(57)【要約】【課題】  水蒸気流量を検出する流量計等の検出器を用いずに改質水の供給量を最適化制御することができる燃料改質システムおよび燃料改質システムの制御方法を提供する。【解決手段】  燃料改質システムは、改質水を用いた水蒸気改質反応によって改質燃料を改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、改質器への改質水の供給量を調整する供給量調整手段と、改質器内のガス圧力を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段によって検出されるガス圧力の変動量に基づいて供給量調整手段による改質水の供給量を補正する補正手段と、を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質水を用いた水蒸気改質反応によって改質燃料を改質して、水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器への前記改質水の供給量を調整する供給量調整手段と、
前記改質器内のガス圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段によって検出されるガス圧力の変動量に基づいて前記供給量調整手段による前記改質水の供給量を補正する補正手段と、を備えることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項２】
前記補正手段は、前記圧力検出手段によって検出されるガス圧力の標準偏差に基づいて前記供給量調整手段による前記改質水の供給量を補正することを特徴とする請求項１記載の燃料改質システム。
【請求項３】
前記補正手段は、前記ガス圧力の標準偏差が所定値を上回る場合、前記改質水の供給量を低減させる補正を行うことを特徴とする請求項１または２記載の燃料改質システム。
【請求項４】
前記補正手段は、前記ガス圧力の標準偏差が所定値を下回る場合、前記改質水の供給量を増加させる補正を行うことを特徴とする請求項１または２記載の燃料改質システム。
【請求項５】
前記補正手段は、前記改質器の改質量の変動量が所定値を上回る場合に、前記供給量調整手段による前記改質水の供給量を補正しないことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料改質システム。
【請求項６】
前記改質器への改質燃料の供給量を設定する設定手段を備え、
前記補正手段は、前記設定手段によって設定される供給量に基づいて導出される改質水供給量と、前記圧力検出手段によって検出されるガス圧力に基づいて導出される改質水供給量と、の差が所定値を上回る場合に、前記供給量調整手段による前記改質水の供給量を補正しないことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料改質システム。
【請求項７】
前記補正手段によって補正される改質水供給量の補正幅は、前記改質器の改質量に応じて変更されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料改質システム。
【請求項８】
改質水を用いた水蒸気改質反応によって改質燃料を改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質器への前記改質水の供給量を調整する供給量調整ステップと、
前記改質器内のガス圧力を検出する圧力検出ステップと、
前記圧力検出ステップにおいて検出されるガス圧力の変動量に基づいて前記供給量調整ステップにおける前記改質水の供給量を補正する補正ステップと、を含むことを特徴とする燃料改質システムの制御方法。
【請求項９】
前記補正ステップは、前記圧力検出ステップで検出されるガス圧力の標準偏差に基づいて前記供給量調整ステップにおける前記改質水の供給量を補正するステップであることを特徴とする請求項８記載の燃料改質システムの制御方法。
【請求項１０】
前記補正ステップは、前記ガス圧力の標準偏差が所定値を上回る場合、前記改質水の供給量を低減させる補正を行うステップであることを特徴とする請求項８または９記載の燃料改質システムの制御方法。
【請求項１１】
前記補正ステップは、前記ガス圧力の標準偏差が所定値を下回る場合、前記改質水の供給量を増加させる補正を行うステップであることを特徴とする請求項８または９記載の燃料改質システムの制御方法。
【請求項１２】
前記補正ステップにおいて、前記改質器の改質量の変動量が所定値を上回る場合に、前記改質水の供給量を補正しないことを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の燃料改質システムの制御方法。
【請求項１３】
前記改質器への改質燃料の供給量を設定する設定ステップを含み、
前記補正ステップにおいて、前記設定ステップによって設定される供給量に基づいて導出される改質水供給量と、前記圧力検出ステップによって検出されるガス圧力に基づいて導出される改質水供給量と、の差が所定値を上回る場合に、前記改質水の供給量を補正しないことを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の燃料改質システムの制御方法。
【請求項１４】
前記補正ステップにおいて補正される改質水供給量の補正幅は、前記改質器の改質量に応じて変更されることを特徴とする請求項８〜１３のいずれかに記載の燃料改質システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料改質システムおよび燃料改質システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池等で消費される水素は、例えば、燃料改質システムにおいて生成される。燃料改質システムにおいては、改質器において炭化水素等の改質燃料と改質水との水蒸気改質反応によって水素が生成される。水蒸気改質反応は化学反応のプロセスであるため、改質器に供給される改質水の供給量が不安定になると生成水素量が不安定化する。そこで、特許文献１の技術では、水蒸気流量計を設けて改質水供給量を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−３３１８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、水蒸気流量計は非常に高価であるため、コストが増大してしまう。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、水蒸気流量を検出する流量計等の検出器を用いずに改質水の供給量を最適化制御することができる燃料改質システムおよび燃料改質システムの制御方法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】
【０００６】
本発明に係る燃料改質システムは、改質水を用いた水蒸気改質反応によって改質燃料を改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、改質器への改質水の供給量を調整する供給量調整手段と、改質器内のガス圧力を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段によって検出されるガス圧力の変動量に基づいて供給量調整手段による改質水の供給量を補正する補正手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料改質システムにおいては、ガス圧力の変動量に基づいて改質水供給量が補正される。したがって、水蒸気流量を検出する流量計等の高価な検出器を用いずに改質水の供給量を最適化制御することができる。
【０００７】
補正手段は、圧力検出手段によって検出されるガス圧力の標準偏差に基づいて供給量調整手段による改質水の供給量を補正してもよい。この場合、ガス圧力変動量の検出精度が向上する。
【０００８】
補正手段は、ガス圧力の標準偏差が所定値を上回る場合、改質水の供給量を低減させる補正を行ってもよい。また、補正手段は、ガス圧力の標準偏差が所定値を下回る場合、改質水の供給量を増加させる補正を行ってもよい。この場合、ガス圧力の標準偏差が所定範囲になるように改質水供給量が補正される。したがって、Ｓ／Ｃ比を好ましい値に制御することができる。
【０００９】
補正手段は、改質器の改質量の変動量が所定値を上回る場合に、供給量調整手段による改質水の供給量を補正しなくてもよい。この場合、改質器における改質量の変動量が大きい過渡状態における誤補正が回避される。
【００１０】
改質器への改質燃料の供給量を設定する設定手段を備え、補正手段は、設定手段によって設定される供給量に基づいて導出される改質水供給量と、圧力検出手段によって検出されるガス圧力に基づいて導出される改質水供給量と、の差が所定値を上回る場合に、供給量調整手段による改質水の供給量を補正しなくてもよい。この場合、改質水の過剰供給に起因するガス圧力変動量小域における誤補正を回避することができる。補正手段によって補正される改質水供給量の補正幅は、改質器の改質量に応じて変更されてもよい。
【００１１】
本発明に係る燃料改質システムの制御方法は、改質水を用いた水蒸気改質反応によって改質燃料を改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質器への前記改質水の供給量を調整する供給量調整ステップと、改質器内のガス圧力を検出する圧力検出ステップと、圧力検出ステップにおいて検出されるガス圧力の変動量に基づいて供給量調整ステップにおける改質水の供給量を補正する補正ステップと、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料改質システムの制御方法においては、ガス圧力の変動量に基づいて改質水供給量が補正される。したがって、水蒸気流量を検出する流量計等の高価な検出器を用いずに改質水の供給量を最適化制御することができる。
【００１２】
補正ステップは、圧力検出ステップで検出されるガス圧力の標準偏差に基づいて供給量調整ステップにおける改質水の供給量を補正するステップであってもよい。この場合、ガス圧力変動量の検出精度が向上する。
【００１３】
補正ステップは、ガス圧力の標準偏差が所定値を上回る場合、改質水の供給量を低減させる補正を行うステップであってもよい。補正ステップは、ガス圧力の標準偏差が所定値を下回る場合、改質水の供給量を増加させる補正を行うステップであってもよい。この場合、ガス圧力の標準偏差が所定範囲になるように改質水供給量が補正される。したがって、Ｓ／Ｃ比を好ましい値に制御することができる。
【００１４】
補正ステップにおいて、改質器の改質量の変動量が所定値を上回る場合に、改質水の供給量を補正しなくてもよい。この場合、改質器における改質量の変動量が大きい過渡状態における誤補正が回避される。
【００１５】
改質器への改質燃料の供給量を設定する設定ステップを含み、補正ステップにおいて、設定ステップによって設定される供給量に基づいて導出される改質水供給量と、圧力検出ステップによって検出されるガス圧力に基づいて導出される改質水供給量と、の差が所定値を上回る場合に、改質水の供給量を補正しなくてもよい。この場合、改質水の過剰供給に起因するガス圧力変動量小域における誤補正を回避することができる。補正ステップにおいて補正される改質水供給量の補正幅は、改質器の改質量に応じて変更されてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、水蒸気流量を検出する流量計等の検出器を用いずに改質水の供給量を最適化制御することができる燃料改質システムおよび燃料改質システムの制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１に係る燃料改質システムが適用される燃料電池システムの構成を概略的に示す説明図である。
【図２】燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの断面を含む部分斜視図である。
【図３】燃料電池スタックを説明するための斜視図である。
【図４】燃料電池スタック、燃焼部、および改質器を抜粋して示す斜視図である。
【図５】改質器の詳細を説明するための斜視図である。
【図６】飽和水蒸気圧と水蒸気温度との関係を示す図である。
【図７】燃料電池スタックの軽負荷から定格負荷までの発電実験における、改質水供給量とガス圧力との相関関係を示す図である。
【図８】改質水供給量を徐増させた場合のガス圧力の推移を示す図である。
【図９】改質水供給開始後のガス圧力の推移を示す図である。
【図１０】改質水流量制御プログラムが実行された場合の改質水供給量最適化ルーチンを表すフローチャートである。
【図１１】図１０のフローチャートで用いられるマップおよびテーブルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の実施例１に係る燃料改質システムが適用される燃料電池システム１０００の構成を概略的に示す説明図である。燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１００、燃焼部２００、熱交換器３００、改質器４００、制御部６００等を備える。
【００２０】
燃料電池スタック１００は、燃料ガスとしての水素と酸化剤ガスとしての空気中の酸素とが各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。本実施例において、燃料電池スタック１００は、反応温度が６００℃〜１０００℃程度の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）である。燃料電池スタック１００のアノード側から排出された排ガス（以下、アノード排ガスともいう。）は、アノード排ガス路１０８を介して、燃焼部２００に供給される。
【００２１】
酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック１００に供給する空気供給系は、空気供給路１１４と、空気供給路１１４上に設けられたエアポンプ１１６とを備える。エアポンプ１１６は、エアクリーナを介して外部から取り込んだ空気を、空気供給路１１４を介して酸化剤ガスとして燃料電池スタック１００のカソードに供給する。燃料電池スタック１００のカソード側から排出された排ガス（以下、カソード排ガスともいう。）は、カソード排ガス路１１８を介して、燃焼部２００に供給される。
【００２２】
燃焼部２００は、グロー着火機構を備え、グロー着火機構に所定の電圧を印加することにより、カソード排ガス路１１８を介して供給されるカソード排ガス中の酸素を利用して、アノード排ガス路１０８を介して供給されるアノード排ガスを燃焼させる。燃焼部２００には、燃焼排ガス路２０２が設けられ、燃焼部２００における燃焼後のガスおよび未燃焼のガスを含む燃焼排ガスが、燃焼排ガス路２０２を介して大気中に放出される。
【００２３】
熱交換器３００には、水道水導入路３０２と、温水放出路３０４とが設けられる。熱交換器３００では、水道水導入路３０２を介して導入された水道水を、燃焼部２００における燃焼に伴う燃焼熱によって温めて温水にする。温水放出路３０４は、貯水タンクに接続されている。熱交換器３００によって温められた温水は、温水放出路３０４を介して貯水タンクに貯留される。貯水タンクは、例えば、ユーザの家庭の風呂、シャワー等に接続されており、ユーザからの要求に応じて、貯水タンク内に貯留されている温水が、ユーザに供給される。なお、貯水タンク内の温水が、熱交換器３００に再び導入され、再加熱されるようにしてもよい。例えば、貯水タンク内の温水の温度が低下した場合、貯水タンク内の温水の温度が、ユーザの要求する温度よりも低い場合等に好適である。
【００２４】
改質器４００は、混合部と改質部とを備える。後述する改質燃料タンク４０２から供給される改質燃料と後述する改質水タンク５００から供給される水（以下、改質水ともいう。）とが混合部において混合される。改質水は、混合部において気化される。以下、混合部において混合され、気化されたガスを、「混合ガス」と称する。改質部は、改質反応を促進する改質触媒を備える。混合部で生成された混合ガスが改質部に導入されると、改質触媒によって改質反応が進行し、水素を含む燃料ガスが生成される。この改質反応は吸熱反応であるため、入熱が必要である。本実施例においては、燃焼部２００における燃焼反応によって発生する熱を利用している。上記改質触媒は、改質反応に用いる改質燃料に応じて適宜決定される。なお、改質器４００において生成され、燃料電池スタック１００に供給される燃料ガスには、水素以外に、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、未反応の改質燃料等が含まれる。
【００２５】
改質燃料を改質器４００に供給する改質燃料供給系は、改質燃料タンク４０２と、改質燃料供給路４０４と、改質燃料供給路４０４上に設けられる流量調節弁４０６と、を備える。また、改質燃料供給系には、改質器４００内のガス圧力（以下、アノード圧力ともいう）を検出する圧力センサ４１０が設けられている。圧力センサ４１０は、流量調節弁４０６から燃料電池スタック１００のアノードまでの配管のいずれの箇所に設けられていてもよい。
【００２６】
改質燃料タンク４０２は、改質燃料としての炭化水素を貯蔵している。なお、改質燃料は、炭化水素に限定されず、アンモニア等を用いてもよい。なお、改質燃料タンク４０２を用いずに、都市ガス等の供給配管を改質燃料供給手段として用いてもよい。改質燃料タンク４０２に貯蔵される炭化水素は、流量調節弁４０６によって所定の流量に調整され、改質燃料供給路４０４を介して改質器４００に供給される。改質器４００で生成された水素、一酸化炭素、二酸化炭素、未反応の改質燃料等を含む燃料ガスは、燃料供給路４０８を介して、燃料電池スタック１００のアノードに供給される。
【００２７】
改質器４００に改質水を供給するための改質水供給系は、凝縮器５０４と、還流ポンプ５０５と、凝縮水路５０６と、改質水タンク５００と、改質水供給路５０８と、改質水ポンプ５１０と、改質水調量電磁弁５１２と、を備える。凝縮器５０４は、排ガス放出路２０６上に設けられ、熱交換器３００において冷却された燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮する。凝縮器５０４には、凝縮水路５０６が接続される。還流ポンプ５０５は、凝縮器５０４にて凝縮された液水（以下、「凝縮水」ともいう。）を、凝縮水路５０６を介して改質水タンク５００に導入する。改質水タンク５００に貯留された凝縮水（改質水）は、改質水ポンプ５１０によって、改質水供給路５０８を介して改質燃料供給路４０４に導入される。改質水調量電磁弁５１２は、改質燃料供給路４０４に導入される改質水量を調節する。このようにして、改質燃料としての炭化水素と改質水とがともに改質器４００に供給される。
【００２８】
制御部６００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成されている。制御部６００は、所定の演算などを実行するＣＰＵ６１０と、改質水流量制御プログラム６２１、マップ６２２、マップ６２３、マップ６２４等が格納されたメモリ６２０と、各種の信号を入出力する入出力ポート６３０とを備える。ＣＰＵ６１０は、改質水流量制御プログラム６２１に従って、所定の演算などを実行する。
【００２９】
制御部６００は、上述した圧力センサ４１０の検出信号、燃料電池スタック１００に対する発電電力要求に関する情報等を取得する。制御部６００は、取得した情報に基づいて、改質器４００に供給される改質水の適切な流量を算出し、改質水調量電磁弁５１２に駆動信号を出力する。また、制御部６００は、流量調節弁４０６、エアポンプ１１６等の、燃料電池スタック１００の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。
【００３０】
次に、燃料電池スタック１００、燃焼部２００、および改質器４００の詳細について説明する。図２は、燃料電池スタック１００を構成する燃料電池セル１０を抜粋して示しており、燃料電池セル１０の断面を含む部分斜視図である。図２に示すように、燃料電池セル１０は、平板柱状の全体形状を有する。ガス透過性を有する導電性支持体１１の内部に、軸方向に沿って貫通する複数の燃料ガス通路１２が形成されている。一方の平面上に、アノード１３、固体電解質１４、およびカソード１５が順に積層されている。導電性支持体１１の外周面における他方の平面上には、接合層１６を介してインターコネクタ１７が設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層１８が設けられている。それにより、アノード１３とインターコネクタ１７とは、間に導電性支持体１１を介して対向するように配置されている。
【００３１】
燃料ガス通路１２に水素を含む燃料ガスが供給されることによって、アノード１３に水素が供給される。一方、燃料電池セル１０の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、カソード１５に酸素が供給される。それにより、カソード１５及びアノード１３において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、６００℃〜１０００℃で行われる。
カソード：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）
アノード：Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００３２】
カソード１５は、耐酸化性を有し、気相酸素が固体電解質１４との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質１４は、カソード１５からアノード１３へ酸素イオンＯ２−を移動させる機能を有する。固体電解質１４は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質１４は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化／還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。アノード１３は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有する材料によって構成され、多孔質である。インターコネクタ１７は、燃料電池セル１０同士を直列接続するために設けられており、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。
【００３３】
例えば、カソード１５は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンマンガネート系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質１４は、イオン導電性の高いＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）等によって形成される。アノード１３は、電子導電性の高いＮｉとＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）との混合物等によって形成される。インターコネクタ１７は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したＬａＣｒＯ３等によって形成される。これらの材料は、熱膨張率が近いものが好適である。
【００３４】
図３は、燃料電池スタック１００を説明するための斜視図である。図３に示すように、燃料電池スタック１００においては、複数の燃料電池セル１０が互いに集電部材を介して積層されている。この場合、各燃料電池セル１０は、アノード１３側とカソード１５側とが対向するように積層される。なお、図３において、矢印は燃料ガスの流れを示し、太線矢印は酸化剤ガスの流れを示す。
【００３５】
図４は、燃料電池スタック１００、燃焼部２００、および改質器４００を抜粋して示す斜視図である。図４に示すように、マニホールド４０上に２個の燃料電池スタック１００が配置され、燃料電池スタック１００の上方に改質器４００が配置されている。
【００３６】
２個の燃料電池スタック１００は、それぞれの燃料電池スタック１００を構成する燃料電池セル１０の積層方向が略平行になるように並列配置されている。改質器３０は、一方の燃料電池スタック１００の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿って伸び、他方の燃料電池スタック１００の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿ってコ字状に折り返す。改質器４００の出口とアノードマニホールド４０の入口とは、燃料ガス配管５０によって接続されている。
【００３７】
燃料電池スタック１００の下端は、マニホールド４０に固定されている。マニホールド４０には、各燃料電池セル１０の燃料ガス通路１２と連通する孔が形成されている。それにより、改質器３０から燃料ガス配管５０、マニホールド４０および燃料ガス通路１２へと連通する燃料ガス流路が形成される。
【００３８】
図５は、改質器４００の詳細を説明するための斜視図である。図５に示すように、改質器４００は、入口側から、気化部３１、加熱部３２、および改質部３３が順に接続された構造を有する。気化部３１は、アノード排ガスの燃焼熱を利用して改質水を気化させる空間部である。
【００３９】
加熱部３２は、アノード排ガスの燃焼熱によって改質水および改質燃料を加熱する空間部である。加熱部３２には、例えば、セラミックスボールが封入されている。改質部３３は、改質水と改質燃料との水蒸気改質反応を生じさせるための空間部である。改質部３３には、例えば、ＮｉまたはＲｕなどの触媒金属が担持されたアルミナなどのセラミックスボールが封入されている。
【００４０】
図４で説明したように、燃料ガスはマニホールド４０から各燃料電池セル１０の燃料ガス通路１２へと供給される。酸化剤ガスは、各燃料電池スタック１００の間を下方に移動した後に各燃料電池セル１０の周囲に供給される。それにより、各燃料電池セル１０において発電が行われる。
【００４１】
燃料電池セル１０において発電に供されなかった燃料ガス（アノード排ガス）と発電に供されなかった酸化剤ガス（カソード排ガス）とが、各燃料電池セル１０の上端において合流する。本実施例においては、燃料電池セル１０の上端と改質器３０との間においてアノード排ガスが燃焼する部位が燃焼部２００として機能する。
【００４２】
続いて、図６〜図９を参照しつつ、改質水の挙動について説明する。改質器４００に供給される原料の中で液相から気相に変化するのは、改質水である。図６は、飽和水蒸気圧と水蒸気温度との関係を示す図である。図６において、横軸は水蒸気温度を示し、縦軸は飽和水蒸気圧を示す。図６に示すように、飽和水蒸気圧は、水蒸気温度の上昇に伴って急激に上昇する。燃焼部２００によって改質器４００が加熱されることから、高い飽和水蒸気圧下で改質水は気化しやすくなる。したがって、燃料供給路４０８のように閉鎖空間とみなせる容積下では、水蒸気温度が一定であると仮定すると、改質水流量がアノード圧力を支配することになる。
【００４３】
図７は、燃料電池スタック１００の軽負荷から定格負荷までの発電実験における、改質水供給量とアノード圧力との相関関係を示す図である。図７において、横軸は改質器４００への改質水供給量を示し、縦軸はアノード圧力を示す。図７に示すように、改質水供給量とアノード圧力との間には、正相関が見られる。図７の結果によれば、アノード圧力は、改質水の気化で生じる圧力が支配的である。したがって、アノード圧力に基づいて、改質水流量を推定することが可能となる。
【００４４】
改質水が気化する際には、突沸現象が生じる。突沸現象は、液体に溶解した気体が瞬時に膨張する現象である。本実施例においては、改質水が突沸すると、アノード圧力が急激に上昇することになる。燃料電池スタック１００の定常発電時のように、改質水気化のための与熱量が概ね一定に制御されている状態においては、水蒸気温度は概ね一定であるとみなすことができる。したがって、あらかじめ所定の流量の改質水が供給されている場合に突沸が生じるような与熱量が設定されていれば、アノード圧力の変動幅を検出することによって、改質水の供給量が適正であるか否かを検出することができる。
【００４５】
図８は、改質水供給量を徐増させた場合のアノード圧力の推移を示す図である。図８において、横軸は経過時間を示し、縦軸はＳ／Ｃ比、アノード圧力、アノード圧力変動指標、および燃焼部熱量を示す。なお、右側の縦軸にＳ／Ｃ比の値が示されている。Ｓ／Ｃ比の「Ｓ」は改質器４００に供給される改質水のモル数を示し、「Ｃ」は改質器４００に供給される改質燃料中の炭素のモル数を示す。したがって、Ｓ／Ｃ比が高いと改質器４００への改質水供給量が多く、Ｓ／Ｃ比が低いと改質器４００への改質水供給量が少ない。水蒸気改質反応のＳ／Ｃ比の当量は、「１」である。しかしながら、制御ばらつき、改質燃料流量分配ばらつき等を考慮すると、Ｓ／Ｃ比の制御目標値は、２〜３程度であることが好ましい。アノード圧力変動指標は、前回計測されたアノード圧力と今回計測されたアノード圧力との差の標準偏差（図８では、サンプル数ｎ＝５０）のことである。燃焼部熱量は、燃焼部２００における燃焼熱のことである。
【００４６】
図８に示すように、Ｓ／Ｃ比が小さい場合にはアノード圧力変動指標も小さくなっており、Ｓ／Ｃ比が所定値よりも大きくなるとアノード圧力変動指標が所定値以上となり、さらにＳ／Ｃ比が所定値よりも大きくなるとアノード圧力変動指標が急激に低下する。したがって、Ｓ／Ｃ比が所定値範囲（改質水供給量が所定範囲）にある場合においては、突沸が生じていることがわかる。一方で、Ｓ／Ｃ比が所定値より小さい（改質水供給量が少ない）場合およびＳ／Ｃ比が所定値より大きい（改質水供給量が過剰である）場合には、突沸が生じていないことがわかる。以上のことから、単位改質水当たりの与熱量が過小であっても過大であっても突沸は生じない。したがって、アノード圧力の圧力変動が予め定めた範囲内にあれば、水蒸気温度を概ね一定に制御できていることになる。
【００４７】
図９は、改質水供給開始後のアノード圧力の推移を示す図である。図９において、横軸は経過時間を示し、縦軸は改質水供給量、アノード圧力、およびアノード圧力変動指標を示す。図９に示すように、アノード圧力に大きな変動が生じていない場合にはアノード圧力変動指数も小さくなっている。これに対して、時間の経過とともに、アノード圧力に突発的な変動が生じると、アノード圧力変動指数も大きくなっている。この図９の結果によれば、アノード圧力の変動の主要因は、突沸であると推定することができる。
【００４８】
ここで、図６〜図９で説明した改質水の挙動について整理する。まず、改質水は、改質器４００において気化する。それに伴い、アノード圧力が変動する。このアノード圧力は改質水の供給量に依存している。また、アノード圧力の変動は改質水の突沸に起因している。そこで、アノード圧力から改質水の突沸を検出することによって、改質水の供給量を最適化することができる。
【００４９】
燃料電池スタック１００の設置環境によるが、Ｓ／Ｃ比＝２〜３の範囲は、上記の突沸が生じる範囲と重複している。したがって、Ｓ／Ｃ比を好ましい範囲に制御しようとすれば、突沸が生じるように改質水供給量を補正することによって、改質水供給量を適正値に補正することができる。本実施例においては、アノード圧力を検出する圧力センサ４１０を用いた、改質水の供給量の最適な制御について説明する。
【００５０】
図１０は、制御部６００のＣＰＵ６１０において改質水流量制御プログラム６２１が実行された場合の改質水供給量最適化ルーチンを表すフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム１０００の起動後、所定の周期（例えば、１秒ごと）で実行される。
【００５１】
図１０に示すように、ＣＰＵ６１０は、燃料電池スタック１００への発電電力要求Ｐ＿ｒｅｑを取得する（ステップＳ１）。次に、ＣＰＵ６１０は、ステップＳ１で取得した発電電力要求Ｐ＿ｒｅｑに基づいて、流量調節弁４０６へのポンプ駆動指令値ＶＦ＿ａｎｄを決定する（ステップＳ２）。ポンプ駆動指令値ＶＦ＿ａｎｄは、流量調節弁４０６に印加される電圧値のことであり、改質器４００に供給される改質燃料量の目標値に対応している。
【００５２】
図１１（ａ）は、発電電力要求Ｐ＿ｒｅｑとポンプ駆動指令値ＶＦ＿ａｎｄとの関係が記憶されたマップを示す図である。図１１（ａ）のマップは、図１のメモリ６２０に格納されたマップ６２２である。発電電力要求量が多いほど発電に要する水素量が多くなることから、図１１（ａ）に示すように、ポンプ駆動指令値ＶＦ＿ａｎｄは、発電電力要求Ｐ＿ｒｅｑに比例して増加する。なお、発電電力要求Ｐ＿ｒｅｑがゼロである場合においてもポンプ駆動指令値ＶＦ＿ａｎｄがゼロでないのは、燃料電池スタック１００の温度維持に改質燃料が必要であるからである。
【００５３】
次に、ＣＰＵ６１０は、ステップＳ２で決定したポンプ駆動指令値ＶＦ＿ａｎｄに基づいて、改質器４００への改質水供給量ＱＷ＿ｆを導出する（ステップＳ３）。改質水供給量ＱＷ＿ｆは、ポンプ駆動指令値ＶＦ＿ａｎｄと、Ｓ／Ｃ比の制御目標値とから導出することができる。図１１（ｂ）は、Ｓ／Ｃ比が２．５である場合の、ポンプ駆動指令値ＶＦ＿ａｎｄと改質水供給量ＱＷ＿ｆとの関係が記憶されたマップを示す図である。図１１（ｂ）のマップは、図１のメモリ６２０に格納されたマップ６２３である。
【００５４】
次に、ＣＰＵ６１０は、圧力センサ４１０からアノード圧力ＰＲＳ＿ａｎｄを取得する（ステップＳ４）。次いで、ＣＰＵ６１０は、ステップＳ４で取得したアノード圧力ＰＲＳ＿ａｎｄに基づいて、改質水供給量ＱＷ＿ｐを導出する（ステップＳ５）。アノード圧力は改質水の気化に支配されるため、改質水供給量ＱＷ＿ｐは、図１１（ｃ）に示すように、アノード圧力ＰＲＳ＿ａｎｄに比例して増加する。図１１（ｃ）のマップは、図１のメモリ６２０に格納されたマップ６２４である。
【００５５】
次に、ＣＰＵ６１０は、改質水供給量ＱＷ＿ｆから改質水供給量ＱＷ＿ｆを差し引いた値が、しきい値ＱＷ＿ｒｅｆ（例えば、０．８ｃｃ／ｍｉｎ）より小さいか否かを判定する（ステップＳ６）。ステップＳ６において「Ｎｏ」と判定された場合、ＣＰＵ６１０は、フローチャートの実行を終了する。それにより、改質水が過剰に供給されることに起因するアノード圧力変動量小域における誤補正を回避することができる。
【００５６】
ステップＳ６において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ６１０は、ポンプ駆動指令値ＶＦ＿ａｎｄの標準偏差σＶＦ＿ａｎｄを算出する（ステップＳ７）。標準偏差σＶＦ＿ａｎｄは、例えば５０個程度のサンプルから算出することができる。次に、ＣＰＵ６１０は、標準偏差σＶＦ＿ａｎｄがしきい値σＶＦ＿ａｎｄ＿ｒｅｆ（例えば、０．０１Ｖ）より小さいか否かを判定する（ステップＳ８）。
【００５７】
標準偏差σＶＦ＿ａｎｄがしきい値σＶＦ＿ａｎｄよりも小さい場合には、燃料電池スタック１００の発電電力量が安定している定常運転状態であると判定することができる。一方、標準偏差σＶＦ＿ａｎｄがしきい値σＶＦ＿ａｎｄがしきい値σＶＦ＿ａｎｄ以上である場合には、燃料電池スタック１００の発電電力量が変化する過渡運転状態であると判定することができる。
【００５８】
したがって、ステップＳ８において「Ｎｏ」と判定された場合には、ＣＰＵ６１０は、フローチャートの実行を終了する。それにより、過渡運転状態における誤補正を回避することができる。ステップＳ８において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ６１０は、アノード圧力ＰＲＳ＿ａｎｄの標準偏差σＰＲＳ＿ａｎｄを算出する（ステップＳ９）。標準偏差σＰＲＳ＿ａｎｄは、例えば５０個程度のサンプルから算出することができる。
【００５９】
次に、ＣＰＵ６１０は、標準偏差σＰＲＳ＿ａｎｄがしきい値σＰＲＳ＿ａｎｄ＿ｌｗｒ（例えば、０．０４ｋＰａ）より小さいか否かを判定する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ６１０は、改質水流量補正値ＱＷ＿ｆｂを下記式（１）に従って求める（ステップＳ１１）。なお、下記式（１）のｄｆｂは、例えば１／１００００ｃｃ／ｍｉｎとすることができる。
ＱＷ＿ｆｂ  ＝  ＱＷ＿ｆｂ  ＋  ｄｆｂ  （１）
【００６０】
次に、ＣＰＵ６１０は、改質水調量電磁弁５１２の目標供給量ＱＷを下記式（２）に従って補正する（ステップＳ１２）。なお、下記式（２）のｍａｐ（ＶＦ＿ａｎｄ）は、ポンプ駆動指令値ＶＦ＿ａｎｄに応じて決定される改質水供給量である。その後、ＣＰＵ６１０は、フローチャートの実行を終了する。
ＱＷ  ＝  ｍａｐ（ＶＦ＿ａｎｄ）  ＋  ＱＷ＿ｆｂ  （２）
【００６１】
ステップＳ１０において「Ｎｏ」と判定された場合、ＣＰＵ６１０は、標準偏差σＰＲＳ＿ａｎｄがしきい値σＰＲＳ＿ａｎｄ＿ｕｐｒより小さいか否かを判定する（ステップＳ１３）。しきい値σＰＲＳ＿ａｎｄ＿ｕｐｒは、しきい値σＰＲＳ＿ａｎｄ＿ｌｗｒよりも大きい値であり、例えば、０．１６ｋＰａである。ステップＳ１３において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ６１０は、改質水流量補正値ＱＷ＿ｆｂを下記式（３）に従って求める（ステップＳ１４）。なお、下記式（３）のｄｆｂは、例えば１／１００００ｃｃ／ｍｉｎとすることができる。
ＱＷ＿ｆｂ  ＝  ＱＷ＿ｆｂ  −  ｄｆｂ  （３）
【００６２】
その後、ＣＰＵ６１０は、ステップＳ１２を実行してフローチャートの実行を終了する。なお、ステップＳ１３において「Ｎｏ」と判定された場合、ＣＰＵ６１０は、フローチャートの実行を終了する。それにより、改質水調量電磁弁５１２の現在の目標供給量ＱＷは、適正値として維持される。
【００６３】
本実施例によれば、アノード圧力変動量に基づいて改質水供給量を補正することができる。それにより、水蒸気流量を検出する流量計等の高価な検出器を用いずに改質水の供給量を最適化制御することができる。また、アノード圧力の標準偏差に基づいて改質水供給量を補正することから、アノード圧力変動量の検出精度が向上する。さらに、アノード圧力の標準偏差が所定範囲になるように改質水供給量が補正されることから、Ｓ／Ｃ比を好ましい値に制御することができる。
【００６４】
また、流量調節弁４０６へのポンプ駆動指令値から導出される改質水供給量とアノード圧力から導出される改質水供給量との差が大きい場合には改質水供給量が補正されないことから、改質水の過剰供給に起因するアノード圧力変動量小域における誤補正を回避することができる。さらに、流量調節弁４０６へのポンプ駆動指令値の変動量が大きい場合には改質水供給量が補正されないことから、改質器４００における改質量の変動量が大きい過渡状態（燃料電池スタック１００における発電変動量が大きい過渡運転状態）における誤補正が回避される。
【００６５】
なお、図１１のフローチャートでは、改質器４００における改質量の変動量（燃料電池スタック１００の発電変動量）を判断するためにポンプ駆動指令値ＶＦ＿ａｎｄを用いたが、それに限られない。例えば、燃料電池スタック１００の発電電力、発電電流、発電電圧等の検出結果を用いてもよく、改質燃料供給量もしくは改質水供給量の制御値、検出結果、または該検出結果に基づいて得られる情報を用いてもよい。
【００６６】
また、図１１のフローチャートでは、改質水流量補正値ＱＷ＿ｆｂを１種類としたが、それに限られない。例えば、図１２（ｄ）に示すように、ポンプ駆動指令値ＶＦ＿ａｎｄの区分に応じて、異なる改質水流量補正値ＱＷ＿ｆｂを保持するテーブルを用意してもよい。また、ポンプ駆動指令値ＶＦ＿ａｎｄ以外に、改質器４００における改質量の変動量（燃料電池スタック１００の発電量変動）に関係する制御値または検出値（燃料電池スタック１００の発電電力、発電電流もしくは発電電圧、または、改質燃料供給量もしくは改質水供給量の制御値もしくは検出値）の区分に応じて、異なる改質水流量補正値ＱＷ＿ｆｂを保持するテーブルを用意してもよい。また、各区分ごとにしきい値σＰＲＳ＿ａｎｄ＿ｕｐｒおよびしきい値σＰＲＳ＿ａｎｄ＿ｌｗｒをそれぞれ用意してもよい。この場合、改質器受熱熱量に応じたきめ細かい制御を実行することができる。
【００６７】
上記実施例において、改質水調量電磁弁５１２が改質水の供給量を調整する供給量調整手段として機能し、圧力センサ４１０が改質器内のガス圧力を検出する圧力検出手段として機能し、制御部６００が改質水の供給量を補正する補正手段として機能するとともに改質器への改質燃料の供給量を設定する設定手段として機能する。
【００６８】
なお、上記実施例は、固体高分子形、固体酸化物形、炭酸溶融塩形等の他のいずれのタイプの燃料電池にも適用可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１０  燃料電池セル
１００  燃料電池スタック
４００  改質器
４０２  改質燃料タンク
４０６  流量調節弁
４１０  圧力センサ
５００  改質水タンク
５１２  改質水調量電磁弁
６００  制御部
６２０  メモリ
６２１  改質水流量制御プログラム
１０００  燃料電池システム
【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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