JP2008004414A - 流体供給量推定装置および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】高価で大型な質量流量計を設けることなく、流体流量を精度よく推定できる流体供給量推定装置、及び流体流量を精度よく制御できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】制御装置は、暖機モードには吐出圧力検出手段及び駆動量検出手段によってそれぞれ検出された吐出圧力及び駆動量から第１関数に基づいて流体送出装置の吐出量を推定送出量として導出する暖機モード流量推定ロジック部３２ａと、発電モードには同様に検出された吐出圧力及び駆動量から第１関数と異なる第２関数に基づいて流体送出装置の吐出量を推定送出量として導出する発電モード流量推定ロジック部３２ｃとからなる流量推定ロジック部３２と、流量推定ロジック部３２が導出した推定送出量及び目標送出量に基づいて流体送出装置の操作量を導出するとともに、その操作量に基づいて流体送出装置を制御する制御ロジック部と備えている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、流体供給量推定装置および燃料電池システムに関する。

従来から、改質器に供給されている流体を同改質器に送出する圧縮機である流体送出装置（ポンプやブロア）の制御装置はよく知られている。この制御装置としては燃料電池システムに備えられているものがある。

その一例として、特許文献１「燃料電池システム」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、燃料電池システムは、酸化ガスを燃料電池本体６に供給する酸化ガス供給装置（コンプレッサ）５と、酸化ガス供給装置５から燃料電池本体６に供給する酸化ガスの流量を検出する酸化ガス流量センサ７と、燃料電池本体６の出力電流を検出する電流センサ８と、燃料ガスと酸化ガスとの流量を制御するコントローラ１５と、を備えている。この燃料電池システムは、通常時には、酸化ガス流量センサ７による酸化ガス流量検出値ＱＳを用いてフィードバック制御することにより高精度な酸化ガス流量制御を行うと共に、酸化ガス流量センサ７の検出値が燃料電池の運転状態に基づく正常範囲を逸脱した異常時には、酸化ガス流量制御をフィードフォワード制御に切り替えて行うようにしている。

なお、目標空気流量演算部２３は要求発電量に基づいて目標空気流量値を演算する。推定空気流量演算部２４は、電流センサ８が検出した燃料電池本体６の発電電流値に基づいて推定空気流量を演算する。空気流量センサ正常範囲演算部２５は、推定空気流量演算部２４が演算した推定空気流量から、燃料電池の運転状態に基づいて空気流量センサ７の検出値の正常範囲を演算する。空気流量センサ監視部２６は、空気流量センサ７の検出値が正常範囲か否かを監視する。ＦＦ制御部２７は、目標空気流量演算部２３が演算した目標空気流量ＱＥに基づいて、予め記憶した制御マップ等を参照して、フィードフォワード制御時のコンプレッサ５の回転速度指令値を算出する。ＦＢ制御部２８は、目標空気流量演算部２３が演算した目標空気流量ＱＥと、空気流量センサ７が検出した空気流量の検出値とに基づいて、フィードバック制御時のコンプレッサ５の回転速度指令値［ｒｐｍ］を算出する。

また他の一例として、特許文献２「燃料電池システム」に示されているものが知られている。特許文献２に示されているように、燃料電池システム１０は、燃料電池１２と改質器１４とを含み、それに原燃料ガスや空気あるいは純水を供給するためにポンプ（またはブロワもしくはモータ）１６ａ−１６ｃ、１８ａ−１８ｂ，２４ａ−２４ｂが設けられ、これらのポンプはコンピュータ（図示せず）で流量調節のためにフィードバック制御される。すなわち、各ポンプにはそれぞれの流量を検出するセンサ（図示せず）が付属されていて、それによって検出された流量がそのコンピュータにフィードバックされ、コンピュータでは、各流量が目標値になるように、対応のポンプやモータに、たとえばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）値を指示する。そのフィードバック制御のために各ポンプ（補機）にたとえばＰＷＭ値のような制御出力値が指示される。この制御出力値に基づいて当該補機が制御不能になってしまうまでの時間を予測し、それから残り寿命時間を推測し、残り寿命時間が設定残り寿命時間を超えると警告するようになっている。

また他の一例として、特許文献３「流量制御バルブ及び燃料電池システム」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、燃料電池システムに設けた流量制御バルブは、流体の温度を検知する温度検知手段１０４（温度センサ３）と、流体の圧力を検知する圧力検知手段１０１（圧力センサ４）と、１次側ポートと２次側ポートの差圧を検知する差圧検知手段１０２（差圧センサ５）と、バルブの開度を調節できる開度調節手段１０８（モータ６）と、バルブの開度を検知する開度検知手段１０３（開度センサ２０）と、検知圧力、検知差圧、検知開度に基づいて流体の質量流量を演算する演算手段１０５と、演算された質量流量が設定量となるように前記調節と演算を繰り返すように制御する制御手段１０７を具備している。演算手段１０５は、二次側ポート圧力Ｐ_２、一次側ポートと二次側ポートの差圧ΔＰ、検知開度からＲＯＭに記録されているマップデータに基づいてバルブ有効断面積Ｓを算出し、このバルブ有効断面積Ｓと二次側ポート圧力Ｐ_２、一次側ポートと二次側ポートの差圧ΔＰ、流体の密度σを使用して式（１）、（２）により空気の質量流量を算出する。
特開２００４−９５２２６号公報（第４−９頁、第１，２図） 特開２００４−２１３９４５号公報（第３−７頁、第１−４図） 特開２０００−１６３１３４号公報（第３−５頁、第１，３図）

上述した特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、通常時には、酸化ガス流量センサ７による酸化ガス流量検出値ＱＳを用いてコンプレッサ５をフィードバック制御し、また異常時には、目標空気流量演算部２３が要求発電量に基づいて演算した目標空気流量ＱＥに基づいて、予め記憶した制御マップ等を参照して、酸化ガス流量制御をフィードフォワード制御している。このようなフィードバック制御においては、流量センサが必要となるため、装置が大型となり、また高コストとなるという問題があった。また、フィードフォワード制御においては、目標空気流量ＱＥのみに基づいてコンプレッサ５の回転速度指令値を算出するので、その回転速度指令値が正確でないおそれがあり、ひいては所望の酸化ガス流量を精度よく供給できないおそれがあった。

また、特許文献２に記載の燃料電池システムにおいても、流量を検出するセンサの検出結果を用いてポンプをフィードバック制御している。したがって、特許文献１と同様に、流量センサが必要となるため、装置が大型となり、また高コストとなるという問題があった。

また、特許文献３に記載の流量制御バルブ及び燃料電池システムにおいては、高価な質量流量計を設けることなく、検知圧力、検知差圧、検知開度に基づいて流体の質量流量を演算することにより正確に流量を制御しているが、流体の質量流量の演算は、次のように行われている。二次側ポート圧力Ｐ_２、一次側ポートと二次側ポートの差圧ΔＰ、前記検知開度からＲＯＭに記録されているマップデータに基づいてバルブ有効断面積Ｓを算出し、このバルブ有効断面積Ｓと二次側ポート圧力Ｐ_２、一次側ポートと二次側ポートの差圧ΔＰ、流体の密度σを使用して式（１）、（２）により空気の質量流量を算出している。この質量流量の演算方法は、流量制御バルブには有効に適用可能であるが、流体送出装置には有効に適用できない可能性が高いと考えられる。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、高価で大型な質量流量計を設けることなく、流体の流量を精度よく推定できる流体供給量推定装置、および流体の流量を精度よく制御できる燃料電池システム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、改質器に流体を供給する圧縮機であって、流路断面または流路長が運転状況に応じて変更される第１流路の上流側流路、および第１流路と共通の流体供給先を有する第２流路の少なくとも一方に設置された圧縮機から供給される流量を推定する装置において、圧縮機の駆動量と、圧縮機の吐出圧力と、第１流路の経路の形態とに応じて流量を推定することである。

また、請求項２に係る発明の構成上の特徴は、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、改質用燃料および改質水が供給されその供給された改質用燃料を改質することにより水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、可燃ガスが供給されその可燃ガスを燃焼しその燃焼ガスにより改質部を加熱する燃焼部と、改質部から供給された燃料ガス中の一酸化炭素を、供給された酸化剤ガスによって低減して燃料電池に供給する一酸化炭素低減部と、を備えた改質器と、改質器に供給されている各流体を同改質器にそれぞれ送出する流体送出装置と、流体送出装置の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、流体送出装置の駆動量を検出する駆動量検出手段と、改質器を暖機する暖機モードには、吐出圧力検出手段および駆動量検出手段によってそれぞれ検出された吐出圧力および駆動量から第１関数に基づいて流体送出装置の吐出量を推定送出量として導出する第１推定送出量導出手段と、改質器の暖機が完了し燃料電池が発電する発電モードには、吐出圧力検出手段および駆動量検出手段によってそれぞれ検出された吐出圧力および駆動量から第１関数と異なる第２関数に基づいて流体送出装置の吐出量を推定送出量として導出する第２推定送出量導出手段と、からなる推定送出量導出手段と、推定送出量導出手段によって導出された推定送出量および目標送出量に基づいて流体送出装置の操作量を導出する操作量導出手段と、操作量導出手段によって導出された操作量に基づいて流体送出装置を制御する制御手段と、を備えたことである。

また、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、流体送出装置の吐出温度を検出する吐出温度検出手段をさらに備え、推定送出量導出手段は、吐出温度検出手段によって検出された吐出温度も考慮して推定送出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２または請求項３において、推定送出量導出手段は、改質器の所定部位の温度に基づいて第１推定送出量導出手段から第２推定送出量導出手段に切り替えて推定送出量を導出することである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、改質器に流体を供給する圧縮機であって、流路断面または流路長が運転状況に応じて変更される第１流路の上流側流路、および第１流路と共通の流体供給先を有する第２流路の少なくとも一方に設置された圧縮機から供給される流量を推定する装置において、圧縮機の駆動量と、圧縮機の吐出圧力と、第１流路の経路の形態とに応じて流量を推定する。これにより、高価で大型な質量流量計を設けることなく、既存のセンサを利用して圧縮機からの流体の流量（供給量）を精度よく推定することができる。また、運転状況すなわち第１流路の経路の形態に応じて圧縮機からの流体の流量（供給量）を精度よく推定することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、改質器を暖機する暖機モードには、第１推定送出量導出手段が、吐出圧力検出手段および駆動量検出手段によってそれぞれ検出された吐出圧力および駆動量から第１関数に基づいて流体送出装置の吐出量を推定送出量として導出する。改質器の暖機が完了し燃料電池が発電する発電モードには、第２推定送出量導出手段が、吐出圧力検出手段および駆動量検出手段によってそれぞれ検出された吐出圧力および駆動量から第１関数と異なる第２関数に基づいて流体送出装置の吐出量を推定送出量として導出する。そして、操作量導出手段が、推定送出量導出手段によって導出された推定送出量および目標送出量に基づいて流体送出装置の操作量を導出し、制御手段が、操作量導出手段によって導出された操作量に基づいて流体送出装置を制御する。これにより、高価で大型な質量流量計を設けることなく、既存のセンサを利用して流体送出装置からの流体の送出量を精度よく推定し、その結果に基づいて流体の流量を精度よく制御できる。また、暖機モードと発電モードにおいて、それぞれのモードに応じて流体送出装置からの流体の送出量を精度よく推定し、その結果に基づいて流体の流量を精度よく制御できる。

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２に係る発明において、流体送出装置の吐出温度を検出する吐出温度検出手段をさらに備え、推定送出量導出手段は、吐出温度検出手段によって検出された吐出温度も考慮して推定送出量を導出する。これにより、流体送出装置の吐出温度に応じて推定送出量を導出することができるので、より正確に推定送出量を導出し、その結果に基づいて流体の流量をより高精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４に係る発明においては、請求項２または請求項３に係る発明において、推定送出量導出手段は、改質器の所定部位の温度に基づいて第１推定送出量導出手段から第２推定送出量導出手段に切り替えて推定送出量を導出する。これにより、推定送出量を暖機モードまたは発電モードに応じて的確かつ適切に切り替えることができる。

以下、本発明による燃料電池システム（本発明による流体供給量推定装置を適用した燃料電池システム）の一実施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燃料電池１０とこの燃料電池１０に必要な水素ガスを含む燃料ガスである改質ガスを生成する改質器２０を備えている。

燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介在された電解質１３を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。また、燃料電池１０内には燃料電池１０の温度を検出する温度センサ１０ａが設けられている。温度センサ１０ａの検出信号は制御装置３０に出力されるようになっている。

改質器２０は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、改質部２１、冷却部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３、一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４、燃焼部２５、および蒸発部２６から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

改質部２１は、改質用燃料に水蒸気が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部２１は有底円筒状に形成されており、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路２１ａを備えている。

改質部２１の折り返し流路２１ａ内には、触媒２１ｂ（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、冷却部２２から導入された改質用燃料と水蒸気供給管５１から導入された水蒸気との混合ガスが触媒２１ｂによって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、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が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）は冷却部（熱交換部）２２に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

冷却部２２は、改質部２１から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水（水蒸気）との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器（熱交換部）であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してＣＯシフト部２３に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部２１に導出するようになっている。

具体的には、冷却部２２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、改質用燃料ポンプ４３、脱硫器４４および第２燃料バルブ４５が設けられている。第１および第２燃料バルブ４２，４５は制御装置３０の指令によって燃料供給管４１を開閉するものである。改質用燃料ポンプ４３は、制御装置３０の指令に応じて改質部２１に改質用燃料を供給し、その供給量を調整するものである。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。

改質用燃料ポンプ４３は、ポンプの回転数（駆動量）を検出する駆動量検出手段である回転数センサ４３ａを備えている。回転数センサ４３ａが検出した検出信号は制御装置３０に出力されるようになっている。改質用燃料ポンプ４３の吐出口には、圧力センサ４３ｂおよび温度センサ４３ｃが設けられている。圧力センサ４３ｂは、改質用燃料ポンプ４３の出口側（吐出側）の流体（空気）の圧力を検出する吐出圧力検出手段であり、その検出信号を制御装置３０に出力するようになっている。温度センサ４３ｂは、改質用燃料ポンプ４３の出口側（吐出側）の流体（空気）の温度を検出する吐出温度検出手段であり、その検出信号を制御装置３０に出力するようになっている。

また、燃料供給管４１の第２燃料バルブ４５と冷却部２２との間には蒸発部２６に接続された水蒸気供給管５１が接続されている。蒸発部２６から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部２２を通って改質部２１に供給されている。

ＣＯシフト部２３は、改質部２１から冷却部２２を通って供給された改質ガス（燃料ガス）中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素が、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選択酸化部２４は、ＣＯシフト部２３から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池１０に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯ選択酸化部２４は、円筒状に形成されて、蒸発部２６の外周壁を覆って当接して設けられている。ＣＯ選択酸化部２４の内部には、触媒２４ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されている。

このＣＯ選択酸化部２４の側壁面下部および側壁面上部には、ＣＯシフト部２３に接続された接続管９３および燃料電池１０の燃料極１１に接続された改質ガス供給管７１がそれぞれ接続されている。接続管９３には、酸化用空気を供給する酸化用空気供給管６１が接続されている。これにより、ＣＯ選択酸化部２４には、ＣＯシフト部２３からの改質ガスと酸化用空気とが導入されるようになっている。なお、酸化用空気供給管６１には、上流から順番に酸化用空気ブロア６３および酸化用空気バルブ６４が設けられている。酸化用空気ブロア６３は酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ６４は酸化用空気供給管６１を開閉するものである。

したがって、ＣＯ選択酸化部２４内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応（酸化）して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒２４ａによって促進される。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、燃料電池１０の燃料極１１に供給されるようになっている。

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２４ｂが設けられている。温度センサ２４ｂの検出信号は制御装置３０に出力されるようになっている。

燃焼部２５は、燃焼用燃料を燃焼用酸化剤ガスにより燃焼してその燃焼ガスによって改質部２１を加熱するもの、すなわち改質部２１を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部２１の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。

燃焼部２５には、改質用燃料ポンプ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が接続されるとともに、燃料極１１の導出口に一端が接続されているオフガス供給管７２の他端が接続されている。燃料電池１０の起動当初（暖機モード）、燃焼用燃料が燃焼部２５に供給され、燃料電池１０の起動運転中（暖機モード）、ＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスが燃料電池１０を経由しないで燃焼部２５に供給され、燃料電池１０の定常運転中（発電モード）、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）が燃焼部２５に供給されるようになっている。また、改質ガスやオフガスの不足分を燃焼用燃料で補っている。

また、燃焼部２５には、燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給管６５が接続されており、燃焼用燃料、アノードオフガス、改質ガスなどの可燃ガス、および可燃ガスを燃焼（酸化）させるための燃焼用空気などの酸化剤ガスが供給されるようになっている。

なお、燃焼用燃料供給管４７には燃焼用燃料ポンプ４８が設けられている。燃焼用燃料ポンプ４８は燃焼用燃料を供給しその供給量を調整するものである。また、燃焼用空気供給管６５には燃焼用空気ブロア６６が設けられている。燃焼用空気ブロア６６は燃焼用空気を供給しその供給量を調整するものである。

燃焼用空気ブロア６６は、ブロアの回転数（駆動量）を検出する駆動量検出手段である回転数センサ６６ａを備えている。回転数センサ６６ａが検出した検出信号は制御装置３０に出力されるようになっている。燃焼用空気ブロア６６の吐出口には、圧力センサ６６ｂおよび温度センサ６６ｃが設けられている。圧力センサ６６ｂは、燃焼用空気ブロア６６の出口側（吐出側）の流体（空気）の圧力を検出する吐出圧力検出手段であり、その検出信号を制御装置３０に出力するようになっている。温度センサ６６ｂは、燃焼用空気ブロア６６の出口側（吐出側）の流体（空気）の温度を検出する吐出温度検出手段であり、その検出信号を制御装置３０に出力するようになっている。

上述した燃焼部２５は着火されると、供給されている燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスが燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは、燃焼ガス流路２７を流通し、排気管９１を通って燃焼排ガスとして排気される。これにより、燃焼ガスは改質部２１および蒸発部２６を加熱する。燃焼ガス流路２７は、改質部２１の内周壁に沿って当接して配設され、折り返されて改質部２１の外周壁と断熱部２８との間に当接して配設され、折り返されて断熱部２８と蒸発部２６の間に当接して配設された流路である。

蒸発部２６は、改質水を加熱して沸騰させて水蒸気を生成して冷却部２２を介して改質部２１に供給するものである。蒸発部２６は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路２７の最も外側の流路の外周壁を覆って当接して設けられている。

この蒸発部２６の下部（例えば側壁面下部、底面）には改質水タンクＳｗに接続された給水管５２が接続されている。蒸発部２６の上部（例えば側壁面上部）には水蒸気供給管５１が接続されている。改質水タンクＳｗから導入された改質水は、蒸発部２６内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびＣＯ選択酸化部２４からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気供給管５１および冷却部２２を介して改質部２２へ導出するようになっている。なお、給水管５２には、上流から順番に改質水ポンプ５３および改質水バルブ５４が設けられている。改質水ポンプ５３は、蒸発部２６に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。改質水バルブ５４は給水管５２を開閉するものである。

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が接続されるとともに、燃料極１１の導出口にはオフガス供給管７２を介して燃焼部２５が接続されている。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。

暖機モード（起動運転中）には、ＣＯ選択酸化部２４から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、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を開き、発電モード（定常運転中）には、ＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスを燃料電池１０に供給するため、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を閉じている。

暖機モードは改質器２０を暖機するモードであり、すなわち生成する改質ガス中の一酸化炭素濃度が燃料電池１０の触媒１３を被毒しない低濃度となるまでの運転モード（運転状況）である。発電モードは改質器２０の暖機が完了し燃料電池１０が発電する運転モード（運転状況）である。

第１流路Ｌ１は、上述したＣＯ選択酸化部２４から燃焼部２５までの改質ガスまたはオフガスの流路のことである。この第１流路Ｌ１は、暖機モードでは改質ガスが通る改質ガス供給管７１、バイパス管７３，オフガス供給管７２から構成される経路であり、また発電モードでは改質ガスが改質ガス供給管７１を通り燃料電池１０の燃料極１１を通過し、燃料電池１０にて改質ガス中の水素が消費されて未使用の水素を含むオフガスが通るオフガス供給管７２から構成される経路である。このように第１流路Ｌ１の経路の形態は、運転状況（暖機モードか或いは発電モード）に応じて変更されるものである。

また、バイパス管７３と燃料電池１０の燃料極１１の流路を比較した場合，燃料極１１の流路は例えば幅広で薄いセパレータの表面に折り返し形成された幅の狭い浅い溝であるので（一般的にバイパス管７３の内径より小径であるので）、流路断面は燃料極１１の流路の方が小さく、また流路長は燃料極１１経由の流路の方が長い。すなわち、第１流路Ｌ１は、流路断面または流路長が運転状況（暖機モードか或いは発電モード）に応じて変更されるものである。

また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、カソード用空気を供給するカソード用空気供給管６７が接続されるとともに、空気極１２の導出口には、排気管９２が接続されている。空気極１２に空気が供給され、オフガスが排気されるようになっている。なお、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ブロア６８およびカソード用空気バルブ６９が設けられている。カソード用空気ブロア６８はカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ６９はカソード用空気供給管６７を開閉するものである。

上述した改質用燃料ポンプ４３、燃焼用燃料ポンプ４８、酸化用空気ブロア６３、燃焼用空気ブロア６６は、改質器２０に燃料や空気である流体を送出（圧送）する流体送出装置であり、また燃料や空気を高圧にして出力するという意味では圧縮機でもある。

また、燃料電池システムは制御装置３０を備えており、この制御装置３０には、上述した各温度センサ１０ａ，２４ｂ，４３ｃ，６６ｃ、回転数センサ４３ａ，６６ａ、圧力センサ４３ｂ，６６ｂ、各ポンプ４３，４８，５３、各ブロア６３，６６，６８、各バルブ４２，４５，５４，６４，６９，７４，７５，７６、および燃焼部２５が接続されている（図２参照）。なお、制御装置３０が各ポンプ４３，４８，５３、各ブロア６３，６６，６８、に接続されているとは、それらの各駆動源（例えばモータ）に接続されているということである。

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１０ａ，２４ｂ，４３ｃ（６６ｃ）、回転数センサ４３ａ（６６ａ）、圧力センサ４３ｂ（６６ｂ）からの入力信号に基づいて、各ポンプ４３，４８，５３、各ブロア６３，６６，６８、各バルブ４２，４５，５４，６４，６９，７４，７５，７６、および燃焼部２５を制御している。これにより、燃料電池システムの起動運転（暖機モード）および発電運転（発電モード）を実施するとともに、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、改質水およびカソード用空気の各供給量を制御している。ＲＡＭは同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は前記プログラムを記憶するものである。

制御装置３０は、流体送出装置である例えば改質用燃料ポンプ４３（または燃焼用空気ブロア６６）から供給される流量（送出量）を推定する流体供給量推定装置であり、図３に示すように、制御ロジック部３１と流量推定ロジック部（推定送出量導出手段）３２とを備えている。制御ロジック部３１は、設定流量ｒｆｌｕｘと流量推定ロジック部３２からの推定流量ｅｓｔｆｌｕｘとを入力してそれらに基づいて改質用燃料ポンプ４３のモータ４３ｄのデューティ比ｄｕｔｙを演算し、その演算結果をモータ４３ｄのドライバ回路４３ｅへ出力するものである。これにより、モータ４３ｄは演算結果に基づいたデューティ比ｄｕｔｙでＰＷＭ制御される（パルスの大きさは一定で，パルス幅をデューティ比に応じて変化させて制御する）。設定流量ｒｆｌｕｘが目標送出量であり、推定流量ｅｓｔｆｌｕｘが推定送出量であり、デューティ比ｄｕｔｙが操作量である。設定流量ｒｆｌｕｘは、燃料電池システムの電力供給先に設置された負荷装置で消費される電流・電力と、予め記憶されている燃料供給マップとに基づいて導出されるものである。燃料供給マップは、負荷装置で消費される電流・電力と改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気、改質水およびカソード用空気の各供給量（供給指示値）との相関関係を示すものである。

流量推定ロジック部３２は、モータ４３ｄの回転数ｒｅｖ、改質用燃料ポンプ４３の吐出圧力ｐｒｅｓｓおよび吐出温度ｔｅｍｐを入力してそれらに基づいて推定流量ｅｓｔｆｌｕｘを導出して、その推定流量ｅｓｔｆｌｕｘを制御ロジック部３１に出力するものである。吐出圧力ｐｒｅｓｓは、改質用燃料ポンプ４３から吐出された流体（改質用燃料）の圧力である。吐出温度ｔｅｍｐは、改質用燃料ポンプ４３から吐出された流体（改質用燃料）の圧力である。吐出温度ｔｅｍｐは改質用燃料ポンプ４３の雰囲気温度と相関があるので、吐出温度ｔｅｍｐの代用として雰囲気温度を使用するようにしてもよい。

図４に示すように、流量推定ロジック部３２は、暖機モード流量推定ロジック部（第１推定送出量導出手段）３２ａ、発電モード流量推定ロジック部（第２推定送出量導出手段）３２ｂ、移行モード流量推定ロジック部３２ｃ、および流量推定ロジック切替部３２ｄを備えている。

暖機モード流量推定ロジック部３２ａは、暖機モードにおいて、改質用燃料ポンプ４３のモータ４３ｄの回転数ｒｅｖ、改質用燃料ポンプ４３の吐出圧力ｐｒｅｓｓおよび吐出温度ｔｅｍｐを入力し、それらと下記数１に示す第１関数に基づいて第１推定流量を導出する。この第１推定流量を推定流量（推定送出量）ｅｓｔｆｌｕｘとする。推定流量ｅｓｔｆｌｕｘは、改質用燃料ポンプ４３の吐出量（供給量）である。なお、推定流量ｅｓｔｆｌｕｘの体積はノルマル基準である。

発電モード流量推定ロジック部３２ｂは、発電モードにおいて、改質用燃料ポンプ４３のモータ４３ｄの回転数ｒｅｖ、改質用燃料ポンプ４３の吐出圧力ｐｒｅｓｓおよび吐出温度ｔｅｍｐを入力し、それらと下記数２に示す第１関数と異なる第２関数に基づいて第２推定流量を導出する。この第２推定流量を推定流量（推定送出量）ｅｓｔｆｌｕｘとする。

移行モード流量推定ロジック部３２ｃは、暖機モードが終了し発電モードに切り替わる移行モードにおいて、上述した暖機モード流量推定ロジック部３２ａおよび発電モード流量推定ロジック部３２ｂと同様に第１および第２関数を使用して第１および第２推定流量の両方を導出する。そして、導出された第１および第２推定流量と下記数３とに基づいて第３推定流量を導出する。この第３推定流量を推定流量（推定送出量）ｅｓｔｆｌｕｘとする。移行モードは所定時間Ｔａ（例えば１０ｓｅｃ）内に切替が完了するようになっている。
（数３）
第３推定流量＝第１推定流量×（１−α）＋第２推定流量×α

ただし、α＝Ｔｅｌｐ／Ｔａであり、Ｔｅｌｐは移行モードが開始された時点からの経過時間である。第３推定流量の導出は所定の短時間（例えば１ｓｅｃ）毎に実施される。

流量推定ロジック切替部３２ｄは、改質ガスの温度すなわち改質器２０の所定部位（ＣＯ選択酸化部２４）の温度に基づいて暖機モード流量推定ロジック部３２ａから発電モード流量推定ロジック部３２ｂに切り替える。すなわち、改質器２０の暖機が開始され、ＣＯ選択酸化部２４の温度が所定温度以上になると、暖機モード流量推定ロジック部３２ａを完了し、発電モード流量推定ロジック部３２ｂに切り替える。ＣＯ選択酸化部２４の温度（改質ガスの温度）が所定温度以上であれば、改質器２０から供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定濃度より低くなり、一酸化炭素による燃料電池１０の触媒の被毒を避けることができる。また、流量推定ロジック切替部３２ｄは、燃料電池１０の温度も合わせて考慮して暖機モード流量推定ロジック部３２ａから発電モード流量推定ロジック部３２ｂに切り替えるようにしてもよい。燃料電池が所定温度以上であれば、触媒の活性温度域内においては効率よく発電することが可能となる。

また、流量推定ロジック切替部３２ｄは、暖機モード流量推定ロジック部３２ａから発電モード流量推定ロジック部３２ｂに直接切り替えるのではなく、移行モードを経由して切り替えるのが好ましい。この場合、改質ガスの温度に基づいて暖機モード流量推定ロジック部３２ａから移行モード流量推定ロジック部３２ｃに切り替え、その後所定時間Ｔａが経過した時点に、移行モード流量推定ロジック部３２ｃから発電モード流量推定ロジック部３２ｂに切り替えるようにすればよい。

ここで、上述した第１関数および第２関数の算出方法について説明する。まず、推定流量ｅｓｔｆｌｕｘが、流体送出装置（改質用燃料ポンプ４３）の回転数ｒｅｖおよび吐出圧力ｐｒｅｓｓから演算することができる理由を説明する。本願の発明者は、改質用燃料ポンプ４３からの改質用燃料（流体）の送出量を推定する（推定送出量を導出する）にあたって、この送出量（流量）は、改質用燃料ポンプ４３の駆動または駆動結果に関係するパラメータ、すなわち回転数ｒｅｖおよび吐出圧力ｐｒｅｓｓと相関があると予想した。

そして、実機を使用して回転数ｒｅｖを変化させて改質用燃料ポンプ４３からの改質用燃料（流体）の送出量（流体流量）を測定した。なお、この送出量を測定するために改質用燃料ポンプ４３の出口に流量計を設置している。その測定結果、回転数ｒｅｖと流体流量との関係は一義的ではないことを得た。具体的には、回転数ｒｅｖが上がる時と下がる時ではヒステリシスの影響を受けるため、回転数ｒｅｖと流体流量は、回転数ｒｅｖが上がる時と下がる時においてそれぞれ異なる相関関係を示すことになる。

また、実機を使用して吐出圧力ｐｒｅｓｓを変化させて改質用燃料ポンプ４３からの改質用燃料（流体）の送出量（流体流量）を測定した。なお、この送出量を測定するために改質用燃料ポンプ４３の出口に流量計を設置している。その測定結果、吐出圧力ｐｒｅｓｓと流体流量との関係は一義的ではないことを得た。具体的には、吐出圧力ｐｒｅｓｓが上がる時と下がる時ではヒステリシスの影響を受けるため、吐出圧力ｐｒｅｓｓと流体流量は、吐出圧力ｐｒｅｓｓが上がる時と下がる時においてそれぞれ異なる相関関係を示すことになる。

そこで、発明者は、回転数ｒｅｖと吐出圧力ｐｒｅｓｓを変数とする関数をいろいろ作成しそれぞれにおいて回転数ｒｅｖと吐出圧力ｐｒｅｓｓを変化させて流体流量を実測することにより、回転数ｒｅｖと吐出圧力ｐｒｅｓｓを変数とする関数の中から、ヒステリシスの影響を受けないものを見出した。

すなわち、燃料電池システムの実機を使用して、燃料電池システムの暖機モードおよび発電モードにおけるデータを取得する。取得した実験データの一例を図５に示す。実流量（ｃｍ^３／ｍｉｎ）は、改質用燃料ポンプ４３の出口に設置されている実験用の流量計で測定され、図５の実線で示されている。吐出圧力（Ｐａ）は、圧力センサ４３ｂで測定され、図５の四角と実線で示されている。回転数（ｒｐｍ）は、回転数センサ４３ａによって測定され、図５の丸で示されている。

この計測されたデータから「回転数、圧力」と「流量」の相関を確認すると、暖機モードと発電モードでは相関が異なることと、暖機モードにおける相関は一次関数近似であり、発電モードにおける相関は二次関数近似であることを見出した。具体的には、暖機モードにおいては、図６に示すように、流体流量は回転数ｒｅｖと吐出圧力ｐｒｅｓｓとの和と一義的な関係であることを見出した。発電モードにおいては、図７に示すように、流体流量は回転数ｒｅｖと吐出圧力ｐｒｅｓｓとの和の二乗と一義的な関係であることを見出した。

このように暖機モードと発電モードで「回転数ｒｅｖと吐出圧力ｐｒｅｓｓ」と「流体流量」の相関が異なるのは次の理由による。暖機モードと発電モードの経路は異なっている。上述したように、暖機モードにおいては、ＣＯ選択酸化部２４は燃料電池１０を迂回しバイパス管７３を介して燃焼部２５に接続され、改質器２０からの改質ガスは燃料電池１０を通らない。また、発電モードにおいては、ＣＯ選択酸化部２４は燃料電池１０を介して燃焼部２５に接続され、改質器２０からの改質ガスは燃料電池１０を通る。

一方、燃料電池１０においては、圧損が生じる。この圧損ΔＰは下記数４で示される。この数４から明らかなように、圧損ΔＰは流速ｖの二乗に比例する。λは損失係数であり、ρは気体密度であり、ｖは流速であり流量／管断面積で表されている。これらのうちλ、ρ、管断面積は定数であり、流量が変数である。したがって、流量が大きくなれば圧損ΔＰは流量の二乗に比例して大きくなる。すなわち、発電モードにおいては、暖機モードと同じ流量を流そうとしても、燃料電池１０でより大きな圧損を受けるため、流量が減じてしまう。このとき、流そうとする流量が大きくなるほどその二乗に比例して圧力・回転数の増加率は減少する。

次に、上記数１および数２でそれぞれ示されている第１および第２関数の各係数Ａ１，Ｂ１、Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２，Ｅ２を決定する。すなわち、先に取得した実測データのうち暖気モードのデータと上記数１とを用いて、係数Ａ１，Ｂ１を線形計画問題（例えば最小二乗法）に基づいて算出する。このとき、実測データは基準温度（ノルマル温度）で取得したものである。また、先に取得した実測データのうち発電モードのデータと上記数２とを用いて、係数Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２，Ｅ２を線形計画問題（例えば最小二乗法）に基づいて算出する。このとき、実測データは基準温度（ノルマル温度）で取得したものである。

なお、第１および第２関数の温度補正項（＝（２７３／吐出温度＋２７３））は、雰囲気温度を変化させて実機で測定した測定データに基づいて算出されたものである。

上述した燃料電池システムの作動について説明する。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。すなわち燃料電池システムは暖機モードに入る。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を燃焼部２５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および燃焼用空気ブロア６６を駆動して燃焼用燃料および燃焼用空気を燃焼部２５に供給して燃焼部２５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および蒸発部２６が加熱される。

制御装置３０は、蒸発部２６が水蒸気を生成するのに十分な温度に達すると、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）だけ蒸発部２６を介して改質部２１に供給を開始する。その後、制御装置３０は、第２燃料バルブ４５を開いて改質用燃料ポンプ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、酸化用空気バルブ６４を開いて酸化用空気ブロア６３を駆動させ酸化用空気を所定流量（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２５に供給され燃焼される。

このような改質ガスの生成中において、制御装置３０は、温度センサ２４ｂ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所定温度以上となれば、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定の低濃度以下となったとして、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の導出口を燃焼部２５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。すなわち燃料電池システムは発電モードに入る。

制御装置３０は、発電モードにおいては、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。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改質用燃料ポンプ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２５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、燃焼部２５に供給する燃焼用燃料の供給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ブロア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酸化用空気ブロア６３を駆動させ、そして改質器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ブロア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運転を実施して停止する。

さらに、改質用燃料ポンプ４３の推定送出量の算出および算出した推定送出量による改質用燃料ポンプ４３の制御について図８〜１０に示したフローチャートを参照しながら説明する。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、上記フローチャートに対応したプログラムの実行を開始する。制御装置３０は、図８のステップ１００にてプログラムの実行を開始すると、流量推定ロジック切替部３２ｄは暖機モード流量推定ロジック部３２ａに切り替えて暖機モードの流量推定を実施する（ステップ１０２）。

制御装置３０は、図９に示す暖機モード流量推定サブルーチンに対応したプログラムを実施する。制御装置３０は、ステップ２００にてプログラムが開始される毎に、回転数センサ４３ａが検出した改質用燃料ポンプ４３の回転数ｒｅｖを入力し、圧力センサ４３ｂが検出した改質用燃料ポンプ４３の吐出圧力ｐｒｅｓｓを入力し、温度センサ４３ｃが検出した改質用燃料ポンプ４３の吐出温度ｔｅｍｐを入力する（ステップ２０２）。

制御装置３０は、ステップ２０４にて、ステップ２０２で入力した回転数ｒｅｖおよび吐出圧力ｐｒｅｓｓから上記数１に基づいて基準推定流量ｆｌｕｘを算出する。基準推定流量ｆｌｕｘは雰囲気温度が基準温度（例えば２０℃）である場合の推定流量である。また、制御装置３０は、ステップ２０２で入力した吐出温度ｔｅｍｐから上述した温度補正項（＝（２７３／吐出温度＋２７３））に基づいて温度補正値を算出し、その温度補正値を先に算出した基準推定流量ｆｌｕｘに乗算することにより、基準推定流量ｆｌｕｘをその雰囲気温度に応じて補正する。この暖機モード流量推定によって導出された基準推定流量ｆｌｕｘは第１推定流量である。

制御装置３０は、ステップ２０６にて、回転数ｒｅｖが所定値（例えば５００ｒｐｍ）以下である場合には、「０」を推定流量ｅｓｔｆｌｕｘとし、所定値より大きい場合には基準推定流量ｆｌｕｘを推定流量ｅｓｔｆｌｕｘとして算出する。

そして、制御装置３０は、ステップ２０８にて、別に導出される設定流量ｒｆｌｕｘを入力する。ステップ２１０にて、入力した設定流量ｒｆｌｕｘとステップ２０６で算出した推定流量ｅｓｔｆｌｕｘとに基づいて、設定流量ｒｆｌｕｘに追従する操作量であるモータ４３ｄのデューティ比ｄｕｔｙ（フィードバック制御量；＝ｆ_５（ｒｆｌｕｘ，ｅｓｔｆｌｕｘ））を算出する。そして、ステップ２１２にて、先に算出したモータ４３ｄのデューティ比ｄｕｔｙをモータ４３ｄのドライバ回路４３ｅへ出力して、改質用燃料ポンプ４３を駆動する。その後プログラムを図８のステップ１０４に進める。

制御装置３０は、暖機モード流量推定を移行モード流量推定に切り替えるか否かを判定する。具体的には、制御装置３０は、温度センサ１０ａが検出した燃料電池温度ｓｔａｃｋ＿ｔを入力し、温度センサ２４ｂが検出したＣＯ選択酸化部の温度すなわち改質ガス温度ｒｉｃｈ＿ｔを入力する（ステップ１０４）。制御装置３０は、燃料電池温度ｓｔａｃｋ＿ｔおよび改質ガス温度ｒｉｃｈ＿ｔに基づいて、暖機モードから移行モードに切り替わる条件を満たすか否かを判定する（ステップ１０６）。その条件は、燃料電池温度ｓｔａｃｋ＿ｔおよび改質ガス温度ｒｉｃｈ＿ｔがそれぞれ所定温度以上であることである。条件を満たせばフラグＦＬＡＧ＿ｍｏｖｅを立てて、そうでなければフラグＦＬＡＧ＿ｍｏｖｅを立てない。

制御装置３０は、フラグＦＬＡＧ＿ｍｏｖｅが立っていない場合、ステップ１０８にて「ＮＯ」と判定し、フラグＦＬＡＧ＿ｍｏｖｅが立つまでステップ１０２〜１０６の処理を繰り返し実行する。制御装置３０は、フラグＦＬＡＧ＿ｍｏｖｅが立つと、ステップ１０８にて「ＹＥＳ」と判定し、暖機モードを終了し発電モードに移行すると同時に暖機モード流量推定を移行モード流量推定に切り替える。

制御装置３０においては、流量推定ロジック切替部３２ｄは暖機モード流量推定ロジック部３２ａから移行モード流量推定ロジック部３２ｂに切り替えて移行モードの流量推定を実施する（ステップ１１０）。この場合、制御装置３０は、ステップ２０４の処理を除いて上述した暖機モード流量推定と同様な処理を実施する。制御装置３０はステップ２０４の処理に代えて次のような処理を実施する。制御装置３０は、ステップ２０２と同様に入力した回転数ｒｅｖ、吐出圧力ｐｒｅｓｓおよび吐出温度ｔｅｍｐから上記数１に基づいて基準推定流量ｆｌｕｘ（第１推定流量）を導出するとともに、後述するステップ３０２と同様に入力した回転数ｒｅｖ、吐出圧力ｐｒｅｓｓおよび吐出温度ｔｅｍｐから上記数２に基づいて基準推定流量ｆｌｕｘ（第２推定流量）を導出する。そして、これら導出された第１および第２推定流量と上記数３とに基づいて第３推定流量を導出する。この第３推定流量を推定流量（推定送出量）ｅｓｔｆｌｕｘとする。

制御装置３０は、移行モード流量推定を発電モード流量推定に切り替えるか否かを判定する。具体的には、制御装置３０は、燃料電池運転時刻を入力し（ステップ１１２）、この時刻に基づいて移行モードから発電モードに切り替わる条件を満たすか否かを判定する（ステップ１１４）。その条件は、移行モードが開始された時点からの経過時間Ｔｅｌｐが所定時間Ｔａ（例えば１０ｓｅｃ）を経過したことである。条件を満たせばフラグＦＬＡＧ＿ｇｅｎｅを立てて、そうでなければフラグＦＬＡＧ＿ｇｅｎｅを立てない。

制御装置３０は、フラグＦＬＡＧ＿ｇｅｎｅが立っていない場合、ステップ１１６にて「ＮＯ」と判定し、フラグＦＬＡＧ＿ｇｅｎｅが立つまでステップ１１０〜１１４の処理を繰り返し実行する。制御装置３０は、フラグＦＬＡＧ＿ｇｅｎｅが立つと、ステップ１１６にて「ＹＥＳ」と判定し、移行モード流量推定を発電モード流量推定に切り替える。

制御装置３０においては、流量推定ロジック切替部３２ｄは移行モード流量推定ロジック部３２ｃから発電モード流量推定ロジック部３２ｂに切り替えて発電モードの流量推定を実施する（ステップ１１８）。

制御装置３０は、図１０に示す発電モード流量推定サブルーチンに対応したプログラムを実施する。制御装置３０は、ステップ３００にてプログラムが開始される毎に、回転数センサ４３ａが検出した改質用燃料ポンプ４３の回転数ｒｅｖを入力し、圧力センサ４３ｂが検出した改質用燃料ポンプ４３の吐出圧力ｐｒｅｓｓを入力し、温度センサ４３ｃが検出した改質用燃料ポンプ４３の吐出温度ｔｅｍｐを入力する（ステップ３０２）。

制御装置３０は、ステップ３０４にて、ステップ３０２で入力した回転数ｒｅｖおよび吐出圧力ｐｒｅｓｓから上記数２に基づいて基準推定流量ｆｌｕｘを算出する。基準推定流量ｆｌｕｘは雰囲気温度が基準温度（例えば２０℃）である場合の推定流量である。また、制御装置３０は、ステップ３０２で入力した吐出温度ｔｅｍｐから上述した温度補正項（＝（２７３／吐出温度＋２７３））に基づいて温度補正値を算出し、その温度補正値を先に算出した基準推定流量ｆｌｕｘに乗算することにより、基準推定流量ｆｌｕｘをその雰囲気温度に応じて補正する。この発電モード流量推定によって導出された基準推定流量ｆｌｕｘは第２推定流量である。

制御装置３０は、ステップ３０６にて、回転数ｒｅｖが所定値（例えば５００ｒｐｍ）以下である場合には、「０」を推定流量ｅｓｔｆｌｕｘとし、所定値より大きい場合には基準推定流量ｆｌｕｘを推定流量ｅｓｔｆｌｕｘとして算出する。

そして、制御装置３０は、ステップ３０８にて、別に導出される設定流量ｒｆｌｕｘを入力する。ステップ３１０にて、入力した設定流量ｒｆｌｕｘとステップ３０６で算出した推定流量ｅｓｔｆｌｕｘとに基づいて、設定流量ｒｆｌｕｘに追従する操作量であるモータ４３ｄのデューティ比ｄｕｔｙ（フィードバック制御量；＝ｆ_５（ｒｆｌｕｘ，ｅｓｔｆｌｕｘ））を算出する。そして、ステップ３１２にて、先に算出したモータ４３ｄのデューティ比ｄｕｔｙをモータ４３ｄのドライバ回路４３ｅへ出力して、改質用燃料ポンプ４３を駆動する。その後プログラムを図８のステップ１２０に進める。

制御装置３０は、燃料電池システムの運転が停止されたか否かを判定する。例えば、制御装置３０は、停止スイッチが押されれば停止されたと判定する（ステップ１２０）。制御装置３０は、燃料電池システムが停止されない場合、ステップ１２０にて「ＮＯ」と判定し、燃料電池システムが停止されるまでステップ１１８の処理を繰り返し実行する。制御装置３０は、燃料電池システムが停止されると、ステップ１２０にて「ＹＥＳ」と判定し、本プログラムを停止する。

このようにして推定した改質用燃料ポンプ４３の推定送出量を使用して改質用燃料ポンプ４３の流量制御を行って実際の流量を測定したものを図１１に示す。図１１においては、目標値である設定流量ｒｆｌｕｘを比較的濃い色の曲線Ｌ１で示しており、これに対して実流量を比較的濃い色の実線と四角で表す曲線Ｌ２で示している。この推定送出量を実流量とみなすことができる。図１１から明らかなように、実流量は非常によく設定流量ｒｆｌｕｘに追従しており、したがって、流体の流量を精度よく制御していることがわかる。

上述した説明から明らかなように、本実施形態においては、改質器２０を暖機する暖機モードには、第１推定送出量導出手段（暖機モード流量推定ロジック部３２ａ、ステップ１０２）が、吐出圧力検出手段（圧力センサ４３ｂ）および駆動量検出手段（回転数センサ４３ａ）によってそれぞれ検出された吐出圧力および駆動量から第１関数に基づいて流体送出装置（改質用燃料ポンプ４３）の吐出量を推定送出量として導出する。改質器２０の暖機が完了し燃料電池１０が発電する発電モードには、第２推定送出量導出手段（発電モード流量推定ロジック部３２ｃ）が、吐出圧力検出手段（圧力センサ４３ｂ）および駆動量検出手段（回転数センサ４３ａ）によってそれぞれ検出された吐出圧力および駆動量から第１関数と異なる第２関数に基づいて流体送出装置（改質用燃料ポンプ４３）の吐出量を推定送出量として導出する。そして、操作量導出手段（制御ロジック部３１）が、推定送出量導出手段（流量推定ロジック部３２）によって導出された推定送出量ｅｓｔｆｌｕｘおよび目標送出量ｒｆｌｕｘに基づいて流体送出装置の操作量（デューティ比ｄｕｔｙ）を導出し、制御手段（制御ロジック部３１）が、操作量導出手段によって導出された操作量に基づいて流体送出装置を制御する。これにより、高価で大型な質量流量計を設けることなく、既存のセンサを利用して流体送出装置からの流体の送出量を精度よく推定し、その結果に基づいて流体の流量を精度よく制御できる。また、暖機モードと発電モードにおいて、それぞれのモードに応じて流体送出装置からの流体の送出量を精度よく推定し、その結果に基づいて流体の流量を精度よく制御できる。

すなわち、改質器２０に流体である改質用燃料を供給する圧縮機（改質用燃料ポンプ４３）であって、流路断面または流路長が運転状況に応じて変更される第１流路Ｌ１の上流側流路である燃料供給管４１に設置された圧縮機（改質用燃料ポンプ４３）から供給される流量を推定する装置（制御装置３０）において、改質用燃料ポンプ４３の駆動量と、改質用燃料ポンプ４３の吐出圧力と、第１流路Ｌ１の経路の形態（すなわち運転状況に対応した形態である）とに応じて流量を推定する。これにより、高価で大型な質量流量計を設けることなく、既存のセンサを利用して圧縮機からの流体の流量（供給量）を精度よく推定することができる。また、運転状況すなわち第１流路の経路の形態に応じて圧縮機からの流体の流量（供給量）を精度よく推定することができる。

また、流体送出装置（改質用燃料ポンプ４３）の吐出温度を検出する吐出温度検出手段（温度センサ４３ｃ）をさらに備え、推定送出量導出手段（流量推定ロジック部３２）は、吐出温度検出手段によって検出された吐出温度ｔｅｍｐも考慮して推定送出量ｅｓｔｆｌｕｘを導出する。これにより、流体送出装置の吐出温度に応じて推定送出量を導出することができるので、より正確に推定送出量を導出し、その結果に基づいて流体の流量をより高精度に制御することができる。

また、推定送出量導出手段（流量推定ロジック部３２）は、改質器２０の所定部位の温度（ＣＯ選択酸化部２４の温度）に基づいて第１推定送出量導出手段（暖機モード流量推定ロジック部３２ａから第２推定送出量導出手段（発電モード流量推定ロジック部３２ｃ）に切り替えて推定送出量ｅｓｔｆｌｕｘを導出する。これにより、推定送出量を暖機モードまたは発電モードに応じて的確かつ適切に切り替えることができる。

なお、上述した実施形態においては、流路断面または流路長が運転状況に応じて変更される第１流路Ｌ１の上流側流路（燃料供給管４１）すなわち暖機モードと発電モードで運転状況に応じて切り替えられる経路の上流に設置された流体送出装置である改質用燃料ポンプ４３を例に挙げて説明した。同様の流体送出装置であれば（例えば酸化用空気ブロア６３）、本発明を適用することができる。

また、上述した実施形態においては、流路断面または流路長が運転状況に応じて変更される第１流路Ｌ１の上流側流路である燃料供給管４１に設置された流体送出装置である改質用燃料ポンプ４３を本発明の適用対象としたが、流路断面または流路長が運転状況に応じて変更される第１流路Ｌ１と共通の流体供給先（燃焼部２５）に連通する第２流路Ｌ２である燃焼用空気供給管６５（または燃焼用燃料供給管４７）に設置された流体送出装置（圧縮機）である燃焼用空気ブロア６６（または燃焼用燃料ポンプ４８）を本発明の適用対象としてもよい。

この場合、上述した実施形態と同様に、燃料電池システムの実機を使用して、燃料電池システムの暖機モードおよび発電モードにおけるデータを取得する。取得した実験データの一例を図１２に示す。実流量（ｃｍ^３／ｍｉｎ）は、燃焼用空気ブロア６６の出口に設置されている実験用の流量計で測定され、図１２の実線で示されている。吐出圧力（Ｐａ）は、圧力センサ６６ｂで測定され、図１２の四角と実線で示されている。回転数（ｒｐｍ）は、回転数センサ６６ａによって測定され、図１２の丸で示されている。

この計測されたデータから「回転数、圧力」と「流量」の相関を確認すると、暖機モードと発電モードでは相関が異なることと、暖機モードにおける相関は一次関数近似であり、発電モードにおける相関は二次関数近似であることを見出した。具体的には、暖機モードにおいては、図１３に示すように、流体流量は回転数ｒｅｖと吐出圧力ｐｒｅｓｓとの和と一義的な関係であることを見出した。発電モードにおいては、図１４に示すように、流体流量は回転数ｒｅｖと吐出圧力ｐｒｅｓｓとの和の二乗と一義的な関係であることを見出した。

このように暖機モードと発電モードで「回転数ｒｅｖと吐出圧力ｐｒｅｓｓ」と「流体流量」の相関が異なるのは次の理由による。上述したように、ＣＯ選択酸化部２４から燃焼部２５への経路は暖機モードと発電モードとで異なっている。すなわち、運転状況が暖機モードである場合には、第１流路Ｌ１はバイパス管７３経由となり、流路断面は比較的広くなり流路長は比較的短くなり、一方運転状況が発電モードである場合には、第１流路Ｌ１は燃料電池１０経由となり、流路断面は比較的狭くなり流路長は比較的長くなる。換言すると、第１流路Ｌ１から供給される流体（オフガス、改質ガス）は、燃料電池１０による圧損がないので、発電モードと比較して暖機モードのほうが流れやすい。

また、発電モードにおいては、第１流路Ｌ１からの流体と異なる燃焼部２５への流体である燃焼用空気（または燃焼用燃料）は燃料電池１０の圧損の影響を受けるが、暖機モードにおいては、その圧損の影響を受けない。つまり、暖機モードにおいては、圧損の影響を受けないオフガスや改質ガスの圧力や流量の影響を受けるので、燃焼用空気や燃焼用燃料の流体流量も回転数ｒｅｖと吐出圧力ｐｒｅｓｓとの和と一義的な関係となる。発電モードにおいては、圧損の影響を受けるオフガスや改質ガスの圧力や流量の影響を受けるので、燃焼用空気や燃焼用燃料の流体流量も回転数ｒｅｖと吐出圧力ｐｒｅｓｓとの和の二乗と一義的な関係となる。

また、燃焼用空気ブロア６６の推定送出量は、上述した改質用燃料ポンプ４３の推定送出量と同様に算出されるとともに、燃焼用空気ブロア６６は、上述した改質用燃料ポンプ４３と同様に制御される。

また、上述した実施形態と同様に推定した燃焼用空気ブロア６６の推定送出量を使用して燃焼用空気ブロア６６の流量制御を行って実際の流量を測定したものを図１５に示す。図１５においては、目標値である設定流量ｒｆｌｕｘを比較的濃い色の曲線Ｌ３で示しており、これに対して実流量を比較的濃い色の実線と四角で表す曲線Ｌ４で示している。この推定送出量を実流量とみなすことができる。図１５から明らかなように、実流量は非常によく設定流量ｒｆｌｕｘに追従しており、したがって、流体の流量を精度よく制御していることがわかる。

したがって、改質器２０を暖機する暖機モードには、暖機モード流量推定ロジック部３２ａが、圧力センサ６６ｂおよび回転数センサ６６ａによってそれぞれ検出された吐出圧力および駆動量から第１関数に基づいて燃焼用空気ブロア６６の吐出量を推定送出量として導出する。改質器２０の暖機が完了し燃料電池１０が発電する発電モードには、発電モード流量推定ロジック部３２ｃが、圧力センサ６６ｂおよび回転数センサ６６ａによってそれぞれ検出された吐出圧力および駆動量から第１関数と異なる第２関数に基づいて燃焼用空気ブロア６６の吐出量を推定送出量として導出する。そして、制御ロジック部３１が、流量推定ロジック部３２によって導出された推定送出量ｅｓｔｆｌｕｘおよび目標送出量ｒｆｌｕｘに基づいて燃焼用空気ブロア６６の操作量（デューティ比ｄｕｔｙ）を導出し、制御ロジック部３１が、その導出された操作量に基づいて燃焼用空気ブロア６６を制御する。これにより、高価で大型な質量流量計を設けることなく、既存のセンサを利用して流体送出装置からの流体の送出量を精度よく推定し、その結果に基づいて流体の流量を精度よく制御できる。また、暖機モードと発電モードにおいて、それぞれのモードに応じて流体送出装置からの流体の送出量を精度よく推定し、その結果に基づいて流体の流量を精度よく制御できる。

すなわち、改質器２０に流体である燃焼用空気を供給する圧縮機（燃焼用空気ブロア６６）であって、流路断面または流路長が運転状況に応じて変更される第１流路Ｌ１と共通の流体供給先である燃焼部２５を有する第２流路Ｌ２に設置された圧縮機（燃焼用空気ブロア６６）から供給される流量を推定する装置（制御装置３０）において、燃焼用空気ブロア６６の駆動量と、燃焼用空気ブロア６６の吐出圧力と、第１流路Ｌ１の経路の形態（すなわち運転状況に対応した形態である）とに応じて流量を推定する。これにより、高価で大型な質量流量計を設けることなく、既存のセンサを利用して圧縮機からの流体の流量（供給量）を精度よく推定することができる。また、運転状況すなわち第１流路Ｌ１の経路の形態に応じて圧縮機からの流体の流量（供給量）を精度よく推定することができる。

また、燃焼用空気ブロア６６の吐出温度を検出する温度センサ６６ｃをさらに備え、流量推定ロジック部３２は、温度センサ６６ｃによって検出された吐出温度ｔｅｍｐも考慮して推定送出量ｅｓｔｆｌｕｘを導出する。これにより、流体送出装置の吐出温度に応じて推定送出量を導出することができるので、より正確に推定送出量を導出し、その結果に基づいて流体の流量をより高精度に制御することができる。

また、上述した実施形態において、空気を送出する流体送出装置（例えば酸化用空気、燃焼用空気をそれぞれ送出する装置６３、６６）としてブロアを採用したが、これに限らず、流体を送出する装置であればよく、例えばポンプを採用するようにしてもよい。この場合にも、ブロアと同様に制御を行えばよい。

また、上述した実施形態において、燃料を送出する流体送出装置（例えば改質用燃料、燃焼用燃料をそれぞれ送出する装置４３、４８）としてポンプを採用したが、これに限らず、流体を送出する装置であればよく、例えばブロアを採用するようにしてもよい。この場合にも、ポンプと同様に制御を行えばよい。

また、流体送出装置（圧縮機）は、流路断面または流路長が運転状況に応じて変更される第１流路Ｌ１の上流側流路である燃料供給管４１（または酸化用空気供給管６１）、および第１流路Ｌ１と共通の流体供給先（燃焼部２５）に連通する第２流路Ｌ２（燃焼用空気供給管６５または燃焼用燃料供給管４７）の少なくとも一方に設置されるようにしてもよい。

また、上述した流体送出装置の回転数はポンプ（またはブロア）の回転数でもそれを駆動させる駆動源（例えばモータ）の回転数でもどちらでもよい。

本発明による燃料電池システムの一実施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に示した制御装置のブロック線図である。 図３に示した流量推定ロジック部のブロック線図である。 実機で測定した改質用燃料ポンプの実流量、吐出圧力および回転数の測定データを示すグラフである 改質用燃料の暖機モードにおける「流体流量」と「回転数ｒｅｖ、吐出圧力ｐｒｅｓｓとの和」と関係を示すグラフである。 改質用燃料の発電モードにおける「流体流量」と「回転数ｒｅｖ、吐出圧力ｐｒｅｓｓとの和」と関係を示すグラフである。 図２に示す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に示す制御装置にて実行される暖機モード流量推定サブルーチンのフローチャートである。 図２に示す制御装置にて実行される発電モード流量推定サブルーチンのフローチャートである。 推定した改質用燃料ポンプの推定送出量を使用して改質用燃料ポンプの流量制御を行って実際の流量を測定したグラフである。 実機で測定した燃焼用空気ブロアの実流量、吐出圧力および回転数の測定データを示すグラフである 燃焼用空気の暖機モードにおける「流体流量」と「回転数ｒｅｖ、吐出圧力ｐｒｅｓｓとの和」と関係を示すグラフである。 燃焼用空気の発電モードにおける「流体流量」と「回転数ｒｅｖ、吐出圧力ｐｒｅｓｓとの和」と関係を示すグラフである。 推定した燃焼用空気ポンプの推定送出量を使用して燃焼用空気ポンプの流量制御を行って実際の流量を測定したグラフである。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質器、２１…改質部、２１ａ…折り返し流路、２１ｂ…改質触媒、２２…冷却部、２３…ＣＯシフト部、２３ａ…触媒、２４…ＣＯ選択酸化部、２４ａ…触媒、２４ｂ…温度センサ、２５…燃焼部（流体供給先）、３０…制御装置（流体供給量推定装置）、３１…制御ロジック部、３２…流量推定ロジック部、３２ａ…暖機モード流量推定ロジック部（第１推定送出量導出部）、３２ｂ…移行モード流量推定ロジック部、３２ｃ…発電モード流量推定ロジック部（第２推定送出量導出部）、３２ｄ…流量推定ロジック切替部、４１…燃料供給管、４２…第１燃料バルブ、４３…改質用燃料ポンプ、４３ａ…回転数センサ（駆動量検出手段）、４３ｂ…圧力センサ（吐出圧力検出手段）、４３ｃ…温度センサ（吐出温度検出手段）、４３ｄ…モータ、４３ｅ…ドライバ回路、４４…脱硫器、４５…第２燃料バルブ、４７…燃焼用燃料供給管、４８…燃焼用燃料ポンプ、５２…水蒸気供給管、５３…水ポンプ、５４…水バルブ、６１…酸化用空気供給管、６３…酸化用空気ブロア、６４…酸化用空気バルブ、６５…燃焼用空気供給管、６６…燃焼用空気ブロア、６６ａ…回転数センサ（駆動量検出手段）、６６ｂ…圧力センサ（吐出圧力検出手段）、６６ｃ…温度センサ（吐出温度検出手段）、６７…カソード用空気供給管、６８…カソード用空気ブロア、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、Ｓｆ…燃料供給源、Ｓｗ…改質水供給源、Ｌ１…第１流路、Ｌ２…第２流路。

Claims (4)

1. 改質器に流体を供給する圧縮機であって、流路断面または流路長が運転状況に応じて変更される第１流路の上流側流路、および前記第１流路と共通の流体供給先を有する第２流路の少なくとも一方に設置された圧縮機から供給される流量を推定する装置において、
   前記圧縮機の駆動量と、前記圧縮機の吐出圧力と、前記第１流路の経路の形態とに応じて前記流量を推定する流体供給量推定装置。
2. 燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、
   改質用燃料および改質水が供給されその供給された改質用燃料を改質することにより水素を含む前記燃料ガスを生成する改質部と、可燃ガスが供給されその可燃ガスを燃焼しその燃焼ガスにより前記改質部を加熱する燃焼部と、前記改質部から供給された前記燃料ガス中の一酸化炭素を、供給された酸化剤ガスによって低減して前記燃料電池に供給する一酸化炭素低減部と、を備えた改質器と、
   前記改質器に供給されている各流体を同改質器にそれぞれ送出する流体送出装置と、
   前記流体送出装置の吐出圧力を検出する吐出圧力検出手段と、
   前記流体送出装置の駆動量を検出する駆動量検出手段と、
   前記改質器を暖機する暖機モードには、前記吐出圧力検出手段および前記駆動量検出手段によってそれぞれ検出された前記吐出圧力および前記駆動量から第１関数に基づいて前記流体送出装置の吐出量を推定送出量として導出する第１推定送出量導出手段と、前記改質器の暖機が完了し前記燃料電池が発電する発電モードには、前記吐出圧力検出手段および前記駆動量検出手段によってそれぞれ検出された前記吐出圧力および前記駆動量から前記第１関数と異なる第２関数に基づいて前記流体送出装置の吐出量を推定送出量として導出する第２推定送出量導出手段と、からなる推定送出量導出手段と、
   前記推定送出量導出手段によって導出された推定送出量および目標送出量に基づいて前記流体送出装置の操作量を導出する操作量導出手段と、
   前記操作量導出手段によって導出された操作量に基づいて前記流体送出装置を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２において、前記流体送出装置の吐出温度を検出する吐出温度検出手段をさらに備え、
   前記推定送出量導出手段は、前記吐出温度検出手段によって検出された吐出温度も考慮して前記推定送出量を導出することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２または請求項３において、前記推定送出量導出手段は、前記改質器の所定部位の温度に基づいて前記第１推定送出量導出手段から前記第２推定送出量導出手段に切り替えて前記推定送出量を導出することを特徴とする燃料電池システム。

Images