(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部負荷に電力を供給する二次電池と、少なくとも前記二次電池に電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスを生成する改質システムと、前記燃料電池の作動停止時に余剰となる前記改質システムから前記燃料電池に至る間の余剰燃料ガスを燃焼処理する燃焼器とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記二次電池の蓄電余裕量を検出する蓄電余裕量検出手段と、
前記燃料電池の作動停止時の余剰燃料ガスにより生成し得る余剰電力量を算出する余剰電力量算出手段と、
前記蓄電余裕量検出手段により検出された二次電池の蓄電余裕量と前記余剰電力量算出手段により算出された余剰電力量とに基づいて、前記余剰電力を前記二次電池に蓄電するか、または前記余剰燃料ガスを前記燃焼器に導き燃焼処理するかを制御する電力制御手段と、を備え、
前記電力制御手段は、前記燃料電池の作動停止時の余剰燃料ガス量が前記燃焼器で処理可能なガス量以上であるときは前記余剰電力を前記二次電池に蓄電し、前記燃料電池の作動停止時の余剰燃料ガス量が前記燃焼器で処理可能なガス量未満であるときは前記余剰電力を前記二次電池に蓄電せずに前記余剰燃料ガスを前記燃焼器へ導くことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電力制御手段は、前記外部負荷への電力の供給元を前記二次電池と前記燃料電池とで切り替える請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記電力制御手段は、前記外部負荷に対する燃料電池システムの出力負荷の増加率が正（プラス）であって、前記二次電池の蓄電余裕量が前記余剰電力量未満のときは、前記改質システムによる燃料電池に供給される燃料ガスの生成を制限する請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記電力制御手段は、前記二次電池からの電力を前記外部負荷へ優先的に供給する請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
外部負荷に電力を供給する二次電池と、少なくとも前記二次電池に電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスを生成する改質システムと、前記燃料電池の作動停止時に余剰となる前記改質システムから前記燃料電池に至る間の余剰燃料ガスを燃焼処理する燃焼器とを備えた燃料電池システムに用いられる制御装置であって、
前記二次電池の蓄電余裕量を検出する蓄電余裕量検出手段と、
前記燃料電池の作動停止時の余剰燃料ガスにより生成し得る余剰電力量を算出する余剰電力量算出手段と、
前記蓄電余裕量検出手段により検出された二次電池の蓄電余裕量と前記余剰電力量算出手段により算出された余剰電力量とに基づいて、前記余剰電力を前記二次電池に蓄電するか、または前記余剰燃料ガスを前記燃焼器に導き燃焼処理するかを制御する電力制御手段と、を備え、
前記電力制御手段は、前記燃料電池の作動停止時の余剰燃料ガス量が前記燃焼器で処理可能なガス量以上であるときは前記余剰電力を前記二次電池に蓄電し、前記燃料電池の作動停止時の余剰燃料ガス量が前記燃焼器で処理可能なガス量未満であるときは前記余剰電力を前記二次電池に蓄電せずに前記余剰燃料ガスを前記燃焼器へ導くことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃焼器へ送られる余剰水素ガスの量を適正値に制御することで燃焼器の破損等を防止できる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の燃料電池システムは、燃料が有するエネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうちの陰極（燃料極）側に水素リッチガスを供給するとともに、他方の陽極（酸化剤極）側に空気などの酸素含有ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである。
【０００３】
【化１】
陰極反応：Ｈ２  →２Ｈ＋  ＋２ｅ−
陽極反応：２Ｈ＋  ＋２ｅ−  ＋（１／２）Ｏ２  →Ｈ２  Ｏ
起電燃料となる水素リッチガスを生成する装置として、メタノールを水蒸気改質して水素を多量に含む燃料ガスとする改質器が用いられ、酸素を含有する酸化剤ガスを生成する装置として、空気を取り入れて圧縮空気とする圧縮機が用いられる。そして、圧縮機からの圧縮空気をアフタークーラ等で冷却したのち燃料電池の陽極へ供給する一方で、燃料タンクから改質器へメタノールガスを送り、当該改質器にて改質された水素リッチガスを燃料電池の陰極へ供給する。
【０００４】
こうした燃料電池システムは、二次電池による電気自動車に比べ、走行可能距離や燃料のインフラストラクチャの整備条件等の点で有利であることから、車両用駆動電源への採用が検討されている。
【０００５】
また、燃料電池と二次電池とを搭載し、運転状況に応じて電力の供給元を切り替えることで、電気エネルギーを効率的に供給することも検討されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、車載された燃料電池システムを停止すると、改質器から燃料電池スタックまでの間の水素ガスが余剰ガスとなるが、従来の燃料電池システムでは、燃料電池システムを停止したときに、この余剰水素ガスは未反応のまま燃焼器に送られ、これが燃焼器の処理能力を超える程の多量であると、燃焼器が破損または溶損するおそれがある。また、余剰水素ガスを用いて発電し、これを二次電池へ充電することも考えられるが、従来のシステムでは二次電池の充電能力は何ら考慮されていないので、二次電池が満充電になっていると同様の問題が生じる。
【０００７】
なお、二次電池を充電するためのバックアップ電源として燃料電池を用いたものも提案されている（たとえば、特開平８−１８２２０８号公報）が、このシステムでも、同様に二次電池の充電能力は何ら考慮されていないので、二次電池が満充電になっていると燃焼器の破損又は溶損の問題は解消されない。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、燃焼器へ送られる余剰水素ガス量を適正値に制御することにより燃焼器の破損および溶損を防止できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池システムは、外部負荷に電力を供給する二次電池と、少なくとも前記二次電池に電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスを生成する改質システムと、前記燃料電池の作動停止時に余剰となる前記改質システムから前記燃料電池に至る間の余剰燃料ガスを燃焼処理する燃焼器とを備えた燃料電池システムにおいて、前記二次電池の蓄電余裕量を検出する蓄電余裕量検出手段と、前記燃料電池の作動停止時の余剰燃料ガスにより生成し得る余剰電力量を算出する余剰電力量算出手段と、前記蓄電余裕量検出手段により検出された二次電池の蓄電余裕量と前記余剰電力量算出手段により算出された余剰電力量とに基づいて、前記余剰電力を前記二次電池に蓄電するか、または前記余剰燃料ガスを前記燃焼器に導き燃焼処理するかを制御する電力制御手段と、を備え、前記電力制御手段は、前記燃料電池の作動停止時の余剰燃料ガス量が前記燃焼器で処理可能なガス量以上であるときは前記余剰電力を前記二次電池に蓄電し、前記燃料電池の作動停止時の余剰燃料ガス量が前記燃焼器で処理可能なガス量未満であるときは前記余剰電力を前記二次電池に蓄電せずに前記余剰燃料ガスを前記燃焼器へ導くことを特徴とする。
【００１０】
また、上記目的を達成するために、請求項５記載の燃料電池システムの制御装置は、外部負荷に電力を供給する二次電池と、少なくとも前記二次電池に電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスを生成する改質システムと、前記燃料電池の作動停止時に余剰となる前記改質システムから前記燃料電池に至る間の余剰燃料ガスを燃焼処理する燃焼器とを備えた燃料電池システムに用いられる制御装置であって、前記二次電池の蓄電余裕量を検出する蓄電余裕量検出手段と、前記燃料電池の作動停止時の余剰燃料ガスにより生成し得る余剰電力量を算出する余剰電力量算出手段と、前記蓄電余裕量検出手段により検出された二次電池の蓄電余裕量と前記余剰電力量算出手段により算出された余剰電力量とに基づいて、前記余剰電力を前記二次電池に蓄電するか、または前記余剰燃料ガスを前記燃焼器に導き燃焼処理するかを制御する電力制御手段と、を備え、前記電力制御手段は、前記燃料電池の作動停止時の余剰燃料ガス量が前記燃焼器で処理可能なガス量以上であるときは前記余剰電力を前記二次電池に蓄電し、前記燃料電池の作動停止時の余剰燃料ガス量が前記燃焼器で処理可能なガス量未満であるときは前記余剰電力を前記二次電池に蓄電せずに前記余剰燃料ガスを前記燃焼器へ導くことを特徴とする。
【００１１】
また、前記電力制御手段は、前記外部負荷への電力の供給元を前記二次電池と前記燃料電池とで切り替えることが好ましい。
【００１２】
この請求項１，５に記載の発明では、蓄電余裕量検出手段にて二次電池の蓄電余裕量を検出（監視）する一方で、余剰電力量算出手段にて燃料電池を停止したときの余剰燃料ガスにより生成し得る余剰電力量を算出する。そして、二次電池の蓄電余裕量と余剰電力量とに基づいて、余剰電力を二次電池に蓄電するか、または余剰燃料ガスを燃焼器に導き燃焼処理するかを制御するので、燃料電池を停止しても余剰となった燃料ガスにより生成された電力を二次電池へ蓄電することができ、効率的に電力を消費することができると同時に、過剰な燃料ガスを燃焼器で処理することが防止され、燃焼器の破損や溶損を防止することができる。
【００１３】
（２）上記発明においては特に限定されないが、前記電力制御手段は、前記外部負荷に対する燃料電池システムの出力負荷の増加率が正（プラス）であって、前記二次電池の蓄電余裕量が前記余剰電力量未満であるときは、前記燃料電池に供給される燃料ガスの生成を制限することが好ましい。
【００１４】
このとき、前記電力制御手段は、前記二次電池からの電力を前記外部負荷へ優先的に供給することが好ましい。
【００１５】
この請求項３乃至４記載の発明では、外部負荷に作用する出力負荷、たとえば運転負荷が低負荷から高負荷に移行するときに、改質器などの燃料ガスの生成器の出力と二次電池の蓄電余裕量とを比較しながら運転する。すなわち、燃料ガスの再起動の応答性が良い場合等においては、運転負荷が低負荷から高負荷に移行したときに燃料電池にて生成された電力がそのまま使用できるので、二次電池からの電力の供給量が少なくなり、この状態で燃料電池が停止すると余剰燃料ガスにより生成される余剰電力を蓄電できない。
【００１６】
しかしながら、こうしたときに本発明では燃料ガスの生成を制限するとともに、二次電池からの電力を優先的に外部負荷へ供給するので、燃料電池を停止しても余剰となった燃料ガスにより生成された電力を二次電池へ蓄電することができ、効率的に電力を消費することができると同時に、過剰な燃料ガスを燃焼器で処理することが防止され、燃焼器の破損や溶損を防止することができる。
【００１７】
（３）上記発明においては特に限定されないが、前記余剰電力量Ｆは、下記（１）式により算出されることが好ましい。
【００１８】
【数２】
Ｆ＝（Ｑ−ｑ）・Ｅ・β／γ  …（１）
Ｆ：余剰電力量（ｋＪ）
Ｑ：発生し得る水素量（ｍｏｌ）
ｑ：燃焼器で処理可能な水素量（ｍｏｌ）
Ｅ：水素の低発熱量（ｋＪ／ｍｏｌ）
β：燃料電池のスタック効率
γ：燃料電池スタックの水素過剰率（≧１．０）
ここで、燃料電池を停止したときに発生し得る水素量Ｑは、改質器内、配管内およびスタック水素極の総ガス体積をＶｘ（リットル）、改質ガスの平均水素含有率をα、スタック水素極の圧力をＰ（kgf/cm2G）、改質ガスの平均温度をＴ（℃）とすると、
【数３】
Ｑ＝Ｖｘ・α・Ｐ・２７３／（Ｔ＋２７３）／２２．４    …（２）
上記（２）式において、ガス体積Ｖｘ、改質ガスの平均水素含有率αは改質器の装置仕様により決定される定数であることから、スタック水素極の圧力Ｐと改質ガスの平均温度Ｔとを検出すれば水素量Ｑを求めることができる。
【００１９】
また、上記（１）式において、燃焼器で処理可能な水素量ｑは燃焼器の装置仕様により決定される定数であり、また水素の低圧熱量Ｅも定数である。さらに、スタック効率βおよびスタックの水素過剰率γはマップ等を用いることにより求めることができる。
【００２０】
上記発明においては特に限定されないが、前記電力制御手段は、（Ｑ−ｑ）≧０であるときは前記余剰電力を前記二次電池に蓄電し、（Ｑ−ｑ）＜０であるときは前記余剰電力を前記二次電池に蓄電せずに前記余剰燃料ガスを前記燃焼器へ導くことが好ましい。
【００２１】
この発明では燃焼器の処理能力を上回った場合のみ蓄電するので各運転状態に適した制御が可能となる。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１乃至２，５記載の発明によれば、燃料電池を停止しても余剰となった燃料ガスにより生成された電力を二次電池へ蓄電することができ、効率的に電力を消費することができると同時に、過剰な燃料ガスを燃焼器で処理することが防止され、燃焼器の破損や溶損を防止することができる。
【００２３】
これに加えて、請求項３および４記載の発明によれば、燃料ガスの生成装置の出力をも制御することで、より一層効率的に電力を消費することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の燃料電池システムを示すブロック図（クレーム対応図）、図２は本発明の燃料電池システムの実施形態を示すブロック図、図３および図４は本発明の燃料電池システムの制御手順を示すフローチャートである。
【００２６】
図２に示す本実施形態の燃料電池スタック３１は、電気自動車のバッテリ（二次電池）２１を充電するために車両の適宜箇所に搭載され、電力制御器６１を介して電気自動車のモータ１１を間接的または直接的に駆動する。この電力制御器６１は、バッテリ２１に充電された電力を取り出してモータ１１に供給したり、燃料電池スタック３１で生成された電力をバッテリ２１に充電したり、あるいは燃料電池スタック３１で生成された電力をそのままモータ１１へ供給したりする。
【００２７】
燃料電池スタック３１は、その燃料極（−）に水素リッチガスが供給される一方、酸化剤極（＋）にコンプレッサ３３１からの空気が供給され、触媒の存在下において電池反応が生じ、これにより発電を行う。なお、燃料極および酸化剤極に供給されて余剰となった水素ガスおよび空気は燃焼器３３２に供給されて処理される。
【００２８】
燃料電池スタック３１の燃料極に供給すべき水素リッチガスは、たとえば改質器３３３によって生成することができる。本例の改質システム３３は、メタノールと過剰量の水とからなる混合液体燃料（以下、改質原料ともいう。）が収容された燃料タンク３３４と、改質器３３３と、一酸化炭素除去器３３５と、燃焼器３３２とを備えている。
【００２９】
改質器３３３には、燃料タンク３３４内の改質原料がポンプ３３６を用いて送られる一方で、コンプレッサ３３１から酸化剤としての空気が送られる。そして、気化された改質原料を改質触媒の存在下において改質反応させ、水素と二酸化炭素を含む改質ガスを生成する。
【００３０】
また、改質器３３３の下流に設けられた一酸化炭素除去器３３５は、コンプレッサ３３１からの空気を導入することで改質ガスに含まれた一酸化炭素を選択酸化させ、燃料電池スタック３１の被毒の原因となる一酸化炭素の濃度を低減させるものである。こうして水素リッチとなった改質ガスは燃料電池スタック３１の燃料極へ供給される。
【００３１】
燃焼器３３２では燃料電池スタック３１で余剰となった改質ガスおよび空気を燃焼触媒の存在下において燃焼させ、このときの燃焼エネルギーを改質器３３３へ供給することで排ガス処理と同時に改質反応を促進させる機能を有する。
【００３２】
なお、改質器３３３内には温度センサＴ１、改質器３３３の出口配管には温度センサＴ２、一酸化炭素除去器３３５内には温度センサＴ３、一酸化炭素除去器３３５の出口配管には温度センサＴ４がそれぞれ設けられ、これらの検出信号は改質器制御装置３４へ送出される。また、燃料電池スタック３１の燃料極の出口には圧力センサＰ１が設けられ、この検出信号は電力制御装置のスタック制御器３２へ送出される。
【００３３】
改質器制御装置３４は、アクセルなどのような外部負荷に応じた指令信号に応答して燃料電池スタック３１へ供給すべき水素リッチガスの生成量を制御するものである。
【００３４】
また、電力制御装置のバッテリ監視器４１は、バッテリ２１の蓄電余裕量、つまりバッテリ２１にどれだけ充電できるかを監視するものである。こうしたバッテリの蓄電余裕量は、たとえば放電電流と端子電圧とに基づいてバッテリから取り出し得る最大出力を算出し、予め実験的に求めたバッテリ容量と最大出力との相関関係を表す関数を用いて、前記最大出力からバッテリの残容量を算出する方法（たとえば特公平１−３９０６９号公報参照）や、バッテリの放電電流および端子電圧に基づいてバッテリの最大出力密度と放電電力量との関係を順次算出し、この結果に基づいて将来の最大出力密度と放電電力量との関係を一次以上の回帰によって推定し、この推定された最大出力密度と放電電力量との特性曲線が放電終了時の最大出力密度と交わるときの放電電力量から、現在の放電電力量を減算することによりバッテリの残容量を算出する方法（たとえば特開平６−１７４８０８号公報参照）、あるいは特開平８−１８２２０８号公報に開示された方法等々、公知の手段を採用することができる。
【００３５】
次に動作を説明する。
図３に示すように、燃料電池システム１００の停止指令が入力されると（ステップ１）、電力制御器６１からモータ１１への電力の供給を停止する（ステップ２）とともに、改質器３３３への改質原料の供給を停止する（ステップ３）。このとき、改質器３３３から燃料電池スタック３１までの間に水素ガスが残っており、この残った水素ガスを用いて燃料電池スタック３１にて発電することができる。しかしながら、この発電した電力は、モータ１１が停止している以上、バッテリ２１に充電する以外は用途がない。
【００３６】
そこで本実施形態では、余剰となった水素ガスにより生成し得る電力量Ｆを上記（１）式および（２）式を用いて算出し、走行中においてはバッテリ２１の蓄電余裕量が常にこの電力量以上となるように、バッテリ２１からモータ１１への電力の供給量を制御する。
【００３７】
そして、ステップ４において、余剰となった水素ガス量Ｑが燃焼器３３２で処理可能な水素ガス量ｑを超えたときは、ステップ６および７へ進んで、その余剰水素ガスによって生成された電力をバッテリ２１へ充電する。なお、ステップ４において余剰となった水素ガス量Ｑが燃焼器３３２で処理可能な水素ガス量以下であるときはステップ５へ進んで燃料電池スタック３１での発電を停止し、システムを停止する。
【００３８】
図４は燃料電池システム１００の起動時の制御手順を示すフローチャートであり、発進指令または再発進指令が入力されると、電力制御器６１を介してバッテリ２１からモータ１１へ電力を供給する（ステップ１１，１２）。また、改質器３３３へ改質原料を供給することで改質器３３３を起動または再起動させる（ステップ１３，１４）。これにより改質器３３３は運転を開始し、改質ガスが燃料電池スタック３１へ供給されることで当該燃料電池スタック３１は発電を開始する（ステップ１５，１６）。
【００３９】
電力制御器６１は、バッテリ２１の蓄電余裕量を監視しながらモータ１１へ供給する電力の供給元をバッテリ２１と燃料電池スタック３１とで切り替える（ステップ１７）が、ステップ１８において、バッテリ２１の蓄電余裕量が、余剰水素ガス量Ｑから燃焼器３３２で処理可能な水素ガス量を減じた量の水素ガスにより生成される電力量を超えるときは、ステップ２０へ進んでそのままの条件で改質器３３３の運転を継続する。ただし、ステップ１８において、バッテリ２１の蓄電余裕量が、余剰水素ガス量Ｑから燃焼器３３２で処理可能な水素ガス量を減じた量の水素ガスにより生成される電力量以下のときは、そのまま停止すると水素ガスが過剰となることから、改質器３３３で生成される水素ガス量を減じるように改質器３３３の出力を調整する（ステップ１９）。これにより、余分な水素ガスの発生を抑制することができる。
【００４０】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】本発明の燃料電池システムの実施形態を示すブロック図である。
【図３】本発明の燃料電池システムの停止時の制御手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の燃料電池システムの起動時の制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１００…燃料電池システム
１…外部負荷
２…二次電池
３…燃料電池
４…蓄電余裕量検出手段
５…余剰電力量算出手段
６…電力制御手段
【図１】
0003849749.tif 000002
【図２】
0003849749.tif 000003
【図３】
0003849749.tif 000004
【図４】
0003849749.tif 000005