(57)【要約】      （修正有）【課題】供給される原料流量や水供給量のバラツキに対処することができ、燃料電池の水素利用率を一定にすることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料処理器５と、原料を燃料処理器５に供給する原料供給器３と、水を燃料処理器５に供給する水供給器４と、燃料処理器５から供給された水素含有ガスを用いて電力を発生する燃料電池１と、燃料電池１から発生する電力を取り出す電流量制御器８と、制御器２と、原料供給器３が供給する原料の流量を検出する原料流量検出器９、及び、水供給器４が供給する水の流量を検出する水流量検出器１０のいずれかの流量検出器を備え、制御器２は、負荷電力に応じて電流量制御器８から取り出す電流量を算出し、少なくともいずれかの流量検出器から取得した流量に基づき、算出した取り出す電流量を調整する、燃料電池システム。【選択図】図１
2008016319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料と水から改質反応により水素含有ガスを生成する燃料処理器と、
前記原料を前記燃料処理器に供給する原料供給器と、
前記水を前記燃料処理器に供給する水供給器と、
前記燃料処理器から供給された前記水素含有ガスを用いて電流を発生する燃料電池と、
該燃料電池から排出される排水素含有ガスを燃焼し、前記燃料処理器に改質反応に必要な熱を供給する燃焼器と、
前記燃料電池から取り出す電流量を制御する電流量制御器と、
制御器と、
前記原料供給器が供給する原料の流量を検出する原料流量検出器、及び、前記水供給器が供給する水の流量を検出する水流量検出器の少なくともいずれかの流量検出器と、を備え、
前記制御器は、負荷電力に応じて前記電流量制御器から取り出す電流量を算出し、前記少なくともいずれかの流量検出器から取得した前記流量に基づき、前記算出した電流量を調整する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記原料流量検出器を備え、
前記制御器は、前記原料流量検出器により検出された原料流量に基づき、前記算出した電流量を調整する、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記原料流量検出器を備え、前記制御器は、前記原料流量検出器で検出される原料流量に基づき、前記水供給器から供給される前記水が所定比率になるように前記水供給器を制御し、
前記制御器は、前記水供給器に指令した水流量値に基づき、前記算出した電流量を調整する、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水流量検出器を備え、前記制御器は、前記水流量検出器で検出される水流量に基づき、前記原料供給器から供給される前記原料が所定比率になるように前記原料供給器を制御し、
前記制御器は、前記水流量検出器より取得した水流量に基づき、前記算出した電流量を調整する、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記原料流量検出器及び前記水流量検出器の両方の流量検出器を備え、前記制御器は、前記原料流量検出器で検出される原料流量に対して前記水流量検出器で検出される水流量が所定比率になるように前記水供給器を制御し、
前記制御器は、前記水流量検出器より取得した水流量に基づき、前記算出した電流量を調整する、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記原料流量検出器及び前記水流量検出器の両方の流量検出器を備え、
前記制御器は、前記原料流量検出器から取得した前記原料流量及び前記水流量検出器から取得した前記水流量に基づき、前記算出した電流量を調整する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いて発電を行なう燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、原料と水とを反応させて水素リッチな水素含有ガスが燃料処理器で生成され、この生成された水素含有ガスと酸化剤ガスが燃料電池に供給され、燃料電池でこれらのガスを反応させて発電を行うシステムである。このとき、燃料電池から水素含有ガスの一部がオフガスとして燃料処理器のバーナ等の燃焼器に供給される。燃焼器は、このオフガスを燃焼し、発生した熱を燃料処理器に供給する。その際、燃料処理器の温度は、オフガスの燃焼で供給される熱量と改質反応に必要とされる熱量の差により所定の温度になる。
【０００３】
ところで、上記燃料電池システムの電力制御の手法として、通常は、電力負荷の消費電力量から燃料電池の目標発電量、及びこれに対応した量の水素含有ガスが燃料電池へ供給されるよう燃料処理器への原料及び水の供給量の目標値を定め、この目標値に一致するよう原料流量及び水流量を制御するのが一般的である。しかしながら、原料及び水の供給量を調整する原料供給器及び水供給器には誤差はつきものであり、少なからず原料流量及び水流量に目標値に対してバラツキを生じる。
【０００４】
このバラツキにより燃料処理器で生成される水素含有ガス量も目標値に対してずれが生じるため、燃料電池より取り出す電流量を上記目標発電量と一致するよう制御すると、燃料電池における水素利用率に変動が生じ、燃焼器に供給されるオフガス中の水素量が変動するため、燃料処理器の温度変化が生じる。さらに、燃料処理器の温度によって、原料から生成される水素量（転化率）が変化するため、燃料処理器の温度変化が生じると、水素利用率の変動が拡大し、燃料処理器の温度変動も大きくなり、これが、燃料処理器の構造体変形によるガスリーク、内部に充填されている触媒の変形、崩壊により触媒性能の低下等の悪影響を与える原因になる。
【０００５】
このため、従来の燃料電池システムとして、上記燃焼器の燃焼熱量が正しい状態にあるかを検知する検知器を有し、この検知器で検出される燃焼熱量が所定値からずれていた場合は、電流量制御器が燃料電池より取り出す電流量を調整することで、燃焼熱供給に使用できるオフガス水素量を調整し、最適な燃焼状態に制御する方法が開示されている。（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００４−１７８９６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料電池システムは、原料流量および水流量の変動に対し、その変動が、燃料処理器での水素含有ガス量の変化、そして燃料電池からのオフガス中の水素量の変化を経て、はじめて燃焼状態の変化として発現するため、原料流量および水流量の変動に対し、応答遅れが生じてしまい、上述の燃料処理器や触媒の耐久性低下の抑制には、不十分であった。
【０００７】
本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、供給される原料流量や水供給量が、それぞれの目標供給量に対してバラツキが生じても、燃料電池の水素利用率及び燃料処理器の温度を可能な限り安定化させ、安定した発電が可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池システムによれば、供給される原料流量や水供給量が、それぞれの目標供給量に対してバラツキが生じても、燃料電池の水素利用率及び燃料処理器の温度を可能な限り安定化させ、安定した発電が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、原料と水から改質反応により水素含有ガスを生成する燃料処理器と、前記原料を前記燃料処理器に供給する原料供給器と、前記水を前記燃料処理器に供給する水供給器と、前記燃料処理器から供給された前記水素含有ガスを用いて電流を発生する燃料電池と、該燃料電池から排出される排水素含有ガスを燃焼し、前記燃料処理器に改質反応に必要な熱を供給する燃焼器と、前記燃料電池から取り出す電流量を制御する電流量制御器と、制御器と、前記原料供給器が供給する原料の流量を検出する原料流量検出器、及び、前記水供給器が供給する水の流量を検出する水流量検出器の少なくともいずれかの流量検出器と、を備え、前記制御器は、負荷電力に応じて前記電流量制御器から取り出す電流量を算出し、前記少なくともいずれかの流量検出器から取得した前記流量に基づき、前記算出した電流量を調整する。
【００１０】
これにより、供給される原料の流量や水の流量がそれぞれの目標流量に対してバラツキが生じても、燃料電池の水素利用率及び燃料処理器の温度を可能な限り安定化させ、安定した発電が可能となる。
【００１１】
前記燃料電池システムは、前記原料流量検出器を備え、前記制御器は、前記原料流量検出器により検出された原料流量に基づき、前記算出した電流量を調整するように構成されていてもよい。
【００１２】
前記燃料電池システムは、前記原料流量検出器を備え、前記制御器は、前記原料流量検出器で検出される原料流量に基づき、前記水供給器から供給される前記水が所定比率になるように前記水供給器を制御し、前記制御器は、前記水供給器に指令した水流量値に基づき、前記算出した電流量を調整するように構成されていてもよい。
【００１３】
前記燃料電池システムは、前記水流量検出器を備え、前記制御器は、前記水流量検出器で検出される水流量に基づき、前記原料供給器から供給される前記原料が所定比率になるように前記原料供給器を制御し、前記制御器は、前記水流量検出器より取得した水流量に基づき、前記算出した電流量を調整するように構成されていてもよい。
【００１４】
前記燃料電池システムは、前記原料流量検出器及び前記水流量検出器の両方の流量検出器を備え、前記制御器は、前記原料流量検出器で検出される原料流量に対して前記水流量検出器で検出される水流量が所定比率になるように前記水供給器を制御し、前記制御器は、前記水流量検出器より取得した水流量に基づき、前記算出した電流量を調整するよう構成されていてもよい。
【００１５】
前記燃料電池システムは、前記原料流量検出器及び前記水流量検出器の両方の流量検出器を備え、前記制御器は、前記原料流量検出器から取得した前記原料流量及び前記水流量検出器から取得した前記水流量に基づき、前記算出した電流量を調整するように構成されていてもよい。
【００１６】
以下、好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【００１７】
まず、本実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について、図１を参照しながら説明する。
【００１８】
図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１と、原料供給器３と、原料流量検出器９と、水供給器４と、水流量検出器１０と、燃料処理器５と、酸化剤ガス供給器７と、電流量制御器８と、負荷電力検出器２１と、制御器２と、を有している。
【００１９】
燃料処理器５には、原料供給器３が、原料供給流路１１を介して接続されており、原料供給流路１１の途中には、原料流量検出器９が設けられている。
【００２０】
原料供給器３は、ここでは、天然ガス供給インフラから供給される天然ガス（原料）を燃料処理器５に供給する流量を調整する原料流量調整器である。原料供給器３としては、例えば、比例弁に代表されるソレノイドをアクチュエータに用いた可変オリフィスや、モータ、ステッピングモータ等をアクチュエータに用いその回転力を利用した可変オリフィス、ソレノイドやモータを用いてｏｎ／ｏｆｆ弁によるｏｎ／ｏｆｆ回数、あるいはｏｎ／ｏｆｆ時間比によるソレノイド弁が挙げられ、ここでは、ステッピングモータを用いた可変オリフィス（制御弁）が用いられている。なお、原料として、ここでは天然ガス（メタン）を例示したが、エタン、プロパン等の炭化水素、メタノールなどのアルコール類、灯油やＬＰＧ（液化石油ガス）等を使用してもよい。
【００２１】
また、原料流量検出器９は、原料供給器３から送出され原料供給流路１１を流れる原料の実流量を検出している。原料流量検出器９としては、例えば、オリフィス前後に発生する差圧を用いた流量計、超音波を利用した流量計、熱線を利用した流量計、経路の圧力を利用した流量検知代替器、カルマン渦を利用した流量計、流れる気体の運動量を利用したベーン式の流量計等が挙げられ、ここでは、差圧を利用した差圧式流量計が用いられている。
【００２２】
そして、燃料電池システム１００の運転中には、燃料処理器５に供給される原料の流量は、制御器２から原料供給器３への制御信号により制御され、原料流量検出器９で検出された原料の実流量情報が制御器２に常時伝達される。
【００２３】
また、燃料処理器５には、水供給器４が、水供給流路１２を介して接続されており、水供給流路１２の途中には、水流量検出器１０が設けられている。
【００２４】
水供給器４は、水道水等の水供給源の水に含まれる不純物を浄化する活性炭及びイオン交換樹脂で構成される浄化器（図示せず）を通過した水を燃料処理器に供給する際に、供給される水の流量を調整する水流量調整器である。水供給器４としては、例えば、比例弁に代表されるソレノイドをアクチュエータに用いた可変オリフィスや、モータ、ステッピングモータ等をアクチュエータに用いその回転力を利用した可変オリフィス、ソレノイド、モータを用いたｏｎ／ｏｆｆ弁によるｏｎ／ｏｆｆ回数、あるいはｏｎ／ｏｆｆ時間比によるソレノイド弁、モータ、ソレノイド等を用いた容積形ポンプ等が挙げられ、ここでは、ステッピングモータを用いた可変オリフィス（制御弁）が用いられている。
【００２５】
水流量検出器１０は、水供給器４から送出され水供給流路１２を流れる水の実流量を検出している。水流量検出器１０としては、オリフィス前後に発生する差圧を用いた流量計、ベンチュリ計やオリフィス計、ペルチェ素子を利用した流量計、熱線を利用した流量計、流れる流体の運動量を利用したベーン式の流量計等が挙げられ、ここでは、ペルチェ素子を利用した流量計が用いられている。
【００２６】
そして、燃料電池システム１００の運転中には、燃料処理器５に供給される水の流量は、制御器２から水供給器４への制御信号により制御され、水流量検出器１０で検出された水の実流量情報が制御器２に常時伝達される。
【００２７】
燃料処理器５は、原料供給器３から供給された原料と、水供給器４から供給された水と、を改質反応させて、水素リッチな水素含有ガスを生成する。そして、生成した水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素をシフト反応及び選択酸化反応により１０ｐｐｍ程度まで低減して水素リッチな水素含有ガスを生成し、この水素含有ガスを燃料電池１のアノードに供給する。このとき、改質反応等の反応に必要な熱源は、燃焼器６から供給される。
【００２８】
燃焼器６は、燃料電池１から供給されたオフガスと、燃焼用空気供給装置（図示せず）から供給された酸素と、を燃焼して、これにより、発生した熱を燃料処理器５に供給する。燃焼後のオフガスは、排気口（図示せず）から燃料電池システム１００の系外へ排出される。なお、燃焼器６は、運転開始時には、原料供給器３から原料が供給され、供給された原料を燃焼用燃料として使用している。また、燃焼用空気供給装置に代えて酸化剤ガス供給器７から酸素を含む空気が供給されるような構成としてもよい。
【００２９】
酸化剤ガス供給器７は、ここでは、吸入口が大気開放されているブロワ（図示せず）と、吸入される空気あるいは吸入された空気を一定量の水蒸気で加湿する加湿装置（図示せず）と、を有しており、酸化剤ガス（空気）を燃料電池１のカソードに供給する。なお、酸化剤ガス供給器７は、シロッコファンなどのファン類を用いる構成としてもよい。
【００３０】
燃料電池１は、燃料処理器５からアノードに供給された水素を含む水素含有ガスと、酸化剤ガス供給器７からカソードに供給された酸素を含む酸化剤ガスと、を電気化学的に反応させて発電する。燃料電池１で使用されなかった排水素含有ガスは、オフガスとして燃焼器６に供給される。そして、電流量制御器８によって、燃料電池１で発電された電流が取り出される。
【００３１】
電流量制御器８は、インバータ、変圧装置等を有し、燃料電池１から電流を取り出し、出力側が要求する電圧、電流等に調整するように構成されている。ここでは、電流量制御器８は、系統電源と系統連係されていて、また、電流量制御器８は、外部負荷（例えば、家庭の電力負荷）に接続されており、外部負荷は、系統電源に接続されている。これにより、燃料電池システム１００（正確には燃料電池１）で発電された発電量が要求される外部負荷よりも過剰な場合には、余った電力は系統電源に逆潮流され、逆に、燃料電池システム１００からの発電量が足りない場合には、系統電源から不足分の電流量が供給される。なお、燃料電池システム１００の発電量の過不足を調整する系統電源は、二次電池（バッテリー）等のエネルギー蓄積デバイスで代用してもよい。
【００３２】
負荷電力検出器２１は、電力計で構成されており、外部負荷の電力を検出して、これを制御器２に出力する。
【００３３】
制御器２は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、ＣＰＵ等からなる演算制御部４１、メモリ等からなる記憶部４２、モニター等の表示部４３、及びキーボード等の操作入力部４４を有している。制御器２は、これらの各処理部により、原料供給器３及び水供給器４から燃料処理器５に供給される原料の供給量等を制御して、燃料電池１に供給される水素含有ガスの流量を制御し、燃料電池システム１００の運転制御を行う。そして、特に、原料流量検出器９及び水流量検出器１０にて検出された原料の実流量及び水の実流量に基づいて、電流量制御器８が燃料電池１から取り出す電流量を調整する。電流量制御器８の調整動作については後述する。
【００３４】
ここで、本明細書において、制御器とは、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システム１００の制御を実行する制御器群をも意味する。このため、制御器２は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して燃料電池システム１００の動作を制御するように構成されていてもよい。
【００３５】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の運転動作について、図１を参照しながら説明する。
【００３６】
燃料電池システム１００は、制御器２の演算制御部４１からの運転開始の制御信号が出力されて起動する。具体的には、原料供給器３から供給される原料の一部が燃焼用燃料として所定の供給量で燃焼器６（ここでは、バーナ）に供給されるとともに、図示しない燃焼用空気供給装置から燃焼用空気が所定の供給量で供給される。そして、この燃焼用燃料と燃焼用空気が燃焼して、燃焼ガスが生成し、熱が発生する。生成した燃焼ガスは、排気口を介して外部に排出され、発生した熱は、燃料処理器５に供給される。
【００３７】
一方、制御器２では、外部から要求される負荷電力に対して、燃料電池１で発電する発電量（電流量）が算出され、この発電量を発電するために必要な水素量が算出される。そして、この水素量を生成するために、必要な原料流量と水流量が算出される。制御器２は、算出した原料流量となるように原料供給器３を制御し、また、算出した水流量となるように水供給器４を制御する。このとき、原料流量検出器９は、燃料処理器５に供給される原料の実流量を検出し、また、水流量検出器１０は、燃料処理機５に供給される水の実流量を検出し、それぞれの実流量を制御器２にフィードバックする。制御器２は、これらの実流量を基にして原料供給器３及び水供給器４の流量の調整を必要に応じて行う。
【００３８】
燃料処理器５では、水供給器４から供給された水が加熱されて水蒸気となり、また、原料供給器３から供給された原料が加熱される。この水蒸気と原料を水蒸気改質反応させ、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、及び未反応のメタンと水蒸気を含む水素含有ガスが生成される。そして、この生成された水素含有ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを反応させて、二酸化炭素及び水素を生成するシフト反応が行われる。その結果、水素含有ガス中の一酸化炭素が１％程度にまで低減する。次に、シフト反応後の水素含有ガスに含まれる一酸化炭素と、別途供給された空気中の酸素との酸化反応により、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下の水素含有ガスが生成される。この生成された水素含有ガスが、燃料処理器５から燃料電池１に供給される。
【００３９】
そして、燃料電池１は、水素含有ガス中の水素と、酸化剤ガス供給器７から供給された酸化剤ガス中の酸素と、を用いて発電する。燃料電池１で使用されなかった余剰の排水素含有ガスは、燃焼器６に供給され、燃焼器６では、この排水素含有ガスが燃焼用燃料として用いられる。制御器２は、負荷電力検出器２１で検出される負荷電力に対応した電流量を燃料電池１より取り出すように電流量制御器８を制御する。
【００４０】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の原料及び水の流量の調整について、図２を参照しながら詳細に説明する。
【００４１】
図２は、図１に示した制御器２の記憶部４２に格納された原料及び水の流量の調整と取り出し電流量の調整プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。
【００４２】
まず、制御器２の演算制御部４１は、外要求される負荷電力を負荷電力検出器２１から取得する（ステップＳ１）。そして、要求される負荷電力に対応する燃料電池１から取り出す電流量（これを、目標取り出し電流量という）を算出する（ステップＳ２）。
【００４３】
次に、演算制御部４１は、この目標取り出し電流量を燃料電池１で発電するために必要な水素量を算出し（これを、目標水素量という）、目標水素量を決定する（ステップＳ３）。そして、燃料処理器５で目標水素量を生成するために必要な原料の流量を算出し（これを、目標原料流量という）、目標原料流量を決定する（ステップＳ４）。また、同様に、目標水素量を生成するために必要な水の流量を算出し（これを、目標水流量という）、目標水流量を決定する（ステップＳ５）。
【００４４】
次に、制御器２の演算制御部４１は、原料供給器３に目標原料流量になるよう流量を調整する（流量調整器である制御弁の開度を調整する）指令を出し（ステップＳ６）、水供給器４に目標水流量になるよう流量を調整する（流量調整器である制御弁の開度を調整する）指令を出す（ステップＳ７）。そして、原料流量検出器９で検出された原料の実流量情報を取得する（ステップＳ８）。また、水流量検出器１０で検出された水の実流量情報を取得する（ステップＳ９）。
【００４５】
次に、演算制御部４１は、ステップＳ８で取得した原料の実流量とステップＳ４で設定した目標原料流量及びステップＳ９で取得した水の実流量とステップＳ５で設定した目標水流量をそれぞれ比較し、目標原料流量に対する実流量の誤差及び目標水流量に対する実流量の誤差が、予め制御器２の記憶部４２に記憶された許容範囲内にあるか否かを判断する（ステップＳ１０）。許容範囲内にない場合には、演算制御部４１は、原料及び水の実流量が目標流量に一致するように原料供給器３及び／又は水供給部４に流量の調整を行う指令を出し（ステップＳ１１）、ステップＳ８に戻る。そして、目標原料流量に対する実流量の誤差及び目標水流量に対する実流量の誤差が、許容範囲内になるまで、ステップＳ８〜Ｓ１１を繰り返す。一方、ステップＳ１０で原料及び水の実流量と目標原料流量及び目標水流量との誤差が、許容範囲内にある場合には、ステップＳ１２に進む。
【００４６】
ステップＳ１２では、演算制御部４１は、ステップＳ２で算出した目標取り出し電流量の調整を行う。この目標取り出し電流量の調整については、後述する。
【００４７】
そして、演算制御部４１は、目標取り出し電流量の調整（ステップＳ１２）後、燃料電池システムの運転の終了の指示があるか否かの確認を行う（ステップＳ１３）。運転を終了する指示がある場合には、ステップＳ１４に進み、運転を終了する。一方、運転を終了する指示がない場合には、ステップＳ１に戻り運転を継続する。
【００４８】
なお、制御器２の記憶部４２に記憶された許容範囲は、例えば、目標原料流量に対する実流量の誤差は、目標に対して±５％、目標水流量に対する実流量の誤差は、目標に対して±５％である。
【００４９】
次に、図２のフローチャートにおける取り出し電流量の調整について図３を参照しながら、詳細に説明する。
【００５０】
図３は、図２に示した取り出し電流量の調整プログラムの内容をさらに詳細に示すフローチャートである。
【００５１】
まず、制御器２の演算制御部４１は、ステップＳ８で取得した原料の実流量とステップＳ９で取得した水の実流量から、燃料処理器５で生成される水素量を算出する（これを、予想水素量という）（ステップＳ１０１）。そして、ステップＳ３で算出した目標水素量とステップＳ１０１で算出した予想水素量を比較し、燃料電池１から取り出す目標取り出し電流量の補正値を算出する（ステップＳ１０２）。この補正値は、例えば、以下のようにして算出される。
【００５２】
電流量補正値＝（予想水素量−目標水素量）×係数１÷係数２÷係数３
係数１  ：  水素利用率
係数２  ：  燃料電池のセル積層数
係数３  ：  燃料電池１セルあたりの単位水素量あたりの発生電流量
次に、演算制御部４１は、ステップＳ１０２で算出した補正値を用いて、ステップＳ２で算出した目標取り出し電流量を補正する（ステップＳ１０３）。このとき、予想水素量が、目標水素量よりも多い場合には、目標取り出し電流量から補正値の分だけ多く、また、目標水素量よりも少ない場合には、目標取り出し電流量から補正値の分だけ少なく、電流量を取り出すように補正される。そして、演算制御部４１は、この補正した取り出し電流量を取り出すように電流量制御器８に指令を出す（ステップＳ１０４）。その後、ステップ１３に進む。
【００５３】
このようにして、原料及び水の実流量に基づいて、電流量制御器８から取り出す電流量をフィードバックして制御することによって、これらの実流量の変動に対応することができる。また、取り出す電流量をフィードバックして制御することにより、燃料電池１における水素利用率が安定化する。
【００５４】
次に、上記のように制御した本実施の形態１に係る燃料電池システムの経時変化について、図４を用いて説明する。
【００５５】
図４は、図１に示した燃料電池システム１００において、要求される負荷電力が一定である場合のタイムチャートを示したものである。図４（Ａ）は、燃料電池システム１００が、要求される負荷電力の経時変化を示したものである。図４（Ｂ）は、原料供給器３から燃料処理器５に供給される原料の流量の経時変化を示したものである。図４（Ｃ）は、燃料処理器５で生成される水素量の経時変化を示したものである。図４（Ｄ）は、燃料電池１から取り出す電流量の経時変化を示したものである。図４（Ｅ）は、燃料電池１から燃焼器６に供給される排水素含有ガスの流量の経時変化を示したものである。
【００５６】
まず、燃料電池システム１００は、図４（Ａ）に示すように、ｔ0からｔ5において、外部から要求される負荷電力がｂ0と一定な状態で運転している。このとき、燃料電池１から電流量制御器８により取り出される目標取り出し電流量を、Ｐ0とし（図４（Ｄ））、この目標取り出し電流量Ｐ0を発電するために必要な目標水素量をｈ0とする（図４（Ｃ））。そして、目標水素量ｈ0を生成するために、原料供給器３から燃料処理器５に供給される原料の目標原料流量を、ｆ0とする（図４（Ｂ））。なお、水供給器４から燃料処理器５に供給される水の目標水流量に対する水の実流量に便宜上ずれがないものとして説明する。
【００５７】
図４（Ｂ）の実線に示すように、原料の実流量が変動したとすると、燃料処理器５で生成される水素量は、図４（Ｃ）の実線で示すように変動すると想定される。特許文献１に記載の燃料電池システムのように、外部から要求される負荷電力が一定のとき、燃料電池１から電流量制御器８が実際に取り出す電流量がＰ0と一定であると、燃料電池での水素利用率が変動して図４（Ｅ）の破線に示すように排水素含有ガス量が変動する。このように、従来の燃料電池システムでは、原料の実流量の変動に対して適切に対処することができない。そして、水素利用率の変動による燃料処理器及び触媒の耐久劣化が生じる等の問題が生じることは前述したとおりである。
【００５８】
一方、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、電流量制御器８から取り出す目標取り出し電流量を図４（Ｄ）の実線に示すように原料の実流量にあわせて調整する。具体的には、例えば、ｔ1において、原料の実流量ｆ1のとき、燃料処理器５で生成される水素量はｈ1となり、目標水素量ｈ0よりもｈ1−ｈ0分だけ多くなる。この増加した水素量分を補正するために、電流量制御器８から取り出す目標取り出し電流量Ｐ1を当初の目標取り出し電流量Ｐ0より多く取り出すように補正する。これにより、燃料電池１での水素利用率が一定となり、燃料電池１から排出される排水素含有ガス量は、図４（Ｅ）の実線で示すように一定となる。なお、ここでは、水供給器４から供給される水の実流量が目標水流量に対して便宜上ずれがないものとしたが、ずれが生じた場合は、図３のステップＳ１０１にて原料の実流量だけでなく、水の実流量のずれも考慮し、予想水素量が算出されるため、同様に水素利用率が一定となるよう電流量制御器８による目標取り出し電流量が補正される。また、ここでは、外部からの負荷電力が一定であるとして説明したが、負荷電力が増加、または、減少した場合であっても、原料及び水の実流量を基にして取り出す電流量を補正するという点では同じであるので、負荷電力の増加または減少した場合について詳細な説明は省略する。
【００５９】
このように本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、原料流量検出器９及び水流量検出器１０で検出される原料及び水の実流量に基づいて、電流量制御器８から取り出す電流量を補正するので、原料及び水の実流量が目標流量に対してバラツキが生じても燃料電池１での水素利用率及び燃料処理器の温度を可能な限り安定化させ、燃料電池システムの安定した発電が可能となる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムは、基本的構成は実施の形態１に係る燃料電池システムと同じであるが、原料流量検出器９が設けられておらず、水流量検出器１０で検出される水の流量に基づき、目標取り出し電流量を調整するように構成されている点で異なる。
【００６０】
また、本実施の形態２に係る燃料電池システムでは、制御器２の演算制御部４１は、水供給器４から燃料処理器５に供給される水の実流量に対して、原料供給器３から燃料処理器５に供給される原料の流量が所定比率で供給されるように目標原料流量を決定する。すなわち、記憶部４２には、燃料処理器に供給される原料中の炭素原子のモル数に対する水分子のモル数の比である所定のスチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）が予め記憶されており、演算制御部４１は、このＳ／Ｃ値となるように、原料供給器３から送出される原料流量を制御する。
【００６１】
本実施の形態２に係る燃料電池システムの原料及び水の流量調整と取り出し電流量の調整について説明する。
【００６２】
図５は、本実施の形態２に係る燃料電池システムを構成する制御器２の記憶部４２に格納された原料及び水の流量の調整と取り出し電流量の調整プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。なお、ステップＳ１からステップＳ３まで、図２と同じであるため、その詳細な説明は省略する。
【００６３】
制御器２の演算制御部４１は、燃料処理器５で目標水素量を生成するために、水供給器４から燃料処理器５に供給される目標水流量を算出し、決定する（ステップＳ４）。そして、演算制御部４１は、水供給器４に目標水流量になるよう流量を調整する（流量調整器である制御弁の開度を調整する）指令を出し（ステップＳ１５）、その後、水供給器４の水流量検出器１０で検出された水の実流量を取得する（ステップＳ１６）。
【００６４】
次に、制御器２の演算制御部４１は、ステップＳ１６で取得した水の実流量から原料供給器３から燃料処理器５に供給される目標原料流量を、予め設定されたＳ／Ｃ値となるように算出して、決定し（ステップＳ１７）、原料供給器３により目標原料流量になるよう流量を調整する（流量調整器である制御弁の開度を調整する）指令を出す（ステップＳ１８）。そして、演算制御部４１は、ステップＳ１６で取得した水の実流量と、ステップＳ４で決定した目標水流量を比較し、目標水流量に対する水の実流量の誤差が、予め制御器２の記憶部４２に記憶された許容範囲内にあるか否かを判断する（ステップＳ１９）。演算制御部４１は、許容範囲内にない場合には、水の実流量が目標水流量と一致するように水供給器４に調整を行う指令を出し（ステップＳ２０）、ステップＳ１６に戻る。そして、目標水流量に対する水の実流量の誤差が、許容範囲内になるまで、ステップＳ１６〜Ｓ２０を繰り返す。一方、ステップＳ１９で目標水流量と水の実流量との誤差が、許容範囲内にある場合には、ステップＳ２１に進む。
【００６５】
ステップＳ２１では、制御器２の演算制御部４１は、ステップＳ１６で取得した水の実流量とステップＳ４で決定した目標水流量との差を算出する。そして、演算制御部４１は、予め記憶部４２に記憶された目標水流量と水の実流量との差と目標取り出し電流量の補正値との対応関係をテーブルにしたデータから、ステップＳ２１で算出した差に対応する電流量の補正値を取得する（ステップＳ２２）。次に、演算制御部４１は、ステップＳ２２で算出した補正値を用いて、ステップＳ２で算出した目標取り出し電流量を補正し（ステップＳ２３）、この補正した取り出し電流量を取り出すように電流量制御器８に指令を出す（ステップＳ２４）。そして、演算制御部４１は、燃料電池システムの運転の終了の指示があるか否かの確認を行う（ステップＳ２５）。運転を終了する指示がある場合には、ステップＳ２６に進み、運転を終了する。一方、運転を終了する指示がない場合には、ステップＳ１に戻り運転を継続する。
【００６６】
なお、原料と水の供給量が所定のＳ／Ｃ値であることに基づき、目標水流量に対する水の実流量のずれから原料の目標流量に対するずれ、ひいては目標水素流量に対するずれを推定することが可能であり、この推定値から得られる目標取り出し電流量の補正値を、ステップＳ２２で、目標取り出し電流量の補正にあたって用いられた目標水流量と水の実流量との差と目標取り出し電流量の補正値との対応関係をテーブルにしたデータとして使用している。
【００６７】
また、ステップＳ２２では、予め記憶部４２に記憶された水の実流量と目標水流量との差に対応する取り出し電流量の補正値を取得して、取り出し電流量を補正したが、これに限定されず、原料供給器３に出力される原料流量の指令値を基に、予想水素量を算出して目標取り出し電流量を補正するように制御してもよい。
【００６８】
このように、本実施の形態２に係る燃料電池システムでは、原料供給器３及び水供給器４から燃料処理器５に供給される原料及び水を予め設定されたＳ／Ｃ値になるように制御し、水流量検出器１０で検出される水の実流量に基づいて、電流量制御器８から取り出す電流量をフィードバックして制御することにより、水の実流量が目標水流量に対してバラツキが生じても燃料電池１での水素利用率及び燃料処理器の温度を可能な限り安定化させ、燃料電池システムの安定した発電が可能となる。
【００６９】
［変形例１］
本変形例１に係る燃料電池システムでは、基本的構成は実施の形態２に係る燃料電池システムと同じであるが、水流量検出器１０に代えて原料流量検出器９が設けられている点で異なる。
【００７０】
ところで、燃料電池システムは、通常、燃料処理器に供給される原料と水の供給量が、一定になるように制御されているが、例えば、都市ガス（メタン）を改質して水素を生成するような場合に、燃料処理器に供給する水の供給量が、Ｓ／Ｃ値が３前後と、原料供給量に対して水素を生成するのに必要な当量分（Ｓ／Ｃ＝２相当の水）よりも水の供給量が多くなるように制御されている。従って、機器の誤差による水流量のばらつきは生成水素量に対して大きな影響はなく、原料の流量のばらつきが生成水素量の変動に対して寄与が大きいと想定される。
【００７１】
ここで、本変形例１に係る燃料電池システムでは、制御器２の演算制御部４１は、原料流量検出器９で検出された原料の実流量に基づいて、目標取り出し電流量を補正している。
【００７２】
本変形例１に係る燃料電池システムの原料及び水の流量調整と取り出す電流量の調整について説明する。
【００７３】
図６は、本変形例１に係る燃料電池システムを構成する制御器２の記憶部４２に格納された原料及び水の流量の調整と取り出し電流量の調整プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。なお、ステップＳ１からステップＳ４まで、図２と同じであるため、その詳細な説明は省略する。
【００７４】
制御器２の演算制御部４１は、燃料処理器５で目標水素量を生成するために、原料供給器３から燃料処理器５に供給される目標原料流量を算出し、決定する（ステップＳ４）。そして、演算制御部４１は、原料供給器３に目標原料流量になるよう流量を調整する（流量調整器である制御弁の開度を調整する）指令を出し（ステップＳ３５）、その後、原料供給器３の流量検出器９で検出された原料の実流量を取得する（ステップＳ３６）。
【００７５】
次に、制御器２の演算制御部４１は、ステップＳ３６で取得した原料の実流量から水供給器４から燃料処理器５に供給される目標水流量を、予め設定されたＳ／Ｃ値となるように算出して、決定し（ステップＳ３７）、水供給器４により目標水流量になるよう流量を調整する（流量調整器である制御弁の開度を調整する）指令を出す（ステップＳ３８）。そして、演算制御部４１は、ステップＳ３６で取得した原料の実流量と、ステップＳ４で設定した目標原料流量を比較し、目標原料流量に対する実流量の誤差が、予め制御器２の記憶部４２に記憶された許容範囲内にあるか否かを判断する（ステップＳ３９）。演算制御部４１は、許容範囲内にない場合には、原料の実流量が目標原料流量と一致するように原料供給器３に流量の調整を行う指令を出し（ステップＳ４０）、ステップＳ３６に戻る。そして、目標原料流量に対する実流量の誤差が、許容範囲内になるまで、ステップＳ３６〜Ｓ４０を繰り返す。一方、ステップＳ３９で原料の実流量と目標原料流量との誤差が、許容範囲内にある場合には、ステップＳ４１に進む。
【００７６】
ステップＳ４１では、制御器２の演算制御部４１は、ステップＳ３６で取得した原料の実流量から、燃料処理器５で生成される予想水素量を算出する。そして、ステップＳ３で算出した目標水素量とステップＳ４１で算出した予想水素量を比較し、燃料電池１から取り出す目標取り出し電流量の補正値を算出する（ステップＳ４２）。次に、演算制御部４１は、ステップＳ４２で算出した補正値を用いて、ステップＳ２で算出した目標取り出し電流量を補正し（ステップＳ４３）、この補正した取り出し電流量を取り出すように電流量制御器８に指令を出す（ステップＳ４４）。そして、演算制御部４１は、燃料電池システムの運転の終了の指示があるか否かの確認を行う（ステップＳ４５）。運転を終了する指示がある場合には、ステップＳ４６に進み、運転を終了する。一方、運転を終了する指示がない場合には、ステップＳ１に戻り運転を継続する。
【００７７】
なお、ここでは、原料の実流量から予想水素量を算出し、取り出し電流量を補正したが、これに限定されず、ステップ３９で算出された目標原料流量と原料の実流量との差に基づき、記憶部４２に記憶された原料流量差と目標取り出し電流量の補正値との対応関係をテーブルにしたデータから算出された流量差に対応する目標取り出し電流量の補正値を取得し、目標取り出し電流量を補正するように制御してもかまわない。
【００７８】
このように、本変形例１に係る燃料電池システムでは、燃料処理器に供給する水の供給量を原料供給量に対して水素を生成するのに必要な当量分の水量よりも多くなるように供給量を制御しているため、水の実流量のバラツキは、生成される水素量に影響しない。このため、原料の流量を検出することにより、原料の実流量が目標流量に対してバラツキが生じても燃料電池１での水素利用率及び燃料処理器の温度を可能な限り安定化させ、燃料電池システムの安定した発電が可能となる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムは、基本的構成は実施の形態１に係る燃料電池システムと同じであるが、原料及び水の流量調整と取り出す電流量の調整制御方法が異なり、実施の形態２では目標原料流量と原料の実流量との差に基づき目標取り出し電流量を補正したが、本実施の形態では、原料の供給量に対して水の供給量が所定比率（Ｓ／Ｃ値が一定）となるように制御されている場合に、原料流量のずれが水流量のずれに反映されるため、原料流量のずれに代えて、この水流量のずれ量に基づき目標取り出し電流量を補正する方法である。以下にその詳細について説明する。
【００７９】
図７は、本実施の形態３に係る燃料電池システムを構成する制御器２の記憶部４２に格納された原料及び水の流量の調整と取り出し電流量の調整プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。
【００８０】
ステップＳ１からステップＳ４まで、図６と同じであるため、その詳細な説明は省略する。制御器２の演算制御部４１は、ステップＳ４で決定された目標原料流量に対して所定のＳ／Ｃ値を満たすように仮目標水流量を算出する（ステップＳ３４）。そして、演算制御部４１は、原料供給器３に目標原料流量になるように指令し（流量調整器である原料流量制御弁の開度を制御する信号を出力し）、原料の流量を調整する（ステップＳ３５）。その後、原料供給器３の流量検出器９で検出された原料の実流量を取得する（ステップＳ３６）。
【００８１】
次に、制御器２の演算制御部４１は、ステップＳ３６で取得した原料の実流量から水供給器４から燃料処理器５に供給される目標水流量を、所定のＳ／Ｃ値となるように算出して、決定し（ステップＳ３７）、水供給器４により目標水流量になるよう流量を調整する（流量調整器である制御弁の開度を調整する）指令を出す（ステップＳ３８）。そして、演算制御部４１は、ステップＳ３６で取得した原料の実流量と、ステップＳ４で設定した目標原料流量を比較し、目標原料流量に対する実流量の誤差が、予め制御器２の記憶部４２に記憶された許容範囲内にあるか否かを判断する（ステップＳ３９）。演算制御部４１は、許容範囲内にない場合には、原料の実流量が目標原料流量と一致するように原料供給器３に流量の調整を行う指令を出し（ステップＳ４０）、ステップＳ３６に戻る。そして、目標原料流量に対する実流量の誤差が、許容範囲内になるまで、ステップＳ３６〜Ｓ４０を繰り返す。一方、ステップＳ３９で原料の実流量と目標原料流量との誤差が、許容範囲内にある場合には、ステップＳ６１に進む。
【００８２】
ステップＳ６１では、制御器２の演算制御部４１は、水流量検出器１０で検出された水の実流量情報を取得する。そして、演算制御部４１は、ステップＳ３４で決定した仮目標水流量とステップＳ６１で取得した水の実流量との差を算出し（ステップＳ６２）、予め記憶部４２に記憶された仮目標水流量と水の実流量との差と最終的に算出される電流量の補正値との対応関係をテーブルにしたデータから、ステップＳ６２で算出した差に対応する電流量の補正値を取得する（ステップＳ６３）。次に、演算制御部４１は、ステップＳ６３で算出した補正値を用いて、ステップＳ２で算出した目標取り出し電流量を補正し（ステップＳ６４）、この補正した目標取り出し電流量を燃料電池１から取り出すように電流量制御器８に指令を出す（ステップＳ６５）。そして、演算制御部４１は、燃料電池システムの運転の終了の指示があるか否かの確認を行う（ステップＳ６６）。運転を終了する指示がある場合には、ステップＳ６７に進み、運転を終了する。一方、運転を終了する指示がない場合には、ステップＳ１に戻り運転を継続する。
【００８３】
なお、ステップＳ６３で用いたテーブルデータは、原料と水の供給量が所定のＳ／Ｃ値であることに基づき、目標水流量に対する水の実流量のずれから原料の目標流量に対するずれ、ひいては目標水素流量に対するずれを算出し、この算出値から得られる目標取り出し電流量の補正値を、ステップＳ６３で、目標取り出し電流量の補正にあたって用いられた仮目標水流量と水の実流量との差と目標取り出し電流量の補正値との対応関係をテーブルにしたデータとして使用している。
【００８４】
また、ここでは、予め記憶部４２に記憶された水の実流量と仮目標水流量との差に対応する目標取り出し電流量の補正値を取得して、目標取り出し電流量を補正したが、これに限定されず、ステップＳ６２で仮目標水流量と決定された目標水流量との差を算出し、記憶部４２に記憶された仮目標水流量とステップＳ３７で決定された目標水流量との差と目標取り出し電流量の補正値との対応関係をテーブルにしたデータから、この算出値に対応する目標取り出し電流量の補正値を取得し、目標取り出し電流量を補正するように制御してもよい。
【００８５】
このように、本実施の形態３に係る燃料電池システムでは、原料供給器３から燃料処理器５に供給される原料供給量に対して水供給器４より燃料処理器５に供給される水の供給量が予め設定されたＳ／Ｃ値になるように制御されている場合に、水流量検出器１０で検出される水の実流量に基づいて、電流量制御器８から取り出す電流量をフィードバックして制御することにより、水の実流量が目標水流量に対してバラツキが生じても燃料電池１での水素利用率及び燃料処理器の温度を可能な限り安定化させ、燃料電池システムの安定した発電が可能となる。
【００８６】
なお、本発明では、原料流量、あるいは水流量を変化させても、それに追従し発電電力が変化するため、家庭からの負荷要求に基づいた受動的な電力供給装置のみならず、自動車や船その他能動的な電力需要を要するシステムに適用することで、負荷変動時に発生するエネルギーの過不足を補うエネルギー蓄積装置の小型化、システムの簡素化、低コスト化等を図ることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明の燃料電池システムは、供給される原料流量や水供給量が、それぞれの目標供給量に対してバラツキが生じても、燃料電池の水素利用率及び燃料処理器の温度を安定化させることが可能になるので、都市ガス改質を行う家庭用燃料電池システムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムの制御器に格納された原料及び水の流量の調整と取り出し電流量の調整プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。
【図３】図２に示した取り出し電流量の調整プログラムの内容をさらに詳細に示すフローチャートである。
【図４】図１に示した燃料電池システムにおいて、外部から要求される負荷電力が一定である場合のタイムチャートを示したものである。
【図５】本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの制御器に格納された原料及び水の流量の調整と取り出し電流量の調整プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。
【図６】変形例１に係る燃料電池システムを構成する制御器の記憶部に格納された原料及び水の流量の調整と取り出し電流量の調整プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの制御器に格納された原料及び水の流量の調整と取り出し電流量の調整プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８９】
１  燃料電池
２  制御器
３  原料供給器
４  水供給器
５  燃料処理器
６  燃焼器
７  酸化剤ガス供給器
８  電流量制御器
９  原料流量検出器
１０  水流量検出器
１１  原料供給流路
１２  水供給流路
２１  負荷電力検出器
１００  燃料電池システム
【図１】
2008016319.tif 000003
【図２】
2008016319.tif 000004
【図３】
2008016319.tif 000005
【図４−Ａ】
2008016319.tif 000006
【図４−Ｂ】
2008016319.tif 000007
【図４−Ｃ】
2008016319.tif 000008
【図４−Ｄ】
2008016319.tif 000009
【図４−Ｅ】
2008016319.tif 000010
【図５】
2008016319.tif 000011
【図６】
2008016319.tif 000012
【図７】
2008016319.tif 000013