料電池システムの制御方法について図１、図３、図９及び図１０を参照して説明する。
第２実施形態の燃料電池システムの制御方法は、車両の加減速時において改質触媒の温度が変化しても改質ガスの組成の悪化が懸念されない場合の空気流量の補正方法であり、改質触媒温度の変化に対し改質ガス組成の変化がさほど出ない系に好適である。その手法は、反応器に導入する改質用空気流量又はＣＯ除去用空気流量を補正して第１実施形態の場合とは逆に一時的に減量するものであり、ガス組成の安定化及びシステム効率の向上を狙って実施する。
すなわち、
（イ）車両の加速時は、改質触媒の熱マス等の影響により、図９に示す設定温度に対して改質触媒の温度が一時的に下回るため、図１０に示す改質ガス中の成分のうちＣＯ（一酸化炭素）が設定値よりも低下する。これは改質ガス中のＣＯ濃度が設定範囲に対し余裕を有することを意味する。そこで改質ガスからのＣＯ除去の緩和を許し、ＣＯ除去用空気流量を減量させるように空気流量制御を行う。その結果、ＣＯ酸化反応は抑制されＣＯ濃度は上昇するが、設定範囲内に収めることでガス組成が安定し、また、空気供給源であるＳ／Ｃ（スーパーチャージャ）３への投入電力がこれまでに比べて低減されるので、燃料電池システムの効率が向上する。
（ロ）逆に車両の減速時には、改質触媒の熱マス等の影響により、図９に示す設定温度に対して改質触媒の温度が一時的に上回る。これにより、改質反応の反応率が設定時よりも高くなり、図１０に示す改質ガス中の成分のうちＴＨＣ（全炭化水素）が設定値に対し余裕を有することを意味する。そこで改質ガス中のＴＨＣを許容し、改質用空気流量を減量させるように空気流量制御を行う。その結果、改質触媒での酸化発熱が抑制されＴＨＣ濃度は上昇するが、設定値内に収めることでガス組成が安定し、また空気供給元であるＳ／Ｃ（スーパーチャージャ）３への投入電力がこれまでに比べ低減されて、燃料電池システムの効率が向上する。
尚、補正をかける時間は加減速中の時間内である。
[補正前の改質用空気流量及びＣＯ除去用空気流量の求め方]
第２実施形態の補正前の改質用空気流量及びＣＯ除去用空気流量の求め方（Ｓ３０〜Ｓ４０）は、第１実施形態の補正前の改質用空気流量及びＣＯ除去用空気流量の求め方（Ｓ１〜Ｓ１１）と同じ方法なのでここでは説明を省略する。
尚、図７に示す従来の改質用空気流量及びＣＯ除去用空気流量の算出フローも同じ方法で改質用空気流量及びＣＯ除去用空気流量を求めたものである。
【００４５】
[空気流量の補正の方法]
（Ａ）現在の燃料電池２の出力Ｐ２を電圧計Ｖ、電流計Ｉから検知する（Ｓ４１）。
（Ｂ）要求出力Ｐ１と現在の出力Ｐ２との差である出力変化量ΔＰ及び時間Ｔあたりの出力変化量ΔＰである出力変化率Ｒ１を求める（Ｓ４２，Ｓ４６）。
（Ｃ）出力変化量ΔＰと補正係数のマップ（Ｓ４３，Ｓ４４）から改質用空気流量Ｑ１map及びＣＯ除去用空気流量Ｑ２mapを補正するための補正係数Ｇ５，Ｇ６をそれぞれ求める（Ｓ４５）。
（Ｄ）出力変化率Ｒ１と補正係数のマップ（Ｓ４７，Ｓ４８）から改質用空気流量Ｑ１map及びＣＯ除去用空気流量Ｑ２mapを補正するための補正係数Ｇ７，Ｇ８をそれぞれ求める（Ｓ４９）。
（Ｅ）車両の加速時は、上記（イ）に基づき、以下のような補正をかける。
すなわち、出力変化量ΔＰ又は出力変化率Ｒ１が大きいほどＣＯ除去用空気流量Ｑ２mapの補正係数Ｇ６×Ｇ８が小さくなるように設定し、その係数を初期のマップ値に掛け合わせることで空気流量を減量する（Ｓ５０）。一方、出力変化量ΔＰ及び出力変化率Ｒ１が小さい（０に近い）場合には、補正係数Ｇ６×Ｇ８を１に近づけることで空気流量の減量分を少なくすることができる。
（Ｆ）これに対して車両の減速時は、上記（ロ）に基づき、以下のような補正をかける。
すなわち、出力変化量ΔＰ又は出力変化率Ｒ１が負の方向で大きいほど改質用空気流量Ｑ１mapの補正係数Ｇ５×Ｇ７が小さくなるように設定し、その係数を初期のマップ値に掛け合わせることで空気流量を減量する（Ｓ５０）。一方、出力変化量ΔＰ及び出力変化率Ｒ１が小さい（０に近い）場合には、補正係数Ｇ５×Ｇ７を１に近づけることで空気流量の減量分を少なくすることができる。
【００４６】
このようにして減量された空気流量を、加速時は、改質用空気の流量制御手段ＡＶ１，ＡＶ２からそれぞれ蒸発器５、改質器１ａに供給し、減速時は、ＣＯ除去用空気の流量制御手段ＡＶ３からＣＯ除去器１ｂに供給するようにしたことにより、過渡状態においても改質ガスの組成及び燃料ガスの組成を安定させることができ、燃料電池２にダメージを与えることなく運転をすることができる。また、設定時よりも減量された空気を反応器１に導入するので、空気中の酸素と反応して消費される水素量が少なくなる。その結果、燃料電池２に余分に水素を送ることができるので、効率を上げることができる。
【００４７】
以上説明したように、車両の加減速時のような過渡状態において、改質ガスの組成が悪化する（ＣＯ濃度又はＴＨＣ濃度が上昇する）場合には、一時的に空気流量を増量することで改質ガスの組成及び燃料ガスの組成を安定させることができ、改質ガスの組成が変化しない場合には、一時的に空気流量を減量することで改質ガスの組成及び燃料ガスの組成を安定させることができる。
尚、補正係数を求めるときに使用した出力変化量ΔＰと補正時間Ｔと出力変化率Ｒ１との関係を参考のため図４に示しておく。
【００４８】
次に、第３実施形態の燃料電池システムの制御方法について図１及び図５を参照して説明する。
第１実施形態の燃料電池システムの制御方法のように空気流量を一時的に増量して反応器１に供給すると改質ガス中の水素が消費され減少するが、通常、この減少量は燃料電池２の許容範囲内であるため燃料電池２にダメージを与えることはほとんどない。しかし、改質ガス中の水素の消費量が多すぎて燃料電池２の許容範囲を超えてしまう場合には、以下に説明する第３実施形態の制御方法がさらに必要となる。尚、補正をかける時間は加減速中の時間内である。
【００４９】
〔加速時の補正〕
図５（ａ）を参照して加速時における空気流量の補正方法について説明する。
（１）第１実施形態の燃料電池システムの制御方法と同様に、出力変化量ΔＰと補正係数Ｇ１のマップ及び出力変化率Ｒ１と補正係数Ｇ３のマップから改質用空気流量Ｑ１mapを補正する補正係数Ｇ１×Ｇ３を求め、初期のマップから求めた空気流量に補正係数Ｇ１×Ｇ３をかけて補正を行い改質用空気流量Ｑ１airとする（Ｓ６０）。
（２）燃料電池２が許容できる水素量から計算して求めた燃料噴射量に対する改質用空気流量限界値のマップ（Ｓ６１）を使って実際に改質器１ａに供給できる改質用空気流量の限界値Ｑ１air limitを求める。
（３）補正した改質用空気流量Ｑ１airが改質用空気流量の限界値Ｑ１air limitを超えているかどうかを判断する（Ｓ６２）。
（４）改質用空気流量Ｑ１airが改質用空気流量の限界値Ｑ１air limit以下の場合は、改質用空気を改質用空気流量Ｑ１airに設定して改質器１ａに供給する（Ｓ６３）。
（５）改質用空気流流量Ｑ１airが改質用空気流量の限界値Ｑ１air limitを超えている場合は、改質用空気流量Ｑ１airを改質用空気流量の限界値Ｑ１air limitに置き換える（Ｓ６４）。
（６）次に、改質用空気流量の限界値Ｑ１air limitと改質用空気流量マップ値Ｑ１mapと出力変化量ΔＰから求めた補正係数Ｇ１とを使って、以下の式から限界出力変化率Ｇ３limitを算出する（Ｓ６５）。
Ｇ３limit＝Ｑ１air limit／（Ｑ１map×Ｇ１）
（７）さらに算出した限界出力変化率Ｇ３limitの値を使って、出力変化率Ｒ１に対する補正係数Ｇ３のマップから限界出力変化率Ｒ１limitを求める（Ｓ６６）。
（８）燃料電池２の要求負荷に対して、限界出力変化率Ｒ１limitの速度で出力変化を行うように運転して制御する（Ｓ６７）。
（９）改質用空気流量の限界値Ｑ１air limitを改質用空気流量Ｑ１airとして改質器１ａに導入する（Ｓ６８）。
【００５０】
〔減速時の補正〕
図５（ｂ）を参照して減速時における制御方法について説明する。
（１）第１実施形態の燃料電池システムの制御方法と同様に、出力変化量ΔＰと補正係数Ｇ２のマップ及び出力変化率Ｒ１と補正係数Ｇ４のマップからＣＯ除去用空気流量Ｑ２mapを補正する補正係数Ｇ２×Ｇ４を求め、初期のマップから求めた空気流量に補正係数Ｇ２×Ｇ４をかけて補正を行いＣＯ除去用空気流量Ｑ２airとする（Ｓ７０）。
（２）燃料電池２が許容できる水素量から計算して求めた燃料噴射量に対するＣＯ除去用空気流量の限界値のマップ（Ｓ７１）を使って実際にＣＯ除去１ｂに導入できるＣＯ除去用空気流量の限界値Ｑ２air limitを求める。
（３）補正したＣＯ除去用空気流量Ｑ２airがＣＯ除去用空気流量の限界値Ｑ２air limitを超えているかどうかを判断する（Ｓ７２）。
（４）ＣＯ除去用空気流量Ｑ２airがＣＯ除去用空気流量の限界値Ｑ２air limit以下の場合は、ＣＯ除去用空気をＣＯ除去用空気流量Ｑ２airに設定してＣＯ除去器１ｂに供給する（Ｓ７３）。
（５）ＣＯ除去用空気流量Ｑ２airがＣＯ除去用空気流量の限界値Ｑ２air limitを超えている場合は、ＣＯ除去用空気流量Ｑ２airをＣＯ除去用空気流量の限界値Ｑ２air limitに置き換える（Ｓ７４）。
（６）次に、ＣＯ除去用空気流量の限界値Ｑ１air limitとＣＯ除去用空気流量マップ値Ｑ２mapと出力変化量ΔＰから求めた補正係数Ｇ２とを使って、以下の式から限界出力変化率Ｇ４limitを算出する（７５）。
Ｇ４limit＝Ｑ２air limit／（Ｑ２ｍａｐ×Ｇ２）
（７）さらに算出した限界出力変化率Ｇ４limitの値を使って、出力変化率Ｒ２に対する補正係数Ｇ４のマップから限界出力変化率Ｒ２limitを求める（Ｓ７６）。
（８）燃料電池２の要求負荷に対して、限界出力変化率Ｒ２limitの速度で出力変化を行うように運転して制御する（Ｓ７７）。
（９）ＣＯ除去用空気流量の限界値Ｑ２air limitをＣＯ除去用空気流量Ｑ２airとしてＣＯ除去器１ｂに導入する（Ｓ７８）。
【００５１】
このように第３実施形態の制御方法を適用することにより、第１実施形態の燃料電池システムの制御方法のように空気流量を一時的に増量して反応器１に供給すると、改質ガス中の水素が消費され減少するが、このときの水素の消費量が多すぎて燃料電池２の許容範囲を超えてしまう場合であっても、改質ガスの組成及び燃料ガスの組成を安定させながら燃料電池２にダメージを与えずに運転することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上の構成と作用からなる本発明によれば、以下の効果を奏する。
（１）請求項１の発明によれば、改質手段付き燃料電池システムにおいて、改質手段に空気を導入するとともに流量を制御する改質用空気の流量制御手段を設け、燃料電池に対する要求出力の変化に基づいて、前記改質用空気の流量制御手段から導入する空気流量に補正を加えて制御するようにしたので、過渡状態における改質ガスの組成を安定させながら燃料電池にもダメージを与えることなく運転をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システム全体を示す構成図である。
【図２】本発明に係る燃料燃料電池システムにおいて、過渡状態における改質ガスの組成が悪化し燃料電池にダメージを与える恐れがある場合の改質用空気及びＣＯ除去用空気の空気流量の補正方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明に係る燃料電池システムにおいて、過渡状態における改質ガスの組成の悪化が懸念されない場合の改質用空気及びＣＯ除去用空気の空気流量の補正方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明に係る燃料電池の出力変化量、出力変化率、補正時間との関係を説明するための図である。
【図５】本発明に係わる燃料電池システムにおいて、過渡状態で空気を増量した場合に改質ガス中の水素ガスが減ってしまい燃料電池にダメージを与える恐れがある場合の空気流量の補正方法を説明するためのフローチャートである。（ａ）加速時の空気流量の補正方法を説明するためのフローチャートである。（ｂ）減速時の空気流量の補正方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】従来の燃料電池システム全体を示す構成図である。
【図７】従来の燃料電池システムにおける改質用空気流量及びＣＯ除去用空気流量を算出する算出フローである。
【図８】従来の燃料電池の出力に対する改質触媒の温度との関係を示す図である。
【図９】従来の加速時及び減速時における燃料電池の出力に対する改質触媒の温度を示す図である。
【図１０】従来の改質触媒温度と改質ガス中の有害成分濃度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 反応器
１ａ 改質器(改質手段)
１ｂ ＣＯ除去器（ＣＯ除去手段）
２ 燃料電池
３ Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）
４ 触媒燃焼器
５ 蒸発器(蒸発手段)
６ 制御装置
ＡＶ１，ＡＶ２，ＡＶ３ 流量制御手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control method of a fuel cell system that can stabilize the composition of fuel gas supplied from a reactor to a fuel cell even during a transition, and more particularly, a reforming means and a CO removal means of the reactor. The present invention relates to a control method for controlling the flow rate of air to be introduced.
[0002]
[Prior art]
The fuel cell system supplies the fuel gas containing hydrogen generated by the fuel reformer to the anode electrode (hydrogen electrode) of the fuel cell and supplies the oxidant gas containing oxygen to the cathode electrode (oxygen electrode) of the fuel cell. It is a power generation system with a fuel cell that generates electricity by supplying to the core. This fuel cell system directly converts chemical energy into electrical energy, and has recently attracted attention because of its high power generation efficiency and extremely low emission of harmful substances.
[0003]
A conventional fuel cell system as shown in FIG. 6 is known.
This fuel cell system
A reformer 100a that generates a reformed gas using raw fuel gas obtained by evaporating a liquid raw fuel (for example, water / methanol mixture) and air, and one of the reformed gases generated by the reformer 100a. A CO remover 100b for selectively oxidizing and reducing carbon oxide CO; and heat exchangers 100c and 100d provided before and after the CO remover 100b for controlling the temperatures of the reformed gas and the fuel gas to predetermined temperatures. A configured reactor 100;
A fuel cell that generates electricity by reacting hydrogen contained in the fuel gas supplied from the reactor 100 to the anode electrode and oxygen contained in the air supplied from the S / C (supercharger) 102 to the cathode electrode. 101,
An S / C (supercharger) 102 for supplying air to the cathode of the fuel cell 101;
A catalytic combustor 103 that combusts exhaust gas discharged from the fuel cell 101, and heat of the combustion gas generated by the catalytic combustor 103 is used to evaporate the liquid raw fuel that is a raw material of the fuel gas. Evaporator 104 to be
The main part consists of
[0004]
The operation of the fuel cell system configured as described above will be described.
First, a liquid raw fuel (for example, a water / methanol mixture) is supplied to a raw fuel injection device (not shown) of the evaporator 104 and injected into the evaporation chamber. As a heat source for evaporating the liquid raw fuel, a combustion gas generated by burning the gas discharged from the fuel cell 101 (a mixed gas of fuel gas containing unused hydrogen and air) in the catalytic combustor 103 is used. The
The liquid raw fuel evaporated by the evaporator 104 is supplied to the reformer 100a as raw fuel gas.
The raw fuel gas supplied to the reformer 100a is partially oxidized with air at the inlet of the catalyst layer, and the temperature of the catalyst layer is increased by the oxidation heat generated at that time, and then reformed by the reforming catalyst. The
The generated reformed gas is cooled by the heat exchanger 100c and then introduced into the CO remover 100b provided in the next step. In the CO remover 100b, CO in the reformed gas is selectively oxidized, and the CO concentration is reduced to 100 ppm or less. The fuel gas in which the CO concentration in the reformed gas is reduced to 100 ppm or less is further cooled to a temperature suitable for the fuel cell 101 by the heat exchanger 100d, and then supplied to the anode electrode of the fuel cell 101 as the fuel gas. .
[0005]
In the fuel cell 101, hydrogen contained in the fuel gas supplied from the CO remover 100b to the anode electrode of the fuel cell 101, oxygen in the air supplied to the cathode electrode by the S / C (supercharger) 102, and React to extract chemical energy as electrical energy and generate electricity.
Exhaust gas discharged from the anode and cathode of the fuel cell 101 is introduced into the subsequent catalytic combustor 103 and catalytically combusted. The combustion gas generated by catalytic combustion in the catalytic combustor 103 is used again as an evaporation heat source for the evaporator 104. The combustion gas obtained by evaporating the liquid raw fuel with the evaporator 104 is discharged to the outside as combustion exhaust gas.
[0006]
The conventional fuel cell system having such a configuration and operation is reformed in accordance with a required output to the fuel cell 101 as shown in FIG. 7 in order to control the temperature of the reforming catalyst of the reformer 100a. Air flow Q1 for reforming supplied to the vessel 100amapIs determined. Also, the CO removal air flow Q2 supplied to the CO remover 100b.mapIs also determined according to the required output to the fuel cell 101.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional method for controlling the temperature of the reforming catalyst has the following problems.
When the supply amount of reforming air is constant, the temperature of the reforming catalyst changes according to the output of the fuel cell 101. The relationship between the output of the fuel cell 101 and the temperature of the reforming catalyst is proportional to the temperature of the reforming catalyst increasing as the output of the fuel cell 101 increases, as shown in FIG.
However, in a transient state where the output of the fuel cell 101 and the gas flow rate change, there is a thermal mass (heat capacity) or heat dissipation of the reforming catalyst itself, so that the temperature of the reforming catalyst is affected, and the temperature of the reforming catalyst becomes a predetermined temperature. There is a time delay until the set temperature is reached. Therefore, a temperature difference is temporarily generated between the set temperature. This temperature difference increases as the amount of change in acceleration / deceleration increases and the rate of change in acceleration / deceleration increases.
[0008]
For example, FIG. 9 shows the temperature behavior of the reforming catalyst during acceleration and deceleration, which is a transient state of the vehicle. According to this, the actual reforming catalyst temperature is
(1) During acceleration, the temperature of the reforming catalyst changes from a low temperature to a high temperature, but falls below the set temperature because of a temperature response delay.
(2) On the other hand, at the time of deceleration, the temperature changes from a high temperature to a low temperature, but exceeds the set temperature because of a temperature response delay.
[0009]
Here, as shown in FIG. 10, since the temperature of the reforming catalyst and the concentration of harmful components CO (carbon monoxide) and THC (total hydrocarbons) in the reformed gas are closely related, as described above. If the temperature of the reforming catalyst changes temporarily and the temperature difference between the set temperature and the actual reforming catalyst temperature increases, the composition of the reformed gas may be deteriorated, resulting in damage to the fuel cell 101. (For example, there is a risk of poisoning the electrode catalyst by CO).
The set temperature of the reforming catalyst is determined in the vicinity of the intersection of the CO (carbon monoxide) concentration curve and the THC (total hydrocarbons) concentration curve.
[0010]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and can stabilize the composition of the reformed gas generated by the reforming means of the fuel cell system even in a transient state. It is an object of the present invention to provide a control method for a fuel cell system that can stabilize the composition of the supplied fuel gas.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
  An invention of a control method of a fuel cell system according to claim 1 for solving the above-mentioned problems is a fuel cell for generating electricity by supplying a fuel gas obtained by removing CO from a reformed gas and an oxidant gas, and Evaporating means for combusting exhaust gas of the fuel cell and evaporating the raw material of the reformed gas by this heat, and reforming for generating the reformed gas by reforming the raw material vaporized by the evaporating means by catalytic reaction And CO removal means for removing CO present in the reformed gas produced by the reforming means by catalytic reaction.Mounted on the vehicleIn the fuel cell system, there is provided a flow control means for reforming air for introducing air into the reforming means and controlling the air flow rate,During acceleration of the vehicle,A correction coefficient that is set in advance so as to increase as the output change amount, which is the difference between the required output for the fuel cell and the current output of the fuel cell, increases, and the required output in a predetermined map set in advance is obtained. The corrected air flow rate is obtained by multiplying the corresponding air flow rate by the correction coefficient, and the flow rate control means increases the air flow rate so as to obtain the corrected air flow rate. This is a control method.
[0012]
According to the first aspect of the present invention, in the fuel cell system with the reforming means, the flow rate control means for reforming air for introducing the air into the reforming means and controlling the flow rate is provided, and based on the change in the required output to the fuel cell. Thus, the air flow rate introduced from the reforming air flow rate control means is corrected and controlled so that the composition of the reformed gas in the transient state is stabilized and the fuel cell is not damaged. Can do.
[0013]
  An invention of a control method for a fuel cell system according to claim 2 comprises a fuel cell that is supplied with a fuel gas obtained by removing CO from the reformed gas and an oxidant gas to generate electricity, and an exhaust gas from the fuel cell. Evaporating means for combusting and evaporating the raw material of the reformed gas by this heat; reforming means for generating the reformed gas by reforming the raw material vaporized by the evaporating means by catalytic reaction; and the reforming And CO removing means for removing CO present in the reformed gas produced by the means by catalytic reaction.Mounted on the vehicleIn the fuel cell system, there is provided a flow control means for reforming air for introducing air into the reforming means and controlling the air flow rate,During acceleration of the vehicle,A correction coefficient that is set in advance so as to increase as the output change rate per hour with respect to the output change amount that is the difference between the required output for the fuel cell and the current output of the fuel cell is determined and set in advance. By multiplying the air flow rate corresponding to the required output in a predetermined map by the correction coefficient, a corrected air flow rate is obtained, and the flow rate control means is configured to obtain the corrected air flow rate. A control method of a fuel cell system, characterized by increasing a flow rate.
[0015]
  According to a third aspect of the present invention, there is provided a control method for a fuel cell system comprising: a fuel cell that is supplied with a fuel gas obtained by removing CO from a reformed gas and an oxidant gas to generate power; and an exhaust gas from the fuel cell. Evaporating means for combusting and evaporating the raw material of the reformed gas by this heat; reforming means for generating the reformed gas by reforming the raw material vaporized by the evaporating means by catalytic reaction; and the reforming And CO removing means for removing CO present in the reformed gas produced by the means by catalytic reaction.Mounted on the vehicleIn the fuel cell system, provided is a flow rate control means for CO removal air for introducing the air supplied to the CO removal means and controlling the air flow rate,During acceleration of the vehicle,A preset correction coefficient is obtained so that the larger the output change amount, which is the difference between the required output for the fuel cell and the current output of the fuel cell, is larger, and the required output in the predetermined map set in advance is obtained. The corrected air flow rate is obtained by multiplying the corresponding air flow rate by the correction coefficient, and the flow rate control means decreases the air flow rate so as to obtain the corrected air flow rate. This is a control method for a fuel cell system.
[0017]
  According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a control method for a fuel cell system comprising: a fuel cell that is supplied with a fuel gas obtained by removing CO from a reformed gas and an oxidant gas to generate power; and an exhaust gas from the fuel cell. Evaporating means for combusting and evaporating the raw material of the reformed gas by this heat; reforming means for generating the reformed gas by reforming the raw material vaporized by the evaporating means by catalytic reaction; and the reforming And CO removing means for removing CO present in the reformed gas produced by the means by catalytic reaction.Mounted on the vehicleIn the fuel cell system, provided is a flow rate control means for CO removal air for introducing the air supplied to the CO removal means and controlling the air flow rate,During acceleration of the vehicle,A correction coefficient set in advance so as to decrease as the output change rate per hour with respect to the output change amount, which is the difference between the required output for the fuel cell and the current output of the fuel cell, is determined and set in advance. By multiplying the air flow rate corresponding to the required output in a predetermined map by the correction coefficient, a corrected air flow rate is obtained, and the flow rate control means is configured to obtain the corrected air flow rate. A control method for a fuel cell system, wherein the flow rate is reduced.
[0019]
  The invention of the fuel cell system control method according to claim 5 comprises:A limit value for the air flow rate of the reforming air obtained by calculating from the hydrogen amount allowable by the fuel cell is obtained, and when the corrected air flow rate is equal to or less than the limit value, the air of the reforming air The flow rate is set to the corrected air flow rate, and when the corrected air flow rate exceeds the limit value, the air flow rate of the reforming air is set to the limit value. Item 3. A method for controlling a fuel cell system according to item 1 or 2It is.
[0021]
  The invention of the fuel cell system according to claim 6 is a fuel cell that is supplied with a fuel gas and an oxidant gas obtained by removing CO from the reformed gas and generates power, and combusts the exhaust gas of the fuel cell, Evaporating means for evaporating the raw material of the reformed gas by this heat, reforming means for generating the reformed gas by reforming the raw material vaporized by the evaporating means by catalytic reaction, and generated by the reforming means And CO removal means for removing CO present in the reformed gas by catalytic reaction.Mounted on the vehicleIn the fuel cell system, provided is a flow rate control means for CO removal air for introducing the air supplied to the CO removal means and controlling the air flow rate,When the vehicle decelerates,A preset correction coefficient is obtained so that the output change amount, which is the difference between the required output for the fuel cell and the current output of the fuel cell, increases in the negative direction. The corrected air flow rate is obtained by multiplying the air flow rate corresponding to the required output by the correction coefficient, and the flow rate control means increases the air flow rate so as to obtain the corrected air flow rate. This is a control method of a fuel cell system.
[0023]
  The invention of the fuel cell system according to claim 7 comprises a fuel cell that is supplied with a fuel gas and an oxidant gas obtained by removing CO from the reformed gas and generates power, and combusts the exhaust gas of the fuel cell, Evaporating means for evaporating the raw material of the reformed gas by this heat, reforming means for generating the reformed gas by reforming the raw material vaporized by the evaporating means by catalytic reaction, and generated by the reforming means And CO removal means for removing CO present in the reformed gas by catalytic reaction.Mounted on the vehicleIn the fuel cell system, provided is a flow rate control means for CO removal air for introducing the air supplied to the CO removal means and controlling the air flow rate,When the vehicle decelerates,Obtain a correction coefficient that is set in advance so as to increase as the output change rate per hour for the output change amount that is the difference between the required output for the fuel cell and the current output of the fuel cell increases in the negative direction, The flow rate control means obtains a corrected air flow rate by multiplying the air flow rate corresponding to the required output in a predetermined map set in advance by the correction coefficient so as to obtain the corrected air flow rate. A control method for a fuel cell system, wherein the air flow rate is increased.
  The invention of a fuel cell system according to claim 8 is a fuel cell for generating power by supplying a fuel gas obtained by removing CO from the reformed gas and an oxidant gas, and burning the exhaust gas of the fuel cell. Evaporating means for evaporating the raw material of the reformed gas by this heat, reforming means for reforming the raw material vaporized by the evaporating means by a catalytic reaction to generate the reformed gas, and the reforming means And CO removal means for removing CO present in the reformed gas produced in step 1 by catalytic reaction.Mounted on the vehicleIn the fuel cell system, there is provided a flow control means for reforming air for introducing air into the reforming means and controlling the air flow rate,When the vehicle decelerates,A preset correction coefficient is obtained so that the output change amount, which is the difference between the required output for the fuel cell and the current output of the fuel cell, is larger in the negative direction, and the predetermined correction map is used. The corrected air flow rate is obtained by multiplying the air flow rate corresponding to the required output by the correction coefficient, and the flow rate control means decreases the air flow rate so as to obtain the corrected air flow rate. This is a control method of a fuel cell system.
  Further, the invention of the fuel cell system according to claim 9 is directed to a fuel cell that is supplied with a fuel gas and an oxidant gas obtained by removing CO from the reformed gas, and burns the exhaust gas of the fuel cell. Evaporating means for evaporating the raw material of the reformed gas by this heat, reforming means for reforming the raw material vaporized by the evaporating means by a catalytic reaction to generate the reformed gas, and the reforming means And CO removal means for removing CO present in the reformed gas produced in step 1 by catalytic reaction.Mounted on the vehicleIn the fuel cell system, there is provided a flow control means for reforming air for introducing air into the reforming means and controlling the air flow rate,When the vehicle decelerates,Obtain a correction coefficient that is set in advance so that the output change rate per time for the output change amount that is the difference between the required output for the fuel cell and the current output of the fuel cell is smaller in the negative direction, The flow rate control is performed such that the corrected air flow rate is obtained by multiplying the air flow rate corresponding to the required output in a predetermined map set in advance by the correction coefficient, and the corrected air flow rate is obtained. The means is a method for controlling a fuel cell system, wherein the air flow rate is reduced.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment in which a control method for a fuel cell system according to the present invention is applied to a fuel cell system mounted on a vehicle will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing the entire fuel cell system according to the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing a case where the reformed gas composition in a transient state may deteriorate and damage the fuel cell in the fuel cell system according to the present invention. It is a flowchart which shows the correction | amendment method of the air flow rate of reforming air and CO removal air. FIG. 3 is a flowchart showing a method for correcting the air flow rates of reforming air and CO removal air when there is no concern about deterioration of the reformed gas composition in a transient state in the fuel cell system according to the present invention. FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between the output change amount, the output change rate, and the correction time of the fuel cell according to the present invention, and FIG. 5 shows that hydrogen gas in the reformed gas decreases when air is increased in a transient state. It is a flowchart for demonstrating the correction | amendment method of an air flow rate when there exists a possibility of damaging a fuel cell.
[0026]
First, the overall configuration of the fuel cell system according to the present invention mounted on a vehicle will be described with reference to FIG.
A fuel cell system according to the present invention includes:
Reforming as reforming means for generating raw fuel gas obtained by evaporating water / methanol mixed liquid as liquid raw fuel by an evaporator 5 as evaporating means as reformed gas containing hydrogen by a reforming catalyst A CO remover 1b that is a CO removal means that selectively oxidizes carbon monoxide CO in the reformed gas produced by the reformer 1a to form a fuel gas, and before and after the CO remover 1b A reactor 1 formed from water-cooled heat exchangers 1c and 1d that are respectively provided to control the reformed gas and the fuel gas at predetermined temperatures;
A fuel cell 2 that generates electricity by reacting hydrogen in the fuel gas supplied from the reactor 1 with oxygen in the air that is an oxidant gas supplied from an S / C (supercharger) 3;
A catalytic combustor 4 for combusting a mixed gas of unused fuel gas and air discharged from the fuel cell 2;
An evaporator 5 for evaporating the liquid raw fuel with heat of combustion gas generated by burning the mixed gas in the catalytic combustor 4;
Flow rate control means AV1, AV2 for supplying reforming air for the raw fuel gas used in the reformer 1a to the reformer 1a;
Flow rate control means AV3 for supplying CO removal air used in the CO remover 1b to the CO remover 1b;
The main part consists of
[0027]
The reactor 1 is a catalytic reaction device for generating a fuel gas to be supplied to the anode electrode of the fuel cell 2 from a water / methanol mixed liquid that is a liquid raw fuel. The reactor 1 includes a reformer 1a, a CO remover 1b, and heat exchangers 1c and 1d provided before and after the CO remover 1b.
The reformer 1a catalyzes a reformed gas containing hydrogen from a raw fuel gas obtained by evaporating a liquid mixture of water and methanol, which is a liquid raw fuel, and reforming air supplied from the flow rate control means AV1 and AV2. Produced by reaction.
The “reformed gas” used in the present invention means a gas generated by a reforming reaction in the reformer 1, and the “fuel gas” means a CO remover 2 in the next process of the reformer 1. The gas after selectively oxidizing CO in the “reformed gas” means a gas having a low CO concentration and a high hydrogen concentration.
In the reforming section of the reformer 1a, the amount of heat required for the reforming reaction is supplied by the combustion heat and partial oxidation heat of methanol vapor in the raw fuel gas obtained by evaporating the water / methanol mixture at the inlet of the catalyst layer. (CHThreeOH + 3 / 2O2→ 2H2O + CO2), The raw fuel gas introduced from the evaporator 5 reacts with water vapor by the reforming catalyst to generate a reformed gas composed of hydrogen and carbon dioxide (CHThreeOH + H2O → 3H2+ CO2And CHThreeOH + 1 / 2O2→ 2H2+ CO2). Here, as the catalyst, for example, a reforming catalyst made of Cu / Zn is used. The reaction temperature is maintained at 250 ° C to 300 ° C.
[0028]
In the reformed gas obtained by the reforming reaction in the reformer 1a, the thermal decomposition reaction (CHThreeOH → 2H2Nearly 1% carbon monoxide generated by + CO) is contained, and if supplied to the anode electrode of the fuel cell 1 as it is, it adheres to the electrode components and causes poisoning.
Therefore, this reformed gas is introduced into the CO remover 1b in the next step, carbon monoxide in the reformed gas is oxidized under the selective oxidation catalyst, and one of the fuel gases introduced into the anode electrode of the fuel cell 2 is introduced. The carbon oxide concentration is reduced to 100 ppm or less. The CO removal air used in the CO remover 1b is introduced from the flow rate control means AV3. The catalyst used here is, for example, Au / α-Fe.2OThree/ Al2OThreeAnd oxidation reaction (CO + 1 / 2O2→ CO2) To oxidize carbon monoxide in the reformed gas to carbon dioxide. The reaction temperature must always be kept below 180 ° C. Further, a Ru or Pt catalyst may be used as the catalyst. In this case, the reaction temperature needs to be kept at 100 to 250 ° C.
However, since the oxidation reaction in the CO remover 1b is a strong exothermic reaction, if the temperature of the reformed gas introduced into the CO remover 1b is high, the reaction temperature rapidly increases. On the side, a water-cooled heat exchanger 1c for cooling the reformed gas is provided. On the other hand, the fuel gas supplied from the CO remover 1b to the anode electrode of the fuel cell 2 needs to be cooled to 100 ° C. or lower when the fuel cell 2 is operated. A heat exchanger 1d is provided.
[0029]
The reformed gas thus cooled to 100 ° C. or lower is reduced to 100 ppm or less in the amount of carbon monoxide by the CO remover 1b to become a fuel gas for the fuel cell, and is about 80 ° C. by the water-cooled heat exchanger 1d. After being cooled, the fuel cell 2 is introduced into the anode electrode.
[0030]
The fuel cell 2 is a polymer electrolyte fuel cell, and hydrogen in the fuel gas supplied from the CO remover 1 b and oxygen in the air that is an oxidant gas supplied from the S / C (supercharger) 3. To generate electricity. The reaction formula is as follows. Formula (1) represents the reaction at the anode electrode, Formula (2) represents the reaction at the cathode electrode, and the reaction shown in Formula (3) proceeds as the entire battery. Thus, in the fuel cell 2, produced water is generated at the cathode electrode as the cell reaction proceeds. Usually, the produced water is vaporized in the air supplied to the cathode electrode and discharged from the fuel cell 2 together with the unreacted air.
H2→ 2H++ 2e-      ------------------ (1)
2H++ (1/2) O2+ 2e-→ H2O ------- (2)
H2+ (1/2) O2→ H2O ---------------- (3)
The solid polymer type fuel cell 2 uses a solid polymer membrane as an electrolyte layer, a pair of gas diffusion electrodes that sandwich the solid polymer membrane, and a gas diffusion electrode that is further sandwiched from the outside. And a structure in which a plurality of single cells having separators for separating air are stacked.
[0031]
The S / C (supercharger) 3 is a mechanical supercharger that sucks and pressurizes air, which is an oxidant gas at normal temperature and normal pressure, and supplies it to the cathode electrode of the fuel cell 2. As the S / C (supercharger) 3, a positive displacement compressor such as a Rishorum type compressor can be used.
[0032]
The catalytic combustor 4 is provided adjacent to the bottom of the evaporation chamber of the evaporator 5, and catalyzes a mixed gas of fuel gas containing unused hydrogen and air containing unused oxygen discharged from the fuel cell 2. It is for burning and generating the combustion gas used as the evaporation heat source of the evaporator 5. As the catalyst, a honeycomb-shaped white metal catalyst is used. The combustion gas is passed to the tube side (inside the piping) of a U tube heat exchanger provided in an evaporation chamber of the evaporator 5 described later. As the combustor, the catalytic combustor 4 that can perform low-temperature combustion and generates a small amount of exhaust gas is desirable, but a burner type combustor can also be used.
[0033]
The evaporator 5 is mainly composed of an evaporator body and a raw fuel injection device. The evaporator main body is formed from an evaporation chamber and a U-tube heat exchanger provided in the evaporation chamber. The raw fuel injection device is an injector, and a plurality of raw fuel injection devices are provided above the evaporation chamber. In the evaporator 5, water / methanol mixture is supplied from a storage tank or the like to the raw fuel injection device via a pump, and is injected into the shell side (outer surface of the pipe) of the U-tube heat exchanger to be raw fuel gas. The raw fuel gas is introduced into the reformer 1a at a predetermined vapor temperature (for example, 250 ° C.) suitable for the reforming reaction in the next step.
As an evaporation heat source of the evaporator 5, combustion obtained when the catalyst combustor 4 burns a mixed gas of fuel gas containing unused hydrogen and air containing unused oxygen discharged from the fuel cell 2. The retained heat of the gas is used.
[0034]
The flow rate control means AV1 and AV2 are control valves for supplying the reforming air necessary for the reforming reaction of the reformer 1a to the reformer 1a and for controlling the flow rate of the supplied air. As the control valve, it is desirable to use a needle valve, a gate valve or the like having a large range ability and good flow rate control as much as possible.
As a method of supplying reforming air to the reformer 1a, as shown in FIG.
(1) A method of supplying reforming air simultaneously by two flow rate control means AV1, AV2,
(2) A method of supplying reforming air from the flow rate control means AV1 together with air for injecting the liquid raw fuel when the liquid raw fuel is evaporated by the evaporator 5;
(3) A method of directly supplying reforming air to the reformer 1a from the flow rate control means AV2.
There is.
In order to make the composition of the reformed gas uniform by mixing the air and the raw fuel gas uniformly in the reformer 1a, a method of introducing air from the evaporator 5 side is preferable. On the other hand, from the viewpoint of improving temperature responsiveness, a method of directly introducing air from the reformer 1a side is preferable.
These introduction methods can be appropriately changed as necessary. In the embodiment of the present invention, the method (1) is adopted.
[0035]
The flow rate control means AV3 is a control valve for supplying the CO removal air necessary for the CO removal reaction of the CO remover 1b to the CO remover 1b and controlling the flow rate of the supplied air. As the control valve, it is desirable to use a needle valve, a gate valve or the like having a large range ability and good flow rate control as much as possible. These flow rate control means AV1, AV2 and AV3 may use air injectors instead of the control valves.
[0036]
The control device 6 is an electronic control unit composed of an electric control circuit or a microcomputer mainly composed of RAM, ROM, CPU (or MPU), I / O, and the like. Electric signals related to the output of the fuel cell 2 such as an accelerator opening sensor and a battery capacity sensor are input to the input unit of the control device 6, and the fuel cell system is controlled by output signals based on these input signals. .
[0037]
In addition, on the power consumption side that uses electricity generated by the fuel cell 2, an ammeter I is provided in series with the circuit, and a voltmeter V is provided in parallel with the circuit. The actual output signal can be sent to the control device 6. The electric power generated by the fuel cell 2 is converted from direct current to alternating current by an inverter and used as electric power for driving an electric motor or the like.
[0038]
The operation of the fuel cell system configured in this manner will be described. First, a water / methanol mixture, which is a liquid raw fuel, is supplied from a storage tank or the like to a raw fuel injection device of the evaporator 5 via a pump, and evaporated. Injected in the evaporation chamber of the main body At this time, a part of the reforming air corrected in accordance with the output of the fuel cell 2 is supplied to the evaporator 5 from the reforming air flow rate control means AV1.
The water / methanol mixed solution evaporated and gasified by the evaporator 5 becomes a raw fuel gas having a predetermined temperature (for example, 250 ° C.) suitable for the reforming reaction in the next step, and is supplied to the reformer 1a.
The raw fuel gas supplied to the reformer 1a is mixed with the remainder supplied from the flow rate control means AV2 in the reforming air whose flow rate is corrected in accordance with the output of the fuel cell 2. The reforming gas is reformed by the reforming catalyst. The reformed gas is supplied to the CO remover 1b provided in the next step. The CO remover 1b is supplied with CO removal air whose flow rate is corrected in accordance with the output of the fuel cell 2 from the flow rate control means AV3, and CO in the reformed gas is selectively oxidized to be used for the fuel cell. It becomes the fuel gas. The fuel gas is supplied to the anode electrode of the fuel cell 2. On the other hand, air as an oxidant gas is supplied from the S / C (supercharger) 3 to the cathode electrode of the fuel cell 2.
[0039]
In the fuel cell 2, hydrogen contained in the fuel gas supplied from the CO remover 1b to the anode electrode of the fuel cell 2 and oxygen in the air supplied to the cathode electrode are reacted to convert chemical energy into electric energy. To generate electricity.
[0040]
The gas discharged from the fuel cell 2 (a mixed gas of fuel gas containing unused hydrogen and air containing unused oxygen) generates combustion gas that becomes a heat source for evaporation of the evaporator 5. Is introduced into a catalytic combustor 4 provided adjacent to the bottom of the evaporation chamber. The combustion gas generated by catalytic combustion of the fuel gas in the catalytic combustor 4 is again evaporated into the raw fuel gas by evaporating the water / methanol mixed liquid as the liquid raw fuel in the evaporator 5. The raw fuel gas is mixed with a part of the reforming air corrected in accordance with the output of the fuel cell 2 supplied from the flow rate control means AV1, and then supplied to the reformer 1a. Is done. On the other hand, the combustion gas is discharged from the evaporator 5 as combustion exhaust gas.
[0041]
A first embodiment in which a control method for a fuel cell system according to the present invention is applied to a fuel cell system having such a configuration and operation will be described with reference to FIGS. 1, 2, 9 and 10. .
The control method of the fuel cell system according to the first embodiment is used when the composition of the reformed gas generated from the reformer 1a is temporarily deteriorated during the acceleration / deceleration of the vehicle, and the fuel cell may be damaged. In this control method, the reforming air flow rate or the CO removal air flow rate is corrected and temporarily increased. This control method is implemented for the purpose of stabilizing the reformed gas composition and the fuel gas. That is,
(A) During acceleration of the vehicle, the temperature of the reforming catalyst is lower than the set temperature shown in FIG. 9 due to the influence of the thermal mass of the reforming catalyst, and therefore, among the components in the reformed gas shown in FIG. There is a tendency that the gas composition deteriorates due to an increase in THC (total hydrocarbons). This means that the fuel blow-through temporarily increases. Therefore, the reforming catalyst temperature is raised to increase the reforming air with the aim of reducing the THC by bringing the reforming catalyst closer to the set temperature, and the air is used to promote oxidation heat generation at the reforming catalyst. Perform flow control.
(B) When the vehicle decelerates, the temperature of the reforming catalyst exceeds the set temperature shown in FIG. 9 due to the influence of the thermal mass of the reforming catalyst. Of these, CO (carbon monoxide) increases and the gas composition tends to deteriorate. Therefore, with the aim of removing more CO from the reformed gas having a high CO concentration, the air flow rate control is performed to increase the CO removal air flow rate and promote the CO oxidation reaction.
The time for applying the correction is within the time during acceleration / deceleration. Further, RGA in FIG. 1 is an analyzer for analyzing the composition of the reformed gas.
[How to determine the reforming air flow and CO removal air flow before correction]
(1) The output-related quantity required for the fuel cell 2 is input to the control device 6 (for example, an electronic control unit) (S1). Note that the output-related quantities mentioned here are the target output of the fuel cell 2 (calculated from the accelerator opening, the remaining battery capacity, etc.) and the actual output of the fuel cell 2 (the generated current I, the generated voltage of the fuel cell). It is calculated from V.).
(2) The required current of the fuel cell 2 is calculated from the IV characteristics (current-voltage characteristics) (S2).
(3) The cathode utilization rate and the anode utilization rate are obtained from the required current of the fuel cell 2 (S3, S5), and the air flow rate supplied to the cathode electrode and the fuel gas flow rate (FP required load) that needs to be supplied to the anode electrode are obtained. Calculated (S4, S6).
Here, the cathode utilization rate is a value defined by the flow rate of air consumed at the cathode electrode / the flow rate of air supplied to the cathode electrode.
Further, the anode utilization rate is a value defined by the flow rate of fuel gas consumed at the anode electrode / the flow rate of fuel gas supplied to the anode electrode.
(4) The fuel injection amount is calculated from the fuel gas flow rate required for the anode electrode (FP required load) (S7).
(5) Reforming air flow rate Q1 required for the reforming reaction with respect to the fuel injection amountmapAnd CO removal air flow rate Q2 required to remove carbon monoxide in the reformed gas with respect to the fuel injection amountmapAre obtained from the respective maps (S8, S10) (S9, S11).
[0042]
[Method of correcting air flow]
(6) The current output P2 of the fuel cell 2 is detected from the voltmeter V and the ammeter I (S12).
(7) An output change amount ΔP that is the difference between the requested output P1 and the current output P2 and an output change rate R1 that is the output change amount ΔP per time T are obtained (S13, S17).
(8) The reforming air flow rate Q1 from the map (S14, S15) of the output change amount ΔP and the correction coefficientmapAnd CO removal air flow Q2mapCorrection coefficients G1 and G2 are respectively obtained for correcting (S16).
(9) Reform air flow rate Q1 from output change rate R1 and correction coefficient map (S18, S19)mapAnd CO removal air flow Q2mapCorrection coefficients G3 and G4 are respectively obtained for correcting (S20).
(10) At the time of acceleration of the vehicle, a correction coefficient is applied based on the above (a) so as to increase the reforming air flow rate as follows.
That is, the larger the output change amount ΔP or the output change rate R1, the higher the reforming air flow rate Q1.mapThe correction coefficient G1 × G3 is set to be large, and the coefficient is multiplied by the initial map value to increase the air flow rate (S21). On the other hand, when the output change amount ΔP and the output change rate R1 are small (close to 0), the correction coefficient G1 × G3 is brought close to 1 to decrease the increment of the air flow rate.
(11) On the other hand, when the vehicle is decelerated, a correction coefficient is applied to increase the CO removal air flow rate based on (b) above.
That is, as the output change amount ΔP or the output change rate R1 is larger in the negative direction, the CO removal air flow rate Q2 is larger.mapThe correction coefficient G2 × G4 is set to be large, and the air flow rate is increased by multiplying the coefficient by the initial map value (S21). On the other hand, when the output change amount ΔP and the output change rate R1 are small (close to 0), the amount of increase in the air flow rate can be reduced by bringing the correction coefficient G2 × G4 close to 1.
[0043]
The increased air flow rate is supplied from the reforming air flow rate control means AV1 and AV2 to the evaporator 5 and the reformer 1a, respectively, during acceleration, and the CO removal air flow rate during deceleration. By supplying the control means AV3 to the CO remover 1b, the composition of the reformed gas and the composition of the fuel gas can be stabilized even in a transient state, and the fuel cell can be operated without damaging it. Can do.
[0044]
Next, a control method for the fuel cell system according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 1, 3, 9 and 10.
The control method of the fuel cell system according to the second embodiment is a method for correcting the air flow when there is no concern about the deterioration of the reformed gas composition even if the temperature of the reforming catalyst changes during vehicle acceleration / deceleration. This is suitable for a system in which the reformed gas composition does not change much with respect to changes in the catalyst temperature. In this method, the reforming air flow rate or the CO removal air flow rate introduced into the reactor is corrected to temporarily reduce the flow, contrary to the case of the first embodiment. Implement to improve efficiency.
That is,
(B) During acceleration of the vehicle, the temperature of the reforming catalyst is temporarily lower than the set temperature shown in FIG. 9 due to the influence of the thermal mass of the reforming catalyst. Of the components, CO (carbon monoxide) falls below the set value. This means that the CO concentration in the reformed gas has a margin with respect to the set range. Therefore, air flow control is performed so as to allow relaxation of CO removal from the reformed gas and reduce the CO removal air flow rate. As a result, the CO oxidation reaction is suppressed and the CO concentration rises, but the gas composition is stabilized by being within the set range, and the input power to the S / C (supercharger) 3 that is the air supply source is reduced. Therefore, the efficiency of the fuel cell system is improved.
(B) Conversely, when the vehicle decelerates, the temperature of the reforming catalyst temporarily exceeds the set temperature shown in FIG. 9 due to the influence of the thermal mass of the reforming catalyst. Thereby, the reaction rate of the reforming reaction becomes higher than that at the time of setting, which means that THC (total hydrocarbons) among the components in the reformed gas shown in FIG. 10 has a margin with respect to the set value. Therefore, THC in the reformed gas is allowed and air flow rate control is performed so as to reduce the reforming air flow rate. As a result, oxidation heat generation at the reforming catalyst is suppressed and the THC concentration rises. However, the gas composition is stabilized by being within the set value, and input to the S / C (supercharger) 3 that is the air supply source. Electric power is reduced compared to the past, and the efficiency of the fuel cell system is improved.
The time for applying the correction is within the time during acceleration / deceleration.
[How to determine the reforming air flow and CO removal air flow before correction]
The method of obtaining the reforming air flow rate and the CO removal air flow rate before correction (S30 to S40) in the second embodiment is obtained as the reforming air flow rate and the CO removal air flow rate before the correction in the first embodiment. Since the method is the same as the method (S1 to S11), the description is omitted here.
The conventional calculation flow of the reforming air flow rate and the CO removal air flow rate shown in FIG. 7 is also obtained by the same method for obtaining the reforming air flow rate and the CO removal air flow rate.
[0045]
[Method of correcting air flow]
(A) The current output P2 of the fuel cell 2 is detected from the voltmeter V and the ammeter I (S41).
(B) An output change amount ΔP that is a difference between the requested output P1 and the current output P2 and an output change rate R1 that is an output change amount ΔP per time T are obtained (S42, S46).
(C) The reforming air flow rate Q1 from the output change amount ΔP and the correction coefficient map (S43, S44).mapAnd CO removal air flow Q2mapCorrection coefficients G5 and G6 for correcting the above are obtained (S45).
(D) Reform air flow rate Q1 from output change rate R1 and correction coefficient map (S47, S48)mapAnd CO removal air flow Q2mapCorrection coefficients G7 and G8 are respectively obtained for correcting (S49).
(E) At the time of acceleration of the vehicle, the following correction is applied based on the above (a).
That is, the larger the output change amount ΔP or the output change rate R1, the greater the CO removal air flow rate Q2.mapThe correction coefficient G6 × G8 is set to be small, and the air flow rate is reduced by multiplying the coefficient by the initial map value (S50). On the other hand, when the output change amount ΔP and the output change rate R1 are small (close to 0), the reduction amount of the air flow rate can be reduced by bringing the correction coefficient G6 × G8 close to 1.
(F) On the other hand, when the vehicle decelerates, the following correction is applied based on (b) above.
That is, the larger the output change amount ΔP or the output change rate R1 is in the negative direction, the more the reforming air flow rate Q1 is.mapThe correction coefficient G5 × G7 is set to be small, and the air flow rate is reduced by multiplying the coefficient by the initial map value (S50). On the other hand, when the output change amount ΔP and the output change rate R1 are small (close to 0), the reduction amount of the air flow rate can be reduced by making the correction coefficient G5 × G7 close to 1.
[0046]
The reduced air flow rate is supplied from the reforming air flow rate control means AV1 and AV2 to the evaporator 5 and the reformer 1a, respectively, during acceleration, and the CO removal air flow rate during deceleration. By supplying the control means AV3 to the CO remover 1b, the composition of the reformed gas and the composition of the fuel gas can be stabilized even in a transient state, and the fuel cell 2 can be operated without damage. be able to. Moreover, since the air reduced in quantity compared with the time of setting is introduced into the reactor 1, the amount of hydrogen consumed by reacting with oxygen in the air is reduced. As a result, since extra hydrogen can be sent to the fuel cell 2, the efficiency can be increased.
[0047]
As described above, when the reformed gas composition deteriorates (CO concentration or THC concentration increases) in a transient state such as when the vehicle is accelerated or decelerated, the air flow rate is temporarily increased. The composition of the reformed gas and the composition of the fuel gas can be stabilized. If the composition of the reformed gas does not change, the composition of the reformed gas and the composition of the fuel gas can be reduced by temporarily reducing the air flow rate. It can be stabilized.
Note that the relationship among the output change amount ΔP, the correction time T, and the output change rate R1 used when obtaining the correction coefficient is shown in FIG. 4 for reference.
[0048]
Next, a control method for the fuel cell system according to the third embodiment will be described with reference to FIGS.
When the air flow rate is temporarily increased and supplied to the reactor 1 as in the control method of the fuel cell system of the first embodiment, hydrogen in the reformed gas is consumed and reduced. Therefore, the fuel cell 2 is hardly damaged. However, when the consumption of hydrogen in the reformed gas is too large and exceeds the allowable range of the fuel cell 2, the control method of the third embodiment described below is further required. The time for applying the correction is within the time during acceleration / deceleration.
[0049]
[Correction during acceleration]
A method for correcting the air flow rate during acceleration will be described with reference to FIG.
(1) Similar to the control method of the fuel cell system of the first embodiment, the reforming air flow rate Q1 from the map of the output change amount ΔP and the correction coefficient G1 and the map of the output change rate R1 and the correction coefficient G3.mapCorrection coefficient G1 × G3 is obtained, and the air flow rate Q1 for reforming is corrected by multiplying the air flow rate obtained from the initial map by the correction coefficient G1 × G3.air(S60).
(2) The reforming air flow rate that can be actually supplied to the reformer 1a using the map (S61) of the reforming air flow rate limit value with respect to the fuel injection amount calculated by calculating from the hydrogen amount allowable by the fuel cell 2 Limit value Q1air limitAsk for.
(3) Corrected reforming air flow rate Q1airIs the limit value Q1 of the reforming air flow rateair limitIt is judged whether or not (S62).
(4) Reform air flow Q1airIs the limit value Q1 of the reforming air flow rateair limitIn the following cases, the reforming air is used as the reforming air flow rate Q1.airTo be supplied to the reformer 1a (S63).
(5) Air flow rate Q1 for reformingairIs the limit value Q1 of the reforming air flow rateair limitIf it exceeds, the reforming air flow rate Q1airThe limit value Q1 of the reforming air flow rateair limit(S64).
(6) Next, the limit value Q1 of the reforming air flow rateair limitAnd reforming air flow map value Q1mapAnd the correction coefficient G1 obtained from the output change amount ΔP, the limit output change rate G3 from the following equation:limitIs calculated (S65).
G3limit= Q1air limit/ (Q1map× G1)
(7) Further calculated limit output change rate G3limitFrom the map of the correction coefficient G3 for the output change rate R1, the limit output change rate R1limitIs obtained (S66).
(8) Limit output change rate R1 with respect to the required load of fuel cell 2limitThe operation is controlled so as to change the output at the speed (S67).
(9) Limit value Q1 of reforming air flow rateair limitReform air flow Q1airTo the reformer 1a (S68).
[0050]
[Correction during deceleration]
A control method during deceleration will be described with reference to FIG.
(1) Similar to the control method of the fuel cell system of the first embodiment, the CO removal air flow rate Q2 from the map of the output change amount ΔP and the correction coefficient G2 and the map of the output change rate R1 and the correction coefficient G4.mapCorrection coefficient G2 × G4 is obtained, and the correction is performed by multiplying the air flow rate obtained from the initial map by the correction coefficient G2 × G4 to correct the CO removal air flow rate Q2.air(S70).
(2) CO removal air flow rate that can be actually introduced into the CO removal 1b using the map (S71) of the limit value of the CO removal air flow rate with respect to the fuel injection amount calculated by calculating from the hydrogen amount that can be allowed by the fuel cell 2 Limit value Q2air limitAsk for.
(3) Corrected CO removal air flow Q2airIs the limit value Q2 of the air flow rate for CO removalair limitIt is judged whether or not (S72).
(4) CO removal air flow Q2airIs the limit value Q2 of the air flow rate for CO removalair limitIn the following cases, the CO removal air flow is changed to the CO removal air flow rate Q2.airAnd is supplied to the CO remover 1b (S73).
(5) CO removal air flow Q2airIs the limit value Q2 of the air flow rate for CO removalair limitCO2 removal air flow rate Q2airCO2 air flow limit value Q2air limit(S74).
(6) Next, the limit value Q1 of the CO removal air flow rateair limitAnd CO removal air flow map value Q2mapAnd the correction coefficient G2 obtained from the output change amount ΔP, the limit output change rate G4 from the following equation:limitIs calculated (75).
G4limit= Q2air limit/ (Q2map × G2)
(7) Further calculated limit output change rate G4limitFrom the map of the correction coefficient G4 for the output change rate R2, the limit output change rate R2limitIs obtained (S76).
(8) The limit output change rate R2 with respect to the required load of the fuel cell 2limitThe operation is controlled so as to change the output at the speed (S77).
(9) CO removal air flow limit value Q2air limitCO2 removal air flow Q2airTo the CO remover 1b (S78).
[0051]
By applying the control method of the third embodiment as described above, when the air flow rate is temporarily increased and supplied to the reactor 1 as in the control method of the fuel cell system of the first embodiment, However, even if the consumption of hydrogen at this time is too much and exceeds the allowable range of the fuel cell 2, the composition of the reformed gas and the composition of the fuel gas are stabilized. The fuel cell 2 can be operated without damaging it.
[0052]
【The invention's effect】
  According to the present invention having the above configuration and operation, the following effects can be obtained.
(1) According to the invention of claim 1, in the fuel cell system with reforming means, flow rate control means for reforming air for introducing air into the reforming means and controlling the flow rate is provided, and the required output to the fuel cell is provided. Based on this change, the air flow rate introduced from the reforming air flow rate control means is corrected and controlled, so that the fuel cell is damaged while stabilizing the reformed gas composition in the transient state. Can drive without givingThe
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an entire fuel cell system according to the present invention.
FIG. 2 shows correction of the air flow rate of reforming air and CO removal air when the composition of reformed gas in a transient state is deteriorated and the fuel cell may be damaged in the fuel fuel cell system according to the present invention. 3 is a flowchart illustrating a method.
FIG. 3 is a flowchart showing a method of correcting the air flow rate of reforming air and CO removal air when there is no concern about deterioration of the reformed gas composition in a transient state in the fuel cell system according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining a relationship among an output change amount, an output change rate, and a correction time of the fuel cell according to the present invention.
FIG. 5 shows a method for correcting the air flow rate when there is a possibility that hydrogen gas in the reformed gas is reduced when the amount of air is increased in a transient state in the fuel cell system according to the present invention, which may cause damage to the fuel cell. It is a flowchart for demonstrating. (A) It is a flowchart for demonstrating the correction method of the air flow rate at the time of acceleration. (B) It is a flowchart for demonstrating the correction method of the air flow rate at the time of deceleration.
FIG. 6 is a configuration diagram showing an entire conventional fuel cell system.
FIG. 7 is a calculation flow for calculating a reforming air flow rate and a CO removal air flow rate in a conventional fuel cell system.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the reforming catalyst temperature and the output of a conventional fuel cell.
FIG. 9 is a diagram showing the temperature of the reforming catalyst with respect to the output of the fuel cell during conventional acceleration and deceleration.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the conventional reforming catalyst temperature and the concentration of harmful components in the reformed gas.
[Explanation of symbols]
1 reactor
1a Reformer (reforming means)
1b CO remover (CO removal means)
2 Fuel cell
3 S / C (Supercharger)
4 catalytic combustor
5 Evaporator (evaporation means)
6 Control device
AV1, AV2, AV3 Flow rate control means

Claims (9)

改質ガスからＣＯを除去して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され発電する燃料電池と、
前記燃料電池の排気ガスを燃焼させ、この熱により前記改質ガスの原料を蒸発させる蒸発手段と、
前記蒸発手段で蒸気化した原料を触媒反応により改質して前記改質ガスを生成する改質手段と、
前記改質手段で生成した前記改質ガス中に存在するＣＯを触媒反応により除去するＣＯ除去手段と、
を備えた、車両に搭載される燃料電池システムにおいて、
前記改質手段に空気を導入するとともに空気流量を制御する改質用空気の流量制御手段を設け、
前記車両の加速時に、前記燃料電池に対する要求出力と前記燃料電池の現在の出力との差である出力変化量が大きいほど大きくなるように予め設定された補正係数を求め、
予め設定された所定のマップにおける前記要求出力に対応する空気流量に対し、前記補正係数を掛け合わせることにより、補正された空気流量を求め、
前記補正された空気流量となるように、前記流量制御手段は前記空気流量を増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。A fuel cell for generating power by supplying a fuel gas obtained by removing CO from the reformed gas and an oxidant gas; and
Evaporating means for combusting the exhaust gas of the fuel cell and evaporating the raw material of the reformed gas by this heat;
Reforming means for reforming the raw material vaporized by the evaporation means by catalytic reaction to generate the reformed gas;
CO removing means for removing CO present in the reformed gas produced by the reforming means by catalytic reaction;
In a fuel cell system mounted on a vehicle , comprising:
A flow rate control means for reforming air for introducing air into the reforming means and controlling the air flow rate is provided,
During acceleration of the vehicle, a correction coefficient that is set in advance so as to increase as the output change amount that is the difference between the required output for the fuel cell and the current output of the fuel cell increases,
A corrected air flow rate is obtained by multiplying the air flow rate corresponding to the required output in a predetermined map set in advance by the correction coefficient,
The method of controlling a fuel cell system, wherein the flow rate control means increases the air flow rate so as to achieve the corrected air flow rate. 改質ガスからＣＯを除去して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され発電する燃料電池と、
前記燃料電池の排気ガスを燃焼させ、この熱により前記改質ガスの原料を蒸発させる蒸発手段と、
前記蒸発手段で蒸気化した原料を触媒反応により改質して前記改質ガスを生成する改質手段と、
前記改質手段で生成した前記改質ガス中に存在するＣＯを触媒反応により除去するＣＯ除去手段と、
を備えた、車両に搭載される燃料電池システムにおいて、
前記改質手段に空気を導入するとともに空気流量を制御する改質用空気の流量制御手段を設け、
前記車両の加速時に、前記燃料電池に対する要求出力と前記燃料電池の現在の出力との差である出力変化量についての時間あたりの出力変化率が大きいほど大きくなるように予め設定された補正係数を求め、
予め設定された所定のマップにおける前記要求出力に対応する空気流量に対し、前記補正係数を掛け合わせることにより、補正された空気流量を求め、
前記補正された空気流量となるように、前記流量制御手段は前記空気流量を増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。A fuel cell for generating power by supplying a fuel gas obtained by removing CO from the reformed gas and an oxidant gas; and
Evaporating means for combusting the exhaust gas of the fuel cell and evaporating the raw material of the reformed gas by this heat;
Reforming means for reforming the raw material vaporized by the evaporation means by catalytic reaction to generate the reformed gas;
CO removing means for removing CO present in the reformed gas produced by the reforming means by catalytic reaction;
In a fuel cell system mounted on a vehicle , comprising:
A flow rate control means for reforming air for introducing air into the reforming means and controlling the air flow rate is provided,
When the vehicle is accelerated, a correction coefficient that is set in advance so as to increase as the output change rate per time with respect to the output change amount that is the difference between the required output for the fuel cell and the current output of the fuel cell increases. Seeking
A corrected air flow rate is obtained by multiplying the air flow rate corresponding to the required output in a predetermined map set in advance by the correction coefficient,
The method of controlling a fuel cell system, wherein the flow rate control means increases the air flow rate so as to achieve the corrected air flow rate. 改質ガスからＣＯを除去して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され発電する燃料電池と、
前記燃料電池の排気ガスを燃焼させ、この熱により前記改質ガスの原料を蒸発させる蒸発手段と、
前記蒸発手段で蒸気化した原料を触媒反応により改質して前記改質ガスを生成する改質手段と、
前記改質手段で生成した前記改質ガス中に存在するＣＯを触媒反応により除去するＣＯ除去手段と、
を備えた、車両に搭載される燃料電池システムにおいて、
前記ＣＯ除去手段に供給される空気を導入するとともに空気流量を制御するＣＯ除去用空気の流量制御手段を設け、
前記車両の加速時に、前記燃料電池に対する要求出力と前記燃料電池の現在の出力との差である出力変化量が大きいほど小さくなるように予め設定された補正係数を求め、
予め設定された所定のマップにおける前記要求出力に対応する空気流量に対し、前記補正係数を掛け合わせることにより、補正された空気流量を求め、
前記補正された空気流量となるように、前記流量制御手段は前記空気流量を減少させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。A fuel cell for generating power by supplying a fuel gas obtained by removing CO from the reformed gas and an oxidant gas; and
Evaporating means for combusting the exhaust gas of the fuel cell and evaporating the raw material of the reformed gas by this heat;
Reforming means for reforming the raw material vaporized by the evaporation means by catalytic reaction to generate the reformed gas;
CO removing means for removing CO present in the reformed gas produced by the reforming means by catalytic reaction;
In a fuel cell system mounted on a vehicle , comprising:
Introducing air supplied to the CO removal means and providing a CO removal air flow rate control means for controlling the air flow rate,
During acceleration of the vehicle, a correction coefficient that is set in advance so as to decrease as the output change amount that is the difference between the required output for the fuel cell and the current output of the fuel cell increases,
A corrected air flow rate is obtained by multiplying the air flow rate corresponding to the required output in a predetermined map set in advance by the correction coefficient,
The method of controlling a fuel cell system, wherein the flow rate control means decreases the air flow rate so as to achieve the corrected air flow rate. 改質ガスからＣＯを除去して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され発電する燃料電池と、
前記燃料電池の排気ガスを燃焼させ、この熱により前記改質ガスの原料を蒸発させる蒸発手段と、
前記蒸発手段で蒸気化した原料を触媒反応により改質して前記改質ガスを生成する改質手段と、
前記改質手段で生成した前記改質ガス中に存在するＣＯを触媒反応により除去するＣＯ除去手段と、
を備えた、車両に搭載される燃料電池システムにおいて、
前記ＣＯ除去手段に供給される空気を導入するとともに空気流量を制御するＣＯ除去用空気の流量制御手段を設け、
前記車両の加速時に、前記燃料電池に対する要求出力と前記燃料電池の現在の出力との差である出力変化量についての時間あたりの出力変化率が大きいほど小さくなるように予め設定された補正係数を求め、
予め設定された所定のマップにおける前記要求出力に対応する空気流量に対し、前記補正係数を掛け合わせることにより、補正された空気流量を求め、
前記補正された空気流量となるように、前記流量制御手段は前記空気流量を減少させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。A fuel cell for generating power by supplying a fuel gas obtained by removing CO from the reformed gas and an oxidant gas; and
Evaporating means for combusting the exhaust gas of the fuel cell and evaporating the raw material of the reformed gas by this heat;
Reforming means for reforming the raw material vaporized by the evaporation means by catalytic reaction to generate the reformed gas;
CO removing means for removing CO present in the reformed gas produced by the reforming means by catalytic reaction;
In a fuel cell system mounted on a vehicle , comprising:
Introducing air supplied to the CO removal means and providing a CO removal air flow rate control means for controlling the air flow rate,
When the vehicle is accelerated, a correction coefficient that is set in advance so as to decrease as the output change rate per time with respect to the output change amount that is the difference between the required output for the fuel cell and the current output of the fuel cell decreases. Seeking
A corrected air flow rate is obtained by multiplying the air flow rate corresponding to the required output in a predetermined map set in advance by the correction coefficient,
The method of controlling a fuel cell system, wherein the flow rate control means decreases the air flow rate so as to achieve the corrected air flow rate. 前記燃料電池が許容できる水素量から計算して求めた改質用空気の空気流量についての限界値を求め、
前記補正された空気流量が前記限界値以下である場合、前記改質用空気の空気流量を前記補正された空気流量に設定し、
前記補正された空気流量が前記限界値を超えている場合、前記改質用空気の空気流量を前記限界値に設定することを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池システムの制御方法。Obtain a limit value for the air flow rate of the reforming air calculated from the amount of hydrogen that the fuel cell can tolerate,
If the corrected air flow rate is less than or equal to the limit value, the air flow rate of the reforming air is set to the corrected air flow rate,
The control of the fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein when the corrected air flow rate exceeds the limit value, the air flow rate of the reforming air is set to the limit value. Method. 改質ガスからＣＯを除去して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され発電する燃料電池と、
前記燃料電池の排気ガスを燃焼させ、この熱により前記改質ガスの原料を蒸発させる蒸発手段と、
前記蒸発手段で蒸気化した原料を触媒反応により改質して前記改質ガスを生成する改質手段と、
前記改質手段で生成した前記改質ガス中に存在するＣＯを触媒反応により除去するＣＯ除去手段と、
を備えた、車両に搭載される燃料電池システムにおいて、
前記ＣＯ除去手段に供給される空気を導入するとともに空気流量を制御するＣＯ除去用空気の流量制御手段を設け、
前記車両の減速時に、前記燃料電池に対する要求出力と前記燃料電池の現在の出力との差である出力変化量が負の方向で大きいほど大きくなるように予め設定された補正係数を求め、
予め設定された所定のマップにおける前記要求出力に対応する空気流量に対し、前記補正係数を掛け合わせることにより、補正された空気流量を求め、
前記補正された空気流量となるように、前記流量制御手段は前記空気流量を増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。A fuel cell for generating power by supplying a fuel gas obtained by removing CO from the reformed gas and an oxidant gas; and
Evaporating means for combusting the exhaust gas of the fuel cell and evaporating the raw material of the reformed gas by this heat;
Reforming means for reforming the raw material vaporized by the evaporation means by catalytic reaction to generate the reformed gas;
CO removing means for removing CO present in the reformed gas produced by the reforming means by catalytic reaction;
In a fuel cell system mounted on a vehicle , comprising:
Introducing air supplied to the CO removal means and providing a CO removal air flow rate control means for controlling the air flow rate,
When the vehicle is decelerated, a correction coefficient that is set in advance so as to increase as the output change amount, which is the difference between the required output for the fuel cell and the current output of the fuel cell, increases in the negative direction,
A corrected air flow rate is obtained by multiplying the air flow rate corresponding to the required output in a predetermined map set in advance by the correction coefficient,
The method of controlling a fuel cell system, wherein the flow rate control means increases the air flow rate so as to achieve the corrected air flow rate. 改質ガスからＣＯを除去して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され発電する燃料電池と、
前記燃料電池の排気ガスを燃焼させ、この熱により前記改質ガスの原料を蒸発させる蒸発手段と、
前記蒸発手段で蒸気化した原料を触媒反応により改質して前記改質ガスを生成する改質手段と、
前記改質手段で生成した前記改質ガス中に存在するＣＯを触媒反応により除去するＣＯ除去手段と、
を備えた、車両に搭載される燃料電池システムにおいて、
前記ＣＯ除去手段に供給される空気を導入するとともに空気流量を制御するＣＯ除去用空気の流量制御手段を設け、
前記車両の減速時に、前記燃料電池に対する要求出力と前記燃料電池の現在の出力との差である出力変化量についての時間あたりの出力変化率が負の方向で大きいほど大きくなるように予め設定された補正係数を求め、
予め設定された所定のマップにおける前記要求出力に対応する空気流量に対し、前記補正係数を掛け合わせて補正された空気流量を求め、
前記補正された空気流量となるように、前記流量制御手段は前記空気流量を増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。A fuel cell for generating power by supplying a fuel gas obtained by removing CO from the reformed gas and an oxidant gas; and
Evaporating means for combusting the exhaust gas of the fuel cell and evaporating the raw material of the reformed gas by this heat;
Reforming means for reforming the raw material vaporized by the evaporation means by catalytic reaction to generate the reformed gas;
CO removing means for removing CO present in the reformed gas produced by the reforming means by catalytic reaction;
In a fuel cell system mounted on a vehicle , comprising:
Introducing air supplied to the CO removal means and providing a CO removal air flow rate control means for controlling the air flow rate,
When the vehicle decelerates, the output change rate per hour for the output change amount, which is the difference between the required output for the fuel cell and the current output of the fuel cell, is set in advance so as to increase in the negative direction. Correction factor
Obtaining an air flow rate corrected by multiplying the air flow rate corresponding to the required output in a predetermined map set in advance by the correction coefficient;
The method of controlling a fuel cell system, wherein the flow rate control means increases the air flow rate so as to achieve the corrected air flow rate. 改質ガスからＣＯを除去して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され発電する燃料電池と、
前記燃料電池の排気ガスを燃焼させ、この熱により前記改質ガスの原料を蒸発させる蒸発手段と、
前記蒸発手段で蒸気化した原料を触媒反応により改質して前記改質ガスを生成する改質手段と、
前記改質手段で生成した前記改質ガス中に存在するＣＯを触媒反応により除去するＣＯ除去手段と、
を備えた、車両に搭載される燃料電池システムにおいて、
前記改質手段に空気を導入するとともに空気流量を制御する改質用空気の流量制御手段を設け、
前記車両の減速時に、前記燃料電池に対する要求出力と前記燃料電池の現在の出力との差である出力変化量が負の方向で大きいほど小さくなるように予め設定された補正係数を求め、
予め設定された所定のマップにおける前記要求出力に対応する空気流量に対し、前記補正係数を掛け合わせることにより、補正された空気流量を求め、
前記補正された空気流量となるように、前記流量制御手段は前記空気流量を減少させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。A fuel cell for generating power by supplying a fuel gas obtained by removing CO from the reformed gas and an oxidant gas; and
Evaporating means for combusting the exhaust gas of the fuel cell and evaporating the raw material of the reformed gas by this heat;
Reforming means for reforming the raw material vaporized by the evaporation means by catalytic reaction to generate the reformed gas;
CO removing means for removing CO present in the reformed gas produced by the reforming means by catalytic reaction;
In a fuel cell system mounted on a vehicle , comprising:
A flow rate control means for reforming air for introducing air into the reforming means and controlling the air flow rate is provided,
When the vehicle is decelerated, a correction coefficient that is set in advance so as to decrease as the output change amount, which is the difference between the required output for the fuel cell and the current output of the fuel cell, increases in the negative direction,
A corrected air flow rate is obtained by multiplying the air flow rate corresponding to the required output in a predetermined map set in advance by the correction coefficient,
The method of controlling a fuel cell system, wherein the flow rate control means decreases the air flow rate so as to achieve the corrected air flow rate. 改質ガスからＣＯを除去して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され発電する燃料電池と、
前記燃料電池の排気ガスを燃焼させ、この熱により前記改質ガスの原料を蒸発させる蒸発手段と、
前記蒸発手段で蒸気化した原料を触媒反応により改質して前記改質ガスを生成する改質手段と、
前記改質手段で生成した前記改質ガス中に存在するＣＯを触媒反応により除去するＣＯ除去手段と、
を備えた、車両に搭載される燃料電池システムにおいて、
前記改質手段に空気を導入するとともに空気流量を制御する改質用空気の流量制御手段を設け、
前記車両の減速時に、前記燃料電池に対する要求出力と前記燃料電池の現在の出力との差である出力変化量についての時間あたりの出力変化率が負の方向で大きいほど小さくなるように予め設定された補正係数を求め、
予め設定された所定のマップにおける前記要求出力に対応する空気流量に対し、前記補正係数を掛け合わせることにより、補正された空気流量を求め、
前記補正された空気流量となるように、前記流量制御手段は前記空気流量を減少させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。A fuel cell for generating power by supplying a fuel gas obtained by removing CO from the reformed gas and an oxidant gas; and
Evaporating means for combusting the exhaust gas of the fuel cell and evaporating the raw material of the reformed gas by this heat;
Reforming means for reforming the raw material vaporized by the evaporation means by catalytic reaction to generate the reformed gas;
CO removing means for removing CO present in the reformed gas produced by the reforming means by catalytic reaction;
In a fuel cell system mounted on a vehicle , comprising:
A flow rate control means for reforming air for introducing air into the reforming means and controlling the air flow rate is provided,
When the vehicle decelerates, the output change rate per time, which is the difference between the required output for the fuel cell and the current output of the fuel cell, is set in advance so as to decrease as the negative value increases. Correction factor
A corrected air flow rate is obtained by multiplying the air flow rate corresponding to the required output in a predetermined map set in advance by the correction coefficient,
The method of controlling a fuel cell system, wherein the flow rate control means decreases the air flow rate so as to achieve the corrected air flow rate.
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