JP2001210338A

JP2001210338A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2001210338A
Application number: JP2000015719A
Authority: JP
Inventors: Yasukazu Iwasaki; 靖和岩崎
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-01-25
Filing date: 2000-01-25
Publication date: 2001-08-03

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、大型の燃焼器を用いることなく、
燃焼器の過熱を防止することができる燃料電池システム
を提供することにある。【解決手段】燃料電池スタック９から排出された排出
改質ガス及び排出空気をコンデンサ１１を通さずに直接
燃焼器１３に導くバイパス通路３７，３９と、このバイ
パス通路３７，３９を開閉するバルブ４５，４７とを設
けておき、例えば、燃焼器１３の温度に基づいて、燃焼
器１３が過熱状態にあるか否かを判断し、燃焼器１３が
過熱状態にあると判断された場合に、燃料電池スタック
９から排出された排出ガスをバイパス通路３７，３９に
導くように各バルブ４１，４３，４５，４７を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼器の過熱を防
止することができる燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池システムとしては、改質
器で改質された水素を含む改質ガスと酸素を含むガス
（空気）とを用いて発電する燃料電池スタックと、燃料
電池スタックから排出された余剰の排出ガス（排出改質
ガスと排出空気）から水を回収する水回収器と、水回収
器で水が回収された排出ガスを燃焼させる燃焼器とを有
する燃料電池システムが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の燃料電池システムにあっては、燃料電池スタ
ックのステップダウン（出力レベル低下）の負荷変動の
際に、改質器がそのステップダウンの負荷変動に追従す
るまでの間、一時的に、燃料電池スタックで発電に使用
する必要のない余剰の改質ガスが余分に発生していた。

【０００４】このとき、バッテリが満充電状態でない場
合は、燃料電池スタックで余剰の改質ガスを用いて発電
を行い、発電された余剰電力をバッテリに充電すること
で、この余剰改質ガスの増加分を処理することが可能で
ある。しかし、バッテリが満充電状態である場合には、
燃料電池スタックで余剰の改質ガスを用いて発電した余
剰の電力をバッテリに充電することができないため、燃
料電池スタックで発電に使用できない余剰の改質ガスを
増加分を含めて大量に燃焼器で燃焼処理する必要があ
り、燃焼器が過熱されるといった問題があった。

【０００５】また、燃焼器の過熱を防止するため過熱に
対して余裕のある燃焼出力の大きな大型の燃焼器を用い
ることも考えられるが、燃焼出力の大きな大型の燃焼器
を用いた場合には、燃料電池システム自体が大型になっ
てしまい、移動体に用いる燃料電池システムとして搭載
できないといった問題があった。

【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、大型の燃焼器を用いることなく、燃
焼器の過熱を防止することができる燃料電池システムを
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、水を用いて燃料を改質する燃
料改質器と、この燃料改質器で改質された水素を含む改
質ガスと酸素を含むガスとを用いて発電する燃料電池ス
タックと、この燃料電池スタックから排出された排出ガ
スから水を回収する水回収器と、この水回収器で水が回
収された排出ガスを燃焼させる燃焼器とを有する燃料電
池システムにおいて、前記燃料電池スタックから排出さ
れた排出ガスを、前記水回収器を通さずに直接前記燃焼
器に導くバイパス通路と、このバイパス通路を開閉する
開閉手段と、前記燃焼器が過熱状態にあるか否かを判断
する判断手段と、前記燃焼器が過熱状態にあると判断さ
れた場合に、前記燃料電池スタックから排出された排出
ガスを前記バイパス通路に導くように前記開閉手段を制
御する制御手段とを有することを要旨とする。

【０００８】請求項２記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記燃焼器の温度を検出する温度検出手段を有
し、前記判断手段は、前記温度検出手段からの信号値に
基づいて、前記燃焼器が過熱状態にあるか否かを判断す
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、前記燃焼器の温度を検出する温度検出手段を有
し、前記判断手段は、前記温度検出手段からの信号値及
びこの信号値の時間微分値に基づいて、前記燃焼器が過
熱状態にあるか否かを判断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、バッテリの充電状態を検出する充電状態検出手
段と、アクセルの踏み込み量を検出する踏込量検出手段
とを有し、前記判断手段は、前記充電状態検出手段から
の信号値並びに前記踏込量検出手段からの信号値及びこ
の信号値の時間微分値に基づいて、前記燃焼器が過熱状
態にあるか否かを判断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、燃料電
池スタックから排出された排出ガスを水回収器を通さず
に直接燃焼器に導くバイパス通路と、このバイパス通路
を開閉する開閉手段とを設けておき、燃焼器が過熱状態
にあるか否かを判断し、燃焼器が過熱状態にあると判断
された場合に、燃料電池スタックから排出された排出ガ
スをバイパス通路に導くように開閉手段を制御すること
で、大型の燃焼器を用いることなく、燃焼器の過熱を防
止することができる。

【００１２】請求項２記載の本発明によれば、燃焼器の
温度を検出する温度検出手段を設けておき、温度検出手
段からの信号値（燃焼器の温度）に基づいて、燃焼器が
過熱状態にあるか否かを判断することで、燃焼器の現在
の過熱状態を判定することができる。

【００１３】請求項３記載の本発明によれば、燃焼器の
温度を検出する温度検出手段を設けておき、温度検出手
段からの信号値（燃焼器の温度）及びこの信号値の時間
微分値に基づいて、燃焼器が過熱状態にあるか否かを判
断することで、燃焼器の将来の過熱状態をも予測するこ
とができ、燃焼器が過熱状態に向かっていることを事前
に察知した際にも燃焼器の温度を下げる処置を施すこと
ができる。

【００１４】請求項４記載の本発明によれば、バッテリ
の充電状態を検出する充電状態検出手段と、アクセルの
踏み込み量を検出する踏込量検出手段とを設けておき、
充電状態検出手段からの信号値（バッテリの充電状態）
並びに踏込量検出手段からの信号値（アクセルの踏み込
み量）及びこの信号値の時間微分値に基づいて、燃焼器
が過熱状態にあるか否かを判断するすることで、燃料電
池システムに対する要求負荷の変動とバッテリの充電状
態とに応じて燃焼器の将来の過熱状態を予測することが
でき、燃焼器が過熱状態に向かっていることを事前に察
知した際に燃焼器の温度を下げる処置を施すことができ
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。（第1の実施の形態）図１は、本発明の第1の実施の形態
に係る燃料電池システムに適応可能な構成として、燃料
改質器を有する燃料電池システムとバッテリとのハイブ
リッド燃料電池自動車を示している。

【００１６】図１において、燃料改質器（以下単に改質
器という）1は、燃料であるメタノールタンク３内のメ
タノールを、水タンク５内の水を用いて水蒸気改質し、
水素を含んだ改質ガスを生成する。このとき、場合によ
っては、コンプレッサ７から空気が送り込まれ、メタノ
ールの部分酸化による改質も行われる。水蒸気改質は吸
熱反応であり、部分酸化は発熱反応である。

【００１７】改質器１で生成された改質ガス及びコンプ
レッサ７からの空気は、燃料電池スタック９のアノー
ド、カソードそれぞれの電極に送られ、ここで改質ガス
中の水素と空気中の酸素とを用いて発電が行われる。こ
のとき、改質ガス中の水素と空気中の酸素は、燃料電池
スタック９内ですべて消費されるわけではなく、一部を
残して排出され、排出改質ガス及び排出空気として、コ
ンデンサ１１を介して燃焼器１３に送られ、場合によっ
ては、コンプレッサ７からの空気及びメタノールタンク
３内のメタノールと共に燃焼される。

【００１８】コンデンサ１１は、水回収器として機能す
る装置であって、燃料電池スタック９からの排出ガスで
ある排出改質ガス及び排出空気を冷却水で冷却して、排
出改質ガス及び排出空気に含まれる水蒸気を凝縮させて
回収する。このとき、コンデンサ１１は２室からなるた
め、燃料電池スタック９からの排出ガスである排出改質
ガスと排出空気とが内部で混合されることはない。コン
デンサ１１で凝縮回収された回収水は、水タンク５に戻
される。

【００１９】燃焼器１３での燃焼反応によって発生した
熱は、燃焼反応後の温度上昇した排気ガスによって蒸発
器１５に運ばれる。このとき、排気ガスは蒸発器１５に
おいて、メタノールタンク３及び水タンク５から改質器
１にそれぞれ供給されるメタノールと水を蒸発させるた
めの熱源として、あるいは、改質器１での水蒸気改質に
おける吸熱反応のための熱源として再利用される。

【００２０】バッテリ１７は、燃料電池スタック９によ
って発電された余剰電力及び燃料電池自動車が減速する
際のモータ１９による回生電力を蓄積するとともに、モ
ータ１９で消費される走行電力やコンプレッサ７、改質
器１、燃焼器１３などで消費される補機電力を賄うのに
十分な発電が燃料電池スタック９によって行われなかっ
た場合には放電してモータ１９や補機（コンプレッサ
７、改質器１、燃焼器１３など）に給電し、不足電力を
補う。これらの電力の配分は、電力調整器２１を介して
行われる。

【００２１】制御装置２３は、アクセルペダル２５の踏
み込み量をポジションセンサ（踏込量検出手段）２７で
検出した信号（アクセルの踏み込み量）に基づいて、電
力調整器２１による電力配分を制御する。また、制御装
置２３は、燃焼器１３に供給される排出改質ガスと排出
空気の圧力をそれぞれ検出する圧力センサ２９，３１で
検出した信号（排出改質ガス圧力と排出空気圧力）に基
づいて、燃料電池スタック９に供給される改質ガスと空
気の圧力をそれぞれ調整する圧力調整弁３３，３５の開
度を調整することによって、燃料電池スタック９の運転
圧力を制御する。

【００２２】また、コンデンサ１１の入口と出口の間に
は、燃料電池スタック９から排出された排出ガス（排出
改質ガスと排出空気）をコンデンサ１１を通さずに直接
燃焼器１３に導くバイパス通路３７，３９が設けられて
いる。バイパス通路３７は、燃料電池スタック９からの
排出改質ガス（燃料極の排出ガス）用であり、バイパス
通路３９は、燃料電池スタック９からの排出空気（空気
極の排出ガス）用である。

【００２３】コンデンサ１１に流入する排出ガス（排出
改質ガスと排出空気）は、それぞれバルブ（以下コンデ
ンサバルブという）４１，４３を通過してコンデンサ１
１に流入し、コンデンサ１１をバイパスする排出ガス
（排出改質ガスと排出空気）はそれぞれ各バイパス通路
３７，３９に設けられたバルブ（以下バイパスバルブと
いう）（開閉手段）４５，４７を通過して直接燃焼器１
３に流入する。

【００２４】燃焼器１３には、燃焼器１３の温度を検出
する温度センサ（温度検出手段）４９が設けられてい
る。温度センサ４９は、当該燃料電池システムを制御す
るための制御装置２３に接続されており、検出信号を制
御装置２３へ出力する。

【００２５】制御装置２３（判断手段、制御手段）は、
内部に制御プログラムを記憶した制御ＲＯＭと、制御時
のワークエリアとなるＲＡＭとを有しており、燃焼器１
３の温度センサ４９からの信号値（燃焼器の温度）に基
づいて、燃焼器１３が過熱状態にあるか否かを判断し、
この判断結果に応じた制御信号をコンデンサバルブ４
１，４３及びバイパスバルブ４５，４７に出力してこれ
らのバルブ４１，４３，４５，４７の切替え制御を行う
ことによって燃焼器１３の過熱を防止する。

【００２６】次に、図３に示す制御特性を参照して、図
２に示す制御フローチャートに従って移動体用燃料電池
システムの燃焼器過熱防止のための制御動作を説明す
る。なお、図２に示す制御フローチャートは、制御装置
２３の内部ＲＯＭに制御プログラムとして記憶されてい
る。

【００２７】まず、ステップＳ１００では、制御装置２
３は、燃焼器１３の温度センサ４９からの信号値（燃焼
器１３の温度Ｔｂ）を読み込む。そして、ステップＳ１
１０では、制御装置２３は、温度センサ４９から読み込
まれた燃焼器温度Ｔｂが予め設定された上限温度Ｔ2
（図３参照）よりも高いか否かを判断する。

【００２８】この判断の結果、燃焼器温度Ｔｂが上限温
度Ｔ2 よりも高い場合には、燃焼器１３が過熱状態にあ
るものと判定して、ステップＳ１２０に進む。このステ
ップＳ１２０では、バイパスバルブ４５，４７を開き、
かつ、コンデンサバルブ４１，４３を閉じる制御信号を
各バルブ４１，４３，４５，４７に送る。これを受けた
バイパスバルブ４５，４７では、制御信号に応じて開弁
してバイパス通路３７，３９を開き、また、コンデンサ
バルブ４１，４３では、制御信号に応じて閉弁してコン
デンサ１１への通路を閉じる。

【００２９】この結果、燃料電池スタック９から排出さ
れた排出ガス（排出改質ガスと排出空気）は、コンデン
サ１１を通らずにバイパス通路３７，３９を通って燃焼
器１３に流入する。すなわち、燃料電池スタック９から
排出された排出ガス（排出改質ガスと排出空気）は、こ
の排出ガス中に含まれる多量の水蒸気が回収されること
なく燃焼器１３に導かれ、燃焼処理される。

【００３０】したがって、燃焼処理される排出ガス中に
は多量の水蒸気が含まれることになり、燃焼ガスの比熱
が大きくなるため、燃焼温度が大きく低下し、燃焼器１
３の過熱が防止される。例えば、燃料電池スタック９か
らの排出ガスをコンデンサ１１を通さずに直接燃焼器１
３に導いて燃焼させた場合の燃焼器１３での燃焼温度
は、燃焼器１３に導入される水蒸気の量が約２倍程度に
なるため、約８５℃程度下がる。

【００３１】これに対し、燃焼器温度Ｔｂが上限温度Ｔ
2 以下である場合には、ステップＳ１３０に進む。この
ステップＳ１３０では、さらに、燃焼器温度Ｔｂがあら
かじめ設定された下限温度Ｔ1 （図３参照）よりも低い
か否かを判断する。

【００３２】この判断の結果、燃焼器温度Ｔｂが下限温
度Ｔ1 よりも低い場合には、燃焼器１３は過熱状態にな
いものと判定して、ステップＳ１４０に進む。このステ
ップＳ１４０では、コンデンサバルブ４１，４３を開
き、かつ、バイパスバルブ４５，４７を閉じる制御信号
を各バルブ４１，４３，４５，４７に送る。これを受け
たコンデンサバルブ４１，４３では、制御信号に応じて
開弁してコンデンサ１１への通路を開き、また、バイパ
スバルブ４５，４７では、制御信号に応じて閉弁してバ
イパス通路３７，３９を閉じる。

【００３３】この結果、燃料電池スタック９から排出さ
れた排出ガス（排出改質ガスと排出空気）は、コンデン
サ１１に導かれて、排出ガス（排出改質ガスと排出空
気）中に含まれる水蒸気が凝縮により回収された後、燃
焼器１３に導かれて、燃焼処理される。

【００３４】これに対し、燃焼器温度Ｔｂが下限温度Ｔ
1 以上である場合、すなわち、燃焼器温度Ｔｂが下限温
度Ｔ1 以上上限温度Ｔ2 以下である場合には、各バルブ
４１，４３，４５，４７の現在の開閉状態を保持すべ
く、直ちにリターンする。すなわち、制御装置２３は、
図３に示す制御特性のように、燃焼器１３の温度Ｔｂが
上限温度Ｔ2 よりも高くなった場合には、バイパス通路
３７，３９を開いて燃料電池スタック９からの排出ガス
をコンデンサ１１をバイパスさせ、もって燃焼器１３の
過熱を防止し、一方、燃焼器温度Ｔｂが下限温度Ｔ1 よ
りも低くなった場合には、バイパス通路３７，３９を閉
じて燃料電池スタック９からの排出ガスをコンデンサ１
１へ導き、もって燃焼器１３の過冷を防止する。

【００３５】このようにして、ステップＳ１００〜ステ
ップＳ１４０の各工程が繰り返されるので、燃焼器１３
の過熱を防止しつつ燃焼器１３の温度を一定の範囲に制
御することができる。

【００３６】この結果、第１の実施の形態に関する効果
としては、燃焼器１３に設けられた温度センサ４９から
読み込まれた燃焼器温度があらかじめ設定された上限温
度を超えた場合に、燃焼器１３が過熱状態にあるものと
判定して、バイパス通路３７，３９を開いて燃料電池ス
タック９からの排出ガスをコンデンサ１１をバイパスさ
せて燃焼器１３に導くことで、大型の燃焼器を用いるこ
となく、燃焼器の過熱を防止することができる。

【００３７】（第２の実施の形態）図４は、本発明の第
２の実施の形態に係る燃料電池システムの燃焼器過熱防
止のための制御動作を説明するための制御フローチャー
トである。なお、第２の実施の形態は、図１に示す第１
の実施の形態に対応する燃料電池システムと同様の構成
を有しており、その説明を省略することとする。

【００３８】第２の実施の形態の特徴は、第１の実施の
形態では、燃焼器温度が所定値（上限温度）を超えた場
合に燃焼器１３の温度を下げる処置を施しているのに対
し、燃焼器温度とその時間微分値（以下単に微分値とい
う）とに基づいて、燃焼器１３が過熱状態に向かってい
ることを事前に察知した際にも燃焼器１３の温度を下げ
る処置を施すことにある。

【００３９】図５は、そのための制御マップである。こ
の制御マップの領域Ａは、第２の実施の形態において燃
焼器１３の温度を下げる処置を施す領域であって、燃焼
器１３が現在過熱状態にあると判定され又は将来過熱状
態になると予測される領域である。制御マップの領域Ｂ
は、第２の実施の形態において燃焼器１３の温度を下げ
る処置を施さない領域であって、燃焼器１３が現在過熱
状態にないと判定されかつ将来過熱状態にならないと予
測される領域である。なお、図４に示す制御フローチャ
ート及び図５に示す制御マップは、制御装置２３ａの内
部ＲＯＭに制御プログラム及びデータテーブルとして記
憶されている。

【００４０】まず、ステップＳ２００では、制御装置２
３ａは、燃焼器１３の温度センサ４９からの信号値（燃
焼器１３の温度）を読み込む。そして、ステップＳ２１
０では、温度センサ４９から読み込んだ燃焼器温度Ｔｂ
の微分値ΔＴｂを求める。なお、この微分値ΔＴｂは、
例えば、今回と前回の燃焼器温度Ｔｂの差分を求めるこ
とによって得られる。

【００４１】そして、ステップＳ２２０では、制御装置
２３ａは、温度センサ４９から読み込まれた燃焼器温度
Ｔｂとその微分値ΔＴｂとの組合せが、図５に示す制御
マップの領域Ａであるか否かを判断する。この判断の結
果、制御マップの領域Ａである場合には、燃焼器１３が
過熱状態にある又は過熱状態に向かっているものと判断
して、ステップＳ２３０に進む。

【００４２】このステップＳ２３０では、バイパスバル
ブ４５，４７を開き、かつ、コンデンサバルブ４１，４
３を閉じる制御信号を各バルブ４１，４３，４５，４７
に送る。これを受けたバイパスバルブ４５，４７では、
制御信号に応じて開弁してバイパス通路３７，３９を開
き、また、コンデンサバルブ４１，４３では、制御信号
に応じて閉弁してコンデンサ１１への通路を閉じる。

【００４３】この結果、燃料電池スタック９から排出さ
れた排出ガス（排出改質ガスと排出空気）は、コンデン
サ１１を通らずにバイパス通路３７，３９を通って燃焼
器１３に流入する。すなわち、燃料電池スタック９から
排出された排出ガス（排出改質ガスと排出空気）は、こ
の排出ガス中に含まれる多量の水蒸気が回収されること
なく燃焼器１３に導かれ、燃焼処理される。したがっ
て、燃焼処理される排出ガス中には多量の水蒸気が含ま
れることになり、燃焼ガスの比熱が大きくなるため、前
述したように、燃焼温度が大きく低下し、燃焼器１３の
過熱が防止される。

【００４４】これに対し、制御マップの領域Ｂである場
合には、燃焼器１３は過熱状態になくしかも過熱状態に
向かっていないものと判断して、ステップＳ２４０に進
む。

【００４５】このステップＳ２４０では、コンデンサバ
ルブ４１，４３を開き、かつ、バイパスバルブ４５，４
７を閉じる制御信号を各バルブ４１，４３，４５，４７
に送る。これを受けたコンデンサバルブ４１，４３で
は、制御信号に応じて開弁してコンデンサ１１への通路
を開き、また、バイパスバルブ４５，４７では、制御信
号に応じて閉弁してバイパス通路３７，３９を閉じる。

【００４６】この結果、燃料電池スタック９から排出さ
れた排出ガス（排出改質ガスと排出空気）は、コンデン
サ１１に導かれて、排出ガス（排出改質ガスと排出空
気）中に含まれる水蒸気が凝縮により回収された後、燃
焼器１３に導かれて、燃焼処理される。

【００４７】このようにして、ステップＳ２００〜ステ
ップＳ２４０の各工程が繰り返されるので、燃焼器１３
の過熱を防止しつつ燃焼器１３の温度を一定の範囲に制
御することができる。

【００４８】この結果、第２の実施の形態に関する効果
は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、
温度センサ４９から読み込まれた燃焼器温度Ｔｂとその
微分値ΔＴｂとに基づいて、燃焼器１３が過熱状態にあ
るか否かを判断することで、燃焼器１３の将来の過熱状
態をも予測することができ、燃焼器１３が過熱状態に向
かっていることを事前に察知した際にも燃焼器１３の温
度を下げる処置を施すことができる。

【００４９】なお、第１の実施の形態及び第２の実施の
形態では、温度センサ４９を燃焼器１３に設けた場合を
例にとって説明したが、これに限定されるわけではな
い。例えば、燃焼器１３の排気ガス出口や蒸発器１５の
排気ガス入口などに温度センサを設けてもよい。

【００５０】（第３の実施の形態）図６は、本発明の第
３の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図
である。なお、第３の実施の形態は、図１に示す第１の
実施の形態に対応する燃料電池システムと同様の基本的
構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付
し、その説明を省略することとする。

【００５１】第３の実施の形態の特徴は、図６に示すよ
うに、バッテリ１７にバッテリ１７の充電率（ＳＯＣ）
を検出するバッテリセンサ（充電状態検出手段）５１を
設け、バッテリセンサ５１からのＳＯＣ値、並びにポジ
ションセンサ２７からのアクセル踏み込み量及びその時
間微分値（以下単に微分値という）に基づいて、燃焼器
１３が過熱状態に向かっていることを事前に察知した際
にも燃焼器１３の温度を下げる処置を施すことにある。

【００５２】次に、図８に示す制御マップを参照して、
図７に示す制御フローチャートに従って燃料電池システ
ムの燃焼器過熱防止のための制御動作を説明する。な
お、図７に示す制御フローチャート及び図８に示す制御
マップは、制御装置２３ｂの内部ＲＯＭに制御プログラ
ム及びデータテーブルとして記憶されている。

【００５３】まず、ステップＳ３００では、制御装置２
３ｂは、ポジションセンサ２７からの信号値（アクセル
ペダル２５の操作量、すなわち、アクセルの踏み込み
量）を読み込む。そして、ステップＳ３１０では、ポジ
ションセンサ２７から読み込んだアクセル踏み込み量の
微分値（ここでは、アクセルリリース速度）を求める。

【００５４】そして、ステップＳ３２０では、制御装置
２３ｂは、ポジションセンサ２７から読み込まれたアク
セルの踏み込み量とその微分値（アクセルリリース速
度）との組合せが、図８に示す制御マップの領域Ｃであ
るか否かを判断する。

【００５５】この判断の結果、制御マップの領域Ｃであ
る場合には、燃料電池スタック９のステップダウンの負
荷変動が生じており、燃焼器１３が過熱状態になるおそ
れがあるものと判断して、ステップＳ３３０に進む。

【００５６】このステップＳ３３０では、さらに、バッ
テリセンサ５１からの信号値（バッテリ１７のＳＯＣ
値）を読み込む。そして、ステップＳ３４０では、バッ
テリセンサ５１から読み込まれたバッテリ１７のＳＯＣ
値に基づいて、バッテリ１７が満充電状態であるか否か
を判断する。

【００５７】この判断の結果、バッテリ１７が満充電状
態である場合には、燃料電池スタック９で余剰の改質ガ
スを用いて発電したとしても余剰の電力をバッテリ１７
に充電することができないため、ステップＳ３５０に進
む。このステップＳ３５０では、燃料電池スタック９で
の発電を停止させるとともに、バイパスバルブ４５，４
７を開き、かつ、コンデンサバルブ４１，４３を閉じる
制御信号を各バルブ４１，４３，４５，４７に送る。こ
れを受けたバイパスバルブ４５，４７では、制御信号に
応じて開弁してバイパス通路３７，３９を開き、また、
コンデンサバルブ４１，４３では、制御信号に応じて閉
弁してコンデンサ１１への通路を閉じる。

【００５８】この結果、多量の余剰改質ガスを含む燃料
電池スタック９からの排出ガス（排出改質ガスと排出空
気）は、コンデンサ１１を通らずにバイパス通路３７，
３９を通って燃焼器１３に流入する。すなわち、燃料電
池スタック９から排出された排出ガス（排出改質ガスと
排出空気）は、この排出ガス中に含まれる多量の水蒸気
が回収されることなく燃焼器１３に導かれ、燃焼処理さ
れる。したがって、燃焼処理される排出ガス中には多量
の水蒸気が含まれることになり、燃焼ガスの比熱が大き
くなるため、前述したように、燃焼温度が大きく低下
し、燃焼器１３の過熱が防止される。

【００５９】これに対し、バッテリ１７が満充電状態で
ない場合には、燃料電池スタック９で余剰の改質ガスを
用いて発電して余剰の電力をバッテリ１７に充電するこ
とができるため、ステップＳ３６０に進む。このステッ
プＳ３６０では、燃料電池スタック９での発電を維持さ
せるとともに、コンデンサバルブ４１，４３を開き、か
つ、バイパスバルブ４５，４７を閉じる制御信号を各バ
ルブ４１，４３，４５，４７に送る。これを受けたコン
デンサバルブ４１，４３では、制御信号に応じて開弁し
てコンデンサ１１への通路を開き、また、バイパスバル
ブ４５，４７では、制御信号に応じて閉弁してバイパス
通路３７，３９を閉じる。

【００６０】この結果、燃料電池スタック９から排出さ
れた排出ガス（排出改質ガスと排出空気）は、コンデン
サ１１に導かれて、排出ガス（排出改質ガスと排出空
気）中に含まれる水蒸気が凝縮により回収された後、燃
焼器１３に導かれて、燃焼処理される。この間、燃料電
池スタック９での発電は維持されているため、余剰の改
質ガスは燃料電池スタック９で消費される。したがっ
て、燃料電池スタック９からの排出改質ガス中の水素濃
度は、燃料電池スタック９の発電によって低下し、燃焼
器１３の過熱が防止される。なお、このとき、燃料電池
スタック９で発電された余剰電力は、バッテリ１７に充
電する。

【００６１】また、ステップＳ３２０の判断の結果、制
御マップの領域Ｄである場合には、燃料電池スタック９
のステップダウンの負荷変動が生じておらず、燃焼器１
３が過熱状態になるおそれはないものと判断して、ステ
ップＳ３７０に進む。

【００６２】このステップＳ３７０では、コンデンサバ
ルブ４１，４３を開き、かつ、バイパスバルブ４５，４
７を閉じる制御信号を各バルブ４１，４３，４５，４７
に送る。これを受けたコンデンサバルブ４１，４３で
は、制御信号に応じて開弁してコンデンサ１１への通路
を開き、また、バイパスバルブ４５，４７では、制御信
号に応じて閉弁してバイパス通路３７，３９を閉じる。

【００６３】この結果、燃料電池スタック９から排出さ
れた排出ガス（排出改質ガスと排出空気）は、コンデン
サ１１に導かれて、排出ガス（排出改質ガスと排出空
気）中に含まれる水蒸気が凝縮により回収された後、燃
焼器１３に導かれて、燃焼処理される。

【００６４】このようにして、ステップＳ３００〜ステ
ップＳ３７０の各工程が繰り返されるので、燃焼器１３
の過熱を防止しつつ燃焼器１３の温度を一定の範囲に制
御することができる。この結果、第３の実施の形態に関
する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に
加えて、バッテリセンサ５１から読み取られたバッテリ
のＳＯＣ値、並びにポジションセンサ２７からのアクセ
ル踏み込み量及びその微分値（アクセルリリース速度）
に基づいて、燃焼器１３が過熱状態にあるか否かを判断
するすることで、燃料電池システムに対する要求負荷の
変動（特にステップダウン）とバッテリ１７の充電状態
とに応じて燃焼器の将来の過熱状態を予測することがで
き、燃焼器１３が過熱状態に向かっていることを事前に
察知した際に燃焼器１３の温度を下げる処置を施すこと
ができる。なお、第１、第２及び第３の実施の形態で
は、燃料電池スタック９からの排出ガス（排出改質ガス
と排出空気）をコンデンサ１１に導くかコンデンサ１１
をバイパスさせるかの切替え制御を例にとって説明した
が、これに限定されるわけではない。例えば、開度の調
整が可能な可変流量バルブを用いて、燃焼器１３の温度
及び／又はその微分値若しくは偏差に応じてバイパス量
を可変としてもよい。

【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シス
テムの構成を示す図である。

【図２】第１の実施の形態の燃料電池システムの燃焼器
過熱防止のための制御動作を説明するための制御フロー
チャートである。

【図３】第１の実施の形態の制御特性を示す図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池シス
テムの燃焼器過熱防止のための制御動作を説明するため
の制御フローチャートである。

【図５】第２の実施の形態の制御マップを示す図であ
る。

【図６】本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池シス
テムの構成を示す図である。

【図７】第３の実施の形態の燃料電池システムの燃焼器
過熱防止のための制御動作を説明するための制御フロー
チャートである。

【図８】第３の実施の形態の制御マップを示す図であ
る。

【符号の説明】

１燃料改質器７コンプレッサ９燃料電池スタック１１コンデンサ１３燃焼器１５蒸発器１７バッテリ２３，２３ａ，２３ｂ制御装置２５アクセルペダル２７ポジションセンサ３７，３９バイパス通路４１，４３，４５，４７バルブ４９温度センサ５１バッテリセンサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水を用いて燃料を改質する燃料改質器
と、この燃料改質器で改質された水素を含む改質ガスと酸素
を含むガスとを用いて発電する燃料電池スタックと、この燃料電池スタックから排出された排出ガスから水を
回収する水回収器と、この水回収器で水が回収された排出ガスを燃焼させる燃
焼器とを有する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックから排出された排出ガスを、前記
水回収器を通さずに直接前記燃焼器に導くバイパス通路
と、このバイパス通路を開閉する開閉手段と、前記燃焼器が過熱状態にあるか否かを判断する判断手段
と、前記燃焼器が過熱状態にあると判断された場合に、前記
燃料電池スタックから排出された排出ガスを前記バイパ
ス通路に導くように前記開閉手段を制御する制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】前記燃焼器の温度を検出する温度検出手
段を有し、前記判断手段は、前記温度検出手段からの信号値に基づいて、前記燃焼器
が過熱状態にあるか否かを判断することを特徴とする請
求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】前記燃焼器の温度を検出する温度検出手
段を有し、前記判断手段は、前記温度検出手段からの信号値及びこの信号値の時間微
分値に基づいて、前記燃焼器が過熱状態にあるか否かを
判断することを特徴とする請求項１記載の燃料電池シス
テム。
【請求項４】バッテリの充電状態を検出する充電状態
検出手段と、アクセルの踏み込み量を検出する踏込量検出手段とを有
し、前記判断手段は、前記充電状態検出手段からの信号値並びに前記踏込量検
出手段からの信号値及びこの信号値の時間微分値に基づ
いて、前記燃焼器が過熱状態にあるか否かを判断するこ
とを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。