(57)【要約】【課題】  水蒸気量を適正に制御することができる燃料改質システムおよび燃料改質システムの制御方法を提供する。【解決手段】  燃料改質システムは、改質水を気化させる気化部と原燃料と前記気化部で気化した改質水との水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質部とを備える改質器と、前記改質器における前記原燃料中の炭素のモル数に対する水蒸気のモル数の比Ｓ／Ｃを制御するＳ／Ｃ制御部と、を備え、前記Ｓ／Ｃ制御部は、前記改質器に要求される燃料ガス生成量の増減方向の少なくとも一方と同方向に、前記Ｓ／Ｃの狙い値を変化させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質水を気化させる気化部と、原燃料と前記気化部で気化した改質水との水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質部と、を備える改質器と、
前記改質器における前記原燃料中の炭素のモル数に対する水蒸気のモル数の比Ｓ／Ｃを制御するＳ／Ｃ制御部と、を備え、
前記Ｓ／Ｃ制御部は、前記改質器に要求される燃料ガス生成量の増減方向の少なくとも一方と同方向に、前記Ｓ／Ｃの狙い値を変化させることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項２】
前記Ｓ／Ｃ制御部は、前記改質器に要求される燃料ガス生成量の変動量が所定値を超えた場合に、前記改質器に要求される燃料ガス生成量の増減方向の少なくとも一方と同方向に前記Ｓ／Ｃを変化させることを特徴とする請求項１記載の燃料改質システム。
【請求項３】
前記改質器におけるガス圧力を検出する圧力センサをさらに備え、
前記Ｓ／Ｃ制御部は、前記改質器に要求される燃料ガス生成量の変動量が前記所定値以下でありかつ前記圧力センサが検出するガス圧力の変動量がしきい値を超えた場合に、前記改質器に供給される改質水流量および前記改質器に供給される原燃料流量の少なくともいずれか一方を周期的に変動させることを特徴とする請求項２記載の燃料改質システム。
【請求項４】
前記Ｓ／Ｃ制御部は、前記圧力センサが検出するガス圧力の変動量が前記しきい値以下になった場合に、前記周期的な変動を停止することを特徴とする請求項３記載の燃料改質システム。
【請求項５】
前記改質器におけるガス圧力を検出する圧力センサと、
前記改質器内の圧力を低減させる圧力低減手段と、をさらに備え、
前記圧力低減手段は、前記改質器に要求される燃料ガス生成量の変動量が前記所定量以下でありかつ前記圧力センサが検出するガス圧力の変動量がしきい値を超えた場合に、前記改質器内の圧力を周期的に変動させることを特徴とする請求項２記載の燃料改質システム。
【請求項６】
前記圧力低減手段は、前記圧力センサが検出するガス圧力の変動量が前記しきい値以下になった場合に、前記周期的な変動を停止することを特徴とする請求項５記載の燃料改質システム。
【請求項７】
前記ガス圧力の変動量は、前記圧力センサが検出するガス圧力の標準偏差であることを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載の燃料改質システム。
【請求項８】
前記Ｓ／Ｃ制御部は、前記Ｓ／Ｃを変化させた場合、所定時間経過後または前記Ｓ／Ｃ変化量が所定量に到達した際に、前記Ｓ／Ｃの狙い値を元の値に戻すことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料改質システム。
【請求項９】
前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池をさらに備え、
前記改質器に要求される燃料ガス生成量は、前記燃料電池に要求される発電量と相関することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料改質システム。
【請求項１０】
前記燃料電池は、固体酸化物型燃料電池であることを特徴とする請求項９記載の燃料改質システム。
【請求項１１】
前記燃料電池のオフガスを燃焼させることによって得た熱を前記気化部に与える燃焼室をさらに備えることを特徴とする請求項９または１０記載の燃料改質システム。
【請求項１２】
改質水を気化させる気化部と、原燃料と前記気化部で気化した改質水との水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質部と、を備える改質器を備える燃料改質システムにおいて、
前記改質器に要求される燃料ガス生成量の増減方向の少なくとも一方と同方向に、前記改質器における前記原燃料中の炭素のモル数に対する水蒸気のモル数の比Ｓ／Ｃの狙い値を変化させるＳ／Ｃ制御ステップを含むことを特徴とする燃料改質システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料改質システムおよび燃料改質システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池等で消費される水素は、例えば、燃料改質システムにおいて生成される。燃料改質システムにおいては、改質器において炭化水素等の原燃料と改質水との水蒸気改質反応によって水素が生成される。水蒸気改質反応は化学反応のプロセスであるため、改質器に供給される改質水の供給量が不安定になると生成水素量が不安定化する。そこで、特許文献１は、改質用燃料供給量、一酸化炭素低減部の温度、および水蒸気の温度の少なくとも１つに基づいてスチームカーボン比制御指示値を導出する技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２７３６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の技術では、発電電力過渡時の水蒸気生成応答遅れ等に起因して、水蒸気量の過不足が生じることがある。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、改質器に供給される水蒸気量を適正に制御することができる燃料改質システムおよび燃料改質システムの制御方法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】
【０００６】
本発明に係る燃料改質システムは、改質水を気化させる気化部と原燃料と前記気化部で気化した改質水との水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質部とを備える改質器と、前記改質器における前記原燃料中の炭素のモル数に対する水蒸気のモル数の比Ｓ／Ｃを制御するＳ／Ｃ制御部と、を備え、前記Ｓ／Ｃ制御部は、前記改質器に要求される燃料ガス生成量の増減方向の少なくとも一方と同方向に、前記Ｓ／Ｃの狙い値を変化させることを特徴とするものである。本発明に係る燃料改質システムにおいては、水蒸気量過剰および／または水蒸気不足を抑制することができる。したがって、水蒸気量を適正に制御することができる。
【０００７】
前記Ｓ／Ｃ制御部は、前記改質器に要求される燃料ガス生成量の変動量が所定値を超えた場合に、前記改質器に要求される燃料ガス生成量の増減方向の少なくとも一方と同方向に前記Ｓ／Ｃを変化させてもよい。この場合、要求される燃料ガス生成量の変動量が大きい場合にＳ／Ｃが制御される。
【０００８】
前記改質器におけるガス圧力を検出する圧力センサをさらに備え、前記Ｓ／Ｃ制御部は、前記改質器に要求される燃料ガス生成量の変動量が前記所定値以下でありかつ前記圧力センサが検出するガス圧力の変動量がしきい値を超えた場合に、前記改質器に供給される改質水流量および前記改質器に供給される原燃料流量の少なくともいずれか一方を周期的に変動させてもよい。この場合、改質水の突沸頻度を抑制することができる。前記Ｓ／Ｃ制御部は、前記圧力センサが検出するガス圧力の変動量が前記しきい値以下になった場合に、前記周期的な変動を停止してもよい。
【０００９】
前記改質器におけるガス圧力を検出する圧力センサと、前記改質器内の圧力を低減させる圧力低減手段と、をさらに備え、前記圧力低減手段は、前記改質器に要求される燃料ガス生成量の変動量が前記所定量以下でありかつ前記圧力センサが検出するガス圧力の変動量がしきい値を超えた場合に、前記改質器内の圧力を周期的に変動させてもよい。この場合、改質水の突沸頻度を抑制することができる。前記圧力低減手段は、前記圧力センサが検出するガス圧力の変動量が前記しきい値以下になった場合に、前記周期的な変動を停止してもよい。
【００１０】
前記ガス圧力の変動量は、前記圧力センサが検出するガス圧力の標準偏差であってもよい。前記Ｓ／Ｃ制御部は、前記Ｓ／Ｃを変化させた場合、所定時間経過後または前記Ｓ／Ｃ変化量が所定量に到達した際に、前記Ｓ／Ｃの狙い値を元の値に戻してもよい。前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池をさらに備え、前記改質器に要求される燃料ガス生成量は、前記燃料電池に要求される発電量と相関してもよい。前記燃料電池は、固体酸化物型燃料電池であってもよい。前記燃料電池のオフガスを燃焼させることによって得た熱を前記気化部に与える燃焼室をさらに備えていてもよい。
【００１１】
本発明に係る燃料改質システムの制御方法は、改質水を気化させる気化部と原燃料と前記気化部で気化した改質水との水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質部とを備える改質器を備える燃料改質システムにおいて、前記改質器に要求される燃料ガス生成量の増減方向の少なくとも一方と同方向に、前記改質器における前記原燃料中の炭素のモル数に対する水蒸気のモル数の比Ｓ／Ｃの狙い値を変化させるＳ／Ｃ制御ステップを含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料改質システムの制御方法においては、水蒸気量過剰および／または水蒸気不足を抑制することができる。したがって、水蒸気量を適正に制御することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、改質器に供給される水蒸気量を適正に制御することができる燃料改質システムおよび燃料改質システムの制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１に係る燃料改質システムを含む燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池の断面を含む部分斜視図である。
【図３】アノード圧力と改質水流量との関係を示す図であり、アノード圧力と改質水流量との関係をプロットしたグラフである。
【図４】発電電力が変化する際の、Ｓ／Ｃ比の変化の実験結果を説明するための図である。
【図５】燃料電池に要求される要求発電電力が変動する場合にＳ／Ｃ比を制御する際に実行されるフローチャートの一例を説明するための図である。
【図６】一般電気負荷の要求電力と、燃料電池に対する要求発電電力との関係を説明するための図である。
【図７】燃焼室における燃焼熱量を一定に保った状態で改質水供給量を徐増させた場合のアノード圧力の推移を示す図である。
【図８】液水の沸騰曲線を示す図である。
【図９】沸騰曲線の圧力に応じたシフトについて説明するための図である。
【図１０】突沸抑制制御を表すフローチャートの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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】
【００１５】
図１は、実施例１に係る燃料改質システムを含む燃料電池システム１００の全体構成を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、系統連系装置１１０、制御部１２０、および燃料電池装置１３０を備える。
【００１６】
系統連系装置１１０は、燃料電池装置１３０と一般電気負荷２００との間の電気的接続および切断を切り替える装置である。一般電気負荷２００は、系統電源および／または燃料電池装置１３０から電力供給を受ける。系統電源は、各家庭に供給される家庭用電源等であり、店舗、工場等に供給される業務用電源等であってもよい。一般電気負荷２００は、各家庭、店舗、工場等における電気負荷である。燃料電池装置１３０と一般電気負荷２００とが接続される際には、系統連系装置１１０は、内蔵されたインバータで燃料電池装置１３０の発電電力を交流電力に変換して一般電気負荷２００に供給する。
【００１７】
制御部１２０は、燃料電池装置１３０を制御する装置であり、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１２０は、一般電気負荷２００の要求電力から、燃料電池装置１３０に対する要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑを求め、燃料電池装置１３０に要求する発電電力指示値Ｐ＿ｆｃを求める。なお、要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑには燃料電池装置１３０の各補機の消費電力と系統連系装置１１０のインバータロスとが考慮されるため、要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑは一般電気負荷２００の要求電力よりも大きくなる。制御部１２０は、発電電力指示値Ｐ＿ｆｃに基づいて、燃料電池装置１３０の各部を制御する。詳細は後述する。
【００１８】
燃料電池装置１３０は、原燃料供給部１０、改質水供給部２０、酸化剤ガス供給部３０、改質器４０、燃焼室５０、燃料電池６０、熱交換器７０、凝縮水タンク８０、排気吸引ポンプ９０、および圧力センサ９１を備える。
【００１９】
原燃料供給部１０は、炭化水素等の原燃料を改質器４０に供給するための原燃料ポンプ１１、原燃料中の硫黄成分を除去する脱硫器１２等を含む。炭化水素の一例として、都市ガスを用いることができる。改質水供給部２０は、改質器４０における水蒸気改質反応に必要な改質水を貯蔵する改質水タンク２１、凝縮水タンク８０から必要な改質水を改質水タンク２１に供給するためのポンプ２２、改質水タンク２１に貯蔵された改質水を改質器４０に供給するための流量調節器２３等を含む。酸化剤ガス供給部３０は、燃料電池６０のカソード６１にエア等の酸化剤ガスを供給するためのエアポンプ等を含む。改質器４０は、改質水を気化させるための気化部４１、および、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成するための改質部４２を含む。燃料電池６０は、カソード６１とアノード６２とによって電解質６３が挟持された構造を有する。なお、図１では酸化剤ガス供給部３０および排気吸引ポンプ９０の両方が記載されているが、いずれか一方のみが設けられていてもよい。例えば、酸化剤ガス供給部３０のみを設けることによって、酸化剤ガスの圧送方式を実現することができる。また、排気吸引ポンプ９０のみを設けることによって、酸化剤ガスの吸引方式を実現することができる。
【００２０】
図２は、燃料電池６０の断面を含む部分斜視図である。図２に示すように、燃料電池６０は、平板柱状の全体形状を有する。ガス透過性を有する導電性支持体３１の内部に、軸方向（長手方向）に沿って貫通する複数の燃料ガス通路３２が形成されている。導電性支持体３１の外周面における一方の平面上に、燃料極３３、固体電解質３４、および酸素極３５がこの順に積層されている。酸素極３５に対向する他方の平面上には、接合層３６を介してインターコネクタ３７が設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層３８が設けられている。燃料極３３が図１のアノード６２として機能し、酸素極３５が図１のカソード６１として機能し、固体電解質３４が図１の電解質６３として機能する。なお、燃料電池６０は、図２に示す単セルが複数積層されたスタック構造を有していてもよい。
【００２１】
燃料ガス通路３２に水素を含む改質ガスが供給されることによって、燃料極３３に水素が供給される。一方、燃料電池６０の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極３５に酸素が供給される。それにより、酸素極３５及び燃料極３３において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、６００℃〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００２２】
酸素極３５の材料は、耐酸化性を有し、気体の酸素が固体電解質３４との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質３４は、酸素極３５から燃料極３３へ酸素イオンＯ２−を移動させる機能を有する。固体電解質３４は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質３４は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化／還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。燃料極３３は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有する材料によって構成される。インターコネクタ３７は、燃料電池６０同士を電気的に直列に接続するために設けられており、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。
【００２３】
例えば、酸素極３５は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質３４は、イオン導電性の高いＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）等によって形成される。燃料極３３は、電子導電性の高いＮｉとＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）との混合物等によって形成される。インターコネクタ３７は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したＬａＣｒＯ３等によって形成される。これらの材料は、熱膨張率が近いものが好適である。
【００２４】
続いて、図１を参照しつつ、燃料電池装置１３０の発電時の動作の概要を説明する。原燃料ポンプ１１は、制御部１２０の指示に従って必要量の原燃料ガスを改質器４０に供給する。この場合、脱硫器１２によって、原燃料ガス中の硫黄成分が除去される。
【００２５】
流量調節器２３は、制御部１２０の指示に従って必要量の改質水を改質器４０に供給する。改質器４０に供給された改質水は、気化部４１において燃焼室５０から受け取った熱によって蒸発気化し、改質部４２に供給される。改質部４２においては、燃焼室５０から受け取った熱を用いて、水蒸気と原燃料ガスとの間で水蒸気改質反応が生じる。それにより、水素を含有する燃料ガスが生成される。改質器４０において生成された燃料ガスは、燃料電池６０のアノード６２に供給される。酸化剤ガス供給部３０は、制御部１２０の指示に従って必要量の酸化剤ガスを燃料電池６０のカソード６１に供給する。それにより、燃料電池６０において発電が行われる。
【００２６】
カソード６１から排出された酸化剤オフガスおよびアノード６２から排出された燃料オフガスは、燃焼室５０に流入する。燃焼室５０においては、燃料オフガスの可燃成分が酸化剤オフガス中の酸素によって燃焼する。燃焼によって得られた熱は、改質器４０および燃料電池６０に与えられる。このように、燃料電池装置１３０においては、燃料オフガス中に含まれる水素、一酸化炭素等の可燃成分を燃焼室５０において燃焼させることができる。
【００２７】
熱交換器７０は、燃焼室５０から排出された排気ガスと熱交換器７０内を流れる水道水との間で熱交換する。熱交換によって排気ガスから得られた凝縮水は、凝縮水タンク８０に貯蔵される。熱交換によって加熱された水道水は、温水として貯湯槽に貯留される。ポンプ２２は、制御部１２０の指示に従って、凝縮水タンク８０に貯留された凝縮水を改質水タンク２１に供給する。排気吸引ポンプ９０は、制御部１２０の指示に従って、排気ガスを排気する。圧力センサ９１は、改質器４０内のガス圧力（以下、アノード圧力ともいう）を検出し、検出されたアノード圧力を制御部１２０に送信する。圧力センサ９１は、流量調節器２３からアノード６２までの配管のいずれの箇所に設けられていてもよい。制御部１２０は、圧力センサ９１から受け取ったアノード圧力に基づいて改質部４２に供給されている改質水流量を算出する。
【００２８】
ここで、アノード圧力と改質水流量との関係について説明する。図３は、アノード圧力と改質水流量との関係を示す図であり、アノード圧力と改質水流量との関係をプロットしたグラフである。図３において、白抜きで描かれた領域は白のプロットが重なった領域であり、過渡発電領域である。黒塗りのプロットで描かれた領域は、定常発電領域である。図３において、横軸はアノード圧力を示し、縦軸は改質水流量を示す。図３を参照して、改質水流量は、アノード圧力と線形の関係にある。したがって、アノード圧力に基づいて、改質部４２に供給されている改質水流量を推定することができる。この場合、水蒸気流量計等の高価は機器を用いなくてもよい。それにより、コストを抑制することができる。
【００２９】
次に、改質部４２におけるＳ／Ｃ比について説明する。Ｓ／Ｃ比とは、改質部４２に供給される原燃料中の炭素のモル数に対する水蒸気のモル数の比である。したがって、Ｓ／Ｃ比が高い場合には、改質部４２に供給される水蒸気が原燃料に対して多くなり、Ｓ／Ｃ比が低い場合には、改質部４２に供給される水蒸気が原燃料に対して少なくなる。
【００３０】
Ｓ／Ｃ比が過小となると、原燃料中の炭素が改質部４２の改質触媒、アノード６２の構成成分（例えばニッケル）と反応する。改質触媒が炭素と反応すると、改質触媒の触媒としての機能が低下する。それにより、改質部４２の改質効率が低下する。また、炭素とアノード６２の構成成分とが反応すると、例えばＮｉＣが生成され、アノード６２が膨張する。この場合、燃料電池６０に亀裂が生じて燃料ガスがリークするおそれがある。それにより、燃料電池６０の発電性能が低下する。
【００３１】
一方で、Ｓ／Ｃ比が過大となると、過剰水蒸気がアノード６２の水素経路を閉塞する。この場合、アノード６２の三相界面において水素が不足するとともに、酸素が過剰となる。それにより、アノード６２の構成成分（例えばニッケル）が酸素と反応することによって酸化物が生成され、アノード６２の電子伝導機能が低下する。また、該酸化物の生成に伴ってアノード６２が膨張する。該酸化物が水素によって還元されると、アノード６２が収縮する。この膨張および収縮が繰り返されることによって、燃料電池６０に亀裂が生じて燃料ガスがリークするおそれがある。それにより、燃料電池６０の発電性能が低下する。
【００３２】
以上のことから、Ｓ／Ｃ比は、適正範囲に制御されることが好ましい。ところで、上記の燃料電池装置１３０においては、水蒸気改質反応に用いる水蒸気として、改質水タンク２１の改質水を気化部４１において気化させたものを用いている。改質器４０に所望量の燃料ガスを発生させるためには、改質器４０に要求される燃料ガス生成量に見合った水蒸気量が必要であり、この水蒸気量を生成するための熱量が必要である。必要量の水蒸気量を生成するために上記のような複数段の工程が必要となるため、水蒸気生成の際の応答遅れは、原燃料供給および酸化剤ガス供給に比べて大きくなる。以上のことから、改質器４０に要求される燃料ガス生成量が増加する際には、水蒸気量が不足してＳ／Ｃ比が過小となる傾向があり、改質器４０に要求される燃料ガス生成量が低下する際には、水蒸気量が過剰となってＳ／Ｃ比が過大となる傾向がある。なお、改質器４０に要求される燃料ガス生成量は、燃料電池６０に要求される要求発電電力と相関する。すなわち、改質器４０に要求される燃料ガス生成量は、燃料電池６０に要求される要求発電電力によって決定される。
【００３３】
図４は、発電電力が変化する際の、Ｓ／Ｃ比の変化の実験結果を説明するための図である。図４において、横軸は経過時間を示し、縦軸は燃料電池６０の発電電力および改質部４２におけるＳ／Ｃ比を示す。なお、図中において、Ｓ／Ｃ制御狙い値と、過剰Ｓ／Ｃ兆候判定値と、過小Ｓ／Ｃ兆候判定値とが示されている。過剰Ｓ／Ｃ兆候判定値は、Ｓ／Ｃ比が過剰となっているか否かを判定するためのしきい値である。過小Ｓ／Ｃ兆候判定値は、Ｓ／Ｃ比が過小となっているか否かを判定するためのしきい値である。図中のＳ／Ｃは、原燃料ポンプ１１の制御値と圧力センサ９１の検出値とか推定したものである。
【００３４】
図４を参照して、発電電力が急激に増加すると、Ｓ／Ｃ比は過小Ｓ／Ｃ兆候判定値を下回るようになる。発電電力の変化率が小さくなると、Ｓ／Ｃ比は過剰Ｓ／Ｃ兆候判定値と過小Ｓ／Ｃ兆候判定値との間の範囲内の値となる。発電電力が急激に低下すると、Ｓ／Ｃ比は過大Ｓ／Ｃ兆候判定値を上回るようになる。以上のように、実験結果においても、要求発電電力が増加する際にＳ／Ｃ比が過小となり、要求発電電力が低下する際にはＳ／Ｃ比が過大となることが確認された。
【００３５】
そこで、本実施例においては、燃料電池６０に要求される要求発電電力の増減方向の少なくとも一方と同方向に、Ｓ／Ｃ制御狙い値（目標値）を変化させる。それにより、水蒸気量を適正に制御することができる。例えば、燃料電池６０に要求される要求発電電力が増加する場合には、Ｓ／Ｃ制御狙い値を増加させる。それにより、水蒸気量の応答遅れが抑制され、水蒸気が不足することを抑制することができる。また、燃料電池装置１３０に要求される要求発電電力が減少する場合には、Ｓ／Ｃ制御狙い値を減少させる。それにより、水蒸気量の応答遅れが抑制され、水蒸気が過剰になることを抑制することができる。
【００３６】
なお、燃料電池装置１３０に要求される要求発電電力の増減方向の両方に合わせて、Ｓ／Ｃ制御狙い値を増減させてもよい。この場合には、要求発電電力が増減方向にいずれに変動しても、水蒸気量を適正に制御することができる。Ｓ／Ｃ比は、流量調節器２３による改質水供給量および原燃料ポンプ１１による原燃料供給量の少なくとも一方を制御することによって制御することができる。したがって、本実施例においては、制御部１２０、原燃料ポンプ１１および流量調節器２３がＳ／Ｃ制御部として機能する。ただし、水蒸気の過不足抑制の観点から、流量調節器２３による改質水供給量を制御することによってＳ／Ｃ比を制御することが好ましい。
【００３７】
図５（ａ）は、燃料電池６０に要求される要求発電電力が変動する場合にＳ／Ｃ比を制御する際に実行されるフローチャートの一例を説明するための図である。図５（ａ）のフローチャートは、周期的に実行され、例えば１秒ごとに実行される。図５（ａ）を参照して、まず。制御部１２０は、一般電気負荷２００の要求電力から、燃料電池６０に対する要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑを求める（ステップＳ１）。
【００３８】
次に、制御部１２０は、要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑの変動値｜ΔＰ＿ｒｅｑ｜が判定値ΔＰ＿ｒｅｑ＿ｒｅｆより大きいか否かを判定する（ステップＳ２）。変動値｜ΔＰ＿ｒｅｑ｜は、今回のフローチャート実行時の要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑと前回のフローチャート実行時の要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑとの差分の絶対値である。判定値ΔＰ＿ｒｅｑ＿ｒｅｆは要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑの変動が大きいか否かを判定するための判定しきい値であり、例えば１０Ｗ／ｓ程度である。ステップＳ２の実行によって、要求発電電力が大きく変動しているか否かを判定することができる。言い換えれば、要求発電電力が小さい場合の不要なＳ／Ｃ制御を回避することができる。
【００３９】
ステップＳ２において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１２０は、ΔＰ＿ｒｅｑが正の値であるか否かを判定する（ステップＳ３）。ステップＳ３の実行によって、要求発電電力が増加しているのか減少しているのかを判定することができる。ステップＳ３において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１２０は、Ｓ／Ｃ比の狙い値ｓｂｙｃを狙い値ｓｂｙｃ＿ｕｐに設定する（ステップＳ４）。狙い値ｓｂｙｃ＿ｕｐは、要求発電電力の変動が小さい場合の通常狙い値ｓｂｙｃ＿ｓｔｄ（例えば２．５）よりも大きい値（例えば３．０）である。ステップＳ４の実行によって、要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑの変動方向に合わせてＳ／Ｃ狙い値を変動させることができる。
【００４０】
次に、制御部１２０は、圧力センサ９１の検出結果に基づいて得られる推定Ｓ／Ｃ比ｓｂｙｃ＿ｐが過小Ｓ／Ｃ兆候判定値ｓｂｙｃ＿ｌｗｒよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ５）。過小Ｓ／Ｃ兆候判定値ｓｂｙｃ＿ｌｗｒは、通常狙い値ｓｂｙｃ＿ｓｔｄよりも小さい値であり、例えば２．０である。ステップＳ５の実行によって、現状のＳ／Ｃ比が適正範囲にあるか否かを判定することができる。ステップＳ５において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１２０は、発電電力指示値Ｐ＿ｆｃを、要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑから発電抑制電力ΔＰ＿ｆcを差し引いた値に設定する（ステップＳ６）。ステップＳ６の実行によって、燃料電池６０の発電電力を一時的に減少させることができる。それにより、水蒸気不足を抑制することができる。
【００４１】
次に、制御部１２０は、発電電力指示値Ｐ＿ｆｃに基づいて、原燃料流量Ｑｆを求め、改質器４０に供給される原燃料流量が原燃料流量Ｑｆになるように原燃料ポンプ１１を制御する（ステップＳ７）。ステップＳ７の実行によって、Ｓ／Ｃ比を適正範囲に制御するための原燃料流量を実現することができる。図５（ｂ）は、発電電力指示値Ｐ＿ｆｃと原燃料流量Ｑｆとの関係を説明するための図である。図５（ｂ）に示すように、原燃料流量Ｑｆは、発電電力指示値Ｐ＿ｆｃの増加に伴って増加する。ただし、発電電力指示値Ｐ＿ｆｃが小さい場合には原燃料流量Ｑｆは一定である。また、原燃料流量Ｑｆは、発電電力指示値Ｐ＿ｆcの増加に伴って増加するが、原燃料流量Ｑｆの増加率は、発電電力指示値Ｐ＿ｆｃの増加に伴って小さくなる。
【００４２】
次に、制御部１２０は、酸化剤ガス流量Ｑａを下記式（１）に従って求め、カソード６１に供給される酸化剤ガス流量が酸化剤ガス流量Ｑａになるように酸化剤ガス供給部３０を制御する（ステップＳ８）。ステップＳ８の実行によって、酸化剤ガス流量を、要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑに応じた流量に制御することができる。なお、下記式（１）において、「λ」は空気過剰率（例えば１．８）であり、「ｓｔｃ」は理論混合比である。
Ｑａ＝Ｑｆ×λ×ｓｔｃ／０．２１  （１）
【００４３】
次に、制御部１２０は、原燃料流量ＱｆにＳ／Ｃ比の狙い値ｓｂｙｃを掛け合わせることによって、改質器４０に供給される改質水流量Ｑｗを求め、改質器４０に供給される改質水流量が改質水流量Ｑｗになるように流量調節器２３を制御する（ステップＳ９）。ステップＳ９の実行によって、水蒸気量を適正に制御することができる。その後、制御部１２０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４４】
ステップＳ３において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部１２０は、Ｓ／Ｃ比の狙い値ｓｂｙｃを狙い値ｓｂｙｃ＿ｄｎに設定する（ステップＳ１０）。狙い値ｓｂｙｃ＿ｄｎは、要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑの変動が小さい場合の通常狙い値ｓｂｙｃ＿ｓｔｄ（例えば２．５）よりも小さい値（例えば１．０）である。ステップＳ１０の実行によって、要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑの変動方向に合わせてＳ／Ｃ狙い値を変動させることができる。
【００４５】
次に、制御部１２０は、発電電力指示値Ｐ＿ｆｃを要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑに設定する（ステップＳ１１）。次に、制御部１２０は、ステップＳ７〜ステップＳ９を実行する。なお、ステップＳ５において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部１２０は、ステップＳ１１およびステップＳ７〜ステップＳ９を実行する。
【００４６】
ステップＳ２において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部１２０は、圧力センサ９１の検出結果から得られる推定Ｓ／Ｃ比ｓｂｙｃ＿ｐが、過小Ｓ／Ｃ兆候判定値ｓｂｙｃ＿ｌｗｒと過大Ｓ／Ｃ兆候判定値ｓｂｙｃ＿ｕｐｒとの間にあるか否かを判定する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２の実行によって、改質部４２におけるＳ／Ｃ比が適正範囲にあるか否かを判定することができる。ステップＳ１２において「Ｎｏ」と判定された場合、制御部１２０は、ステップＳ３を実行する。
【００４７】
ステップＳ１２において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１２０は、Ｓ／Ｃ比の狙い値ｓｂｙｃを通常狙い値ｓｂｙｃ＿ｓｔｄに設定する（ステップＳ１３）。次に、制御部１２０は、発電電力指示値Ｐ＿ｆｃを要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑに設定する（ステップＳ１４）。その後、制御部１２０は、ステップＳ７〜ステップＳ９を実行する。
【００４８】
図５（ａ）のフローチャートによれば、燃料電池装置１３０に要求される要求発電電力の増減方向に合わせて、Ｓ／Ｃ比の狙い値を増減させることができる。それにより、改質器４０に供給される水蒸気量の応答遅れを抑制することができる。その結果、水蒸気量を適正に制御することができる。
【００４９】
図６は、一般電気負荷２００の要求電力と、燃料電池６０に対する要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑとの関係を説明するための図である。図６において、横軸は経過時間を示し、縦軸は電力を示す。燃料電池装置１３０における補機消費電力および系統連系装置１１０のインバータにおけるロスを考慮して、燃料電池６０に対する要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑは、一般電気負荷２００の要求電力よりも大きくなる。
【００５０】
図６を参照して、一般電気負荷２００の要求電力が大きくなるにつれて、燃料電池６０に対する要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑも大きくなる。ただし、系統連系装置１１０におけるインバータ効率の最大点が燃料電池６０の出力定格点に設定されている場合には、一般電気負荷２００の要求電力が大程、一般電気負荷２００の要求電力と要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑとの差が小さくなるように要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑが設定される。
【００５１】
なお、図５（ａ）のフローチャートによれば、燃料電池６０に対する要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑが増加する際には発電電力指示値Ｐ＿ｆｃは発電抑制電力ΔＰ＿ｆｃ分だけ小さく設定されるため、発電電力指示値Ｐ＿ｆｃは、要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑよりも小さくなる。
【００５２】
なお、制御部１２０は、ステップＳ４またはステップＳ１０において要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑの変動に伴ってＳ／Ｃ狙い値を変化させた場合、所定時間経過後またはＳ／Ｃ変化量が所定量に到達した際にＳ／Ｃ狙い値を元に戻してもよい。Ｓ／Ｃ変化量が所定量に到達したか否かは、圧力センサ９１の検出結果に基づいて判断することができる。また、制御部１２０は、上記所定時間を、要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑの変動幅が大きいほど長くなるように補正してもよい。また、制御部１２０は、要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑの変動幅に応じた補正制御結果と制御期待値との偏差に基づく学習値に基づいて、上記所定期間を決定してもよい。
【００５３】
また、制御部１２０は、ステップＳ１２で改質部４２におけるＳ／Ｃ比が適正範囲にないと判定してＳ／Ｃ狙い値を変化させた場合、Ｓ／Ｃ比が所定時間以上継続して適正範囲に復帰した場合に、Ｓ／Ｃ狙い値を元に戻してもよい。この場合、制御部１２０は、ローパスフィルタを用いて圧力センサ９１の検出結果の短時間の変動を排除してもよい。改質水の突沸等の瞬間的な変動による誤制御を回避することができるからである。
【００５４】
（突沸について）
次に、改質水の気化（沸騰）について説明する。上述したように、改質水は、気化部４１において気化する。改質水の気化状態が突沸に移行すると、アノード圧力が急激に変動することがある。この場合、圧力センサ９１を用いた改質水流量の検出が困難となる。すなわち、圧力センサ９１を用いたＳ／Ｃ比の検出が困難となる。したがって、改質水の突沸をできるだけ回避することが好ましい。
【００５５】
図７は、燃焼室５０における燃焼熱量を一定に保った状態で改質水供給量を徐増させた場合のアノード圧力の推移を示す図である。図７において、横軸は経過時間を示し、縦軸はＳ／Ｃ比、アノード圧力、アノード圧力変動指標、および燃焼部熱量を示す。なお、右側の縦軸にＳ／Ｃ比の値が示されている。アノード圧力変動指標は、前回計測されたアノード圧力と今回計測されたアノード圧力との差の標準偏差（図７では、サンプル数ｎ＝５０）のことである。燃焼部熱量は、燃焼室５０における燃焼熱のことである。
【００５６】
図７に示すように、Ｓ／Ｃ比が小さい場合にはアノード圧力変動指標も小さくなっており、Ｓ／Ｃ比が所定値よりも大きくなるとアノード圧力変動指標が所定値以上となり、さらにＳ／Ｃ比が所定値よりも大きくなるとアノード圧力変動指標が急激に低下する。したがって、Ｓ／Ｃ比が所定値範囲（改質水供給量が所定範囲）にある場合においては、突沸が生じていることがわかる。一方で、Ｓ／Ｃ比によっては突沸を回避することができることがわかる。
【００５７】
ここで、液水の沸騰曲線について説明する。図８は、液水の沸騰曲線を示す図であり、液水内の伝熱面の温度Ｔｗと熱流束Ｑとの関係を示す実験結果である。図８において、横軸は伝熱面Ｔｗと飽和温度Ｔｓａｔとの差ΔＴｓａｔ＝Ｔｗ−Ｔｓａｔの対数値（過熱度ｌｏｇΔＴｓａｔ）を示し、縦軸は熱流束Ｑを示す。熱流束Ｑは、液水が水蒸気となって持ち去る熱量のことである。
【００５８】
図８を参照して、伝熱面の温度が低い場合には、沸騰は起こらず、液水は自然滞留による熱伝達に支配される。伝熱面温度が次第に上昇してΔＴｓａｔが大きくなると、点Ｐ２において沸騰が開始する。以後、熱流束Ｑは急激に上昇し、点Ｐ２〜点Ｐ３間でほぼ直線的に上昇する。点Ｐ３を越えると熱流束Ｑの上昇は鈍化し、限界熱流束点（ＣＨＦ：Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｈｅａｔ  Ｆｌｕｘ  Ｐｏｉｎｔ）に達する。図８では、限界熱流束点は、点Ｐ４で表されている。
【００５９】
点Ｐ２〜点Ｐ４間では、蒸気泡がほぼ定点から断続的に発生する。この蒸気泡を発生する特定の点を発泡点と称する。発泡点の数は、熱流束の大小に応じて増減する。点Ｐ２〜点Ｐ４間の沸騰の特徴は発泡点からの蒸気泡の発生にある。点Ｐ２〜点Ｐ４間での沸騰を、核沸騰と称する。点Ｐ３辺りになると、発泡点の数が増えるとともに、気泡発生の周期が短くなり、激しく発生する気泡は互いに合体して伝熱面を一部覆うようになる。
【００６０】
ΔＴｓａｔをさらに大きくすると、巨大気泡が発生し、この巨大気泡がさらに加熱されて破裂し、系の圧力が上昇する。この状態を突沸（またはバーンアウト）と称する。この突沸の状態では、液水の状態は、点Ｐ４〜点Ｐ５〜点Ｐ６〜点Ｐ７間を瞬時に行き来している。突沸が生じれば、水蒸気生成量がばらつくことになる。この場合、圧力センサ９１を用いたＳ／Ｃ比の制御が困難になる。
【００６１】
なお、伝熱面が１００℃近傍である場合に、水滴の寿命が最も短くなる。これに対して、さらに伝熱面が上昇して突沸が生じると、水滴の寿命が長くなる。これは、突沸の際に巨大気泡の生成、破裂、気化等の工程を経るからであると考えられる。このように、突沸に起因して、圧力センサ９１を用いたＳ／Ｃ比の制御が困難になる。したがって、圧力センサ９１を用いてＳ／Ｃ比をより正確に制御するためには、改質水に突沸させないことが好ましい。
【００６２】
そこで、本実施例においては、改質器４０に供給される改質水流量および改質器４０に供給される原燃料流量の少なくともいずれか一方を周期的に変動させることによって、突沸頻度を抑制する。なお、図８で示した沸騰曲線は、液水がさらされる圧力に応じてシフトする。具体的には、図９に示すように、沸騰曲線は、液水がさらされる圧力が増大すると低温側にシフトし、液水がさらされる圧力が低下すると高温側にシフトする。このような結果から、改質器４０内の圧力を周期的に変動させることによって、突沸頻度を抑制することもできる。したがって、改質器４０に供給される改質水流量、改質器４０に供給される原燃料流量、および改質器４０内の圧力の少なくともいずれかを周期的に変動させることによって、突沸頻度を抑制することができる。
【００６３】
図１０は、突沸抑制制御を表すフローチャートの一例を示す図である。図１０のフローチャートは、Ｓ／Ｃ比を狙い値から変動させない場合に実行され、例えば、図５（ａ）のステップＳ２において要求発電電力Ｐ＿ｒｅｑの変動値｜ΔＰ＿ｒｅｑ｜が判定値ΔＰ＿ｒｅｑ＿ｒｅｆより大きいと判定されなかった場合に実行される。また、図１０のフローチャートは周期的に実行され、例えば１秒ごとに実行される。
【００６４】
図１０を参照して、制御部１２０は、圧力センサ９１から燃料ガスの圧力ｐ＿ａｎｄを読み込む（ステップＳ２１）。次に、制御部１２０は、アノード圧力変動σ＿ｐ＿ａｎｄを算出する（ステップＳ２２）。アノード圧力変動σ＿ｐ＿ａｎｄは、例えば５０個のｐ＿ａｎｄのサンプルの標準偏差である。次に、制御部１２０は、アノード圧力変動σ＿ｐ＿ａｎｄが突沸判定値σ＿ｒｅｆ（例えば、０．１５ｋＰａ程度）を上回っているか否かを判定する（ステップＳ２３）。ステップＳ２３の実行によって、改質水の突沸が生じているか否かを判定することができる。
【００６５】
ステップＳ２３において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部１２０は、制御対象補正係数ｋが１．０を上回っているか否かを判定する（ステップＳ２４）。ステップＳ２４において「Ｙｅｓ」と判定された場合、改質水流量の増量制御中であるため、制御部１２０は、制御対象補正係数ｋに減量側補正係数ｋ＿ｌを代入する（ステップＳ２５）。減量側補正係数ｋ＿ｌは、「１．０」未満の値であり、例えば「０．８」である。
【００６６】
次に、制御部１２０は、下記式（２）に従って改質水流量Ｑｗを求め、改質器４０に供給される改質水流量が改質水流量Ｑｗになるように流量調節器２３を制御する（ステップＳ２６）。なお、下記式（２）においてＱｗ＿ｂａｓｅは、Ｓ／Ｃ比を狙い値に制御するための改質水流量である。その後、制御部１２０は、フローチャートの実行を終了する。
Ｑｗ＝ｋ×Ｑｗ＿ｂａｓｅ  （２）
【００６７】
ステップＳ２４において「Ｎｏ」と判定された場合、改質水流量の減量制御中であるため、制御部１２０は、制御対象補正係数ｋに増量側補正係数ｋ＿ｈを代入する。増量側補正係数ｋ＿ｈは、「１．０」を上回る値であり、例えば「１．２」である。次に、制御部１２０は、ステップＳ２６を実行し、フローチャートの実行を終了する。
【００６８】
図１０のフローチャートは周期的に実行されるため、改質水流量を周期的に増減させることができる。それにより、突沸頻度を抑制することができる。また、アノード圧力の変動がなくなるまで繰り返されることから、突沸を回避することができる。なお、改質器４０へ供給される原燃料流量を周期的に増減させる場合には、ステップＳ２６におけるＱｗ＿ｂａｓｅを、原燃料流量に置き換えればよい。また、アノード圧力を周期的に増減させる場合には、ステップＳ２６におけるＱｗ＿ｂａｓｅを排気吸引ポンプ９０による吸引量に置き換えればよい。
【００６９】
なお、突沸頻度をより抑制するために、改質器４０に供給される改質水流量、改質器４０に供給される原燃料流量、および改質器４０内の圧力を変動させる場合の周期および変動幅を変化させてもよい。また、突沸判定値σ＿ｒｅｆにヒステリシスを設定してもよい。例えば、ステップＳ２３における「Ｙｅｓ」と判定されるまでは突沸判定値σ＿ｒｅｆを高め（例えば０．１５ｋＰａ）に設定しておいて不要な制御を抑制し、ステップＳ２３において一旦「Ｙｅｓ」と判定された後は突沸判定値σ＿ｒｅｆを低め（例えば０．１０ｋＰａ）に設定して突沸をより確実に回避してもよい。
【００７０】
上記実施例は、固体高分子型、固体酸化物型、炭酸溶融塩型等の他のいずれのタイプの燃料電池にも適用可能である。ただし、固体酸化物型燃料電池は、内部改質機能を有していることから、改質部の構造が簡素で済むという性質を有している。したがって、固体酸化物型燃料電池を用いる場合、改質部の後段の容積を利用して突沸圧力を抑制されなくなる傾向がある。したがって、上記実施例に係る構造は、固体酸化物型燃料電池に対して特に有効である。
【符号の説明】
【００７１】
１０  原燃料供給部
１１  原燃料ポンプ
１２  脱硫器
２０  改質水供給部
２１  改質水タンク
２２  ポンプ
２３  流量調節器
３０  酸化剤ガス供給部
４０  改質器
４１  気化部
４２  改質部
５０  燃焼室
６０  燃料電池
６１  カソード
６２  アノード
６３  電解質
７０  熱交換器
８０  凝縮水タンク
９０  排気吸引ポンプ
９１  圧力センサ
１００  燃料電池システム
１１０  系統連系装置
１２０  制御部
１３０  燃料電池装置
【図１】
2012218947.tif 000003
【図２】
2012218947.tif 000004
【図３】
2012218947.tif 000005
【図４】
2012218947.tif 000006
【図５】
2012218947.tif 000007
【図６】
2012218947.tif 000008
【図７】
2012218947.tif 000009
【図８】
2012218947.tif 000010
【図９】
2012218947.tif 000011
【図１０】
2012218947.tif 000012