(57)【要約】【課題】燃料電池の発電動作時の負荷変動に際し、改質器におけるＳ／Ｃの不安定化を防止し、信頼性の高い燃料電池システムを提供する【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池１０と、改質器１１と、改質器１１に原燃料ガスを送り出す燃料ポンプ２４と、改質器１１に水を送り出す水ポンプ２２と、原燃料ガス管路２６における原燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段２７と、燃料電池１０の動作状態に応じて燃料ポンプ２４における原燃料ガス流量と水ポンプ２２における水流量とを制御する制御手段２０とを備えて構成される。制御手段２０は、燃料電池１０の動作状態に応じて、燃料電池１０に導入すべき燃料ガスの導入量の変化に対し、原燃料ガス流量と水流量とを変更する際、圧力検出手段２７により検出された圧力の変動量に基づいて水流量に対する補正値を算出し、その補正値を用いて水流量の目標値を更新制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスを用いて電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、
炭化水素を含む原燃料ガスを水蒸気により改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器に原燃料ガス管路を介して前記原燃料ガスを送り出す燃料ポンプと、
前記改質器に水を送り出す水ポンプと、
前記原燃料ガス管路における前記原燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
少なくとも、前記燃料電池の動作状態に応じて前記燃料ポンプにおける原燃料ガス流量と前記水ポンプにおける水流量とを制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の動作状態に応じて、前記燃料電池に導入すべき燃料ガスの導入量の変化に対し、前記原燃料ガス流量と前記水流量とを変更する際、前記圧力検出手段により検出された前記圧力の変動量に基づいて前記水流量に対する補正値を算出し、当該補正値を用いて前記水流量の目標値を更新制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ポンプの出力側の前記原燃料ガス流量を検出する流量検出手段を更に備え、
前記補正値は、前記流量検出手段の検出値と前記圧力の変動量とに基づいて算出され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】
前記補正値は、所定の時間間隔で得られた前記圧力の変動量の差分値に対応することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記改質器における前記燃料ガスの生成量を減少させるために前記原燃料ガス流量と前記水流量とを減少方向に変更する際、前記補正値を用いて前記水流量の目標値を更新制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、さらに、前記改質器における前記燃料ガスの生成量を増加させるために前記原燃料ガス流量と前記水流量とを増加方向に変更する際、前記補正値を用いて前記水流量の目標値を更新制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
酸化剤ガスと燃料ガスを用いて電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、
炭化水素を含む原燃料ガスを水蒸気により改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器に原燃料ガス管路を介して前記原燃料ガスを送り出す燃料ポンプと、
前記改質器に水を送り出す水ポンプと、
前記原燃料ガス管路における前記原燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
を備えた燃料電池システムの制御方法において、
前記燃料電池の動作状態に応じて、前記燃料電池に導入すべき燃料ガスの導入量を算出し、
算出された前記導入量に対して前記原燃料ガス流量と前記水流量とを設定し、
前記圧力検出手段により検出された前記圧力の変動量を判別し、当該変動量に基づいて前記水流量に対する補正値を算出し、
前記補正値を用いて前記水流量の目標値を更新制御する、
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項７】
前記補正値は、所定の時間間隔で得られた前記圧力の変動量の差分値に対応することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項８】
前記改質器における前記燃料ガスの生成量を減少させるために前記原燃料ガス流量と前記水流量とを減少方向に変更する際、前記補正値を用いて前記水流量の目標値を更新制御することを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
さらに、前記改質器における前記燃料ガスの生成量を増加させるために前記原燃料ガス流量と前記水流量とを増加方向に変更する際、前記補正値を用いて前記水流量の目標値を更新制御することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池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、酸化剤ガスと燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、原燃料ガスを水蒸気により改質して燃料ガスを生成する改質器を具備する燃料電池システム及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池を具備する燃料電池システムを家庭等に設置する場合、電力会社等の電力供給網に燃料電池を接続して使用する形態が一般的である。通常、家庭等における電力消費量は時間に応じて変動するため、高い電力負荷から低い電力負荷に移行する際に、燃料電池による発電出力が電力供給網に流れる逆潮流を防止する必要がある。燃料電池における逆潮流を防止するため、電力負荷の低下を検知したとき、燃料電池の発電量を即座に減少させ、発電に寄与しなかったガスを燃焼させる制御が行われる。このときの燃焼熱が過剰にならないようにするため、改質器に原燃料ガス及び水を送るための燃料ポンプ及び水ポンプのそれぞれの流量を連動して低減させる必要がある。また、電力負荷の移行時に限らず、通常の運転時に改質器におけるガス流量を増減制御する際、Ｓ／Ｃ（スチームカーボン比）を適正な範囲内に保つためには、燃料ポンプ及び水ポンプのそれぞれの流量を連動して変化させる手法が採用される。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ポンプの駆動量と圧力から流量値を推定することで流量計を不要とした制御手法が開示されている。また例えば、特許文献２には、燃料電池で消費される燃料ガス流量と、燃料ガスの圧力を目標値の変化率に基づいて上昇させるために必要な流量とをそれぞれ演算し、両方の演算結果に基づいて燃料ガスの供給量を制御する手法が開示されている。また例えば、特許文献３には、反応ガスの実圧と目標圧との差が小さくなるようにフィードバック制御を行うことで、実圧及び反応ガスの消費速度が適正な範囲になるように補正を行う手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１９５７４号公報
【特許文献２】特開２００８−４７３２９号公報
【特許文献３】特開２００７−１５７５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、燃料電池において、燃料ポンプが送り出す原燃料ガスは膨張収縮しやすい気体であるため、燃料ガス管路内のスペース（バッファ部分）に滞留し、燃料ポンプの流量を低減させたとしても圧力が残存するため（残圧）、その分だけ余分に原燃料ガスが改質器に供給されてしまう。一方、改質器における改質に用いる水蒸気は、水ポンプからは膨張収縮がほとんどない水として送り出される。よって、水ポンプの流量を低減させたとき、水管路内を介して改質器に供給される水量は即座に応答する。従って、例えば、燃料電池の電力負荷が急激に低下した状況で、逆潮流を防止するために改質器における原燃料ガス流量と水流量の両方を同時に低下させる制御を行う際、水流量のみが急減し、原燃料ガスは上記残圧によって過剰に改質器に供給されることになり、改質器におけるＳ／Ｃが低下するという問題があった。このような問題に対し、上記特許文献１〜３に開示された手法を適用したとしても、負荷変動時の原燃料ガス管路における残圧の影響を反映してＳ／Ｃを安定化させる制御は実現できない。また、原燃料ガスの流量を計測する流量計を設け、その計測値を用いて制御を行ったとしても、改質器と流量計の間の燃料ガス管路がバッファ部分となって残圧の影響を受けるため、同様の問題がある。仮に、バッファ部分の容積低減を目的として流量計を改質器の近傍に配置したとしても、改質器の発熱によって流量計の耐熱が持たないという問題もある。
【０００６】
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、燃料電池の発電動作時に改質器に供給される原燃料ガス流量と水流量を変更する際、原燃料ガス管路における残圧の影響によるＳ／Ｃの不安定化を防止し、信頼性の高い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】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスを用いて電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、炭化水素を含む原燃料ガスを水蒸気により改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器に原燃料ガス管路を介して前記原燃料ガスを送り出す燃料ポンプと、前記改質器に水を送り出す水ポンプと、前記原燃料ガス管路における前記原燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、少なくとも、前記燃料電池の動作状態に応じて前記燃料ポンプにおける原燃料ガス流量と前記水ポンプにおける水流量とを制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記燃料電池の動作状態に応じて、前記燃料電池に導入すべき燃料ガスの導入量の変化に対し、前記原燃料ガス流量と前記水流量とを変更する際、前記圧力検出手段により検出された前記圧力の変動量に基づいて前記水流量に対する補正値を算出し、当該補正値を用いて前記水流量の目標値を更新制御することを特徴としている。
【０００８】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電動作時に改質器で用いる原燃料ガス及び水のそれぞれの流量を制御する場合、例えば、燃料電池の負荷変動等により発電出力が増加又は減少したとき、原燃料ガスの圧力の変動量に応じて水流量に対する補正値を算出し、その補正値を用いて更新制御される目標値に応じて水ポンプにおける水流量を制御する。よって、燃料電池の発電出力が増減するとき、原燃料ガス管路のバッファ部に原燃料ガスが滞留し、その残圧の影響で改質器への原燃料ガスの供給量が速やかに変化しない状況であっても、水流量のみが速やかに変化することなく、原燃料ガス流量と連動させてバランスよく制御することが可能となる。従って、改質器におけるＳ／Ｃ（スチームカーボン比）が適正な範囲から逸脱することを防止でき、燃料電池システムの信頼性を高めることができる。
【０００９】
本発明において、前記燃料ポンプの出力側の前記原燃料ガス流量を検出する流量検出手段を更に設けてもよく、この場合には、前記補正値を、前記流量検出手段の検出値と前記圧力の変動量とに基づいて算出することができる。また、前記補正値は、所定の時間間隔で得られた前記圧力の変動量の差分値に対応させることができる。この場合、前記補正値を用いて更新制御される前記水流量の目標値は、前記差分値に応じた階段状の波形で増加又は減少していく。
【００１０】
前記制御手段は、前記補正値を用いて前記水流量の目標値を更新制御する際、前記改質器における前記燃料ガスの生成量を減少／増加させるため、前記原燃料ガス流量と前記水流量とを減少方向に変更する制御及び増加方向に変更する制御の両方を行うことができる。ただし、前記原燃料ガス流量と前記水流量とを減少方向に変更する制御は、改質器におけるＳ／Ｃの低下を抑制する場合に必要であるため、かかる制御のみを行ってもよい。これにより、Ｓ／Ｃの低下に起因する改質触媒の劣化やアノード電極の劣化を防止することが可能となる。なお、前記原燃料ガス流量と前記水流量とを増加方向に変更する制御は、改質器におけるＳ／Ｃの上昇を抑制する場合に必要であり、かかる制御により、燃料電池の発電効率の低下や温度低下などを防止することが可能となる。
【００１１】
また、上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムの制御方法は、酸化剤ガスと燃料ガスを用いて電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、炭化水素を含む原燃料ガスを水蒸気により改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器に原燃料ガス管路を介して前記原燃料ガスを送り出す燃料ポンプと、前記改質器に水を送り出す水ポンプと、前記原燃料ガス管路における前記原燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、を備えた燃料電池システムに対し、前記燃料電池の動作状態に応じて、前記燃料電池に導入すべき燃料ガスの導入量を算出し、算出された前記導入量に対して前記原燃料ガス流量と前記水流量とを設定し、前記圧力検出手段により検出された前記圧力の変動量を判別し、当該変動量に基づいて前記水流量に対する補正値を算出し、前記補正値を用いて前記水流量の目標値を更新制御することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電出力の増減時に改質器に供給される原燃料ガス流量と水流量を変更する際、原燃料ガス管路における原燃料ガスの圧力変動をフィードバックして水流量を補正する制御を行うので、原燃料ガス管路のバッファ部の残圧の影響を受けることなく原燃料流量と水流量とを連動させて制御させることができ、改質器におけるＳ／Ｃの安定化を図ることができる。よって、改質器におけるＳ／Ｃの低下に起因する改質触媒の劣化やアノード電極の劣化を防止するとともに、改質器におけるＳ／Ｃの上昇に起因する燃料電池の発電効率の低下や温度低下を防止することができ、信頼性の高い燃料電池システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態の燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの発電動作時に制御部により実行される制御フローの一例を示す図である。
【図３】図２のステップＳ１５において実行される推定燃料流量の算出処理の一例を示す図である。
【図４】従来の制御手法に従って燃料電池システムを制御する場合において発電出力が高出力から低出力に低下する状況の動作を示す比較例である。
【図５】本実施形態の制御手法を適用して燃料電池システムを制御する場合において発電出力が高出力から低出力に低下する状況の動作を示す図である。
【図６】従来の制御手法に従って燃料電池システムを制御する場合において発電出力が低出力から高出力に上昇する状況の動作を示す比較例である。
【図７】本実施形態の制御手法を適用して燃料電池システムを制御する場合において発電出力が低出力から高出力に上昇する状況の動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明を具体化した燃料電池システムの形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。
【００１５】
図１は、本実施形態の燃料電池システム１の構成例を示している。図１においては、燃料電池システム１を構成する要部として、燃料電池スタック１０、気化部１２及び改質部１３からなる改質器１１、制御部２０、水タンク２１、水ポンプ２２、水管路２３、燃料ポンプ２４、流量計２５、バッファ部２６ａを含む原燃料ガス管路２６、圧力計２７、パワーコントローラ２８をそれぞれ示している。なお、実際の燃料電池システム１には、他にも多くの構成要素が含まれるが、図１では省略している。
【００１６】
燃料電池スタック１０は、燃料電池の構成単位である燃料電池セルを複数個積層して形成される。燃料電池セルは、燃料ガス中の水素と空気中の酸化剤ガス（酸素）の電気化学反応を利用して、燃料極であるアノードと空気極であるカソードとの間に電力を発生する。燃料電池スタック１０としては、コジェネレーションシステムに導入可能な多様な方式を採用可能であるが、一例として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いることができる。なお、図１において、燃料電池スタック１０に代え、単位の燃料電池セルのみを設ける場合であっても本発明の適用が可能である。
【００１７】
改質器１１は、炭化水素を含む原燃料ガスを水蒸気により改質し、改質後の燃料ガスを燃料電池スタック１０に送り出す。改質器１１に付随する気化部１２は、水ポンプ２２から水管路２３を経由して供給される水を気化し、改質に用いる水蒸気を生成する。改質部１３は、燃料ポンプ２４から原燃料ガス管路２６を介して供給され、脱硫器（不図示）で脱硫された後の原燃料ガスを水蒸気により改質し、水素を含む燃料ガスを生成する。図１に示すように、燃料電池スタック１０及び改質器１１は、一体的に断熱容器Ｃの内部に収容される。
【００１８】
燃料電池スタック１０では、改質器１１から送られる燃料ガスが各燃料極に導入されるとともに、空気ポンプ（不図示）を介して送られる空気（酸化剤ガス）が各空気極に導入される。そして、燃料電池スタック１０の各セルにおいて、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電が行われる。燃料電池スタック１０からの発電出力は、パワーコントローラ２８に送られる。パワーコントローラ２８は、直流の発電出力を交流電力に変換するとともに、制御部２０による制御に応じて外部の負荷に対する電力供給を制御する。また、燃料電池スタック１０からの排気ガスは熱交換器（不図示）に送られて湯水との間で熱交換が行われる。
【００１９】
水ポンプ２２は、水タンク２１に蓄えられている水を水管路２３に送り出すとともに、燃料ポンプ２４は、外部から取り込まれた原燃料ガスを原燃料ガス管路２６に送り出す。制御部２０は、燃料電池スタック１０の動作状態に応じて、水ポンプ２２の水流量と、燃料ポンプ２４の原燃料ガス流量とをそれぞれ制御する。本実施形態では、改質器１１におけるＳ／Ｃ（スチームカーボン比）を適正な範囲に安定化させるため、改質器１１に供給される水流量及び原燃料ガス流量に対する制御手法に特徴があるが、詳しくは後述する。
【００２０】
一方、図１には、原燃料ガス管路２６に付随するバッファ部２６ａが示されている。このバッファ部２６ａの意味は、原燃料ガス管路２６を流れる原燃料ガスが気体であることから、直ちに改質器１１には供給されずに、原燃料ガスがバッファ部２６ａに滞留した状態で、その容積部分の残圧の影響を考慮したものである。なお、水ポンプ２２を流れる水は液体であることから、このような滞留を生じることなく迅速に改質器１１に供給される点で相違がある。そして、図１に示すように、原燃料ガス管路２６には、原燃料ガスの流量を計測する流量計２５が挿入されるとともに、原燃料ガス管路２６のバッファ部２６ａには、内部の圧力を計測する圧力計２７が取り付けられている。
【００２１】
制御部２０は、燃料電池システム１全体の動作を制御する制御手段として機能し、例えば、本実施形態の処理を実現するプログラムを実行可能なマイクロプロセッサや処理に必要なデータを記憶するメモリ等により構成される。制御部２０は、上記プログラムの制御手順に従って、流量計２５や圧力計２７の各計測データを取り込み、水ポンプ２２や燃料ポンプ２４を制御するため制御信号を送出する。
【００２２】
次に、本実施形態の燃料電池システム１における具体的な制御手法について、図２〜図７を参照して説明する。図２は、本実施形態の燃料電池システム１において、燃料電池スタック１０の発電動作時に制御部２０により実行される制御フローの一例を示している。ここで、制御部２０は、燃料電池スタック１０の発電出力の計測値と、圧力計２７の計測値とを、それぞれ現在電力Ｅ、現在圧力Ｐとして時間経過とともに更新しつつ保持している。ここで、図１の処理をＴ秒に１回ずつ実行することを想定すると、現在電力Ｅ及び現在圧力ＰはいずれもＴ秒毎に最新の計測値に更新されるとともに、更新される直前の各計測値が前回電力Ｅａ、前回圧力Ｐａとして設定される。
【００２３】
図２の制御フローに示すように、燃料電池スタック１０の発電動作が開始された後、燃料電池スタック１０からパワーコントローラ２８に送られる発電出力の計測値により現在電力Ｅを更新する（ステップＳ１０）。続いて、バッファ部２６ａの圧力計２７の計測値により現在圧力Ｐを更新する（ステップＳ１１）。そして、ステップＳ１０で更新された現在電力Ｅと、ステップＳ１０の更新前の前回電力Ｅａとに基づき、変動電力ΔＥを算出する（ステップＳ１２）。すなわち、変動電力ΔＥは、ΔＥ＝｜Ｅ−Ｅａ｜として求められる。
【００２４】
次いで、ステップＳ１２で得られた変動電力ΔＥが５０Ｗに達しているか否かを判定する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３の判定の結果、変動電力ΔＥが５０Ｗ以上のときは、電力変動フラグを「オン」に設定する（ステップＳ１４）。電力変動フラグは変動電力ΔＥの大きさに依存して設定されるフラグであり、初期時点では「オフ」にセットされ、変動電力ΔＥが大きい状態のときに「オン」にセットされる。なお、ステップＳ１４における設定値である５０Ｗは一例であって、適宜に設定値を変更してもよい。ステップＳ１４に続いて、推定燃料流量Ｆｅの算出処理を実行する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５については後述する。
【００２５】
一方、ステップＳ１３の判定の結果、変動電力ΔＥが５０Ｗに満たないときは、このときの電力変動フラグが「オン」であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。ステップＳ１６の判定の結果、電力変動フラグが「オン」に設定されているときは、上述の推定燃料流量Ｆｅの算出処理を実行し（ステップＳ１５）、電力変動フラグが「オフ」に設定されているときは、ステップＳ１７〜Ｓ２１の処理を実行する。ステップＳ１７に移行した場合は、原燃料ガス管路２６の流量計２５の計測値により推定燃料流量Ｆｅを更新する。ここで、ステップＳ１７において、現在流量ではなく、推定燃料流量Ｆｅとして扱っているのは、バッファ部２６ａの影響を受けていない状態の計測流量を補正した推定燃料流量Ｆｅを得る（ステップＳ１５）ためであるが、詳細については後述する。
【００２６】
続いて、出力上昇許可フラグを「オン」にセットする（ステップＳ１８）。ここで、出力上昇許可フラグは、燃料電池スタック１０の発電出力の上昇を許可するか否かを示すフラグであり、初期時点では「オフ」にセットされ、ステップＳ１２で得た変動電力ΔＥが小さいと判定されたときに「オン」にセットされる。出力上昇許可フラグが「オン」に設定されている場合は、燃料電池スタック１０における発電出力の上昇が許可される状態になる。
【００２７】
次いで、推定燃料流量Ｆｅに基づいて、水ポンプ２２に対する水流量狙い値Ｗｔ（水流量の目標値）を算出する（ステップＳ１９）。ここで、本実施形態の特徴は、原燃料ガスの実際の流量に連動させて水流量を変化させることで、Ｓ／Ｃを最適な範囲に保つことにある。よって、ステップＳ１９では、例えば、水流量狙い値Ｗｔを、Ｗｔ＝Ｆｅ×Ｃ１として算出する。このときの係数Ｃ１を適切に設定することで、Ｓ／Ｃを概ね２〜３の範囲に保つことが望ましい。図２では示されないが、図１の水ポンプ２２は、ステップＳ１９で得られた水流量狙い値Ｗｔに応じて制御される。続いて、上述したように、前回圧力Ｐａを現在圧力Ｐに設定し（ステップＳ２０）、前回電力Ｅａを現在電力Ｅに設定する（ステップＳ２１）。その後、所定時間が経過した後にステップＳ１０に戻り、同様の処理を繰り返す。
【００２８】
一方、図３は、ステップＳ１４又はＳ１６からステップＳ１５に移行した際に実行される推定燃料流量Ｆｅの算出処理の一例を示している。図３に示すように、まず、上述の出力上昇許可フラグを「オフ」にセットする（ステップＳ３０）。すなわち、ステップＳ１３で変動電力ΔＥが大きいと判定されるか、あるいは既に電力変動フラグが「オン」にセット済みである場合は、燃料電池スタック１０に対し、これ以上の発電出力の上昇を許可しない状態になる。そして、ステップＳ１１で更新された現在圧力Ｐと、ステップＳ２０で設定された前回圧力Ｐａとに基づき、変動圧力ΔＰを算出する（ステップＳ３１）。すなわち、変動圧力ΔＰは、ΔＰ＝Ｐ−Ｐａとして求められる。この変動圧力ΔＰは、圧力計２７で計測された圧力における時間的な変動量の差分値に相当し、圧力上昇時には正の値をとり、圧力低下時には負の値をとる。
【００２９】
次いで、ステップＳ３１で得られた変動圧力ΔＰが、所定の正の値Ｐ１（例えば、Ｐ１＝０．５ｋＰａ）を超えているか否かを判定する（ステップＳ３２）。ステップＳ３２の判定の結果、変動圧力ΔＰが所定の正の値Ｐ１を超えているときは、次の（１）式に従って推定燃料流量Ｆｅを算出する（ステップＳ３３）。
【００３０】
推定燃料流量Ｆｅ＝計測流量＋変動圧力ΔＰ×管路体積×Ｃｓ（１）
（Ｃｓ：安全係数；例えば、Ｃｓ＝１．１）
ここで、（１）式の管路体積は、バッファ部２６ａを含めた原燃料ガス管路２６の全体の体積である。（１）式においては、推定燃料流量Ｆｅを、計測流量（流量計２５の計測値）に対して増加方向に補正するものであり、その増加量が変動圧力ΔＰに依存して定められる。ここで、変動圧力ΔＰが正の値であるため、改質器１１に送られる原燃料ガスの実際の流量が低下していく。このときのＳ／Ｃの変動を抑制すべく、安全係数Ｃｓを１より大きくすることで、推定燃料流量Ｆｅをさらに大きく補正することができる。ステップＳ３３の算出後は、図２のステップＳ１９に戻る。
【００３１】
これに対し、ステップＳ３２の判定の結果、変動圧力ΔＰが所定の正の値Ｐ１に満たないときは、続いて変動圧力ΔＰが、所定の負の値Ｐ２（例えば、Ｐ２＝−１ｋＰａ）に達しているか否かを判定する（ステップＳ３４）。そして、ステップＳ３４の判定の結果、変動圧力ΔＰが所定の負の値Ｐ２に満たないときは、次の（２）式に従って推定燃料流量Ｆｅを算出する（ステップＳ３５）。
【００３２】
推定燃料流量Ｆｅ＝計測流量＋変動圧力ΔＰ×管路体積             （２）
（２）式においては、推定燃料流量Ｆｅを、計測流量（流量計２５の計測値）に対して減少方向に補正するものであり、その減少量が負の変動圧力ΔＰに依存して定められる。ここで、変動圧力ΔＰが負の値であるため、改質器１１に送られる原燃料ガスの実際の流量が上昇していく。ただし、（１）式とは異なり、推定燃料流量Ｆｅが減少するので、安全係数Ｃｓは設定されていない。ステップＳ３５の算出後は、図２のステップＳ１９に戻る。
【００３３】
一方、ステップＳ３４の判定の結果、変動圧力ΔＰが所定の負の値Ｐ２以上であるときは、Ｐ２＜ΔＰ＜Ｐ１（例えば、−１ｋＰａ＜ΔＰ＜０．５ｋＰａ）が満たされる場合である。よって、現在圧力Ｐの増減が少なく比較的安定していると判断できるので、ステップＳ１７と同様、原燃料ガス管路２６の流量計２５の計測値により推定燃料流量Ｆｅを更新する（ステップＳ３６）。続いて、電力変動フラグを「オフ」に設定する（ステップＳ３７）。これ以降、圧力変動ΔＰが小さい値を保つ間、ステップＳ１５の推定燃料流量Ｆｅの算出処理は行われない。ステップＳ３７の後は、図２のステップＳ１９に戻る。
【００３４】
燃料電池スタック１０の発電動作時に図２及び図３の制御フローを繰り返し実行することにより、燃料電池スタック１０の発電出力の変化の状況に適合して、推定燃料流量Ｆｅをフィードバックして水流量狙い値Ｗｔを適切に制御することができる。すなわち、燃料電池スタック１０の発電出力が安定しているときは、ステップＳ３６で推定燃料流量Ｆｅは計測流量に一致するように制御されるのに対し、燃料電池スタック１０の発電出力が変化し、かつ圧力計２７の計測圧力も変化しているときは、ステップＳ３３又はＳ３５において（１）式又は（２）式に従って推定燃料流量Ｆｅが補正される。これにより、燃料電池スタック１０の負荷変動が生じたとき、水ポンプ２２の制御量を原燃料ガスの実際の流量に追随させて制御させることができる。以下、図４〜図７を参照して、本実施形態の燃料電池システム１に対し上記制御フローを適用したときの具体的な動作について説明する。
【００３５】
まず、本実施形態の燃料電池スタック１０において電力負荷が低下する場合の動作について、図４及び図５を用いて説明する。ここで、図４は、本実施形態の制御手法との対比のため、従来の制御手法に従って燃料電池システム１を制御する場合の動作を示す比較例である。また、図５は、本実施形態の制御手法を適用して、図４と同じ状況下で燃料電池システム１を制御する場合の動作を示す図である。図４及び図５のいずれの場合も、燃料電池スタック１０の発電出力が、時間軸上のタイミングＴａにおいて高出力ＥＨから低出力ＥＬに低下する状況が生じることを想定する。なお、図４及び図５のうち、発電出力は制御フローの現在電力Ｅに相当し、原燃料ガス圧力は制御フローの現在圧力Ｐに相当する。
【００３６】
まず、図４の比較例において、制御部２０は、燃料ポンプ２４に対する燃料ポンプ制御信号と水ポンプ２２に対する水ポンプ制御信号とを、タイミングＴａにおいて発電出力に追随させるように減少制御する。このとき、水ポンプ２２から水管路２３を経由して流れる水流量は、液体である水が体積膨張しないため、水ポンプ制御信号と同様に変化する。これに対し、燃料ポンプ２４から原燃料ガス管路２６を経由して流れる原燃料ガス流量は、バッファ部２６ａの容積に滞留する原燃料ガスの残圧の影響で直ちに変化しないことは上述した通りである。すなわち、タイミングＴａを起点として、原燃料ガス圧力が緩やかに低下していくとともに、同様の波形で原燃料ガス流量が緩やかに低下していく。従って、タイミングＴａの直後の改質器１１では、水流量のみが急激に低下し、原燃料ガス流量はそれほど低下しない状況になる。その結果、一時的に改質器１１におけるＳ／Ｃが低下し、改質触媒の劣化やアノード電極の劣化を生じる問題がある。
【００３７】
これに対し、本実施形態の制御手法を適用した図５において、発電出力と、原燃料ガス圧力と、燃料ポンプ制御信号と、原燃料ガス流量とは、いずれも図４と同じ波形で変化しているが、水ポンプ制御信号については、図２及び図３の制御フローを反映して図４とは異なる波形で制御される。すなわち、タイミングＴａで発電出力が低下したときに上記電力変動フラグが「オン」にセットされ、それ以降、原燃料ガス圧力が低下していくため、図３のステップＳ３５によって補正された推定燃料流量Ｆｅに基づき、図２のステップＳ１９で水流量狙い値Ｗｔが制御される。よって、ステップＳ３４でΔＰ＜Ｐ２が満たされる間、上記（２）式に従って推定燃料流量Ｆｅが繰り返し減少方向に更新され、それに連動して水ポンプ制御信号（水流量狙い値Ｗｔ）も減少制御される。
【００３８】
上記の制御により、水ポンプ制御信号は、タイミングＴａ以降、図５に示すような階段状に減少する波形となり、ある程度の時間が経過したときに所定の値に安定する。なお、水ポンプ制御信号の階段状の波形の段数は、図２及び図３の制御フローの実行回数（ステップＳ３５の算出回数）に合致する。その結果、図４とは異なり、改質器１１に対する原燃料ガス流量と水流量のバランスが保たれ、Ｓ／Ｃを適正な範囲に安定化させることができ、改質触媒の劣化やアノード電極の劣化を防止する効果が得られる。
【００３９】
次に、本実施形態の燃料電池スタック１０において電力負荷が上昇する場合の動作について、図６及び図７を用いて説明する。ここで、図６は、本実施形態の制御手法との対比のため、従来の制御手法に従って燃料電池システム１を制御する場合の動作を示す比較例である。また、図７は、本実施形態の制御手法を適用して、図６と同じ状況下で燃料電池システム１を制御する場合の動作を示す図である。図６及び図７のいずれの場合も、燃料電池スタック１０の発電出力が、時間軸上のタイミングＴｂにおいて低出力ＥＬから高出力ＥＨに上昇する状況が生じることを想定する。なお、図６及び図７に示す各波形の意味は、図４及び図５と共通である。
【００４０】
まず、図６の比較例において、制御部２０は、燃料ポンプ２４に対する燃料ポンプ制御信号と水ポンプ２２に対する水ポンプ制御信号とを、タイミングＴｂにおいて発電出力に追随させるように増加制御する。このとき、タイミングＴｂを起点として、水ポンプ制御信号（水流量）及び燃料ポンプ制御信号は発電出力に追随して急激に増加制御される一方、図４及び図５で述べたメカニズムに従って、原燃料ガス圧力及び原燃料ガス流量は緩やかに上昇していく。従って、タイミングＴｂの直後の改質器１１では、水流量のみが急激に上昇し、原燃料ガス流量はそれほど上昇しない状況になる。その結果、一時的に改質器１１におけるＳ／Ｃが上昇し、燃料電池スタック１０の発電効率の低下や温度低下などを生じる問題がある。
【００４１】
これに対し、本実施形態の制御手法を適用した図７において、発電出力と、原燃料ガス圧力と、燃料ポンプ制御信号と、原燃料ガス流量とは、いずれも図６と同じ波形で変化しているが、水ポンプ制御信号については、図２及び図３の制御フローを反映して図６とは異なる波形で制御される。すなわち、タイミングＴｂで発電出力が上昇したときに上記電力変動フラグが「オン」にセットされ、それ以降、原燃料ガス圧力が上昇していくため、図３のステップＳ３３によって補正された推定燃料流量Ｆｅに基づき、図２のステップＳ１９で水流量狙い値Ｗｔが制御される。よって、ステップＳ３２でΔＰ＞Ｐ１が満たされる間、上記（１）式に従って推定燃料流量Ｆｅが増加方向に繰り返し更新され、それに連動して水ポンプ制御信号（水流量狙い値Ｗｔ）も増加制御される。
【００４２】
上記の制御により、水ポンプ制御信号は、タイミングＴｂ以降、図７に示すような階段状に上昇する波形となり、ある程度の時間が経過したときに所定の値に安定する。なお、図７の階段状の波形は、図５の階段状の波形を上下に反転させたものであり、その段数についても、上述した通り、図２及び図３の制御フローの実行回数（ステップＳ３３の算出回数）に合致する。その結果、図６とは異なり、改質器１１に対する原燃料ガス流量と水流量のバランスが保たれ、Ｓ／Ｃを適正な範囲に安定化させることができ、燃料電池スタック１０の発電効率の低下や温度低下を防止する効果が得られる。
【００４３】
以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。例えば、本実施形態では、原燃料ガス管路２６に流量計２５を設け、その計測値を用いて水流量の目標値を補正しているが、流量計２５を設けることなく、変動電力及び変動圧力に対応するデータテーブル等を用いて水流量の目標値を補正してもよい。また、図１に示す燃料電池システム１の構成例や、図２及び図３の示す制御フローは、いずれも一例であるので、同様の目的を達成できる限り適宜に変更可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４４】
１…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
１１…改質器
１２…気化部
１３…改質部
２０…制御部
２１…水タンク
２２…水ポンプ
２３…水管路
２４…燃料ポンプ
２５…流量計
２６…原燃料ガス管路
２６ａ…バッファ部
２７…圧力計
２８…パワーコントローラ
Ｃ…断熱容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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