JP2003288921A - 燃料電池の制御システム - Google Patents
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Abstract
被毒を未然に防ぐ。 【解決手段】制御システム1は、燃料電池2と改質器3
および加熱器4とを有する。改質器3で生成された燃料
は、燃料供給流路9を通して燃料電池2内に供給され、
燃料電池2による電力の発電が行われる。燃料供給流路
9には、バイパス流路9A,9Bが分岐させて設けられ
ているとともに、その分岐部には、切替制御弁12が設
けられている。切替制御弁12は、燃料中に含有する有
害成分の設定濃度に基づいて、燃料電池2への燃料供給
流路9とバイパス流路9A,9Bとに開閉自在に切替制
御し、燃料の供給制御を行う。
Description
車の動力源、可搬電源、家庭用電源あるいはビル用電源
などに利用される燃料電池の制御システムに係り、特
に、燃料中に含有する有害成分の設定濃度に基づく燃料
の供給制御方法に関する。
ては、メタノールやガソリン、あるいは、天然ガスなど
の炭化水素系有機物からなる原料と、水と、空気とが供
給される改質器を有する。この改質器内では、原料を高
温の触媒上で改質反応させることにより、燃料(水素ガ
ス)が生成される。この場合、改質器の運転は、原料や
空気供給量、あるいは、触媒温度などの諸条件を設定す
ることにより制御されている。
合には、水によるメタノールの水蒸気改質(吸熱反応)
と、空気によるメタノールの部分酸化改質(発熱反応)
との改質反応が発生し、水素ガスを含んだ改質ガスの生
成が行われる。この改質反応により生成された改質ガス
は、空気と共に燃料電池に供給され、改質ガス中の水素
と空気中の酸素とを化学反応させることにより、電力の
発電が行われる。
た燃料電池においては、改質器の始動時に生成される改
質ガス中の水素ガス濃度が低いため、始動時における発
電効率が悪い。しかも、始動初期に生成された改質ガス
中には、一酸化炭素(CO)や炭化水素(HC)といっ
た有害成分が多く含まれている。このような始動初期時
の改質ガスを燃料電池内に供給すると、改質ガス中に含
まれた有害成分により、燃料電池の電極等が被毒され、
耐久性の低下を招く恐れがある。
は、アクセル開度や二次電池の蓄電容量、あるいは、必
要電力量の負荷変動に対して燃料の生成量を応答させる
と、メタノールの改質処理量が変動する。このため、改
質器から排出される一酸化炭素(CO)等の有害物が増
大する恐れがあり、環境破壊に繋がる。
のであり、その目的は、燃料中に含まれている有害成分
による燃料電池内の被毒を未然に防ぐ新規な燃料電池の
制御システムを提供することである。
れている有害成分の排出量を低減することである。
ために、本発明は、燃料電池の制御システムを提供す
る。この制御システムは、原料の改質反応により燃料を
生成する改質器と、改質器から供給される燃料によって
電力を発電する燃料電池と、改質器と燃料電池との間を
連通する燃料供給流路と、燃料供給流路から分岐させた
バイパス流路と、バイパス流路と燃料供給流路との分岐
部に設けられた切替制御弁と、燃料供給流路に設けられ
ているとともに、燃料中に含有する有害成分の濃度を検
出する濃度センサと、濃度センサによる検出濃度が所定
の設定濃度以上の場合、切替制御弁を制御して、改質器
からの燃料を燃料電池に供給することなく、バイパス流
路に排出する制御部とを有する。
路は、改質器に供給される原料を加熱昇温する加熱部に
接続されている第1のバイパス流路を含んでいてもよ
く、外部排出経路に接続されている第2のバイパス流路
を含んでいてもよい。
動車の制御システムのブロック構成図である。この制御
システム1は、電力源としての固体高分子型の燃料電池
2と、この燃料電池2に燃料(水素ガス)を供給する改
質器3とを有する。改質器3の上流側には、加熱器4が
接続されているとともに、この加熱器4は、熱交換室4
Aと酸化反応槽4Bとで構成されている。加熱器4に
は、例えば、原料となるメタノールが収容された原料タ
ンク5が接続され、この原料タンク5内に収容されたメ
タノール(原料)が熱交換室4A内に供給される。熱交
換室4A内では、酸化反応槽4Bによる酸化反応によっ
て発生する熱により、原料を加熱昇温している。改質器
3には、水が収容された水タンク6と、空気を送気する
コンプレッサ(空気圧縮機)7とが接続されている。こ
れにより、改質器3内には、加熱器4によって加熱され
た原料タンク5からのメタノールと、水タンク6からの
水と、コンプレッサ7からの空気とが供給される。
ルによる水蒸気改質(吸熱反応)と、空気とメタノール
の部分酸化改質(発熱反応)との改質反応が発生する。
このとき、空気とメタノールの部分酸化による発熱反応
で発生する熱により、改質器3内における改質反応温度
(触媒反応)が所定の設定温度まで加熱昇温されるとと
もに、燃料としての水素ガスを含んだ改質ガスが生成さ
れる。つまり、改質器3は、原料タンク5から加熱器4
を経て供給されるメタノールを改質反応させる改質処理
を行い、メタノールの改質処理量に応じた燃料流量の改
質ガス(燃料)を生成する。酸化反応後における加熱器
4の酸化反応槽4B内の排気ガスは、外部排出経路8を
通じて車外に排出される。
料電池2と改質器3との間を連通する燃料供給流路9を
経て、燃料電池2内に、コンプレッサ7からの空気と共
に送気される。燃料電池2内には、冷却水Wが循環供給
されているとともに、この冷却水Wは、燃料電池2内に
送気された高温の改質ガスを所定の設定温度まで冷却す
る。この改質ガスは、燃料電池2内の図示しないアノー
ド電極およびカソード電極に供給される。これにより、
燃料電池2は、改質器3によって始動制御されて、改質
ガス中の水素と空気中の酸素との化学反応により、電力
の発電を行う。つまり、燃料電池2は、改質器3から供
給される燃料流量に応じて必要な電力を発電する。反応
後における燃料電池2内の排気ガスは、外部排出経路8
に接続される排気流路10を通じて車外に排出される。
路9の途上には、濃度センサ11と、切替制御弁として
の三方流量制御弁12とが設けられている。本実施形態
において、濃度センサ11は、改質ガス中の有害成分で
ある一酸化炭素(CO値)の濃度を検出する。三方流量
制御弁12は、燃料供給流路9から分岐させた第1のバ
イパス流路9Aと第2のバイパス流路9Bとの分岐部に
設けられている。また、三方流量制御弁12は、図2に
示すように、燃料電池2側に至る燃料供給流路9側、第
1のバイパス流路9A側、および第2のバイパス流路9
B側にそれぞれ設けられた第1のバルブ12A,第2の
バルブ12B,第3のバルブ12Cを有する。
A,12B,12Cは、後述するように、濃度センサ1
1によって検出される改質ガス中の有害成分濃度(CO
値)に基づいて、開閉自在に切替制御される。すなわ
ち、第1のバルブ12Aの開弁により、燃料電池2側に
至る燃料供給流路9が連通し、改質器3からの改質ガス
が燃料電池2内に流量制御されて供給される。第2のバ
ルブ12Bの開弁により、第1のバイパス流路9Aが連
通し、改質器3からの改質ガスは、燃焼器4内に供給さ
れて燃焼に供される。第3のバルブ12Cの開弁によ
り、第2のバイパス流路9Bが連通し、改質器3からの
改質ガスは、加熱器4の外部排出経路8に接続される排
気流路10を通じて車外に排出される。
素と空気中の酸素との一部は、燃料流路13、第1のバ
イパス流路9Aを通じて、加熱器4の酸化反応槽4B内
に、コンプレッサ7から送気される空気と共に供給され
る。この酸化反応槽4B内での酸化反応により発生する
熱は、改質器3内に供給されるメタノールや水を気化し
て、水蒸気改質の吸熱反応による改質ガスの生成を促進
させるために再利用される。それとともに、酸化反応後
の酸化反応槽4B内の排気ガスは、外部排出経路8を通
じて車外に排出される。
えば、補助電源としての二次電池であるバッテリ20が
接続された電力調整器21を介して、駆動モータ22に
給電される。この駆動モータ22は、電力調整器21に
接続された制御装置23の指示に基づいて、車体の駆動
輪24を回転駆動させる。制御装置23には、アクセル
ペダル等の運転操作部材で構成された駆動操作装置25
およびイグニッションスイッチ26等が接続されてい
る。また、濃度センサ11からのセンサ信号と、改質器
3内に設けられた温度センサからのセンサ信号とが制御
装置23に入力される。この温度センサは、改質反応温
度を検出するためのセンサである。駆動操作装置25
は、運転時における増減速に伴うアクセルペダルの踏込
み量(アクセル開度)等を制御装置23に対して出力す
る。電力調整器21は、制御装置23からの指示に基づ
いて電力配分を調整し、増速時および減速時に必要な電
力を駆動モータ22に配分するとともに、改質器3、加
熱器4、コンプレッサ7といった補機への電力配分を行
う。イグニッションスイッチ26は、制御システム1の
オン・オフを制御装置23に指示し、制御システム1の
オンと共に改質器3の電源スイッチ27をオンにする。
なお、バッテリ20は、駆動モータ22で消費される走
行電力や、改質器3、燃焼器4あるいはコンプレッサ7
などで消費される補機電力を賄うのに十分な電力が燃料
電池2により得られなかった場合に、放電して不足電力
を補う。
すフローチャートである。まず、必要な電力、すなわ
ち、運転中において駆動モータ22の回転制御に必要な
電力が決定され(ステップ1)、この必要電力の発電に
要する燃料流量が設定される(ステップ2)。次いで、
この燃料流量を生成するために必要なメタノール処理量
が設定される(ステップ3)。このメタノール処理量に
基づいて、原料タンク5からのメタノールの供給制御が
行われるとともに(ステップ4)、改質器3の運転によ
り燃料(改質ガス)が生成される(ステップ5)。生成
された燃料は、燃料電池2に供給され(ステップ6)、
発電が開始される(ステップ7)。そして、燃料電池2
への燃料流量が所定の設定流量に達したか否かが判定さ
れる(ステップ8)。このステップ8において、燃料流
量が所定の設定流量に達していないと判定された場合に
は、ステップ4に戻り、改質器3に原料が供給されて燃
料の生成が行われるとともに、燃料電池2への燃料の供
給による電力の発電が続けられる(ステップ4〜7)。
一方、ステップ8において、燃料流量が所定の設定流量
に達したと判定された場合、つまり、必要な電力を発電
するための燃料流量が燃料電池2に供給された場合に
は、改質器3の運転が停止され、燃料の生成を終了す
る。
は、必要電力量に基づくメタノール処理量を選択するこ
とにより設定しているが、例えば、アクセル開度あるい
は二次電池の蓄電容量などに基づいて設定することも可
能である。この場合の運転条件は、運転中における必要
電力量や、アクセル開度、あるいは、二次電池の蓄電容
量に基づいて種々変動する。ところが、始動時のよう
に、改質器3の運転が不安定な状態において、運転条件
(メタノール処理量)が変動すると、燃料の生成状態が
不安定になる。このため、本実施形態では、改質器3の
運転が安定するまでの間、メタノール処理量が変更され
ないように制御されている。
三方流量制御弁12の切替制御ルーチンのフローチャー
トである。このルーチンは、所定の間隔で繰返し実行さ
れ、各実行サイクルで、その時点で検出されたCO値と
改質反応温度とが読み込まれる。まず、ステップ11に
おいて、濃度センサ11により検出された改質ガス中の
CO値が所定の設定濃度未満であるか否かが判定され
る。検出されたCO値が設定濃度未満の場合は、有害成
分の濃度が低いと判断し、ステップ12に進む。このス
テップ12では、改質器3内の改質反応温度が所定の設
定値以上であるか否かが判定される。
ステップ13に進み、第1のバルブ12Aを開弁し、本
ルーチンを抜ける。すなわち、第1のバルブ12Aは、
有害成分であるCOの濃度が低く、かつ、改質反応温度
が設定温度以上場合に開弁する。これにより、改質ガス
が燃料電池2内に供給され、電力の発電が行われる。C
O濃度が低いことを条件として、燃料電池2に改質ガス
を供給するので、改質ガスによる燃料電池2内の電極等
の被毒が防止されるとともに、有害ガスが車外へ排出さ
れるのを未然に防ぐ。なお、燃料電池2内に供給された
改質ガスの一部は、加熱器4の酸化反応槽4B内に供給
され、酸化反応させることにより、改質器3内における
改質反応温度の昇温に寄与させている。
れた場合には、ステップ14に進み、第2のバルブ12
Bを開弁し、本ルーチンを抜ける。すなわち、第2のバ
ルブ12Bは、有害成分であるCOの濃度が低く、か
つ、改質反応温度が設定温度未満の場合に開弁する。こ
れにより、改質器3からの改質ガスは、第1のバイパス
流路9Aを流れて、加熱器4の酸化反応槽4B内に供給
される。そして、酸化反応槽4B内で、改質ガスを酸化
反応させることにより、改質器3内の改質反応温度を昇
温させる。その結果、改質器3内における原料の改質率
が高められ、燃費の向上を図ることが可能になる。しか
も、改質反応温度の低い改質ガスが燃料電池2内に供給
されることがないため、燃料電池2内における電力の発
電効率の低下を防止する。
定値以上の場合には、改質ガス中の有害成分の濃度が高
いと判断する。この場合は、ステップ15に進み、第2
のバルブ12Bを開弁する。これにより、改質器3から
の改質ガスは、燃料電池2に供給されることなく、第1
のバイパス流路9Aを流れて、加熱器4の酸化反応槽4
Bに供給されて燃焼する。この改質ガスの燃焼により、
改質器3内の改質反応温度が昇温し、改質器3内におけ
る原料の改質率を高めて、燃費の向上を図る。そして、
続くステップ16において、改質器3内の改質反応温度
が所定の設定値以上であるか否かが判定される。改質反
応温度が所定の設定値以上の場合には、ステップ17に
進み、第3のバルブ12Cを開弁させ、本ルーチンを抜
ける。この場合、改質器3からの改質ガスの一部は、加
熱器4の酸化反応槽4Bに戻されるとともに、残りの改
質ガスは第2のバイパス流路9Bを流れて、車外に排出
される。これに対して、ステップ17で否定判定された
場合、すなわち、改質反応温度が所定の設定値以上でな
い場合には、第3のバルブ12Cを開弁することなく、
本ルーチンを抜ける。
池2と改質器3との間を連通する燃料供給流路9には、
第1のバイパス流路9Aと第2のバイパス流路9Bとが
それぞれ分岐させて設けられている。第1のバイパス流
路9Aは、改質ガスを加熱器4の酸化反応槽4B内に供
給可能にし、第2のバイパス流路9Bは、改質ガスを車
外に排出可能している。各バイパス流路9A,9Bは、
改質ガス中に含有する有害成分の設定濃度に基づいて開
閉自在に切替制御されているので、有害ガスが燃料電池
2内に供給されることはない。これにより、従前のよう
な燃料電池2の電極等の被毒を未然に防ぐことが可能に
なり、燃料電池2の耐久性を向上させることが可能とな
る。
成分が所定の設定濃度よりも高い改質ガスは、改質器3
内の改質反応温度が所定の設定値よりも低い場合、加熱
器4に戻している。このため、戻された改質ガスを酸化
反応させることにより、改質器3内の改質反応温度が昇
温する。この結果、改質器3内における原料の改質率が
高められ、燃費の向上を図ることが可能になる。
器3に供給される前、つまり、改質反応させる前に、加
熱器4において加熱昇温されるため、改質器3内におけ
る原料の改質率が高められ、燃費の向上を図ることが可
能になる。この結果、改質器3内での改質反応温度を速
やかに昇温させることが可能になり、改質ガスの生成か
ら燃料電池2の始動まで時間(始動時間)を短縮でき
る。
供給流路9を改質器3の加熱器4側へのバイパス流路9
Aと、外部排出経路8側へのバイパス流路9Bとの双方
にバイパスさせたが、本発明は、これに限定されるもの
ではない。例えば、燃料供給流路9は、加熱器4側ある
いは外部排出経路8側のいずれか一方にバイパスさせて
もよい。
の有害成分として、COを例に説明した。しかしなが
ら、本発明はこれに限定されるものではなく、有害成分
である炭化水素(HC)、あるいは、COとHCの双方
を対象に同様な制御を行ってもよい。
電池と改質器との間を連通する燃料供給流路にバイパス
流路を分岐させて設けられている。そして、燃料供給流
路は、改質器で生成された燃料中に含有する有害成分の
設定濃度に基づいて、開閉自在に切替制御される。その
ため、有害ガスが燃料電池内に供給されることはない。
その結果、従前のような燃料電池の電極等の被毒を未然
に防ぐことができるとともに、燃料電池の耐久性の向上
を図ることができる。
ート
ャート
Claims (3)
- 【請求項1】燃料電池の制御システムにおいて、 原料の改質反応により燃料を生成する改質器と、 前記改質器から供給される燃料によって電力を発電する
燃料電池と、 前記改質器と前記燃料電池との間を連通する燃料供給流
路と、 前記燃料供給流路から分岐させたバイパス流路と、 前記バイパス流路と前記燃料供給流路との分岐部に設け
られた切替制御弁と、 前記燃料供給流路に設けられているとともに、燃料中に
含有する有害成分の濃度を検出する濃度センサと、 前記濃度センサによる検出濃度が所定の設定濃度以上の
場合、前記切替制御弁を制御して、前記改質器からの燃
料を前記燃料電池に供給することなく、前記バイパス流
路に排出する制御部とを有することを特徴とする燃料電
池の制御システム。 - 【請求項2】前記改質器に供給される原料を加熱昇温す
る加熱部をさらに有し、 前記パイパス流路は、前記加熱部に接続されている第1
のバイパス流路を含むことを特徴とする請求項1に記載
された燃料電池の制御システム。 - 【請求項3】前記バイパス流路は、外部排出経路に接続
されている第2のバイパス流路を含むことを特徴とする
請求項1に記載された燃料電池の制御システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002091667A JP2003288921A (ja) | 2002-03-28 | 2002-03-28 | 燃料電池の制御システム |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002091667A JP2003288921A (ja) | 2002-03-28 | 2002-03-28 | 燃料電池の制御システム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003288921A true JP2003288921A (ja) | 2003-10-10 |
Family
ID=29236700
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002091667A Pending JP2003288921A (ja) | 2002-03-28 | 2002-03-28 | 燃料電池の制御システム |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2003288921A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006087994A1 (ja) * | 2005-02-18 | 2006-08-24 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 燃料電池システム |
JP2015185522A (ja) * | 2014-03-26 | 2015-10-22 | 三浦工業株式会社 | 燃料電池システム |
-
2002
- 2002-03-28 JP JP2002091667A patent/JP2003288921A/ja active Pending
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006087994A1 (ja) * | 2005-02-18 | 2006-08-24 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 燃料電池システム |
JPWO2006087994A1 (ja) * | 2005-02-18 | 2008-07-03 | 松下電器産業株式会社 | 燃料電池システム |
JP4510877B2 (ja) * | 2005-02-18 | 2010-07-28 | パナソニック株式会社 | 燃料電池システム |
US9509006B2 (en) | 2005-02-18 | 2016-11-29 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Fuel cell system |
JP2015185522A (ja) * | 2014-03-26 | 2015-10-22 | 三浦工業株式会社 | 燃料電池システム |
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