(57)【要約】      （修正有）【課題】ポンプにより改質器に水を間欠的に供給する際に生じる水蒸気の圧力変動による問題を解決して安定的にオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）を行うことができる燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池装置は、起動時に、改質器内で部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を行わせ、次に、改質器内でオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）を行わせ、次に、改質器内で水蒸気改質反応（ＳＲ）を行わせる制御手段を有し、水供給手段は、パルス制御により間欠的に極少量の水を改質器に供給するポンプを備え、制御手段は、各センサの出力に基づいて、燃料、改質用空気、水の目標供給量をそれぞれ供給できるように燃料供給手段、改質用空気供給手段及び水供給手段をそれぞれ制御し、制御手段は、さらに、ＡＴＲの領域では、少なくともポンプによる水の供給後の所定期間の間、燃料供給手段による燃料の供給量の変更を抑制する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質器により燃料を改質し、この改質された燃料と空気により燃料電池が発電を行う燃料電池装置であって、
改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
改質器に空気を供給する改質用空気供給手段と、
純水を生成しこの純水を改質器に供給する水供給手段と、
上記燃料供給手段による燃料供給量を検出する燃料供給量検出センサと、
上記改質用空気供給手段による空気供給量を検出する空気供給量検出センサと、
上記水供給手段による水供給量を検出する水供給量検出センサと、  
起動時に、燃料及び空気を供給して改質器内で部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を行わせ、次に、燃料、空気、水を供給して改質器内でオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）を行わせ、次に、燃料及び水を供給して改質器内で水蒸気改質反応（ＳＲ）を行わせ、さらに、上記燃料供給手段による燃料供給量、改質用空気供給手段による空気供給量、及び、水供給手段による水供給量を制御する制御手段と、を有し、
上記水供給手段は、パルス制御により間欠的に極少量の水を改質器に供給するポンプを備え、
上記制御手段は、上記燃料供給量検出センサ、空気供給量検出センサ及び水供給量検出センサのそれぞれの出力に基づいて、目標燃料供給量、目標空気供給量及び水の目標供給量をそれぞれ供給できるように上記燃料供給手段、改質用空気供給手段及び水供給手段をそれぞれ制御し、
上記制御手段は、さらに、上記ＡＴＲの領域では、少なくとも上記ポンプによる水の供給後の所定期間の間、上記燃料供給手段による燃料の供給量の変更を抑制することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
上記制御手段は、上記ポンプによる水の供給後の所定期間の間、上記燃料供給手段による燃料の供給を規制する請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
上記制御手段は、上記ＡＴＲの領域では、上記燃料供給手段の制御ゲインを、上記ＰＯＸの領域及び上記ＳＲの領域よりも、低下させる請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
上記制御手段は、上記ＡＴＲの領域では、上記改質用空気供給手段による空気の供給量、及び、水供給手段による水の供給量を、それぞれ変更せずに一定量にした請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
上記ＡＴＲの領域は、水の供給量が少ないオートサーマル改質反応１（ＡＴＲ１）の領域と、このＡＴＲ１の後に運転され、ＡＴＲ１より水の供給量が多いオートサーマル改質反応２（ＡＴＲ２）の領域を有し、
上記制御手段は、ＰＯＸからＡＴＲ１への移行時、及び、ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時に、少なくとも水の目標供給量を変更するものであって、ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時はＰＯＸからＡＴＲ１の移行時よりも水の目標供給量への単位時間当たりの変更量を小さくした請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
上記制御手段は、ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時、及び、ＡＴＲ２からＳＲへの移行時に、ぞれぞれ、燃料、空気、及び、水のそれぞれの目標供給量を変更すると共に、ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時及びＡＴＲ２からＳＲへの移行時に、それぞれ、燃料、空気、水の目標供給量への単位時間当たりの変更量を小さくし、且つ、それらの目標供給量への単位時間当たりの変更量を、ＡＴＲ１からＡＴＲ２の移行時の方が、ＡＴＲ２からＳＲへの移行時よりも小さくなるようにした請求項５に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
上記ＡＴＲの領域は、水の供給量が少ないオートサーマル改質反応１（ＡＴＲ１）の領域と、このＡＴＲ１の後に運転され、水の供給量がＡＴＲ１より多いオートサーマル改質反応２（ＡＴＲ
２）の領域を有し、
上記制御手段は、ＡＴＲ１の領域及びＡＴＲ２の領域での燃料供給手段の制御ゲインを、上記ＰＯＸの領域又はＳＲの領域よりも低下させ、さらに、ＡＴＲ２領域での燃料供給手段の制御ゲインの低下量をＡＴＲ１の領域の制御ゲインの低下量よりも小さくした請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
上記制御手段は、上記ＡＴＲの領域及び上記ＳＲの領域での燃料供給手段の制御ゲインを、上記ＰＯＸの領域よりも低下させるとともに、前記ＳＲの領域における燃料供給手段の制御ゲインの低下量をＡＴＲ領域の制御ゲインの低下量よりも小さくした請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
上記制御手段は、上記ＡＴＲの領域では、上記改質用空気供給手段の制御のゲインを上記ＰＯＸの領域よりも低下させる請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項１０】
上記制御手段は、上記ＡＴＲの領域では、上記燃料供給手段の制御ゲインの低下量を上記改質用空気供給手段の制御ゲインの低下量よりも大きくする請求項９に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に係わり、特に、改質器により燃料を改質し、この改質された燃料と空気により燃料電池が発電を行う燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、燃料（水素ガス）と空気とを用いて発電して電力を得ることができる燃料電池と、この燃料電池を稼働するための補機類とを備えた燃料電池装置が種々提案されている。
【０００３】
燃料電池の発電に必要な燃料（水素ガス）の生成方法の一つとして水蒸気改質法が知られており、例えば、特許文献１には、水蒸気改質を行うために、改質器に水（純水）を供給するための水供給手段として、貯水タンクに貯留された水を水供給管を介して水ポンプにより改質器へ供給するようにしたものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−５３２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、詳細は後述するが、燃料電池装置の起動時には、先ず、改質器内に燃料と改質用空気を供給され、着火により、燃料が改質用空気により燃焼する部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が行われ、次に、改質器内に、燃料、改質用空気、及び、水（純水）が供給され、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と後述する水蒸気改質反応（ＳＲ）とが併用されたオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）が進行し、その後、改質器内に燃料ガスと水（純水）が供給され、水蒸気改質反応（ＳＲ）が行われる。
【０００６】
燃料電池装置においては、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）及び水蒸気改質反応（ＳＲ）を行う際、改質器に水（純水）を供給する必要があるが、特に、水の供給量が非常に少ないＡＴＲの領域においては、毎分数ミリリットルという非常に微量な水を連続的に供給する必要がある。このような極微量な水を正確に安定的に供給するためには特殊なポンプを使用しなければならない。
【０００７】
しかしながら、このような極微量な水を連続的に供給することができる特殊なポンプは、燃料電池装置のような比較的高温の環境下では使用が難しく、さらに、構造が複雑で値段も高価であることから、実際上の適用は困難な状況となっている。
【０００８】
そこで、本発明者らは、鋭意研究を行うことにより、この極少量の水を供給するために、パルスポンプを用いて、パルス制御により間欠的に水を噴射して供給することを見出した。この方法によって、水の供給を間欠的にしたため、高温環境下でも使用でき、また構造が簡単で安価なポンプの使用が可能となり、更に、制御も簡易なパルス制御が可能となったものである。
【０００９】
ところが、ＡＴＲ領域において、水蒸気改質を行うためには、水を蒸発させる必要があるが、この水が気化する際に体積の増大によって改質器内の圧力が上がってしまう。そのため、水の供給が間欠的（断続的）で且つ少量であるため、水の供給時に短時間で水が蒸発して圧力が上昇し、その後すぐに反対に圧力がさがるという圧力変動が生じてしまう。このため、改質器内の圧力の上昇時には燃料ガスが改質器内に供給され難くなるために、圧力上昇時に燃料の供給量が目標値よりも少なくなる状態を燃料供給量検出センサが検出し、その直後に、燃料が不足していると判断して燃料を追加供給する増量制御が行われる。しかし、実際には圧力が次の瞬間に低下するために燃料は供給されやすい状態になってしまうので、上述した不足分の燃料増加が本来必要ないにもかかわらず供給されてしまい、結果的に、燃料ガスの過剰供給になってしまうという問題が発生した。このように、パルスポンプを用いて、パルス制御により間欠的に水を噴射して供給する場合には、ＡＴＲ領域において、安定した燃料ガスの供給及び安定したオートサーマル改質反応が行えないという問題がある。
【００１０】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、ポンプにより改質器に水を間欠的に供給する際に生じる水蒸気の圧力変動による問題を解決して安定的にオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）を行うことができる燃料電池装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明は、改質器により燃料を改質し、この改質された燃料と空気により燃料電池が発電を行う燃料電池装置であって、改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、改質器に空気を供給する改質用空気供給手段と、純水を生成しこの純水を改質器に供給する水供給手段と、燃料供給手段による燃料供給量を検出する燃料供給量検出センサと、改質用空気供給手段による空気供給量を検出する空気供給量検出センサと、水供給手段による水供給量を検出する水供給量検出センサと、起動時に、燃料及び空気を供給して改質器内で部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を行わせ、次に、燃料、空気、水を供給して改質器内でオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）を行わせ、次に、燃料及び水を供給して改質器内で水蒸気改質反応（ＳＲ）を行わせ、さらに、燃料供給手段による燃料供給量、改質用空気供給手段による空気供給量、及び、水供給手段による水供給量を制御する制御手段と、を有し、水供給手段は、パルス制御により間欠的に極少量の水を改質器に供給するポンプを備え、制御手段は、燃料供給量検出センサ、空気供給量検出センサ及び水供給量検出センサのそれぞれの出力に基づいて、目標燃料供給量、目標空気供給量及び水の目標供給量をそれぞれ供給できるように燃料供給手段、改質用空気供給手段及び水供給手段をそれぞれ制御し、制御手段は、さらに、ＡＴＲの領域では、少なくともポンプによる水の供給後の所定期間の間、燃料供給手段による燃料の供給量の変更を抑制することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、先ず、ポンプを使用してパルス制御により間欠的に水を改質器に供給するようにしているので、高温環境下でも使用でき、また構造が簡単で安価なポンプの採用が可能となり、更に制御も簡易なパルス制御が可能となる。また、ＡＴＲの領域では、少なくともポンプによる水の供給後の所定期間の間、燃料供給手段による燃料の供給量の変更を抑制するようにしたので、上述した水の供給の直後に生じる燃料の過剰供給を防止することができ、その結果、構造が簡単で安価なポンプによる間欠制御であっても、ＡＴＲの領域において、安定した燃料供給、及び安定したオートサーマル改質反応が可能となる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、制御手段は、ポンプによる水の供給後の所定期間の間、燃料供給手段による燃料の供給を規制する。
このように構成された本発明においては、ポンプによる水の供給後の所定期間の間、燃料供給手段による燃料の供給が規制されるようにしたので、間欠的に水を改質器内に供給することにより生じる圧力変動に追従して燃料が過剰に供給されることを確実に防止できる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、制御手段は、ＡＴＲの領域では、燃料供給手段の制御ゲインを、ＰＯＸの領域及びＳＲの領域よりも、低下させる。
このように構成された本発明においては、ＡＴＲの領域で、燃料供給手段の制御ゲインを起動時の他の領域に比べ最も低下させたので、極微量な水の供給が必要なＡＴＲの領域であっても間欠的に水を改質器内に供給することにより生じる圧力変動に起因した燃料の過剰供給や制御ハンチングを確実に防止することができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、ＡＴＲの領域では、改質用空気供給手段による空気の供給量、及び、水供給手段による水の供給量を、それぞれ変更せずに一定量にした。
上述した燃料供給手段の制御ゲインを低下させたことにより、燃料供給量検出センサに基づいて燃料供給量を正確な状態に維持する制御能力が低下し、その結果制御遅れに起因した制御不良になることが考えられる。本発明においては、ＡＴＲの領域で、燃料供給量の制御に影響を与える空気の供給量及び水の供給量をそれぞれ変更せずに一定量に保持させて、燃料供給量の変更が積極的に生じないようにして、燃料供給手段の制御ゲインを低下させたことによる上述した制御不良の発生を確実に防止することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、ＡＴＲの領域は、水の供給量が少ないオートサーマル改質反応１（ＡＴＲ１）の領域と、このＡＴＲ１の後に運転され、ＡＴＲ１より水の供給量が多いオートサーマル改質反応２（ＡＴＲ２）の領域を有し、制御手段は、ＰＯＸからＡＴＲ１への移行時、及び、ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時に、少なくとも水の目標供給量を変更するものであって、ＰＯＸからＡＴＲ１への移行時はＡＴＲ１からＡＴＲ２の移行時よりも水の目標供給量への単位時間当たりの変更量を小さくした。
本発明においては、ＡＴＲの領域で燃料供給手段の制御ゲインを低下させたことにより、特に水の少ないＡＴＲ１では変動が大きくなるためＰＯＸからＡＴＲ１への移行時の目標燃料供給量の変更の際に燃料供給の追従遅れが発生して過剰な燃料な供給が行われる恐れがあるが、ＰＯＸからＡＴＲ１への水の目標供給量への単位時間当たりの変更量（目標値変更ゲイン）を小さくしたので、燃料供給手段の制御ゲインの低下に伴う目標燃料供給量への追従遅れを確実に防止することができ、制御を安定させることができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、制御手段は、ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時、及び、ＡＴＲ２からＳＲへの移行時に、ぞれぞれ、燃料、空気、及び、水のそれぞれの目標供給量を変更すると共に、ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時及びＡＴＲ２からＳＲへの移行時に、それぞれ、燃料、空気、水の目標供給量への単位時間当たりの変更量を小さくし、且つ、それらの目標供給量への単位時間当たりの変更量を、ＡＴＲ１からＡＴＲ２の移行時の方が、ＡＴＲ２からＳＲへの移行時よりも小さくなるようにした。
ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時よりもＡＴＲ２からＳＲへの移行時の方が、水が多く供給され、それにより、水が供給される間欠タイミングが密となり、改質器内の圧力変動が緩和されて圧力が高い状態で安定してくるので、圧力変動に伴う燃料の過剰供給の問題も緩和することができる。このため、本発明においては、燃料供給手段の制御ゲインの低下させると共に、目標供給量への単位時間当たりの変更量（目標値変更ゲイン）を、ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時の方が、ＡＴＲ２からりＳＲへの移行時の方よりも小さくするようにしたので、圧力変動に伴って発生する燃料の過剰供給やハンチング発生の問題と、目標燃料供給量に対する追従遅れの問題を高いレベルで上手にバランスさせて解決することが可能となる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、ＡＴＲの領域は、水の供給量が少ないオートサーマル改質反応１（ＡＴＲ１）の領域と、このＡＴＲ１の後に運転され、水の供給量がＡＴＲ１より多いオートサーマル改質反応２（ＡＴＲ２）の領域を有し、制御手段は、ＡＴＲ１の領域及びＡＴＲ２の領域での燃料供給手段の制御ゲインを、上記ＰＯＸの領域又はＳＲの領域よりも低下させ、さらに、ＡＴＲ２領域での燃料供給手段の制御ゲインの低下量をＡＴＲ１の領域の制御ゲインの低下量よりも小さくした。
ＡＴＲ２の領域の方がＡＴＲ１の領域よりも水が多く供給され、それにより、水が供給される間欠タイミングが密となり、圧力が高い状態で安定してくるので、圧力変動に伴う燃料の過剰供給も緩和することができる。このため、本発明においては、ＡＴＲ２領域での燃料供給手段の制御ゲイン低下量を、ＡＴＲ１の領域のそれよりも小さくすることにより、燃料の過剰供給の抑制と目標燃料値への追従性能の低下を抑制して追従遅れの緩和を同時に図ることができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、制御手段は、ＡＴＲの領域及びＳＲの領域での燃料供給手段の制御ゲインを、ＰＯＸの領域よりも低下させるとともに、ＳＲの領域における燃料供給手段の制御ゲインの低下量をＡＴＲ領域の制御ゲインの低下量よりも小さくした。
ＳＲ領域の方がＡＴＲ領域よりも水が多く供給され、それにより、水が供給される間欠タイミングが密となり、圧力が高い状態で安定してくるので、圧力変動に起因した燃料の過剰供給も緩和することができる。このため、本発明においては、ＳＲ領域における燃料供給手段の制御ゲインの低下量を、ＡＴＲ領域の制御ゲインの低下量をより小さくすることにより、圧力変動に伴う燃料の過剰供給の抑制を図ると同時に、目標燃料供給量への追従遅れの緩和という相反する課題を高いレベルで両立することができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、制御手段は、ＡＴＲの領域では、改質用空気供給手段の制御のゲインをＰＯＸの領域よりも低下させる。
このように構成された本発明においては、ＡＴＲの領域で、燃料供給手段の制御ゲインと同様に、改質用空気供給手段の制御ゲインを低下させたので、間欠的に水を改質器内に供給することにより生じる圧力変動に起因した空気の過剰供給を防止することができる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、制御手段は、ＡＴＲの領域では、燃料供給手段の制御ゲインの低下量を改質用空気供給手段の制御ゲインの低下量よりも大きくする。
このように構成された本発明においては、間欠的な水供給に伴って発生する改質起内の圧力変動によって、燃料の供給量とともに改質器内に供給される改質用空気の供給量も変動してしまう。このため、本発明においては、改質器用空気供給手段の制御ゲインも低下させたため、過剰空気の供給、及び、制御ゲインハンチングの発生を一層確実に防止できる。また、改質器用空気の供給量は燃料の供給量と比べて非常に多いので、水が蒸発することにより生じる圧力変動の影響を、改質空気の方が燃料よりも受け難い。このため、本発明においては、改質器用空気供給手段の制御ゲインの低下量を燃料供給手段の制御ゲインの低下量よりも小さくしているので、無用に目標改質用空気供給量に対して追従遅れが発生することを確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の燃料電池装置によれば、ポンプにより改質器に水を間欠的に供給する際に生じる水蒸気の圧力変動による問題を解決して安定的にオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿って断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の実施形態の変形例による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の一実施形態による燃料電池装置の水供給装置を示す概略図である。
【図１０】本発明の一実施形態による燃料電池装置における燃料、水、及び改質用空気の供給量を制御するための制御内容を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の一実施形態によるＡＴＲの領域における改質器内の状態等を示すタイムチャートである。
【図１２】本発明の他の実施形態による燃料電池装置における燃料、水、及び改質用空気の供給量を制御するための制御内容を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」又は「燃料電池装置」と言う。）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣを示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣ１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００２４】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材（図示せず但し断熱材は必須の構成ではなく、なくても良いものである。）を介して密封空間８が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４（図５参照）を備え、この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（図４参照）から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。
【００２５】
燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器２０が配置され、上述した残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器２２が配置されている。
【００２６】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４（モータで駆動される「空気ブロア」等）及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００２７】
次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００２８】
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のIII-III線に沿って断面図である。
図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２のハウジング６内の密閉空間８には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体１２、改質器２０、空気用熱交換器２２が配置されている。
【００２９】
改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂを形成され、改質部２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
【００３０】
この改質器２０の下流端側には、燃料ガス供給管６４が接続され、この燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。
【００３１】
このマニホールド６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１６内に供給される。
【００３２】
次に、改質器２０の上方には、空気用熱交換器２２が設けられている。この空気用熱交換器２２は、上流側に空気集約室７０、下流側に２つの空気分配室７２を備え、これらの空気集約室７０と空気分配室７２は、６個の空気流路管７４により接続されている。ここで、図３に示すように、３個の空気流路管７４が一組（７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅ，７４ｆ）となっており、空気集約室７０内の空気が各組の空気流路管７４からそれぞれの空気分配室７２へ流入する。
【００３３】
空気用熱交換器２２の６個の空気流路管７４内を流れる空気は、燃焼室１８で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室７２のそれぞれには、空気導入管７６が接続され、この空気導入管７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１０の下方空間に連通し、発電室１０に余熱された空気を導入する。
【００３４】
次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図３に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０が形成され、この排気ガス通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。
図２に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。
【００３５】
次に図４により燃料電池セルユニット１６について説明する。図４は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図４に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【００３６】
燃料電池セル１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。
【００３７】
内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【００３８】
電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００３９】
外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【００４０】
次に図５により燃料電池セルスタック１４について説明する。図５は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図５に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板６８及び上支持板１００により支持されている。これらの下支持板６８及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴６８ａ及び１００ａがそれぞれ形成されている。
【００４１】
さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と電気的に接続される燃料極用接続部１０２ａと、空気極である外側電極層９２の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとにより一体的に形成されている。空気極用接続部１０２ｂは、外側電極層９２の表面を上下方向に延びる鉛直部１０２ｃと、この鉛直部１０２ｃから外側電極層９２の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部１０２ｄとから形成されている。また、燃料極用接続部１０２ａは、空気極用接続部１０２ｂの鉛直部１０２ｃから燃料電池セルユニット１６の上下方向に位置する内側電極端子８６に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。
【００４２】
さらに、燃料電池セルスタック１４の端（図５では左端の奥側及び手前側）に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４（図示せず）に接続され、上述したように、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。
【００４３】
次に図６により本実施形態によるＳＯＦＣに取り付けられたセンサ類等について説明する。図６は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣを示すブロック図である。
図６に示すように、燃料電池装置１は、制御部１１０を備え、この制御部１１０には、使用者が操作するための「ＯＮ」や「ＯＦＦ」等の操作ボタンを備えた操作装置１１２、発電出力値（ワット数）等の種々のデータを表示するための表示装置１１４、及び、異常状態のとき等に警報（ワーニング）を発する報知装置１１６が接続されている。なお、この報知装置１１６は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。
【００４４】
次に、制御部１１０には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ１２０は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４に取り付けられている。
ＣＯ検出センサ１２２は、本来排気ガス通路８０等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４を覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ１２４は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
【００４５】
電力状態検出センサ１２６は、インバータ５４及び分電盤（図示せず）の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ１２８は、発電室１０に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ１３０は、改質器２０に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ１３２は、改質器２０に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
【００４６】
水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水（水蒸気）の流量を検出するためのものである。
水位センサ１３６は、純水タンク２６の水位を検出するためのものである。
圧力センサ１３８は、改質器２０の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ１４０は、温水製造装置５０に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
【００４７】
発電室温度センサ１４２は、図３に示すように、燃料電池セル集合体１２の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック１４の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック１４（即ち燃料電池セル８４自体）の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ１４４は、燃焼室１８の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ１４６は、排気ガス室７８の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ１４８は、改質器２０の温度を検出するためのものであり、改質器２０の入口温度と出口温度から改質器２０の温度を算出する。
外気温度センサ１５０は、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
【００４８】
これらのセンサ類からの信号は、制御部１１０に送られ、制御部１１０は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８、改質用空気流量調整ユニット４４、発電用空気流量調整ユニット４５に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。
また、制御ユニット１１０は、インバータ５４に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。
【００４９】
次に図７により本実施形態によるＳＯＦＣによる起動時の動作を説明する。図７は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣの起動時の動作を示すタイムチャートである。
先ず、本実施形態によるＳＯＦＣによる起動時の概要を説明する。ＳＯＦＣは、起動時において、燃料ガスを着火する燃焼運転、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）、水蒸気改質反応（ＳＲ）を経て、発電運転に以降する。
【００５０】
ここで、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）の領域においては、改質器２０に燃料ガスと改質用空気が供給され、改質器２０において、式（１）に示す部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。この部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。
【００５１】
ＣmＨn＋ｘＯ2  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2                （１）
【００５２】
次に、オートサーマル改質反応ＡＴＲは、上述した部分酸化改質反応ＰＯＸと後述する水蒸気改質反応ＳＲとが併用された領域であり、水の供給量が少ないオートサーマル改質反応ＡＴＲ１と、このＡＴＲ１の後に運転され、ＡＴＲ１より水の供給量が多いオートサーマル改質反応ＡＴＲ２とを有する。これらのＡＴＲ１とＡＴＲ２の領域では、改質器２０に、燃料ガス、改質用空気、及び、水が供給され、改質器２０において、式（２）に示すオートサーマル改質反応ＡＴＲ（ＡＴＲ１，ＡＴＲ２）が進行する。このオートサーマル改質反応ＡＴＲは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器２０内では熱的に自立した状態で反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2      （２）
【００５３】
次に、水蒸気改質反応ＳＲは、燃料ガス及び水の供給量が多い水蒸気改質反応ＳＲ１と、このＳＲ１の後に運転され、Ｓ１より燃料ガス及び水の供給量が少ない水蒸気改質反応ＳＲ２とを有する。これらのＳＲ１とＳＲ２の領域では、改質器２０に、燃料ガスと水が供給され（改質用空気の供給は停止される）、改質器２０において、式（３）に示す水蒸気改質反応ＳＲ（ＳＲ１，ＳＲ２）が進行する。この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼室１８からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2             （３）
【００５４】
次に、図７により、上述した燃焼運転、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）、水蒸気改質反応（ＳＲ）の各領域における、燃料ガス、改質用空気、水の供給について、詳細に説明する。
図７の時刻ｔ０において、固体電解質型燃料電池１を起動すると、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気供給手段である発電用空気流量調整ユニット４５により、改質用空気及び発電用空気を燃料電池モジュール２に供給する。なお、本実施形態においては、時刻ｔ０において供給が開始される改質用空気の供給量は１０Ｌ／ｍｉｎ、発電用空気の供給量は１００Ｌ／ｍｉｎである。
【００５５】
次に、時刻ｔ１において、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８により、改質器２０への燃料ガスの供給を開始する。各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれた燃料及び改質用空気は、各燃料電池セルユニット１６の上端から夫々流出する。なお、本実施形態においては、時刻ｔ１において供給が開始される燃料ガスの供給量は６Ｌ／ｍｉｎに設定されている。
【００５６】
さらに、時刻ｔ２において、点火装置８３により、燃料電池セルユニット１６から流出した燃料が着火される。これにより、燃焼室１８内で燃料が燃焼され、その上方に配置された改質器２０が加熱されると共に、燃焼室１８、発電室１０、及びその中に配置された燃料電池セルスタック１４の温度も上昇する（図７の時刻ｔ２〜ｔ３）。改質器２０が加熱されることにより、改質器２０の温度が３００゜Ｃ程度まで上昇すると、改質器２０内においては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が発生する（図７の時刻ｔ３）。部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質器２０は、部分酸化改質反応の発生により、その反応熱によっても加熱されるようになる。
【００５７】
さらに温度が上昇し、改質器２０の温度が３５０゜Ｃに達すると、燃料供給量を減少させると共に、改質用空気供給量を増加させる（図７の時刻ｔ４）。これにより、燃料供給量は５Ｌ／ｍｉｎに変更され、改質用空気供給量は１８Ｌ／ｍｉｎに変更される（ＰＯＸ１領域）。これらの供給量は、部分酸化改質反応を発生させるために適正な供給量である。即ち、部分酸化改質反応が発生し始める初期の温度領域においては、供給する燃料を多くすることにより、燃料に確実に着火される状態を形成すると共に、その供給量を維持して着火を安定させる（ＰＯＸ１領域）。さらに、安定して着火され、温度が上昇した後には、部分酸化改質反応を生成するために必要にして十分な燃料供給量として、燃料の浪費を抑えている（ＰＯＸ２領域）。
【００５８】
次に、図７の時刻ｔ５において、改質器２０の温度が６００゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が２５０゜Ｃ以上になると、改質用空気供給量を減少させると共に、水供給手段である水流量調整ユニット２８により、水の供給を開始させる。これにより、改質用空気供給量は８Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は２ｃｃ／ｍｉｎにされる（ＡＴＲ１領域）。改質器２０内に水（水蒸気）が導入されることにより、改質器２０内で水蒸気改質反応も発生するようになる。即ちＡＴＲ１領域態においては、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在したオートサーマル改質（ＡＴＲ）が発生するようになる。
【００５９】
さらに、図７の時刻ｔ６において、改質器２０の温度が６００゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が４００゜Ｃ以上になると、燃料供給量を減少させる。また、改質用空気供給量を減少させると共に、水の供給量を増加させる。これにより、燃料供給量は４Ｌ／ｍｉｎに変更され、改質用空気供給量は４Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は３ｃｃ／ｍｉｎにされる（ＡＴＲ２領域）。改質用空気供給量が減少され、水供給量が増加されることにより、改質器２０内においては、部分酸化改質反応の割合が減少し、水蒸気改質反応の割合が増加する。
【００６０】
次に、図７の時刻ｔ７において、改質器２０の温度が６５０゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が６００゜Ｃ以上になると、改質用空気の供給を停止する。また、燃料供給量を減少させると共に、水の供給量を増加させる。これにより、燃料供給量は３Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は８ｃｃ／ｍｉｎに変更される（ＳＲ１領域）。改質用空気の供給が停止されることにより、改質器２０内においては、部分酸化改質反応は発生しなくなり、水蒸気改質反応（ＳＲ）のみとなる。
【００６１】
さらに、図７の時刻ｔ８において、改質器２０の温度が６５０゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が７００゜Ｃ以上になると、燃料供給量を減少させると共に、水の供給量も減少させる。また、発電用空気の供給量も減少させる。これにより、燃料供給量は発電待機燃料供給量である２．３Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は６．３ｃｃ／ｍｉｎに変更され、発電用空気供給量は８０Ｌ／ｍｉｎに変更される（ＳＲ２領域）。
【００６２】
この後、燃料電池モジュール２からインバータ５４に電力を出力させ、発電を開始する（図７の時刻ｔ９）。発電開始後の燃料供給量、発電用空気供給量、及び水供給量は、要求電力に応じて決定され、供給される。
【００６３】
次に、図８により、本実施形態の変形例によるＳＯＦＣによる起動時の動作を説明する。図８は、本発明の実施形態の変形例によるＳＯＦＣの起動時の動作を示すタイムチャートである。
この図８に示すように、この本実施形態の変形例においては、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）は、ＡＲＴ１とＡＴＲ２と言う２つの領域を有さず、このＡＴＲ領域において、発電用空気、燃料、水、改質用空気のぞれぞれの供給量が変化せず一定量が改質器２０に供給されるようになっている。
また、水蒸気改質反応（ＳＲ）も、ＳＲ１とＳＲ２と言う２つの領域を有さず、このＳＲ領域において、発電用空気、燃料、水のぞれぞれの供給量が変化せず一定量が改質器２０に供給されるようになっている。
【００６４】
次に、図９により、本実施形態による水供給装置（水流量調整ユニット２８）について詳細に説明する。図８は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣの水供給装置を示す概略図である。
図９に示すように、水供給装置（水流量調整ユニット２８）は、水道水を一時的に貯蔵する水タンク１５２と、水を供給するポンプ１５４と、この供給された水を浄化して純水を生成するためのＲＯ膜（逆浸透膜）１５６と、生成された純水を一時的に貯蔵する純水タンク２６と、この純水を燃料電池モジュール２の改質器２０にパルス制御により間欠的に供給するパルスポンプ１６０とを備えている。また、水及び純水が凍結するのを防止するための、熱交換器１６２やヒーター１６４も備えている。
【００６５】
次に、図１０により、本実施形態による、ＰＯＸ領域、ＡＴＲ（ＡＴＲ１，ＡＴＲ２）領域、ＳＲ（ＳＲ１，ＳＲ２）領域、及び、発電領域における、燃料、水、及び改質用空気の供給量の制御内容を説明する。図１０は、本発明の一実施形態による燃料電池装置における燃料、水、及び改質用空気の供給量を制御するための制御内容を示すフローチャートである。図１０において、Ｓは各ステップを示している。
【００６６】
先ず、燃料電池装置の起動時に、Ｓ１において、ＰＯＸ領域か否かを判定する。上述したように、改質器２０の温度が３００℃以上であれば、ＰＯＸ領域であると判定する。ＰＯＸ領域であれば、Ｓ２に進み、ＰＯＸ領域における制御ゲインを設定する。燃料については、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８の制御ゲインτａを基準の制御ゲインτａ１と同じ値に設定する（τａ＝τａ１）。改質用空気ついては、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４の制御ゲインτｂを基準の制御ゲインτｂ１と同じ値に設定する（τｂ＝τｂ１）。なお、ＰＯＸ領域では改質器２０に水は供給されない。なお、制御ゲインを変更しているが、制御の補正量そのものは変更せず従前の値そのもの引き継いでいるものであり、制御ゲインの低下によって変動を抑制して滑らかに出力が変化するように構成されているものである。
【００６７】
次に、Ｓ２において、ＰＯＸ領域でないと判定されたときは、Ｓ３に進み、ＡＴＲ領域か否かを判定する。上述したように、改質器２０の温度が６００℃以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度（＝発電室温度）が２５０℃以上であれば、ＡＴＲ領域であると判定し、Ｓ４に進む。Ｓ４において、改質器２０の温度が６００℃以上で、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度（＝発電室温度）が２５０℃以上４００℃以下であれば、ＡＴＲ１領域であるので、Ｓ５に進む。
【００６８】
Ｓ５において、ＡＴＲ１領域における制御ゲインを設定する。即ち、燃料については、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８の制御ゲインτａを基準の制御ゲインτａ１よりも低下させた小さな値に設定する（τａ＝τａ１×０．６）。改質用空気ついても、同様に、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４の制御ゲインτｂを基準の制御ゲインτｂ１よりも低下させた小さな値に設定する（τｂ＝τｂ１×０．９）。さらに、水についても、同様に、水供給手段である水流量調整ユニット２８の制御ゲインτｃを基準の制御ゲインτｃ１よりも低下させた小さな値に設定する（τｃ＝τｃ１×０．８）。このように、ＡＴＲ１領域では、水供給に伴う圧力変動の要因に基づく過剰燃料の供給等の影響を抑えるように燃料の制御ゲインが低下され、それと対応できるように燃料の制御ゲイン以外のゲインも低下されており、最も影響の大きい燃料の制御ゲインτａの低下量が改質空気及び水の制御ゲインの低下量よりも大きくなるように設定されている。
【００６９】
次に、Ｓ４において、ＡＴＲ１領域であるか否かを判定する。改質器２０の温度が６００℃以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度（＝発電室温度）が４００℃以上であれば、ＡＴＲ１領域ではなくＡＴＲ２領域であるので、Ｓ６に進む。
【００７０】
Ｓ６において、ＡＴＲ２領域における制御ゲインを設定する。即ち、燃料については、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８の制御ゲインτａを基準の制御ゲインτａ１よりも低下させた小さな値に設定する（τａ＝τａ１×０．７）。改質用空気ついても、同様に、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４の制御ゲインτｂを基準の制御ゲインτｂ１よりも低下させた小さな値に設定する（τｂ＝τｂ１×０．９）。さらに、水についても、同様に、水供給手段である水流量調整ユニット２８の制御ゲインτｃを基準の制御ゲインτｃ１よりも低下させた小さな値に設定する（τｃ＝τｃ１×０．９）。このように、ＡＴＲ２領域では、燃料の制御ゲインの低下量が改質空気及び水の制御ゲインの低下量よりも大きく設定されている。また、ＡＴＲ２領域の燃料の制御ゲイン及び水ゲインの低下量をＡＴＲ１領域の燃料の制御ゲインの低下量よりも緩和するように小さくしている。これは水の供給量の増加とともに圧力変動の要因が緩和されることに対応させたものである。
【００７１】
次に、Ｓ３において、ＡＴＲ領域ではないと判定されたときには、Ｓ７に進み、ＳＲ領域であるか否かを判定する。上述したように、改質器２０の温度が６５０℃以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度（＝発電室温度）が６００℃以上の場合には、ＳＲ領域であるので、Ｓ８に進み、ＳＲ１とＳＲ２の領域の制御ゲインを設定する。燃料については、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８の制御ゲインτａを基準の制御ゲインτａ１よりも低下させた小さな値に設定する（τａ＝τａ１×０．９）。水については、水供給手段である水流量調整ユニット２８の制御ゲインτｃを基準の制御ゲインτｃ１と同じ値に設定する（τｃ＝τｃ１）。なお、ＳＲ１及びＳＲ２の領域においては、改質用空気は供給しない。
【００７２】
次に、Ｓ７において、ＳＲ領域ではないと判定された場合には、発電運転領域であるので、Ｓ９に進む。Ｓ９においては、燃料については、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８の制御ゲインτａを基準の制御ゲインτａ１と同じ値に設定する（τａ＝τａ１）。水についても、同様に、水供給手段である水流量調整ユニット２８の制御ゲインτｃを基準の制御ゲインτｃ１と同じ値に設定する（τｃ＝τｃ１）。
【００７３】
次に、Ｓ１１に進み、燃料流量調整ユニット３８、改質用空気流量調整ユニット４４、及び、水流量調整ユニット２８を、それぞれ、設定した制御ゲインで、燃料、改質用空気、及び、水を、改質器２０に供給する。
【００７４】
次に、再び、図７を参照して、本実施形態によるＰＯＸ領域からＡＴＲ領域への移行時、ＡＴＲ領域からＳＲ領域への移行時等における、燃料、改質用空気、及び、水の供給量（目標供給量）の変更量について説明する。
【００７５】
先ず、燃料の供給量（目標供給量）は、ＡＲＴ１からＡＴＲ２への移行時（図７の時刻ｔ６）、及び、ＡＴＲ２からＳＲ１への移行時（図７の時刻ｔ７）において、それぞれ、目標供給量まで低減されるように変更される。ＡＲＴ１からＡＴＲ２への移行時における、燃料の目標供給量への単位時間あたりの変更量（目標値変更ゲイン）は、ＡＴＲ２からＳＲ１への移行時よりも、小さい値となっている。具体的には、図７において、Ａで示される単位時間あたりの変更量は、Ｂで示される単位時間あたりの変更量よりも小さい値（傾きが緩い）となっている。
【００７６】
次に、水の供給量（目標供給量）は、先ず、ＰＯＸからＡＴＲ１への移行時（図７の時刻ｔ５）、及び、ＡＴＲ１からＡＴＲ２（図７の時刻ｔ６）への移行時において、それぞれ、目標供給量まで増加されるようになっている。ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時における、水の目標供給量への単位時間あたりの変更量（目標値変更ゲイン）は、ＰＯＸからＡＴＲ１への移行時よりも、小さい値となっている。具体的には、図７において、Ｄで示される単位時間あたりの変更量は、Ｃで示される単位時間あたりの変更量よりも小さい値（傾きが緩い）となっている。
【００７７】
さらに、水の供給量（目標供給量）は、ＡＴＲ２からＳＲ１への移行時（図７の時刻ｔ７）において、目標供給量まで増加されるように変更される。ＡＲＴ１からＡＴＲ２への移行時における、水の目標供給量への単位時間あたりの変更量（目標値変更ゲイン）は、ＡＴＲ２からＳＲ１への移行時よりも、小さい値となっている。具体的には、図７において、Ｄで示される単位時間あたりの変更量は、Ｅで示される単位時間あたりの変更量よりも小さい値（傾きが緩い）となっている。
【００７８】
次に、改質用空気の供給量（目標供給量）は、ＡＲＴ１からＡＴＲ２への移行時（図７の時刻ｔ６）、及び、ＡＴＲ２からＳＲ１への移行時（図７の時刻ｔ７）において、それぞれ、目標供給量まで低減されるように変更される。ＡＲＴ１からＡＴＲ２への移行時における、燃料の目標供給量への単位時間あたりの変更量（目標値変更ゲイン）は、ＡＴＲ２からＳＲ１への移行時よりも、小さい値となっている。具体的には、図７において、Ｆで示される単位時間あたりの変更量は、Ｇで示される単位時間あたりの変更量よりも小さい値（傾きが緩い）となっている。
【００７９】
次に、図７乃至図１１を参照して、上述した本実施形態による燃料電池装置の作用（動作）を説明する。図１１は、本発明の一実施形態によるＡＴＲの領域における改質器内の状態等を示すタイムチャートである。
先ず、従来、水の供給量が非常に少ないＡＴＲの領域においては、毎分数ミリリットルという極微量な水を正確に安定的に供給するために高価な特殊なポンプを使用しなければならないたが、本実施形態においては、図１０に示したように、従来の高価な特殊なポンプの代わりにパルスポンプ１６０を使用してパルス制御により間欠的に水を改質器２０に供給するようにしているので、構造が簡単で安価なポンプの採用が可能となり、更に制御も簡易なパルス制御が可能となる。
【００８０】
次に、本実施形態においては、図１０に示したように、ＡＲＴ１及びＡＴＲ２の領域において、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８の制御ゲインτａを基準の制御ゲインτａ１よりも低下させた小さな値（τａ＝τａ１×０．６及びτａ＝τａ１×０．７）に設定している。このためＡＴＲ領域においては、改質器２０内に燃料を供給するとき、燃料の供給量は、目標供給量に対して追従遅れが生じる。
【００８１】
図１１により、このときのＡＴＲ（ＡＴＲ１及びＡＴＲ２）の領域における改質器内の状態を図１１により説明する。
先ず、水の供給については、水供給手段である水流量調整ユニット２８のパルスポンプ１６０により、パルス状の水供給制御信号に基づき、間欠的に極少量の水が改質器２０内へ供給される。この水が改質器内で水蒸気となるので、水が供給された直後に、改質器２０内の圧力が上昇する。この改質器内の圧力上昇により、燃料が改質器２０内に供給され難くなる。このため、図１１において、燃料供給量（比較例：基準の制御ゲイン使用）として示すように、圧力上昇時に燃料の供給量が目標値よりも少なくなる状態を燃料供給量検出センサが検出し、その直後に、燃料が不足していると判断して燃料を追加供給する増量制御が行われる。しかし、実際には圧力が次の瞬間に低下するために燃料は供給されやすい状態になってしまうので、不足分の燃料増加が本来必要ないにもかかわらず供給されてしまい、結果的に、燃料ガスの過剰供給になってしまう。
【００８２】
このような燃料供給量の比較例として示した燃料の過剰供給を防止するため、本実施形態においては、図１１において、燃料供給量（本実施形態）として示すように、ＡＴＲの領域では、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８の制御ゲインを低下させて、目標供給量に対して追従遅れが生じるようにしたので、上述した水供給直後に生じる改質器内の圧力上昇に起因する燃料の過剰供給を防止することができる。
このように、本実施形態によれば、パルスポンプ１６０による改質器への水の供給の後（所定期間の間）、燃料の供給量の変化を制御ゲインを低下させることにより抑制するようにしたので、上述した水の供給の直後に生じる燃料の過剰供給を防止することができ、その結果、構造が簡単で安価なポンプによる間欠制御であっても、ＡＴＲの領域において、安定した燃料供給、及び安定したオートサーマル改質反応が可能となる。
【００８３】
次に、本実施形態においては、図１０に示したように、ＡＴＲ（ＡＴＲ１及びＡＴＲ２）の領域では、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８の制御ゲイン（τａ＝τａ１×０．６及びτａ＝τａ１×０．７）を、ＰＯＸの領域（τａ＝τａ１）及びＳＲの領域（τａ＝τａ１）よりも、低下させている。この結果、本実施形態によれば、ＡＴＲの領域で、燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインを起動時の他の領域であるＰＯＸ領域及びＳＲ領域に比べ最も低下させたので、極微量な水の供給が必要なＡＴＲの領域であっても、間欠的に水を改質器２０内に供給することにより生じる圧力変動に起因した燃料の過剰供給や制御ハンチングを確実に防止することができる。
【００８４】
次に、上述したように、ＡＴＲ領域において、燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインを他の領域よりも低下させたことにより、燃料流量センサ１３２に基づいて燃料供給量を正確な状態に維持する制御能力が低下し、その結果制御遅れに起因した制御不良になることが考えられる。しかしながら、本実施形態においては、図８に示したように、ＡＴＲ領域では、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４による空気の供給量、及び、水供給手段である水流量調整ユニット２８による水の供給量を、それぞれ変更せずに一定量にしている。この結果、本実施形態においては、ＡＴＲの領域で、燃料供給量の制御に影響を与える空気の供給量及び水の供給量をそれぞれ変更せずに一定量に保持させて、燃料供給量の変更が積極的に生じないようにして、燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインを低下させたことによる制御不良の発生を確実に防止することができる。
【００８５】
なお、本実施形態においては、図７に示すように、ＡＴＲ１及びＡＴＲ２のぞれぞれの領域において、同様に、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４による空気の供給量、及び、水供給手段である水流量調整ユニット２８による水の供給量を、それぞれ変更せずに一定量にしている。これにより、同様な効果を得ることができる。
【００８６】
次に、図７に示すように、本実施形態においては、ＰＯＸからＡＴＲ１への移行時（図７の時刻ｔ５）、及び、ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時（図７のｔ６）に、水の目標供給量を変更し、このとき、ＰＯＸからＡＴＲ１への移行時はＡＴＲ１からＡＴＲ２の移行時よりも水の目標供給量への単位時間当たりの変更量を小さくした。この結果、本実施形態においては、ＡＴＲの領域で燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインを低下させたことにより、特にＰＯＸからＡＴＲ１への移行時の目標燃料供給量の変更の際に燃料供給の追従遅れが発生する恐れがあるが、ＰＯＸからＡＴＲ１への水の目標供給量への単位時間当たりの変更量（目標値変更ゲイン）を小さくしたので、燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインの低下に伴う目標燃料供給量への追従遅れを確実に防止することができる。
【００８７】
次に、図７に示すように、本実施形態においては、ＡＴＲ１からＡＴＲ２（図７の時刻ｔ６）への移行時、及び、ＡＴＲ２からＳＲへの移行時（図７の時刻ｔ７）に、ぞれぞれ、燃料、空気、及び、水のそれぞれの目標供給量を変更すると共に、ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時及びＡＴＲ２からＳＲへの移行時に、それぞれ、燃料、空気、水の目標供給量への単位時間当たりの変更量を小さくし、且つ、それらの目標供給量への単位時間当たりの変更量を、ＡＴＲ１からＡＴＲ２の移行時の方が、ＡＴＲ２からＳＲへの移行時よりも小さくなるようにしている。
ここで、図７に示すように、ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時よりもＡＴＲ２からＳＲへの移行時の方が、水が多く供給され、それにより、水が供給される間欠タイミングが密となり、改質器２０内の圧力変動が緩和されて圧力が高い状態で安定してくるので、圧力変動に伴う燃料の過剰供給の問題も緩和することができる。このため、本実施形態においては、燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインの低下させると共に、目標供給量への単位時間当たりの変更量（目標値変更ゲイン）を、ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時の方が、ＡＴＲ２からりＳＲへの移行時の方よりも小さくするようにしたので、圧力変動に伴って発生する燃料の過剰供給やハンチング発生の問題と、目標燃料供給量に対する追従遅れの問題を高いレベルで上手にバランスさせて解決することが可能となる。
【００８８】
次に、図１０に示すように、本実施形態においては、ＡＴＲ２領域での燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインの低下量をＡＴＲ１の領域の制御ゲインの低下量よりも小さくしている。ここで、図７に示すように、ＡＴＲ２の領域の方がＡＴＲ１の領域よりも水が多く供給され、それにより、水が供給される間欠タイミングが密となり、圧力が高い状態で安定してくるので、圧力変動に伴う燃料の過剰供給も緩和することができる。このため、本実施形態においては、ＡＴＲ２領域での燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲイン低下量を、ＡＴＲ１の領域のそれよりも小さくすることにより、燃料の過剰供給の抑制と目標燃料値への追従性能の低下を抑制して追従遅れの緩和を同時に図ることができる。
【００８９】
次に、図１０に示すように、本実施形態においては、ＡＴＲの領域及びＳＲの領域での燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインを、ＰＯＸの領域よりも低下させるとともに、ＳＲの領域における燃料供給手段の制御ゲインの低下量をＡＴＲ領域の制御ゲインの低下量よりも小さくしている。ここで、図７に示すように、ＳＲ領域の方がＡＴＲ領域よりも水が多く供給され、それにより、水が供給される間欠タイミングが密となり、圧力が高い状態で安定してくるので、圧力変動に起因した燃料の過剰供給も緩和することができる。このため、本実施形態においては、ＳＲ領域における燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインの低下量を、ＡＴＲ領域の制御ゲインの低下量をより小さくすることにより、圧力変動に伴う燃料の過剰供給の抑制を図ると同時に、目標燃料供給量への追従遅れの緩和という相反する課題を高いレベルで両立することができる。
【００９０】
次に、図１０に示すように、本実施形態においては、ＡＴＲの領域では、改質用空気供給手段（改質用空気流量調整ユニット３８）の制御のゲインを、ＰＯＸの領域よりも、低下させている。ここで、ＡＴＲの領域で、燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインと同様に、改質用空気供給手段（改質用空気流量調整ユニット３８）の制御ゲインを低下させたので、間欠的に水を改質器内に供給することにより生じる圧力変動に起因した空気の過剰供給を防止することができる。
【００９１】
次に、図１０に示すように、ＡＴＲの領域では、燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインの低下量を改質用空気供給手段（改質用空気流量調整ユニット４４）の制御ゲインの低下量よりも大きくしている。ここで、間欠的な水供給に伴って発生する改質起内の圧力変動によって、燃料の供給量とともに改質器内に供給される改質用空気の供給量も変動してしまう。このため、本実施形態においては、改質器用空気供給手段（改質用空気流量調整ユニット４４）の制御ゲインも低下させたため、過剰空気の供給、及び、制御ゲインハンチングの発生を一層確実に防止できる。また、改質器用空気の供給量は燃料の供給量と比べて非常に多いので、水が蒸発することにより生じる圧力変動の影響を、改質空気の方が燃料よりも受け難い。このため、本実施形態においては、改質器用空気供給手段（改質用空気流量調整ユニット４４）の制御ゲインの低下量を燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインの低下量よりも小さくしているので、無用に目標改質用空気供給量に対して追従遅れが発生することを確実に防止することができる。
【００９２】
次に、図１２により、本発明の他の実施形態による燃料電池装置を説明する。図１２は、本発明の他の実施形態による燃料電池装置における燃料、水、及び改質用空気の供給量を制御するための制御内容を示すフローチャートである。図１２において、Ｓは各ステップを示す。
図１２に示すように、Ｓ２１において、水蒸気改質期間か否かを判定する。ここで、水蒸気改質期間は、上述したＡＴＲ（ＡＴＲ１とＡＴＲ２を含む）領域及びＳＲ領域である。水蒸気改質期間の場合には、Ｓ２２に進み、改質器内へのパルスポンプ１６０による間欠的な水供給が開始されたか否かを判定する。
【００９３】
水供給が開始された場合には、Ｓ２３に進み、燃料及び改質空気の供給を後述する所定期間である規制時間Ｔ0  だけ規制する。具体的には、規制時間Ｔ0  だけ燃料及び改質空気の供給量の制御値を保持する（固定値とする）ことにより、燃料の過剰供給を防止するようにしている。次に、Ｓ２４に進み、規制時間Ｔ0  経過したか否かを判定する。経過していれば、Ｓ２５に進み、燃料及び改質空気の供給規制を解除する。
なお、この他の実施形態においては、規制時間Ｔ0  において、燃料及び改質空気の両方の供給を規制したが、燃料の供給のみを規制するようにしても良い。
【００９４】
上述した本発明の他の実施形態においては、パルスポンプによる水の供給後の所定期間である規制時間Ｔ0  の間、燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）による燃料の供給及び改質空気供給手段（改質空気流量調整ユニット４４）を規制するようにしたので、パルスポンプ１６０間欠的に水を改質器２０内に供給することにより生じる圧力変動に起因した燃料の過剰供給を確実に防止することができる。また、燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）による燃料の供給のみを規制した場合も同様な効果を奏することができる。
【符号の説明】
【００９５】
１  固体電解質型燃料電池
２  燃料電池モジュール
４  補機ユニット
１０  発電室
１２  燃料電池セル集合体
１４  燃料電池セルスタック
１６  燃料電池セルユニット
１８  燃焼室
２０  改質器
２２  空気用熱交換器
２４  水供給源
２６  純水タンク
２８  水流量調整ユニット
３０  燃料供給源
３８  燃料流量調整ユニット
４０  空気供給源
４４  改質用空気流量調整ユニット
５２  制御ボックス
８３  点火装置
８４  燃料電池セル
１３０  改質用空気流量センサ
１３２  燃料流量センサ
１３４  水流量センサ
１３８  圧力センサ
１４２  発電室温度センサ
１４４  燃焼室温度センサ
１４８  改質器温度センサ
１５２  水タンク
１５４  ポンプ
１５６  ＲＯ膜（逆浸透膜）
１６０  パルスポンプ
【図１】
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【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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