(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素リッチな改質ガスを生成する改質部と改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部とからなる改質器と、
この改質器から供給される改質ガスと酸化剤により発電を行う燃料電池部とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記改質器の起動時または再起動時の直前の温度を一箇所検出する手段と、
検出された改質器の温度に基づき改質器の暖機運転時間を推定する暖機運転時間推定手段とを備え、
暖機運転時間推定手段は、
前記検出された温度と負荷に基づき改質器の暖機運転時間を推定するマップと、
燃料電池部の目標発電量と改質器の負荷から燃料電池部での発電開始から燃料電池部から目標電力が出力されるまでの時間を推定するマップを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記暖機運転時間推定手段は、前記検出された温度と負荷に基づき改質器の暖機運転時間を推定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】
前記暖機運転時間推定手段は、前記検出された温度に基づき最大負荷における改質器の暖機運転時間を推定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４】
前記燃料電池部は２次電池を備え、電力供給源を改質器の暖機状態に応じて燃料電池部と２次電池とを切り換えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
改質ガスが燃料電池部をバイパスする通路を設け、前記改質器が暖機中は改質ガスがバイパス通路に流入することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池部を加熱する手段を備えた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７】
前記加熱手段は改質器が暖機中は燃料電池部の燃料極に改質ガスと酸化剤を供給することを特徴とする請求項６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、燃料改質型燃料電池システムの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムの一つとして燃料改質型燃料電池システムがあり、これは、水素原子を含む化合物を燃料（たとえば炭化水素系燃料）として、この燃料を改質して改質ガスを生成する改質部と、この改質ガスと酸素を含むガスとを各電極に供給して電気化学反応を生じさせて発電を行う燃料電池部とを備えている。
【０００３】
燃料電池部で生じる電気化学反応は下式に示される。
【０００４】
【数１】
0004045755.tif 000002
【０００５】
【数２】
0004045755.tif 000003
【０００６】
【数３】
0004045755.tif 000004
ここで、（１）式はアノードにおける反応、（２）式はカソードにおける反応、（３）式は燃料電池全体で生じる反応を示す。
【０００７】
しかしながら、燃料電池部の始動時において、要求された負荷に対して燃料電池部での反応が十分でなく発電量が不足するという問題がある。燃料電池は一般に常温以上で運転されるものであり、効率よく運転するためには所定の温度まで昇温させた後に定常運転を行う必要があり、燃料電池が所定温度に達するまでの時間、システムが効率よく稼働しないという問題が生じていた。
【０００８】
さらに燃料改質型の燃料電池システムでは、改質器で生成された改質ガス中に要求発電量に対応する水素量が含まれていない場合には、燃料電池部において要求発電量を発電することができず、システムが正常に作動しないという問題もある。
【０００９】
このように燃料電池システムでは、燃料電池部を所定温度まで昇温させる時間と、改質器が所定の水素量を含んだ改質ガスを生成するまでの暖機時間とを考慮する必要がある。通常、改質器の暖機時間は燃料電池部の昇温時間よりも長く、燃料電池システムの起動時には、燃料電池部と改質器とを同時に起動し、改質部の暖機終了を確認後に燃料電池部での発電を開始する、あるいは改質器を先に起動し、途中から燃料電池を起動させ同時に起動を完了させることになる。
【００１０】
この手順を図５に示した特開平６‐３４９５１０号に記載の従来の改質器の構成で説明する。この改質器３０は複数の反応部、たとえば改質ガスを生成する改質部と、改質器で生成された改質ガス中の一酸化炭素を所定濃度以下にまで一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部から構成されており、それぞれの反応部に設けられた温度検出手段としての温度センサ３１、３２の検出値からコントローラ３３は改質器３０の温度が所定温度まで昇温したことを判断する。
【００１１】
この様にして各反応部の温度が所定温度に達したことを確認したことで改質器３０の暖機が終了したことを確認し、改質器３０に燃料ガス、たとえばメタノールと、酸化剤ガス、たとえば空気とを供給して改質反応を行って水素リッチの改質ガスを生成する。改質ガス中の水素量を推定する水素量推定手段３４が改質器３０の下流に設置され、改質ガス中の水素量が所定量以上のときに改質ガスが燃料電池３５に供給され、発電を生じるものである。
【００１２】
改質ガス中の水素量を推定する手段としては、改質ガス中の水素濃度や組成を直接検出してもよいし、改質ガスの温度や一酸化炭素濃度から間接的に推定する方法を用いてもよい。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池システムにおいては、改質器３０の温度測定を実施し、所定温度以上であることを確認する必要があり、このとき改質器３０を構成する各反応部の温度をすべて確認する必要がある。さらに各反応部は部位よって温度分布を有しており、この温度分布はその外気温や使用頻度等起動時の環境条件によっても変化し、反応部の温度を一点で推測することができず、同一反応部に複数の温度センサを設置する必要がある。
【００１４】
したがって改質器３０の温度が所定温度に達したかどうかの判断はこれら多数の温度センサの検出値に基づいて判断する必要があり、その構成および制御が複雑になるという問題がある。
【００１５】
本発明の目的は、改質器の起動完了までの時間をより簡潔な構成および制御によって為し得ることである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、第１の発明は、水素リッチな改質ガスを生成する改質部と改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部とからなる改質器と、この改質器から供給される改質ガスと酸化剤により発電を行う燃料電池部とを備えた燃料電池システムにおいて、前記改質器の起動時または再起動時の直前の温度を一箇所検出する手段と、検出された改質器の温度に基づき改質器の暖機運転時間を推定する暖機運転時間推定手段とを備え、暖機運転時間推定手段は、前記検出された温度と負荷に基づき改質器の暖機運転時間を推定するマップと、燃料電池部の目標発電量と改質器の負荷から燃料電池部での発電開始から燃料電池部から目標電力が出力されるまでの時間を推定するマップを備える。
【００１７】
第２の発明は、第１の発明において、前記暖機運転時間推定手段は、前記検出された温度と負荷に基づき改質器の暖機運転時間を推定する。
【００１８】
第３の発明は、第１の発明において、前記暖機運転時間推定手段は、前記検出された温度に基づき最大負荷における改質器の暖機運転時間を推定する。
【００２２】
第４の発明は、第１から３のいずれか一つの発明において、前記燃料電池部は２次電池を備え、電力供給源を改質器の暖機状態に応じて燃料電池部と２次電池とを切り換える。
【００２３】
第５の発明は、第１から４のいずれか一つの発明において、改質ガスが燃料電池部をバイパスする通路を設け、前記改質器が暖機中は改質ガスがバイパス通路に流入する。
【００２４】
第６の発明は、第１の発明において、燃料電池部を加熱する手段を備える。
【００２５】
第７の発明は、第６の発明において、前記加熱手段は改質器が暖機中は燃料電池部の燃料極に改質ガスと酸化剤を供給する。
【００２６】
【発明の効果】
第１の発明では、燃料電池システムにおいて、前記改質器の起動時または再起動時の直前の温度を一箇所検出する手段と、検出された改質器の温度に基づき改質器の暖機運転時間を推定する暖機運転時間推定手段とを備えたので、改質器の温度検出個所は１点で足り、改質器暖機時の制御が１つの温度出力信号のみで行われるので、容易な制御とすることができ、またその構成も簡素化、小型化を図ることができ、システムとして低価格化を図ることができる。
前記暖機運転時間推定手段として前記検出された温度と負荷に基づき改質器の暖機運転時間を推定するマップと燃料電池部の目標発電量と改質器の負荷から燃料電池部での発電開始から燃料電池部から目標電力が出力されるまでの時間を推定するマップとを備えたので、改質器の暖機時の制御を容易な制御とすることができる。
【００２７】
第２の発明では、前記暖機運転時間推定手段は、前記検出された温度と負荷に基づき改質器の暖機運転時間を推定するので、第１の発明の効果に加えて、負荷に応じた改質器の暖機時間を推定できるため、無駄な暖機時間を削減でき、システムの効率向上を図ることができる。
【００２８】
第３の発明では、前記暖機運転時間推定手段は、前記検出された温度に基づき最大負荷における改質器の暖機運転時間を推定し、暖機時は常に最大負荷とすることで、暖機時間の短縮を図ることができる。
【００３２】
第４の発明では、前記燃料電池部は２次電池を備え、電力供給源を改質器の暖機状態に応じて燃料電池部と２次電池とを切り換えるので、改質器から所定量の改質ガスが供給されず燃料電池部から所望の出力が期待できないときには２次電池から出力することで、改質器暖機中においても安定したシステム運転を行うことができる。さらに燃料電池部での発電量が要求発電量を上回ったときには余剰分を２次電池に充電することができ、システムの効率を向上することができる。
【００３３】
第５の発明では、改質ガスが燃料電池部をバイパスする通路を設け、前記改質器が暖機中は改質ガスがバイパス通路に流入するので、燃料電池部の被毒を防止することができる。
【００３４】
第６の発明では、燃料電池部を加熱する手段を備えたので、燃料電池部の起動時間を短縮することができる。
【００３５】
第７の発明では、前記加熱手段は改質器が暖機中は燃料電池部の燃料極に改質ガスと酸化剤を供給するので、改質ガスと酸化剤との発熱反応によって燃料電池部が昇温し、燃料電池部の起動時間を短縮できる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
本発明の構成を図１を用いて説明する。本発明の構成は、燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気とを供給されて改質ガスを生成する改質器１と、改質器１からの改質ガスが供給されるアノードと、酸素を含むガスが供給されるカソードとを備え、各極間で電気化学反応により発電する燃料電池部２を備える。
【００３７】
なお本実施形態において、改質器１は複数の反応部、例えば、改質ガスを生成する改質部と改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を所定濃度まで除去するＣＯ除去部から一体的に構成される。
【００３８】
改質器１には燃料タンク３からの燃料ガスと圧縮機４から空気が供給され、さらに燃料電池部２のカソードに空気を供給する圧縮機５が備えられる。
【００３９】
さらに改質器１には改質器１内の温度を検出する１つの温度センサ７が備えられ、この温度センサ７の検出値はコントローラ６に送られ、コントローラ６は温度検出値と既知のマップを用いて改質器１の暖機時間を推定する。さらにコントローラ６は温度センサ７の検出値に基づき燃料電池部２の発電量を制御し、その出力信号を燃料電池部２に送信する。温度センサ７が検出する改質器１の温度の測定箇所はいかなる位置であってもよいが、改質器１の改質部が設置される入口部に設置することが好ましい。
【００４０】
図２を用いてコントローラ６の実施する改質器１の起動時の手順について説明すると、まずステップＳ１で温度センサ７を用いて起動時の改質器１内の温度を検出する。改質器１の温度を測定するタイミングは起動時もしくは起動直前とする。ステップＳ２では、温度検出値と後述のマップから改質器１に供給される燃料ガスおよび空気の供給量に基づく改質器１の暖機時間を推定する。ステップＳ３で改質器１を起動し、推定した暖機時間で改質器１を暖機運転する。ステップＳ４で改質器１の暖機時間が経過したかどうかを判定し、経過していないときにステップＳ３に戻り、経過したときにはステップＳ５に進む。ステップＳ５で改質器１の暖機が終了したと判断し、燃料電池部２での発電を開始し、目標発電量に達するまでの遅れ時間を後述の図４のマップを用いて推定して電力を下流に供給する。ステップＳ６で改質器１の起動運転を終了し通常運転に移行する。
【００４１】
ステップＳ２で用いた改質器１の暖機時間を推定するために用いたマップについて説明する。改質器１を構成する各反応部において、その使用材料や伝熱特性を考慮すると、反応停止後の各反応部での温度分布は均一化される方向に変化する。したがって改質器１の起動時直前の温度分布は均一化していると考えられ、起動時直前または起動時の温度から改質反応のプロファイルを予測し、改質器１の暖機時間を推定できる。特に反応部の温度が高温のときには、反応速度よりも反応部の温度によって暖機時間が影響される。したがって、起動時の反応部温度と暖機時間の関係をマップにしておき、温度センサ７によって改質器１の温度を検出し、マップから暖機時間を推定することができる。
【００４２】
具体的には、図３に示したマップは、改質器１の負荷（一定負荷）と起動時の改質器１の温度から改質器１の暖機終了と判断される所定量の水素量が生成されるまでの時間（すなわち改質器１の暖機時間）を示したものである。
【００４３】
また図４に示したものは改質器の暖機終了後、燃料電池部２が発電を開始し、一定負荷での燃料電池部２の供給電力が目標電力に達するまでの遅れ時間を表すマップであり、改質器１から目標電力を供給するのに必要な水素量を燃料電池部２に供給しても燃料電池部２が目標電力を供給するまでに遅れが生じ、その遅れ時間を表している。この遅れ、タイムラグは改質器１からの改質ガスが燃料電池部２へ供給される際に１次の応答遅れを持って供給されるために発生し、したがって、このタイムラグは図４に示すような１次遅れの曲線で近似できる。
【００４４】
したがって本発明においてはコントローラ６に図３、図４に示すような改質器１の起動時の温度から暖機時間を推定するマップと暖機終了後の発電開始時から目標電力を供給するまでの時間（タイムラグ）を推定するマップとを読み込んでおくことで、改質器の起動時の温度を検出し、燃料電池部２から供給される電力が安定的に出力されるまで出力を停止しておくので、電力をより安定して制御することができる。さらに本発明の制御では、改質器１の温度検出個所は１点で足り、改質器１の起動時の制御と燃料電池部２の出力までの制御が１つの温度出力信号と、前述の２つのマップにより制御されるので、容易な制御とすることができ、またその構成も簡素化、小型化を図ることができ、システムとして低価格化を図ることができる。
【００４５】
図５に示した第２の実施形態の構成は燃料電池部２に２次電池５０を接続したもので、２次電池５０を設置することで、改質器１が起動運転を完了するまでの間、燃料電池部２に所定流量の改質ガスが供給されないときに２次電池５０から電力を取り出し、システムを稼動することができるので、改質器暖機中においても安定したシステム運転を行うことができる。さらに燃料電池部２での発電量が要求発電量を上回ったときには余剰分を２次電池５０に充電することができ、システムの効率を向上することができる。
【００４６】
さらに第１の実施形態の構成では、改質器１の起動時間中でも改質器１から排出されたＣＯが所定濃度以上の未改質ガスが燃料電池部２に供給される構成であったが、未改質ガスとともに酸化剤（例えば、空気）をアノード（燃料極）に供給して還元ガス成分を酸化させたり、燃料電池部２をバイパスする通路を設けて、改質器１の起動時間中は未改質ガスを燃料電池部２に供給しないように構成してもよい。バイパス通路を設けた場合には、燃料電池部２の被毒を防止し、発電性能の低下を抑止できる。またアノードに空気を供給した場合には、燃料電池部２の被毒を防止するとともに、改質ガス中のＣＯと酸素が発熱反応を生じて燃料電池部２が加熱されて、起動時間を短縮できる。なお、バイパス通路を設けて起動時に未改質ガスを燃料電池部２に供給しない場合には、燃料電池部２の起動時は別置の加熱手段によって加熱する構成とすることで、燃料電池部２の起動時間を短縮し、燃料電池システムとしての小型化や低価格化を図ることができる。
【００４７】
なお、本実施形態においては、改質器１を構成する改質反応を行う反応器はオートサーマル方式の反応器を例として説明したが、これに限らず、他の形式の反応器に適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を説明する燃料電池システム概要図である。
【図２】同じくコントローラ６が行う制御内容を説明するフローチャートである。
【図３】改質器の温度と所定水素生成量までに必要な時間を示すマップである。
【図４】要求電流量とタイムラグの関係を示すマップである。
【図５】第２実施形態を説明する燃料電池システム概要図である。
【図６】従来の技術の構成を示す燃料電池システム概要図である。
【符号の説明】
１ 改質器
２ 燃料電池部
３ 燃料タンク
４ 圧縮機
５ 圧縮機
６ コントローラ
７ 温度センサ
【図１】
0004045755.tif 000005
【図２】
0004045755.tif 000006
【図３】
0004045755.tif 000007
【図４】
0004045755.tif 000008
【図５】
0004045755.tif 000009
【図６】
0004045755.tif 000010