(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、一酸化炭素低減部の触媒の経年劣化や燃料電池の出力要求の変更などに関係なく、一酸化炭素低減部の触媒温度を適当な温度範囲に極力収めてシフト反応を適切に生じさせ、一酸化炭素濃度の低い燃料ガスを燃料電池に供給し、燃料電池の触媒劣化を抑制する。【解決手段】燃料電池システムの制御装置は、ＣＯシフト部上流温度Ｔｈ１ｔａと実測温度Ｔｈ１との偏差ｅを計算してＳ／Ｃの補正値Ｃ２を算出し（ステップ１０４）、運転負荷Ｗを入力してＳ／Ｃの補正値Ｃ１を算出し（ステップ１０６）、各補正値Ｃ２，Ｃ１を加算してその和を積分して（ステップ１０８）、Ｓ／Ｃを算出する（ステップ１１０）。これにより、改質部に供給される改質水量を変化させて一酸化炭素低減部の触媒部の温度制御を実行する。【選択図】  図７
2009110951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質用燃料と改質水が供給されて燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部から供給された前記燃料ガス中に含まれている一酸化炭素を、二酸化炭素に変化させるシフト反応により低減する触媒が充填された触媒部を有する一酸化炭素低減部と、
前記一酸化炭素低減部から燃料極に供給された前記燃料ガス、および酸化剤極に供給された酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、
前記改質部に供給される改質水量を変化させて前記一酸化炭素低減部の前記触媒部の温度制御を実行する制御装置と、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、前記制御装置は、前記一酸化炭素低減部の前記触媒部の第１位置の温度が目標温度となるように前記温度制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記制御装置は、前記触媒部内の上流側の温度を温度制御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１乃至請求項３のいずれか一項において、前記触媒部の温度は、前記一酸化炭素低減部の前記触媒部内の上流側に配置された温度センサによって取得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、前記制御装置は、前記一酸化炭素低減部の前記触媒部内であって前記第１位置より下流側の第２位置の温度に基づいて、前記目標温度の補正を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５において、前記制御装置は、前記第２位置の温度が所定温度以上になると、前記目標温度を減少するように補正することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項５において、前記第２位置は前記触媒部の中流である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、前記触媒部の温度は、前記触媒部内の中流に配置された温度センサによって取得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１乃至請求項８のいずれか一項において、
前記改質水を沸騰させて前記改質部に供給する蒸発部をさらに備え、
前記制御装置は、前記蒸発部の温度に基づいて前記改質水の供給量の補正を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９において、前記制御装置は、前記蒸発部の温度が所定温度以上になると、前記改質水を増大するように補正することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０の何れか一項において、前記改質部に供給される改質水と前記改質部から前記一酸化炭素低減部に供給される前記改質ガスとが熱交換する冷却部をさらに備え、
前記制御装置は、前記触媒部の計測温度が目標温度より大きい場合には、第１値をゲインとして取得し、一方、前記触媒部の計測温度が前記目標温度より小さい場合には、前記第１値より大きい第２値をゲインとして取得し、その取得したゲインを使用して前記温度制御を実行する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、燃料電池システムに関し、特にシフト反応する一酸化炭素低減部の温度制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、特許文献１に示されているように、改質用燃料と改質水が供給されて燃料ガスを生成する改質部（３０）と、改質部（３０）から供給された燃料ガス中に含まれている一酸化炭素を二酸化炭素に変化させるシフト反応により低減する触媒が充填された触媒部（５０ａ）を有する一酸化炭素低減部（一酸化炭素シフト反応部：５０）と、一酸化炭素低減部（５０）から燃料極に供給された燃料ガス、および酸化剤極に供給された酸化剤ガスによって発電する燃料電池（１０）と、を備えている。
【０００３】
上記一酸化炭素低減部では、一般的に、下記化１に示すように、一酸化炭素と水蒸気は、触媒により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シフト反応が生じている。このシフト反応は発熱反応である。すなわち、水蒸気の投入量を増大すれば、反応が右にシフトして一酸化炭素濃度を低減するとともに、発熱し触媒部は昇温する。このシフト反応は、触媒が関与しているため、シフト反応を適切に行うために一酸化炭素低減部を適当な温度範囲（触媒の活性温度域）にとどめておく必要がある。
【０００４】
（化１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
【特許文献１】特開２００６−１４３５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、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、一酸化炭素低減部の触媒の経年劣化や燃料電池の出力要求の変更などによって触媒部の温度が上記温度範囲から外れてしまい、シフト反応が適切に生じにくいおそれがあり、すなわち一酸化炭素を適切に二酸化炭素に変化させにくいおそれがある。この結果、改質装置から供給される燃料ガスは、そのガス中の一酸化炭素濃度が低く抑制できないで燃料電池の燃料極に供給されて、燃料極の触媒を劣化（被毒）するおそれがある。
【０００６】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、一酸化炭素低減部の触媒の経年劣化や燃料電池の出力要求の変更などに関係なく、一酸化炭素低減部の触媒温度を適当な温度範囲に極力収めてシフト反応を適切に生じさせ、一酸化炭素濃度の低い燃料ガスを燃料電池に供給し、燃料電池の触媒劣化を抑制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、改質用燃料と改質水が供給されて燃料ガスを生成する改質部と、改質部から供給された燃料ガス中に含まれている一酸化炭素を、二酸化炭素に変化させるシフト反応により低減する触媒が充填された触媒部を有する一酸化炭素低減部と、一酸化炭素低減部から燃料極に供給された燃料ガス、および酸化剤極に供給された酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、改質部に供給される改質水量を変化させて一酸化炭素低減部の触媒部の温度制御を実行する制御装置と、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、制御装置は、一酸化炭素低減部の触媒部の第１位置の温度が目標温度となるように温度制御を実行することである。
【０００９】
また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、制御装置は、触媒部内の上流側の温度を温度制御することである。
【００１０】
また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、触媒部の温度は、一酸化炭素低減部の触媒部内の上流側に配置された温度センサによって取得することである。
【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、制御装置は、一酸化炭素低減部の触媒部内であって第１位置より下流側の第２位置の温度に基づいて、目標温度の補正を行うことである。
【００１２】
また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項５において、制御装置は、第２位置の温度が所定温度以上になると、目標温度を減少するように補正することである。
【００１３】
また請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項５において、第２位置は触媒部の中流であることである。
【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、触媒部の温度は、触媒部内の中流に配置された温度センサによって取得することである。
【００１５】
また請求項９に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項において、改質水を沸騰させて改質部に供給する蒸発部をさらに備え、制御装置は、蒸発部の温度に基づいて改質水の供給量の補正を行うことである。
【００１６】
また請求項１０に係る発明の構成上の特徴は、請求項９において、制御装置は、蒸発部の温度が所定温度以上になると、改質水を増大するように補正することである。
【００１７】
また請求項１１に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項において、改質部に供給される改質水と改質部から一酸化炭素低減部に供給される改質ガスとが熱交換する冷却部をさらに備え、制御装置は、一酸化炭素低減部の触媒部の計測温度が目標温度より大きい場合には、第１値をゲインとして取得し、一方、触媒部の計測温度が目標温度より小さい場合には、第１値より大きい第２値をゲインとして取得し、その取得したゲインを使用して温度制御を実行することである。
【発明の効果】
【００１８】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、制御装置が、改質部に供給される改質水量を変化させて一酸化炭素低減部の触媒部の温度制御を実行する。ところで、一酸化炭素低減部においては、（発生した熱量）／（熱容量）は上昇温度である。改質部から一酸化炭素低減部に供給されたガスのシフト反応により熱が発生する。改質用燃料は発電に必要な流量が供給されている。改質部から導出されたガス中の一酸化炭素濃度は、発電出力・改質部の条件が同じならほぼ一定であるとみなせる。一方、水蒸気はシフト反応に必要な量以上が供給されている。一酸化炭素低減部で発生する熱量は、ガス中の一酸化炭素濃度で決まるため、ほぼ一定である。水蒸気が多くなると一酸化炭素低減部に供給されるガスの熱容量が大きくなり、上昇温度が小さくなる。この結果、一酸化炭素低減部の温度が下がる。逆に、水蒸気が少なくなると一酸化炭素低減部に供給されるガスの熱容量が小さくなり、上昇温度が大きくなる。この結果、一酸化炭素低減部の温度が上がる。このことから、改質部への改質水量を減少させ、一酸化炭素低減部へ流入する水蒸気の量が減少すると、一酸化炭素低減部の温度を上昇させることができる。一方、改質部への改質水量を増大させ、一酸化炭素低減部へ流入する水蒸気の量が増大すると、一酸化炭素低減部の温度が下降させることができる。したがって、一酸化炭素低減部の触媒部を触媒の活性温度域すなわちシフト反応を適切に生じ得る温度範囲にとどめておくことが可能となる。これにより、一酸化炭素低減部の触媒の経年劣化や燃料電池の出力要求の変更などに関係なく、一酸化炭素低減部の触媒温度を適当な温度範囲に極力収めてシフト反応を適切に生じさせ、一酸化炭素濃度の低い燃料ガスを燃料電池に供給し、燃料電池の触媒劣化を抑制することができる。
【００１９】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、制御装置は、一酸化炭素低減部の触媒部の第１位置の温度が目標温度となるように温度制御を実行するので、触媒部の適切な位置の温度を調整可能となり、効果的に触媒部の温度制御を実行できる。
【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、請求項１または請求項２に係る発明において、制御装置は、触媒部内の上流側の温度を温度制御するので、最も効果的な位置の温度を温度制御することにより、効果的に触媒部の温度制御を実行できる。
【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、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に係る発明において、触媒部の温度は、一酸化炭素低減部の触媒部内の上流側に配置された温度センサによって取得するので、簡単な構成で確実に触媒の温度を検出することができる。
【００２２】
ところで、一酸化炭素低減部の触媒部では上流側から触媒が劣化する。劣化が起こると、それより下流側の触媒でシフト反応が多くおこり、この反応熱により下流側の第２位置の温度が上昇する。これに対し、上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項２に係る発明において、制御装置は、一酸化炭素低減部の触媒部内であって第１位置より下流側の第２位置の温度に基づいて、目標温度の補正を行うので、触媒部全体の温度（特に下流側触媒）の温度上昇を抑制し、一酸化炭素低減部の触媒劣化を抑制することができる。
【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、請求項５に係る発明において、制御装置は、第２位置の温度が所定温度以上になると、目標温度を減少するように補正するので、第１位置の温度の低下とともに第２位置の温度も低下する。よって、過昇温による下流側触媒の劣化を抑制することができる。
【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、請求項５に係る発明において、第２位置は触媒部の中流であるので、第１位置とは必要かつ十分離れた第２位置の温度も考慮して温度制御することにより、過昇温による一酸化炭素低減部の触媒劣化を適切に抑制することができる。
【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、請求項７に係る発明において、触媒部の温度は、触媒部内の中流に配置された温度センサによって取得するので、簡単な構成で確実に触媒の温度を検出することができる。
【００２６】
ところで、上述した請求項１〜請求項８に係る発明により改質水量を変化させると、蒸発部の温度が変化する。これに対し、上記のように構成した請求項９に係る発明においては、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に係る発明において、制御装置は、蒸発部の温度に基づいて改質水の供給量の補正を行うので、蒸発部の大きい温度変化を抑制することができる。
【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、請求項９に係る発明において、制御装置は、蒸発部の温度が所定温度以上になると、改質水を増大するように補正するので、蒸発部の過昇温を確実に抑制することができる。
【００２８】
上記のように構成した請求項１１に係る発明においては、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項において、改質部に供給される改質水と改質部から一酸化炭素低減部に供給される改質ガスとが熱交換する冷却部をさらに備え、制御装置は、一酸化炭素低減部の触媒部の計測温度が目標温度より大きい場合には、第１値をゲインとして取得し、一方、触媒部の計測温度が目標温度より小さい場合には、第１値より大きい第２値をゲインとして取得し、その取得したゲインを使用して温度制御を実行する。これによれば、目標温度より大きい一酸化炭素低減部の触媒部の計測温度が目標温度より小さくなる場合、ゲインは第１値から第２値に切り替えられて大きい値となる。目標温度よりも計測温度が小さい場合、時定数が大きくなるため、改質水量を穏やかなに変化させた方がオーバシュートなく制御でき、ハンチングが抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
１）第１の実施の形態
以下、本発明による燃料電池システムの第１の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燃料電池１０とこの燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する改質装置２０を備えている。
【００３０】
燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介在された電解質１３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に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。
【００３１】
改質装置２０は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、改質部２１、冷却部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４、燃焼部２５、および蒸発部２６から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。
【００３２】
改質部２１は、改質用燃料に改質水が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部２１は有底円筒状に形成されており、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路２１ａを備えている。この改質部２１は、ステンレスで形成されている。
【００３３】
改質部２１の折り返し流路２１ａ内には、触媒２１ｂ（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、下記化２に示すように、冷却部２２から導入された改質用燃料と水蒸気供給管５１から導入された水蒸気との混合ガスが触媒２１ｂによって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、下記化３に示すように、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆるシフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は冷却部（熱交換部）２２に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、シフト反応は発熱反応である。改質部２１の触媒２１ｂの活性温度域は４００℃から８００℃である。
【００３４】
（化２）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ
【００３５】
（化３）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
【００３６】
また、改質部２１内には、改質部２１内の温度例えば燃焼部２５との間の壁付近の温度を測定する温度センサ２１ｃが設けられている。温度センサ２１ｃの検出結果は制御装置３０に送信されている。
【００３７】
冷却部２２は、改質部２１から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水（水蒸気）との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器（熱交換部）であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温して（例えば６００℃から２００℃に降温して）ＣＯシフト部２３に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部２１に導出するようになっている。
【００３８】
具体的には、冷却部２２には図示しない燃料供給源（例えば都市ガス管）に接続された燃料供給管４１が接続されている。燃料供給管４１には、上流から順番に改質用燃料ポンプ４２および改質用燃料バルブ４３が設けられている。改質用燃料バルブ４３は燃料供給管４１を開閉し改質用燃料の供給量を調整する改質用燃料調整手段である。改質用燃料ポンプ４２は改質用燃料を供給するものである。なお、改質用燃料ポンプ４２で改質用燃料の供給量を調整するようにしてもよい。また、燃料供給管４１の改質用燃料バルブ４３と冷却部２２との間には蒸発部２６に接続された水蒸気供給管５１が接続されている。蒸発部２６から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部２２を通って改質部２１に供給されている。
【００３９】
ＣＯシフト部２３は、改質部２１から冷却部２２を通って供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯシフト部２３は、内部に上下方向に沿って延在する折り返し流路２３ａを備えている。折り返し流路２３ａ内には触媒２３ｂ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。折り返し流路２３ａ内であって触媒２３ｂが充填されている部分が触媒部２３ｃである。ＣＯシフト部２３においては、上記化３と同じ下記数４に示すように、冷却部２２から導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気は、触媒２３ｂにより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シフト反応が生じている。このシフト反応は発熱反応である。ＣＯシフト部２３の触媒２３ｂの活性温度域は２００℃から３００℃である。
【００４０】
（化４）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
【００４１】
また、ＣＯシフト部２３の触媒部２３ｃ内には、第１および第２温度センサ２３ｄ，２３ｅが配設されている。第１および第２温度センサ２３ｄ，２３ｅは、触媒部２３ｃ内の上流側に位置する第１位置、および該第１位置より下流側であって中流に位置する第２位置に配置されている。第１温度センサ２３ｄは、触媒部２３ｃ内の上流（第１位置）の温度を検出し、その検出結果は制御装置３０に送信されている。第２温度センサ２３ｅは、触媒部２３ｃ内の中流（第２位置）の温度を検出し、その検出結果は制御装置３０にそれぞれ送信されている。
【００４２】
上流は、触媒部２３ｃ内を流れるガス（改質ガス）の流れ（折り返し流路２３ａ）の上流であり、例えば、折り返し流路２３ａの入口から１／３までの部分をいう。中流は、折り返し流路２３ａの中流（１／３から２／３までの部分）であり、例えば、折り返し流路２３ａの折り返し部を含む部分をいう。なお、改質ガスは、図１の矢印で示すように、ＣＯシフト部２３の上部中央から流入し折り返し流路２３ａの内路を通過し底部で折り返し外路を通過して接続管８９に流出する。
【００４３】
ＣＯ選択酸化部２４は、ＣＯシフト部２３から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池１０に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯ選択酸化部２４は、円筒状に形成されて、蒸発部２６の外周壁を覆って当接して設けられている。ＣＯ選択酸化部２４の内部には、触媒２４ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されている。
【００４４】
また、ＣＯ選択酸化部２４内には、ＣＯ選択酸化部２４内の温度を測定する温度センサ２４ｂが設けられている。温度センサ２４ｂの検出結果は制御装置３０に送信されている。
【００４５】
このＣＯ選択酸化部２４の側壁面下部および側壁面上部には、ＣＯシフト部２３に接続された接続管８９および燃料電池１０の燃料極１１に接続された改質ガス供給管７１がそれぞれ接続されている。接続管８９には、酸化用空気供給管６１が接続されている。これにより、ＣＯ選択酸化部２４には、ＣＯシフト部２３からの改質ガスと大気からの酸化用空気が導入されるようになっている。なお、酸化用空気供給管６１には、上流から順番に酸化用空気ポンプ６２および酸化用空気バルブ６３が設けられている。酸化用空気ポンプ６２は酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ６３は酸化用空気供給管６１を開閉するものである。
【００４６】
したがって、ＣＯ選択酸化部２４内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応（酸化）して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒２４ａによって促進される。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、燃料電池１０の燃料極１１に供給されるようになっている。
【００４７】
燃焼部２５は、燃焼用燃料ポンプ４５によって供給される燃焼用燃料および改質部２１から供給される改質ガスの少なくとも何れか一方を、燃焼用空気ポンプ６５によって供給される燃焼用空気により燃焼してその燃焼ガスによって改質部２１を加熱するものである。この燃焼部２５は、改質部２１を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部２１の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。
【００４８】
燃焼部２５には、図示しない燃料供給源（例えば都市ガス管）に接続された燃焼用燃料供給管４４が接続されるとともに、燃料極１１の導出口に一端が接続されているオフガス供給管７２の他端が接続されている。基本的には、燃料電池１０の起動当初、燃焼用燃料が燃焼部２５に供給され、燃料電池１０の起動運転中、ＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスが燃料電池１０を経由しないで燃焼部２５に供給され、燃料電池１０の定常運転中、燃料電池１０から排出されるアノードオフガス（燃料極１１にて未使用な水素を含んだ改質ガス）が燃焼部２５に供給されるようになっている。また、改質ガスやオフガスの不足分を燃焼用燃料で補っている。
【００４９】
また、燃焼部２５には、燃焼用空気供給管６４が接続されており、燃焼用燃料、アノードオフガス、改質ガスなどの可燃ガスを燃焼（酸化）させるための燃焼用空気が大気から供給されるようになっている。
【００５０】
なお、燃焼用燃料供給管４４には上流から順番に燃焼用燃料ポンプ４５および燃焼用燃料バルブ４６が設けられている。燃焼用燃料ポンプ４５は燃焼用燃料を供給しその供給量を調整する燃焼用燃料供給手段である。燃焼用燃料バルブ４６は燃焼用燃料供給管４４を開閉するものである。また、燃焼用空気供給管６４には上流から順番に燃焼用空気ポンプ６５および燃焼用空気バルブ６６が設けられている。燃焼用空気ポンプ６５は燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気を供給しその供給量を調整する燃焼用酸化剤ガス供給手段である。燃焼用空気バルブ６６は燃焼用空気供給管６４を開閉するものである。
【００５１】
このように構成された燃焼部２５は着火されると、供給されている燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスが燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは、燃焼ガス流路２７を流通し、排気管８１を通って燃焼排ガスとして排気される。これにより、燃焼ガスは改質部２１および蒸発部２６をこの順番で加熱する。燃焼ガス流路２７は、改質部２１の内周壁に沿って当接して配設され、折り返されて改質部２１の外周壁と断熱部２８との間に当接して配設され、折り返されて断熱部２８と蒸発部２６の間に当接して配設された流路である。
【００５２】
蒸発部２６は、改質水を沸騰（蒸発）させて水蒸気を生成して冷却部２２を介して改質部２１に供給するものである。蒸発部２６は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路２７の外周壁を覆って当接して設けられている。
【００５３】
この蒸発部２６の下部（例えば側壁面下部、底面）には改質水タンク（図示省略）に接続された給水管５２が接続されている。蒸発部２６の上部（例えば側壁面上部）には水蒸気供給管５１が接続されている。改質水タンクから導入された改質水は、蒸発部２６内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびＣＯ選択酸化部２４からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気供給管５１および冷却部２２を介して改質部２１へ導出するようになっている。なお、給水管５２には、上流から順番に改質水ポンプ５３および改質水バルブ５４が設けられている。改質水ポンプ５３は、蒸発部２６に改質水を供給するものである。改質水バルブ５４は給水管５２を開閉し改質水供給量を調整する改質水調整手段である。なお、改質水ポンプ５３で改質水の供給量を調整するようにしてもよい。
【００５４】
また、蒸発部２６には、蒸発部２６内の温度を検出する温度センサ２６ａが設けられている。温度センサ２６ａは蒸発部２６内の上流部（入口側）に設けることが好ましい。温度センサ２６ａは蒸発部２６内の下流部（出口側）に設けてもよく、水蒸気供給管５１の途中に設けてもよく、水蒸気供給管５１と合流点から冷却部２２の入口までの燃料供給管４１の途中に設けるようにしてもよい。温度センサ２６ａの検出結果は制御装置３０に送信されている。
【００５５】
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２４が接続されるとともに、燃料極１１の導出口にはオフガス供給管７２を介して燃焼部２５が接続されている。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。
【００５６】
起動運転中には、改質装置２０から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を閉じ第２改質ガスバルブ７６を開き、定常運転（発電運転）中には、改質装置２０からの改質ガスを燃料電池１０に供給するため、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開き第２改質ガスバルブ７６を閉じている。
【００５７】
また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、カソード用空気供給管６７が接続されるとともに、空気極１２の導出口には、排気管８２が接続されている。空気極１２に空気が供給され、オフガスが排気されるようになっている。なお、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はカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ６９はカソード用空気供給管６７を開閉するものである。
【００５８】
さらに、燃料電池システムは、インバータ（電力変換器）１５および電力計１６ａを備えている。インバータ１５は、燃料電池１０の発電出力を交流電力に変換して送電線を介して、電灯、アイロン、テレビ、洗濯機、電気コタツ、電気カーペット、エアコン、冷蔵庫などの電気器具である負荷装置１６に供給している。電力計１６ａは、負荷装置１６の運転負荷（負荷電力）を検出する負荷電力検出手段であり、その検出結果を制御装置３０に送信するようになっている。
【００５９】
さらに、燃料電池システムは制御装置３０を備えており、この制御装置３０には、上述した温度センサ２１ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２４ｂ，２６ａ、電力計１６ａ、各ポンプ４２，４５，５３，６２，６５，６８、各バルブ４３，４６，５４，６３，６６，６９，７４，７５，７６、および燃焼部２５が接続されている（図３参照）。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、温度センサ２１ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２４ｂ，２６ａからの温度、および電力計１６ａからの運転負荷に基づいて、各ポンプ４２，４５，５３，６２，６５，６８、各バルブ４３，４６，５４，６３，６６，６９，７４，７５，７６、および燃焼部２５を制御することにより、燃料電池システムの運転を実施している。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。
【００６０】
図３に示すように、制御装置３０は、運転負荷Ｗ、ＣＯシフト部温度目標値Ｔｈ１ｔ、ＣＯシフト部上流温度Ｔｈ１、ＣＯシフト部中流温度Ｔｈ２、蒸発部温度Ｔｈ３を入力して、Ｓ／Ｃ（＝改質水／カーボン（重量比））すなわち改質水の供給量を導出して設定するように構成されている。カーボンとは、改質用燃料量から算出されるカーボン量である。図３は制御装置３０の制御ロジックを示すブロック図である。
【００６１】
運転負荷Ｗは、電力計１６ａにより検出される負荷装置１６の負荷電力である。なお、燃料電池１０の電圧が変化する場合には運転負荷Ｗに替えて掃引電流を使用する。ＣＯシフト部温度目標値Ｔｈ１ｔは、ＣＯシフト部２３の触媒２３ｃ内の上流（第１位置）の温度目標値（例えば２３０℃）であり、触媒が適切に機能する温度に設定されており、制御装置３０に予め記憶されている。ＣＯシフト部上流温度Ｔｈ１、ＣＯシフト部中流温度Ｔｈ２、蒸発部温度Ｔｈ３は、第１温度センサ２３ｄ、第２温度センサ２３ｅ、温度センサ２６ａによりそれぞれ検出される、ＣＯシフト部２３の触媒部２３ｃ内上流の温度、ＣＯシフト部２３の触媒部２３ｃ内中流の温度、蒸発部２６内の温度である。
【００６２】
制御装置３０は、第１〜第４制御部３１〜３４、および積分器３５から構成されている。
【００６３】
第１制御部３１は、運転負荷Ｗを入力して、運転負荷の変化量に対する補正値Ｃ１を算出するものである。第１制御部３１は、演算器３１ａ、メモリ３１ｂ、減算器３１ｃ、加算器３１ｄから構成されている。演算器３１ａは、図４に示すような運転負荷とＳ／Ｃとの相関関係を示すマップを用いて、入力した運転負荷からＳ／Ｃ出力値を算出するものである。メモリ３１ｂは、演算器３１ａからのＳ／Ｃ出力値の前回値を記憶するものである。減算器３１ｃは、演算器３１ａからのＳ／Ｃ出力値の今回値から、メモリ３１ｂからのＳ／Ｃ出力値の前回値を減算して、演算器３１ａからのＳ／Ｃ出力値を微分して運転負荷の変化量に対する補正値Ｃ１を算出する。加算器３１ｄは、補正値Ｃ１に第２制御部３２で演算された補正値Ｃ２を加算するものである。なお。図４に示すマップにおいては、運転負荷が大きくなるほどＳ／Ｃが大きくなるように設定されている。
【００６４】
第２制御部３２は、ＣＯシフト部温度目標値Ｔｈ１ｔおよびＣＯシフト部上流温度Ｔｈ１を入力して、ＣＯシフト部温度目標値Ｔｈ１ｔとＣＯシフト部上流温度Ｔｈ１との偏差ｅ（Ｔｈ１ｔ−Ｔｈ１）に対するＳ／Ｃの補正値Ｃ２を算出するものである。
【００６５】
第２制御部３２は、減算器３２ａ、微分動作器３２ｂ、比例動作器３２ｃ、積分動作器３２ｄ、加算器３２ｅから構成されている。減算器３２ａは、後述する減算器３３ｂからの補正されたＣＯシフト部温度目標値Ｔｈ１ｔａとＣＯシフト部上流温度Ｔｈ１との偏差ｅ（＝Ｔｈ１ｔａ−Ｔｈ１）を算出する。
【００６６】
微分動作器３２ｂは、乗算器３２ｂ１、メモリ３２ｂ２、減算器３２ｂ３、メモリ３２ｂ４、減算器３２ｂ５から構成されている。乗算器３２ｂ１は、減算器３２ａから入力した偏差ｅに微分ゲインＫｄを乗算するものである。メモリ３２ｂ２は、乗算器３２ｂ１からの乗算結果（ｅ・Ｋｄ）の前回値を記憶するものである。減算器３２ｂ３は、乗算器３２ｂ１からの乗算結果（ｅ・Ｋｄ）の今回値から、メモリ３２ｂ２からの乗算結果（ｅ・Ｋｄ）の前回値を減算して、乗算器３２ｂ１からの乗算結果（ｅ・Ｋｄ）を微分する。メモリ３２ｂ４は、減算器３２ｂ３からの微分結果の前回値を記憶するものである。減算器３２ｂ５は、減算器３２ｂ３からの微分結果の今回値から、メモリ３２ｂ４からの微分結果の前回値を減算して、減算器３２ｂ３からの微分結果を微分する。すなわち、乗算器３２ｂ１からの乗算結果（ｅ・Ｋｄ）を２階微分する。
【００６７】
比例動作器３２ｃは、乗算器３２ｃ１、メモリ３２ｃ２、減算器３２ｃ３から構成されている。乗算器３２ｃ１は、減算器３２ａから入力した偏差ｅに比例ゲインＫｐを乗算するものである。メモリ３２ｃ２は、乗算器３２ｃ１からの乗算結果（ｅ・Ｋｐ）の前回値を記憶するものである。減算器３２ｃ３は、乗算器３２ｃ１からの乗算結果（ｅ・Ｋｐ）の今回値から、メモリ３２ｃ２からの乗算結果（ｅ・Ｋｐ）の前回値を減算して、乗算器３２ｃ１からの乗算結果（ｅ・Ｋｐ）を微分する。
【００６８】
積分動作器３２ｄは、乗算器として作用し、減算器３２ａから入力した偏差ｅに積分ゲインＫｉを乗算するものである。
【００６９】
加算器３２ｅは、減算器３２ａから入力した偏差ｅに微分ゲインＫｄを乗算した値を２階微分した値を微分動作器３２ｂから入力し、減算器３２ａから入力した偏差ｅに比例ゲインＫｐを乗算した値を１階微分した値を比例動作器３２ｃから入力し、減算器３２ａから入力した偏差ｅに積分ゲインＫｉを乗算した値を積分動作器３２ｄから入力し、それら入力値を加算するものである。
【００７０】
第３制御部３３は、ＣＯシフト部中流温度Ｔｈ２を入力して、ＣＯシフト部温度目標値Ｔｈ１ｔを補正するものである。第３制御部３３は、演算器３３ａ、減算器３３ｂから構成されている。演算器３３ａは、ＣＯシフト部中流温度Ｔｈ２を入力して、図５に示すようなＣＯシフト部中流温度Ｔｈ２と補正値Ｃ３との相関関係を示すマップを用いて、入力したＣＯシフト部中流温度Ｔｈ２から補正値Ｃ３を算出するものである。このマップは、ＣＯシフト部中流温度Ｔｈ２が第１所定温度（例えば２６０℃）までは補正値Ｃ３が０であり、第１所定温度を超えると、第１所定温度より高い第２所定温度（例えば３００℃）までは高くなるにしたがって補正値Ｃ３が大きくなるような関係がある。減算器３３ｂは、ＣＯシフト部温度目標値Ｔｈ１ｔから演算器３３ａからの補正値Ｃ３を減算して、ＣＯシフト部温度目標値Ｔｈ１ｔを補正する。減算器３３ｂによる減算結果（補正結果）は、Ｔｈ１ｔ−Ｃ３（＝Ｔｈ１ｔａ）である。したがって、演算器３３ａによれば、ＣＯシフト部中流温度Ｔｈ２が所定温度（例えば２６０℃）まではＣＯシフト部温度目標値Ｔｈ１ｔを補正することはない。一方、所定温度を超えるとＣＯシフト部温度目標値Ｔｈ１ｔを減少するように補正する。
【００７１】
第４制御部３４は、蒸発部温度Ｔｈ３を入力して、蒸発部温度Ｔｈ３を考慮した補正値Ｃ４を算出するものである。第４制御部３４は、演算器３４ａ、メモリ３４ｂ、減算器３４ｃ、加算器３４ｄから構成されている。演算器３４ａは、図６に示すような蒸発部温度Ｔｈ３と補正値Ｃ４との相関関係を示すマップを用いて、入力した蒸発部温度Ｔｈ３から補正値Ｃ４を算出するものである。このマップは、蒸発部温度Ｔｈ３が第３所定温度（例えば１０５℃）までは補正値Ｃ４が０であり、第３所定温度を超えると、第３所定温度より高い第４所定温度（例えば１４５℃）までは高くなるにしたがって補正値Ｃ４が大きくなるような関係がある。
【００７２】
メモリ３４ｂは、演算器３４ａからの補正値Ｃ４の前回値を記憶するものである。減算器３４ｃは、演算器３４ａからの補正値Ｃ４の今回値から、メモリ３４ｂからの補正値Ｃ４の前回値を減算して、演算器３４ａからの補正値Ｃ４を微分する。加算器３４ｄは、加算器３１ｄからの補正値Ｃ１，Ｃ２の和に補正値Ｃ４を加算するものである。
【００７３】
積分器３５は、第１，２，４制御部３１，３２，３４の出力結果の加算値（すなわち加算器３２ｅの加算結果を加算器３１ｄおよび３４ｄでそれぞれ加算処理した値＝Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ４）を積分してＳ／Ｃを算出するものである。積分器３５は、加算器３５ａ、上下限制限器３５ｂ、メモリ３５ｃから構成されている。加算器３５ａは、加算器３４ｄから入力した今回値と、メモリ３５ｃからの前回値を加算するものである。上下限制限器３５ｂは、加算器３５ａからの加算値を入力しガード処理（フィルタ処理）するものである。メモリ３５ｃは、ガード処理した値の前回値を記憶するものである。
【００７４】
すなわち、上述したように基本的には、Ｓ／Ｃは下記数１で算出できる。
【００７５】
【数１】
2009110951.tif 000003
【００７６】
さらに、ＣＯシフト部中流温度Ｔｈ２を考慮する場合には、Ｓ／Ｃは下記数２で算出できる。
【００７７】
【数２】
2009110951.tif 000004
さらに蒸発部温度Ｔｈ３も考慮する場合には、Ｓ／Ｃは下記数３で算出できる。
【００７８】
【数３】
2009110951.tif 000005
【００７９】
次に、改質部２１に供給される改質水量を変化させてＣＯシフト部２３の触媒部２３ｃの温度制御について図７に示したフローチャートを参照しながら説明する。制御装置３０は、図示しないスタートスイッチが押されると、所定の短時間毎に、上記フローチャートに対応したプログラムを繰り返し実行する。制御装置３０は、ステップ１００にてプログラムの実行を開始する度に、ステップ１０２（第３制御器３３の処理）において、ＣＯシフト部中流温度Ｔｈ２を入力して、図５に示すようなＣＯシフト部中流温度Ｔｈ２と補正値Ｃ３との相関関係を示すマップを用いて、入力したＣＯシフト部中流温度Ｔｈ２から補正値Ｃ３を算出し、ＣＯシフト部温度目標値Ｔｈ１ｔから補正値Ｃ３を減算して、ＣＯシフト部温度目標値Ｔｈ１ｔを補正する。
【００８０】
この補正結果の一例を図８に示す。図８では、上段でＣＯシフト部中流温度Ｔｈ２の時間変化を示し、中段でＣＯシフト部中流温度Ｔｈ２に対する補正値Ｃ３の時間変化を示し、下段で補正後のＣＯシフト部目標温度Ｔｈ１ｔの時間変化を示す。時刻ｔ１までは、ＣＯシフト部中流温度Ｔｈ２が第１所定温度（２６０℃）未満であるので、補正値Ｃ３は０であり、補正後のＣＯシフト部目標温度Ｔｈ１ｔは予め設定されている基準値（２３０℃）である。ＣＯシフト部中流温度Ｔｈ２が第１所定温度（２６０℃）を超えている時刻ｔ１から時刻ｔ２までは、ＣＯシフト部中流温度Ｔｈ２が第１所定温度（２６０℃）より高いので、補正値Ｃ３はＣＯシフト部中流温度Ｔｈ２に応じた値となり、補正後のＣＯシフト部目標温度Ｔｈ１ｔａはＣＯシフト部目標温度Ｔｈ１ｔから補正値Ｃ３を減算した値（Ｔｈ１ｔ−Ｃ３）となる。
【００８１】
制御装置３０は、ステップ１０４（第２制御器３２の処理）において、ステップ１０２で算出した補正後のＣＯシフト部目標温度（Ｔｈ１ｔ−Ｃ３）とＣＯシフト部上流温度Ｔｈ１との偏差ｅを計算して、Ｓ／Ｃの補正値Ｃ２を算出する。また、制御装置３０は、ステップ１０６（第１制御器３１の処理）において、運転負荷Ｗを入力してＳ／Ｃの補正値Ｃ１を算出する。そして、制御装置３０は、ステップ１０８（第４制御器３４の処理）において、蒸発部温度Ｔｈ３を入力してＳ／Ｃの補正値Ｃ４を算出する。
【００８２】
制御装置３０は、ステップ１１０において、ステップ１０４，１０６，１０８でそれぞれ算出した各補正値Ｃ２，Ｃ１，Ｃ４を加算して（加算器３１ｄ，３４ｄ）、その和を積分する（積分器３５の処理）。これにより、上記数３に示すようにＳ／Ｃを算出することができる。
【００８３】
制御装置３０は、ステップ１１２において、先にステップ１０６で入力した運転負荷と、ステップ１１０で算出したＳ／Ｃと、から改質水供給量を算出する。その後、プログラムをステップ１１４に進めて本フローチャートを一旦終了する。
【００８４】
そして、制御装置３０は、先にステップ１０６で入力した運転負荷に応じた改質用燃料供給量を算出する。さらに、制御装置３０は、その算出した改質用燃料供給量となるように、改質用燃料バルブ４３の開閉量を調整し（ＰＷＭ制御でもよい）、ステップ１１２で算出した改質水供給量となるように、改質水バルブ５４の開閉量を調整する（ＰＷＭ制御でもよい）。
【００８５】
さらに、運転負荷が変更した際にＣＯシフト部目標温度が変更された場合を例に挙げて図９を参照して説明する。図９において、運転負荷Ｗをｆ１で示し、運転負荷Ｗは時刻ｔ１１にＷ１からＷ２に増大（変更）されたとする。
【００８６】
従来では、図９のｆ２ａの破線で示すように、運転負荷Ｗが増大されると、Ｓ／Ｃが補正されないで運転負荷Ｗに比例して増大されるので、改質水量が比較的多く投入されてＣＯシフト部２３（特にＣＯシフト部上流）が降温される。これに対して、本実施の形態によれば、図９のｆ２の実線で示すように、運転負荷Ｗが増大される場合、ＣＯシフト部上流温度Ｔｈ１をＣＯシフト部目標温度Ｔｈ１ｔとなるようにＳ／Ｃを補正させているので、従来のように改質水量を比較的多く投入するのを抑制し、ＣＯシフト部２３（特にＣＯシフト部上流）が従来にように急激に降温されるのを抑制することができる。ここで、Ｓ／Ｃは図９でｆ３で示す。改質水供給量は図９でｆ４で示す。
【００８７】
上述の説明から明らかなように、この第１の実施の形態においては、制御装置３０が、改質部２１に供給される改質水量を変化させて一酸化炭素低減部（ＣＯシフト部）２３の触媒部２３ｃの温度制御を実行する。ところで、一酸化炭素低減部２３ｃにおいては、（発生した熱量）／（熱容量）は上昇温度である。改質部から一酸化炭素低減部に供給されたガスのシフト反応により熱が発生する。改質用燃料は発電に必要な流量が供給されている。改質部２１から導出されたガス中の一酸化炭素濃度は、発電出力・改質部の条件が同じならほぼ一定であるとみなせる。一方、水蒸気はシフト反応に必要な量以上が供給されている。一酸化炭素低減部２３で発生する熱量は、ガス中の一酸化炭素濃度で決まるため、ほぼ一定である。水蒸気が多くなると一酸化炭素低減部２３に供給されるガスの熱容量が大きくなり、上昇温度が小さくなる。この結果、一酸化炭素低減部２３の温度が下がる。逆に、水蒸気が少なくなると一酸化炭素低減部２３に供給されるガスの熱容量が小さくなり、上昇温度が大きくなる。この結果、一酸化炭素低減部２３の温度が上がる。このことから、改質部２１への改質水量を減少させ、一酸化炭素低減部２３へ流入する水蒸気の量が減少すると、一酸化炭素低減部２３の温度を上昇させることができる。一方、改質部２１への改質水量を増大させ、一酸化炭素低減部２３へ流入する水蒸気の量が増大すると、一酸化炭素低減部２３の温度が下降させることができる。したがって、一酸化炭素低減部２３の触媒部２３ｃを触媒の活性温度域すなわちシフト反応を適切に生じ得る温度範囲にとどめておくことが可能となる。これにより、一酸化炭素低減部２３の触媒２３ｂの経年劣化や燃料電池の出力要求の変更などに関係なく、一酸化炭素低減部２３の触媒温度を適当な温度範囲に極力収めてシフト反応を適切に生じさせ、一酸化炭素濃度の低い燃料ガスを燃料電池１０に供給し、燃料電池１０の触媒劣化を抑制することができる。
【００８８】
ところで、改質反応に用いる改質水の量を制御する場合、従来では、マップ（運転負荷と改質水量（またはＳ／Ｃ））で行っていたため、各機種毎にマップを適合する必要があり、温度制御を行うのに莫大な工数が必要であり、また触媒劣化時に対応できないという問題があった。これに対し、本第１の実施の形態によれば、制御装置３０は第２制御器３２、積分器３５からなるＰＩＤ制御により温度制御を行っている。このＰＩＤ制御は、ＣＯシフト部２３の温度情報をフィードバックすることでＣＯシフト部上流温度を目標温度にするために自動で適切な改質水量（Ｓ／Ｃ）を指示できるので、各機種毎に適合する必要がなくなり、工数の低減が図られ、また触媒劣化時にも対応することができ、商品性の向上を図ることができる。また、改質水バルブ５４（または改質水ポンプ５３）、改質用燃料バルブ４３（または改質用燃料ポンプ４２）に性能バラツキがある場合でも、そのばらつきに対応することができる。
【００８９】
また、制御装置３０は、一酸化炭素低減部２３の触媒部２３ｃの第１位置の温度が目標温度となるように温度制御を実行するので、触媒部２３ｃの適切な位置の温度を調整可能となり、効果的に触媒部２３ｃの温度制御を実行できる。
【００９０】
また、制御装置３０は、触媒部２３ｃ内の上流側の温度を温度制御するので、最も効果的な位置の温度を温度制御することにより、効果的に触媒部２３ｃの温度制御を実行できる。
【００９１】
また、触媒部２３ｃの温度は、一酸化炭素低減部２３の触媒部２３ｃ内の上流側に配置された第１温度センサ２３ｄによって取得するので、簡単な構成で確実に触媒２３ｂの温度を検出することができる。
【００９２】
ところで、一酸化炭素低減部２３の触媒部２３ｃでは上流側から触媒が劣化する。劣化が起こると、それより下流側の触媒でシフト反応が多くおこり、この反応熱により下流側の第２位置の温度が上昇する。これに対し、制御装置３０は、一酸化炭素低減部２３の触媒部２３ｃ内であって第１位置より下流側の第２位置の温度に基づいて、目標温度の補正を行うので、触媒部２３ｃ全体の温度（特に下流側触媒）の温度上昇を抑制し、一酸化炭素低減部２３の触媒劣化を抑制することができる。
【００９３】
また、制御装置３０は、第２位置の温度が所定温度以上になると、目標温度を減少するように補正するので、第１位置の温度の低下とともに第２位置の温度も低下する。よって、過昇温による下流側触媒の劣化を抑制することができる。
【００９４】
また、第２位置は触媒部２３ｃの中流であるので、第１位置とは必要かつ十分離れた第２位置の温度も考慮して温度制御することにより、過昇温による一酸化炭素低減部２３の触媒劣化を適切に抑制することができる。
【００９５】
また、触媒部２３ｃの温度は、触媒部２３ｃ内の中流に配置された第２温度センサ２３ｅによって取得するので、簡単な構成で確実に触媒の温度を検出することができる。
【００９６】
ところで、上述した第１の実施の形態にて、改質水量を変化させると、蒸発部２６の温度が変化する。これに対し、制御装置３０は、蒸発部２６の温度に基づいて改質水の供給量の補正を行うので、蒸発部２６の大きい温度変化を抑制して特に蒸発部２６の過昇温を抑制することができる。
【００９７】
また、制御装置３０は、蒸発部２６の温度が所定温度以上になると、改質水を増大するように補正するので、蒸発部２６の過昇温を確実に抑制することができる。
【００９８】
なお、上述した第１の実施の形態において、触媒部２３ｃの温度制御は触媒部２３ｃの一部の温度を制御するだけでなく全体の温度を制御する場合も含む。すなわち、ＣＯシフト部目標温度はＣＯシフト部上流の温度であってもよく、ＣＯシフト部中流の温度であってもよい。
【００９９】
以上に説明した実施形態には、下記の技術思想も含まれている。
［付記項］
【０１００】
改質用燃料と改質水が供給されて燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部から供給された前記燃料ガス中に含まれている一酸化炭素を、二酸化炭素に変化させるシフト反応により低減する触媒が充填された触媒部を有する一酸化炭素低減部と、
前記一酸化炭素低減部から燃料極に供給された前記燃料ガス、および酸化剤極に供給された酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、
前記改質部に供給される改質水量を変化させて前記一酸化炭素低減部の前記触媒部の温度制御を実行する制御装置と、
前記改質部に供給される改質水と前記改質部から前記一酸化炭素低減部に供給される前記改質ガスとが熱交換する冷却部と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【０１０１】
付記項においては、ガスの熱容量による影響に加えて、水の供給量が多くなると、一酸化炭素低減部の前段の冷却部に冷媒として流れる水（もしくは水蒸気）が多くなり、一酸化炭素低減部に供給されるガスが冷却部で奪われる熱量が増え、一酸化炭素低減部の温度が下がる。逆に、水の供給量が少なくなると、冷却部に冷媒として流れる水（もしくは水蒸気）が少なくなり、一酸化炭素低減部に供給されるガスが冷却部で奪われる熱量が減り、一酸化炭素低減部の温度が上がる。このことからも、改質部への改質水量を減少させ、一酸化炭素低減部へ流入する水蒸気の量が減少すると、一酸化炭素低減部の温度を上昇させることができる。一方、改質部への改質水量を増大させ、一酸化炭素低減部へ流入する水蒸気の量が増大すると、一酸化炭素低減部の温度が下降させることができる。したがって、一酸化炭素低減部の触媒部を触媒の活性温度域すなわちシフト反応を適切に生じ得る温度範囲にとどめておくことが可能となる。これにより、一酸化炭素低減部の触媒の経年劣化や燃料電池の出力要求の変更などに関係なく、一酸化炭素低減部の触媒温度を適当な温度範囲に極力収めてシフト反応を適切に生じさせ、一酸化炭素濃度の低い燃料ガスを燃料電池に供給し、燃料電池の触媒劣化を抑制することができる。
【０１０２】
２）第２の実施の形態
次に、本発明による燃料電池システムの第２の実施の形態について説明する。本第２の実施の形態の燃料電池システムの構成は、上述した第１の実施の形態と同様であるので、その説明は省略する。
【０１０３】
本第２の実施の形態において、改質部２１に供給される改質水量を変化させてＣＯシフト部２３の触媒部２３ｃの温度制御について図１０に示したフローチャートを参照しながら説明する。制御装置３０は、図示しないスタートスイッチが押されるなどすると、所定の演算周期（例えば１０秒）毎に、上記フローチャートに対応したプログラムを繰り返し実行する。制御装置３０は、ステップ２００にてプログラムの実行を開始する度に、ステップ２０２において、燃料電池１０が発電中であるか否かを判定する。制御装置３０は、発電中でないと判定した場合、例えば起動運転中であると判定すると、改質水目標値を予め記憶されている起動運転用の所定値に設定し（ステップ２２２）、フィードバック制御は行わない。制御装置３０は、発電中であると判定すると、プログラムをステップ２０４以降に進める。
【０１０４】
ステップ２０４以降において、制御装置３０は、蒸発部温度Ｔ１を温度センサ２６ａにより計測し、ＣＯシフト部上流温度Ｔ２を温度センサ２３ｄにより計測する（ステップ２０４）。なお、請求項１１に記載の「触媒部の計測温度」は、実施の形態ではＣＯシフト部２３の触媒部２３ｃの第１位置の温度すなわち触媒部２３ｃ内の上流側の位置の温度である。また、「触媒部の計測温度」は、第１位置の温度に限定されず、第１位置より下流側であって中流に位置する第２位置（上述した）の温度でもよく、触媒部２３ｃの温度であればよい。
【０１０５】
そして、制御装置３０は、ＣＯシフト部上流温度の目標値Ｔ２＊を演算する（ステップ２０６）。具体的には、制御装置３０は、電力計１６ａにより検出される負荷装置１６の負荷電力である運転負荷Ｗと、運転負荷ＷとＣＯシフト部上流温度の目標値Ｔ２＊との相関関係（マップや演算式で表される）とから、運転負荷Ｗに応じた目標値Ｔ２＊を演算する。
【０１０６】
制御装置３０は、ＣＯシフト部上流温度Ｔ２と目標値Ｔ２＊の偏差に基づいて、ＣＯシフト部上流温度Ｔ２の温度制御行うための改質水目標値の演算で使用するゲイン（比例ゲインＫｐ）を切り替える。具体的には、制御装置３０は、ステップ２０４で計測したＣＯシフト部上流温度Ｔ２とステップ２０６で演算した目標値Ｔ２＊から差（＝Ｔ２−Ｔ２＊）を演算する。制御装置３０は、その差が０（℃）より大きければすなわちＣＯシフト部上流温度Ｔ２が目標値Ｔ２＊より大きければ、ステップ２０８で「ＹＥＳ」と判定し、第1値（本実施の形態では１００）を比例ゲインＫｐとして取得する（ステップ２１０）。制御装置３０は、その差が０（℃）以下であればすなわちＣＯシフト部上流温度Ｔ２が目標値Ｔ２＊より小さければ、ステップ２０８で「ＮＯ」と判定し、第1値より大きい第２値（本実施の形態では２００）を比例ゲインＫｐとして取得する（ステップ２１２）。これにより、改質水目標値の演算で使用するゲイン（比例ゲインＫｐ）は、ＣＯシフト部上流温度Ｔ２と目標値Ｔ２＊の偏差に基づいて切り替えられる。なお、第１値および第２値は、比例ゲインＫｐとして設定される値であり、制御装置３０の記憶部（図示省略）または記憶装置（図示省略）に予め記憶されている。
【０１０７】
なお、ＣＯシフト部上流温度Ｔ２（計測温度）＝目標値Ｔ２＊（目標温度）である場合、比例ゲインＫｐを第２値にしたが、比例ゲインＫｐを第１値としてもよく、比例ゲインＫｐを変化させないようにしてもよい。
【０１０８】
制御装置３０は、ステップ２１４において、改質部２１に供給される改質水量を変化させてＣＯシフト部２３の触媒部２３ｃの温度制御を行うため、計測したＣＯシフト部上流温度Ｔ２、演算した目標値Ｔ２＊、取得した比例ゲインＫｐを使用して改質水目標値を算出する。改質水目標値は、改質部２１に供給される改質水量の目標値である。
【０１０９】
具体的には、制御装置３０は、ステップ２０４で計測したＣＯシフト部上流温度Ｔ２とステップ２０６で演算した目標値Ｔ２＊から偏差（＝｜Ｔ２−Ｔ２＊｜）を演算する。制御装置３０は、今回演算した偏差、前回演算した偏差、先に取得した比例ゲインＫｐを使用して下記数４からＰＩＤ制御のうち比例項の値Ａを算出する。なお制御装置３０は、今回演算した偏差を前回偏差として記憶する。
【０１１０】
（数４）
Ａ＝（（今回偏差−前回偏差）×比例ゲインＫｐ）
【０１１１】
さらに、制御装置３０は、今回演算した偏差、演算周期、積分ゲインＫｉを使用して下記数５からＰＩＤ制御のうち積分項の値Ｂを算出する。
【０１１２】
（数５）
Ｂ＝今回偏差×演算周期×Ｋｉ
【０１１３】
さらに、制御装置３０は、先に算出した比例項の値Ａと、積分項の値Ｂと、前回算出した改質水目標値とを加算して改質水目標値を算出する。
【０１１４】
次に制御装置３０は、ステップ２１６において、ステップ２１４およびステップ２２２で演算した改質水目標値をガード処理する。具体的には、制御装置３０は、電力計１６ａにより検出される負荷装置１６の負荷電力である運転負荷Ｗと、運転負荷Ｗと改質用燃料の必要供給量との相関関係（マップや演算式で表される）とから、運転負荷Ｗに応じた改質用燃料の必要供給量を演算する。さらに、制御装置３０は、演算した改質用燃料の必要供給量とＳ／Ｃとから改質用燃料の必要供給量に応じた最低改質水量を演算する。なお、最低改質水量は、改質水ポンプ５３の能力を考慮して決定され、改質触媒をコーキングさせない水量である。そして、制御装置３０は、先に演算した改質水目標値を最低改質水量でガード処理することで、改質水目標値を再演算する。
【０１１５】
そして、制御装置３０は、ステップ２１８において、その改質水目標値から改質水ポンプ５３へ指示する吐出量に応じた電圧・デューティ比に変換して出力する。このように、Ｔ２温度制御は、計測した温度Ｔ２と温度目標値Ｔ２＊との偏差から改質水目標値を演算し、その改質水目標値となるように改質水ポンプ５３の吐出量を変化させるフィードバック制御である。
【０１１６】
このような制御によれば、目標値Ｔ２＊より大きいＣＯシフト部上流温度Ｔ２が目標値Ｔ２＊より小さくなる場合、比例ゲインＫｐは第１値から第２値に切り替えられて大きい値となる。この場合、改質水ポンプ５３の供給量（吐出量）は比較的速やかに減少させられる。冷却部２２に供給される改質水量が速やかに減少するため、冷却部２２での熱交換率が低下するので、改質部２１から流入した高温の改質ガスが比較的降温されないでＣＯシフト部２３に導出される。この結果、ＣＯシフト部２３の温度は緩やかに下がることとなる。
【０１１７】
一方、目標値Ｔ２＊より小さいＣＯシフト部上流温度Ｔ２が目標値Ｔ２＊より大きくなる場合、比例ゲインＫｐは第２値から第１値に切り替えられて小さい値となる。この場合、改質水ポンプ５３の供給量（吐出量）は比較的緩やかに増大させられる。冷却部２２に供給される改質水量が緩やかに増大するため、冷却部２２での熱交換率は緩やかに上昇する。目標温度よりも計測温度が小さい場合、時定数が大きくなるため、改質水量を穏やかなに変化させた方がオーバシュートなく制御でき、ハンチングが抑制できる。
【０１１８】
さらに、図１１を参照して上述した制御の効果を検証する。図１１には、ＣＯシフト部上流温度Ｔ２の計測値、ＣＯシフト部上流温度Ｔ２の目標値Ｔ２＊、改質水目標値、ＣＯシフト部中流温度（ＣＯシフト部中間温度）の計測値、水蒸気温度Ｔ１の計測値、Ｓ／Ｃが示されている。縦軸にそれらの値をとり、横軸に時間がとってある。グラフの左側において、比例ゲインＫｐが第１値および第２値が１００である場合を示し、その後第２値を２００に切り替えたものをグラフの右側において示している。この場合、積分ゲインＫｉはいずれの場合も１００に設定してある。
【０１１９】
図１１から明らかなように、比例ゲインＫｐの第１値および第２値が同じ値である場合には、目標値Ｔ２＊より大きいＣＯシフト部上流温度Ｔ２が目標値Ｔ２＊より小さくなる場合も、目標値Ｔ２＊より小さいＣＯシフト部上流温度Ｔ２が目標値Ｔ２＊より大きくなる場合も、比例ゲインＫｐの値は変わらないので、温度Ｔ２はハンチングする。特にＣＯシフト部２３は、比較的容量が大きいため温度応答性が遅いので、ハンチングしやすい。これにより、触媒が失活や温度暴走しやすいという問題があった。
【０１２０】
これに対し、比例ゲインＫｐの第１値および第２値が１００，２００である場合には、ＣＯシフト部上流温度Ｔ２が目標値Ｔ２＊より大きければ、第1値（本実施の形態では１００）を比例ゲインＫｐとして取得し、小さければ、第1値より大きい第２値（本実施の形態では２００）を比例ゲインＫｐとして取得する。と上述した理由により、温度Ｔ２のハンチングを抑制することができる。したがって、比較的容量が大きく温度応答性が遅いＣＯシフト部２３において、触媒温度のハンチングを抑制し安定した温度制御を行うことができる。これにより、触媒が失活や温度暴走するのを抑制することができる。
【０１２１】
なお、上述した第２の実施の形態では、ステップ２１４において改質水目標値を演算する際に、比例項の値Ａと積分項の値Ｂを算出するようにしていたが、これに加えて微分項の値Ｃを算出し、算出した値Ｃも用いて改質水目標値を演算するようにしてもよい。微分項の値Ｃは、下記数６から算出される。
【０１２２】
【数６】
2009110951.tif 000006
【０１２３】
また、上述した第２の実施の形態では、ゲインの一例として比例ゲインＫｐを挙げて説明しているが、積分ゲインＫｉ、微分ゲインＫｄにも本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明による燃料電池システムの第１の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に示す制御装置を示すブロック図である。
【図４】運転負荷とＳ／Ｃとの関係を示すグラフである。
【図５】ＣＯシフト部中流温度と補正値との関係を示すグラフである。
【図６】蒸発部温度と補正値との関係を示すグラフである。
【図７】図２に示す制御装置で実行される制御プログラムのフローチャートである。
【図８】ＣＯシフト部中流温度に基づいて算出した補正後のＣＯシフト部目標温度の時間変化を示すタイムチャートである。
【図９】本発明による燃料電池システムの動作を示すタイムチャートである。
【図１０】本発明による第２の実施の形態における制御装置で実行される制御プログラムのフローチャートである。
【図１１】図１０に示す温度制御の作用効果を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【０１２５】
１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質装置、２１…改質部、２１ｃ…温度センサ、２２…冷却部（熱交換部）、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２３ｃ…触媒部、２３ｄ…第１温度センサ、２３ｅ…第２温度センサ、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２４ｂ…温度センサ、２５…燃焼部、２６…蒸発部、２６ａ…温度センサ、２７…燃焼ガス流路、２８…断熱部、３０…制御装置、４１…燃料供給管、４２…改質用燃料ポンプ、４３…改質用燃料バルブ、４４…燃焼用燃料供給管、４５…燃焼用燃料ポンプ、４６…燃焼用燃料バルブ、５１…水蒸気供給管、５２…給水管、５３…改質水ポンプ、５４…改質水バルブ、６１…酸化用空気供給管、６２…酸化用空気ポンプ、６３…酸化用空気バルブ、６４…燃焼用空気供給管、６５…燃焼用空気ポンプ、６６…燃焼用空気バルブ、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、８１，８２…排気管、８９…接続管。
【図１】
2009110951.tif 000007
【図２】
2009110951.tif 000008
【図３】
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【図４】
2009110951.tif 000010
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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