JP5189792B2 - 燃料電池用改質器の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は燃料電池用改質器の制御装置に関し、より具体的には、燃料電池用改質器の適正な運転状態を常に維持するようにした制御装置に関する。

従来より、燃料と水を改質触媒などで反応させて水素を含有した改質ガスを生成する改質部を備えた燃料電池用改質器の制御装置において、燃料電池の負荷が変化した場合であっても、改質器の適正な運転状態を維持するようにした技術が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載の技術にあっては、改質触媒の温度を検出すると共に、改質触媒を加熱する燃焼バーナの発熱量を検出された温度に基づいて調整することで、改質触媒の温度を所定範囲内にし、改質器の適正な運転状態を維持するように構成している。
特開平１０−９５６０１号公報

ところで、改質器の触媒温度は、前記した燃料電池の負荷の変化以外に、燃料電池の冷間始動時における熱量の不足や触媒の劣化など様々な外乱によって所定範囲から頻繁に外れる。触媒温度が所定範囲から外れると、改質器は適正な運転状態を維持することができず、燃料電池で必要な改質ガス量が確保できない、あるいは改質ガス中の一酸化炭素濃度が上昇して燃料電池の電極の触媒が被毒するなどの不具合が生じるおそれがあった。上記した特許文献１記載の技術は、そのような不具合について何等対策するものではなかった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、燃料電池の負荷の変化などの外乱が生じた場合であっても、適正な運転状態を常に維持するようにした燃料電池用改質器の制御装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１にあっては、燃料と水を改質触媒で反応させて水素と一酸化炭素を含有した改質ガスを生成する改質反応部と、前記改質反応部で生成される改質ガスをシフト触媒で反応させて一酸化炭素の濃度が低減された改質ガスを生成するシフト反応部と、前記シフト反応部で生成される改質ガスと空気を酸化触媒で反応させて一酸化炭素が除去された改質ガスを生成して燃料電池に供給する酸化反応部とを備える燃料電池用改質器の制御装置において、前記燃料電池の負荷電流に応じて前記燃料と水と空気の供給量を決定する供給量決定手段と、前記改質反応部とシフト反応部と酸化反応部の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池に供給される改質ガスと前記燃料電池で生成される改質オフガスの少なくともいずれかの水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、前記検出された改質反応部の温度が第１の所定範囲にあるか否か、または前記検出された水素濃度が第２の所定範囲にあるか否か判断する判断手段とを備えると共に、前記供給量決定手段は、前記検出された改質反応部の温度が前記第１の所定範囲を超えたと判断されるとき、少なくとも前記決定された燃料の供給量を減少させる一方、前記検出された改質反応部の温度が前記第１の所定範囲を下回ったと判断されるとき、前記決定された燃料と水の供給量を増加させると共に、前記検出された水素濃度が前記第２の所定範囲を下回ったと判断されるとき、前記決定された燃料と水の供給量を増加させるように構成した。

請求項２にあっては、前記判断手段は、前記検出された酸化反応部の温度が第３の所定範囲にあるか否か判断すると共に、前記供給量決定手段は、前記検出された酸化反応部の温度が前記第３の所定範囲を超えたと判断されるとき、前記燃料電池用改質器への前記燃料と水と空気の供給を停止するように構成した。

請求項３にあっては、さらに、前記シフト反応部は、高温シフト触媒が充填される高温シフト反応部と低温シフト触媒が充填される低温シフト反応部とから構成され、前記検出されたシフト反応部の温度は、少なくとも前記低温シフト反応部の入口温度を含み、前記判断手段は、前記低温シフト反応部の入口温度が第４の所定範囲にあるか否か判断すると共に、前記検出された低温シフト反応部の入口温度が前記第４の所定範囲を下回ったと判断されるとき、前記シフト触媒を加熱する加熱手段を備えるように構成した。

請求項１に係る燃料電池用改質器の制御装置にあっては、改質反応部へ供給される燃料と水、および酸化反応部に供給される空気の量（供給量）を、燃料電池の負荷電流に応じて決定する一方、改質反応部とシフト反応部と酸化反応部の温度を検出すると共に、燃料電池に供給される改質ガスと燃料電池で生成される改質オフガスの少なくともいずれかの水素濃度を検出し、検出された改質反応部の温度が第１の所定範囲にあるか否か、または検出された水素濃度が第２の所定範囲にあるか否か判断し、検出された改質反応部の温度が第１の所定範囲を超えたと判断されるとき、少なくとも決定された燃料の供給量を減少させる一方、検出された改質反応部の温度が第１の所定範囲を下回ったと判断されるとき、決定された燃料と水の供給量を増加させると共に、検出された水素濃度が第２の所定範囲を下回ったと判断されるとき、決定された燃料と水の供給量を増加させるように構成したので、燃料電池の負荷の変化などの外乱が生じた場合であっても、例えば燃料と水と空気の供給量を、燃料電池で必要な改質ガス量を確実に確保できるように、あるいは改質ガス中の一酸化炭素濃度が上昇しないように、変更することが可能になり、よって燃料電池における改質ガスの不足や燃料電池の触媒が一酸化炭素によって被毒するなどの不具合が生じず、改質器の適正な運転状態を常に維持することができる。

請求項２に係る燃料電池用改質器の制御装置にあっては、検出された酸化反応部の温度が第３の所定範囲にあるか否か判断すると共に、検出された酸化反応部の温度が第３の所定範囲を超えたと判断されるとき、燃料電池用改質器への燃料と水と空気の供給を停止するように構成したので、上記した効果に加え、外乱によって例えば改質反応部とシフト反応部と酸化反応部の内の少なくともいずれかに何等かの異常が生じた場合、燃料電池用改質器の動作を確実に停止させることができる。

請求項３に係る燃料電池用改質器の制御装置にあっては、さらに、低温シフト反応部の入口温度が第４の所定範囲にあるか否か判断すると共に、検出された低温シフト反応部の入口温度が第４の所定範囲を下回ったと判断されるとき、シフト触媒を加熱するように構成したので、上記した効果に加え、外乱によって例えば改質ガス中の一酸化炭素濃度が上昇するおそれが生じた場合であっても、シフト触媒を加熱してシフト反応を促進させることで、一酸化炭素濃度の上昇を防止でき、よって改質器の適正な運転状態を効果的に維持することができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池用改質器の制御装置の最良の実施の形態について説明する。

図１は、この発明の実施例に係る燃料電池用改質器の制御装置を全体的に示す概略図
である。

図１において、符号１０は燃料電池（スタック）を示す。燃料電池１０は、電解質膜（固体高分子膜）と、それを挟持するアノード極（燃料極）とカソード極（空気極）と、各電極の外側に配置されるセパレータ（いずれも図示せず）とから構成される単電池（セル）を複数個積層して形成された、公知の固体高分子型燃料電池からなる。

燃料電池１０には、カソード極にカソードガス（反応空気）を供給するカソードガス供給系１２と、アノード極にアノードガス（改質ガス）を供給するアノードガス供給系１４と、燃料電池１０で発生する電力を制御する電力制御系１６が接続される。

カソードガス供給系１２は、燃料電池１０のカソードガス供給口（図示せず）に接続されてカソードガスを供給するカソードガス供給路２０を備える。カソードガス供給路２０には、空気を吸引してカソードガスとして燃料電池１０に圧送するカソードガスポンプ２２と、カソードガスポンプ２２の下流側においてカソードガスを燃料電池１０から排出されるカソードガス（以下「カソードオフガス」という）などによって加湿する加湿器２４が設置される。尚、この明細書において「上流」「下流」とは、そこを流れる気体あるいは液体（流体）などの流れ方向における上流、下流を意味する。

カソードガス供給系１２はさらに、その一端が燃料電池１０のカソードオフガス排出口（図示せず）に接続される一方、他端が大気に開放され、カソードオフガスを外部に排出させるカソードオフガス排出路２６を有する。カソードオフガス排出路２６の途中には、前記した加湿器２４が配置される。

アノードガス供給系１４は、改質用燃料（燃料。例えば、メタンを主成分とする都市ガス）を改質させ、燃料電池１０のアノード極に供給されるべきアノードガスを生成する改質器（燃料電池用改質器）３０と、改質器３０と燃料電池１０（具体的には、燃料電池１０のアノードガス供給口（図示せず））を接続してアノードガスを燃料電池１０に供給する第１のアノードガス供給路３２ａと、燃料電池１０（具体的には、図示しない燃料電池１０のアノードオフガス排出口）と改質器３０（正確には、後述する改質器３０の燃焼バーナ）を接続して燃料電池１０で生成されるアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路３４からなる。

改質器３０には、改質用燃料の供給源（図示せず）の改質用燃料を供給する改質用燃料供給路３６と、図示しない水源の水を改質用の水（以下「改質用水」という）として供給する改質用水供給路４０と、後述する選択酸化（ＰＲＯＸ）触媒での選択酸化反応に利用される空気（以下「選択酸化用空気」という）を供給する酸化用空気供給路４２が接続される。

改質用燃料供給路３６には、改質用燃料の付臭剤、例えば有機硫黄化合物などを除去する脱硫器４４と、脱硫器４４の下流側において改質用燃料の流量（供給量）を調整する第１の流量調整弁４６と、第１の流量調整弁４６の下流側において、そこを通過する改質用燃料の流量に応じた信号を出力する第１の流量センサ５０が設けられる。

改質用水供給路４０には、改質用水を改質器３０に圧送する送水ポンプ５２と、送水ポンプ５２の下流側において改質用水の流量（供給量）を調整する第２の流量調整弁５４と、第２の流量調整弁５４の下流側における改質用水の流量に応じた信号を出力する第２の流量センサ５６が配置される。また、酸化用空気供給路４２には、空気を吸引して選択酸化用空気として改質器３０に圧送する酸化用空気ポンプ６０と、酸化用空気ポンプ６０の下流側において選択酸化用空気の流量（供給量）を調整する第３の流量調整弁６２と、第３の流量調整弁６２の下流側における選択酸化用空気の流量に応じた信号を出力する第３の流量センサ６４が配置される。第１から第３の流量調整弁４６，５４，６２は、非通電時に閉弁し、通電時に開弁する電磁弁であり、燃料電池１０の非運転時は閉弁されているものとする。

図２は、改質器３０の構成を部分的に示す模式図である。

図２に示すように、改質器３０は、改質用燃料供給路３６と改質用水供給路４０を介して改質用燃料と改質用水が供給され、それらを改質触媒３０ａ１で反応（改質反応）させて水素と一酸化炭素を含有したアノードガスを生成する改質反応部３０ａと、改質反応部３０ａに接続されると共に、改質反応部３０ａで生成されるアノードガスをシフト触媒（後述）で反応（シフト反応）させて一酸化炭素が低減されたアノードガスを生成するシフト反応部３０ｂと、シフト反応部３０ｂに接続されると共に、シフト反応部３０ｂで生成されるアノードガスと酸化用空気供給路４２をから供給される選択酸化用空気とを酸化触媒３０ｃ１で反応（選択酸化反応）させて一酸化炭素が除去されたアノードガスを生成して燃料電池１０に供給する酸化反応部３０ｃを備える。

シフト反応部３０ｂは、比較的高温でシフト反応が進行する高温シフト触媒３０ｂ１が充填される高温シフト反応部３０ｂ２と、比較的低温でシフト反応が進行する低温シフト触媒３０ｂ３が充填される低温シフト反応部３０ｂ４の２段に分かれて構成される。尚、高温シフト反応部３０ｂ２で生成されたアノードガスは、高温シフト反応部３０ｂ２と低温シフト反応部３０ｂ４の間に配置される熱交換器（図示せず）などによって適宜に冷却される。

また、低温シフト反応部３０ｂ４は、図示の如く、低温シフト触媒３４ｂ３を加熱する電熱ヒータ３０ｂ５を備える。電熱ヒータ３０ｂ５は、ニクロム線などの発熱線と、それを被覆する絶縁材および保護管などからなり、電流が発熱線に通電されたときに発熱する。

上記した改質反応部３０ａとシフト反応部３０ｂ（高温シフト反応部３０ｂ２、低温シフト反応部３０ｂ４）と酸化反応部３０ｃには、それぞれの温度を検出する温度センサ（温度検出手段）が５個取り付けられる。具体的に説明すると、改質反応部３０ａの入口付近（改質用燃料と改質用水が供給される部位）には、第１の温度センサ６６ａが取り付けられると共に、出口付近（水素と一酸化炭素を含有したアノードガスが排出される部位）には、第２の温度センサ６６ｂが取り付けられる。

高温シフト反応部３０ｂ２の入口付近（水素と一酸化炭素を含有したアノードガスが供給される部位）には第３の温度センサ６６ｃが配置される。低温シフト反応部３０ｂ４の入口付近（高温シフト反応部３０ｂ２で一酸化炭素が低減されたアノードガスが供給される部位）には第４の温度センサ６６ｄが配置される。また、酸化反応部３０ｃは、その入口付近（低温シフト反応部３０ｂ４で一酸化炭素が低減されたアノードガスが供給される部位）に配置される第５の温度センサ６６ｅを備える。これら第１から第５の温度センサ６６ａ〜６６ｅは、配置された部位の温度に応じた信号を出力する。

図１の説明に戻ると、改質器３０は、加熱用燃料（例えば都市ガス）を燃焼させて前記した改質反応部３０ａの改質触媒３０ａ１などを加熱する燃焼バーナ３０ｄを備える。燃焼バーナ３０ｄには、燃焼用の空気（以下「燃焼空気」という）などを供給する燃焼空気供給路６８が接続される。燃焼空気供給路６８には、空気を燃焼空気として圧送する燃焼空気ポンプ７０が設けられると共に、燃焼空気ポンプ７０の下流側には、燃焼空気に加熱用燃料を供給する加熱用燃料供給路７２が接続される。改質器３０はさらに、燃焼バーナ３０ｄでの燃焼によって発生する燃焼排ガスを外部に排出させる燃焼排ガス排出路７４が接続される。

第１のアノードガス供給路３２ａには、第１のアノードガス供給路３２ａとアノードオフガス排出路３４を連通させる第２のアノードガス供給路３２ｂが接続される。第２のアノードガス供給路３２ｂには、第２のアノードガス供給路３２ｂを開閉する第１の開閉弁（電磁弁）７６が配置される。第１の開閉弁７６は、非通電時に閉弁され、燃料電池１０において必要なアノードガスの量が減少したとき、通電されてアノードガスを第２のアノードガス供給路３２ｂを介してアノードオフガス排出路３４に供給するように設定される。

第１のアノードガス供給路３２ａにおいて第２のアノードガス供給路３２ｂの接続位置よりも下流側には、第１のアノードガス供給路３２ａを開閉する第２の開閉弁７８が配置されると共に、その下流側には熱交換器８０と気液分離器８２が配置される。熱交換器８０には、アノードガスを冷却する冷却水を供給する冷却水供給路８０ａが接続される。また、気液分離器８２は、熱交換器８０において冷却されたアノードガスを気体成分と液体成分（凝縮水）に分離するように構成される。気液分離器８２は、分離して得られた凝縮水を排出する排出路８２ａを備えると共に、排出路８２ａには、凝縮水の量に応じて排出路８２ａを開閉する第３の開閉弁（電磁弁）８２ｂが設置される。

アノードガス供給路３２ａにおいて気液分離器８２よりも下流側には、燃料電池１０に供給されるアノードガスの水素濃度を検出し、濃度に応じた信号を出力する第１の水素濃度センサ（水素濃度検出手段）８４が取り付けられる。

また、アノードオフガス排出路３４にも、燃料電池１０で生成されるアノードオフガス（改質オフガス）の水素濃度を検出し、濃度に応じた信号を出力する第２の水素濃度センサ（水素濃度検出手段）８６が取り付けられる。第１、第２の水素濃度センサ８４，８６は、燃料電池１０のアノードガス供給口あるいはアノードオフガス排出口の近傍に位置させられる。これにより、第１、第２の水素濃度センサ８４，８６の温度は燃料電池１０と略同程度に保持され、結露などを防止できる。尚、第１、第２の水素濃度センサ８４，８６を例えばヒータなどで加熱、保温して結露を防止しても良い。

アノードオフガス排出路３４において第２の水素濃度センサ８６よりも下流側には、アノードオフガス排出路３４を開閉する第４の開閉弁９０が配置される。第４の開閉弁９０と前述した第２の開閉弁７８はいずれも電磁弁からなり、燃料電池１０の非運転時にアノードガスなどが外部に流出するのを防止するため、燃料電池１０の運転終了時に全て閉弁されているものとする。

第４の開閉弁９０より下流側には、第２のアノードガス供給路３２ｂの接続位置を介して熱交換器９２と気液分離器９４が配置される。熱交換器９２には、アノードオフガスを冷却する冷却水を供給する冷却水供給路９２ａが接続される。また、気液分離器９４は、熱交換器９２において冷却されたアノードオフガスを気体成分と液体成分に分離し、得られた凝縮水を排出路９４ａを介して排出させる。排出路９４ａには、凝縮水の量に応じて排出路９４ａを開閉する第５の開閉弁（電磁弁）９４ｂが設置される。尚、前記排出路８２ａ，９４ａは共に加湿器２４に接続され、凝縮水はカソードガスの加湿用の水として利用される。また、気液分離器９４において水分が除去されたアノードオフガスは、加熱用の燃料として燃焼バーナ３０ｄに供給される。

電力制御系１６は、マイクロ・コンピュータなどからなる電子制御ユニット（Electronic Control Unit。以下「ＥＣＵ」という）１００と、燃料電池１０で発生する電力（直流電流）を所定の周波数の交流電流に変換して電気負荷（交流電源機器）１０２に出力するインバータ１０４などからなり、燃料電池１０で発生した電力を出力する出力端子１０６に接続される。

インバータ１０４と電気負荷１０２を接続する電線には、電流センサ１１０が接続され、そこを流れる電流、換言すれば、燃料電池１０の負荷電流に応じた信号を出力する。ＥＣＵ１００は、電流センサ１１０や前記した第１から第３の流量センサ５０，５６，６４、第１、第２の水素濃度センサ８４，８６などの信号が信号線などを介して入力されると共に、入力された各センサの信号に基づき、第１から第３の流量調整弁４６，５４，６２などの補機類の動作を制御するが、それについては後述する。

尚、燃料電池１０には、上記した各構成要素の他に、燃料電池１０を冷却する冷却系なども接続されるが、それらは本願の要旨と直接の関係を有しないので、図示および説明を省略する。

次いで上記した構成を前提に、燃料電池１０の発電動作について説明する。

先ず燃料電池１０の始動指示がなされると（より詳しくは、オペレータによって始動スイッチ（図示せず）がオンされると）、改質器３０においてアノードガスが生成される。具体的には、燃焼空気ポンプ７０を作動させ、燃焼空気を燃焼空気供給路６８を介して燃焼バーナ３０ｄに向けて流通させる。燃焼空気には、加熱用燃料供給路７２を介して加熱用燃料が供給されて予混合ガスが生成され、燃焼バーナ３０ｄに供給される。燃焼バーナ３０ｄは供給された予混合ガスを点火電極（図示せず）によって点火（着火）して燃焼させ、その燃焼によって比較的高温の燃焼排ガスが発生する。燃焼排ガスは、改質反応部３０ａの改質触媒３０ａ１、高温シフト反応部３０ｂ２の高温シフト触媒３０ｂ１、低温シフト反応部３０ｂ４の低温シフト触媒３０ｂ３および酸化反応部３０ｃの選択酸化触媒３０ｃ１などを加熱して昇温させた後、燃焼排ガス流路７４を介して大気中に排出（排気）される。

改質触媒３０ａ１が改質可能な温度（例えば、７００℃程度）まで加熱されると、第１から第３の流量調整弁４６，５４，６２、第２、第４の開閉弁７８，９０を開弁させると共に、送水ポンプ５２と酸化用空気ポンプ６０を駆動させる。これにより、改質器３０の改質触媒３０ａ１には、改質用燃料が改質用燃料供給路３６、脱硫器４４、第１の流量調整弁４６および第１の流量センサ５０を介して供給されると共に、改質用水が改質用水供給路４０と第２の流量調整弁５４と第２の流量センサ５６を介して供給され、改質動作が開始される。具体的には、改質用水は燃焼バーナ３０ｄの燃焼排ガスなどによって加熱されて蒸発し、水蒸気となる。その水蒸気は改質用燃料と混合された後、改質可能な温度まで加熱された改質触媒３０ａ１において水蒸気改質反応が起こる、即ち、混合された改質用燃料と水蒸気から水素と一酸化炭素を含有したアノードガスが生成される。

改質反応部３０ａの改質触媒３０ａ１において生成されたアノードガスは、シフト反応部３０ｂに供給されてシフト触媒（正確には、高温シフト反応部３０ｂ２の高温シフト触媒３０ｂ１、低温シフト反応部３０ｂ４の低温シフト触媒３０ｂ３）で一酸化炭素が低減された後、酸化反応部３０ｃに供給される。酸化反応部３０ｃにおいては、選択酸化用空気が酸化用空気供給路４２、第３の流量調整弁６２および第３の流量センサ６４を介して供給されるため、選択酸化触媒３０ｃ１で選択酸化反応が起こり、アノードガスに残存する一酸化炭素が除去される。

一酸化炭素が除去されたアノードガスは、改質器３０から排出されて第１のアノードガス供給路３２ａ、第２の開閉弁を介してアノードガス熱交換器８０、気液分離器８２に供給され、適宜に水分が除去された後、燃料電池１０のアノード極に供給される。

次いでカソードガスポンプ２２を作動させる。これにより、カソードガスは、図示しないエアクリーナで粉塵が除去された後、カソードガス供給路２０を介して加湿器２４に流入させられる。カソードガスは、加湿器２４でカソードオフガスに含まれた水分などの供給を受けて所望の湿度となるまで加湿された後、燃料電池１０のカソード極に供給される。

燃料電池１０においては、アノード極に供給されたアノードガスをカソード極に供給されたカソードガスと電気化学反応させて発電動作が行われる。電気化学反応によって燃料電池１０で発生した電力は、出力端子１０６から取り出され、その一部がＥＣＵ１００や送水ポンプ５２などの補機類の電源として使用されると共に、残部がインバータ１０４を介して電気負荷１０２に供給される。

燃料電池１０で生成されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出路２６を介して加湿器２４に供給され、カソードガス供給路２０を流れるカソードガスを加湿した後、大気中に排出（排気）される。

燃料電池１０で生成されるアノードオフガス、正確には、燃料電池１０の発電動作において使用されずに排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス排出路３４、第４の開閉弁９０を介してアノードオフガス熱交換器９２、気液分離器９４に供給され、適宜に水分が除去された後、改質器３０の燃焼バーナ３０ｄに供給される。燃料電池１０において発電動作が開始されてアノードオフガスが燃焼バーナ３０ｄに供給されると、加熱用燃料供給路７２に設置される開閉弁（図示せず）を閉弁させ、加熱用燃料供給路７２を介する加熱用燃料の供給は遮断（停止）される。

続いて、図３以降を参照してこの実施例に係る燃料電池用改質器の制御装置の動作、具体的には、改質用燃料と改質用水と選択酸化用空気の供給量（投入量）を決定する処理について説明する。

図３は、ＥＣＵ１００で実行される改質用燃料などの供給量の決定処理を表すフロー・チャートである。図示のプログラムは、所定の周期（例えば、１ｍｓｅｃから６００ｓｅｃの範囲で適宜に設定される周期）で実行される。

以下、図３フロー・チャートの処理について説明すると、先ずＳ１０において電流センサ１１０を介して検出された電流を読み出す、即ち、燃料電池１０の負荷電流を検出する。次いでＳ１２に進み、検出された負荷電流に応じて改質用燃料と改質用水と選択酸化用空気の供給量を決定する。具体的には、図４から図６に示す如く、燃料電池１０の負荷電流に対して必要な各供給量が予め設定されたマップを、検出された負荷電流に基づいて検索することで、改質用燃料と改質用水と選択酸化用空気の供給量を決定する。図４は負荷電流に対する改質用燃料の供給量の特性を、図５は改質用水の供給量の特性を、図６は選択酸化用空気の供給量の特性を示す。

Ｓ１２において改質用燃料などの供給量が決定すると、第１から第３の流量調整弁４６，５４，６２などは、図示しないプログラムよって、流量が前記決定された各供給量となるように、それぞれの動作が制御される。次いでＳ１４に進み、Ｓ１２で決定された供給量が、所定時間（例えば、１ｍｓｅｃ）にわたって（継続して）保持されているか否か判断する。即ち、決定された供給量を所定時間保持することで、各供給量が頻繁に切り替わる（制御ハンチングが生じる）のを防止する。尚、この判断は、Ｓ１２で供給量が決定されたときに図示しない別のプログラムでカウンタ（アップカウンタ）をスタートさせ、そのカウンタ値が所定時間に達したか否か確認することによって行われる。

Ｓ１４で否定されるときは上記判断を繰り返す一方、肯定されるときはＳ１６に進み、第１から第５の温度センサ６６ａ〜６６ｅを介して改質反応部３０ａとシフト反応部３０ｂ（高温シフト反応部３０ｂ２、低温シフト反応部３０ｂ４）と酸化反応部３０ｃの温度を検出する。

次いでＳ１８に進み、検出された温度が対応する所定範囲、具体的には、図７に示す所定範囲にあるか否か判断する。図７の上段部分は、改質反応部３０ａとシフト反応部３０ｂと酸化反応部３０ｃが適正な運転状態にあるときの温度、即ち、適正温度を示し、その適正温度は燃料電池１０の負荷電流ごとに設定される。具体的には、図７に示す如く、改質反応部３０ａの出口適正温度と入口適正温度、酸化反応部３０ｃの入口適正温度は、負荷電流が増加するにつれてその値も増加（上昇）するように設定される。他方、高温シフト反応部３０ｂ２の入口適正温度と低温シフト反応部３０ｂ４の入口適正温度は、負荷電流が１３．５Ａときの値が２２．５Ａ以上のときの値に比して僅かに大きくなるように設定される。これは、高温シフト反応部３０ｂ２と低温シフト反応部３０ｂ４の特性（詳しくは、負荷電流が低いとき（１３．５Ａのとき）の方が、温度が比較的上がり易いという特性）から設定されたものであり、また温度の上昇によって一酸化炭素濃度が上昇したとしても、一酸化炭素の量自体は比較的少なく、よって下流側に配置される酸化反応部３０ｃにおいて一酸化炭素を十分に除去することが可能なためである。

従って、Ｓ１８の処理を改質反応部３０ａの入口温度を例にとって説明すると、負荷電流が１３．５Ａのとき、第１の温度センサ６６ａで検出される改質反応部３０ａの入口温度が４１０〜４８０℃の範囲内であれば、改質反応部３０ａの入口付近は適正な運転状態にあると判断する。

図３フロー・チャートの説明に戻ると、Ｓ１８で否定、即ち、検出された温度が対応する所定範囲にないと判断されるとき、Ｓ２０に進んで図８に示す補正マップの処理（例えば、決定した改質用燃料と改質用水と選択酸化用空気の供給量の内の少なくともいずれかを変更するなど）を実行する。図８の上段部分は、Ｓ２０で行われる処理を具体的に示す表である。

以下、図８を参照して各反応部の温度が対応する所定範囲にないときの処理を一部説明する（尚、以下においては、燃料電池１０の負荷電流が１３．５Ａであるときを例にとる）。先ず改質反応部３０ａの出口温度が所定範囲（６１０〜６４５℃）を超えた場合（図８において「上限はずれ」と示す）、アノードガス中の一酸化炭素濃度が上昇し、改質反応部３０ａより下流側に配置される燃料電池１０の電極の触媒が被毒するおそれがある。そのため、Ｓ１２の処理で決定した改質用燃料の供給量を減少させる（具体的には、１．４から１．３５Ｌ／ｍｉｎに変更する）と共に、選択酸化用空気の供給量を増加させる（具体的には、０．５から０．６Ｌ／ｍｉｎに変更する）。これにより、燃料電池１０が一酸化炭素によって被毒するのを回避することができる。

また、改質反応部３０ａの出口温度が所定範囲を下回った場合（図８において「下限はずれ」と示す）、燃料電池側の利用率が高くなり過ぎる、即ち、改質反応部３０ａの温度低下によって水素量が減少し、燃料電池で必要な水素が不足するため、Ｓ１２の処理で決定した改質用燃料と改質用水の供給量を共に増加させる、具体的には、改質用燃料を１．４から１．４５Ｌ／ｍｉｎに、改質用水を４．３から４．４５ｃｃ／ｍｉｎに変更し、生成される水素量を増加させる。改質反応部３０ａの入口温度については、上記した出口温度と基本的に同様の処理であるため、説明を省略する。尚、改質反応部３０ａの出口温度が所定範囲を上限を超えたときには選択酸化用空気を増加させ、入口温度が所定範囲（４１０〜４８０℃）を上限を超えたときには増加させない（変更しない）ように設定したが、これは一酸化炭素濃度は出口温度に依存して増減するため、出口温度が上限を超えたときに限って選択酸化用空気を増加させれば足りるためである。

高温シフト反応部３０ｂ２の入口温度が所定範囲（３７０〜４７０℃）を超えた場合、あるいは低温シフト反応部３０ｂ４の入口温度が所定範囲（２２０〜３５０℃）を超えた場合、アノードガス中の一酸化炭素濃度が上昇するおそれがあるため、決定した改質用水の供給量を増加させる（具体的には、４．３から５．９５ｃｃ／ｍｉｎに変更する）。これにより、高温シフト反応部３０ｂ２と低温シフト反応部３０ｂ４にあってはシフト反応が促進され、一酸化炭素が効果的に低減される、即ち、一酸化炭素濃度が上昇するのを回避することができる。

また、高温シフト反応部３０ｂ２の入口温度が所定範囲を下回った場合、決定した改質用水供給量を減少させる（具体的には、４．３から４．０５ｃｃ／ｍｉｎに変更する）。これにより、高温シフト反応部３０ｂ２にあってはシフト反応が一時的に抑制され、よってその温度を所定範囲となるまで上昇させることができる。

一方、低温シフト反応部３０ｂ４の入口温度が所定範囲を下回ったときは、低温シフト触媒３０ｂ３が機能しなくなる触媒失火状態になるのを防止するため、電熱ヒータ３０ｂ５に通電（電熱ヒータ３０ｂ５をオン）し、低温シフト触媒３０ｂ３を、入口温度が所定範囲になるまで加熱して昇温させ、シフト反応速度を上昇させる、別言すれば、シフト反応を促進させる。これにより、低温シフト反応部３０ｂ４においては、アノードガス中の一酸化炭素を確実に低減させることが可能となる。

また、酸化反応部３０ｃの入口温度が所定範囲（１２０〜１４５℃）を超え、選択酸化反応触媒３０ｃ１が比較的高温の状態にあるときは、選択酸化反応触媒３０ｃ１の凝集が起こり、触媒寿命を短くするおそれがある。そのため、図８に示す如く、緊急停止、具体的には、第１から第３の流量調整弁４６，５４，６２を閉弁させることで改質器３０への改質用燃料と改質用水と選択酸化用空気の供給を停止し、よって改質器３０の動作を停止させる（具体的には、改質用燃料と改質用水と選択酸化用空気の全ての供給量をゼロに変更する）。これにより、選択酸化反応触媒３０ｃ１が劣化するのを回避することができる。

他方、酸化反応部３０ｃの入口温度が所定範囲を下回った場合、アノードガス中の一酸化炭素濃度の増加を招くおそれがある。従って、決定した選択酸化用空気の供給量を増加させる（具体的には、０．５から０．６Ｌ／ｍｉｎに変更する）。これにより、酸化反応部３０ｃにあっては、選択酸化反応が促進され、アノードガス中の一酸化炭素が確実に除去される。

図３フロー・チャートの説明に戻ると、次いでＳ２２に進んでＳ２０で実行された処理が、所定時間（例えば、１ｓｅｃから３６００ｓｅｃの範囲で適宜に設定される時間）にわたって保持されているか否か判断する、即ち、Ｓ１４と同様、各供給量などが頻繁に切り替わるのを防止する。Ｓ２２での判断は、Ｓ１４と同様、カウンタ値が所定時間に達したか否か確認することによって行われる。

Ｓ２２で否定されるときは上記判断を繰り返す一方、肯定されるときはＳ２４に進み、
第１、第２の水素濃度センサ８４，８６を介して燃料電池１０に供給されるアノードガスと燃料電池１０で生成されるアノードオフガスの水素濃度を検出する。尚、Ｓ１８で肯定されるときはＳ２０，Ｓ２２の処理をスキップしてＳ２４に進む。

次いでＳ２６に進み、検出された水素濃度が対応する所定範囲にあるか否か判断する。具体的には、検出された水素が、図７の下段に示す所定範囲にあるか否か判断する。図７の下段部分は、改質反応部３０ａとシフト反応部３０ｂと酸化反応部３０ｃが適正な運転状態にあるときの水素濃度、即ち、適正水素濃度を示し、その適正水素濃度は燃料電池１０の負荷電流ごとに設定される。具体的には、図７に示す如く、燃料電池１０の入口付近の適正水素濃度（図７において「スタック入口適正水素濃度」と示す）は、負荷電流にかかわらず一定に設定される一方、燃料電池１０の出口付近の適正水素濃度（図７において「スタック出口適正水素濃度」と示す）は、負荷電流が増加するにつれてその値は減少するように設定される。

従って、Ｓ２６の処理を負荷電流が１３．５Ａのときを例にとって説明すると、燃料電池１０の入口におけるアノードガスの水素濃度が６０％以上、燃料電池１０の出口におけるアノードオフガスの水素濃度が３５％以上であれば、各反応部３０ａ，３０ｂ，３０ｃが適正な運転状態にあると判断する。

Ｓ２６で肯定、即ち、アノードガス、アノードオフガス中の水素濃度が所定範囲にあると判断されるときは以降の処理をスキップする一方、否定されるときはＳ２８に進み、図８に示す補正マップの処理（例えば、決定した改質用燃料と改質用水と選択酸化用空気の供給量の内の少なくともいずれかを変更するなど）を実行する。図８の下段部分は、Ｓ２８で行われる処理を具体的に示す表である。

具体的に説明すると、アノードガスの水素濃度が所定範囲（６０％）を下回った場合、あるいはアノードオフガスの水素濃度が所定範囲（３５％）を下回った場合、燃料電池側の利用率が高くなり過ぎる、即ち、改質反応部３０ａの温度低下によって水素量が減少し、燃料電池で必要な水素が不足するため、Ｓ１２の処理で決定した改質用燃料と改質用水の供給量を共に増加させる、具体的には、改質用燃料を１．４から１．４５Ｌ／ｍｉｎに、改質用水を４．３から４．４５ｃｃ／ｍｉｎに変更し、生成される水素量を増加させる。

次いでＳ３０に進んでＳ２８で実行された処理が、所定時間（例えば、１ｓｅｃから３６００ｓｅｃの範囲で適宜に設定される時間）にわたって保持されているか否か判断する、即ち、Ｓ１４などと同様、各供給量などが頻繁に切り替わるのを防止する。Ｓ３０での判断もＳ１４などと同様、カウンタ値が所定時間に達したか否か確認することによって行われる。Ｓ３０で否定されるときは上記判断を繰り返す一方、肯定されるときはプログラムを終了する。

上記した如く、この発明の実施例にあっては、燃料（改質用燃料）と水（改質用水）を改質触媒３０ａ１で反応させて水素と一酸化炭素を含有した改質ガス（アノードガス）を生成する改質反応部３０ａと、前記改質反応部で生成される改質ガスをシフト触媒（高温シフト触媒３０ｂ１、低温シフト触媒３０ｂ３）で反応させて一酸化炭素の濃度が低減された改質ガスを生成するシフト反応部３０ｂと、前記シフト反応部で生成される改質ガスと空気（選択酸化用空気）を酸化触媒３０ｃ１で反応させて一酸化炭素が除去された改質ガスを生成して燃料電池１０に供給する酸化反応部３０ｃとを備える燃料電池用改質器の制御装置において、前記燃料電池の負荷電流に応じて前記燃料と水と空気の供給量を決定する供給量決定手段と（ＥＣＵ１００。Ｓ１２）、前記改質反応部とシフト反応部と酸化反応部の温度を検出する温度検出手段と（第１から第５の温度センサ６６ａ〜６６ｅ。ＥＣＵ１００。Ｓ１６）、前記燃料電池に供給される改質ガスと前記燃料電池で生成される改質オフガス（アノードオフガス）の少なくともいずれかの水素濃度を検出する水素濃度検出手段と（第１、第２の水素濃度センサ８４，８６。ＥＣＵ１００。Ｓ２４）、前記検出された改質反応部３０ａの温度が第１の所定範囲にあるか否か、または前記検出された水素濃度が第２の所定範囲にあるか否か判断する判断手段と（ＥＣＵ１００。Ｓ１８，Ｓ２６）を備えると共に、前記供給量決定手段は、前記検出された改質反応部３０ａの温度が前記第１の所定範囲を超えたと判断されるとき、少なくとも前記決定された燃料の供給量を減少させる一方、前記検出された改質反応部３０ａの温度が前記第１の所定範囲を下回ったと判断されるとき、前記決定された燃料と水の供給量を増加させると共に、前記検出された水素濃度が前記第２の所定範囲を下回ったと判断されるとき、前記決定された燃料と水の供給量を増加させる（Ｓ２０，Ｓ２８）ように構成した。

これにより、燃料電池１０の負荷の変化による熱量の過不足、燃料電池１０の冷間始動時における熱量の不足や触媒の劣化など様々な外乱が生じた場合であっても、例えば改質用燃料と改質用水と選択酸化用空気の供給量を、燃料電池１０で必要な改質ガス量および改質ガス組成を確実に確保できるように、あるいはアノードガス中の一酸化炭素濃度が上昇しないように、変更することが可能になり、よって燃料電池１０におけるアノードガスの不足や燃料電池１０の触媒が一酸化炭素によって被毒するなどの不具合が生じず、改質器３０の適正な運転状態を常に維持することができる。

また、前記判断手段は、前記検出された酸化反応部３０ｃの温度が第３の所定範囲にあるか否か判断すると共に、前記供給量決定手段は、前記検出された酸化反応部３０ｃの温度が前記第３の所定範囲を超えたと判断されるとき、前記燃料電池用改質器（改質器３０）への前記燃料と水と空気の供給を停止する（ＥＣＵ１００。Ｓ２０）ように構成した。これにより、外乱によって例えば改質反応部３０ａとシフト反応部３０ｂと酸化反応部３０ｃの内の少なくともいずれかに何等かの異常が生じた場合、改質器３０の動作を確実に停止させることができる。

さらに、前記シフト反応部３０ｂは、高温シフト触媒３０ｂ１が充填される高温シフト反応部３０ｂ２と低温シフト触媒３０ｂ３が充填される低温シフト反応部３０ｂ４とから構成され、前記検出されたシフト反応部３０ｂの温度は、少なくとも前記低温シフト反応部３０ｂ４の入口温度を含み、前記判断手段は、前記低温シフト反応部３０ｂ４の入口温度が第４の所定範囲にあるか否か判断すると共に、前記検出された低温シフト反応部３０ｂ４の入口温度が前記第４の所定範囲を下回ったと判断されるとき、前記シフト触媒（低温シフト触媒３０ｂ３）を加熱する加熱手段（電熱ヒータ３０ｂ５。ＥＣＵ１００。Ｓ２０）を備えるように構成した。これにより、外乱によって例えばアノードガス中の一酸化炭素濃度が上昇するおそれが生じた場合であっても、低温シフト触媒３０ｂ３を加熱してシフト反応を促進させることで、一酸化炭素濃度の上昇を防止でき、よって改質器３０の適正な運転状態を効果的に維持することができる。

尚、上記実施例においては、温度センサ６６ａ〜６６ｅを５個備えるように構成して各反応部の温度を正確に検出するようにしたが、改質反応部３０ａの出口、低温シフト反応部３０ｂ４の入口および酸化反応部３０ｃの入口付近の３箇所に配置すれば、温度検出の精度は低下するものの、比較的簡易な構成で上記した効果を得ることもでき、さらにコスト的にも有利である。

また、検出された温度や水素濃度が対応する所定範囲にないと判断されるときの処理を、図８などにおいて具体的に示したが、これらはあくまでも例示であって限定されるものではない。

また、適正温度や適正濃度、改質触媒の改質可能な温度など具体的に示したが、それらの数値は例示であって限定されるものではない。

また、燃料電池１０を固体高分子型としたが、他の形式であってもよい。

また、改質用燃料や加熱用燃料として都市ガスを使用するように構成したが、それに限られるものではなく、ＬＰガスなどであってもよい。

この発明の実施例に係る燃料電池用改質器の制御装置を全体的に示す概略図である。 図１に示す改質器の構成を部分的に示す模式図である。 図１に示すＥＣＵで実行される改質用燃料などの供給量の決定処理を表すフロー・チャートである。 図３フロー・チャートの処理で使用する燃料電池の負荷電流に対する改質用燃料の供給量の特性を示すグラフである。 図３フロー・チャートの処理で使用する燃料電池の負荷電流に対する改質用水の供給量の特性を示すグラフである。 図３フロー・チャートの処理で使用する燃料電池の負荷電流に対する選択酸化用空気の供給量の特性を示すグラフである。 図３フロー・チャートの処理で使用する改質反応部などが適正な運転状態にあるときの温度などを示す表である。 図３フロー・チャートで行われる処理を具体的に示す表である。

符号の説明

１０ 燃料電池、３０ａ 改質反応部、３０ａ１ 改質触媒、３０ｂ シフト反応部、３０ｂ１ 高温シフト触媒（シフト触媒）、３０ｂ３ 低温シフト触媒（シフト触媒）、３０ｂ５ 電熱ヒータ、３０ｃ 酸化反応部、３０ｃ１ 酸化触媒、６６ａ〜６６ｅ 第１から第５の温度センサ、８４，８６ 第１、第２の水素濃度センサ、１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (3)

1. 燃料と水を改質触媒で反応させて水素と一酸化炭素を含有した改質ガスを生成する改質反応部と、前記改質反応部で生成される改質ガスをシフト触媒で反応させて一酸化炭素の濃度が低減された改質ガスを生成するシフト反応部と、前記シフト反応部で生成される改質ガスと空気を酸化触媒で反応させて一酸化炭素が除去された改質ガスを生成して燃料電池に供給する酸化反応部とを備える燃料電池用改質器の制御装置において、
   ａ．前記燃料電池の負荷電流に応じて前記燃料と水と空気の供給量を決定する供給量決定手段と、
   ｂ．前記改質反応部とシフト反応部と酸化反応部の温度を検出する温度検出手段と、
   ｃ．前記燃料電池に供給される改質ガスと前記燃料電池で生成される改質オフガスの少なくともいずれかの水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、
   ｄ．前記検出された改質反応部の温度が第１の所定範囲にあるか否か、または前記検出された水素濃度が第２の所定範囲にあるか否か判断する判断手段と、
   を備えると共に、前記供給量決定手段は、前記検出された改質反応部の温度が前記第１の所定範囲を超えたと判断されるとき、少なくとも前記決定された燃料の供給量を減少させる一方、前記検出された改質反応部の温度が前記第１の所定範囲を下回ったと判断されるとき、前記決定された燃料と水の供給量を増加させると共に、前記検出された水素濃度が前記第２の所定範囲を下回ったと判断されるとき、前記決定された燃料と水の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池用改質器の制御装置。
2. 前記判断手段は、前記検出された酸化反応部の温度が第３の所定範囲にあるか否か判断すると共に、前記供給量決定手段は、前記検出された酸化反応部の温度が前記第３の所定範囲を超えたと判断されるとき、前記燃料電池用改質器への前記燃料と水と空気の供給を停止することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用改質器の制御装置。
3. さらに、前記シフト反応部は、高温シフト触媒が充填される高温シフト反応部と低温シフト触媒が充填される低温シフト反応部とから構成され、前記検出されたシフト反応部の温度は、少なくとも前記低温シフト反応部の入口温度を含み、前記判断手段は、前記低温シフト反応部の入口温度が第４の所定範囲にあるか否か判断すると共に、
   ｅ．前記検出された低温シフト反応部の入口温度が前記第４の所定範囲を下回ったと判断されるとき、前記シフト触媒を加熱する加熱手段、
   を備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用改質器の制御装置。

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