(57)【要約】【課題】燃料電池と燃焼部とを備える燃料電池システムにおいて、適正に燃料の流量を制御する技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムであって、燃料電池と、燃料電池に燃料を供給する燃料供給部と、燃料電池のアノードから排出されるアノード排ガスを燃焼させる燃焼部と、所定のガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と、燃料供給部から燃料電池に供給される燃料の流量を制御する燃料流量制御部とを備え、燃料流量制御部は、酸素濃度検出部によって検出される、燃焼部から排出される燃焼排ガス中の酸素濃度の振動振幅が、第１の値と、第１の値よりも大きい第２の値との間に入るように、燃料の流量を制御する。【選択図】図１
2010211993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給部と、
前記燃料電池のアノードから排出されるアノード排ガスを燃焼させる燃焼部と、
所定のガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と、
前記燃料供給部から前記燃料電池に供給される燃料の流量を制御する燃料流量制御部と、
を備え、
前記燃料流量制御部は、
前記酸素濃度検出部によって検出される、前記燃焼部から排出される燃焼排ガス中の酸素濃度の振動振幅が、第１の値と、前記第１の値よりも大きい第２の値との間に入るように、前記燃料の流量を制御する、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料流量制御部は、
前記燃焼排ガス中の酸素濃度の振動振幅が、前記第２の値よりも大きい場合は、前記燃料の流量を増加させ、前記燃焼排ガス中の酸素濃度の振動振幅が、前記第１の値よりも小さい場合は、前記燃料の流量を減少させる、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料供給部は、
前記燃焼部における燃焼熱を利用して、前記燃料電池に供給する前記燃料を生成する燃料生成部と、
前記燃料生成部に、前記燃料の生成に用いられる原料を供給する原料供給部と、
を備え、
前記燃料流量制御部は、
前記燃料生成部に供給される前記原料の流量を制御することによって、前記燃料電池に供給される前記燃料流量を制御する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１の値および前記第２の値は、前記酸素濃度検出部によって検出される、空気中の酸素濃度の振動振幅に基づいて定められる、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１の値と前記第２の値とによって規定される範囲は、前記燃焼排ガス中の酸素濃度の絶対値が小さいほど、広く設定される、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料流量制御部は、
前記燃焼排ガス中の酸素濃度の振動振幅が、前記第１の値と前記第２の値との間に入るように、前記燃料の流量を制御する場合に、前記燃焼排ガス中の酸素濃度の絶対値が小さいほど、前記燃料の流量の増減割合を小さくする、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の出力電流を計測する電流計および前記燃料電池の出力電圧を計測する電圧計の少なくともいずれか一方を備え、
前記燃料流量制御部は、
さらに、
前記電流計によって計測された前記出力電流、または前記電圧計によって計測された出力電圧の振動振幅が、第３の値と、前記第３の値よりも大きい第４の値との間に入るように、前記燃料の流量を制御する、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料流量制御部は、
前記電流計によって計測された前記出力電流、または前記電圧計によって計測された出力電圧の振動振幅が、前記第４の値よりも大きい場合は、前記燃料の流量を増加させ、前記電流計によって計測された前記出力電流、または前記電圧計によって計測された出力電圧の振動振幅が、前記第３の値よりも小さい場合は、前記燃料の流量を減少させる、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項７または８に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第３の値と、前記第４の値とによって規定される範囲は、前記出力電流の絶対値が小さいほど、広く設定される、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項７ないし９のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料流量制御部は、
前記出力電流の振動振幅が、前記第３の値と前記第４の値との間に入るように、前記燃料の流量を制御する場合に、前記出力電流の絶対値が小さいほど、前記燃料の流量の増減割合を小さくする、燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池と、前記燃料電池のアノードから排出されるアノード排ガスを燃焼させる燃焼部と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃焼部から排出される燃焼排ガス中の酸素濃度を取得する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）において取得された燃焼排ガス中の酸素濃度の振動振幅が、第１の値と、前記第１の値よりも大きい第２の値との間に入るように、前記燃料電池に供給される燃料の流量を制御する工程と、
を備える、燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池に対して、燃料として水素を供給する場合に、高圧タンク等に貯留された水素を供給する場合や、水素原子を含む燃料を改質して水素を供給する場合がある。後者の場合、例えば、改質燃料（メタノール、エタノールなどのアルコール類、ガソリン、天然ガス、プロパンなどの炭化水素、アルデヒド、アンモニア等）を水や酸素(空気)と共に改質器に供給して、加熱することによって、水素が生成される。従来、燃料電池に供給される燃料の流量を、発電電流の変化や、発電電圧の変化に基づいて算出する技術が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００３】
一方、燃料電池と、燃料電池のアノードから排出されるアノード排ガスを燃焼させる燃焼部とを備える燃料電池システムが提案されている。この燃料電池システムにおいて発生される燃焼熱は、例えば、お湯を沸かしたり、上述した改質器により水素を生成するために利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−４４７０８号公報
【特許文献２】特開２００５−９３２１８号公報
【特許文献３】特開平１１−４０１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した発電電流や発電電圧の変化に基づいて、燃料電池に供給される燃料の流量を算出する方法では、燃焼器を備える燃料電池システムにおいて、適切に燃料流量を制御できないおそれがある。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池と燃焼部とを備える燃料電池システムにおいて、適正に燃料の流量を制御する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］  燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給部と、
前記燃料電池のアノードから排出されるアノード排ガスを燃焼させる燃焼部と、
所定のガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と、
前記燃料供給部から前記燃料電池に供給される燃料の流量を制御する燃料流量制御部と、
を備え、
前記燃料流量制御部は、
前記酸素濃度検出部によって検出される、前記燃焼部から排出される燃焼排ガス中の酸素濃度の振動振幅が、第１の値と、前記第１の値よりも大きい第２の値との間に入るように、前記燃料の流量を制御する、燃料電池システム。
【０００９】
燃焼部における燃焼が良好でない（例えば、一部において失火している。）と、燃焼排ガス中の酸素濃度の変動が大きくなると考えられる。これは、燃料電池の全体もしくは一部のセルでの発電不良つまり、セルでの燃料利用率減少に伴う燃焼部全体もしくは燃焼部の一部の空気過剰率が減少することによって生じる。セルが発電不良となるかどうかは、セルへの燃料流量によっても影響される。そのため、燃焼排ガス中の酸素濃度の変動が適切な範囲内になるように、燃料電池に供給する燃料の流量を調節すると、発電不良のセルを良好な発電状態に近づけることができる。すなわち、燃料電池における発電の安定性が向上するような、適正な燃料流量の制御を行うことができる。燃焼ガス中の酸素濃度の変動が大きくなるその他の原因としては、燃焼部自体の劣化等により、安定して燃焼するための空気過剰率が変化した場合が想定される。この場合においても、燃料電池に供給する燃料の流量を調節すると、燃焼部での燃焼が安定する適切な空気過剰率とすることができる。
【００１０】
［適用例２］  適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料流量制御部は、
前記燃焼排ガス中の酸素濃度の振動振幅が、前記第２の値よりも大きい場合は、前記燃料の流量を増加させ、前記燃焼排ガス中の酸素濃度の振動振幅が、前記第１の値よりも小さい場合は、前記燃料の流量を減少させることとしてもよい。
【００１１】
燃焼排ガス中の酸素濃度の振動振幅が、第２の値よりも大きい場合は、上述したように、燃料電池において発電不良が生じていると考えられる。そのため、燃料の流量を増加させることによって、燃料電池における発電状態が向上される。一方、燃焼排ガス中の酸素濃度の振動振幅が、第１の値よりも小さい場合は、燃料電池における発電状態は良好であると考えられるが、燃料が過剰に供給されている可能性がある。そのため、燃料の流量を減少させることによって、発電効率を向上させるとともに、発電効率を向上させることができる。
【００１２】
［適用例３］  適用例１または２記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料供給部は、
前記燃焼部における燃焼熱を利用して、前記燃料電池に供給する前記燃料を生成する燃料生成部と、
前記燃料生成部に、前記燃料の生成に用いられる原料を供給する原料供給部と、
を備え、
前記燃料流量制御部は、
前記燃料生成部に供給される前記原料の流量を制御することによって、前記燃料電池に供給される前記燃料流量を制御することとしてもよい。
【００１３】
このようにすると、燃料生成部を備える燃料電池システムにおいて、発電の安定性が向上される。
【００１４】
［適用例４］  適用例１ないし３のいずれか１つに記載の上記燃料電池システムにおいて、
前記第１の値および前記第２の値は、前記酸素濃度検出部によって検出される、空気中の酸素濃度の振動振幅に基づいて定められることとしてもよい。
【００１５】
このようにすると、酸素濃度検出部の経時変化に応じて、第１の値と第２の値を設定することができる。
【００１６】
［適用例５］  適用例１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１の値と前記第２の値とによって規定される範囲は、前記燃焼排ガス中の酸素濃度の絶対値が小さいほど、広く設定されることとしてもよい。
【００１７】
酸素濃度の絶対値が小さい場合は、振幅の計測精度が低下する。そのため、このようにすると、燃料電池システムの誤動作を抑制することができる。
【００１８】
［適用例６］  適用例１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料流量制御部は、
前記燃焼排ガス中の酸素濃度の振動振幅が、前記第１の値と前記第２の値との間に入るように、前記燃料の流量を制御する場合に、前記燃焼排ガス中の酸素濃度の絶対値が小さいほど、前記燃料の流量の増減割合を小さくすることとしてもよい。
【００１９】
上述したように、酸素濃度の絶対値が小さい場合は、振幅の計測精度が低下する。そのため、このようにすると、誤動作を抑制することができる。
【００２０】
［適用例７］  適用例１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の出力電流を計測する電流計および前記燃料電池の出力電圧を計測する電圧計の少なくともいずれか一方を備え、
前記燃料流量制御部は、
さらに、
前記電流計によって計測された前記出力電流、または前記電圧計によって計測された出力電圧の振動振幅が、第３の値と、前記第３の値よりも大きい第４の値との間に入るように、前記燃料の流量を制御することとしてもよい。
このようにすると、さらに、発電の安定性が向上される。
【００２１】
［適用例８］  適用例７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料流量制御部は、
前記電流計によって計測された前記出力電流、または前記電圧計によって計測された出力電圧の振動振幅が、前記第４の値よりも大きい場合は、前記燃料の流量を増加させ、前記電流計によって計測された前記出力電流、または前記電圧計によって計測された出力電圧の振動振幅が、前記第３の値よりも小さい場合は、前記燃料の流量を減少させるこことしてもよい。
【００２２】
燃料電池の出力電流の振動振幅が、第４の値よりも大きい場合は、燃料電池において発電不良が生じていると考えられる。そのため、燃料の流量を増加させることによって、燃料電池における発電状態が向上される。一方、燃料電池の出力電流の振動振幅が、第３の値よりも小さい場合は、燃料電池における発電状態は良好であると考えられるが、燃料が過剰に供給されている可能性がある。そのため、燃料の流量を減少させることによって、発電効率を向上させるとともに、発電効率を向上させることができる。
【００２３】
［適用例９］  適用例７または８に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第３の値と、前記第４の値とによって規定される範囲は、前記出力電流の絶対値が小さいほど、広く設定されることとしてもよい。
【００２４】
絶対値が小さい電流を計測する場合は、振幅の計測精度が低下する。そのため、出力電流の絶対値が小さいほど、第３の値と第４の値とで規定される範囲を広く設定することによって、誤動作を抑制することができる。
【００２５】
［適用例１０］  適用例７ないし９のいずれか１つに記載の上記燃料電池システムにおいて、
前記出力電流の振動振幅が、前記第３の値と前記第４の値との間に入るように、前記燃料の流量を制御する場合に、前記出力電流の絶対値が小さいほど、前記燃料の流量の増減割合を小さくすることとしてもよい。
【００２６】
上述したように、絶対値が小さい電流を計測する場合は、振幅の計測精度が低下する。そのため、出力電流の絶対値が小さいほど、燃料の流量の増減割合を小さくすることによって、誤動作を抑制することができる。
【００２７】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備えるコージェネレーション、燃料電池システムの制御方法などの形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施例としての燃料電池システム１０００の構成を概略的に示す説明図である。
【図２】第１の実施例におけるセンサ暖機検出ルーチンを表わすフローチャートである。
【図３】第１の実施例における燃料流量算出ルーチンを表わすフローチャートである。
【図４】第１の実施例における酸素濃度変動値σｏと補正係数Ｋｏとの関係を示す図である。
【図５】第１の実施例における負荷要求ｉ＿ｒｅｑと基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅとの関係を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施例としての燃料電池システム１０００Ａの構成を概略的に示す説明図である。
【図７】第２の実施例における燃料流量算出ルーチンを表わすフローチャートである。
【図８】第２の実施例における燃料流量算出ルーチンを表わすフローチャートである。
【図９】第２の実施例における補正酸素濃度変動値σｏ＿ｐａと補正係数Ｋｏとの関係を示す図である。
【図１０】第２の実施例における負荷要求ｉ＿ｒｅｑと基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅとの関係を示す図である。
【図１１】本発明の第３の実施例としての燃料電池システム１０００Ｂの構成を概略的に示す説明図である。
【図１２】第３の実施例における燃料流量算出ルーチンの一部を表わすフローチャートである。
【図１３】第３の実施例における出力電流変動値σｉと補正係数Ｋｉとの関係を示す図である。
【図１４】変形例の酸素濃度変動値σｏと補正係数Ｋｏとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ｂ．第２の実施例：
Ｃ．第３の実施例：
Ｄ．変形例：
【００３０】
Ａ．第１の実施例：
図１は、本発明の第１の実施例としての燃料電池システム１０００の構成を概略的に示す説明図である。図１は、本発明の第１の実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１００と、燃焼部２００と、熱交換器３００と、制御部６００と、を主に備える。
【００３１】
本実施例の燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１００から排出されるアノード排ガスと、カソード排ガスとを利用して、燃焼部２００においてアノード排ガスを燃焼させ、燃焼部２００において発生される熱を利用して、熱交換器３００を介して水道水を温めて、ユーザに温水を供給している。
【００３２】
燃料電池スタック１００は、燃料ガスとしての水素と、酸化剤ガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。本実施例において、燃料電池スタック１００は、反応温度が約６００〜１０００℃の固体酸化物型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ；ＳＯＦＣ）である。
【００３３】
燃料ガスとしての水素を燃料電池スタック１００に供給する水素供給系は、水素タンク１０２と、水素供給路１０４と、水素供給路１０４上に設けられる流量調節弁１０６と、を備える。本実施例において、水素タンク１０２は、高圧水素を貯蔵する水素ボンベである。水素タンク１０２に換えて、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクを用いても良い。
【００３４】
水素タンク１０２に貯蔵される水素ガスは、流量調節弁１０６によって所定の流量に調整され、燃料電池スタック１００を構成する各単セルのアノードに燃料ガスとして供給される。後述するように、燃焼部２００から排出される燃焼排ガス中の酸素濃度の変動(振動振幅)に基づいて、流量調節弁１０６が制御される。
【００３５】
燃料電池スタック１００のアノード側から排出された排ガス（以下、アノード排ガスともいう。）は、アノード排ガス路１０８を介して、燃焼部２００に供給される。
【００３６】
酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック１００に供給する空気供給系は、空気供給路１１４と、空気供給路１１４上に設けられたエアポンプ１１６と、を備える。エアポンプ１１６は、エアクリーナ(図示しない)を介して外部から取り込んだ空気を、空気供給路１１４を介して酸化剤ガスとして燃料電池スタック１００のカソードに供給する。
【００３７】
燃料電池スタック１００のカソード側から排出された排ガス（以下、カソード排ガスともいう。）は、カソード排ガス路１１８を介して、燃焼部２００に供給される。
【００３８】
また、燃料電池スタック１００は、その内部に、冷却水が循環する冷却水流路を備えている（図示しない）。燃料電池スタック１００内部に形成される冷却水流路と、ラジエータ（図示しない）との間で冷却水を循環させることによって、燃料電池スタック１００の内部温度は、所定の温度範囲に保たれる。
【００３９】
燃焼部２００は、グロー着火機構を備え、グロー着火機構に所定の電圧を印加することにより、アノード排ガス路１０８を介して供給されるアノード排ガスと、カソード排ガス路１１８を介して供給されるカソード排ガスとを、燃焼させる。
【００４０】
燃焼部２００には、燃焼排ガス路２０２が設けられ、燃焼部２００における燃焼後のガスおよび、未燃焼のガスを含む燃焼排ガスが、燃焼排ガス路２０２を介して大気中に放出される。
【００４１】
燃焼排ガス路２０２上には、酸素濃度センサ２０４が設けられる。酸素濃度センサ２０４は、燃焼排ガス中の酸素濃度を検出して、制御部６００に出力する。
【００４２】
熱交換器３００には、水道水導入路３０２と、温水放出路３０４とが設けられる。熱交換器３００では、水道水導入路３０２を介して導入された水道水を、燃焼部２００における燃焼に伴う燃焼熱によって温めて温水にする。
【００４３】
温水放出路３０４は、図示せざる貯水タンクに接続されている。熱交換器３００によって温められた温水は、温水放出路３０４を介して貯水タンクに貯留される。貯水タンクは、例えば、ユーザの家庭の風呂、シャワー等に接続されており、ユーザからの要求に応じて、貯水タンク内に貯留されている温水が、ユーザに供給される。なお、貯水タンク内の温水が、熱交換器３００に再び導入され、再加熱されるようにしてもよい。例えば、貯水タンク内の温水の温度が低下した場合や、貯水タンク内の温水の温度が、ユーザの要求する温度よりも低い場合等に、好適である。
【００４４】
制御部６００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成されている。制御部６００は、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ６１０と、燃料流量制御プログラム６２４、マップ６２２、マップ６２３等が格納されたメモリ６２０と、各種の信号を入出力する入出力ポート６３０等を備える。燃料流量制御プログラム６２４には、後述するセンサ暖機検出ルーチンと燃料流量算出ルーチンが含まれる。
【００４５】
制御部６００は、上述した酸素濃度センサ２０４の検出信号や、燃料電池スタック１００に対する負荷要求に関する情報などを取得する。そして、取得した情報に基づいて、燃料電池スタック１００に供給される水素の適切な流量を算出し、水素タンク１０２から供給される水素の流量を調節する流量調節弁１０６、に駆動信号を出力する。また、制御部６００は、エアポンプ１１６など、燃料電池スタック１００の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。
【００４６】
図２は、燃料電池システム１０００が備える制御部６００のＣＰＵ６１０において実行されるセンサ暖機検出ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム１０００が起動されると、実行される。
【００４７】
燃料電池システム１０００が起動され、本ルーチンが起動されると、ＣＰＵ６１０は、エアポンプ１１６を制御して、空気を供給させて、燃料電池システム１０００の掃気処理を開始する（ステップＳ１０２）。続いて、ＣＰＵ６１０は、酸素濃度センサ２０４に暖機を開始させる(ステップＳ１０４)。そして、ＣＰＵ６１０は、酸素濃度センサ２０４の暖機が完了したか否かを判断して（ステップＳ１０６）、暖機が完了していない場合には（ステップＳ１０６においてＮＯ）、酸素濃度センサ２０４の暖機を継続する(ステップＳ１０４)。すなわち、ＣＰＵ６１０が酸素濃度センサ２０４の暖機が完了したと判断するまで、酸素濃度センサ２０４の暖機は継続される。ＣＰＵ６１０が酸素濃度センサ２０４の暖機か完了したと判断すると（ステップＳ１０６において、ＹＥＳ）、メモリ６２０に記録されているセンサ暖機完了フラグをＯＮにして(ステップＳ１０８)、本ルーチンを終了する。
【００４８】
図３は、燃料電池システム１０００が備える制御部６００のＣＰＵ６１０において実行される燃料流量算出ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム１０００が起動されると実行され、例えば、１００ｍｓ毎に繰り返し実行される。本ルーチンでは、燃焼部２００から排出される燃焼排ガス中の酸素濃度ｏの変動を示す酸素濃度変動値σｏに基づいて、負荷要求ｉ＿ｒｅｑに応じた水素流量（基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅ）を補正して、燃料電池スタック１００に供給する水素の流量（最終燃料流量Ｑｆ＿ｆｉｎ）を算出する。
【００４９】
図４は、本実施例における酸素濃度変動値σｏと補正係数Ｋｏとの関係を示す図である。補正係数Ｋｏは、燃焼排ガス中の酸素濃度ｏの変動が適切な範囲内になるように、燃料電池スタック１００に供給する水素の流量を補正するための係数である。図示するように、酸素濃度変動値σｏが第１の値ｏ１と第２の値ｏ２との間の値である場合は、Ｋｏ＝１．０である。すなわち、燃料電池スタック１００に供給する水素の流量（基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅ）を補正しない。本実施例において、第１の値ｏ１および第２の値ｏ２は、実験によって予め定められている。
【００５０】
本実施例において、図４に示すσｏと補正係数Ｋｏとの関係を表すマップ６２２がメモリ６２０に予め記憶されている。平均酸素濃度ｏｖが所定の値よりも大きい場合には実線のグラフ、平均酸素濃度ｏｖが所定の値よりも小さい場合には破線のグラフを用いて、補正係数Ｋｏが導出される。
【００５１】
酸素濃度センサ２０４において検出される酸素濃度ｏが小さい場合には、酸素濃度ｏの変動（振幅）の計測精度が低下する。そのため、平均酸素濃度ｏｖが小さい場合に、平均酸素濃度ｏｖが大きい場合と同様に燃料電池スタック１００に供給する水素流量の増減を行うと、燃料電池システム１０００の誤作動が生じるおそれがある。本実施例において、燃料電池スタック１００に供給する水素流量の補正に伴う誤作動を抑制するために、平均酸素濃度ｏｖが小さい場合には、平均酸素濃度ｏｖが大きい場合に比べて、補正係数Ｋｏの値が小さくなるように、マップ６２２が作成されている。なお、本実施例において、例えば、平均酸素濃度ｏｖが１０％以上の場合には「平均酸素濃度ｏｖが大きい」、平均酸素濃度ｏｖが１０％未満の場合には「平均酸素濃度ｏｖが小さい」としている。
【００５２】
図４に示すマップ６２２において、補正係数Ｋｏの値は、酸素濃度変動値σｏが第２の値ｏ２よりも大きい場合には大きく、酸素濃度変動値σｏが第１の値ｏ１よりも小さい場合には小さくしている。
【００５３】
すなわち、酸素濃度変動値σｏが第２の値ｏ２よりも大きい場合には、負荷要求ｉ＿ｒｅｑに応じた基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅよりも燃料電池スタック１００に供給される水素の流量を増加させることになる。酸素濃度変動値σｏが大きい場合は、燃料電池スタック１００において発電不良（例えば、燃料不足によって発電できないセルがある等）が生じていると考えられるため、燃料電池スタック１００に供給される水素の流量を増加させることにより、燃料電池スタック１００における発電が安定すると考えられる。
【００５４】
一方、酸素濃度変動値σｏが第１の値ｏ１よりも小さい場合には、負荷要求ｉ＿ｒｅｑに応じた基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅよりも燃料電池スタック１００に供給される水素の流量を減少させることになる。酸素濃度変動値σｏが小さい場合は、燃料電池スタック１００における発電状態が良好（安定）しており、燃料電池スタック１００に過剰に燃料(水素)が供給されていると考えられる。そのため、燃料電池スタック１００に供給される水素の流量を減少させることにより、燃料電池スタック１００における発電効率が向上されると考えられる。
【００５５】
図５は、入出力ポート６３０を介してＣＰＵ６１０に入力される負荷要求ｉ＿ｒｅｑと基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅとの関係を示す図である。図５に示す基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅは、燃料電池スタック１００の状態（反応温度や劣化の程度等）が理想的な状態にある場合に、負荷要求ｉ＿ｒｅｑを満たす出力を得るのに必要な水素の流量である。本実施例においては、図５に示す基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅに対して、燃料電池スタック１００の運転状態に合わせた補正を行って、燃料電池スタック１００に供給する水素の流量（最終燃料流量Ｑｆ＿ｆｉｎ）を決定する。本実施例において、図５に示す負荷要求ｉ＿ｒｅｑと基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅとの関係を表すマップ６２３がメモリ６２０に予め記憶されている。
【００５６】
図３に示すように、燃料電池システム１０００が起動され、本ルーチンが起動されると、ＣＰＵ６１０は、メモリ６２０に記録されているセンサ暖機完了フラグがＯＮか否か判断する（ステップＳ１３０）。センサ暖機完了フラグがＯＦＦの場合は(ステップＳ１３０においてＹＥＳ)、本ルーチンを終了する。
【００５７】
センサ暖機完了フラグがＯＮの場合には（ステップＳ１３０においてＹＥＳ）、酸素濃度センサ２０４によって検出される、燃焼部２００からの燃焼排ガス中の酸素濃度ｏをメモリ６２０に記憶し、ｎ＝ｎ＋１にカウントアップする(ステップＳ１３２)。そして、ＣＰＵ６１０は、酸素濃度検出サンプリング数ｎ≧酸素濃度検出最大サンプリング数ｎ＿ｔｒｇか否か判断する（ステップＳ１３４）。本実施例において、酸素濃度検出最大サンプリング数ｎ＿ｔｒｇ=２５０である。酸素濃度検出サンプリング数ｎ＜ｎ＿ｔｒｇの場合は（ステップＳ１３４において、ＮＯ）、本ルーチンを終了する。
【００５８】
すなわち、燃焼排ガス中の酸素濃度ｏのサンプリング数が２５０になるまでは、酸素濃度センサ２０４において検出された燃焼排ガス中の酸素濃度ｏは、メモリ６２０に蓄積される。
【００５９】
酸素濃度検出サンプリング数ｎ≧ｎ＿ｔｒｇの場合は（ステップＳ１３４において、ＹＥＳ）、酸素濃度変動値σｏと平均酸素濃度ｏｖを算出する（ステップＳ１３６）。
【００６０】
酸素濃度変動値σｏは、以下の（式１）によって算出される。
【数１】
2010211993.tif 000003
【００６１】
その後、最も以前に計測した酸素濃度ｏをクリアして、ｎ＝ｎ−１にする（ステップＳ１３８）。例えば、ｎ＝２５０になるまでは、１００ｍｓ毎に、ステップＳ１３２が行われ、ｎ＝０〜２４９について、酸素濃度センサ２０４において検出された酸素濃度が蓄積される。ｎ＝２５０になり、ｎ＝０〜２４９について、酸素濃度変動値σｏと平均酸素濃度ｏｖが算出されると、メモリ６２０に蓄積されたｎ＝０の酸素濃度がクリアされて、ｎ＝２４９とされる。
【００６２】
ＣＰＵ６１０は、ステップＳ１３６において算出された酸素濃度変動値σｏと平均酸素濃度ｏｖとを用いて、マップ６２２を参照して、補正係数Ｋｏを導出する（ステップＳ１４０）
【００６３】
ＣＰＵ６１０は、入力された負荷要求ｉ＿ｒｅｑに応じた基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅを、マップ６２３を参照して、導出する（ステップＳ１４４）。最後に、ステップＳ１４０で導出された補正係数Ｋｏと、ステップＳ１４４で導出された基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅとに基づいて、最終燃料流量Ｑｆ_ｆｉｎを算出して（ステップＳ１４６）、本ルーチンを終了する。
【００６４】
ＣＰＵ６１０は、このようにして算出された最終燃料流量Ｑｆ_ｆｉｎになるように、流量調節弁１０６を制御する。
【００６５】
例えば、燃焼部２００における燃焼が良好でない（例えば、一部において失火している。）と、燃焼排ガス中の酸素濃度ｏの変動が大きくなると考えられる。一方、燃料電池スタック１００において発電不良が生じると、燃料電池スタック１００の温度が低下する。その結果、燃料電池スタック１００から排出される排ガスを燃焼する燃焼部２００の温度も低下して、燃焼部２００の燃焼不良が生じると考えられる。すなわち、燃料電池スタック１００において、発電不良が生じている場合には、燃焼排ガス中の酸素濃度ｏの変動が大きくなると考えられる。
【００６６】
本実施例の燃料電池システム１０００では、燃焼部２００から排出される燃焼排ガス中の酸素濃度ｏの変動（酸素濃度変動値σｏ）に基づいて、負荷要求ｉ＿ｒｅｑに応じた水素流量（基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅ）を、補正係数Ｋｏを用いて補正して、最終燃料流量Ｑｆ＿ｆｉｎを算出している。補正係数Ｋｏは、燃焼排ガス中の酸素濃度ｏの変動が適切な範囲内になるように、燃料電池スタック１００に供給する水素の流量を補正するための係数である。燃料電池システム１０００では、補正後の最終燃料流量Ｑｆ＿ｆｉｎになるように、燃料電池スタック１００に供給される水素流量を制御しているため、燃焼排ガス中の酸素濃度ｏの変動が適切な範囲内になる。すなわち、燃料電池スタック１００における発電の安定性および発電効率が向上される。本実施例の燃料電池システム１０００によれば、燃料電池スタック１００における発電の安定性と発電効率とを両立するような、適正な燃料流量（水素流量）の制御を行うことができる。
【００６７】
Ｂ．第２の実施例：
図６は、本発明の第２の実施例としての燃料電池システム１０００Ａの構成を概略的に示す説明図である。本実施例の燃料電池システム１０００Ａが、第１の実施例の燃料電池システム１０００と異なる点は、主に、改質器４００を備える点と、燃料流量の制御において、同一酸素濃度雰囲気における酸素濃度センサ出力の変化も考慮する点である。図６において、第１の実施例における燃料電池システム１０００と同様の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００６８】
本実施例の燃料電池システム１０００Ａにおいて、燃料電池スタック１００から排出されるアノード排ガスと、カソード排ガスとを利用して、燃焼部２００においてアノード排ガスを燃焼させる。燃焼部２００において発生される熱を利用して、改質器４００において水素を含む燃料ガスを生成して、燃料電池スタック１００に供給する。一方、燃焼部２００から排出される燃焼排ガスの熱を利用して、熱交換器３００を介して水道水を温めて、ユーザに温水を供給している。
【００６９】
改質器４００は、混合部（図示しない）と改質部（図示しない）を備える。改質燃料タンク４０２（後述する）から供給される改質燃料と、改質水タンク５００（後述する）から供給される水とは、混合部において混合され、気化される。以下、混合部において混合され、気化されたガスを、「混合ガス」と称する。改質部は、改質反応を促進する改質触媒（図示しない）を備える。混合部で生成された混合ガスが改質部に導入されると、改質触媒によって改質反応が進行し、水素を含む燃料ガスが生成される。この改質反応は吸熱反応であるため、入熱が必要であり、本実施例では、燃焼部２００における燃焼反応によって発生する熱を利用している。上記改質触媒は、改質反応に用いる改質燃料に応じて適宜決定される。なお、改質器４００において生成され、燃料電池スタック１００に供給される燃料ガスには、水素以外に、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、メタン（ＣＨ4）、および未反応の改質燃料が含まれる。
【００７０】
改質燃料としてのメタノールを改質器４００に供給する改質燃料供給系は、改質燃料タンク４０２と、改質燃料供給路４０４と、改質燃料供給路４０４上に設けられる流量調節弁４０６と、を備える。改質燃料タンク４０２は、改質燃料としてのメタノールを、液体で貯蔵している。なお、改質燃料は、メタノールに限定されず、炭化水素（ガソリン、灯油、天然ガスなど。）、アルコール類（エタノール、メタノールなど。）、アルデヒド、アンモニアなどを用いてもよい。
【００７１】
改質燃料タンク４０２に貯蔵されるメタノールは、流量調節弁４０６によって所定の流量に調整され、改質燃料供給路４０４を介して改質器４００に供給される。後述するように、燃焼部２００から排出される燃焼排ガス中の酸素濃度の変動(振動振幅)に基づいて、流量調節弁４０６が制御される。
【００７２】
改質器４００で生成された水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、および未反応の改質燃料（メタノール）を含む燃料ガスは、燃料供給路４０８を介して、燃料電池スタック１００のアノードに供給される。
【００７３】
熱交換器３００Ａには、燃焼排ガス路２０２と、排ガス放出路２０６と、水道水導入路３０２と、温水放出路３０４と、が接続されている。本実施例において、熱交換器３００Ａは、燃焼部２００から排出される燃焼排ガスの熱を利用して、水道水を温めている。すなわち、燃焼排ガス路２０２を介して熱交換器３００Ａに導入される燃焼排ガスは、熱交換器３００Ａ内で水道水に熱を奪われて、低温の燃焼排ガスとなって、排ガス放出路２０６を介して大気中に放出される。
【００７４】
改質器４００に、改質反応に利用される水（以下、「改質水」ともいう。）を供給するための改質水供給系は、凝縮器５０４と、凝縮水路５０６と、改質水タンク５００と、改質水供給路５０８と、改質水ポンプ５１０と、を備える。凝縮器５０４は、排ガス放出路２０６上に設けられ、熱交換器３００Ａにおいて冷却された燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮する。凝縮器５０４には、凝縮水路５０６が接続され、凝縮器５０４にて凝縮された液水（以下、「凝縮水」ともいう。）が、凝縮水路５０６を介して改質水タンク５００に貯留される。改質水タンク５００に貯留された凝縮水（改質水）は、改質水ポンプ５１０によって、改質水供給路５０８を介して改質燃料供給路４０４に導入される。このようにして、改質燃料としてのメタノールと、改質水とが、ともに改質器４００に供給される。
【００７５】
制御部６００Ａにおいて、メモリ６２０に記憶されている燃料流量制御プログラム６２４Ａと、マップ６２２Ａと、マップ６２３Ａと、が主に、第１の実施例における制御部６００と異なる。燃料流量制御プログラム６２４Ａには、第１の実施例において述べたセンサ暖機検出ルーチン(図２)と、後述する燃料流量算出ルーチン(図７，８)が含まれる。センサ暖機検出ルーチンについては、第１の実施例と同様であるため、説明を省略する。
【００７６】
本実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、第１の実施例と異なり、改質器４００で生成された水素を含む燃料ガスが燃料電池スタック１００に供給される。そのため、制御部６００は、酸素濃度センサ２０４によって検出される酸素濃度の変動に基づいて、燃料電池スタック１００に供給される燃料ガスの適切な流量（最終燃料流量Ｑｆ＿ｆｉｎ）を算出し、算出された最終燃料流量Ｑｆ＿ｆｉｎの燃料ガスが改質器４００において生成されるように、流量調節弁４０６を制御する。その結果、燃料電池スタック１００に供給される燃料ガスの流量（以下、「燃料流量」ともいう。）が、酸素濃度センサ２０４によって検出される酸素濃度の変動に基づいて制御される。
【００７７】
図７、８は、燃料電池システム１０００Ａが備える制御部６００ＡのＣＰＵ６１０において実行される燃料流量算出ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム１０００Ａが起動されると実行され、例えば、１００ｍｓ毎に繰り返し実行される。本ルーチンでは、燃焼部２００から排出される燃焼排ガス中の酸素濃度ｏの変動を示す燃焼排ガス中酸素濃度変動値σｏ＿ｐに基づいて、負荷要求ｉ＿ｒｅｑに応じた燃料流量（基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅ）を補正して、燃料電池スタック１００に供給する燃料流量（最終燃料流量Ｑｆ＿ｆｉｎ）を算出する。
【００７８】
本実施例における燃料流量算出ルーチンが、第１の実施例と異なる点は、空気中の酸素濃度ｏ＿ａを考慮して、補正係数Ｋｏを導出している点である。以下、空気中の酸素濃度ｏ＿ａの変動を示す空気中酸素濃度変動値σｏ＿ａを考慮して補正された燃焼排ガス中の酸素濃度の変動値を、「補正酸素濃度変動値σｏ＿ｐａ」と称する。補正酸素濃度変動値σｏ＿ｐａ＝燃焼排ガス中の酸素濃度変動値σｏ＿ｐ−空気中の酸素濃度変動値σｏ＿ａである。
【００７９】
図９は、本実施例における補正酸素濃度変動値σｏ＿ｐａと補正係数Ｋｏとの関係を示す図である。補正係数Ｋｏは、補正酸素濃度変動値σｏ＿ｐａが適切な範囲内になるように、燃料電池スタック１００に供給する水素の流量を補正するための係数である。本実施例において、図９に示す補正酸素濃度変動値σｏ＿ｐａと補正係数Ｋｏとの関係を表すマップ６２２Ａがメモリ６２０に予め記憶されている。第１の実施例と同様に、平均酸素濃度ｏｖが所定の値よりも大きい場合には実線のグラフ、平均酸素濃度ｏｖが所定の値よりも小さい場合には破線のグラフを用いて、補正係数Ｋｏが導出される。
【００８０】
図１０は、入出力ポート６３０を介してＣＰＵ６１０に入力される負荷要求ｉ＿ｒｅｑと基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅとの関係を示す図である。本実施例において、図１０に示す負荷要求ｉ＿ｒｅｑと基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅとの関係を表すマップ６２３Ａがメモリ６２０に予め記憶されている。
【００８１】
図７に示すように、燃料電池システム１０００Ａが起動され、本ルーチンが起動されると、ＣＰＵ６１０は、メモリ６２０に記録されているセンサ暖機完了フラグがＯＮか否か判断する（ステップＵ１１２）。センサ暖機完了フラグがＯＦＦの場合は(ステップＵ１１２においてＮＯ)、本ルーチンを終了する。
【００８２】
センサ暖機完了フラグがＯＮの場合には（ステップＵ１１２においてＹＥＳ）、ＣＰＵ６１０は、メモリ６２０に記録されているσｏ＿ａ計算完了フラグがＯＮか否か判断する(ステップＵ１１４)。燃料電池システム１０００Ａの起動時、σｏ＿ａ計算完了フラグはＯＦＦである。ステップＵ１１４において、σｏ＿ａ計算完了フラグがＯＦＦであると判断されると、ＣＰＵ６１０は、酸素濃度センサ２０４によって検出される、燃焼排ガス路２０２中を流れるガス中の酸素濃度ｏをメモリ６２０に記憶し、ｎ＝ｎ＋１にカウントアップする(ステップＵ１１６)。
【００８３】
本実施例における燃料電池システム１０００Ａにおいて、σｏ＿ａ計算完了フラグがＯＮになるまでは、燃料電池スタック１００に水素は供給されず、装置掃気エア（空気）が供給されている。その結果、燃焼排ガス路２０２内を、空気が流通するため、酸素濃度センサ２０４は、空気中の酸素濃度を検出する。そして、ＣＰＵ６１０は、酸素濃度検出サンプリング数ｎ≧酸素濃度検出最大サンプリング数ｎ＿ｔｒｇか否か判断する（ステップＵ１１８）。本実施例において、第１の実施例と同様に、酸素濃度検出最大サンプリング数ｎ＿ｔｒｇ=２５０である。酸素濃度検出サンプリング数ｎ＜ｎ＿ｔｒｇの場合は（ステップＵ１１８において、ＮＯ）、本ルーチンを終了する。
【００８４】
すなわち、酸素濃度ｏのサンプリング数が２５０になるまでは、酸素濃度センサ２０４において検出された空気中の酸素濃度ｏは、メモリ６２０に蓄積される。
【００８５】
酸素濃度検出サンプリング数ｎ≧ｎ＿ｔｒｇの場合は（ステップＵ１１８において、ＹＥＳ）、空気中酸素濃度変動値σｏ＿ａを算出する（ステップＵ１２０）。
【００８６】
空気中酸素濃度変動値σｏ＿ａは、上記した（式１）によって、第１の実施例において、燃焼排ガス中の酸素濃度変動値σｏを算出した場合と同様に算出される。
【００８７】
その後、ＣＰＵ６１０は、ｎ＝０として(ステップＵ１２２)、メモリ６２０に記憶されているσｏ＿ａ計算完了フラグをＯＮにして（ステップＵ１２４）、本ルーチンを終了する。このようにして、空気中酸素濃度変動値σｏ＿ａが算出される。
【００８８】
本実施例において、σｏ＿ａ計算完了フラグがＯＮにされると、燃料電池スタック１００に水素が供給され、燃料電池の運転が開始される。
【００８９】
ステップＵ１１４において、σｏ＿ａ計算完了フラグがＯＮであると判断されると、ＣＰＵ６１０は、ステップＵ１３２（図８）へ進む。ステップＵ１３２において、ＣＰＵ６１０は、酸素濃度センサ２０４によって検出される、燃焼部２００からの燃焼排ガス中の酸素濃度ｏをメモリ６２０に記憶し、ｎ＝ｎ＋１にカウントアップする(ステップＵ１３２)。そして、ＣＰＵ６１０は、酸素濃度検出サンプリング数ｎ≧酸素濃度検出最大サンプリング数ｎ＿ｔｒｇか否か判断する（ステップＵ１３４）。本実施例において、酸素濃度検出最大サンプリング数ｎ＿ｔｒｇ=２５０である。酸素濃度検出サンプリング数ｎ＜ｎ＿ｔｒｇの場合は（ステップＵ１３４において、ＮＯ）、本ルーチンを終了する。
【００９０】
すなわち、燃焼排ガス中の酸素濃度ｏのサンプリング数が２５０になるまでは、酸素濃度センサ２０４において検出された燃焼排ガス中の酸素濃度ｏは、メモリ６２０に蓄積される。
【００９１】
酸素濃度検出サンプリング数ｎ≧ｎ＿ｔｒｇの場合は（ステップＵ１３４において、ＹＥＳ）、燃焼排ガス中酸素濃度変動値σｏ＿ｐと燃焼排ガス中の平均酸素濃度ｏｖを算出する（ステップＵ１３８）。燃焼排ガス中酸素濃度変動値σｏ＿ｐは、上記した（式１）によって算出される。
【００９２】
その後、ＣＰＵ６１０は、最も以前に計測した燃焼排ガス中の酸素濃度ｏをクリアして、ｎ＝ｎ−１にする（ステップＵ１４０）。ＣＰＵ６１０は、ステップＵ１３８において算出された酸素濃度変動値σｏ＿ｐと、ステップＵ１２０において算出されたσｏ＿ａとを用いて、補正酸素濃度変動値σｏ＿ｐａを算出する。そして、補正酸素濃度変動値σｏ＿ｐａと平均酸素濃度ｏｖとを用いて、マップ６２２Ａを参照して、補正係数Ｋｏを導出する（ステップＵ１４４）。
【００９３】
ＣＰＵ６１０は、入力された負荷要求ｉ＿ｒｅｑに応じた基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅを、マップ６２３Ａを参照して、導出する（ステップＵ１４６）。最後に、ステップＵ１４４で導出された補正係数Ｋｏと、ステップＵ１４６で導出された基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅとに基づいて、最終燃料流量Ｑｆ_ｆｉｎを算出して（ステップＵ１４８）、本ルーチンを終了する。
【００９４】
電池スタック１００に供給される燃料ガスの流量が、上述のとおりに算出された最終燃料流量Ｑｆ_ｆｉｎになるように、ＣＰＵ６１０は、流量調節弁４０６を調節して、改質燃料タンク４０２から改質器４００に供給される改質燃料の流量を制御する。
【００９５】
以上説明したように、本実施例における燃料電池システム１０００Ａでは、補正酸素濃度変動値σｏ＿ｐａ（燃焼排ガス中酸素濃度変動値σｏ＿ｐから空気中酸素濃度変動値σｏ＿ａを引いた値）に基づいて、補正係数Ｋｏを導出している。すなわち、酸素濃度センサ２０４の経時変化が考慮されるため、酸素濃度センサ２０４の経時変化にかかわらず、燃料電池スタック１００に供給される燃料流量を適切に制御することができる。
【００９６】
また、上述のとおり、本実施例における燃料電池システム１０００Ａは、改質器４００を備え、改質器４００により生成される燃料ガスが燃料電池スタック１００に供給される。燃料ガスには、水素以外に、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、および未反応の改質燃料（メタノール）が含まれ、水素だけでなく、一酸化炭素、メタン、およびメタノールも燃料電池スタック１００における発電に用いられて消費される。そして、燃料電池スタック１００において消費されなかった水素、一酸化炭素、メタン、およびメタノールが燃焼部２００に供給されて、燃焼される。
【００９７】
一酸化炭素、メタン、およびメタノールの燃焼範囲は、水素の燃焼範囲に比べて狭い。そのため、第１の実施例と比較して、燃焼部２００において、燃焼不良が生じる可能性が大きくなる。上述のとおり、改質器４００における改質反応は吸熱反応であるため、燃焼部２００において燃焼不良が生じると、改質反応不良が生じて、発電性能（安定した発電、発電効率）が低下するおそれがある。すなわち、第１の実施例のように、燃料電池スタック１００に供給する燃料ガスとして、水素のみを供給する場合に対して、燃焼部２００における燃焼状態（燃焼不良）が、燃料電池の発電性能（発電の安定性、発電効率）に及ぼす影響が大きい。
【００９８】
そのため、本実施例における燃料電池システム１０００Ａのように、燃焼排ガス中の酸素濃度の変動値に基づいて、改質器４００に供給される改質燃料の流量が制御されると、発電の安定性および発電効率が向上される。すなわち、本発明を、第２の実施例に示すような、改質器から供給されるガスを用いる燃料電池システムに適用すると、第１の実施例に示すような、純水素が供給される燃料電池システムに適用するよりも、顕著な効果を得ることができる。
【００９９】
Ｃ．第３の実施例：
図１１は、本発明の第３の実施例としての燃料電池システム１０００Ｂの構成を概略的に示す説明図である。本実施例の燃料電池システム１０００Ｂが、第２の実施例の燃料電池システム１０００Ａと異なる点は、主に、燃料電池スタック１００の出力電流を計測する電流計１１０を備えると共に、燃料流量の制御において、燃料電池スタック１００における出力電流を考慮する点である。図１１において、第２の実施例における燃料電池システム１０００Ａと同様の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
【０１００】
本実施例において、改質燃料タンク４０２に貯蔵されるメタノールの改質器４００への供給流量は、後述するように、燃焼部２００から排出される燃焼排ガス中の酸素濃度の変動値および燃料電池スタック１００における出力電流に基づいて、制御される。その結果、第２の実施例と同様に、燃料電池スタック１００に供給される燃料流量が制御される。
【０１０１】
図１２は、燃料電池システム１０００Ｂが備える制御部６００ＢのＣＰＵ６１０において実行される燃料流量算出ルーチンの一部を表わすフローチャートである。本ルーチンは、第２の実施例における燃料流量算出ルーチン（図７，８）の図８の工程を図１２の工程に置き換えたものである。そのため、本実施例において、本ルーチンにおける前半の工程(図７)の図示および説明を省略する。本実施例における燃料流量算出ルーチンが、第２の実施例と異なる点は、燃料電池スタック１００における出力電流ｉの変動を考慮して、水素流量（最終燃料流量Ｑｆ＿ｆｉｎ）を算出している点である。以下、燃料電池スタック１００における出力電流ｉの変動を、「出力電流変動値σｉ」と称する。
【０１０２】
図１３は、本実施例における出力電流変動値σｉと補正係数Ｋｉとの関係を示す図である。補正係数Ｋｉは、出力電流変動値σｉが適切な範囲内になるように、燃料電池スタック１００に供給する水素の流量を補正するための係数である。
【０１０３】
図示するように、出力電流変動値σｉが第３の値ｉ１と第４の値ｉ２との間の値である場合は、Ｋｉ＝１．０である。すなわち、燃料電池スタック１００に供給する燃料ガスの流量（基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅ）を補正しない。本実施例において、第３の値ｉ１および第４の値ｉ２は、実験によって予め定められている。
【０１０４】
本実施例において、図１３に示す出力電流変動値σｉと補正係数Ｋｉとの関係を表すマップ６２５がメモリ６２０に予め記憶されている。平均出力電流ｉｖが所定の値よりも大きい場合には実線のグラフ、平均出力電流ｉｖが所定の値よりも小さい場合には破線のグラフを用いて、補正係数Ｋｉが導出される。
【０１０５】
電流計１１０において検出される出力電流ｉが小さい場合には、出力電流ｉの変動（振幅）の計測精度が低下する。そのため、平均出力電流ｉｖが小さい場合に、平均出力電流ｉｖが大きい場合と同様に燃料電池スタック１００に供給する水素流量の増減を行うと、燃料電池スタック１００の誤作動が生じるおそれがある。本実施例において、燃料電池スタック１００に供給する水素流量の補正に伴う誤作動を抑制するために、平均出力電流ｉｖが小さい場合には、平均出力電流ｉｖが大きい場合に比べて、補正係数Ｋｉの値が小さくなるように、マップ６２５が作成されている。なお、本実施例において、例えば、平均出力電流ｉｖが１０Ａ以上の場合には「平均出力電流ｉｖが大きい」、平均出力電流ｉｖが１０Ａ未満の場合には「平均出力電流ｉｖが小さい」としている。
【０１０６】
図１３に示すマップ６２５において、補正係数Ｋｉの値は、出力電流変動値σｉが第４の値ｉ２よりも大きい場合には大きく、出力電流変動値σｉが第３の値ｉ１よりも小さい場合には小さくしている。
【０１０７】
すなわち、出力電流変動値σｉが第４の値ｉ２よりも大きい場合には、負荷要求ｉ＿ｒｅｑに応じた基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅよりも燃料電池スタック１００に供給される燃料ガスの流量を増加させることになる。出力電流変動値σｉが大きい場合は、燃料電池スタック１００において発電不良（例えば、燃料不足によって発電できないセルがある等）が生じていると考えられるため、燃料電池スタック１００に供給される燃料ガスの流量を増加させることにより、燃料電池スタック１００における発電が安定すると考えられる。
【０１０８】
一方、出力電流変動値σｉが第３の値ｉ１よりも小さい場合には、負荷要求ｉ＿ｒｅｑに応じた基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅよりも燃料電池スタック１００に供給される燃料ガスの流量を減少させることになる。出力電流変動値σｉが小さい場合は、燃料電池スタック１００における発電状態が良好（安定）しており、燃料電池スタック１００に過剰に燃料が供給されていると考えられる。そのため、燃料電池スタック１００に供給される水素の流量を減少させることにより、燃料電池スタック１００における発電効率が向上されると考えられる。
【０１０９】
本実施例において、第２の実施例と同様に、図９，１０に示すマップ６２２Ａ，６２３Ａもメモリ６２０に予め記憶されている。
【０１１０】
本ルーチンは、燃料電池システム１０００Ｂが起動されると実行され、例えば、１００ｍｓ毎に繰り返し実行される。燃料電池システム１０００Ｂが起動され、本ルーチンが起動されると、ＣＰＵ６１０は、図７に示すステップＵ１１２〜Ｕ１２４を実行する。
【０１１１】
ＣＰＵ６１０は、ステップＵ１１４において、σｏ＿ａ計算完了フラグがＯＮであると判断すると、ステップＴ１３２（図１２）へ進む。ステップＴ１３２において、ＣＰＵ６１０は、電流計１１０によって燃料電池スタック１００の出力電流ｉを検出するとともに、酸素濃度センサ２０４によって燃焼部２００からの燃焼排ガス中の酸素濃度ｏを検出する。そして、それぞれの検出結果をメモリ６２０に記憶し、ｎ＝ｎ＋１にカウントアップする(ステップＴ１３２)。その後、ＣＰＵ６１０は、酸素濃度検出サンプリング数ｎ≧酸素濃度検出最大サンプリング数ｎ＿ｔｒｇか否か判断する（ステップＴ１３４）。
【０１１２】
本実施例において、酸素濃度検出最大サンプリング数ｎ＿ｔｒｇ=２５０である。酸素濃度検出サンプリング数ｎ＜ｎ＿ｔｒｇの場合は（ステップＴ１３４において、ＮＯ）、本ルーチンを終了する。なお、本実施例において、出力電流ｉの検出は、酸素濃度ｏの検出と同時に行われているため、酸素濃度検出サンプリング数ｎ＝電流検出サンプリング数である。
【０１１３】
すなわち、燃焼排ガス中の酸素濃度ｏのサンプリング数ｎが２５０になるまでは、電流計１１０において検出された出力電流ｉと、酸素濃度センサ２０４において検出された燃焼排ガス中の酸素濃度ｏは、メモリ６２０に蓄積される。
【０１１４】
酸素濃度検出サンプリング数ｎ≧ｎ＿ｔｒｇの場合は（ステップＴ１３４において、ＹＥＳ）、ＣＰＵ６１０は、出力電流変動値σｉと平均出力電流ｉｖを算出する（ステップＴ１３８）。そして、燃焼排ガス中酸素濃度変動値σｏ＿ｐと燃焼排ガス中の平均酸素濃度ｏｖを算出する（ステップＴ１３８）。
【０１１５】
燃焼排ガス中酸素濃度変動値σｏ＿ｐは、上記した（式１）によって算出される。出力電流変動値σｉは、以下の（式２）によって算出される。
【数２】
2010211993.tif 000004
【０１１６】
その後、ＣＰＵ６１０は、最も以前に計測した出力電流ｉと酸素濃度ｏをクリアして、ｎ＝ｎ−１にする（ステップＴ１４０）。ＣＰＵ６１０は、ステップＴ１３６において算出された出力電流変動値σｉと、平均出力電流ｉｖとを用いて、マップ６２５(図１３)を参照して、補正係数Ｋｉを導出する（ステップＴ１４２）。続いて、ＣＰＵ６１０は、第２の実施例と同様に、ステップＴ１３８において算出された酸素濃度変動値σｏ＿ｐと、ステップＴ１２０において算出されたσｏ＿ａとを用いて、補正酸素濃度変動値σｏ＿ｐａを算出する。そして、補正酸素濃度変動値σｏ＿ｐａと平均酸素濃度ｏｖとを用いて、マップ６２２Ａ(図９)を参照して、補正係数Ｋｏを導出する（ステップＴ１４４）。
【０１１７】
ＣＰＵ６１０は、入力された負荷要求ｉ＿ｒｅｑに応じた基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅを、マップ６２３Ａ(図１０)を参照して、導出する（ステップＴ１４６）。最後に、ステップＴ１４２で導出された補正係数Ｋｉと、ステップＴ１４４で導出された補正係数Ｋｏと、ステップＴ１４６で導出された基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅとに基づいて、最終燃料流量Ｑｆ_ｆｉｎを算出して（ステップＴ１４８）、本ルーチンを終了する。
【０１１８】
電池スタック１００に供給される水素の流量が、上述のとおりに算出された最終燃料流量Ｑｆ_ｆｉｎになるように、ＣＰＵ６１０は、流量調節弁４０６を調節して、改質燃料タンク４０２から改質器４００に供給される改質燃料の流量を制御する。
【０１１９】
例えば、燃料電池スタック１００の一部において発電不良が生じると、出力電流ｉの変動が大きくなると考えられる。本実施例における補正係数Ｋｉは、出力電流ｉの変動が適切な範囲内になるように、燃料電池スタック１００に供給する水素の流量を補正するための係数である。
【０１２０】
本実施例における燃料電池システム１０００Ｂでは、燃焼排ガス中の酸素濃度および燃料電池スタック１００の出力電流、それぞれの変動値が所定の範囲内になるように、負荷要求ｉ＿ｒｅｑに応じた燃料流量（基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅ）を補正して、最終燃料流量Ｑｆ＿ｆｉｎを算出している。したがって、改質器４００を備える燃料電池システム１０００Ｂにおいて、発電の安定性および発電効率がさらに向上される。
Ｄ．変形例：
【０１２１】
なお、この発明は上述の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１２２】
（１）上記第１の実施例におけるマップ６２２において、Ｋｏ＝１．０となる酸素濃度変動値σｏの範囲（第１の値ｏ１〜第２の値ｏ２）は、平均酸素濃度ｏｖが大きい場合と、平均酸素濃度ｏｖが小さい場合とで、一致していた。しかしながら、平均酸素濃度ｏｖが大きい場合と、平均酸素濃度ｏｖが小さい場合とで、Ｋｏ＝１．０となる酸素濃度変動値σｏの範囲を変えてもよい。例えば、図１４は、変形例の酸素濃度変動値σｏと補正係数Ｋｏとの関係を示す図である。図１４では、平均酸素濃度ｏｖが小さい場合は、Ｋｏ＝１．０となる酸素濃度変動値σｏの範囲を、平均酸素濃度ｏｖが大きい場合よりも広く設定されている。酸素濃度センサ２０４において検出される酸素濃度ｏが小さい場合には、酸素濃度ｏの変動（振幅）の計測精度が低下する。平均酸素濃度ｏｖが小さい場合に、酸素濃度変動値σｏの適正な範囲（すなわち、Ｋｏ＝１．０となる酸素濃度変動値σｏの範囲）を、広く設定することにより、燃料電池システム１０００の誤作動が生じるおそれを低減することができる。
【０１２３】
同様に、Ｋｉ＝１．０となる出力電流変動値σｉの範囲（第３の値ｉ１〜第４の値ｉ２）は、平均出力電流ｉｖが大きい場合と、平均出力電流ｉｖが小さい場合とで、変えてもよい。出力電圧を用いて制御を行う場合についても同様である。
【０１２４】
（２）上記実施例において、平均酸素濃度ｏｖの大小、平均出力電流ｉｖの大小に応じて、燃料流量の増減割合を変えているが、平均酸素濃度ｏｖの大小、平均出力電流ｉｖの大小に関わらず、燃料流量の増減割合を同じにしてもよい。また、平均酸素濃度ｏｖの大小、平均出力電流ｉｖの大小の判断基準は、上記実施例に限定されない。
【０１２５】
（３）上記実施例において、燃焼部２００による発熱を利用して水道水を温水にするシステムと、燃焼部２００による発熱を利用して改質器４００により水素を生成するシステムとを例示したが、本発明は、上記実施例に限定されず、燃料電池と燃焼部を備える種々の燃料電池システムにおいて適用することができる。
【０１２６】
（４）上記実施例において、燃料電池スタック１００としてＳＯＦＣを用いているが、例えば、固体高分子電解質型燃料電池、水素分離膜型燃料電池等、種々の燃料電池を用いることができる。
【０１２７】
（５）補正係数Ｋｏと酸素濃度変動値σｏとの関係、および補正係数Ｋｉと出力電流変動値σｉとの関係は、上記実施例に図示した関係に限定されない。例えば、上記第１の実施例における図４において、酸素濃度変動値σｏが第２の値ｏ２より大きい場合に、補正係数Ｋｏは直線的に増加しているが、曲線的に増加してもよいし、増減してもよい。基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅに対して、補正係数Ｋｏを用いて補正を施すことにより、酸素濃度変動値σｏが第１の値ｏ１と第２の値ｏ２との間になるような関係であればよい。また、基本燃料流量Ｑｆ＿ｂｓｅに対して、補正係数Ｋｉを用いて補正を施すことにより、出力電流変動値σｉが第３の値ｉ１と第４の値ｉ２との間になるような関係であればよい。
【０１２８】
（６）上記第３の実施例において、燃焼排ガス中酸素濃度変動値σｏ＿ｐと、燃料電池スタックの出力電流変動値σｉとに基づいて、燃料流量を制御する例を示したが、電流計１１０に換えて電圧計を備える構成にして、燃焼排ガス中酸素濃度変動値σｏ＿ｐと、燃料電池スタックの出力電圧の変動値とに基づいて、燃料流量を制御する構成にしてもよい。また、電流計１１０と電圧計を両方備える構成にしてもよい。
【符号の説明】
【０１２９】
１００…燃料電池スタック
１０２…水素タンク
１０４…水素供給路
１０６…流量調節弁
１０８…アノード排ガス路
１１０…電流計
１１４…空気供給路
１１６…エアポンプ
１１８…カソード排ガス路
２００…燃焼部
２０２…燃焼排ガス路
２０４…酸素濃度センサ
２０６…排ガス放出路
３００、３００Ａ…熱交換器
３０２…水道水導入路
３０４…温水放出路
４００…改質器
４０２…改質燃料タンク
４０４…改質燃料供給路
４０６…流量調節弁
４０８…燃料供給路
５００…改質水タンク
５０４…凝縮器
５０６…凝縮水路
５０８…改質水供給路
５１０…改質水ポンプ
６００、６００Ａ、６００Ｂ…制御部
６１０…ＣＰＵ
６２０…メモリ
６２２、６２２Ａ、６２３、６２３Ａ、６２５…マップ
６２４、６２４Ａ…燃料流量制御プログラム
６３０…入出力ポート
１０００、１０００Ａ、１０００Ｂ…燃料電池システム
【図１】
2010211993.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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