JP2005166271A - 移動体用改質型燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池への負荷増加時に素早く応答する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水素リッチな改質ガスを改質する改質システム２と、改質ガス中の水素と、酸素によって発電する燃料電池１を備える。また、燃料電池１の出力応答遅れの出力を補う二次電池６と、燃料電池１と二次電池６からの出力で車両を駆動させるモータ５を備える。また、改質ガス中の可燃ガスを燃焼する燃焼器４と、燃焼器４で生じた熱によってガソリンと水を加熱する蒸発器３を備える。そして、アクセルによって検出された要求負荷が増えた場合に、二次電池６から出力を補い、燃料電池１で使用される水素量を減少させ、その分の可燃ガスを燃焼器４によって燃焼させ、増加したガソリンと水を加熱する。
【選択図】 図１

Description

本発明は改質型燃料電池システムに関するものである。

近年、電源の一つとして燃料電池が着目されている。燃料電池とは、燃料として最終的に供給される水素やメタノールなどの酸化により発電を行う装置をいい、高効率で発電できる特長がある。また、水素を燃料とする燃料電池から排出されるのは水蒸気であり、有害な成分が含まれないため環境性に非常に優れるという利点もある。

また、メタノールやガソリンなどの炭化水素系燃料から水素を生成し、前記燃料電池に供給する改質器を備える改質型燃料電池システムの研究も盛んに行われている。このような従来の燃料電池システムとしては、例えば、特開２００２−１２４２８７に示すものがある。

この改質器の内部には改質反応用の触媒が充填されている。例えばメタノールのＡＴＲ（オートサーマルリフォーミング）反応では、次の二つの反応で表される。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋３Ｈ_２ (１)
ＣＨ_３ＯＨ＋1／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２ (２)
（１） 式は吸熱反応であり、（２）式が発熱反応である。

改質触媒にはこの反応を起こすための最適温度が存在し、メタノールにおいては４００℃付近、ガソリンにおいては７００℃付近である。

また、２００℃以下で作動する燃料電池においては、電極の白金などの触媒が一酸化炭素（ＣＯ）により被毒されるため、その燃料電池に供給する水素ガス中のＣＯ濃度は１％以下にする必要がある。また、特に１００℃以下で作動する固体高分子型燃料電池に供給する水素含有ガス中のＣＯ濃度は少なくとも数十ｐｐｍ以下、好ましくは数ｐｐｍ以下にする必要がある。このため、メタノールやガソリンなどの炭化水素系燃料から水素を生成する改質器を備える改質型燃料電池システムにおいては、一般的に改質器と燃料電池の間に改質器で生成された改質ガス中のＣＯ濃度を低減するためのＣＯ除去触媒を備えたＣＯ除去部が設けられる。

ＣＯ除去部の反応としては以下のシフト反応（３）と選択酸化触媒反応（ＰＲＯＸ反応）（４）が用いられている。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ (３)
２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２ (４)

それぞれの除去部にはシフト反応触媒、ＰＲＯＸ反応触媒が存在し、最適触媒温度はそれぞれ、約２５０℃〜４００℃、約２００℃である。

液体炭化水素と水は蒸発器によって気化されて改質システムに供給される。この際に蒸発に必要な気化熱として、燃料電池からの排ガスを触媒燃焼器において燃焼させることで得られる燃焼熱を用いる。また、改質器で燃料と水、空気の化学反応によって得た水素は燃料電池にて電気エネルギーに変換される。そこで得た電気エネルギーはモーターなどの電気負荷装置にて使用される。この際に移動体の要求負荷と燃料電池で発生する電気エネルギーのアンマッチを補うためにバッテリーやキャパシタなどの電気貯蔵装置を設ける。

蒸発器においてガソリンと水を蒸発させ、さらに任意温度（ガソリンの場合はガソリン蒸気を３００℃程度まで加熱して改質器に供給する。）まで蒸発させるための熱は、燃料電池からのオフガス中の水素が持つ熱量で補うため、蒸発器に供給する燃料および水流量を急激に増やすと燃料および水を気化できない、または、燃料蒸気および水蒸気温度が所定の温度より大幅に低いということになり、燃料改質器内部触媒の温度が急激に下がる。この場合、改質器で生成される改質ガス中の水素、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素などのガス成分濃度は、改質器内部温度に依存するので、それらが変動することになる。

そこで改質器負荷応答は通常の場合、要求負荷が起こった時点から、燃料流量および水流量を漸増させる。燃料流量および水流量を増やすと、蒸発器に供給される熱量はそれ以前の出力で熱バランスを保つようになっているので、燃料蒸気および水蒸気温度が所定よりも低い値となる。そこで、発熱反応であるガソリンの酸化反応を促進するために改質器に供給する燃料に対する酸素の割合（Ｏ２／Ｃ）を上げる。しばらくして、燃料電池からのオフガス量が増大し、燃料および水の蒸発に用いる熱量が増えてくるとまた、燃料流量および水流量を漸増する。この操作を繰り返すことで乗員の負荷応答に応える。この際に改質器内部温度を一定に保つように緩やかな反応を起こすので、乗員の要求負荷に対して、改質システムの応答が遅れる、つまり、バッテリーにかかる負担が大きくなる。このため、乗員の要求負荷に応えるためには大きなバッテリー容量を必要とする問題があり、この問題を解決するため、燃焼器に補助燃料を供給することで蒸発器の応答遅れを防ぐものが特許文献１に記載されている。
特開２００２−３４３４０２号公報

しかし、上記の発明では、触媒燃焼させるには、補助燃料をあらかじめ気化させるか、または、燃料を直接気相燃焼させるための燃焼器を設ける必要があり、システムが複雑化する問題がある。また、直接燃料を気相燃焼させる場合には、システムから放出される未燃炭化水素や一酸化炭素などの有害排気成分が増加するといった問題点がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、簡単な構成で要求出力に素早く応じた燃料電池の出力を達成することを目的とする。

本発明では、炭化水素系の原料と水と酸素から水素リッチな改質ガスを生成する改質器を備えた改質システムと、改質システムから供給される改質ガス中の水素と、酸素によって発電を行う燃料電池を備える。また、燃料電池の出力の一部を蓄える蓄電手段と、燃料電池と蓄電手段からの電力によって作動する負荷手段を備える。更に燃料電池から排出された改質ガス中の可燃ガスを燃焼する燃焼手段と、燃焼手段で発生した熱により原料と水を加熱する加熱手段と、燃料電池に要求される出力を検知する出力検出手段と、出力検出手段によって検出された燃料電池の要求出力が増加した場合に、蓄電手段からの電力供給量を一時的に増加させ、燃料電池で消費される水素量を制限して、燃料電池から排出される排出可燃ガス量を増加させる水素使用制限手段と、を備える。

本発明によると、例えば燃料電池への要求負荷が増加した場合に、燃料電池で使用する水素量を制限することで燃料電池から排出された排出水素ガス中の水素などの可燃原料を燃焼手段で燃焼し、その燃焼熱によって原料と水を素早く加熱できる。

本発明の第１実施形態の構成を図１のブロック図を用いて説明する。

本発明のパワープラントシステムは、炭化水素系の原料と水と酸化剤から水素を生成する改質システム２と、改質システム２によって改質された水素リッチな改質ガスと空気中に含まれる酸素によって、発電を行う燃料電池１を備える。また、改質システム２に供給する原料と水を蒸発させる加熱手段である蒸発器３と、燃料電池１から排出される未燃水素を含んだ排出水素ガスを燃焼する燃焼手段である燃焼器４を備える。更に、燃料電池１で発電した電力によって動作し、例えば車両の駆動力源として機能するモータ５（負荷手段）と、燃料電池１と共にモータ５を作動させる電力を蓄える蓄電手段である二次電池６を備える。

蒸発器３は、水タンク７と燃料タンク８から供給された水とガソリンを、燃焼器４によって発生した高温の燃焼ガスによって加熱、気化し、改質システム２へ供給する。なお、本発明では炭化水素系の原料としてガソリンを使用する。

改質システム２は、蒸発器３によって気化したガソリンと水と、コンプレッサ９によって外部から供給される空気とから、一酸化炭素濃度が数ｐｐｍ以下の水素リッチな改質ガスを生成する。改質システム２には改質システム２の温度を検出する温度センサ１１を備える。また、改質システム２と燃料電池１との間には、改質ガス中の水素濃度を検出する水素濃度センサ１２を備える。改質システム２は、例えばＡＴＲ反応器、シフト反応器、選択酸化反応器などから構成される。

燃焼器４は、燃料電池１のアノードから排出された排出ガス中に含まれ、燃料電池１の発電に使用されなかった水素を燃焼し、高温の燃焼ガスを生成し、その燃焼ガスを蒸発器３へ供給する。ここで、燃焼器４は、例えば触媒を使用した触媒燃焼器である。

また、本発明のパワープラントシステムを制御するコントローラ２０を備える。

要求負荷（要求出力）が増加したときに、二次電池６からの電力供給を一時的に増やす一方で、コントローラ２０は、燃料電池１から取り出す電力を一時的に抑えて燃料電池１の排出水素ガス中の未燃水素量を一時的に増やし、蒸発器３を急速に暖めてから要求負荷が増加した分のガソリンと水を蒸発器３に供給することで蒸発器３において、ガソリンと水を素早く加熱する。これにより、改質システム２での改質ガスの生成量を応答よく増加可能とする。

次にコントローラ２０が行う制御動作について、図２のフローチャートを用いて説明する。

ここで、パワープラントシステムの起動後に燃料電池１に対する要求負荷がＰ_０であるとする。この要求負荷Ｐ_０では、パワープラントシステムのエネルギーバランスが平衡にあり、燃料電池１の図示しないアノードから排出された未燃の水素を含んだ排出水素ガスを、燃焼器４によって燃焼した時の燃焼器４による燃焼エネルギー（発熱量）は、蒸発器３で燃料と水を蒸発させるために必要なエネルギーに等しいものとする。また、この時の蒸発器３の温度はＴ_０である。なお、モータ５を駆動するための電力は、全て燃料電池１の発電によって賄われているものとする。

ステップＳ２０では、要求負荷が変化したかどうか判断する。要求負荷が変化している場合は、ステップＳ２１へ進み、要求負荷が変化していないときは、現在の状態を維持する。

ステップＳ２１では、要求負荷が増加したか、それとも減少したかを判断し、要求負荷が増加したときには、ステップＳ２２へ進み、減少したときにはステップＳ２３へ進む。

ステップＳ２２は要求負荷増加サブルーチンであり、ステップＳ２３は要求負荷減少サブルーチンである。

まず、要求負荷増加サブルーチンについて図３のフローチャートを用いて説明する。要求負荷増加サブルーチンは、ステップＳ３１で水素使用制限手段である要求負荷応答サブルーチンを行った後に、ステップＳ３２で蒸発器温度低下サブルーチンを行う。

ここでは、要求負荷応答サブルーチンについて、図４のフローチャートを用いて説明し、更に蒸発気温度低下サブルーチンについては、図５のフローチャートを用いて説明する。

まず要求負荷応答サブルーチンでは、ステップＳ４１において、要求負荷の変化を検出する。ここでは要求負荷がＰ_０からＰ_ｄｅｍに変化（Ｐ_０＜Ｐ_ｄｅｍ）したものとする。なお、要求負荷は出力検出手段である運転者のアクセルの踏み込み量によって検出する。

ステップＳ４２では、燃料電池１の出力をＰ_０よりも小さいＰ_１に設定し、二次電池６の出力をＰ_３に設定する。ここで、燃料電池１の出力Ｐ_１と二次電池６の出力Ｐ_３の決定方法について説明する。なお、Ｐ_１とＰ_３の合計エネルギー量は要求負荷が変化する前の要求負荷Ｐ_０となる。

要求負荷の増加により、改質システム２において改質に必要なガソリンの流量をＦ_ｄｅｍとし、要求負荷がＰ_０のときのガソリン流量をＦ_０とするとガソリンの発熱量と要求負荷変化の間には式（１）が成り立つ。ここで、ガソリン流量Ｆ_０は、燃料電池１で出力Ｐ_０を発電するために燃料電池１で消費される水素流量と、蒸発器３でガソリンと水を蒸発させ、かつ所定の温度まで加熱するために燃焼器４で消費される水素流量の合計流量を改質システム２において改質する流量である。また、Ｆ_ｄｅｍは同様に要求負荷増加によって、改質システム２において改質する流量である。
（Ｆ_ｄｅｍ−Ｆ_０）×Ｈ_Ｆ×η_ｒｅｆ×η_ＦＣ＝（Ｐ_ｄｅｍ−Ｐ_０） 式（１）
ここで、Ｈ_Ｆ：ガソリンの低発熱量、η_ｒｅｆ：改質システム２のエネルギー効率、η_ＦＣ：燃料電池３のエネルギー効率とする。

要求負荷変化に応じてガソリンを蒸発させ、かつ所定温度まで上昇させるために必要な熱量ΔＰ_ｇｖａｐは、次式で表す。ここで所定温度は、蒸発させたガソリンを改質システム２に供給しても、改質システム２の温度を下げ過ぎないガソリンの温度である。この温度は実験などによって予め設定されている。
ΔＰ_ｇｖａｐ＝（Ｆ_ｄｅｍ−Ｆ_０）×Ｈ_ｇｖａｐ 式（２）
ここで、Ｈ_ｇｖａｐは次式で表される定数である。
Ｈ_ｇｖａｐ＝ΔＴ_ｇｌｉｑ×Ｃｐ_ｇｌｉｑ＋Δｈ_ｇｖａｐ＋ΔＴ_ｇｇａｓ×Ｃ_{ｐｇｇａｓ} 式（３）
ここで、ΔＴ_ｇｌｉｑ：ガソリンの沸点と室温の温度差、Ｃｐ_ｇｌｉｑ：ガソリン（液体）の比熱、Δｈ_ｇｖａｐ：ガソリンの蒸発熱、ΔＴ_ｇｇａｓ：ガソリンの沸点と所定温度の温度差、Ｃｐ_ｇｇａｓ：ガソリン（気体）の比熱とする。

また、水についてもガソリンと同様に増加し、水を蒸発、かつ所定温度まで上昇させるために必要な熱量ΔＰ_ｗｖａｐは、次式で表す。ここで所定温度はガソリンと同様に定義され、実験などによって予め設定されている。
ΔＰ_ｗｖａｐ＝Ｓ×（Ｆ_ｄｅｍ−Ｆ_０）×Ｈ_ｗｖａｐ 式（４）
ここで、Ｈ_ｗｖａｐは次式で表される定数である。
Ｈ_ｗｖａｐ＝ΔＴ_ｗｌｉｑ×Ｃｐ_ｗｌｉｑ＋Δｈ_ｗｖａｐ＋ΔＴ_ｗｇａｓ×Ｃｐ_ｗｇａｓ 式（５）
ここで、ΔＴ_ｗｌｉｑ：水の沸点と室温の温度差、Ｃｐ_ｗｌｉｑ：水（液体）の比熱、Δｈ_ｗｖａｐ：水の蒸発熱、ΔＴ_ｗｇａｓ：水の沸点と所定温度の温度差、Ｃｐ_ｗｇａｓ：水（気体）の比熱とする。また、Ｓは改質システム２で改質ガスを生成する際にガソリンに対して改質に必要な水の流量比であり、ここでは２０とする。

要求負荷Ｐ_０では、パワープラントシステムのエネルギーバランスが平衡にあり、燃料電池１から排出された未燃の水素を含んだ排出水素ガスを、燃焼器４によって燃焼した時の燃焼器４による燃焼エネルギー（発熱量）は、蒸発器３で燃料と水を蒸発させるために必要なエネルギーに等しい。そのため燃料電池１の出力をＰ１と低下させ、その分の水素を燃焼器４で蒸発器３を加熱するために使用すると、二次電池６は減少した燃料電池１の出力を補わなければならない。そして、燃料電池１の低下した分の出力、すなわち二次電池６が必要とされる出力Ｐ_３は、要求負荷増加によって増えるガソリンと水を蒸発器３で蒸発させ、かつ所定温度まで加熱するために必要な熱量であるので、Ｐ_３は次式のように表すことができる。
Ｐ_３＝（ΔＰ_ｇｖａｐ＋ΔＰ_ｗｖａｐ）×η_ＦＣ 式（６）

ここで、式（１）、式（２）、式（４）、式（６）から二次電池６がモータ５へ供給するエネルギーＰ_３は次式で表すことができる。
Ｐ_３＝（Ｐ_ｄｅｍ−Ｐ_０）×（Ｈ_ｇｖａｐ＋Ｓ×Ｈ_ｗｖａｐ）／（Ｈ_Ｆ×η_ｒｅｆ） 式（７）
また、燃料電池１のこのときの出力Ｐ_１は次式で表すことができる。
Ｐ_１＝Ｐ_０−Ｐ_３ 式（８）

このようにステップＳ４２では、要求負荷が増加したときにガソリンと水の流量を増やす前に、蒸発器３を加熱する際に設定する燃料電池１の出力Ｐ_１と、二次電池６の出力Ｐ_３を算出する。なお、η_ｒｅｆ及び、η_ＦＣは改質システム２と燃料電池１の出力によって変化する値であり、予め改質システム２の出力とη_ｒｅｆ、及び燃料電池１とη_ＦＣの関係をマッピングしておき、燃料電池出力がＰ_０、Ｐ_１のときの各η_ｒｅｆ、η_ＦＣをマップから読み出す。

ステップＳ４３では、燃料電池１の出力をステップＳ４２で算出されたＰ_１と設定する。これによって燃料電池１へ供給される改質ガスの流量は増加しないが、燃料電池１の出力を減少させるので、燃料電池１のアノードから排出される排出水素ガス中の水素量は増加する。この排出水素は燃焼器４によって燃焼し、高温の燃焼ガスを蒸発器３へ供給する。ここで燃焼器４で燃焼する水素量が増えるので、蒸発器３でガソリンと水に与える熱量が多くなり、蒸発器３の温度は上昇する。

ステップＳ４４では、蒸発器３の温度を熱電対１１によって検出し、蒸発器３の温度上昇率Ｒを或る所定の温度上昇率Ｒ_ｄｅｍと比較する。そしてＲがＲ_ｄｅｍよりも大きくなった場合には、燃焼器４からの高温ガスで蒸発器３の温度が十分に上昇したと判断し、ステップＳ４５へ進む。ここで或る所定の温度上昇率Ｒ_ｄｅｍは例えば、１℃／秒と設定する。

ステップＳ４５では、蒸発器３へ供給するガソリンと水の流量をそれぞれＦ_ｄｅｍとＳ×Ｆ_ｄｅｍまで増加させる。燃料電池１で使用されなかった水素を燃焼器４で燃焼して発生した発熱量が、ガソリンの流量Ｆ_ｄｅｍと水の流量Ｓ×Ｆ_ｄｅｍを蒸発させ、かつ所定温度まで昇温させるように設定しているので、ガソリンと水の流量がそれぞれＦ_ｄｅｍとＳ×Ｆ_ｄｅｍとなると、蒸発器３の温度上昇は停止する。

ステップＳ４６では、燃料電池１のアノード入口に設けた水素濃度センサ１２によって水素濃度を検出し、水素濃度とガソリン流量もしくは水流量をかけることで、燃料電池１へ流入する水素量Ｑを算出する。そして改質システム２によって改質された改質ガス中の水素量Ｑが、下記式（９）で表される或る所定値Ｑ_ｄｅｍよりも大きくなったかを判断する。すなわち、要求負荷増加によって要求された改質ガスの流量が、改質システム２によって改質されたかどうかを判断する。そして、ＱがＱ_ｄｅｍよりも大きくなると要求負荷を満たす改質を行っていると判断して要求負荷サブルーチンを終了し、ステップＳ３２の蒸発器温度低下サブルーチンを開始する。Ｑ_ｄｅｍは要求負荷Ｐ_ｄｅｍに対応した水素量であり、次式で表すことができる。
Ｑ_ｄｅｍ＝（Ｐ_ｄｅｍ／η_ＦＣ＋Ｆ_ｄｅｍ×（Ｈ_ｇｖａｐ＋Ｓ×Ｈ_ｗｖａｐ））／Ｈ_Ｈ２ 式（９）
ここで、Ｈ_Ｈ２は水素の低発熱量である。なお、水素量Ｑは、予め燃料電池負荷電流と電圧とストイキ比（燃料電池１に供給される水素量／燃料電池１において消費される水素量）を３次元マッピングしておき、負荷電流と電圧から求められるストイキ比から供給水素量を演算してもよい。

次に蒸発器温度低下サブルーチンについて図５を用いて説明する。

ステップＳ５０では、燃料電池１の出力を要求負荷Ｐ_ｄｅｍよりも高いＰ_２に設定する。燃料電池１の出力を要求負荷Ｐ_ｄｅｍよりも高くすると燃焼器４へ供給される水素量が低下するので、燃焼器４で発生する高温ガスの温度が低下し、蒸発器３の温度も低下する。また、燃料電池１の出力を要求負荷Ｐ_ｄｅｍよりも高くするので、余剰の出力（発電量）Ｐ_４＝Ｐ_２−Ｐ_ｄｅｍを二次電池６に充電する。これにより、要求負荷増加サブルーチンにおいて消費した二次電池６の電力を補充し、更に、燃焼器４の温度を素早く下げることができる。

ステップＳ５１では、温度センサ１１によって蒸発器３の温度Ｔを検出し、Ｔと蒸発器３の初期温度Ｔ_０を比較する。そしてＴがＴ_０となるとステップＳ５２へ進み、燃料電池１の出力を要求負荷Ｐ_ｄｅｍに設定し、二次電池６の充電を停止する。

以上が、ステップＳ２２の要求負荷増加サブルーチンであり、これらの制御を行うことによって、燃料電池１への負荷が増加したときに、素早く要求負荷に応じた出力を供給することができる。また、改質にガソリンと水を使用すると、上記式（４）のＳをＳ＝２０と仮定するとＰ_３の値はＰ_ｄｅｍと比較すると約１／４となり、二次電池６の容量を小さくすることができる。

次に、要求負荷増加サブルーチンを図６（ａ）から（ｅ）のタイムチャートを用いて説明する。

ｔ０において、燃料電池１は負荷変化の無い運転を行っている。この時の要求負荷はＰ_０、ガソリンと水の流量はそれぞれＦ_０、Ｓ×Ｆ_０である。また、燃料電池１の出力はＰ_０、二次電池６の出力は０である。更に蒸発器３の温度はＴ_０である。

ｔ１において、燃料電池１への要求出力がＰ_ｄｅｍに変化すると、ガソリンと水の流量は変化させずに、燃料電池１の出力をＰ_１に下げる。そして、Ｐ_０からＰ_１へ減少した燃料電池１の出力分を二次電池６からの出力Ｐ_３によって補う。これによって、燃料電池１のアノードから排出される排出ガス中の未燃の水素量が増え、この増加した水素を燃焼器４によって燃焼するので、蒸発器３へ供給する熱量が増加し、蒸発器３の温度が上昇する。

ｔ２において、蒸発器３の温度が高くなり、所定温度（ステップＳ４４）となると、ガソリンと水の流量を要求負荷に応じたＦ_ｄｅｍとＳ×Ｆ_ｄｅｍに設定する。

増加したガソリンと水が蒸発器３によって加熱され、その後改質システム２によって改質され、改質ガスが燃料電池１に供給されるので、ガソリンと水の流量を増加しても燃料電池１の出力が高くなるまでには時間がかかる。ｔ３において、改質システム２において、改質システム２が要求負荷に応じた改質ガスを改質し、その改質ガスによって燃料電池１の出力がＰ_２となる。また、燃料電池１で余剰に発電された電力Ｐ_４を二次電池６に充電する。燃料電池１は要求負荷Ｐ_ｄｅｍよりも高い出力Ｐ_２で発電を行うので、燃焼器４へ供給される水素量が減少し、それに伴って、蒸発器３の温度が下がり始める。ｔ１からｔ３の時間の要求負荷に対する応答遅れが存在するが、本発明によって、この応答時間を短くすることができる。

ｔ４において、蒸発器３の温度がＴ_０となると燃料電池１の出力を要求負荷Ｐ_ｄｅｍに設定し、二次電池６の充電を終了する。

次にステップＳ２３の要求負荷低下サブルーチンについて図７を用いて説明する。

要求負荷増加サブルーチンでは、ステップＳ７０において、要求負荷がＰ_０からＰ_ｄｅｍ’に変化（Ｐ_０＞Ｐ_ｄｅｍ’）する。ここで、要求負荷は運転者のアクセルの踏み込み量によって検出する。

ステップＳ７１では、要求負荷Ｐ_ｄｅｍ’に応じてガソリンと水の流量をそれぞれＦ_ｄｅｍ’、Ｓ×Ｆ_ｄｅｍ’と設定する。

ステップＳ７２では、ステップＳ７１で設定されたガソリンと水を蒸発器３において蒸発させ、かつ所定温度まで上昇させるために必要な熱量を算出し、燃料電池１の出力を調整する。なお、ガソリンと水を蒸発器３において蒸発させ、かつ所定温度まで上昇させるために必要な熱量は、それぞれ上記式（２）、（４）から次式で表される。
Ｐ_ｇｖａｐ’＝Ｆ_ｄｅｍ’×Ｈ_ｇｖａｐ 式（１０）
Ｐ_ｗｖａｐ’＝Ｓ×Ｆ_ｄｅｍ’×Ｈ_ｗｖａｐ 式（１１）
また、燃料電池１の出力Ｐ_２’は、次式で表せる。
Ｐ_２’＝（Ｑ_Ｈ２×Ｈ_Ｈ２−（Ｐ_ｇｖａｐ’＋Ｐ_ｗｖａｐ’））×η_ＦＣ 式（１２）
ここで、Ｑ_Ｈ２は燃料電池１へ供給される改質ガス中の水素量であり、水素濃度センサ１２によって水素濃度を検出し、また、図示しない流量計によって改質ガスの流量を検出し、これらより算出される。そして燃料電池１の出力をＰ_２’と設定する。燃料電池１の余剰の電力Ｐ_３’＝Ｐ_２’−Ｐ_ｄｅｍ’は二次電池６に充電される。これによって、蒸発器３で要求負荷に応じて必要なガソリンと水を蒸発させる熱量を燃焼器４によって発生させることができる。

ステップＳ７３では、燃料電池１の出力Ｐ_２’と要求出力Ｐ_ｄｅｍ’を比較し、Ｐ_２’とＰ_ｄｅｍ’が等しければ、要求負荷低下サブルーチンを終了する。

次に、要求負荷低下サブルーチンを図８（ａ）から（ｅ）のタイムチャートを用いて説明する。

ｔ０において、燃料電池１は負荷変化の無い運転を行っているものとする。この時の要求負荷はＰ_０’、ガソリンと水の流量はそれぞれＦ_０’、Ｓ×Ｆ_０’である。また、燃料電池１の出力はＰ_０’、二次電池６の出力は０である。更に蒸発器３の温度はＴ_０’である。

ｔ１において、要求負荷がＰ_ｄｅｍ’に変化すると、それに伴ってガソリンと水の流量をそれぞれＦ_ｄｅｍ’、Ｓ×Ｆ_ｄｅｍ’と設定する。また、燃料電池１の出力をＰ_２’と設定し、発電された余剰の電力Ｐ_３’＝Ｐ_２’−Ｐ_ｄｅｍ’を二次電池６によって充電する。

ｔ２において、燃料電池１の出力Ｐ_２’が要求負荷Ｐ_ｄｅｍ’となり、二次電池６に充電される電力は０となる。

以上によって、要求負荷低下サブルーチンでは、要求負荷に応じて蒸発器３へ供給するガソリンと水の流量を素早く調整し、燃料電池１のアノードから排出される排出水素量を調整し、燃焼器４での発熱量をガソリンと水の流量に応じた発熱量とすることで、燃料電池１が素早く応答することができる。

また、要求負荷低下サブルーチンでは、要求負荷増加サブルーチンと同様に、燃焼器３での発熱量を要求負荷のガソリンと水を蒸発させる熱量とした後に、流量を要求負荷の流量としても良い。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

ここで、本発明を用いない場合の制御方法について説明する。図９のフローチャートを用いて簡単に説明する。

ステップＳ９０では、要求負荷Ｐ_ｄｅｍを感知する。ステップＳ９１では、現在のガソリンと水の流量からΔＱ_ｆ、ΔＱ_ｗ増加させる。このとき不足する出力は、二次電池６で補うものとする。

ステップＳ９２では、増加したガソリンと水によって、改質システム２内部の温度Ｔ_ｒｅｆが下がり、所定の温度よりも低くなる。

ステップＳ９３では、ステップＳ９２で温度の下がった改質システム２の温度を上げるために、改質システム２へ供給している酸素量を増やし、改質システム２で発熱反応を促進させ、改質システム２の温度を上昇させる。

ステップＳ９４では、改質システム２の温度がＴ_ｒｅｆ０まで上昇すると、ステップＳ９５へ進む。

ステップＳ９５では、燃料電池１の出力Ｐ_ＦＣを検出し、その出力が要求出力Ｐ_ｄｅｍまで達していないときにはステップＳ９１へ戻り、燃料電池１が要求出力Ｐ_ｄｅｍとなるまで、上記制御を繰り返す。

また、この場合のタイムチャートを図１０（ａ）から（ｄ）を用いて簡単に説明する。

ｔ０において、要求負荷Ｐ_０であるとする。そして、ｔ１において、要求負荷がＰ_ｄｅｍになる。そして、ガソリンと水の流量をΔＱ_ｆ、ΔＱ_ｗ増加させる。このとき、不足する負荷は二次電池６で補う。ｔ２において、増加したガソリンと水を改質し、改質ガスによって、燃料電池１の出力が、徐々に上昇する。また、燃料電池１の出力上昇に伴って、二次電池６の出力が低下する。ｔ３において、要求負荷Ｐ_ｄｅｍに応じたガソリンと水の流量に達し、ｔ４において、要求負荷Ｐ_ｄｅｍに応じた改質ガスを燃料電池１へ供給し、燃料電池１の出力Ｐ_ＦＣが、要求出力Ｐ_ｄｅｍとなる。従って、ｔ１からｔ４までが、応答遅れ時間である。

本発明では、燃料電池１への要求負荷が増加した場合に、燃料電池１の出力を低くし、燃料電池１から排出される排出水素ガス中の水素量を多くし、その水素を燃焼器４で燃焼させる。そして、蒸発器３を加熱した後に要求負荷に応じたガソリンと水の流量を流し、蒸発させ改質システム２に供給する構成としたので、燃料電池システムの出力応答をシステムを複雑化することなく早めることができる。

また、燃料電池１の出力を下げたときの出力を二次電池６で補充し、改質システム２が要求負荷に応じた改質ガスを改質するようになった後に、燃料電池１の出力を要求負荷よりも高くし、排出水素ガス中の水素量を減少する。これによって、燃焼器４の温度を素早く下げることができ、このときの燃料電池１の余分な出力を二次電池６に充電することができるので、二次電池６の容量を少なくすることができ、燃料電池システムを小型にすることができる。

燃焼器４へ供給する水素量が、燃料電池１での水素利用を制限することで行うために、新たな制御装置を用いる必要がなく、簡単な構成で燃焼器４への水素量を調整することができる。

次に本発明の第２実形態について図１１のブロック図を用いて説明する。

第２実施形態については図１と異なる部分を中心に説明する。この実施形態では改質システム２にガソリンと水と空気によって水素リッチな改質ガスを生成するＡＴＲ反応器２１と、ＡＴＲ反応器２１で生成された改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する水成一酸化炭素低減装置であるシフト反応器２２と、シフト反応器２２で一酸化炭素濃度を低減した改質ガス中の一酸化炭素濃度を更に低減する選択酸化反応器２３を備える。また、コンプレッサ９からＡＴＲ反応器２１へ供給する空気量を制御する空気流量制御手段である流量制御弁１３と、選択酸化反応器２３へ供給する空気量を制御する流量制御弁１４を備える。

ＡＴＲ反応器２１は、燃料タンク８と水タンク７から供給され、蒸発器３によって蒸発、加熱されたガソリンと水と、コンプレッサ９から流量制御弁１３によって流量を制御された空気によって水素リッチな改質ガスを生成する。ＡＴＲ反応器２１はＡＴＲ反応器２１内の温度を検出する温度センサ１６を備える。

シフト反応器２２は、ＡＴＲ反応器２１で生成された改質ガス中の一酸化炭素を水タンク７から蒸発器３を介し、蒸発器３によって蒸発された水蒸気で約１％程度まで低減する。なお、水蒸気の流量は流量制御弁１５によって制御される。

選択酸化反応器２３は、シフト反応器２２で低減した改質ガス中の一酸化炭素を、コンプレッサ９から流量制御弁１４によって流量を制御された空気（酸素）によって数十ｐｐｍ以下に低減する。

その他の構成については第１実施形態と同じである。これらの構成とすることで、要求負荷の増加時に素早く出力応答することができる。

次にコントローラ２０が行う要求負荷（要求出力）の増加時の制御動作について図１２のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１２０では、燃料電池１に要求される要求負荷を検出する。要求負荷は運転者のアクセルの踏み込み量によって検出する。なお、以下の制御において、要求負荷に対する燃料電池１の出力応答の遅れ分は、二次電池６で補うものとする。

ステップＳ１２１では、要求負荷を満たすために必要なガソリンと水の流量を現在の蒸発器３において、蒸発できるかどうか判断する。ガソリンと水の全流量を蒸発可能であれば、ステップＳ１２３へ進み、全流量を蒸発不可能であれば、ステップＳ１２２の増加負荷大サブルーチンへ進む。つまり、現在の燃焼器４の発熱量から、要求負荷を満たすために必要なガソリンと水の流量を蒸発できるどうか判断する（ステップＳ１２１が蒸発判断手段である）。

ステップＳ１２１で要求負荷を満たすガソリンと水の全流量を蒸発できないと判断すると、ステップＳ１２２へ進む。ここでは、ステップＳ１２２の増加負荷大サブルーチンについて図１３のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１３０では、要求負荷増加前の燃料電池１のアノードから排出されている排出水素ガス中の水素を燃焼器４によって燃焼した高温ガスを用いて、蒸発器３で蒸発可能なガソリンと水の流量を算出する。これは図示しない温度センサによって燃焼器４の温度を検出し、予め実験などによって求められたマップなどから燃焼器４の温度と蒸発器３で蒸発可能なガソリンと水の流量を算出する。

ステップＳ１３１では、ステップＳ１３０で算出された燃焼器４で発生する高温ガスの発熱量で蒸発させることのできるガソリンと水の流量を蒸発器３へ供給し、蒸発させ、その後ＡＴＲ反応器２１へ供給する。すなわち、要求負荷を満たすために必要なガソリンと水流量よりも少ないガソリンと水の流量を蒸発器３で蒸発させ、ＡＴＲ反応器２１へ供給する。

ステップＳ１３１でＡＴＲ反応器２１へ供給されたガソリンと水は、定常運転状態の温度である所定温度Ｔ_ｇ、Ｔ_ｗよりも低いので、ＡＴＲ反応器２１の温度は低下する。ステップＳ１３２では、ＡＴＲ反応器２１の温度Ｔ_ＡＴＲを温度センサ１６によって検出し、Ｔ_ＡＴＲを閾温度Ｔ_ＡＴＲ１と比較する。そしてＴ_ＡＴＲがＴ_ＡＴＲ１よりも低い場合は、ステップＳ１３３の急速負荷応答サブルーチンへ進み、高い場合はステップＳ１３４の通常負荷応答サブルーチンへ進む。ここで所定温度Ｔ_ｇは、蒸発させたガソリンをＡＴＲ反応器２１に供給しても、ＡＴＲ反応器２１の温度を下げないガソリンの温度である。この温度は実験などによって予め設定されている。Ｔ_ｗも同様に、ＡＴＲ反応器２１の温度を下げない水の温度である。ここで要求負荷の増加が小さい場合には、後述する通常負荷応答サブルーチンで応答した方が応答は早く、要求負荷の増加が大きい場合には、後述する急速負荷応答サブルーチンで応答した方が応答は早くなる。つまり、通常負荷応答サブルーチンと急速負荷応答サブルーチンを切り換える温度がＴ_ＡＴＲ１である。なお、閾温度Ｔ_ＡＴＲ１は実験などによって求められ、約５００℃から約７００℃の間で決まる温度（例えば６００℃）である。

その後、ステップＳ１２０へ戻り、上記ステップを繰り返す。すなわち、増加負荷大サブルーチン（ステップＳ１３０〜ステップＳ１３４）は、要求負荷増加に対して段階的にガソリンと水の流量を増加させ、要求負荷増加に応えていくサブルーチンである。

ここで、ステップＳ１３３の急速負荷応答サブルーチンについて図１４のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１４０では、ステップＳ１３２で検出したＡＴＲ反応器２１の温度Ｔ_ＡＴＲと閾値Ｔ_ＡＴＲ２を比較する。そしてＴ_ＡＴＲがＴ_ＡＴＲ２ではない場合（高い場合）はステップＳ１４１へ進み、Ｔ_ＡＴＲがＴ_ＡＴＲ２となった場合はステップＳ１４２へ進む。ここでＴ_ＡＴＲ２はＴ_ＡＴＲ１よりも低い温度であり、例えば４００℃と設定する。

ステップＳ１４１では、流量制御弁１３によってコンプレッサ９からＡＴＲ反応器２１へ供給される空気流量を減少して、ＡＴＲ反応器２１の発熱反応を低下し、ＡＴＲ反応器２１の温度を低下させ、Ｔ_ＡＴＲ２となるようにする。ここで、空気流量を制御する代わりに、ＡＴＲ反応器２１へ供給する水の流量を増加して、ＡＴＲ反応器２１の温度を低下させてもよい。

ＡＴＲ反応においては、反応温度が７００℃より低いと、改質ガス中のガス成分濃度が変化する。温度が低い場合は、水素濃度、一酸化炭素濃度が低下し、メタン濃度が高くなる。ステップＳ１４０とステップＳ１４１ではＡＴＲ反応器２１の温度Ｔ_ＡＴＲを低下させることで、ＡＴＲ反応器２１で生成する改質ガスの成分を変化させる。ステップＳ１４０で設定したＴ_ＡＴＲ２（４００℃）は、特に一酸化炭素濃度が約１％程度となる温度である。ここで、ＡＴＲ反応器２１で生成される改質ガス中の一酸化炭素濃度をＡＴＲ反応器２１の温度によって推定したが、この代わりにＡＴＲ反応器２１の下流に一酸化炭素濃度センサを設け、一酸化炭素濃度センサによって一酸化炭素濃度を検出してもよい（ステップＳ１４０、Ｓ１４１が水素濃度制御手段を構成する）。

ステップＳ１４０、Ｓ１４１でＡＴＲ反応器２１によって改質された改質ガス中の一酸化炭素濃度が約１％となっているので、シフト反応器２２でのシフト反応は必要ではなく、その下流の選択酸化反応器２３で改質ガス中の一酸化炭素を更に低減する。ステップＳ１４２では、そのためにシフト反応器２２へ供給している水蒸気の流量を制御する流量制御弁１５を全閉とし、シフト反応器２２でのシフト反応による一酸化炭素低減反応を停止する。これにより、蒸発器３でシフト反応器２２へ供給する水を蒸発させるために必要な熱量をＡＴＲ反応器２１へ供給するガソリンと水を加熱するために使用することができる。

また、ＡＴＲ反応器２１の温度を調整することで、改質ガス中の水素濃度が低下し、メタン濃度が上昇するが、燃料電池１でメタンは消費されずに燃料電池１から排出され、燃焼器４によって燃焼する。これによって、燃焼器４で発生する発熱量が多くなり、蒸発器３でＡＴＲ反応器２１へ供給するガソリンと水を加熱し、ガソリンと水の温度を素早く上昇させることができる。

ステップＳ１４３では図示しない温度センサによって蒸発器３下流でのガソリン温度Ｔ_ｇｖａｐと水の温度Ｔ_ｗｖａｐを検出し、これらの温度Ｔ_ｇｖａｐ、Ｔ_ｗｖａｐを定常状態の所定温度Ｔ_ｇ、Ｔ_ｗと比較する。そして、Ｔ_ｇｖａｐ、Ｔ_ｗｖａｐの両温度がそれぞれＴ_ｇ、Ｔ_ｗを超えると、ガソリンと水が十分に加熱されたと判断し、ステップＳ１４４へ進む。

ステップＳ１４４では、流量制御弁１３を調整し、コンプレッサ９からＡＴＲ反応器２１へ供給する空気流量を増加させる。これによって、ＡＴＲ反応器２１の発熱反応が活性化され、ＡＴＲ反応器２１の温度が上昇する。

ステップＳ１４５では、ＡＴＲ反応器２１の温度Ｔ_ＡＴＲを温度センサ１６によって検出し、閾値Ｔ_ＡＴＲ２と比較する。そしてＴ_ＡＴＲがＴ_ＡＴＲ２よりも大きくなると、ステップＳ１４６へ進む。

ステップＳ１４６では、ＡＴＲ反応器２１の温度上昇に伴って、ＡＴＲ反応器２１から排出される改質ガス中の一酸化炭素濃度が高くなるので、流量制御弁１５を開いて、蒸発器３から水をシフト反応器２２に供給し、シフト反応を開始する。これによって、シフト反応器２２で改質ガス中の一酸化炭素濃度を約１％程度まで低減する。

ステップＳ１４７では、ＡＴＲ反応器２１の温度Ｔ_ＡＴＲを温度センサ１６によって検出し、ＡＴＲ反応器２１の定常状態での温度Ｔ_ＡＴＲ０と比較する。ここで、Ｔ_ＡＴＲ０は予め設定された温度であり、例えば７００℃である。そして、Ｔ_ＡＴＲがＴ_ＡＴＲ０となると、急速負荷応答サブルーチンを終了する。

以上の急速負荷応答サブルーチン（ステップＳ１４０〜ステップＳ１４７）では、蒸発器３から供給されたガソリンと水によってＡＴＲ反応器２１の温度の低下が大きいときには、一時的にＡＴＲ反応器２１の温度を下げることで、ＡＴＲ反応器２１の改質成分を変化させる。これによって燃料電池１での発電量を低下させ、燃焼器４での発熱量を上昇させ、燃焼器４で発生する高温ガスによって、蒸発器３でガソリンと水を素早く加熱することができ、供給されているガソリンと水を素早く加熱することができる。

次にステップＳ１３４の通常負荷応答サブルーチンについて図１５のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１５０では、流量制御弁１３を調整し、コンプレッサ９からＡＴＲ反応器２１へ供給する空気流量を増加させる。これによって、ＡＴＲ反応器２１の発熱反応を活性化させ、ＡＴＲ反応器２１の温度を上昇させる。

ステップＳ１５１では、ＡＴＲ反応器２１の温度Ｔ_ＡＴＲを温度センサ１６によって検出し、ＡＴＲ反応器２１の定常状態での所定温度Ｔ_ＡＴＲ０と比較する。そして、Ｔ_ＡＴＲがＴ_ＡＴＲ０となると、通常負荷応答サブルーチンを終了する。

以上の通常負荷応答サブルーチンによって蒸発器３から供給されたガソリンと水によってＡＴＲ反応器２１の温度の低下が小さいときには、流量制御弁１３によってＡＴＲ反応器２１へ供給する空気流量を増やすことによって、ＡＴＲ反応器２１の発熱反応を活性化し、ＡＴＲ反応器２１の温度を素早く上昇させる。

以上のステップＳ１３０〜Ｓ１３４、ステップＳ１４０〜Ｓ１４７、ステップＳ１５０、Ｓ１５１がステップＳ１２２の増加負荷大サブルーチンを説明するものである。

これによって、ＡＴＲ反応器２１温度によって、急速負荷応答サブルーチンと通常負荷応答サブルーチンに分けて応答することで、素早くガソリンと水、またはＡＴＲ反応器２１を加熱することができ、その後、ＡＴＲ反応器２１へ供給するガソリンと水の流量を増やすことができる。

ステップＳ１２１でガソリンと水を全て蒸発することが可能な場合は、ステップＳ１２３へ進む。ステップＳ１２３では、要求負荷を満たすガソリンと水の全流量を蒸発器３によって蒸発させ、ＡＴＲ反応器２１に供給した後に、ＡＴＲ反応器２１が定常状態になる温度を算出する。これは、ガソリンと水の流量と、ガソリンと水の温度と、ＡＴＲ反応器２１の温度の関係をマッピングしたものを予め実験などによって求め、記憶させておき、そのマップより温度Ｔ_ＡＴＲを読み出す。ここでは、要求負荷が増加するので、ガソリンと水の流量を増加させると、ＡＴＲ反応器２１の温度は下がり、予想される温度Ｔ_ＡＴＲが閾値Ｔ_ＡＴＲ１よりも高温かどうか判断する。Ｔ_ＡＴＲがＴ_ＡＴＲ１よりも高い場合は、要求負荷の増加量が多くないと判断し、ステップＳ１２４の増加負荷小サブルーチンへ進む。Ｔ_ＡＴＲがＴ_ＡＴＲ１よりも低い場合は、要求負荷の増加量が多いと判断し、ステップＳ１２５の増加負荷中サブルーチンへ進む。

次に、ステップＳ１２４の増加負荷小サブルーチンについて図１６のフローチャートを用いて説明する。

増加負荷小サブルーチンでは、ステップＳ１２１で蒸発器３によって要求負荷に応じたガソリンと水を蒸発可能と判断したので、ステップ１６０において、要求負荷に応じたガソリンと水を蒸発器３へ供給し、ガソリンと水を蒸発させる。

ステップＳ１６１では、ステップＳ１２３で予想したＡＴＲ反応器２１の温度低下が少ないので、通常負荷応答サブルーチンを行う。この通常負荷応答サブルーチンは図１５で説明したステップＳ１５０とステップＳ１５１と同じなので、ここでの説明は省略する。

また、ステップＳ１２５の増加負荷中サブルーチンについて図１７のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１２１で蒸発器３によって要求負荷に応じたガソリンと水を蒸発可能と判断したので、ステップ１７０において、要求負荷に応じたガソリンと水を蒸発器３へ供給し、ガソリンと水を蒸発させる。

ステップＳ１７１では、ステップＳ１２３で予想したＡＴＲ反応器２１の温度低下が大きいので、急速負荷応答サブルーチンを行う。この急速負荷応答サブルーチンは図１４で説明したステップＳ１４０〜Ｓ１４７と同じなので、ここでの説明は省略する。

なお、要求負荷が減少した場合については、第１実施形態で説明した制御と同じ制御を行う。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

燃料電池１への要求負荷が増加した場合に、ＡＴＲ反応器２１の温度に応じて急速負荷応答サブルーチンと通常負荷応答サブルーチンの２つの制御方法のうち、出力応答時間の短い制御を選択し、行うことで、燃料電池システムの出力応答を素早く行うことができる。

急速負荷応答サブルーチンでは、ＡＴＲ反応器２１の温度を下げることで、ＡＴＲ反応器２１で燃料電池１で消費されないメタンを生成し、このメタンを燃焼器４で燃焼させ、その発熱によって改質原料であるガソリンと水を加熱するので、モータ５などの電子負荷装置を制御せずに、簡単な構成で燃料電池システムの出力応答を素早く行うことができる。また、このとき、ＡＴＲ反応器２１で生成される改質ガス中の一酸化炭素濃度が十分に低くなるので、シフト反応器２２において一酸化炭素を低減する必要がない。このためシフト反応器２２で必要な水蒸気発生させるための熱量をＡＴＲ反応器２１に必要なガソリンと水を蒸発させるために使用することができ、ガソリンと水を素早く加熱することができ、燃料電池システムの出力応答を素早く行うことができる。

ＡＴＲ反応器２１の温度制御をＡＴＲ反応器２１へ供給される水または空気の流量で行うので、ＡＴＲ反応器２１の温度を正確に、素早く制御することができる。

本発明では、要求負荷の検出にアクセルの踏み込み量（アクセル開度）を用いたが、オートクルーズなどの自動運転モードにおいて本発明を用いる場合には、ナビゲーションシステムなどの経路予測手段を用いてもよい。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

本発明は、移動体に搭載された燃料電池システムに利用することができる。

本発明の第１実施形態の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態の基本フローチャートである。 本発明の第１実施形態の負荷増加サブルーチンを説明するフローチャートである。 本発明の第１実施形態の要求負荷応答サブルーチンを説明するフローチャートである。 本発明の第１実施形態の蒸発気温度低下サブルーチンを説明するフローチャートである。 本発明の第１実施形態の負荷増加のときのタイムチャートであり、（ａ）要求負荷のタイムチャートである。（ｂ）ガソリン、水のタイムチャートである。（ｃ）燃料電池出力のタイムチャートである。（ｄ）二次電池のタイムチャートである。（ｅ）蒸発器温度のタイムチャートである。 本発明の第１実施形態の要求負荷減少サブルーチンを説明するフローチャートである。 本発明の第１実施形態の負荷減少のときのタイムチャートであり、（ａ）要求負荷のタイムチャートである。（ｂ）ガソリン、水のタイムチャートである。（ｃ）燃料電池出力のタイムチャートである。（ｄ）二次電池のタイムチャートである。（ｅ）蒸発器温度のタイムチャートである。 本発明を用いない場合の負荷増加を説明するフローチャートである。 本発明を用いない場合の負荷増加を説明するタイムチャートであり、（ａ）要求負荷のタイムチャートである。（ｂ）ガソリン、水のタイムチャートである。（ｃ）燃料電池出力のタイムチャートである。（ｄ）二次電池のタイムチャートである。 本発明の第２実施形態の構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態の負荷増加のときの基本フローチャートである。 本発明の第２実施形態の負荷増加大サブルーチンを説明するフローチャートである。 本発明の第２実施形態の急速負荷応答サブルーチンを説明するフローチャートである。 本発明の第２実施形態の通常負荷応答サブルーチンを説明するフローチャートである。 本発明の第２実施形態の負荷増加小サブルーチンを説明するフローチャートである。 本発明の第２実施形態の負荷増加中サブルーチンを説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 改質システム
３ 蒸発器（加熱手段）
４ 燃焼器（燃焼手段）
５ モータ（負荷手段）
６ 二次電池（蓄電手段）
１１ 温度センサ
１２ 水素濃度センサ
１３ 流量制御弁
１４ 流量制御弁
１５ 流量制御弁
１６ 温度センサ
２０ コントローラ
２１ ＡＴＲ反応器
２２ シフト反応器（水成一酸化炭素除去装置）
２３ 選択酸化反応器

Claims (12)

1. 炭化水素系の原料と水と酸素から水素リッチな改質ガスを生成する改質器を備えた改質システムと、
   前記改質システムから供給される改質ガス中の水素と、酸素によって発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の出力の少なくとも一部を蓄える蓄電手段と、
   前記燃料電池と前記蓄電手段からの電力で作動する負荷手段と、
   前記燃料電池から排出された前記改質ガス中の可燃ガスを燃焼する燃焼手段と、
   前記炭化水素系の原料と前記水を前記燃焼手段で発生した熱により加熱する加熱手段と、
   前記燃料電池の要求出力を検知する出力検出手段と、
   前記出力検出手段によって検出された前記燃料電池の要求出力が増加した場合に、前記要求出力に応じて前記蓄電手段からの電力供給量を一時的に増加すると共に、前記燃料電池で消費される水素量を制限して、前記燃料電池から排出される排出可燃ガス量を増加させる水素使用制限手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水素使用制限手段は、前記要求出力の増加時に前記燃料電池で消費される前記改質ガス中の水素利用率を一時的に下げることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池での前記水素利用率の制限により増加する前記燃焼器での発熱量は、前記増加した要求出力に必要な前記原料と前記水を、前記改質器で前記改質ガスを生成するために必要な蒸気温度まで昇温する発熱量であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記水素使用制限手段は、前記改質器で発生する前記改質ガス中の水素濃度を制御する水素濃度制御手段を備え、前記要求出力の増加時には前記改質器で発生する水素濃度を一時的に下げることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記水素濃度制御手段は、前記改質器の温度を調整することによって、前記改質器で発生する水素濃度を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記改質器に供給する空気流量を制御する空気流量制御手段を備え、
   前記水素濃度制御手段は、前記原料の流量と前記空気流量の流量比を制御することで前記改質システムの温度を制御することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記改質システムは、前記改質器に加え、少なくとも前記加熱手段によって加熱された水との反応により前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する水成一酸化炭素低減装置を備え、
   前記改質器の運転状態に応じて、前記加熱手段を介して前記水成一酸化炭素低減装置に供給する前記水の供給を停止することを特徴とする請求項４から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
8. 前記改質器に温度センサを備え、
   前記改質器の運転状態は、前記温度センサによって判断され、
   前記改質器の温度が或る所定温度より低くなると、前記水成一酸化炭素低減装置への水供給を停止することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記改質器の下流かつ前記水成一酸化炭素低減装置上流に一酸化炭素濃センサを備え、
   前記改質器の運転状態は前記一酸化炭素濃度センサによって判断され、
   前記改質ガス中の一酸化炭素濃度が、或る所定濃度よりも高くなると前記水の供給を停止することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
10. 前記増加した要求出力に必要な前記原料と前記水を前記加熱手段によって蒸発可能かを判断する蒸発判断手段を備え、
    前記増加した要求出力に必要な前記原料と前記水を前記加熱手段によって蒸発可能な場合には、前記加熱手段で前記原料と前記水の全流量を前記改質システムに供給し、
    前記増加した要求出力に必要な前記原料と前記水を前記加熱手段によって蒸発不可能な場合には、前記加熱手段で蒸発可能な前記原料と前記水を蒸発させ、前記改質器へ前記原料と前記水を供給することを特徴とする請求項４から９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
11. 前記出力検出手段が、アクセルの開度であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
12. 前記出力検出手段が、経路予測手段であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の燃料電池システム。

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