(57)【要約】  燃料電池スタック１０に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池スタック１０を発電させる燃料電池システム１００は、含酸素燃料を含む水溶液を溜めるタンク２１と、水溶液が気化した混合ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器２４とを含む。さらに燃料電池システム１００は、改質器２４に混合ガスを供給する燃料ポンプ２２と、改質器２４を加熱する排気制御弁４２と、改質器２４に供給される混合ガスの濃度を推定又は検出するセンサ５１と、燃料電池スタック１０が発電するように燃料ポンプ２２及び排気制御弁４２を制御するコントローラ５０とを含む。コントローラ５０は、含酸素燃料ガスの濃度が低いときに比してその濃度が高いときには、排気制御弁４２による改質器２４への加熱量を増加させる又は燃料ポンプ２２による改質器２４への混合ガスの供給量を増加させる。
2019021482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して前記燃料電池を発電させる燃料電池システムであって、
含酸素燃料を含む水溶液を溜めるタンクと、
前記水溶液が気化した混合ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器に前記混合ガスを供給するアクチュエータと、
前記改質器を加熱する加熱装置と、
前記改質器に供給される混合ガスにおける含酸素燃料の濃度を推定又は検出する検出部と、
前記燃料電池が発電するように前記アクチュエータ及び前記加熱装置の動作を制御するコントローラと、を含み、
前記コントローラは、前記含酸素燃料の濃度が低いときに比して当該濃度が高いときには、前記加熱装置による前記改質器への加熱量を増加させる又は前記アクチュエータによる前記改質器への前記混合ガスの供給量を減少させる、
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であって、
前記コントローラは、前記アクチュエータによる前記混合ガスの供給量を減少させる減量制御に対して、前記加熱装置による前記加熱量を増加させる加熱制御を優先する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記検出部は、前記含酸素燃料の濃度として、前記改質器に供給される前記混合ガスの温度、及び、前記改質器から排出される前記燃料ガスの温度を検出し、
前記コントローラは、前記混合ガスの温度と前記燃料ガスの温度との温度差が大きいときに比して当該温度差が小さいときには、前記改質器への加熱量を増加させる又は前記改質器への前記混合ガスの供給量を減少させる、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記検出部は、前記含酸素燃料の濃度として前記燃料電池の出力を検出し、
前記コントローラは、前記燃料電池の出力が所定の値となるよう、前記改質器の加熱量を増加させる又は前記改質器への前記混合ガスの供給量を減少させる、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記検出部は、前記タンクに設けられ、前記水溶液に含まれる含酸素燃料の濃度を検出する、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記検出部は、前記混合ガスの温度と前記燃料ガスの温度との温度差に基づいて前記含酸素燃料の濃度を推定する、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記検出部は、前記燃料電池の出力に基づいて前記含酸素燃料の濃度を推定する、
燃料電池システム。
【請求項８】
含酸素燃料ガス及び水蒸気の混合ガスを改質する改質器と、前記改質器に前記混合ガスを供給するアクチュエータと、前記改質器を加熱する加熱装置と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記改質器によって改質された燃料ガスを前記燃料電池に供給して前記燃料電池の発電を制御する発電制御ステップと、
前記改質器に供給される前記混合ガスにおける含酸素燃料の濃度が低いときに比して当該濃度が高いときには、前記加熱装置の操作量を増加させる又は前記アクチュエータの操作量を減少させる改質制御ステップと、
を含む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】
この発明は、改質器によって生成される燃料ガスを燃料電池に供給する燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許第５７６３４０５号公報には、燃料電池に供給される燃料ガスを生成するために炭化水素ガス及び水蒸気を混合し、混合した混合ガスを改質する燃料電池システムが開示されている。
【発明の概要】
【０００３】
上述のような燃料電池システムにおいては、水蒸気を生成するための貯水タンクと、炭化水素ガスのような含酸素燃料を貯蔵するための燃料タンクの２つのタンクが必要になる。このような理由で燃料電池システムの構成が煩雑になってしまうという問題があった。
【０００４】
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、その目的は、簡素な構成で燃料ガスを生成する燃料電池システム及びその制御方法を提供することにある。
【０００５】
本発明のある態様によれば、燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池を発電させる燃料電池システムは、含酸素燃料を含む水溶液を溜めるタンクと、水溶液が気化した混合ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器とを含む。さらに燃料電池システムは、前記改質器に前記混合ガスを供給するアクチュエータと、前記改質器を加熱する加熱装置と、前記改質器に供給される混合ガスにおける含酸素燃料の濃度を推定又は検出する検出部と、前記燃料電池が発電するように前記アクチュエータ及び前記加熱装置を制御するコントローラとを含む。前記コントローラは、前記含酸素燃料の濃度が低いときに比して当該濃度が高いときには、前記加熱装置による前記改質器への加熱量を増加させる又は前記アクチュエータによる前記改質器への前記混合ガスの供給量を減少させる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】図２は、改質器の流入ガス中の含酸素燃料の濃度ごとに改質器の運転温度と改質性能との関係を例示する観念図である。
【図３】図３は、本実施形態における改質器の運転温度を制御する運転制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図４】図４は、改質器の入出温度差に応じて改質器の運転温度を変更する運転制御手法の一例を示すタイムチャートである。
【図５】図５は、改質器の流入ガス中の含酸素燃料の濃度ごとに改質器の運転温度と改質器の入出温度差の最適値との関係を例示する観念図である。
【図６】図６は、改質器の流入ガス中の含酸素燃料の濃度と燃料電池スタックの出力との関係を例示する観念図である。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態における燃料電池の出力に基づく改質器の運転制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図８】図８は、本発明の第３実施形態における燃料タンクの含酸素燃料濃度に基づく改質器の運転制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図９】図９は、本発明の第４実施形態における燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図１０】図１０は、本実施形態におけるヒータを用いた改質器の運転制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、本発明の第５実施形態における改質器へのガス供給量を変更する運転制御手法の一例を示す図である。
【図１２】図１２は、本実施形態における改質器へのガス供給量を制御する運転制御方法の一例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】
【０００７】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【０００８】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の構成の一例を示す構成図である。
【０００９】
燃料電池システム１００は、燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池を発電させる。燃料電池システム１００は、例えば、車両、飛行機又は船舶などの移動体に搭載される。本実施形態の燃料電池システム１００は、ハイブリッド車を含む電気自動車又は電車などの車両に搭載される。
【００１０】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、燃料タンク２１と、燃料ポンプ２２と、蒸発器２３と、改質器２４と、酸化剤供給装置３１と、熱交換器３２と、排気燃焼器４１と、排気制御弁４２と、コントローラ５０とを備える。
【００１１】
燃料電池スタック１０は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池により構成される。燃料電池スタック１０は、固体酸化型燃料電池又は固体高分子型燃料電池などにより実現される。本実施形態における燃料電池スタック１０は、単一の電池セルである燃料電池を複数積層した積層電池であり、固体酸化型燃料電池によって構成される。
【００１２】
燃料電池スタック１０にはＦＣ出力センサ５４が設けられている。ＦＣ出力センサ５４は、燃料電池スタック１０の出力を検出する。例えば、ＦＣ出力センサ５４は、燃料電池スタック１０から出力される電圧及び電流のうち少なくとも一方の電気信号を検出する。
【００１３】
本実施形態のＦＣ出力センサ５４は、燃料電池スタック１０の電圧値及び電流値を検出し、検出した電流値に電圧値を乗算して得られる電力値を燃料電池スタック１０の出力としてコントローラ５０に出力する。
【００１４】
燃料タンク２１は、燃料ガスの生成に必要となる含酸素燃料及び水を含む水溶液を蓄える。含酸素燃料とは、アルコール又はメチルターシャリーブチルエーテル（ＭＴＢＥ）などの含酸素化合物を含む燃料のことである。本実施形態の燃料タンク２１には、エタノール水溶液が蓄えられる。例えば、エタノール４５％ｖｏｌの水溶液が燃料タンク２１に供給される。
【００１５】
燃料タンク２１には燃料濃度センサ５１が設けられている。燃料濃度センサ５１は、燃料タンク２１に蓄えられた水溶液中の含酸素燃料の濃度を検出する検出部である。そして燃料濃度センサ５１は、検出した値をコントローラ５０に出力する。
【００１６】
燃料ポンプ２２は、燃料タンク２１に蓄えられた水溶液を吸引して蒸発器２３に供給するアクチュエータである。さらに燃料ポンプ２２は、蒸発器２３及び改質器２４を介して燃料電池スタック１０に燃料ガスを供給する。すなわち、燃料ポンプ２２は、蒸発器２３から出力されるガスを改質器２４に供給する機能を有する。
【００１７】
蒸発器２３は、燃料ポンプ２２から供給された水溶液を気化して水蒸気に含酸素燃料ガスが含まれる混合ガスを生成する。蒸発器２３は、排気燃焼器４１からの排ガスによって加熱される。蒸発器２３に流入する排ガスは、燃料電池システム１００の外部に排出される。
【００１８】
本実施形態の蒸発器２３には、排気制御弁４２を介して改質器２４を通過してくる排ガスと、排気制御弁４２から蒸発器２３に直接供給されてくる排ガスとのうち、少なくとも一方の排ガスにより熱量が供給される。蒸発器２３によって気化された含酸素燃料ガス及び水蒸気の混合ガスは、改質器２４に供給される。
【００１９】
改質器２４は、改質触媒を有し、蒸発器２３からの混合ガスを改質することにより、燃料電池スタック１０に供給される燃料ガスを生成する。改質器２４においては混合ガス中の含酸素燃料ガス及び水蒸気が触媒反応を起して燃料ガスが生成される。
【００２０】
すなわち、改質器２４では水蒸気を用いて含酸素燃料ガスを改質する水蒸気改質が行われる。本実施形態の改質器２４は、含酸素燃料であるエタノールを水蒸気改質することにより、燃料電池スタック１０の燃料ガスである水素ガスを生成する。
【００２１】
改質器２４には、検出部を構成する入口温度センサ５２及び出口温度センサ５３が設けられている。入口温度センサ５２は、改質器２４に供給される混合ガスの供給温度を検出し、検出した値をコントローラ５０に出力する。出口温度センサ５３は、改質器２４から排出される燃料ガスの排出温度を検出し、検出した値をコントローラ５０に出力する。なお、入口温度センサ５２及び出口温度センサ５３は一体として構成されるものであってもよい。
【００２２】
酸化剤供給装置３１は、燃料電池スタック１０に酸化剤ガスを供給する。酸化剤供給装置３１は、例えば、コンプレッサ又はポンプにより実現される。本実施形態の酸化剤供給装置３１は、酸化剤ガスとして空気を吸引して燃料電池スタック１０に供給する。
【００２３】
熱交換器３２は、燃料電池スタック１０の温度を上昇又は維持させるために、酸化剤供給装置３１から燃料電池スタック１０に供給される空気を加熱する。熱交換器３２は、加熱した空気を燃料電池スタック１０に出力する。熱交換器３２は、排気燃焼器４１からの排ガスと酸化剤供給装置３１からの空気との間で熱交換を行う。これにより、排ガスの熱量が空気に供給されるので、燃料電池スタック１０に供給される空気の温度が上昇する。
【００２４】
排気燃焼器４１は、燃料電池スタック１０から排出される燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼させる。本実施形態の排気燃焼器４１は、燃料電池スタック１０から排出された水素ガス及び空気を燃焼させる。水素ガス及び空気の燃焼によって生成される高温の排ガスが熱交換器３２に供給される。
【００２５】
排気制御弁４２は、熱交換器３２を介して排気燃焼器４１から排出される排ガスの熱量を改質器２４に供給する。すなわち、排気燃焼器４１及び排気制御弁４２は、改質器２４を加熱する加熱装置を構成する。排気制御弁４２は、熱交換器３２から改質器２４に排出される排ガスの流量を制御する。
【００２６】
本実施形態の排気制御弁４２は、熱交換器３２から蒸発器２３に供給される排ガスの一部を改質器２４に供給する。排気制御弁４２の開度が大きくなるほど、熱交換器３２から改質器２４に供給される排ガスの流量が増加する。
【００２７】
コントローラ５０は、燃料電池システム１００の動作を制御する制御装置である。コントローラ５０は、あらかじめ定められた処理がプログラムされた中央演算処理装置（ＣＰＵ；Central Processing Unit）及び記憶装置を備える１つ又は複数のマイクロコンピュータによって構成される。
【００２８】
コントローラ５０は、燃料電池システム１００が起動されると、燃料電池スタック１０への燃料ガス及び酸化剤ガスの各供給流量が目標値となるように燃料ポンプ２２及び酸化剤供給装置３１の各々の動作を制御する。
【００２９】
燃料ガス及び酸化剤ガスについての各目標値は、燃料電池スタック１０の発電に必要となる流量を示す発電要求流量に基づいて定められる。例えば、発電要求流量は、燃料電池スタック１０の定格出力を基準にあらかじめ定められる。例えば、燃料電池スタック１０の温度が高くなるほど、燃料電池スタック１０の定格出力が大きくなる傾向を有する燃料電池システムにおいては、コントローラ５０が燃料電池スタック１０の温度が高くなるほど発電要求流量が増加するように設定値を補正してもよい。
【００３０】
あるいは、発電要求流量は、不図示のアクセルペダルの踏込み量を検出するアクセルセンサの検出値に基づいて算出されるものであってもよい。このような場合には、アクセルペダルの踏込み量が大きくなるほど発電要求流量は大きな値に設定される。または、燃料電池システム１００をバッテリと併用する電源システムにおいて、バッテリの充電量、例えばＳＯＣ（State Of Charge）が小さくなるほど、コントローラ５０が発電要求流量を大きな値に設定するようにしてもよい。
【００３１】
本実施形態において含酸素燃料に相当するエタノールは水に比べて揮発性が高いことから、燃料タンク２１に水溶液が供給された後、時間が経過するにつれて水溶液中のエタノール濃度は徐々に低下する。このようなエタノール濃度の経時変化が原因となり、改質器２４に供給される混合ガス中のエタノール供給量が低下し、これに伴って改質器２４での水素ガスの生成量が減少する。その結果、燃料電池スタック１０に供給される水素ガスの流量が不足してしまう。
【００３２】
上述の対策として、水溶液中のエタノール濃度の経時変化を考慮してエタノール濃度が高い水溶液を用意して燃料タンク２１に供給するようにしてもよい。しかしながら、このような対策ではエタノール濃度が上昇することで改質器２４のガス組成が変化してしまう。
【００３３】
図２は、改質器２４の温度に対する改質性能を示す温度特性と改質器２４の流入ガス中の含酸素燃料濃度との関係を示す観念図である。
【００３４】
図２においては横軸が改質器２４の運転温度を示し、縦軸が改質器２４の改質性能を示す。改質器２４の改質性能が高くなるほど、改質器２４へのガス供給量に対する改質器２４での燃料ガスの生成量の割合が大きくなる。
【００３５】
図２に示すように、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度が高くなるほど、すなわち、混合ガス中の水蒸気が少なくなるほど、改質器２４の改質性能が低下する。改質器２４の改質性能が低下すると、改質器２４での燃料ガスの生成量が減少し、改質器２４から燃料電池スタック１０への水素ガスの供給流量が不足してしまう。
【００３６】
そのため、仮に含酸素燃料の濃度が時間と共に低下することを考慮して含酸素燃料濃度の高い水溶液を燃料タンク２１に供給したとしても、水溶液の供給直後は改質器２４の含酸素燃料の濃度が必要以上に高くなり、改質器２４から燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給流量が不足することになる。
【００３７】
この対策として本実施形態のコントローラ５０は、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度を特定するための濃度パラメータを取得し、その濃度パラメータの大きさに応じて改質器２４の運転状態を変更する。
【００３８】
本実施形態におけるコントローラ５０は、改質器２４に供給される混合ガス中の含酸素燃料の濃度を推定する検出部を構成する。コントローラ５０は、濃度パラメータとして、燃料濃度センサ５１の検出値、入口温度センサ５２及び出口温度センサ５３の各検出値、又は、ＦＣ出力センサ５４の検出値を取得する。そしてコントローラ５０は、取得した検出値の大きさに応じて、燃料ポンプ２２及び排気制御弁４２のうち、少なくとも一方の補機の操作量を変更する。
【００３９】
図３は、改質器２４の運転状態を制御する運転制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。
【００４０】
ステップＳ１０においてコントローラ５０は、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度と相関関係を有する改質器２４の入出温度差ΔＴを取得する。本実施形態のコントローラ５０は、入口温度センサ５２の検出値から出口温度センサ５３の検出値を減じた温度差分を改質器２４の入出温度差ΔＴとして取得する。
【００４１】
図２に示したように、例えば、混合ガス中の含酸素燃料の濃度が高くなるほど、改質器２４への含酸素燃料の供給量が過剰になり、水蒸気の供給量が不足するため、改質器２４での吸熱反応が進行し難くなって改質性能が低下する。その結果、改質器２４の入出温度差ΔＴが小さくなる。改質器２４における混合ガス中の含酸素燃料の濃度と入出温度差ΔＴとの関係については図４で後述する。
【００４２】
ステップＳ２０においてコントローラ５０は、改質器２４の入出温度差ΔＴが改質器２４の運転変更閾値Ｔ１以下であるか否かを判断する。そしてコントローラ５０は、入出温度差ΔＴが運転変更閾値Ｔ１を上回る場合には、改質器２４の混合ガス中の含酸素燃料の濃度が最適値に近い状態、すなわち含酸素燃料の濃度が高くない状態であると判断し、ステップＳ１０の処理に戻る。
【００４３】
上述の運転変更閾値Ｔ１は、改質器２４の運転状態を変更するための閾値である。運転変更閾値Ｔ１は、改質器２４から燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給流量が燃料電池スタック１０の発電に必要となる燃料ガスの要求流量下限値を下回らないような改質器２４の入出温度差に定められる。
【００４４】
すなわち、運転変更閾値Ｔ１は、改質器２４に供給される混合ガスの供給量に対する燃料ガス生成量の割合が一定の値以上に維持されるように定められる。運転変更閾値Ｔ１は、例えば、実験データやシミュレーション結果などを基準にしてあらかじめ定められる。本実施形態では運転変更閾値Ｔ１は約２００℃に設定される。
【００４５】
ステップＳ３０においてコントローラ５０は、改質器２４の入出温度差ΔＴが運転変更閾値Ｔ１以下である場合には、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度が高い状態であると判断し、改質器２４の加熱制御を実行する。
【００４６】
具体的には、コントローラ５０は、改質器２４への排ガス供給量が増加するよう排気制御弁４２の開度を所定のステップ幅だけ増加させる。これにより、排気制御弁４２が開かれて改質器２４に供給される排ガスの熱量が増加するので、改質器２４の運転温度が上昇する。
【００４７】
ステップＳ４０においてコントローラ５０は、所定の時間経過後に改質器２４の入出温度差ΔＴをあらたに取得し、その入出温度差ΔＴが改質器２４の変更解除閾値Ｔ２以上であるか否かを判断する。
【００４８】
上述の変更解除閾値Ｔ２は、改質器２４の運転状態を変更前の状態に戻すための閾値である。変更解除閾値Ｔ２は、改質器２４の改質性能が充分に維持されるような改質器２４の入出温度差に定められる。変更解除閾値Ｔ２は、運転変更閾値Ｔ１に対して同一の値でもよく、運転変更閾値Ｔ１よりも小さな値であってもよい。
【００４９】
コントローラ５０は、改質器２４の入出温度差ΔＴが変更解除閾値Ｔ２を上回る場合には、ステップＳ３０の処理に戻り、排気制御弁４２の開度を所定のステップ幅だけ増加させる。
【００５０】
一方、コントローラ５０は、改質器２４の入出温度差ΔＴが変更解除閾値Ｔ２以下になった場合には、改質器２４のガス組成が改善したと判断し、改質器２４の加熱制御を停止して、改質器２４の運転制御方法に関する一連の処理手順を終了する。
【００５１】
図４は、排気制御弁４２の開度を制御して改質器２４を加熱する加熱制御の一例を示すタイミングチャートである。
【００５２】
図４には、破線により改質器２４の入口温度が示され、実線により改質器２４の出口温度が示されている。ここでは縦軸が改質器２４の運転温度を示し、横軸は改質器２４の運転時間を示す。
【００５３】
時刻ｔ０において、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度が高くなり、改質器２４での吸熱反応が進行して改質器２４の出口温度が低下する。その結果、改質器２４の入出温度差ΔＴが運転変更閾値Ｔ１まで大きくなる。以下に混合ガス中の含酸素燃料の濃度上昇に伴い改質器２４の入出温度差ΔＴが大きくなる理由について簡単に説明する。
【００５４】
本実施形態の改質器２４では、エタノール（Ｃ2Ｈ5ＯＨ）及び水蒸気（Ｈ2Ｏ）の混合ガスを改質して水素ガス（Ｈ2）を生成するために、次のような代表的な化学反応が生じる。
【００５５】
Ｃ2Ｈ5ＯＨ ＋３Ｈ2Ｏ      →  ６Ｈ2＋２ＣＯ2
【００５６】
上述の化学式を具体的に表わすと、以下のように複数の化学式によって表わすことができる。
【００５７】
Ｃ2Ｈ5ＯＨ            →  ＣＨ3ＣＨＯ＋Ｈ2    ・・・（１）
ＣＨ3ＣＨＯ           →  ＣＨ4＋ＣＯ         ・・・（２）
ＣＨ3ＣＨＯ＋Ｈ2Ｏ    →  ３Ｈ2Ｏ＋２ＣＯ     ・・・（３）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ           ⇔  ＣＯ2＋Ｈ2          ・・・（４）
Ｃ2Ｈ5ＯＨ            →  Ｃ2Ｈ4＋Ｈ2Ｏ       ・・・（５）
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ          ⇔  ３Ｈ2＋ＣＯ         ・・・（６）
【００５８】
上述の（２）及び（４）の化学反応は発熱反応であるのに対して（１）、（３）、（５）及び（６）の化学反応は吸熱反応である。このように改質器２４では、発熱反応よりも吸熱反応が多く、全体としても吸熱反応が支配的である。
【００５９】
例えば、改質器２４に流入する混合ガス中のエタノール濃度が最適値よりも高くなると、上述の（１）及び（６）の各化学反応の進行度合いが変化して、水素ガスの生成量が減少する。すなわち、改質器２４のガス組成が悪化する。具体的には、エタノール濃度が高くなるほど、水蒸気（Ｈ2Ｏ）が不足気味になるため、水蒸気がかかわる（３）、（４）及び（６）の化学反応の進行度合いが悪くなる。
【００６０】
図４に示すように、混合ガス中のエタノール濃度が最適値よりも高くなると、吸熱反応が進行し難くなり、改質器２４の出口温度が上昇する。このように混合ガス中の含酸素燃料の濃度が高くなるほど、改質器２４の出口温度が低下し難くなるので、改質器２４の入出温度差ΔＴが小さくなる。このように改質器２４の入出温度差ΔＴは、混合ガス中のエタノール濃度と相関性を有する。
【００６１】
時刻ｔ０では、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度が高い状態であるため、改質器２４のガス組成が悪化して改質器２４の入出温度差ΔＴが運転変更閾値Ｔ１まで小さくなる。この対策としてコントローラ５０は、改質器２４の運転状態を変更するために改質器２４の加熱制御を実行する。
【００６２】
具体的には、コントローラ５０は、改質器２４への排ガスの供給量が増加するように排気制御弁４２の開度をあらかじめ定められた値まで大きくする。これにより、改質器２４に供給される排ガスの熱量が増加するので、改質器２４の吸熱反応が進行し易くなり、改質器２４の出口温度が低下する。このため、改質器２４のガス組成が徐々に改善してくる。
【００６３】
時刻ｔ１において改質器２４の入出温度差ΔＴが変更解除閾値Ｔ２よりも大きくなる。これに伴ってコントローラ５０は、改質器２４の運転状態を変更前の運転状態に戻すために改質器２４の加熱制御を停止する。
【００６４】
具体的には、コントローラ５０は、改質器２４の入出温度差ΔＴが維持されるように排気制御弁４２の開度を変更前の値又は特定の値に設定する。これにより、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料濃度の低下に伴う燃料ガスの生成量の減少を抑制することができる。
【００６５】
図５は、改質器２４の加熱制御についての他の例を説明する図である。
【００６６】
図５には、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度ごとに、改質器２４の運転温度と改質器２４の入出温度差の最適値を示す改質器２４の入出最適温度差との関係が示されている。
【００６７】
図５では、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度が下限値まで低下した場合における改質器２４の通常運転温度Ｔｏ１での改質器２４の入出最適温度差が目標温度差ΔＴｔとして設定される。
【００６８】
これに対して、燃料タンク２１に水溶液が供給された直後は改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度は上限値と同等になる。含酸素燃料の濃度の上限値において、改質器２４の入出最適温度差が目標温度差ΔＴｔと一致するように、改質器２４の目標運転温度Ｔｏ２が定められる。
【００６９】
このため、図２に示したステップＳ２０において改質器２４の入出温度差ΔＴが運転変更閾値Ｔ１以下になった場合には、コントローラ５０は、改質器２４の運転温度を目標運転温度Ｔｏ２まで上昇させるようにしてもよい。この場合、改質器２４の運転温度としては、例えば、改質器２４の入口温度、改質器２４の出口温度、又は、改質器２４の入口温度と出口温度との平均値などが用いられる。
【００７０】
図５に示したように、改質器２４の含酸素燃料濃度の上限値での改質器２４の入出最適温度差が目標温度差ΔＴｔとなるように改質器２４の目標運転温度Ｔｏ２が求められる。すなわち、改質器２４の通常運転温度Ｔｏ１での目標温度差ΔＴｔを基準にして、含酸素燃料の濃度ごとに改質器２４の目標運転温度が求められる。
【００７１】
したがって、コントローラ５０は、改質器２４の通常運転温度Ｔｏ１での入出温度差ΔＴが目標温度差ΔＴｔとなるように改質器２４の目標運転温度を変更するようにしてもよい。このような場合には、改質器２４に流入ガス中の含酸素燃料の濃度が高過ぎる状態から最適値まで低下するにつれて、コントローラ５０は改質器２４の目標運転温度を下げる。
【００７２】
本発明の第１実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０を構成する燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池スタック１０を発電させる。この燃料電池システム１００は、含酸素燃料を含む水溶液を溜める燃料タンク２１と、水溶液が気化した水蒸気及び含酸素燃料ガスの混合ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器２４と、改質器２４に混合ガスを供給するアクチュエータを構成する燃料ポンプ２２とを含む。
【００７３】
さらに燃料電池システム１００は、改質器２４を加熱する加熱装置を構成する排気燃焼器４１及び排気制御弁４２と、改質器２４に供給される混合ガスの含酸素燃料の濃度を推定又は検出する検出部とを含む。この検出部は、例えば、コントローラ５０と、燃料濃度センサ５１と、入口温度センサ５２及び出口温度センサ５３の両者と、ＦＣ出力センサ５４とのうち少なくとも１つによって構成される。さらに燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０が発電するように燃料ポンプ２２及び排気制御弁４２の動作を制御するコントローラ５０を含む。
【００７４】
そして、コントローラ５０は、改質器２４に供給される混合ガス中の含酸素燃料の濃度が低いときに比してその含酸素燃料の濃度が高いときには、排気制御弁４２による改質器２４への加熱量を増加させる。または、コントローラ５０は、混合ガス中の含酸素燃料の濃度が低いときに比してその含酸素燃料の濃度が高いときには、燃料ポンプ２２による改質器２４への混合ガスの供給量を減少させる。
【００７５】
すなわち、コントローラ５０は、改質器２４における含酸素燃料の濃度が低いときに比してその含酸素燃料の濃度が高いときには、排気制御弁４２の開度を示す操作量を増加させる、又は燃料ポンプ２２の回転速度を示す操作量を減少させる。
【００７６】
燃料電池システム１００において、燃料タンク２１に蓄えられた水溶液中の含酸素燃料の濃度は、例えば含酸素燃料及び水の両者の揮発性の違いなどが原因となり、時間の経過と共に低下する。これに伴って、改質器２４に供給される混合ガス中の含酸素燃料の濃度も低下するため、改質器２４のガス組成が悪化して燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給量が不足することが懸念される。
【００７７】
これに対して本実施形態によれば、コントローラ５０は、混合ガス中の含酸素燃料の濃度が低いときに比して含酸素燃料の濃度が高いときには、燃料ポンプ２２の操作量を減少させる、又は排気制御弁４２の操作量を増加させる。これにより、改質器２４のガス組成の悪化を抑制することができる。
【００７８】
例えば、水溶液中の含酸素燃料の揮発性を考慮して燃料タンク２１に含酸素燃料の濃度が最適値よりも高い水溶液を供給した場合において水溶液の供給直後は、濃度パラメータにて特定される混合ガス中の含酸素燃料の濃度が最適値よりも高くなる。このような場合にはコントローラ５０は、燃料ポンプ２２を制御して改質器２４への混合ガスの供給量を減少させる。これにより、改質器２４への含酸素燃料の過剰供給が抑制されるので、改質器２４のガス組成が改善し、燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給不足を回避することができる。
【００７９】
あるいは、時間に経過に伴って燃料タンク２１の含酸素燃料の濃度が最適値よりも低下するような場合には、コントローラ５０は、燃料ポンプ２２を制御して改質器２４への混合ガスの供給量を増加させる。これにより、燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給不足を回避することができる。
【００８０】
このように、燃料タンク２１の含酸素燃料の濃度が変化した場合において改質器２４の運転状態を変更することが可能になるので、燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給不足に伴う燃料電池の劣化などを回避することができる。すなわち、燃料電池スタック１０の発電性能の低下を抑制することができる。
【００８１】
したがって、含酸素燃料及び水を混合して１つの燃料タンク２１に蓄えることが可能な燃料電池システム１００を提供することができる。このため、純水を貯める貯水タンクと、含酸素燃料を貯蔵する燃料タンクと、を個別に設ける必要がなくなるため、混合ガスを改質する燃料電池システム１００を簡素に構成することができる。
【００８２】
また、本実施形態によれば、含酸素燃料の濃度に相関関係のある濃度パラメータとして、改質器２４の入口温度センサ５２が、改質器２４に供給される混合ガスの供給温度を検出するとともに、出口温度センサ５３が改質器２４から排出される燃料ガスの排出温度とを検出する。
【００８３】
そしてコントローラ５０は、図４に示したように、上述の混合ガスの供給温度に対応する改質器２４の入口温度と、上述の燃料ガスの排出温度に対応する改質器２４の出口温度との入出温度差ΔＴを算出する。コントローラ５０は、算出した入出温度差ΔＴが大きいときに比して入出温度差ΔＴが小さいときには、燃料ポンプ２２の操作量を減少させる又は排気制御弁４２の操作量を増加させる。
【００８４】
例えば、図２で述べたように、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度が高くなり過ぎると、改質器２４のガス組成が悪化して吸熱反応の化学反応が進行し難くなり、改質器２４の入出温度差ΔＴが小さくなる。このように改質器２４の入出温度差ΔＴは、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度と相関関係を有する。
【００８５】
このため、本実施形態のコントローラ５０は、上述の相関関係を利用することで、改質器２４の改質性能の低下を抑制する。具体的には、図３のステップＳ３０で述べたとおり、コントローラ５０は、改質器２４の入出温度差ΔＴが運転変更閾値Ｔ１以下である場合には、排気制御弁４２の開度を増加させる。
【００８６】
このように、改質器２４の入出温度差ΔＴを用いることにより、既に改質器２４に設けられている入口温度センサ５２及び出口温度センサ５３を流用することができる。そして、改質器２４の入出温度差ΔＴが運転変更閾値Ｔ１以下である場合には、コントローラ５０は、混合ガス中の含酸素燃料の濃度が高い状態であると判断し、改質器２４の運転温度を上昇させる。これにより、改質器２４の改質性能が改善するので、燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給量が減少するのを抑制することができる。
【００８７】
したがって、燃料タンク２１に新たに燃料濃度センサ５１を設けることなく、水溶液の含酸素燃料の濃度低下に伴う改質器２４の改質性能の低下を抑制することができる。すなわち、燃料電池システム１００を簡易な構成により提供することができる。
【００８８】
本実施形態のコントローラ５０は、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度を推定することなく、改質器２４の入出温度差ΔＴに基づいて改質器２４のガス組成が悪化しているか否かを推定した。しかしながら、コントローラ５０は、改質器２４の入出温度差ΔＴに基づいて混合ガス中の含酸素燃料の濃度を推定するようにしてもよい。
【００８９】
この場合は、改質器２４の入出温度差と混合ガス中の含酸素燃料の濃度との関係を示す温度マップをコントローラ５０にあらかじめ記憶しておき、コントローラ５０は、改質器２４の入出温度差ΔＴを算出すると、温度マップを参照して、算出した入出温度差ΔＴに関係付けられた含酸素燃料の濃度を推定する。
【００９０】
これにより、図２に示したように、改質器２４における含酸素燃料の濃度の推定値ごとに改質器２４の運転温度を変更することが可能になるので、改質器２４を過剰に昇温することを抑制することができる。したがって、排気燃焼器４１での燃料ガスの消費を抑制することが可能になる。
【００９１】
また、本実施形態のコントローラ５０は、燃料ポンプ２２による改質器２４への混合ガスの供給量を減少させる減量制御に対して、排気制御弁４２による改質器２４への加熱量を増加させる加熱制御を優先するものであってもよい。例えば、改質器２４の入出温度差ΔＴが運転変更閾値Ｔ１以下である場合には、コントローラ５０は、まず排気制御弁４２を制御して改質器２４を加熱する。その後、所定の期間が経過しても入出温度差ΔＴが運転変更閾値Ｔ１以下である場合、又は改質器２４の温度上昇率が所定の値よりも小さい場合には、コントローラ５０は、燃料ポンプ２２を制御して改質器２４への混合ガスの供給量を減少させる。このように、加熱制御の応答遅れに伴い改質器２４の加熱が不十分であるときに減量制御を実行することにより、改質器２４の改質性能の改善を速やかに補うことができる。したがって、改質器２４の改質性能の低下を早期に改善することができる。
【００９２】
（第２実施形態）
図６は、改質器２４の流入ガス中の含酸素燃料の濃度と燃料電池スタック１０の出力との関係を示す観念図である。
【００９３】
図６に示すように、含酸素燃料の濃度が特定の値Ｃ０よりも高くなるほど、燃料電池スタック１０から出力される電力、具体的には電流が低下する。この理由は、含酸素燃料の濃度が特定の値Ｃ０よりも高くなるほど、改質器２４のガス組成が悪くなって燃料ガスの生成量が減少するので、改質器２４から燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給流量が不足するからである。
【００９４】
このように、燃料電池スタック１０の出力は、改質器２４における含酸素燃料の濃度と相関性を有する。このため、燃料電池スタック１０の出力の検出値又は推定値が、燃料電池スタック１０の目標出力よりも低下した場合には、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度が高い状態であると推定することができる。
【００９５】
図７は、本発明の第２実施形態における改質器２４の運転制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。
【００９６】
ステップＳ１１においてコントローラ５０は、ＦＣ出力センサ５４から、燃料電池スタック１０の出力電力Ｐを示す検出値を取得する。
【００９７】
ステップＳ２１においてコントローラ５０は、燃料電池スタック１０の出力電力Ｐが改質器２４の運転変更閾値Ｐ１以下であるか否かを判断する。そしてコントローラ５０は、燃料電池スタック１０の出力電力Ｐが運転変更閾値Ｐ１を上回る場合には、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度が高くないと判断し、ステップＳ１１の処理に戻る。
【００９８】
上述の運転変更閾値Ｐ１は、図３のステップＳ２０で述べた運転変更閾値Ｔ１と同様に、改質器２４から燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給流量が要求流量下限値を下回ることがないような燃料電池スタック１０の出力電力に定められる。
【００９９】
例えば、運転変更閾値Ｐ１は、図６に示した特定の値Ｃ０に対応する燃料電池スタック１０の出力電力の値を基準に定められる。本実施形態では運転変更閾値Ｐ１は、燃料電池スタック１０の定格出力に対して１０％の電力値に設定される。
【０１００】
ステップＳ３１においてコントローラ５０は、燃料電池スタック１０の出力電力Ｐが運転変更閾値Ｐ１以下である場合には、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度が高い状態であると判断する。そしてコントローラ５０は、図３のステップＳ３０で述べたように改質器２４の加熱制御を実行する。
【０１０１】
ステップＳ４１においてコントローラ５０は、所定の時間経過後に燃料電池スタック１０の出力電力Ｐをあらたに取得し、その出力電力Ｐが改質器２４の変更解除閾値Ｐ２以上であるか否かを判断する。
【０１０２】
上述の変更解除閾値Ｐ２は、図３のステップ４０で述べた変更解除閾値Ｔ２と同様、改質器２４の改質性能が充分に維持されるような燃料電池スタック１０の出力電力に定められる。例えば、変更解除閾値Ｐ２は、例えば、図６に示した特定の値Ｃ０に対応する燃料電池スタック１０の出力電力の値よりも大きな値に定められる。
【０１０３】
そしてコントローラ５０は、燃料電池スタック１０の出力電力Ｐが変更解除閾値Ｐ２下回る場合には、ステップＳ３１の処理に戻り、排気制御弁４２の開度を所定のステップ幅だけ増加させる。
【０１０４】
一方、コントローラ５０は、燃料電池スタック１０の出力電力Ｐが変更解除閾値Ｐ２以上である場合には、改質器２４のガス組成が改善したと判断し、改質器２４の運転制御方法に関する一連の処理手順を終了する。なお、本実施形態の改質器２４の運転制御方法においてはステップＳ４１の処理に代えて図３のステップＳ４０の処理を実行してもよい。
【０１０５】
本発明の第２実施形態によれば、図１に示したＦＣ出力センサ５４は、混合ガス中の含酸素燃料の濃度に相関関係のある濃度パラメータとして、燃料電池スタック１０の出力電力Ｐを検出する。図６に示したように、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度が特定の値Ｃ０に対して高くなるほど、改質器２４のガス組成が悪くなるため、燃料電池スタック１０の出力電力は低下する。このように、燃料電池スタック１０の出力は含酸素燃料の濃度と相関関係がある。
【０１０６】
そしてコントローラ５０は、図７のステップＳ３１及びＳ４１に示したように、燃料電池スタック１０の出力電力Ｐが所定の値を示す変更解除閾値Ｐ２となるように排気制御弁４２の開度を示す操作量を増加させる。すなわち、コントローラ５０は、燃料電池スタック１０の出力に応じて、排気制御弁４２の開度の操作量を通常運転時の値から変更する。
【０１０７】
このため、本実施形態のコントローラ５０は、上述の相関関係を利用して、燃料電池スタック１０の出力電力Ｐを用いて改質器２４の運転状態を変更する。このように、通常、燃料電池スタック１０に設けられているＦＣ出力センサ５４を流用することで、改質器２４の運転状態を変更することが可能になる。
【０１０８】
したがって、燃料タンク２１に燃料濃度センサ５１を設けることなく、水溶液の含酸素燃料の濃度低下に伴う改質器２４の改質性能の低下を抑制することができる。すなわち、燃料電池システム１００を簡易な構成により提供することができる。
【０１０９】
本実施形態ではコントローラ５０が、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度を推定することなく、燃料電池スタック１０の出力電力Ｐに基づいて改質器２４のガス組成の悪化を推定した。しかしながら、コントローラ５０は、燃料電池スタック１０の出力電力Ｐに基づいて混合ガス中の含酸素燃料の濃度を推定するようにしてもよい。
【０１１０】
この場合は、図６に示したように、燃料電池スタック１０の出力電力と混合ガス中の含酸素燃料の濃度との関係を示す出力マップをコントローラ５０にあらかじめ記憶しておき、コントローラ５０は、燃料電池スタック１０の出力電力Ｐを取得すると、出力マップを参照して、取得した出力電力Ｐに関係付けられた含酸素燃料の濃度を推定する。
【０１１１】
これにより、図２に示したように、改質器２４における含酸素燃料の濃度の推定値ごとに改質器２４の運転温度を変更することが可能になるので、改質器２４を過剰に昇温することを抑制することができる。
【０１１２】
また、本実施形態では混合ガス中の含酸素燃料の濃度を特定するための濃度パラメータとして燃料電池スタック１０の出力電力Ｐを用いたが、図１に示した燃料濃度センサ５１の検出値を用いてもよい。    
【０１１３】
(第３実施形態)
図８は、本発明の第３実施形態における改質器２４の運転制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。
【０１１４】
ステップＳ１２においてコントローラ５０は、燃料濃度センサ５１から、燃料タンク２１における水溶液中の含酸素燃料の濃度Ｃを示す検出値を取得する。
【０１１５】
ステップＳ２２においてコントローラ５０は、燃料タンク２１における水溶液中の含酸素燃料の濃度Ｃが改質器２４の運転変更閾値Ｃ１以上であるか否かを判断する。そしてコントローラ５０は、含酸素燃料の濃度Ｃが運転変更閾値Ｃ１を下回る場合には、改質器２４に流入する混合ガスの含酸素燃料の濃度が高くないと判断し、ステップＳ１１の処理に戻る。
【０１１６】
運転変更閾値Ｃ１は、図３のステップＳ２０で述べた運転変更閾値Ｔ１と同様、改質器２４から燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給流量が要求流量下限値を下回ることがないような燃料タンク２１の含酸素燃料の濃度に定められる。例えば運転変更閾値Ｃ１は５０％ｖｏｌに設定される。
【０１１７】
ステップＳ３２においてコントローラ５０は、含酸素燃料の濃度Ｃが運転変更閾値Ｃ１以下である場合には、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度が高い状態であると判断する。そしてコントローラ５０は、図３のステップＳ３０で述べたように改質器２４の加熱制御を実行する。
【０１１８】
ステップＳ４２においてコントローラ５０は、所定の時間経過後に含酸素燃料の濃度Ｃをあらたに取得し、その濃度Ｃが改質器２４の変更解除閾値Ｃ２以下であるか否かを判断する。
【０１１９】
上述の変更解除閾値Ｃ２は、図３のステップ４０で述べた変更解除閾値Ｔ２と同様、改質器２４の改質性能が充分に維持されるような燃料タンク２１の含酸素燃料濃度に定められる。
【０１２０】
そしてコントローラ５０は、含酸素燃料の濃度Ｃが変更解除閾値Ｃ２を上回る場合には、ステップＳ３２の処理に戻り、排気制御弁４２の開度を所定のステップ幅だけ増加させる。
【０１２１】
一方、コントローラ５０は、含酸素燃料の濃度Ｃが変更解除閾値Ｃ２以下である場合には、改質器２４のガス組成が悪化することはないと判断し、改質器２４の運転制御方法に関する一連の処理手順を終了する。なお、本実施形態の改質器２４の運転制御方法においてはステップＳ４２の処理に代えて図３のステップＳ４０の処理又は図７のステップＳ４１の処理を実行してもよい。
【０１２２】
本発明の第３実施形態によれば、燃料濃度センサ５１は、燃料タンク２１に設けられ、水溶液に含まれる含酸素燃料の濃度を濃度パラメータとして検出する。燃料タンク２１における含酸素燃料の濃度の検出値については、改質器２４の入出温度差ΔＴに基づく推定値又は燃料電池スタック１０の出力電力Ｐに基づく推定値よりも誤差が小さい。
【０１２３】
このため、コントローラ５０は、燃料濃度センサ５１の検出値を用いることにより、的確に改質器２４の加熱、又は改質器２４への混合ガスの減量を行うことができる。したがって、燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給不足をより確実に回避することができる。
【０１２４】
（第４実施形態）
上述の実施形態では図１に示したように改質器２４への排ガス供給量が増加するよう排気制御弁４２の開度を大きくして改質器２４を加熱したが、改質器２４を加熱する手法はこれに限られるものではない。そこで本発明の第４実施形態では改質器２４を加熱する他の手法について図９を参照して説明する。
【０１２５】
図９は、本発明の第４実施形態における燃料電池システム１０１の構成の一例を示す構成図である。
【０１２６】
燃料電池システム１０１は、図１に示した燃料電池システム１００の排気制御弁４２に代えてヒータ４３を備えている。他の構成については燃料電池システム１００と同一の構成であるため、これらの構成については詳細な説明は省略する。
【０１２７】
ヒータ４３は、改質器２４を加熱する加熱装置を構成する。ヒータ４３は、改質器２４の周囲に設けられ、改質器２４に熱量を供給する。すなわち、ヒータ４３の発熱量は、コントローラ５０により制御される。
【０１２８】
コントローラ５０は、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度が高い状態である場合にヒータ４３の発熱量を増加させる。
【０１２９】
本実施形態におけるコントローラ５０は、含酸素燃料の濃度に関する濃度パラメータを検出し、検出した濃度パラメータが所定の判断閾値を超えるか否かを判断する。判断閾値は、改質器２４の改質性能が悪化した状態であるか否かを判断するために定められた閾値である。例えば、コントローラ５０は、検出した濃度パラメータが所定の判断閾値を超える場合には、混合ガス中の含酸素燃料の濃度が高い状態であると判断し、ヒータ４３の作動状態を停止状態（ＯＦＦ）から発熱状態（ＯＮ）に切り替える。
【０１３０】
図１０は、本実施形態における改質器２４の運転制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。
【０１３１】
本実施形態の運転制御方法においてコントローラ５０は、図３に示した運転制御方法のうちステップＳ３０の処理に代えてステップＳ３３の処理を実行する。他のステップについては、図３に示したステップＳ１０、Ｓ２０及びＳ３０の各処理と同一であるため、同一符号を付して説明を省略する。
【０１３２】
ステップＳ３３においてコントローラ５０は、改質器２４の入出温度差ΔＴが上述の運転変更閾値Ｔ１以下である場合には、ヒータ４３の発熱量を増加させる。これにより、改質器２４が加熱されるので、改質器２４の吸熱反応が促進するように改質器２４の運転温度を上昇させることができる。
【０１３３】
例えば、コントローラ５０は、ヒータ４３の作動状態をＯＦＦからＯＮに切り替える。あるいは、コントローラ５０は、ヒータ４３の発熱量をあらかじめ定められた値まで大きくするようにしてもよい。
【０１３４】
そしてコントローラ５０は、ステップＳ４０の処理に進み、改質器２４の入出温度差ΔＴが変更解除閾値Ｔ２以下になるまで、ヒータ４３を用いて改質器２４を加熱する。
【０１３５】
このように、コントローラ５０は、改質器２４における含酸素燃料の濃度に関する濃度パラメータの１つである入出温度差ΔＴが運転変更閾値Ｔ１を超える場合には、ヒータ４３の運転温度を上昇させる。これにより、改質器２４におけるガス組成の悪化が抑制されるので、燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給量が不足するという事態を回避することができる。
【０１３６】
また、図１０のステップＳ２０では濃度パラメータとして改質器２４の入出温度差ΔＴを用いたが、濃度パラメータはこれに限られるものではない。例えば、図７のステップＳ２１及び図８のステップＳ２２で述べたように、濃度パラメータと相関のある燃料電池スタック１０の出力電力Ｐ又は燃料タンク２１の含酸素燃料の濃度Ｃなどが用いられてもよい。
【０１３７】
また、本実施形態では排気燃焼器４１からの排ガスを改質器２４に供給するとともにヒータ４３の発熱量を供給することにより改質器２４を加熱したが、ヒータ４３のみで改質器２４を加熱するようにしてもよい。
【０１３８】
本発明の第４実施形態によれば、燃料電池システム１０１は、排気燃焼器４１からの排ガスを改質器２４に供給する加熱構造に加えて、ヒータ４３を加熱装置として備える。これにより、改質器２４の入出温度差ΔＴが運転変更閾値Ｔ１以下になった場合に、排気燃焼器４１の燃焼状態にかかわらず、確実に改質器２４を加熱することができる。
【０１３９】
例えば、アイドルストップ中に燃料電池スタック１０の発電を停止する場合は、排気燃焼器４１から改質器２４に排ガスが充分に供給されないことが懸念される。このような状況であっても改質器２４を加熱することができるので、アイドルストップから車両を加速するような場面において燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給不足を抑制することができる。
【０１４０】
（第５実施形態）
上述の実施形態では含酸素燃料濃度の過多に伴う改質器２４におけるガス組成の悪化が抑制されるように改質器２４の加熱制御を行ったが、改質器２４への含酸素燃料ガスの供給量を減らすことでガス組成の悪化を抑制することが可能である。
【０１４１】
そこで本発明の第５実施形態のコントローラ５０は、改質器２４における含酸素燃料の濃度に関する濃度パラメータが所定の判断閾値を超える場合には、改質器２４に供給される混合ガスの供給流量を減少させる。なお、本実施形態の燃料電池システムは、図１に示した燃料電池システム１００の構成を備えている。
【０１４２】
図１１は、本実施形態における改質器２４への混合ガスの供給流量を制御する制御手法について説明する。
【０１４３】
図１１に示すように、燃料タンク２１に水溶液を供給した直後は、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度が高いため、混合ガス中の含酸素燃料の供給量が下限値Ｑ０よりも多くなり過ぎる。このため、改質器２４のガス組成が悪化する。
【０１４４】
含酸素燃料の供給量に関する下限値Ｑ０は、燃料電池スタック１０の発電に必要となる目標発電量に基づいて算出される。例えば、燃料電池スタック１０の目標発電量が大きくなるほど、下限値Ｑ０は大きくなる。
【０１４５】
コントローラ５０は、改質器２４のガス組成の悪化を抑制するために改質器２４の運転状態を通常運転からガス組成改善運転に変更する。このガス組成改善運転ではコントローラ５０は、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度が下限値Ｑ０を下回らないように混合ガスの供給量を減少させる。
【０１４６】
本実施形態のコントローラ５０は、図１に示した燃料ポンプ２２の回転速度を制御して、蒸発器２３から改質器２４への混合ガスの供給流量を制御する。これにより、改質器２４のガス組成が悪化するのを抑制することができる。
【０１４７】
図１２は、本実施形態における改質器２４の運転制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。
【０１４８】
本実施形態の運転制御方法においてコントローラ５０は、図３に示した運転制御方法のうちステップＳ３０及びＳ４０の各処理に代えて、ステップＳ３４乃至Ｓ３６、並びにステップＳ４４及びＳ４５の各処理を実行する。他の処理については、図３に示したステップＳ１０及びＳ２０の各処理と同一であるため、同一符号を付して説明を省略する。
【０１４９】
ステップＳ３４においてコントローラ５０は、改質器２４の入出温度差ΔＴが運転変更閾値Ｔ１以下である場合には、改質器２４に対する混合ガスの減量制御を実行する。例えば、コントローラ５０は、改質器２４への混合ガスの供給流量Ｑが減少するように燃料ポンプ２２の回転速度を特定のステップ幅だけ小さくする。
【０１５０】
これにより、改質器２４への含酸素燃料の供給流量が減少するので、改質器２４のガス組成を改善することができる。このため、改質器２４において燃料ガスの生成に寄与しない吸熱反応の化学反応が抑制されるようになるので、改質器２４の入出温度差ΔＴが小さくなる。
【０１５１】
ステップＳ３５においてコントローラ５０は、改質器２４への混合ガスの供給流量Ｑが下限値Ｑ１以上であるか否かを判断する。下限値Ｑ１は、実験データ又はシミュレーション結果などを通じて定められるものであり、例えば、図１１に示した含酸素燃料の供給流量についての下限値Ｑ０を考慮してあらかじめ定められる。
【０１５２】
ステップＳ４４においてコントローラ５０は、所定の時間経過後に改質器２４の入出温度差ΔＴをあらたに取得し、その入出温度差ΔＴが変更解除閾値Ｔ３以上であるか否かを判断する。変更解除閾値Ｔ３は、図３のステップＳ４０で述べられた変更解除閾値Ｔ２と同様、実験データ又はシミュレーション結果などを基準に定められる。
【０１５３】
そしてコントローラ５０は、入出温度差ΔＴが変更解除閾値Ｔ３以上になった場合には改質器２４に対する混合ガスの減量制御を停止して、改質器２４の運転制御方法を終了する。
【０１５４】
一方、コントローラ５０は、入出温度差ΔＴが変更解除閾値Ｔ３を上回る場合には、ステップＳ３４の処理に戻り、混合ガスの供給流量Ｑがさらに減少するように燃料ポンプ２２の回転速度を特定のステップ幅だけさらに小さくする。
【０１５５】
ステップＳ３５で改質器２４への混合ガスの供給流量Ｑが下限値Ｑ１を下回った場合には、コントローラ５０は、混合ガスの供給流量Ｑが下限値Ｑ１まで増加するように燃料ポンプ２２の回転速度を大きくして、ステップＳ３６の処理に進む。
【０１５６】
ステップＳ３６においてコントローラ５０は、混合ガスの供給流量Ｑが下限値Ｑ１に達した場合には、改質器２４の運転温度を所定のステップ幅だけ上昇させる。例えば、コントローラ５０は、図３のステップＳ３０の処理を実行する。あるいは、改質器２４の周囲にヒータ４３を設けたうえで、図１０のステップＳ３３の処理を実行するようにしてもよい。これにより、改質器２４の運転温度が上昇するので、改質器２４のガス組成が改善する。
【０１５７】
ステップＳ４０においてコントローラ５０は、所定の時間経過後に改質器２４の入出温度差ΔＴをあらたに取得し、その入出温度差ΔＴが上述の変更解除閾値Ｔ３以上であるか否かを判断する。
【０１５８】
そしてコントローラ５０は、改質器２４の入出温度差ΔＴが変更解除閾値Ｔ３を下回る場合には、ステップＳ３６の処理に戻り、改質器２４の運転温度を所定のステップ幅だけ上昇させる。
【０１５９】
一方、コントローラ５０は、改質器２４の入出温度差ΔＴが変更解除閾値Ｔ２以下になった場合には、改質器２４のガス組成が改善したと判断し、改質器２４の加熱制御を停止して、改質器２４の運転制御方法に関する一連の処理手順を終了する。
【０１６０】
本発明の第５実施形態によれば、コントローラ５０は、図１２のステップＳ３４で述べたとおり、濃度パラメータの１つである改質器２４の入出温度差ΔＴが運転変更閾値Ｔ１以下である場合には、燃料ポンプ２２の回転速度を減少させる。すなわち、コントローラ５０は、図１１に示したように、濃度パラメータに応じて改質器２４への混合ガスの供給量が減少するように燃料ポンプ２２の操作量を減少させる。
【０１６１】
これにより、改質器２４の運転温度を上昇させることなく、改質器２４のガス組成の悪化を抑制することができる。したがって、改質器２４の加熱に伴う燃料電池システム１００及び１０１の燃費を低減しつつ、燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給不足を回避することができる。
【０１６２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述の実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上述の実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【０１６３】
例えば、改質器２４に流入する混合ガス中の含酸素燃料の濃度を検出可能なセンサを改質器２４に設け、そのセンサの検出値を濃度パラメータとして用いてもよい。あるいは、燃料タンク２１への水溶液供給後の経過時間と水溶液中の含酸素燃料の濃度との関係を示すマップ、及び時間を計測するカウンタをコントローラ５０に備えておき、コントローラ５０は、燃料タンク２１への水溶液供給後のカウンタの値を濃度パラメータとして取得するようにしてもよい。そしてコントローラ５０は、カウンタの値に対応付けられた含酸素燃料の濃度を推定する。
【０１６４】
また、上述の実施形態では改質器２４の入出温度差ΔＴ、燃料電池スタック１０の出力電力Ｐ、及び燃料タンク２１の含酸素燃料の濃度Ｃのうち１つの濃度パラメータを用いて改質器２４の改質性能の低下を判断したが、複数の濃度パラメータが所定の判断閾値を超えた場合に改質器２４の運転状態を変更するようにしてもよい。
【０１６５】
これにより、１つの濃度パラメータを用いて改質性能の低下を判断する場合に比べて、改質器２４の改質性能が低下した状況で、確実に改質性能を改善することができる。すなわち、改質性能が低下していない状況で改質器２４の運転状態を変更するような無駄な制御が実行されるのを回避することができる。
【０１６６】
また、上述の実施形態では蒸発器２３と改質器２４とが別々に設けられているが、蒸発器２３と改質器２４とが一体的に構成されるものであってもよい。この場合であっても本実施形態の作用効果を得ることができる。
【０１６７】
なお、上述の実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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