JP2000208162A

JP2000208162A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2000208162A
Application number: JP11006701A
Authority: JP
Inventors: Katsuji Yamashita; 勝司山下; Iwao Maeda; 岩夫前田; Masaaki Yamaoka; 正明山岡; Kiyomi Eimiya; 清美永宮
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-01-13
Filing date: 1999-01-13
Publication date: 2000-07-28

Abstract

(57)【要約】【課題】改質器から燃料電池に供給される改質ガス中
の一酸化炭素濃度を可及的に低下させて触媒の被毒を防
止すると同時に発電効率を向上させる。【解決手段】改質器から供給された改質ガスの電気化
学的反応によって起電力を生じさせる燃料電池システム
において、改質器における所定箇所の温度と改質ガス中
の一酸化炭素濃度と燃料電池の電圧関連量とのいずれか
二つが予め定めた条件を満たした場合に前記改質器から
燃料電池への改質ガスの供給を許可する改質ガス供給許
可手段（ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ６）を備えてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、メチルアルコー
ルなどの炭化水素と水などからなる改質燃料を改質器に
よって水素リッチなガスなどの所望の改質ガスに改質
し、これを燃料電池に供給して起電力を得る燃料電池シ
ステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、高分子電解質膜や溶融炭酸
塩、固体電解質などを介して燃料ガスと酸素との電気化
学的な酸化反応を生じさせ、それに伴う起電力を外部に
取り出すように構成されている。その燃料電池が固定設
置型の場合には、ガスボンベやガスタンクから供給され
る燃料ガスを使用することができるが、車両などに搭載
される移動型の燃料電池の場合には、燃料ガスに替えて
メタノールなどの取り扱いの容易な炭化水素を使用し、
これを改質器によって水素リッチな改質ガスとし、その
改質ガスを燃料電池の燃料ガスとすることがおこなわれ
る。

【０００３】その一例が特開平８−２９３３１２号公報
に記載されている。その構成を簡単に説明すると、改質
触媒を備えた改質器に、メタノールと水との混合蒸気を
供給してメタノールの水蒸気改質反応を生じさせ、その
反応生成物である水素リッチな改質ガスを、高分子膜を
電解質とした燃料電池に供給し、空気中の酸素と水素と
の酸化反応を電解質膜を介して生じさせ、それに伴う起
電力を外部に取り出すように構成されている。その燃料
電池は、燃料電極における反応層に白金触媒を備えてい
る。これに対してメタノールの改質反応に伴って不可避
的に一酸化炭素ガスが生じる。そしてこの一酸化炭素ガ
スによって白金が被毒して劣化するので、一酸化炭素ガ
スを除去するために、改質器と燃料電池との間にＣＯ変
成器を設けている。

【０００４】一般的な傾向として、改質触媒による改質
反応が効率よく進行しない場合や炭化水素の改質反応に
付随して生じる二酸化炭素の温度が高い場合に、改質反
応や二酸化炭素の可逆反応により一酸化炭素が生じ易く
なり、このような条件が成立することにより改質ガス中
の一酸化炭素の濃度が高くなる。そこで、上記の公報に
記載された発明では、改質器での温度を検出し、その温
度が許容範囲にない場合に、燃料電池に対する改質ガス
の供給を停止するようにしている。また、これ以外の条
件として、ＣＯセンサによって改質ガス中のＣＯ濃度を
検出し、そのＣＯ濃度が許容値を超えている場合には、
改質ガスの燃料電池に対する供給を停止するようにして
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】炭化水素の水蒸気改質
反応は、通常、改質触媒を使用しておこなうが、その改
質触媒の温度が活性温度に達していない場合、あるいは
反対に越えていた場合には、改質反応の効率が悪くなっ
て一酸化炭素の発生量が多くなったり、また残留炭化水
素の量が多くなるなど、改質ガスの品質が低下する。特
に、車両に搭載されている燃料電池システムにおける改
質器では、燃料電池に要求される出力に応じて改質器を
運転・停止するので、その起動時に温度が活性温度に対
して低く、改質ガスの品質が低下する可能性が高い。

【０００６】上述した公報に記載されている装置では、
そのような改質触媒の活性が低い状態を温度によって検
出し、改質ガス中の一酸化炭素濃度を推定しているが、
改質器の全ての部分の温度を検出することはできないう
えに、改質器の温度と一酸化炭素濃度とが必ずしも正確
に対応していないので、一酸化炭素濃度の高い改質ガス
が燃料電池に供給されてその白金触媒の被毒が生じる可
能性が高い。また、上記の公報に記載された装置では、
ＣＯセンサによって改質ガス中の一酸化炭素濃度を検出
することとしているが、従来のＣＯセンサによる一酸化
炭素濃度の検出精度が必ずしも高くなく、そのため、一
酸化炭素濃度の高い改質ガスが燃料電池に供給される可
能性が多分にあった。しかも、ＣＯセンサを使用すると
すれば、システムの構成部品が多くなるから、設備コス
トが高くなる不都合がある。

【０００７】この発明は、上記の事情を背景としてなさ
れたものであり、改質器から燃料電池に対する一酸化炭
素の流入を効果的に抑制することのできる燃料電池シス
テムを提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段およびその作用】上記の目
的を達成するために、請求項１の発明は、改質器から供
給された改質ガスの電気化学的反応によって起電力を生
じさせる燃料電池システムにおいて、改質器における所
定箇所の温度と改質ガス中の一酸化炭素濃度と燃料電池
の電圧関連量とのいずれか二つが予め定めた条件を満た
した場合に前記改質器から燃料電池への改質ガスの供給
を許可する改質ガス供給許可手段を備えていることを特
徴とするものである。

【０００９】したがって請求項１の発明によれば、改質
反応時の一酸化炭素の発生要因となる改質器における所
定箇所の温度、改質ガス中の一酸化炭素ガスの濃度その
もの、改質ガス中の一酸化炭素濃度に応じた燃料電池で
の電圧に関連する量の三者のうちの少なくともいずれか
二つが所定の条件を満たしている場合に、改質器から燃
料電池に対する改質ガスの供給が許可される。すなわち
請求項１の発明では、改質ガス中の一酸化炭素濃度が低
いことが、上記の少なくとも二つの条件に基づいて判断
されるから、一酸化炭素濃度が高い状態で改質ガスが燃
料電池に供給されることが確実に防止される。

【００１０】また、請求項２の発明は、改質器から供給
された改質ガスの電気化学的反応によって起電力を生じ
させる燃料電池システムにおいて、改質器における所定
箇所の温度と改質ガス中の一酸化炭素濃度とのいずれか
一方が予め定めた条件を満したことを判断する第１条件
成立判断手段と、改質器における所定箇所の温度と改質
ガス中の一酸化炭素濃度とのいずれか一方が予め定めた
条件を満したことが前記第１条件成立判断手段によって
判断された場合に、前記燃料電池の電圧関連量が予め定
めた条件を満たすことを判断する第２条件成立判断手段
と、前記燃料電池の電圧関連量が予め定めた条件を満た
すことが前記第２条件成立判断手段によって判断された
場合に、前記改質器から燃料電池への改質ガスの供給を
許可する改質ガス供給許可手段を備えていることを特徴
とするものである。

【００１１】したがって請求項２の発明によれば、一酸
化炭素濃度の判断の第１の条件として改質器における所
定箇所での温度と改質ガス中の一酸化炭素濃度とのいず
れかが所定の条件を満たしているか否かが判断され、そ
の第１の条件が成立している場合に第２の条件として燃
料電池での電圧関連量が所定の条件を満たしているか否
かが判断される。この第２の条件である電圧関連量は、
改質ガス中の一酸化炭素の多寡に顕著に反応するので、
燃料電池に対して改質ガスを供給することの可否が正確
に判定される。また、それに先立って改質器の所定箇所
の温度もしくは改質ガス中のセンサによる一酸化炭素濃
度の検出がおこなわれるから、改質ガス中の一酸化炭素
ガス濃度がある程度低いことが確認された後に、電圧関
連量の検出のための改質ガスの燃料電池に対する供給が
おこなわれるので、一酸化炭素濃度の高い改質ガスが燃
料電池に供給されることが未然に防止される。

【００１２】そして、請求項３の発明は、請求項１もし
くは請求項２の構成において、前記改質器が、改質燃料
の改質反応を生じさせる改質部と、改質ガス中の一酸化
炭素ガスを酸化させる酸化触媒を含む一酸化炭素酸化部
とを備え、その改質部の温度および一酸化炭素酸化部の
温度ならびに前記酸化触媒の最も湿潤しやすい箇所の温
度のいずれもがそれぞれに応じて予め定めた判断基準温
度に達していることにより前記改質器の所定箇所の温度
が予め定めた条件を満たしていることを判断する温度判
断手段を備えていることを特徴とするものである。

【００１３】したがって請求項３の発明では、一酸化炭
素の発生要因となる改質部の温度、一酸化炭素酸化部の
温度、一酸化炭素酸化触媒における最も湿潤しやすい箇
所の温度のいずれもが所定の条件を満たしていることを
判断するので、改質器における一酸化炭素の発生状況や
その除去のための酸化の進行状況を正確に把握すること
ができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】つぎにこの発明を図に示す具体例
に基づいて説明する。先ず、改質器としてメタノールお
よび水を改質燃料とした改質器を使用し、かつその改質
器から生じた改質ガスを他の形態のエネルギーに変換す
るエネルギー変換器として燃料電池を使用したシステム
について説明する。図４はその一例を模式的に示してお
り、燃料電池（ＦＣ）１の燃料極（水素極）側に、改質
器（ＭＲ）２が接続されている。この改質器２は、改質
燃料であるメタノールと水との混合物を水素と二酸化炭
素とに改質するものであって、改質燃料を加熱する加熱
部３と、改質部４と、ＣＯ酸化部５とを備えている。

【００１５】加熱部３は、改質燃料を加熱してメタノー
ルと水との混合蒸気を生じさせるためのものであり、加
熱のための熱を発生させる燃焼部６とその熱によって改
質燃料を蒸発させる蒸発部７とによって構成されてい
る。その燃焼部６としては、燃焼原料をバーナによって
燃焼させる構造のものや燃焼原料を触媒によって酸化さ
せる構成のものなどを採用することができる。したがっ
てこの燃焼部６には、加熱燃料の一例であるメタノール
を供給するポンプ８がインジェクタ９を介して接続さ
れ、また支燃ガスの一例である空気を供給するエアー供
給部１０が設けられている。このエアー供給部１０は具
体的には、エアーポンプによって構成されている。ま
た、蒸発部７には、メタノールと水との混合液を供給す
る改質燃料供給部としてポンプ１１が接続されている。
そしてこの蒸発部７と前記燃焼部６とは、熱交換器１２
によって熱伝達可能に連結されている。

【００１６】前記改質部４は、主としてメタノールと水
との改質反応によって水素リッチなガスを発生させるよ
うに構成されている。具体的には、活性温度が２８０℃
程度の銅系の触媒を用いて、ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋３Ｈ_２ …（１）の改質反応によって水素ガスを主体とする改質ガスを生
成するようになっている。またこの改質部４は、メタノ
ールの部分酸化反応によって水素ガスおよび熱を生じさ
せるようになっており、そのためにエアー供給部１３か
ら空気が供給されている。すなわち上記の（１）式で示
される改質反応が吸熱反応であり、これに対してメタノ
ールの部分酸化反応である下記の（２）式の反応が発熱
反応であるから、これらの吸熱量と発熱量とをバランス
させることにより、改質部４の温度をほぼ一定に維持さ
せるようになっている。ＣＨ_３ＯＨ＋１／２Ｏ_２→２Ｈ_２＋ＣＯ_２ …（２）

【００１７】上記の（１）式で示す改質反応および
（２）式で示す部分酸化反応は理想状態の反応であり、
また二酸化炭素は可逆的に一酸化炭素に変化するので、
実際には、不可避的に一酸化炭素ガスが改質ガスに混入
する。この一酸化炭素は、燃料電池１における水素極の
触媒を被毒する原因となるので、これを除去するために
ＣＯ酸化部５が設けられている。このＣＯ酸化部５は、
ＣＯ酸化触媒を備えるとともに、エアー供給部１４を備
えており、改質部４で生成させた改質ガスを通過させる
ことにより、改質ガスに含まれる一酸化炭素を空気中の
酸素によって酸化させるように構成されている。

【００１８】一方、燃料電池１は、一例として、プロト
ン透過性のある高分子膜を電解質とし、その電解質膜を
挟んで水素極（燃料極）１５と酸素極（空気極）１６と
を設け、このような構成の単電池を多数直並列に接続し
て構成されている。各電極１５，１６は、拡散層と反応
層とによって構成され、水素極１５における反応層は、
例えば炭素に白金やその合金あるいはルテニウムなどの
触媒を担持させた多孔質構造とされている。そしてこの
水素極１５に前記改質器２が連通され、ここに水素ガス
を主体とする改質ガスが供給されるようになっている。
また酸素極１６には、ポンプなどのエアー供給部１７が
接続され、改質ガス中の水素と反応させるための酸素を
供給するようになっている。

【００１９】なお、各電極１５，１６には、外部負荷と
してバッテリ１８やインバータ１９が閉回路を構成する
ように接続されている。またこの閉回路には、電流セン
サ２０が介装されている。さらにインバータ１９には、
モータ２１が接続されている。このモータ２１は、例え
ば車両の走行のための動力源とされる。

【００２０】上記の改質器２と燃料電池１、すなわちＣ
Ｏ酸化部５の流出口と水素極１５の流入口を接続する管
路の途中に切換弁２２が介装されている。この切換弁２
２は、電気的に制御されてＣＯ酸化部５を水素極１５と
所定の排気部（図示せず）とに選択的に連通させるよう
に構成されている。また、この切換弁２２と水素極１５
との間に、前記エアー供給部１７のエアーポンプが接続
され、改質ガスが燃料電池１に供給されていない所定の
時点に水素極１５にエアーを供給するように構成されて
いる。

【００２１】図５は上記の切換弁２２の制御系統を示す
図であり、改質部４の温度Ｔr を検出する温度センサ２
３が設けられている。なお、好ましくは、この温度セン
サ２３は、改質部４の出口温度を検出して信号を出力す
るように構成されている。また、ＣＯ酸化部５には、そ
の酸化触媒の代表温度Ｔcoを検出する温度センサ２４
と、その酸化触媒の最も湿潤しやすい箇所すなわち改質
ガス中の水蒸気や残留メタノールなどが凝縮して濡れや
すい箇所の温度Ｔcwを検出する温度センサ２５とが設け
られている。なお、これらの温度センサ２４，２５は、
検出した温度を電気信号として出力するように構成され
ている。

【００２２】また、改質部４と切換弁２２とを接続する
管路の途中に、その内部を流通する改質ガス中の一酸化
炭素濃度を検出するＣＯ濃度センサ２６が設けられ、改
質ガス中の一酸化炭素濃度に応じてこのＣＯ濃度センサ
２６が電気信号を出力するようになっている。さらに、
前記エアー供給部１７から水素極１５に対してエアーを
供給する管路に、開度を電気的に制御することのできる
流量調整弁２７が設けられている。

【００２３】そして、これらの各センサ２３，２４，２
５，２６が電子制御装置（ＥＣＵ）２８に接続され、そ
れぞれの検出信号をその電子制御装置２８に入力するよ
うに構成されている。なお、この電子制御装置２８は、
マイクロコンピュータを主体に構成されたものであっ
て、予め記憶しているプログラムおよび入力されたデー
タならびに予め記憶しているデータに基づいて演算をお
こない、前記切換弁２２および流量調整弁２７に対して
制御信号を出力し、切換弁２２を適宜に切換動作させ、
また流量調整弁２７の開度を制御するようになってい
る。

【００２４】つぎに上述した装置の作用すなわち電子制
御装置２８による制御例を説明する。図１はその制御例
を説明するためのフローチャートであって、先ず最初
に、改質器２の起動制御が実行される（ステップＳ
１）。これは、改質部４の昇温などを含む通常の動作状
態を短時間で成立させるための制御を含むものである。
つぎに第１の条件の成立の判断がおこなわれる（ステッ
プＳ２）。その一例を図２にサブルーチンとして示して
ある。

【００２５】すなわちＣＯ酸化部５の代表温度Ｔcoが酸
化触媒の活性温度範囲（Ｔco1 （一例として９０℃）以
上、かつＴco2 （一例として１３０℃）以下）であるか
否かが判断される（ステップＳ２１）。この温度範囲
は、使用する一酸化炭素酸化触媒によって決まる温度で
ある。ＣＯ酸化部５の代表温度Ｔcoが活性温度範囲に入
っていれば、酸化触媒の活性が良好であることになり、
したがって改質ガス中の一酸化炭素が可及的大量に酸化
されて除去されていることになる。

【００２６】このステップＳ２１で否定判断されればリ
ターンし、また肯定判断された場合には、改質部４の温
度（出口温度）Ｔr が、一酸化炭素が多量に発生する下
限温度（例えば２８０℃）Ｔr0であるか否かが判断され
る（ステップＳ２２）。改質ガス中の一酸化炭素は、メ
タノールの水蒸気改質反応に伴って生じた二酸化炭素の
高温状態での可逆反応によって発生するので、ステップ
Ｓ２２で肯定判断されれば、その可逆反応が抑制されて
一酸化炭素の発生が少ないことになる。

【００２７】このステップＳ２２で否定判断されればリ
ターンし、また肯定判断されれば、ＣＯ酸化部５におけ
る酸化触媒での最も湿潤しやすい箇所の温度Ｔcwが予め
定めた温度Ｔcw0 以上か否かが判断される（ステップＳ
２３）。この判断基準温度Ｔcw0 は、改質燃料であるメ
タノールと水との混合液の凝縮温度程度の温度である。
すなわち、ＣＯ酸化触媒は、一酸化炭素の接触によって
その酸化を促進させるように機能するので、改質原料液
が付着してその表面積が減じられると、一酸化炭素の酸
化が阻害される。したがってステップＳ２３で肯定判断
される程度に温度が高ければ、ＣＯ酸化触媒の表面積が
確保されていて一酸化炭素の酸化が進行していることに
なる。

【００２８】このステップＳ２３で否定判断された場合
にはリターンし、また反対に肯定判断された場合には温
度条件の成立を示すフラグＦlg1 を“１”にセットする
（ステップＳ２４）。すなわち、ＣＯ酸化部５の温度が
活性温度範囲に入っていること、改質部４の代表温度が
一酸化炭素を多量に発生させる温度範囲を外れている
（低温である）こと、ＣＯ酸化触媒の活性が改質燃料の
凝縮によって阻害されていないことの３つの条件の論理
積が成立している場合、フラグＦlg1 が“１”に設定さ
れて、第１条件の成立が判断される。言い換えれば、ス
テップＳ２ではこのフラグＦlg1 の値を判断する。

【００２９】つぎに、第２の条件の成立を判断する（ス
テップＳ３）。これは、前述したＣＯ濃度センサ２６で
検出された改質ガス中の一酸化炭素濃度Ｎco（ppm ）
が、予め定めた基準値Ｒcoより低濃度（Ｎco＜Ｒco）か
否かを判断することによりおこなわれる。ここで、その
基準値Ｒcoは、一例として２０ppm であり、これは、燃
料電池１の通常の運転時において一酸化炭素の許容濃度
の上限値に相当する値である。なお、このＣＯ濃度セン
サ２６は、改質ガス中の一酸化炭素濃度を直接検出する
が、その検出値にバラツキがあり、必ずしも正確な値を
得られない場合がある。

【００３０】ステップＳ２では一酸化炭素の発生に関連
する温度条件の成立を判断するものの改質ガス中の一酸
化炭素濃度を直接知ることができず、またステップＳ３
では改質ガス中の一酸化炭素濃度を検出するもののその
検出値にバラツキがあり、結局、いずれか一方では改質
ガス中の一酸化炭素の濃度を正確に知ることができな
い。そこで、これらのステップに続けて燃料電池１の電
圧に関連する値を検出してその値に基づく第３条件の成
立を判断する（ステップＳ４）。具体的には、極短時間
（一例として２〜３秒間）、前記切換弁２２を切換動作
させて改質器２と燃料電池１とを接続して改質ガスを燃
料電池１に供給し、その際の開回路電圧（ＯＣＶ）を検
出してその絶対電圧Ｖfc（ボルト）の最小値が、予め定
めた要求電圧Ｒfc（ボルト）より高圧か否かが判断され
る。すなわち min（Ｖfc）＞Ｒfc か否かが判断される。図３は、燃料電池１の電流−電圧
特性（Ｉ−Ｖ特性）を示しており、改質ガス中の一酸化
炭素濃度が高いほど、電圧が低下するが、特に一酸化炭
素による触媒の被毒が生じると、活性化分極の影響がＯ
ＣＶ状態で顕著に現れる。したがってＯＣＶ状態での絶
対電圧に基づいて一酸化炭素の濃度が許容される濃度で
あるか否かを判断することができ、ステップＳ４ではこ
れを利用している。

【００３１】なお、ステップＳ４の制御をおこなうこと
により、燃料電池１に一酸化炭素が流入して水素極１５
の触媒が被毒することがあり、その被毒した触媒を回復
させるための後処理をおこなう（ステップＳ５）。具体
的には、切換弁２２と燃料電池１との間の管路に接続さ
れている流量調整弁２７を開いて水素極１５にエアー
を、極短時間供給する。

【００３２】そして、上記のステップＳ２，Ｓ３，Ｓ４
で判断された各条件が成立していた場合、切換弁２２に
よって改質器２と燃料電池１とを連通させ、改質器２で
生じた改質ガスを燃料電池１に供給する（ステップＳ
６）。このようにして燃料電池１に供給される改質ガス
は、一酸化炭素濃度の低い高品質のものであり、水素極
１５での白金触媒の被毒が生じることが抑制もしくは防
止され、燃料電池１での水素から電力への変換効率が向
上し、効率の良い発電をおこなうことができる。ひいて
は、上記の燃料電池システムを搭載している車両の燃費
を向上させることができる。

【００３３】また、上記のシステムでは、改質器２で発
生する改質ガス中の一酸化炭素濃度が低いことが確認さ
れた後に改質器２から燃料電池１に改質ガスが供給され
るので、燃料電池１での触媒の被毒を防止し、燃料電池
１の耐久性あるいは信頼性を向上させることができる。
さらに、上記のシステムでは、改質ガスの燃料電池１へ
の供給許可の条件として開回路電圧を他の条件と併用し
ているので、改質ガス中の一酸化炭素濃度が必要十分に
低下したことを迅速かつ確実に検出でき、その結果、他
の判断条件を特に厳しくする必要がないために、起動
後、短時間で燃料電池１で電力を発生させることができ
る。すなわち始動応答性が良好になる。そして、最も確
実な判断をおこなう開回路電圧での判断には、特別なセ
ンサなどの機器が不要であるから、設備コストを高騰さ
せることなく、また装置の大型化や大重量化を招来する
ことなく一酸化炭素による悪影響を回避もしくは抑制し
たシステムを得ることができる。

【００３４】なお、上記の具体例では、第１ないし第３
の条件の全てが成立した場合に、改質器２から燃料電池
１に対する改質燃料の供給を開始するように構成した
が、この発明は、上記の具体例に限定されないのであっ
て、上記の第１ないし第３の条件のいずれか二つが成立
した場合に、改質器２から燃料電池１に改質ガスを供給
するようにしてもよい。

【００３５】また、上記の第３の条件すなわちＯＣＶ状
態での電圧による判断をおこなう前提として、温度に基
づく上記第１の条件、もしくはＣＯ濃度センサで検出し
た濃度による第２の条件のいずれかが成立したことを判
断するようにしてもよい。すなわち判断精度が相対的に
低い第１の条件の判断と第２の条件の判断との少なくと
もいずれかをおこなった後に、判断精度の高い第３の条
件の成立を判断して改質器２から燃料電池１に改質ガス
を供給するようにしてもよい。このような制御であって
も、開回路電圧に基づいて一酸化炭素による被毒の状態
を判断するので、改質ガス中の一酸化炭素の濃度の判断
を正確におこなうことができ、同時に、その第３の条件
の成立の判断をおこなう前に、温度条件やＣＯ濃度セン
サによる検出値で一酸化炭素濃度の低下したことの判断
をおこなうので、燃料電池の触媒が過度に被毒すること
が未然に防止される。

【００３６】さらにこの発明は、炭化水素を原料とした
改質器を備えたシステムに適用することができるのであ
って、上述したメタノールを原料としたものに限定され
ない。そしてまた、改質器から燃料電池に改質ガスを供
給する以前に改質器から発生するガスは、切換弁を介し
て大気に放出する替わりに、燃焼部に還流させて改質原
料の加熱に使用するようにしてもよい。なおまた、この
発明で判断する燃料電池の電圧関連量は、上述した開回
路電圧であることが好ましいが、これに限定されず、他
の回路状態での電圧であってもよい。

【００３７】ここで、上記の具体例とこの発明との関係
を説明すると、図１に示すステップＳ３，Ｓ３，Ｓ４，
Ｓ６の機能が請求項１における改質ガス供給許可手段に
相当する。また図１におけるステップＳ２，Ｓ３の機能
が請求項２における第１条件成立判断手段に相当し、か
つステップＳ４の機能が請求項２における第２条件成立
判断手段に相当し、ステップＳ６の機能が請求項２にお
ける改質ガス供給許可手段に相当する。さらに、図２に
示すステップＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３の機能が請求項３
における温度判断手段に相当する。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明によ
れば、改質反応時の一酸化炭素の発生要因となる改質器
における所定箇所の温度、改質ガス中の一酸化炭素ガス
の濃度そのもの、改質ガス中の一酸化炭素濃度に応じた
燃料電池での電圧に関連する量の三者のうちの少なくと
もいずれか二つが所定の条件を満たしている場合に、改
質ガス中の一酸化炭素濃度が低いと判断して改質器から
燃料電池に対する改質ガスの供給が許可されるので、改
質ガス中の一酸化炭素濃度が低いことの判断が正確にな
り、その結果、燃料電池に対して一酸化炭素が供給され
たり、そのために触媒の被毒が生じたりすることが防止
され、それに伴い燃料電池の耐久性や信頼性が高くなる
と同時に、発電効率を向上させることができる。

【００３９】また、請求項２の発明によれば、一酸化炭
素濃度の判断の第１の条件として改質器における所定箇
所での温度と改質ガス中の一酸化炭素濃度とのいずれか
が所定の条件を満たしているか否かが判断され、その第
１の条件が成立している場合に第２の条件として燃料電
池での電圧関連量が所定の条件を満たしているか否かが
判断され、その第２の条件である電圧関連量が、改質ガ
ス中の一酸化炭素の多寡に顕著に反応するので、燃料電
池に対して改質ガスを供給することの可否を正確に判定
することができ、また、その制御の前に、改質器の所定
箇所の温度もしくは改質ガス中のセンサによる一酸化炭
素濃度の検出がおこなわれるから、改質ガス中の一酸化
炭素濃度がある程度低いことが確認された後に、電圧関
連量の検出のための改質ガスの燃料電池に対する供給が
おこなわれることになり、その結果、一酸化炭素濃度の
高い改質ガスが燃料電池に供給されることを未然に防止
することができる。

【００４０】そして、請求項３の発明によれば、一酸化
炭素の発生要因となる改質部の温度、一酸化炭素酸化部
の温度、一酸化炭素酸化触媒における最も湿潤しやすい
箇所の温度のいずれもが所定の条件を満たしていること
を判断するので、改質器における一酸化炭素の発生状況
やその除去のための酸化の進行状況を正確に把握するこ
とができ、それに伴い改質器から燃料電池への改質ガス
の供給開始時の判断を正確におこない、始動の応答遅れ
や触媒の被毒などの不都合を未然に防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のシステムで実施される制御を説明
するためのフローチャートである。

【図２】その第１条件の判断のためのサブルーチンの
一例を示すフローチャートである。

【図３】燃料電池のＩ−Ｖ特性線図である。

【図４】改質器を燃料電池に接続したシステムの全体
的な構成を模式的に示す図である。

【図５】その切換弁の制御系統を説明するためのブロ
ック図である。

【符号の説明】

１…燃料電池、２…改質器、４…改質部、２２…
切換弁、２３，２４，２５…温度センサ、２６…Ｃ
Ｏ濃度センサ、２８…電子制御装置。

フロントページの続き (72)発明者山岡正明愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者永宮清美愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 5H027 AA06 BA01 BA16 DD03 KK31 KK41 KK42 KK54 MM09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】改質器から供給された改質ガスの電気化
学的反応によって起電力を生じさせる燃料電池システム
において、改質器における所定箇所の温度と改質ガス中の一酸化炭
素濃度と燃料電池の電圧関連量とのいずれか二つが予め
定めた条件を満たした場合に前記改質器から燃料電池へ
の改質ガスの供給を許可する改質ガス供給許可手段を備
えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】改質器から供給された改質ガスの電気化
学的反応によって起電力を生じさせる燃料電池システム
において、改質器における所定箇所の温度と改質ガス中の一酸化炭
素濃度とのいずれか一方が予め定めた条件を満したこと
を判断する第１条件成立判断手段と、改質器における所定箇所の温度と改質ガス中の一酸化炭
素濃度とのいずれか一方が予め定めた条件を満したこと
が前記第１条件成立判断手段によって判断された場合
に、前記燃料電池の電圧関連量が予め定めた条件を満た
すことを判断する第２条件成立判断手段と、前記燃料電池の電圧関連量が予め定めた条件を満たすこ
とが前記第２条件成立判断手段によって判断された場合
に、前記改質器から燃料電池への改質ガスの供給を許可
する改質ガス供給許可手段を備えていることを特徴とす
る燃料電池システム。
【請求項３】前記改質器が、改質燃料の改質反応を生
じさせる改質部と、改質ガス中の一酸化炭素ガスを酸化
させる酸化触媒を含む一酸化炭素酸化部とを備え、その
改質部の温度および一酸化炭素酸化部の温度ならびに前
記酸化触媒の最も湿潤しやすい箇所の温度のいずれもが
それぞれに応じて予め定めた判断基準温度に達している
ことにより前記改質器の所定箇所の温度が予め定めた条
件を満たしていることを判断する温度判断手段を備えて
いることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の燃料
電池システム。