(57)【要約】【課題】  燃料電池システムにおいて、燃焼部に供給される可燃性ガスを燃焼させるのに適切な燃焼用酸化剤ガス量を、オフガス燃料を考慮して決定してその決定結果となるように燃焼用酸化剤ガスを供給する。【解決手段】  燃料電池システムの制御装置は、燃焼部に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算するオフガス燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算部１００と、燃焼部に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算するオフガス水素燃焼用酸化剤ガス供給量演算部２００と、燃焼部に供給される燃焼用燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を該燃焼用燃料の供給量に基づいて演算する燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算部３００とを備えている。【選択図】  図３
2006066301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質用燃料が供給されその供給された改質用燃料を内部に充填された改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスを生成して燃料電池に導出する改質部と、
前記燃料電池からのオフガス燃料、オフガス水素および必要に応じて燃焼用燃料が供給され燃焼用酸化剤ガス供給手段によって供給される燃焼用酸化剤ガスによって燃焼されてその燃焼熱によって前記改質部を加熱する燃焼部と、
前記燃焼部に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算するオフガス燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段と、
前記燃焼部に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算するオフガス水素燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段と、
前記燃焼部に供給される燃焼用燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を該燃焼用燃料の供給量に基づいて演算する燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段と、
前記各演算手段によって演算された燃焼用酸化剤ガスの各供給量を加算して前記燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算する加算手段と、
該加算手段によって演算された供給量となるように前記燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御する燃焼用酸化剤ガス供給手段制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記改質部から導出される改質ガスの温度を検出する改質ガス温度検出手段をさらに備え、
前記オフガス燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段は、前記改質用燃料の供給量、および前記改質ガス温度検出手段によって検出された前記改質ガス温度に基づいて、前記燃焼部に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２において、前記オフガス燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段は、
前記改質用燃料の供給量および前記改質ガス温度に基づいて前記改質用燃料が水素に転化する割合である転化率を演算する転化率演算手段と、
前記改質用燃料の供給量、および前記転化率演算手段によって演算された転化率に基づいてオフガス燃料の供給量を演算するオフガス燃料供給量演算手段と、
前記燃焼部に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を、前記オフガス燃料供給量演算手段によって演算されたオフガス燃料の供給量に基づいて演算する第１酸化剤ガス供給量演算手段とから構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１において、前記燃料電池の出力電流を検出する出力電流検出手段と、
前記改質部から導出される改質ガスの温度を検出する改質ガス温度検出手段とをさらに備え、
前記オフガス水素燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段は、前記改質用燃料の供給量、前記出力電流検出手段によって検出された燃料電池の出力電流、および前記改質ガス温度検出手段によって検出された前記改質ガス温度に基づいて、前記燃焼部に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４において、前記オフガス水素燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段は、
前記改質用燃料の供給量および前記改質ガス温度に基づいて前記改質用燃料が水素に転化する割合である転化率を演算する転化率演算手段と、
前記燃料電池の出力電流、前記改質用燃料の供給量および前記転化率演算手段によって演算された転化率に基づいて、前記燃焼部に供給されるオフガス水素の供給量を演算するオフガス水素供給量演算手段と、
前記燃焼部に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を、前記オフガス水素供給量演算手段によって演算されたオフガス水素の供給量に基づいて演算する第２酸化剤ガス供給量演算手段とから構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項３または請求項５において、前記転化率演算手段は、ニューラルネットワークによって構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れか一項において、前記燃焼用燃料の供給量を検出する燃焼用燃料供給量検出手段と、
前記燃焼用燃料供給量検出手段からの検出信号を入力し所定のフィルタ処理を実行して前記燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段に出力する燃焼用燃料供給量フィルタ処理手段とをさらに備え、
前記燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段はフィルタ処理された燃焼用燃料の供給量に基づいて、前記燃焼部に供給される燃焼用燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７において、前記改質用燃料の供給量および前記転化率に基づいてオフガス燃料の供給量を演算するオフガス燃料供給量演算手段からオフガス燃料の供給量を入力して前記燃焼用燃料供給量フィルタ処理手段と同一のフィルタ処理を実行し、前記オフガス燃料供給量演算手段によって演算されたオフガス燃料の供給量に基づいて、前記燃焼部に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算する第１酸化剤ガス供給量演算手段に出力するオフガス燃料供給量フィルタ処理手段と、
前記燃料電池の出力電流、前記改質用燃料の供給量、ならびに前記改質用燃料の供給量および前記改質ガス温度から演算される転化率に基づいてオフガス水素の供給量を演算するオフガス水素供給量演算手段からオフガス水素の供給量を入力して前記燃焼用燃料供給量フィルタ処理手段と同一のフィルタ処理を実行し、前記オフガス水素供給量演算手段によって演算されたオフガス水素の供給量に基づいて、前記燃焼部に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算する第２酸化剤ガス供給量演算手段に出力するオフガス水素供給量フィルタ処理手段とをさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【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。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池システムの一例として、特許文献１「燃料電池燃料オフガスの燃焼空気量制御方法及びその装置」に示されているものが知られている。特許文献１に示されているように、燃料電池１の燃料極２から排出される燃料オフガス（燃料電池から発電量に応じて排出されるものであるので、オフガスメタンではなくオフガス水素であると推定される。）が燃料改質器５のバーナ（燃焼部）８に供給され、燃料オフガスはブロワ１８の駆動により燃焼空気供給系１７を経てバーナ８に供給される流量制御された燃焼空気により燃焼するようになっている。
【０００３】
この場合、燃料オフガスをバーナ８にて燃焼させるに必要な燃焼空気量は、原燃料流量検出器１２で検出した原燃料流量および電流検出器２５で検出した負荷電流に基づいて次のように演算される。すなわち、原燃料流量検出器１２で検出した原燃料流量を、制御装置３０にて燃料改質器５を経て燃料電池１に達するまでの時間遅れＴを考慮して燃焼させるのに必要な酸素量を含む空気量と電流検出器２５で検出した負荷電流に必要な電池反応に消費される酸素量を含む空気量との差が、燃料オフガスをバーナ８にて燃焼させるに必要な燃焼空気量となる。したがってこの燃焼空気量に空燃比を乗じた燃焼空気量を目標値として燃焼空気量調節器３２に入力させ、燃焼空気量をブロワ１８の回転数制御により制御するようになっている。
【０００４】
また他の一例として、特許文献２「燃料電池発電プラントの燃料システム制御装置」に示されているものが知られている。特許文献２の前半の実施例に示されているように、リフォーマ反応管１６から送り出された燃料ガスは，図示しないシフトコンバータおよび流調弁１７を介してＦＣ１８へ還元剤として送り込まれる。そして，ＦＣ１８から排出された燃料排ガスは配管１９を介してリフォーマ主バーナ２０（リフォーマ補助バーナ２３と合わせて燃焼部）へと供給される。一方，供給端１１に供給された原燃料の一部は，配管２１，流調弁２２を介してリフォーマ補助バーナ２３へと供給されるようになっている。この場合、補助バーナ出力演算器３３は、流量計２４，２５，２６で得られた流量信号Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３と温度計２８，２９で得られた温度信号Ｔ１，Ｔ２を入力してリフォーマ（改質部）１５の熱収支の過不足を加味して流量制御信号Ｍすなわちリフォーマ補助バーナ２３への燃料供給量（燃焼用燃料の供給量）を演算してコントローラ３２へ出力する。したがって，リフォーマ補助バーナ２３には，常に，リフォーマ反応管１６の温度を一定に維持するに必要な量の燃料が供給されることになる。なお、補助バーナ出力演算器３３の改質率演算器３７は、改質率をリフォーマ反応管１６の温度，つまり温度計２８から得られた温度信号Ｔ１から推定するようになっている。
【０００５】
また、特許文献２の後半の実施例に示されているように、リフォーマ（改質部）１０１の燃焼室内のリフォーマ主バーナ１０７（リフォーム補助バーナ１０８と合わせて燃焼部）には燃料電池１０４の燃料極から排出される燃料ガスを，またリフォーム補助バーナ１０８には外部から別途に供給される燃料ガスとしてのメタンを，その燃焼用燃料として夫々導入するようにしている。この場合、第１の演算装置１１２が、各流量検出器１１０Ａ〜１１０Ｄおよび電流検出器１１１から夫々出力される検出信号ＦＡ〜ＦＤおよびＩを入力し，かつこれらを用いて改質反応や燃焼反応等の科学的知識に基づいて燃料ガスの組成変化を考慮したリフォーマ１０１の燃焼室での燃焼エネルギー量Ｑを算出するとともに、第２の演算装置１１３が、電流検出器１１１から出力される検出信号Ｉに応じた燃焼エネルギー量と，上記第１の演算装置１１２で算出された燃焼エネルギー量Ｑとを比較し，かつこの比較効果に基づいて流量制御弁１０９の弁開度を調節する制御信号Ｖｃを出力するようになっている。これにより、流量制御弁１０９へ供給される燃料ガスであるメタンの流量が制御されることになる。
【０００６】
また他の一例として、特許文献３「燃料電池用改質装置の運転方法」に示されているものが知られている。特許文献３に示されているように、改質装置における炭化水素系燃料の改質転化率を９０％未満とすることにより、改質装置での所要熱量の全量または大半を燃料電池からのオフガスの燃焼熱にて賄うようになっている。すなわち、燃焼部に燃料ガスを投入することなく燃料電池のオフガスのみを投入するようになっている。
【０００７】
なお、特許文献２の前半に記載の燃料電池システムにおいては、流量計２４，２５，２６で得られた流量信号Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３と温度計２８，２９で得られた温度信号Ｔ１，Ｔ２を入力してリフォーマ（改質部）１５の熱収支の過不足を加味してリフォーマ補助バーナ２３への燃料供給量（燃焼用燃料の供給量）を演算しているが、あくまで燃焼用燃料の流量を演算しているだけであり、燃焼空気量（燃焼用酸化剤ガス量）を演算することに関する記載はない。また、特許文献２の後半に記載の燃料電池システムにおいては、オフガス燃料を考慮して、流量制御弁１０９へ供給される燃料ガスであるメタン（燃焼用燃料）の流量が決定されその決定結果となるように制御されているが、あくまで燃焼用燃料の流量を演算しているだけであり、燃焼空気量（燃焼用酸化剤ガス量）を演算することに関する記載はない。さらに、特許文献３に記載の燃料電池システムにおいては、燃焼空気量（燃焼用酸化剤ガス量）を演算することに関する記載はない。
【特許文献１】特開平６−３３３５８７号公報（第３−６頁、第１，２図）
【特許文献２】特公平７−８９４９３号公報（第２−５頁、第１−７図）
【特許文献３】特開２００３−１８３００５号公報（第２−６頁、第６図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、改質部で水素に転化されなかった改質用燃料（オフガス燃料）が少なからず含まれている改質ガスが燃料電池に供給されているが、燃料電池の発電にはそのオフガス燃料は使用されないため燃料電池から燃焼部に供給される排出ガス中には可燃性ガスであるオフガス燃料が含まれていた。そして、このオフガス燃料については考慮することなく、燃料電池にて未反応の水素（オフガス水素）をバーナ８にて燃焼させるのに必要な燃焼空気量を決定していた。このため、燃焼部に供給される可燃性ガス（オフガス水素、オフガス燃料など）を燃焼させるのに適切な燃焼用酸化剤ガス量を供給することができず、エネルギー効率が低くなるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃焼部に供給される可燃性ガスを燃焼させるのに適切な燃焼用酸化剤ガス量を、オフガス燃料を考慮して決定してその決定結果となるように燃焼用酸化剤ガスを供給する燃料電池システム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】
【００１０】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、改質用燃料が供給されその供給された改質用燃料を内部に充填された改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスを生成して燃料電池に導出する改質部と、燃料電池からのオフガス燃料、オフガス水素および必要に応じて燃焼用燃料が供給され燃焼用酸化剤ガス供給手段によって供給される燃焼用酸化剤ガスによって燃焼されてその燃焼熱によって改質部を加熱する燃焼部と、燃焼部に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算するオフガス燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段と、燃焼部に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算するオフガス水素燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段と、燃焼部に供給される燃焼用燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を該燃焼用燃料の供給量に基づいて演算する燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段と、各演算手段によって演算された燃焼用酸化剤ガスの各供給量を加算して燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算する加算手段と、この加算手段によって演算された供給量となるように燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御する燃焼用酸化剤ガス供給手段制御手段とを備えたことである。
【００１１】
また、請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、改質部から導出される改質ガスの温度を検出する改質ガス温度検出手段をさらに備え、オフガス燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段は、改質用燃料の供給量、および改質ガス温度検出手段によって検出された改質ガス温度に基づいて、燃焼部に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算することである。
【００１２】
また、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、オフガス燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段は、改質用燃料の供給量および改質ガス温度に基づいて改質用燃料が水素に転化する割合である転化率を演算する転化率演算手段と、改質用燃料の供給量、および転化率演算手段によって演算された転化率に基づいてオフガス燃料の供給量を演算するオフガス燃料供給量演算手段と、燃焼部に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を、オフガス燃料供給量演算手段によって演算されたオフガス燃料の供給量に基づいて演算する第１酸化剤ガス供給量演算手段とから構成されていることである。
【００１３】
また、請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、燃料電池の出力電流を検出する出力電流検出手段と、改質部から導出される改質ガスの温度を検出する改質ガス温度検出手段とをさらに備え、オフガス水素燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段は、改質用燃料の供給量、出力電流検出手段によって検出された燃料電池の出力電流、および改質ガス温度検出手段によって検出された改質ガス温度に基づいて、燃焼部に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算することである。
【００１４】
また、請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項４において、オフガス水素燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段は、改質用燃料の供給量および改質ガス温度に基づいて改質用燃料が水素に転化する割合である転化率を演算する転化率演算手段と、燃料電池の出力電流、改質用燃料の供給量および転化率演算手段によって演算された転化率に基づいて、燃焼部に供給されるオフガス水素の供給量を演算するオフガス水素供給量演算手段と、燃焼部に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を、オフガス水素供給量演算手段によって演算されたオフガス水素の供給量に基づいて演算する第２酸化剤ガス供給量演算手段とから構成されていることである。
【００１５】
また、請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項３または請求項５において、転化率演算手段は、ニューラルネットワークによって構成されていることである。
【００１６】
また、請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項６の何れか一項において、燃焼用燃料の供給量を検出する燃焼用燃料供給量検出手段と、燃焼用燃料供給量検出手段からの検出信号を入力し所定のフィルタ処理を実行して燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段に出力する燃焼用燃料供給量フィルタ処理手段とをさらに備え、燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段はフィルタ処理された燃焼用燃料の供給量に基づいて、燃焼部に供給される燃焼用燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算することである。
【００１７】
また、請求項８に係る発明の構成上の特徴は、請求項７において、改質用燃料の供給量および転化率に基づいてオフガス燃料の供給量を演算するオフガス燃料供給量演算手段からオフガス燃料の供給量を入力して燃焼用燃料供給量フィルタ処理手段と同一のフィルタ処理を実行し、オフガス燃料供給量演算手段によって演算されたオフガス燃料の供給量に基づいて、燃焼部に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算する第１酸化剤ガス供給量演算手段に出力するオフガス燃料供給量フィルタ処理手段と、燃料電池の出力電流、改質用燃料の供給量、ならびに改質用燃料の供給量および改質ガス温度から演算される転化率に基づいてオフガス水素の供給量を演算するオフガス水素供給量演算手段からオフガス水素の供給量を入力して燃焼用燃料供給量フィルタ処理手段と同一のフィルタ処理を実行し、オフガス水素供給量演算手段によって演算されたオフガス水素の供給量に基づいて、燃焼部に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算する第２酸化剤ガス供給量演算手段に出力するオフガス水素供給量フィルタ処理手段とをさらに備えたことである。
【発明の効果】
【００１８】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、オフガス燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段が、燃焼部に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算し、オフガス水素燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段が、燃焼部に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算し、燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段が、燃焼部に供給される燃焼用燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を該燃焼用燃料の供給量に基づいて演算し、加算手段が、各演算手段によって演算された燃焼用酸化剤ガスの各供給量を加算して燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算し、燃焼用酸化剤ガス供給手段制御手段が、加算手段によって演算された供給量となるように燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御する。これにより、オフガス燃料を考慮して、燃焼部に供給される可燃性ガスを燃焼させるのに適切な量の燃焼用酸化剤ガスを供給するので、燃焼部においてより効率の高い燃焼を実現することができる。
【００１９】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、改質部から導出される改質ガスの温度を検出する改質ガス温度検出手段をさらに備え、オフガス燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段は、改質用燃料の供給量、および改質ガス温度検出手段によって検出された改質ガス温度に基づいて、燃焼部に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算するので、オフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を容易に演算することができ、ひいては燃焼部に供給される可燃性ガスを完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を容易に演算することができる。
【００２０】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項２に係る発明において、オフガス燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段は、改質用燃料の供給量および改質ガス温度に基づいて改質用燃料が水素に転化する割合である転化率を演算する転化率演算手段と、改質用燃料の供給量、および転化率演算手段によって演算された転化率に基づいてオフガス燃料の供給量を演算するオフガス燃料供給量演算手段と、燃焼部に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を、オフガス燃料供給量演算手段によって演算されたオフガス燃料の供給量に基づいて演算する第１酸化剤ガス供給量演算手段とから構成されているので、オフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を確実かつ正確に演算することができる。
【００２１】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１に係る発明において、燃料電池の出力電流を検出する出力電流検出手段と、改質部から導出される改質ガスの温度を検出する改質ガス温度検出手段とをさらに備え、オフガス水素燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段は、改質用燃料の供給量、出力電流検出手段によって検出された燃料電池の出力電流、および改質ガス温度検出手段によって検出された改質ガス温度に基づいて、燃焼部に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算するので、オフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を容易に演算することができ、ひいては燃焼部に供給される可燃性ガスを完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を容易に演算することができる。
【００２２】
上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項４に係る発明において、オフガス水素燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段は、改質用燃料の供給量および改質ガス温度に基づいて改質用燃料が水素に転化する割合である転化率を演算する転化率演算手段と、燃料電池の出力電流、改質用燃料の供給量および転化率演算手段によって演算された転化率に基づいて、燃焼部に供給されるオフガス水素の供給量を演算するオフガス水素供給量演算手段と、燃焼部に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を、オフガス水素供給量演算手段によって演算されたオフガス水素の供給量に基づいて演算する第２酸化剤ガス供給量演算手段とから構成されているので、オフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を確実かつ正確に演算することができる。
【００２３】
上記のように構成した請求項６に係る発明においては、請求項３または請求項５に係る発明において、転化率演算手段は、ニューラルネットワークによって構成されていることにより、ニューラルネットワークによる学習に基づいて転化率が演算されるので、燃料電池システムの運転状況に応じて高精度な転化率を得ることができる。
【００２４】
上記のように構成した請求項７に係る発明においては、請求項１乃至請求項６の何れか一項に係る発明において、燃焼用燃料の供給量を検出する燃焼用燃料供給量検出手段と、燃焼用燃料供給量検出手段からの検出信号を入力し所定のフィルタ処理を実行して燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段に出力する燃焼用燃料供給量フィルタ処理手段とをさらに備え、燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段はフィルタ処理された燃焼用燃料の供給量に基づいて、燃焼部に供給される燃焼用燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算するので、燃焼用燃料供給量検出手段からの検出信号からノイズを除去することにより、燃焼部に供給される燃焼用燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を精度よく演算することができる。
【００２５】
このように請求項７に係る発明によって、燃焼用燃料供給量検出手段からの検出信号に基づいて演算される燃焼用酸化剤ガス供給量と、フィルタ処理を行わない信号に基づいてオフガス燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段およびオフガス水素燃焼用酸化剤ガス供給量演算手段にて演算された燃焼用酸化剤ガスの各供給量とを加算して燃焼用酸化剤ガスの総供給量を演算する場合に、フィルタ処理によって燃焼用燃料供給量検出手段からの検出信号からノイズを除去することができるが、検出信号の位相が遅れることにより、各燃焼用酸化剤ガス供給量の位相が同一でないため燃焼用酸化剤ガスの総供給量を正しく演算することができなくなるおそれがある。これを防ぐために、上記のように構成した請求項８に係る発明においては、請求項７に係る発明において、改質用燃料の供給量および転化率に基づいてオフガス燃料の供給量を演算するオフガス燃料供給量演算手段からオフガス燃料の供給量を入力して燃焼用燃料供給量フィルタ処理手段と同一のフィルタ処理を実行し、オフガス燃料供給量演算手段によって演算されたオフガス燃料の供給量に基づいて、燃焼部に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算する第１酸化剤ガス供給量演算手段に出力するオフガス燃料供給量フィルタ処理手段と、燃料電池の出力電流、改質用燃料の供給量、ならびに改質用燃料の供給量および改質ガス温度から演算される転化率に基づいてオフガス水素の供給量を演算するオフガス水素供給量演算手段からオフガス水素の供給量を入力して燃焼用燃料供給量フィルタ処理手段と同一のフィルタ処理を実行し、オフガス水素供給量演算手段によって演算されたオフガス水素の供給量に基づいて、燃焼部に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算する第２酸化剤ガス供給量演算手段に出力するオフガス水素供給量フィルタ処理手段とをさらに備えるようにしている。これにより、演算された各燃焼用酸化剤ガス供給量の位相が同一となり同一位相の各燃焼用酸化剤ガス供給量に基づいて燃焼用酸化剤ガスの総供給量を演算することができるので、燃焼用酸化剤ガスの総供給量を高精度にて演算することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池１０と燃料電池１０に必要な水素ガスを生成する水蒸気改質方式の改質装置２０を備えている。燃料電池１０は、燃料極１１と空気極１２を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された空気（カソードエア）を用いて発電するものである。燃料電池１０には変換機（インバータ）８８が接続されており、変換機８８は燃料電池１０から出力された直流電流を交流電流に変換して負荷装置（家電製品など）に出力するようになっている。変換機８８は燃料電池１０から入力した直流電流値を測定する機能も有しており（燃料電池１０の出力電流を検出する出力電流検出手段である。）、測定信号を制御装置３０に出力するようになっている。
【００２７】
改質装置２０は、燃料を改質する改質部２１と、改質部２１から導出された改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３と、ＣＯシフト部２３から導出された改質ガスに含まれる一酸化炭素をさらに除去する一酸化炭素選択酸化部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４から構成されている。燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。
【００２８】
改質部２１は、有底筒状に形成されて下方に開放するように配置され、かつ内部に改質触媒２１ａが充填された反応室２１ｂを備えている。改質部２１には燃焼部２２が設けられている。燃焼部２２は、反応室２１ｂに密接して設けられて反応室２１ｂを加熱する加熱室２２ａと、加熱室２２ａに高温の燃焼ガスを供給するバーナ２２ｂとから構成されている。
【００２９】
反応室２１ｂには燃料供給源Ｓf（例えば都市ガス管）に接続された燃料供給管４１が接続されており、燃料供給源Ｓｆから改質用燃料が供給されている。燃料供給管４１には、上流から順番に第１燃料バルブ４２、燃料ポンプ４３、改質用燃料流量計８５、脱硫器４４、第２燃料バルブ４５および熱交換部４６が設けられている。第１および第２燃料バルブ４２，４５は制御装置３０の指令によって燃料供給管４１を開閉するものである。燃料ポンプ４３は燃料供給源Ｓｆから供給される改質用燃料を吸い込み改質部２１の反応室２１ｂに吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて改質用燃料供給量を調整するものである。改質用燃料流量計８５は改質部２１に供給される改質用燃料の供給量を検出するものであり、その検出信号が制御装置３０に出力されるようになっている。脱硫器４４は改質用燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。熱交換部４６は改質部２１からＣＯシフト部２３へ供給される高温の改質ガスとの間で熱交換が行われて予熱された改質用燃料を改質部２１の反応室２１ｂに供給するものである。これにより、改質用燃料は硫黄分が除去され予熱されて反応室２１ｂに供給される。
【００３０】
また、燃料供給管４１の第２燃料バルブ４５と熱交換部４６との間には蒸発器５５に接続された水蒸気供給管５２が接続され、蒸発器５５から供給された水蒸気が改質用燃料に混合されて改質部２１の反応室２１ｂに供給されている。蒸発器５５には改質水供給源である水タンクＳｗに接続された給水管５１が接続されている。給水管５１には、上流から順番に水ポンプ５３および水バルブ５４が設けられている。水ポンプ５３は水タンクＳｗから供給される改質水を吸い込み蒸発器５５に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて改質水供給量を調整するものである。水バルブ５４は制御装置３０の指令によって給水管５１を開閉するものである。給水管５１は加熱室２２ａの外周に巻きつけられており、給水管５１内の流水が加熱室２２ａの高熱によって予熱される。蒸発器５５には一端が加熱室２２ａに接続され他端が外部に開放されている排気管８１が貫設されており、蒸発器５５は供給される予熱された改質水を排気管８１を流れる加熱室２２ａから外部へ排出される燃焼ガス（排気ガス）によって加熱して水蒸気にし、反応室２１ｂに供給するものである。これにより、改質水は予熱されて蒸発器５５に供給され、水蒸気となって反応室２１ｂに供給される。なお、本実施の形態においては、給水管５１であって加熱室２２ａに巻きつけられた部分と蒸発器５５とから蒸発部５６が構成されている。また、蒸発器５５には内部温度を検出する温度センサ５５ａが設けられている。
【００３１】
反応室２１ｂは、後述するようにバーナ２２ｂの燃焼ガスによって加熱されており、反応室２１ｂ内に供給された改質用燃料と水蒸気は、下記化１に示すように、改質触媒２１ａ（例えば、Ｒｕ、Ｎｉ系の触媒）により反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に反応室２１ｂ内では、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素が、下記化２に示すように、水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は熱交換部４６を通って降温されてＣＯシフト部２３に導出される。なお、改質ガスには、改質部２１にて水素に転化されなかったメタンである未転化メタンも含まれている。
【００３２】
（化１）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ−Ｑ１
（化２）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２＋Ｑ２
水蒸気改質反応は吸熱反応であり、上記化１から明らかなように右側に反応が進む際に熱量Ｑ１が吸熱され、逆に左側に反応が進む際に熱量Ｑ１が発熱される。また、一酸化炭素シフト反応は発熱反応であり、上記化２から明らかなように右側に反応が進む際に熱量Ｑ２が発熱され、逆に左側に反応が進む際に熱量Ｑ２が吸熱される。
【００３３】
なお、反応室２１ｂ内には改質触媒２１ａの温度を検出する温度センサ２１ａ１が設けられている。また、改質部２１（反応室２１ｂ）のガス導出口と熱交換部４６との間の管路には改質部２１から導出される改質ガスの温度を検出する改質ガス温度検出手段である温度センサ８６が設けられている。温度センサ２１ａ１，８６の各検出信号は制御装置３０に出力されるようになっている。
【００３４】
ＣＯシフト部２３においては、供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素が、上記化２に示すように、ＣＯシフト部２３内に充填された触媒２３ａ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）により水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これにより、改質ガスは前述した一酸化炭素シフト反応によって一酸化炭素濃度が低減されて導出される。
【００３５】
ＣＯシフト部２３から導出された一酸化炭素濃度が低減された改質ガスは、ＣＯ選択酸化部２４に供給される。一方、ＣＯ選択酸化部２４には、空気供給源Ｓａに接続された酸化用空気供給管６１が接続されており、空気供給源Ｓａ（例えば大気）から酸化用空気が供給されている。酸化用空気供給管６１には、上流から順番にフィルタ６２、空気ポンプ６３および空気バルブ６４が設けられている。フィルタ６２は空気を濾過するものである。空気ポンプ６３は空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込みＣＯ選択酸化部２４に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて空気供給量を調整するものである。空気バルブ６４は制御装置３０の指令によって酸化用空気供給管６１を開閉するものである。これにより、酸化用空気がＣＯ選択酸化部２４に供給される。
【００３６】
ＣＯ選択酸化部２４に供給された改質ガスに残留している一酸化炭素は、下記化３に示すように、ＣＯ選択酸化部２４に充填された触媒２４ａ（例えば、Ｒｕ系またはＰｔ系の触媒）により上述のように供給された空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出されて、燃料電池１０の燃料極１１に供給されるようになっている。なお、改質ガス中の水素も酸化されて水となる。また、ＣＯ選択酸化部２４内には触媒２４ａの温度を検出する温度センサ２４ａ１が設けられている。
【００３７】
（化３）
【００３８】
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２＋Ｑ３
【００３９】
この反応は発熱反応であり、上記化３から明らかなように右側に反応が進む際に熱量Ｑ３が発熱され、逆に左側に反応が進む際に熱量Ｑ３が吸熱される。
【００４０】
燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管７１を介してＣＯ選択酸化部２４が接続されており、燃料極１１に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極１１の導出口にはオフガス供給管７２を介してバーナ２２ｂが接続されており、燃料電池１０から排出されるアノードオフガス（燃料極１１にて未使用な水素を含んだ改質ガス）をバーナ２２ｂに供給するようになっている。バイパス管７３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管７１およびオフガス供給管７２を直結するものである。改質ガス供給管７１にはバイパス管７３との分岐点と燃料電池１０との間に第１改質ガスバルブ７４が設けられている。オフガス供給管７２にはバイパス管７３との合流点と燃料電池１０との間にオフガスバルブ７５が設けられている。バイパス管７３には第２改質ガスバルブ７６が設けられている。第１および第２改質ガスバルブ７４，７６およびオフガスバルブ７５はそれぞれの管を開閉するものであり、制御装置３０により制御されている。
【００４１】
また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、空気ポンプ６３の上流にて酸化用空気供給管６１から分岐したカソード用空気供給管６７の先端が接続されており、空気極１２内に空気が供給されるようになっている。カソード用空気供給管６７には上流から順にカソード用空気ポンプ６８およびカソード用空気バルブ６９が設けられている。カソード用空気ポンプ６８は空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込み燃料電池の空気極１２に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じてカソード用空気供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ６９は制御装置３０の指令によってカソード用空気供給管６７を開閉するものである。さらに、燃料電池１０の空気極１２の導出口には、他端が外部に開放されている排気管８２の一端が接続されている。
【００４２】
また、バーナ２２ｂには、燃料ポンプ４３の上流にて燃料供給管４１から分岐した燃焼用燃料供給管４７が接続されており、燃焼用燃料が供給されるようになっている。燃焼用燃料供給管４７には上流から順番に燃焼用燃料ポンプ４８および燃焼用燃料流量計８７が設けられている。燃焼用燃料ポンプ４８は燃料供給源Ｓｆから供給される燃焼用燃料を吸い込みバーナ２２ｂに吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて燃焼用燃料供給量を調整するものである。燃焼用燃料流量計８７は燃焼部２１に供給される燃焼用燃料の供給量を検出するものであり、その検出信号が制御装置３０に出力されるようになっている。
【００４３】
さらにバーナ２２ｂには空気ポンプ６３の上流にて酸化用空気供給管６１から分岐した燃焼用空気供給管６５が接続されており、燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスを燃焼させるための燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気が供給されるようになっている。燃焼用空気供給管６５には燃焼用空気ポンプ６６が設けられており、燃焼用空気ポンプ６６は空気供給源Ｓａから供給される燃焼用空気を吸い込みバーナ２２ｂに吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて燃焼用空気供給量を調整するものである。バーナ２２ｂが制御装置３０の指令によって着火されると、バーナ２２ｂに供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスは燃焼されて高温の燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが加熱室２２ａに供給されて反応室２１ｂが加熱されることにより改質触媒２１ａが加熱される。加熱室２２ａを通過した燃焼ガスは排気管８１および蒸発器５５を通って排気ガスとして外部に排気される。
【００４４】
また、改質ガス供給管７１、オフガス供給管７２および排気管８２の途中には、それぞれ改質ガス用凝縮器７７、アノードオフガス用凝縮器７８およびカソードオフガス用凝縮器７９が設けられている。改質ガス用凝縮器７７は改質ガス供給管７１中を流れる燃料電池１０の燃料極１１に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器７８はオフガス供給管７２中を流れる燃料電池１０の燃料極１１から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器７９は排出管８２中を流れる燃料電池１０の空気極１２から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。なお、各凝縮器７７〜７９には、図示しない貯湯槽の低温液体またはラジエータおよび冷却ファンによって冷却された液体が供給される冷媒管が貫設されており、この液体との熱交換によって各ガス中の水蒸気を凝縮している。
【００４５】
これら凝縮器７７，７８，７９は配管８４を介して純水器９５に連通しており、各凝縮器７７，７８，７９にて凝縮された凝縮水は、純水器９５に導出され回収されるようになっている。純水器９５は、各凝縮器７７，７８，７９から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を水タンクＳｗに導出するものである。なお、純水器９５には水道水供給源（例えば水道管）から供給される補給水（水道水）を導入する配管が接続されており、純水器９５内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。
【００４６】
また、燃料電池システムは制御装置３０を備えており、この制御装置３０には、上述した各温度センサ２１ａ１，２４ａ１，５５ａ，８６、各流量計８５，８７、変換機８８、各ポンプ４３，４８，５３，６３，６６，６８、各バルブ４２，４５，５４，６４，６９，７４，７５，７６、およびバーナ２２ｂが接続されている（図２参照）。制御装置３０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、各温度センサ２１ａ１，２４ａ１，５５ａ，８６からの各温度、各流量計８５，８７からの各供給量、および変換機８８からの出力電流を入力して、各ポンプ４３，４８，５３，６３，６６，６８、各バルブ４２，４５，５４，６４，６９，７４，７５，７６、およびバーナ２２ｂを制御することにより、所望の出力電流（負荷装置で消費される電流・電力）となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気および改質水の各供給量を制御している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。
【００４７】
図３に示すように、制御装置３０は、燃焼部２２に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算するオフガス燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算部１００と、燃焼部２２に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算するオフガス水素燃焼用酸化剤ガス供給量演算部２００と、燃焼部２２に供給される燃焼用燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を該燃焼用燃料の供給量に基づいて演算する燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算部３００と、各演算部１００，２００，３００によって演算された燃焼用酸化剤ガスの各供給量を加算して燃焼部２２への燃焼用酸化剤ガスの総供給量を演算する加算部３１と、加算部３１によって演算された燃焼用酸化剤ガスの総供給量と設定空気比とを乗算して改質装置の特性などを考慮した空気の供給量を演算する乗算部３２と、この乗算部３２によって演算された供給量となるように燃焼用酸化剤ガス供給手段である燃焼用空気ポンプ６６を制御する燃焼用酸化剤ガス供給手段制御手段である燃焼用空気ポンプ制御部３３とを備えている。なお設定空気比は、燃焼用燃料、オフガス水素およびオフガス燃料などの可燃性ガス１ｍｏｌを空気で完全燃焼するのに必要な空気量に対して、改質装置２０の特性を考慮して設定される比を表しており、例えば１．２に設定されている。
【００４８】
オフガス燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算部１００は、改質用燃料流量計８５によって検出された改質用燃料の供給量、および改質ガス温度検出手段である温度センサ８６によって検出された改質ガス温度に基づいて、燃焼部２２に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算するものである。このオフガス燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算部１００は、改質用燃料の供給量および改質ガス温度に基づいて改質用燃料が水素に転化する割合である転化率を演算する転化率演算部１１０と、改質用燃料の供給量、および転化率演算部１１０によって演算された転化率に基づいてオフガス燃料の供給量を演算するオフガス燃料供給量演算部１３０と、燃焼部２２に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を、オフガス燃料供給量演算部１３０によって演算されたオフガス燃料の供給量に基づいて演算する第１酸化剤ガス供給量演算部１４０とから構成されている。
【００４９】
転化率演算部１１０は、図４に示すように、ニューラルネットワークによって構成されている。具体的には、転化率は改質部２１内温度すなわち温度センサ８６によって検出される改質ガス温度とは比例関係にあり、改質用燃料の供給量とは反比例関係にあるという特性に基づいた一層のニューラルネットワークを形成し、重み定数１〜重み定数３を学習させるようになっている。すなわち、転化率演算部１１０は、乗算部１１１において改質ガス温度に改質用燃料供給量の逆数を乗算するとともに乗算部１１２においてオフセット用の定数Ｃ１（例えば１）に改質用燃料供給量の逆数を乗算する。各遅延部１１３〜１１５において乗算部１１１，１１２からそれぞれ入力した値、および定数Ｃ１に基づいて１サンプリング前の値を重み付け部１１６〜１１８にそれぞれ出力する。重み付け部１１６〜１１８において重み定数１〜３をそれぞれ学習しそれを重み付け処理して加算部１１９に出力する。加算部１１９において重み付け部１１６〜１１８からそれぞれ入力した値を加算し、非線形処理部１２０にて非線形処理をして転化率を演算する。なお、非線形要素として「ｔａｎｈ（ハイパボリックタンジェント）」を利用した。したがって、転化率は、改質ガス温度および改質用燃料供給量に基づいて下記数１から導出される。
【数１】
2006066301.tif 000003
【００５０】
なお、ＴＥＮＫＡ＿Ａ、ＴＥＮＫＡ＿ＢおよびＴＥＮＫＡ＿Ｃは前述した重み定数１〜３に相当するものである。
【００５１】
オフガス燃料供給量演算部１３０は、改質用燃料の供給量、および転化率演算部１１０によって演算された転化率に基づいて下記数２からオフガス燃料の供給量を演算（推定）する。オフガス燃料は改質部２１で水素に転化されずに改質ガス中に含まれる燃料（天然ガス）であるので、下記数２によって導出することができる。
【００５２】
（数２）
オフガス燃料供給量＝改質用燃料供給量[Ｌ/min]×
改質用燃料中の炭素値×（１−転化率[％]／１００）
なお、改質用燃料中の炭素値は、改質用燃料の１分子当たりの平均炭素原子数である。
【００５３】
このようにして演算したオフガス燃料供給量を図６に示す。この推定オフガス燃料供給量を比較的薄い曲線Ｌ１で示しており、これに対して実際に測定器を使用して測定した実オフガス燃料供給量を比較的濃い曲線Ｌ２で示している。図６から明らかなように、推定オフガス燃料供給量は実オフガス燃料供給量と非常によい相関関係にある。したがって、精度よくオフガス燃料燃焼用酸化剤ガスの供給量を導出することができる。
【００５４】
第１酸化剤ガス供給量演算部１４０は、オフガス燃料供給量演算部１３０によって演算されたオフガス燃料の供給量に基づいて下記数３からオフガス燃料燃焼用酸化剤ガスの供給量を導出する。
【００５５】
（数３）
オフガス燃料燃焼用酸化剤ガスの供給量＝
９．５２４×オフガス燃料の供給量[Ｌ/min]
なお、上記数３は下記のように導出される。
【００５６】
メタンの燃焼反応は下記化１に示すとおりであり、メタン１ｍｏｌを完全燃焼させるためには、酸素２ｍｏｌが必要であり、かつ空気中に含まれる酸素の含有率を２１％とすると、メタン１ｍｏｌを完全燃焼させるのに必要な空気量は下記数４に示すようになる。
（化１）
ＣＨ４＋２Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２
（数４）
必要な空気量＝１／０．２１×２[ｍｏｌ]＝９．５２４[ｍｏｌ]
なお、導出された空気量は設定空気比が１である場合の値である。
【００５７】
オフガス水素燃焼用酸化剤ガス供給量演算部２００は、改質用燃料の供給量、出力電流検出手段である変換機８８によって検出された燃料電池の出力電流、および温度センサ８６によって検出された改質ガス温度に基づいて、燃焼部２２に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算するものである。このオフガス水素燃焼用酸化剤ガス供給量演算部２００は、上述した転化率演算部１１０と、燃料電池の出力電流、改質用燃料の供給量および転化率演算部１１０によって演算された転化率に基づいて、燃焼部２２に供給されるオフガス水素の供給量を演算するオフガス水素供給量演算部２１０と、燃焼部２２に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を、オフガス水素供給量演算部２１０によって演算されたオフガス水素の供給量に基づいて演算する第２酸化剤ガス供給量演算部２２０とから構成されている。
【００５８】
オフガス水素供給量演算部２１０は、図５に示すように、改質用燃料の供給量および転化率演算部１１０によって演算された転化率に基づいて改質部２１が生成する水素の量を演算（推定）する改質部生成水素量演算部２１１と、燃料電池の出力電流に基づいて燃料電池１０で消費される水素の量を演算する消費水素量演算部２１２と、改質部生成水素量演算部２１１で演算された生成水素量と消費水素量演算部２１２で演算された消費水素量とに基づいてオフガス水素供給量を演算する加算部２１３とから構成されている。
【００５９】
改質部生成水素量演算部２１１、消費水素量演算部２１２および加算部２１３は下記数５〜数７から生成水素量、消費水素量およびオフガス水素供給量をそれぞれ演算する。
【００６０】
（数５）
生成水素量[Ｌ/min]＝改質水素定数×改質用燃料供給量[Ｌ/min]×
転化率[％]／１００
（数６）
消費水素量[Ｌ/min]＝ｃ１×燃料電池の出力電流[Ａ]×燃料電池のセル数×
気体のモル体積／ファラデー定数
（数７）
オフガス水素供給量[Ｌ/min]＝生成水素量[Ｌ/min]−消費水素量[Ｌ/min]
【００６１】
なお、改質水素定数は改質装置の基礎実験によって予め設定される値であり、ｃ１は電子の量から消費水素量に換算する定数（数６の場合は３０）であり、気体のモル数は本実施の形態においては２０℃・１気圧を前提とするので２４．０Ｌ／ｍｏｌであり、ファラデー定数は９６４８５Ｃ／ｍｏｌである。
【００６２】
このようにして演算したオフガス水素供給量を図７に示す。この推定オフガス水素供給量を比較的薄い曲線Ｌ３で示しており、これに対して実際に測定器を使用して測定した実オフガス水素供給量を比較的濃い曲線Ｌ４で示している。図７から明らかなように、推定オフガス水素供給量は実オフガス水素供給量と非常によい相関関係にある。したがって、精度よくオフガス水素燃焼用酸化剤ガスの供給量を導出することができる。
【００６３】
第２酸化剤ガス供給量演算部２２０は、オフガス水素供給量演算部２１０によって演算されたオフガス水素の供給量に基づいて下記数８からオフガス水素燃焼用酸化剤ガスの供給量を導出する。
【００６４】
（数８）
オフガス水素燃焼用酸化剤ガスの供給量＝
２．３８１×オフガス水素の供給量[Ｌ/min]
なお、上記数８は下記のように導出される。
【００６５】
水素の燃焼反応は下記化２に示すとおりであり、水素１ｍｏｌを完全燃焼させるためには、酸素１／２ｍｏｌが必要であり、かつ空気中に含まれる酸素の含有率を２１％とすると、水素１ｍｏｌを完全燃焼させるのに必要な空気量は下記数９に示すようになる。
（化２）
Ｈ２＋１／２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ
（数９）
必要な空気量＝１／０．２１×１／２[ｍｏｌ]＝２．３８１[ｍｏｌ]
なお、導出された空気量は設定空気比が１である場合の値である。
【００６６】
燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算部３００は、燃焼用燃料流量計８７によって検出された燃焼用燃料の供給量に基づいて燃焼部２２に供給される燃焼用燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算するものである。
【００６７】
燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算部３１０は、燃焼用燃料流量計８７によって検出された燃焼用燃料の供給量に基づいて下記数１０から燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガスの供給量を導出する。
【００６８】
（数１０）
燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガスの供給量＝
９．５２４×燃焼用燃料の供給量[Ｌ/min]
なお、上記数１０は上記数３と同様にして導出される。ただし、燃焼用燃料がほぼ１００％メタンであるとする。
【００６９】
また、制御装置３０は、図３に示すように、燃焼用燃料供給量検出手段である燃焼用燃料流量計８７からの検出信号を入力し所定のフィルタ処理（ローパスフィルタ）を実行して燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算部３１０に出力する燃焼用燃料供給量フィルタ処理部３０５を備えている。また、制御装置３０は、オフガス燃料供給量演算部１３０からオフガス燃料の供給量を入力して燃焼用燃料供給量フィルタ処理部３０５と同一のフィルタ処理を実行し第１酸化剤ガス供給量演算部１４０に出力するオフガス燃料供給量フィルタ処理部１３５を備えている。さらに、制御装置３０は、オフガス水素供給量演算部２１０からオフガス水素の供給量を入力して燃焼用燃料供給量フィルタ処理部３０５と同一のフィルタ処理を実行して第２酸化剤ガス供給量演算部２２０に出力するオフガス水素供給量フィルタ処理部２１５を備えている。これにより、特に大きなノイズがのっている燃焼用燃料流量計８７からの検出信号からノイズを除去するとともに、燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算部３１０、第１酸化剤ガス供給量演算部１４０および第２酸化剤ガス供給量演算部２２０に同一位相の信号を出力することができる。
【００７０】
上述した燃料電池システムの作動について説明する。制御装置３０は、時刻ｔ０にて図示しない起動スイッチがオンされると、燃料電池システムの起動運転を開始する。制御装置３０は、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を閉じ第２改質ガスバルブ７６を開いてＣＯ選択酸化部２４をバーナ２２ｂに接続し、第１燃料バルブ４２を開き第２燃料バルブ４５を閉じて燃焼用燃料ポンプ４８および燃焼用空気ポンプ６６を駆動して燃焼用燃料および燃焼用空気をバーナ２２ｂに供給してバーナ２２ｂを着火する。これにより、燃焼用燃料が燃焼され、燃焼ガスにより改質部２１内の改質触媒２１ａおよび蒸発器５５が加熱される。
【００７１】
制御装置３０は、温度センサ５５ａにより蒸発器５５の温度を検出し、この検出した温度が第１の所定温度Ｔｈ１以上となれば（時刻ｔ１）、水バルブ５４を開き、水ポンプ５３を駆動させ水タンクＳｗの水を所定流量（所定供給量）だけ蒸発器５５を介して改質部２１に供給する。
【００７２】
制御装置３０は、蒸発器５５の温度が所定温度Ｔｈ１以上となった時点（時刻ｔ１）からタイマのカウントを開始する。タイマが第１所定時間Ｔ１（例えば１分）以上となれば、第２燃料バルブ４５を開いて燃料ポンプ４３を駆動させ燃料供給源Ｓfの燃料を所定流量（所定供給量）だけ改質部２１に供給するとともに、空気バルブ６４を開いて空気ポンプ６３を駆動させ空気供給源Ｓａの空気を所定流量（所定供給量）だけＣＯ選択酸化部２４に供給する。これにより、改質部２１に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、改質部２１では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部２１から導出された改質ガスはＣＯシフト部２３およびＣＯ選択酸化部２４により一酸化炭素ガスを低減されてＣＯ選択酸化部２４から導出され、燃焼部２２のバーナ２２ｂに供給され燃焼される。
【００７３】
このように改質ガスの生成中において、制御装置３０は、温度センサ２４ａ１によりＣＯ選択酸化部２４の触媒２４ａの温度を検出し、この検出した温度が第２の所定温度Ｔｈ２以上となれば（時刻ｔ４）、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開き第２改質ガスバルブ７６を閉じてＣＯ選択酸化部２４を燃料電池１０の燃料極１１の導入口に接続するとともに燃料極１１の導出口をバーナ２２ｂに接続する。これにより、燃料電池システムを暖機する起動運転が終了して続いて定常運転が開始される。
【００７４】
制御装置３０は、定常運転（燃料電池１０を発電させる運転モード）を開始する。このとき、所望の出力電流（負荷装置で消費される電流・電力）となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気、酸化用空気、カソード用空気および改質水を供給するようになっている。制御装置３０は、所望の出力電流となるように改質用燃料の供給量を演算しその供給量となるように燃料ポンプ４３を駆動させ、演算した改質用燃料供給量およびＳ／Ｃ（スチームカーボン比）に基づいて改質水の供給量を演算しその供給量となるように水ポンプ５３を駆動させ、アノードオフガスの燃焼熱だけでは燃焼部２２にて必要な熱エネルギーが不足する場合、起動運転時である場合などに、燃焼部２２に供給する燃焼用燃料の供給量を演算しその供給量となるように燃焼用燃料ポンプ４８を駆動させ、後述するように改質用燃料供給量などに基づいて燃焼用空気の供給量を演算しその供給量となるように燃焼用空気ポンプ６６を駆動させ、一酸化炭素を所定量以下とするように酸化用空気の供給量を演算しその供給量となるように空気ポンプ６３を駆動させ、そして改質装置２０から供給された改質ガスと反応するに十分なカソード用空気の供給量を演算しその供給量となるようにカソード用空気ポンプ６８を駆動させている。そして、停止スイッチが押されると、燃料電池システムは停止する。
【００７５】
さらに、燃焼用空気の供給量の演算および供給について詳述する。制御装置３０において、転化率演算部１１０が改質用燃料の供給量および改質ガス温度に基づいて改質用燃料が水素に転化する割合である転化率を演算し、オフガス燃料供給量演算部１３０が改質用燃料の供給量、および転化率演算部１１０によって演算された転化率に基づいてオフガス燃料の供給量を演算し、第１酸化剤ガス供給量演算部１４０が、燃焼部２２に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を、オフガス燃料供給量演算部１３０によって演算されたオフガス燃料の供給量に基づいて演算する。これと平行に、オフガス水素供給量演算部２１０が、燃料電池の出力電流、改質用燃料の供給量および転化率演算部１１０によって演算された転化率に基づいて、燃焼部２２に供給されるオフガス水素の供給量を演算し、第２酸化剤ガス供給量演算部２２０が、燃焼部２２に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を、オフガス水素供給量演算部２１０によって演算されたオフガス水素の供給量に基づいて演算する。さらに平行に、燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算部３１０は、燃焼用燃料流量計８７によって検出された燃焼用燃料の供給量に基づいて燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガスの供給量を導出する。
【００７６】
そして、加算部３１が、それら演算された燃焼用酸化剤ガスの各供給量を加算して燃焼部２２への燃焼用酸化剤ガスの総供給量を演算し、乗算部３２が、加算部３１によって演算された燃焼用酸化剤ガスの総供給量と設定空気比とを乗算して改質装置の特性などを考慮した空気の供給量を演算する。そして、燃焼用酸化剤ガス供給手段制御手段である燃焼用空気ポンプ制御部３３が、この乗算部３２によって演算された供給量となるように燃焼用酸化剤ガス供給手段である燃焼用空気ポンプ６６を制御する。
【００７７】
上述した説明から明らかなように、本実施の形態においては、オフガス燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算部１００が、燃焼部２２に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算し、オフガス水素燃焼用酸化剤ガス供給量演算部２００が、燃焼部２２に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算し、燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算部３００が、燃焼部２２に供給される燃焼用燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を該燃焼用燃料の供給量に基づいて演算し、加算部３１が、各演算部１００，２００，３００によって演算された燃焼用酸化剤ガスの各供給量を加算して燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算し、燃焼用空気ポンプ制御部３３が、加算部３１によって演算された供給量となるように燃焼用空気ポンプ６６を制御する。これにより、オフガス燃料を考慮して、燃焼部２２に供給される可燃性ガスを燃焼させるのに適切な量の燃焼用酸化剤ガスを供給するので、燃焼部においてより効率の高い燃焼を実現することができる。
【００７８】
また、改質部２１から導出される改質ガスの温度を検出する改質ガス温度検出手段である改質ガス温度センサ８６をさらに備え、オフガス燃料燃焼用酸化剤ガス供給量部１００は、改質用燃料の供給量、および改質ガス温度検出手段によって検出された改質ガス温度に基づいて、燃焼部２２に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算するので、オフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を容易に演算することができ、ひいては燃焼部２２に供給される可燃性ガスを完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を容易に演算することができる。
【００７９】
また、オフガス燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算部１００は、改質用燃料の供給量および改質ガス温度に基づいて改質用燃料が水素に転化する割合である転化率を演算する転化率演算部１１０と、改質用燃料の供給量、および転化率演算部１１０によって演算された転化率に基づいてオフガス燃料の供給量を演算するオフガス燃料供給量演算部１３０と、燃焼部２２に供給されるオフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を、オフガス燃料供給量演算部１３０によって演算されたオフガス燃料の供給量に基づいて演算する第１酸化剤ガス供給量演算部１４０とから構成されているので、オフガス燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を確実かつ正確に演算することができる。
【００８０】
また、燃料電池１０の出力電流を検出する出力電流検出手段である変換機８８と、改質部２１から導出される改質ガスの温度を検出する改質ガス温度検出手段である温度センサ８６とをさらに備え、オフガス水素燃焼用酸化剤ガス供給量演算部２００は、改質用燃料の供給量、出力電流検出手段によって検出された燃料電池１０の出力電流、および改質ガス温度検出手段によって検出された改質ガス温度に基づいて、燃焼部２２に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算するので、オフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を容易に演算することができ、ひいては燃焼部２２に供給される可燃性ガスを完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を容易に演算することができる。
【００８１】
また、オフガス水素燃焼用酸化剤ガス供給量演算部２００は、改質用燃料の供給量および改質ガス温度に基づいて改質用燃料が水素に転化する割合である転化率を演算する転化率演算部１１０と、燃料電池１０の出力電流、改質用燃料の供給量および転化率演算部１１０によって演算された転化率に基づいて、燃焼部２２に供給されるオフガス水素の供給量を演算するオフガス水素供給量演算部２１０と、燃焼部２２に供給されるオフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を、オフガス水素供給量演算部２１０によって演算されたオフガス水素の供給量に基づいて演算する第２酸化剤ガス供給量演算部２２０とから構成されているので、オフガス水素を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を確実かつ正確に演算することができる。
【００８２】
また、転化率演算部１１０は、ニューラルネットワークによって構成されていることにより、ニューラルネットワークによる学習に基づいて転化率が演算されるので、燃料電池システムの運転状況に応じて高精度な転化率を得ることができる。
【００８３】
また、燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算部３１０はフィルタ処理された燃焼用燃料流量計８７からの燃焼用燃料の供給量に基づいて、燃焼部２２に供給される燃焼用燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算するので、燃焼用燃料流量計８７からの検出信号からノイズを除去することにより、燃焼部２２に供給される燃焼用燃料を完全燃焼させる燃焼用酸化剤ガスの供給量を精度よく演算することができる。
【００８４】
また、このように燃焼用燃料流量計８７からの検出信号に基づいて演算される燃焼用酸化剤ガス供給量と、フィルタ処理を行わない信号に基づいてオフガス燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算部１００およびオフガス水素燃焼用酸化剤ガス供給量演算部２００にて演算された燃焼用酸化剤ガスの各供給量とを加算して燃焼用酸化剤ガスの総供給量を演算する場合に、フィルタ処理によって燃焼用燃料流量計８７からの検出信号からノイズを除去することができるが、検出信号の位相が遅れることにより、各燃焼用酸化剤ガス供給量の位相が同一でないため燃焼用酸化剤ガスの総供給量を正しく演算することができなくなるおそれがある。これを防ぐために、上述した実施の形態においては、オフガス燃料供給量演算部１３０からオフガス燃料の供給量を入力して燃焼用燃料供給量フィルタ処理部３０５と同一のフィルタ処理を実行し第１酸化剤ガス供給量演算部１４０に出力するオフガス燃料供給量フィルタ処理部１３５と、オフガス水素供給量演算部２１０からオフガス水素の供給量を入力して燃焼用燃料供給量フィルタ処理部３０５と同一のフィルタ処理を実行して第２酸化剤ガス供給量演算部２２０に出力するオフガス水素供給量フィルタ処理部２１５を備えている。これにより、演算された各燃焼用酸化剤ガス供給量の位相が同一となり同一位相の各燃焼用酸化剤ガス供給量に基づいて燃焼用酸化剤ガスの総供給量を演算することができるので、燃焼用酸化剤ガスの総供給量を高精度にて演算することができる。
【００８５】
なお、上述した実施の形態において、燃焼部２２に供給される燃焼用燃料および改質用燃料の各供給量として、燃焼用燃料流量計８７および改質用燃料流量計８５によってそれぞれ検出された検出値を採用するようにしているが、これに代えて、燃焼用燃料ポンプ４８および燃料ポンプ４３の制御値であるポンプの回転数および各ポンプの吐出圧（吐出量）に基づいて演算した演算値を採用するようにしてもよい。
【００８６】
また、上述した実施の形態において、酸化剤ガス供給源である空気供給源Ｓａから酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段として各空気ポンプ６３，６６，６８を採用したが、これに代えてブロワ（送風機）を採用するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明による燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。
【図３】図２に示した制御装置のブロック線図である。
【図４】図３に示した転化率演算部のブロック線図である。
【図５】図３に示したオフガス水素供給量演算部のブロック線図である。
【図６】実オフガス燃料（オフガスメタン）の流量と推定オフガス燃料供給量との関係を示す図である。
【図７】実オフガス水素の流量と推定オフガス水素供給量との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００８８】
１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質装置、２１…改質部、２１ａ…改質触媒、２１ａ１…温度センサ、２１ｂ…反応室、２２…燃焼部、２２ｂ…バーナ、２３…ＣＯシフト部、２３ａ…触媒、２４…ＣＯ選択酸化部、２４ａ…触媒、２４ａ１…温度センサ、３０…制御装置、４１…燃料供給管、４２…第１燃料バルブ、４３…燃料ポンプ、４４…脱硫器、４５…第２燃料バルブ、４６…熱交換部、４７…燃焼用燃料供給管、４８…燃焼用燃料ポンプ、５１…給水管、５２…水蒸気供給管、５３…水ポンプ、５４…水バルブ、５５…蒸発器、５５ａ…温度センサ、６１…酸化用空気供給管、６２…フィルタ、６３…空気ポンプ、６４…空気バルブ、６５…燃焼用空気供給管、６６…燃焼用空気ポンプ、６７…カソード用空気供給管、６８…カソード用空気ポンプ、６９…カソード用空気バルブ、７１…改質ガス供給管、７２…オフガス供給管、７３…バイパス管、７４…第１改質ガスバルブ、７５…オフガスバルブ、７６…第２改質ガスバルブ、７７，７８，７９…凝縮器、８１，８２…排気管、８４…回収水導出管、８５…改質用燃料流量計、８６…温度センサ（改質ガス温度センサ）、８７…燃焼用燃料流量計、８８…変換機（インバータ）、１００…オフガス燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算部、２００…オフガス水素燃焼用酸化剤ガス供給量演算部、３００（３１０）…燃焼用燃料燃焼用酸化剤ガス供給量演算部、３１…加算部、３２…乗算部、３３…燃焼用空気ポンプ制御部、１１０…転化率演算部、１３０…オフガス燃料供給量演算部、１４０…第１酸化剤ガス供給量演算部、２１０…オフガス水素供給量演算部、２２０…第２酸化剤ガス供給量演算部、３０５…燃焼用燃料供給量フィルタ処理部、１３５…オフガス燃料供給量フィルタ処理部、２１５…オフガス水素供給量フィルタ処理部、Ｓａ…空気供給源、Ｓｆ…燃料供給源、Ｓｗ…改質水供給源。
【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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