(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の反応ガスと第２の反応ガスを供給されて電気を発生させる燃料電池と、
前記燃料電池から排出される排気ガスを燃焼させ、この燃焼熱を利用して前記第１の反応ガスの原料を蒸気化させる原料蒸発手段と、
前記蒸気化した原料蒸気を改質触媒により改質して前記第１の反応ガスとする改質器と、
前記原料蒸発手段又は前記改質器に対し、前記改質触媒に供される空気を、前記原料蒸発手段に噴射される原料の噴射量と前記原料蒸気の蒸気温度とに応じて、前記改質触媒の温度を一定に保つべく流量調節して導入する空気導入手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記空気導入手段は、前記原料蒸気の測定された蒸気温度と設定された蒸気温度との偏差に基づいて補正を行い前記改質触媒に供される空気の流量を調節する構成を有す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】
前記空気導入手段は、前記偏差に基づく補正に加え、前記原料蒸発手段に噴射される原料の噴射量の少ない場合と多い場合とにおいて、前記少ない場合には前記改質触媒に供される空気の流量を増やすように調節し、前記多い場合には前記改質触媒に供される空気の量を減らすように調節する構成を有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記空気導入手段は、前記燃料電池に供給される第１の反応ガスの流量に基づいて前記改質触媒に供される空気の流量の上限値を制限する構成を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素系の原燃料を改質した燃料ガスを燃料電池に供給して発電を行う燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車の動力源などとして、クリーンでエネルギ効率の優れた燃料電池（固体高分子型燃料電池）が注目されている。この燃料電池は、第１の反応ガスである燃料ガス（水素）及び第２の反応ガスである酸化剤ガス（空気）が供給されると電気化学的に発電する一種の発電機である。
【０００３】
燃料電池を搭載した燃料電池電気自動車は、１回の燃料補給で走行することのできる距離を長くする必要がある。このため、燃料電池電気自動車には、水素容器を備える代わりにメタノールなどの液体原燃料の容器を備え、炭化水素系の液体原燃料を改質して水素を含む燃料ガスを生成させ、発電を行う燃料電池システムを搭載したものがある。
【０００４】
以下、図６を参照して改質器を搭載した従来の燃料電池システムＦＣＳ’を説明する。
水・メタノール混合液貯蔵タンクＴに貯蔵された原料である水・メタノール混合液（以下「液体原燃料」という）は、ポンプＰにより蒸発器１０２に送出される。なお、液体原燃料が水とメタノールの混合液であるのは、後記する水蒸気改質反応により、メタノールと水とから水素を生成させるためである。次に、蒸発器１０２では、液体原燃料が原燃料噴射装置１０２ｂから蒸発器本体１０２ａに噴射され、触媒燃焼器１０２ｃの触媒燃焼による熱を利用して蒸発される。また、蒸発器本体１０２ａには空気圧縮機１０４から改質用の空気（以下「改質空気」という）が供給される。液体原燃料の蒸気及び改質空気は、蒸発器本体１０２ａの内部で加熱混合されて原燃料ガスとなり、反応器１０３に供給される。
反応器１０３は、改質器１０３ａ及びＣＯ除去器１０３ｂから構成される。改質器１０３ａの内部にはオートサーマル反応（ＡＴＲ）用の触媒が充填されており、反応器１０３（改質器１０３ａ）に供給された原燃料ガスを改質し、水素を含む燃料ガスを生成する。ちなみに、オートサーマル反応では、下記の〔１〕〜〔４〕の反応が起こり、水素、二酸化炭素、一酸化炭素（少量）及び水を生成する。
〔１〕水蒸気改質反応；ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2
〔２〕酸化反応      ；ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2→２Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2
〔３〕熱分解反応    ；ＣＨ3ＯＨ→２Ｈ2＋ＣＯ
〔４〕シフト反応    ；ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2
なお、〔１〕及び〔３〕の反応は吸熱反応であり、〔２〕及び〔４〕の反応は発熱反応である（〔４〕の反応における発熱量は少ない）。
【０００５】
この〔１〕〜〔４〕の反応の結果として、改質器１０３ａで生成した燃料ガスには、少量（１％程度）の一酸化炭素が含まれることになるが、固体高分子型の燃料電池１０１に一酸化炭素を含む燃料ガスを供給したのでは、燃料電池１０１の内部の白金触媒が被毒されてしまい好ましくない。したがって、改質器１０３ａで生成した燃料ガスはＣＯ除去器１０３ｂに供給され、一酸化炭素を二酸化炭素に転換することで燃料ガス中の一酸化炭素が除去される。ちなみに、ＣＯ除去器１０３ｂには選択酸化用の空気が供給され、内部に配された触媒の作用により一酸化炭素の選択酸化が行われる。なお、ＣＯ除去器１０３ｂの手前には図示しない熱交換器が設けられ、燃料ガスを所定の温度に調節することで、効率よく一酸化炭素を除去するようにしてある。
【０００６】
次に、燃料電池１には、アノード極（水素極）に反応器１０３からの燃料ガスが供給され、カソード極（酸素極）に空気圧縮機１０４からの空気が供給される。そして、燃料電池１は、その内部で燃料ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させて発電する。なお、燃料電池１のアノード極から排出された未反応の水素を含むオフガスと、カソード極から排出された未反応の酸素を含むオフガスは、混合されて触媒燃焼器１０２ｃに供給され改質器１０３ａで生成した水素の有効活用がなされる。
【０００７】
ここで、改質器１０３ａでオートサーマル反応を行うに際して、原燃料ガスに混合される改質空気の量（蒸発器本体１０２ａに供給される空気の量）は、次の（１）〜（３）の手順により設定していた。（１）燃料電池１０１に対する要求出力から改質器１０３ａに対する要求負荷を設定する。（２）要求負荷に基づいて、蒸発器本体１０２ａに噴射する液体原燃料の量（原燃料噴射量）を設定する。（３）原燃料噴射量に基づいて、図７に示す改質空気量マップから改質器１０３ａにおいて必要となる改質空気量を設定する。
なお、改質器１０３ａにおける反応を安定させるため、所定温度の原燃料ガスが供給されるように、蒸発器１０２などの温度制御がなされる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、原燃料ガスの温度は、燃料電池システムＦＣＳ’の運転条件の変動や外的要因（外気温など）の変動により変化してしまい、原燃料ガスの温度が変化すると改質触媒の温度もこれに応じて変化する。具体的には、改質器１０３ａに供給される原燃料ガスの温度が高くなると改質触媒の温度が高くなり、原燃料ガスの温度が低くなると改質触媒の温度が低くなる。ここで、図８に示すように改質触媒の温度が高くなると生成する燃料ガス中の一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）が増加する。一酸化炭素濃度が増加し過ぎると、ＣＯ除去器１０３ｂで充分に一酸化炭素を除去することができず、燃料電池１０１の白金触媒に影響を与えるおそれがある。一方、改質触媒の温度が低くなると、生成する燃料ガス中の一酸化炭素濃度は低くなるが、総炭化水素濃度（ＴＨＣ濃度、THC；Total Hydro Carbon）が高くなる（改質反応が鈍り原燃料の吹き抜けが起こる）。このため、生成する水素の量が少なくなり、燃費が悪化する。そして、生成する水素の量が減りすぎると、燃料電池１０１での発電ができなくなってしまう。殊に、燃料電池電気自動車のように、燃料電池システムＦＣＳ’が自動車に搭載される場合は、運転条件の変動や外的要因の変動が激しい。
そこで、本発明は、原燃料ガスの温度が変化しても改質触媒の温度を所定のものとすることで、燃料電池を適切な状態で運転することができる燃料電池システムを提供することを主たる課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題に鑑み本発明者らは鋭意研究を行い、図９の「改質触媒の温度を一定にする場合の改質器に供給する原燃料ガスの温度と改質空気量の関係」に示すように、原燃料ガスの温度が変動しても改質器に供給する改質空気量（流量）を調節することで、改質触媒の温度を所定のものとすることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、前記課題を解決した燃料電池システムは、第１の反応ガスと第２の反応ガスを供給されて電気を発生させる燃料電池と、前記燃料電池から排出される排気ガスを燃焼させ、この燃焼熱を利用して前記第１の反応ガスの原料を蒸気化させる原料蒸発手段と、前記蒸気化した原料蒸気を改質触媒により改質して前記第１の反応ガスとする改質器と、前記原料蒸発手段又は前記改質器に対し、前記改質触媒に供される空気を、前記原料蒸発手段に噴射される原料の噴射量（燃料電池の出力）と前記原料蒸気の蒸気温度とに応じて、前記改質触媒の温度を一定に保つべく流量調節して導入する空気導入手段と、を備える構成とした。
【００１０】
第１の反応ガス及び第２の反応ガスは、後記する発明の実施の形態では、改質器により生成され燃料電池に供給される燃料ガスと、空気圧縮機により圧縮されて燃料電池に供給されるカソード空気である。また、改質器は、後記する発明の実施の形態では、原燃料（メタノール＋水）の蒸気（原料蒸気）と改質空気が混合された原燃料ガスを、改質触媒の存在下、オートサーマル反応により改質し、水素を含む燃料ガスを生成するものである。また、空気導入手段は、後記する発明の実施の形態では、制御装置及び改質空気量制御弁などから構成され、原燃料噴射量及び燃料ガスの温度に応じて改質に供される空気の流量（改質空気量）を調節して蒸発器本体に供給するものである。
なお、燃料電池の出力は、燃料電池の現実の出力及び燃料電池に対する要求出力（目標出力）の双方を含むものである。さらに、燃料電池の出力は、改質器の出力（反応ガスの現実の生成量、反応ガスの要求生成量）や原料蒸発手段の出力（原料ガスの現実の蒸発量、原料ガスの要求蒸発量、液体原燃料の噴射量・・）を含んで意味するものであり狭く解釈されるものではない。ちなみに、後記する発明の実施の形態では、改質に供される空気（改質空気）の流量調節を液体原燃料の噴射量（原燃料噴射量）に基づいて行っている。これは、燃料電池の出力を大きくする場合は液体原燃料も多く噴射され、燃料電池の出力を小さくする場合は液体原燃料も少なく噴射されるというように、原燃料噴射量と燃料電池の出力の間には密接な関係があるからである（燃料電池は液体原燃料を改質した水素を利用して発電）。
【００１１】
また、前記課題を解決した燃料電池システムは、前記空気導入手段が、前記原料蒸気の測定された蒸気温度と設定された蒸気温度との偏差に基づいて補正を行い前記改質触媒に供される空気の流量を調節する構成とした。
【００１２】
この構成によれば、測定された蒸気温度と設定された蒸気温度との偏差に基づいて改質に供される空気の流量を調節する。なお、後記する発明の実施の形態では、測定された蒸気温度が高くなって偏差が大きくなると改質空気量を少なくし、酸化反応を減らして触媒温度が上昇するのを防止する。逆に、測定された蒸気温度が低くなって偏差が大きくなると改質空気量を多くし、酸化反応を増やして触媒温度が低下するのを防止する。ちなみに、後記する発明の実施の形態での蒸気温度の測定は、改質器の入口手前に設けられた温度センサにより行う。
【００１３】
また、前記課題を解決した燃料電池システムは、前記空気導入手段が、前記偏差に基づく補正に加え、前記原料蒸発手段に噴射される原料の噴射量の少ない場合と多い場合とにおいて、前記少ない場合には前記改質触媒に供される空気の流量を増やすように調節し、前記多い場合には前記改質触媒に供される空気の量を減らすように調節する構成とした。
【００１４】
例えば、燃料電池の出力が大きいときは、改質器に供給される原料蒸気が多くなる。このため、原料蒸気の熱マスも多くなる。すると、改質器の熱マス及び熱ロス（放熱による熱損失）の影響が小さくなる。そこで、改質器における発熱を少なくすべく、改質に供される空気の流量を通常より少なくするように補正する。一方、燃料電池の出力が少ないときは、改質器に供給される原燃料蒸気が少なくなる。このため、原料蒸気の熱マスも少なくなる。すると、改質器の熱マス及び熱ロスの影響が大きくなる。そこで、改質器における発熱を多くすべく、改質器に供される空気の流量を通常より多くするように補正する。
【００１５】
また、前記課題を解決した燃料電池システムは、前記空気導入手段が、前記燃料電池に供給される第１の反応ガスの流量に基づいて前記改質触媒に供される空気の流量の上限値を制限する構成とした。
【００１６】
改質に供される空気の流量を多くすると、発熱反応が促進され改質触媒の温度を高くすることができる。しかし、該空気の流量を多くし過ぎると燃料電池に供給される第１の反応ガスの濃度が低くなり（燃料ガス中の水素濃度が低くなり）、燃料電池に障害を与えることがある。したがって、例えば改質触媒の温度を大きく上げる必要があるために、改質に供される空気の流量を大きく増加する場合でも、該空気の流量を燃料電池の出力に対して所定以上増加するのは好ましくない。このため、改質に供される空気の流量の上限値を燃料電池の出力に基づいて制限することとした。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムの実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
なお、本発明の実施の形態は、改質器に供給する改質空気量の設定の違いから、第１実施形態と第２実施形態とに分けて説明する。
【００１８】
≪第１実施形態≫
先ず、第１実施形態の燃料電池システムを説明する。第１実施形態の燃料電池システムは、改質器に供給する改質空気量を、原燃料ガスの温度に基づいて設定する実施形態である。
図１は、第１実施形態の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００１９】
図１に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池１、蒸発器２、改質器３ａとＣＯ除去器３ｂから構成される反応器３、空気圧縮機４、水・メタノール混合液貯蔵タンク（以下「タンク」という）Ｔ、改質空気量制御弁Ｖ１，ＣＯ除去空気量制御弁Ｖ２、温度センサｔ及び制御装置ＣＵを含んで構成される。
【００２０】
第１実施形態での燃料蒸電池１は、固体高分子型であるＰＥＭ型の燃料電池であり、電解膜を挟んで酸素極及び水素極などから構成される電極構造体（ＭＥＡ）をセパレータでさらに挟み込んだ単セルを、２００枚程度積層した積層構造を有している。この燃料電池１は、水素極（アノード極）に水素を含んだ燃料ガスを供給し、酸素極（カソード極）に空気を供給すると、水素と酸素を電気化学的に反応して発電する。ここで、ＰＥＭとは、Proton Exchange Membraneの略であり、ＭＥＡとは、Membrane Electrode Assemblyの略である。
【００２１】
蒸発器２は、タンクＴからの液体原燃料（水・メタノール混合液）を加熱蒸発させ、改質器３ａに供給する。
このため、蒸発器２は、液体原燃料を蒸発する蒸発器本体２ａ、液体原燃料を蒸発器本体２ａに所定量噴射する原燃料噴射装置２ｂ、及び液体原燃料を蒸発させる熱源となる触媒燃焼器２ｃを備える。蒸発器本体２ａは、図示しない熱媒チューブをその内部に多数有する。熱媒チューブ内には、触媒燃焼器２ｃで触媒燃焼された高温ガスが通流し、噴射された液体原燃料を蒸発させるようになっている。原燃料噴射装置２ｂは、送液ポンプＰにより圧送されたタンクＴからの液体原燃料を図示しないインジェクタから噴射するものである。インジェクタは、制御装置ＣＵからのＰＷＭ信号により間欠的に弁を開閉駆動するものである。触媒燃焼器２ｃは、燃料電池１のオフガス（水素極から排出される未利用の水素を含むガスと酸素極から排出される未利用の酸素を含むガスを混合したもの）を触媒燃焼する燃焼器である。
【００２２】
また、蒸発器本体２ａは、空気導入口を有し、空気圧縮機４から供給される空気が蒸発器本体２ａ内に導入されるようになっている。この蒸発器本体２ａに導入された空気は、改質空気として原燃料蒸気に混合され、原燃料ガスとして改質器３ａに供給されるようになっている。なお、空気圧縮機４から供給される空気の量は、図示しない調圧弁と改質空気量制御弁Ｖ１により調節されるようになっている。この改質空気量制御弁Ｖ１はゲート弁であり、制御装置ＣＵからの弁開度信号により弁の開度が制御される。このように、改質空気を蒸発器本体２ａに供給するのは、原燃料蒸気と空気を良好に混合して、均質な原燃料ガスを得るためである。
ちなみに、改質器３ａに供給される原燃料ガスの温度が２００℃程度になるように、触媒燃焼器２ｃから蒸発器本体２ａに供給される熱量を増減することで、原燃料ガスの温度が調節されるが、燃料電池システムにおける負荷変動（要求される原燃料ガスの量の変動）や外的要因（外気温の簡単変動）により変化する。
なお、改質器３ａに供給される原燃料ガスの温度（蒸気温度）は、熱電対などの温度センサｔにより測定され、測定信号は制御装置ＣＵに送信されるようになっている。
【００２３】
改質器３ａは、内部にオートサーマル反応（ＡＴＲ）用の改質触媒を保持した薄型プレート状のハニカム状触媒層を有しており、このハニカム状触媒層に原燃料ガスを通流することで、下記〔１〕〜〔４〕の反応により水素を含む燃料ガスを生成する。
〔１〕水蒸気改質反応；ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2
〔２〕酸化反応      ；ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2→２Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2
〔３〕熱分解反応    ；ＣＨ3ＯＨ→２Ｈ2＋ＣＯ
〔４〕シフト反応    ；ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2
ここで、〔１〕及び〔３〕の反応は吸熱反応であり、この反応が起こると熱が奪われ、改質触媒（燃料ガス、改質器３ａ）の温度が下がる。一方、〔２〕の酸化反応は発熱反応であり、この反応が起こると熱が発生し、改質触媒（燃料ガス、改質器３ａ）の温度が上昇する。また、〔４〕の反応も発熱反応であるが、発熱量は少ない。したがって、この〔４〕の反応が起こると〔３〕の反応と同様に改質触媒の温度が上昇する（ただし改質触媒の温度上昇幅は〔３〕の反応に比べて少ない）。なお、図８に示すように、改質触媒の温度が上昇すると燃料ガス中の総炭化水素濃度は減少するが一酸化炭素濃度が高くなる。逆に、改質触媒の温度が下がると燃料ガス中の総炭化水素濃度が高くなるが一酸化炭素濃度は減少する。
ちなみに、改質器３ａで生成した燃料ガスの温度は２００℃以上（３００℃程度）になる。なお、改質触媒の温度を均一化するため、及び改質反応を均質化するため、ハニカム状触媒層は、改質器３ａ内に複数並列に配置されている（並列複数段ハニカム状触媒層）。
【００２４】
ＣＯ除去器３ｂは、内部に選択酸化反応用の触媒が充填されており、燃料ガス中に１％程度含まれる一酸化炭素を選択酸化して二酸化炭素に転換し、一酸化炭素を除去する（１００ｐｐｍ以下）。なお、選択酸化反応には酸素を必要とする。このため、空気圧縮機４から図示しない調圧弁とＣＯ除去空気量制御弁Ｖ２により選択酸化用の空気が供給されるようになっている。ＣＯ除去空気量制御弁Ｖ２はゲート弁であり、制御装置ＣＵからの弁開度信号により弁の開度が制御される。このＣＯ除去空気量制御弁Ｖ２は、ゲート弁以外でも、例えばインジェクタやニードル弁で構成されてもよい。
ちなみに、ＣＯ除去器３ｂにおける不要な反応（逆シフト反応、メタネーション反応）により水素を消耗するのを防止するため、図示しない熱交換器が改質器３ａとＣＯ除去器３ｂの間に設けられ、ＣＯ除去器３ｂに供給される原燃料ガスの温度は２５０℃以下（１００℃程度）に冷却される。また、ＣＯ除去器３ｂにおける選択酸化反応は発熱反応であり、燃料ガスの温度が１５０℃以上に上昇する。一方、燃料電池１の作動温度は１００℃以下である。このため、ＣＯ除去器３ｂと燃料電池１（アノード極側）の間に図示しない熱交換器が設けられ、燃料電池１に供給される燃料ガスの温度を燃料電池１が好適に作動できるような温度（例えば８０℃）に調節している。
なお、図示しない熱交換器を通流した後の燃料ガスの流量（燃料電池１に供給される燃料ガスの流量）は、流量センサＱにより測定され、測定信号は制御装置ＣＵに送信されるようになっている。
【００２５】
空気圧縮機４は、図示しないモータにより駆動するスーパーチャージャなどであり、図示しないエアフィルタを介して外気から空気を取り込んで燃料電池１（カソード極）に供給する。この空気圧縮機４は、燃料電池１の要求出力が増加したときは、制御装置ＣＵからの制御信号に基づいてモータの回転速度を速くし、要求出力に応じた空気を燃料電池１に供給するようになっている。なお、燃料電池１と空気圧縮機４の間には図示しない加湿器及び熱交換器が設けられ、空気を加湿すると共に温度調節して燃料電池１に供給するようにしている。ちなみに、空気を加湿するのは、燃料電池１の電解膜が乾燥しプロトン導電率が低下するのを防止するためである。
【００２６】
制御装置ＣＵは、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェイス、Ａ／Ｄ変換器、バスなどから構成され、燃料電池１に供給する燃料ガス及びカソード空気の量、並びに改質空気及びＣＯ除去空気の量を制御する。なお、改質空気の量を制御することにより、改質器３ａに供給される原燃料ガスの温度の変化に対処して改質器３ａの改質触媒の温度を所定の温度に制御する。
【００２７】
以下、図２及び図３を参照して制御装置ＣＵの構成を説明する。
図２は、制御装置の構成を示す機能ブロック図である。図３の、（ａ）は原燃料噴射量から改質空気量を設定する改質空気量マップを示す図であり、（ｂ）は原燃料噴射量からＣＯ除去空気量を設定するＣＯ除去空気量マップを示す図であり、（ｃ）は温度偏差から温度補正係数を設定する温度補正係数マップを示す図であり、（ｄ）は原燃料噴射量から改質空気量の上限を設定する改質空気量上限マップを示す図である。
【００２８】
図２に示すように、制御装置ＣＵは、ＦＣ要求電流設定手段ＣＵ１、カソード空気量設定手段ＣＵ２、原燃料噴射量設定手段ＣＵ３、改質空気量設定手段ＣＵ４、ＣＯ除去空気量設定手段ＣＵ５、温度補正係数設定手段ＣＵ６、乗算手段ＣＵ７、改質空気量比較制限手段ＣＵ８を含んで構成される。
【００２９】
ＦＣ要求電流設定手段ＣＵ１は、燃料電池システムＦＣＳを統括的に制御する図示しない主制御装置からの要求出力信号（デジタル信号）を入力し、マップなどにより燃料電池１の目標発電量（ＦＣ要求電流）を設定し出力する。このＦＣ要求電流は、要求出力信号が大きくなると大きくなるように設定される。なお、要求出力信号は、ドライバの意思によるアクセル開度信号（θＴＨ）や、補器の要求電流量、バッテリの残量などを加味して主制御装置が設定し、制御装置ＣＵ（ＦＣ要求電流設定手段ＣＵ１）に出力するものである。
【００３０】
カソード空気量設定手段ＣＵ２は、ＦＣ要求電流に基づいてマップなどによりカソード空気量を設定する。カソード空気量は、ＦＣ要求電流が大きくなると大きくなるように設定される。そして、カソード空気量を空気圧縮機４のモータの回転速度信号に変換して、空気圧縮機４に出力する。これを受けて、空気圧縮機４（モータ）は、カソード空気量に見合った量のカソード空気を燃料電池１に供給すべ駆動する。なお、図示しない加算手段により、カソード空気量には後記する改質空気量及びＣＯ除去空気量が加算される。したがって、空気圧縮機４は、カソード空気量、改質空気量及びＣＯ除去空気量に応じた量の空気を圧縮し送出することになる。
【００３１】
原燃料噴射量設定手段ＣＵ３は、ＦＣ要求電流に基づいてマップなどにより原燃料噴射量（目標値）を設定し、原燃料噴射装置２ｂに出力する。原燃料噴射装置２ｂは、原燃料噴射量に基づいた量の液体原燃料を蒸発器本体２ａに噴射する。なお、原燃料噴射量設定手段ＣＵ３が出力する原燃料噴射量は、図示しないインジェクタを開閉駆動するＰＷＭ信号として出力される。
【００３２】
改質空気量設定手段ＣＵ４は、原燃料噴射量（目標値）に基づいて、図３（ａ）に示す改質空気量マップから改質空気量を設定し、乗算手段ＣＵ７に出力する。改質空気量マップは、各種実験や論理演算に基づいて、原燃料噴射量が多くなると改質空気量も多くなるように設定してある。
【００３３】
ＣＯ除去空気量設定手段ＣＵ５は、原燃料噴射量（目標値）に基づいて、図３（ｂ）に示すＣＯ除去空気量マップからＣＯ除去空気量を設定する。そして、ＣＯ除去空気量を弁開度信号に変換し、ＣＯ除去空気量制御弁Ｖ２に出力する。これにより、ＣＯ除去空気量制御弁Ｖ２は、設定されたＣＯ除去空気量をＣＯ除去器３ｂに供給するのに見合った弁開度になる。なお、ＣＯ除去空気量マップは、各種実験や論理演算に基づいて、原燃料噴射量が多くなるとＣＯ除去空気量も多くなるように設定してある。このように設定されるのは、原燃料噴射量が多くなると生成する一酸化炭素の量も多くなるからである。
【００３４】
温度補正係数設定手段ＣＵ６は、温度センサｔが測定した原燃料ガスの温度を入力してデジタル信号の原燃料ガスの温度に変換し、予め記憶している原燃料ガスの設定温度（設定された蒸気温度）との温度偏差を求める。そして、温度偏差に基づいて、図３（ｃ）に示す温度補正係数マップから温度補正係数Ｋ１を設定し、乗算手段ＣＵ７に出力する。
なお、温度補正係数マップは、温度偏差がプラス側に大きくなると（温度センサｔが測定した原燃料ガスの温度が高くなると）、温度補正係数Ｋ１が小さくなるように設定してある。後記するように、温度補正係数Ｋ１が小さくなると、改質器３ａに供給される改質空気量が改質空気量マップ（図３（ａ）参照）で設定された改質空気量よりも少なくなる。つまり、改質空気量が少なくなるように補正することで、改質器３ａにおける酸化反応を少なくして、該反応による発熱量を抑制する（吸熱反応である水蒸気改質反応の割合が増加する）。ちなみに、発熱量が抑制されると触媒温度は低下する。一方、温度偏差がマイナス側に大きくなると（温度センサｔが測定した原燃料ガスの温度が低くなると）、温度補正係数Ｋ１が大きくなるように設定してある。後記するように、温度補正係数Ｋ１が大きくなると、改質器３ａに供給される改質空気量が改質空気量マップで設定された改質空気量よりも多くなる。つまり、改質空気量が多くなるように補正することで、改質器３ａにおける酸化反応を多くして、該反応による発熱量を多くする（吸熱反応である水蒸気改質反応の割合が低下する）。ちなみに、発熱量が多くなると触媒温度が上昇する。
【００３５】
乗算手段ＣＵ７は、改質空気量設定手段ＣＵ４からの改質空気量に温度補正係数設定手段ＣＵ６からの温度補正係数Ｋ１を乗算して温度補正を行い、後段の改質空気量比較制限手段ＣＵ８に出力する。これにより改質空気量は、温度補正がなされた適切な値になる。
【００３６】
なお、本実施形態の制御装置ＣＵは、改質空気量比較制限手段ＣＵ８を備える。この改質空気量比較制限手段ＣＵ８は、流量センサＱが測定した燃料ガスの流量を入力してデジタル信号の燃料ガスの流量に変換すると共に、この燃料ガスの流量に基づいて、図３（ｄ）に示す改質空気量上限マップから改質空気量上限を設定する。そして、改質空気量比較制限手段ＣＵ８は、このマップで設定した改質空気量上限と乗算手段ＣＵ７からの補正された改質空気量を比較し、改質空気量が改質空気量上限を超えると、改質空気量上限を改質空気量として設定する。一方、乗算手段ＣＵ７からの改質空気量が改質空気量上限を超えない場合は、乗算手段ＣＵ７からの温度補正がなされた改質空気量を改質空気量として設定する。設定された改質空気量は、弁開度信号に変換されて改質空気量制御弁Ｖ１に出力される。なお、改質空気量上限マップは、各種実験や論理演算に基づいて、燃料ガス量が多くなると改質空気量も多くなるように設定してある。
【００３７】
このように改質空気量の上限を制限するのは、改質空気量を多くして前記した〔２〕の酸化反応の割合を増やすと水素の生成量が少なくなり、これに起因して燃料電池にダメージを与えるおそれがあるからである。換言すると、同じ量の液体原燃料を噴射しても、改質空気量を増やして酸化反応を多くすると、水素の生成量が少なくなり、これに起因して燃料電池にダメージを与えるおそれがあるからである。
したがって、燃料ガスの流量に基づいて改質空気量の上限を設定し、燃料電池システムＦＣＳに対する要求出力信号を満たすのに適切な量の水素を含んだ燃料ガスを、燃料電池１に供給することができるようにする。即ち、図３（ａ）の原燃料噴射量（原燃料ガスの流量）に基づいた改質空気量マップを、図３（ｄ）の燃料ガスの流量に基づいた改質空気量上限マップで補正し、適切な量の水素を含んだ燃料ガスを、燃料電池１に供給することができるようにする。
なお、改質空気量制御弁Ｖ１は、弁開度信号により温度補正及び上限設定された改質空気量をＣＯ除去器３ｂに供給するのに見合った弁開度になる。
【００３８】
＜動作の概略＞
以上説明した、燃料電池システムＦＣＳの動作の概略を、図１〜図３を参照して説明する。
制御装置ＣＵは、アクセル開度、補器類の要求電流量、バッテリ残量などを考慮して定められる要求出力信号を入力すると、ＦＣ要求電流設定手段ＣＵ１がマップなどに基づいてＦＣ要求電流を設定し、カソード空気量設定手段ＣＵ２及び原燃料噴射量設定手段ＣＵ３に出力する。
【００３９】
（カソード空気量）  カソード空気量設定手段ＣＵ２は、ＦＣ要求電流を入力するとこれをアドレスとして図示しないマップを検索してカソード空気量を設定し、空気圧縮機４に出力する。なお、カソード空気量には、改質空気量及びＣＯ除去空気量が加算してあるので、空気圧縮機４は、カソード空気量、改質空気量及びＣＯ除去空気量に応じた量の空気を圧縮し送出する。
【００４０】
（原燃料噴射量）  原燃料噴射量設定手段ＣＵ３は、ＦＣ要求電流を入力するとこれをアドレスとして図示しないマップを検索して原燃料噴射量を設定し、原燃料噴射装置２ｂに出力する。原燃料噴射装置２ｂは、タンクＴから送液ポンプＰにより圧送された液体原燃料を、原燃料噴射量に応じた量だけ蒸発器本体２ａに噴射する。蒸発器本体２ａに噴射された液体原燃料は、燃料電池１のオフガスを触媒燃焼器２ｃで触媒燃焼した際の熱により蒸発される。
なお、原燃料噴射量は、改質空気量設定手段ＣＵ４及びＣＯ除去空気量設定手段ＣＵ５にも出力される。
【００４１】
（改質空気量）  改質空気量設定手段ＣＵ４は、原燃料噴射量を入力するとこれをアドレスとして図３（ａ）の改質空気量マップを検索して改質空気量を設定し、乗算手段ＣＵ７に出力する。乗算手段ＣＵ７には、改質空気量を補正するため、温度補正係数設定手段ＣＵ６からの温度補正係数Ｋ１が入力される。そして、乗算手段ＣＵ７は、改質空気量に温度補正係数Ｋ１を乗じて温度補正した改質空気量を設定する。なお、温度補正係数Ｋ１は、温度補正係数設定手段ＣＵ６が燃料ガスの温度をアドレスとして図３（ｃ）の温度補正係数マップを検索することで設定される。
温度補正がなされた改質空気量は、改質空気量比較判断手段ＣＵ８に出力される。
【００４２】
改質空気量比較制限手段ＣＵ８は、温度補正がなされた改質空気量を入力するとこれをアドレスとして図３（ｄ）の改質空気量上限マップを検索して改質空気量上限を設定する。そして、改質空気量比較制限手段ＣＵ８は、温度補正がなされた改質空気量と改質空気量上限を比較し、改質空気量を設定する。なお、温度補正がなされた改質空気量が改質空気量上限を超える場合は、改質空気量上限が改質空気量として設定される。
改質空気量は、弁開度信号に変換されて改質空気量制御弁Ｖ１に出力され、該弁改質空気量制御弁Ｖ１は設定された改質空気量を蒸発器本体２ａに供給するのに見合った開度になる。
【００４３】
このようにして蒸発器本体２ａには改質空気が供給されるが、この改質空気は液体原燃料の蒸気と加熱混合され、均質な原燃料ガスとして改質器３ａに供給される。なお、原燃料ガスの温度は約２００℃である。
【００４４】
（改質）  改質器３ａでは、改質触媒の存在下、前記したオートサーマル反応によりメタノールと水と改質空気とからなる原燃料ガスより、水素、二酸化炭素、一酸化炭素（少量）及び水（水蒸気）からなる燃料ガスを生成する。なお、前記した〔２〕の酸化反応は供給された改質空気の量に応じて、改質空気量が多いときは〔２〕の酸化反応も多く生じ、改質空気量が少ないときは〔２〕の酸化反応も少なく生じる。
改質器３ａで生成した燃料ガスは、図示しない熱交換器により温度調節され、ＣＯ除去器３ｂに供給される。
【００４５】
（ＣＯ除去空気量・ＣＯ除去）  ＣＯ除去空気量設定手段ＣＵ５は、原燃料噴射量設定手段ＣＵ３から原燃料噴射量を入力するとこれをアドレスとして図３（ｂ）のＣＯ除去空気量マップを検索してＣＯ除去空気量を設定する。そして、ＣＯ除去空気量を弁開度信号に変換し、ＣＯ除去空気量制御弁Ｖ２に出力する。これにより、ＣＯ除去空気量制御弁Ｖ２は、設定されたＣＯ除去空気量に見合った量の空気をＣＯ除去器３ｂに供給する。
ＣＯ除去器３ｂは、触媒の存在下、ＣＯ除去空気を用いてＣＯを選択酸化し、一酸化炭素を二酸化炭素に転換することで一酸化炭素を除去する。
【００４６】
一酸化炭素が除去された燃料ガス（アノードガス）及びカソード空気は燃料電池１に供給され発電を行う。燃料電池１から排出された未利用の水素及び未利用の酸素を含むオフガスは、触媒燃焼器２ｃで触媒燃焼され液体原燃料を蒸発させる熱量を発生する。
【００４７】
＜原燃料ガスの温度が変動した場合＞
改質器３ａに供給される原燃料ガスの温度が変動した場合の燃料電池システムＦＣＳの動作を、図１〜図３、図８を参照して説明する。
【００４８】
運転条件の変動や外的要因により原燃料ガスの温度が上昇すると、改質器３ａにおける改質触媒の温度が上昇する。すると、図８に示すように一酸化炭素濃度が高くなる。一酸化炭素濃度が高くなるとＣＯ除去器３ｂで一酸化炭素を除去しきれずに燃料電池１の白金触媒が被毒されてしまう。
【００４９】
しかし、第１実施形態では、原燃料ガスの温度が高くなり温度偏差がプラス側に大きくなると、温度補正係数設定手段ＣＵ６が設定する温度補正係数Ｋ１が図３（ｃ）に示すように小さくなる。したがって、温度偏差がゼロである場合に比べ、改質空気量が少なくなるように温度補正がなされる。よって、改質器３ａにおける前記した〔２〕の酸化反応（発熱反応）が抑制され、改質触媒の温度が低くなる。図８に示すように、触媒温度が低くなると一酸化炭素濃度も低くなるので、白金触媒の被毒が防止される。
【００５０】
一方、運転条件や外的要因により原燃料ガスの温度が低下すると、改質器３ａにおける改質触媒の温度が低下する。すると、図８に示すように総炭化水素濃度が高くなる。総炭化水素濃度が高くなると燃料の吹き抜けが起こり、燃費が悪くなる。
【００５１】
しかし、第１実施形態では、原燃料ガスの温度が低くなり温度偏差がマイナス側に大きくなると、温度補正係数設定手段ＣＵ６が設定する温度補正係数Ｋ１が図３（ｃ）に示すように大きくなる。したがって、温度偏差がゼロである場合に比べ、改質空気量が多くなるように温度補正がなされる。よって、改質器３ａにおける前記した〔２〕の酸化反応が促進され、改質触媒の温度が高くなる。図８に示すように、触媒温度が高くなると総炭化水素濃度も低くなるので、燃費が改善されると共に大気中への炭化水素の放出が防止される。
【００５２】
つまり、図３（ｃ）の温度補正係数マップにより、（１）原燃料ガスの温度が原燃料ガスの設定温度よりも高くなると、改質触媒の温度を低くするように改質空気量が少なく設定され、（２）原燃料ガスの温度が原燃料ガスの設定温度よりも低くなると、改質触媒の温度を高くするように改質空気量が多く設定される。よって、燃料ガス温度が変動しても改質触媒の温度を一定に保つことができる。これにより、燃料ガスの組成を安定なものとすることができる。
なお、図３（ｄ）の改質空気量上限マップにより、燃料電池１に供給される燃料ガスの流量（第１の反応ガスの生成量）に基づいて改質空気量の上限が設定されるので、燃料ガス中の水素の量が少なくなり過ぎることがない。
【００５３】
≪第２実施形態≫
次に、第２実施形態の燃料電池システムを説明する。第２実施形態の燃料電池システムは、改質器に供給する改質空気量を、原燃料ガスの温度と原燃料噴射量に基づいて設定する実施形態である（原燃料噴射量を加重条件とした実施形態）。
なお、第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムと制御装置のみが異なるものである。したがって、同一の要素については第１実施形態における図面を参照してその説明を省略し、構成の異なる制御装置のみを説明することとする。
図４は、制御装置の構成を示す機能ブロック図である。図５は、原燃料噴射量から出力補正係数を設定する出力補正係数マップを示す図である。
【００５４】
図４に示すように、制御装置ＣＵ（２）は、第１実施形態における制御装置ＣＵの構成の全てを有する他、出力補正係数設定手段ＣＵ９を有する。
出力補正係数設定手段ＣＵ９は、原燃料噴射量設定手段ＣＵ３からの原燃料噴射量に基づいて、図５に示す出力補正係数マップから出力補正係数Ｋ２を設定し、乗算手段ＣＵ７（２）に出力する。なお、出力補正係数マップは、原燃料噴射量が多くなると出力補正係数Ｋ２が小さくなり、原燃料噴射量が少なくなると出力補正係数Ｋ２が大きくなるように設定される。このように出力補正係数マップを設定するのは、次の理由による。
（１）原燃料噴射量が少ない場合は、改質器３ａに供給される原燃料ガスの流量が少なく、改質器３ａの熱マスや改質器３ａからの熱漏れ（放熱ロス）が改質触媒の温度に影響を与えやすい（原燃料ガスの有する熱マスの影響が小さいから）。このため、改質触媒の温度を一定の値に保つべく改質空気量を増やす。
（２）原燃料噴射量が多い場合は、改質器３ａに供給される原燃料ガスの流量が多く、改質器３ａの熱マスや改質器３ａからの熱漏れ（放熱ロス）が改質触媒の温度に影響し難くなる（原燃料ガスの有する熱マスの影響が大きいから）。このため、改質触媒の温度を一定に保つべく改質空気量を減らす。
【００５５】
乗算手段ＣＵ７（２）は、改質空気量設定手段ＣＵ４の改質空気量に温度補正係数設定手段ＣＵ６の温度補正係数Ｋ１を乗ずると共に出力補正係数Ｋ２を乗じ、改質空気量を補正する。温度補正及び出力補正された改質空気量は、改質空気量比較制限手段ＣＵ８で改質空気量の上限が制限される。
【００５６】
この構成の燃料電池システムＦＣＳ（２）は、第１実施形態の燃料電池システムＦＣＳの動作に加えて、改質器３ａに供給される原燃料ガスの流量が少なくなると改質器３ａの熱マス及び熱ロスが改質触媒の温度に与える影響が大きくなることを考慮して改質空気量を多くする。一方、改質器３ａに供給される原燃料ガスの流量が多くなると、原燃料ガスの熱マスの方がより触媒温度に与える影響が大きくなることを考慮して、換言すると改質器３ａの熱マス及び熱ロスが改質触媒の温度に与える影響が少なくなることを考慮して、改質空気量を少なくする。よって、燃料ガスの流量変化を加味して、改質触媒の温度を一定温度に保つことができる。これにより、燃料ガスの組成が安定する。
【００５７】
なお、本発明は前記した発明の実施の形態（第１実施形態及び第２実施形態）に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。
例えば、原燃料はメタノールに限定されるものではなく、液化石油ガスやガソリンなど炭化水素系の原燃料にも適用することができる。また、オートサーマル反応ばかりでなく、部分酸化反応による改質にも適用することができる。また、改質触媒の温度を一定にすることについて説明したが、改質触媒の温度を任意の温度に設定することにも適用することができる。また、改質空気量マップなどを原燃料噴射量に基づくものとしたが、これを燃料電池の出力（要求出力・現実の出力）や、原燃料噴射量と同様に燃料電池の出力と密接な関係のあるパラメータである原燃料ガスの流量（燃料ガスの流量）などに基づくものとしてもよい。また、改質空気を蒸発器に全量供給することとしたが、蒸発器と改質器の間に全量を供給することとしてもよい。このようにすることで、改質空気供給における応答性が良くなる。また、改質空気を蒸発器に供給すると共に蒸発器と改質器の間にも供給するようにしてもよい。このようにすることで、原燃料ガスの均質さと改質空気を供給する際の応答性の調和を図ることができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明した本発明に係る燃料電池システムによれば、原燃料噴射量（燃料電池の出力）と原燃料蒸気の温度に応じて改質触媒に供される空気の流量調節を行うので、確実に改質触媒の温度を所定のものとすることができる。したがって、適切な組成の第１の反応ガスにより、燃料電池を安定した状態で運転することが可能になる。
また、測定された蒸気温度と設定された蒸気温度との偏差に基づいて改質触媒に供される空気の流量を調節するので、より確実に改質触媒の温度を所定のものとすることができる。したがって、より適切な組成の第１の反応ガスにより、燃料電池を安定した状態で運転することが可能になる。
さらに、改質器の熱ロスや原燃料噴射量（燃料電池の出力）を考慮して改質触媒に供される空気の流量を調節するので、さらに確実に改質触媒の温度を所定のものとすることができる。したがって、さらに適切な組成の第１の反応ガスにより、燃料電池を安定した状態で運転することが可能になる。
さらにまた、改質触媒に供される空気の流量の上限値を第１の反応ガス（燃料ガス）の流量に基づいて制限するので、原燃料噴射量に応じた適切な組成の第１の反応ガスを燃料電池に供給することができる。したがって、燃料電池を一層安定した状態で運転することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る第１実施形態の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】  第１実施形態の燃料電池システムにおける制御装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図３】  図３の制御装置における、（ａ）は原燃料噴射量から改質空気量を設定する改質空気量マップを示す図であり、（ｂ）は原燃料噴射量からＣＯ除去空気量を設定するＣＯ除去空気量マップを示す図であり、（ｃ）は温度偏差から温度補正係数を設定する温度補正係数マップを示す図であり、（ｄ）は原燃料噴射量から改質空気量の上限を設定する改質空気量上限マップである。
【図４】  第２実施形態の燃料電池システムにおける制御装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図５】  図４の制御装置における原燃料噴射量から出力補正係数を設定する出力補正係数マップを示す図である。
【図６】  従来の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図７】  原燃料噴射量から改質空気量を設定する改質空気量マップを示す図である。
【図８】  改質触媒の温度と生成する燃料ガス中の一酸化炭素濃度及び総炭化水素濃度の関係を示すグラフである。
【図９】  改質触媒の温度を一定にする場合の改質器に供給する原燃料ガスの温度と改質空気量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…燃料電池
２…蒸発器（原料蒸発手段）
３ａ…改質器
ＦＣＳ…燃料電池システム
ＦＣＳ（２）…燃料電池システム（第２実施形態）
ＣＵ…制御装置（空気導入手段を構成）
ＣＵ（２）…制御装置（空気導入手段を構成、第２実施形態）
Ｖ１…改質空気量制御弁（空気導入手段を構成）
ｔ…温度センサ
【図１】
0003874334.tif 000002
【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】
0003874334.tif 000007
【図７】
0003874334.tif 000008
【図８】
0003874334.tif 000009
【図９】
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