(57)【要約】【課題】  改質効率低下を抑制することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システム（１００）は、燃料電池（６０）と、改質燃料を用いた改質反応によって水素を生成する改質手段（５１）と、燃料電池のカソードオフガスを改質手段に供給するカソードオフガス供給手段（８０）と、燃料電池の負荷が変動する場合にＳ／Ｃ＋Ｏ／Ｃ≧２かつＯ／Ｃが第１の所定値以下となるように前記Ｏ／Ｃを制御する第１制御を行うＯ／Ｃ制御手段（１０，８０）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】
燃料電池と、
改質燃料を用いた改質反応によって水素を生成する改質手段と、
前記燃料電池のカソードオフガスを前記改質手段に供給するカソードオフガス供給手段と、
前記燃料電池の負荷が変動する場合にＳ／Ｃ＋Ｏ／Ｃ≧２かつＯ／Ｃが第１の所定値以下となるように前記Ｏ／Ｃを制御する第１制御を行うＯ／Ｃ制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
ただし、前記Ｓは前記改質手段に供給される水蒸気のモル量を示し、前記Ｃは前記改質手段に供給される前記改質燃料中の炭素原子のモル量を示し、前記Ｏは前記改質手段に供給される酸素ガス中の酸素原子のモル量を示す。
【請求項２】
前記燃料電池に要求される負荷の変動幅を取得および／または予測する第１検出手段をさらに備え、
Ｏ／Ｃ制御手段は、前記第１検出手段によって取得および／または予測された前記負荷の変動幅が所定値を超えた場合に、前記第１制御を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記Ｏ／Ｃ制御手段は、前記負荷の変動幅が大きいほど、前記Ｏ／Ｃを高く設定することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記Ｏ／Ｃ制御手段は、前記燃料電池の出力が前記燃料電池に要求される負荷に到達した場合に、前記第１制御を終了することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池は、要求される負荷に応じて出力を段階的に変動させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１の所定値は、１であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記Ｏ／Ｃ制御手段は、前記第１制御を行う直前のＯ／Ｃを下回らないように前記第１制御を行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記Ｏ／Ｃ制御手段は、前記燃料電池のカソードにエアを供給するポンプであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか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、燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
現在、多くの燃料電池システムにおいては、改質器においてガソリン、天然ガス、メタノール等の炭化水素系燃料と水蒸気とによる水蒸気改質反応および酸素とこれらの炭化水素系燃料とによる部分酸化反応により、改質ガスが生成されている。この改質ガスは、燃料電池のアノードに供給される。一方、カソードにはエア等の酸素含有ガスが供給される。その結果、燃料電池において発電が行われる。
【０００４】
ところで、発電に伴って発生した水および発電に用いられなかった酸素を含有するカソードオフガスを改質器に供給する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術を用いれば水蒸気を発生させる装置を新たに設ける必要がないことから、システムの小型化等を図ることができる。この技術においては、改質効率向上を目的として、カソードオフガス中の残存酸素量に応じて改質器への供給燃料量が制御され、Ｏ／Ｃ比が目標範囲内に維持される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２３５５８３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、特許文献１の技術では、Ｏ／Ｃ比の目標範囲が不明確である。したがって、Ｏ／Ｃ比を目標範囲に制御しても改質効率が低下するおそれがある。
【０００７】
本発明は、改質効率低下を抑制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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、改質燃料を用いた改質反応によって水素を生成する改質手段と、燃料電池のカソードオフガスを改質手段に供給するカソードオフガス供給手段と、燃料電池の負荷が変動する場合にＳ／Ｃ＋Ｏ／Ｃ≧２かつＯ／Ｃが第１の所定値以下となるようにＯ／Ｃを制御する第１制御を行うＯ／Ｃ制御手段と、を備えることを特徴とするものである。ただし、Ｓは改質手段に供給される水蒸気のモル量を示し、Ｃは改質手段に供給される改質燃料中の炭素原子のモル量を示し、Ｏは改質手段に供給される酸素ガス中の酸素原子のモル量を示す。
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムにおいては、改質手段における酸素原子のモル数は炭素原子のモル数の２倍以上になる。この場合、炭素が二酸化炭素として排出されやすくなる。それにより、改質手段における炭素析出を抑制することができる。また、Ｏ／Ｃが第１の所定値以下となることから、部分酸化反応の比率の増加を抑制することができる。この場合、過剰燃焼を抑制することができる。それにより、改質手段の劣化を抑制することができる。以上のことから、本発明に係る燃料電池システムの改質効率低下を抑制することができる。
【００１０】
燃料電池に要求される負荷の変動幅を取得および／または予測する第１検出手段をさらに備え、Ｏ／Ｃ制御手段は、第１検出手段によって取得および／または予測された負荷の変動幅が所定値を超えた場合に、第１制御を行ってもよい。この場合、本発明に係る燃料電池システムに混入するノイズの影響を無視することができる。したがって、不必要な第１制御の実行による燃料量、酸素量、水蒸気量の急激な変化を抑制することができる。その結果、生成水素流量、生成水素濃度の不安定化を抑制することができる。
【００１１】
Ｏ／Ｃ制御手段は、負荷の変動幅が大きいほどＯ／Ｃを高く設定してもよい。この場合、負荷が増大する場合には、水蒸気改質反応の比率の増大による改質手段の温度低下を抑制することができる。また、負荷が低下する場合には、水蒸気の不足によるカーボン析出を抑制することができる。
【００１２】
Ｏ／Ｃ制御手段は、燃料電池の出力が燃料電池に要求される負荷に到達した場合に、第１制御を終了してもよい。この場合、不必要な制御を防止することができる。また、燃料電池は、要求される負荷に応じて出力を段階的に変動させてもよい。この場合、第１制御の開始および終了の判断が容易になる。また、第１の所定値は、１であってもよい。この場合、改質手段における過剰燃焼を抑制することができる。それにより、改質手段の劣化を抑制することができる。
【００１３】
Ｏ／Ｃ制御手段は、第１制御を行う直前のＯ／Ｃを下回らないように第１制御を行ってもよい。この場合、負荷増大時には水蒸気改質反応の比率の増大に伴う改質手段の温度低下を抑制することができ、負荷低下時には水蒸気不足によるカーボン析出を抑制することができる。また、Ｏ／Ｃ制御手段は、燃料電池のカソードにエアを供給するポンプであってもよい。この場合、改質手段のＯ／Ｃ制御を行うための装置を新たに設ける必要がなくなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、炭素析出を抑制することができるとともに、過剰燃焼を抑制することができる。それにより、改質効率低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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】
【００１６】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、制御部１０、改質燃料タンク２０、燃料ポンプ３０、調量弁４０、改質器５０、燃料電池６０、エアポンプ７０，８０およびアクセル開度センサ９０を備える。改質器５０は、改質部５１および加熱部５２を備える。
【００１７】
燃料電池６０は、カソード６１、アノード６２、冷却部６３および電流計６４を備える。本実施例においては、燃料電池６０として水素分離膜電池を用いた。ここで、水素分離膜電池とは、水素分離膜層を備えた燃料電池である。水素分離膜層は水素透過性を有する金属によって形成される層である。水素分離膜電池は、この水素分離膜層及びプロトン導電性を有する電解質を積層した構造をとっている。水素分離膜電池のアノードに供給された水素は触媒を介してプロトンに変換され、プロトン導電性の電解質中を移動し、カソードにおいて酸素と結合して水となる。カソードにおいて発生した水は、水素分離膜電池の発電の際に発生する熱によって水蒸気になる。
【００１８】
制御部１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。制御部１０は、電流計６４およびアクセル開度センサ９０から与えられる検出結果に基づいて、燃料電池システム１００の各部を制御する。詳細は後述する。
【００１９】
改質燃料タンク２０は、改質燃料として用いる炭化水素燃料を貯蔵している。燃料ポンプ３０は、制御部１０の指示に従って、改質燃料タンク２０に貯蔵されている改質燃料を調量弁４０に供給する。調量弁４０は、制御部１０の指示に従って、改質部５１における改質反応に必要な量の改質燃料を改質部５１に供給する。
【００２０】
改質部５１においては、改質燃料と後述するカソードオフガスとから水素を含有する改質ガスが生成される。まず、改質燃料中のメタンとカソードオフガス中の水蒸気とにより水蒸気改質反応が起こり、水素及び一酸化炭素が生成される。次に、生成された一酸化炭素の一部とカソードオフガス中の水蒸気とが反応し、水素及び二酸化炭素が生成される。水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足している場合には、カソードオフガス中の酸素とメタンとが部分酸化反応を起こし、水素及び一酸化炭素が生成される。
【００２１】
改質部５１において生成された改質ガスは、アノード６２に供給される。アノード６２においては、改質ガス中の水素がプロトンに変換される。アノード６２においてプロトンに変換されなかった水素、ならびに、改質部５１において反応しなかったメタン、一酸化炭素および水蒸気は、アノードオフガスとして加熱部５２に供給される。
【００２２】
エアポンプ７０は、制御部１０の指示に従って、必要量のエアを冷却部６３に供給する。冷却部６３に供給されたエアは、燃料電池６０を冷却して加熱部５２に供給される。加熱部５２においては、アノードオフガスと冷却部６３から供給されるエアとによって燃焼反応が起こる。加熱部５２における燃焼反応によって発生する排気ガスは、燃料電池システム１００の外部に排出される。また、加熱部５２における燃焼反応による燃焼熱は、改質部５１における水蒸気改質反応に利用される。
【００２３】
エアポンプ８０は、制御部１０の指示に従って、必要量の酸素をカソード６１に供給する。カソード６１においては、アノード６２において変換されたプロトンとカソード６１に供給されたエア中の酸素とから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、蓄電池（図示せず）に蓄電されまたはモータ等の負荷に用いられる。発生した水は、燃料電池６０において発生する熱によって水蒸気となる。カソード６１において発生した水蒸気およびプロトンと反応しなかったエアは、カソードオフガスとして改質部５１に供給され、それぞれ水蒸気改質反応および部分酸化反応に用いられる。このようにカソードオフガスを水蒸気改質反応に利用することができることから、水蒸気を発生させる装置を新たに設ける必要がない。
【００２４】
電流計６４は、燃料電池６０における発電反応により発生した電流を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。アクセル開度センサ９０は、図示しないアクセルの開度を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。以下、負荷変動時における制御部１０による改質部５１のＯ／Ｃの制御について説明する。
【００２５】
まず、制御部１０は、アクセル開度センサ９０の検出結果に基づいて、燃料電池６０に要求される負荷（以下、要求負荷Ｐｒｅｑと称する。）に変動があるか否かを判定する。要求負荷Ｐｒｅｑに変動があると判定された場合、制御部１０は、下記式（１）を満たすようにエアポンプ８０を制御する。
Ｓ／Ｃ  ＋  Ｏ／Ｃ  ≧  ２  （１）
ここで、Ｓは、改質部５１に供給される水蒸気のモル量を示す。Ｃは、改質部５１に供給される改質燃料中の炭素原子のモル量を示す。Ｏは、改質部５１に供給される酸素ガス中の酸素原子のモル量を示す。
【００２６】
１モルの水蒸気には１モルの酸素が含まれていることから、式（１）を満たす量の水蒸気、改質燃料および酸素が改質部５１に供給されれば、改質部５１において炭素と反応していない酸素原子のモル数は酸素と反応していない炭素原子のモル数の２倍以上になる。この場合、炭素が二酸化炭素として排出されやすくなる。それにより、改質部５１における炭素析出を抑制することができる。
【００２７】
ここで、部分酸化反応は発熱反応である。したがって、急激に部分酸化反応の比率が高くなると、過剰燃焼によって改質部５１が劣化するおそれがある。そこで、本実施例においては、制御部１０は式（１）に加えて下記式（２）を満たすようにエアポンプ８０を制御する。
Ｏ／Ｃ  ≦  Ｘ  （２）
なお、Ｘは、過剰燃焼により改質部５１が劣化しないように定められる値である。本実施例においては、Ｘ＝１である。以下、Ｏ／Ｃが１以下である理由を説明する。
【００２８】
図２は、Ｏ／Ｃと改質部５１内の温度との関係を示す図である。図２の左側の縦軸は改質部５１内の温度を示し、図２の右側の縦軸は改質部５１における水素濃度を示し、図２の横軸は時間を示す。改質部５１内の複数の箇所において、温度を測定した。図２に示すように、Ｏ／Ｃ＝１．０である場合には、改質部５１の温度はいずれの箇所においても８００℃以下であった。一方、Ｏ／Ｃ＝１．５である場合には、改質部５１において８００℃を超える箇所があった。この場合、改質部５１において過剰燃焼が起こっていると考えられる。以上のことから、Ｏ／Ｃを１．０以下に設定することによって、過剰燃焼による改質部５１の劣化を抑制することができる。
【００２９】
このように、式（１）、（２）を満たすようにＯ／Ｃを制御することにより、改質部５１における炭素析出を抑制することができるとともに、改質部５１の劣化を抑制することができる。したがって、燃料電池システム１００の改質効率低下を抑制することができる。なお、本実施例に係る燃料電池システム１００のようにカソードオフガス中の酸素および水蒸気を改質反応に利用するシステムにおいては、水蒸気量が燃料電池６０の発電量に依存するのでＳ／Ｃを自由に制御することができない。したがって、式（１）、（２）を満たすためには、Ｏ／Ｃの制御が有効である。
【００３０】
なお、制御部１０は、上記のＯ／Ｃ制御を行う直前のＯ／Ｃを下回らないように上記Ｏ／Ｃ制御を行ってもよい。この場合、負荷増大時には水蒸気改質反応の比率の増大に伴う改質手段の温度低下を抑制することができ、負荷低下時には水蒸気不足によるカーボン析出を抑制することができる。
【００３１】
続いて、制御部１０によるＯ／Ｃ制御の具体的な説明を行う。まず、制御部１０は、アクセル開度センサ９０からアクセル開度Ａｃｃを受け取る。制御部１０は、受け取ったアクセル開度Ａｃｃに基づいて、要求負荷Ｐｒｅｑを計算する。この場合、制御部１０は、図３に示すマップを用いて要求負荷Ｐｒｅｑを計算する。図３は、アクセル開度Ａｃｃと要求負荷Ｐｒｅｑとの関係の一例を示す図である。図３の縦軸は要求負荷Ｐｒｅｑを示し、図３の横軸はアクセル開度Ａｃｃを示す。図３に示すように、要求負荷Ｐｒｅｑは、アクセル開度Ａｃｃに比例して増加する。
【００３２】
図４は、アクセル開度Ａｃｃと要求負荷Ｐｒｅｑとの関係の他の例を示す図である。図４の縦軸は要求負荷Ｐｒｅｑを示し、図４の横軸はアクセル開度Ａｃｃを示す。図４に示すように、要求負荷Ｐｒｅｑは、アクセル開度Ａｃｃの増加に伴って段階的に増加する。すなわち、要求負荷Ｐｒｅｑがとりうる値は、あらかじめ定められた所定の複数の値に限定される。この場合、発電反応に必要な水素量および酸素量の制御が容易になる。
【００３３】
次に、制御部１０は、要求負荷Ｐｒｅｑが前回の要求負荷Ｐｒｅｑ＿ｏと異なる値である場合に要求負荷Ｐｒｅｑが変動したと判定することができる。なお、要求負荷Ｐｒｅｑと前回の要求負荷Ｐｒｅｑ＿ｏとの差の絶対値が所定値（例えば、燃料電池６０の最大出力の２０％）より大きい場合に、要求負荷Ｐｒｅｑが変動したと判定してもよい。この場合、燃料電池システム１００に混入するノイズの影響を無視することができる。したがって、不必要なＯ／Ｃ制御の実行による燃料量、酸素量、水蒸気量の急激な変化を抑制することができる。その結果、生成水素流量、生成水素濃度の不安定化を抑制することができる。なお、要求負荷Ｐｒｅｑが図４に示すように段階的に変動する場合には、要求負荷の変動を判断しやすくなる。
【００３４】
要求負荷Ｐｒｅｑが変動したと判定された場合、制御部１０は、改質部５１に供給する改質燃料の目標量（以下、燃料目標流量Ｑｆ＿ｔ）を算出する。この場合、制御部１０は、図５に示すマップを用いて燃料目標流量Ｑｆ＿ｔを計算する。図５は、要求負荷Ｐｒｅｑと燃料目標流量Ｑｆ＿ｔとの関係の一例を示す図である。図５の縦軸は燃料目標流量Ｑｆ＿ｔを示し、図５の横軸は要求負荷Ｐｒｅｑを示す。
【００３５】
図５に示すように、燃料目標流量Ｑｆ＿ｔは、要求負荷Ｐｒｅｑの増加に伴って増加する。なお、高負荷側においては、要求負荷Ｐｒｅｑの増加比率に対する燃料目標流量Ｑｆ＿ｔの増加比率が大きくなっている。一般的に高負荷側においては改質効率が低下するからである。
【００３６】
次に、制御部１０は、電流計６４の検出結果に基づいて、カソードオフガスに含まれる水蒸気の流量（以下、推定水蒸気流量Ｓｔｍ（ｍｏｌ／ｓ））を算出する。制御部１０は、下記式（３）を用いて推定水蒸気流量Ｓｔｍを算出することができる。
Ｓｔｍ  ＝  （発電電流×セルの積層枚数）／（２×９６４８５）  （３）
なお、式（３）において、発電電流は電流計６４によって検出された電流であり、セルの積層枚数は燃料電池６０において積層されているセルの枚数であり、９６４８５はファラデー定数である。
【００３７】
次いで、制御部１０は、燃料目標流量Ｑｆ＿ｔの改質燃料を改質部５１に供給した場合のＳ／Ｃの予測値（以下、予測Ｓ／Ｃと称する。）を算出する。この場合、制御部１０は、燃料目標流量Ｑｆ＿ｔと推定水蒸気流量Ｓｔｍとから予測Ｓ／Ｃを算出することができる。
【００３８】
次に、制御部１０は、改質部５１における目標とするＯ／Ｃ（以下、制御目標Ｏ／Ｃ）を求める。この場合、上記式（１）、（２）を満たすように制御目標Ｏ／Ｃを求める。この場合、改質部５１における炭素析出を抑制することができるとともに、改質部５１における過剰燃焼を抑制することができる。
【００３９】
また、制御部１０は、図６のマップを用いて制御目標Ｏ／Ｃを求めてもよい。図６は、予測Ｓ／Ｃと制御目標Ｏ／Ｃとの関係を示すマップである。図６の縦軸は制御目標Ｏ／Ｃを示し、図６の横軸は予測Ｓ／Ｃを示す。図６に示すように、制御部１０は、予測Ｓ／Ｃが２．０である場合に制御目標Ｏ／Ｃを最小値に設定してもよい。予測Ｓ／Ｃが２．０である場合には、部分酸化反応の比率が小さくてもカーボン析出を抑制することができるからである。また、制御部１０は、予測Ｓ／Ｃが２．０よりも小さい場合には、制御目標Ｏ／Ｃを増加させる。カーボン析出を抑制するためである。さらに、制御部１０は、予測Ｓ／Ｃが２．０よりも大きい場合にも制御目標Ｏ／Ｃを増加させる。吸熱反応である水蒸気改質反応の比率が高くなると、改質部５１の温度が低下してしまうからである。
【００４０】
予測Ｓ／Ｃの変化に対する制御目標Ｏ／Ｃの増加の割合は、予測Ｓ／Ｃが２．０から増加する場合に比較して予測Ｓ／Ｃが２．０から低下する場合に小さいことが好ましい。水蒸気改質反応の比率が小さい場合に部分酸化反応の比率を必要以上に増加させると改質部５１の温度が急激に増加してしまうからである。なお、燃料電池６０にかかる負荷の増大量が大きいほど、制御目標Ｏ／Ｃの増加幅を大きく設定してもよい。Ｓ／Ｃの低下幅が大きくなってしまうからである。以上のことから、負荷状況に応じた適切なＯ／Ｃ制御が可能である。なお、図６のマップを用いる場合においても、式（１）、（２）の関係を満たす必要がある。
【００４１】
次いで、制御部１０は、改質部５１に供給される改質燃料の流量が燃料目標流量Ｑｆ＿ｔになるように、調量弁４０を制御する。なお、制御部１０は、現時点での改質燃料流量（以下、現流量Ｑｆと称する）が燃料目標流量Ｑｆ＿ｔに近くなった場合には、改質燃料の供給量の変動を小さくしてもよい。改質部５１に供給される燃料の流量が燃料目標流量Ｑｆ＿ｔに収束しやすくなるからである。以下、その詳細を説明する。
【００４２】
まず、燃料電池６０の負荷が増大するか否かを判定する。この場合、制御部１０は、燃料目標流量Ｑｆ＿ｔが現流量Ｑｆよりも大きければ燃料電池６０の負荷が増大すると判定し、燃料目標流量Ｑｆ＿ｔが現流量Ｑｆ以下であれば燃料電池６０の負荷が減少すると判定する。燃料電池６０の負荷が増大すると判定された場合、制御部１０は、改質部５１に供給する改質燃料流量を算出する。この場合、制御部１０は、図７のマップを用いる。
【００４３】
図７は、改質部５１に必要な改質燃料の変動量と改質燃料量の補正値（以下、補正値ｍａｐ（Ｑｆ＿ｔ−Ｑｆ）と称する）との関係を示す図である。図７の横軸は改質燃料の変動量を示し、図７の縦軸は補正値ｍａｐ（Ｑｆ＿ｔ−Ｑｆ）を示す。図７に示すように、補正値ｍａｐ（Ｑｆ＿ｔ−Ｑｆ）は、改質燃料の変動量が第１の所定値以下の場合には「Ｑｆ＿ｔ−Ｑｆ」よりも小さい一定の値を示し、改質燃料の変動量が第１の所定値を超えると改質燃料の変動量に比例して増加して第２の所定値以上になると「Ｑｆ＿ｔ−Ｑｆ」よりも大きい値を示す。
【００４４】
制御部１０は、燃料目標流量Ｑｆ＿ｔと現流量Ｑｆ＋補正値ｍａｐ（Ｑｆ＿ｔ−Ｑｆ）とのいずれか小さい流量の改質燃料が改質部５１に供給されるように調量弁４０を制御する。この場合、改質燃料の変動量が第２の所定値以上の範囲にある場合においては、改質部５１に供給される改質燃料の流量が燃料目標流量Ｑｆ＿ｔに設定される。一方、改質燃料の変動量が第２の所定値以下になると、改質部５１に供給される改質燃料量は、燃料目標流量Ｑｆ＿ｔよりも小さい値に設定される。それにより、改質部５１に供給される改質燃料量の急激な変化を抑制することができる。
【００４５】
燃料電池６０の負荷が減少すると判定された場合、制御部１０は、改質部５１に供給する改質燃料流量を算出する。この場合、制御部１０は、図８のマップを用いる。図８は、改質部５１に必要な改質燃料の変動量と改質燃料量の補正値（以下、補正値ｍａｐ（Ｑｆ−Ｑｆ＿ｔ）と称する）との関係を示す図である。図８の横軸は改質燃料の変動量を示し、図８の縦軸は補正値ｍａｐ（Ｑｆ−Ｑｆ＿ｔ）を示す。図８に示すように、補正値ｍａｐ（Ｑｆ−Ｑｆ＿ｔ）は、改質燃料の変動量が第３の所定値以下の場合には「Ｑｆ−Ｑｆ＿ｔ」よりも小さい一定の値を示し、改質燃料の変動量が第３の所定値を超えると改質燃料の変動量に比例して増加して第４の所定値以上になると「Ｑｆ−Ｑｆ＿ｔ」よりも大きい値を示す。
【００４６】
制御部１０は、燃料目標流量Ｑｆ＿ｔと現流量Ｑｆ−補正値ｍａｐ（Ｑｆ−Ｑｆ＿ｔ）とのいずれか大きい流量の改質燃料が改質部５１に供給されるように調量弁４０を制御する。この場合、改質燃料の変動量が第４の所定値以上の範囲にある場合おいては、改質部５１に供給される改質燃料の流量が燃料目標流量Ｑｆ＿ｔに設定される。一方、改質燃料の変動量が第４の所定値以下になると、改質部５１に供給される改質燃料量は、燃料目標流量Ｑｆ＿ｔよりも大きい値に設定される。それにより、改質部５１に供給される改質燃料量の急激な変化を抑制することができる。
【００４７】
次に、制御部１０は、改質部５１におけるＯ／Ｃが制御目標Ｏ／Ｃになるようにエアポンプ８０を制御する。制御部１０は、改質部５１に供給される改質燃料流量が燃料目標流量Ｑｆ＿ｔに到達した場合に、Ｏ／Ｃ制御を終了する。なお、制御部１０は、燃料電池６０の出力が要求負荷Ｐｒｅｑに到達した場合にＯ／Ｃ制御を終了してもよい。この場合、燃料電池６０の出力が図４に示すように段階的に変動する場合には、Ｏ／Ｃ制御の終了の判断が用意になる。燃料電池６０の出力が不必要に変動しないからである。
【００４８】
続いて、制御部１０が燃料電池システム１００のＯ／Ｃ制御を行う際のフローチャートの１例について説明する。図９は、上記フローチャートの１例を示す図である。制御部１０は、図９のフローチャートを例えば１００ｍｓごとに実行する。まず、制御部１０は、図９に示すように、アクセル開度センサ９０から取得したアクセル開度に基づいて、要求負荷Ｐｒｅｑを算出する（ステップＳ１）。この場合、制御部１０は、図３のマップを用いる。
【００４９】
次に、制御部１０は、要求負荷Ｐｒｅｑと前回の要求負荷Ｐｒｅｑ＿ｏとの差の絶対値が負荷変化判定値ｋを超えているか否かを判定する（ステップＳ２）。本実施例においては、負荷変化判定値ｋは、燃料電池６０の最大出力の２０％である。ステップＳ２において要求負荷Ｐｒｅｑと前回の要求負荷Ｐｒｅｑ＿ｏとの差の絶対値が負荷変化判定値ｋを超えていると判定された場合、制御部１０は、Ｏ／Ｃ制御が実行中である旨のフラグをセットする。具体的には、制御部１０は、変数Ｐｒｅｑ＿ｆｌｇに１を代入する（ステップＳ３）。
【００５０】
次に、制御部１０は、要求負荷Ｐｒｅｑに基づいて、燃料目標流量Ｑｆ＿ｔを算出する（ステップＳ４）。この場合、制御部１０は、図５のマップを用いる。次いで、制御部１０は、電流計６４から取得した電流値に基づいて、推定水蒸気流量Ｓｔｍを算出する（ステップＳ５）。次に、制御部１０は、燃料目標流量Ｑｆ＿ｔと推定水蒸気量Ｓｔｍとから予測Ｓ／Ｃを算出する（ステップＳ６）。次いで、制御部１０は、予測Ｓ／Ｃに基づいて制御目標Ｏ／Ｃを算出する（ステップＳ７）。この場合、制御部１０は、図６のマップを用いる。
【００５１】
次に、制御部１０は、燃料目標流量Ｑｆ＿ｔが現流量Ｑｆよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ８）。ステップＳ８において燃料目標流量Ｑｆ＿ｔが現流量Ｑｆよりも大きいと判定された場合、制御部１０は、燃料目標流量Ｑｆ＿ｔと図７に示す現流量Ｑｆ＋補正値ｍａｐ（Ｑｆ＿ｔ−Ｑｆ）とのいずれか小さい流量を現流量Ｑｆとし、現流量Ｑｆの改質燃料が改質部５１に供給されるように調量弁４０を制御する（ステップＳ９）。ステップＳ８において燃料目標流量Ｑｆ＿ｔが現流量Ｑｆよりも大きいと判定されなかった場合、制御部１０は、燃料目標流量Ｑｆ＿ｔと図８に示す現流量Ｑｆ−補正値ｍａｐ（Ｑｆ−Ｑｆ＿ｔ）とのいずれか大きい流量を現流量Ｑｆとし、現流量Ｑｆの改質燃料が改質部５１に供給されるように調量弁４０を制御する（ステップＳ１０）。
【００５２】
次いで、制御部１０は、燃料目標流量Ｑｆ＿ｔが現流量Ｑｆに等しいか否かを判定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１において燃料目標流量Ｑｆ＿ｔが現流量Ｑｆに等しいと判定された場合、制御部１０は、Ｏ／Ｃ制御が終了した旨のフラグをセットする。具体的には、制御部１０は、変数Ｐｒｅｑ＿ｆｌｇに０を代入する（ステップＳ１２）。次に、制御部１０は、前回の要求負荷Ｐｒｅｑ＿ｏに要求負荷Ｐｒｅｑを代入する（ステップＳ１３）。次いで、制御部１０は、現流量Ｑｆ、制御目標Ｏ／Ｃおよび要求負荷Ｐｒｅｑに基づいて、カソード６１に供給するカソードエア流量Ｑｃを算出し、カソードエア流量Ｑｃのエアがカソード６１に供給されるようにエアポンプ８０を制御する（ステップＳ１４）。その後、制御部１０は、動作を終了する。
【００５３】
ステップＳ２において要求負荷Ｐｒｅｑと前回の要求負荷Ｐｒｅｑ＿ｏとの差の絶対値が負荷変化判定値ｋを超えていると判定されなかった場合、制御部１０は、変数Ｐｒｅｑ＿ｆｌｇが１であるか否かを判定する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５において変数Ｐｒｅｑ＿ｆｌｇが１であると判定された場合、制御部１０は、ステップＳ８の動作を行う。ステップＳ１５において変数Ｐｒｅｑ＿ｆｌｇが１であると判定されなかった場合、制御部１０は、動作を終了する。ステップＳ１１において燃料目標流量Ｑｆ＿ｔが現流量Ｑｆに等しいと判定された場合、制御部１０は、ステップＳ１４の動作を行う。
【００５４】
このように、図９のフローチャートの実行によって、Ｏ／Ｃを適切に制御することができる。それにより、燃料電池システム１００の改質効率低下を抑制することができる。
【００５５】
本実施例においては、改質部５１が改質手段に相当し、エアポンプ８０がカソードオフガス供給手段に相当し、制御部１０およびエアポンプ８０がＯ／Ｃ制御手段に相当し、アクセル開度センサ９０が第１検出手段に相当し、Ｏ／Ｃ制御が第１制御に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】Ｏ／Ｃと改質部内の温度との関係を示す図である。
【図３】アクセル開度と要求負荷との関係の一例を示す図である。
【図４】アクセル開度と要求負荷との関係の他の例を示す図である。
【図５】要求負荷と燃料目標流量との関係の一例を示す図である。
【図６】予測Ｓ／Ｃと制御目標Ｏ／Ｃとの関係を示すマップである。
【図７】改質部に必要な改質燃料の変動量と改質燃料量の補正値との関係を示す図である。
【図８】改質部に必要な改質燃料の変動量と改質燃料量の補正値との関係を示す図である。
【図９】制御部がＯ／Ｃ制御を行う際のフローチャートの１例を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０  制御部
４０  調量弁
５０  改質器
５１  改質部
６０  燃料電池
６１  カソード
６２  アノード
７０，８０  エアポンプ
９０  アクセル開度センサ
１００  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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