JP2011108562A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムのコンパクト化、低コスト化を図りつつ、システム要求を満たす。
【解決手段】空気供給装置を、１台のエアポンプ６と、該エアポンプ６に接続した空気供給管６０から分岐して、それぞれ改質部２１のバーナ２１ａ、選択酸化器２３、及び燃料電池スタックのカソードに至る分岐管とを備えて構成する一方、
前記燃料電池スタック４の要求発電量を満たしつつ、バーナ２１ａへ供給される燃焼用燃料と空気との空燃比と、改質部２１及び選択酸化器２３の各温度とを、それぞれの設定域内に維持するように、前記空燃比及び前記各温度を調整するパラメータをフィードバック制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料を改質して水素リッチな改質ガスを製造する水素製造装置と、製造された改質ガスをアノード、空気をカソードに導いて起電力を発生する燃料電池スタックと、を備えた燃料電池システムに関する。

この種の燃料電池システムにおいては、前記水素製造装置の各部、具体的には、改質部を加熱するためのバーナ及び、改質ガス中に残存するＣＯを選択的に酸化除去する選択酸化器と、前記燃料電池スタックのカソードとに空気を供給している。
これら複数個所への必要な空気供給量は、運転条件（要求発電量等）に応じて変化するため、複数のエアポンプを備えて、各箇所への空気供給量を別々に制御する方式があるが、エアポンプを複数配設して個別に制御することは、大型化、コストアップを招き、また、燃料電池システムの総効率を下げることに繋がる。

そこで、１台のエアポンプに接続した空気配管を複数に分岐させて空気を供給することが検討されている。

特開２００４−２２０９４９号公報 特開２００４−１６８６２６号公報 特開２００４−１８９５５５号公報

特許文献１，２，３に開示されるものでは、１台のエアポンプに接続した空気配管を複数に分岐し、分岐管毎に介装した流量調整弁によって複数個所への空気供給量を調整している。
しかし、要求発電量の変化に応じて改質部を加熱するためのバーナ及び、改質ガス中に残存するＣＯを選択的に酸化除去する選択酸化器と、前記燃料電池スタックのカソードが必要とする空気量は一律割合で増減するものではないため、それら全てに不足なく空気を供給しようとすると、エアポンプの出力を過剰に上げる必要があり、結果として燃料電池システムの総効率の低下を招く。

そこで、特許文献２では、１台のエアポンプで精度よく空気の流量を調整するためにサージタンク及び複数の流量調整弁を備えているが、燃料電池システム全体が大型化し、エアポンプ及び各流量調整弁の制御負荷も過大になる。
特許文献３では、定常時は１台のエアポンプで燃料電池システムを動作させ、燃料蒸発部への供給空気量を補うために予備として第２のエアポンプを設けることで空気の供給の効率化を図っているが、システム全体が依然として大型化し、コスト高にもつく。

本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、コンパクトかつ低コストで、システム要求を満たすことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

このため本発明は、
燃料電池システムにおいて、燃焼用燃料を燃焼して改質部を加熱するバーナ、改質ガス中に残存するＣＯを選択的に酸化してＣＯ２に変える選択酸化器、及び燃料電池スタックのカソードに空気を供給する空気供給装置を、１台のエアポンプと、該エアポンプに接続した空気供給管から分岐して、それぞれ前記バーナ、選択酸化器、及び燃料電池スタックのカソードに至る分岐管とを備えて構成する一方、
燃料電池スタックの要求発電量を満たしつつ、バーナへ供給される燃焼用燃料と空気との空燃比と、前記改質部及び前記選択酸化器の各温度とを、それぞれの設定域内に維持するように、前記空燃比及び前記各温度を調整可能なパラメータをフィードバック制御する制御手段を備えた構成とした。

また、改質部及び選択酸化器の温度変化の追従性を考慮して、改質部温度及び選択酸化器の現在の温度と前回取得温度とを比較して各種パラメータの制御要否を判定する工程を更に備えた。

１台のエアポンプと、空気供給箇所毎の精密な空気流量制御を要しない簡素な空気配管構成によってシステムのコンパクト化、コスト低減を図れると共に、要求発電量の変化に応じて変化する要求空気量を満たすようにエアポンプの出力を制御したときの各分岐管に供給される空気量の変化によって生じる前記バーナへ供給される燃焼用燃料と空気との空燃比、改質部及び選択酸化器の燃焼，反応や温度の変化に対し、前記空燃比及び各部の温度を調整可能なパラメータを制御することにより、エアポンプ及び各調整弁の制御負荷を煩雑化させることなくそれぞれ設定域内に維持することができ、燃料電池システムの総効率を著しく損なうことなく要求発電量を維持することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略を示すブロック図。 同上実施形態の一部を変更した実施形態に係る燃料電池システムの概略を示すブロック図。 同上燃料電池システムの各種制御の前段のフローチャート。 同上燃料電池システムの各種制御の後段のフローチャート。

以下に、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略を示す図である。
水素製造用原燃料ポンプ１は、後述するように改質されて水素ガスを生成する元となる原燃料、例えば、灯油やメタノール等の液体燃料、天然ガス，メタンガス等の気体燃料など水素成分を含む燃料を水素製造装置２の改質部２１に供給する。なお、原燃料が硫黄成分を含んでいる場合は脱硫装置を設け、該脱硫装置を介して原燃料から硫黄成分を除去した後、改質部２１に供給する。

水素製造装置２は、前記改質部２１と、変性器２２及び選択酸化器２３からなるＣＯ除去部２４と、を備えて構成される。
改質部２１は、改質反応を促進する改質触媒を備え、前記原燃料ポンプ１からの原燃料と改質用水とが混合した状態で供給されつつ、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する。

この改質反応は吸熱反応であるため、改質部２１には、バーナ２１ａが一体に備えられ、該バーナ２１ａにバーナ燃焼用燃料ポンプ３から供給された燃焼用燃料を燃焼して、改質部２１を加熱し、改質反応を促進する。該燃焼用燃料は、水素製造用原燃料と同一でもよいが、異なる燃料を使用してもよく、また、改質ガス生成後は後述する燃料電池スタックからの余剰のオフガスに切換え又はこれを併用してもよい。

ＣＯ除去部２４の変成器２２は、前記改質部２１を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度をシフト反応により低減する。
ＣＯ除去部２４の選択酸化器２３は、前記変成器２２を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度を酸化反応によりさらに低減し、ＣＯ等の不純物を許容値以下まで低減した水素リッチな改質ガスとする。

このようにして水素製造装置２で得られた改質ガスが、固体高分子形燃料電池（以下ＰＥＦＣという）スタック４のアノード４ａに供給される。
また、改質部２１及び選択酸化器２３に冷却剤を供給して冷却する冷却剤ポンプ５が、設けられる。本実施形態では冷却剤として冷却水を使用し、ＣＯ除去部２４（選択酸化器２３，変成器２２）及び改質部２１を経由してこれらを冷却した後、改質部２１内に改質用水として供給する。なお、廃熱を回収させた水を冷却剤として利用することもできる。

一方、前記バーナ２１ａには燃料を燃焼するため、選択酸化器２３にはＣＯを酸化除去するため、ＰＥＦＣスタック４のカソード４ｂには起電力を発生させるため、それぞれ酸化剤である空気が供給される。
ここで、本実施形態では、上記各部への空気供給系を以下のように構成する。
電動式のエアポンプ６を１台のみ設置し、該エアポンプ６の吐出口に接続した空気供給管６０から３本に分岐して、それぞれバーナ２１ａ、選択酸化器２３及びＰＥＦＣスタック４のカソード４ｂに至る分岐管を設ける。

本実施形態では、空気供給管６０は、下流側でＰＥＦＣスタック４のカソード４ｂに至る分岐管６１と、もう一方の分岐管６２との２方に分岐し、その分岐点に流量分配弁７が装着され、該流量分配弁７により、これら分岐管６１，６２の空気量の分配比が調整される。前記分岐管６２は、下流側でさらに、バーナ２１ａに至る分岐管６３と、選択酸化器２３に至る分岐管６４とに分岐し、各分岐管６３，６４には、開口面積を縮小するオリフィスやキャピラリチューブ等の絞り６３ａ，６４ａが介装される。絞り６３ａ，６４ａの代わりに流量比例弁を用いてもよい。

なお、カソード４ｂへの空気供給を停止するパターンがあり（例えば、燃料電池スタックの起動時であって、燃料電池部への水素燃料供給を開始する前）、その場合は、流量分配弁７の分岐管６１へ至る弁を閉じることができる。また、本実施形態では分岐管６３，６４にそれぞれ開閉弁６３ｂ，６４ｂを介装し、これにより、バーナ２１ａ，選択酸化器２３への空気供給を独立して停止することもできる。上記絞り６３ａ，６４ａ、開閉弁６３ｂ，６４ｂ等は簡易的には省略することもできる。

エアポンプ６の出力（総空気供給量）と、流量分配弁７の分配比とは、制御部８からの制御信号によって制御され、これにより、３つの分岐管６１，６３，６４の流量比、さらには、各分岐管６１，６３，６４の流量が制御される。なお、図２に示すように、各分岐管６１，６３，６４には該分岐管６１，６３，６４内を流通する空気流量を検出する流量センサ１０ａ，１０ｂ，１０ｃを設けてもよい。

センサ類としては、前記空気供給量を検出する流量センサ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ（図１では省略）の他、バーナ２１ａへの燃料供給配管に設けられて、バーナ２１ａへの燃料量を検出するバーナ燃料量センサ１１，改質部２１に設けられて改質部温度を検出する改質部温度センサ１２，選択酸化器２３に設けられて選択酸化器温度を検出する選択酸化器温度センサ１３が設けられ、これらの検出値は制御部８に入力される。

制御部８は、前記センサ類の検出値に基づいて、前記水素製造用原燃料ポンプ１及びバーナ燃焼用燃料ポンプ３の出力を制御して各燃料の供給量を制御すると共に、エアポンプ６の出力及び流量分配弁７の分配比を制御し、かつ、冷却剤ポンプ５の出力を制御して、冷却剤供給量を制御する。
図３、図４は、前記制御部８による上記燃料電池システムの各種制御フローを示す。

ステップＳ１では、各種パラメータの初期化を行う。具体的には、選択酸化器２３の温度ＰＴ１をＰＴ０とし、改質部２１の温度ＲＴ１をＲＴ０とし、エアポンプ６の出力補正係数αの初期値α０を１とする。
ステップＳ２では、エアポンプ６の出力補正係数αを初期値α０（＝１）にセットする。

ステップＳ３では、ＰＥＦＣスタック４の要求発電量に応じたエアポンプ６の基本出力ＭＶ０を算出する。具体的には、要求発電量に応じてＰＥＦＣスタックでの反応に必要な空気量（酸素量）が定まり、かつ、カソードに供給される空気の利用率（＝ＰＥＦＣスタックで反応した酸素量／カソードへの供給酸素量×１００）が所定値以内に収まるように、カソードに供給される空気量が算出される。同じく要求発電量に応じた改質部でのバーナ２１ａによる加熱量に見合ったバーナ２１ａへの空気量、選択酸化器２３での反応に見合った空気量が算出され、これら３箇所への要求空気量を合計した総空気量を得るためのエアポンプ６の基本出力ＭＶ０を算出する。予め、要求発電量毎に基本出力ＭＶ０を算出してマップを作成し、要求発電量に応じて該マップから基本出力ＭＶ０を検索する方式としてもよい。

ステップＳ４では、要求発電量に基づいて流量分配弁７の分配比を算出してセットする。これも、上記要求発電量に応じたカソードへの供給空気量と、バーナ２１ａへの供給空気量に選択酸化器２３への供給空気量を合わせた供給空気量と、の比に応じた分配比として算出される。
ステップＳ５では、エアポンプ６の前記基本出力ＭＶ０に、出力補正係数αを乗じて出力ＭＶを確定する。出力補正係数αは、初期値α０（＝１）に対し、後述するように調整によって変化する変数であるが、初期値α０（＝１）以上に維持される。

ここで、前記要求発電量が変化して、各設定値が変化したときには、これに応じて本システムの各種状態量が変化する。
そこで、ステップＳ６で一定時間の経過を待った後、ステップＳ７以降へ進んで、各種状態量を検出しつつ、制御パラメータを調整して制御する。
ステップＳ７では、選択酸化器２３へ供給されている実空気量ＰＡを算出する。これは、上述したようにエアポンプ６の出力（総空気供給量）と、流量分配弁７の分配比や絞り６４ａとに基づいて算出することができる。または、図２のように分岐管６４に空気流量センサ１０ｃを設ける場合には、該空気流量センサ１０ｃによって検出することができる。

ステップＳ８では、前記実空気量ＰＡが下限値ＰＡminを下回っているかを判定する。ここで、ＰＥＦＣスタック４に供給される水素ガス中に残存するＣＯ濃度が許容値を超えるとＰＥＦＣスタック４の反応が損なわれて必要な発電量を得られなくなってしまう。そこで、前記下限値ＰＡminは、選択酸化器２３での空気による酸化反応によってＣＯ濃度を許容値以下に低減させて安定した発電能力を確保できる値に設定されている。

ステップＳ８で、実空気量ＰＡが下限値ＰＡmin以上と判定されたときは、ステップＳ１０へ進むが、ＰＡがＰＡminを下回っていると判定されたときは、出力補正係数αを増加させることにより、ステップＳ９でエアポンプ６の出力を１ステップ増加させた後、ステップＳ７へ戻り、ＰＡがＰＡmin以上となるまで繰り返す。なお、ステップＳ９で、更新されたαの値を随時取得（記憶）しておく。この下限値ＰＡmin以上に維持する制御は、要求発電量を満たすための制御である。

実空気量ＰＡが下限値ＰＡmin以上に維持されてステップＳ１０に進むと、バーナ２１ａへ供給される燃料と空気との空燃比ＢＡを算出する。これは、上記実空気量ＰＡの算出と同様、エアポンプ６の出力（総空気供給量）と、流量分配弁７の分配比や絞り６３ａとに基づいて算出される空気量と、バーナ燃料量センサ１１で検出されたバーナ２１ａへの燃料量との比によって算出する。または、図２のように分岐管６３に空気流量センサ１０ｂを設ける場合には、該空気流量１０ｂセンサによって検出される空気量と、バーナ燃料量センサ１１で検出されたバーナ２１ａへの燃料量との比によって算出することができる。

ステップＳ１１では、バーナ２１ａへの混合気の空燃比ＢＡの大きさを判定し、空燃比ＢＡが許容下限値ＢＡminより小のときは、ステップＳ１２でバーナ２１ａへの燃料量を１ステップ減少した後ステップＳ１０へ戻り、ＢＡが許容上限値ＢＡmaxより大のときはステップＳ１３でバーナ２１ａへの燃料量を１ステップ増大した後ステップＳ１０へ戻り、それぞれ、ＢＡmin≦ＢＡ≦ＢＡmaxの範囲に収まるまで繰り返す。

そして、ステップＳ１１で、初めから又はステップＳ１２若しくはステップＳ１３を介してＢＡmin≦ＢＡ≦ＢＡmaxと判定されると、ステップＳ１４へ進む。
なお、ステップＳ９，１２，１３におけるループ時間は十分短い設定としてあるので、速やかにＰＡ＜ＰＡmin及びＢＡmin≦ＢＡ≦ＢＡmaxとすることができるが、目標値と検出値との偏差に基づいて演算したステップ量を与えるようにしてもよい。

ステップＳ１４では、選択酸化器温度センサ１３によって検出された選択酸化器２３の温度ＰＴ２を読み込む。
ステップＳ１５では、選択酸化器２３の温度ＰＴ２の大きさを判定する。そして、温度ＰＴ２が許容下限値ＰＴminより小であると判定されたときはステップＳ１６へ進み、今回検出された温度ＰＴ２が前回検出された温度ＰＴ１より小であるかを判定する。

そして、ＰＴ２＜ＰＴ１と判定されたときは、温度ＰＴが減少中であるので、ステップＳ１７で冷却剤ポンプ５の出力を減少して選択酸化器２３への冷却剤（冷却水）量を１ステップ減少してからステップＳ１８へ進む。しかし、ＰＴ２≧ＰＴ１と判定されたときは、温度ＰＴが上昇中であり前回の冷却剤減少による効果が現れているなどが考えられるので、冷却剤を減少することなく、ステップＳ１８へ進む。

ステップＳ１８では、改質部温度センサ１２によって検出された改質部２１の温度ＲＴ２を読み込む。
ステップＳ１９では、改質部２１の温度ＲＴ２が許容温度ＲＴminより小であるかを判定し、小のときはステップＳ２０へ進み、選択酸化器２３の温度Ｐ２の場合と同様、ＲＴ２が前回検出値ＲＴ１以上で温度上昇中と判定された場合は、そのまま様子を見るが、ＲＴ２がＲＴ１より小と判定されたときは温度ＲＴが減少中であるので、ステップＳ２１へ進んで温度上昇処理を行う。

ステップＳ２１では、以下の少なくとも１つの改質部２１の温度上昇処理を行う。１つは、エアポンプ６出力を１ステップ増大してバーナ２１ａへの空気量を増大し、かつ、バーナ２１ａへの燃料量を１ステップ増大する。これにより、バーナ２１ａの空燃比ＢＡを適正な値に保持しながら、バーナによる加熱量が改質反応による吸熱量を上回るように加熱量を増大させることにより、改質部２１の温度を上昇させることができる。もう１つは、改質部２１への改質燃料量を１ステップ減少する。改質反応は吸熱反応であるので、改質燃料量を減少することにより吸熱反応が抑制される結果、バーナによる加熱量が改質反応による吸熱量を上回り、改質部２１の温度を上昇させることができる。

例えば、改質用燃料量が発電要求量を満たすことができる水素を製造するための必要最小限値（基準値）である場合は、エアポンプの出力及びバーナへの燃料量を増大させる制御を主として行うことにより、要求発電量に影響を及ぼすことなく改質部温度を上昇させることができる。
あるいは、バーナ加熱量を増大させ、かつ、改質用燃料量を減少させることにより、過剰にエアポンプの出力を上げることなく改質部の温度をより早く上昇させることができる。

ステップＳ１５に戻って、選択酸化器２３の温度ＰＴ２が許容上限値ＰＴmaxより大であると判定されたときはステップＳ２２へ進み、温度ＰＴ２が前回検出温度ＰＴ１より大であるかを判定する。
そして、ＰＴ２＞ＰＴ１と判定されたときは、温度ＰＴが上昇中であるので、ステップＳ２３で冷却剤ポンプ５の出力を増大して選択酸化器２３への冷却剤（冷却水）量を１ステップ増大させるが、ＰＴ２≦ＰＴ１と判定されたときは、温度ＰＴが減少中であり前回の冷却剤増大による効果が現れ始めていると考えられるので、冷却剤を増大することなく、ステップＳ３１へ進む。

また、ステップＳ１５において、温度ＰＴ２が初めから、又は、上記冷却剤の増減によって、ＰＴmin≦ＰＴ≦ＰＴmaxの範囲にあると判定されたときは、ＰＴが適正範囲にあるので、冷却剤を増減することなくステップＳ２４へ進み、改質部２１の温度ＲＴ２を読み込む。
ステップＳ２５で温度ＲＴ２の大きさを判定し、温度ＲＴ２が許容下限温度ＲＴminより小のときはステップＳ１９以降へ進み、既述したようにＲＴ２がＲＴ１以上で温度上昇中と判定された場合は、そのまま様子を見るが、ＲＴ２がＲＴ１より小で温度ＲＴが減少中と判定された場合は、ステップＳ２１へ進み、上記の改質部２１の温度上昇処理を行う。

また、ステップＳ２５で、温度ＲＴ２が許容上限温度ＲＴmaxより大と判定されたときはステップＳ２６へ進み、ＲＴ２が前回値ＲＴ１以下で温度減少中と判定された場合は、そのまま様子を見るが、ＲＴ２がＲＴ１より大で温度ＲＴが増大中と判定された場合は、ステップＳ２７へ進み、改質部２１の温度下降処理を行う。該温度下降処理は、ステップＳ２１とは、逆の処理を行う。即ち、エアポンプ６出力を１ステップ減少してバーナ２１ａへの空気量を減少させ、かつ、バーナ２１ａへの燃料量を１ステップ減少してバーナ２１ａの空燃比ＢＡを適正な値に保持しながら、加熱量を減少させて改質部２１の温度を下降させるか、または、改質部２１への改質燃料量を１ステップ増大することにより吸熱反応を促進させ、改質部２１の温度を下降させるかの少なくとも一方の処理を実行する。

例えば、エアポンプの出力が発電要求量を満たすことができる必要最小限値（基準値）である場合は、改質燃料量を１ステップ増大させる制御を主として行うことにより、要求発電量を維持したまま改質部の温度を降下させることができる。
あるいは、バーナ加熱量を減少させ、かつ、改質燃料量を増大することにより改質部の温度をより早く降下させることができる。

ステップＳ２５で、温度ＲＴ２が初めから、又は、上記温度の増減処理によってＲＴmin≦ＲＴ２≦ＲＴmaxの範囲にあると判定されたときは、ステップＳ２８へ進み、エアポンプ６の出力補正係数αがα０（＝１）より大きいかを判定し、大きいと判定されたときは、ステップＳ２９へ進んで出力補正係数αを減少してエアポンプの出力を１ステップ減少させて１に近づける。

次いで、ステップＳ３０でバーナ２１ａへの燃料量，改質部２１への改質燃料量について、それぞれ基準値を超えている場合は、１ステップ減少させて基準値へ近づけて必要最小限の供給量に節減する処理を行った後、ステップＳ３１へ進む。
これにより、必要最低限のエアポンプ出力で燃料電池システムをバランスさせることでエアポンプの消費電力を減らし、またバーナ燃料及び改質燃料を基準値に近づけることにより、燃料電池システムの総効率を高めることができる。

ステップＳ２８でαがα０より大きくないとき、つまり、α≒α０（＝１）であると判定されたときは、ステップＳ２９，３０を経由することなく、ステップＳ３１へ進む。
以上のステップで各種調整を経た後、ステップＳ３１で今回値ＰＴ２、ＲＴ２を、次回の前回値ＰＴ１，ＲＴ１とする処理を行い、ステップＳ３３で燃料電池システムの運転停止要求の有無を判定し、停止要求があれば本制御を停止して運転を停止させるが、停止要求が無ければ、ステップＳ３へ戻って本制御を継続する。

なお、改質部温度ＲＴと選択酸化器温度ＰＴとの状態は同一傾向であり、一方を冷却したときに他方を温度上昇させてしまうような、相反する制御が行われないようにＲＴminやＲＴmaxを設定する等の工夫がしてある。
本実施形態では、上述したように、要求発電量に応じて、まず、ＰＥＦＣスタック４のカソード４ｂへ供給される空気量と、バーナ２１ａ及び選択酸化器２３に供給する空気量とを、これらを合計した総空気量を供給するようにエアポンプ６の出力を制御しつつ、流量分配弁７の分配比を制御して流量を分配する初期制御を行う。そして、かかる初期制御によって生じるバーナ２１ａの空燃比のずれ、改質部２１および選択酸化器２３の各温度のずれを、それぞれ調整可能なパラメータを制御することによって発電を行う。制御手段としてはフィードバック制御が挙げられ、さらに具体的にはＰＩＤ制御によって実現することができる。

以上の制御により、１台のエアポンプと、空気供給箇所毎の精密な空気流量制御を要しない簡素な空気配管構成によってシステムのコンパクト化、コスト低減を図ることができ、要求発電量を満たすように各部への要求空気量を確保しつつ、バーナ２１ａの空燃比及び、選択酸化器２３及び改質部２１の各温度を適正な設定域内に収めることができ、かつ、エアポンプ６からの空気量、バーナ２１ａへの燃焼用燃料量、改質部２１への改質用燃料量を必要最小限としてランニングコストを低減することができる。

また、改質部及び選択酸化器の現在の温度と前回取得温度とを比較して各種パラメータの制御要否を判定することにより、温度変化の追従遅れを考慮したエアポンプの制御が可能になり、エアポンプの頻繁な出力増減を軽減することができ、エアポンプの長寿命化につながる。
尚、上記実施形態では、各分岐管の空気流量をより適正値に分配できるよう、流量分配弁７及び絞り弁６３ａ，６４ａを設けたが、より、簡易には、流量分配弁７や絞り弁６３ａ，６４ａを省略することも可能である。この場合、各パラメータの調整量を大きくすることで、要求発電量の変化によるバーナ２１ａの空燃比の変化、改質部２１及び選択酸化器２３の各温度の調整を行うことができる。

また、冷却剤の改質部への供給系を、選択酸化器への供給系とは独立して設ける構成とすることで、改質部温度の調整を、冷却剤（冷却水）量の増減によって調整することも可能であり、選択酸化器温度への影響を与えることなく冷却剤量の増減によって改質部の温度調整を行うことができる。
以上の制御においては、選択酸化器２３における酸化不足の影響を重視して選択酸化器２３への空気量確保を先行して行ったが、他のバーナ２１ａの空燃比ＰＡ，選択酸化器２３の温度ＰＴ、改質部２１の温度ＲＴの制御の順序は、本実施形態に限定されるものではなく任意に変更してよい。

１…水素製造用原燃料ポンプ
２…水素製造装置
３…バーナ燃焼用燃料ポンプ
４…ＰＥＦＣスタック
５…冷却剤ポンプ
６…エアポンプ
７…流量分配弁
８…制御部
１１…バーナ燃料量センサ
１２…改質部温度センサ
１３…選択酸化器温度センサ
２１…改質部
２２…変成器
２３…選択酸化器
２４…ＣＯ除去部
６０…空気供給管
６１，６２，６３，６４…分岐管
６３ａ，６４ａ…絞り
６３ｂ，６４ｂ…開閉弁

Claims (11)

1. 燃焼用燃料を燃焼するバーナによって水素製造用原燃料を加熱しつつ改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質部と、前記改質ガス中に残存するＣＯを選択的に酸化してＣＯ２に変える選択酸化器を含むＣＯ除去部と、を備える水素製造装置と、
   前記水素製造装置によって製造された改質ガスをアノードに導入し、空気をカソードに導入して起電力を発生する燃料電池スタックと、
   前記バーナ、選択酸化器、及び燃料電池スタックのカソードに空気を供給する空気供給装置と、
   を含む燃料電池システムであって、
   前記空気供給装置を、１台のエアポンプと、該エアポンプに接続した空気供給管から分岐して、それぞれ前記バーナ、選択酸化器、及び燃料電池スタックのカソードに至る分岐管とを備えて構成する一方、
   前記燃料電池スタックの要求発電量を満たしつつ、前記バーナへ供給される燃焼用燃料と空気との空燃比と、前記改質部及び前記選択酸化器の各温度とを、それぞれの設定域内に維持するように、前記空燃比及び前記各温度を調整可能なパラメータをフィードバック制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記各分岐管の少なくとも１つに絞りが介装されている請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記分岐管の分岐点に、各分岐管への空気量の分配比を調整する弁が介装されている請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記エアポンプの基本出力を、要求発電量を満たすために前記燃料電池スタックのカソードで必要な空気量を該カソードに至る分岐管に分配可能な出力に基づいて決定する請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
5. 前記空燃比を調整可能なパラメータは、前記エアポンプの出力と前記バーナへの燃焼用燃料供給量である請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
6. 前記改質部の温度を調整可能なパラメータは、前記バーナへの燃焼用燃料供給量、前記改質部への水素製造用原燃料供給量、前記改質部へ供給される冷却剤の供給量の少なくとも一つを含む請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
7. 前記改質部へ供給される冷却剤は水であり、水素製造用原料と混合して改質させるため供給される改質用水として使用される請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記制御手段は、前記改質部の現在取得温度と前回取得温度とを比較して該改質部の温度変更操作の要否を判定する請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
9. 前記選択酸化部の温度を調整可能なパラメータは、前記選択酸化部の温度調節に使用される冷却剤量である請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
10. 前記選択酸化部に供給される冷却剤は水であり、水素製造用原料と混合して改質させるため供給される改質用水として使用される請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記制御手段は、前記選択酸化部の現在取得温度と前回取得温度とを比較して該選択酸化部の温度変更操作の要否を判定する請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

Images