(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を改質する改質器と、該改質器によって生成された改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える燃料電池システムであって、
前記原料を昇圧して前記改質器に供給するための昇圧ポンプと、
前記改質器と前記昇圧ポンプとの間に配設され、前記改質器に供給される原料の流量を調整するための二位置弁と、
前記燃料電池の発電負荷に基づいて、前記二位置弁の駆動周期に対する開弁期間の割合である開弁デューティー比を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の発電負荷が小さいほど、前記二位置弁の駆動周波数を高くする
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記二位置弁と前記改質器との間に、前記改質器に供給される原料の脈動を抑制するためのバッファタンクを備える、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記バッファタンクは、脱硫器である、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の実出力を検出する検出部を備え、
前記制御部は、さらに、前記燃料電池の発電負荷に基づいて設定された目標出力と前記検出部によって検出された前記実出力との偏差に基づいて、該偏差を補償するように、前記開弁デューティー比を制御する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記二位置弁の二次側の圧力と一次側の圧力との差圧を検出する差圧センサを備え、
前記制御部は、さらに、前記差圧センサによって検出された差圧に基づいて、該差圧に伴う前記原料の流量の偏差を補償するように、前記開弁デューティー比を制御する、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記二位置弁の一次側に配設され、前記原料の温度を検出する温度センサを備え、
前記制御部は、さらに、予め設定された基準温度と前記温度センサによって検出された温度との差に基づいて、該温度の差に伴う前記原料の流量の偏差を補償するように、前記開弁デューティー比を制御する、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記二位置弁の一次側に配設され、前記昇圧された原料の圧力を検出する圧力センサを備え、
前記制御部は、さらに、前記昇圧された原料についての所定の目標圧力と前記圧力センサによって検出された前記圧力との偏差に基づいて、該偏差に伴う前記原料の流量の偏差を補償するように、前記昇圧ポンプの回転数を制御する、
燃料電池システム。
【請求項８】
原料を改質する改質器と、該改質器によって生成された改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、
前記原料を昇圧して前記改質器に供給するための昇圧ポンプと、
前記改質器に供給される原料の流量を調整するための二位置弁を備えており、
前記制御方法は、
前記燃料電池の発電負荷を取得する工程と、
前記取得された発電負荷に基づいて、前記二位置弁の開弁デューティー比を制御する開弁デューティー比制御工程と、
前記燃料電池の発電負荷が小さいほど、前記二位置弁の駆動周波数を高くする工程と
を備える制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池を備える燃料電池システムには、改質器によって原料（アルコール、炭化水素、アルデヒド等）を改質して改質ガスを生成し、この改質ガスに含まれる燃料ガス（水素）を燃料電池による発電に利用するタイプの、いわゆる改質型燃料電池システムがある。そして、このような改質型燃料電池システムでは、燃料電池によって安定した所望の発電を行うために、燃料電池への燃料ガスの流量を安定して制御する必要がある。このため、改質器への原料の流量を安定して制御する必要がある。
【０００３】
ところで、上述した改質型燃料電池システムでは、改質器への原料の供給には、昇圧ポンプが用いられ、また、原料の流量は、昇圧ポンプと改質器との間の配管に配設された流量調整弁を制御することによって制御される。そして、昇圧ポンプと改質器との間の配管では、昇圧ポンプの吐出圧の変動により、脈動（流量変動、圧力変動）が発生し、昇圧ポンプから改質器への原料の流量が不安定になることが知られている。そこで、従来、この脈動を抑制するために、昇圧ポンプとして、比較的脈動の少ないベローズ型ポンプやダイヤフラム型ポンプ等の容積型ポンプが用いられたり、流量調整弁として、流量調整の精度が比較的高いマスフローコントローラが用いられたりする。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２６０８７４号公報
【特許文献２】特開平２−３０９５６２号公報
【特許文献３】特開２００３−８１６０３号公報
【特許文献４】特開２００４−２６２６８９号公報
【特許文献５】特開２００４−１８５９６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、容積型ポンプは、その構成部品が比較的劣化しやすいため、耐久性を考慮して容積型ポンプの設計を行うと、燃料電池システムの大幅なコスト上昇を招く。また、流量調整弁として、比較的高価なマスフローコントローラを用いることも、燃料電池システムの大幅なコスト上昇を招く。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、原料を改質する改質器と、この改質器によって生成された改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、改質器に供給される原料の脈動を比較的安価な構成で抑制するとともに、燃料電池による発電の安定化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］原料を改質する改質器と、該改質器によって生成された改質ガスに含まれる燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える燃料電池システムであって、前記原料を昇圧して前記改質器に供給するための昇圧ポンプと、前記改質器と前記昇圧ポンプとの間に配設され、前記改質器に供給される原料の流量を調整するための二位置弁と、前記燃料電池の発電負荷に基づいて、前記二位置弁の駆動周期に対する開弁期間の割合である開弁デューティー比を制御する制御部と、を備える燃料電池システム。
【０００９】
適用例１の燃料電池システムでは、改質器に供給される原料の流量を調整するための流量調整弁として二位置弁を用い、この二位置弁の開弁デューティー比を、制御部によって、燃料電池の発電負荷に基づいて制御する。そして、二位置弁は、自動車用の電子制御燃料噴射弁として量産化されているように、機能性能、信頼性、耐久性が許容できる程度に高く、また、マスフローコントローラと比較して安価である。さらに、流量調整弁として二位置弁を用いることにより、昇圧ポンプとして、比較的高価な容積型ポンプを用いなくても、原料の脈動を抑制できることが見出された。つまり、適用例１の燃料電池システムによれば、改質器に供給される原料の脈動を比較的安価な構成で抑制するとともに、燃料電池による発電の安定化を図ることができる。なお、二位置弁の開弁デューティー比を大きくすれば、原料の流量は多くなり、二位置弁の開弁デューティー比を小さくすれば、原料の流量は少なくなる。
【００１０】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池システムであって、さらに、前記二位置弁と前記改質器との間に、前記改質器に供給される原料の脈動を抑制するためのバッファタンクを備える、燃料電池システム。
【００１１】
適用例２の燃料電池システムでは、バッファタンクによって、改質器に供給される原料の脈動を抑制することができるので、適用例１の燃料電池システムよりも、改質器に供給される原料の脈動を、さらに抑制することができる。
【００１２】
［適用例３］適用例２記載の燃料電池システムであって、前記バッファタンクは、脱硫器である、燃料電池システム。
【００１３】
適用例３の燃料電池システムでは、脱硫器の内部空間を適切に確保して、バッファタンクとして用いるので、改質器に供給される原料の脈動を抑制するするとともに、原料に硫黄分および硫黄酸化物が含まれる場合に、これらを除去することができる。また、バッファタンクと脱硫器とを別個に備える必要がないので、燃料電池システムの小型化を図ることができる。
【００１４】
［適用例４］適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、さらに、前記二位置弁の駆動周波数を、前記二位置弁の駆動周波数に起因する前記原料の脈動および前記二位置弁の劣化を考慮して定められた所定範囲内で制御する、燃料電池システム。
【００１５】
先述したように、流量調整弁として二位置弁を用いることによって、原料の脈動を抑制することができるが、二位置弁の駆動周波数を低くするほど、改質器に供給される原料の脈動が発生しやすくなる。また、二位置弁の駆動周波数を高くするほど、二位置弁が劣化しやすくなり、その寿命が短くなる。適用例４の燃料電池システムでは、改質器に供給される原料の脈動および二位置弁の劣化を考慮して定められた所定範囲内で二位置弁の駆動周波数を制御するので、二位置弁の駆動周波数に起因する上記原料の脈動や二位置弁の劣化を抑制することができる。なお、上記所定範囲の下限値、および、上限値は、実験的、あるいは、解析的に任意に定められる。
【００１６】
［適用例５］適用例４記載の燃料電池であって、前記制御部は、前記燃料電池の発電負荷が小さいほど、前記二位置弁の駆動周波数を高くする、燃料電池システム。
【００１７】
燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電負荷が小さいほど、すなわち、改質器に供給すべき原料の流量が小さいほど、二位置弁を低周波数で駆動したときに、改質器に供給される原料の脈動が大きくなる。適用例５の燃料電池システムでは、燃料電池の発電負荷が小さいほど、二位置弁の駆動周波数を高くするので、上述した原料の脈動を抑制することができる。
【００１８】
［適用例６］適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の実出力を検出する検出部を備え、前記制御部は、さらに、前記燃料電池の発電負荷に基づいて設定された目標出力と前記検出部によって検出された前記実出力との偏差に基づいて、該偏差を補償するように、前記開弁デューティー比を制御する、燃料電池システム。
【００１９】
［適用例７］適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記二位置弁の二次側の圧力と一次側の圧力との差圧を検出する差圧センサを備え、前記制御部は、さらに、前記差圧センサによって検出された差圧に基づいて、該差圧に伴う前記原料の流量の偏差を補償するように、前記開弁デューティー比を制御する、燃料電池システム。
【００２０】
［適用例８］適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記二位置弁の一次側に配設され、前記原料の温度を検出する温度センサを備え、前記制御部は、さらに、予め設定された基準温度と前記温度センサによって検出された温度との差に基づいて、該温度の差に伴う前記原料の流量の偏差を補償するように、前記開弁デューティー比を制御する、燃料電池システム。
【００２１】
［適用例９］適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記二位置弁の一次側に配設され、前記昇圧された原料の圧力を検出する圧力センサを備え、前記制御部は、さらに、前記昇圧された原料についての所定の目標圧力と前記圧力センサによって検出された前記圧力との偏差に基づいて、該偏差に伴う前記原料の流量の偏差を補償するように、前記昇圧ポンプの回転数を制御する、燃料電池システム。
【００２２】
適用例６ないし９の燃料電池システムによって、二位置弁の流量調整の精度が比較的低い場合であっても、所望の燃料ガスが燃料電池に供給されるように、改質器に供給される原料の流量を適切に調整し、燃料電池による発電を安定させることができる。
【００２３】
本発明は、上述した種々の特徴の一部を、適宜、組み合わせて構成することができる。また、本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池に供給される燃料ガスを生成する燃料ガス生成システムの発明や、燃料ガス生成システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００２４】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムや、燃料ガス生成システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システム：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。本実施例では、燃料電池１００として、固体高分子型の燃料電池を用いるものとした。燃料電池１００として、リン酸型や溶融炭酸塩型などの他のタイプの燃料電池を用いるようにしてもよい。
【００２６】
本実施例の燃料電池システム１０００は、いわゆる改質型燃料電池システムであり、燃料電池１００のアノードには、以下に説明するように生成された燃料ガスとしての水素が供給される。すなわち、図示しない原料タンクに貯蔵された原料は、昇圧ポンプ１０によって昇圧され、配管１１、二位置弁１２、配管１３、脱硫器１４、配管１５を介して改質器１６に供給される。原料としては、ガソリンや、メタノール等のアルコール、エーテル、アルデヒド等の炭化水素化合物が用いられる。二位置弁１２は、改質器１６に供給される原料の流量を調整する流量調整弁である。脱硫器１４は、原料に含まれる硫黄分および硫黄酸化物を除去する。また、脱硫器１４は、昇圧ポンプ１０の吐出圧の変動に起因する原料の脈動（流量変動、圧力変動）を抑制するバッファタンクとしての機能も有している。改質器１６は、原料の改質反応（シフト反応を含む）により、水素を含む混合ガス（改質ガス）を生成する。改質器１６によって生成された混合ガスに含まれる水素は、図示しない水素分離装置によって分離され、配管１７を介して燃料電池１００のアノードに供給される。そして、燃料電池１００のアノードから排出されたアノードオフガスは、排出配管１８を介して、燃料電池１００の外部に排出される。
【００２７】
また、燃料電池１００のカソードには、エアコンプレッサ２０によって圧縮された空気が酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、燃料電池１００のカソードから排出されるカソードオフガスは、排出配管２２を介して、燃料電池１００の外部に排出される。
【００２８】
燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット３０によって制御される。制御ユニット３０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。
【００２９】
Ａ２．運転制御：
図２は、第１実施例の燃料電池システム１０００の運転制御の流れを示すフローチャートである。この制御は、燃料電池１００による発電時に、制御ユニット３０が実行する処理である。
【００３０】
この制御が開始されると、まず、制御ユニット３０は、燃料電池１００の発電負荷を取得し（ステップＳ１００）、取得した発電負荷に基づいて、二位置弁１２の駆動周期に対する開弁期間の割合である開弁デューティー比を設定する（ステップＳ１１０）。二位置弁１２の開弁デューティー比を大きくすれば、改質器１６に供給される原料の流量は多くなり、二位置弁１２の開弁デューティー比を小さくすれば、改質器１６に供給される原料の流量は少なくなる。二位置弁１２の開弁デューティー比は、例えば、燃料電池１００の発電負荷と二位置弁１２の開弁デューティー比との関係を記録したリストやマップを参照したり、所定の演算を行ったりすることによって設定することができる。なお、本実施例において、二位置弁１２の駆動周期は、予め設定されている。
【００３１】
次に、制御ユニット３０は、設定された開弁デューティー比、および、駆動周波数で、二位置弁１２を駆動させる（ステップＳ１２０）。そして、制御ユニット３０は、運転が終了したか否かを判断する（ステップＳ１３０）。運転が終了していない場合には、制御ユニット３０は、ステップＳ１００に戻る。運転が終了した場合には、制御ユニット３０は、運転制御を終了する。
【００３２】
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１０００では、改質器１６に供給される原料の流量を調整するための流量調整弁として二位置弁１２を用い、この二位置弁１２の開弁デューティー比を、制御ユニット３０によって、燃料電池１００の発電負荷に基づいて制御する。そして、二位置弁は、自動車用の電子制御燃料噴射弁として量産化されているように、機能性能、信頼性、耐久性が許容できる程度に高く、また、マスフローコントローラと比較して安価である。さらに、流量調整弁として二位置弁１２を用いることにより、昇圧ポンプ１０として、比較的高価な容積型ポンプを用いなくても、原料の脈動を抑制できることが見出された。つまり、本実施例の燃料電池システム１０００によれば、改質器１６に供給される原料の脈動を比較的安価な構成で抑制するとともに、燃料電池１００による発電の安定化を図ることができる。
【００３３】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システム：
第２実施例の燃料電池システムの構成は、第１実施例の燃料電池システム１０００の構成と同じである。ただし、第２実施例の燃料電池システムでは、制御ユニットが実行する運転制御の内容が、第１実施例における制御ユニット３０が実行する運転制御の内容と異なっている。
【００３４】
Ｂ２．運転制御：
図３は、第２実施例の燃料電池システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。この制御は、燃料電池１００による発電時に、制御ユニットが実行する処理である。
【００３５】
この制御が開始されると、まず、制御ユニットは、燃料電池１００の発電負荷を取得し（ステップＳ１００）、取得した発電負荷に基づいて、二位置弁１２の開弁デューティー比を設定する（ステップＳ１１０）。
【００３６】
そして、制御ユニットは、二位置弁１２の駆動周期を設定する（ステップＳ１１２）。先に説明したように、燃料電池システム１０００において、改質器１６に供給される原料の流量を調整するための流量調整弁として二位置弁１２を用いることによって、原料の脈動を抑制することができるが、二位置弁１２の駆動周波数を低くするほど、改質器１６に供給される原料の脈動が発生しやすくなる。また、二位置弁１２の駆動周波数を高くするほど、二位置弁１２が劣化しやすくなり、その寿命が短くなる。そこで、本実施例の燃料電池システムでは、二位置弁１２の駆動周波数は、改質器１６に供給される原料の脈動および二位置弁１２の劣化を考慮して、下限値Ｆｍｉｎ（例えば、３（Ｈｚ））から上限値Ｆｍａｘ（例えば、１０（Ｈｚ））の範囲内で設定される。また、燃料電池１００の発電負荷が小さいほど、すなわち、改質器１６に供給すべき原料の流量が小さいほど、二位置弁１２を低周波数で駆動したときに、改質器１６に供給される原料の脈動が大きくなるので、図中に示したように、二位置弁１２の駆動周波数は、燃料電池１００の発電負荷が小さいほど、小さな値が設定される。このように、二位置弁１２の駆動周波数を制御することによって、二位置弁１２の駆動周波数に起因する原料の脈動や二位置弁１２の劣化を抑制することができる。なお、二位置弁１２の駆動周波数についての下限値Ｆｍｉｎ、および、上限値Ｆｍａｘは、実験的、あるいは、解析的に任意に定められる。また、本実施例では、燃料電池１００の発電負荷と二位置弁１２の駆動周波数との関係は、線形であるものとしたが、非線形としてもよい。
【００３７】
次に、制御ユニットは、設定された開弁デューティー比、および、駆動周波数で、二位置弁１２を駆動させる（ステップＳ１２０）。そして、制御ユニットは、運転が終了したか否かを判断する（ステップＳ１３０）。運転が終了していない場合には、制御ユニットは、ステップＳ１００に戻る。運転が終了した場合には、制御ユニットは、運転制御を終了する。
【００３８】
以上説明した第２実施例の燃料電池システムによっても、第１実施例の燃料電池システム１０００と同様に、改質器１６に供給される原料の脈動を比較的安価な構成で抑制するとともに、燃料電池１００による発電の安定化を図ることができる。
【００３９】
Ｃ．第３実施例：
Ｃ１．燃料電池システム：
図４は、本発明の第３実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。図示するように、第３実施例の燃料電池システム１０００Ａの構成は、第１実施例の燃料電池システム１０００の構成とほぼ同じである。第３実施例の燃料電池システム１０００Ａは、燃料電池１００の実出力を検出する出力センサ４０を備えている。また、燃料電池システム１０００Ａは、第１実施例の燃料電池システム１０００における制御ユニット３０の代わりに、制御ユニット３０Ａを備えている。
【００４０】
Ｃ２．運転制御：
図５は、第３実施例の燃料電池システム１０００Ａの運転制御の流れを示すフローチャートである。この制御は、燃料電池１００による発電時に、制御ユニット３０Ａが実行する処理である。
【００４１】
この制御が開始されると、まず、制御ユニット３０Ａは、燃料電池１００の発電負荷を取得し（ステップＳ１００）、取得した発電負荷に基づいて、二位置弁１２の開弁デューティー比を設定する（ステップＳ１１０）。なお、本実施例において、二位置弁１２の駆動周期は、予め設定されている。
【００４２】
次に、制御ユニット３０Ａは、設定された開弁デューティー比、および、駆動周波数で、二位置弁１２を駆動させる（ステップＳ１２０）。
【００４３】
そして、制御ユニット３０Ａは、出力センサ４０によって、燃料電池１００の実出力Ｗを検出し（ステップＳ１２１）、燃料電池１００の発電負荷に基づいて設定された目標出力Ｗａと実出力Ｗとの差に基づいて、この差を補償するように、二位置弁１２の開弁デューティー比の補正量（補正デューティー比）を設定して、開弁デューティー比を補正する（ステップＳ１２２）。本実施例では、補正デューティー比は、下限値ΔＤｍｉｎ１から上限値ΔＤｍａｘ１の範囲内で設定され、また、図中に示したように、燃料電池１００の目標出力Ｗａと実出力Ｗとの差が大きいほど、大きな値が設定される。このように、二位置弁１２の開弁デューティー比を補正することによって、二位置弁１２の流量調整の精度が比較的低い場合であっても、所望の水素が燃料電池１００に供給されるように、改質器１６に供給される原料の流量を適切に調整し、燃料電池１００による発電を安定化することができる。なお、上記補正デューティー比は、例えば、燃料電池１００の目標出力Ｗａと実出力Ｗとの差と補正デューティー比との関係を記録したリストやマップを参照したり、所定の演算を行ったりすることによって設定することができる。また、本実施例では、燃料電池１００の目標出力Ｗａと実出力Ｗとの差と補正デューティー比との関係は、線形であるもとしたが、非線形としてもよい。また、制御ユニット３０Ａは、ステップＳ１２１，Ｓ１２２の制御を、燃料電池１００の目標出力Ｗａと実出力Ｗとの差が所定値未満になるまで繰り返し行うようにしてもよい。
【００４４】
そして、制御ユニット３０Ａは、運転が終了したか否かを判断する（ステップＳ１３０）。運転が終了していない場合には、制御ユニット３０Ａは、ステップＳ１００に戻る。運転が終了した場合には、制御ユニット３０は、運転制御を終了する。
【００４５】
以上説明した第３実施例の燃料電池システム１０００Ａによっても、第１実施例の燃料電池システム１０００と同様に、改質器１６に供給される原料の脈動を比較的安価な構成で抑制するとともに、燃料電池１００による発電の安定化を図ることができる。
【００４６】
Ｄ．第４実施例：
Ｄ１．燃料電池システム：
図６は、本発明の第４実施例としての燃料電池システム１０００Ｂの概略構成を示す説明図である。図示するように、第４実施例の燃料電池システム１０００Ｂの構成は、第１実施例の燃料電池システム１０００の構成とほぼ同じである。第４実施例の燃料電池システム１０００Ｂは、二位置弁１２の二次側の圧力Ｐ２と一次側の圧力Ｐ１との差圧を検出する差圧センサ５０を備えている。また、燃料電池システム１０００Ｂは、第１実施例の燃料電池システム１０００における制御ユニット３０の代わりに、制御ユニット３０Ｂを備えている。
【００４７】
Ｄ２．運転制御：
図７は、第４実施例の燃料電池システム１０００Ｂの運転制御の流れを示すフローチャートである。この制御は、燃料電池１００による発電時に、制御ユニット３０Ｂが実行する処理である。
【００４８】
この制御が開始されると、まず、制御ユニット３０Ｂは、燃料電池１００の発電負荷を取得し（ステップＳ１００）、取得した発電負荷に基づいて、二位置弁１２の開弁デューティー比を設定する（ステップＳ１１０）。なお、本実施例において、二位置弁１２の駆動周期は、予め設定されている。
【００４９】
次に、制御ユニット３０Ｂは、設定された開弁デューティー比、および、駆動周波数で、二位置弁１２を駆動させる（ステップＳ１２０）。
【００５０】
そして、制御ユニット３０Ｂは、差圧センサ５０によって、二位置弁１２の二次側の圧力Ｐ２と一次側の圧力Ｐ１との差圧を検出し（ステップＳ１２３）、この差圧に基づいて、この差圧に伴う原料の流量の偏差を補償するように、二位置弁１２の開弁デューティー比の補正量（補正デューティー比）を設定して、開弁デューティー比を補正する（ステップＳ１２４）。本実施例では、補正デューティー比は、下限値ΔＤｍｉｎ２から上限値ΔＤｍａｘ２の範囲内で設定され、また、図中に示したように、二位置弁１２の二次側の圧力Ｐ２と一次側の圧力Ｐ１との差圧（Ｐ２−Ｐ１）が大きいほど、小さな値が設定される。このように、二位置弁１２の開弁デューティー比を補正することによって、二位置弁１２の流量調整の精度が比較的低い場合であっても、所望の水素が燃料電池１００に供給されるように、改質器１６に供給される原料の流量を適切に調整し、燃料電池１００による発電を安定化することができる。なお、上記補正デューティー比は、例えば、二位置弁１２の二次側の圧力Ｐ２と一次側の圧力Ｐ１との差圧と補正デューティー比との関係を記録したリストやマップを参照したり、所定の演算を行ったりすることによって設定することができる。また、本実施例では、二位置弁１２の二次側の圧力Ｐ２と一次側の圧力Ｐ１との差圧と補正デューティー比との関係は、線形であるものとしたが、非線形としてもよい。また、制御ユニット３０Ｂは、ステップＳ１２３，Ｓ１２４の制御を、二位置弁１２の二次側の圧力Ｐ２と一次側の圧力Ｐ１との差圧が所定値未満になるまで繰り返し行うようにしてもよい。
【００５１】
そして、制御ユニット３０Ｂは、運転が終了したか否かを判断する（ステップＳ１３０）。運転が終了していない場合には、制御ユニット３０Ｂは、ステップＳ１００に戻る。運転が終了した場合には、制御ユニット３０Ｂは、運転制御を終了する。
【００５２】
以上説明した第４実施例の燃料電池システム１０００Ｂによっても、第１実施例の燃料電池システム１０００と同様に、改質器１６に供給される原料の脈動を比較的安価な構成で抑制するとともに、燃料電池１００による発電の安定化を図ることができる。
【００５３】
Ｅ．第５実施例：
Ｅ１．燃料電池システム：
図８は、本発明の第５実施例としての燃料電池システム１０００Ｃの概略構成を示す説明図である。図示するように、第５実施例の燃料電池システム１０００Ｃの構成は、第１実施例の燃料電池システム１０００の構成とほぼ同じである。第５実施例の燃料電池システム１０００Ｃは、配管１１、すなわち、二位置弁１２の一次側に、原料の温度を検出する温度センサ６０を備えている。また、燃料電池システム１０００Ｃは、第１実施例の燃料電池システム１０００における制御ユニット３０の代わりに、制御ユニット３０Ｃを備えている。
【００５４】
Ｅ２．運転制御：
図９は、第５実施例の燃料電池システム１０００Ｃの運転制御の流れを示すフローチャートである。この制御は、燃料電池１００による発電時に、制御ユニット３０Ｃが実行する処理である。
【００５５】
この制御が開始されると、まず、制御ユニット３０Ｃは、燃料電池１００の発電負荷を取得し（ステップＳ１００）、取得した発電負荷に基づいて、二位置弁１２の開弁デューティー比を設定する（ステップＳ１１０）。なお、本実施例において、二位置弁１２の駆動周期は、予め設定されている。
【００５６】
次に、制御ユニット３０Ｃは、設定された開弁デューティー比、および、駆動周波数で、二位置弁１２を駆動させる（ステップＳ１２０）。
【００５７】
そして、制御ユニット３０Ｃは、温度センサ６０によって、二位置弁１２の一次側における原料の温度を検出し（ステップＳ１２５）、予め設定された基準温度（例えば、２５（℃））と温度センサ６０によって検出された温度との差に基づいて、この差に伴う原料の流量の偏差を補償するように、二位置弁１２の開弁デューティー比の補正量（補正デューティー比）を設定して、開弁デューティー比を補正する（ステップＳ１２６）。本実施例では、補正デューティー比は、下限値ΔＤｍｉｎ３から上限値ΔＤｍａｘ３の範囲内で設定され、また、図中に示したように、基準温度と温度センサ６０によって検出された温度との差が大きいほど、すなわち、温度センサ６０によって検出された温度が高いほど、大きな値が設定される。原料の温度が高いほど、原料の単位体積当たりの量が少なくなるからである。このように、二位置弁１２の開弁デューティー比を補正することによって、二位置弁１２の流量調整の精度が比較的低い場合であっても、所望の水素が燃料電池１００に供給されるように、改質器１６に供給される原料の流量を適切に調整し、燃料電池１００による発電を安定化することができる。なお、上記補正デューティー比は、例えば、二位置弁１２の一次側における原料の温度と補正デューティー比との関係を記録したリストやマップを参照したり、所定の演算を行ったりすることによって設定することができる。また、本実施例では、二位置弁１２の一次側における原料の温度と補正デューティー比との関係は、線形であるもとしたが、非線形としてもよい。
【００５８】
そして、制御ユニット３０Ｃは、運転が終了したか否かを判断する（ステップＳ１３０）。運転が終了していない場合には、制御ユニット３０Ｃは、ステップＳ１００に戻る。運転が終了した場合には、制御ユニット３０Ｃは、運転制御を終了する。
【００５９】
以上説明した第５実施例の燃料電池システム１０００Ｃによっても、第１実施例の燃料電池システム１０００と同様に、改質器１６に供給される原料の脈動を比較的安価な構成で抑制するとともに、燃料電池１００による発電の安定化を図ることができる。
【００６０】
Ｆ．第６実施例：
Ｆ１．燃料電池システム：
図１０は、本発明の第６実施例としての燃料電池システム１０００Ｄの概略構成を示す説明図である。図示するように、第６実施例の燃料電池システム１０００Ｄの構成は、第１実施例の燃料電池システム１０００の構成とほぼ同じである。第６実施例の燃料電池システム１０００Ｄは、配管１１、すなわち、二位置弁１２の一次側に、昇圧ポンプ１０によって昇圧された原料の圧力を検出する圧力センサ７０を備えている。また、燃料電池システム１０００Ｄは、第１実施例の燃料電池システム１０００における制御ユニット３０の代わりに、制御ユニット３０Ｄを備えている。
【００６１】
Ｆ２．運転制御：
図１１は、第６実施例の燃料電池システム１０００Ｄの運転制御の流れを示すフローチャートである。この制御は、燃料電池１００による発電時に、制御ユニット３０Ｃが実行する処理である。
【００６２】
この制御が開始されると、まず、制御ユニット３０Ｄは、燃料電池１００の発電負荷を取得し（ステップＳ１００）、取得した発電負荷に基づいて、二位置弁１２の開弁デューティー比を設定する（ステップＳ１１０）。なお、本実施例において、二位置弁１２の駆動周期は、予め設定されている。
【００６３】
次に、制御ユニット３０Ｄは、設定された開弁デューティー比、および、駆動周波数で、二位置弁１２を駆動させる（ステップＳ１２０）。
【００６４】
そして、制御ユニット３０Ｄは、圧力センサ７０によって、二位置弁１２の一次側における原料の圧力を検出し（ステップＳ１２７）、二位置弁１２の一次側、すなわち、昇圧ポンプ１０によって昇圧された原料についての所定の目標圧力（例えば、５（ｋＰａ））と圧力センサ７０によって検出された圧力との差に基づいて、この差に伴う原料の流量の偏差を補償するように、昇圧ポンプ１０の回転数の補正量（補正回転数）を設定して、昇圧ポンプ１０の回転数を補正する（ステップＳ１２６）。本実施例では、補正回転数は、下限値ΔＲｍｉｎから上限値ΔＲｍａｘの範囲内で設定され、また、図中に示したように、目標圧力と検出圧力との差が大きいほど、すなわち、圧力センサ７０によって検出された圧力が高いほど、大きな値が設定される。このように、昇圧ポンプ１０の回転数を補正することによって、二位置弁１２の流量調整の精度が比較的低い場合であっても、所望の水素が燃料電池１００に供給されるように、改質器１６に供給される原料の流量を適切に調整し、燃料電池１００による発電を安定化することができる。なお、上記補正回転数は、例えば、二位置弁１２の一次側における原料の目標圧力と検出圧力との差と補正回転数との関係を記録したリストやマップを参照したり、所定の演算を行ったりすることによって設定することができる。また、本実施例では、二位置弁１２の一次側における原料の目標圧力と検出圧力との差と補正回転数との関係は、線形であるもとしたが、非線形としてもよい。
【００６５】
そして、制御ユニット３０Ｄは、運転が終了したか否かを判断する（ステップＳ１３０）。運転が終了していない場合には、制御ユニット３０Ｄは、ステップＳ１００に戻る。運転が終了した場合には、制御ユニット３０Ｄは、運転制御を終了する。
【００６６】
以上説明した第６実施例の燃料電池システム１０００Ｄによっても、第１実施例の燃料電池システム１０００と同様に、改質器１６に供給される原料の脈動を比較的安価な構成で抑制するとともに、燃料電池１００による発電の安定化を図ることができる。
【００６７】
Ｇ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００６８】
Ｇ１．変形例１：
上記実施例では、燃料電池システム１０００，１０００Ａ，１０００Ｂ，１０００Ｃ，１０００Ｄは、バッファタンクとしての脱硫器１４を備えるものとしたが、本発明は、これに限らず、脱硫器１４を省略するようにしてもよい。また、バッファタンクと脱硫器１４とを別個に備えるようにしてもよい。ただし、バッファタンクと脱硫器とを兼用することによって、燃料電池システムの小型化を図ることができる。
【００６９】
Ｇ２．変形例２：
第１実施例ないし第６実施例の燃料電池システム１０００，１０００Ａ，１０００Ｂ，１０００Ｃ，１０００Ｄの構成を、適宜、組み合わせるようにしてもよい。この場合、運転制御の流れも、適宜、組み合わせるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例の燃料電池システム１０００の運転制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】第２実施例の燃料電池システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。
【図４】本発明の第３実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。
【図５】第３実施例の燃料電池システム１０００Ａの運転制御の流れを示すフローチャートである。
【図６】本発明の第４実施例としての燃料電池システム１０００Ｂの概略構成を示す説明図である。
【図７】第４実施例の燃料電池システム１０００Ｂの運転制御の流れを示すフローチャートである。
【図８】本発明の第５実施例としての燃料電池システム１０００Ｃの概略構成を示す説明図である。
【図９】第５実施例の燃料電池システム１０００Ｃの運転制御の流れを示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第６実施例としての燃料電池システム１０００Ｄの概略構成を示す説明図である。
【図１１】第６実施例の燃料電池システム１０００Ｄの運転制御の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７１】
１０００，１０００Ａ，１０００Ｂ，１０００Ｃ，１０００Ｄ…燃料電池システム
１００…燃料電池
１０…昇圧ポンプ
１１…配管
１２…二位置弁
１３…配管
１４…脱硫器
１５…配管
１６…改質器
１７…配管
１８…排出配管
２０…エアコンプレッサ
２２…排出配管
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ…制御ユニット
４０…出力センサ
５０…差圧センサ
６０…温度センサ
７０…圧力センサ
【図１】
0005270219.tif 000002
【図２】
0005270219.tif 000003
【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】
0005270219.tif 000008
【図８】
0005270219.tif 000009
【図９】
0005270219.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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