JP2006066300A - 燃料電池システムの燃焼温度制御装置およびその設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 改質部内温度および改質部出ガス温度をフィードバックして燃焼用燃料の供給を制御することにより、改質部出ガス温度を改質触媒の触媒温度活性域に応答性よく、かつ高い安定性にて簡単に制御する燃料電池システムの燃焼温度制御装置およびその設計方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池システムの燃焼温度制御装置は、改質部内温度に対してＰＤ制御を施すことにより第１操作変化量を導出する第１制御器３１と、改質部出ガス目標温度と改質部出ガス温度との差に対してＰＩＤ制御を施すことにより第２操作変化量を導出する第２制御器３２と、第２操作変化量から第１操作変化量を減算して燃焼用燃料ポンプの操作量であるデューティ比を導出するデューティ比導出器３３を備えている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池システムの燃焼温度制御装置およびその設計方法に関する。

従来から、燃料電池システムは、検出した負荷電力（消費電力）に基づいて、予め用意した燃料供給指示値マップ（負荷電力とその電力を出力するのに必要な燃料供給指示値との相関関係を示すマップ）から改質用燃料の供給量を決定し、その供給量に応じた改質水、酸化用空気およびカソード用空気の供給量をそれぞれ決定し、それぞれを供給する供給手段（燃料ポンプ、水ポンプ、空気ポンプ）を制御することにより、先に決定した供給量を改質部、一酸化炭素低減部および燃料電池に供給して、燃料電池を所定の出力にて（検出した負荷電力に追従するように）発電するようになっている。改質部は、改質用燃料が供給されその供給された改質用燃料を内部に充填された改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスを生成しているが、水素を安定的に生成するためには改質部から導出される改質部出ガス温度を改質触媒の触媒温度活性域に維持する必要がある。このときの温度制御は、改質部内の温度を検出し、その検出結果をフィードバックして間接的に改質部出ガス温度を改質触媒の触媒温度活性域に維持している。

このような温度制御の一例として、特許文献１「燃料改質装置の温度制御」に示されているものが知られている。特許文献１に示されているように、燃料改質装置への要求負荷に応じて、改質部２２０内の複数の部位における目標温度ｔｒｉを設定する。また、これらの複数の部位における現状温度ｔｗｉを測定または推定によって取得する。そして、これらの複数部位における目標温度と現状温度との偏差Δｔｗｉに対して均等でない重みｆｉを適用して積和演算することによって、改質部２２０に供給される改質原料の少なくとも一部を構成する特定の原料の流量（部分酸化用空気の流量ｕａ、燃焼原料の流量など）を決定するようになっている。これにより、負荷変動（負荷電力の変動）があったときにも良好な改質ガス品質を達成することができる。

また、改質部から導出される改質ガスの温度（改質部出ガス温度）を検出し、その検出結果のみに基づいて改質部出ガス温度を制御するものも知られている（特許文献２参照）。特許文献２に示されている改質装置の温度制御方法は、改質ガスの増減要求に伴ってその増減傾向を動特性判定回路２５Ａで判定する工程と、改質ガスの目標温度に一定の幅を持たせて設定された目標温度域から実測温度が逸脱した時に実測温度の目標温度からの偏差量に基づいて原料ガスの供給量を改質ガス温度制御手段２３で補正する工程と、判定結果に基づいて原料ガスの増減要求時からの改質器１１内の温度変化の遅れ時間をむだ時間量演算回路２５Ｃで予測し、原料ガスの増減要求のあった時には遅れ時間だけ改質ガスの取出量を改質ガス制限手段２４を介して制限する工程とを有するものである。これにより、製品ガスの要求量の増加減時に、余裕を持って原料ガスの供給量を増減して過渡的な改質ガス温度の変動を抑制することができ、製品ガスの要求量の増減要求に対して柔軟に対応することができる。

さらに、改質部内の温度を検出したり改質部出ガス温度を検出したりして、それら検出結果に基づいて改質部出ガス温度を改質触媒の触媒温度活性域に維持するものではないが、特許文献３「改質器の制御装置」に示されているものが知られている。特許文献３に示されているように、燃焼部６で生じさせた熱によって改質燃料を加熱するとともにその改質燃料を改質反応によってガス化し、得られた改質ガスを他の形態のエネルギーに変換するエネルギー変換器（燃料電池１）に供給する改質器２の制御装置（電子制御装置３６）において、燃焼部６の温度を検出する燃焼部温度検出手段（温度センサ３２）と、検出された燃焼部６の温度に基づいて燃焼部６に供給する燃焼原料の量を減少するように補正する燃焼原料補正手段（Ｓ１３，Ｓ１４）とを備えている。これにより、燃焼部６の温度が所定値以上に高くなった場合、燃焼部６で燃焼する原料の量が少なくなるので、燃焼部６での発熱量が低下する。そのため、燃焼部６の異常な温度上昇やそれに伴う損傷が未然に防止される。
特開２００３−２２１２０５号公報（第３−１２頁、第１−１３図） 特開２００１−３５５１７号公報（第３−６頁、第１図） 特開２０００−１７８００１号公報（第２−１２頁、第１−１７図）

上述した特許文献１においては、改質部２２０内の温度（改質部内温度）を検出し、その検出結果をフィードバックして間接的に改質部出ガス温度を改質触媒の触媒温度活性域に維持しているが、改質部内温度の変化情報を使用して間接的に改質部出ガス温度を制御するので、改質装置の製品特性、負荷、劣化、外気温などを考慮して改質部内温度と改質部出ガス温度との相関を取り、改質部内温度が変化するごとに目標値を算出してその目標値となるように改質部出ガス温度を制御する必要があり、制御が複雑になり、かつそれに起因して制御結果が不安定となるおそれがあるという問題があった。

また、上述した特許文献２においては、改質部出ガス温度を検出し、その検出結果のみに基づいて改質部出ガス温度を制御しているが、燃料の供給量の変化に対して改質部出ガス温度の変化が遅れることを考慮していないため、制御応答性は必ずしもよくなかった。

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、改質部内温度および改質部出ガス温度をフィードバックして燃焼用燃料の供給を制御することにより、改質部出ガス温度を改質触媒の触媒温度活性域に応答性よく、かつ高い安定性にて簡単に制御する燃料電池システムの燃焼温度制御装置およびその設計方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、改質用燃料が供給されその供給された改質用燃料を内部に充填された改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスを生成して燃料電池に導出する改質部と、燃焼用燃料が燃焼用燃料供給手段によって供給され燃焼用酸化剤ガスによって燃焼されてその燃焼熱によって改質部を加熱する燃焼部と、を備えた燃料電池システムの燃焼温度制御装置において、改質部内の所定場所の温度を検出する改質部内温度検出手段と、改質部から導出される改質ガスの温度を検出する改質部出ガス温度検出手段と、両温度検出手段によってそれぞれ検出された改質部内温度および改質部出ガス温度をフィードバックして燃焼用燃料供給手段の操作量を導出する操作量導出手段と、この操作量導出手段によって導出された操作量となるように燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼用燃料供給手段制御手段とを備えたことである。

また、請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、操作量導出手段は、改質部出ガス目標温度と、改質部出ガス温度検出手段によって検出された改質部出ガス温度との差、および改質部内温度検出手段によって検出された改質部内温度に基づいて燃焼用燃料供給手段の操作量を導出することである。

また、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、操作量導出手段は、改質部内温度検出手段によって検出された改質部内温度に基づいて燃焼用燃料供給手段の第１の操作変化量を導出する第１操作変化量導出手段と、改質部出ガス温度検出手段によって検出された改質部出ガス温度に基づいて燃焼用燃料供給手段の第２の操作変化量を導出する第２操作変化量導出手段と、から構成され、第１および第２操作変化量導出手段によってそれぞれ導出された各操作変化量に基づいて燃焼用燃料供給手段の操作量を導出することである。

また、請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項３において、第１操作変化量導出手段は、改質部内温度に対してＰＤ制御を施すことにより第１操作変化量を導出することである。

また、請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項３において、第２操作変化量導出手段は、改質部出ガス目標温度と、改質部出ガス温度検出手段によって検出された改質部出ガス温度との差に対してＰＩＤ制御を施すことにより第２操作変化量を導出することである。

また、請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項３において、第２操作変化量導出手段は、改質部出ガス目標温度と、改質部出ガス温度検出手段によって検出された改質部出ガス温度との差に対してＩ制御を施し、改質部出ガス温度検出手段によって検出された改質部出ガス温度に対してＰＤ制御を施し、Ｉ制御を施した値からＰＤ制御を施した値を減算することにより、第２操作変化量を導出することである。

また、請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項２乃至請求項６の何れか一項において、改質部出ガス目標温度が変化したか否かを判定する判定手段をさらに備え、判定手段が改質部出ガス目標温度が変化したと判定した場合には、その判定時点に検出した改質部内温度を初期値とすることである。

また、請求項８に係る発明の構成上の特徴は、請求項７において、改質部内温度を所定のフィルタ処理を施して導出するフィルタ処理手段をさらに備え、判定手段が目標出ガス温度が変化したと判定した時点にフィルタ処理手段によってフィルタ処理した改質部内温度を初期値とすることである。

また、請求項９に係る発明の構成上の特徴は、改質用燃料が供給されその供給された改質用燃料を内部に充填された改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスを生成して燃料電池に導出する改質部と、燃焼用燃料が燃焼用燃料供給手段によって供給され燃焼用酸化剤ガスによって燃焼されてその燃焼熱によって改質部を加熱する燃焼部と、を備えた燃料電池システムの燃焼温度制御装置の設計方法において、燃焼用燃料供給手段の操作量、改質部内の所定場所の温度である改質部内温度、および改質部から導出される改質ガスの温度である改質部出ガス温度に基づいて、燃焼用燃料供給手段の操作量から改質部内温度および改質部出ガス温度までの各動特性を表す数式モデルを導出し、改質部出ガス温度の理想的な目標応答を表す規範モデルを作成し、改質部内温度にＰＤ制御を施すときに改質部出ガス温度の応答特性が規範モデルと一致するようにＰＤ制御の各パラメータを決定し、改質部出ガス温度にＰＩＤ制御を施すときに改質部出ガス温度の応答特性が規範モデルと一致するようにＰＩＤ制御の各パラメータを決定することである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、操作量導出手段が、改質部内温度検出手段および改質部出ガス温度検出手段によってそれぞれ検出された改質部内温度および改質部出ガス温度をフィードバックして燃焼用燃料供給手段の操作量を導出し、燃焼用燃料供給手段制御手段が、操作量導出手段によって導出された操作量となるように燃焼用燃料供給手段を制御する。これにより、燃焼部には、改質部内温度および改質部出ガス温度に基づいて導出された操作量となるように燃焼用燃料が供給されるので、改質部出ガス温度を改質触媒の触媒温度活性域に簡単に制御することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、操作量導出手段は、改質部出ガス目標温度と、改質部出ガス温度検出手段によって検出された改質部出ガス温度との差、および改質部内温度検出手段によって検出された改質部内温度に基づいて燃焼用燃料供給手段の操作量を導出するので、適切な操作量を導出することによりひいては適切な燃焼温度に制御することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１に係る発明において、第１操作変化量導出手段が、燃料の操作量の変化に対する改質部出ガス温度の変化の遅れを考慮して制御応答性を重視して重み付けされた第１操作変化量を導出し、第２操作変化量導出手段が、改質部出ガス目標温度に一致するように改質部出ガス温度を制御する制御一致性を重視して重み付けされた第２操作変化量を導出し、操作量導出手段が、第１および第２操作変化量導出手段によってそれぞれ導出された各操作変化量に基づいて燃焼用燃料供給手段の操作量を導出するので、制御応答性および制御一致性を加味した操作量を導出することによりひいては高応答性かつ高精度に燃焼温度を制御することができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項３に係る発明において、第１操作変化量導出手段は、改質部内温度に対してＰＤ制御を施すことにより第１操作変化量を導出するので、容易かつ確実に第１操作変化量を導出して容易かつ確実に燃焼温度を制御することができる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項３に係る発明において、第２操作変化量導出手段は、改質部出ガス目標温度と、改質部出ガス温度検出手段によって検出された改質部出ガス温度との差に対してＰＩＤ制御を施すことにより第２操作変化量を導出するので、容易かつ確実に第２操作変化量を導出して容易かつ確実に燃焼温度を制御することができる。

上記のように構成した請求項６に係る発明においては、請求項３に係る発明において、第２操作変化量導出手段は、改質部出ガス目標温度と、改質部出ガス温度検出手段によって検出された改質部出ガス温度との差に対してＩ制御を施し、改質部出ガス温度検出手段によって検出された改質部出ガス温度に対してＰＤ制御を施し、Ｉ制御を施した値からＰＤ制御を施した値を減算することにより第２操作変化量を導出するので、容易かつ確実に第２操作変化量を導出して容易かつ確実に燃焼温度を制御することができる。

上記のように構成した請求項７に係る発明においては、請求項２乃至請求項６の何れか一項に係る発明において、改質部出ガス目標温度が変化したか否かを判定する判定手段をさらに備え、判定手段が改質部出ガス目標温度が変化したと判定した場合には、その判定時点に検出した改質部内温度を初期値とするので、適切な初期値を設定して確実に燃焼用燃料供給手段の操作量を導出することにより、確実に燃焼温度を制御することができる。

上記のように構成した請求項８に係る発明においては、請求項７に係る発明において、改質部内温度を所定のフィルタ処理を施して導出するフィルタ処理手段をさらに備え、判定手段が目標出ガス温度が変化したと判定した時点にフィルタ処理手段によってフィルタ処理した改質部内温度を初期値とするので、検出された改質部内温度からノイズを排除して適切な初期値を設定して、確実に燃焼用燃料供給手段の操作量を導出することにより、確実に燃焼温度を制御することができる。

上記のように構成した請求項９に係る発明においては、燃焼用燃料供給手段の操作量、改質部内の所定場所の温度である改質部内温度、および改質部から導出される改質ガスの温度である改質部出ガス温度に基づいて、燃焼用燃料供給手段の操作量から改質部内温度および改質部出ガス温度までの各動特性を表す数式モデルを導出し、改質部出ガス温度の理想的な目標応答を表す規範モデルを作成し、改質部内温度にＰＤ制御を施すときに改質部出ガス温度の応答特性が規範モデルと一致するようにＰＤ制御の各パラメータを決定し、改質部出ガス温度にＰＩＤ制御を施すときに改質部出ガス温度の応答特性が規範モデルと一致するようにＰＩＤ制御の各パラメータを決定するので、燃焼温度を制御する制御ロジックを確実、容易かつ短時間に作成することができる。

以下、本発明による燃料電池システムの燃焼温度制御装置を適用した燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池１０と燃料電池１０に必要な水素を生成する水蒸気改質方式の改質装置２０を備えている。燃料電池１０は、燃料極１１と空気極１２を備えており、燃料極１１に供給された改質ガス中の水素および空気極１２に供給された空気（カソードエア）を用いて発電するものである。燃料電池１０には変換機（インバータ）８８が接続されており、変換機８８は燃料電池１０から出力された直流電流を交流電流に変換して負荷装置（家電製品など）に出力するようになっている。変換機８８は燃料電池１０から入力した直流電流値を測定する機能も有しており（燃料電池１０の出力電流を検出する出力電流検出手段である。）、測定信号を燃焼温度制御装置である燃焼温度制御装置３０に出力するようになっている。

改質装置２０は、燃料を改質する改質部２１と、改質部２１から導出された改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３と、ＣＯシフト部２３から導出された改質ガスに含まれる一酸化炭素をさらに除去する一酸化炭素選択酸化部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４から構成されている。燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。

改質部２１は、有底筒状に形成されて下方に開放するように配置され、かつ内部に改質触媒２１ａが充填された反応室２１ｂを備えている。改質部２１には燃焼部２２が設けられている。燃焼部２２は、反応室２１ｂに密接して設けられて反応室２１ｂを加熱する加熱室２２ａと、加熱室２２ａに高温の燃焼ガスを供給するバーナ２２ｂとから構成されている。

反応室２１ｂには燃料供給源Ｓf（例えば都市ガス管）に接続された燃料供給管４１が接続されており、燃料供給源Ｓｆから改質用燃料が供給されている。燃料供給管４１には、上流から順番に第１燃料バルブ４２、燃料ポンプ４３、改質用燃料流量計８５、脱硫器４４、第２燃料バルブ４５および熱交換部４６が設けられている。第１および第２燃料バルブ４２，４５は燃焼温度制御装置３０の指令によって燃料供給管４１を開閉するものである。燃料ポンプ４３は燃料供給源Ｓｆから供給される改質用燃料を吸い込み改質部２１の反応室２１ｂに吐出するものであり、燃焼温度制御装置３０の指令に応じて改質用燃料供給量を調整するものである。改質用燃料流量計８５は改質部２１に供給される改質用燃料の供給量を検出するものであり、その検出信号が燃焼温度制御装置３０に出力されるようになっている。脱硫器４４は改質用燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。熱交換部４６は改質部２１からＣＯシフト部２３へ供給される高温の改質ガスとの間で熱交換が行われて予熱された改質用燃料を改質部２１の反応室２１ｂに供給するものである。これにより、改質用燃料は硫黄分が除去され予熱されて反応室２１ｂに供給される。

また、燃料供給管４１の第２燃料バルブ４５と熱交換部４６との間には蒸発器５５に接続された水蒸気供給管５２が接続され、蒸発器５５から供給された水蒸気が改質用燃料に混合されて改質部２１の反応室２１ｂに供給されている。蒸発器５５には改質水供給源である水タンクＳｗに接続された給水管５１が接続されている。給水管５１には、上流から順番に水ポンプ５３および水バルブ５４が設けられている。水ポンプ５３は水タンクＳｗから供給される改質水を吸い込み蒸発器５５に吐出するものであり、燃焼温度制御装置３０の指令に応じて改質水供給量を調整するものである。水バルブ５４は燃焼温度制御装置３０の指令によって給水管５１を開閉するものである。給水管５１は加熱室２２ａの外周に巻きつけられており、給水管５１内の流水が加熱室２２ａの高熱によって予熱される。蒸発器５５には一端が加熱室２２ａに接続され他端が外部に開放されている排気管８１が貫設されており、蒸発器５５は供給される予熱された改質水を排気管８１を流れる加熱室２２ａから外部へ排出される燃焼ガス（排気ガス）によって加熱して水蒸気にし、反応室２１ｂに供給するものである。これにより、改質水は予熱されて蒸発器５５に供給され、水蒸気となって反応室２１ｂに供給される。なお、本実施の形態においては、給水管５１であって加熱室２２ａに巻きつけられた部分と蒸発器５５とから蒸発部５６が構成されている。また、蒸発器５５には内部温度を検出する温度センサ５５ａが設けられている。

反応室２１ｂは、後述するようにバーナ２２ｂの燃焼ガスによって加熱されており、反応室２１ｂ内に供給された改質用燃料と水蒸気は、下記化１に示すように、改質触媒２１ａ（例えば、Ｒｕ、Ｎｉ系の触媒）により反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に反応室２１ｂ内では、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素が、下記化２に示すように、水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は熱交換部４６を通って降温されてＣＯシフト部２３に導出される。なお、改質ガスには、改質部２１にて水素に転化されなかったメタンである未転化メタンも含まれている。

（化１）
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ−Ｑ１
（化２）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２＋Ｑ２
水蒸気改質反応は吸熱反応であり、上記化１から明らかなように右側に反応が進む際に熱量Ｑ１が吸熱され、逆に左側に反応が進む際に熱量Ｑ１が発熱される。また、一酸化炭素シフト反応は発熱反応であり、上記化２から明らかなように右側に反応が進む際に熱量Ｑ２が発熱され、逆に左側に反応が進む際に熱量Ｑ２が吸熱される。

なお、反応室２１ｂ内には改質部２１内の所定場所の温度を検出する改質部内温度検出手段である温度センサ（改質部内温度センサ）２１ａ１が設けられている。具体的には、所定場所は反応室２１ｂ内であって改質触媒２１ａが充填されている部位であればよく、例えば触媒内、または反応室２１ｂの内壁面の所定部位がある。反応室２１ｂ内の経路上であればどこでもよいが、できるだけ燃焼部２２のバーナ２２ｂの炎があたる部分の近くの部位すなわち燃焼ガスの出ガス温度による影響が最も大きい部位が好ましい。これにより、改質触媒２１ａが受け取る燃焼ガスからの熱量（熱エネルギー）をより直接的に測定することができ、その測定結果を利用して確実に燃焼温度を制御することができる。なお、温度センサ２１ａ１をバーナ２２ｂの炎があたる部分の近くの部位以外に設ける場合には、両部位の温度の相関関係に基づいて補正することが好ましい。

また、改質部２１（反応室２１ｂ）のガス導出口と熱交換部４６との間の管路２１ｃには改質部２１から導出される改質ガスの温度（改質部出ガス温度）を検出する改質部出ガス温度検出手段である温度センサ（改質部出ガス温度センサ）８６が設けられている。温度センサ８６の設置場所は、前述した温度センサ２１ａ１の設置場所である反応室２１ｂ内であって改質触媒２１ａが充填されている部位の導出端から熱交換部４６の熱交換が実質的に行われる実行部の導入端までの間であることが好ましい。温度センサ２１ａ１，８６の各検出信号は燃焼温度制御装置３０に出力されるようになっている。

ＣＯシフト部２３においては、供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素が、上記化２に示すように、ＣＯシフト部２３内に充填された触媒２３ａ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）により水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これにより、改質ガスは前述した一酸化炭素シフト反応によって一酸化炭素濃度が低減されて導出される。

ＣＯシフト部２３から導出された一酸化炭素濃度が低減された改質ガスは、ＣＯ選択酸化部２４に供給される。一方、ＣＯ選択酸化部２４には、空気供給源Ｓａに接続された酸化用空気供給管６１が接続されており、空気供給源Ｓａ（例えば大気）から酸化用空気が供給されている。酸化用空気供給管６１には、上流から順番にフィルタ６２、空気ポンプ６３および空気バルブ６４が設けられている。フィルタ６２は空気を濾過するものである。空気ポンプ６３は空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込みＣＯ選択酸化部２４に吐出するものであり、燃焼温度制御装置３０の指令に応じて空気供給量を調整するものである。空気バルブ６４は燃焼温度制御装置３０の指令によって酸化用空気供給管６１を開閉するものである。これにより、酸化用空気がＣＯ選択酸化部２４に供給される。

ＣＯ選択酸化部２４に供給された改質ガスに残留している一酸化炭素は、下記化３に示すように、ＣＯ選択酸化部２４に充填された触媒２４ａ（例えば、Ｒｕ系またはＰｔ系の触媒）により上述のように供給された空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出されて、燃料電池１０の燃料極１１に供給されるようになっている。なお、改質ガス中の水素も酸化されて水となる。また、ＣＯ選択酸化部２４内には触媒２４ａの温度を検出する温度センサ２４ａ１が設けられている。

（化３）
ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋Ｑ３
この反応は発熱反応であり、上記化３から明らかなように右側に反応が進む際に熱量Ｑ３が発熱され、逆に左側に反応が進む際に熱量Ｑ３が吸熱される。

燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管７１を介してＣＯ選択酸化部２４が接続されており、燃料極１１に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極１１の導出口にはオフガス供給管７２を介してバーナ２２ｂが接続されており、燃料電池１０から排出されるアノードオフガス（燃料極１１にて未使用な水素を含んだ改質ガス）をバーナ２２ｂに供給するようになっている。バイパス管７３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管７１およびオフガス供給管７２を直結するものである。改質ガス供給管７１にはバイパス管７３との分岐点と燃料電池１０との間に第１改質ガスバルブ７４が設けられている。オフガス供給管７２にはバイパス管７３との合流点と燃料電池１０との間にオフガスバルブ７５が設けられている。バイパス管７３には第２改質ガスバルブ７６が設けられている。第１および第２改質ガスバルブ７４，７６およびオフガスバルブ７５はそれぞれの管を開閉するものであり、燃焼温度制御装置３０により制御されている。

また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、空気ポンプ６３の上流にて酸化用空気供給管６１から分岐したカソード用空気供給管６７の先端が接続されており、空気極１２内に空気が供給されるようになっている。カソード用空気供給管６７には上流から順にカソード用空気ポンプ６８およびカソード用空気バルブ６９が設けられている。カソード用空気ポンプ６８は空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込み燃料電池の空気極１２に吐出するものであり、燃焼温度制御装置３０の指令に応じてカソード用空気供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ６９は燃焼温度制御装置３０の指令によってカソード用空気供給管６７を開閉するものである。さらに、燃料電池１０の空気極１２の導出口には、他端が外部に開放されている排気管８２の一端が接続されている。

また、バーナ２２ｂには、燃料ポンプ４３の上流にて燃料供給管４１から分岐した燃焼用燃料供給管４７が接続されており、燃焼用燃料が供給されるようになっている。燃焼用燃料供給管４７には上流から順番に燃焼用燃料ポンプ４８および燃焼用燃料流量計８７が設けられている。燃焼用燃料ポンプ４８は燃料供給源Ｓｆから供給される燃焼用燃料を吸い込みバーナ２２ｂに吐出するものであり、燃焼温度制御装置３０の指令に応じて燃焼用燃料供給量を調整するものである。燃焼用燃料流量計８７は燃焼部２２のバーナ２２ｂに供給される燃焼用燃料の供給量を検出するものであり、その検出信号が燃焼温度制御装置３０に出力されるようになっている。

さらにバーナ２２ｂには空気ポンプ６３の上流にて酸化用空気供給管６１から分岐した燃焼用空気供給管６５が接続されており、燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスを燃焼させるための燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気が供給されるようになっている。燃焼用空気供給管６５には燃焼用空気ポンプ６６が設けられており、燃焼用空気ポンプ６６は空気供給源Ｓａから供給される燃焼用空気を吸い込みバーナ２２ｂに吐出するものであり、燃焼温度制御装置３０の指令に応じて燃焼用空気供給量を調整するものである。バーナ２２ｂが燃焼温度制御装置３０の指令によって着火されると、バーナ２２ｂに供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスは燃焼されて高温の燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが加熱室２２ａに供給されて反応室２１ｂが加熱されることにより改質触媒２１ａが加熱される。加熱室２２ａを通過した燃焼ガスは排気管８１および蒸発器５５を通って排気ガスとして外部に排気される。

また、改質ガス供給管７１、オフガス供給管７２および排気管８２の途中には、それぞれ改質ガス用凝縮器７７、アノードオフガス用凝縮器７８およびカソードオフガス用凝縮器７９が設けられている。改質ガス用凝縮器７７は改質ガス供給管７１中を流れる燃料電池１０の燃料極１１に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器７８はオフガス供給管７２中を流れる燃料電池１０の燃料極１１から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器７９は排気管８２中を流れる燃料電池１０の空気極１２から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。なお、各凝縮器７７〜７９には、図示しない貯湯槽の低温液体またはラジエータおよび冷却ファンによって冷却された液体が供給される冷媒管が貫設されており、この液体との熱交換によって各ガス中の水蒸気を凝縮している。

これら凝縮器７７，７８，７９は配管８４を介して純水器９５に連通しており、各凝縮器７７，７８，７９にて凝縮された凝縮水は、純水器９５に導出され回収されるようになっている。純水器９５は、各凝縮器７７，７８，７９から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を水タンクＳｗに導出するものである。なお、純水器９５には水道水供給源（例えば水道管）から供給される補給水（水道水）を導入する配管が接続されており、純水器９５内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。

また、燃料電池システムは燃焼温度制御装置３０を備えており、この燃焼温度制御装置３０には、上述した各温度センサ２１ａ１，２４ａ１，５５ａ，８６、各流量計８５，８７、変換機８８、各ポンプ４３，４８，５３，６３，６６，６８、各バルブ４２，４５，５４，６４，６９，７４，７５，７６、およびバーナ２２ｂが接続されている（図２参照）。燃焼温度制御装置３０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、各温度センサ２１ａ１，２４ａ１，５５ａ，８６からの各温度、各流量計８５，８７からの各供給量、および変換機８８からの出力電流を入力して、各ポンプ４３，４８，５３，６３，６６，６８、各バルブ４２，４５，５４，６４，６９，７４，７５，７６、およびバーナ２２ｂを制御することにより、所望の出力電流（負荷装置で消費される電流・電力）となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気および改質水の各供給量を制御することにより燃焼温度を制御している。ＲＡＭは後述するプログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは同プログラムを記憶するものである。

図３に示すように、燃焼温度制御装置３０は、改質部出ガス温度目標値ｒｅｆ＿ｔｒｅｆ（ｋ）を入力して、燃焼用燃料ポンプ４８の供給量を規定するポンプを駆動するモータのオン・オフ比を示すデューティ比を導出するように構成されている。図３は燃焼温度制御システムの構造を示すブロック図である。この燃焼温度制御システムは第１および第２制御器３１，３２から構成されている。第１制御器３１は、改質部内温度センサ２１ａ１が検出した改質部内温度ｔｗａｌｌ（ｋ）を入力して制御信号である第１操作変化量ｄｍｖ１（ｋ）を生成してデューティ比導出器３３へ出力するものである。具体的には、第１制御器３１は、改質部内温度ｔｗａｌｌ（ｋ）に対してＰＤ制御を施して第１操作変化量ｄｍｖ１（ｋ）を導出する。このとき、ＰＤ制御は、下記数１に示す伝達関数で表される。

なお、ｐｂ_１およびＴｄ_１はそれぞれ比例帯および微分時間を表しており、ｓはラプラス演算子を表している。

第２制御器３２は、改質部出ガス温度センサ８６が検出した改質部出ガス温度ｔｒｅｆ（ｋ）を入力して改質部出ガス温度目標値（改質部出ガス目標温度）ｒｅｆ＿ｔｒｅｆ（ｋ）に基づいて偏差ｄｖ２（ｋ）を導出する加算器３４からその偏差ｄｖ２（ｋ）を入力し制御信号である第２操作変化量ｄｍｖ２（ｋ）を生成してデューティ比導出器３３へ出力するものである。具体的には、第２制御器３２は、改質部出ガス温度ｔｒｅｆ（ｋ）に対してＰＩＤ制御を施して第２操作変化量ｄｍｖ２（ｋ）を導出する。このとき、ＰＩＤ制御は、下記数２に示す伝達関数で表される。

なお、ｐｂ_２、Ｔｉ_２およびＴｄ_２はそれぞれ比例帯、積分時間および微分時間を表しており、ｓはラプラス演算子を表している。

デューティ比導出器３３は、第１および第２操作変化量ｄｍｖ１（ｋ），ｄｍｖ２（ｋ）に基づいてデューティ比ｄｕｔｙ（ｋ）を導出するものである。具体的には、第２操作変化量ｄｍｖ２（ｋ）から第１操作変化量ｄｍｖ１（ｋ）を減算した値に基づいてデューティ比ｄｕｔｙ（ｋ）を導出する。加算器３４は、改質部出ガス温度目標値ｒｅｆ＿ｔｒｅｆ（ｋ）から改質部出ガス温度ｔｒｅｆ（ｋ）を減算して偏差ｄｖ２（ｋ）を導出するものである。

また、燃焼温度制御システムは、第１および第２制御対象（プラント、プロセス）３５，３６を備えている。第１制御対象３５は、燃焼用燃料ポンプ４８の例えばデューティ比で表される操作量に対する改質部内温度の動特性を表すものであり、例えば２次系の伝達関数Ｐ_１（ｓ）で表されるものである。第２制御対象３６は、改質部内温度に対する改質部出ガス温度の動特性を表すものであり、例えば１次系の伝達関数Ｐ_２（ｓ）で表されるものである。

このような燃焼温度制御システムが構成された燃焼温度制御装置３０を図４を参照してさらに詳述する。第１制御器３１は、メモリ３１ａ、加算器３１ｂ、メモリ３１ｃ、加算器３１ｄ、乗算器３１ｅ、加算器３１ｆおよび乗算器３１ｇから構成されている。メモリ３１ａは、前回の改質部内温度ｔｗａｌｌ（ｋ−１）を更新記憶するものである。加算器３１ｂは、今回の改質部内温度ｔｗａｌｌ（ｋ）からメモリ３１ａに記憶されている前回の改質部内温度ｔｗａｌｌ（ｋ−１）を減算して改質部内温度偏差ｄｔｗａｌｌ（ｋ）を演算し、メモリ３１ｃ、加算器３１ｄおよび３１ｆに出力するものである。メモリ３１ｃは、前回の改質部内温度偏差ｄｔｗａｌｌ（ｋ−１）を更新記憶するものである。加算器３１ｄは、今回の改質部内温度偏差ｄｔｗａｌｌ（ｋ）からメモリ３１ｃに記憶されている前回の改質部内温度偏差ｄｔｗａｌｌ（ｋ−１）を減算して改質部内温度偏差の偏差ｄｄｔｗａｌｌ（ｋ）を演算し、乗算器３１ｅに出力するものである。乗算器３１ｅは、入力した改質部内温度偏差の偏差ｄｄｔｗａｌｌ（ｋ）にＴｄ_１／Ｔｓを乗算して加算器３１ｆに出力するものである。加算器３１ｆは、加算器３１ｂおよび乗算器３１ｅからそれぞれ入力した改質部内温度偏差ｄｔｗａｌｌ（ｋ）および改質部内温度偏差の偏差ｄｄｔｗａｌｌ（ｋ）にＴｄ_１／Ｔｓを乗算した値を加算してその加算値を乗算器３１ｇに出力するものである。そして、乗算器３１ｇはその加算値に１／ｐｂ_１を乗算した値を第１操作変化量ｄｍｖ１（ｋ）として導出してデューティ比導出器３３の加算器３３ａに出力するものである。

なお、メモリ３１ａに記憶される演算開始時の初期値は次のように設定される。すなわち、改質部出ガス目標温度ｒｅｆ＿ｔｒｅｆ（ｋ）が変化したか否かを判定する判定手段である目標値変化判定器３１ｈが改質部出ガス目標温度ｒｅｆ＿ｔｒｅｆ（ｋ）が変化したと判定した場合には、その判定時点に検出した改質部内温度ｔｗａｌｌ（ｋ）を初期値とする。目標値変化判定器３１ｈはメモリ３１ｈ１および加算器３１ｈ２から構成されている。メモリ３１ｈ１は、前回の改質部出ガス目標温度ｒｅｆ＿ｔｒｅｆ（ｋ−１）を更新記憶するものである。加算器３１ｈ２は、今回の改質部出ガス目標温度ｒｅｆ＿ｔｒｅｆ（ｋ）からメモリ３１ｈ１に記憶されている前回の改質部出ガス目標温度ｒｅｆ＿ｔｒｅｆ（ｋ−１）を減算して改質部出ガス目標温度変化量ｄｖ１（ｋ）を演算し、その演算結果をスイッチ３１ｊに出力するものである。スイッチ３１ｊは、改質部出ガス目標温度変化量ｄｖ１（ｋ）が０でないかまたはその絶対値が所定値以上である場合すなわち改質部出ガス目標温度が変化した場合に、フィルタ処理器３１ｉにて所定のフィルタ処理を施された改質部内温度ｆｉｌｔ＿ｔｗａｌｌ（ｋ）をメモリ３１ａに出力し、そうでない場合すなわち改質部出ガス目標温度が変化しない場合に、改質部内温度ｆｉｌｔ＿ｔｗａｌｌ（ｋ）をメモリ３１ａに出力しないようにするものである。これにより、改質部出ガス目標温度が変化したと判定した場合には、その判定時点に検出した改質部内温度を初期値とすることができる。したがって、適切な初期値を設定して確実に燃焼用燃料ポンプ４８の操作量を導出することにより、確実に燃焼温度を制御することができる。

さらに、フィルタ処理器３１ｉは、改質部内温度ｔｗａｌｌ（ｋ）を入力して所定のフィルタ処理（例えばローパスフィルタ）を施して導出するものである。これにより、目標出ガス温度が変化したと判定した時点にフィルタ処理器３１ｉによってフィルタ処理した改質部内温度を初期値とすることができる。したがって、検出された改質部内温度からノイズを排除して適切な初期値を設定して、確実に燃焼用燃料ポンプ４８の操作量を導出することにより、確実に燃焼温度を制御することができる。

第２制御器３２は、メモリ３２ａ、加算器３２ｂ、乗算器３２ｃ、加算器３２ｄおよび乗算器３２ｅから構成されている。メモリ３２ａは、加算器３４から出力された偏差ｄｖ２（ｋ）を入力して前回の偏差ｄｖ２（ｋ−１）を更新記憶するものである。加算器３２ｂは、加算器３４から入力した今回の偏差ｄｖ２（ｋ）からメモリ３２ａに記憶されている前回の偏差ｄｖ２（ｋ−１）を減算して偏差の偏差ｄｄｖ２（ｋ）を演算し、加算器３２ｄに出力するものである。乗算器３２ｃは、加算器３４から入力した今回の偏差ｄｖ２（ｋ）にＴｓ／Ｔｉ_２を乗算して加算器３２ｄに出力するものである。加算器３２ｄは、加算器３２ｂおよび乗算器３２ｃからそれぞれ入力した偏差の偏差ｄｄｖ２（ｋ）および今回の偏差ｄｖ２（ｋ）にＴｓ／Ｔｉ_２を乗算した値を加算してその加算値を乗算器３２ｅに出力するものである。そして、乗算器３２ｅはその加算値に１／ｐｂ_２を乗算した値を第２操作変化量ｄｍｖ２（ｋ）として導出してデューティ比導出器３３の加算器３３ａに出力するものである。

デューティ比導出器３３は、加算器３３ａ，３３ｂおよびメモリ３３ｃから構成されている。加算器３３ａは、上述のようにそれぞれ入力した第２操作変化量ｄｍｖ２（ｋ）から第１操作変化量ｄｍｖ１（ｋ）を減算して操作量ｄｍｖ（ｋ）を導出して加算器３３ｂに出力する。加算器３３ｂは、操作量ｄｍｖ（ｋ）にメモリ３３ｃから入力した前回のデューティ比ｄｕｔｙ（ｋ−１）を加算して今回のデューティ比ｄｕｔｙ（ｋ）を導出して出力する。メモリ３３ｃは、加算器３３ｂからデューティ比ｄｕｔｙ（ｋ）を入力して前回のデューティ比ｄｕｔｙ（ｋ−１）を更新記憶するものである。なお、上述した各メモリ３１ｃ，３２ａ，３３ｃの初期値は０℃とするのが望ましい。

次に、上述した燃料電池システムの作動について説明する。燃焼温度制御装置３０は、時刻ｔ０にて図示しない起動スイッチがオンされると、燃料電池システムの起動運転を開始する。燃焼温度制御装置３０は、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を閉じ第２改質ガスバルブ７６を開いてＣＯ選択酸化部２４をバーナ２２ｂに接続し、第１燃料バルブ４２を開き第２燃料バルブ４５を閉じて燃焼用燃料ポンプ４８および燃焼用空気ポンプ６６を駆動して燃焼用燃料および燃焼用空気をバーナ２２ｂに供給してバーナ２２ｂを着火する。これにより、燃焼用燃料が燃焼され、燃焼ガスにより改質部２１内の改質触媒２１ａおよび蒸発器５５が加熱される。

燃焼温度制御装置３０は、温度センサ５５ａにより蒸発器５５の温度を検出し、この検出した温度が第１の所定温度Ｔｈ１以上となれば（時刻ｔ１）、水バルブ５４を開き、水ポンプ５３を駆動させ水タンクＳｗの水を所定流量（所定供給量）だけ蒸発器５５を介して改質部２１に供給する。

燃焼温度制御装置３０は、蒸発器５５の温度が所定温度Ｔｈ１以上となった時点（時刻ｔ１）からタイマのカウントを開始する。タイマが第１所定時間Ｔ１（例えば１分）以上となれば、第２燃料バルブ４５を開いて燃料ポンプ４３を駆動させ燃料供給源Ｓfの燃料を所定流量（所定供給量）だけ改質部２１に供給するとともに、空気バルブ６４を開いて空気ポンプ６３を駆動させ空気供給源Ｓａの空気を所定流量（所定供給量）だけＣＯ選択酸化部２４に供給する。これにより、改質部２１に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、改質部２１では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部２１から導出された改質ガスはＣＯシフト部２３およびＣＯ選択酸化部２４により一酸化炭素ガスを低減されてＣＯ選択酸化部２４から導出され、燃焼部２２のバーナ２２ｂに供給され燃焼される。

このように改質ガスの生成中において、燃焼温度制御装置３０は、温度センサ２４ａ１によりＣＯ選択酸化部２４の触媒２４ａの温度を検出し、この検出した温度が第２の所定温度Ｔｈ２以上となれば（時刻ｔ４）、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開き第２改質ガスバルブ７６を閉じてＣＯ選択酸化部２４を燃料電池１０の燃料極１１の導入口に接続するとともに燃料極１１の導出口をバーナ２２ｂに接続する。これにより、燃料電池システムを暖機する起動運転が終了して続いて定常運転が開始される。

燃焼温度制御装置３０は、定常運転（燃料電池１０を発電させる運転モード）を開始する。このとき、所望の出力電流（負荷装置で消費される電流・電力）となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気、酸化用空気、カソード用空気および改質水を供給するようになっている。燃焼温度制御装置３０は、所望の出力電流となるように改質用燃料の供給量を演算しその供給量となるように燃料ポンプ４３を駆動させ、演算した改質用燃料供給量およびＳ／Ｃ（スチームカーボン比）に基づいて改質水の供給量を演算しその供給量となるように水ポンプ５３を駆動させ、アノードオフガスの燃焼熱だけでは燃焼部２２にて必要な熱エネルギーが不足する場合、起動運転時である場合などに、後述するように燃焼部２２に供給する燃焼用燃料の供給量（燃焼用燃料ポンプ４８の操作量）を演算しその供給量となるように燃焼用燃料ポンプ４８を駆動させ、改質用燃料供給量などに基づいて燃焼用空気の供給量を演算しその供給量となるように燃焼用空気ポンプ６６を駆動させ、一酸化炭素を所定量以下とするように酸化用空気の供給量を演算しその供給量となるように空気ポンプ６３を駆動させ、そして改質装置２０から供給された改質ガスと反応するに十分なカソード用空気の供給量を演算しその供給量となるようにカソード用空気ポンプ６８を駆動させている。そして、停止スイッチが押されると、燃料電池システムは停止する。

さらに、燃焼用燃料ポンプ４８の操作量すなわち燃焼用燃料の供給量の演算および供給について図５に示したフローチャートを参照しながら説明する。燃焼温度制御装置３０は、図示しないスタートスイッチがオンされると、所定の短時間毎に、上記フローチャートに対応したプログラムを繰り返し実行する。燃焼温度制御装置３０は、図５のステップ１００にてプログラムの実行を開始する毎に、改質部内温度（改質部壁面温度）ｔｗａｌｌ（ｋ）を検出する（ステップ１０２）。そして、検出した改質部壁面温度ｔｗａｌｌ（ｋ）にローパスフィルタ処理を施して改質部壁面温度ｆｉｌｔ＿ｔｗａｌｌ（ｋ）を導出する（ステップ１０４）。このフィルタ処理を施した改質部壁面温度ｆｉｌｔ＿ｔｗａｌｌ（ｋ）は下記数３により導出される。

（数３）
ｆｉｌｔ＿ｔｗａｌｌ（ｋ）＝Ｆ（ｚ、ｆｃ）・ｔｗａｌｌ（ｋ）
ｚは前回サンプリング値であり、ｆｃはカットオフ周波数である。

燃焼温度制御装置３０は、改質部出ガス目標温度ｒｅｆ＿ｔｒｅｆ（ｋ）を受信（入力）し（ステップ１０６）、記憶しておいた前回サンプリング値ｒｅｆ＿ｔｒｅｆ（ｋ−１）と比較して改質部出ガス目標温度変化量ｄｖ１（ｋ）を演算し（ステップ１０８）、演算結果に基づいて改質部出ガス目標温度ｒｅｆ＿ｔｒｅｆ（ｋ）が変化したか否かを判定する（ステップ１１０）。ステップ１０８においては、例えば、改質部出ガス目標温度変化量ｄｖ１（ｋ）は、今回の改質部出ガス目標温度ｒｅｆ＿ｔｒｅｆ（ｋ）から前回の改質部出ガス目標温度ｒｅｆ＿ｔｒｅｆ（ｋ−１）を減算して演算すればよい。ステップ１１０においては、改質部出ガス目標温度変化量ｄｖ１（ｋ）が０でないかまたはその絶対値が所定値以上である場合に改質部出ガス目標温度が変化したと判定し、そうでない場合に改質部出ガス目標温度が変化していないと判定する。

燃焼温度制御装置３０は、燃料電池システムの運転開始時、負荷変動時などの改質部出ガス目標温度が変化する際には、ステップ１１０にて「Ｙｅｓ」と判定し、プログラムをステップ１１２に進めて各メモリを適切に初期化し、それ以外の場合には、ステップ１１０にて「Ｎｏ」と判定し、プログラムをステップ１１４以降に進める。これにより、目標温度が変化した場合、ステップ１１２にて所定のメモリすなわちメモリ３１ａに初期値として「０」でなくステップ１０４にて導出したフィルタ処理を施した改質部壁面温度ｆｉｌｔ＿ｔｗａｌｌ（ｋ）（例えば７２０℃）を設定する。その他のメモリすなわちメモリ３１ｃ，３２ａ，３３ｃに初期値として「０」を設定する。

燃焼温度制御装置３０は、ステップ１１４にて、上述した第１操作変化量ｄｍｖ１（ｋ）を下記数４から演算する。具体的には、上述した第１制御器３１の説明のとおりに第１操作変化量ｄｍｖ１（ｋ）を導出する。

（数４）
ｄｍｖ１（ｋ）＝Ｃ１（ｚ、ｐｂ_１、Ｔｄ_１）・ｔｗａｌｌ（ｋ）
ｚは前回サンプリング値であり、上述したようにｐｂ_１は比例帯であり、Ｔｄ_１は微分時間であり、ｔｗａｌｌ（ｋ）は先にステップ１０２にて検出された改質部壁面温度である。

燃焼温度制御装置３０は、改質部出ガス温度ｔｒｅｆ（ｋ）を検出し（ステップ１１６）、改質部出ガス温度目標値ｒｅｆ＿ｔｒｅｆ（ｋ）からその検出値である改質部出ガス温度ｔｒｅｆ（ｋ）を減算して偏差ｄｖ２（ｋ）を演算し（ステップ１１８）、上述した第２操作変化量ｄｍｖ２（ｋ）を下記数５から演算する（ステップ１２０）。具体的には、上述した第２制御器３２の説明のとおりに第２操作変化量ｄｍｖ２（ｋ）を導出する。

（数５）
ｄｍｖ２（ｋ）＝Ｃ２（ｚ、ｐｂ_２、Ｔｉ_２、Ｔｄ_２）・ｄｖ２（ｋ）
ｚは前回サンプリング値であり、上述したようにｐｂ_２は比例帯であり、Ｔｉ_２は積分時間であり、Ｔｄ_２は微分時間である。

そして、燃焼温度制御装置３０は、第２操作変化量ｄｍｖ２（ｋ）から第１操作変化量ｄｍｖ１（ｋ）を減算して操作変化量ｄｍｖ（ｋ）を導出し（ステップ１２２）、今回導出した操作変化量ｄｍｖ（ｋ）に前回の操作量ｄｕｔｙ（ｋ−１）を加算して今回の操作量ｄｕｔｙ（ｋ）を導出する（ステップ１２４）。そして、燃焼温度制御装置３０は、燃焼用燃料ポンプ４８を駆動するドライバ回路へ操作量ｄｕｔｙ（ｋ）を送信し（ステップ１２６）、その後プログラムをステップ１２８に進めて一旦終了する。

次に、上述した燃焼温度制御装置３０で実行される燃焼部２２の燃焼制御を目的とする燃焼制御ロジックの設計方法について説明する。この設計方法は、燃焼用燃料供給手段の操作量、改質部内の所定場所の温度である改質部内温度、および改質部から導出される改質ガスの温度である改質部出ガス温度に基づいて、燃焼用燃料供給手段の操作量から改質部内温度および改質部出ガス温度までの各動特性を表す数式モデルを導出し（ステップ２０２）、改質部出ガス温度の理想的な目標応答を表す規範モデルを作成し（ステップ２０４）、改質部内温度にＰＤ制御を施すときに改質部出ガス温度の応答特性が規範モデルと一致するようにＰＤ制御の各パラメータを決定し（ステップ２０６，２０８）、改質部出ガス温度にＰＩＤ制御を施すときに改質部出ガス温度の応答特性が規範モデルと一致するようにＰＩＤ制御の各パラメータを決定する（ステップ２１０）。以下、この設計手法の詳細を図６のフローチャートに沿って説明する。

ステップ２０２においては、実際に測定した実験データを用いた時間応答、周波数応答による波形フィッティングをすることによる同定実験を行う。これにより、制御対象である燃焼用燃料ポンプ４８（燃焼用燃料供給手段）の操作量（デューティ比）、改質部内温度（改質部壁面温度）、および改質部出ガス温度に基づいて、燃焼用燃料ポンプ４８の操作量から改質部内温度および改質部出ガス温度までの各動特性を表す数式モデルを導出する。図３に示すように、燃焼用燃料ポンプ４８の操作量から改質部内温度までの動特性を表す数式モデルは、例えば２次系の伝達関数Ｐ_１（ｓ）で表され、改質部内温度から改質部出ガス温度までの動特性を表す数式モデルは、例えば１次系の伝達関数Ｐ_２（ｓ）で表される。

ステップ２０４においては、ステップ入力した際に改質部出ガス温度の理想的な目標応答を表す規範モデルを作成する。このとき、ステップ入力に対する出力波形を作成するが、出力波形において改質部出ガス温度が改質部出ガス目標温度に到達するまでの到達時間、または到達までの振る舞い（言い換えれば燃焼用燃料の投入量の変化のさせ方）を考慮して作成されるのが好ましい。

ステップ２０６においては、実機を使用してＰＤゲインすなわちＰＤ制御の各パラメータ（ｐｂ_１、Ｔｄ_１）を変化させて、制御を行わない時の改質部出ガス温度の応答特性を観測し、改質部出ガス温度の応答特性が規範モデルと一致するＰＤ制御の各パラメータ（ｐｂ_１、Ｔｄ_１）を決定する。なお、「応答特性が規範モデルと一致する」とは、完全一致だけでなく、所定範囲内のずれも含んでいる。具体的には、改質部出ガス温度の応答特性が振動的であれば、Ｄゲインを大きくして調整し、その後、ＰＤ制御を行った後の定常ゲインが１以下となるようにＰゲインを決定する。すなわち、ステップ２０８において、制御後に改質部出ガス温度の応答特性が振動的でなく、かつ定常ゲインが１以下であるか否かを判定することにより、改質部出ガス温度の応答特性が規範モデルと一致しているか否かを判定しており、一致していない場合にはステップ２０６に戻ってＰＤゲインを再設定し、一致している場合にはステップ２１０に進む。

ステップ２１０においては、部分モデルマッチング法、またはＨ∞制御を活用し、改質部出ガス温度をフィードバックするときのＰＩＤゲインすなわちＰＩＤ制御の各パラメータ（ｐｂ_２、Ｔｉ_２、Ｔｄ_２）を算出する。なお、部分モデルマッチング法は、制御対象に対してＰＩＤ制御を用いて閉ループを構成したときに、閉ループの周波数特性が規範モデルと一致（完全一致だけでなく、所定範囲内のずれも含む）するようにＰ，Ｉ，Ｄの各ゲインを算出する設計方法である。Ｈ∞制御は、規範モデルと一致（完全一致だけでなく、所定範囲内のずれも含む）するように、かつ、想定される対象のバラツキ範囲においてシステムが安定となるように制御器が導出され、その後、ＰＩＤ制御の形に低次元化することでＰ，Ｉ，Ｄの各ゲインを算出する設計方法である。

ステップ２１２においては、性能評価条件を満足するか否かを判断する。性能評価条件を満足しないときはステップ２０６に戻って規範モデルを作り直し、以下、ステップ２０６〜２１２の処理を、ステップ２１２にて性能評価条件を満足すると判断されるまで繰り返し実行する。性能評価条件を満足すれば、ステップ２１４に進む。

ステップ２１４においては、上述したように設計されたＰＩＤ制御器を離散化し、その離散化で得られたデータを組み込んだプログラムを燃焼温度制御装置３０に実装する。

上述した説明から明らかなように、本実施の形態においては、操作量導出手段（図４に示す第１および第２制御器３１，３２、デューティ比導出器３３、加算器３４、図５に示すステップ１１４、１１８〜１２４）が、改質部内温度センサ２１ａ１および改質部出ガス温度センサ８６によってそれぞれ検出された改質部内温度ｔｗａｌｌ（ｋ）および改質部出ガス温度ｔｒｅｆ（ｋ）をフィードバックして燃焼用燃料ポンプ４８の操作量ｄｕｔｙ（ｋ）を導出し、燃焼用燃料供給手段制御手段が、操作量導出手段によって導出された操作量ｄｕｔｙ（ｋ）となるように燃焼用燃料ポンプ４８を制御する。これにより、燃焼部２２には、改質部内温度ｔｗａｌｌ（ｋ）および改質部出ガス温度ｔｒｅｆ（ｋ）に基づいて導出された操作量ｄｕｔｙ（ｋ）となるように燃焼用燃料が供給されるので、改質部出ガス温度を改質触媒の触媒温度活性域に簡単に制御することができる。

また、操作量導出手段は、改質部出ガス目標温度ｒｅｆ＿ｔｒｅｆ（ｋ）と、改質部出ガス温度センサ８６によって検出された改質部出ガス温度ｔｒｅｆ（ｋ）との差ｄｖ２（ｋ）、および改質部内温度センサ２１ａ１によって検出された改質部内温度ｔｗａｌｌ（ｋ）に基づいて燃焼用燃料ポンプ４８の操作量ｄｕｔｙ（ｋ）を導出するので、適切な操作量を導出することによりひいては適切な燃焼温度に制御することができる。

また、第１操作変化量導出手段（第１制御器３１）が、燃料の操作量ｄｕｔｙ（ｋ）の変化に対する改質部出ガス温度ｔｒｅｆ（ｋ）の変化の遅れを考慮して制御応答性を重視して重み付けされた第１操作変化量ｄｍｖ１（ｋ）を導出し、第２操作変化量導出手段（第２制御器３２）が、改質部出ガス目標温度ｒｅｆ＿ｔｒｅｆ（ｋ）に一致するように改質部出ガス温度ｔｒｅｆ（ｋ）を制御する制御一致性を重視して重み付けされた第２操作変化量ｄｍｖ２（ｋ）を導出し、操作量導出手段（デューティ比導出器３３）が、第１および第２操作変化量導出手段によってそれぞれ導出された各操作変化量ｄｍｖ１（ｋ），ｄｍｖ２（ｋ）に基づいて燃焼用燃料ポンプ４８の操作量ｄｕｔｙ（ｋ）を導出するので、制御応答性および制御一致性を加味した操作量を導出することによりひいては高応答性かつ高精度に燃焼温度を制御することができる。

また、第１操作変化量導出手段（第１制御器３１）は、改質部内温度ｔｗａｌｌ（ｋ）に対してＰＤ制御を施すことにより第１操作変化量ｄｍｖ１（ｋ）を導出するので、容易かつ確実に第１操作変化量ｄｍｖ１（ｋ）を導出して容易かつ確実に燃焼温度を制御することができる。

また、第２操作変化量導出手段（第２制御器３２）は、改質部出ガス目標温度ｒｅｆ＿ｔｒｅｆ（ｋ）と、改質部出ガス温度センサ８６によって検出された改質部出ガス温度ｔｒｅｆ（ｋ）との差ｄｖ２（ｋ）に対してＰＩＤ制御を施すことにより第２操作変化量ｄｍｖ２（ｋ）を導出するので、容易かつ確実に第２操作変化量ｄｍｖ２（ｋ）を導出して容易かつ確実に燃焼温度を制御することができる。

また、上述した燃焼温度制御装置の設計方法においては、燃焼用燃料ポンプ４８の操作量Ｄｕｔｙ(ｋ)、改質部２１内の所定場所の温度である改質部内温度ｔｗａｌｌ（ｋ）、および改質部２１から導出される改質ガスの温度である改質部出ガス温度ｔｒｅｆ（ｋ）に基づいて、燃焼用燃料ポンプ４８の操作量ｄｕｔｙ（ｋ）から改質部内温度ｔｗａｌｌ（ｋ）および改質部出ガス温度ｔｒｅｆ（ｋ）までの各動特性を表す数式モデルを導出し、改質部出ガス温度の理想的な目標応答を表す規範モデルを作成し、改質部内温度ｔｗａｌｌ（ｋ）にＰＤ制御を施すときに改質部出ガス温度の応答特性が規範モデルと一致するようにＰＤ制御の各パラメータを決定し、改質部出ガス温度ｔｒｅｆ（ｋ）にＰＩＤ制御を施すときに改質部出ガス温度の応答特性が規範モデルと一致するようにＰＩＤ制御の各パラメータを決定するので、燃焼温度を制御する制御ロジックを確実、容易かつ短時間に作成することができる。

なお、上述した実施の形態においては、第２操作変化量導出手段は、検出した改質部出ガス温度ｔｒｅｆ（ｋ）にＰＩＤ制御を施すことにより第２操作変化量ｄｍｖ２（ｋ）を導出していたが、これに代えて、図７に示すように、検出した改質部出ガス温度ｔｒｅｆ（ｋ）にＩ−ＰＤ制御を施すことにより第２操作変化量ｄｍｖ２（ｋ）を導出するようにしてもよい。すなわち、第２操作変化量導出手段は、改質部出ガス目標温度ｒｅｆ＿ｔｒｅｆ（ｋ）と、改質部出ガス温度センサ８６によって検出された改質部出ガス温度ｔｒｅｆ（ｋ）との差に対してＩ制御を施し、改質部出ガス温度センサ８６によって検出された改質部出ガス温度ｔｒｅｆ（ｋ）に対してＰＤ制御を施し、Ｉ制御を施した値からＰＤ制御を施した値を減算することにより第２操作変化量ｄｍｖ２（ｋ）を導出するようにすればよい。

以下図３と同一の部分については同一符号を付し、異なる部分について説明する。具体的には、第２制御器３２に代えて第２ａおよび第２ｂ制御器３２ａ，３２ｂならびに加算器３２ｃを備えている。第２ａ制御器３２ａは、改質部出ガス温度センサ８６が検出した改質部出ガス温度ｔｒｅｆ（ｋ）を入力して改質部出ガス温度目標値（改質部出ガス目標温度）ｒｅｆ＿ｔｒｅｆ（ｋ）に基づいて偏差ｄｖ２（ｋ）を導出する加算器３４からその偏差ｄｖ２（ｋ）を入力しＩ制御を施してその値を加算器３２ｃに出力する。このとき、Ｉ制御は、下記数６に示す伝達関数で表される。

第２ｂ制御器３２ｂは、改質部内温度センサ２１ａ１が検出した改質部内温度ｔｗａｌｌ（ｋ）を入力しＰＤ制御を施してその値を加算器３２ｃに出力する。このとき、ＰＤ制御は、下記数７に示す伝達関数で表される。

なお、上記数６および数７において、ｐｂ_２、Ｔｉ_２およびＴｄ_２はそれぞれ比例帯、積分時間および微分時間を表しており、ｓはラプラス演算子を表している。

そして、加算器３２ｃは、第２ａ制御器３２ａから入力した偏差ｄｖ２（ｋ）にＩ制御を施した値から、第２ｂ制御器３２ｂから入力した改質部内温度ｔｗａｌｌ（ｋ）にＰＤ制御を施した値を減算して第２操作変化量ｄｍｖ２（ｋ）を導出する。これによっても、容易かつ確実に第２操作変化量ｄｍｖ２（ｋ）を導出して容易かつ確実に燃焼温度を制御することができる。

本発明による燃焼温度制御装置を適用した燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。 図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。 図２に示した燃焼温度制御装置の燃焼温度制御システムの構造を示すブロック図である。 図２に示した燃焼温度制御装置における操作量の演算を示す制御ロジック図である。 図２に示す燃焼温度制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。 図２に示す燃焼温度制御装置の設計手法の手順を示すフローチャートである。 図２に示した燃焼温度制御装置の燃焼温度制御システムの他の実施例の構造を示すブロック図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質装置、２１…改質部、２１ａ…改質触媒、２１ａ１…温度センサ、２１ｂ…反応室、２２…燃焼部、２２ｂ…バーナ、２３…ＣＯシフト部、２３ａ…触媒、２４…ＣＯ選択酸化部、２４ａ…触媒、２４ａ１…温度センサ（改質部内温度センサ）、３０…制御装置、３１…第１制御器、３２…第２制御器、３３…デューティ比導出器、３４…加算器、４１…燃料供給管、４２…第１燃料バルブ、４３…燃料ポンプ、４４…脱硫器、４５…第２燃料バルブ、４６…熱交換部、４７…燃焼用燃料供給管、４８…燃焼用燃料ポンプ、５１…給水管、５２…水蒸気供給管、５３…水ポンプ、５４…水バルブ、５５…蒸発器、５５ａ…温度センサ、６１…酸化用空気供給管、６２…フィルタ、６３…空気ポンプ、６４…空気バルブ、６５…燃焼用空気供給管、６６…燃焼用空気ポンプ、６７…カソード用空気供給管、６８…カソード用空気ポンプ、６９…カソード用空気バルブ、７１…改質ガス供給管、７２…オフガス供給管、７３…バイパス管、７４…第１改質ガスバルブ、７５…オフガスバルブ、７６…第２改質ガスバルブ、７７，７８，７９…凝縮器、８１，８２…排気管、８４…回収水導出管、８５…改質用燃料流量計、８６…温度センサ（改質出ガス温度センサ）、８７…燃焼用燃料流量計、８８…変換機（インバータ）、Ｓａ…空気供給源、Ｓｆ…燃料供給源、Ｓｗ…改質水供給源。

Claims (9)

1. 改質用燃料が供給されその供給された改質用燃料を内部に充填された改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスを生成して燃料電池に導出する改質部と、
   燃焼用燃料が燃焼用燃料供給手段によって供給され燃焼用酸化剤ガスによって燃焼されてその燃焼熱によって前記改質部を加熱する燃焼部と、
   を備えた燃料電池システムの燃焼温度制御装置において、
   前記改質部内の所定場所の温度を検出する改質部内温度検出手段と、
   前記改質部から導出される改質ガスの温度を検出する改質部出ガス温度検出手段と、
   前記両温度検出手段によってそれぞれ検出された改質部内温度および改質部出ガス温度をフィードバックして前記燃焼用燃料供給手段の操作量を導出する操作量導出手段と、
   該操作量導出手段によって導出された操作量となるように前記燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼用燃料供給手段制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システムの燃焼温度制御装置。
2. 請求項１において、前記操作量導出手段は、改質部出ガス目標温度と、前記改質部出ガス温度検出手段によって検出された改質部出ガス温度との差、および前記改質部内温度検出手段によって検出された改質部内温度に基づいて前記燃焼用燃料供給手段の操作量を導出することを特徴とする燃料電池システムの燃焼温度制御装置。
3. 請求項１において、前記操作量導出手段は、前記改質部内温度検出手段によって検出された改質部内温度に基づいて前記燃焼用燃料供給手段の第１の操作変化量を導出する第１操作変化量導出手段と、
   前記改質部出ガス温度検出手段によって検出された改質部出ガス温度に基づいて前記燃焼用燃料供給手段の第２の操作変化量を導出する第２操作変化量導出手段と、から構成され、
   前記第１および第２操作変化量導出手段によってそれぞれ導出された各操作変化量に基づいて前記燃焼用燃料供給手段の操作量を導出することを特徴とする燃料電池システムの燃焼温度制御装置。
4. 請求項３において、前記第１操作変化量導出手段は、前記改質部内温度に対してＰＤ制御を施すことにより前記第１操作変化量を導出することを特徴とする燃料電池システムの燃焼温度制御装置。
5. 請求項３において、前記第２操作変化量導出手段は、前記改質部出ガス目標温度と、前記改質部出ガス温度検出手段によって検出された改質部出ガス温度との差に対してＰＩＤ制御を施すことにより前記第２操作変化量を導出することを特徴とする燃料電池システムの燃焼温度制御装置。
6. 請求項３において、前記第２操作変化量導出手段は、前記改質部出ガス目標温度と、前記改質部出ガス温度検出手段によって検出された改質部出ガス温度との差に対してＩ制御を施し、前記改質部出ガス温度検出手段によって検出された改質部出ガス温度に対してＰＤ制御を施し、前記Ｉ制御を施した値から前記ＰＤ制御を施した値を減算することにより、前記第２操作変化量を導出することを特徴とする燃料電池システムの燃焼温度制御装置。
7. 請求項２乃至請求項６の何れか一項において、前記改質部出ガス目標温度が変化したか否かを判定する判定手段をさらに備え、
   前記判定手段が改質部出ガス目標温度が変化したと判定した場合には、その判定時点に検出した改質部内温度を初期値とすることを特徴とする燃料電池システムの燃焼温度制御装置。
8. 請求項７において、前記改質部内温度を所定のフィルタ処理を施して導出するフィルタ処理手段をさらに備え、
   前記判定手段が目標出ガス温度が変化したと判定した時点に前記フィルタ処理手段によってフィルタ処理した改質部内温度を初期値とすることを特徴とする燃料電池システムの燃焼温度制御装置。
9. 改質用燃料が供給されその供給された改質用燃料を内部に充填された改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスを生成して燃料電池に導出する改質部と、
   燃焼用燃料が燃焼用燃料供給手段によって供給され燃焼用酸化剤ガスによって燃焼されてその燃焼熱によって前記改質部を加熱する燃焼部と、
   を備えた燃料電池システムの燃焼温度制御装置の設計方法において、
   前記燃焼用燃料供給手段の操作量、前記改質部内の所定場所の温度である改質部内温度、および前記改質部から導出される改質ガスの温度である改質部出ガス温度に基づいて、前記燃焼用燃料供給手段の操作量から前記改質部内温度および改質部出ガス温度までの各動特性を表す数式モデルを導出し、
   前記改質部出ガス温度の理想的な目標応答を表す規範モデルを作成し、
   前記改質部内温度にＰＤ制御を施すときに前記改質部出ガス温度の応答特性が前記規範モデルと一致するように前記ＰＤ制御の各パラメータを決定し、
   前記改質部出ガス温度にＰＩＤ制御を施すときに前記改質部出ガス温度の応答特性が前記規範モデルと一致するように前記ＰＩＤ制御の各パラメータを決定することを特徴とする燃料電池システムの燃焼温度制御装置の設計方法。
   
   

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