JP3698101B2 - 燃料改質型燃料電池システムの制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料改質型燃料電池システムの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムの一つとして、燃料改質型燃料電池システムが知られている。この燃料改質型燃料電池システムは、メタノールやガソリン等を燃料として燃料改質器によって水素リッチな改質燃料ガスを生成し、この改質燃料ガスと空気を燃料電池に供給して電力を取り出すものである。
【０００３】
この燃料改質型燃料電池システムにおいては、負荷の減少時やシステム停止時等で負荷が急減した場合には、燃料改質器の応答が追いつかず、余剰改質燃料ガスが発生してしまうことがある。
【０００４】
従来、このような余剰改質燃料ガスの処理方法としては、例えば、燃焼器を設けて余剰改質燃料ガスを燃焼処理する方法や、余剰改質燃料ガスによって余剰電力を発生させて２次電池に充電する方法がある（特願２０００−５５４８２号、特開２００１−３４８７４６号公報等）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このように、余剰改質燃料ガスが発生した場合、余剰改質燃料ガスをそのまま燃焼処理したのでは、システムの燃料消費率が悪化する、という問題がある。
【０００６】
一方、余剰電力を発生させ２次電池に充電する場合、２次電池の充電量の上限を超えてしまう恐れがあるため、十分な充電余裕量を用意しておかなければならない。
【０００７】
また、図１１には、燃料電池システムの負荷が急減した場合の、要求電力、改質燃料ガス量、発電電力、２次電池の充電量、燃焼器で燃焼させる改質燃料ガス量の変化を示す。即ち、（ａ）に示すように要求電力が急減した場合に、（ｂ）に示すように改質燃料ガス量は減少遅れを伴って変化するが、（ｃ）に示すようにこの改質燃料ガスの余剰分をすべて燃料電池の発電に使用して、（ｄ）に示すように２次電池の充電量が上限値を超えたときの例を表す。
【０００８】
このように充電量の上限値を超えた場合には、例えば速やかに余剰電力の発生を止めて、余剰改質燃料ガスを燃焼器にて燃焼させることになるが、余剰改質燃料ガスの排出に対して、燃料電池の空気極（カソード極）への空気供給量の減少は遅れを伴うために、この遅れによって燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されてしまう、という問題がある。
【０００９】
この発明の目的は、燃料改質型燃料電池システムにおいて、負荷の減少時やシステム停止時などで負荷が急減した場合に発生する余剰改質燃料ガスを、２次電池の充電を適切に行いながら、燃料消費率や水の消費量を悪化させることなく、処理できるようにすることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、改質器を含む燃料電池と２次電池、および、燃料電池の排出ガスを燃焼させる燃焼器を備えた燃料改質型燃料電池システムの制御装置において、前記改質器で生成した改質燃料ガス量を推定する改質燃料ガス量推定手段と、前記改質燃料ガス量に基づいて、その改質燃料ガス量で発電することが可能な電力を算出する発電可能電力演算手段と、前記２次電池の充電量を推定する２次電池充電量推定手段と、前記充電量に基づいて、前記２次電池の充電限界の範囲内で前記燃料電池で発電することの許される上限の電力を算出する発電上限電力算出手段と、前記発電可能電力と前記発電上限電力とに基づいて、前記燃料電池で発電させる電力値を算出する発電電力算出手段と、を備える。
【００１１】
第２の発明は、改質器を含む燃料電池と２次電池、および、燃料電池の排出ガスを燃焼させる燃焼器を備えた燃料改質型燃料電池システムの制御装置において、前記改質器で生成した改質燃料ガス量を推定する改質燃料ガス量推定手段と、前記改質燃料ガス量に基づいて、その改質燃料ガス量で発電することが可能な電力を算出する発電可能電力演算手段と、電気負荷の消費電力を算出する消費電力算出手段と、前記２次電池の充電量を推定する２次電池充電量推定手段と、前記充電量に基づいて、前記２次電池に入力することの可能な電力を算出する２次電池入力可能電力算出手段と、前記２次電池入力可能電力と前記消費電力の和と、前記発電可能電力とから値の小さい方を選択し、その選択した値を上限として前記燃料電池で発電させる電力値を算出する発電電力算出手段と、を備える。
【００１２】
第３の発明は、第１、第２の発明において、前記発電電力算出手段の算出値を補正する発電電力補正手段を備え、前記発電電力補正手段は、前記２次電池の充電量が充電範囲の上限値に近いほど、前記燃料電池で発電する電力が小さくなるように減少補正する手段である。
【００１３】
第４の発明は、第１、第２の発明において、前記発電電力算出手段の算出値を補正する発電電力補正手段を備え、前記発電電力補正手段は、前記２次電池の充電量の増加量が大きいほど、前記燃料電池で発電する電力が小さくなるように減少補正する手段である。
【００１４】
第５の発明は、第１、第２の発明において、前記発電電力算出手段の算出値を補正する発電電力補正手段を備え、前記発電電力補正手段は、前記燃料電池の空気極側に供給する空気量の応答が遅いほど、前記燃料電池で発電する電力が小さくなるように減少補正する手段である。
【００１５】
第６の発明は、第１、第２の発明において、前記発電電力算出手段の算出値を補正する発電電力補正手段を備え、前記発電電力補正手段は、前記燃焼器の温度が低いほど、前記燃料電池で発電する電力が小さくなるように減少補正する手段である。
【００１６】
第７の発明は、第３〜第６の発明において、前記発電電力補正手段は、電気負荷の消費電力よりも発電可能電力が大きい場合に、補正を許可する手段を含んでいる。
【００１７】
【発明の効果】
第１の発明にあっては、燃料改質型燃料電池システムにおいて、燃料改質器において生成される改質燃料ガス量を推定し、これに基づいて発電することができる電力（発電可能電力）を算出する。一方、２次電池の充電状態を推定し、これに基づいて２次電池の充電限界の範囲内で燃料電池で発電することの許される上限の電力（発電上限電力）を算出する。そして、発電可能電力と発電上限電力とに基づいて燃料電池の発電電力を算出するので、燃料電池システムの負荷が急減して、電気負荷の消費電力が無い場合、２次電池の充電状態に応じて燃料電池で発電させ、２次電池に的確に充電できる。また、余剰分の改質燃料ガス、空気を燃焼器に送ることで、２次電池の充電量が上限値に達した場合に、空気の減少の遅れによって燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。
【００１８】
第２の発明にあっては、電気負荷の消費電力を算出し、２次電池入力可能電力と消費電力の和と、発電可能電力とから値の小さい方を選択し、その選択した値を上限として燃料電池の発電電力を算出するので、燃料電池システムの負荷が急減した場合、２次電池に充電可能な範囲で、余剰改質燃料ガスによって発生した余剰電力を充電することできる。また、余剰分の改質燃料ガス、空気を燃焼器に送ることで、２次電池の充電量が上限値に達した場合に、空気の減少の遅れによって燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。
【００１９】
第３の発明にあっては、２次電池の充電量が充電範囲の上限値に近いほど、燃料電池で発電する電力が小さくなるように燃料電池の発電電力を減少補正するので、その減少補正分を含めた余剰分の改質燃料ガス、空気を燃焼器に送ることで、燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。また、２次電池の充電量が上限に達する前から余剰改質燃料ガスの燃焼を開始することによって、短時間で余剰改質燃料ガスの燃焼を完了する必要がないため、燃焼器の温度上昇を抑えることができ、また、燃焼器の容量を小さくすることができる。
【００２０】
第４の発明にあっては、２次電池の充電量の増加量が大きいほど、燃料電池で発電する電力が小さくなるように燃料電池の発電電力を減少補正するので、２次電池の充電量が上限に達するまでに余剰電力を緩やかに減らすことができる。また、燃料電池に供給する空気量を緩やかに変化させることが可能となり、したがって２次電池の充電量が上限に達したときに、空気の減少の遅れに伴って燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。また、２次電池の充電量が上限に達する前から余剰改質燃料ガスの燃焼を開始することによって、短時間で余剰改質燃料ガスの燃焼を完了する必要がないため、燃焼器の温度上昇を抑えることができ、また、燃焼器の容量を小さくすることができる。
【００２１】
第５の発明にあっては、燃料電池の空気極側に供給する空気量の応答が遅いほど、燃料電池で発電する電力が小さくなるように燃料電池の発電電力を減少補正するので、供給空気量の応答が遅い運転条件において、２次電池の充電量の上限に達したときに減少させなくてはならない発電量を小さくすることができる。したがって、２次電池の充電量が上限に達したときに、空気の減少の遅れに伴って燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。また、２次電池の充電量が上限に達する前から余剰改質燃料ガスの燃焼を開始することによって、短時間で余剰改質燃料ガスの燃焼を完了する必要がないため、燃焼器の温度上昇を抑えることができ、また、燃焼器の容量を小さくすることができる。
【００２２】
第６の発明にあっては、燃焼器の温度が低いほど、燃料電池で発電する電力が小さくなるように燃料電池の発電電力を減少補正するので、燃焼器の温度が低い場合ほど、燃焼器で燃焼させる改質燃料ガスを増加させて、燃焼器の温度を適正温度に維持することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は本発明の実施の形態の燃料電池システムを示すブロック図である。
【００２５】
図１に示す実施の形態の燃料電池スタック１０は、電気自動車のバッテリ（２次電池）１１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１２を介して電気自動車のモータ１３を間接的または直接的に駆動する。この電力制御器１２は、バッテリ１１に充電された電力を取り出してモータ１３に供給したり、燃料電池スタック１０で生成された電力をバッテリ１１に充電したり、あるいは燃料電池スタック１０で生成された電力をそのままモータ１３へ供給したりする。
【００２６】
燃料電池スタック１０は、燃料極（アノード極）（−）に水素リッチガスが供給される一方、空気極（カソード極）（＋）にコンプレッサ２１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。この燃料極および空気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２２に送られて処理される。
【００２７】
燃料電池スタック１０の燃料極に供給すべき水素リッチガスは、改質器２３によって生成することができる。本例の改質システム２０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２４と、改質器２３と、一酸化炭素除去器２５と、燃焼器２２とを備えている。
【００２８】
改質器２３には、燃料タンク２４内の改質原料がポンプ２６を用いて送られる一方で、コンプレッサ２１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。
【００２９】
改質器２３の下流に設けられた一酸化炭素除去器２５は、コンプレッサ２１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１０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１０の燃料極へ供給される。
【００３０】
燃焼器２２では、燃料電池スタック１０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２３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。
【００３１】
改質器２３内には温度センサＴ１、改質器２３の出口配管には温度センサＴ２、一酸化炭素除去器２５内には温度センサＴ３、一酸化炭素除去器２５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３０へ送出される。燃料電池スタック１０の燃料極の出口配管には圧力センサ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３１へ送出される。
【００３２】
また、燃料電池スタック１０の燃料極の出口配管ならびに空気極の出口配管には、それぞれ制御弁１４，１５が設けられる。
【００３３】
改質器制御装置３０は、アクセル等のような外部負荷に応じた指令信号に応答して、改質器２３への燃料タンク２４からの改質原料の投入量、コンプレッサ２１からの空気供給量を制御して、燃料電池スタック１０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】
電力制御装置のスタック制御器３１は、水素リッチガスの生成量、バッテリ１１の充電余裕量、モータ１３等の電気負荷に基づいて、燃料電池スタック１０で発電させる電力値を算出、制御するものである。また、電力制御装置のスタック制御器３１は、制御弁１４，１５を介して、燃料電池スタック１０で余剰となって燃焼器２２に送る水素ガス量、空気量を制御する。
【００３５】
電力制御装置のバッテリ監視器３２は、バッテリ１１の充電量（蓄電量）、充電余裕量（バッテリ１１の充電量に対して、あとどれだけ充電できるかの量）を監視するものである。このバッテリ１１の充電量、充電余裕量は、例えば予め実験的に求めたバッテリ容量と、充放電時の電流を積算して得られる積算値（＝Σ（Ｉ×ｔ）：Ｉは電流値、ｔは時間）から算出する方法や、開放端電圧との関係から算出する方法等、公知の方法を採用することができる。
【００３６】
次に、動作について説明する。
【００３７】
図２、図３は、本発明の制御装置（電力制御装置）の動作を示すフローチャートである。なお、これは所定の制御周期で実行する。
【００３８】
図２のステップ１では、改質原料の投入量Ｑｆ[l／sec]に対して、下式を用いて改質燃料ガス（水素）の生成量Ｑｈ[mol／sec]を推定（算出）する。下式において、Ｋｒは改質原料１[l]から生成することができる改質燃料ガス量[mol]に相当する係数であり、ηｒは改質器２３の効率をあらわす係数である。また、Ｔｒは改質器２３の応答時定数[sec]であり、ｓはラプラス演算子である。
【００３９】
Ｑｈ＝Ｑｆ×Ｋｒ×ηｒ／（Ｔｒｓ＋１）
ステップ２では、推定した改質燃料ガス量Ｑｈに基づいて燃料電池スタック１０から取り出すことが可能な電流Ｉｈ[A]を下式に従って算出する。
【００４０】
Ｉｈ＝Ｑｈ／（２×Ｆ×Ｓｒ）
ここで、Ｆはファラデー定数であり、Ｓｒは燃料電池スタック１０の水素過剰率である。
【００４１】
そして、燃料電池スタック１０で発電することが可能な電力Ｐｈ[kW]を下式に従って算出する。
【００４２】
Ｐｈ＝Ｉｈ×Ｅｈ
ここで、Ｅｈは燃料電池スタック１０の電圧であり、取り出し電流Ｉｈに基づいて、例えば図４に示す特性をもつテーブルデータを参照することによって算出する。
【００４３】
ステップ３では、電力制御装置のバッテリ監視器３２において、バッテリ１１の充電余裕量Ｗｂ[kWh]を推定（算出）する。バッテリ１１の充電余裕量の推定方法は前述した通りである。
【００４４】
ステップ４では、まず、バッテリ１１に入力することが可能な電力Ｐｂ[kW]を算出する。この演算は、バッテリ１１の充電余裕量Ｗｂ[kWh]に基づいて、例えば、図５に示した特性のテーブルデータを参照することによって行なう。
【００４５】
次に、電気負荷の消費電力を算出する。電気負荷の消費電力として、電気自動車を駆動するためのモータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]を下式に従って算出する。
【００４６】
Ｐｍ＝Ｉｍ×Ｅｍ
ここで、Ｉｍはモータ１３に流れる電流[A]であり、Ｅｍはモータ１３の電圧[V]である。
【００４７】
そして、バッテリ１１に入力することが可能な電力Ｐｂ[kW]と、モータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]を加算して、燃料電池スタック１０の発電上限電力Ｐmax[kW]を算出する。
【００４８】
モータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]が無いときは、バッテリ１１に入力することが可能な電力Ｐｂ[kW]が、バッテリ１１の充電限界の範囲内で燃料電池スタック１０で発電することの許される上限の電力つまり燃料電池スタック１０の発電上限電力Ｐmax[kW]となる。
【００４９】
ステップ５では、図３に示したフローチャートに従って燃料電池スタック１０で発電させる電力Ｐｇ[kW]の算出を行なう。
【００５０】
まず、ステップ１１において、燃料電池スタック１０で発電することが可能な電力Ｐｈ[kW]と燃料電池スタック１０の発電上限電力Ｐmax[kW]から値の小さいものを選択し、その値を燃料電池スタック１０の発電電力の基準値Ｐｇ０[kW]とする。
【００５１】
そして、ステップ１２において、燃料電池スタック１０の発電可能電力Ｐｈ[kW]とモータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]の大小を比較する。
【００５２】
燃料電池スタック１０の発電可能電力Ｐｈ[kW]の方が大きい場合には、ステップ１３、１４において減少補正係数αを算出して、発電電力基準値Ｐｇ０[kW]を減少補正して発電電力Ｐｇ[kW]を算出する。
【００５３】
この減少補正係数αは、図２のステップ４で推定したバッテリ１１の充電余裕量Ｗｂ[kWh]に基づいて、図６に示すようなテーブルデータを参照して、算出する。つまり、バッテリ１１の充電量が充電範囲の上限値に近いほど、燃料電池スタック１０で発電する電力Ｐｇ[kW]が小さくなるように減少補正する。
【００５４】
一方、燃料電池スタック１０の発電可能電力Ｐｈ[kW]の方が小さい場合には、ステップ１５において発電電力基準値Ｐｇ０[kW]の減少補正を行なわずに、その発電可能電力Ｐｈ[kW]を発電電力Ｐｇ[kW]にする。
【００５５】
なお、電気負荷としてモータ１３のほかに、電気自動車に備えられているエアコンやラジエータファン等の電気負荷を加えてよい。
【００５６】
このような構成により、燃料電池システムの負荷が急減して、余剰改質燃料ガスが発生した場合（燃料電池スタック１０の発電可能電力Ｐｈ[kW]＞モータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]）、余剰改質燃料ガスによって燃料電池スタック１０で発電が行われると共に、この場合モータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]が無いときは、バッテリ１１の充電限界の範囲内で燃料電池スタック１０で発電することの許される上限の電力を燃料電池スタック１０の発電電力基準値Ｐｇ０[kW]にして、これをバッテリ１１の充電量が充電範囲の上限値に近いほど減少補正して、燃料電池スタック１０で発電させる電力Ｐｇ[kW]を求め、この発電電力Ｐｇ[kW]を得るように、その減少補正分を含めた余剰分の水素ガス、空気が燃焼器２２に送られる。
【００５７】
これにより、バッテリ１１の充電状態に応じて燃料電池スタック１０で発電させ、バッテリ１１に的確に充電できる。また、バッテリ１１の充電量が充電範囲の上限値に近いほど燃料電池スタック１０で発電させる電力Ｐｇ[kW]が減少補正され、その減少補正分を含めた余剰分の水素ガス、空気が燃焼器２２に送られるので、例えばバッテリ１１の充電量が上限値に達した後に余剰の水素ガス、空気が燃焼器２２に送られるものに比べて、空気の減少が遅れるようなことがなく、その遅れによって燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。
【００５８】
また、この場合モータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]が有るときは、バッテリ１１に入力することが可能な電力Ｐｂ[kW]とモータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]とを加算した燃料電池スタック１０の発電上限電力Ｐmax[kW]と、燃料電池スタック１０の発電可能電力Ｐｈ[kW]とから値の小さいものを燃料電池スタック１０の発電電力基準値Ｐｇ０[kW]に選択して、これをバッテリ１１の充電量が充電範囲の上限値に近いほど減少補正して、燃料電池スタック１０で発電させる電力Ｐｇ[kW]を求め、この発電電力Ｐｇ[kW]を得るように、その減少補正分を含めた余剰分の水素ガス、空気が燃焼器２２に送られる。
【００５９】
これにより、バッテリ１１に充電可能な範囲で、余剰改質燃料ガスによって発生した余剰電力を充電することできる。また、バッテリ１１の充電量が充電範囲の上限値に近いほど燃料電池スタック１０で発電させる電力Ｐｇ[kW]が減少補正され、その減少補正分を含めた余剰分の水素ガス、空気が燃焼器２２に送られるので、モータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]が無いときと同様に、例えばバッテリ１１の充電量が上限値に達した後に空気の減少の遅れによって燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。
【００６０】
図７は、本例における、燃料電池システムの負荷が急減した場合の、要求電力（モータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]）、改質燃料ガス量、発電電力、バッテリ１１の充電量、燃焼器２２で燃焼させる改質燃料ガス量の変化を示したグラフである。バッテリ１１に充電可能な範囲で、余剰改質燃料ガスを発電に使用するので、バッテリ１１の充電量がその上限を超えることが無いようにしながら、余剰改質燃料ガスのもつエネルギーをバッテリ１１に蓄えることができる。また、バッテリ１１の充電量が充電範囲の上限値に近いほど燃料電池スタック１０で発電させる電力Ｐｇ[kW]が減少補正され、その減少補正分を含めた余剰分の水素ガス、空気が燃焼器２２に送られることによって、燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。また、バッテリ１１の充電量が上限に達する前から余剰改質燃料ガスの燃焼を開始するので、短時間で余剰改質燃料ガスの燃焼を完了する必要がないため、燃焼器２２の温度上昇を抑えることができ、また、燃焼器２２の容量を小さくすることができる。
【００６１】
図８、図９、図１０は、燃料電池スタック１０で発電させる電力Ｐｇ[kW]の減少補正係数αの算出方法の第２、第３、第４の実施の形態を示す。
【００６２】
図８のものは、バッテリ１１の充電余裕量の変化量に基づいて減少補正係数αを設定するもので、バッテリ１１の充電余裕量Ｗｂ[kWh]の変化量△Ｗｂ[kWh／sec]を算出して、この変化量△Ｗｂ[kWh／sec]に基づいて、図８に示すように設定してあるテーブルデータを参照して、減少補正係数αを求める。即ち、バッテリ１１の充電量の増加量が大きいほど、燃料電池スタック１０で発電する電力Ｐｇ[kW]が小さくなるように減少補正する。
【００６３】
これによれば、バッテリ１１の充電量が上限に達するまでに余剰電力を緩やかに減らすことができる。また、燃料電池に供給する空気量を緩やかに変化させることが可能となり、したがってバッテリ１１の充電量が上限に達したときに、空気の減少の遅れに伴って燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。また、バッテリ１１の充電量が上限に達する前から余剰改質燃料ガスの燃焼を開始するので、短時間で余剰改質燃料ガスの燃焼を完了する必要がないため、燃焼器２２の温度上昇を抑えることができ、また、燃焼器２２の容量を小さくすることができる。
【００６４】
図９のものは、燃料電池スタック１０の空気極（カソード極）に供給する空気量の応答時定数τ[sec]に基づいて、図９に示すように設定してあるテーブルデータを参照して、減少補正係数αを算出する。即ち、供給空気量の応答時定数τ[sec]が遅いほど、燃料電池スタック１０で発電する電力Ｐｇ[kW]が小さくなるように減少補正する。ここで、空気量の応答時定数τは燃料電池の運転圧力や、供給空気量に応じて変化するので、これらの条件に対する応答時定数の変化を実験的に求めて、テーブルデータや３次元マップデータなどを用いて応答時定数τ[sec]を算出することができる。
【００６５】
これによれば、供給空気量の応答が遅い運転条件において、バッテリ１１の充電量が上限に達したときに減少させなくてはならない発電量を小さくすることができる。したがって、バッテリ１１の充電量が上限に達したときに、空気の減少の遅れに伴って燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。また、バッテリ１１の充電量が上限に達する前から余剰改質燃料ガスの燃焼を開始するので、短時間で余剰改質燃料ガスの燃焼を完了する必要がないため、燃焼器２２の温度上昇を抑えることができ、また、燃焼器２２の容量を小さくすることができる。
【００６６】
図１０のものは、燃焼器２２の温度Ｔｂ[degC]に基づいて、図１０に示すようなテーブルデータを参照して、減少補正係数αを算出する。即ち、燃焼器２２の温度Ｔｂ[degC]が低いほど、燃料電池スタック１０で発電する電力Ｐｇ[kW]が小さくなるように減少補正する。したがって、燃焼器の温度が低い場合ほど、燃焼器で燃焼させる改質燃料ガスを増加させて、燃焼器の温度を適正温度に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を示す燃料電池システムのブロック図である。
【図２】制御内容を示すフローチャートである。
【図３】制御内容を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池の電圧を算出するためのテーブルデータの特性を示す図である。
【図５】２次電池に入力することが可能な電力を算出するためのテーブルデータの特性を示す図である。
【図６】燃料電池の発電電力を補正する係数を算出するためのテーブルデータの特性を示す図である。
【図７】燃料電池システムの負荷が急減した場合の、要求電力、改質燃料ガス量、発電電力、２次電池の充電量、燃焼器で燃焼させる改質燃料ガス量の変化を示したグラフである。
【図８】第２の実施の形態の燃料電池の発電電力を補正する係数を算出するためのテーブルデータの特性を示す図である。
【図９】第３の実施の形態の燃料電池の発電電力を補正する係数を算出するためのテーブルデータの特性を示す図である。
【図１０】第４の実施の形態の燃料電池の発電電力を補正する係数を算出するためのテーブルデータの特性を示す図である。
【図１１】従来の、燃料電池システムの負荷が急減した場合の、要求電力、改質燃料ガス量、発電電力、２次電池の充電量、燃焼器で燃焼させる改質燃料ガス量の変化を示したグラフである。
【符号の説明】
１０ 燃料電池スタック
１１ バッテリ（２次電池）
１３ モータ
１４，１５ 制御弁
２１ コンプレッサ
２２ 燃焼器
２３ 改質器
２４ 燃料タンク
３０ 改質器制御装置
３１ スタック制御器
３２ バッテリ監視器
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料改質型燃料電池システムの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムの一つとして、燃料改質型燃料電池システムが知られている。この燃料改質型燃料電池システムは、メタノールやガソリン等を燃料として燃料改質器によって水素リッチな改質燃料ガスを生成し、この改質燃料ガスと空気を燃料電池に供給して電力を取り出すものである。
【０００３】
この燃料改質型燃料電池システムにおいては、負荷の減少時やシステム停止時等で負荷が急減した場合には、燃料改質器の応答が追いつかず、余剰改質燃料ガスが発生してしまうことがある。
【０００４】
従来、このような余剰改質燃料ガスの処理方法としては、例えば、燃焼器を設けて余剰改質燃料ガスを燃焼処理する方法や、余剰改質燃料ガスによって余剰電力を発生させて２次電池に充電する方法がある（特願２０００−５５４８２号、特開２００１−３４８７４６号公報等）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このように、余剰改質燃料ガスが発生した場合、余剰改質燃料ガスをそのまま燃焼処理したのでは、システムの燃料消費率が悪化する、という問題がある。
【０００６】
一方、余剰電力を発生させ２次電池に充電する場合、２次電池の充電量の上限を超えてしまう恐れがあるため、十分な充電余裕量を用意しておかなければならない。
【０００７】
また、図１１には、燃料電池システムの負荷が急減した場合の、要求電力、改質燃料ガス量、発電電力、２次電池の充電量、燃焼器で燃焼させる改質燃料ガス量の変化を示す。即ち、（ａ）に示すように要求電力が急減した場合に、（ｂ）に示すように改質燃料ガス量は減少遅れを伴って変化するが、（ｃ）に示すようにこの改質燃料ガスの余剰分をすべて燃料電池の発電に使用して、（ｄ）に示すように２次電池の充電量が上限値を超えたときの例を表す。
【０００８】
このように充電量の上限値を超えた場合には、例えば速やかに余剰電力の発生を止めて、余剰改質燃料ガスを燃焼器にて燃焼させることになるが、余剰改質燃料ガスの排出に対して、燃料電池の空気極（カソード極）への空気供給量の減少は遅れを伴うために、この遅れによって燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されてしまう、という問題がある。
【０００９】
この発明の目的は、燃料改質型燃料電池システムにおいて、負荷の減少時やシステム停止時などで負荷が急減した場合に発生する余剰改質燃料ガスを、２次電池の充電を適切に行いながら、燃料消費率や水の消費量を悪化させることなく、処理できるようにすることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、改質器を含む燃料電池と２次電池、および、燃料電池の排出ガスを燃焼させる燃焼器を備えた燃料改質型燃料電池システムの制御装置において、前記改質器で生成した改質燃料ガス量を推定する改質燃料ガス量推定手段と、前記改質燃料ガス量に基づいて、その改質燃料ガス量で発電することが可能な電力を算出する発電可能電力演算手段と、前記２次電池の充電量を推定する２次電池充電量推定手段と、前記充電量に基づいて、前記２次電池の充電限界の範囲内で前記燃料電池で発電することの許される上限の電力を算出する発電上限電力算出手段と、前記発電可能電力と前記発電上限電力とに基づいて、前記燃料電池で発電させる電力値を算出する発電電力算出手段と、を備える。
【００１１】
第２の発明は、改質器を含む燃料電池と２次電池、および、燃料電池の排出ガスを燃焼させる燃焼器を備えた燃料改質型燃料電池システムの制御装置において、前記改質器で生成した改質燃料ガス量を推定する改質燃料ガス量推定手段と、前記改質燃料ガス量に基づいて、その改質燃料ガス量で発電することが可能な電力を算出する発電可能電力演算手段と、電気負荷の消費電力を算出する消費電力算出手段と、前記２次電池の充電量を推定する２次電池充電量推定手段と、前記充電量に基づいて、前記２次電池に入力することの可能な電力を算出する２次電池入力可能電力算出手段と、前記２次電池入力可能電力と前記消費電力の和と、前記発電可能電力とから値の小さい方を選択し、その選択した値を上限として前記燃料電池で発電させる電力値を算出する発電電力算出手段と、を備える。
【００１２】
第３の発明は、第１、第２の発明において、前記発電電力算出手段の算出値を補正する発電電力補正手段を備え、前記発電電力補正手段は、前記２次電池の充電量が充電範囲の上限値に近いほど、前記燃料電池で発電する電力が小さくなるように減少補正する手段である。
【００１３】
第４の発明は、第１、第２の発明において、前記発電電力算出手段の算出値を補正する発電電力補正手段を備え、前記発電電力補正手段は、前記２次電池の充電量の増加量が大きいほど、前記燃料電池で発電する電力が小さくなるように減少補正する手段である。
【００１４】
第５の発明は、第１、第２の発明において、前記発電電力算出手段の算出値を補正する発電電力補正手段を備え、前記発電電力補正手段は、前記燃料電池の空気極側に供給する空気量の応答が遅いほど、前記燃料電池で発電する電力が小さくなるように減少補正する手段である。
【００１５】
第６の発明は、第１、第２の発明において、前記発電電力算出手段の算出値を補正する発電電力補正手段を備え、前記発電電力補正手段は、前記燃焼器の温度が低いほど、前記燃料電池で発電する電力が小さくなるように減少補正する手段である。
【００１６】
第７の発明は、第３〜第６の発明において、前記発電電力補正手段は、電気負荷の消費電力よりも発電可能電力が大きい場合に、補正を許可する手段を含んでいる。
【００１７】
【発明の効果】
第１の発明にあっては、燃料改質型燃料電池システムにおいて、燃料改質器において生成される改質燃料ガス量を推定し、これに基づいて発電することができる電力（発電可能電力）を算出する。一方、２次電池の充電状態を推定し、これに基づいて２次電池の充電限界の範囲内で燃料電池で発電することの許される上限の電力（発電上限電力）を算出する。そして、発電可能電力と発電上限電力とに基づいて燃料電池の発電電力を算出するので、燃料電池システムの負荷が急減して、電気負荷の消費電力が無い場合、２次電池の充電状態に応じて燃料電池で発電させ、２次電池に的確に充電できる。また、余剰分の改質燃料ガス、空気を燃焼器に送ることで、２次電池の充電量が上限値に達した場合に、空気の減少の遅れによって燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。
【００１８】
第２の発明にあっては、電気負荷の消費電力を算出し、２次電池入力可能電力と消費電力の和と、発電可能電力とから値の小さい方を選択し、その選択した値を上限として燃料電池の発電電力を算出するので、燃料電池システムの負荷が急減した場合、２次電池に充電可能な範囲で、余剰改質燃料ガスによって発生した余剰電力を充電することできる。また、余剰分の改質燃料ガス、空気を燃焼器に送ることで、２次電池の充電量が上限値に達した場合に、空気の減少の遅れによって燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。
【００１９】
第３の発明にあっては、２次電池の充電量が充電範囲の上限値に近いほど、燃料電池で発電する電力が小さくなるように燃料電池の発電電力を減少補正するので、その減少補正分を含めた余剰分の改質燃料ガス、空気を燃焼器に送ることで、燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。また、２次電池の充電量が上限に達する前から余剰改質燃料ガスの燃焼を開始することによって、短時間で余剰改質燃料ガスの燃焼を完了する必要がないため、燃焼器の温度上昇を抑えることができ、また、燃焼器の容量を小さくすることができる。
【００２０】
第４の発明にあっては、２次電池の充電量の増加量が大きいほど、燃料電池で発電する電力が小さくなるように燃料電池の発電電力を減少補正するので、２次電池の充電量が上限に達するまでに余剰電力を緩やかに減らすことができる。また、燃料電池に供給する空気量を緩やかに変化させることが可能となり、したがって２次電池の充電量が上限に達したときに、空気の減少の遅れに伴って燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。また、２次電池の充電量が上限に達する前から余剰改質燃料ガスの燃焼を開始することによって、短時間で余剰改質燃料ガスの燃焼を完了する必要がないため、燃焼器の温度上昇を抑えることができ、また、燃焼器の容量を小さくすることができる。
【００２１】
第５の発明にあっては、燃料電池の空気極側に供給する空気量の応答が遅いほど、燃料電池で発電する電力が小さくなるように燃料電池の発電電力を減少補正するので、供給空気量の応答が遅い運転条件において、２次電池の充電量の上限に達したときに減少させなくてはならない発電量を小さくすることができる。したがって、２次電池の充電量が上限に達したときに、空気の減少の遅れに伴って燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。また、２次電池の充電量が上限に達する前から余剰改質燃料ガスの燃焼を開始することによって、短時間で余剰改質燃料ガスの燃焼を完了する必要がないため、燃焼器の温度上昇を抑えることができ、また、燃焼器の容量を小さくすることができる。
【００２２】
第６の発明にあっては、燃焼器の温度が低いほど、燃料電池で発電する電力が小さくなるように燃料電池の発電電力を減少補正するので、燃焼器の温度が低い場合ほど、燃焼器で燃焼させる改質燃料ガスを増加させて、燃焼器の温度を適正温度に維持することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は本発明の実施の形態の燃料電池システムを示すブロック図である。
【００２５】
図１に示す実施の形態の燃料電池スタック１０は、電気自動車のバッテリ（２次電池）１１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１２を介して電気自動車のモータ１３を間接的または直接的に駆動する。この電力制御器１２は、バッテリ１１に充電された電力を取り出してモータ１３に供給したり、燃料電池スタック１０で生成された電力をバッテリ１１に充電したり、あるいは燃料電池スタック１０で生成された電力をそのままモータ１３へ供給したりする。
【００２６】
燃料電池スタック１０は、燃料極（アノード極）（−）に水素リッチガスが供給される一方、空気極（カソード極）（＋）にコンプレッサ２１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。この燃料極および空気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２２に送られて処理される。
【００２７】
燃料電池スタック１０の燃料極に供給すべき水素リッチガスは、改質器２３によって生成することができる。本例の改質システム２０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２４と、改質器２３と、一酸化炭素除去器２５と、燃焼器２２とを備えている。
【００２８】
改質器２３には、燃料タンク２４内の改質原料がポンプ２６を用いて送られる一方で、コンプレッサ２１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。
【００２９】
改質器２３の下流に設けられた一酸化炭素除去器２５は、コンプレッサ２１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１０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１０の燃料極へ供給される。
【００３０】
燃焼器２２では、燃料電池スタック１０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２３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。
【００３１】
改質器２３内には温度センサＴ１、改質器２３の出口配管には温度センサＴ２、一酸化炭素除去器２５内には温度センサＴ３、一酸化炭素除去器２５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３０へ送出される。燃料電池スタック１０の燃料極の出口配管には圧力センサ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３１へ送出される。
【００３２】
また、燃料電池スタック１０の燃料極の出口配管ならびに空気極の出口配管には、それぞれ制御弁１４，１５が設けられる。
【００３３】
改質器制御装置３０は、アクセル等のような外部負荷に応じた指令信号に応答して、改質器２３への燃料タンク２４からの改質原料の投入量、コンプレッサ２１からの空気供給量を制御して、燃料電池スタック１０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】
電力制御装置のスタック制御器３１は、水素リッチガスの生成量、バッテリ１１の充電余裕量、モータ１３等の電気負荷に基づいて、燃料電池スタック１０で発電させる電力値を算出、制御するものである。また、電力制御装置のスタック制御器３１は、制御弁１４，１５を介して、燃料電池スタック１０で余剰となって燃焼器２２に送る水素ガス量、空気量を制御する。
【００３５】
電力制御装置のバッテリ監視器３２は、バッテリ１１の充電量（蓄電量）、充電余裕量（バッテリ１１の充電量に対して、あとどれだけ充電できるかの量）を監視するものである。このバッテリ１１の充電量、充電余裕量は、例えば予め実験的に求めたバッテリ容量と、充放電時の電流を積算して得られる積算値（＝Σ（Ｉ×ｔ）：Ｉは電流値、ｔは時間）から算出する方法や、開放端電圧との関係から算出する方法等、公知の方法を採用することができる。
【００３６】
次に、動作について説明する。
【００３７】
図２、図３は、本発明の制御装置（電力制御装置）の動作を示すフローチャートである。なお、これは所定の制御周期で実行する。
【００３８】
図２のステップ１では、改質原料の投入量Ｑｆ[l／sec]に対して、下式を用いて改質燃料ガス（水素）の生成量Ｑｈ[mol／sec]を推定（算出）する。下式において、Ｋｒは改質原料１[l]から生成することができる改質燃料ガス量[mol]に相当する係数であり、ηｒは改質器２３の効率をあらわす係数である。また、Ｔｒは改質器２３の応答時定数[sec]であり、ｓはラプラス演算子である。
【００３９】
Ｑｈ＝Ｑｆ×Ｋｒ×ηｒ／（Ｔｒｓ＋１）
ステップ２では、推定した改質燃料ガス量Ｑｈに基づいて燃料電池スタック１０から取り出すことが可能な電流Ｉｈ[A]を下式に従って算出する。
【００４０】
Ｉｈ＝Ｑｈ／（２×Ｆ×Ｓｒ）
ここで、Ｆはファラデー定数であり、Ｓｒは燃料電池スタック１０の水素過剰率である。
【００４１】
そして、燃料電池スタック１０で発電することが可能な電力Ｐｈ[kW]を下式に従って算出する。
【００４２】
Ｐｈ＝Ｉｈ×Ｅｈ
ここで、Ｅｈは燃料電池スタック１０の電圧であり、取り出し電流Ｉｈに基づいて、例えば図４に示す特性をもつテーブルデータを参照することによって算出する。
【００４３】
ステップ３では、電力制御装置のバッテリ監視器３２において、バッテリ１１の充電余裕量Ｗｂ[kWh]を推定（算出）する。バッテリ１１の充電余裕量の推定方法は前述した通りである。
【００４４】
ステップ４では、まず、バッテリ１１に入力することが可能な電力Ｐｂ[kW]を算出する。この演算は、バッテリ１１の充電余裕量Ｗｂ[kWh]に基づいて、例えば、図５に示した特性のテーブルデータを参照することによって行なう。
【００４５】
次に、電気負荷の消費電力を算出する。電気負荷の消費電力として、電気自動車を駆動するためのモータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]を下式に従って算出する。
【００４６】
Ｐｍ＝Ｉｍ×Ｅｍ
ここで、Ｉｍはモータ１３に流れる電流[A]であり、Ｅｍはモータ１３の電圧[V]である。
【００４７】
そして、バッテリ１１に入力することが可能な電力Ｐｂ[kW]と、モータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]を加算して、燃料電池スタック１０の発電上限電力Ｐmax[kW]を算出する。
【００４８】
モータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]が無いときは、バッテリ１１に入力することが可能な電力Ｐｂ[kW]が、バッテリ１１の充電限界の範囲内で燃料電池スタック１０で発電することの許される上限の電力つまり燃料電池スタック１０の発電上限電力Ｐmax[kW]となる。
【００４９】
ステップ５では、図３に示したフローチャートに従って燃料電池スタック１０で発電させる電力Ｐｇ[kW]の算出を行なう。
【００５０】
まず、ステップ１１において、燃料電池スタック１０で発電することが可能な電力Ｐｈ[kW]と燃料電池スタック１０の発電上限電力Ｐmax[kW]から値の小さいものを選択し、その値を燃料電池スタック１０の発電電力の基準値Ｐｇ０[kW]とする。
【００５１】
そして、ステップ１２において、燃料電池スタック１０の発電可能電力Ｐｈ[kW]とモータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]の大小を比較する。
【００５２】
燃料電池スタック１０の発電可能電力Ｐｈ[kW]の方が大きい場合には、ステップ１３、１４において減少補正係数αを算出して、発電電力基準値Ｐｇ０[kW]を減少補正して発電電力Ｐｇ[kW]を算出する。
【００５３】
この減少補正係数αは、図２のステップ４で推定したバッテリ１１の充電余裕量Ｗｂ[kWh]に基づいて、図６に示すようなテーブルデータを参照して、算出する。つまり、バッテリ１１の充電量が充電範囲の上限値に近いほど、燃料電池スタック１０で発電する電力Ｐｇ[kW]が小さくなるように減少補正する。
【００５４】
一方、燃料電池スタック１０の発電可能電力Ｐｈ[kW]の方が小さい場合には、ステップ１５において発電電力基準値Ｐｇ０[kW]の減少補正を行なわずに、その発電可能電力Ｐｈ[kW]を発電電力Ｐｇ[kW]にする。
【００５５】
なお、電気負荷としてモータ１３のほかに、電気自動車に備えられているエアコンやラジエータファン等の電気負荷を加えてよい。
【００５６】
このような構成により、燃料電池システムの負荷が急減して、余剰改質燃料ガスが発生した場合（燃料電池スタック１０の発電可能電力Ｐｈ[kW]＞モータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]）、余剰改質燃料ガスによって燃料電池スタック１０で発電が行われると共に、この場合モータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]が無いときは、バッテリ１１の充電限界の範囲内で燃料電池スタック１０で発電することの許される上限の電力を燃料電池スタック１０の発電電力基準値Ｐｇ０[kW]にして、これをバッテリ１１の充電量が充電範囲の上限値に近いほど減少補正して、燃料電池スタック１０で発電させる電力Ｐｇ[kW]を求め、この発電電力Ｐｇ[kW]を得るように、その減少補正分を含めた余剰分の水素ガス、空気が燃焼器２２に送られる。
【００５７】
これにより、バッテリ１１の充電状態に応じて燃料電池スタック１０で発電させ、バッテリ１１に的確に充電できる。また、バッテリ１１の充電量が充電範囲の上限値に近いほど燃料電池スタック１０で発電させる電力Ｐｇ[kW]が減少補正され、その減少補正分を含めた余剰分の水素ガス、空気が燃焼器２２に送られるので、例えばバッテリ１１の充電量が上限値に達した後に余剰の水素ガス、空気が燃焼器２２に送られるものに比べて、空気の減少が遅れるようなことがなく、その遅れによって燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。
【００５８】
また、この場合モータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]が有るときは、バッテリ１１に入力することが可能な電力Ｐｂ[kW]とモータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]とを加算した燃料電池スタック１０の発電上限電力Ｐmax[kW]と、燃料電池スタック１０の発電可能電力Ｐｈ[kW]とから値の小さいものを燃料電池スタック１０の発電電力基準値Ｐｇ０[kW]に選択して、これをバッテリ１１の充電量が充電範囲の上限値に近いほど減少補正して、燃料電池スタック１０で発電させる電力Ｐｇ[kW]を求め、この発電電力Ｐｇ[kW]を得るように、その減少補正分を含めた余剰分の水素ガス、空気が燃焼器２２に送られる。
【００５９】
これにより、バッテリ１１に充電可能な範囲で、余剰改質燃料ガスによって発生した余剰電力を充電することできる。また、バッテリ１１の充電量が充電範囲の上限値に近いほど燃料電池スタック１０で発電させる電力Ｐｇ[kW]が減少補正され、その減少補正分を含めた余剰分の水素ガス、空気が燃焼器２２に送られるので、モータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]が無いときと同様に、例えばバッテリ１１の充電量が上限値に達した後に空気の減少の遅れによって燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。
【００６０】
図７は、本例における、燃料電池システムの負荷が急減した場合の、要求電力（モータ１３の消費電力Ｐｍ[kW]）、改質燃料ガス量、発電電力、バッテリ１１の充電量、燃焼器２２で燃焼させる改質燃料ガス量の変化を示したグラフである。バッテリ１１に充電可能な範囲で、余剰改質燃料ガスを発電に使用するので、バッテリ１１の充電量がその上限を超えることが無いようにしながら、余剰改質燃料ガスのもつエネルギーをバッテリ１１に蓄えることができる。また、バッテリ１１の充電量が充電範囲の上限値に近いほど燃料電池スタック１０で発電させる電力Ｐｇ[kW]が減少補正され、その減少補正分を含めた余剰分の水素ガス、空気が燃焼器２２に送られることによって、燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。また、バッテリ１１の充電量が上限に達する前から余剰改質燃料ガスの燃焼を開始するので、短時間で余剰改質燃料ガスの燃焼を完了する必要がないため、燃焼器２２の温度上昇を抑えることができ、また、燃焼器２２の容量を小さくすることができる。
【００６１】
図８、図９、図１０は、燃料電池スタック１０で発電させる電力Ｐｇ[kW]の減少補正係数αの算出方法の第２、第３、第４の実施の形態を示す。
【００６２】
図８のものは、バッテリ１１の充電余裕量の変化量に基づいて減少補正係数αを設定するもので、バッテリ１１の充電余裕量Ｗｂ[kWh]の変化量△Ｗｂ[kWh／sec]を算出して、この変化量△Ｗｂ[kWh／sec]に基づいて、図８に示すように設定してあるテーブルデータを参照して、減少補正係数αを求める。即ち、バッテリ１１の充電量の増加量が大きいほど、燃料電池スタック１０で発電する電力Ｐｇ[kW]が小さくなるように減少補正する。
【００６３】
これによれば、バッテリ１１の充電量が上限に達するまでに余剰電力を緩やかに減らすことができる。また、燃料電池に供給する空気量を緩やかに変化させることが可能となり、したがってバッテリ１１の充電量が上限に達したときに、空気の減少の遅れに伴って燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。また、バッテリ１１の充電量が上限に達する前から余剰改質燃料ガスの燃焼を開始するので、短時間で余剰改質燃料ガスの燃焼を完了する必要がないため、燃焼器２２の温度上昇を抑えることができ、また、燃焼器２２の容量を小さくすることができる。
【００６４】
図９のものは、燃料電池スタック１０の空気極（カソード極）に供給する空気量の応答時定数τ[sec]に基づいて、図９に示すように設定してあるテーブルデータを参照して、減少補正係数αを算出する。即ち、供給空気量の応答時定数τ[sec]が遅いほど、燃料電池スタック１０で発電する電力Ｐｇ[kW]が小さくなるように減少補正する。ここで、空気量の応答時定数τは燃料電池の運転圧力や、供給空気量に応じて変化するので、これらの条件に対する応答時定数の変化を実験的に求めて、テーブルデータや３次元マップデータなどを用いて応答時定数τ[sec]を算出することができる。
【００６５】
これによれば、供給空気量の応答が遅い運転条件において、バッテリ１１の充電量が上限に達したときに減少させなくてはならない発電量を小さくすることができる。したがって、バッテリ１１の充電量が上限に達したときに、空気の減少の遅れに伴って燃料電池内（高分子電解質膜内）の水が無駄に消費（排出）されることを防止できる。また、バッテリ１１の充電量が上限に達する前から余剰改質燃料ガスの燃焼を開始するので、短時間で余剰改質燃料ガスの燃焼を完了する必要がないため、燃焼器２２の温度上昇を抑えることができ、また、燃焼器２２の容量を小さくすることができる。
【００６６】
図１０のものは、燃焼器２２の温度Ｔｂ[degC]に基づいて、図１０に示すようなテーブルデータを参照して、減少補正係数αを算出する。即ち、燃焼器２２の温度Ｔｂ[degC]が低いほど、燃料電池スタック１０で発電する電力Ｐｇ[kW]が小さくなるように減少補正する。したがって、燃焼器の温度が低い場合ほど、燃焼器で燃焼させる改質燃料ガスを増加させて、燃焼器の温度を適正温度に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を示す燃料電池システムのブロック図である。
【図２】制御内容を示すフローチャートである。
【図３】制御内容を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池の電圧を算出するためのテーブルデータの特性を示す図である。
【図５】２次電池に入力することが可能な電力を算出するためのテーブルデータの特性を示す図である。
【図６】燃料電池の発電電力を補正する係数を算出するためのテーブルデータの特性を示す図である。
【図７】燃料電池システムの負荷が急減した場合の、要求電力、改質燃料ガス量、発電電力、２次電池の充電量、燃焼器で燃焼させる改質燃料ガス量の変化を示したグラフである。
【図８】第２の実施の形態の燃料電池の発電電力を補正する係数を算出するためのテーブルデータの特性を示す図である。
【図９】第３の実施の形態の燃料電池の発電電力を補正する係数を算出するためのテーブルデータの特性を示す図である。
【図１０】第４の実施の形態の燃料電池の発電電力を補正する係数を算出するためのテーブルデータの特性を示す図である。
【図１１】従来の、燃料電池システムの負荷が急減した場合の、要求電力、改質燃料ガス量、発電電力、２次電池の充電量、燃焼器で燃焼させる改質燃料ガス量の変化を示したグラフである。
【符号の説明】
１０ 燃料電池スタック
１１ バッテリ（２次電池）
１３ モータ
１４，１５ 制御弁
２１ コンプレッサ
２２ 燃焼器
２３ 改質器
２４ 燃料タンク
３０ 改質器制御装置
３１ スタック制御器
３２ バッテリ監視器
Claims (7)
- 改質器を含む燃料電池と２次電池、および、燃料電池の排出ガスを燃焼させる燃焼器を備えた燃料改質型燃料電池システムの制御装置において、
前記改質器で生成した改質燃料ガス量を推定する改質燃料ガス量推定手段と、前記改質燃料ガス量に基づいて、その改質燃料ガス量で発電することが可能な電力を算出する発電可能電力演算手段と、
前記２次電池の充電量を推定する２次電池充電量推定手段と、
前記充電量に基づいて、前記２次電池の充電限界の範囲内で前記燃料電池で発電することの許される上限の電力を算出する発電上限電力算出手段と、
前記発電可能電力と前記発電上限電力とに基づいて、前記燃料電池で発電させる電力値を算出する発電電力算出手段と、を備えることを特徴とする燃料改質型燃料電池システムの制御装置。 - 改質器を含む燃料電池と２次電池、および、燃料電池の排出ガスを燃焼させる燃焼器を備えた燃料改質型燃料電池システムの制御装置において、
前記改質器で生成した改質燃料ガス量を推定する改質燃料ガス量推定手段と、前記改質燃料ガス量に基づいて、その改質燃料ガス量で発電することが可能な電力を算出する発電可能電力演算手段と、
電気負荷の消費電力を算出する消費電力算出手段と、
前記２次電池の充電量を推定する２次電池充電量推定手段と、
前記充電量に基づいて、前記２次電池に入力することの可能な電力を算出する２次電池入力可能電力算出手段と、
前記２次電池入力可能電力と前記消費電力の和と、前記発電可能電力とから値の小さい方を選択し、その選択した値を上限として前記燃料電池で発電させる電力値を算出する発電電力算出手段と、を備えることを特徴とした燃料改質型燃料電池システムの制御装置。 - 前記発電電力算出手段の算出値を補正する発電電力補正手段を備え、前記発電電力補正手段は、前記２次電池の充電量が充電範囲の上限値に近いほど、前記燃料電池で発電する電力が小さくなるように減少補正する手段であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質型燃料電池システムの制御装置。
- 前記発電電力算出手段の算出値を補正する発電電力補正手段を備え、前記発電電力補正手段は、前記２次電池の充電量の増加量が大きいほど、前記燃料電池で発電する電力が小さくなるように減少補正する手段であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質型燃料電池システムの制御装置。
- 前記発電電力算出手段の算出値を補正する発電電力補正手段を備え、前記発電電力補正手段は、前記燃料電池の空気極側に供給する空気量の応答が遅いほど、前記燃料電池で発電する電力が小さくなるように減少補正する手段であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質型燃料電池システムの制御装置。
- 前記発電電力算出手段の算出値を補正する発電電力補正手段を備え、前記発電電力補正手段は、前記燃焼器の温度が低いほど、前記燃料電池で発電する電力が小さくなるように減少補正する手段であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質型燃料電池システムの制御装置。
- 前記発電電力補正手段は、電気負荷の消費電力よりも発電可能電力が大きい場合に、補正を許可する手段を含んでいることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１つに記載の燃料改質型燃料電池システムの制御装置。
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