JP4513572B2

JP4513572B2 - 電源システム、電源システムの制御装置および電源システムの制御方法

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Publication number: JP4513572B2
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Inventors: 仁保美藤
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Description

本発明は、燃料改質型の燃料電池を備えた電源システム、電源システムの制御装置および電源システムの制御方法に関する。

周知のように、燃料改質型の燃料電池における改質器では水蒸気改質反応により炭化水素化合物を含む改質原料を改質して水素を発生させる。水蒸気改質反応のためには、改質器を高温に維持する必要がある。改質器を高温に維持する方法として、燃料電池の発電部（発電セル）から排出されるオフガス（水素を含有する未反応の改質ガス）の燃焼熱で改質器を加熱する他、例えば特許文献１に開示されているように、改質器加熱に用いる燃焼用空気の予熱にオフガス燃焼熱を利用し、これによりオフガスの熱量を有効に回収してシステム全体のエネルギー使用効率を向上させる技術が知られている。

特開２００３−３２７４０６号公報

ところで、燃焼燃料蒸発器、改質燃料蒸発器および改質器等を含む改質器ユニットを有する燃料改質型の燃料電池を備える電源システムでは、オフガス触媒燃焼器で発生させるオフガス燃焼熱に加えて、例えばメタノール触媒燃焼器で発生させる燃料燃焼熱やヒータ加熱でシステム全体の吸熱反応に必要な熱量を供給している。
したがって、負荷の要求電力に応じて池発電部の出力電力を適宜調整する方式の電源システムであると、発電部から排出されるオフガス中の残留水素量が発電部（発電セル）の温度や湿度あるいは発電部の出力電圧・電流によっても大きく変化し、これに伴いオフガス触媒燃焼器が発生する熱量も変化してしまう。

そうした熱量変化はメタノール触媒燃焼器が発生する燃料燃焼熱で補うことになるが、メタノール触媒燃焼器は時定数が大きく燃料投入に対する応答が遅く、しかも燃料投入量に応じて改質器ユニットの吸熱量も変化することから、負荷変動に対応して改質器ユニット全体の温度を安定的に制御することが困難になるという弊害や、また改質器ユニット全体の温度を安定的に制御し難い故に燃料（メタノール）を浪費してしまうという問題も生じている。

そこで本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、負荷変動に対応して改質器ユニット全体の温度を安定的に制御することが出来、しかも燃料の浪費を回避することができる電源システム、電源システムの制御装置および電源システムの制御方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、発電用燃料が供給される化学反応部と、前記化学反応部により処理された発電用ガスが供給されて電力を発電する発電部と、前記発電部から排出されるオフガス及び燃焼用燃料が供給されて前記化学反応部を所定の温度に加熱する加熱手段と、前記発電部に供給される前記発電用ガスの流量から算出される当該発電用ガス中の含有水素量と前記発電部の出力電力値とに基づいて、前記発電部から排出される前記オフガス中の残留水素量を所定の回数及び間隔で繰り返し算出する算出手段と、前記加熱手段に供給される前記燃焼用燃料の供給量を調節する供給量調節手段と、前記供給量調節手段を制御し、前記加熱手段の発生熱量を制御する制御手段と、を具備し、前記制御手段は、所定の回に算出された残留水素量の値と前記所定の回の前回に算出された残留水素量の値との差分値を算出し、前記差分値に対応した前記供給量調節手段の設定値に基づいて前記供給量調節手段を制御し、前記供給量調節手段の設定値の基づいた前記供給量調節手段の制御において前記差分値を０にするように制御することを特徴とする。

上記請求項１に従属する請求項２に記載の発明では、前記電源システムは、前記発電部の出力電力を出力電圧に変換して負荷に供給する電圧変換手段を具備することを特徴とする。

上記請求項２に従属する請求項３に記載の発明では、前記電源システムは、前記発電部に供給される前記発電用ガスの流量を計測する流量計測手段と、前記電圧変換手段を介して前記発電部の出力電流値を計測する電流計測手段と、を備え、前記算出手段は、前記流量計測手段により計測された前記発電用ガスの流量に基づいて算出される前記発電用ガス中の含有水素量と前記電流計測手段により計測された前記発電部の出力電流値とに基づいて、前記オフガス中の残留水素量を算出することを特徴とする。

請求項３記載に従属する請求項４に記載の発明では、前記電流計測手段は、前記電圧変換手段の出力を前記発電部の出力電流値に換算する換算手段を備えることを特徴とする。
上記請求項１に従属する請求項５に記載の発明では、前記電源システムは、負荷側の要求電力に応じて前記発電部の出力電力を適宜調整することを特徴とする。

上記請求項１に従属する請求項６に記載の発明では、前記電源システムは、更に、前記発電部の出力電力値に応じて、前記発電部及び前記化学反応部の空気導入を必要とする各部へ供給する空気の量を設定する空気量設定手段を具備することを特徴とする。

上記請求項１に従属する請求項７に記載の発明では、前記化学反応部は、少なくとも、前記発電用燃料を気化する気化部と、前記気化された前記発電用燃料から所定の触媒反応により水素を含む特定の燃料成分を生成する燃料改質部と、を備えることを特徴とする。

請求項８に記載の発明では、発電用燃料が供給される化学反応部と、前記化学反応部により処理された発電用ガスが供給されて電力を発電する発電部と、前記発電部から排出されるオフガス及び燃焼用燃料が供給されて前記化学反応部を所定の温度に加熱する加熱手段と、を備える電源システムの制御装置であって、前記発電部に供給される前記発電用ガスの流量を計測する流量計測手段と、前記計測手段により計測された前記発電用ガスの流量から当該発電用ガス中の含有水素量を算出する含有水素量算出手段と、前記含有水素量算出手段により算出された前記発電用ガス中の含有水素量と前記発電部の出力電力値とに基づいて前記発電部から排出される前記オフガス中の残留水素量を所定の回数及び間隔で繰り返し算出する残留水素量算出手段と、前記加熱手段に供給される前記燃焼用燃料の供給量を調節する供給量調節手段と、前記供給量調節手段を制御し、前記加熱手段の発生熱量を制御する制御手段とを具備し、前記制御手段は、所定の回に算出された残留水素量の値と前記所定の回の前回に算出された残留水素量の値との差分値を算出し、前記差分値に対応した前記供給量調節手段の設定値に基づいて前記供給量調節手段を制御し、前記供給量調節手段の設定値の基づいた前記供給量調節手段の制御において前記差分値が０にするように制御することを特徴とする。

上記請求項８に従属する請求項９に記載の発明では、前記電源システムは、前記発電部の出力電力を出力電圧に変換して負荷に供給する電圧変換手段を備え、前記残留水素量算出手段は、前記電圧変換手段を介して前記発電部の出力電流値を計測する電流計測手段を有し、該電流計測手段により計測された前記発電部の出力電流値と前記含有水素量算出手段により算出された前記発電用ガス中の含有水素量とに基づいて、前記オフガス中の残留水素量を算出することを特徴とする。

請求項９に従属する請求項１０に記載の発明では、前記電流計測手段は、前記電圧変換手段の出力を前記発電部の出力電流値に換算する換算手段を備えることを特徴とする。
上記請求項８に従属する請求項１１に記載の発明では、前記電源システムの制御装置は、更に、前記発電部の出力電力値に応じて、前記発電部及び前記化学反応部の空気導入を必要とする各部へ供給する空気の量を設定する空気量設定手段を具備することを特徴とする。

上記請求項８に従属する請求項１２に記載の発明では、前記化学反応部は、少なくとも、前記発電用燃料を気化する気化部と、前記気化された前記発電用燃料から所定の触媒反応により水素を含む特定の燃料成分を生成する燃料改質部と、を備えることを特徴とする。

請求項１３に記載の発明では、発電用燃料が供給される化学反応部と、前記化学反応部により処理された発電用ガスが供給されて電力を発電する発電部と、前記発電部から排出されるオフガス及び燃焼用燃料が供給されて前記化学反応部を所定の温度に加熱する加熱手段と、前記加熱手段に供給される前記燃焼用燃料の供給量を調節する供給量調節手段と、を備える電源システムの制御方法であって、前記発電部に供給される前記発電用ガスの流量から算出される当該発電用ガス中の含有水素量と前記発電部の出力電力値とに基づいて、前記発電部から排出されるオフガス中の残留水素量を算出するステップと、前記オフガス中の残留水素量を算出するステップにより算出されるオフガス中の残留水素量の変化に応じて、前記加熱手段に供給される前記燃焼用燃料の供給量を調節する供給量調節手段を制御して前記加熱手段の発生熱量を制御するステップと、を含み、前記加熱手段の発生熱量を制御するステップは、所定の回に算出された残留水素量の値と前記所定の回の前回に算出された残留水素量の値との差分値を算出し、前記差分値に対応した前記供給量調節手段の設定値に基づいて前記供給量調節手段を制御し、前記供給量調節手段の設定値の基づいた前記供給量調節手段の制御において前記差分値が０にするように制御することを含むことを特徴とする。

上記請求項１３に従属する請求項１４に記載の発明では、前記電源システムは、前記発電部の出力電力を出力電圧に変換して負荷に供給する電圧変換手段を備え、前記オフガス中の残留水素量を算出するステップは、前記発電部に供給される前記発電用ガスの流量を計測するステップと、前記電圧変換手段を介して前記発電部の出力電流値を計測するステップと、前記発電用ガスの流量を計測するステップにより計測された前記発電用ガスの流量に基づいて算出された前記発電用ガス中の含有水素量と前記発電部の出力電流値を計測するステップにより計測された前記発電部の出力電流値とに基づいて、前記オフガス中の残留水素量を算出するステップと、を含むことを特徴とする。

請求項１３記載に従属する請求項１５に記載の発明では、前記発電部の出力電流値を計測するステップは、前記電圧変換手段の出力を前記発電部の出力電流値に換算するステップを含むことを特徴とする。
上記請求項１３に従属する請求項１６に記載の発明では、前記電源システムの制御方法は、更に、前記発電部の出力電力値に応じて、前記発電部及び前記化学反応部の空気導入を必要とする各部に供給する空気の量を設定するステップを含むことを特徴とする。

請求項１〜７に記載の電源システムによれば、発電部に供給される発電用ガスの流量から算出される当該発電用ガス中の含有水素量と、発電部の出力電力値とに基づいて、発電部から排出されるオフガス中の残留水素量を算出し、算出されたオフガス中の残留水素量の変化に応じて、化学反応部を加熱する加熱手段に供給される燃焼用燃料の供給量を調節して、該加熱手段の発生熱量を制御するので、負荷変動に対応して化学反応部の温度を安定的に制御することが出来る上、燃焼用燃料の浪費を回避することも出来る。
さらに発電部の出力電力値に応じて、発電部及び化学反応部の空気導入を必要とする各部へ供給する空気量を設定するので、とりわけ発電部の発電電力が低下した時には、空気供給量を低減して消費電力を削減でき、結果的に燃料節約によるシステム全体のエネルギー効率の向上を図り、長時間駆動を可能にすると共に、発電部の電解質膜の乾燥を防止することもできる。

請求項８〜１２に記載の制御装置によれば、発電部に供給される発電用ガスの流量から算出される当該発電用ガス中の含有水素量と、発電部の出力電力値とに基づいて、発電部から排出されるオフガス中の残留水素量を算出し、算出されたオフガス中の残留水素量の変化に応じて、化学反応部を加熱する加熱手段に供給される燃焼用燃料の供給量を調節して、該加熱手段の発生熱量を制御するので、負荷変動に対応して化学反応部の温度を安定的に制御することが出来る上、燃焼用燃料の浪費を回避することも出来る。
さらに発電部の出力電力値に応じて、発電部及び化学反応部の空気導入を必要とする各部へ供給する空気量を設定するので、とりわけ発電部の発電電力が低下した時には、空気供給量を低減して消費電力を削減でき、結果的に燃料節約によるシステム全体のエネルギー効率の向上を図り、長時間駆動を可能にすると共に、発電部の電解質膜の乾燥を防止することもできる。

請求項１３〜１６に記載の制御方法によれば、発電部に供給される発電用ガスの流量から算出される当該発電用ガス中の含有水素量と、発電部の出力電力値とに基づいて、発電部から排出されるオフガス中の残留水素量を算出し、算出されたオフガス中の残留水素量の変化に応じて、化学反応部を加熱する加熱手段に供給される燃焼用燃料の供給量を調節して、該加熱手段の発生熱量を制御するので、負荷変動に対応して化学反応部の温度を安定的に制御することが出来る上、燃焼用燃料の浪費を回避することも出来る。
さらに発電部の出力電力値に応じて、発電部及び化学反応部の空気導入を必要とする各部へ供給する空気量を設定するので、とりわけ発電部の発電電力が低下した時には、空気供給量を低減して消費電力を削減でき、結果的に燃料節約によるシステム全体のエネルギー効率の向上を図り、長時間駆動を可能にすると共に、発電部の電解質膜の乾燥を防止することもできる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
Ａ．第１実施形態
（１）構成
図１は本発明に係る電源システムの第１実施形態の構成を示すブロック図である。電源システムは、制御部（制御装置）１３０、ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換手段）１６０および燃料改質型の燃料電池２００からなり、燃料電池２００は、改質ユニット（化学反応部）１００、発電部（発電セル）１２０、メタノールタンク１４０、水タンク１５０、ポンプＰ１〜Ｐ３、ドライバＤ１〜Ｄ３、バルブＶ１〜Ｖ７および流量形Ｆ１〜Ｆ８等を備える。

改質ユニット１００は、燃焼燃料蒸発器１０１、電気ヒータ兼温度計１０２、改質燃料蒸発器１０３、電気ヒータ兼温度計１０４、ＣＯ除去器１０５、電気ヒータ兼温度計１０６、改質器１０７、電気ヒータ兼温度計１０８、メタノール触媒燃焼器１０９およびオフガス触媒燃焼器１１０から構成される。燃焼燃料蒸発器１０１は、ポンプＰ１にてメタノールタンク１４０から注入されるメタノール（燃焼用燃料）を気化してメタノール触媒燃焼器１０９に送出する。燃焼燃料蒸発器１０１に注入されるメタノールの流量は、バルブＶ１にて調節され、流量計Ｆ１で計測される。電気ヒータ兼温度計１０２は、燃焼燃料蒸発器１０１を加熱する電気ヒータとして機能するとともに、燃焼燃料蒸発器１０１の温度を計測する温度計としても機能する。

改質燃料蒸発器１０３は、ポンプＰ１にてメタノールタンク１４０から注入されるメタノール（発電用燃料）と、ポンプＰ３にて水タンク１５０から注入される水とを気化して改質器１０７に送出する。改質燃料蒸発器１０３に注入されるメタノールの流量は、バルブＶ２にて調節され、流量計Ｆ２で計測される。改質燃料蒸発器１０３に注入される水の流量は、バルブＶ３にて調節され、流量計Ｆ３で計測される。電気ヒータ兼温度計１０４は、改質燃料蒸発器１０３を加熱する電気ヒータとして機能するとともに、改質燃料蒸発器１０３の温度を計測する温度計としても機能する。

改質器１０７は、改質燃料蒸発器１０３から供給され、気化された水とメタノールとから水素を含有する改質ガスを発生する。ＣＯ除去器１０５は、空気ポンプＰ２で導入される空気と改質器１０７が発生する改質ガスとを混合し、選択酸化反応に基づき改質ガスから一酸化炭素ＣＯを除去して発電部１２０に供給する。発電部１２０に供給されるＣＯ除去後の改質ガス流量は、流量計Ｆ８にて計測される。
ＣＯ除去器１０５に通気される空気流量は、バルブＶ４にて調節され、流量計Ｆ４で計測される。電気ヒータ兼温度計１０６は、ＣＯ除去器１０５を加熱する電気ヒータとして機能するとともに、ＣＯ除去器１０５の温度を計測する温度計としても機能する。電気ヒータ兼温度計１０８は、改質器１０７を加熱する電気ヒータとして機能するとともに、改質器１０７の温度を計測する温度計として機能する。

メタノール触媒燃焼器１０９は、燃焼燃料蒸発器１０１から供給される気化燃料と、空気ポンプＰ２で導入される空気とを混合して触媒燃焼させ、その燃焼熱で改質ユニット１００全体を所定温度に維持する。メタノール触媒燃焼器１０９に導入される空気流量は、バルブＶ５にて調節され、流量計Ｆ５で計測される。オフガス触媒燃焼器１１０は、発電部１２０から排出されるオフガス（水素を含有する未反応の改質ガス）と、空気ポンプＰ２で導入される空気とを混合して触媒燃焼させ、その燃焼熱で改質ユニット１００全体を加熱する。オフガス触媒燃焼器１１０に導入される空気流量は、バルブＶ６にて調節され、流量計Ｆ６で計測される。なお、本実施形態においては、メタノールタンク１４０からメタノールが改質燃料蒸発器１０３及び燃焼燃料蒸発器１０１に供給されて、発電用燃料の一部を燃焼用燃料として用いる構成としたが、これに限らず、燃焼用燃料を別の専用タンクから供給するようにしてもよい。また、発電用燃料と燃焼用燃料とを異なる材料としてもよい。

発電部１２０は、電解質膜ＭＥＡの一方の面に形成された燃料極と他方の面に形成された空気極とを有する一つ又は複数の発電セル構造を有し、燃料極に供給される、ＣＯ除去器１０５から供給されるＣＯ除去後の改質ガスに含有される水素と、空気極に供給される空気ポンプＰ２で導入される空気の酸素との電気化学反応にて電力を発生する。また、発電部１２０は電気化学反応に使用されず、未反応の改質ガスを上記オフガス触媒燃焼器１１０に供給する。
制御部１３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器およびＤ／Ａ変換器等を備え、システム各部の動作を制御する。具体的には、ＣＰＵがＲＯＭ等に格納される各種制御プログラムを実行し、上述した各部流量計Ｆ１〜Ｆ８の出力ＦＯや、電気ヒータ兼温度計１０２、１０４、１０６および１０８の各温度計測値、および発電部１２０の出力電流値Ｉｃｏ等をＡ／Ｄ変換して取込み、取込んだ各値に基づき判定される改質ユニット１００の動作状態に応じて、上述した各部のバルブＶ１〜Ｖ７を駆動するバルブ駆動信号ＶＤ、ポンプＰ１〜Ｐ３を駆動するドライバＤ１〜Ｄ３を制御するドライバ制御信号ＣＤおよび電気ヒータ兼温度計１０２、１０４、１０６および１０８のヒータ駆動信号を発生する。ここで、発電部１２０の出力電流値Ｉｃｏは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６０を介して直接的に計測、又は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６０の出力を換算することによって求められる。

なお、制御部１３０のＲＯＭ等に格納される制御プログラムとは、後述するオフガス制御処理を含む。制御部１３０のＲＡＭは、ＣＰＵのワークエリアとして用いられ、各種レジスタ・フラグデータを一時記憶する他、後述のオフガス制御処理に用いるテーブルデータを記憶しており、その内容については追って述べる。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１６０は、システム起動時や例えば過負荷時等には２次電池１６０ａの蓄電電力にて所定電圧の出力を発生し、システム定常時には発電部１２０の出力電力を一定電圧にスイッチングレギュレートして外部負荷に供給すると共に、２次電池１６０ａを充電する。ここで、発電部１２０の出力電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６０を介して接続される外部負荷の要求電力に応じて適宜調整される。

（２）動作
次に、上記構成による電源システムの動作として、制御部１３０が実行するオフガス制御処理の動作について説明する。図２は、本実施形態におけるオフガス制御処理の動作を示すフローチャートである。図２に図示するオフガス制御処理は、タイマインタラプトにより所定周期毎に割込み実行される。
割込み実行タイミングになると、制御部１３０のＣＰＵはＲＯＭ等に格納されるオフガス制御処理のプログラムを実行し、図２に示すステップＳＡ１に処理を進め、ＣＯ除去器１０５から発電部１２０に供給される改質ガスの流量Ｆｒｇを計測する。改質ガスの流量Ｆｒｇは、流量計Ｆ８の出力ＦＯから計測される。
続いて、ステップＳＡ２では、計測した改質ガス流量Ｆｒｇから改質ガス中の含有水素量Ｃｒｈを算出する。メタノール改質の場合、改質ガスに含まれる水素は約７５％、残りの２５％は二酸化炭素である。したがって、改質ガス流量Ｆｒｇ×０．７５にて含有水素量Ｃｒｈが算出され、その値をレジスタＣｒｈにストアする。

次いで、ステップＳＡ３では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６０を介して直接的に発電部１２０の出力電流Ｉｃｏを計測し、又は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６０の出力を計測し、それを発電部１２０の出力電流Ｉｃｏに換算して、レジスタＩｃｏにストアする。次に、ステップＳＡ４に進み、レジスタＩｃｏに格納された発電部１２０の出力電流Ｉｃｏを、次式（１）に代入して発電部１２０から排出されるオフガス中の残留水素量Ｒｇｈを算出してレジスタＲｇｈにストアする。
Ｒｇｈ＝Ｃｒｈ−２２．４×Ｉｃｏ×６０／Ｆ／２ …（１）
なお、上記（１）式において、２２．４［Ｌ］×Ｉｃｏ［Ａ］×６０［ｓｅｃ］／Ｆ／２は水素消費量を表し、Ｆはファラデー定数（９６４８５．３４１５［Ｃ／ｍｏｌ］を表す。

こうして、オフガス中の残留水素量Ｒｇｈが得られると、ステップＳＡ５に進み、レジスタＲｇｌに格納される、前回算出した残留水素量ＲｇｌからレジスタＲｇｈに格納した今回算出の残留水素量Ｒｇｈを減算して差分値Ｄｈｇを算出してレジスタＤｈｇにストアする。
次に、ステップＳＡ６では、レジスタＤｈｇにストアされた差分値Ｄｈｇと、燃焼燃料蒸発器１０１を介してメタノール触媒燃焼器１０９に供給するメタノールの量を調節するバルブＶ１の現在の設定値Ｖｍｂとを読み出しアドレスとして、制御部１３０のＲＡＭに格納されるメタノール量調整バルブ設定テーブルＴ１から当該バルブＶ１の新たな設定値ＶｍｂＮを読み出す。なお、メタノール量調整バルブ設定テーブルＴ１とは、差分値ＤｈｇとバルブＶ１の設定値Ｖｍｂとをパラメータとして、対応する設定値ＶｍｂＮを実験的に得たテーブルである。

続いて、ステップＳＡ７では、上記ステップＳＡ６にて読み出した新たな設定値ＶｍｂＮに対応したバルブ駆動信号ＶＤを生成して当該バルブＶ１に供給する。これにより、バルブＶ１は新たな設定値ＶｍｂＮに従って燃焼燃料蒸発器１０１を介してメタノール触媒燃焼器１０９に供給するメタノールの量を調節する。

設定値ＶｍｂＮに従ったバルブＶ１の開閉制御は、差分値Ｄｈｇを「０」にするよう行われ、残留水素量Ｒｇｈが増加してオフガス触媒燃焼器１１０の発熱量が増加する場合に、その発熱量増加分を相殺するよう燃焼燃料蒸発器１０１に供給するメタノールの量を減らすべくバルブＶ１を閉じ、一方、残留水素量Ｒｇｈが減少してオフガス触媒燃焼器１１０の発熱量が減少する場合に、その発熱量減少分を補うべく燃焼燃料蒸発器１０１に供給するメタノールの量を増やすようにバルブＶ１を開くように制御する。そして、この後、ステップＳＡ８に進み、レジスタＲｇｈの値をレジスタＲｇｌにストアして、今回算出した残留水素量Ｒｇｈを前回値Ｒｇｌに更新して本処理を完了させる。

以後、上述したオフガス制御処理をタイマインタラプトにより、例えば１〜２０回／秒程度繰り返し実行すれば、時々刻々変化するオフガス中の残留水素量Ｒｇｈに追随させて燃焼燃料蒸発器１０１に供給されるメタノール（燃焼用燃料）の量を調節してメタノール触媒燃焼器１０９の発熱量を増減させるので、負荷変動に対応して改質器ユニット全体の温度を安定的に制御することが可能になる上、メタノール（燃焼用燃料）の浪費を回避することも可能になる。

Ｂ．第２実施形態
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態の構成は、図１に図示した第１実施形態と同一なので、その説明は省略する。第２実施形態が上述の第１実施形態と相違する点は、発電部１２０の出力電流Ｉｃｏに応じて、各部（ＣＯ除去器１０５、メタノール触媒燃焼器１０９、オフガス触媒燃焼器１１０および発電部１２０）に供給する空気の量を制御することにある。
図３は、発電部の出力電圧と水素利用率との関係を表すグラフである。すなわち、図３に図示する発電部１２０の出力電圧と水素利用率との関係を表すグラフ（セル温度：８０゜Ｃの特性）から明らかなように、例えば発電部１２０が出力電圧Ｖｃで発電していれば、水素利用率は約８１％であり、オフガスには残りの１９％しか水素が含有されていない。これに対して、出力電圧Ｖｎで発電すると、水素利用率が３０％になり、オフガスには７０％の水素が残るようになる。

つまり、発電部１２０の発電電力低下により水素利用率が低下すれば、必然的に反応する水素量が減少するので、発電部１２０の酸素消費量も低下するし、それに伴いＣＯ除去器１０５、メタノール触媒燃焼器１０９およびオフガス触媒燃焼器１１０がそれぞれ必要とする空気の量も低下する。
したがって、発電部１２０の出力電流Ｉｃｏに応じて、各部（ＣＯ除去器１０５、メタノール触媒燃焼器１０９、オフガス触媒燃焼器１１０および発電部１２０）に供給する空気の量を適切に制御すれば、とりわけ発電電力低下時には空気ポンプＰ２の駆動電圧を下げて消費電力を削減しつつ、発電部（発電セル）の電解質膜の乾燥を防止し得るようになる。

以下、こうした動作を具現する空気量制御処理について説明する。図４は、本発明に係る電源システムの第２実施形態における空気量制御処理の動作を示すフローチャートである。図４に図示する空気量制御処理は、制御部１３０のＣＰＵがタイマインタラプトにより所定期間毎に割込み実行する。割込み実行タイミングになると、制御部１３０のＣＰＵはＲＯＭ等に格納される空気量制御処理のプログラムを実行し、図４に示すステップＳＢ１に処理を進め、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６０を介して直接的に発電部１２０の出力電流Ｉｃｏを計測し、又は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６０の出力を計測し、それを発電部１２０の出力電流Ｉｃｏに換算して、レジスタＩｃｏにストアする。

次いで、ステップＳＢ２では、レジスタＩｃｏにストアされた出力電流Ｉｃｏに対応する空気ポンプ駆動電圧Ｖａｐを空気ポンプ駆動テーブルＴ２から読み出す。なお、空気ポンプ駆動テーブルＴ２とは、出力電流Ｉｃｏを読み出しアドレスとして、最適な空気供給量を発生する空気ポンプ駆動電圧Ｖａｐを読み出すテーブルであり、テーブルに登録される空気ポンプ駆動電圧Ｖａｐは実験で得る値である。

続いて、ステップＳＢ３では、上記ステップＳＢ２において得られた空気ポンプ駆動電圧Ｖａｐに対応したドライバ制御信号ＣＤを空気ポンプＰ２のドライバＤ２に供給する。これにより、空気ポンプＰ２は、最適な空気供給量を発生する。続いて、ステップＳＢ４では、レジスタＩｃｏにストアされた出力電流Ｉｃｏに対応する発電部空気バルブ設定値Ｖａｃ、ＣＯ除去器空気バルブ設定値Ｖａｒ、メタノール触媒燃焼器空気バルブ設定値Ｖａｍおよびオフガス触媒燃焼器空気バルブＶａｆをそれぞれバルブ駆動テーブルＴ３から読み出す。

なお、バルブ駆動テーブルＴ３とは、出力電流Ｉｃｏを読み出しアドレスとして、各部（発電部１２０、ＣＯ除去器１０５、メタノール触媒燃焼器１０９およびオフガス触媒燃焼器１１０）に供給する最適な空気量を設定するバルブ設定値Ｖａｃ、Ｖａｒ、ＶａｍおよびＶａｆを読み出すテーブルであり、テーブルに登録される各バルブ設定値Ｖａｃ、Ｖａｒ、ＶａｍおよびＶａｆは実験で得る値である。
この後、ステップＳＢ５に進み、上記ステップＳＢ４にて読み出した各バルブ設定値Ｖａｃ、Ｖａｒ、ＶａｍおよびＶａｆにそれぞれ対応するバルブ駆動信号ＶＤを生成して、該当するバルブＶ４〜Ｖ７に各々供給して本処理を完了させる。これにより、各バルブＶ４〜Ｖ７が各々最適な空気量を調節する。

以後、上述した空気量制御処理をタイマインタラプトにより、一定期間毎に繰り返し実行すれば、発電部１２０の出力電流Ｉｃｏに応じて、各部（ＣＯ除去器１０５、メタノール触媒燃焼器１０９、オフガス触媒燃焼器１１０および発電部１２０）に供給する空気の量が適切に設定され、とりわけ発電電力低下時には空気ポンプＰ２の駆動電圧を下げて消費電力を削減でき、結果的に燃料節約によるシステム全体のエネルギー効率の向上を図り、長時間駆動を可能にすると共に、発電部（発電セル）の電解質膜の乾燥を防止することも可能になっている。

なお、本実施形態では、空気量制御処理だけを行うものとしたが、これに限らず、前述した第１実施形態によるオフガス制御処理を併用する態様にすることも出来、その場合、負荷変動に対応して改質器ユニット全体の温度を安定的に制御しつつ、燃料節約によるシステム全体のエネルギー効率向上による長時間駆動を可能にすると共に、発電部（発電セル）の電解質膜の乾燥を防止することが可能になる。

本発明に係る電源システムの第１実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態におけるオフガス制御処理の動作を示すフローチャートである。発電部の出力電圧と水素利用率との関係を表すグラフである。本発明に係る電源システムの第２実施形態における空気量制御処理の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１００改質ユニット
１２０発電部
１３０制御部
１４０メタノールタンク
１５０水タンク
１６０ＤＣ／ＤＣコンバータ
Ｐ１〜Ｐ３ポンプ
Ｄ１〜Ｄ３ドライバ
Ｖ１〜Ｖ７バルブ
Ｆ１〜Ｆ８流量計

Claims

発電用燃料が供給される化学反応部と、
前記化学反応部により処理された発電用ガスが供給されて電力を発電する発電部と、
前記発電部から排出されるオフガス及び燃焼用燃料が供給されて前記化学反応部を所定の温度に加熱する加熱手段と、
前記発電部に供給される前記発電用ガスの流量から算出される当該発電用ガス中の含有水素量と前記発電部の出力電力値とに基づいて、前記発電部から排出される前記オフガス中の残留水素量を所定の回数及び間隔で繰り返し算出する算出手段と、
前記加熱手段に供給される前記燃焼用燃料の供給量を調節する供給量調節手段と、
前記供給量調節手段を制御し、前記加熱手段の発生熱量を制御する制御手段と、
を具備し、
前記制御手段は、所定の回に算出された残留水素量の値と前記所定の回の前回に算出された残留水素量の値との差分値を算出し、前記差分値に対応した前記供給量調節手段の設定値に基づいて前記供給量調節手段を制御し、前記供給量調節手段の設定値の基づいた前記供給量調節手段の制御において前記差分値を０にするように制御することを特徴とする電源システム。
前記電源システムは、前記発電部の出力電力を出力電圧に変換して負荷に供給する電圧変換手段を具備することを特徴とする請求項１記載の電源システム。
前記電源システムは、前記発電部に供給される前記発電用ガスの流量を計測する流量計測手段と、前記電圧変換手段を介して前記発電部の出力電流値を計測する電流計測手段と、を備え、
前記算出手段は、前記流量計測手段により計測された前記発電用ガスの流量に基づいて算出される前記発電用ガス中の含有水素量と前記電流計測手段により計測された前記発電部の出力電流値とに基づいて、前記オフガス中の残留水素量を算出することを特徴とする請求項２記載の電源システム。
前記電流計測手段は、前記電圧変換手段の出力を前記発電部の出力電流値に換算する換算手段を備えることを特徴とする請求項３記載の電源システム。
前記電源システムは、負荷側の要求電力に応じて前記発電部の出力電力を適宜調整することを特徴とする請求項１記載の電源システム。
前記電源システムは、更に、前記発電部の出力電力値に応じて、前記発電部及び前記化学反応部の空気導入を必要とする各部へ供給する空気の量を設定する空気量設定手段を具備することを特徴とする請求項１記載の電源システム。
前記化学反応部は、少なくとも、前記発電用燃料を気化する気化部と、前記気化された前記発電用燃料から所定の触媒反応により水素を含む特定の燃料成分を生成する燃料改質部と、を備えることを特徴とする請求項１記載の電源システム。
発電用燃料が供給される化学反応部と、前記化学反応部により処理された発電用ガスが供給されて電力を発電する発電部と、前記発電部から排出されるオフガス及び燃焼用燃料が供給されて前記化学反応部を所定の温度に加熱する加熱手段と、を備える電源システムの制御装置であって、
前記発電部に供給される前記発電用ガスの流量を計測する流量計測手段と、
前記計測手段により計測された前記発電用ガスの流量から当該発電用ガス中の含有水素量を算出する含有水素量算出手段と、
前記含有水素量算出手段により算出された前記発電用ガス中の含有水素量と前記発電部の出力電力値とに基づいて前記発電部から排出される前記オフガス中の残留水素量を所定の回数及び間隔で繰り返し算出する残留水素量算出手段と、
前記加熱手段に供給される前記燃焼用燃料の供給量を調節する供給量調節手段と、
前記供給量調節手段を制御し、前記加熱手段の発生熱量を制御する制御手段と、
を具備し、
前記制御手段は、所定の回に算出された残留水素量の値と前記所定の回の前回に算出された残留水素量の値との差分値を算出し、前記差分値に対応した前記供給量調節手段の設定値に基づいて前記供給量調節手段を制御し、
前記供給量調節手段の設定値の基づいた前記供給量調節手段の制御において前記差分値が０にするように制御することを特徴とする電源システムの制御装置。
前記電源システムは、前記発電部の出力電力を出力電圧に変換して負荷に供給する電圧変換手段を備え、
前記残留水素量算出手段は、前記電圧変換手段を介して前記発電部の出力電流値を計測する電流計測手段を有し、該電流量流計測手段により計測された前記発電部の出力電流値と前記含有水素量算出手段により算出された前記発電用ガス中の含有水素量とに基づいて、前記オフガス中の残留水素量を算出することを特徴とする請求項８記載の電源システムの制御装置。
前記電流計測手段は、前記電圧変換手段の出力を前記発電部の出力電流値に換算する換算手段を備えることを特徴とする請求項９記載の電源システムの制御装置。
前記電源システムの制御装置は、更に、前記発電部の出力電力値に応じて、前記発電部及び前記化学反応部の空気導入を必要とする各部へ供給する空気の量を設定する空気量設定手段を具備することを特徴とする請求項８記載の電源システムの制御装置。
前記化学反応部は、少なくとも、前記発電用燃料を気化する気化部と、前記気化された前記発電用燃料から所定の触媒反応により水素を含む特定の燃料成分を生成する燃料改質部と、を備えることを特徴とする請求項８記載の電源システムの制御装置。
発電用燃料が供給される化学反応部と、前記化学反応部により処理された発電用ガスが供給されて電力を発電する発電部と、前記発電部から排出されるオフガス及び燃焼用燃料が供給されて前記化学反応部を所定の温度に加熱する加熱手段と、前記加熱手段に供給される前記燃焼用燃料の供給量を調節する供給量調節手段と、
を備える電源システムの制御方法であって、
前記発電部に供給される前記発電用ガスの流量から算出される当該発電用ガス中の含有水素量と前記発電部の出力電力値とに基づいて、前記発電部から排出されるオフガス中の残留水素量を算出するステップと、
前記オフガス中の残留水素量を算出するステップにより算出されるオフガス中の残留水素量の変化に応じて、前記加熱手段に供給される前記燃焼用燃料の供給量を調節する供給量調節手段を制御して前記加熱手段の発生熱量を制御するステップと、
を含み、
前記加熱手段の発生熱量を制御するステップは、所定の回に算出された残留水素量の値と前記所定の回の前回に算出された残留水素量の値との差分値を算出し、前記差分値に対応した前記供給量調節手段の設定値に基づいて前記供給量調節手段を制御し、前記供給量調節手段の設定値の基づいた前記供給量調節手段の制御において前記差分値が０にするように制御することを含むことを特徴とする電源システムの制御方法。
前記電源システムは、前記発電部の出力電力を出力電圧に変換して負荷に供給する電圧変換手段を備え、
前記オフガス中の残留水素量を算出するステップは、
前記発電部に供給される前記発電用ガスの流量を計測するステップと、
前記電圧変換手段を介して前記発電部の出力電流値を計測するステップと、
前記発電用ガスの流量を計測するステップにより計測された前記発電用ガスの流量に基づいて算出された前記発電用ガス中の含有水素量と前記発電部の出力電流値を計測するステップにより計測された前記発電部の出力電流値とに基づいて、前記オフガス中の残留水素量を算出するステップと、
を含むことを特徴とする請求項１３記載の電源システムの制御方法。
前記発電部の出力電流値を計測するステップは、前記電圧変換手段の出力を前記発電部の出力電流値に換算するステップを含むことを特徴とする請求項１３記載の電源システムの制御方法。
前記電源システムの制御方法は、更に、前記発電部の出力電力値に応じて、前記発電部及び前記化学反応部の空気導入を必要とする各部に供給する空気の量を設定するステップを含むことを特徴とする請求項１３記載の電源システムの制御方法。