(57)【要約】【課題】一酸化炭素除去装置の反応熱を利用し、改質器へ安定した水温の水を提供する。【解決手段】改質ガスを生成する改質器１２と、改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素選択酸化反応器１３と、一酸化炭素選択酸化反応器１３内に一酸化炭素除去反応熱と水とを熱交換する熱交換器５０と、改質器１２へ供給する水を制御する流量制御弁３と、水を加熱する加熱器４を備える。一酸化炭素選択酸化反応器１３の上流改質ガス温度一酸化炭素選択酸化反応器１３における水素濃度と一酸化炭素濃度の変化量に基づいて、一酸化炭素選択酸化反応器１３の発熱量を演算し、かつ熱交換後の水の温度が所定値となるように発熱量と熱交換器５０に導入される前の水温に基づいて加熱器４による水か熱量を制御する。【選択図】        図１
2005145734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
要求負荷に応じた量の原燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器からの改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置と、を備えた燃料改質システムにおいて、
前記一酸化炭素除去装置の反応熱を利用して前記改質器に供給する原燃料の一部である水と熱交換する熱交換器と、
前記熱交換器を経由して前記改質器に供給する前記水の流量を前記要求負荷に応じて制御する水流量制御手段と、
前記熱交換器に導入される前記水を加熱する加熱手段と、
前記熱交換器に導入される前記水の温度を検出する水温検出手段と、
前記一酸化炭素除去装置の上流の改質ガスの温度を検出するガス温度手段と、
前記一酸化炭素除去装置の上流及び下流の改質ガス中の水素濃度を検出する第１及び第２の水素濃度検出手段と、
前記一酸化炭素除去装置の上流及び下流の改質ガス中の一酸化炭素濃度を検出する第１及び第２の一酸化炭素濃度検出手段と、
前記一酸化炭素除去装置の上流の改質ガス温度と、同じく上流、下流の水素濃度、及び一酸化炭素濃度の変化量とに基づいて、前記一酸化炭素除去装置での発熱量を演算し、かつ前記水の熱交換後の温度を所定状態に維持するように、前記演算した発熱量と前記検出水温に基づいて前記加熱手段での水の加熱量を制御する第１の制御手段と、を備えることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項２】
前記熱交換後の水の温度は、前記一酸化炭素除去装置を所定の反応温度に維持する温度に設定されることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質システム。
【請求項３】
前記熱交換器で熱交換した水の一部を貯留する貯留手段を備え、
前記改質器での改質ガス量の増加時に前記貯留手段に貯留した水を前記改質器に供給することを特徴とする請求項２に記載の燃料改質システム。
【請求項４】
前記貯留手段は、
前記水を蓄える貯留タンクと、
前記熱交換器からの水を前記貯留タンクに導入すると共に、前記改質器の負荷増加時に前記貯留タンクから前記改質器に水を供給する流路切り換え手段と、から構成されることを特徴とする請求項３に記載の燃料改質システム。
【請求項５】
前記水量制御手段は、前記要求負荷に応じた水量よりも所定の割合だけ多い水量に制御する請求項３または４に記載の燃料改質システム。
【請求項６】
前記貯留タンクの上流及びおよび下流に圧力弁を備え、
前記圧力弁によって前記貯留タンクを加圧し、前記貯留タンク内の水を液体の状態で貯留することを特徴とする請求項４または５に記載の燃料改質システム。
【請求項７】
要求負荷に応じた量の原燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器からの改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置と、を備えた燃料改質システムにおいて、
前記一酸化炭素除去装置の反応熱を利用して冷媒と熱交換する第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器で熱交換した冷媒の熱を利用して前記改質器に供給する原燃料の一部である水と熱交換する第２の熱交換器と、
前記第２の熱交換器を経由して前記改質器に供給する前記水の流量を前記要求負荷に応じて制御する水流量制御手段と、
前記第２の熱交換器に導入する前記水を加熱する加熱手段と、
前記第２の熱交換器に導入する前記水の温度を検出する水温検出手段と、
前記第１の熱交換器に導入する冷媒の流量を制御する冷媒流量制御手段と、
前記第１の熱交換器の上流及び下流の冷媒の温度を検出する第１、第２の冷媒温度検出手段と、
前記第１の熱交換器の上流及び下流の冷媒温度と、冷媒流量とに基づいて前記冷媒の熱交換量を演算し、該冷媒と前記第２の熱交換器において熱交換される前記水の温度を所定状態に維持するように、前記演算した熱交換量と前記検出水温に基づいて前記加熱手段での水の加熱量を制御する第２の制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料改質システム。
【請求項８】
負荷増加時に前記第１の熱交換器へ水を供給する過渡運転用貯留タンクと、
前記第２の熱交換器の下流に位置し、前記第２の熱交換器から排出された前記冷媒と前記過渡運転用貯留タンクに貯留される水とを熱交換する第３の熱交換器と、
負荷増加時に前記過渡運転用貯留タンクから前記第２の熱交換器へ水を供給する水供給手段と、を備えたことを特徴とする請求項７に記載の燃料改質システム。
【請求項９】
前記過渡運転用貯留タンク内の水の温度が高い場合には負荷増加時でなくても前記水タンクからの水供給に加え、前記過渡運転用貯留タンクからも水を供給することを特徴とする請求項８に記載の燃料改質システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一酸化炭素除去装置を備えた燃料改質システムに関するものであり、特に一酸化炭素除去の際に生じる反応熱の利用に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、一酸化炭素選択酸化反応器が適正な反応温度に維持されるように冷却するため、その冷媒として改質原料である水を使用し、一酸化炭素の酸化反応熱を水で吸収し、一酸化炭素除去のみでなく、加熱された水を上流の改質器に導入することで改質反応を促進する、すなわち一酸化炭素選択酸化反応器を予熱器として利用するものが、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開平１０−１８２１０３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記の発明では、下流の一酸化炭素選択酸化反応器で上流の改質器へ供給する改質原料を加熱する構成であるために、定常時には一酸化炭素選択酸化反応器での反応熱量と改質原料の水との熱収支が平衡し、改質温度の加熱水を改質器へ供給することは可能であるが、負荷が増加する過渡時には反応熱が足りないために水を十分に加熱することができずに、改質器で十分に改質を行うことができないといった問題点がある。また、いかなる運転状況においても、定常時の一酸化炭素選択酸化反応器での反応熱を全て水に与えるので、改質器で必要とする以上の熱を水に与えている可能性もある。
【０００４】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、改質に必要な熱を改質原料である水に与え、過渡時にも十分に加熱した水を改質器へ効率良く供給することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、要求負荷に応じた改質ガスを生成する改質器と、改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置と、を備えた燃料改質システムにおいて、一酸化炭素除去装置の反応熱と水とを熱交換する熱交換器と、改質器へ供給する水量を負荷に応じて制御する水流量制御手段と、熱交換器に導入する水を加熱する加熱手段と、熱交換器に導入する水の温度を検出する水温検出手段と、一酸化炭素除去装置の上流の改質ガス温度を検出するガス温度検出手段と、一酸化炭素除去装置の上流および下流の水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、一酸化炭素除去装置の上流および下流の一酸化炭素濃度を検出する一酸化炭素濃度検出手段と、一酸化炭素除去装置の上流の改質ガス温度と、同じく上流、下流の水素濃度および一酸化炭素濃度の変化量とに基づいて、一酸化炭素除去装置での発熱量を演算し、かつ熱交換後の水の温度を所定状態に維持するように、発熱量と検出水温に基づいて水の加熱量を制御する第１の制御手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によると、燃料改質システムの要求負荷の変化に伴い改質器の改質量が変化し、同時に必要とする水の量が変化しても、一酸化炭素除去装置において一酸化炭素除去反応によって発生する反応熱と熱交換を行う改質原料である水との熱収支がバランスを保つように一酸化炭素除去装置へ供給する水の温度を制御するので、改質器へ供給する水を加熱し過ぎ、または加熱不足となることなく要求温度で正確に供給でき、改質器で安定した燃料改質ができ、また一酸化炭素除去装置の反応も良好に維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１実施形態のシステム構成を図１の構成図を用いて説明する。この実施形態は、原料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器１２と、改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素選択酸化反応器１３を備える。また、改質器１２に供給する水を貯水する水タンク１０と、水の流量を制御する流量制御弁３と、水を加熱する加熱器４を備える。
【０００８】
改質器１２は図示しない燃料タンクから炭化水素燃料と、図示しないエアコンプレッサなどから供給される空気と、一酸化炭素選択酸化反応器１３で温められた水が供給され、これらの原料を水素リッチな改質ガスに改質する。
【０００９】
一酸化炭素選択酸化反応器１３は図示しない燃料電池の燃料極を被毒しないように、改質器１２によって改質された改質ガス中に含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去装置である。この一酸化炭素選択酸化反応器１３には触媒が担持されており、触媒によって一酸化炭素除去反応を促進する。一酸化炭素選択酸化反応器１３で一酸化炭素を除去された改質ガスは、図示しない燃料電池の燃料極へ供給される。一酸化炭素除去反応は発熱反応であり、一酸化炭素選択酸化反応器１３の温度が上昇するが、温度が高くなり過ぎると触媒による一酸化炭素除去反応が鈍くなるので、水ポンプ１１によって水タンク１０から冷却水として水を供給し、一酸化炭素選択酸化反応器１３内に設けた熱交換器５０で熱交換を行い、一酸化炭素選択酸化反応器１３が一酸化炭素を除去するのに適した温度となるようにする。また、起動時直後などの一酸化炭素選択酸化反応器１３の温度が低いときには加熱器４によって加熱された水との熱交換によって一酸化炭素選択酸化反応器１３を加熱することもできる。
【００１０】
水タンク１０には、熱交換器５０において一酸化炭素除去反応の反応熱と熱交換を行い、改質器１２で改質ガスを生成するための水が蓄えられている。水タンク１０内の水は、水ポンプ１１によって流量制御弁３、加熱器４を通り、一酸化炭素選択酸化反応器１３に供給される。
【００１１】
流量制御弁３は水流量制御手段であり、燃料改質システムの要求負荷に伴い熱交換器５０に供給する水量を改質器１２の改質量に応じて制御する（流量制御弁３では定常状態で必要とされる水量のＮ倍の水を流す）。
【００１２】
加熱器４は加熱手段であり、水ポンプ１１によって水タンク１０から供給される水を次に述べる所定温度Ｔｗとなるように加熱する。
【００１３】
コントローラ１は、第１および第２の水素濃度検出手段である水素濃度センサ３２、３４によって検出された一酸化炭素選択酸化反応器１３の上流と下流の水素濃度変化（上流側水素濃度Ｈ２ｉｎ−下流側水素濃度Ｈ２ｏｕｔ）と、第１および第２の一酸化炭素濃度検出手段である一酸化炭素濃度センサ３３、３５によって検出された一酸化炭素選択酸化反応器１３の上流と下流の一酸化炭素濃度濃度変化（上流側一酸化炭素濃度ＣＯｉｎ−下流側一酸化炭素濃度ＣＯｏｕｔ）と、ガス温度検出手段である温度センサ３１によって検出された一酸化炭素選択酸化反応器１３の上流の改質ガス温度Ｔｉｎと、から一酸化炭素選択酸化反応器１３での発熱量を算出し、この発熱量を持つ改質ガスと熱交換器５０において熱交換を行った後の水の温度が所定の水温Ｔ０となるように、熱交換器５０に流入する水の水温Ｔｗを下記（１）式によって演算する。
（Ｑｐ＋Ｑｃｏ＋ＱＨ２）×η＝Ｆｗ×Ｃｐｗ×（Ｔ０−Ｔｗ）・・・（１）
Ｑｐ＝Ｆｇ×Ｃｐｇ×（Ｔｉｎ−Ｔ０）
Ｑｃｏ＝Ｆｇ×ｑｃｏ×（ＣＯｉｎ−ＣＯｏｕｔ）
ＱＨ２＝Ｆｇ×ｑＨ２×（Ｈ２ｉｎ−Ｈ２ｏｕｔ）
ただし、Ｑｐ：改質ガスの熱変化量、Ｑｃｏ：一酸化炭素の発熱量、ＱＨ２：水素の発熱量、η：熱交換率、Ｆｗ：水の流量、Ｃｐｗ：水の比熱、Ｆｇ：改質ガスの流量、ｑｃｏ：一酸化炭素の酸化反応熱、ｑＨ２；水素の酸化反応熱、Ｃｐｇ：改質ガスの比熱
ここで水温Ｔ０は、一酸化炭素選択酸化反応器１３での反応が良好に行われ、また改質器１２に水を供給したときに改質器１２が改質反応に適するように設定された温度である。水の流量Ｆｗは負荷に応じて前記した流量制御弁３によって制御される。また、一酸化炭素選択酸化反応器１３に流入する水の温度は水温検出手段である水温センサ３６において検出される。そして、水温センサ３６において検出された水温が前記（１）式によって演算された水温Ｔｗとなるように加熱器４によって一酸化炭素選択酸化反応器１３に流入する水が加熱される（これらが第１の制御手段を構成する）。
【００１４】
改質器１２で改質に使用される水は水ポンプ１１と流量制御弁３によって改質に必要な流量のＮ倍（所定の比率だけ多い）の流量Ｆｗが加熱器４に送られ、前記（１）式によって演算された温度Ｔｗとなるように加熱される。熱交換器５０と改質器１２の間には貯留タンク５が備えられ、貯留手段を構成する貯留タンク５は、前記一酸化炭素選択酸化反応器１３によって熱交換を行った水のうち、改質器１２の改質に必要ではない余剰な水を蓄える。これは改質器１２の負荷が急激に大きくなったときなど、改質器１２による改質量が増えた場合に開閉弁６を開き、貯留タンク５から改質器１２へ流量制御弁９を介して加熱された水を応答よく供給するためである。一酸化炭素選択酸化反応器１３内に設けた熱交換器５０において一酸化炭素除去反応の反応熱と熱交換を行った水は温度が高くなるが、貯留タンク５の上流と下流に設けた圧力弁７、８の開度を小さく、または閉じることにより熱交換器５０と貯留タンク５の水は加圧され、液体とすることができる。これにより熱交換器５０では、水は常に液体の状態で熱交換を行うので熱交換率が高くなる。また、貯留タンク５では、常に液体の状態で水を貯留するので貯留タンク５はタンクの容積を小さくできる。改質器１２へ供給する水は流量制御弁９によって制御されており、改質器１２で必要とされる水量よりも熱交換器５０へ供給されている水量が多く、その余剰の水は貯留タンク５へ蓄えられる。負荷が急激に変化し、改質器１２で必要となった水が多くなった場合には熱交換器５０における熱交換が負荷変化に追従できなくなるので、開閉弁６を開き、貯留タンク５に蓄えられた加熱水を改質器１２へ供給する。また、貯留タンク５に蓄えられた加熱水が満水になると、圧力弁７を開放することにより余剰分は外部へ排出される。
【００１５】
次に図２に示すフローチャートを基にコントローラ１が行う制御の動作を説明する。
【００１６】
ステップＳ２０１ではコンピュータユニット２によって読み込まれた燃料電池システムの要求負荷に応じた水温Ｔｗを前記（１）式によって演算する。ここで水流量Ｆｗは改質器１２で改質に必要な水量（水蒸気量）のＮ倍の水流量であり、その水流量を流量制御弁３によって制御し、この流量の水を加熱器４によって水温Ｔｗとなるように加熱する。これにより改質器１２で必要な水量以上の水流量を一酸化炭素選択酸化反応器１３内に設けた熱交換器５０へ供給し、一酸化炭素除去反応で生じた反応熱と熱交換を行い、改質器１２で必要な水量を流量制御弁９によって調整し、余剰に加熱された水は貯留タンク５へ貯留される。その後ステップＳ２０２へ進む。
【００１７】
ステップＳ２０２では燃料電池システムにおける負荷変化の有無を調べる。負荷変化がない場合は現在の水流量Ｆｗと水温Ｔｗを保ち運転を続ける。負荷変化が生じた場合はステップＳ２０３へ進み、負荷の変化量を比較する。
【００１８】
ステップＳ２０３では負荷変化前の負荷ＳＶと負荷変化後の負荷ＳＶ１とを比較し、ＳＶ１がＳＶのＮ倍以下であった場合はステップＳ２０４へ進み、ＳＶ１がＳＶのＮ倍よりも大きい場合はステップＳ２０５へ進む。
【００１９】
ステップＳ２０４では、流量制御弁３と流量制御弁９によって改質器１２へ供給する水流量を制御する。ここでは、負荷変化に伴って改質器１２での改質量が変化し、一酸化炭素選択酸化反応器１３での一酸化炭素除去量も変化し発熱量も変化するが、この負荷変化に応じて流量Ｆｗと水温Ｔｗを変化させ、一酸化炭素選択酸化反応器１３出口で所定の水温Ｔ０を得られるようにする。つまり、負荷変化に応じて、改質器１２で必要な水流量のＮ倍の水流量を一酸化炭素選択酸化反応器１３へ供給し、加熱器４において加熱量を変化させて所定の水温Ｔ０を得るようにする。負荷が増加するとそれに応じて改質器１２での改質量が増加するので改質器１２へ供給する水流量が増加し、水タンク１０から熱交換器５０へ供給する水流量も増加するが、急激に負荷変化が生じない場合は熱交換器５０による熱交換が負荷変化に追従できるので、改質器１２へ温められた水を十分に供給し、更に余剰に加熱された水を貯留タンク５に貯留する。
【００２０】
これに対して負荷変化が大きく、熱交換器５０における熱交換が負荷変化に追従できなくなるときは、ステップＳ２０５において、流路切り換え手段である開閉弁６を開き、熱交換器５０から直接供給される圧力弁８を経由しての水と、貯留タンク５に貯留した加熱水との比率を調整しながら改質器１２へ供給する水の流量を調整する。負荷変化が大きい場合には貯留タンク５に貯留している加熱水を素早く改質器１２へ供給することができるので、改質器１２での熱不足を防ぐことができる。
【００２１】
ステップＳ２０６では負荷変化が終了しているかどうかを判断する。負荷変化が終了している場合はステップＳ２０７へ進み、開閉弁６を閉じる。負荷変化が終了していない場合はステップＳ２０５へ戻り上記ステップを繰り返す。
【００２２】
負荷変化がないとき、もしくは変化が小さいときには加熱された余剰水を貯留タンク５に蓄え、負荷変化が大きいときに不足する水量を貯留タンク５から供給することにより、改質器１２十分に加熱された水（水蒸気）を応答よく供給できる。
【００２３】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００２４】
改質器１２において改質量が変化すると、流量制御弁３で水流量を調整し、一酸化炭素選択酸化反応器１３において、一酸化炭素除去反応によって発生した反応熱と熱交換を行う水の温度を演算し、加熱器４によって水温度を調整し、一酸化炭素選択酸化反応器１３の熱交換器５０の出口の水温が一定となるように制御するので、改質器１２で必要な水量を確実に供給でき、改質原料である水を加熱し過ぎることもなく、また加熱不足となることもなく、改質器１２へ安定して加熱水を供給することができる。
【００２５】
また、一酸化炭素選択酸化反応器１３の温度を一定にすることができるので、一酸化炭素選択酸化反応器１３において一酸化炭素を効率良く除去することができる。
【００２６】
また、燃料電池システムの要求負荷変化がないとき、もしくは小さいときに改質器１２で必要な水量よりも多い水量で熱交換器５０において熱交換を行い、その余剰の水を貯留タンク５に蓄えておき、負荷変化が大きいときには貯留タンク５から水を改質器１２に供給することで、素早く加熱水を供給することができ、負荷変化に対しても応答よく改質器１２での改質を行うことができる。
【００２７】
一酸化炭素選択酸化反応器１３において熱交換を行う水を加圧して液体とするので、熱交換率を高くすることができる。また、貯留タンク５内に蓄える水も加圧し、液体とするので貯留タンク５の容積を小さくすることができ、装置全体を小型にすることができる。
【００２８】
次に本発明の第２実形態について図３のシステム構成図を用いて説明する。
【００２９】
第２実施形態は、第１実施形態と異なり、一酸化炭素選択酸化反応器１３において一酸化炭素除去反応熱が水の代わりに冷媒と熱交換を行い、この熱交換後の冷媒と水とを更に熱交換するようにしたものである。第２実施形態は第１実施形態に加え、冷媒を蓄える冷媒タンク２１と、冷媒と水を熱交換する第２の熱交換器１５と、過渡運転用の水を蓄える過渡運転用貯留タンク１９と、過渡運転用貯留タンク１９内の水と冷媒とを熱交換する第３の熱交換器を備える。ここでは第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３０】
冷媒タンク２１は、一酸化炭素選択酸化反応器１３内に設けられた第１の熱交換器５１等と熱交換を行う冷媒が蓄えており、冷媒ポンプ２２によって第１の熱交換器５１に冷媒を供給し、ここで一酸化炭素除去反応の反応熱と熱交換を行い、一酸化炭素選択酸化反応器１３が一酸化炭素を除去するのに適した温度となるようにする。冷媒タンク２１から第１の熱交換器５１へ供給される冷媒の流量は冷媒流量制御手段である冷媒制御弁１４によって制御される。
【００３１】
第２の熱交換器１５は水タンク１０、または過渡運転用貯留タンク１９から供給される水（温水）と第１の熱交換器５１によって熱交換を行った冷媒との間で熱交換を行い、水を加熱する。加熱された水は改質器１２へ供給され、また冷媒は第２の熱交換器１５の下流に設けた第３の熱交換器１６へ供給される。第２の熱交換器１５と改質器１２の間の水の流路には圧力弁８が設けられており、この圧力弁８を調整することによって、第２の熱交換器１５内の圧力を高く保ち、これにより水は液体の状態となっており、冷媒との熱交換率が高くなる。
【００３２】
第３の熱交換器１６は第２の熱交換器１５から供給された冷媒と過渡運転用貯留タンク１９から供給された水との間で熱交換を行い、水を温める。温められた水は過渡運転用貯留タンク１９へ再び貯留され、冷媒は冷媒タンク２１へ環流される。
【００３３】
過渡運転用貯留タンク１９は過渡運転時用の水を貯留し、貯留された水はポンプ２４によって流量制御弁２０を経由して第３の熱交換器１６との間を循環し、第３の熱交換器１６を流れる冷媒と熱交換を行い温められる。この温められた水は過渡運転時（負荷増加時）、または十分に加熱された場合にポンプ１８によって加熱器４を経由して改質器１２へ供給される。そのときの流量は流量制御弁１７によって制御される。
【００３４】
水タンク１０は改質器１２へ供給する水を貯留しており、ここから水ポンプ１１により加熱器４へ直接供給される水は流量制御弁３によって制御される。また過渡運転時などの過渡運転用貯留タンク１９から加熱器４を経由して改質器１２へ水を供給するときには、改質器１２へ供給する水量と同量の水を過渡運転用貯留タンク１９へ供給する。
【００３５】
コントローラ１は、コンピュータユニット２からの燃料電池システムの負荷信号に応じて、第１、第２の冷媒温度検出手段である第１の熱交換器５１の上流と下流に配置した温度センサ４１、４２によって検出された冷媒温度から算出する冷媒温度変化量（下流冷媒温度Ｔｃ１−上流冷媒温度Ｔｃ０）と、冷媒制御弁１４によって制御される冷媒流量と、から一酸化炭素選択酸化反応器１３の反応熱の中で第１の熱交換器５１での熱交換量を算出する。更に第３の熱交換器１６において冷媒と熱交換を行い、流量制御弁２０によって制御される過渡運転用貯留タンク１９から第３の熱交換器１６へ供給される水量Ｆｗ２と、第３の熱交換器１６の上流と下流に配置した水温センサ４５、４６によって検出された第３の熱交換器１６における水の水温度変化量（下流温度Ｔｗ３−上流温度Ｔｗ２）と、から第３の熱交換器１６での熱交換量を算出する。そしてコントローラ１は、第２の熱交換器１５下流側の改質器１２に供給する水を所定の水温Ｔ０とするために、第１の熱交換器５１での熱交換量と第３の熱交換器１６での熱交換量とに基づき、下記（２）式により、第２の熱交換器１５に流入する水の水温Ｔｗ１を決定する。
（Ｔｃ１−Ｔｃ０）×Ｆｃ×Ｃｐｃ＝Ｃｐｗ×Ｆｗ×（Ｔ０−Ｔｗ１）＋Ｃｐｗ×Ｆｗ２×（Ｔｗ３−Ｔｗ２）    （２）
ただし、Ｆｃ：冷媒流量、Ｃｐｃ：冷媒比熱、Ｃｐｗ：水の比熱
ここでＴ０は、改質器１２において十分に原料を改質する温度である。また、Ｆｗは水流量制御手段によって制御されており、改質器１２で改質に必要な水量である。ここで水流量制御手段は流量制御弁３と流量制御弁１７とからなり、水流量Ｆｗは、水タンク１０から直接供給される水流量Ｆｗ１と過渡運転用貯留タンク１９から加熱器４へ供給される水流量Ｆｗ４との合計流量である。そして、水温センサ４３において検出された水温が前記（２）式によって演算された水温Ｔｗ１となるように加熱手段である加熱器４によって加熱される（これらが第２の制御手段を構成する）。
【００３６】
冷媒タンク２１に貯留された冷媒は、冷媒ポンプ２２によって第１の熱交換器５１と第２の熱交換器１５と第３の熱交換器１６とを順次循環する。まず第１の熱交換器５１において一酸化炭素除去反応によって発生した反応熱と熱交換を行い、冷媒は反応熱によって加熱される。その後第２の熱交換器１５では加熱器４によって加熱された水との間で熱交換を行い、冷媒は水を加熱する。そして第３の熱交換器１６において過渡運転用貯留タンク１９から供給される水との間で更に熱交換を行い、過渡運転用貯留タンク１９内の水を温める。このようにして十分に放熱した冷媒は再び冷媒タンク２１へ環流される。
【００３７】
水タンク１０に貯留した水は水ポンプ１１によって加熱器４へ供給され、加熱器４で加熱され、その後第２の熱交換器１５へ供給される。第２の熱交換器１５において、第１の熱交換器５１で熱交換を行い加熱された冷媒と加熱器４で温められた水は熱交換を行い、水は更に加熱され、その後改質器１２において、図示しない燃料タンクから供給される炭化水素燃料と、図示しないエアコンプレッサなどから供給される空気と、により水素リッチな改質ガスに改質される。水素リッチな改質ガスは、一酸化炭素選択酸化反応器１３において改質ガス中に含まれる一酸化炭素を除去され、一酸化炭素濃度が十分に低くなった改質ガスは図示しない燃料電池の燃料極へ供給される。
【００３８】
燃料電池システムの要求負荷が大きい場合、または過渡運転用貯留タンク１９内の水が十分に加熱された場合には、過渡運転用貯留タンク１９からも加熱器４へ水が供給される。過渡運転用貯留タンク１９内の水はポンプ２４によって第３の熱交換器１６との間を循環し、第３の熱交換器１６において第２の熱交換器１５を通過後の冷媒との間で熱交換を行い温められる。このときの流量は流量制御弁２０によって制御されている。過渡運転用貯留タンク１９の水は、ポンプ１８によって加熱器４に供給されるが、加熱器４の上流において水タンク１０から加熱器４へ供給される水と合流する。過渡運転用貯留タンク１９から加熱器４へ水を供給しているときには、ポンプ１８によって加熱器４へ供給する水と同量の水が水タンク１０から過渡運転用貯留タンク１９に供給され、その流量は流量制御弁２３によって制御されている。
【００３９】
次に図４に示すフローチャートを基にコントローラ１が行う制御の動作を説明する。
【００４０】
ステップＳ４０１では、コンピュータユニット２によって読み込まれた燃料電池システムの要求負荷に対して改質に必要な水流量Ｆｗが前記（２）式により演算された水温Ｔｗ１となって第２の熱交換器１５へ供給されている。
【００４１】
ステップＳ４０２では、負荷変化の有無を調べる。負荷変化がない場合はステップＳ４０３へ進み、負荷変化がある場合はステップＳ４０６へ進む。
【００４２】
ステップＳ４０３では、水温センサ４４によって検出された第２の熱交換器１５の下流の水温Ｔ０と、水温センサ４６によって検出された第３の熱交換器１６の下流の水温Ｔｗ３とを比較し、Ｔｗ３がＴ０よりも大きい場合は過渡運転用貯留タンク１９内の水が十分に温められていると判断し、ステップＳ４０５へ進み、Ｔｗ３がＴ０以下である場合は過渡運転用貯留タンク１９内の水が十分に温められていないと判断し、ステップＳ４０４へ進む。
【００４３】
ステップＳ４０４では、過渡運転用貯留タンク１９からは水を供給せずに、水タンク１０から流量制御弁３によって要求流量の全量を制御し、加熱器４へ供給する。
【００４４】
これに対してステップＳ４０５では、ポンプ１８を起動し、過渡運転用貯留タンク１９から十分に温められた水を加熱器４へ供給する。過渡運転用貯留タンク１９から供給される水は加熱器４の上流で流量制御弁３からの水と合流する。ここでは負荷変化はないので、第２の熱交換器１５へ供給する水の合計流量は変化させずに、第２の熱交換器１５の出口の水温がＴ０となるように加熱器４において、第２の熱交換器１５に流入する水が水温Ｔｗ１となるように加熱される。水タンク１０から直接加熱器４へ供給される水量と、過渡運転用貯留タンク１９から供給される水量との流量比は、過渡運転用貯留タンク１９内の水温があまり下がり過ぎないようにそれぞれの流量制御弁３，１７の開度を調整して制御する。このように予め温められた水を過渡運転用貯留タンク１９から加熱器４へ供給するので、加熱器４における加熱量を減らすことができる。なお、過渡運転用貯留タンク１９から加熱器４へ水を供給する際には、供給する水量と同量の水を水タンク１０から過渡運転用貯留タンク１９へ供給する。
【００４５】
負荷変化がある場合はステップＳ４０６へ進み、現在の負荷ＳＶと変化後の負荷ＳＶ１とを比較し、変化後の負荷ＳＶ１が現在の負荷ＳＶ以下の場合はステップＳ４０７へ進み、ＳＶ１がＳＶよりも大きい場合は、ステップＳ４１０へ進む。
【００４６】
ステップＳ４０７では、水温センサ４４によって検出された第２の熱交換器１５の下流の水温Ｔ０と水温センサ４６によって検出された第３の熱交換器１６の下流の水温Ｔｗ３とを比較し、Ｔｗ３がＴ０よりも大きい場合は過渡運転用貯留タンク１９内の水が十分に温められていると判断し、ステップＳ４０８へ進み、Ｔｗ３がＴ０以下である場合は過渡運転用貯留タンク１９内の水が十分に温められていないと判断し、ステップＳ４０９へ進む。
【００４７】
負荷低下に伴って改質器１２による改質量が減少すると、改質器１２で必要な水量も減少する。ステップＳ４０８では過渡運転用貯留タンク１９内の水が十分に温められているので、加熱器４へ供給する水は過渡運転用貯留タンク１９からも水を供給する。減少された水流量Ｆｗの応じて、前記（２）式により第２の熱交換器１５下流での水温Ｔ０を得るための水温Ｔｗ１を演算する。そして加熱器４によって第２の熱交換器１５へ供給する水を水温Ｔｗ１となるように加熱する。水流量Ｆｗは水タンク１０から直接加熱器４へ供給される水量と、過渡運転用貯留タンク１９から供給される水量との合計流量であり、それぞれの経路からの水量は、過渡運転用貯留タンク１９内の水温が下がり過ぎないようにそれぞれの流量制御弁３，１７によって制御される。過渡運転用貯留タンク１９から水を供給することで、加熱器４における加熱量を減らすことができる。
【００４８】
これに対してステップＳ４０９では、過渡運転用貯留タンク１９からは水供給を行わずに、水タンク１０内の水供給だけで負荷変化に応じた水流量Ｆｗを調整し、前記（２）式より水温Ｔｗ１を演算する。そして加熱器４によって第２の熱交換器１５へ供給する水をＴｗ１となるように加熱する。
【００４９】
次に、ステップＳ４１０では、負荷変化後の負荷ＳＶ１が現在の負荷ＳＶよりも大きくなり改質器１２における改質量が増加し、改質器１２で必要な水量も増加する。急激な負荷変化が起こると改質器１２で必要な水を十分に加熱できなくなる恐れがある。そこで負荷変化に応じて変化した水量Ｆｗは、水タンク１０から直接供給している流量を固定し、不足する流量を過渡運転用貯留タンク１９から供給する。負荷変化に伴い前記（２）式により第２の熱交換器１５の上流の水温Ｔｗ１を演算する。そして改質器１２で必要な水量Ｆｗが、演算された水温Ｔｗ１となるように加熱器４によって水が加熱される。過渡運転用貯留タンク１９の水は第３の熱交換器１６を流れる冷媒と間で熱交換行い、温められており、この水を使用することで加熱器４における加熱量を少なくすることができ、負荷変化に対して素早く熱追従した水供給が可能となる。その後ステップＳ４１１へ進む。
【００５０】
ステップＳ４１１では、負荷変化が終了しているかどうかを判断する。負荷変化が終了していない場合は、ステップＳ４１０へ戻り上記制御を続ける。一方、負荷変化が終了している場合は、ステップＳ４１２へ進む。
【００５１】
ステップＳ４１２では、流量制御弁１７を閉じ、過渡運転用貯留タンク１９からの水供給を止め、流量流量制御３によって水タンク１０からの供給量を増加させる。負荷が安定すると過渡運転用貯留タンク１９から水を供給しなくても、加熱器４によって十分に熱追従できるためである。
【００５２】
負荷変化が大きいとき、もしくは過渡運転用貯留タンク１９の水が十分に温まっているときには、過渡運転用貯留タンク１９から加熱器４へ水を供給することで、改質器１２へ素早く温められて水を供給でき、更に加熱器４による水の加熱量を減らすことができる。
【００５３】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００５４】
燃料電池システムの要求負荷変化に応じて改質器１２の改質量が変化しても、一酸化炭素選択酸化反応器１３と熱交換して加熱された冷媒と、第２の熱交換器１５で水が熱交換を行い、このとき前記（２）式から第２の熱交換器１５の上流の水温Ｔｗ１を演算し、演算に基づいて加熱器４によって水温をＴｗ１とし、第２の熱交換器１５の下流の水温Ｔ０を一定にするので、改質器１２へ供給する改質原料である水を加熱し過ぎることもなく、また加熱不足となることもなく、改質器１２へ安定した水供給をすることができる。
【００５５】
一酸化炭素選択酸化反応器１３における反応熱と冷媒との間で熱交換を行うので、一酸化炭素除去反応による一酸化炭素選択酸化反応器１３の温度上昇を防ぐことができ、一酸化炭素選択酸化反応器１３のおける一酸化炭素除去効率の低下を防ぐことができる。
【００５６】
過渡運転用に過渡運転用貯留タンク１９を備え、過渡運転用貯留タンク１９内の水を第３の熱交換器１６を流れる冷媒と熱交換を行い、温めておくことで余剰の冷媒の熱を利用でき、システム全体の熱効率を良くすることができる。そして、負荷増加時または、過渡運転用貯留タンク１９の水が十分に温まっているときには過渡運転用貯留タンク１９の温められた水を利用して加熱器４と第２の熱交換器１５を経由して改質器１２へ水を供給するので、改質器１２へ素早く温度の高い水を供給することができ、改質器１２で負荷に応じて改質ガスを素早く改質することができる。更に、過渡運転用貯留タンク１９からの加熱水を利用することで加熱器４において、水の加熱量を減らすことができ、エネルギー消費を少なくすることができる。
【００５７】
本発明の第２実施形態では第３の熱交換器１６と過渡運転用貯留タンク１９を設けたが、これらの構成を設けずに水タンク１０のみで水供給を行っても良い。このとき前記（２）式では第３の熱交換器１６における熱交換量を除いた式を用いる。すなわち（Ｔｃ１−Ｔｃ０）×Ｆｃ×Ｃｐｃ＝Ｃｐｗ×Ｆｗ×（Ｔ０−Ｔｗ１）となる式を用いる。また、第３の熱交換器１６を設けずに過渡運転用貯留タンク１９内の水をヒーターなど他の加熱装置で加熱しても良い。
【００５８】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は原料を改質して水素を生成する燃料電池システムに利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１実施形態のシステム構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態の動作フローチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態のシステム構成図である。
【図４】本発明の第２実施形態の動作フローチャートである。
【符号の説明】
【００６１】
１      コントローラ
２      コンピュータユニット
３      流量制御弁（水流量制御手段）
４      加熱器（加熱手段）
５      貯留タンク（貯留手段）
６      開閉弁（流路切り換え手段）
１０    水タンク
１２    改質器
１３    一酸化炭素選択酸化反応器
１４    冷媒制御弁（冷媒流量制御手段）
１５    第２の熱交換器
１６    第３の熱交換器
１７    流量制御弁（水流量制御手段）
１９    過渡運転用貯留タンク
２１    冷媒タンク
３１    温度センサ（ガス温度検出手段）
３２    水素濃度センサ（第１水素濃度検出手段）
３３    一酸化炭素濃度センサ（第１一酸化炭素濃度検出手段）
３４    水素濃度センサ（第２水素濃度検出手段）
３５    一酸化炭素濃度センサ（第２一酸化炭素濃度検出手段）
４１    温度センサ（第１冷媒温度検出手段）
４２    温度センサ（第２冷媒温度検出手段）
４３    水温センサ
４４    水温センサ
５０    熱交換器
５１    第１の熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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