(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタノールと水及び空気から水素を改質器で生成し、この水素と空気から電力を燃料電池で発生し、この燃料電池で消費されなかった排水素を排水素燃焼器で燃焼させる燃料電池システムを搭載する燃料電池車において、
改質器に供給するメタノールと水及び空気のそれぞれの流量と、改質器での反応温度に基づいて水素発生量を演算する水素発生量演算手段と、
燃料電池での発電電圧及び電流に基づいて消費した水素消費量を演算する水素消費量演算手段と、
この水素発生量から水素消費量を引いて排水素量を演算する排水素量演算手段と、
この排水素量に基づいて排水素燃焼器での燃焼推定温度を演算する燃焼推定温度演算手段と、
排水素燃焼器の温度検出値とこの燃焼推定温度の温度差を演算する温度差演算手段と、
この温度差が第１の所定値を超えた場合には、排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断する異常判断手段と、
この異常判断結果に応じて、燃料電池車の運転制御を変更する運転制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置。
【請求項２】
前記運転制御手段は、
前記異常判断手段が前記排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合には、通常の走行制御からリンプホーム制御に移行することを特徴とする請求項１記載の燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置。
【請求項３】
前記運転制御手段は、
前記異常判断手段が前記排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合に、前記温度差が前記第１の所定値より大きい第２の所定値を超えたときには、前記リンプホーム制御からシステム停止制御に移行することを特徴とする請求項２記載の燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置。
【請求項４】
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記水素消費量演算手段は、
前記演算結果の水素消費量を前記燃料電池の温度を用いて補正することを特徴とする請求項１記載の燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排水素燃焼器の燃焼温度が所定値内に入っているかを監視し、排水素燃焼器の温度異常を早期に検知し、適切な処置を講じることができる燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池車においては、メタノールと水、あるいはメタノールと水及び空気から水素を改質器で生成し、この水素と空気から電力をスタックで発電していた。
【０００３】
このような燃料電池車では、スタックから排出された排水素を排水素燃焼器で燃焼させ、排水素燃焼器の排気熱を使って蒸発器に供給されるメタノールと水を蒸発させていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この排水素燃焼器の燃焼温度は、スタックからの排水素量によって決まるが、従来の燃料電池車では、排水素燃焼器は温度制御がなされていなかった。このため、燃料電池システムに異常が発生した場合には、排水素燃焼器の燃焼温度の異常低下や異常上昇を招くことが考えられる。
【０００５】
そこで、排水素燃焼器に燃焼温度の異常が発生した場合に、排水素燃焼器の燃焼温度を所定温度に制御することが望まれていた。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、排水素燃焼器に異常が発生した場合にも、燃料電池車の運転制御を変更できるようになり、燃料電池車の信頼性の向上に寄与することができる燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、メタノールと水及び空気から水素を改質器で生成し、この水素と空気から電力を燃料電池で発生し、この燃料電池で消費されなかった排水素を排水素燃焼器で燃焼させる燃料電池システムを搭載する燃料電池車において、改質器に供給するメタノールと水及び空気のそれぞれの流量と、改質器での反応温度に基づいて水素発生量を演算する水素発生量演算手段と、燃料電池での発電電圧及び電流に基づいて消費した水素消費量を演算する水素消費量演算手段と、この水素発生量から水素消費量を引いて排水素量を演算する排水素量演算手段と、この排水素量に基づいて排水素燃焼器での燃焼推定温度を演算する燃焼推定温度演算手段と、排水素燃焼器の温度検出値とこの燃焼推定温度の温度差を演算する温度差演算手段と、この温度差が第１の所定値を超えた場合には、排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断する異常判断手段と、この異常判断結果に応じて、燃料電池車の運転制御を変更する運転制御手段とを備えたことを要旨とする。
【０００８】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記運転制御手段は、前記異常判断手段が前記排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合には、通常の走行制御からリンプホーム制御に移行することを要旨とする。
【０００９】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、前記運転制御手段は、前記異常判断手段が前記排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合に、前記温度差が前記第１の所定値より大きい第２の所定値を超えたときには、前記リンプホーム制御からシステム停止制御に移行することを要旨とする。
【００１０】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、前記水素消費量演算手段は、前記演算結果の水素消費量を前記燃料電池の温度を用いて補正することを要旨とする。
【００１１】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、改質器に供給するメタノールと水及び空気のそれぞれの流量と、改質器での反応温度に基づいて水素発生量を演算し、燃料電池での発電電圧及び電流に基づいて消費した水素消費量を演算し、この水素発生量から水素消費量を引いて排水素量を演算し、この排水素量に基づいて排水素燃焼器での燃焼推定温度を演算し、排水素燃焼器の温度検出値とこの燃焼推定温度の温度差を演算する。ここで、この温度差が第１の所定値を超えた場合には、排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断し、この異常判断結果に応じて、燃料電池車の運転制御を変更することで、排水素燃焼器に異常が発生した場合にも、燃料電池車の運転制御を変更できるようになり、燃料電池車の信頼性の向上に寄与することができる。
【００１２】
また、請求項２記載の本発明によれば、排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合には、通常の走行制御からリンプホーム制御に移行することで、予め設定した所定値までは出力を下げて運転を継続することができる。この結果、異常検知後に直ちに車両の運転を停止しないで済み、燃料電池車の信頼性の向上に寄与することができる。
【００１３】
また、請求項３記載の本発明によれば、排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合に、温度差が第１の所定値より大きい第２の所定値を超えたときには、リンプホーム制御からシステム停止制御に移行することで、排水素燃焼器に異常が発生した場合にも、燃料電池車の運転制御を異常程度に応じて順次変更できるようになり、燃料電池車の信頼性の向上に寄与することができる。
【００１４】
また、請求項４記載の本発明によれば、燃料電池の温度を検出しておき、演算結果の水素消費量を燃料電池の温度を用いて補正することで、精度よく燃料電池の水素消費量を推定することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１６】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置が適応可能な燃料電池システムの構成を示す図である。
【００１７】
この燃料電池システムは、図１に示すように、改質器１１、スタック１３、排水素燃焼器１５、熱交換器１７と蒸発器１９及びコントロールユニット２１を備えていおり、原燃料としてメタノールを使用している。
【００１８】
図１において、メタノール３１と水３３は、供給装置（図示せず）から開閉弁３５，３７を介して蒸発器１９に供給され、蒸発状態で改質器１１に流入する。改質器１１には、開閉弁３９を介して空気４１が供給される場合もあり、メタノールと水、あるいはメタノールと水及び空気が反応して水素４３を生成してスタック１３に流入する。スタック１３には、開閉弁４５を介して空気４７が供給され、水素と酸素が反応して発電される。スタック１３から排出された排水素４９と排空気５１は、排水素燃焼器１５で燃焼される。排水素燃焼器１５から排出された排気５３は、熱交換器１７を通って外気へ排出される。熱交換器１７では排気５３から得た熱を利用して蒸発器１９の温度を上げ、蒸発器１９でメタノール３１と水３３を蒸発させる。
【００１９】
改質器１１の反応温度は、温度センサ６１で検出される。スタック１３で発電された電力は、電流計６３と電圧計６５でそれぞれ電流と電圧が検出され、さらに、バッテリやモータ（図示せず）に供給される。スタック１３の温度は、温度センサ６７で検出される。排水素燃焼器１５の温度は、温度センサ６９で検出される。排水素燃焼器５の周辺での外気温度は、外気温センサ７１で検出される。メタノール３１の流入量は、流量計７３で計測される。水３３の流入量は、流量計７５で計測される。空気４１の流入量は、流量計７７で計測される。これらのセンサで計測された値は、コントロールユニット２１に送られる。
【００２０】
コントロールユニット２１では、運転者によるアクセル操作に応じて、バッテリ（図示せず）とスタック１３との電力配分に応じた出力指令に従ってメタノール３１と水３３及び空気４１，４７の供給量を制御する。
【００２１】
次に、図２を参照して、コントロールユニット２１の排水素燃焼器１５に関する基本的な動作内容を説明する。なお、図２に示す各部は、排水素燃焼器１５の排気温を推定するためにコントロールユニット２１が実行するソフトウエアモジュールである。
【００２２】
改質器水素発生量演算部８１では、流量計７３で計測されるメタノール量と、流量計７５で計測される水流量と、流量計７７で計測される空気量と、温度センサ６１で検出される改質器での反応温度に基づいて、改質器１１で発生される水素発生量を計算する。なお、改質器１１では空気を使わない場合もある。
【００２３】
また、スタック水素消費量演算部８３では、電流計６３と電圧計６５で計測される出力電圧Ｖと出力電流Ｉに基づいてスタック１３での水素消費量を計算する。このようにして求めた改質器の水素発生量からスタック１３の水素消費量を引くことで排水素燃焼器水素入力量を演算する。そして、排水素燃焼器温度計算部８５では、この排水素燃焼器水素入力量に基づいて、排水素燃焼器１５の燃焼熱を算出する。
【００２４】
ここで、図３は、排水素燃焼器１５の周辺での外気温Ｔａから燃焼部Ｔｃまでの熱等価回路である。
【００２５】
同図において、燃焼器の温度Ｔｃは、燃焼部から外気までの熱抵抗θ（℃／Ｗ）と、排水素燃焼器水素入力量から求められる燃焼熱Ｐ（Ｗ）と、排水素燃焼器１５の周辺での外気温Ｔａに基づいて、
【数１】
Ｔｃ＝Ｐ・θ＋Ｔａ                                （１）
となる。
【００２６】
次に、図４に示すフローチャートを参照して、排水素燃焼器１５の動作異常を判断するための処理について説明する。
【００２７】
まず、ステップＳ１０では、上述した（１）式の演算を行い排水素燃焼器１５の温度Ｔｃを推定する。そして、ステップＳ２０では、温度センサ６９により排水素燃焼器１５の排気温度Ｔｅを検出する。そして、ステップＳ３０では、排気温度検出値Ｔｅと推定値Ｔｃの温度差の絶対値を取り、この値が所定値Ｔ１内に入っているかを判定する。
【００２８】
【数２】
｜Ｔｃ−Ｔｅ｜＜Ｔ１                              （２）
所定値Ｔ１内に入っている場合には、システムは正常運転中であるので、ステップＳ１０に戻り、監視処理を繰り返す。
【００２９】
一方、所定値Ｔ１内に入っていない場合には、ステップＳ４０に進み、システム異常であると判断する。なお、運転席前方に設けられたインストルメントパネル内の表示器に予めシステム異常を表すＬＥＤを備えておき、システム異常であると判断した場合にはこのＬＥＤを点灯してシステムが異常状態にあることを運転者に報知するようにしてもよい。
【００３０】
なお、ステップＳ３０において、排気温度検出値Ｔｅと推定値Ｔｃの差が規定値に入っているかを判定することで、改質器１１の水素生成、スタック１３の電力消費、排水素燃焼器１５の燃焼、さらに、これらに関係するセンサ及びアクチュエータが正常に動作していることを確認することになる。
【００３１】
このように、この温度差が所定値Ｔ１を超えた場合には、排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断することで、排水素燃焼器に加わえて改質器、燃料電池、温度センサのいずれかの異常をも検知することができるため、燃料電池車の信頼性の向上に寄与することができる。
【００３２】
そして、ステップＳ５０では、さらに広い範囲の所定値Ｔ２内に入っているか判定する。この範囲内に入っている場合には、リンプホーム制御に移行する。リンプホーム制御は、予め設定した所定値まで出力を下げて運転を可能とする制御方法であり、システムに異常を検知した後に、直ちにシステムの運転を停止せずに低出力状態で走行を継続するので、車両の信頼性を向上することができる。
【００３３】
このように、排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合には、通常の走行制御からリンプホーム制御に移行することで、予め設定した所定値までは出力を下げて運転を継続することができる。この結果、異常検知後に直ちに車両の運転を停止しないで済み、燃料電池車の信頼性の向上に寄与することができる。
【００３４】
一方、この範囲内から外れている場合には、システム停止制御に移行する。システム停止制御は、今まで車両に供給していた電力を停止するので、車両の安全を確保するために、まず、システムを停止することを運転者に警告し、次に、蒸発器１９へのメタノール３１と水３３の供給を停止し、さらに、改質器１１への空気４１の供給を停止する。この結果、スタック１３での発電出力が徐々に減衰していき停止する。
【００３５】
このように、排水素燃焼器の燃焼温度が異常であると判断した場合に、温度差が第１の所定値より大きい第２の所定値を超えたときには、リンプホーム制御からシステム停止制御に移行することで、排水素燃焼器に異常が発生した場合にも、燃料電池車の運転制御を異常程度に応じて順次変更できるようになり、排水素燃焼器に加わえて改質器、燃料電池、温度センサのいずれかが破損の可能性がある場合にのみ運転を停止するので、リンプホーム制御時でも燃料電池車の信頼性の向上に寄与することができる。
【００３６】
なお、上述した例では、ステップＳ３０及びＳ５０において排気温度検出値Ｔｅと推定値Ｔｃの差の絶対値を取ったり、図５に示すように、その値が数直線上のどの位置にあるかで排水素燃焼器１５の運転状態を判断したが、図６に示すように、符号付きで正負の規定値を変えて判断するようにしてもよい。
【００３７】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に係る燃料電池システムに適応可能であり、その説明を省略する。
【００３８】
図７に示す各部は、排水素燃焼器１５の排気温を推定するためにコントロールユニット２１が実行するソフトウエアモジュールであり、図２に示すスタック水素消費量演算部８３をスタック水素消費量演算部９３に変更したことを特徴としている。
【００３９】
一般に、スタック１３から出力可能な出力電流Ｉ及び出力電圧Ｖは、スタック温度Ｔに応じて、図８に示すスタック水素消費マップのように変動する。
【００４０】
そこで、スタック水素消費量演算部９３には、スタック１３の出力電流Ｉと出力電圧Ｖ及びスタック温度Ｔに対応する水素消費量を予め実験的に求めておき、図８に示すように、スタック水素消費マップとしてコントロールユニット２１の内部ＲＯＭに記憶してある。
【００４１】
ここで、コントロールユニット２１による排水素燃焼器１５の燃焼熱の算出動作を説明する。
【００４２】
スタック水素消費量演算部９３では、電流計６３と電圧計６５で計測される出力電圧Ｖと出力電流Ｉ及びスタック温度Ｔに基づいて、図８に示すスタック水素消費マップを参照して、スタック１３での水素消費量を求める。
【００４３】
そして、上述したように、改質器水素発生量演算部８１で求めた改質器の水素発生量からスタック１３の水素消費量を引くことで排水素燃焼器水素入力量を演算する。そして、排水素燃焼器温度計算部８５では、この排水素燃焼器水素入力量に基づいて、排水素燃焼器１５の燃焼熱を算出する。
【００４４】
このように、水素消費量をスタック１３の温度Ｔを用いて補正することで、精度よく燃料電池の水素消費量を推定することができる。この結果、システム起動時から定常運転に移行する場合でも、排水素燃焼器に異常が発生したことを確実に判断でき、燃料電池車の運転制御を変更できるようになり、燃料電池車の信頼性の向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置が適応可能な燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】排水素燃焼器の排気温を推定するためにコントロールユニット２１が実行するソフトウエアモジュールである。
【図３】排水素燃焼器の周辺の外気温Ｔａから燃焼部Ｔｃまでの熱等価回路である。
【図４】排水素燃焼器の動作異常を判断するためのフローチャートである。
【図５】排水素燃焼器の運転状態を表す温度範囲の絶対値を示す数直線である。
【図６】排水素燃焼器の運転状態を表す温度範囲を示す数直線である。
【図７】排水素燃焼器の排気温を推定するためにコントロールユニット２１が実行するソフトウエアモジュールである。
【図８】スタック水素消費マップを示す図である。
【符号の説明】
１１  改質器
１３  スタック
１５  排水素燃焼器
１７  熱交換器
１９  蒸発器
２１  コントロールユニット
３１  メタノール３１
３３  水
３５，３７，４５  開閉弁
４１，４７  空気
４３  水素
４９  排水素
５１  排空気
５３  素燃焼器
６１，６７，６９  温度センサ
６３  電流計
６５  電圧計
７１  外気温センサ
７３，７５，７７  流量計
【図１】
0004100533.tif 000002
【図２】
0004100533.tif 000003
【図３】
0004100533.tif 000004
【図４】
0004100533.tif 000005
【図５】
0004100533.tif 000006
【図６】
0004100533.tif 000007
【図７】
0004100533.tif 000008
【図８】
0004100533.tif 000009