JP5485555B2 - 固体酸化物型燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池、特に高温で使用される固体酸化物型燃料電池システムの制御技術に関する。

固体酸化物型燃料電池は様々な炭化水素系原料を水蒸気で改質することで水素を取り出して発電する。改質に使用する水蒸気は、改質水を気化装置で気化させることにより生成するため、気化装置は高温となり、また、改質装置も高温で作動することが求められる。

このため、気化装置と改質装置は、固体酸化物型燃料電池本体（燃料電池スタック）と別置きされた状態で加熱されることが多く、固体酸化物型燃料電池の燃料ラインに直列に接続される。

この接続が要因となり、燃料ガスの流量は、水が気化した際の圧力変化や気化の吸熱反応による圧力減少に大きな影響を受ける。したがって、燃料ガス流量の制御が不安定になる。

この改質水は、ポンプで送水するが、分散設置用の固体酸化物型燃料電池では、水の流量が少ないため、安定した改質水の供給方法として２つのものがある。１つは、ステッピングモータのステップ数で制御する方法、２つめは電力で総水量をコントロールポンプとニードル弁及び高精度流量計の組合せにより流量制御をする方法である。

前者の場合には、水の供給量は安定するもののステッピングモータの回転周期に応じて水が投入されるため、気化時の圧力変化が大きく、後者の場合には連続的に水が供給されるが流量が安定せず、流量計からのフィードバックとなるため、改質水が不足する場合がある。また、システムが複雑になるという問題があり、現実的ではない。

ステッピングモータを使用し、圧力変化を抑えるためには、従来技術であるバッファタンクを設置し、圧力変化を吸収する方法が考えられるが、バッファタンクをスタックに併設する必要があるため断熱容器の寸法を大きくする必要があり、結果として放熱量が増大し、効率の低下につながる。

さらに、燃料ガスラインに逆止弁を挿入し、逆止弁のクラック圧を利用して、供給される燃料ガスの圧力変化を抑制する方法がある。つまり、燃料ガスラインに逆止弁を挿入し、その逆止弁のクラック圧力によって燃料ガスラインに所要の抵抗を与えると、供給される燃料ガスの圧力変化を抑制することができる。したがって、逆止弁のクラック圧を制御することにより、圧力変化を制御することができる（例えば特許文献１参照）。

特開２００６ー２１６２８３号公報

ところが、燃料ガスラインに逆止弁を挿入し、そのクラック圧を制御する方法では、燃料ガスラインには常にクラッキング圧力を超える圧力が保持されるために、低流量時のポンプ負荷が常時増大し総合効率の低下につながり実用性は低いとういう問題がある。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、簡易な構成で燃料ガスラインの圧力変化を抑制し、効率のよい固体酸化物型燃料電池システムを提供することを目的とする。

かかる問題を解決するためになされた固体酸化物型燃料電池システム（１：この欄においては、発明に対する理解を容易にするため、必要に応じて「発明を実施するための最良の形態」欄において用いた符号を付すが、この符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。）は、
燃料電池スタック（１０）、改質手段（２０）、気化手段（３０）、燃料供給手段（５０）、水供給手段（６０）、推定手段（７０）及び制御手段（７０）を備えている。

燃料電池スタック（１０）は、電解質層を隔てて燃料極及び空気極がそれぞれ形成された燃料電池セルが複数個接続されて成り、改質手段（２０）は、燃料電池スタック（１０）に供給される前に、燃料ガスを水蒸気により改質し、気化手段（３０）は、水を気化させ、改質手段（２０）で使用される水蒸気を形成する。

燃料供給手段（５０）は、改質される燃料ガスを改質手段（２０）に供給し、水供給手段（６０）は、気化手段（３０）に水を周期的に供給し、推定手段（７０）は、水供給手段（６０）で供給される水が気化手段（３０）において気化される気化タイミングを推定する。

また、制御手段（７０）は、推定手段（７０）で推定した水の気化タイミングに基づいて、燃料供給手段（５０）から燃料電池スタック（１０）に供給する燃料ガスの供給圧力を制御する。

このような固体酸化物型燃料電池システム（１）では、水供給手段（６０）により周期的に気化手段（３０）に水が供給され、供給された水は気化手段（３０）で気化されて改質手段（２０）で改質反応に利用される。また、改質手段（２０）には、燃料供給手段（５０）から燃料ガスが供給されている。

ここで、気化手段（３０）において水が気化される際には、気化手段（３０）における水蒸気の圧力が上昇するので改質手段（２０）における水蒸気圧力も上昇する。一方、改質手段（２０）を介して、気化手段（３０）は、燃料供給手段（５０）とも連通しているため、燃料供給手段（５０）内の圧力（燃料ガス圧力と水蒸気圧力の合計）も上昇する。換言すると、水蒸気の圧力は混合部位（改質手段）を通じて燃料ガスラインに伝わり、燃料ガス圧力を押し付けることによる燃料ガスの流量不足の原因となる。

これに対して、本発明の固体酸化物型燃料電池システム（１）は、推定手段（７０）を用いることにより、気化手段（３０）において水が気化される気化タイミングを推定し、推定された水の気化タイミングに基づいて、燃料供給手段（５０）の燃料供給圧力を例えば、気化タイミングに合わせて燃料供給圧力を上げるように制御すれば、常時必要十分な燃料ガスで運転できるため、燃料ガス等を無駄にすることなく、効率のよい固体酸化物型燃料電池システム（１）とすることができる。

また、燃料ガスの脈動による出力変化を抑制することができるので、固体酸化物型燃料電池システム（１）の出力が安定する。さらに、常時必要十分な燃料ガスが供給されるので、発電中に燃料ガスの枯れを抑制でき、燃料ガス枯れによる改質触媒、燃料極及び空気極の劣化がなくなるので、固体酸化物型燃料電池システム（１）の耐久性が向上する。

ところで、気化手段（３０）では、改質手段（２０）における改質作用に必要な量（余剰分を含めて）の水蒸気を事前に発生させればよいので、常に（連続的に）水を気化させる必要はない。したがって、水供給手段（６０）は、本発明のように、気化手段（３０）に周期的に水を供給するように構成するとよい。

このようにすると、水供給手段（６０）で常に水を供給する必要がないので、水供給手段（６０）を例えば、ステッピングモータを用いたポンプにするなど、簡易な構成とすることができる。

また、気化手段（３０）に周期的に水が供給されるので、水が周期的に気化されることになる。したがって、推定手段（７０）における水の気化タイミングの推定が容易になる。

ところで、推定手段（７０）によって水の気化タイミングを推定する方法は種々考えられるが、燃料ガス及び水蒸気を含む混合気体の圧力に基づいて推定するとよい。つまり、本発明のように、供給燃料ガス及び水蒸気を含む混合気体の圧力を測定する圧力測定手段（８０）を備え、推定手段（７０）は、圧力測定手段（８０）を介して混合気体圧力を測定し、その混合気体圧力の変化から水蒸気圧力の変化を取得し、さらに水蒸気圧力の変化に基づいて気化手段（３０）における水の気化タイミングを推定するのである。

このようにすると、圧力測定手段（８０）から取得される供給燃料ガス及び水蒸気を含む混合気体の圧力に基づいて気化手段（３０）における気化タイミングを推定できる。つまり、水蒸気圧力が変化すれば、供給燃料ガス及び水蒸気を含む混合気体の圧力も変化する。例えば、水蒸気圧力が上昇すれば、混合気体の圧力も上昇し、水蒸気圧力が下降すれば、混合気体の圧力も下降する、したがって、混合気体の圧力に基づいて、気化手段（３０）における気化タイミングを正確に推定できるのである。

また、改質手段（２０）に燃料供給手段（５０）から燃料ガスが供給されている場合、一般的に、燃料ガスの上流圧が変化すれば燃料ガス流量も変化する。例えば、上流圧が急激に上昇すれば、燃料ガス流量は一時的に減少する。したがって、本発明のように、燃料供給手段（５０）で供給する燃料ガスの流量を測定する流量測定手段（８２）を備え、推定手段（７０）は、流量測定手段（８２）から燃料ガスの流量を取得し、取得した燃料ガス流量の変化に基づいて気化手段（３０）における水の気化タイミングを推定するようにしても、気化手段（３０）における水の気化タイミングを推定することができる。

さらに、前述のように、気化手段（３０）における水の気化に伴い、燃料ガスの上流圧が上昇するとともに供給される燃料ガスが一時的に減少する。そうすると、燃料供給手段（５０）は、減少した燃料ガス流量を補うように燃料ガス流量を増加させようとするので、燃料供給手段（５０）における消費エネルギが変化する。

したがって、本発明のように、燃料供給手段（５０）で燃料ガスを供給するときのエネルギ消費量を測定する消費エネルギ測定手段（５４）を備え、推定手段（７０）は、消費エネルギ測定手段（５４）からエネルギ消費量を取得し、取得したエネルギ消費量の変化に基づいて気化手段（３０）における水の気化タイミングを推定するようにしても、気化タイミングを推定することができる。

ところで、制御手段（７０）においては、推定手段（７０）により推定した気化タイミングに基づいて燃料供給手段（５０）で供給される燃料ガス圧力を制御しているが、一般的に、供給する燃料ガスの流量が変化すると燃料ガス圧力も変化する。

したがって、本発明のように、燃料供給手段（５０）の燃料ガス流量を制御することにより、燃料供給手段（５０）の燃料ガス圧力を制御するができる。

さらに、気化タイミングの推定手段（７０）においては、前述した推定方法、つまり、供給燃料ガス及び水蒸気を含む混合気体の圧力変化に基づく推定方法、燃料ガス流量変化基づく推定方法及び燃料供給手段（５０）のエネルギ消費量の変化に基づく推定方法を組み合わせて気化タイミングを推定するようにしてもよい。

固体酸化物型燃料電池システム１の概略の構成を示すブロック図である。 推定制御処理の流れを示すフローチャートである。 推定制御処理の流れを示すフローチャートである。 固体酸化物型燃料電池システム１における燃料ライン５２の圧力、流量及び燃料ポンプ５０の消費電力を示す図である。 固体酸化物型燃料電池システム２の概略の構成を示すブロック図である。

以下、本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。

［第１実施形態］
図１は、本発明が適用された固体酸化物型燃料電池システム１の概略の構成を示すブロック図である。固体酸化物型燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池スタック１０、改質器２０、気化装置３０、断熱容器４０、燃料ポンプ５０、水ポンプ６０、圧力センサ８０及び制御装置７０を備えている。

燃料電池スタック１０は、燃料ガス（詳しくは燃料ガス中の水素）と酸化剤ガス（詳しくは空気中の酸素）との供給を受けて発電を行う装置であり、固体電解質に燃料極及び空気極が形成された燃料電池セルが複数個接続されて形成されている。

固体電解質は、酸素イオンを移動させることにより電力を取り出すためのものであり、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリア添加セリア）、ＧＤＣ（ガドリニウム添加セリア）、ペロブスカイト酸化物など公知の各種酸素イオン伝導性の材料を使用できる。

また、空気極としては、ペロブスカイト酸化物、各種貴金属、貴金属とセラミックとのサーメットなどを使用でき、また、燃料極としては、各種貴金属、Ｎｉ等の卑金属、これらの金属とセラミックとのサーメットなどを使用できる。

なお、固体電解質は、燃料電池の作動時に燃料極に導入される燃料ガス（可燃ガス）又は空気極に導入される酸化剤ガス（支燃ガス）のうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。

また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、燃料電池セルにおける負電極として機能する。空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、燃料電池セルにおける正電極として機能する。

改質器２０は、燃料ガスを水蒸気により改質するものであり、例えば都市ガス等の燃料ガスを、例えばニッケル、白金等の触媒を利用して改質して、酸素と反応する水素ガスを生成する装置である。

気化装置３０は、改質器２０における水蒸気改質に使用する水を水蒸気に気化するものであり、気化装置３０の前段には、水ライン６２を介して、水（純水）を供給する水ポンプ６０が設けられている。

水ポンプ６０は、ステッピングモータとステッピングモータの回転軸に取り付けられた円盤状のロータを備えている。ロータには、切欠きが設けられており、その切欠きから水が水ライン６２に供給される（一度に１箇所の切欠きから供給される）ようになっている。

したがって、ステッピングモータを回転させることにより、周期的に（一定の時間間隔で）水が水ライン６２を介して気化装置３０に供給される。

断熱容器４０は、燃料電池スタック１０、改質器２０及び気化装置３０を収納する断熱機能を有する断熱容器である。

燃料ポンプ５０は、改質器２０に燃料ライン５２を介して燃料ガスを供給するためのポンプであり、圧力センサ８０は、燃料ライン５２における燃料ガスの供給圧力（燃料ポンプ５０の燃料ガス供給圧力に等しい）を測定するためのセンサである。

ここで、圧力センサ８０は燃料ライン５２に設けられているが、改質器２０を介して気化装置３０が燃料ポンプ５０とも連通しているため、気化装置３０で気化した水蒸気も燃料ライン５２に出入りする。したがって、燃料ライン５２の圧力とは、燃料ガス圧力と水蒸気圧力の合計（混合ガスの圧力）となる。

つまり、システム内連通する空間は均等の圧力（混合ガス）となるので、圧力センサ８０は、混合ガスの圧力変化を測定することとなる。一方、燃料ガスの圧力変化は水蒸気圧力変化に比べ、極めて小さいため、混合ガスの圧力変化は水蒸気の圧力変化として使用できるのである。

燃料流量センサ８２は、燃料ポンプ５０で供給する燃料ガスの流量を測定し、燃料ガスの流量をフィードバック制御するためのセンサであり、電磁流量計や超音波流量計などの電気式流量センサやタービンフローメータなどの機械式流量センサを用いることができる。

制御装置７０は、図示しない、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、第１カウンタ、第２カウンタ及びＩ／Ｏを備えており、圧力センサ８０から燃料ガス圧力を連続的に取得し、取得した燃料ガス圧力の変化に基づいて、気化装置３０における水の気化タイミングを推定する。そして、推定した水の気化タイミングに基づいて、燃料ポンプ５０の燃料ガス流量を制御することにより、燃料ポンプ５０の燃料ガス供給圧力を制御する。

制御装置７０で実行される水の気化タイミングの推定と、推定された気化タイミングに基づいた燃料ガス供給圧力の制御処理とを併せて「推定制御処理」と呼び、以下でその詳細を説明する。

（推定制御処理）
次に、制御装置７０で実行される推定制御処理について図２及び図３に基づき説明する。図２及び図３は、推定制御処理の流れを示すフローチャートである。

推定制御処理では、まずＳ１００において初期設定が行われる。初期設定では、ＲＡＭの「圧力値」、「前回圧力」、「気化間隔」、「前回気化間隔」、「タイマ（１）」、「タイマ（２）」が０に設定され、圧力変化があったか否かを示すフラグである「圧力変化フラグ」がオフにセットされる。

ここで、「圧力フラグがオン」とは、ＲＡＭ内の圧力フラグが「１」にセットされている場合を意味し、「圧力フラグがオフ」とは、ＲＡＭ内の圧力フラグが「０」にセットされている状態を意味している。

続くＳ１０５において、燃料ポンプ５０で供給する燃料ガスの必要流量が計算され、続くＳ１１０では、圧力センサ８０から燃料ガス圧力が取得され、取得された燃料ガス圧力が「圧力値」としてＲＡＭに記憶される。

続くＳ１１５では、圧力値が変化したか否かが判定される。つまり、Ｓ１１０においてＲＡＭに記憶された圧力値から、前回の処理ループ（Ｓ１０５〜Ｓ１９５までを繰り返す処理）でＲＡＭに記憶された前回圧力が減算され、減算された値が閾値より大きいか否かが判定される。

そして、減算された値が閾値よりも大きいと判定された場合（Ｓ１１５：Ｙｅｓ）、つまり、圧力値が変化したと判定された場合、処理がＳ１２０へ移行され、減算された値が閾値以下と判定された場合（Ｓ１１５：Ｎｏ）、つまり、圧力値が変化していないと判定された場合、処理がＳ１６５（図３参照）へ移行される。

Ｓ１２０では、圧力変化フラグがオンになっているか否か、つまり、以前の処理ループにおいて圧力変化があったか否かが判定され、圧力変化フラグがオンになっていると判定された場合（Ｓ１２０：Ｙｅｓ）、つまり、以前の処理ループにおいて圧力変化があったと判定された場合、すなわち２度目以降の圧力変動があった場合、処理がＳ１２５へ移行され、圧力変化フラグがオンになっていないと判定された場合（Ｓ１２０：Ｎｏ）、つまり、以前の処理ループにおいて圧力変化がなかったと判定された場合、処理がＳ１４５へ移行される。

Ｓ１２５では、「気化間隔」がタイマ（１）の値に置き換えられ、続くＳ１３０において、タイマ（１）及びタイマ（２）の値が０にセットされる。

続くＳ１３５では、気化間隔と前回の処理ループでタイマ（１）の値に置き換えられた前回間隔との差の絶対値が閾値より大きいか否か、つまり、圧力変化の間隔が所定の間隔（閾値）で発生したか否かが判定される。そして、差の絶対値が閾値より大きいと判定された場合（Ｓ１３５：Ｙｅｓ）、つまり、圧力変化の間隔が所定の間隔で発生していないと判定された場合、処理がＳ１４０へ移行され、圧力変化フラグがオフされた後（すなわち周期が変わった場合）、処理がＳ１６５へ移行される。一方、差の閾値が閾値以下と判定された場合（Ｓ１３５：Ｎｏ）、つまり、圧力変化の間隔が所定の間隔で発生していると判定された場合、処理がＳ１６５（図３参照）へ移行される。

また、Ｓ１４５では、圧力変化フラグがオンされ、続くＳ１５０において、タイマ（１）及びタイマ（２）のカウントアップが開始される。そして、続くＳ１５５において、燃料流量センサ８２から、燃料ポンプ５０で供給している燃料ガス流量（実流量値）が取得される。

続くＳ１６０では、指示流量からＳ１５５において取得した実流量値が減算された値が補正値とされた後、処理がＳ１６５（図３参照）へ移行される。

Ｓ１６５では、タイマ（２）からＳ１２５において設定された気化間隔が減算された値が燃料ポンプ５０の応答遅れ時間よりも大きいか否かが判定される。そして、応答時間より大きいと判定された場合（Ｓ１６５：Ｙｅｓ）、処理がＳ１７０へ移行され、応答時間以下と判定された場合（Ｓ１６５：Ｎｏ）、処理がＳ１８０へ移行される。

Ｓ１７０では、タイマ（２）が０に設定され、続くＳ１７５において必要流量に補正値が加算されて指示流量とされる。ここで、補正値とは、燃料ポンプ５０の応答遅れ時間を補うために必要となる予め設定された流量値である。

一方、Ｓ１８０では、必要流量がそのまま指示流量とされた後、処理がＳ１８５へ移行される。

Ｓ１８５では、圧力センサ８０から燃料ライン５２における燃料ガスの供給圧力が取得され、続くＳ１９０で、その供給圧力の値が前回圧力とされ、続くＳ１９５では、Ｓ１２５において設定された気化間隔が前回間隔とされた後、処理がＳ１０５へ戻され、推定制御処理が繰り返される。

（固体酸化物型燃料電池システム１の特徴）
次に、以上のような固体酸化物型燃料電池システム１の特徴について図４に基づき説明する。図４は、固体酸化物型燃料電池システム１における燃料ライン５２における（水蒸気の）圧力、燃料ガスの流量及び燃料ポンプ５０の消費電力の時間経過による変化を示す図である。図４において、実線が燃料ライン５２における（水蒸気の）圧力を示し、破線が燃料ポンプ５０の消費電力を示し、一点鎖線が燃料ライン５２における燃料ガスの流量を示している。

固体酸化物型燃料電池システム１では、水ポンプ６０にステッピングモータにより等間隔の切欠きのあるロータを回転させ水を気化装置３０に供給しているので、気化装置３０において水が周期的に気化する。

気化装置３０において水が周期的に気化すると、気化装置３０内の圧力が上昇するため、改質器２０における圧力も周期的に変化する。改質器２０の圧力が周期的に変化すると、図４中に実線で示すように改質器２０に燃料ガスを供給する燃料ライン５２における（水蒸気の）圧力も周期的に変化し、周期的に圧力のピークが発生する。周期的に圧力のピークが発生すると、図４中に一点鎖線で示すように、燃料ガス流量が応答遅れを持って変化（低下）する。

このとき、圧力センサ８０で燃料ライン５２における（水蒸気の）圧力を連続的に測定し、圧力のピークから次の圧力のピークが発生するタイミングを推定し、推定した気化タイミングに合わせて燃料ポンプ５０から供給する燃料ガスの流量を増加させている（図４中の燃料ポンプ５０の消費電力が上昇している。）。

燃料ガス流量を増加させると、燃料ライン５２内の燃料ガス圧力は上昇する。つまり、推定した気化タイミングで燃料ライン５２内の圧力変化（燃料ガス流量の低下）を抑制することができる。したがって、常時必要十分な燃料ガスで運転できるため、燃料ガス等を無駄にすることなく、効率のよい固体酸化物型燃料電池システム１とすることができる。

また、燃料ガスの脈動による出力変化を抑制することができるので、固体酸化物型燃料電池システム１の出力が安定する。さらに、常時必要十分な燃料ガスが供給されるので、発電中に燃料ガスの枯れを抑制でき、燃料ガス枯れによる改質触媒、燃料極及び空気極の劣化がなくなるので、固体酸化物型燃料電池システム１の耐久性が向上する。

さらに、燃料ポンプ５０は、９０度毎に切欠きのあるロータを回転させて水を供給するようにしているが、このようにすることで、水ポンプ６０で常に水を供給する必要がない。したがって、水ポンプ６０を、ステッピングモータを用いたポンプにするなど、簡易な構成とすることができる。

また、気化装置３０に所定の間隔で水が供給されるので、水が周期的に気化されることになる。したがって、制御装置７０における水の気化タイミングの推定が容易になる。

このように、燃料ライン５２に設置した圧力センサ８０から燃料ガス圧力を連続的に取得し、取得した燃料ガス圧力のピークが発生するタイミングに基づいて気化装置３０における水の気化タイミングを推定している。

ここで、燃料ライン５２には、供給される燃料ガス及び水蒸気を含む混合ガスが存在するが、水蒸気圧力が変化すれば、供給燃料ガス及び水蒸気を含む混合気体の圧力も変化する。例えば、水蒸気圧力が上昇すれば、混合気体の圧力も上昇し、水蒸気圧力が下降すれば、混合気体の圧力も下降する、したがって、混合気体の圧力に基づいて、気化手段（３０）における気化タイミングを正確に推定できるのである。

［第２実施形態］
次に、燃料ガス圧力の変化に基づいて水の気化タイミングを推定する第１実施形態の代わりに燃料ガス流量変化に基づいて気化タイミングを推定する第２実施形態について説明する。

つまり、第１実施形態では、燃料ライン５２に設置した圧力センサ８０から取得した燃料ガス圧力の変化に基づいて、気化装置３０における水の気化タイミングを推定したが、第２実施形態では、燃料ライン５２に設置した燃料ガスの供給量をフィードバック制御するために設置した燃料流量センサ８２から取得した燃料ガス流量の変化に基づいて、気化装置３０における水の気化タイミングを推定するのである。

具体的には、図２のＳ１１０において、圧力センサ８０から燃料ガス圧力が取得される代わりに、燃料流量センサ８２から燃料ガス流量が取得される。そして、燃料ポンプ５０の圧力対流量特性から燃料ガス流量が燃料ガス圧力に変換され「圧力値」としてＲＡＭに記憶される。

以下、Ｓ１１５からＳ１８０においては、第１実施形態と同じように処理が行われ、Ｓ１８５において、Ｓ１１５と同様に圧力センサ８０から燃料ガス圧力が取得される代わりに、燃料流量センサ８２から燃料ガス流量が取得される。そして、燃料ポンプ５０の圧力対流量特性から燃料ガス流量が燃料ガス圧力に変換される。その後、Ｓ１９０及びＳ１９５では、第１実施形態と同じ処理が実行される。

一般的に、燃料ガスの供給圧が変化すれば燃料ガス流量も変化するので、このような第２実施形態における固体酸化物型燃料電池システム１では、圧力の代わりに燃料ガス流量の変化に基づき気化装置３０における水の気化タイミングを推定することができる。

［第３実施形態］
次に、燃料ガス圧力の変化に基づいて水の気化タイミングを推定する第１実施形態の代わりに燃料ポンプ５０の消費電力の変化に基づいて気化タイミングを推定する固体酸化物型燃料電池システム２について説明する。

つまり、第１実施形態では、燃料ライン５２に設置した圧力センサ８０から取得した燃料ガス圧力の変化に基づいて、気化装置３０における水の気化タイミングを推定したが、第３実施形態では、図６に示すように、燃料ポンプ５０に電流計５４を設置し、電流計５４から取得した燃料ポンプ５０の消費電力の変化に基づいて、気化装置３０における水の気化タイミングを推定するのである。

具体的には、図２のＳ１１０において、圧力センサ８０から燃料ガス圧力が取得される代わりに、電流計５４から燃料ポンプ５０の消費電力が取得される。そして、燃料ポンプ５０の圧力対消費電力特性から消費電力が燃料ガス圧力に変換され「圧力値」としてＲＡＭに記憶される。

以下、Ｓ１１５からＳ１８０においては、第１実施形態と同じように処理が行われ、Ｓ１８５において、Ｓ１１５と同様に圧力センサ８０から燃料ガス圧力が取得される代わりに、電流計５４から燃料ポンプ５０の消費電力が取得される。そして、燃料ポンプ５０の圧力対消費電力特性から消費電力が燃料ガス圧力に変換される。その後、Ｓ１９０及びＳ１９５では、第１実施形態と同じ処理が実行される。

気化装置３０における水の気化に伴い、燃料ライン５２における圧力が上昇するとともに供給される燃料ガスが一時的に減少する。そうすると、燃料ポンプ５０は、減少した燃料ガス流量を補うように燃料ガス流量を増加させようとするので、燃料ポンプ５０における消費エネルギが変化する。

したがって、このような第３実施形態における固体酸化物型燃料電池システム２では、燃料ガス圧力の代わりに燃料ポンプ５０の消費電力の変化に基づき気化装置３０における水の気化タイミングを推定することができる。
［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。

（１）上記第１実施形態では、水蒸気圧力変化に基づき気化装置３０における水の気化タイミングを推定し、第２実施形態では、燃料ガスの流量変化に基づき気化タイミングを推定していたが、それらを組み合わせて気化タイミングを推定するようにしてもよい。圧力変化と流量変化から気化タイミングを推定することで、より正確な圧力変動周期を推定することが出来、制御の精度が上がる。

（２）また、燃料ガスの流量変化と燃料ポンプ５０消費電力変化の組合せに基づき気化タイミングを推定するようにてもよい。流量変化と消費電力変化から気化タイミングを推定することで、より正確な圧力変動周期を推定することが出来、制御の精度が上がる。

（３）さらに、水蒸気圧力変化、燃料ガスの流量変化又は燃料ポンプの消費電力の変化のうち何れか２つ又はすべてを組み合わせて気化タイミングを推定するようにしてもよい。上記（１）（２）同様に気化の推定タイミングの誤差が減られるため制御のタイミングの推定精度が向上する。

（４）また、第３実施形態では、燃料ポンプ５０の消費電力を電流計５４で測定していたが、電力計で測定してもよい。

（５）気化装置３０において水蒸気を生成する際、固体酸化物型燃料電池から発生する廃熱を利用して水を気化することで生成してもよい。

１，２…固体酸化物型燃料電池システム、１０…燃料電池スタック、２０…改質器、３０…気化装置、４０…断熱容器、５０…燃料ポンプ、５２…燃料ライン、５４…電流計、６０…水ポンプ、６２…水ライン、７０…制御装置、８０…圧力センサ、８２…燃料流量センサ。

Claims (3)

1. 電解質層を隔てて燃料極及び空気極がそれぞれ形成された燃料電池セルが複数個接続されて成る燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに供給される前に、燃料ガスを水蒸気により改質する改質手段と、
   水を気化させ、前記改質手段で使用される水蒸気を形成する気化手段と、
   改質される燃料ガスを前記改質手段に供給する燃料供給手段と、
   前記気化手段に水を周期的に供給する水供給手段と、
   前記水供給手段で供給される水が前記気化手段において気化される気化タイミングを推定する推定手段と、
   前記推定手段で推定した水の気化タイミングに基づいて、前記燃料供給手段から前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスの供給圧力を制御する制御手段と、
   前記燃料供給手段で供給する燃料ガスの流量を測定する流量測定手段と、
   を備え、
   前記推定手段は、
   前記流量測定手段から燃料ガスの流量を取得し、該取得した燃料ガス流量の変化に基づいて前記気化手段における水の気化タイミングを推定することを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。
2. 電解質層を隔てて燃料極及び空気極がそれぞれ形成された燃料電池セルが複数個接続されて成る燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに供給される前に、燃料ガスを水蒸気により改質する改質手段と、
   水を気化させ、前記改質手段で使用される水蒸気を形成する気化手段と、
   改質される燃料ガスを前記改質手段に供給する燃料供給手段と、
   前記気化手段に水を周期的に供給する水供給手段と、
   前記水供給手段で供給される水が前記気化手段において気化される気化タイミングを推定する推定手段と、
   前記推定手段で推定した水の気化タイミングに基づいて、前記燃料供給手段から前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスの供給圧力を制御する制御手段と、
   前記燃料供給手段で燃料ガスを供給するときのエネルギ消費量を測定する消費エネルギ測定手段と、
   を備え、
   前記推定手段は、
   前記消費エネルギ測定手段からエネルギ消費量を取得し、該取得したエネルギ消費量の変化に基づいて前記気化手段における水の気化タイミングを推定することを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、
   前記燃料供給手段の燃料ガス流量を制御することにより、前記燃料供給手段で供給する燃料ガス圧力を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池システム。