(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極に燃料ガスが供給されカソード極に空気が供給されて発電をする出力一定の燃料電池と、
前記燃料電池のアノード極から排出されるアノードオフガスとカソード極から排出されるカソードオフガスとが混合ガスとなって供給され該混合ガスの燃焼を行う燃焼器と、
該燃焼器で発生した燃焼ガスが導入され該燃焼ガスと非接触で熱交換することにより改質用原燃料を加熱し蒸発させて燃料蒸気を生成する蒸発器と、
該蒸発器で利用された前記燃焼ガスが導入され該燃焼ガスから前記混合ガスに熱を移動させる熱交換手段と、
前記蒸発器で生成された前記燃料蒸気を前記燃料電池に供給される前記燃料ガスに改質する改質器と、を有する加熱処理システムにおいて、
前記蒸発器で生成される前記燃料蒸気の温度に対する要求値に基づいて、前記燃焼器で発生する燃焼ガスの温度を設定し、
前記設定された燃焼ガスの温度から前記熱交換手段で加熱された前記混合ガスの温度を引いた温度差と前記燃焼器から排出される燃焼ガス中の酸素濃度との対応関係を示す予め作成されたマップを用いて、前記設定された燃焼ガスの温度から前記熱交換手段で加熱された前記混合ガスの温度を引いた温度差に対応する燃焼ガス中の酸素濃度を求め、求めた該酸素濃度に前記燃焼器から排出される燃焼ガス中の実酸素濃度が接近するように、前記熱交換手段に供給するカソードオフガスの流量を調整し、
前記燃料蒸気の温度に対する要求値と前記蒸発器で生成された前記燃料蒸気の実温度との比較値に基づいて、前記設定した燃焼ガスの温度を補正して、前記燃料蒸気の温度を前記要求値に制御することを特徴とする加熱処理システムの制御方法。
【請求項２】
燃料と空気とが混合ガスとなって供給され該混合ガスの燃焼を行う燃焼器と、
該燃焼器で発生した燃焼ガスが導入され該燃焼ガスと非接触で熱交換することにより改質用原燃料を加熱し蒸発させて燃料蒸気を生成する蒸発器と、
該蒸発器で利用された前記燃焼ガスが導入され前記燃焼ガスから前記混合ガスに熱を移動させる熱交換手段と、を有する加熱処理システムにおいて、
前記蒸発器で生成される前記燃料蒸気の量および温度に対する要求値に基づいて前記蒸発器への供給熱量および前記燃焼器で発生する燃焼ガスの温度を設定し、前記設定された供給熱量から前記熱交換手段において回収される熱量を差し引いて前記燃焼器に要求される発熱量を算出し該発熱量となるように前記燃料の流量を設定して調整するとともに、
前記設定された燃焼ガスの温度から前記熱交換手段で加熱された前記混合ガスの温度を引いた温度差と前記燃焼器から排出される燃焼ガス中の酸素濃度との対応関係を示す予め作成されたマップを用いて、前記設定された燃焼ガスの温度から前記熱交換手段で加熱された前記混合ガスの温度を引いた温度差に対応する燃焼ガス中の酸素濃度を求め、求めた該酸素濃度に前記燃焼器から排出される燃焼ガス中の実酸素濃度が接近するように前記熱交換手段に供給する空気の流量を調整し、
前記燃料蒸気の温度に対する要求値と前記蒸発器で生成された前記燃料蒸気の実温度との比較値に基づいて、前記設定した供給熱量と前記設定した燃焼ガスの温度の少なくともいずれか一方を補正して、前記燃料蒸気の温度を前記要求値に制御することを特徴とする加熱処理システムの制御方法。
【請求項３】
アノード極に燃料ガスが供給されカソード極に空気が供給されて発電をする燃料電池をさらに備え、
前記燃料ガスは、前記蒸発器で生成された前記燃料蒸気を改質して生成した水素リッチガスであり、
前記燃料は、前記燃料ガスが前記燃料電池の前記アノード極に供給された後に排出されたアノードオフガスであり、前記空気は空気が前記燃料電池の前記カソード極に供給された後に排出されたカソードオフガスであることを特徴とする請求項２に記載の加熱処理システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば改質器付き燃料電池システムの燃料蒸気の温度制御等に好適な加熱処理システムの制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムには、炭化水素系やアルコール系の原燃料を改質器で水素リッチな燃料ガスに改質し、この燃料ガスと酸化剤ガス（例えば、空気）を反応ガスとして燃料電池のアノード電極側あるいはカソード電極側に供給し発電を行うようにしたものがある。
この種の燃料電池システムでは、改質器に付設された燃焼器等から排出される燃焼排ガスが持つ熱を、前記燃焼器の上流に設置した熱交換手段を用いて、該燃焼器に供給される燃焼用燃料や燃焼用空気に回収することが、従来から行われている。
【０００３】
この場合の被加熱対象（前例における改質器など）のプロセス温度（前例における改質ガス温度など）の制御は、前記熱交換手段に供給する燃焼排ガスの一部をバイパスし、そのバイパス流量を調整したり、燃焼排ガスの供給ラインに温調部を設けて燃焼排ガス温度を調整したりして、熱回収量を操作することにより行われている（特開平５−２９０８６５号公報、特開平７−２４０２２３号公報）。
【０００４】
また、特開平７−１９２７４２号公報には、制御対象のプロセス温度に密接に関連し、且つ、制御操作に対して応答性の良いプロセス変数（改質反応管壁温度、燃焼器温度）を制御変数に加えて、被加熱対象のプロセス温度（改質ガス出口温度、改質触媒層温度）の安定化を図る技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の制御方法では、熱回収手段や燃焼器、被加熱対象の熱容量や熱伝達速度の影響によるプロセス状態の経時変化を検出する手段を持っていないため、負荷変動等により燃焼用燃料や燃焼用空気で回収する熱量が変動した場合や、燃焼器に供給される燃焼用燃料や燃焼用空気の温度が変動した場合に、被加熱対象に供給する熱量や燃焼ガス温度をプロセス状態に応じて応答性よく調整することができず、その結果、オーバーシュートやアンダーシュートの大きい制御となり、被加熱対象のプロセス温度が安定しないという問題があった。
【０００６】
また、燃焼器の燃焼ガス温度を検出する手段として、サーミスタや熱電対等の温度検出器を用いた場合、燃焼器の熱容量や燃焼輻射熱により、燃焼用空気量を変化させても燃焼ガス温度を応答性良く検出することができないという問題があった。
そこで、この発明は、被加熱対象のプロセス温度を応答性良く安定して制御することができる加熱処理システムの制御方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、アノード極（例えば、後述する第２の実施の形態におけるアノード極２１ａ）に燃料ガスが供給されカソード極（例えば、後述する第２の実施の形態におけるカソード極２１ｂ）に空気が供給されて発電をする出力一定の燃料電池（例えば、後述する第２の実施の形態における燃料電池スタック２１）と、前記燃料電池のアノード極から排出されるアノードオフガスとカソード極から排出されるカソードオフガスとが混合ガスとなって供給され該混合ガスの燃焼を行う燃焼器（例えば、後述する第２の実施の形態における触媒燃焼器２３）と、該燃焼器で発生した燃焼ガスが導入され該燃焼ガスと非接触で熱交換することにより改質用原燃料を加熱し蒸発させて燃料蒸気を生成する蒸発器（例えば、後述する第２の実施の形態における蒸発器２４）と、該蒸発器で利用された前記燃焼ガスが導入され前記燃焼ガスから前記混合ガスに熱を移動させる熱交換手段（例えば、後述する第２の実施の形態におけるオフガス加熱器２２）と、前記蒸発器で生成された前記燃料蒸気を前記燃料電池に供給される前記燃料ガスに改質する改質器（例えば、後述する第２の実施の形態における改質器２５）と、を有する加熱処理システムにおいて、前記蒸発器で生成される前記燃料蒸気の温度に対する要求値に基づいて、前記燃焼器で発生するの燃焼ガスの温度を設定し、前記設定された燃焼ガスの温度から前記熱交換手段で加熱された前記混合ガスの温度を引いた温度差と前記燃焼器から排出される燃焼ガス中の酸素濃度との対応関係を示す予め作成されたマップを用いて、前記設定された燃焼ガスの温度から前記熱交換手段で加熱された前記混合ガスの温度を引いた温度差に対応する燃焼ガス中の酸素濃度を求め、求めた該酸素濃度に前記燃焼器から排出される燃焼ガス中の実酸素濃度が接近するように、前記熱交換手段に供給するカソードオフガスの流量を調整し、前記燃料蒸気の温度に対する要求値と前記蒸発器で生成された前記燃料蒸気の実温度との比較値に基づいて、前記設定した燃焼ガスの温度を補正して、前記燃料蒸気の温度を前記要求値に制御することを特徴とする加熱処理システムの制御方法である。
このように構成することにより、簡単な構成ながら、改質器に供給される燃料蒸気の温度を応答性良く安定して制御することができる。
【０００８】
請求項２に記載した発明は、燃料と空気とが混合ガスとなって供給され該混合ガスの燃焼を行う燃焼器（例えば、後述する第１の実施の形態における触媒燃焼器２３）と、該燃焼器で発生した燃焼ガスが導入され該燃焼ガスと非接触で熱交換することにより改質用原燃料を加熱し蒸発させて燃料蒸気を生成する蒸発器（例えば、後述する第１の実施の形態における蒸発器２４）と、該蒸発器で利用された前記燃焼ガスが導入され前記燃焼ガスから前記混合ガスに熱を移動させる熱交換手段（例えば、後述する第１の実施の形態におけるオフガス加熱器２２）と、を有する加熱処理システムにおいて、前記蒸発器で生成される前記燃料蒸気の量および温度に対する要求値に基づいて前記蒸発器への供給熱量および前記燃焼器で発生する燃焼ガスの温度を設定し、前記設定された供給熱量から前記熱交換手段において回収される熱量を差し引いて前記燃焼器に要求される発熱量を算出し該発熱量となるように前記燃料の流量を設定して調整するとともに、前記設定された燃焼ガスの温度から前記熱交換手段で加熱された前記混合ガスの温度を引いた温度差と前記燃焼器から排出される燃焼ガス中の酸素濃度との対応関係を示す予め作成されたマップを用いて、前記設定された燃焼ガスの温度から前記熱交換手段で加熱された前記混合ガスの温度を引いた温度差に対応する燃焼ガス中の酸素濃度を求め、求めた該酸素濃度に前記燃焼器から排出される燃焼ガス中の実酸素濃度が接近するように前記熱交換手段に供給する空気の流量を調整し、前記燃料蒸気の温度に対する要求値と前記蒸発器で生成された前記燃料蒸気の実温度との比較値に基づいて、前記設定した供給熱量と前記設定した燃焼ガスの温度の少なくともいずれか一方を補正して、前記燃料蒸気の温度を前記要求値に制御することを特徴とする加熱処理システムの制御方法である。
【０００９】
このように構成することにより、簡単な構成ながら、燃料蒸気の温度を応答性良く安定して制御することができる。前記燃料蒸気の温度に対する要求値と前記燃料蒸気の実温度との比較値に基づいて、前記設定した供給熱量と前記設定した燃焼ガスの温度の両方を補正した場合には、燃料蒸気の温度をより安定して制御することができる。なお、請求項１に記載の発明、および、請求項２に記載の発明において、前記温度に対する要求値と前記実温度との比較値は、前記要求値と前記実温度との温度差であってもよいし、温度比であってもよい。
【００１１】
請求項３に記載した発明は、請求項２に記載の発明において、アノード極（例えば、後述する第１の実施の形態におけるアノード極２１ａ）に燃料ガスが供給されカソード極（例えば、後述する第１の実施の形態におけるカソード極２１ｂ）に空気が供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する第１の実施の形態における燃料電池スタック２１）をさらに備え、前記燃料ガスは、前記蒸発器で生成された前記燃料蒸気を改質して生成した水素リッチガスであり、前記燃料は、前記燃料ガスが前記燃料電池の前記アノード極に供給された後に排出されたアノードオフガスであり、前記空気は空気が前記燃料電池の前記カソード極に供給された後に排出されたカソードオフガスであることを特徴とする。
このように構成することにより、前記蒸発器から改質器に供給される燃料蒸気を、改質器に要求される燃料蒸気の温度に安定して制御することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る加熱処理システムの制御方法の実施の形態を図面を参照して説明する。
初めに、この発明に係る加熱処理システムの制御方法の基礎となる技術を図１から図３の図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は加熱処理システムの概略構成を示す図であり、図１には、制御部における処理を理解し易くするために、制御処理手順を併記している。この加熱処理システムは、燃焼器１と、燃焼器１で生成される燃焼ガスの熱により被加熱対象を加熱する第１加熱器２と、被加熱対象を加熱した後に第１加熱器２から排出される燃焼ガスの熱で燃焼器１に供給される燃焼用燃料および燃焼用空気を加熱する第２加熱器３とを備えている。
【００１４】
第２加熱器３には、空気流量制御弁４を有する流体供給管５を介して燃焼用空気が供給可能になっている。また、空気流量制御弁４よりも下流側の流体供給管５には、燃料流量制御弁６を有する燃料供給管７が接続されており、燃料供給管７および流体供給管５を介して第２加熱器３に燃焼用燃料が供給可能になっている。燃料供給管７には、燃料供給管７を流れる燃料の流量に応じた電気信号を制御部８に出力する燃料流量センサ９が設けられており、燃料供給管７との合流部よりも下流の流体供給管５には、第２加熱器３に流入する燃焼用燃料と燃焼用空気の混合ガス（以下、燃焼用混合ガスという）の温度の大きさに応じた電気信号を制御部８に出力する入口温度センサ１０が設けられている。
【００１５】
燃焼用混合ガスは第２加熱器３において加熱された後、混合ガス供給管１１を介して燃焼器１に供給される。混合ガス供給管１１には、第２加熱器３から流出する燃焼用混合ガスの温度の大きさに応じた電気信号を制御部８に出力する出口温度センサ１２が設けられている。
燃焼用混合ガスは燃焼器１において燃焼し、燃焼により生じた高温の燃焼ガスは燃焼ガス供給管１３を介して第１加熱器２に供給される。燃焼ガス供給管１３には、燃焼器１から流出する燃焼ガス中の酸素濃度の大きさに応じた電気信号を制御部８に出力する酸素濃度センサ１４が設けられている。
【００１６】
第１加熱器２には被加熱対象供給管１５ａを介して被加熱対象が供給されており、第１加熱器２において燃焼器１から供給された燃焼ガスと被加熱対象との間で熱交換が行われ、加熱された被加熱対象は被加熱対象送出管１５ｂを介して図示しないプロセスに供給され、一方、被加熱対象を加熱したことにより温度低下した燃焼ガスは排気管１６ａを介して第２加熱器３に熱源として導入される。被加熱対象送出管１５ｂには、加熱後の被加熱対象の温度（以下、プロセス温度という）の大きさに応じた電気信号を制御部８に出力するプロセス温度センサ１７が設けられている。
排気管１６ａを介して第２加熱器３に供給された燃焼ガスは、流体供給管５を介して第２加熱器３に供給された燃焼用混合ガスを加熱し、これによって冷やされた燃焼ガスは、排気管１６ｂを介して大気に放出される。
【００１７】
次に、この加熱処理システムにおいて、被加熱対象のプロセス温度をプロセスが要求するプロセス温度（以下、これを要求プロセス温度という）に制御する方法を説明する。
まず、制御部８は、プロセスの運転状態から、プロセスに要求される出力（これは、プロセスに供給すべき被加熱対象の供給量に対応する）を設定するとともに（以下、この出力を要求出力という）、プロセスに要求される被加熱対象の要求プロセス温度を設定する。
【００１８】
次に、前記要求出力から、被加熱対象に供給すべき供給熱量、換言すれば第１加熱器２に供給すべき供給熱量（以下、これを設定供給熱量という）を算出し、この設定供給熱量と前記要求プロセス温度に基づき、図２に示すプロセス温度と燃焼ガス温度と供給熱量との関係を示すマップＩを参照して、燃焼ガス温度を設定する（以下、これを設定燃焼ガス温度という）。なお、マップＩは予め実験的に求め、図示しないＲＯＭ（リードオンリーメモリー）に記憶しておく。
【００１９】
次に、第２加熱器３の上流および下流に設けられた入口温度センサ１０と出口温度センサ１２の出力値から温度差ΔＴを求め、第２加熱器で回収される熱量を算出し、前記設定供給熱量から第２加熱器３で回収した熱量を差し引いた熱量を得るために必要な燃焼用燃料の供給量（以下、必要燃料供給量という）を求め、この必要燃料供給量となるように燃料流量センサ９の出力信号を監視しながら燃料流量制御弁６を制御する。
【００２０】
つぎに、図３に示す燃焼発熱温度と燃焼ガス中の酸素濃度との関係を示すマップIIを参照して、前記設定燃焼ガス温度に対応する燃焼ガス中の酸素濃度（以下、燃焼ガス酸素濃度という）を求め、この燃焼ガス酸素濃度となるように酸素濃度センサ１４の出力信号に基づき空気流量制御弁４をフィードバック制御する。なお、マップIIは予め実験的に求め、図示しないＲＯＭ（リードオンリーメモリー）に記憶しておく。
【００２１】
なお、マップIIは、燃焼ガス酸素濃度から燃焼ガス温度を推定したり、その逆を推定したりするためのものであり、この推定の根拠は次のとおりである。燃焼用燃料が完全燃焼した場合の発熱量は燃料量によって決まり、また、燃焼用燃料を完全燃焼させるのに必要な最小空気量も燃料量に応じて決まる。したがって、燃料を最小空気量で完全燃焼させた場合の燃焼発熱温度（すなわち、燃焼ガス温度）は放熱等がなければ一定になるはずであり、空気量が最小空気量よりも多くなればなるほど燃焼発熱温度は低下し、燃焼ガス中の酸素濃度は上昇するものと考えられる。マップIIは、このような考えに基づいて本加熱処理システムにおいて実験を行い、その実験データから求めたものである。
【００２２】
次に、被加熱対象の要求プロセス温度と、プロセス温度センサ１７の出力値から求めた被加熱対象の温度との温度差をフィードバックし、被加熱対象に供給する燃焼ガス温度の設定値を補正する。
【００２３】
このように、この発明の基礎となる技術の加熱処理システムの制御方法においては、燃焼器１から排出される燃焼ガス中の酸素濃度から燃焼器１における燃焼発熱温度を推定しているので、被加熱対象の負荷変動時等により、第２加熱器３における燃焼用燃料および燃焼用空気の回収熱量や、燃焼器１に供給される燃焼用混合ガスの温度が変動した場合に、燃焼器１の熱容量や燃焼輻射熱に起因して燃焼発熱温度（燃焼ガス温度）の検出に応答遅れが生じることがなく、燃焼発熱温度（燃焼ガス温度）を応答性良く検出することができる。
【００２４】
また、燃焼器１に供給すべき燃焼用燃料および燃焼用空気の各供給量を制御するにあたり、第２加熱器３において燃焼ガスから燃焼用混合ガスに回収された熱量を考慮して行っているので、被加熱対象の負荷変動時等により、第２加熱器３における燃焼用燃料および燃焼用空気の回収熱量や、燃焼器１に供給される燃焼用混合ガスの温度が変動した場合にも、被加熱対象に供給する熱量および燃焼ガス温度を一定に保つことができ、被加熱対象のプロセス温度の安定化を図ることができる。
【００２５】
しかも、入口温度センサ１０、出口温度センサ１２、プロセス温度センサ１７、酸素濃度センサ１４はいずれも状態変化に対する追従性がよく、プロセス状態の経時変化を検出することができるので、被加熱対象に供給する熱量および燃焼ガス温度を応答性良く制御することができる。
【００２６】
なお、この基礎となる技術では、被加熱対象の要求プロセス温度と、プロセス温度センサ１７の出力値から求めた被加熱対象の温度との温度差をフィードバックし、被加熱対象に供給する燃焼ガス温度の設定値を補正しているが、燃焼ガス温度の設定値を補正する代わりに、あるいは、燃焼ガス温度の設定値を補正するとともに、被加熱対象に供給する供給熱量の設定値を補正することもできる。
【００２７】
〔第１の実施の形態〕
次に、この発明に係る加熱処理システムの制御方法の第１の実施の形態を図４から図７の図面を参照して説明する。第１の実施の形態の加熱処理システムは、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システムに適用した態様である。図４は燃料電池システムの概略構成を示す図であり、図４には、制御部における処理を理解し易くするために、制御処理手順を併記している。
【００２８】
燃料電池システムは、固体高分子型の燃料電池スタック（燃料電池）２１、オフガス加熱器２２、触媒燃焼器２３、蒸発器２４、改質器２５、ＣＯ除去器２６、スーパーチャージャ２７を主要構成とする。
燃料電池スタック２１は、アノード電極２１ａ側に供給される燃料ガス中の水素と、カソード電極２１ｂ側に供給される酸化剤ガスとしての空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
【００２９】
燃料電池スタック２１のアノード電極２１ａ側に供給される燃料ガスは、原燃料を蒸発器２４で燃料蒸気にし、更に改質器２５によって水素リッチな燃料ガスに改質し、更にＣＯ除去器２６によって前記燃料ガスからＣＯを除去したものが用いられる。
すなわち、蒸発器２４には、例えばメタノールと水とを所定の割合で混合してなる改質用の原燃料と改質用の空気とが供給されるようになっていて、蒸発器２４内において、改質用原燃料および改質用空気は、触媒燃焼器２３から供給される高温の燃焼ガスと非接触で熱交換することにより加熱され、改質用燃料は蒸発して燃料蒸気となり、加熱された加熱空気と混合され２００〜３００゜Ｃの温度まで昇温された状態で、蒸発器２４から燃料供給管３１を介して改質器２５に供給される。
【００３０】
改質器２５はオートサーマル式の改質器であり、燃料蒸気と改質用空気とを反応させて水素リッチな燃料ガスに改質する。改質された燃料ガスは燃料ガス供給管３２を介してＣＯ除去器２６に供給され、ＣＯ除去器２６において燃料ガス中のＣＯは酸化されて除去され、ＣＯを除去された燃料ガスが燃料ガス供給管３３を介して燃料電池スタック２１のアノード電極２１ａ側に供給される。
一方、燃料電池スタック２１のカソード電極２１ｂ側に供給される空気は、スーパーチャージャ２７から空気供給管３４を介し、図示しない加湿器により加湿されて供給される。
【００３１】
燃料電池スタック２１のカソード電極２１ｂ側に供給された空気は発電に供された後、カソードオフガスとしてオフガス管３５を介してオフガス加熱器２２に供給され、また、アノード電極２１ａ側に供給された燃料ガスは発電に供された後、アノードオフガスとしてオフガス管３６およびオフガス管３５を介してオフガス加熱器２２に供給される。
【００３２】
アノードオフガスとカソードオフガス（以下、特に区別する必要のない場合はオフガスと総称する）はオフガス加熱器２２において加熱された後、オフガス管３７を介して触媒燃焼器２３に導入される。
触媒燃焼器２３は、アノードオフガスに残存する水素とカソードオフガスに残存する酸素とを反応（燃焼）させるものであり、この反応により高温となった燃焼ガスは、改質用原燃料および改質用空気を加熱する熱源として、オフガス管３８を介し蒸発器２４に供給される。
【００３３】
蒸発器２４において改質用原燃料および改質用空気と熱交換することにより温度低下した燃焼ガスは、燃料電池スタック２１から排出されたオフガスを加熱する熱源として、排気管３９ａを介しオフガス加熱器２２に供給され、その後、排気ガスとして排気管３９ｂを介し大気に放出される。
【００３４】
また、オフガス管３６との合流点より上流に位置するオフガス管３５と排気管３９ｂは、カソードオフガスバイパス管４０によって接続されており、このカソードオフガスバイパス管４０にはカソードオフガス流量制御弁４１が設けられている。カソードオフガス流量制御弁４１はオフガス加熱器２２に供給されるカソードオフガスの流量を制御するための制御弁であり、カソードオフガス流量制御弁４１の開度を大きくすることによりオフガス加熱器２２に供給されるカソードオフガス量を減少させることができ、カソードオフガス流量制御弁４１の開度を小さくすることによりオフガス加熱器２２に供給されるカソードオフガス量を増大させることができる。
【００３５】
オフガス管３６との合流点よりも下流に位置するオフガス管３５には、オフガス加熱器２２に流入するオフガスの温度の大きさに応じた電気信号を制御部５０に出力する入口温度センサ４２が設けられている。
オフガス管３７には、オフガス加熱器２２から流出するオフガスの温度の大きさに応じた電気信号を制御部５０に出力する出口温度センサ４３が設けられている。
【００３６】
オフガス管３８には、触媒燃焼器２３から流出する燃焼ガス中の酸素濃度の大きさに応じた電気信号を制御部５０に出力する酸素濃度センサ４４が設けられている。
また、燃料供給管３１には、改質器２５に流入する燃料蒸気の温度（すなわち、水・メタノール蒸気温度）の大きさに応じた電気信号を制御部５０に出力する燃料蒸気温度センサ４５が設けられている。
【００３７】
次に、この燃料電池システムにおいて、蒸発器２４から改質器２５に供給される燃料蒸気の温度を、改質器２５が要求する燃料蒸気温度（以下、これを要求燃料蒸気温度という）に制御する方法を、図５および図６のブロック図を参照して説明する。
まず、制御部５０は、燃料電池自動車の運転状態から、燃料電池スタック２１に要求される出力（以下、これを要求出力という）を設定するとともに（ステップＳ１０１）、改質器２５に要求される燃料蒸気温度（以下、これを要求燃料蒸気温度という）を設定する（ステップＳ１０２）。なお、要求出力は改質器２５に要求される燃料蒸気量に対応し、したがって、蒸発器２４に要求される原燃料量に対応する。
【００３８】
次に、前記要求出力から、蒸発器２４に供給すべき供給熱量（以下、これを設定供給熱量という）を算出し（ステップＳ１０３）、この設定供給熱量と前記要求燃料蒸気温度に基づき、図６に示す蒸発器２４への供給熱量に対する燃料蒸気温度（水・メタノール蒸気温度）と燃焼ガス温度との関係を示すマップIIIを参照して（ステップＳ１０４）、燃焼ガス温度を設定する（ステップＳ１０５）。
以下、この燃焼ガス温度を設定燃焼ガス温度という。なお、マップIIIは予め実験的に求め、図示しないＲＯＭ（リードオンリーメモリー）に記憶しておく。
【００３９】
次に、オフガス加熱器２２の上流および下流に設けられた入口温度センサ４２と出口温度センサ４３の出力値を読み込み（ステップＳ１０６，ステップＳ１０７）、その温度差ΔＴからオフガス回収熱量を求める（ステップＳ１０８）。
そして、前記設定供給熱量からオフガス加熱器２２で回収した熱量を差し引いて必要なアノードオフガス発熱量を算出し（ステップＳ１０９）、このアノードオフガス発熱量を得るのに必要なアノード利用率を設定し（ステップＳ１１０）、該アノード利用率になるように図示しないアノード利用率変更手段を調整する。ここで、アノード利用率とは、燃料電池スタック２１のアノード電極２１ａ側に供給した燃料量に対する実際に発電に利用された燃料量の比をいい、アノード利用率が小さければアノードオフガス中の燃料量が多くなり、アノード利用率が大きければアノードオフガス中の燃料量は少なくなる。すなわち、アノード利用率を制御することにより、触媒燃焼器２３に供給する燃料量を制御することができることになる。
【００４０】
次に、前記設定燃焼ガス温度から、出口温度センサ４３で検出した加熱後のオフガス温度を差し引いて燃焼発熱温度を算出し（ステップＳ１１１）、図７に示す燃焼発熱温度と燃焼ガス中の酸素濃度との関係を示すマップIVを参照して（ステップＳ１１２）、前記燃焼発熱温度に対応する燃焼ガス酸素濃度を求める（ステップＳ１１３）。
【００４１】
そして、この燃焼ガス酸素濃度となるように酸素濃度センサ４４の出力値に基づいてカソードオフガス流量制御弁４１をフィードバック制御し（ステップＳ１１４）、オフガス加熱器２２に供給するカソードオフガス供給量を制御する（ステップＳ１１５）。なお、マップIVは、前述した基礎となる技術におけるマップIIに対応するものであり、この燃料電池システムにおいて予め実験的に求め、図示しないＲＯＭ（リードオンリーメモリー）に記憶しておく。
【００４２】
そして、燃料蒸気温度が要求燃料蒸気温度になるように、燃料蒸気温度センサ４５で検出した燃料蒸気温度（ステップＳ１１６）と要求燃料蒸気温度との温度差をフィードバックし、蒸発器２４に供給する燃焼ガス温度の設定値を補正する。
【００４３】
このように、第１の実施の形態の燃料電池システムにおける燃料蒸気温度の制御方法においては、触媒燃焼器２３から排出される燃焼ガス中の酸素濃度から触媒燃焼器２３における燃焼発熱温度を推定しているので、燃料電気自動車の負荷変動時等により、オフガス加熱器２２におけるオフガスの回収熱量や、触媒燃焼器２３に供給される燃料ガスとしてのオフガスの温度が変動した場合に、触媒燃焼器２３の熱容量や燃焼輻射熱に起因して燃焼発熱温度（燃焼ガス温度）の検出に応答遅れが生じるということがなく、燃焼発熱温度（燃焼ガス温度）を応答性良く検出することができる。
【００４４】
また、アノード利用率を制御するにあたり、オフガス加熱器２２において燃焼ガスからオフガスに回収された熱量を考慮して行っているので、燃料電池自動車の負荷変動時等により、オフガス加熱器２２におけるオフガスの回収熱量や、触媒燃焼器２２に供給されるオフガスの温度が変動した場合にも、蒸発器２４に供給する熱量および燃焼ガス温度を一定に保つことができ、蒸発器２４から改質器２５に供給される燃料蒸気温度の安定化を図ることができる。
【００４５】
しかも、入口温度センサ４２、出口温度センサ４３、燃料蒸気温度センサ４５、酸素濃度センサ４４はいずれも状態変化に対する追従性がよく、プロセス状態の経時変化を検出することができるので、蒸発器２４に供給する熱量および燃焼ガス温度を応答性良く制御することができる。
したがって、要求される温度で要求される量の燃料蒸気を改質器２５に安定して供給することができ、その結果、燃料電気自動車の運転状態に応じて要求される燃料電池スタック２１への燃料ガスを、安定したガス組成で必要量供給することができる。
【００４６】
なお、この第１の実施の形態では、要求燃料蒸気温度と、燃料蒸気温度温度センサ４５の出力値から求めた燃料蒸気温度との温度差をフィードバックし、蒸発器２４に供給する燃焼ガス温度の設定値を補正しているが、燃焼ガス温度の設定値を補正する代わりに、あるいは、燃焼ガス温度の設定値を補正するとともに、蒸発器２４に供給する供給熱量の設定値を補正することもできる。
【００４７】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る加熱処理システムの制御方法の第２の実施の形態を図８の図面を参照して説明する。第２の実施の形態の加熱処理システムも第１の実施の形態のものと同様に、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システムに適用した態様である。図８は、第２の実施の形態における燃料電池システムの概略構成を示す図であり、図８には、制御部における処理を理解し易くするために、制御処理手順を併記している。
【００４８】
第２の実施の形態の燃料電池システムが第１の実施の形態のものと相違する点は次の通りである。まず、システム構成については、第１の実施の形態においてオフガス管３５に設けられていた入口温度センサ４２、すなわちオフガス加熱器２２に流入するオフガスの温度を検出するための温度センサがない。その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付してその説明を省略する。
【００４９】
この第２の実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池自動車にバッテリーなどの別のエネルギー源が備わる等で、その運転状態が変わっても燃料電池スタック２１に要求される出力がほぼ一定である場合や、燃料電池自動車の運転状態に応じて燃料電池スタック２１に要求される出力が変わっても、その出力変動が制御性に与える影響が許容範囲とすることができる場合に採用される。
【００５０】
したがって、この第２の実施の形態のシステムでは、燃料電池スタック２１の出力が一定であるとみなして、説明を進める。燃料電池スタック２１の出力が一定であれば、蒸発器２４への供給熱量は一定に決まり、蒸発器２４への供給熱量が一定であれば、蒸発器２４から流出する燃料蒸気温度に関与するパラメータは蒸発器２４に供給する燃焼ガス温度だけになる。そこで、この第２の実施の形態では、燃焼ガス温度だけを調整することにより、燃料蒸気温度を要求蒸気温度に制御することにした。入口温度センサ１０がないのは、供給熱量を調整する必要がないからである。
【００５１】
次に、この第２の実施の形態における燃料電池システムでの、燃料蒸気温度の制御手順を説明する。まず、制御部５０は、燃料電池自動車の運転状態から、改質器２５に要求される燃料蒸気温度（すなわち、要求燃料蒸気温度）を設定する。次に、前記要求燃料蒸気温度に基づき、図６に示す蒸発器２４への供給熱量に対する燃料蒸気温度（水・メタノール蒸気温度）と燃焼ガス温度との関係を示すマップIIIを参照して、燃焼ガス温度（すなわち、設定燃焼ガス温度）を設定する。
【００５２】
次に、前記設定燃焼ガス温度から、出口温度センサ４３で検出した加熱後のオフガス温度を差し引いて燃焼発熱温度を算出し、図７に示す燃焼発熱温度と燃焼ガス中の酸素濃度との関係を示すマップIVを参照して、前記燃焼発熱温度に対応する燃焼ガス酸素濃度を求める。
【００５３】
そして、求めた燃焼ガス酸素濃度となるように酸素濃度センサ４４の出力値に基づいてカソードオフガス流量制御弁４１をフィードバック制御し、オフガス加熱器２２に供給するカソードオフガス供給量を制御する。なお、カソードオフガス流量制御弁４１を制御する代わりに、スーパーチャージャ２７の駆動モータ２７ａの回転数を制御して送風量を調整し、これによりオフガス加熱器２２に供給するカソードオフガス供給量を制御するようにしてもよい。
【００５４】
そして、燃料蒸気温度が要求燃料蒸気温度になるように、燃料蒸気温度センサ４５で検出した燃料蒸気温度と要求燃料蒸気温度との温度差をフィードバックし、蒸発器２４に供給する燃焼ガス温度の設定値を補正する。
【００５５】
このように、第２の実施の形態の燃料電池システムにおける燃料蒸気温度の制御方法においては、触媒燃焼器２３から排出される燃焼ガス中の酸素濃度から触媒燃焼器２３における燃焼発熱温度を推定しているので、触媒燃焼器２３の熱容量や燃焼輻射熱に起因して燃焼発熱温度（燃焼ガス温度）の検出に応答遅れが生じるということがなく、燃焼発熱温度（燃焼ガス温度）を応答性良く検出することができる。
【００５６】
また、出口温度センサ４３、燃料蒸気温度センサ４５、酸素濃度センサ４４はいずれも状態変化に対する追従性がよく、プロセス状態の経時変化を検出することができるので、蒸発器２４に供給する燃焼ガス温度を応答性良く制御することができる。したがって、燃料蒸気を改質器２５に安定して供給することができる。
【００５７】
さらに、第２の実施の形態の燃料電池システムにおける燃料蒸気温度の制御方法では、入口温度センサが不要になるので、システム構成を簡略化でき、コストダウンを図ることができる。
【００５８】
次に、この発明に係る加熱処理システムの制御方法に関連する技術の参考例を図９および図１０の図面を参照して説明する。この参考例の加熱処理システムも第１あるいは第２の実施の形態のものと同様に、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システムに適用した態様である。図９は、この参考例における燃料電池システムの概略構成を示す図であり、図９には、制御部における処理を理解し易くするために、制御処理手順を併記している。
【００５９】
参考例の燃料電池システムにおける燃料蒸気温度の制御方法は、前述した第２の実施の形態のさらなる簡略化を図ったものであり、第２の実施の形態のものと相違する点は次の通りである。まず、システム構成については、第２の実施の形態においてオフガス管３８に設けられていた酸素濃度センサ４４、すなわち触媒燃焼器２３から流出する燃焼ガス中の酸素濃度を検出するための酸素濃度センサがない。その他の構成については第２の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付してその説明を省略する。
【００６０】
燃料電池スタック２１の出力が一定で、蒸発器２４への供給熱量が一定であれば、オフガス加熱器２２および触媒燃焼器２３に供給されるアノードオフガス量も一定に決まって、すなわち、触媒燃焼器２３に供給される燃料量が一定に決まる。したがって、カソードオフガス量がわかれば、触媒燃焼器２３における燃焼発熱温度が推定できることになる。図１０に示す燃焼発熱温度とカソードオフガス流量との関係を示すマップＶは、このような考えに基づいて、本燃料電池システムにおいて実験を行い、その実験データから求めたものである。
【００６１】
なお、カソードオフガス流量は、カソードオフガス流量制御弁４１の開度指示値や、スーパーチャージャ２７の駆動モータ２７ａの回転数指示値から算出する。
【００６２】
次に、この参考例における燃料電池システムでの、燃料蒸気温度の制御手順を説明する。まず、制御部５０は、燃料電池自動車の運転状態から、改質器２５に要求される燃料蒸気温度（すなわち、要求燃料蒸気温度）を設定する。次に、前記要求燃料蒸気温度に基づき、図６に示す蒸発器２４への供給熱量に対する燃料蒸気温度（水・メタノール蒸気温度）と燃焼ガス温度との関係を示すマップIIIを参照して、燃焼ガス温度（すなわち、設定燃焼ガス温度）を設定する。
【００６３】
次に、前記設定燃焼ガス温度から、出口温度センサ４３で検出した加熱後のオフガス温度を差し引いて燃焼発熱温度を算出し、図１０に示す燃焼発熱温度とカソードオフガス流量との関係を示すマップＶを参照して、前記燃焼発熱温度に対応するカソードオフガス流量を求める。
【００６４】
そして、求めたカソードオフガス流量となるようにカソードオフガス流量制御弁４１をフィードバック制御し、カソードオフガス供給量を制御する。なお、カソードオフガス流量制御弁４１を制御する代わりに、スーパーチャージャ２７の駆動モータ２７ａの回転数を制御して送風量を調整し、これによりカソードオフガス供給量を制御するようにしてもよい。
【００６５】
そして、燃料蒸気温度が要求燃料蒸気温度になるように、燃料蒸気温度センサ４５で検出した燃料蒸気温度と要求燃料蒸気温度との温度差をフィードバックし、蒸発器２４に供給する燃焼ガス温度の設定値を補正する。
【００６６】
このように、参考例の燃料電池システムにおける燃料蒸気温度の制御方法では、酸素濃度センサが不要になるので、システム構成をさらに簡略化でき、コストダウンを図ることができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載した発明によれば、蒸発器から改質器に供給される燃料蒸気が、改質器に要求される燃料蒸気温度に安定して制御することができるので、改質器における蒸発燃料の改質を安定して行うことができ、ひいては燃料電池における発電を安定して行うことができるという優れた効果が奏される。
請求項１あるいは請求項２に記載した発明によれば、簡単な構成ながら、燃料蒸気の温度を応答性良く安定して制御することができるという効果がある。
【００６８】
請求項３に記載した発明によれば、蒸発器から改質器に供給される燃料蒸気が、改質器に要求される燃料蒸気温度に安定して制御することができるので、改質器における蒸発燃料の改質を安定して行うことができ、ひいては燃料電池における発電が安定して行うことができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明に係る加熱処理システムの制御方法の基礎となる技術におけるシステム構成図である。
【図２】  前記基礎となる技術において用いられるマップＩであって、供給熱量に対するプロセス温度と燃焼ガス温度との関係を示すマップである。
【図３】  前記基礎となる技術において用いられるマップIIであって、燃焼発熱温度と燃焼ガス中の酸素濃度との関係を示すマップである。
【図４】  この発明に係る加熱処理システムの制御方法における第１の実施の形態のシステム構成図である。
【図５】  前記第１の実施の形態における制御手順を示すブロック図である。
【図６】  前記第１の実施の形態において用いられるマップIIIであって、供給熱量に対する燃料蒸気温度と燃焼ガス温度との関係を示すマップである。
【図７】  前記第１の実施の形態において用いられるマップIVであって、燃焼発熱温度と燃焼ガス中の酸素濃度との関係を示すマップである。
【図８】  この発明に係る加熱処理システムの制御方法における第２の実施の形態のシステム構成図である。
【図９】  この発明に係る加熱処理システムの制御方法に関連する技術の参考例のシステム構成図である。
【図１０】  前記参考例において用いられるマップＶであって、燃焼発熱温度とカソードオフガス流量との関係を示すマップである。
【符号の説明】
１  燃焼器
２  第１加熱器（加熱手段）
３  第２加熱器（熱交換手段）
２１  燃料電池スタック（燃料電池）
２１ａ  アノード極
２１ｂ  カソード極
２２  オフガス加熱器（熱交換手段）
２３  触媒燃焼器（燃焼器）
２４  蒸発器（加熱手段）
２５  改質器
【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】
0004854848.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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