(57)【要約】【課題】蒸発器の信頼性を確保しつつ、目標発電量の変動に対応できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に改質ガスを供給する改質器３と、改質ガスの生成に使用される蒸気を改質器に供給する蒸発器１０とを備える燃料電池システムにおいて、改質反応に必要とされる目標蒸気量と前記蒸発器の目標発生蒸気量との差を算出する手段１７と、前記蒸気を放出あるいは貯蔵する蒸気アキュムレータ１４とを備え、前記蒸気アキュムレータ１４は、前記算出した目標蒸気量と目標発生蒸気量との差を補うように蒸気を放出あるいは貯蔵する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、
燃料電池スタックに改質ガスを供給する改質器と、
改質ガスの生成に使用される蒸気を改質器に供給する蒸発器とを備える燃料電池システムにおいて、
改質反応に必要とされる目標蒸気量と前記蒸発器の目標発生蒸気量との差を算出する手段と、
前記蒸発器の生成した蒸気を放出あるいは貯蔵する蒸気アキュムレータとを備え、
前記蒸気アキュムレータは、前記算出した目標蒸気量と目標発生蒸気量との差を補うように蒸気を放出あるいは貯蔵することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質器に供給する燃料量と空気量と蒸気量を制御する手段と、
前記燃料電池スタックから排出された排改質ガスを燃焼する燃焼器とを備え、
前記燃焼器は、排改質ガスの燃焼により蒸気原料から蒸気を生成し、
前記制御手段は、前記燃料電池スタックの要求負荷に基づき燃料電池スタックへ供給される前記燃料量または空気量の少なくとも一方を制御し、前記燃焼器の排改質ガス量を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記蒸発器に供給される蒸気原料量は、前記燃焼器から前記蒸発器に供給される熱量に応じて設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記蒸発器に供給される蒸気原料量は、前記蒸発器自体が保有する熱量に応じて設定されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記蒸発器に供給される蒸気原料量は、前記蒸発器の温度が所定温度または所定温度変化となるように設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
蒸気原料の前記蒸発器への供給は、前記改質器への燃料または空気の供給に対して所定の時間遅れをもって実施されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、燃料電池スタックの負荷に応じて蒸気を前記蒸発器と前記蒸気アキュムレータの少なくとも一方から前記改質器に供給することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記燃料電池スタックの負荷が増加した場合には、前記蒸気アキュムレータの蒸気を優先的に前記改質器に供給することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記蒸気アキュムレータの蒸気を所定時間ごとに所定量を前記改質器に供給することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池スタックが発電した電力を蓄電する蓄電手段を備えたことを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記蒸気アキュムレータの貯蔵蒸気量に応じて前記改質器への燃料と空気の少なくとも一方の供給量を制御することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御手段は、前記燃料電池スタックの負荷が増加した場合、前記蒸気アキュムレータの貯蔵蒸気量が少ないほど前記改質器への燃料と空気の少なくとも一方の供給量を減少させることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記制御手段は、前記蓄電手段の放電可能量に応じて前記改質器への燃料と空気の少なくとも一方の供給量を減少させることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質器を備えた燃料電池システムの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池システムは、アノードとカソードとの間に高分子電解質膜を挟持して形成される単セルを積層に構成してなる燃料電池スタックを具備するもので、セルのアノードに水素、カソードに酸素をそれぞれ供給して電気化学反応を起こして発電する。前記セルへの水素供給源としては、燃料改質装置が用いられることが一般的である。この燃料改質装置は、メタノール等のアルコールまたはガソリン等の炭化水素系燃料と水を気化して燃料ガスを生成し、これを改質触媒を用いて改質することにより、水素を含む改質ガスを生成するものである。
【０００３】
燃料電池システムの一例として、水及び燃料を蒸発させて燃料ガスを生成する蒸発器と、前記燃料ガスを改質して改質ガスを生成する改質器とを具備してなり、水及び燃料の混合液を加熱加圧状態で貯留する副蒸発器と、前記改質ガス生成量の増加要求に応じて、前記加熱加圧状態の混合液を減圧蒸発させて生成した補助燃料蒸気を前記蒸発器に供給する制御手段とを備えるものがある（特許文献１参照。）。
【０００４】
この発明では、改質ガス生成量の増加要求に応じて、副蒸発器からの補助燃料蒸気を追加供給するので、改質ガスの増加要求前よりも燃料ガス量が大きくなり、これによって改質ガス及び燃焼ガスの生成量を増加させることを可能としている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３２３１６１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記技術は、副蒸発器を設けることによって、改質器へ供給される燃料ガスの応答性を向上することで、燃料電池システムの負荷応答性の向上を図ると共に、改質ガス残分（排改質ガス）を燃焼させる燃焼器への排ガスの供給の応答性を向上することによって、蒸発器への熱供給応答性の向上を図ることを目的としているが、このような方法によって、蒸発器への供給熱量を急激に増加減すると、プレートフィン型等薄板を積層した構成の蒸発器へ、過大な熱負荷を与えることとなり、この結果、熱応力歪や熱衝撃により、熱交換器の信頼性を低下させる恐れがある。
【０００７】
この課題を解決する手段として、熱応力歪等を緩和するため熱流束を低く設定する等の方策も考えられるが、この場合には、蒸発器が大型化して移動体等への搭載性が低下するという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記の問題点を解決することを目的として成されたものであって、蒸発器の信頼性を確保しつつ、要求負荷変動に対応できる燃料電池システムを提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池システムにおいて、改質反応に必要とされる目標蒸気量と前記蒸発器が生成する目標発生蒸気量との差がある場合に、蒸気を貯蔵するアキュムレータから前記算出した目標蒸気量と目標発生蒸気量との差を補うように蒸気を放出あるいは貯蔵することを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、蒸気を貯蔵、放出する蒸気アキュムレータを備え、改質器が要求する蒸気量と蒸発器が発生する蒸気量との差が生じた場合に、その差を解消するように蒸気を放出あるいは貯蔵するため、蒸発器への供給熱量が急激に変化して蒸発器に過大な熱負荷を与えることがなく、蒸発器の耐久性の低下を抑制し、信頼性を向上させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【００１２】
燃料電池スタック１は、単セルを積層して構成されるもので、アノードに水素を含有する改質ガスが、カソードに空気が供給されて電気化学反応が生じて発電するものである。
【００１３】
カソードにはコンプレッサ２から空気が供給され、アノードには改質器３から改質ガスが供給される。コンプレッサ２の下流には空気の流量を制御する空気分配バルブ４が設置される。改質器３にはコンプレッサ２からの空気が空気分配バルブ４を介して供給されるとともに、燃料タンク５の燃料が燃料ポンプ６の作用によりプレッシャレギュレータ７を介してインジェクタ８から供給される。
【００１４】
燃料電池スタック１で発電に供された空気は外部に排出され、改質ガスは排ガスとして燃焼器９に供給され、コンプレッサ２から供給される空気と燃料ポンプ６から燃料分配バルブ６ａを介して供給され、インジェクタ９ａにより噴射される燃料とともに燃焼し、その燃焼ガスが蒸発器１０に送られる。
【００１５】
蒸発器１０では、水タンク１２から水ポンプ１３の作用により供給された水（蒸気原料）が流通しており、この水は燃焼器９から供給された高温の燃焼ガスとの間で熱交換され、蒸発して水蒸気となり前述の改質器３に供給される。また、蒸発器１０から排出された燃焼ガスは、コンデンサ１１に送られて燃焼ガス中の凝縮水を回収される。この凝縮水は前述の水タンク１２に貯留される。
【００１６】
蒸発器１０から改質器３に水蒸気を供給する流路Ｐ１をバイパスする流路Ｐ２が設けられ、このバイパス流路Ｐ２に本発明の特徴的な構成である蒸気アキュムレータ１４が設置される。この流路Ｐ１とＰ２との上流側分岐点には蒸気分配バルブ１５が設置され、下流側分岐点には蒸気混合バルブ１６が設置され、これらバルブの開閉を制御することで、蒸発器１０で生成された水蒸気を改質器３と蒸気アキュムレータ１４に分配したり、蒸気アキュムレータ１４からの水蒸気と蒸発器１０からの水蒸気とを混合して改質器３に供給することができる。
【００１７】
したがって、改質器３には燃料と空気と水蒸気とが供給されて、これらを用いて改質器３内に収装された改質触媒で改質反応を生じさせ、燃料を改質することができる。
【００１８】
さらに燃料電池システムには、このシステムを統合制御するコントローラ１７が設置され、また蒸発器１０の温度を検出する温度センサ１８、蒸気アキュムレータ１４の温度および圧力を検出するための温度センサ１９、圧力センサ２０の出力信号が入力され、さらにアクセル開度センサ２１と２次バッテリのＳＯＣ検出センサ２２の出力信号、外気温等の各種温度のデータが入力される。コントローラ１７は、これら入力信号に基づいて、コンプレッサ２、空気分配バルブ４、燃料ポンプ６、燃料分配バルブ６ａ、インジェクタ８、蒸気分配バルブ１５、蒸気混合バルブ１６およびコンプレッサ２から燃焼器９に供給される空気量を制御するバルブ２３を制御する。
【００１９】
なお、改質する燃料として炭化水素系燃料を前提として説明するが、メタノール等のアルコールであってもよい。なお、燃料としてメタノールを用いた場合には、蒸発器１０で蒸気となる原料はメタノールと水の混合液となる。したがって、以下、実施形態の説明中の水蒸気を蒸気として記載する。
【００２０】
図２は、燃料電池を電力源とする車両の駆動システムの一例を示すものである。燃料電池システム１００はＤＣ／ＤＣコンバータ１０１、パワーマネージャー１０２を介してインバータ１０３に接続しており、このインバータ１０３はモータ／ジェネレータ１０４に接続されて駆動／回生を可能としている。また、インバータ１０３には蓄電手段としての２次バッテリ１０５が接続され、モータへ電力を供給するとともにジェネレータが発電した電力を充電する。また駆動コントローラ１０６は前述の構成要素から入力された信号に基づいて駆動システムを統合制御する。なお、前述のコントローラ１７は、駆動コントローラ１０６内に包括させてもよい。
【００２１】
図３は、本実施形態の制御内容をフローチャートで示したものである。本制御はコントローラ１７により実施され、燃料電池スタック１への運転条件の変更要求毎に実施される。
【００２２】
ステップ１で、前述の各種センサー等の信号が読み込まれる。ステップ２では、蒸気アキュムレータ１４の貯蔵蒸気量が演算される。この演算は、蒸気アキュムレータ１４の温度と圧力によって演算される。すなわち、蒸気アキュムレータ１４の容積は既知である為、蒸気アキュムレータ内の温度と圧力が温度センサ１９、圧力センサ２０により検出できれば、内部に貯蔵されている蒸気量が演算できる。
【００２３】
ステップ３では、蒸気アキュムレータ１４から放出可能な蒸気量が演算される。この場合、ステップ２で演算された貯蔵蒸気量より小さくする必要があり、ステップ２で演算された貯蔵蒸気量に１未満の係数を掛けて演算される
ステップ４では、２次バッテリ１０５のＳＯＣ（バッテリ蓄電量）が演算される。この演算は、例えば図４のフローチャートに基づいて演算される。
【００２４】
このフローチャートについて説明すると、ステップ２１で２次バッテリ１０５に入出力する電流値が検出され、ステップ２２で現在までの充放電量を積算して、現時点でのＳＯＣが演算される。尚、バッテリ温度や電圧によって、蓄電量の演算精度を上げても良い。また、初期値は、製造時の蓄電量となる。
【００２５】
図３のフローチャートに戻り、ステップ５では、フィルタ定数が演算される。これは、例えば、図５に示すＳＯＣに対して割り付けられたテーブルからルックアップされた値Ｋｂと、図６に示す蒸気アキュムレータ１４の蒸気量に対して割り付けられたテーブル値からルックアップされた値Ｋａの積として演算される。フィルタ定数Ｋｂは、ＳＯＣが大きいほど大きくなる傾向を有し、またフィルタ定数Ｋａは、蒸気アキュムレータ１４の貯蔵蒸気量が多いほど大きくなる傾向を有する。
【００２６】
続くステップ６では、改質器３の目標空気量が演算される。この場合、ドライバから要求される負荷をアクセルペダル開度ＡＰＯから推定し、この負荷を基に演算される目標発電量に対して、燃料電池や改質装置等の効率を勘案した補正が行われ、かつ、改質に必要となる空気量に変換された値を基に、ステップ５で求めたフィルタ定数によって、補正され演算される。
【００２７】
ＡＰＯに基づいて、フィルタ定数による補正が行われる前の目標空気量をＤ＿Ａｉｒ、フィルタ処理後の目標空気量をＡｉｒとすると、
Ａｉｒ＝Ｄ＿Ａｉｒ／（Ｋａ×Ｋｂ）＋Ａｉｒ−１            （１）
として演算される。尚、Ａｉｒ−１値はＡｉｒ値の前回値を示す。
【００２８】
例えば、Ｄ＿Ａｉｒのステップ入力に対して、この演算の結果のＡｉｒは、図７のようになる。
【００２９】
ステップ７、ステップ８では、目標燃料量、目標蒸気量が上記の空気量と同様の手法により演算される。
【００３０】
次にステップ９では、Ｄｅｌａｙ  Ｔｉｍｅ（遅れ時間）が演算される。この値は、改質器３から蒸発器１０に至るガスの移動時間に相当するものであり、運転負荷によって異なる値となる。
【００３１】
ステップ１０では、ステップ８で演算した改質器３の目標蒸気量に基づき蒸発器１０の目標発生蒸気量が演算される。この目標発生蒸気量の演算は、図８に示すように、改質器３への目標蒸気量の演算に対して遅れ時間分だけ遅れる。ここで、改質器３への目標蒸気量に対する蒸発器１０の目標発生蒸気量の遅れ分を補うように蒸気アキュムレータ１４から改質器３への供給蒸気量に蒸気を供給する。または、蒸気アキュムレータ１４の貯蔵蒸気量が少ない場合や、システムに蒸気アキュムレータを備えていない場合には、遅れ時間による電力の不足分を車両の駆動モータ等電力消費手段に２次バッテリ１０５から供給するようにしてもよい。
【００３２】
ステップ１１では、蒸発器１０への目標供給熱量が演算される。すなわち、蒸発器１０の特性（諸元）に応じて、前述の目標発生蒸気量を得るために必要とされる熱量が求められる。
【００３３】
ステップ１２では、燃焼器９への供給ガス量が演算される。すなわち、燃料電池スタック１での発電に使用された改質ガス量と供給された排改質ガス量の差が燃焼器９への供給ガス量として演算される。このガス量が燃焼によって発生する熱量は、ガス量に所定の係数を積算する等の方法によって演算される。
【００３４】
次にステップ１３で、ステップ１１で演算された蒸発器１０への目標供給熱量とステップ１２で演算された燃焼器９で発生する熱量との差に基づいて、その差を補足するための燃焼器９に供給される補助燃料噴射量が演算され、燃焼器９での燃料噴射量に加算される。尚、この演算は、後述する蒸発器１０の熱容量を蒸発器１０に供給する水量の演算に反映させるか否かによって、異なる値となる。具体的には、蒸発器１０の熱容量を勘案する場合には、その熱量が目標供給熱量から減算された値を基に燃料量が演算されることとなる。
【００３５】
ステップ１４では、上記の燃焼器９からの燃焼ガスと燃焼器１０の補助燃料噴射量を所定の温度（空燃比）で燃焼させるのに要求される空気量が演算され、ステップ１５で燃料電池スタック１のカソード側に供給すべき空気量が演算して本ルーチンを終了する。尚、ステップ１５の演算も、ステップ５で求めたフィルタ定数を適用し、ステップ６での演算と同様の方法で演算される。
【００３６】
したがって、本発明の燃料電池システムは、蒸気を貯蔵放出する蒸気アキュムレータ１４を備え、改質器３が要求する蒸気量と蒸発器が発生する蒸気量との差が生じた場合に、その差を解消するように蒸気を放出あるいは貯蔵するため、蒸発器への供給熱量が急激に変化して蒸発器に過大な熱負荷を与えることがなく、蒸発器の耐久性の低下を抑制し、信頼性を向上する。
【００３７】
燃料電池スタック１の要求負荷（目標発電量）を考慮して燃料量と空気量の少なくともいずれかを制御することで、燃焼器９への排改質ガス導入量を燃料電池スタック１の負荷要求を考慮しつつ制御できるので、燃焼器９の発生熱量の変化を抑制するように制御し、蒸発器１０への過大な熱負荷変化を防止できる。
【００３８】
また、本発明の燃料電池システムには、蓄電手段としての２次バッテリ１０５を備えたので、負荷が変化した時に、改質器３の応答遅れによって生じた電力の過不足を蓄電手段３からの充放電によって補うことが可能となり、車両（すなわち、ドライバー）から要求される目標電力を確実に駆動系モータ等に供給可能とできる。特に、負荷が増加した場合に蒸発器１０に供給される熱量は多くなるが、要求負荷に必要なだけの原料（この実施形態では水）を蒸発させたのでは蒸発器１０の熱負荷が過剰になるような場合には、要求負荷以上の水を蒸発させ、余剰分を蒸気アキュムレータ１４内に貯蔵できる。これにより、蒸発器１０に過大な熱負荷が加わることを防止できる。
【００３９】
負荷が増加した時に、蒸気アキュムレータ１４内の貯蔵蒸気量が少ない場合でも、蓄電手段１０５を備えることで、改質器３の応答遅れにより生じる電力不足を蓄電手段１０５からの放電によって補うことが可能となり、車両（ドライバー）から要求される電力を駆動系モータ等に供給可能とする。また、蒸発器１０に供給する熱量変化も小さくすることが可能となり、蒸発器１０に過大な熱負荷を与える必要が無くなり、蒸発器１０の信頼性を向上させることが可能となる。
【００４０】
なお、蓄電手段１０５の放電可能電力量に応じて、改質器３への燃料または空気の供給量を補正すれば、蓄電手段１０５による不足電力の補足ができない場合に、発電量を増大して要求電力を満足するようにできる。
【００４１】
図９は、本燃料電池システムの空気供給制御に関するフローチャートを示したものである。なお、以下に示す図９から図１３のフローチャートは、図３に示した制御結果を受けてコントローラ１７により実施されるものである。
【００４２】
ステップ３１からステップ３３で、図３のステップ６、１４、１５で演算した各空気量を読み込み、ステップ３４でコンプレッサ２の回転数が演算される。尚、ここでは、コンプレッサ２として容量型コンプレッサを想定している為、回転数で供給空気量を規定することが可能となっているが、空気流量計等を装着し、目標値との差をフィードバック制御することも可能である。
【００４３】
次にステップ３５、３６で、空気分配バルブ４、空気量バルブ２３の要求開度を演算して、本ルーチンを終了する。
【００４４】
図１０には、燃料供給制御に関するフローチャートを示す。
【００４５】
ステップ４１とステップ４２では、図３のステップ７とステップ１３で演算した改質器３の目標燃料量と燃焼器９の補助燃料噴射量を読み込み、ステップ４３で燃料ポンプ６の回転数が演算される。この場合、燃料圧力はプレッシャレギュレータ７で調整されている為、回転数の制御を行わなくても良い。続くステップ４４とステップ４５では、インジェクタ８、および燃焼器９のインジェクタ９ａのデューティ比が演算されて本ルーチンを終了する。
【００４６】
図１１は、蒸発器１０での蒸気生成制御に関するフローチャートである。
【００４７】
まずステップ５１では、図３のステップ１０で演算した蒸発器１０の目標発生蒸気量を読み込み、次にステップ５２で、蒸発器１０自体の保有熱量が演算される。この値は蒸発器１０に装着された温度センサ１８の検出値と蒸発器の諸元値（熱容量など）によって演算される。さらに、ステップ５３で、ステップ９で演算した遅れ時間を読み込み、ステップ５４で蒸発器１０の供給水量が演算される。ここで、ステップ５２で演算される蒸発器１０の保有熱量を勘案せずに目標発生蒸気量に基づいて蒸発器１０の供給水量を演算してもよい。
【００４８】
ステップ５２で演算される蒸発器１０の保有熱量を勘案する場合には、図３のステップ１３での燃焼器９の補助燃料噴射量演算は、蒸発器１０の熱容量を考慮した分だけ減量されることになる。また、熱容量を考慮した場合、蒸発器１０の温度は変動することとなるため、蒸発器１０の保有熱量と供給熱量とによって、供給水量に対する温度変化が計算でき、この温度変化を所定値以内に収めるように、供給水量は演算される。
【００４９】
ステップ５５で、読み込んだ遅れ時間に基づいて水ポンプ１３の回転数が演算される。したがって、水ポンプは遅れ時間を考慮した所定時間経過後に運転を開始し、水は所定時間経過後に蒸発器１０に供給される。この場合、水ポンプ１３として容積型水ポンプを想定した為、回転数で水量が制御可能である。
【００５０】
このように、蒸発器１０へ供給する水の量が、蒸発器１０に供給される燃焼器９からの熱量に応じて制御され、改質器３での負荷要求との差異分は蒸気アキュムレータ１４により貯蔵、放出されるので、水の供給過剰による蒸発器９の過冷却や、水の供給不足による蒸発器１０の過昇温が防止され、蒸発器１０への熱負荷を低減でき、信頼性を向上できる効果がある。また、燃料電池スタック１の負荷が減少する時に、蒸発器１０に供給される燃焼器９からの熱量の減少が遅れるので、蒸発器１０へ供給する水量を蒸発器１０に供給される燃焼器９からの熱量に応じて制御すると、蒸発器１０で余剰な蒸気を生成することが可能となり、この蒸気を蒸気アキュムレータ１４に貯蔵できる。
【００５１】
また、蒸発器１０への供給水量を、少なくとも蒸発器１０の保有する熱量に応じて制御される構成としたため、上述の効果に加え蒸気量を多く生成できる。
【００５２】
また、燃料電池スタック１の負荷が減少する時に、遅れ時間があるために負荷の減少前の高負荷条件で、蒸発器１０に蓄熱された熱量を有効に活用できるため、より多くの蒸気を生成することが可能となり、蒸気アキュムレータ１４への蒸気貯蔵量を増やすことが可能となる。
【００５３】
さらに、蒸発器１０の温度が所定温度範囲、または所定温度変化になるように蒸発器１０への供給水量を制御する構成とした。これにより、蒸発器１０に過大な熱負荷（急激な温度上昇や冷却）を与えることがなくなり。また、所定の温度変化を許容する為、蒸気を有効に生成できる効果がある。
【００５４】
蒸発器１０への水の供給は、改質器３への燃料と空気の供給に対して、所定の遅れ時間をもって制御される構成とした。このため、改質器３、燃料電池スタック１、燃焼器９を経て蒸発器１０に供給される熱量の遅れ時間を補正することが可能となり、蒸発器１０へ供給される熱量の変化に対して、蒸発器１０への水供給タイミングを適正に設定することが可能となる。これにより、蒸発器１０への熱量変化と水供給変化の位相差による蒸発器の熱負荷を低減できる。
【００５５】
また、燃料電池スタック１の負荷が減少する時に、燃料、空気の少なくともいずれかの流量の減量に所定の遅れ時間をもたせ、蒸発器１０に供給される燃焼器９からの熱量の減少を遅らせ、かつ、蒸発器１０へ供給する水量が、少なくとも蒸発器１０に供給される燃焼器９からの熱量と蓄熱量に応じて制御されることで、蒸発器１０でより多くの余剰な蒸気を生成することが可能となり、この蒸気を蒸気アキュムレータ１４に貯蔵できる。
【００５６】
図１２と図１３には、本発明の特徴的な構成である蒸気アキュムレータ１４および蒸発器１０からの蒸気の放出と蒸発器１０から蒸気アキュムレータ１４への蒸気の貯蔵の制御に関するフローチャートを示す。
【００５７】
ステップ６１で改質器３の目標燃料量が読み込まれ、ステップ６２で遅れ時間が読み込まれる。
【００５８】
続くステップ６３では、フィルタ処理された後の要求燃料量Ｆｕｅｌと、所定演算周期前の要求燃料量Ｆｕｅｌ−１（ここでは前回値）との比較が行われ、今回値の要求燃料量Ｆｕｅｌが大きい場合にはステップ６４に進む。ステップ６４では、アップトランジェントタイマであるＴｉｍｅｒ＿ｕｐがインクリメントされると共に、ステップ６５で定常タイマであるＴｉｍｅｒ＿ｓｔとダウントランジェントタイマであるＴｉｍｅｒ＿ｄｏｗｎがリセットさせ、ステップ７２に進む。
【００５９】
一方、今回値の要求燃料量Ｆｕｅｌが前回値Ｆｕｅｌ−１以下である場合にはステップ６６で、要求燃料量Ｆｕｅｌと要求燃料量前回値Ｆｕｅｌ−１とを比較してダウントランジェントか否かの判断が行われ、ダウントランジェントの場合には、ステップ６７でＴｉｍｅｒ＿ｄｏｗｎがインクリメントされ、続くステップ６８でＴｉｍｅｒ＿ｕｐとＴｉｍｅｒ＿ｓｔがリセットされ、ステップ７２に進む。
【００６０】
また、ステップ６６で要求燃料量Ｆｕｅｌが要求燃料量前回値Ｆｕｅｌ−１以上であり、定常状態と判断された場合には、ステップ６９、７０でＴｉｍｅｒ＿ｕｐとＴｉｍｅｒ＿ｄｏｗｎがリセットされ、ステップ７１でＴｉｍｅｒ＿ｓｔがインクリメントされ、ステップ７２に進む。
【００６１】
ここで、このフローチャートでは、要求燃料量Ｆｕｅｌと要求燃料量前回値Ｆｕｅｌ−１を用いた判断としているが、ヒステリシスや不感帯を用いても良い。
【００６２】
次に、ステップ７２でＦｕｅｌ＞Ｆｕｅｌ−１、且つ遅れ時間＞Ｔｉｍｅｒ＿ｕｐと判断された場合、すなわち、アップトランジェントになってから遅れ時間が経過していないと判断された場合には、蒸発器１０で発生する蒸気量が改質器３の要求する蒸気量に達していないと判断して、ステップ７３で蒸気混合バルブ１６にて蒸気アキュムレータ１４と改質器３を連通させる（蒸発器１０と改質器３は遮断）ことによって、蒸気アキュムレータ１４に貯蔵された蒸気を改質器３に供給する。また、続くステップ７４では、蒸気分配バルブ１５にて蒸発器１０と改質器３の連通割合が所定値に固定される。
【００６３】
一方、遅れ時間経過後は、蒸発器１０が生成する蒸気量が改質器３の要求する蒸気量に達していると判断して、ステップ７５で蒸気混合バルブ１６にて蒸気アキュムレータ１４と改質器３の連通が遮断され、蒸発器１０と改質器３が連通され、蒸発器１０からの蒸気が改質器３に供給可能となる。この場合、ステップ７６で蒸気分配バルブ１５にて、蒸発器１０と改質器３との連通割合が拡大される。
【００６４】
続くステップ７７でＦｕｅｌ＜Ｆｕｅｌ−１、かつ遅れ時間＞Ｔｉｍｅｒ＿ｕｐと判断された場合、すなわち、ダウントランジェントと判断された後、遅れ時間を経過していない場合には、燃料電池スタック１からの取出し電力は小さくなるが、改質器３からの供給ガス量の減少には遅れがあり、その分余分に燃焼器９にガスが供給される状況となり、この場合にはステップ７８で蒸気混合バルブ１６が蒸気アキュムレータ１４と改質器３との連通を遮断（蒸発器１０と改質器３は連通）すると共に、ステップ７９で蒸気分配バルブ１５が蒸発器１０と蒸気アキュムレータ１４の連通割合を拡大する。これによって、制御上の遅れにより蒸発器１０で発生した余剰の蒸気を蒸気アキュムレータ１４に貯蔵することができ、改質器３に余分な蒸気を供給することがない。
【００６５】
ステップ７７での判定条件が不成立の場合には、ステップ８０に進み、ステップ８０では、蒸気混合バルブ１６が蒸気アキュムレータ１４と改質器３との連通を遮断し、蒸発器１０と改質器３は連通すると共に、ステップ８１で蒸気分配バルブ１５が蒸発器１０と改質器３との連通割合を拡大することによって、蒸発器１０で発生した蒸気を改質器３に導く。すなわち、蒸気アキュムレータ１４への蒸気貯蔵を減少または中止させる。
【００６６】
続くステップ８２において、Ｆｕｅｌ＝Ｆｕｅｌ−１、かつＳｔｅａｄｙ  Ｔｉｍｅ＜Ｔｉｍｅｒ＿ｓｔと判断された場合には、ステップ８３に進む。ここで、Ｓｔｅａｄｙ  Ｔｉｍｅは、定常運転継続時間の閾値である。すなわち、定常運転が所定時間継続したと判断された場合には、ステップ８３に進む。この判定条件が不成立の場合には本ルーチンを終了する。
【００６７】
ステップ８３では、Ｅｊｅｃｔ  Ｔｉｍｅ＞Ｔｉｍｅｒ＿ｅｊの判断が成される。このＥｊｅｃｔ  Ｔｉｍｅは、定常運転が所定以上継続した場合に、蒸気アキュムレータ１４内の蒸気が凝縮してしまうことを防止する為に蒸気を放出する制御を実施するが、その放出時間を規定するものである。すなわち、ステップ８２で定常運転が所定時間継続したと判断され、かつ、ステップ８３でＴｉｍｅｒ＿ｅｊがＥｊｅｃｔ  Ｔｉｍｅ未満であると判断された場合には、蒸気アキュムレータ１４の蒸気がステップ８４、ステップ８５で放出され、ステップ８６でＴｉｍｅｒ＿ｅｊがインクリメントされる。
【００６８】
一方、Ｅｊｅｃｔ  ＴｉｍｅがＴｉｍｅｒ＿ｅｊ以下であるとステップ８３で判断されると、すなわち蒸気アキュムレータ１４からの蒸気放出を開始してから所定時間経過したと判断された場合には、ステップ８７、ステップ８８で蒸発器１０から改質器３への蒸気供給に切り替えられると共に、ステップ８９でＴｉｍｅｒ＿ｅｊはリセットされ、本ルーチンを終了する。
【００６９】
このような制御により、改質器３への蒸気の供給は、蒸発器１０と蒸気アキュムレータ１４の少なくとも一方から供給されるため、蒸発器１０からの蒸気の供給量が不足する条件においては、蒸気アキュムレータ１４に貯蔵された蒸気を改質器３に供給することが可能となり、蒸発器１０に過大な熱負荷をかけることなく、改質器３に必要な蒸気の供給が可能となる（ステップ７２からステップ７４）。
【００７０】
燃料電池スタック１の発電量（負荷）が増加した時には、蒸気アキュムレータ１４からの蒸気供給を優先して改質器３に蒸気を供給するため、目標発電量が増加した時に、蒸発器１０に水を蒸発させるための熱を多量に供給することなく改質器３に蒸気を供給することが可能となり、蒸発器１０に過大な熱負荷を与えることが無くなり、蒸発器１０の信頼性を向上させることができる。
【００７１】
また、蒸気アキュムレータに貯蔵された蒸気を所定時間ごとに所定量を改質器３に供給するため、蒸気アキュムレータ１４内での蒸気の凝縮量が過大となることが防止可能となり、特に負荷が増加した時等に有効に活用できる蒸気を蒸気アキュムレータ１４内に常時貯蔵することが可能となる。これは、特に改質器３を長期間低負荷状態で一定運転する場合に、有効に機能するものである（ステップ８３からステップ８５）。
【００７２】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】本発明の燃料電池システムを適用した燃料電池車両の駆動システムの構成図である。
【図３】本発明の制御内容を示すメインフローチャートである。
【図４】ＳＯＣの演算方法を説明するフローチャートである。
【図５】ＳＯＣとフィルタ係数Ｋｂの関係を示す図である。
【図６】蒸気アキュムレータの水蒸気量とフィルタ係数Ｋａの関係を示す図である。
【図７】フィルタによる空気量の変化を示す図である。
【図８】改質器３の目標水蒸気量と蒸発器１０の目標発生水蒸気量との差を説明する図である。
【図９】空気供給制御に関するフローチャートである。
【図１０】燃料供給制御に関するフローチャートである。
【図１１】水蒸気生成制御に関するフローチャートである。
【図１２】蒸気アキュムレータの制御に関するフローチャートである。
【図１３】図１２に続く蒸気アキュムレータの制御に関するフローチャートである。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  コンプレッサ
３  改質器
４  空気分配バルブ
５  燃料タンク
６  燃料ポンプ
７  プレッシャレギュレータ
８  インジェクタ
９  燃焼器
１０  蒸発器
１１  コンデンサ
１２  水タンク
１３  水ポンプ
１４  蒸気アキュムレータ
１５  蒸気分配バルブ
１６  蒸気混合バルブ
１７  コントローラ
１８  温度センサ
１９  温度センサ
２０  圧力センサ
【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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【図１３】
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