(57)【要約】【課題】  水素センサによって検出された水素濃度に基づいて演算された追い炊き熱量に相当する量の燃焼用燃料を燃焼部に供給することにより、燃焼部を安定燃焼させ改質ガス中の水素濃度をほぼ一定に維持し安定供給する。【解決手段】  燃料電池システムは、改質ガス中またはアノードオフガス中の水素濃度を検出する水素センサを備えている。制御装置は、水素センサによって検出された水素濃度に基づいてアノードオフガス中の可燃ガス残量を演算し（ステップ１０２〜１１８）、アノードオフガス中の可燃ガス残量および必要熱量に基づいて追い炊き熱量を演算し（ステップ１２０）、追い炊き熱量に相当する燃焼用燃料の供給量を演算し（ステップ１２２）、この演算された追い炊き燃料量をバーナに供給するように燃焼用燃料ポンプを制御する。【選択図】  図３
2005268190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給源から供給される燃料および改質水供給源から供給される改質水から改質ガスを生成して導出する改質部と、
該改質部から導出される改質ガス中の一酸化炭素を酸化剤ガス供給源から供給される酸化剤ガスによって酸化し低減した改質ガスを導出する一酸化炭素選択酸化部と、
該一酸化炭素選択酸化部からの改質ガスが燃料極に供給されるとともに前記酸化剤ガス供給源からの酸化剤ガスが空気極に供給されて発電する燃料電池と、
燃焼用燃料供給源から供給される燃焼用燃料および／または前記燃料電池の燃料極から導出されるアノードオフガス中の可燃ガスを燃焼用酸化剤ガス供給源から供給される燃焼用酸化剤ガスにて燃焼させその燃焼ガスによって前記改質部を加熱する燃焼部と、
前記燃焼用燃料供給源からの燃焼用燃料を前記燃焼部に供給する燃焼用燃料供給手段と、
前記改質ガス中または前記アノードオフガス中の水素濃度を検出する水素センサと、
該水素センサによって検出された水素濃度に基づいて前記アノードオフガス中の可燃ガス残量を演算する可燃ガス残量演算手段と、
該可燃ガス残量演算手段によって演算されたアノードオフガス中の可燃ガス残量および必要熱量に基づいて追い炊き熱量を演算する追い炊き熱量演算手段と、
該追い炊き熱量演算手段によって演算された追い炊き熱量に相当する燃焼用燃料の供給量を演算する追い炊き燃料量演算手段と、
該追い炊き燃料量演算手段によって演算された追い炊き燃料の供給量を前記燃焼部に供給するように前記燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼用燃料供給制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記水素センサは前記燃料電池の燃料極の入力ポートより上流に配置されて前記改質ガス中の水素濃度を検出し、
前記可燃ガス残量演算手段は、
前記燃料極に導入される改質ガス中の前記改質部にて生成された水素量である生成水素量を前記水素センサによって検出された水素濃度に基づいて演算する生成水素量演算手段と、
前記燃料電池の発電に消費した水素量である消費水素量を演算する消費水素量演算手段と、
前記生成水素量演算手段および消費水素量演算手段によってそれぞれ演算された生成水素量および消費水素量から前記燃料電池の発電に使用されなかった水素量である未使用水素量を演算する第１未使用水素量演算手段と、
前記改質部の改質ガスの生成に使用されなかった燃料量である未使用燃料量を演算する第１未使用燃料量演算手段と、
前記第１未使用水素量演算手段および第１未使用燃料量演算手段によってそれぞれ演算された未使用水素量および未使用燃料量を加算することによりアノードオフガス中の可燃ガス残量を演算する第１未使用ガス量加算手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２において、前記生成水素量演算手段は、前記水素センサによって検出される改質ガス中の水蒸気が飽和状態である場合には、前記燃料供給源から前記改質部へ供給される燃料供給量、前記酸化剤ガス供給源から一酸化炭素選択酸化部へ供給される酸化剤ガス供給量、前記水素センサによって検出された水素濃度および前記改質ガス中の飽和水蒸気量に基づいて前記改質ガス中の生成水素量を演算し、
前記水素センサによって検出される改質ガス中の水蒸気が不飽和状態である場合には、前記燃料供給源から前記改質部へ供給される燃料供給量、前記改質水供給源から前記改質部へ供給される改質水供給量、前記酸化剤ガス供給源から一酸化炭素選択酸化部へ供給される酸化剤ガス供給量、および前記水素センサにて検出された水素濃度に基づいて前記改質ガス中の生成水素量を演算することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２において、前記消費水素量演算手段は、前記燃料電池の掃引電流に基づいて前記消費水素量を演算することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２において、前記第１未使用燃料量演算手段は、前記水素センサによって検出される改質ガス中の水蒸気が飽和状態である場合には、前記燃料供給源から前記改質部へ供給される燃料供給量、前記酸化剤ガス供給源から一酸化炭素選択酸化部へ供給される酸化剤ガス供給量、前記水素センサによって検出された水素濃度および前記改質ガス中の飽和水蒸気量に基づいて前記改質ガス中の未使用燃料量を演算し、
前記水素センサによって検出される改質ガス中の水蒸気が不飽和状態である場合には、前記燃料供給源から前記改質部へ供給される燃料供給量、前記改質水供給源から前記改質部へ供給される改質水供給量、前記酸化剤ガス供給源から一酸化炭素選択酸化部へ供給される酸化剤ガス供給量、および前記水素センサにて検出された水素濃度に基づいて前記改質ガス中の未使用燃料量を演算することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２から請求項５の何れか一項において、前記燃焼用酸化剤ガス供給源からの燃焼用酸化剤ガスを前記燃焼部に供給する燃焼用酸化剤ガス供給手段と、
前記追い炊き燃料量演算手段、第１未使用水素量演算手段および第１未使用燃料量演算手段によってそれぞれ演算された追い炊き燃料の供給量、未使用水素量および未使用燃料量、ならびに各ガス種に応じた理論空燃比に基づいて燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算する第１燃焼用酸化剤ガス量演算手段と、
該第１燃焼用酸化剤ガス量演算手段によって演算された燃焼用酸化剤ガス量を前記燃焼部に供給するように前記燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御する燃焼用酸化剤ガス供給制御手段とをさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１において、前記水素センサは前記燃料電池の燃料極の出力ポートより下流に配置されて前記アノードオフガス中の水素濃度を検出し、
前記可燃ガス残量演算手段は、
前記燃料電池の発電に使用されなかった水素量である未使用水素量を前記水素センサによって検出された水素濃度に基づいて演算する第２未使用水素量演算手段と、
前記改質部の改質ガスの生成に使用されなかった燃料量である未使用燃料量を演算する第２未使用燃料量演算手段と、
前記第２未使用水素量演算手段および第２未使用燃料量演算手段によってそれぞれ演算された未使用水素量および未使用燃料量を加算することにより前記アノードオフガス中の可燃ガス残量を演算する第２未使用ガス量加算手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７において、前記第２未使用水素量演算手段は、前記燃料供給源から前記改質部へ供給される燃料供給量、前記酸化剤ガス供給源から一酸化炭素選択酸化部へ供給される酸化剤ガス供給量、前記水素センサによって検出された水素濃度および前記アノードオフガス中の飽和水蒸気量に基づいて前記アノードオフガス中の未使用水素量を演算することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項７において、前記第２未使用燃料量演算手段は、前記燃料供給源から前記改質部へ供給される燃料供給量、前記酸化剤ガス供給源から一酸化炭素選択酸化部へ供給される酸化剤ガス供給量、前記水素センサによって検出された水素濃度および前記アノードオフガス中の飽和水蒸気量に基づいて前記アノードオフガス中の未使用燃料量を演算することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項７から請求項９の何れか一項において、前記燃焼用酸化剤ガス供給源からの燃焼用酸化剤ガスを前記燃焼部に供給する燃焼用酸化剤ガス供給手段と、
前記追い炊き燃料量演算手段、第２未使用水素量演算手段および第２未使用燃料量演算手段によってそれぞれ演算された追い炊き燃料の供給量、未使用水素量および未使用燃料量、ならびに各ガス種に応じた理論空燃比に基づいて燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算する第２燃焼用酸化剤ガス量演算手段と、
該第２燃焼用酸化剤ガス量演算手段によって演算された燃焼用酸化剤ガス量を前記燃焼部に供給するように前記燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御する燃焼用酸化剤ガス供給制御手段とをさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質部により生成された改質ガスと空気を燃焼電池に供給して発電させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの一形式として、特許文献１の図１に示されているように、燃料改質器１０の触媒改質層１２に、原料ガス、水蒸気を供給する原料ガス導入路１４と、両ガスの流量を調整する流量調整器２４，２６と、改質触媒層１２内を加熱するバーナ１６に燃料ガスを供給する燃料ガス導入路１８と、燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量調整器２０とが設けられると共に、改質触媒層１２のガス出口近傍にプロトン導電性セラミックスからなる水素センサ３０が設けられ、水素センサ３０により検知された水素濃度に基づいて改質触媒層１２内の温度を演算器２２によって算出し、算出された温度からバーナ１６の加熱インプット量（燃料ガス供給量）を制御するものが知られている（特許文献１）。
【０００３】
また、燃料電池システムの他の一形式として、特許文献２の図１に示されているように、改質装置６と燃料電池本体１２との間に水素センサを内蔵した水素濃度監視装置２２が設けられ、水素濃度監視装置２２で改質ガス中の水素濃度を測定することによって改質触媒の状態監視が可能であり、水素濃度、水素濃度の減少速度等から改質触媒の取替時期を予測することができるものが知られている（特許文献２）。このシステムにおいては、燃料電池本体１２の燃料極１３から流出する排ガスＦは、熱交換器２１で昇温された補助燃料Ｂとともに加熱燃料Ｃとして改質装置６のバーナ５に供給され、改質反応に必要な燃焼熱を得るのに使用されている。
【特許文献１】特開２００２−１７９４０４号公報（第３−６頁、第１図）
【特許文献２】特開平０２−５６８６４号公報（第２，３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、水素センサ３０により検知された水素濃度に基づいて改質触媒層１２内の温度を演算器２２によって算出し、算出された温度からバーナ１６の加熱インプット量を制御するようにしているが、バーナ１６には燃焼原料として燃料ガスしか供給されておらず、燃料電池の燃料極から導出されるアノードオフガスをバーナ１６の燃焼原料として再利用していないので、燃焼原料の使用量を低減できずシステム効率が低下するという問題があった。
【０００５】
また、上述した特許文献２に記載の燃料電池システムにおいては、燃料電池本体１２の燃料極１３から導出されるアノードオフガス（排ガスＦ）をバーナ５の燃焼原料として再利用し、燃料電池システムの必要熱量に対する不足分を追い炊き燃焼用燃料を投入して補充することにより上記問題を解決できるようになっている。なお、必要熱量とは、改質装置６にて燃料を改質して水素とする吸熱反応である改質反応を進行させて原料である燃料から規定量の水素を生成するのに必要な熱量のことをいい、燃料電池の出力電力、燃料電池システムを構成する補機（ポンプ、電磁弁など）の駆動電力、および放熱などによるロス熱量を合わせた燃料電池システムに必要なエネルギー総量および改質反応における吸熱量を考慮して設定されている。しかし、上述した特許文献１と同様に水素濃度監視装置２２により検知された水素濃度に基づいて改質装置６の反応部４（特許文献１にて改質触媒層１２）内の温度を算出し、算出された温度からバーナ５（特許文献１にてバーナ１６）の加熱インプット量を制御するようにした場合、改質ガス中の水素濃度は検出されてもアノードオフガス中の他の可燃ガスすなわち改質されなかった燃料の量は未知であるため、アノードオフガス中の可燃ガス総量（未使用水素と未使用燃料の総量）を正確に把握することができなかった。このように不足熱量を正確に把握することができないなかで追い炊き燃焼用燃料が所定量（不足熱量に応じて決定されていない）だけ投入されていた。このとき、アノードオフガス中の可燃ガス総量が多ければバーナの燃焼熱量は過多になり、これにより、改質ガス中の一酸化炭素濃度が増大し、もしくは、水素濃度が減少するおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、水素センサによって検出された水素濃度に基づいて演算された追い炊き熱量に相当する量の燃焼用燃料を燃焼部に供給することにより、燃焼部を安定燃焼させ改質ガス中の水素濃度をほぼ一定に維持し安定供給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】
【０００７】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料供給源から供給される燃料および改質水供給源から供給される改質水から改質ガスを生成して導出する改質部と、この改質部から導出される改質ガス中の一酸化炭素を酸化剤ガス供給源から供給される酸化剤ガスによって酸化し低減した改質ガスを導出する一酸化炭素選択酸化部と、この一酸化炭素選択酸化部からの改質ガスが燃料極に供給されるとともに酸化剤ガス供給源からの酸化剤ガスが空気極に供給されて発電する燃料電池と、燃焼用燃料供給源から供給される燃焼用燃料および／または燃料電池の燃料極から導出されるアノードオフガス中の可燃ガスを燃焼用酸化剤ガス供給源から供給される燃焼用酸化剤ガスにて燃焼させその燃焼ガスによって改質部を加熱する燃焼部と、燃焼用燃料供給源からの燃焼用燃料を燃焼部に供給する燃焼用燃料供給手段と、改質ガス中またはアノードオフガス中の水素濃度を検出する水素センサと、この水素センサによって検出された水素濃度に基づいてアノードオフガス中の可燃ガス残量を演算する可燃ガス残量演算手段と、この可燃ガス残量演算手段によって演算されたアノードオフガス中の可燃ガス残量および必要熱量に基づいて追い炊き熱量を演算する追い炊き熱量演算手段と、この追い炊き熱量演算手段によって演算された追い炊き熱量に相当する燃焼用燃料の供給量を演算する追い炊き燃料量演算手段と、この追い炊き燃料量演算手段によって演算された追い炊き燃料の供給量を燃焼部に供給するように燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼用燃料供給制御手段とを備えたことである。
【０００８】
また、請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、水素センサは燃料電池の燃料極の入力ポートより上流に配置されて改質ガス中の水素濃度を検出し、可燃ガス残量演算手段は、燃料極に導入される改質ガス中の改質部にて生成された水素量である生成水素量を水素センサによって検出された水素濃度に基づいて演算する生成水素量演算手段と、燃料電池の発電に消費した水素量である消費水素量を演算する消費水素量演算手段と、生成水素量演算手段および消費水素量演算手段によってそれぞれ演算された生成水素量および消費水素量から燃料電池の発電に使用されなかった水素量である未使用水素量を演算する第１未使用水素量演算手段と、改質部の改質ガスの生成に使用されなかった燃料量である未使用燃料量を演算する第１未使用燃料量演算手段と、第１未使用水素量演算手段および第１未使用燃料量演算手段によってそれぞれ演算された未使用水素量および未使用燃料量を加算することによりアノードオフガス中の可燃ガス残量を演算する第１未使用ガス量加算手段とを備えたことである。
【０００９】
また、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、生成水素量演算手段は、水素センサによって検出される改質ガス中の水蒸気が飽和状態である場合には、燃料供給源から改質部へ供給される燃料供給量、酸化剤ガス供給源から一酸化炭素選択酸化部へ供給される酸化剤ガス供給量、水素センサによって検出された水素濃度および改質ガス中の飽和水蒸気量に基づいて改質ガス中の生成水素量を演算し、水素センサによって検出される改質ガス中の水蒸気が不飽和状態である場合には、燃料供給源から改質部へ供給される燃料供給量、改質水供給源から改質部へ供給される改質水供給量、酸化剤ガス供給源から一酸化炭素選択酸化部へ供給される酸化剤ガス供給量、および水素センサにて検出された水素濃度に基づいて改質ガス中の生成水素量を演算することである。
【００１０】
また、請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、消費水素量演算手段は、燃料電池の掃引電流に基づいて消費水素量を演算することである。
【００１１】
また、請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、第１未使用燃料量演算手段は、水素センサによって検出される改質ガス中の水蒸気が飽和状態である場合には、燃料供給源から改質部へ供給される燃料供給量、酸化剤ガス供給源から一酸化炭素選択酸化部へ供給される酸化剤ガス供給量、水素センサによって検出された水素濃度および改質ガス中の飽和水蒸気量に基づいて改質ガス中の未使用燃料量を演算し、水素センサによって検出される改質ガス中の水蒸気が不飽和状態である場合には、燃料供給源から改質部へ供給される燃料供給量、改質水供給源から改質部へ供給される改質水供給量、酸化剤ガス供給源から一酸化炭素選択酸化部へ供給される酸化剤ガス供給量、および水素センサにて検出された水素濃度に基づいて改質ガス中の未使用燃料量を演算することである。
【００１２】
また、請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項２から請求項５の何れか一項において、燃焼用酸化剤ガス供給源からの燃焼用酸化剤ガスを燃焼部に供給する燃焼用酸化剤ガス供給手段と、追い炊き燃料量演算手段、第１未使用水素量演算手段および第１未使用燃料量演算手段によってそれぞれ演算された追い炊き燃料の供給量、未使用水素量および未使用燃料量、ならびに各ガス種に応じた理論空燃比に基づいて燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算する第１燃焼用酸化剤ガス量演算手段と、この第１燃焼用酸化剤ガス量演算手段によって演算された燃焼用酸化剤ガス量を燃焼部に供給するように燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御する燃焼用酸化剤ガス供給制御手段とをさらに備えたことである。
【００１３】
また、請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、水素センサは燃料電池の燃料極の出力ポートより下流に配置されてアノードオフガス中の水素濃度を検出し、可燃ガス残量演算手段は、燃料電池の発電に使用されなかった水素量である未使用水素量を水素センサによって検出された水素濃度に基づいて演算する第２未使用水素量演算手段と、改質部の改質ガスの生成に使用されなかった燃料量である未使用燃料量を演算する第２未使用燃料量演算手段と、第２未使用水素量演算手段および第２未使用燃料量演算手段によってそれぞれ演算された未使用水素量および未使用燃料量を加算することによりアノードオフガス中の可燃ガス残量を演算する第２未使用ガス量加算手段とを備えたことである。
【００１４】
また、請求項８に係る発明の構成上の特徴は、請求項７において、第２未使用水素量演算手段は、燃料供給源から改質部へ供給される燃料供給量、酸化剤ガス供給源から一酸化炭素選択酸化部へ供給される酸化剤ガス供給量、水素センサによって検出された水素濃度およびアノードオフガス中の飽和水蒸気量に基づいてアノードオフガス中の未使用水素量を演算することである。
【００１５】
また、請求項９に係る発明の構成上の特徴は、請求項７において、第２未使用燃料量演算手段は、燃料供給源から改質部へ供給される燃料供給量、酸化剤ガス供給源から一酸化炭素選択酸化部へ供給される酸化剤ガス供給量、水素センサによって検出された水素濃度およびアノードオフガス中の飽和水蒸気量に基づいてアノードオフガス中の未使用燃料量を演算することである。
【００１６】
また、請求項１０に係る発明の構成上の特徴は、請求項７から請求項９の何れか一項において、燃焼用酸化剤ガス供給源からの燃焼用酸化剤ガスを燃焼部に供給する燃焼用酸化剤ガス供給手段と、追い炊き燃料量演算手段、第２未使用水素量演算手段および第２未使用燃料量演算手段によってそれぞれ演算された追い炊き燃料の供給量、未使用水素量および未使用燃料量、ならびに各ガス種に応じた理論空燃比に基づいて燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算する第２燃焼用酸化剤ガス量演算手段と、この第２燃焼用酸化剤ガス量演算手段によって演算された燃焼用酸化剤ガス量を燃焼部に供給するように燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御する燃焼用酸化剤ガス供給制御手段とをさらに備えたことである。
【発明の効果】
【００１７】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、可燃ガス残量演算手段が水素センサによって検出された水素濃度に基づいてアノードオフガス中の可燃ガス残量を演算し、追い炊き熱量演算手段が可燃ガス残量演算手段によって演算されたアノードオフガス中の可燃ガス残量および必要熱量に基づいて追い炊き熱量を演算し、追い炊き燃料量演算手段が追い炊き熱量演算手段によって演算された追い炊き熱量に相当する燃焼用燃料の供給量を演算し、燃焼用燃料供給制御手段が追い炊き燃料量演算手段によって演算された追い炊き燃料の供給量を燃焼部に供給するように燃焼用燃料供給手段を制御する。したがって、アノードオフガス中の可燃ガス総量が増減する場合、可燃ガス総量を正確に把握することができるので、必要熱量に対するアノードオフガス中の可燃ガスの熱量の不足分を追い炊き熱量として正確に把握することができ、その追い炊き熱量に相当する量の燃焼用燃料を燃焼部に供給することにより、燃焼部を安定燃焼させ改質ガス中の水素濃度をほぼ一定に維持し安定供給することができる。
【００１８】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、水素センサを改質部と燃料電池との間に設けた場合、生成水素量演算手段が改質部にて生成された水素量である生成水素量を水素センサによって検出された水素濃度に基づいて演算し、消費水素量演算手段が燃料電池の発電に消費した水素量である消費水素量を演算し、第１未使用水素量演算手段が生成水素量演算手段および消費水素量演算手段によってそれぞれ演算された生成水素量および消費水素量から燃料電池の発電に使用されなかった水素量である未使用水素量を演算し、第１未使用燃料量演算手段が改質部の改質ガスの生成に使用されなかった燃料量である未使用燃料量を演算し、第１未使用ガス量加算手段が第１未使用水素量演算手段および第１未使用燃料量演算手段によってそれぞれ演算された未使用水素量および未使用燃料量を加算することによりアノードオフガス中の可燃ガス残量を演算する。したがって、水素センサを改質部と燃料電池との間に設けた場合にも、アノードオフガス中の可燃ガス総量が増減してもその総量を正確に把握することができる。
【００１９】
また、生成水素量演算手段が改質部にて生成された水素量である生成水素量を水素センサによって検出された水素濃度に基づいて演算するので、生成された水素量を正確かつ早期に検出することができ、フィードフォワード的な制御をすることができる。
【００２０】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、水素センサを改質部と燃料電池との間に設けた場合において、生成水素量演算手段は、水素センサによって検出される改質ガス中の水蒸気が飽和状態である場合にも不飽和状態である場合にも確実かつ正確に改質ガス中の生成水素量を演算することができる。
【００２１】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、消費水素量演算手段は燃料電池の掃引電流に基づいて消費水素量を演算するので、確実かつ正確に消費水素量を演算することができる。
【００２２】
上記のように構成した請求項５に係る発明においては、水素センサを改質部と燃料電池との間に設けた場合において、第１未使用燃料量演算手段は、水素センサによって検出される改質ガス中の水蒸気が飽和状態である場合にも不飽和状態である場合にも確実かつ正確に改質ガス中の未使用燃料量を演算することができる。
【００２３】
上記のように構成した請求項６に係る発明においては、第１燃焼用酸化剤ガス量演算手段が追い炊き燃料量演算手段、第１未使用水素量演算手段および第１未使用燃料量演算手段によってそれぞれ演算された追い炊き燃料の供給量、未使用水素量および未使用燃料量、ならびに各ガス種に応じた理論空燃比に基づいて燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算し、燃焼用酸化剤ガス供給制御手段が第１燃焼用酸化剤ガス量演算手段によって演算された燃焼用酸化剤ガス量を燃焼部に供給するように燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御するので、燃焼部において最適な燃焼を達成することができる。
【００２４】
上記のように構成した請求項７に係る発明においては、水素センサを燃料電池と燃焼部との間に設けた場合において、第２未使用水素量演算手段が燃料電池の発電に使用されなかった水素量である未使用水素量を水素センサによって検出された水素濃度に基づいて演算し、第２未使用燃料量演算手段が改質部の改質ガスの生成に使用されなかった燃料量である未使用燃料量を演算し、第２未使用ガス量加算手段が第２未使用水素量演算手段および第２未使用燃料量演算手段によってそれぞれ演算された未使用水素量および未使用燃料量を加算することによりアノードオフガス中の可燃ガス残量を演算する。したがって、水素センサを燃料電池と燃焼部との間に設けた場合にも、アノードオフガス中の可燃ガス総量が増減してもその総量を直接かつ正確に把握することができる。
【００２５】
上記のように構成した請求項８に係る発明においては、水素センサを燃料電池と燃焼部との間に設けた場合において、第２未使用水素量演算手段は、確実かつ正確にアノードオフガス中の未使用水素量を演算することができる。
【００２６】
上記のように構成した請求項９に係る発明においては、水素センサを燃料電池と燃焼部との間に設けた場合において、第２未使用燃料量演算手段は、確実かつ正確にアノードオフガス中の未使用燃料量を演算することができる。
【００２７】
上記のように構成した請求項１０に係る発明においては、第２燃焼用酸化剤ガス量演算手段が追い炊き燃料量演算手段、第２未使用水素量演算手段および第２未使用燃料量演算手段によってそれぞれ演算された追い炊き燃料の供給量、未使用水素量および未使用燃料量、ならびに各ガス種に応じた理論空燃比に基づいて燃焼用酸化剤ガスの供給量を演算し、燃焼用酸化剤ガス供給制御手段が第２燃焼用酸化剤ガス量演算手段によって演算された燃焼用酸化剤ガス量を燃焼部に供給するように燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御するので、燃焼部において最適な燃焼を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池１０と燃料電池１０に必要な水素ガスを生成する改質装置２０を備えている。燃料電池１０は、燃料極１１と空気極１２を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された空気（カソードエア）を用いて発電するものである。
【００２９】
改質装置２０は、天然ガス、ＬＰＧ、灯油、アルコールなどの燃料を改質する改質部２１と、改質部２１から導出された改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２２と、ＣＯシフト部２２から導出された改質ガスに含まれる一酸化炭素をさらに除去する一酸化炭素選択酸化部２３（以下、ＣＯ選択酸化部という）から構成されている。
【００３０】
改質部２１は、触媒２１ａが充填された反応室２１ｂと、この反応室２１ｂに密接して設けられて反応室２１ｂを加熱する加熱室２１ｃと、加熱室２１ｃに高温の燃焼ガスを供給する燃焼部であるバーナ２１ｄから構成されている。
【００３１】
反応室２１ｂには燃料供給源Ｓf（例えば都市ガス管）に接続された燃料供給管４１が接続されており、燃料供給源Ｓｆから燃料が供給されている。燃料供給管４１には、上流から順番に第１燃料バルブ４２、燃料ポンプ４３、脱硫器４４、第２燃料バルブ４５および熱交換部４６が設けられている。第１および第２燃料バルブ４２，４５は制御装置３０の指令によって燃料供給管４１を開閉するものである。燃料ポンプ４３は燃料供給源Ｓｆから供給される燃料を吸い込み改質部２１の反応室２１ｂに吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて燃料供給量を調整するものである。脱硫器４４は燃料中のイオウ分を除去するものである。熱交換部４６は改質部２１からＣＯシフト部２２へ供給される高温の改質ガスとの間で熱交換が行われて、ＣＯシフト部２２での最適温度（触媒が劣化しない温度）まで改質ガスを冷却すると共にその熱で燃料および改質水を予熱、熱回収し、予熱された燃料（および改質水）を改質部２１の反応室２１ｂに供給するものである。これにより、燃料はイオウ分が除去され予熱されて反応室２１ｂに供給される。
【００３２】
また、燃料供給管４１の第２燃料バルブ４５と熱交換部４６との間には蒸発器５５に接続された水蒸気供給管５２が接続され、蒸発器５５から供給された水蒸気が燃料に混合されて改質部２１の反応室２１ｂに供給されている。蒸発器５５には改質水供給源である水タンクＳｗに接続された給水管５１が接続されている。給水管５１には、上流から順番に水ポンプ５３および水バルブ５４が設けられている。水ポンプ５３は水タンクＳｗから供給される改質水を吸い込み蒸発器５５に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて改質水供給量を調整するものである。水バルブ５４は制御装置３０の指令によって給水管５１を開閉するものである。給水管５１は加熱室２１ｃの外周に巻きつけられており、給水管５１内の流水が加熱室２１ｃの高熱によって予熱される。蒸発器５５には一端が加熱室２１ｃに接続され他端が外部に開放されている排気管８１が貫設されており、蒸発器５５は供給される予熱された改質水を排気管８１を流れる加熱室２１ｃから外部へ排出される燃焼ガス（排気ガス）によって加熱して水蒸気にし、反応室２１ｂに供給するものである。これにより、改質水は予熱されて蒸発器５５に供給され、水蒸気となって反応室２１ｂに供給される。なお、本実施の形態においては、給水管５１であって加熱室２１ｃに巻きつけられた部分と蒸発器５５とから蒸発部５６が構成されている。
【００３３】
反応室２１ｂは、後述するようにバーナ２１ｄの燃焼ガスによって加熱されており、反応室２１ｂ内に供給された燃料と水蒸気は、触媒２１ａ（例えば、Ｒｕ、Ｎｉ系の触媒）により反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に反応室２１ｂ内では、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素が水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は熱交換部４６を通って降温されてＣＯシフト部２２に導出される。なお、反応室２１ｂ内には触媒２１ａの温度を検出する温度センサ２１ａ１が設けられている。
【００３４】
ＣＯシフト部２２においては、供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素が、ＣＯシフト部２２内に充填された触媒２２ａ（例えば、Ｃｕ、Ｚｎ系の触媒）により水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これにより、改質ガスは前述した一酸化炭素シフト反応によって一酸化炭素濃度が低減されて導出される。
【００３５】
ＣＯシフト部２２から導出された一酸化炭素濃度が低減された改質ガスは、ＣＯ選択酸化部２３に供給される。一方、ＣＯ選択酸化部２３には、酸化剤ガス供給源である空気供給源Ｓａ（例えば大気）に接続された酸化用空気供給管６１が接続されており、空気供給源Ｓａから酸化剤ガスである酸素を含む空気が供給されている。酸化用空気供給管６１には、上流から順番にフィルタ６２、空気ポンプ６３および空気バルブ６４が設けられている。フィルタ６２は空気を濾過するものである。酸化剤ガス供給手段である空気ポンプ６３は空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込みＣＯ選択酸化部２３に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて空気供給量を調整するものである。空気バルブ６４は制御装置３０の指令によって酸化用空気供給管６１を開閉するものである。これにより、空気がＣＯ選択酸化部２３に供給される。なお、酸化剤ガスとして、酸素以外の酸化剤ガスを採用するようにしてもよい。
【００３６】
ＣＯ選択酸化部２３に供給された改質ガスに残留している一酸化炭素は、ＣＯ選択酸化部２３に充填された触媒２３ａ（例えば、Ｒｕ系またはＰｔ系の触媒）により上述のように供給された空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出されて、燃料電池１０の燃料極１１に供給されるようになっている。なお、改質ガス中の水素も酸化されて水となる。
【００３７】
燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管７１を介してＣＯ選択酸化部２３が接続されており、燃料極１１に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極１１の導出口にはオフガス供給管７２を介してバーナ２１ｄが接続されており、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスをバーナ２１ｄに供給するようになっている。バイパス管７３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管７１およびオフガス供給管７２を直結するものである。改質ガス供給管７１にはバイパス管７３との分岐点と燃料電池１０との間に第１改質ガスバルブ７４が設けられている。オフガス供給管７２にはバイパス管７３との合流点と燃料電池１０との間にオフガスバルブ７５が設けられている。バイパス管７３には第２改質ガスバルブ７６が設けられている。第１および第２改質ガスバルブ７４，７６およびオフガスバルブ７５はそれぞれの管を開閉するものであり、制御装置３０により制御されている。
【００３８】
また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、空気ポンプ６３の上流にて酸化用空気供給管６１から分岐したカソード用空気供給管６７の先端が接続されており、空気極１２内に酸化剤ガスである空気が供給されるようになっている。カソード用空気供給管６７には上流から順にカソード用空気ポンプ６８およびカソード用空気バルブ６９が設けられている。カソード用空気ポンプ６８は空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込み燃料電池の空気極１２に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じてカソード用空気供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ６９は制御装置３０の指令によってカソード用空気供給管６７を開閉するものである。さらに、燃料電池１０の空気極１２の導出口には、他端が外部に開放されている排気管８２の一端が接続されている。
【００３９】
また、バーナ２１ｄには、燃料ポンプ４３の上流にて燃料供給管４１から分岐した燃焼用燃料供給管４７が接続されており、燃焼用燃料が供給されるようになっている。燃焼用燃料供給管４７には燃焼用燃料供給手段である燃焼用燃料ポンプ４８が設けられており、燃焼用燃料ポンプ４８は燃料供給源Ｓｆから供給される燃料を吸い込みバーナ２１ｄに吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて燃焼用燃料供給量を調整するものである。さらにバーナ２１ｄには空気ポンプ６３の上流にて酸化用空気供給管６１から分岐した燃焼用空気供給管６５が接続されており、燃焼用燃料、改質ガスまたはオフガスを燃焼させるための酸化剤ガスである燃焼用空気が供給されるようになっている。燃焼用空気供給管６５には燃焼用酸化剤ガス供給手段である燃焼用空気ポンプ６６が設けられており、燃焼用空気ポンプ６６は空気供給源Ｓａ（燃焼用酸化剤ガス供給源も兼ねている。）から供給される空気を吸い込みバーナ２１ｄに吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて燃焼用空気供給量を調整するものである。バーナ２１ｄが制御装置３０の指令によって着火されると、バーナ２１ｄに供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスは燃焼されて高温の燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが加熱室２１ｃに供給されて反応室２１ｂが加熱されることにより触媒２１ａが加熱される。加熱室２１ｃを通過した燃焼ガスは排気管８１および蒸発器５５を通って排気ガスとして外部に排気される。
【００４０】
また、改質ガス供給管７１、オフガス供給管７２および排気管８２の途中には、それぞれ改質ガス用凝縮器７７、アノードオフガス用凝縮器７８およびカソードオフガス用凝縮器７９が設けられている。改質ガス用凝縮器７７は配管７１中を流れる燃料電池１０の燃料極１１に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器７８は配管７２中を流れる燃料電池１０の燃料極１１から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器７９は排出管８２中を流れる燃料電池１０の空気極１２から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。なお、各凝縮器７７〜７９には、図示しない貯湯槽の低温液体またはラジエータおよび冷却ファンによって冷却された液体が供給される冷媒管８３が貫設されており、この液体との熱交換によって各ガス中の水蒸気を凝縮している。
【００４１】
これら凝縮器７７，７８，７９は配管８４を介して純水器９５に連通しており、各凝縮器７７，７８，７９にて凝縮された凝縮水は、純水器９５に導出され回収されるようになっている。純水器９５は、各凝縮器７７，７８，７９から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を水タンクＳｗに導出するものである。なお、純水器９５には水道水供給源（例えば水道管）から供給される補給水（水道水）を導入する配管が接続されており、純水器９５内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。
【００４２】
また、燃料電池システムは水素センサ９１を備えている。水素センサ９１は、燃料電池１０の燃料極１１の入力ポートより上流の改質ガス供給管７１に配置されており、改質装置２０にて生成されて改質ガス供給管７１を流れる改質ガス中の水素の濃度を検出し、検出結果を制御装置３０に送出している。また、燃料電池システムはインバータ９２を備えている。インバータ９２は、制御装置３０の指令によって燃料電池１０が出力した直流電圧を交流電圧に変換して出力するものであり、燃料電池１０の掃引電流を検出してその検出結果を制御装置３０に送出している。
【００４３】
また、上述した水素センサ９１、インバータ９２、温度センサ２１ａ１、各ポンプ４３，４８，５３，６３，６８は制御装置３０に接続されている（図２参照）。なお、上述した各バルブ４２，４５，５４，６４，６９，７４，７５，７６、バーナ２１ｄも制御装置３０に接続されているが、図２において省略している。制御装置３０は記憶部３１に接続されており、記憶部３１はプログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶したり、プログラムの実行に必要な数式を記憶したりするものである。制御装置３０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、図３のフローチャートに対応したプログラムを実行して、水素センサ９１によって検出された水素濃度に基づいてアノードオフガス中の可燃ガス残量を演算し、そのアノードオフガス中の可燃ガス残量および必要熱量に基づいて追い炊き熱量を演算し、その追い炊き熱量に相当する燃焼用燃料の供給量を演算し、その追い炊き燃料量（追い炊き燃料の供給量）をバーナ２１ｄに供給するように燃焼用燃料ポンプ４８を制御している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。
【００４４】
上述のように構成された燃料電池システムの作動について説明する。起動運転時には、第１燃料バルブ４２が開状態とされ燃焼用燃料ポンプ４８が作動されるとともに、燃焼用空気ポンプ６６が作動されて、燃焼用燃料および燃焼用空気がバーナ２１ｄに供給されて燃焼される。燃焼ガスの加熱によって改質部２１が所定温度になると、第１および第２燃料バルブ４２，４５および水バルブ５４が開状態とされ、燃料ポンプ４３および水ポンプ５３が作動されて、燃料および改質水が改質部２１に供給される。このとき、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５，７６が閉状態とされ、第２改質ガスバルブ７６が開状態とされており、ＣＯ選択酸化部２３から導出される一酸化炭素の含有率の高い改質ガスは、燃料電池１０に供給されないでバイパス管７３を通ってバーナ２１ｄに供給される。この改質ガスはバーナ２１ｄで燃焼される。ＣＯ選択酸化部２３が所定温度になると、空気バルブ６４が開状態とされ空気ポンプ６３が作動されて、酸化用空気がＣＯ選択酸化部２３に供給されて改質ガスの酸化反応が促進される。
【００４５】
そして、改質ガス中の一酸化炭素が所定量以下となると、燃料電池システムは定常運転を開始する。第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５が開状態とされ、第２改質ガスバルブ７６が閉状態とされ、ＣＯ選択酸化部２３から導出される一酸化炭素の含有率の低い改質ガスは燃料電池１０に供給される。燃料電池１０から排出されるアノードオフガスはバーナ２１ｄに供給されて燃焼される。
【００４６】
このようにバーナ２１ｄには、燃料電池システムの運転状態によって燃焼用燃料、改質ガスおよびアノードオフガスの少なくともいずれか一つが供給されるようになっている。燃料電池システムが起動運転当初である場合には、バーナ２１ｄには燃料として燃焼用燃料のみ供給され、その後改質ガスが供給されるとともに、必要熱量に対する改質ガス中の熱量不足分に相当する量だけ燃焼用燃料を供給するように制御されている。定常運転である場合には、バーナ２１ｄにアノードオフガスが供給されるとともに、必要熱量に対するアノードオフガス中の熱量不足分に相当する量だけ燃焼用燃料を供給するように制御されている。なお、必要熱量とは、改質部２１の反応室２１ｂにて燃料を改質して水素とする吸熱反応である改質反応を進行させて原料である燃料から規定量の水素を生成するのに必要な熱量のことをいい、燃料電池の出力電力、燃料電池システムを構成する補機（ポンプ、電磁弁など）の駆動電力、および放熱などによるロス熱量を合わせた燃料電池システムに必要なエネルギー総量および改質反応における吸熱量を考慮して設定されている。
【００４７】
次に、燃料電池システムの定常運転中にアノードオフガスをバーナ２１ｄの燃焼用原料として再利用し、燃料電池システムの必要熱量に対する不足分を追い炊き燃焼用燃料を投入して補充する場合の制御について図３を参照して説明する。制御装置３０は図示しない起動スイッチがオンされると、図３に示すプログラムを所定の短時間毎に実行する。制御装置３０は、このプログラムが開始される毎に、燃料ポンプ４３の燃料供給量、水ポンプ５３の改質水供給量および空気ポンプ６３の酸化空気供給量をそれらが記憶されている記憶部３１から読み出す（ステップ１０２〜１０６）。燃料供給量は燃料電池システムに必要なエネルギー総量および／または燃料電池に対する負荷によって設定され、改質水供給量は燃料供給量およびスチーム・カーボン比によって設定され、空気供給量は燃料供給量および改質水供給量によって設定されるものである。これら各供給量が予め記憶部３１に記憶され、また変更された供給量が更新記憶されている。
【００４８】
制御装置３０は、改質装置２０にて生成されて燃料極１１に導入される改質ガス中の水素濃度を水素センサ９１によって検出し（ステップ１０８）、先に読み出された燃料供給量、改質水供給量、酸化空気供給量、検出された水素濃度および燃料電池１０の燃料極１１の入力ポートの飽和水蒸気量のなかから必要な要素を使用して改質装置２０にて生成された水素量である生成水素量を演算する（ステップ１１０；生成水素量演算手段）。なお、飽和水蒸気量ｈ'およびｊ'は記憶部３１に温度と関連付けて記憶されている。
【００４９】
具体的には、水素センサ９１によって検出される改質ガス中の水蒸気が飽和状態および不飽和状態である場合について説明する。まず、不飽和状態である場合（燃料電池１０の燃料極１１の入力ポートで水が凝縮しない場合、例えば、凝縮器７７がなく改質ガスをそのまま燃料電池１０へ投入する場合）における生成水素量の演算方法について説明すると、生成水素量ｄは下記数１から演算される。
【数１】
2005268190.tif 000003
ここで、ｘは水素センサ９１によって検出される水素濃度（％）であり、ａは燃料の供給量であり、ｂは改質水の供給量であり、ｃは酸化空気の供給量である。
【００５０】
生成水素量を導出する上記数１は次のように算出される。図４に示すように、改質装置２０に、燃料（ＣＨ４）、改質水（Ｈ２Ｏ）および酸化空気（０．７９×Ｎ２＋０．２１×Ｏ２）がそれぞれａ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ｂ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ｃ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）供給されると、改質装置２０から、水素（Ｈ２）、メタン（ＣＨ４）、二酸化炭素（ＣＯ２）、窒素（Ｎ２）、水または水蒸気（Ｈ２Ｏ）がそれぞれｄ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ｅ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ｆ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ｇ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ｈ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）導出される。
【００５１】
各原子（Ｃ，Ｈ，Ｏ，Ｎ）においては供給量と導出量は同一であり、また、水素濃度ｘは水素、メタン、二酸化炭素、窒素、水（または水蒸気）の導出量から求めることができるので、下記数２の連立方程式が成立する。
【数２】
2005268190.tif 000004
上記数２を解くと、各ガスの導出量ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈは下記数３に示すように算出される。
【数３】
2005268190.tif 000005
したがって、各ガスの導出量ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈは、水素センサ９１によって検出される水素濃度ｘ、燃料の供給量ａ、改質水の供給量ｂ、および酸化空気の供給量ｃから導出することができる。
【００５２】
次に、飽和状態である場合（燃料電池１０の燃料極１１の入力ポートで水が凝縮する場合、例えば、凝縮器７７で改質ガス中の水蒸気分圧に対して凝縮レベルまで冷却するような場合）における生成水素量の演算方法について説明すると、生成水素量ｄは下記数４から演算される。
【数４】
2005268190.tif 000006
ここで、ｘは水素センサ９１によって検出される水素濃度（％）であり、ａは燃料の供給量であり、ｃは酸化空気の供給量であり、ｈ'は改質ガスのその温度における飽和水蒸気量である。この場合燃料電池１０の燃料極１１の入力ポートの温度（ガス温度；Ｔｉｎ）とすればよい。
【００５３】
生成水素量を導出する上記数４は次のように算出される。図４に示すように、改質装置２０に、燃料（ＣＨ４）、改質水（Ｈ２Ｏ）および酸化空気（０．７９×Ｎ２＋０．２１×Ｏ２）がそれぞれａ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ｂ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ｃ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）供給されると、改質装置２０から、水素（Ｈ２）、メタン（ＣＨ４）、二酸化炭素（ＣＯ２）、窒素（Ｎ２）、水または水蒸気（Ｈ２Ｏ）がそれぞれｄ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ｅ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ｆ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ｇ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ｈ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）導出される。
【００５４】
各原子（Ｃ，Ｈ，Ｏ，Ｎ）においては供給量と導出量は同一であり、また、水素濃度ｘは水素、メタン、二酸化炭素、窒素の導出量、およびガス温度Ｔｉｎでの飽和水蒸気量ｈ'から求めることができるので、下記数５の連立方程式が成立する。
【数５】
2005268190.tif 000007
上記数５を解くと、各ガスの導出量ｄ，ｅ，ｆ，ｇは下記数６に示すように算出される。
【数６】
2005268190.tif 000008
したがって、各ガスの導出量ｄ，ｅ，ｆ，ｇは、水素センサ９１によって検出される水素濃度ｘ、燃料の供給量ａ、酸化空気の供給量ｃおよび飽和水蒸気量ｈ'から導出することができる。
【００５５】
再び図３のフローチャートに説明を戻すと、制御装置３０はステップ１１２において、掃引電流Ｉ（Ａ）に基づいて燃料電池１０にて消費された水素量である消費水素量ｉ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）を下記数７から演算する（消費水素量演算手段）。掃引電流Ｉはインバータ９２によって検出されたものである。
【００５６】
（数７）
ｉ＝（Ｉ×ｎ×６０）／（２×ファラデー定数）
消費水素量ｉを導出する上記数７は次のように算出される。燃料電池１０は、図１においては燃料電池１０の燃料極１１と空気極１２を模式的に示しているが、実際には燃料極１１と空気極１２が電解質を挟んだ構造体であるセル（単セル）がｎ個（セル総数がｎ個）電気的に直列に接続されて積層されたものである。燃料電池１０が全体としてｉ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）の水素を消費すると、単セル毎ではｉ／ｎ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）ずつの水素が消費されることになり、これにより、電子ｅ−が２ｉ／ｎ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）生じる。すなわち燃料電池１０の両極１１，１２間を流れる電気量Ｑは（２ｉ・ファラデー定数）／ｎ（Ｃ）となる。また、この電気量Ｑ（Ｃ）は電流すなわち上記掃引電流Ｉ（Ａ）と時間ｔ（ｓ）の積で表されるので、下記数８が導出される。
（数８）
（２ｉ・ファラデー定数）／ｎ＝Ｉ・ｔ
ここで、ｔ＝１秒（ｓ）であるとして、ｉを求めて単位を分（ｍｉｎ）に合わせると、上記数７が導出される。
【００５７】
制御装置３０は、ステップ１１４において、ステップ１１０にて演算された生成水素量ｄからステップ１１２にて演算された消費水素量ｉを減算して燃料電池１０の発電に使用（消費）されなかった水素量である未使用水素量を演算する（第１未使用水素量演算手段）。
【００５８】
次に制御装置３０は、ステップ１１６において、改質部２１の反応室２１ｂの改質ガスの生成に使用されなかった燃料量（メタン量）である未使用燃料量を演算する（第１未使用燃料量演算手段）。改質ガスの生成に使用されなかった燃料は改質装置２０から導出されるメタンのことであるので、未使用燃料量はメタンの導出量ｅと同量となる。したがって、未使用燃料量は、不飽和状態および飽和状態のいずれの場合にも、下記数９から演算される。
【００５９】
（数９）
未使用燃料量＝ａ−０．１０５ｃ−０．２５ｄ
不飽和状態である場合には、生成水素量ｄは水素センサ９１によって検出される水素濃度ｘ、燃料の供給量ａ、改質水の供給量ｂ、および酸化空気の供給量ｃから導出されるので、上記数９から演算される未使用燃料量も水素濃度ｘ、燃料の供給量ａ、改質水の供給量ｂ、および酸化空気の供給量ｃから導出される。また、飽和状態である場合には、生成水素量ｄは水素センサ９１によって検出される水素濃度ｘ、燃料の供給量ａ、酸化空気の供給量ｃおよび飽和水蒸気量ｈ'から導出されるので、未使用燃料量も水素濃度ｘ、燃料の供給量ａ、酸化空気の供給量ｃおよび飽和水蒸気量ｈ'から導出される。
【００６０】
制御装置３０は、ステップ１１８において、ステップ１１４にて演算された未使用水素量とステップ１１６にて演算された未使用燃料量を加算してアノードオフガス中の可燃ガス残量を演算する（第１未使用ガス量加算手段）。ステップ１２０において、ステップ１１８にて演算された可燃ガス残量および必要熱量に基づいて追い炊き熱量を演算する（追い炊き熱量演算手段）。具体的には、必要熱量に対する可燃ガス残量の持つ熱量の不足分を算出し、すなわち必要熱量から可燃ガス残量の熱量を減算して追い炊き熱量を演算する。
【００６１】
制御装置３０は、ステップ１２２において、ステップ１２０にて演算した追い炊き熱量に相当する燃焼用燃料の供給量（すなわち追い炊き燃料量）を演算する（追い炊き燃料量演算手段）。そして、ステップ１２４において、ステップ１２２にて演算された追い炊き燃料量をバーナ２１ｄに供給するように燃焼用燃料ポンプ４８を制御する（燃焼用燃料供給制御手段）。
【００６２】
さらに、制御装置３０は、ステップ１２６において、ステップ１１４にて演算された未使用水素量、ステップ１１６にて演算された未使用燃料量、およびステップ１２２にて演算された追い炊き燃料量、ならびにこれら可燃ガス（水素、メタン）の種類に応じた理論空燃比に基づいて燃焼用空気の供給量を演算する（第１燃焼用酸化剤ガス量演算手段）。ステップ１２８において、ステップ１２６にて演算された燃焼用空気量をバーナ２１ｄに供給するように燃焼用空気ポンプ６６を制御する（燃焼用酸化剤ガス供給制御手段）。その後、プログラムをステップ１３０に進めてプログラムを一端終了する。
【００６３】
上述した説明から理解できるように、この実施の形態においては、可燃ガス残量演算手段が水素センサ９１によって検出された水素濃度に基づいてアノードオフガス中の可燃ガス残量を演算し、追い炊き熱量演算手段が可燃ガス残量演算手段によって演算されたアノードオフガス中の可燃ガス残量および必要熱量に基づいて追い炊き熱量を演算し、追い炊き燃料量演算手段が追い炊き熱量演算手段によって演算された追い炊き熱量に相当する燃焼用燃料の供給量を演算し、燃焼用燃料供給制御手段が追い炊き燃料量演算手段によって演算された追い炊き燃料量を燃焼部に供給するように燃焼用燃料ポンプを制御する。したがって、アノードオフガス中の可燃ガス総量が増減する場合、可燃ガス総量を正確に把握することができるので、必要熱量に対するアノードオフガス中の可燃ガスの熱量の不足分を追い炊き熱量として正確に把握することができ、その追い炊き熱量に相当する量の燃焼用燃料をバーナ２１ｄに供給することにより、バーナ２１ｄを安定燃焼させ改質ガス中の水素濃度をほぼ一定に維持し安定供給することができる。
【００６４】
また、水素センサ９１を改質装置２０と燃料電池１０との間に設けた場合、生成水素量演算手段が改質部２１の反応室２１ｂにて生成された水素量である生成水素量を水素センサ９１によって検出された水素濃度に基づいて演算し、消費水素量演算手段が燃料電池１０の発電に消費した水素量である消費水素量を演算し、第１未使用水素量演算手段が生成水素量演算手段および消費水素量演算手段によってそれぞれ演算された生成水素量および消費水素量から燃料電池１０の発電に使用されなかった水素量である未使用水素量を演算し、第１未使用燃料量演算手段が改質部２１の改質ガスの生成に使用されなかった燃料量である未使用燃料量を演算し、第１未使用ガス量加算手段が第１未使用水素量演算手段および第１未使用燃料量演算手段によってそれぞれ演算された未使用水素量および未使用燃料量を加算することによりアノードオフガス中の可燃ガス残量を演算する。したがって、水素センサ９１を改質装置２０と燃料電池１０との間に設けた場合にも、アノードオフガス中の可燃ガス総量が増減してもその総量を正確に把握することができる。
【００６５】
また、生成水素量演算手段が改質部にて生成された水素量である生成水素量を水素センサ９１によって検出された水素濃度に基づいて演算するので、生成された水素量を正確かつ早期に検出することができ、フィードフォワード的な制御をすることができる。
【００６６】
また、水素センサ９１を改質装置２０と燃料電池１０との間に設けた場合において、生成水素量演算手段は、水素センサ９１によって検出される改質ガス中の水蒸気が飽和状態である場合にも不飽和状態である場合にも確実かつ正確に改質ガス中の生成水素量を演算することができる。
【００６７】
また、消費水素量演算手段は燃料電池１０の掃引電流に基づいて消費水素量を演算するので、確実かつ正確に消費水素量を演算することができる。
【００６８】
また、水素センサ９１を改質装置２０と燃料電池１０との間に設けた場合において、第１未使用燃料量演算手段は、水素センサ９１によって検出される改質ガス中の水蒸気が飽和状態である場合にも不飽和状態である場合にも確実かつ正確に改質ガス中の未使用燃料量を演算することができる。
【００６９】
また、第１燃焼用酸化剤ガス量演算手段が追い炊き燃料量演算手段、第１未使用水素量演算手段および第１未使用燃料量演算手段によってそれぞれ演算された追い炊き燃料量、未使用水素量および未使用燃料量、ならびに各ガス種に応じた理論空燃比に基づいて燃焼用空気の供給量を演算し、燃焼用酸化剤ガス供給制御手段が第１燃焼用酸化剤ガス量演算手段によって演算された燃焼用空気量をバーナ２１ｄに供給するように燃焼用空気ポンプ６６を制御するので、バーナ２１ｄにおいて最適な燃焼を達成することができる。
【００７０】
なお、上述した実施の形態においては、水素センサ９１を燃料電池１０の燃料極１１の入力ポートより上流に配置して改質ガス中の水素濃度を検出するようにしたが、燃料極１１の出力ポートより下流に配置してアノードオフガス中の水素濃度を検出するようにしてもよい。なお、水素センサ９１は図１にて２点破線で示す。この場合、制御装置３０は、図３に示すフローチャートのステップ１０８からステップ１１８の処理に代えて図５に示すステップ２０２からステップ２０８の処理を実行する。
【００７１】
制御装置３０は、ステップ２０２において、燃料電池１０の燃料極１１から導出されるアノードオフガス中の水素濃度を水素センサ９１によって検出する。ステップ２０４において、燃料電池１０の発電に使用されなかった水素量である未使用水素量をステップ２０２にて検出された水素濃度から演算する（第２未使用水素量演算手段）。具体的には、水素センサ９１によって検出されるアノードオフガス中の水蒸気が飽和状態（燃料電池１０の燃料極１１の出力ポートで水が凝縮する状態）であるとして説明する。この場合、未使用水素量は下記数１０から演算される。
【数１０】
2005268190.tif 000009
ここで、ｙは水素センサ９１によって検出される水素濃度（％）であり、ａは燃料の供給量であり、ｃは酸化空気の供給量であり、ｊ'はアノードオフガスのその温度における飽和水蒸気量である。この場合燃料電池１０の燃料極１１の出ポートの温度（ガス温度；Ｔｏｕｔ）とすればよい。
【００７２】
生成水素量を導出する上記数１０は次のように算出される。図４に示すように、改質装置２０に、燃料（ＣＨ４）、改質水（Ｈ２Ｏ）および酸化空気（０．７９×Ｎ２＋０．２１×Ｏ２）がそれぞれａ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ｂ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ｃ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）供給されると、改質装置２０から、水素（Ｈ２）、メタン（ＣＨ４）、二酸化炭素（ＣＯ２）、窒素（Ｎ２）、水または水蒸気（Ｈ２Ｏ）がそれぞれｄ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ｅ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ｆ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ｇ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ｈ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）導出される。これらガスが燃料電池１０に供給された後に導出されるアノードオフガス中においては、水素は燃料電池１０にて消費された分だけ減少し、水蒸気または水はその温度における飽和水蒸気量で表され、他のガス（メタン、二酸化炭素、窒素）は燃料電池１０にて反応に関与しないのでそれらの量は変化しない。
【００７３】
各原子（Ｃ，Ｈ，Ｏ，Ｎ）においては供給量と導出量は同一であり、また、水素濃度ｙは未使用水素量、メタン、二酸化炭素、窒素の導出量、およびガス温度Ｔｏｕｔでの飽和水蒸気量ｊ'から求めることができるので、下記数１１の連立方程式が成立する。
【数１１】
2005268190.tif 000010
上記１１を解くと、各ガスの導出量ｄ'，ｅ，ｆ，ｇは下記数１２に示すように算出される。
【数１２】
2005268190.tif 000011
したがって、各ガスの導出量ｄ'，ｅ，ｆ，ｇは、水素センサ９１によって検出される水素濃度ｙ、燃料の供給量ａ、酸化空気の供給量ｃおよび飽和水蒸気量ｊ'から導出することができる。
【００７４】
制御装置３０は、ステップ２０６において、改質部２１の反応室２１ｂの改質ガスの生成に使用されなかった燃料量（メタン量）である未使用燃料量を演算する（第２未使用燃料量演算手段）。改質ガスの生成に使用されなかった燃料は改質装置２０から導出されるメタンのことであるので、未使用燃料量はメタンの導出量ｅと同量となる。したがって、未使用燃料量は、先に導出した下記数１３から演算される。
【００７５】
（数１３）
未使用燃料量＝ａ−０．１０５ｃ−０．２５ｄ'
未使用水素量ｄ'は水素センサ９１によって検出される水素濃度ｙ、燃料の供給量ａ、酸化空気の供給量ｃおよび飽和水蒸気量ｊ'から導出されるので、未使用燃料量も水素濃度ｙ、燃料の供給量ａ、酸化空気の供給量ｃおよび飽和水蒸気量ｊ'から導出される。
【００７６】
制御装置３０は、ステップ２０８において、ステップ２０４にて演算された未使用水素量とステップ２０６にて演算された未使用燃料量を加算してアノードオフガス中の可燃ガス残量を演算する（第２未使用ガス量加算手段）。そして、ステップ１２０において、ステップ２０８にて演算された可燃ガス残量および必要熱量に基づいて追い炊き熱量を演算する（追い炊き熱量演算手段）。
【００７７】
また、制御装置３０は、ステップ１２６において、ステップ２０４にて演算された未使用水素量、ステップ２０６にて演算された未使用メタン量、およびステップ１２２にて演算された追い炊き燃料量、ならびにこれら可燃ガス（水素、メタン）の種類に応じた理論空燃比に基づいて燃焼用空気の供給量を演算する（第２燃焼用酸化剤ガス量演算手段）。
【００７８】
前述した実施の形態によれば、水素センサ９１を燃料電池１０とバーナ２１ｄとの間に設けた場合において、第２未使用水素量演算手段が燃料電池１０の発電に使用されなかった水素量である未使用水素量を水素センサ９１によって検出された水素濃度に基づいて演算し、第２未使用燃料量演算手段が改質部２１の改質ガスの生成に使用されなかった燃料量である未使用燃料量を演算し、第２未使用ガス量加算手段が第２未使用水素量演算手段および第２未使用燃料量演算手段によってそれぞれ演算された未使用水素量および未使用燃料量を加算することによりアノードオフガス中の可燃ガス残量を演算する。したがって、水素センサ９１を燃料電池１０とバーナ２１ｄとの間に設けた場合にも、アノードオフガス中の可燃ガス総量が増減してもその総量を直接かつ正確に把握することができる。
【００７９】
また、水素センサ９１を燃料電池１０とバーナ２１ｄとの間に設けた場合において、第２未使用水素量演算手段は確実かつ正確にアノードオフガス中の未使用水素量を演算することができ、また、第２未使用燃料量演算手段は確実かつ正確にアノードオフガス中の未使用燃料量を演算することができる。
【００８０】
また、第２燃焼用酸化剤ガス量演算手段が追い炊き燃料量演算手段、第２未使用水素量演算手段および第２未使用燃料量演算手段によってそれぞれ演算された追い炊き燃料量、未使用水素量および未使用燃料量、ならびに各ガス種に応じた理論空燃比に基づいて燃焼用空気の供給量を演算し、燃焼用酸化剤ガス供給制御手段が第２燃焼用酸化剤ガス量演算手段によって演算された燃焼用空気量をバーナ２１ｄに供給するように燃焼用空気ポンプ６６を制御するので、バーナ２１ｄにおいて最適な燃焼を達成することができる。
【００８１】
なお、上記実施の形態においては、本発明を燃料電池システムの定常運転時におけるバーナ２１ｄに供給されたアノードオフガスを燃焼用燃料で追い炊きする場合に適用したが、燃料電池システムの起動運転時におけるバーナ２１ｄに供給された改質ガスを燃焼用燃料で追い炊きする場合に適用するようにしてもよい。
【００８２】
また、上記実施の形態においては、熱量的には必要熱量に対して過不足が生じないように追い炊き燃料がバーナ２１ｄに補給されるが、必要熱量の燃料（アノードオフガスと追い炊き燃料の総量）が２１ｄに供給されてその燃料が燃焼されても燃焼用空気の供給量に応じて燃焼ガス温度（燃焼にて生じるガス温度）が異なる。燃焼ガス温度が低いと改質部２１の反応室２１ｂの温度が低くなり吸熱反応である改質反応の速度が遅くなって、反応室２１ｂにて生成される水素が減少する。また、燃焼ガス温度が高いと改質部の温度が高くなり改質反応速度が速くなって、反応室２１ｂにて生成される水素は増加する。そこで、燃焼用酸化剤ガス供給制御手段が、温度センサ２１ａ１によって検出された反応室２１ｂ内の温度が所定温度となるように燃焼用空気をバーナ２１ｄに供給する燃焼用空気ポンプ６６を制御するようにしてもよい。
【００８３】
また、上述した実施の形態においては、燃焼用燃料供給手段として燃焼用燃料ポンプ４８を採用し、燃焼用燃料供給制御手段が追い炊き燃料量をバーナ２１ｄに供給するように燃焼用燃料ポンプ４８を制御するようにしたが、燃焼用燃料供給手段として開閉または流量を制御できる電磁弁を採用し、燃焼用燃料供給制御手段が追い炊き燃料量をバーナ２１ｄに供給するようにその電磁弁を制御するようにしてもよい。また、燃焼用燃料供給手段としてポンプと電磁弁を採用し、燃焼用燃料供給制御手段が追い炊き燃料量をバーナ２１ｄに供給するようにそれらポンプおよび電磁弁を制御するようにしてもよい。また、燃焼用酸化剤ガス供給手段も燃焼用燃料供給手段と同様な構成を取ることができ、燃焼用酸化剤ガス供給制御手段も燃焼用酸化剤ガス供給制御手段と同様な構成を取ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明による燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。
【図３】図２に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。
【図４】図１に示す燃料電池システムの投入原料、生成された改質ガス、および燃料電池から導出されるアノードオフガスの種類および量の関係を示す図である。
【図５】図２に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。
【符号の説明】
【００８５】
１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質装置、２１…改質部、２１ｂ…反応部、２１ｄ…バーナ、２２…ＣＯシフト部、２３…ＣＯ選択酸化部、３０…制御装置、４１…燃料供給管、４２…第１燃料バルブ、４３…燃料ポンプ、４４…脱硫器、４５…第２燃料バルブ、４６…熱交換部、４７…燃焼用燃料供給管、４８…燃焼用燃料ポンプ、５１…給水管、５２…水蒸気供給管、５３…水ポンプ、５４…水バルブ、５５…蒸発器、６１…酸化用空気供給管、６２…フィルタ、６３…空気ポンプ、６４…空気バルブ、６５…燃焼用空気供給管、６６…燃焼用空気ポンプ、６７…カソード用空気供給管、６８…カソード用空気ポンプ、６９…カソード用空気バルブ、７１…改質ガス供給管、７２…オフガス供給管、７３…バイパス管、７４…第１改質ガスバルブ、７５…オフガスバルブ、７６…第２改質ガスバルブ、７７，７８，７９…凝縮器、８１，８２…排気管、８４…回収水導出管、９１…水素センサ、９２…インバータ、Ｓａ…空気供給源、Ｓｆ…燃料供給源、Ｓｗ…改質水供給源。
【図１】
2005268190.tif 000012
【図２】
2005268190.tif 000013
【図３】
2005268190.tif 000014
【図４】
2005268190.tif 000015
【図５】
2005268190.tif 000016