(57)【要約】原料を改質する改質器と、この改質器によって生成された改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、比較的簡易な構成で、燃料電池における発電効率の向上を図る。燃料電池システム１０００は、改質器２０に原料を供給する昇圧ポンプ１０等の原料供給部と、燃料電池１００における発電で未消費の燃料ガスを燃焼させて、改質器２０を加熱する燃焼部４０と、燃焼部４０の温度を検出する温度センサ４１と、検出された温度に基づいて、改質器２０の温度が原料の改質に適した所定の温度範囲内に維持されるように、原料供給部から改質器２０に供給される原料の供給量を制御する制御ユニット５０と、を備える。
2010010699.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、
原料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器に前記原料を供給する原料供給部と、
前記改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料ガスのうち前記燃料電池における発電で消費されなかった燃料ガスを燃焼させて、前記改質器を加熱する燃焼部と、
前記改質器の温度または前記燃焼部の温度を検出する温度検出部と、
前記検出された温度に基づいて、前記改質器の温度が前記原料の改質に適した所定の温度範囲内に維持されるように、前記原料供給部から前記改質器に供給される前記原料の供給量を制御する制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記温度検出部は、前記燃焼部から排出される排ガスに含まれる所定ガスの濃度または量に基づいて、前記改質器の温度または前記燃焼部の温度を決定する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記所定ガスは、一酸化炭素であり、
前記温度検出部は、前記排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を検出する一酸化炭素センサを備える、
燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、
原料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器に前記原料を供給する原料供給部と、
前記改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料ガスのうち前記燃料電池において発電で消費されなかった燃料ガスを燃焼させて、前記改質器を加熱する燃焼部と、を備えており、
前記制御方法は、
前記改質器の温度または前記燃焼部の温度を検出する工程と、
前記検出された温度に基づいて、前記改質器の温度が前記原料の改質に適した所定の温度範囲内に維持されるように、前記原料供給部から前記改質器に供給される前記原料の供給量を制御する工程と、
を備える制御方法。
【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、および、燃料電池システムの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池を備える燃料電池システムには、いわゆる改質型燃料電池システムがある。改質型燃料電池システム（以下、単に「燃料電池システム」とも呼ぶ）は、改質器によって原料（アルコール、炭化水素、アルデヒド等）を改質して改質ガスを生成し、この改質ガスに含まれる燃料ガス（水素）を燃料電池による発電に利用するタイプの燃料電池システムである。【０００３】
このような燃料電池システムにおいて、改質器における原料の改質には、水素収率に優れた水蒸気改質反応が用いられることが多い。そして、水蒸気改質反応は吸熱反応である。よって、反応温度を維持するために、一般に、改質器は燃焼部によって加熱される。また、このような燃料電池システムでは、改質器によって生成された燃料ガスを効率よく利用するために、燃料電池における発電で未消費の燃料ガスを燃焼部で燃焼させることが多い。【０００４】
ところで、上述した燃料電池システムでは、所望量の燃料ガスを生成するために、改質器への原料および水蒸気の供給量を制御するとともに、改質器の温度、すなわち、燃焼部における燃焼を制御する必要がある。改質効率（改質反応における転化率）は、改質器の温度に密接に関係しているからである。そこで、従来、燃料電池システムについて、改質効率を適切に維持し、燃料電池における発電効率を向上させるために、各種センサの出力に基づいて、燃焼部における燃焼を制御する技術が提案されている。【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３４１０１号公報
【特許文献２】特開２００４−６０９１０号公報
【特許文献３】特開２００５−２６０５９号公報
【特許文献４】特開２００６−３３１９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献に記載された技術では、制御内容が複雑であり、また、制御に用いられる各種パラメータの値が種々の要因によって互いに関連し合って変動するので、制御の収束性の低下を招くおそれがあった。さらに、燃料電池システムは、制御に用いられる各種パラメータの値を検出するために種々のセンサを備える必要があり、このことは燃料電池システムのコスト上昇を招く。【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、原料を改質する改質器と、この改質器によって生成された改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、比較的簡易な構成で、燃料電池における発電効率の向上を図ることを目的とする。【０００８】
なお、トヨタ自動車株式会社によって日本国特許庁に出願された特願２００８−１９２３１０号の開示内容は、参考のために、この明細書に組み込まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。【００１０】
［適用例１］
燃料電池システムであって、
原料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器に前記原料を供給する原料供給部と、
前記改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料ガスのうち前記燃料電池における発電で消費されなかった燃料ガスを燃焼させて、前記改質器を加熱する燃焼部と、
前記改質器の温度または前記燃焼部の温度を検出する温度検出部と、
前記検出された温度に基づいて、前記改質器の温度が前記原料の改質に適した所定の温度範囲内に維持されるように、前記原料供給部から前記改質器に供給される前記原料の供給量を制御する制御部と、
を備える燃料電池システム。【００１１】
適用例１の燃料電池システムでは、改質器の温度または燃焼部の温度に基づいて、原料供給部から改質器への原料の供給量の制御を行う。このため、複雑な制御を必要とせず、比較的簡易な構成で、制御の収束性を向上させることができる。そして、改質器の温度は、原料の改質に適した所定の温度範囲内に維持され、改質器によって所望量の燃料ガスが生成されるので、燃料電池における発電効率を向上させることができる。つまり、適用例１の燃料電池システムによって、比較的簡易な構成で、燃料電池における発電効率の向上を図ることができる。【００１２】
なお、原料の改質に適した所定の温度範囲は、原料の種類に応じて変化し得る。また、原料の改質に適した温度とは、比較的効率よく原料の改質がなされる温度、原料の改質効率が比較的高い温度を意味している。【００１３】
本適用例において、改質器に供給すべき原料の供給量の決定の態様としては、種々の態様を採ることができる。例えば、改質器に供給すべき原料の供給量を、以下のように算出する態様とすることができる。すなわち、燃料電池による発電に必要な燃料ガスの量と、燃焼部での燃焼に必要な燃料ガスの量との和に、改質器の温度または燃焼部の温度に応じた補正係数をかけることによって、改質器によって生成すべき燃料ガスの量を算出する。そして、算出された燃料ガスの量を、改質器における改質効率で割ることによって、改質器に供給すべき原料の供給量を算出する。【００１４】
また、以下のようにして、改質器に供給すべき原料の供給量を算出するようにしてもよい。すなわち、燃料電池による発電に必要な燃料ガスの量と、改質器の温度または燃焼部の温度に応じて補正された燃焼部での燃焼に必要な燃料ガスの量との和を、改質器によって生成すべき燃料ガスの量として算出する。そして、算出された燃料ガスの量を、改質器における改質効率で割ることによって、改質器に供給すべき原料の供給量を算出する。【００１５】
さらに、以下のようにして、改質器に供給すべき原料の供給量を算出するようにしてもよい。すなわち、燃料電池による発電に必要な燃料ガスの量と、燃焼部での燃焼に必要な燃料ガスの量と、改質器の温度または燃焼部の温度に応じた補正量との和を、改質器によって生成すべき燃料ガスの量として算出する。そして、算出された燃料ガスの量を、改質器における改質効率で割ることによって、改質器に供給すべき原料の供給量を算出する。【００１６】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池システムであって、前記温度検出部は、前記燃焼部から排出される排ガスに含まれる所定ガスの濃度または量に基づいて、前記改質器の温度と前記燃焼部の温度の少なくとも一方を決定する、燃料電池システム。【００１７】
燃焼部から排出される排ガスに含まれる所定ガスの濃度や量は、燃焼部の温度によって変化する。そして、排ガスに含まれる所定ガスの濃度や量と、燃焼部の温度との関係は予め知得することができる。したがって、上記所定ガスの濃度や量を検出すれば、これらの値に基づいて燃焼部の温度を推定することができる。なお、上記所定ガスとしては、例えば、酸素や、一酸化炭素や、窒素酸化物（ＮＯｘ）が挙げられる。【００１８】
［適用例３］適用例２記載の燃料電池システムであって、前記所定ガスは、一酸化炭素であり、前記温度検出部は、前記排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を検出する一酸化炭素センサを備える、燃料電池システム。【００１９】
燃料電池システムからの一酸化炭素の排出量は、大気汚染防止の観点から監視されることが好ましい。適用例３の燃料電池システムによれば、燃焼部の温度を検出する温度センサを用いることなく、燃焼部の温度を推定することができるとともに、燃料電池システムからの一酸化炭素の排出量を監視するようにすることができる。【００２０】
本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。【００２１】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。【００２２】
以下では、図面を参照して、本願発明の好ましい実施例の詳細が説明され、本願発明の上述の目的およびその他の目的、構成、効果が明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１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。
【図２】第１実施例の燃料電池システム１０００の運転制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】要求発電電力−要求発電電流変換マップを示す説明図である。
【図４】要求発電電流−基本原料供給量変換マップを示す説明図である。
【図５】要求発電電流−燃焼部制御温度目標値変換マップを示す説明図である。
【図６】温度偏差−負帰還制御原料供給量変換マップを示す説明図である。
【図７】本発明の第２実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。
【図８】第２実施例の燃料電池システム１０００Ａの運転制御の流れを示すフローチャートである。
【図９】排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度と空気過剰率λとの関係を示す説明図である。
【図１０】空気過剰率λと燃焼部４０の温度との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システム：
図１は、本発明の第１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。この燃料電池システム１０００は、いわゆる改質型燃料電池システムである。燃料電池システム１０００は、原料を改質する改質器２０と、この改質器２０によって生成された改質ガスに含まれる燃料ガス（水素）を用いて発電を行う燃料電池１００と、を備えている。また、改質器２０は、吸熱反応である水蒸気改質反応によって原料の改質を行う。このため、燃料電池システム１０００は、改質器２０を加熱するための燃焼部４０も備えている。なお、本実施例では、燃料電池１００として、固体酸化物型の燃料電池を用いるものとした。この場合、水素だけでなく、改質ガスに含まれる炭化水素等の未反応燃料（未改質原料）や、改質反応によって生成された一酸化炭素も、燃料電池１００での発電に使われる。燃料電池１００として、固体高分子型やリン酸型や溶融炭酸塩型などの他のタイプの燃料電池を用いるようにしてもよい。
【００２５】
この燃料電池システム１０００では、図示しない原料タンクに貯蔵された原料が、昇圧ポンプ１０によって昇圧され、配管１２を介して改質器２０に供給される。原料としては、ガソリン、アルコール（たとえば、メタノール）、エーテル、アルデヒド等の炭化水素化合物が用いられる。改質器２０への原料の供給量は、例えば、昇圧ポンプ１０が備えるモータの回転数や、配管１２に配設された図示しない流量調整弁の開度を変化させることによって、制御される。原料タンク、昇圧ポンプ１０、流量調整弁等は、［課題を解決するための手段］における「原料供給部」に相当する。また、改質器２０には、水蒸気改質反応に用いられる水が、改質水ポンプ１４を用いて、配管１６を介して供給される。改質器２０への水の供給量は、改質水ポンプ１４が備えるモータの回転数を変化させることによって、制御される。
【００２６】
改質器２０は、水蒸気改質反応によって原料を改質し、燃料ガスとしての水素を含む混合ガス（改質ガス）を生成する。改質器２０によって生成された水素を含む混合ガスは、配管２２を介して燃料電池１００のアノードに供給される。そして、燃料電池１００のアノードから排出されたアノードオフガスは、配管２４を介して、燃焼部４０に供給される。アノードオフガスには、燃料電池１００における発電で未消費の水素や未改質原料や一酸化炭素が含まれる。
【００２７】
また、燃料電池１００のカソードには、エアコンプレッサ３０によって圧縮された空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして、配管３２を介して供給される。燃料電池１００への空気の供給量は、例えば、エアコンプレッサ３０が備えるモータの回転数を変化させることによって、制御される。そして、燃料電池１００のカソードから排出されるカソードオフガスは、配管３４を介して、燃焼部４０に供給される。カソードオフガスには、燃料電池１００における発電で未消費の酸素が含まれている。この酸素は、燃焼部４０において、水素や未改質原料や一酸化炭素を燃焼させるための支燃ガスとして利用される。
【００２８】
燃焼部４０は、アノードオフガスに含まれる、燃料電池１００における発電で未消費の水素や未改質原料や一酸化炭素を燃焼させて、改質器２０を加熱する。なお、本明細書において「燃焼」とは、なんらかの物質を酸素と反応させて熱を発生させる現象または処理を意味する。「燃焼」には、触媒を用いた酸化反応と、触媒を用いない酸化反応と、の両方が含まれる。
【００２９】
燃焼部４０には、燃焼部４０の温度を検出するための温度センサ４１が備えられている。燃焼部４０から排気された排ガスは、配管４２を介して、触媒装置４４に供給される。燃焼部４０から排気された排ガスは、この触媒装置４４によって、燃焼部４０で燃焼し切らなかった未改質原料と一酸化炭素、および、燃焼部４０で発生した窒素酸化物を除去された後、配管４６を介して、外部に排気される。なお、排ガスに含まれる水蒸気は、図示しない熱交換器を用いて回収され、例えば、改質器２０における原料の改質に再利用される。
【００３０】
燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット５０によって制御される。制御ユニット５０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。
【００３１】
Ａ２．運転制御：
図２は、第１実施例の燃料電池システム１０００の運転制御の流れを示すフローチャートである。この制御は、燃料電池１００による発電中に、制御ユニット５０が、所定の時間間隔で、繰り返し実行する処理である。本実施例では、制御ユニット５０は、１０２４（ｍｓ）間隔で、この処理を実行するものとした。
【００３２】
図３は、要求発電電力と要求発電電流との関係を記した「要求発電電力−要求発電電流変換マップ」を示す説明図である。図２の処理において、まず、制御ユニット５０は、燃料電池１００への要求発電電力Ｐ_ｒｅｑを取得する（ステップＳ１００）。そして、図３に示した要求発電電力−要求発電電流変換マップを参照して、要求発電電力Ｐ_ｒｅｑに基づいて、燃料電池１００への要求発電電流Ｉ_ｒｅｑを決定する（ステップＳ１１０）。要求発電電力−要求発電電流変換マップにおける要求発電電力に対する要求発電電流の関係は、図３に示すように、上に凸のカーブである。要求発電電力−要求発電電流変換マップは、予め制御ユニット５０のＲＯＭに記憶されている。
【００３３】
図４は、要求発電電流と基本原料供給量との関係を記した「要求発電電流−基本原料供給量変換マップ」を示す説明図である。図２の処理において、次に、制御ユニット５０は、図４に示した要求発電電流−基本原料供給量変換マップを参照して、要求発電電流Ｉ_ｒｅｑに基づいて、基本原料供給量Ｑｆ_ｂｓｅを決定する（ステップＳ１２０）。なお、基本原料供給量Ｑｆ_ｂｓｅは、「要求発電電流Ｉ_ｒｅｑを得るために燃料電池１００における発電で消費される量の燃料ガスを改質器２０が生成するために必要な原料量Ｑｆ１」と、「そのときに改質器２０の温度を維持するために燃焼部４０で燃焼される量の燃料ガスを改質器２０が生成するために必要な原料量Ｑｆ２」との和である。要求発電電流−基本原料供給量変換マップは、予め制御ユニット５０のＲＯＭに記憶されている。
【００３４】
図５は、要求発電電流と燃焼部制御目標温度との関係を記した「要求発電電流−燃焼部制御温度目標値変換マップ」を示す説明図である。図２の処理において、次に、制御ユニット５０は、図５に示した要求発電電流−燃焼部制御温度目標値変換マップを参照して、要求発電電流Ｉ_ｒｅｑに基づいて、燃焼部４０の制御温度目標値Ｔ_ｂｒｎ_ｔｒｇを決定する（ステップＳ１３０）。なお、燃焼部４０の制御温度目標値Ｔ_ｂｒｎ_ｔｒｇは、要求発電電流Ｉ_ｒｅｑを得るために燃料電池１００と燃焼部４０とで消費される量の燃料ガスを改質器２０が生成するときに、原料の改質に適した燃焼部４０の温度である。要求発電電流−燃焼部制御温度目標値変換マップは、予め制御ユニット５０のＲＯＭに記憶されている。
【００３５】
図６は、温度偏差と負帰還制御原料供給量との関係を記した「温度偏差−負帰還制御原料供給量変換マップ」を示す説明図である。図２の処理において、次に、制御ユニット５０は、温度センサ４１によって、燃焼部４０の温度Ｔ_ｂｒｎを検出する（ステップＳ１４０）。そして、制御ユニット５０は、温度偏差ｄＴ（＝［検出された温度Ｔ_ｂｒｎ］−［燃焼部制御温度目標値Ｔ_ｂｒｎ_ｔｒｇ］）を算出する（ステップＳ１５０）。そして、制御ユニット５０は、図６に示した温度偏差−負帰還制御原料供給量変換マップを参照して、温度偏差ｄＴに基づいて、負帰還制御原料供給量Ｑｆ_ｆｂを決定する（ステップＳ１６０）。なお、負帰還制御原料供給量Ｑｆ_ｆｂは、改質器２０に供給すべき原料の、燃焼部４０の温度に応じた補正量である。
【００３６】
燃焼部４０の温度Ｔ_ｂｒｎが燃焼部制御温度目標値Ｔ_ｂｒｎ_ｔｒｇよりも高い場合には（ｄＴ＞０）、燃焼部４０に供給される水素の量が減少して燃焼部４０の温度Ｔ_ｂｒｎが燃焼部制御温度目標値Ｔ_ｂｒｎ_ｔｒｇを含む所定の温度範囲内に維持されるように、ゼロまたはマイナスの補正量が設定される（図６の右側参照）。また、燃焼部４０の温度Ｔ_ｂｒｎが燃焼部制御温度目標値Ｔ_ｂｒｎ_ｔｒｇよりも低い場合には（ｄＴ＜０）、燃焼部４０に供給される水素の量が増加して燃焼部４０の温度Ｔ_ｂｒｎが燃焼部制御温度目標値Ｔ_ｂｒｎ_ｔｒｇを含む所定の温度範囲内に維持されるように、ゼロまたはプラスの補正量が設定される（図６の左側参照）。温度偏差−負帰還制御原料供給量変換マップは、予め制御ユニット５０のＲＯＭに記憶されている。
【００３７】
図２の処理において、次に、制御ユニット５０は、基本原料供給量Ｑｆ_ｂｓｅと負帰還制御原料供給量Ｑｆ_ｆｂとを加算することによって最終原料供給量Ｑｆ_ｆｉｎを決定しする（ステップＳ１７０）。そして、制御ユニット５０は、この値に基づいて、昇圧ポンプ１０等の原料供給部を制御する（ステップＳ１８０）。制御ユニット５０は、以上説明したステップＳ１００〜Ｓ１８０の処理を繰り返す。
【００３８】
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１０００では、燃焼部４０の温度に基づいて、昇圧ポンプ１０等の原料供給部の制御、すなわち、改質器２０への原料の供給量の制御を行う（図６参照）。このため、複雑な制御を必要とせず、比較的簡易な構成で、制御の収束性や安定性を向上させることができる。そして、改質器２０の温度は、原料の改質に適した所定の温度範囲内に維持され、その結果、改質器２０によって所望量の燃料ガスが生成される。このため、燃料電池１００における発電効率を向上させることができる。つまり、本実施例の燃料電池システム１０００によって、比較的簡易な構成で、燃料電池１００における発電効率の向上を図ることができる。
【００３９】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システム：
図７は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。第２実施例の燃料電池システム１０００Ａの構成は、以下の点を除いて、第１実施例の燃料電池システム１０００の構成と同じである。すなわち、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａは、第１実施例の燃料電池システム１０００における温度センサ４１を備えていない。第２実施例の燃料電池システム１０００Ａは、温度センサ４１の代わりに、配管４６に、排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を検出する一酸化炭素センサ４８を備えている。そして、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、制御ユニット５０Ａが実行する運転制御の内容が、第１実施例における制御ユニット５０が実行する運転制御の内容と異なっている。
【００４０】
Ｂ２．運転制御：
図８は、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａの運転制御の流れを示すフローチャートである。この制御は、燃料電池１００による発電時に、制御ユニット５０Ａが、所定の時間間隔で、繰り返し実行する処理である。本実施例においても、第１実施例と同様に、制御ユニット５０Ａは、１０２４（ｍｓ）間隔で、この処理を実行する。
【００４１】
図８と図２との比較から分かるように、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａの運転制御において、ステップＳ１００〜Ｓ１３０、および、ステップＳ１５０〜Ｓ１８０の処理は、第１実施例の燃料電池システム１０００の運転制御と同じである。そして、第２実施例の燃料電池システム１０００の運転制御では、制御ユニット５０Ａは、第１実施例の燃料電池システム１０００の運転制御におけるステップＳ１４０の代わりに、ステップＳ１４０ａの処理を実行する。
【００４２】
図９は、排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度と空気過剰率λとの関係を示す説明図である。図１０は、空気過剰率λと燃焼部４０の温度との関係を示す説明図である。制御ユニット５０Ａは、ステップＳ１３０の後、ステップＳ１４０ａにおいて、一酸化炭素センサ４８によって、排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を検出する。そして、制御ユニット５０Ａは、この検出値に基づいて、燃焼部４０の温度Ｔ_ｂｒｎを推定する（ステップＳ１４０ａ）。なお、図９に示したように、排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度と空気過剰率λとの関係は、予め知ることができる。また、図１０に示したように、空気過剰率λと燃焼部４０の温度との関係も、予め知ることができる。このため、ステップＳ１４０ａにおいて、図９および図１０の関係を利用することにより、排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度に基づいて、容易に燃焼部４０の温度Ｔ_ｂｒｎを推定することができる。
【００４３】
なお、図９から分かるように、一酸化炭素の濃度が、比較的小さい所定の範囲にある場合には、空気過剰率λは二つの値を取りうる（図９の下段参照）。一酸化炭素センサ４８で検出した一酸化炭素の濃度がそのようなある範囲にある場合には、制御ユニット５０Ａは、たとえば、それまでの空気過剰率λの値や、燃焼部４０の温度などに基づいて、取りうる二つの値のうち、正しい値である可能性がより高い方の値を選択する。
【００４４】
以上説明した第２実施例の燃料電池システム１０００Ａによっても、第１実施例の燃料電池システム１０００と同様に、比較的簡易な構成で、燃料電池１００における発電効率の向上を図ることができる。
【００４５】
また、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、一酸化炭素センサ４８を備えている。このため、先に説明したように、燃焼部４０の温度Ｔ_ｂｒｎを推定するとともに（図１０参照）、燃料電池システム１０００Ａからの、大気汚染防止の観点から監視されるべき一酸化炭素の排出量を監視するようにすることができる。
【００４６】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００４７】
Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例では、温度センサ４１によって燃焼部４０の温度Ｔ_ｂｒｎを検出し（図２のＳ１４０参照）、燃焼部４０の温度Ｔ_ｂｒｎに基づいて、改質器２０への原料の供給量Ｑｆ_ｆｉｎを決定する（同、Ｓ１５０〜Ｓ１７０参照）。しかし、本発明は、この態様に限られない。温度センサによって改質器２０の温度を検出し、改質器２０の温度に基づいて、改質器２０への原料の供給量Ｑｆ_ｆｉｎを決定するようにしてもよい。
【００４８】
Ｃ２．変形例２：
上記第２実施例では、一酸化炭素センサ４８によって排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を検出し、その濃度に基づいて、燃焼部４０の温度Ｔ_ｂｒｎを推定する（図８のＳ１４０ａ参照）。しかし、本発明は、この態様に限られない。例えば、排ガスに含まれる酸素や窒素酸化物の濃度を検出し、これらの濃度に基づいて、燃焼部４０の温度Ｔ_ｂｒｎを推定するようにしてもよい。
【００４９】
Ｃ３．変形例３：
上記第２実施例では、排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度に基づいて、燃焼部４０の温度Ｔ_ｂｒｎを推定する（図８のＳ１４０ａ参照）。しかし、本発明は、この態様に限られない。例えば、排ガスに含まれる一酸化炭素や酸素や窒素酸化物の質量に基づいて、燃焼部４０の温度Ｔ_ｂｒｎを推定するものとしてもよい。一酸化炭素や酸素や窒素酸化物の質量は、種々の方法によって検出可能である。また、質量の代わりに、客観的に測定可能な他の「量」に基づいて、燃焼部４０の温度Ｔ_ｂｒｎを推定するものとしてもよい。
【００５０】
Ｃ４．変形例４：
上記第２実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、触媒装置４４の後段、すなわち、配管４６に一酸化炭素センサ４８が配設されている（図７参照）。しかし、本発明は、この態様に限られない。燃焼部４０の直後、または、燃焼部４０と触媒装置４４との間の配管４２に一酸化炭素センサ４８を配設するようにしてもよい。燃料電池システム１０００Ａでは、触媒装置４４によって低減された一酸化炭素の濃度に基づいて燃焼部４０の温度を推定する。このため、例えば、触媒装置４４の性能が劣化した場合には、燃焼部４０の温度推定を精度よく行うことができない場合がある。しかし、触媒装置４４の前段に設置された一酸化炭素センサによって、触媒装置４４の前段における一酸化炭素の濃度を検出することにより、触媒装置４４の性能劣化等の影響を受けることなく、より正確な燃焼部４０の温度推定が可能となる。ただし、この場合、触媒装置４４の性能劣化や一酸化炭素の排出量を監視するために、触媒装置４４の後段にも一酸化炭素センサを配設することが好ましい。
【００５１】
Ｃ５．変形例５：
上記実施例では、燃料電池システム１０００，１０００Ａの運転制御において、要求発電電力−要求発電電流変換マップ（図３）、要求発電電流−基本原料供給量変換マップ（図４）、要求発電電流−燃焼部制御温度目標値変換マップ（図５）、温度偏差−負帰還制御原料供給量変換マップ（図６）を参照する。しかし、本発明は、これらの態様に限られない。各量の間の変換の処理を、例えば、演算によって行うものとしてもよい。また、電電力−要求発電電流変換マップ（図３）、要求発電電流−基本原料供給量変換マップ（図４）、要求発電電流−燃焼部制御温度目標値変換マップ（図５）、温度偏差−負帰還制御原料供給量変換マップ（図６）は、それぞれ図３〜図６以外の態様とすることもできる。たとえば、要求発電電力−要求発電電流変換マップにおける要求発電電力に対する要求発電電流の関係は、下に凸のカーブとすることもできる。すなわち、電電力−要求発電電流変換マップ、要求発電電流−基本原料供給量変換マップ、要求発電電流−燃焼部制御温度目標値変換マップ、温度偏差−負帰還制御原料供給量変換マップは、それぞれ一つの入力値に対して一つの出力値を決めることができる何らかの情報であればよい。
【００５２】
Ｃ６．変形例６：
上記実施例では、燃料電池システム１０００，１０００Ａの運転制御において、基本原料供給量Ｑｆ_ｂｓｅと負帰還制御原料供給量Ｑｆ_ｆｂとを加算することによって最終原料供給量Ｑｆ_ｆｉｎを決定する（図２および図８のＳ１７０参照）。しかし、本発明は、この態様に限られない。例えば、図４に示した基本原料供給量Ｑｆ_ｂｓｅに、燃焼部４０の温度に応じた補正係数をかけることによって、最終原料供給量Ｑｆ_ｆｉｎを決定するものとしてもよい。また、図４に示したＱｆ１と、Ｑｆ２に燃焼部４０の温度に応じた補正係数をかけた値との和を、最終原料供給量Ｑｆ_ｆｉｎとして決定するものとしてもよい。本発明においては、一般に、改質器２０の温度が原料の改質に適した所定の温度範囲内に維持されるように、改質器２０に供給すべき原料の供給量を制御すればよい。
【００５３】
Ｃ７．変形例７：
なお、本発明を適用しうるコンピュータプログラム製品は、様々な態様で実現することができる。たとえば、以下のような態様である。
（ｉ）コンピュータ読み取り可能な記録媒体。たとえば、フレキシブルディスク、光ディスク、半導体メモリなど。
（ｉｉ）磁気ディスクや半導体メモリなどのコンピュータ読み取り可能な記録媒体を含むコンピュータ。
（ｉｉｉ）データ搬送はを介してメモリ内に一時的にコンピュータプログラムを格納しているコンピュータ。
【００５４】
以上では、本願発明をその好ましい例示的な実施例を参照して詳細に説明した。しかし、本願発明は、以上で説明した実施例や構成に限定されるものではない。そして、本願発明は、様々な変形や均等な構成を含むものである。さらに、開示された発明の様々な要素は、様々な組み合わせおよび構成で開示されたが、それらは例示的な物であり、各要素はより多くてもよく、また少なくてもよい。そして、要素は一つであってもよい。それらの態様は本願発明の範囲に含まれるものである。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成22年4月21日(2010.4.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
原料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器に前記原料を供給する原料供給部と、
前記改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料ガスのうち前記燃料電池における発電で消費されなかった燃料ガスを燃焼させて、前記改質器を加熱する燃焼部と、
前記燃焼部の温度を検出する温度検出部と、
前記検出された温度に基づいて、前記改質器の温度が前記原料の改質に適した所定の温度範囲内に維持されるように、前記原料供給部から前記改質器に供給される前記原料の供給量を制御する制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記温度検出部は、前記燃焼部から排出される排ガスに含まれる所定ガスの濃度または量に基づいて、前記燃焼部の温度を決定する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記所定ガスは、一酸化炭素であり、
前記温度検出部は、前記排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を検出する一酸化炭素センサを備える、
燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、
原料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器に前記原料を供給する原料供給部と、
前記改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料ガスのうち前記燃料電池において発電で消費されなかった燃料ガスを燃焼させて、前記改質器を加熱する燃焼部と、を備えており、
前記制御方法は、
前記燃焼部の温度を検出する工程と、
前記検出された温度に基づいて、前記改質器の温度が前記原料の改質に適した所定の温度範囲内に維持されるように、前記原料供給部から前記改質器に供給される前記原料の供給量を制御する工程と、
を備える制御方法。
【国際調査報告】
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2010010699.tif 000014
2010010699.tif 000015
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