JP3480451B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池システムに
関しており、特に、蒸発器の温度が適正に保たれる範囲
内で液体原料の投入量を増減させる燃料電池システムに
関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池システムの改質反応器として、
メタノールおよび水を原料とする反応器が知られてい
る。この改質反応器で水素を主成分とする改質ガスを得
るためには、蒸発させられたメタノールおよび水の混合
ガスと空気中の酸素とを、改質反応器内の改質触媒にお
いて反応させる。このとき、改質反応器内では、部分酸
化反応および水蒸気反応の両方が進行する。水蒸気反応
に伴う吸熱分を酸化反応に伴う発熱分で補い、吸熱量と
発熱量とのバランスをとるようにしている。

【０００３】以上のような改質反応器を燃料電池システ
ムに使用するには、まず、メタノールおよび水を含む液
体原料を蒸発させる必要がある。そこで、液体原料を蒸
発させる蒸発器と、この蒸発に必要な熱量を供給する燃
焼器とを使用する。燃焼器の燃料としては、燃料電池本
体での発電に使用されず未利用となった改質ガスである
排水素と酸化剤である空気とが使われ、目標とする運転
温度で燃焼器が運転される。燃焼器の温度を目標値通り
に維持するために、排水素および必要な場合にはこれを
補うメタノールのような液体の燃料の流量と空気の流量
とを調整する。

【０００４】さらに、確実に原料を蒸発させるために、
蒸発器も目標の運転温度で運転される。ここで、蒸発器
に投入する原料を増減させると、蒸発器の温度は変化し
てしまう。したがって、この温度変化を打ち消す量の熱
量が燃焼器から与えられるように、燃焼器の燃焼量を調
整する必要がある。そこで、燃焼器の燃料である排水素
または燃焼用の液体メタノールの流量を蒸発器に投入さ
れる原料の量に合わせて調整する。このような燃料電池
システムの制御の例として、特開２０００−１７８００
１号公報および特開２０００−１８５９０３号公報それ
ぞれに開示の技術が挙げられる。

【０００５】前者に開示の従来技術では、排水素または
メタノールのいずれか一方のみを燃焼させた場合に、蒸
発器において要求される熱量に対して蒸発器へと与えら
れる熱量が不足するか否かを検出している。そして、熱
量が不足している場合には、排水素またはメタノールの
うちの他方が追加されて燃焼させられる。このようにし
て蒸発器への液体の原料の投入量の変化に応じて蒸発器
へと与えられる熱量が制御され、蒸発器が目標の運転温
度で稼動する。

【０００６】後者に開示の従来技術では、蒸発器に投入
される原料の増加に伴ってこの原料の気化に必要な熱量
が増加することに対応するために、蒸発器の目標温度を
引き上げ、燃焼器にメタノールを追加して燃やすように
している。これによって蒸発器の温度の低下が回避され
ており、この結果、この温度低下によって改質ガスが不
足してしまうという不具合が未然に防止されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記公報に開示の従来
の方法の双方とも、例えば蒸発器の温度がその下限値よ
りも低下してしまった場合であっても、要求される発電
量が増加したときにはこれに応じて液体の原料の蒸発器
への投入量が増加させられる。これによって、蒸発器の
温度がさらに低下してしまう。すると、要求される発電
量に見合う量の原料ガスが生成されず、発電量が不足し
てしまう。これによってさらに液体の原料の投入量の増
加が図られるという悪循環が生じかねない。発電量が不
足すると、燃料電池システムに備えられた２次バッテリ
の負担が大きくなってしまうという問題点がある。

【０００８】蒸発器の温度が低下すると、液体燃料の一
部が気化されずに液体のまま改質器に到達してしまう場
合がある。すると、改質器の改質性能が低下してしま
い、一酸化炭素の生成量が増加してしまう。これによっ
て燃料電池の被毒が生じてしまうという問題点がある。

【０００９】本発明は、蒸発器の温度が適正に保たれる
範囲内で液体原料の投入量を増減させる燃料電池システ
ムを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、燃料電池
本体に要求される発電量に基づいて温度を設定する発熱
器を備えて液体原料を気化させる蒸発器と、気化された
液体原料から得られる発電用燃料ガスを用いて発電を行
う燃料電池本体と、前記液体原料の前記蒸発器への投入
量から該蒸発器の温度の予測プロファイルを構成する複
数の温度を予測し、前記燃料電池本体に要求される発電
量に応じた量の前記液体原料を前記蒸発器が気化させる
ことができない温度を、前記蒸発器の臨界温度としたと
きに、前記複数の予測温度と前記蒸発器の臨界温度とを
比較して前記複数の予測温度のうちの少なくともいずれ
か１つが前記臨界温度を下回り、安定性が失われ得ると
判断した場合には、前記予測プロファイルの与える最低
の温度が前記臨界温度を下回らないように、前記液体原
料の予定されている前記投入量を変更する制御手段とを
備える。

【００１１】第２の発明は、第１の発明の前記制御手段
が、前記複数の予測温度のうちの少なくともいずれか１
つが前記臨界温度を下回り、安定性が失われ得ると判断
した場合には、前記予測プロファイルの与える最低の温
度が前記臨界温度にほぼ一致するように、前記液体原料
の予定されている前記投入量を変更する。

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【００１５】第３の発明は、第１の発明の前記制御手段
が、前記発熱器の設定温度を要求される発電量から直接
的に求められる目標値よりも高く設定する。

【００１６】第４の発明は、第１の発明の前記制御手段
が、前記蒸発器の前記予測温度と前記臨界温度との差に
応じて前記発熱器の前記設定温度の変更量を決定する。

【００１７】第５の発明は、第１の発明において、前記
液体原料の気化に要する熱量を熱伝達流体を介して前記
蒸発器に与える発熱器をさらに備え、前記制御手段は、
前記液体原料の前記投入量に加えて、前記蒸発器が前記
液体原料を気化させることによって得られる原料ガスの
温度と、前記熱伝達流体の温度とのうちの少なくともい
ずれか一方を考慮して前記蒸発器の温度を予測する。

【００１８】第６の発明は、第５の発明において、前記
蒸発器の前記温度を予測するために考慮される前記熱伝
達流体の前記温度は、該蒸発器へと熱交換によって前記
熱量を与える前の温度または与えた後の温度のうちの少
なくともいずれか一方である。

【００１９】第７の発明は、第１の発明ないし第６の発
明のうちのいずれか１つにおいて、前記蒸発器において
前記液体燃料が気化させられることによって得られた原
料ガスを酸素を用いて改質して前記発電用燃料ガスを生
成する改質器をさらに備え、前記液体燃料は炭素および
水素を含む。

【００２０】

【発明の作用および効果】第１の発明によると、液体原
料の投入量が蒸発器の予測温度に応じて増減させられ
る。これによって、液体原料の投入過剰によって蒸発器
の温度低下が許容範囲から逸脱してしまうことが未然に
回避される。これによって、蒸発器の能力が保たれる。
これに伴い、燃料電池本体に供給される発電用燃料ガス
の量が不足する期間が短くなり、燃料電池本体の発電の
安定性が保たれる。

【００２１】また、液体原料の投入量が制限されること
によって、蒸発器の温度の低下が抑制される。これによ
って液体原料の気化の安定性が確保され、ひいては燃料
電池システム自体の稼動が安定する。

【００２２】また、複数の予測温度に基づいて気化の不
安定化の可能性が判断される。これによって、不安定化
の可能性の判断の信頼性が向上する。

【００２３】また、要求される発電量に対して液体原料
の供給量を変化させても、液体原料が気化されないで供
給される事態が未然に回避される。これによって、燃料
電池システムの安定性が十分に保たれる。

【００２４】第２の発明によると、臨界温度ぎりぎりに
蒸発器を保つことによって、気化を不安定化させない範
囲で最大の投入量の液体原料を蒸発器に与えることがで
きる。これによって、液体原料が気化される総量が最大
限に保たれ、燃料電池本体の発電量の低下が抑制され
る。

【００２５】第３の発明によると、原料の供給量を早急
に目標値に到達させたい場合など、発熱器の設定温度を
要求される発電量から直接的に求められる目標値よりも
高く設定することによって、蒸発器に与えられる熱量
を、設定しない場合よりも多くすることができる。

【００２６】第４の発明によると、予測温度と臨界温度
との差に応じた温度に発熱器が設定される。これによっ
て、不安定化の可能性の有無に応じて発熱器の設定温度
が変更され、気化の安定性が確保される。すなわち、液
体原料の投入量の変化によって生じうる蒸発器の温度の
変化分の少なくとも一部が、発熱器によって与えられる
熱量によって打ち消される。これによって、要求される
発電量に対して十分な量の液体原料が気化される期間が
長くなり、燃料電池本体が要求通りの発電量を達成する
ことができるようになる。

【００２７】第５の発明によると、原料ガスの温度また
は熱伝達流体の温度のうちの少なくともいずれか一方が
考慮されることによって、液体燃料の投入量の見積もり
の誤差が抑制される。これによって、予測温度の信頼性
が向上する。

【００２８】第６の発明によると、熱交換の前後の熱伝
達流体の温度を用いて蒸発器の温度が予測される。

【００２９】第７の発明においては、第１の発明ないし
第６の発明のうちのいずれかによって蒸発器の能力が保
たれることによって、液体燃料が気化されずに改質器へ
と到達してしまうことが未然に回避される。これによっ
て、液体燃料が液体のまま改質器へと到達することによ
る改質性能の低下によって一酸化炭素が発生してしまう
虞が低下する。一酸化炭素による燃料電池本体の被毒の
虞が低減されることが可能となる。

【００３０】

【発明の実施の形態】本実施の形態においては、蒸発器
の温度が適正に保たれる範囲内で液体原料の投入量を増
減させる燃料電池システムを示す。図１は、本実施の形
態の燃料電池システムの構成を例示する模式図である。
図２は、制御装置１００の構成を例示する模式図であ
る。

【００３１】図１の燃料電池システムは、液体の原料と
して、水原料タンク１内の水とメタノール原料タンク２
内のメタノールとを用いて発電を行う。水およびメタノ
ールはそれぞれ、インジェクタ等からなる供給装置３お
よび供給装置４によって蒸発器５内へと投入される。蒸
発器５においては、燃焼器１０から与えられる熱量を用
いて液体の原料を蒸発させる。燃焼器１０は、後述の燃
料電池本体８から排出される可燃成分および空気と、イ
ンジェクタである供給装置３４によって燃料タンク３３
から供給される燃料とを用い、蒸発に必要な熱量を発生
させる。

【００３２】蒸発器５によって得られた原料蒸気は、改
質反応器６へと送られる。そして、この原料蒸気は空気
供給装置１１のコンプレッサから改質反応器６へと送り
込まれる空気の中の酸素と反応し、水蒸気反応および部
分酸化反応が進行する。このようにして、水素リッチな
改質ガスが発生する。改質反応器６に空気を供給する配
管の途中には、流量センサ１４および流量制御弁１３が
取り付けられている。改質反応器６へと供給される空気
の流量は、制御装置１００内の図示を省略された温度制
御器による流量制御弁１３の開度の調節によって制御さ
れる。このようにして、改質反応器６に取り付けられて
いる温度センサ６ａが目標温度になるように制御装置１
００によって制御が行われる。

【００３３】改質反応器６から送り出される水素リッチ
な改質ガスには、一酸化炭素（Ｃｏ）が含まれる。この
Ｃｏ成分を燃焼して除去することによって後述の燃料電
池本体８の電極を被毒から保護するために、Ｃｏ除去反
応器７が設置されている。本実施の形態の改質反応器６
として例えば、水蒸気反応および部分酸化反応で生じた
Ｃｏを燃焼するシフト反応一体型の反応器を用いること
ができる。このタイプの改質反応器から送り出される改
質ガスに含まれるＣｏは比較的低濃度であるが、この場
合にもＣｏ除去反応器７を用いることによってＣｏの除
去を徹底することが可能となる。

【００３４】Ｃｏ除去反応器７には、制御装置１００に
よる空気流量制御弁１５の開度の調整によって、空気供
給装置１１から所望の流量の空気が供給される。この空
気中の酸素と改質ガス中のＣｏとの酸化反応によって、
Ｃｏを燃焼させて除去する。空気は空気供給装置１１か
ら供給する。図示は省略されているが、Ｃｏ除去反応器
７を十分な量の冷却水が通過しており、Ｃｏ除去反応器
７の温度は制御装置１００によって管理温度に維持され
ている。

【００３５】Ｃｏ除去反応器７から送り出される水素リ
ッチな改質ガスは、燃料電池本体８の水素極側へ導かれ
る。一方、燃料電池本体８の酸素極側には、空気供給装
置１１から空気が供給される。この空気中の酸素と水素
リッチな改質ガスとが反応に用いられ、発電が行われ
る。

【００３６】ここで、空気を供給する機構の全体像につ
いて説明を行う。図１の例では、燃料電池システム全体
で必要とする空気を単一の空気供給装置１１によってま
かなう構成となっている。空気供給装置１１からの空気
の供給対象は、改質反応器６と、Ｃｏ除去反応器７と、
燃料電池本体８の空気極側（燃焼器１０を含む）とな
り、合計３経路となる。空気供給装置１１のコンプレッ
サの吐出流量の総量は、流量センサ１２によって計測さ
れる。既述のように、改質反応器６およびＣｏ除去反応
器７に供給される空気の流量はそれぞれ、流量センサ１
４および流量センサ１６によって計測される。

【００３７】制御装置１００は、改質反応器６およびＣ
ｏ除去反応器７それぞれへと、流量制御弁１３および流
量制御弁１５の開度を独立に制御することによって必要
な流量の空気を分岐させて供給する。そして、制御装置
１００は、改質反応器６、Ｃｏ除去反応器７および燃料
電池本体８（燃焼器１０）において要求される空気流量
の総和と流量センサ１２の計測値とが等しくなるよう
に、図２の総空気流量制御器２６を用いて図１の空気供
給装置１１のコンプレッサの回転数を調整する。すると
結果的に、燃料電池本体８（燃焼器１０）に供給される
空気の流量は、燃料電池本体８（燃焼器１０）の要求量
に見合ったものとなる。

【００３８】燃料電池本体８からは、発電には利用され
なかった酸素および水素をそれぞれ含む、空気（「排空
気」と以下呼ぶ）および改質ガス（「排水素」と以下呼
ぶ）が排出される。排空気および排水素の配管にはそれ
ぞれ圧力調整弁１９および圧力調整弁２０が取り付けら
れている。制御装置１００は、圧力センサ１７および圧
力センサ１８によって改質ガスおよび空気の圧力をそれ
ぞれ計測しながら、圧力調整弁１９および圧力調整弁２
０の開度を図２の空気圧力制御器２９および改質ガス圧
力制御器２８それぞれを用いて独立に調整する。このよ
うにして、燃料電池本体８の空気極側および水素極側そ
れぞれの圧力がそれぞれの目標の圧力に一致するように
制御がなされる。ここで既述のように、図１の例の場
合、単一の空気供給装置１１によって燃料電池システム
全体が必要とする空気を供給する構成が採用されてい
る。したがって、燃料電池本体８の空気極側の圧力は、
燃料電池システム全体における空気の通過経路の圧力と
なる。

【００３９】燃料電池本体８の排空気は配管２４を通じ
て、排水素は配管２３を通じて、それぞれ燃焼器１０へ
供給される。既述のように、燃焼器１０においては、配
管２３からの排水素およびこの排水素では熱量が不足す
る場合の補償用の燃料タンク３３から補給される追加用
の液体の燃料（例えばメタノール）を、配管２４からの
排空気中の酸素を用いて燃焼させる。したがって、排空
気中の酸素の量が排水素および追加用の液体燃料の量に
見合うように、制御装置１００内の総空気流量制御器２
６は空燃比（Ａ／Ｆ比）を用いて空気供給装置１１の送
り出す空気量を調整する。燃焼器１０における燃焼によ
って、蒸発器５が原料を蒸発させるのに必要な熱量が与
えられる。蒸発器５において蒸発が順調に進行している
か否かは、蒸発器５の出口側に設けられた温度センサ２
２によって計測された温度が一定の管理温度範囲に収ま
っているかいないかに基づいて、制御装置１００によっ
て判断される。

【００４０】ここで、燃焼器１０に液体の燃料をいくら
供給すれば良いかは、蒸発器５に投入される原料の流量
と、燃料電池本体８からの排水素の流量と、に基づいて
定めることが可能である。原料となるメタノールおよび
水それぞれの供給量の目標値は、燃料電池本体８に要求
される発電量に基づいて制御装置１００によって算出さ
れる。そして、供給装置４および供給装置３によって送
出されるメタノールおよび水の流量は、流量センサ３１
および流量センサ３０によって、制御装置１００へと入
力される。制御装置１００に備わる図示を省略された制
御器は、これらの流量がそれぞれの目標値と一致するよ
うにそれぞれの供給装置４および供給装置３の送出強度
を調節する。

【００４１】例えば、本実施の形態の燃料電池システム
を車両に適用した場合には、要求電力量はドライバのア
クセル踏み込み量に基づいて算出される。燃料電池本体
８には、バッテリまたはインバータのような負荷９が接
続されている。インバータからの電力量をモータに供給
して車両走行の動力として使うことができる。本実施の
形態では、負荷９の消費する発電量に応じて燃料電池本
体８の発電を制御するようにしている。制御装置１００
に備わる図２の負荷制御器２７からの指令で負荷９の消
費電力量が制御され、一方で燃料電池本体８での発電量
が消費量に対応して調節される。制御装置１００は、Ｃ
ＰＵおよび周辺インターフェースを有するマイクロコン
ピュータによって実現することが可能である。

【００４２】以上のように設定される発電量を実現する
ように、原料（水およびメタノール）の供給量が決定さ
れる。そして、この供給量分の原料を十分蒸発させるこ
とが出来るように燃焼器１０の目標温度が設定され、こ
れに応じて燃焼器１０への燃焼用燃料の供給量が定ま
る。

【００４３】以上のようにして、要求される発電量に応
じて、燃焼器１０の温度およびこの温度を実現するため
の燃焼用燃料の供給量と、原料の蒸発器５への供給量と
が決定される。しかし、例えば、要求される発電量の大
幅な増加に伴って蒸発器５および燃焼器１０にそれぞれ
投入される原料および燃焼用燃料の流量を一気に増大さ
せても、すぐに要求通りの発電量が得られるとは限らな
い。なぜならば、燃焼用燃料の供給量の増加に遅れて燃
焼器１０の温度が上昇を開始するからであり、原料の供
給量の増加によって低下してしまう蒸発器５の温度がす
ぐには引き上げられないからである。特に、蒸発器５の
温度が下限値を下回ってしまう場合には、原料ガスの生
成量が不足してしまい、要求される発電量を実現するこ
とが困難となってしまう。ここで、下限値とは、この値
よりも温度が下がってしまうと蒸発器５の気化性能が低
下してしまい、発電量の要求値に相当する量の原料を気
化することができない温度値をいう。

【００４４】そこで、蒸発器５の温度が今後如何に変化
するかを予測しつつ原料の供給量をいくら変化させるか
を決定することが必要となる。さらに、原料の供給量に
合わせて燃焼器１０の温度を変化させることも必要とな
る。制御装置１００内の蒸発器温度制御器２５が、蒸発
器５に投入される液体の原料の流量を調整する。そし
て、燃焼器温度制御器３５が、蒸発器温度制御器２５か
らの指示を受けて燃焼器１０の温度を調整する。これら
の点が、本実施の形態の燃料電池システムの特徴となっ
ている。

【００４５】蒸発器５への原料の実際の供給流量は、流
量センサ３０および流量センサ３１によって測定され蒸
発器温度制御器２５へと入力される。さらに、蒸発器５
の出口には温度センサ４０が取り付けられており、この
温度センサ４０による実測値が蒸発器５の実際の温度と
みなされる。なお、温度センサ４０による実測値の他
に、温度センサ２１または温度センサ２２の実測値から
蒸発器５の温度を推定する構成を採用することも可能で
ある。

【００４６】蒸発器温度制御器２５は、これらのセンサ
３０、３１および４０のデータを用いて制御を行う。同
様に、燃焼器１０への燃料の実際の供給流量は流量セン
サ３２によって、燃焼器１０温度は出口に取り付けられ
た温度センサ２１によって計測される。図２の燃焼器温
度制御器３５は、温度センサ２１のデータを用いて制御
を行う。以下、制御の様子を図３を用いて説明する。

【００４７】図３は、燃料電池システムの運転に関する
複数のパラメータのプロファイルを例示する模式図であ
る。詳細には、図３（Ａ）は燃焼器１０への燃焼用燃料
の供給量を、図３（Ｂ）は燃焼器１０の温度を、図３
（Ｃ）は蒸発器５への原料の供給量を、図３（Ｄ）は蒸
発器５の温度をそれぞれ表している。

【００４８】時刻ｔ０において、図１の燃料電池本体８
に要求される発電量が増加したと考える。要求される発
電量に相当する蒸発器５への原料の供給量の目標値は、
図３（Ｃ）において点線によって例示されるように、時
刻ｔ０において増加する。原料の供給量を増加後の目標
供給量にまで一気に増加させても蒸発器５の温度が下限
値を下回らないならば、特に問題が生じることは無い。
しかし、一気に増加させると図３（Ｄ）の矢印によって
示されるように蒸発器５の温度が下限値よりも下回って
しまう場合には、蒸発器５の安定的な稼動の観点から問
題がある。このような場合には、蒸発器５の温度を下限
値以上に保つために、原料の供給量の増加を制限しなけ
ればならない。

【００４９】ここで、蒸発器５の温度の管理を考える際
には、蒸発器５に熱量を与える燃焼器１０の存在を忘れ
ることはできない。燃焼器１０への燃焼用燃料の供給量
は発電量の要求値が増加されることに応じて、プロファ
イルＰＲ１によって示されるように、時刻ｔ０において
引き上げられる。これに遅延して、燃焼器１０の温度の
上昇は時刻ｔ１に開始する。燃焼器１０の温度の上昇に
よって、蒸発器５に与えられる熱量は増加する。この熱
量の増加による温度の上昇分と、蒸発器５への原料の供
給量の増加による温度の下降分とがちょうど相殺される
ように、図３（Ｃ）のプロファイルＰＲ４の如く原料の
供給量の増加を時刻ｔ２に開始する。時刻ｔ２とは、時
刻ｔ１に開始した燃焼器１０の温度上昇による熱量の増
加分が蒸発器５へと与えられ始める時刻である。

【００５０】すると、図３（Ｄ）のプロファイルＰＲ５
のように、蒸発器５の温度は一定のまま変化しない。こ
のようにして、蒸発器５の温度の低下を回避することが
可能となり、蒸発器の性能が安定する。もちろん、この
ように厳密な制御を行わなければならないというもので
はない。要は、原料の供給量の増加による温度の低下分
を燃焼器１０の温度の上昇によって補うことによって温
度を下限値以上に保てば足りる。また、原料の供給量を
目標値にまで増加させても蒸発器５の温度が下限値を下
回らない場合には、必ずしも燃焼器１０の温度を変化さ
せる必要は無い。

【００５１】そこで、短時間により多くの原料を蒸発器
５に供給するために、図５（Ｄ）のプロファイルＰＲ６
の如く蒸発器５の温度を遷移させるように原料の供給量
を調節することも可能である。時刻ｔ０においては、図
３（Ｃ）のプロファイルＰＲ３によって例示されるよう
に、原料の供給量が増やされる。この時の供給量の増加
分は、蒸発器５の温度をプロファイルＰＲ６のようにち
ょうど下限値に一致させるように計算されている。この
供給量は、時刻ｔ２まで維持される。

【００５２】燃焼器１０において増加した熱量が実際に
蒸発器５に与えられるようになる時刻ｔ２以降におい
て、付与される熱量の増加分と原料の供給量の増加分と
がちょうど相殺し合うように供給量が増加させられる
（プロファイルＰＲ３）。すると、蒸発器５の温度は下
限値のまま推移する（プロファイルＰＲ６）。そして、
供給量が発電量の要求値の増加後の目標値に到達して供
給量の増加が停止される時刻ｔ３以降において、与えら
れる熱量の増加によって蒸発器５の温度は上昇し、下限
値に余裕を持たせた値（図３（Ｄ）の例においては当初
の温度値）に最終的に到達する。プロファイルＰＲ３に
例示されるように供給量を制御することによって、プロ
ファイルＰＲ４の場合よりも早く供給量を増加後の目標
値に到達させることが可能となり、供給量の増加の迅速
性という点において勝る。勿論、蒸発器５の安定性の点
では、プロファイルＰＲ５のように蒸発器５の温度が下
限値から離れた状態で維持されるプロファイルＰＲ３の
ような供給量の増加の方法が優れる。

【００５３】以上のような制御は、図４の蒸発器温度制
御器２５によって行われる。制御器２５の温度予測手段
２５ａは、要求される発電量に応じて算出された水流量
目標値およびメタノール流量目標値を受け、これらの値
をそのまま実現させた場合に蒸発器５の温度がいくらに
なるかを予測する。具体的には、これらの目標値と流量
センサ３０および３１によって得られる水およびメタノ
ールそれぞれの実際の流量値とを比較して水およびメタ
ノールそれぞれの流量の操作量（変化量）を求める。そ
して、この２つの操作量を用い、温度センサ４０によっ
て得られる蒸発器５の温度の実測値に基づいて蒸発器５
の温度を予測する。この後、この予測温度と下限値とを
比較し、予測温度が下限値を下回るか否かを判断する。
下回ると判断された場合には、温度予測手段２５ａから
原料供給量制限手段２５ｂおよび燃焼器設定温度算出手
段２５ｃへとこの判断結果が伝えられる。

【００５４】原料供給量制限手段２５ｂはこの判断結果
に基づき、発電量の要求値に呼応する水およびメタノー
ルそれぞれの流量目標値よりも実際の流量を制限して図
１の供給装置３および供給装置４を操作し、蒸発器５の
温度が下限値を下回ることを回避する。一方、燃焼器設
定温度算出手段２５ｃは、温度予測手段２５ａの判断結
果を受け、発電量の要求値に基づいて燃焼器１０の温度
の設定値を算出する。この設定値は図２に例示されるよ
うに燃焼器温度制御器３５に入力され、燃焼器１０の温
度が設定値に到達するように供給装置３４が操作され
る。

【００５５】以上のような蒸発器温度制御器２５による
制御は、一定のインターバルが経過した時刻毎に繰り返
される。ここで、蒸発器温度制御器２５による蒸発器５
の温度の予測の精度が高いことは当然に望まれることで
あるが、制御器２５を実現するＣＰＵ等の演算ユニット
の処理負担を低減させることも必要である。したがっ
て、予測が行われる対象となる時刻の個数をある程度制
限することが要求される。原料の供給量に対して蒸発器
５の温度がいくらになるかという反応特性は、燃料電池
システムの運転状態に応じて変わる。したがって、温度
の予測を行わなければならない範囲は、燃料電池システ
ムの運転状態に応じて適宜変更する必要が生ずる。

【００５６】そこで、整数である変数Ｐ（Ｐ＞１）およ
び変数Ｒ（Ｒ≧０）を用い、現在の時刻を“ｔ”と考え
て、予測の行われる時刻の個数をＰ個に限定して時刻ｔ
＋Ｒ＋１から時刻ｔ＋Ｒ＋Ｐまで予測が行われるように
設定するものとする。運転状態の変化に応じて、変数Ｐ
および変数Ｒの値を適宜変更してやれば良い。

【００５７】さらに、上記の期間中の蒸発器５の温度を
予測する際には、時刻ｔ以後に予定されている原料の操
作量に加え、時刻ｔよりも前の操作量も必要となる。既
に投入された原料のうち時刻ｔの時点で液体のまま残存
するものが、時刻ｔ以降に気化させられて温度低下の原
因となるからである。

【００５８】そこで、整数である変数Ｓ（Ｓ≧０）およ
び変数Ｍ（Ｒ＋Ｐ≧Ｍ＞１）を用い、原料の操作量に関
して温度予測に考慮される時刻の個数を、既に投入され
た原料についてはＳ個、投入が予定されている原料につ
いてはＭ個に限定する。したがって、時刻ｔ−Ｓから時
刻ｔ−１までの間に投入された原料と、時刻ｔから時刻
ｔ＋Ｍ−１までの間に投入が予定されている原料とが、
温度予測に反映される。

【００５９】変数Ｓおよび変数Ｍも、変数Ｐおよび変数
Ｒと同様に、燃料電池システムの運転状態に応じて最適
な値が変化する。そこで、これらの変数Ｓ，Ｐも運転状
態に応じて適宜変更する必要が生ずる。例えば、様々な
運転状態に対して最適なモデルパラメータの組合せを予
め実験的に調べておいて表にまとめておき、実際の運転
時にはこの表を用いて実際に使用するモデルパラメータ
を決定することが可能である。

【００６０】図５は、運転状態とモデルパラメータとの
関係を例示する図である。複数の運転状態の各々につい
て、適切なモデルパラメータＲ，Ｐ，ＭおよびＳの組合
せが規定されている。図１の蒸発器温度制御器２５は燃
料電池システムの運転状態を、各センサを用いて、また
は制御装置１００が指示している燃料電池本体８等の出
力設定に基づいて把握する。そして、現在の運転状態が
図５の表の中のどの運転状態に相当するかを判断し、選
択された運転状態に対応するモデルパラメータＲ，Ｐ，
ＭおよびＳの組合せを採用する。

【００６１】あるいは、運転状態からモデルパラメータ
Ｒ，Ｐ，ＭおよびＳが求まる計算式を予め蒸発器温度制
御器２５に与えておき、現在の運転状態から最適なモデ
ルパラメータＲ，Ｐ，ＭおよびＳを計算によって求めて
も良い。

【００６２】既述のように、図４の温度予測手段２５ａ
を用いて温度予測を行うことが本実施の形態の燃料電池
システムの特徴となっている。温度予測の方法として
は、例えばモデル予測制御理論を用いることが可能であ
る。モデル予測制御理論を燃料電池システムに適用する
と、図６の数式が得られる。図６は、モデル予測制御理
論に基づいて得られる、蒸発器５の温度の予測式である
数式１を例示する図である。数式１に用いられている変
数は行列式であり、その内容は数式２〜数式５に記載さ
れている。モデル予測制御理論は周知であるので、この
理論自体については詳細な説明を省く。

【００６３】数式２に記載されるように、予測温度“ｙ
ｐ”は時刻ｔ＋Ｒ＋１〜時刻ｔ＋ＰまでのＰ個の予測温
度を要素とするＰ行１列の行列である。実測温度“ｙ”
は、数式３に記載されるように、図１の温度センサ４０
によって計測される蒸発器５の現在（時刻ｔ）の温度
（実測値）を要素とするＰ行１列の行列である。予定操
作量“Δｕｆ”は、時刻ｔ〜時刻ｔ＋Ｍ−１のうちの個
々の時刻に対して予定されている原料の操作量を要素と
するＭ行１列の行列である。既操作量“Δｕｏ”は、時
刻ｔ−１〜時刻ｔ−Ｓの間に既に蒸発器５へと投入され
た原料の操作量を要素とする行列である。

【００６４】モデル係数“Ａｆ”は、Ｐ行Ｍ列の行列で
あり、予定操作量Δｕｆが予測温度ｙｐにどの程度反映
されるかを表す係数である。同様に、モデル係数“Ａ
ｏ”はＰ行Ｓ列の行列であり、既操作量Δｕｏが予測温
度ｙｐにどの程度反映されるかを表す係数である。モデ
ル係数Ａｆおよびモデル係数Ａｏは、変数であるモデル
パラメータＲ，Ｐ，ＭおよびＳに応じて構成される。

【００６５】なお、時刻ｔの単位は、オペレータが希望
するものを用いれば良い。本実施の形態の例において
は、時刻ｔの単位を温度制御器２５による制御の周期１
つ分とする。したがって、制御周期が例えば０．１秒の
場合には、時刻ｔ＋Ｒとは、現在からＲ×０．１秒後の
時刻を指す。

【００６６】予測の目的対象である図６の予測温度ｙｐ
を得るためには、既知の既操作量Δｕｏおよび実測温度
ｙの他に、予定操作量Δｕｆが必要である。予定操作量
Δｕｆを求める式は、図７に記載されている。

【００６７】図７は、予定操作量Δｕｆの求め方を表す
数式６を示す図である。数式６は、図６の数式１をΔｕ
ｆについて解いた式である。詳細には、蒸発器５の目標
温度ｓｐと時刻ｔ＋Ｒ＋１〜時刻ｔ＋Ｒ＋Ｐのうちの各
々の時刻の予測温度ｙｐとの差の合計が最小となるよう
に、数式６は設定されている（すなわち、（ｓｐ−ｙ
ｐ）²の微分形となっている）。予定操作量Δｕｆを求
めるには、このように最小２乗法を使う他に、線形計画
法等の他の理論を用いても良い。図７を参照すると理解
できるように、予定操作量Δｕｆを求めるには、既述の
モデル係数Ａｆおよびモデル係数Ａｏの他に、いくつか
のパラメータが必要となる。その１つである目標温度ｓ
ｐは、燃料電池本体８に要求される発電量に対応する蒸
発器５の目標温度を要素とする行列である。重み係数Φ
および重み係数λについては、図８を用いて説明を行
う。

【００６８】図８は、重み係数λを説明するための模式
図である。重み係数λは、図７の数式８から理解される
ように、目標温度ｓｐと予測温度ｙｐとの間の偏差に対
する重み付けを規定する係数λ１〜λＰを要素とする対
角行列である。図８に例示されるように、係数λｉ（ｉ
は１≦ｉ≦Ｐである任意の自然数）は、時刻ｔ＋Ｒ＋ｉ
における目標温度ｓｐと予測温度ｙｐ（ｔ＋Ｒ＋ｉ）と
の間の偏差ｅ１〜ｅ_Pに対する重みを表す。偏差に重み
付けを行う理由について以下に説明する。

【００６９】蒸発器５への原料の供給量の操作量が大き
くなると蒸発器５の温度が大きく変化し、図１の温度セ
ンサ４０がこの温度変化に追随できなくなる。これによ
って温度の実測値の信頼性が低下すると、制御そのもの
がうまくいかなくなってしまう。そこで、重み係数λを
用いて偏差に対する重み付けを行い、原料の供給量の操
作量が温度センサ４０の反応速度を超過しないようにし
ておく。なお、重み係数λは、予め実験またはシミュレ
ーションによって求めておいて温度制御器２５に入力し
ておけば良い。

【００７０】一方、重み係数Φは、図７に例示されるよ
うに、算出した操作量に対する重み付けを規定する係数
Φ１〜ΦＭを要素とする対角行列である。すなわち、図
８に例示されるように、係数Φｊ（ｊは１≦ｊ≦Ｍであ
る任意の自然数）は、算出した操作量に対する重み付け
を行う。

【００７１】例えば、重み係数λをdiag[1,0,0,…,0]に
設定すると、時刻ｔ＋Ｒ＋１における温度の予測値ｙｐ
（ｔ＋Ｒ＋１）が目標温度ｓｐとなるような原料の操作
量Δｕｆを計算によって得ることが可能となる。一方、
diag[λ1,λ2,λ3,…,λP]に関してλｊ＞０と設定した
場合には、時刻ｔ＋Ｒ＋１から時刻ｔ＋Ｒ＋ＰまでのＰ
個の予測温度すべてが目標温度となるように原料の操作
量Δｕｆを計算していることになる。このように計算し
ても構わない。

【００７２】数式６を解くことによって得られる操作量
Δｕｆは、図６に例示されるように、時刻ｔから時刻ｔ
＋Ｍ−１までに予定される操作量を要素として含む。こ
の操作量Δｕｆを図６の数式１に代入することによっ
て、この操作量Δｕｆによって指示される通りの原料の
供給が行われた場合の蒸発器５の温度を予測することが
可能となる。

【００７３】次に、図６および図７の数式を用いて行わ
れる図１の温度制御器２５の制御の処理手順について説
明を行う。図９は、温度制御器２５の処理手順を例示す
るフローチャートである。現在の時刻ｔ＝０と考え、説
明を以下に行う。

【００７４】図９を参照すれば理解されるように、ステ
ップＳ１からステップＳ１５までの処理はループとなっ
ており、同じ処理が制御処理の周期毎に繰り返される。
従って、ステップＳ１の時点では、前回の制御処理のル
ープにおいて求められた予定操作量Δｕｆが既知となっ
ている。

【００７５】まず、ステップＳ１において、燃料電池シ
ステムの運転状態の変化によってモデルパラメータＲ，
Ｐ，ＭおよびＳを変更する必要が生じたか否かが判断さ
れる。変更する必要がある（ＹＥＳ）と判断された場合
には、ステップＳ２において、図５の表を用いて新たに
モデルパラメータＲ，Ｐ，ＭおよびＳを設定し直す。さ
らに、モデルパラメータＲ，Ｐ，ＭおよびＳの内容に応
じて構成されるモデル係数行列ＡｆおよびＡｏを、これ
らのパラメータの変更に伴い構成し直す。一方、変更す
る必要がない（ＮＯ）と判断された場合にはステップＳ
２の処理が飛ばされ、以前のモデルパラメータがそのま
ま用いられる。

【００７６】ステップＳ１およびステップＳ２に引き続
くステップＳ３においては、現在の原料の供給量が維持
された場合に到達すると予測される、時刻Ｒ＋Ｐにおけ
る蒸発器５の温度ｙｐ（Ｒ＋Ｐ）を、図６の数式から予
測する。詳細には、既知の既操作量Δｕｏおよび現時点
での実測温度ｙが数式１に代入され、予測温度ｙｐが求
まる。

【００７７】引き続くステップＳ４においては、ステッ
プＳ３の予測温度ｙｐ（Ｒ＋Ｐ）と、要求される発電量
に応じて定まる目標温度ｓｐとに応じて、この差が埋ま
るように原料の新たな予定操作量Δｕｆを図７の数式６
を用いて計算する。

【００７８】ステップＳ４までの処理によって今回の予
定操作量Δｕｆが求まるが、この予定操作量Δｕｆが適
切であるか否かを蒸発器５の温度を予測することによっ
て判定する必要が生ずる。そして、不適であると判定さ
れた場合にはこの予定操作量Δｕｆを制限する必要が生
ずる。以下の処理においては、予定操作量Δｕｆが不適
な場合にはこれを用いず、原料の供給量がそのまま維持
される。以下、詳細を説明する。

【００７９】ステップＳ４に引き続くステップＳ５にお
いては、ステップＳ４において新たに求められた今回の
処理ループの予定操作量Δｕｆを図６の数式１に代入し
直し、蒸発器５の温度を時刻Ｒ＋１〜Ｒ＋Ｐまで予測す
る。これによって、図３（Ｃ）のプロファイルＰＲ３ま
たはプロファイルＰＲ４に例示されるような形をしてい
る、複数の予測温度によって構成される温度プロファイ
ルが得られる。

【００８０】引き続くステップＳ６においては、ステッ
プＳ５の温度プロファイル中の予測温度値のうちの少な
くとも１つでも蒸発器５の温度の下限値を下回るか否か
が判断される。下回らない場合（ＮＯ）には、今回の処
理ループにおいて求められた予定操作量Δｕｆを用いて
も不都合が生じることはない。従って、この場合にはス
テップＳ８に移行する。

【００８１】一方、ステップＳ６において下回る（ＹＥ
Ｓ）と判断された場合には、原料の過剰投入による温度
の下がり過ぎを防ぐために、ステップＳ７Ａに移行す
る。ステップＳ７Ａにおいては、原料の供給量の増加を
制限して予定操作量Δｕｆ（０）＝０に設定する。これ
によって、現状の供給量がそのまま維持される。さら
に、供給量が制限されたことを示すために、初期状態で
は“０”に設定されていたフラグが“１”に設定され
る。

【００８２】ステップＳ８においては、燃焼器１０の設
定温度を図４の算出手段２５ｃが算出する。設定温度
は、燃料電池本体８に要求される発電量に基づいて算出
すれば良い。このように計算することによって、原料の
供給量が目標値にまで引き上げられても、最終的には十
分な熱量が蒸発器５へと与えられることになる。また、
原料の供給量を早急に目標値に到達させたい場合には、
燃焼器５の設定温度を要求される発電量から直接的に求
められる目標値よりも高くしても良い。このように設定
することによって、蒸発器５に与えられる熱量を、設定
しない場合よりも多くすることができる。すると、原料
の供給量の操作量を、設定しない場合よりも多くするこ
とが可能となる。

【００８３】目標値よりも設定温度を高く設定する場合
には、例えば蒸発器５の予測温度と温度の下限値との差
が大きい場合には目標値と設定温度との差を大きく取
り、小さい場合には小さく取ると良い。このように設定
温度を算出することによって、蒸発器５の温度を引き上
げることが可能となる。算出手段としては、例えばフィ
ードバック制御器を用いれば良い。蒸発器５の予測温度
と温度の下限値との差が“０”となるようにフィードバ
ック制御器を設定することによって、設定温度を算出さ
せることが可能となる。そして、ステップＳ８に引き続
くステップＳ９においては、ステップＳ８の設定温度の
値に基づいて、燃焼用燃料の操作量を算出する。

【００８４】以上の説明のステップＳ８およびステップ
Ｓ９においては、フィードバック制御器を用いて燃焼器
１０の設定温度値および燃焼用燃料の操作量を算出して
いる。しかし、フィードバック制御器を用いる代わり
に、燃焼用燃料の操作量と蒸発器５の温度の変化量とを
対応付けるモデルを用いて計算を行っても良い。

【００８５】図１０は、燃焼用燃料の操作量Δｕａと蒸
発器５の温度変化量Δｙａとを対応付ける式を例示する
図である。ステップ応答試験によってプロセスゲインＫ
および傾きａと求めて伝達関数モデルＧ（ｓ）を予め定
めておき、図１の温度制御器２５に入力しておく。シス
テム同定理論に基づく図１０の数式９においてΔｙａ＝
（蒸発器５の目標温度）−（蒸発器５の現在の温度）と
して操作量Δｕａについて解く。すると、蒸発器５の温
度を下限値ちょうどにする燃焼用燃料の操作量Δｕａが
求まる。

【００８６】ステップＳ９に引き続くステップＳ１０に
おいては、フラグの値が“１”であるか否かを確認する
ことによって、原料の供給量の増加が制限されているか
否かを判断する。フラグの値が“１”である（ＹＥＳ）
と判断された場合には、ステップＳ１１において、原料
の供給量の増加が制限され始めた時の燃焼器１０の温度
と現在の燃焼器１０の温度とを比較し、燃焼器１０の温
度が上昇したか否かが判断される。

【００８７】上昇した（ＹＥＳ）と判断された場合に
は、ステップＳ１２において、原料の供給量の増加が制
限され始めた時の蒸発器５の温度と現在の蒸発器５の温
度とを比較し、蒸発器５の温度が上昇したか否かが判断
される。温度が上昇した（ＹＥＳ）と判断された場合に
は、原料の供給量を増加させても良い。そこで、ステッ
プＳ１３において、原料の供給量の増加の制限を解除す
る。解除されたことの認知を可能とするために、フラグ
は“０”に設定しなおされる。

【００８８】制限が解除された後の原料の供給量の操作
量は、燃焼器１０における温度増加によって引き起こさ
れる蒸発器５の温度の上昇分をちょうど打ち消す原料の
供給量の操作量と同じか、またはこれよりも小さくする
と良い。このように操作量を設定することによって、蒸
発器５の温度低下を防止することが可能となる。

【００８９】ステップＳ１４の処理は、ステップ１３の
処理の後、またはステップＳ１０〜ステップＳ１２にお
いて“ＮＯ”と判断された後に行われる。ここで、これ
らのステップＳ１０〜Ｓ１２において“ＮＯ”と判断さ
れるのは、増加が制限されていない、または温度が上昇
していないと判断される場合である。ステップＳ１４に
おいては、原料の供給量の操作量および燃焼用燃料の操
作量が電圧値に変換されて、アクチュエータへと出力さ
れる。

【００９０】燃焼用燃料に付いては、ステップＳ９にて
算出された操作量に相当する電圧値が出力され、図１の
供給装置３４がこの電圧値に基づいて燃焼用燃料の流量
を変化させる。原料の供給量の操作量は、具体的には以
下のようになる。ステップＳ７Ａにおいて行われた原料
の供給量の制限が解除されていない場合には、操作量
“０”に相当する電圧値が出力される。制限がなされな
かった場合には、ステップＳ４において求められた予定
操作量Δｕｆ中の予定操作量Δｕｆ（０）に相当する電
圧値が出力される。そして、ステップＳ７Ａにおいてい
ったん制限がなされたがステップＳ１３において解除さ
れた場合には、ステップＳ１３において設定された操作
量に相当する電圧値が出力される。そして、この電圧値
に応じて供給装置３および供給装置４が水およびメタノ
ールの流量を変化させる。

【００９１】引き続くステップＳ１０においては、燃料
電池システムの運転が停止されるか否かが判断される。
停止されない（ＮＯ）の場合には、ステップＳ１へと戻
ってループ処理が続行される。一方、停止される（ＹＥ
Ｓ）場合には、処理は終了する。

【００９２】図９の例のポイントを以下にまとめてお
く。新たに計算された予定操作量Δｕｆ（ステップＳ
４）によって蒸発器５の予測温度値が下限値を下回る場
合には、予定操作量を制限する（ステップＳ７Ａ）こと
によって原料の供給量の増加を制限して温度低下を抑え
ている。そして、処理ループが繰り返される間に燃焼器
１０の実際の温度が上昇し（ステップＳ１０）、かつそ
の温度上昇の影響を蒸発器５が受けるようになってから
（ステップＳ１２）、操作量を“０”より大きくして原
料の供給量を増加させるようにしている（ステップＳ１
３）。以上のような制御によって、原料の供給量が増加
されても予測温度が下限値を下回らないようになる。

【００９３】図９の例のステップＳ７Ａにおいては、蒸
発器５の温度が下限値を下回る虞がある場合（ステップ
Ｓ６）には操作量を“０”に設定し、原料の供給量を現
状のまま維持するようにしている。これは、図３（Ｃ）
のプロファイルＰＲ４のタイプの制御に相当する。次
に、同図のプロファイルＰＲ３のタイプのように、原料
の供給量をなるべく早く目標値に到達させる制御が行わ
れる例を示す。

【００９４】図１１は、図９の処理手順に一部変更が加
えられた処理手順を例示するフローチャートである。図
１１の処理手順は、図９のステップＳ７Ａの処理がステ
ップＳ７Ｂの処理に置き換えられており、他の部分はそ
のままとなっている。ステップＳ７Ｂにおいては、蒸発
器５の予測温度が温度の下限値に一致するように原料の
供給量の操作量を定める。例えば、ステップＳ５におい
て求まる温度予測プロファイル中の最低の予測温度が下
限値に一致するように原料の供給量の予定操作量Δｕｆ
を書き換える。すなわち、ステップＳ４においてなされ
た予定操作量Δｕｆの計算と同じ計算を、目標温度ｓｐ
を温度の下限値に設定してステップＳ７Ｂにおいても行
う。あるいは、図１０に例示される式と同様の式を用
い、原料の供給量の操作量の変化と蒸発器５の温度の変
化とを対応付ける、システム同定理論に基づく特性関数
を使ってもよい。

【００９５】温度の変化の概略は、以下のようになる。
蒸発器５に対する液体原料の供給量の増加による温度低
下は、燃焼器１０に対する燃焼用燃料の増加によって打
ち消され、蒸発器５の温度はほぼ下限値のまま推移して
いく。燃焼器１０の温度がその目標温度に近づくにつれ
て、液体原料の操作量も増加していく。このようにして
液体原料の供給量が蒸発器５の目標温度に相当する分量
にまで増加して供給量の増加が終了した時点では、蒸発
器５の温度はほぼ下限値に一致している。そして、燃焼
器１０の温度上昇によって、最後に蒸発器５の温度は本
来の目標温度にまで上昇する。

【００９６】ここで、予測温度ｓｐを下限値と完全に一
致させるように設定すると、収束する途中での温度低下
によって蒸発器５の温度がこの下限値を下回ってしまう
期間が生じてしまうおそれがある。そこで、一致させる
際の基準となる下限値として、プラントを停止に至らせ
るシステム的な下限値ではなく、このシステム的な下限
値に適度な余裕が加えられた制御上の下限値を用いると
良い。この制御上の下限値に予測温度ｓｐを一致させる
予定操作量Δｕｆを計算させることによって、下限値を
下回る期間がシステム的な下限値を用いる場合よりも短
縮化されることが期待できる。さらに、予測温度ｓｐと
システム的な下限値とを比較することによって予想され
る蒸発器５の温度がシステム的な下限値を下回り続ける
期間が、予め設定された基準の期間よりも長い場合にの
みプラントを停止させるようにすると良い。これによっ
て、プラントの停止をなるべく回避することが可能とな
る。

【００９７】以上のような制御によって、蒸発器５の温
度がシステム的な下限値以上に保たれることが期待され
る。これによって蒸発器５の気化性能が安定し、要求さ
れる発電量に足る原料ガスが生成される。これによっ
て、図１の負荷９として取りつけられる２次電池の負担
が軽減される。さらに、改質効率が保たれることによっ
て燃料電池本体８の被毒が低減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 燃料電池システムの構成を例示する模式図で
ある。

【図２】 図１の制御装置１００の内容を例示する模式
図である。

【図３】 原料供給量の変化の例を示す模式図である。

【図４】 温度制御器２５の構成を例示する模式図であ
る。

【図５】 運転状態の変化に応じたモデルパラメータの
組み合わせを例示する図である。

【図６】 蒸発器５の予測温度ｙｐを求める式を例示す
る図である。

【図７】 原料の供給量の操作量Δｕｆを求める式を例
示する図である。

【図８】 重み係数Φおよび重み係数λの意味を示す模
式図である。

【図９】 蒸発器温度制御器２５の第１の処理手順を例
示するフローチャートである。

【図１０】 燃焼用燃料の操作量Δｕａと蒸発器５の温
度変化量とを対応付ける式を例示する図である。

【図１１】 蒸発器温度制御器２５の第２の処理手順を
例示するフローチャートである。

【符号の説明】

５ 蒸発器 ６ 改質反応器 ８ 燃料電池本体 １０ 燃焼器 ２５ 蒸発器温度制御器 ２５ａ 温度予測手段 ２５ｂ 原料供給量制限手段 ２５ｃ 燃焼器設定温度算出手段 １００ 制御装置 ｓｐ 蒸発器５の目標温度 ｙ 蒸発器５の実測温度 ｙｐ 蒸発器５の予測温度 Δｕｆ 原料の供給量の予定操作量 Δｕｏ 原料の供給量の既操作量

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池本体に要求される発電量に基づ
   いて温度を設定する発熱器を備えて液体原料を気化させ
   る蒸発器と、 気化された液体原料から得られる発電用燃料ガスを用い
   て発電を行う燃料電池本体と、 前記液体原料の前記蒸発器への投入量から該蒸発器の温
   度の予測プロファイルを構成する複数の温度を予測し、前記燃料電池本体に要求される発電量に応じた量の前記
   液体原料を前記蒸発器が気化させることができない温度
   を、前記蒸発器の臨界温度としたときに、 前記複数の予測温度と前記蒸発器の臨界温度とを比較し
   て前記複数の予測温度のうちの少なくともいずれか１つ
   が前記臨界温度を下回り、安定性が失われ得ると判断し
   た場合には、 前記予測プロファイルの与える最低の温度が前記臨界温
   度を下回らないように、前記液体原料の予定されている
   前記投入量を変更する 制御手段とを備えることを特徴と
   する燃料電池システム。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の燃料電池システムであ
   って、 前記制御手段は、前記複数の予測温度のうちの少なくと
   もいずれか１つが前記臨界温度を下回り、安定性が失わ
   れ得ると判断した場合には、前記予測プロファイルの与
   える最低の温度が前記臨界温度にほぼ一致するように、
   前記液体原料の予定されている前記投入量を変更する燃
   料電池システム。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の燃料電池システムであ
   って、前記制御手段は、前記発熱器の設定温度を要求される発
   電量から直接的に求められる目標値よりも高く設定する
   燃料電池システム。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の燃料電池システムであ
   って、 前記制御手段は、前記蒸発器の前記予測温度と前記臨界
   温度との差に応じて前記発熱器の前記設定温度の変更量
   を決定する燃料電池システム。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の燃料電池システムであ
   って、 前記液体原料の気化に要する熱量を熱伝達流体を介して
   前記蒸発器に与える発熱器をさらに備え、 前記制御手段は、前記液体原料の前記投入量に加えて、
   前記蒸発器が前記液体原料を気化させることによって得
   られる原料ガスの温度と、前記熱伝達流体の温度とのう
   ちの少なくともいずれか一方を考慮して前記蒸発器の温
   度を予測する燃料電池システム。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の燃料電池システムであ
   って、 前記蒸発器の前記温度を予測するために考慮される前記
   熱伝達流体の前記温度は、該蒸発器へと熱交換によって
   前記熱量を与える前の温度または与えた後の温度のうち
   の少なくともいずれか一方である燃料電池システム。
7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項６のうちのいずれ
   か１つに記載の燃料電池システムであって、 前記蒸発器において前記液体燃料が気化させられること
   によって得られた原料ガスを酸素を用いて改質して前記
   発電用燃料ガスを生成する改質器をさらに備え、前記液
   体燃料は炭素および水素を含む燃料電池システム。