(57)【要約】【課題】  要求負荷変動時の応答性を向上した燃料改質システムを提供する。【解決手段】  燃料電池スタック１２と、燃料電池スタックに水素リッチの改質ガスを供給する改質システムと、を備えた燃料電池システムにおいて、改質システム内で発生した熱を回収して改質反応に用いる原料を蒸発させる第１蒸発器６と、燃料電池スタックから排出されたガスを燃焼する燃焼器１３と、燃焼器から排出される燃焼ガスの熱を用いて改質反応に用いる原料を蒸発させる第２蒸発器１４とを備え、燃料電池システムの定常状態では、第１蒸発器から改質システムに蒸発原料を供給し、燃料電池システムへの要求発電量が増加する過渡状態では、第１蒸発器からの蒸発原料に加え、第２蒸発器から蒸発原料を改質システムに供給し、第２蒸発器は、要求発電量に対して不足する前記第１蒸発器からの蒸発原料を補うように改質システムに蒸発燃料を供給する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに水素リッチの改質ガスを供給する改質システムと、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記改質システム内で発生した熱を回収して改質反応に用いる原料を蒸発させる第１蒸発器と、
前記燃料電池スタックから排出されたガスを燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器から排出される燃焼ガスの熱を用いて改質反応に用いる原料を蒸発させる第２蒸発器とを備え、
前記燃料電池システムの定常状態では、前記第１蒸発器から前記改質システムに蒸発原料を供給し、
前記燃料電池システムへの要求発電量が増加する過渡状態では、前記第１蒸発器からの蒸発原料に加え、前記第２蒸発器から前記要求発電量に対して不足する前記蒸発原料を補うように蒸発原料を改質システムに供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質システムは、一酸化炭素選択酸化器を備え、
前記第１蒸発器は、前記一酸化炭素選択酸化器での反応熱及び改質ガスの顕熱を用いて原料を蒸発させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２蒸発器内の原料流路の圧力を制御することを特徴する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池システムへの要求電力が増加した場合に、第２蒸発器内の圧力を低下させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池システムへの要求電力が増加から一定に転じた場合、前記第２蒸発器内の圧力を上昇させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第２蒸発器から排出された燃焼ガス内の水分を回収するコンデンサと、
前記第２蒸発器から排出される燃焼ガスの温度を制御する熱交換器とを備え、
前記熱交換器は、前記コンデンサに流入する燃焼ガス温度を所定温度に制御することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第２蒸発器は圧力制御弁を備え、
前記圧力制御弁は、前記第２蒸発器内の原料温度または原料圧力に応じて前記圧力抑制御弁から排出される原料量を制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記改質システムは、
燃料を水素リッチの改質ガスに改質する改質反応器と、
前記改質ガスに含有される一酸化炭素を低減して改質ガス中の水素濃度を高める水性ガスシフト反応器とを備え、
第２蒸発器は、水を水蒸気に変換する蒸発器であり、
第２蒸発器で生成した水蒸気を前記改質反応器と前記水性ガスシフト反応器の少なくとも一方に供給することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記第２蒸発器から前記改質反応器に供給される水蒸気の温度と量に応じて、前記改質反応器に供給される空気と燃料の量を補正することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに水素リッチの改質ガスを供給する改質システムと、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記改質システム内で発生した熱を回収して改質反応に用いる原料を蒸発させる第１蒸発器と、
前記燃料電池スタックから排出されたガスを燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器から排出される高温の燃焼ガスの熱を用いて改質反応に用いる原料を蒸発させる第２蒸発器とを備え、
前記燃料電池システムが発電状態にある場合には、前記第１蒸発器からの蒸発原料に加え、前記第２蒸発器から前記要求発電量に対して不足する前記蒸発原料を補うように蒸発原料を改質システムに供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
外気の温度及び湿度を検出するセンサを備え、
前記第２蒸発器は水を水蒸気に変換する蒸発器であって、
燃料電池システムが定常運転時に前記第２蒸発器から前記改質システムに水蒸気を供給する場合、供給される水蒸気量を検出された外気温度及び湿度に応じて補正することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記改質システムに供給される空気の温度及び湿度を検出するセンサを備え、
前記第２蒸発器は水を水蒸気に変換する蒸発器であって、
燃料電池システムが定常運転時に前記第２蒸発器から前記改質システムに水蒸気を供給する場合、供給される水蒸気量を検出された空気温度及び湿度に応じて補正することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
燃料電池スタックと前記燃料電池スタックに水素リッチの改質ガスを供給する改質システムとを備えた燃料電池システムと、燃料電池が発電した電力を蓄電するバッテリと、を電力供給源とする駆動モータにより駆動する燃料電池車両において、
前記燃料電池システムは、
前記改質システム内で発生した熱を回収して改質反応に用いる原料を蒸発させる第１蒸発器と、
前記燃料電池スタックから排出されたガスを燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器から排出される高温の燃焼ガスの熱を用いて改質反応に用いる原料を蒸発させる第２蒸発器とを備え、
前記燃料電池システムの定常状態では、前記第１蒸発器から前記改質システムに蒸発原料を供給し、
前記燃料電池システムへの要求発電量が増加する過渡状態では、前記第１蒸発器からの蒸発原料に加え、前記第２蒸発器から前記要求発電量に対して不足する前記蒸発原料を補うように改質システムに蒸発燃料を供給するとともに、前記バッテリは、前記要求発電量に対する前記燃料電池スタックの発電量の不足分を補うように前記駆動モータに電力を供給することを特徴とする燃料電池車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、特に車両に搭載される燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムとして、改質器から排出される水素リッチの改質ガスと水との間で熱交換を行わせ、水を気液二相状態となるまで昇温した後、この水を用いて一酸化炭素（以下、ＣＯという。）選択酸化部の冷却、すなわち反応熱回収を行い、ＣＯ選択酸化触媒を所定温度に維持し、高い改質効率を得る技術がある（特許文献１を参照。）。また、燃料電池システムにおいて、改質器の上流に燃焼室、および始動用燃焼機構を備え、始動用燃焼機構は改質原料を供給可能なインジェクタを備えているため、改質器の応答性を向上できる技術がある（特許文献２を参照。）。
【特許文献１】特開２００２−４７００２号公報
【特許文献２】特開２０００−６３１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載の発明は、改質ガスの熱回収により改質原料（水）の蒸発を行っているため、燃料電池システムへの負荷要求が増大したとき、上流からの改質ガスが増大して初めて改質原料を増加させられる構成であり、改質器の応答性が遅いという課題がある。また、特許文献２に記載の発明では、改質器の直前で燃料を燃やしてその熱で負荷変化の不足分の熱量を補償するため、応答性に優れるものの、燃焼効率が低いという課題がある。
【０００４】
上記の問題を鑑み、本発明は、燃料電池システムに関し、改質システム内の熱回収を行い熱効率が高く、かつシステムの出力負荷変動に対する応答性を向上した燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、燃料電池スタックと、燃料電池スタックに水素リッチの改質ガスを供給する改質システムと、を備えた燃料電池システムにおいて、改質システム内で発生した熱を回収して改質反応に用いる原料を蒸発させる第１蒸発器と、燃料電池スタックから排出されたガスを燃焼する燃焼器と、燃焼器から排出される燃焼ガスの熱を用いて改質反応に用いる原料を蒸発させる第２蒸発器とを備え、燃料電池システムの定常状態では、第１蒸発器から改質システムに蒸発原料を供給し、燃料電池システムへの要求発電量が増加する過渡状態では、第１蒸発器からの蒸発原料に加え、第２蒸発器から要求発電量に対して不足する前記蒸発原料を補うように蒸発原料を改質システムに供給する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、要求負荷変動時の蒸気原料の不足分を第２蒸発器から改質システムに供給するため、要求負荷変動に対する出力応答性を向上し、運転性を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、本発明の燃料電池システムの概略図である。
【０００８】
改質ガスを生成する改質反応器１には、燃料タンク２の燃料（例えば、メタノール等の炭化水素系燃料）が燃料ポンプ３を介して第１燃料流路３１から供給される。さらに改質反応器１には、空気供給源としてのブロア４から空気が第１空気流路４１および第２空気流路４２を通じて供給される。第１空気流路４１と第２空気流路４２との接続部に第１熱交換器５が設置され、改質反応器１に供給される空気を改質反応器１からの改質ガスとの熱交換により加熱する。
【０００９】
また、改質反応器１には第１蒸発器６からの水蒸気が第１水流路５１及び第２水流路５２から供給される。第１蒸発器６から供給される水は、前述の第１熱交換器５を通過するため、第１熱交換器５において改質ガスにより加熱されて水蒸気となって第２水流路５２から改質反応器１に供給される。
【００１０】
第１蒸発器６について説明すると、第１蒸発器６はＣＯ選択酸化反応器９一体的に形成されており、ＣＯ選択酸化反応器９には、シフト反応器１０から約３００℃の改質ガスが供給される。そしてＣＯ選択酸化処理を行った後は、約８０℃の改質ガスとして燃料電池スタック１２に供給される。この温度差に基づく熱（１０〜２０ｋＷに相当する）が放熱され、この熱が第１蒸発器６に伝達されて、第１水ポンプ８に作用により水タンク７から第３水流路５３を通じて第１蒸発器６を流通する水を蒸発する。したがって、第１蒸発器６は、改質ガスがＣＯ選択酸化反応器９に供給されることにより発生する反応熱及びＣＯ選択酸化反応器９自体の顕熱により水蒸気を発生するため、改質ガス発生後でなければ水蒸気を発生することができず、起動から水蒸気発生まで、または要求負荷の変動時から変動した要求負荷に対応した水蒸気量になるまでに時間がかかることになる。
【００１１】
改質反応器１から排出した改質ガスは、第１改質ガス流路６１の途中に設置した第１熱交換器５を通過し、シフト反応器１０に流入する。シフト反応器１０で改質ガス中のＣＯと水とを反応させて、水素を発生させることにより、改質ガス中の水素濃度を高めるとともに、改質ガス中のＣＯ濃度を低下させる。なお、このシフト反応に用いられる水は、水タンク７から第２水ポンプ１１の作用により、第４水流路５４を通じてシフト反応器１０に供給される。
【００１２】
シフト反応器１０で水素濃度を高めた改質ガスは、第２改質ガス流路６２を通過してＣＯ選択酸化反応器９に流入し、一方でＣＯ選択酸化反応器９にブロア４から第３空気流路４３を通じて供給された空気とＣＯ選択酸化反応を生じて改質ガス中のＣＯを所定の濃度まで低下する。なお、改質反応器１からＣＯ選択酸化反応器９及びシフト反応器１０までを改質システムと称する。
【００１３】
所定濃度までＣＯ濃度が低下した改質ガスは、第３改質ガス流路６３から燃料電池スタック１２に供給される。燃料電池スタック１２には第３空気流路４３から分岐した第４空気流路４４から空気が供給され、改質ガスと空気とを用いて発電を行う。
【００１４】
燃料電池スタック１２から排出された発電に用いられなかった排改質ガスは、第４改質ガス流路６４を通じて燃焼器１３に送られ、第１空気流路４１と分岐した第５空気流路４５から供給された空気と混合、燃焼し、発生した高温の燃焼ガスは第１燃焼ガス流路７１を通って第２蒸発器１４に送られる。
【００１５】
第２蒸発器１４には第４水流路５４から分岐した第５水流路５５から水タンク７の水が供給されており、この水は燃焼器１３から供給された高温の燃焼ガスの顕熱や第２蒸発器１４自体の顕熱により水蒸気となって、第６水流路５６を通じて改質反応器１に供給される。また、第２蒸発器１４にはその内部圧力を検出する圧力センサ２４が設置され、検出圧力は燃料電池システムを統合制御する統合コントローラ２０に送られる。
【００１６】
したがって、改質反応器１に供給される水には、２種類あり、一つ目はＣＯ選択酸化反応器９と一体的に構成された第１蒸発器５に供給された水が、ＣＯ選択酸化反応または改質ガスの持つ熱により昇温したＣＯ選択酸化反応器９との熱交換により蒸発した水蒸気であり、二つ目は第２蒸発器１４から供給される水蒸気である。
【００１７】
なお、この第２蒸発器１４は、燃焼器１３から供給される高温の燃焼ガスを用いて水を水蒸気に変えることができるため、負荷変動の要求から要求負荷に対応する蒸気発生までの時間が第１の蒸発器６より短い特性となる。
【００１８】
具体的には、第２蒸発器１４には、第２蒸発器１４内を流通する水蒸気の圧力を可変に制御する、図示しない圧力逃し弁（圧力制御弁）９９が備えられ、圧力逃し弁９９は、第６水流路５６と第８水流路５８との分岐点に設置されている。第２蒸発器１４に導入された燃焼ガスの熱量により発生した水蒸気を、圧力逃し弁９９が第２蒸発器１４内の水蒸気温度及び圧力に応じて制御する。燃料電池システムへの要求発電量が増加したときには、第２蒸発器１４の圧力逃し弁９９を開き、第２蒸発器内の圧力を水タンク７に接続する第８水流路５８に逃し、第２蒸発器１４内の圧力を下げることで、第２蒸発器１４内の水がさらに減圧沸騰し、瞬時に水蒸気が発生し、負荷変動に迅速に対応することができる。
【００１９】
また、水蒸気生成時に圧力逃し弁９９を開くことで、第２蒸発器１４の内圧が低下し、水の沸点が低下する。したがって、第２蒸発器１４の筐体が有する熱を効率よく水の蒸発のために用いることができる。このため、燃焼器１３からの燃焼ガスが少なくなっても水蒸気の生成量を維持することができる。
【００２０】
また、燃料電池システムへの要求発電量が過渡状態から定常状態に移行した場合には、第２蒸発器１４の圧力逃し弁９９を閉じて、内圧を上昇させる。蒸発器１４の内圧を上昇することで沸点が再び上昇し、第２蒸発器１４の筐体が有する熱を効率よく水に伝達でき、定常運転時に水に熱を伝達して水の熱量を増大し、次回負荷変動時に備えることができる。
【００２１】
第２蒸発器１４の圧力逃し弁９９は、統合コントローラ２０により制御されており、統合コントローラ２０は第２蒸発器１４内の温度及び圧力に応じて圧力逃し弁９９から放出する水蒸気量を制御する。しかしながら、燃料電池システムへの要求発電量が瞬間的に増加して低下するような状況では、第２蒸発器１４は要求される水蒸気発生量に追従できず、遅れて水蒸気を生成するため、第２蒸発器１４で生成される水蒸気が過剰に生成されることになる。このような場合に、第２蒸発器１４内の温度及び圧力に応じて圧力逃し弁９９から過剰な水蒸気を所定量放出するように制御することで、第２蒸発器１４内に所定の熱量を備えた水蒸気を保持することができ、内圧が過圧になることなく、また次回水蒸気放出時に水蒸気を迅速に放出することができる。
【００２２】
燃料電池スタック１２で発電に供されなかった排空気は、第２蒸発器１４下流に設置されたコンデンサ１５に第６空気流路４６を通じて供給される。また、第２蒸発器１４から排出された燃焼ガスもコンデンサ１５に第２燃焼ガス流路７２を通じて供給される。コンデンサ１５でガス中の水分を回収され、ガスは外部に放出される。ガス中の水分を回収したコンデンサ１５は、回収した水を第７水流路５７を通じて水タンク７に供給する。
【００２３】
なお、第２燃焼器１４とコンデンサ１５との間に第２熱交換器２１と、第２熱交換器２１から排出されるガス温度を検出する温度センサ２２とが設置され、温度センサ２２の出力信号は統合コントローラ２０に送られる。また、図中、符号９１から９５は、各流路を流通する流体の流量を制御する流量制御弁であり、統合コントローラ２０により燃料電池システムの運転条件に応じて開度制御される。
【００２４】
燃料電池スタック１２で発電された電力は、インバータ１６を介して駆動モータ１７に供給され、駆動モータ１７は要求された駆動トルクで駆動輪１８を駆動し、車両を走行させる。駆動モータ１７は、要求駆動トルクを燃料電池スタックからの電力で発生することができない場合には、２次電池としてのバッテリ１９からの電力により駆動される。
【００２５】
バッテリ１９は車両の目標駆動力に必要な要求電力に対する燃料電池システムの発電量の不足分を補うように駆動モータ１７に電力を供給し、駆動モータ１７は、要求駆動トルクを要求に対して遅れることなく駆動トルクを出力する。なお、本発明の燃料電池システムは、統合コントローラ２０により、バッテリ１９から駆動モータ１７への電力供給や燃料電池スタック１２の発電状態等が制御されている。
【００２６】
以下、本発明の燃料電池システムの作用について燃料電池スタック１２に対する要求負荷の変動の有無に分けて説明する。
【００２７】
燃料電池スタック１２に対する要求負荷に変動がない定常走行状態では、駆動モータ１７は燃料電池スタック１２が発電した電力により要求駆動トルクを発生することができ、バッテリ１９の電力を使用することはない。
【００２８】
ここで燃料電池システムの運転状態は、要求された発電量を燃料電池スタック１２で生じるために必要な改質ガスを生成するための水分が、第１蒸発器６からのみ改質反応器１に供給すれば足りる状態であり、第２蒸発器１４から水分を改質反応器１に供給する必要はない。
【００２９】
一方、燃料電池システムに対する要求負荷の変動がある、例えば定常状態から加速状態に移行する場合（負荷が増大する場合）の制御について、図２のフローチャート及び図３のタイミングチャートを用いて説明する。図２のフローチャートの制御は統合コントローラ２０により所定条件下で実施される。
【００３０】
まずステップ１（図２のＳ１、以下同じ）では、燃料電池に要求される発電量Ｄ２（図３を参照）を読み込む。発電量Ｄ２と現状の発電量Ｄ１との差から増大すべき電力量ΔＤを算出する。ステップ２では、算出した電力量ΔＤに基づいて図４に示すような負荷変動と蒸発量との関係を示す蒸気発生カーブから蒸発量を決定する。
【００３１】
この蒸気発生カーブは、図４に示すように、第２蒸発器１４の蒸発性能の基本特性に対して第２蒸発器１４内の温度分布の不均一に対する補正、第２蒸発器１４を流れる高温の流体量による補正を行って蒸発量の特性を決定する。本発明のような燃料改質型の燃料電池システムの過渡変化時を律速しているのは水の蒸発であり、蒸気発生カーブから水の蒸発量を決定することができれば燃料電池システムの発電量が推定できる。
【００３２】
続くステップ３では、バッテリ４の出力を決定する。バッテリ４の出力特性は、燃料電池システムへの要求発電量とステップ２で推定した燃料電池システムの発電量との差を補うようにバッテリ４の出力特性を決定する。
【００３３】
ステップ４では、ステップ２とステップ３で演算した第２蒸発器１４の蒸発量とバッテリ４の出力に基づいて水蒸気を発生し、電力を出力する。一方、ステップ５ではステップ３で演算したバッテリ４出力に基づきバッテリ４から電力を出力する。第２蒸発器１４は、圧力逃し弁９９を開き第２蒸発器１４内の圧力を水タンクに第８水流路５８を通じて逃す。これにより第２蒸発器１４内の内圧Ｐを高圧側（例えば、３気圧）の所定圧Ｐ２から低圧側（例えば、大気圧）の所定圧Ｐ１に降圧させることで蒸気を発生させる。要求発電量を発電するために必要な第２蒸発器１４から供給される水蒸気の発生は遅れるため、まずバッテリ４からの電力が駆動モータ１７に供給され、遅れて第２蒸発器１４で生成された水蒸気による燃料電池スタック１２での発電が始まるとバッテリ４からの供給電力が減少するように制御する。
【００３４】
ステップ４に続くステップ６では、第２蒸発器１４からの蒸気の発生が継続している状態で、ステップ１で演算した電力量ΔＤに対応する第１蒸発器６の目標蒸気量を、図４に示すような蒸気発生カーブに基づいて決定する。
【００３５】
ステップ６で演算した第１蒸発器６の蒸気量に基づいて第１蒸発器６での蒸気の発生を開始する（ステップ８）。一方、ステップ６に続くステップ７では、第１蒸発器６で発生した蒸発量に応じて第２蒸発器１４で発生する蒸気量を減少させる。
【００３６】
ステップ９で、第１蒸発器６の発生蒸気量が目標蒸気量となったときに第２蒸発器１４での蒸気の発生を停止する。
【００３７】
続くステップ１０で、燃料電池システムの状態が定常状態にあることを判定し、定常状態にあればステップ１１に進み、過渡状態にあればステップ１に戻る。
【００３８】
ステップ１１で、第２蒸発器１４の内圧を所定圧Ｐ２に昇圧して、制御を終える。第２蒸発器１４の内圧を昇圧しておくことで次回負荷変動時に迅速に水蒸気を発生することができる。
【００３９】
次に図３のタイミングチャートを用いて、本発明の負荷変動時の制御内容を説明する。
【００４０】
まず時刻ｔ１までは発電量Ｄ１での定常走行状態で、時刻ｔ１で要求発電量がＤ１から高負荷側のＤ２に変動する。そして要求発電量の変動とほぼ同時期にバッテリ４の出力が上昇する。バッテリ４の出力は、要求発電量に対応する出力である。
【００４１】
そして時刻ｔ２で、第２蒸発器１４の内圧がＰ２からＰ１に降圧して、水蒸気の発生が開始される。第２蒸発器１４からの水蒸気の発生量の増加に対応してバッテリ４からの出力が低下する。なお、第２蒸発器１４からの水蒸気による燃料電池スタック１２の発電量とバッテリ４からの出力の合計は、要求発電量に一致する。
【００４２】
時刻ｔ３で、第２蒸発器１４からの蒸気に伴い改質反応が促進され、ＣＯ選択酸化器９の発熱が増大し、発熱の増大に伴い第１蒸発器６での水蒸気の発生量が増加し始める。第１蒸発器６からの水蒸気の発生量の増加に伴い、第２蒸発器１４での水蒸気の発生量を低下させる。なお、このとき第１蒸発器６からの水蒸気量と第２蒸発器１４からの水蒸気量の合計量での発電量は、要求発電量に対応する。そして時刻ｔ４で第２蒸発器１４からの水蒸気量が最大量となり、以後、第１蒸発器６からの水蒸気量の増大に応じて減少する。なお、バッテリ４の出力は第２蒸発器１４の水蒸気生成量が増加するとともに減少し、時刻ｔ４までにほぼ０となる。
【００４３】
そして時刻ｔ５で、第２蒸発器１４での水蒸気の発生を停止して、圧力逃し弁を閉じて内圧をＰ２まで昇圧し、第１蒸発器６からの水蒸気の発生量のみで要求発電量を維持し、発電量Ｄ２での定常状態に移行する。
【００４４】
なお、第２蒸発器１４の水蒸気温度が低下するのは、第２蒸発器１４での水蒸気の生成のために燃焼ガスの顕熱及び第２燃焼器１３の顕熱を消費しているためである。
【００４５】
また、燃料電池システムに対する要求負荷の変動がある、例えば定常状態から減速状態に移行する場合（負荷が減少する場合）の制御については、要求発電量に対して燃料電池システムから供給される発電量が多くなるため、余剰分の電力を消費する必要がある。この余剰分の電力は、例えばバッテリ４に蓄電したり、力行状態にあるモータで消費するようにすればよい。
【００４６】
このように本発明は、燃料電池スタックに水素リッチの改質ガスを供給する改質システムを備えた燃料電池システムにおいて、前記改質システム内で発生した熱を回収して改質反応に用いる原料を蒸発する第１蒸発器６と、前記燃料電池スタックから排出されたガスを燃焼する燃焼器１３と、この燃焼器から排出された高温の燃焼ガスの熱を用いて改質反応に用いる原料を蒸発する第２蒸発器１４とを備え、前記燃料電池システムの定常状態では前記第１蒸発器６から前記改質システムに蒸発原料を供給し、前記燃料電池システムへの要求発電量が増加する過渡状態では前記第１蒸発器６からの蒸発原料に加え、第２蒸発器から蒸発燃料を改質システムに供給し、第２蒸発器１４は前記要求発電量に対して不足する第１蒸発器からの蒸発燃料を補うように改質システムに蒸発燃料を供給する。
【００４７】
したがって、燃料電池システム定常運転時には、改質システムで発生する熱を用いて改質原料を蒸発させる第１蒸発器６を用いて蒸発原料を改質システムに供給するため、燃料電池システムの熱効率を向上することができる。一方、負荷が増加する過渡時には第１蒸発器から供給する蒸発原料量が、要求発電量を発生する蒸発原料量に対して遅れて発生するため、要求発電量に相当する発電量の発生に遅れが生じる。この遅れによる不足分を第２蒸発器１４からの蒸発原料の供給で補うことで、要求発電量に相当する発電量の発生の遅れを抑制し、負荷変動の要求に対する改質システムの出力応答性を向上して、運転性を改善することができる。
【００４８】
また、本発明では、改質システムにＣＯ選択酸化反応器９を備え、第１蒸発器はこのＣＯ選択酸化反応器９で生じる反応熱及びＣＯ選択酸化反応器９に供給される改質ガスの顕熱を用いて原料（水）を蒸発させるようにした。ここで、ＣＯ選択酸化反応器９は、図１に示すように通常、シフト反応器１０の下流側に配置される。ＣＯ選択酸化反応器９にはシフト反応器１０から排出される３００℃程度の改質ガスが流入する。一方、ＣＯの選択酸化処理を行った後は、改質ガスは最終的には８０℃程度となって燃料電池スタック１２へ供給される。燃料電池システム構成にもよるが、改質システムの一連の流れでは１０〜２０ｋＷ程度の熱が放出され、この熱を用いて第１蒸発器６で蒸発原料を生成する。このように、ＣＯ選択酸化反応器９で発生する熱を用いて第１蒸発器６で蒸発原料を生成するため熱効率の良い燃料電池システムとすることができる。
【００４９】
図５は、第２燃焼器１４の下流に設置した第２熱交換器２１の制御内容の一例についてのフローチャートである。
【００５０】
燃料電池システムの運転状態は、過渡および定常状態での要求電力の変化に応じて、燃焼器１３の燃焼ガスの量および第２蒸発器１４の筐体および、第２蒸発器１４が貯留する水の熱量が異なる。特に燃料電池システムで長時間の高負荷定常運転が続く場合、第２蒸発器１４で燃焼ガスの有する熱量が消費されなくなり、そのまま下流に流れ、コンデンサ１５で処理しきれない温度域の燃焼ガスになる可能性がある。このよう場合の第２蒸発器１４の下流に設置した第２熱交換器２１を用いた燃焼ガスの温度制御を説明する。
【００５１】
まずステップ２１で、温度センサ２２で第２熱交換器２１の出口での燃焼ガス温度Ｔを測定する。次にその検出温度Ｔが、コンデンサ１５の処理可能温度上限値Ｔｅ２以上かを判断し（ステップ２２）、Ｔｅ２以上であれば第２熱交換器２１を流れる油等の適切な媒体を流通させて、媒体と燃焼ガスとの間で熱交換を実施して、燃焼ガスの温度低下させる（ステップ２３）。ステップ２２で燃焼ガスの温度がＴｅ２未満であれば、ステップ２１に戻り、温度検出を繰り返す。ステップ２３に続くステップ２４では、検出温度Ｔとコンデンサ１５の処理切換温度Ｔｅ１（ここで、Ｔｅ１＜Ｔｅ２である。）とを比較して、検出温度Ｔがコンデンサ１５の処理切換温度Ｔｅ１以下になったら第２熱交換器２１の媒体を流通を停止し（ステップ２５）、最初のステップに戻る。処理切換温度Ｔｅ１を越えていれば、ステップ２４の温度判定を繰り返す。
【００５２】
このような第２熱交換器２１の制御とすることにより、燃料電池システムが長時間に渡って高負荷定常運転が継続される状態でも、第２熱交換器２１によりコンデンサ１５に流入する燃焼ガス温度を適正に制御することができ、コンデンサ１５で燃焼ガス中の水分を効率よく回収することができる。
【００５３】
図６は、本発明の第２の実施形態としての燃料電池システムの構成を示す図である。この構成は、第１の実施形態の構成に対して、燃料タンク２から燃焼器１３へ燃料を供給する第２燃料流路３２と、この第２燃料流路３２の途中に設置され、燃料を燃焼器１３に供給するための燃料ポンプ２３とを追加した。さらに第２蒸発器１４から改質反応器１に水蒸気を供給する第６水流路５６から分岐して水蒸気を水タンク７に排出するための第８水流路５８と、既設された水タンク７と第２蒸発器１４とを接続する第５水流路５５から分岐して第８水流路５８と接続する第９水流路５９とを設置する。また第２蒸発器１４の水蒸気を改質反応器１に供給する第６水流路５６から分岐して水蒸気をシフト反応器１０に供給する第１０水流路６０と、第２蒸発器１４内の圧力を検出する圧力センサ２４とを追加した構成である。圧力センサ２４の出力は統合コントローラ２０に出力される。
【００５４】
なお、第５水流路５５と第９水流路５９との分岐点には流量制御弁９６が設置され、第８水流路５８と第９水流路５９との分岐点には流量制御弁９８が設置される。また第６水流路５６と第１０水流路６０との分岐点にも流量制御弁９７が設置されている。第２蒸発器１４内の第６水流路５６と第８水流路５８との分岐点には圧力逃し弁９９が設置され、これら弁の制御は、統合コントローラ２０によって実施される。
【００５５】
このように構成されて、本実施形態の制御内容を図７を用いて説明する。この制御は、統合コントローラ２０により実施される。この制御は、燃料電池システムの運転条件によっては、第２蒸発器１４の発生する水蒸気が過剰となる場合があり、この過剰な水蒸気が発生した場合に対処するための制御である。
【００５６】
まずステップ３１で、第２蒸発器１４の内圧Ｐを圧力センサ２４から読み込む。続いてステップ３２で、検出した内圧Ｐが、第２蒸発器１４の所定圧力ＰＬ２以上かどうかを判定し、ＰＬ２以上であれば、ステップ３３に進み、第２蒸発器１４の内圧Ｐを低下させるため流量制御弁９８、圧力逃し弁９９を切り換え、第２蒸発器１４から排出される水蒸気を水流路５７を通じて水タンク７に放出させる。検出した内圧ＰがＰＬ２未満の時にはステップ３１に戻り、第２蒸発器１４の内圧Ｐの検出を繰り返す。
【００５７】
ステップ３３に続くステップ３４では、再び圧力センサ２４を用いて第２蒸発器１４内の内圧を検出して、読み込み、ステップ３５で、検出した内圧が第２蒸発器１４の所定圧力ＰＬ１（ここで、ＰＬ１＜ＰＬ２である。）以下かどうかを判定する。検出した内圧が所定圧力ＰＬ１以下であれば、ステップ３３で切り換えた流量制御弁９８、圧力逃し弁９９を元の状態に戻し（ステップ３６）、所定圧力ＰＬ１を越えていればステップ３４に戻り、第２蒸発器１４の内圧の検出を再度行う。
【００５８】
このような制御とすることで、第２蒸発器１４内の水蒸気圧力を適正に維持することができ、第２蒸発器１４の故障を予防することができる。
【００５９】
なお、上記説明においては、第２蒸発器１４内の圧力を、余剰の水蒸気を放出することで低下させる方法について説明したが、燃料電池システム停止時には、第２蒸発器１４自体が熱を持っているので、流量制御弁９６、９８を切り換えて、第２蒸発器１４内の水蒸気を第５水流路５５から水流路５９、５８を通じて水タンク７に排出するようにしてもよい。
【００６０】
図８に示すフローチャートは、第２蒸発器１４から改質反応器１へ水蒸気を供給する場合（例えば、定常状態から負荷が増大する加速走行状態の場合）に水蒸気の温度と量に応じて改質反応器１に供給する空気量と燃料量とを補正することについて説明するものである。この制御は、第１、第２実施形態それぞれに適用することができる。
【００６１】
まずステップ４１で、要求駆動力を発生する要求電力を読み込み、負荷の変動分に対応する電力を算出する。次にステップ４２で、この変動分電力に基づいて第２蒸発器１４の蒸気発生カーブを算出する。この蒸気発生カーブから発生する水蒸気の温度と量を求め、さらに改質反応器１の活性温度を加味して改質反応器１に供給する空気と燃料の補正量を算出する（ステップ４３）。このときの空気量と燃料量は、改質反応器１に供給される水蒸気の温度が改質反応器１の活性温度となるように補正される。そしてステップ４４で、算出された補正空気量と補正燃料量を加味した空気量と燃料量となるようにブロア４および燃料ポンプ３を制御する。
【００６２】
このように、第２蒸発器１４で発生した水蒸気を改質反応器１に供給する場合に、水蒸気の温度を改質反応器１の活性温度となるように加熱するため改質反応器１に供給する空気量と燃料量を補正する。このため、供給された水蒸気を加熱するための熱量に無駄が生じることがなく、熱効率を向上することができる。
【００６３】
なお、図６の第２の実施形態に示すように第２蒸発器１４からの水蒸気を第６水流路５６から第１０水流路６０を通じてシフト反応器１０に追加供給するようにしてもよい。
【００６４】
燃料改質において、水は主に改質反応器１とシフト反応器１０によって消費される。したがって、第２蒸発器１４で生じた水蒸気を改質反応器１とシフト反応器１０に供給できるようにすることにより、これら反応器での水分不足を防止することができる。特に改質反応器１で水不足が発生すると、炭素析出が生じて改質効率が低下することになり、防止することが重要である。
【００６５】
図９に示すフローチャートは、燃料電池システムを搭載した車両が定常走行状態で改質反応器１に供給する水蒸気が不足する状態となったときに、第２蒸発器１４から水蒸気を改質反応器１に供給して不足分を補うようにする場合の制御内容を説明するものである。
【００６６】
まずステップ５１で、改質反応器１の入口に設置したセンサ２５から改質反応器１に供給される空気の温度と湿度を読み込む。ステップ５２では検出した空気の温度と湿度を、改質反応器１に予め設定された空気の温度と湿度の基本値と比較し、その差から空気中に含まれる水分量の差Ｆを算出する。
【００６７】
そしてステップ５３で、水分量の差Ｆを第２蒸発器１４に水を供給する水ポンプ１１の定常吐出量から減算し、ステップ５４でこの値Ｄが所定範囲にあるかどうかを判定する。この値Ｄが所定範囲以下であれば、空気中の水分量が多い状態であり、水ポンプ１１の吐出量を減少させ、言い換えると第２蒸発器１４で生成する水蒸気量を減少させる（ステップ５５）。また、所定範囲内であれば、空気中の水分は設定された水分量と同等であり、水ポンプ１１の吐出量を維持する（ステップ５６）。一方、所定範囲以上であれば、空気中の水分量が設定量より少ない状態であり、水ポンプ１１の吐出量を増加させて水分量を調整し、第２蒸発器１４で生成する水蒸気量を増加させる（ステップ５７）。
【００６８】
したがって、部分酸化反応やオートサーマル反応で使用される空気、特に外気から供給される空気は湿度条件が供給時毎に変化し、この湿度の変化により改質反応の条件が左右されることになるが、第２蒸発器１４の水蒸気を定常状態でも供給できるようにすることで、第２蒸発器１４からの水蒸気を用いて改質反応器へ供給される水分量を所定量に制御することで、改質条件を一定にしより効率よく改質を行うことが可能となる。
【００６９】
このように、第２蒸発器１４から改質反応器１への水蒸気の供給量を改質反応器１に供される空気中の水分量により補正するため、より正確に改質反応器１に供給される水分量を最適な範囲に制御することができ、改質効率を向上することができるとともに、改質反応器１の水不足による劣化を防止することができる。
【００７０】
なお、上記説明においては、改質反応器１に供給される空気中の水分量を検出して第２蒸発器１４からの水蒸気供給量を補正したが、燃料電池システム外の空気中の水分量に基づいて第２蒸発器１４から供給される水蒸気量を補正するようにしても同様の効果を得ることができる。
【００７１】
なお、本発明は上記の実施例や実施形態に限定されるものではない。例えば、第２蒸発器１４が負荷変動時の水蒸気供給による補償を続け、第２蒸発器１４自身の持つ熱量が少なくなってしまった場合や燃料電池システムがアイドル状態を続けて第２蒸発器１４の温度が下がってしまった場合について考えると、図６のシステム図に示すように、燃料タンク２から第２燃料流路３２および燃料ポンプ２３を設ける。燃焼器１３には第５空気流路４５より空気が供給されるため、これにより追加の燃料を燃焼器１３内で燃やし、第２蒸発器１４の熱量維持をしても良い。
【００７２】
また、これまでは蒸発原料の中でも燃料電池システムの応答性を律速する水の蒸発について述べてきたが、蒸発する原料が燃料であるシステムとしても良い。
【００７３】
また、燃料改質のＳ／Ｃ（燃料量に対する水の比率）を非常に上げたい場合も考えられる。この場合は、第２蒸発器１４の図２に示す過渡補償制御用と図９に示す定常補償制御用の水蒸気比率を定常補償制御用に比率を大きくする等自由に設定してよい。
【００７４】
また、燃焼ガスを最終的にはコンデンサ１５で温度を下げ、水を回収するが、このとき冷却する媒体を利用して改質および燃料電池スタックの酸化ガスとして使用する空気を加湿するシステムとしても良い。
【００７５】
また、ここではオートサーマルの改質システムを用いて説明してきたが、プラズマ改質システムでも同様の効果を得る事ができる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明を適用した燃料電池システムは、負荷変動時に要求電力を供給することができるため、応答性を特に要求される車両等に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の制御内容を説明するフローチャートである。
【図３】本発明の制御内容を説明するタイミングチャートである。
【図４】蒸気発生カーブの一例を示す図である。
【図５】第２熱交換器の制御内容を説明するフローチャートである。
【図６】第２の実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図７】第２の実施形態の制御内容を示すフローチャートである。
【図８】改質反応器に供給する空気量と燃料量の補正について説明するフローチャートである。
【図９】定常走行状態で改質反応器に供給する水蒸気が不足する状態となったときに、第２蒸発器から水蒸気を改質反応器に供給して不足分を補う場合の制御内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００７８】
１  改質反応器
２  燃料タンク
３  燃料ポンプ
４  ブロア
５  第１熱交換器
６  第１蒸発器
７  水タンク
８  水ポンプ
９  ＣＯ選択酸化器
１０  シフト反応器
１１  水ポンプ
１２  燃料電池スタック
１３  燃焼器
１４  第４蒸発器
１５  コンデンサ
１６  インバータ
１７  駆動モータ
１８  駆動輪
１９  バッテリ
２０  統合コントローラ
２１  第２熱交換器
２２  温度センサ
２４  圧力センサ
３１〜３３  第１〜第３燃料流路
４１〜４６  第１〜第６空気流路
５１〜５９  第１〜第９水流路
６１〜６４  第１〜第４改質ガス流路
７１、７２  第１、第２燃焼ガス流路
９９  圧力逃し弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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