JP2008027625A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】１つの空気供給手段で燃料電池及び燃料処理装置の燃焼部の各々に適切な流量の空気を供給する燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】改質ガスｇを生成する改質部２５と、改質熱を発生させる燃焼部２３とを有する燃料処理装置２０と、発電用空気ｔと改質ガスｇとを導入し発電する燃料電池３０と、燃焼部２３に燃焼用空気ａを、燃料電池３０に発電用空気ｔを供給する空気供給手段４２と、燃焼用空気流量検出手段４８と、燃焼用空気流量調節手段４２、６８ＧＰと、燃焼部２３に導入される燃料ｐの流量を把握する燃料流量把握手段４１、４３、４６と、燃焼部２３における、燃焼用空気ａ中の酸素の流量の、燃料ｐ中の可燃成分の流量に対する比が所定の比率となるように燃焼用空気流量調節手段４２、６８ＧＰを制御する制御装置４０とを備える燃料電池システム。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に１つの空気供給手段で燃料処理装置の燃焼部及び燃料電池の各々に適切な流量の空気を供給する燃料電池システムに関するものである。

燃料電池は水素と酸素との電気化学的反応により発電する。一般には、燃料電池に空気を供給し、空気中の酸素が発電に用いられる。他方、燃料電池の発電に用いる水素は、原料を水素に富むガスに改質する燃料処理装置を用い、この燃料処理装置で生成された水素に富む改質ガスを燃料電池に供給することで賄うことが多い。燃料処理装置において原料を改質する際には改質熱を供給するが、改質熱は燃料処理装置の燃焼部に燃料と空気とを供給して燃料を燃焼させることにより発生させるのが一般的である。従来は、燃料電池と燃料処理装置の燃焼部とに個別に空気を供給していた（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−４９０４０号公報（図１等）

燃料電池と燃料処理装置の燃焼部とに１つの空気供給手段で空気を供給することができればコストダウンを図ることができる。しかしながら、燃料電池と燃料処理装置の燃焼部とに供給する空気の比率が必ずしも一定ではないことから、１つの空気供給手段で燃料電池及び燃料処理装置の燃焼部の各々に適切な流量の空気を供給することは困難であった。

本発明は上述の課題に鑑み、１つの空気供給手段で燃料電池及び燃料処理装置の燃焼部の各々に適切な流量の空気を供給する燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、原料ｍ１を導入し改質して水素に富む改質ガスｇを生成する改質部２５と、燃料ｐと燃焼用空気ａとを導入し燃料ｐを燃焼させて改質部２５における改質に用いられる改質熱を発生させる燃焼部２３とを有する燃料処理装置２０と；発電用空気ｔと改質ガスｇとを導入し、発電用空気ｔ中の酸素と改質ガスｇ中の水素との電気化学反応により発電する燃料電池３０と；燃焼部２３に燃焼用空気ａを供給し、燃料電池３０に発電用空気ｔを供給する空気供給手段４２と；燃焼部２３に導入される燃焼用空気ａの流量を検出する燃焼用空気流量検出手段４８と；燃焼部２３に導入される燃焼用空気ａの流量を調節する燃焼用空気流量調節手段４２、６８ＧＰと；燃焼部２３に導入される燃料ｐの流量を把握する燃料流量把握手段４１、４３、４６と；燃焼部２３における、燃焼用空気ａ中の酸素の流量の、燃料ｐ中の可燃成分の流量に対する比が所定の比率となるように燃焼用空気流量調節手段４２、６８ＧＰを制御する制御装置４０とを備える。

このように構成すると、燃焼部に燃焼用空気を供給し、燃料電池に発電用空気を供給する空気供給手段を備えるので、１つの空気供給手段で燃料電池及び燃料処理装置の燃焼部に空気を供給することができる。また、燃焼部における、燃焼用空気中の酸素の流量の、燃料中の可燃成分の流量に対する比が所定の比率となるように燃焼用空気流量調節手段を制御するので、特に燃焼部に適切な流量の燃焼用空気を供給することができ、燃料の不完全燃焼に伴う一酸化炭素の排出を低減することができる。

また、請求項２に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項１に記載の燃料電池システム１０において、燃料電池３０に導入される発電用空気ｔの流量を検出する発電用空気流量検出手段４１、４４と；燃料電池３０における発電電流を検出する発電電流検出手段４３とを備え；制御装置４０が、燃料電池３０における酸素の利用率が第１の所定の利用率となるように空気供給手段４２を制御するように構成されている。

このように構成すると、燃料電池における酸素の利用率が第１の所定の利用率となるように空気供給手段を制御するので、空気供給過多により低加湿運転となることを防ぎ、空気供給不足により発電電圧が不安定となることを防ぐことができ、燃料電池の耐久性を低下させないように発電用空気の供給流量を調節することが可能となる。すなわち、燃料電池に適切な流量の発電用空気を供給することができる。

また、請求項３に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項２に記載の燃料電池システム１０において、空気供給手段４２から吐出された燃焼用空気ａを燃焼部２３へと導く燃焼用空気供給ライン５８と；圧力損失が異なる複数の絞り手段６８Ａ、６８Ｂが燃焼用空気供給ライン５８上にそれぞれ並列に配設されて構成された絞り手段群６８ＧＰとを備え；空気供給手段４２がモータの回転により空気を吐出する機器で構成され；燃焼用空気流量調節手段が、モータの回転速度を調節する回転速度調節手段４２ｖと絞り手段群６８ＧＰとで構成され；制御装置４０が、燃焼部２３における燃焼用空気ａの流量の燃料ｐの流量に対する比が所定の空気比となるようにモータの回転速度を調節しつつ燃料電池３０における酸素の利用率が第１の所定の利用率となるように複数の絞り手段６８Ａ、６８Ｂの中から燃焼用空気ａを流す絞り手段６８Ａ、６８Ｂを決定するように構成されている。

このように構成すると、圧力損失が異なる複数の絞り手段が燃焼用空気供給ライン上にそれぞれ並列に配設されて構成された絞り手段群を備え、燃焼部における燃焼用空気の流量の燃料の流量に対する比が所定の空気比となるようにモータの回転速度を調節しつつ燃料電池における酸素の利用率が第１の所定の利用率となるように複数の絞り手段の中から燃焼用空気を流す絞り手段を決定するので、単純な構成で燃料電池及び燃料処理装置の燃焼部の各々に適切な流量の空気を供給することができる。

また、請求項４に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム１０において、空気供給手段４２から吐出された発電用空気ｔを燃料電池３０へと導く発電用空気供給ライン５４と；発電用空気供給ライン５４に配設され、発電用空気供給ライン５４の発電用空気ｔの流れを遮断可能な遮断弁６４とを備える。

このように構成すると、発電用空気供給ラインの発電用空気の流れを遮断可能な遮断弁を備えるので、発電を行わないときに発電用空気の流れを遮断することが可能となり、発電を行わないときに空気を燃料電池に供給することによる燃料電池の触媒劣化や膜乾燥に伴う燃料電池の性能低下を防ぐことができる。

また、請求項５に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１を参照して示すと、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム１０において、燃焼用空気流量検出手段４８が流量計である。

このように構成すると、燃焼用空気の流量を直接的に計測することができ、燃焼用空気流量調節手段をより高精度に調節することが可能となって、より確実に燃料の不完全燃焼に伴う一酸化炭素の排出を低減することができる。

また、請求項６に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム１０において、燃料電池３０に導入される発電用空気ｔの圧力から発電用空気ｔの流量を求める演算部４１を備え；発電用空気流量検出手段が、燃料電池３０に導入される発電用空気ｔの圧力を検出する圧力検出器４４と演算部４１とを含んで構成されている。

このように構成すると、発電用空気流量検出手段が燃料電池に導入される発電用空気の圧力を検出する圧力検出器と演算部とを含んで構成されているので、一般に流量計よりも安価な圧力検出器を用いることが可能となり、燃料電池システムのコストダウンを図ることができる。

また、請求項７に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項６に記載の燃料電池システム１０において、演算部４１に、燃料電池３０の発電電流と、該発電電流を発電する流量の発電用空気ｔを第２の所定の酸素の利用率で燃料電池３０に導入した場合における燃料電池３０に導入される発電用空気ｔの圧力である定常燃料電池入口空気圧力と、の関係があらかじめ記憶されており；さらに演算部４１が、燃料電池３０の発電電流の変動に追随して変動する燃料電池抵抗係数と前記定常燃料電池入口空気圧力とから燃料電池３０に導入される発電用空気ｔの目標とする圧力である目標燃料電池入口空気圧力を算出するように構成され；制御装置４０が、圧力検出器４４で検出される圧力が目標燃料電池入口空気圧力Ｐｔとなるように空気供給手段４２を制御するように構成されている。

このように構成すると、燃料電池の圧力損失が変動しても適切な流量の発電用空気を燃料電池に供給することができる。

本発明によれば、燃焼部に燃焼用空気を供給し、燃料電池に発電用空気を供給する空気供給手段を備えるので、１つの空気供給手段で燃料電池及び燃料処理装置の燃焼部に空気を供給することができる。また、燃焼部における、燃焼用空気中の酸素の流量の、燃料中の可燃成分の流量に対する比が所定の比率となるように燃焼用空気流量調節手段を制御するので、特に燃焼部に適切な流量の燃焼用空気を供給することができ、燃料の不完全燃焼に伴う一酸化炭素の排出を低減することができる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

まず図１を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１０を説明する。図１は、燃料電池システム１０の模式的系統図である。燃料電池システム１０は、主要な構成部材として、水素に富む改質ガスｇを生成する燃料処理装置２０と、水素と酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池３０と、燃料処理装置２０及び燃料電池３０に空気を供給する空気供給手段としての空気ブロワ４２と、燃料電池システム１０の運転を制御する制御装置４０とを備えている。

燃料処理装置２０は、原料ｍ１とプロセス水ｓとを導入し水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスｇを生成する改質部２５と、原料ｍ１の水蒸気改質反応に用いる改質熱を発生する燃焼部２３とを備えている。原料ｍ１は、典型的には、メタン、エタン等の鎖式炭化水素（天然ガスも含む）、あるいはメタノール、石油製品（灯油、ガソリン、ナフサ、ＬＰＧ等）等の炭化水素を主成分とする混合物等の炭化水素系の燃料であり、加熱用の燃焼に適するものが用いられる。改質部２５に導入するプロセス水ｓは水蒸気であってもよい。また、水素に富む改質ガスｇとは、水素を主成分とするガスであり、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んだ、燃料電池３０に供給するガスである。改質ガスｇ中の水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池３０に供給したときに発電用空気ｔ中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。

改質部２５には、改質触媒が充填されており、水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。改質触媒としては、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。改質触媒の作用により原料ｍ１が改質されて生成された水素に富むガスに所定量以上の一酸化炭素が含まれていると、燃料電池３０の電極触媒が被毒する。そのため、改質部２５は、変成触媒が充填された変成部（不図示）、及び選択酸化触媒が充填された選択酸化部（不図示）を有し、燃料処理装置２０から導出される改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が約１０体積ｐｐｍ以下、好適には１体積ｐｐｍ程度となるようにするのが好ましい。変成触媒には、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。選択酸化触媒には、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。なお、改質触媒における反応は吸熱反応であるが、変成触媒を有する変成部及び選択酸化触媒を有する選択酸化部における反応は発熱反応となる。

改質部２５には、原料ｍ１を導入するための原料管５６Ａと、プロセス水ｓを導入するためのプロセス水管５９とが接続されている。プロセス水管５９は、改質部２５直近の原料管５６Ａに接続されていると、原料ｍ１とプロセス水ｓとが混合された状態で改質部２５に導入されて好適である。しかしながら、プロセス水管５９が改質部２５に直接接続されていてもよい。原料管５６Ａには、原料調節弁６６Ａが設けられている。原料調節弁６６Ａは、制御装置４０と信号ケーブルで接続されており、制御装置４０からの信号を受信して弁の開度を調節することができるように構成されている。また、原料管５６Ａには改質部２５に導入される原料ｍ１の流量を検出する原料流量計４６が配設されている。原料流量計４６は制御装置４０と信号ケーブルで接続されており、計測した原料ｍ１の流量を信号として制御装置４０に送信することができるように構成されている。また、改質部２５（改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる部位を有する場合は当該部位）には改質ガスｇを導出する改質ガス管５１が接続されている。

燃焼部２３は、改質部２５の改質触媒が設けられている位置に隣接するように、燃料処理装置２０内に配設されている。燃焼部２３は、炭化水素系燃料である燃焼燃料ｍ２、並びに水素含有ガスであるアノードオフガスｐ及び改質ガスｇを導入すると共に、空気ブロワ４２で送気される空気の一部である燃焼用空気ａを導入し、バーナー（不図示）でこれらを燃焼させて水蒸気改質反応に用いる改質熱を得ることができるように構成されている。燃焼部２３は、燃料電池システム１０の状態に応じて、燃焼燃料ｍ２、アノードオフガスｐ、改質ガスｇのいずれか１種類あるいは２種類以上を導入して燃焼させる。燃焼燃料ｍ２は、本実施の形態では、原料ｍ１と同じものが使用される。すなわち、原料ｍ１及び燃焼燃料ｍ２は、原料燃料管５６を流れる原料燃料ｍが分流したものを用途に応じて呼称を変えたものであり、成分は同じものである。原料燃料管５６には、気体の原料燃料ｍを送る燃料ブロワ（不図示）が配設される。なお、原料燃料ｍが液体の場合は燃料ブロワ（不図示）に代えて燃料ポンプ（不図示）が配設される。燃焼部２３には、改質熱を発生するための装置として、バーナー（不図示）が設けられている。燃焼部２３には、アノードオフガスｐ及び改質ガスｇを導入可能なアノードオフガス管５２と、燃焼燃料ｍ２を導入する燃料管５６Ｂとが接続されている。燃料管５６Ｂには、燃焼用空気ａを導入する燃焼用空気供給ラインとしての燃焼用空気管５８が接続されている。燃焼用空気管５８が接続された位置よりも上流の燃料管５６Ｂには、燃焼調節弁６６Ｂ及びチェッキ弁６６Ｃが、上流から下流に向かってこの順に配設されている。燃焼調節弁６６Ｂは、制御装置４０と信号ケーブルで接続されており、制御装置４０からの信号を受信して弁の開度を調節することができるように構成されている。

燃焼用空気管５８には、燃焼用空気ａの流量を計測する燃焼用空気流量検出手段としての燃焼用空気流量計４８が配設されている。燃焼用空気流量計４８は、サーマル式流量計等の質量流量を検出するマスフローセンサが用いられ、温度や圧力の補正を要さずに標準の状態の燃焼用空気ａの流量を検出することができる。燃焼用空気流量計４８は制御装置４０と信号ケーブルで接続されており、計測した燃焼用空気ａの流量を信号として制御装置４０に送信することができるように構成されている。

また、燃焼用空気管５８は、燃焼用空気流量計４８の上流側で、燃焼用空気ａの流路が一部分で２つに分かれるように第１燃焼用空気管５８Ａと第２燃焼用空気管５８Ｂとの２つの管が並列に配設されている。すなわち、１本の燃焼用空気管５８が途中で第１燃焼用空気管５８Ａと第２燃焼用空気管５８Ｂとの２本に分かれ、再び合流して１本の燃焼用空気管５８となるように構成されている。第１燃焼用空気管５８Ａには、絞り手段としてのオリフィス６８Ａが配設されている。第２燃焼用空気管５８Ｂには、絞り手段としてのオリフィス６８Ｂが配設されている。オリフィス６８Ｂは、オリフィス６８Ａと異なる圧力損失となっている。本実施の形態では、オリフィス６８Ｂがオリフィス６８Ａよりも大きな圧力損失を有している。これら複数の圧力損失の異なるオリフィス６８Ａ、６８Ｂから絞り手段群６８ＧＰが構成されている。燃焼用空気管５８から第１燃焼用空気管５８Ａと第２燃焼用空気管５８Ｂとに分かれる分岐部には、絞り選択三方弁６８が配設されている。絞り選択三方弁６８を切り替えることにより、燃焼用空気ａの流路を第１燃焼用空気管５８Ａ又は第２燃焼用空気管５８Ｂに切り替えることができる。絞り選択三方弁６８は、制御装置４０と信号ケーブルで接続されており、制御装置４０からの信号を受信して弁の切替動作が行われるように構成されている。本実施の形態では、絞り手段としてオリフィス６８Ａ、６８Ｂを用いることで、制御弁を用いる場合に比べてシステムのコストダウンを図っている。

燃料電池３０は、典型的には固体高分子形燃料電池である。燃料電池３０は、改質ガスｇを導入するアノード３１と、空気ブロワ４２で送気される空気の一部である発電用空気ｔを導入するカソード３２と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部（不図示）とを含んで構成されている。カソード３２に導入される発電用空気ｔは酸化剤ガスとして機能する。燃料電池３０は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜をアノード３１とカソード３２とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池３０では、アノード３１に供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過してカソード３２に移動すると共に電子がアノード３１とカソード３２とを結ぶ導線を通ってカソード３２に移動して、カソード３２に供給された発電用空気ｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応を化学式で示すと、アノード３１側は以下の（１）式に示すようになり、カソード３２側は以下の（２）式に示すようになる。
２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- ・・・（１）
Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ ・・・（２）
この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池３０には、発電した電流を検出する発電電流検出手段としての電流計４３が接続されている。電流計４３は、典型的には燃料電池３０で発電した電流を送電するケーブル（不図示）に配設される。また、燃料電池３０は、典型的には、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ（不図示）と電気的に接続される。

燃料電池３０のアノード３１では、導入された改質ガスｇ中の水素のすべてが上述の電気化学的反応（燃料電池３０における発電）に利用される訳ではなく、一部の水素が利用される。発電に利用された水素のアノード３１に導入された水素に対する比の百分率を水素の利用率といい、記号Ｒｙで表すこととする（「Ｒｙ＝（発電に利用された水素／燃料電池３０に導入された水素）×１００（％）」）。アノード３１からは、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスｐが排出される。アノードオフガスｐの成分は、典型的には、約半分が水素、残りの半分に二酸化炭素、窒素、メタンが含まれている。

燃料電池３０のカソード３２では、導入された発電用空気ｔ中の酸素のすべてが上述の電気化学的反応（燃料電池３０における発電）に利用される訳ではなく、一部の酸素が利用される。発電に利用された酸素のカソード３２に導入された酸素に対する比の百分率を酸素の利用率といい、記号Ｒｘで表すこととする（「Ｒｘ＝（発電に利用された酸素／燃料電池３０に導入された酸素）×１００（％）」）。カソード３２からは、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった酸素を含むカソードオフガスｑが排出される。

アノード３１と改質部２５とは、改質ガス管５１を介して接続されている。また、アノード３１と燃焼部２３とは、アノードオフガス管５２を介して接続され、アノードオフガスｐを燃焼部２３に導入することができるようになっている。アノードオフガス管５２には、アノードオフガス弁６２が配設されている。また、アノードオフガス弁６２よりも下流のアノードオフガス管５２と改質ガス管５１とがバイパス管５３で接続されている。改質ガス管５１からバイパス管５３が分岐する分岐部には、改質ガス三方弁６１が設けられている。なお、改質ガス三方弁６１を設ける代わりに、バイパス管５３が分岐する分岐部より下流側の改質ガス管５１に二方弁を設けると共にバイパス管５３に二方弁を設け、各二方弁の開閉動作により改質ガスｇの流路を切り替えるようにしてもよい。

カソード３２には、発電用空気ｔを導入する発電用空気供給ラインとしての発電用空気管５４と、カソードオフガスｑを排出するカソードオフガス管５５とが接続されている。発電用空気管５４は、混合空気管５７から分岐した管の１つであり、混合空気管５７から分岐した他の１つは燃焼用空気管５８である。発電用空気管５４には、発電用空気遮断弁６４が設けられている。発電用空気遮断弁６４は、制御装置４０と信号ケーブルで接続されており、制御装置４０から信号を受信して弁の開閉動作が行われるように構成されている。また、発電用空気管５４には圧力センサ４４が配設されている。圧力センサ４４は制御装置４０と信号ケーブルで接続されており、検出した発電用空気管５４内の圧力を信号として制御装置４０に送信することができるように構成されている。また、発電用空気管５４には、燃料電池３０の固体高分子膜（段落００２８参照）の導電率を維持するために発電用空気ｔを所定の加湿度まで加湿するための加湿装置（不図示）が配設される。

空気ブロワ４２は、混合空気管５７に配設されている。空気ブロワ４２は、典型的にはモータを回転させることにより、モータの軸に取り付けられた羽根車が回転して、吸い込んだ空気を吐き出すように構成されている。空気ブロワ４２のモータは回転速度調節手段としてのインバータ４２ｖを介して動力を得るように構成されており、インバータ４２ｖによって入力する電力を調節することにより、モータの回転速度を調節することができるように構成されている。モータの回転速度を調節可能にすることで羽根車の回転速度も連動して調節可能となり、空気ブロワ４２から吐出する空気の流量を調節することができる。

制御装置４０は、改質ガス三方弁６１、アノードオフガス弁６２、発電用空気遮断弁６４、絞り選択三方弁６８に各々信号を送信し、各弁の切り替え動作あるいは開閉動作をさせることができる。また、制御装置４０は、原料調節弁６６Ａ及び燃焼調節弁６６Ｂに各々信号を送信し、各弁の開度を調節させることができる。また、制御装置４０は、インバータ４２ｖに信号を送信し、空気ブロワ４２の作動及び停止並びにモータの回転速度を制御する。また、制御装置４０は、電流計４３、圧力センサ４４、原料流量計４６、燃焼用空気流量計４８から各々信号を受信して、後述する演算部４１で各種演算を行い、検出した各状況に基づいて燃料電池システム１０の制御を行う。

また、制御装置４０は、演算部４１を備えている。演算部４１には燃料電池３０に導入される発電用空気ｔの圧力と流量との関係が記憶されている。燃料電池３０に導入される発電用空気ｔの圧力と流量との関係は、抵抗系の定まった燃料電池３０並びに発電用空気管５４及びカソードオフガス管５５に固有の関係を有しており、典型的には試運転によって求められる。
図２に、燃料電池３０に導入される発電用空気ｔの圧力と流量との関係のグラフを示す。図２のグラフは、縦軸が圧力Ｐ、横軸が流量Ｑであり、曲線Ｆが燃料電池３０に導入される発電用空気ｔの圧力Ｐと流量Ｑとの関係を表している。曲線Ｆは、典型的には右上がりの２次曲線となる。なお、便宜のために図２を用いて説明したが、演算部４１には曲線Ｆが関数として記憶されていてもよい。

また、演算部４１には、燃料電池３０に導入される発電用空気ｔの流量と燃料電池３０の出力との関係が、燃料電池３０における酸素の利用率Ｒｘごとに記憶されている。
図３に、酸素の利用率Ｒｘをパラメータとした燃料電池３０に導入される発電用空気ｔの流量と燃料電池３０の出力との関係のグラフを示す。図３のグラフは、縦軸に燃料電池３０に導入される発電用空気ｔの流量Ｑを、横軸に燃料電池３０の出力Ｇを定格出力に対する割合で示している。本実施の形態では、グラフは右上がりの直線となっている。また、本実施の形態では、燃料電池３０の最低出力が定格出力の３０％となっており、最低出力未満の出力で作動しないようになっている。

また、演算部４１には、燃料電池３０における発電電流Ｉと、定常想定スタック内水分量Ｗｓとの関係が記憶されている。ここで、定常想定スタック内水分量Ｗｓとは、燃料電池３０で発電したある発電電流に対して理論上発生する水分の量とその電流を発電するために発電用空気ｔに付随して燃料電池３０内に持ち込まれる水分の量とから燃料電池３０内に存在すると想定される水分量であって、水分量を想定するにあたって燃料電池３０の運転履歴を考慮していないときの水分量である。
図４に、燃料電池３０における発電電流Ｉと、定常想定スタック内水分量Ｗｓとの関係をまとめて示す。定常想定スタック内水分量Ｗｓは、燃料電池３０の発電電流Ｉの増減に追随して、増減している。

また、演算部４１には、燃料電池３０の発電初期に燃料電池３０内に存在すると想定される水分量である発電初期想定スタック内水分量Ｗｐが記憶されている。発電初期とは、およそ燃料電池３０の温度が定常運転時の温度（約６０〜８０℃）に達するまでの時期であり、発電初期の想定される燃料電池３０内の水分量は、燃料電池３０の温度が定常運転時よりも低いため、定常運転時における発電電流Ｉに対する定常想定スタック内水分量Ｗｓよりも多くなる。発電初期想定スタック内水分量Ｗｐは燃料電池３０に固有の値であり、本実施の形態では７０である。

また、演算部４１では、原料流量計４６で検出された原料ｍ１の流量と、電流計４３で検出された燃料電池３０の発電電流とから燃焼部２３に導入されるアノードオフガスｐ中の可燃成分の流量を算出することができるように構成されている。アノードオフガスｐ中の可燃成分の流量を算出する過程を詳細に説明すれば、以下のようになる。まず、原料流量計４６で、燃料処理装置２０に導入される原料ｍ１の流量を検出する。演算部４１には定常運転時における導入された原料ｍ１に対して生成される改質ガスｇの流量及び単位流量あたりの改質ガスｇ中の水素やメタン等の可燃成分の割合が記憶されており、これに基づき改質ガスｇ中の可燃成分の流量を算出する。次に電流計４３で検出された発電電流から、上記（１）式に基づき、燃料電池３０で消費された水素の流量を算出する。燃料処理装置２０で生成される改質ガスｇ中の可燃成分の流量と燃料電池３０で消費された水素の流量との差が燃焼部２３に導入されるアノードオフガスｐ中の可燃成分の流量となる。

燃料電池システム１０では、原料流量計４６と、電流計４３と、演算部４１とで燃料流量把握手段を構成している。また、圧力センサ４４と演算部４１とで発電用空気検出手段を構成している。また、空気ブロワ４２と絞り手段群６８ＧＰと絞り選択三方弁６８とで燃焼用空気流量調節手段を構成している。

引き続き図１を参照して、燃料電池システム１０の作用を説明する。停止している燃料電池システム１０の運転を開始するには、燃焼部２３に燃焼燃料ｍ２を供給すると共に空気ブロワ４２を起動して燃焼部２３に燃焼用空気ａを供給する。このとき、発電用空気遮断弁６４は閉になっており、発電用空気ｔが燃料電池３０に供給されないようになっている。これにより、燃料電池３０の固体高分子膜の乾燥を防ぐと共に触媒の酸化を防いで、燃料電池３０の性能低下を防いでいる。また、絞り選択三方弁６８は、圧力損失が小さい方のオリフィス６８Ａが配設された第１燃焼用空気管５８Ａ側が開に、第２燃焼用空気管５８Ｂ側が閉になっている。また、燃焼調節弁６６Ｂは開、原料調節弁６６Ａ及びアノードオフガス弁６２は閉となっている。また、改質ガス三方弁６１は、バイパス管５３側が開となっている。

燃焼部２３で燃焼燃料ｍ２が燃焼して改質熱が発生し、改質部２５が昇温したら、原料調節弁６６Ａを開にして原料ｍ１を改質部２５に導入する。改質部２５の温度は温度検出器（不図示）で検出する。改質部２５にはプロセス水ｓも導入され、燃焼部２３から改質熱を得て原料ｍ１が水蒸気改質反応を起こし、改質ガスｇが生成される。燃料処理装置２０では、上述のように改質ガスｇが生成されるが、運転開始当初は改質ガスｇの組成が安定していないため、改質ガス三方弁６１のバイパス管５３側を開にして、組成が安定していない改質ガスｇを燃料電池３０に供給せずに燃焼部２３に導いて燃焼させる。このとき、燃焼部２３に導入した組成が安定していない改質ガスｇを主として燃焼させ、不足分の燃焼燃料ｍ２を燃焼調節弁６６Ｂの開度を調節して燃焼部２３に導入する。組成が安定していない改質ガスｇで足りる場合は燃焼調節弁６６Ｂを閉とする。

燃料処理装置２０で生成される改質ガスｇの組成が安定するようになると、制御装置４０がアノードオフガス弁６２を開に、改質ガス三方弁６１のバイパス管５３側を閉にして、改質ガスｇが燃料電池３０に導入されるようにする。これにより、燃料電池３０のアノード３１に改質ガスｇが導入される。他方、制御装置４０は、発電用空気遮断弁６４を開にし、これによって燃料電池３０のカソード３２に発電用空気ｔが導入される。このとき、制御装置４０は空気ブロワ４２の回転速度を上昇させ、燃料電池３０に供給する分だけ増加した空気を空気ブロワ４２から吐出させるようにする。燃料電池３０ではアノード３１に導入された改質ガスｇ中の水素と、カソード３２に導入された発電用空気ｔ中の酸素とによる、上述の（１）式及び（２）式に示すような電気化学的反応が行われる。この電気化学的反応によって発電し、発熱すると共に水分が生成される。さらに説明を加えると、アノード３１側の電子が外部電気回路を通ってカソード３２側に移動する際に電力を得ることができる。アノード３１側の水素イオンは固体高分子膜を通過してカソード３２側に移動し、酸素と結合して水分が発生する（上記（２）式参照）。この電気化学的反応は発熱反応である。

燃料電池３０によって得られる電力は直流電力であるため、パワーコンディショナ（不図示）で交流電力に変換されて電力負荷（不図示）に送電される。また、燃料電池３０で発生した熱は、例えば貯湯タンク（不図示）に蓄えられ、必要に応じて給湯や暖房等の熱負荷において消費される。燃料電池３０で発生した熱を有効利用することにより、燃料電池システム１０の効率が向上することとなる。

燃料電池３０の作動中、アノード３１からはアノードオフガスｐが排出される。排出されたアノードオフガスｐは、アノードオフガス管５２を介して燃料処理装置２０の燃焼部２３に導かれて燃焼される。燃焼部２３におけるアノードオフガスｐの燃焼により、改質部２５における改質に用いる改質熱を発生させることができる。燃焼部２３における燃焼によって生じた排ガスは、排ガス管（不図示）を介して系外に排出される。他方、カソード３２からはカソードオフガスｑが排出され、カソードオフガス管５５を介して系外に排出される。

上記のような燃料電池システム１０の運転中、燃焼部２３に導入される燃焼用空気ａ中の酸素の量Ｍｏの、燃料ｐ中の可燃成分の量Ｍｐに対する比（以下「酸素可燃成分比Ｒｍ」（Ｒｍ＝Ｍｏ／Ｍｐ）という。）が所定の比率となるように、制御装置４０は空気ブロワ４２及び絞り選択三方弁６８を制御する。なお、燃焼用空気ａ中の酸素の割合は時間経過にかかわらずほぼ一定であるので、燃焼用空気ａの流量を調節することで燃焼用空気ａ中の酸素の流量も調節することができる。すなわち、直接的には流量計４８で燃焼用空気ａの流量を調節している場合でも、実質的には燃焼用空気ａ中の酸素の流量を調節していることとなる。酸素可燃成分比Ｒｍを所定の比率にすることで、燃焼用空気ａの過多による失火を防ぐことができ、燃焼用空気ａの過少による燃料ｐの不完全燃焼に伴う有害物質の排出を防ぐことができる。所定の比率は、燃焼部２３における燃焼が不完全燃焼とならないような比率であり、本実施の形態では約１．１５〜１．５０である。

また、上記のような燃料電池システム１０の運転中、燃料電池３０における酸素の利用率Ｒｘが第１の所定の利用率となるように、制御装置４０は空気ブロワ４２を制御する。発電に利用された酸素は、電流計４３で検出された発電電流と上述の（２）式とから求まる。燃料電池３０に導入された酸素の流量は、圧力センサ４４で検出した圧力に基づいて演算部４１で算出される。酸素の利用率Ｒｘが上限を超えると、燃料電池３０を構成する各セル（段落００２８参照）への酸素の分配が均等とならずに酸素が不足するセルが生じ、燃料電池３０の電圧低下を招来することとなる。他方、酸素の利用率Ｒｘが下限を下回ると、空気ブロワ４２の負荷が増大して燃料電池システム１０の発電効率（投入エネルギーに対する発電した電気エネルギーの割合。以下同じ。）が低下すると共に、加湿装置（段落００３２参照）の能力が不足することに伴い低加湿運転となり燃料電池３０の発電電圧が低下して燃料電池３０の耐久性に影響を及ぼすこととなる。これらの不具合を回避するために、酸素の利用率Ｒｘを第１の所定の利用率に維持するのである。第１の所定の利用率は、上記の不具合を招かないような値に設定され、本実施の形態では４５〜５９％に設定されているが、用いる燃料電池３０の特性に応じて適宜最適な値を設定するとよい。このように、第１の所定の利用率は、典型的には幅を有している。

また、上記のような燃料電池システム１０の運転中、燃料電池３０における水素の利用率が第３の所定の利用率となるように、制御装置４０は燃料処理装置２０を制御する。発電に利用された水素は、電流計４３で検出された発電電流と上述の（２）式とから求まる。燃料電池３０に導入された水素の流量は、原料流量計４６で検出した改質部２５に導入される原料ｍ１の種類及び流量に基づいた燃料処理装置２０の固有の値として求められる。水素の利用率Ｒｙが上限を超えると、燃料電池３０を構成する各セル（段落００２８参照）への水素の分配が均等とならずに水素が不足するセルが生じて燃料電池３０の電圧低下を招来すると共に、セルの劣化を引き起こす可能性がある。他方、水素の利用率Ｒｙが下限を下回ると燃料処理装置２０の負荷が増大し、燃料電池システム１０の発電効率が低下することとなる。これらの不具合を回避するために、水素の利用率Ｒｙを第３の所定の利用率に維持するのである。第３の所定の利用率は、上記の不具合を招かないような値に設定され、本実施の形態では７０〜８０％の範囲で極力７５％に近づくように設定されているが、用いる燃料電池３０の特性に応じて適宜最適な値を設定するとよい。

燃料電池３０における発電電流の大きさは、パワーコンディショナ（段落００２８参照）の設定により、最低発電量（本実施の形態では定格出力の３０％。段落００３６参照）と定格出力との間で任意に決定することができる。この決定した電流の大きさにより、燃料電池３０で発電に利用される水素の量及び酸素の量が定まる。この定まった水素の量及び酸素の量に対して改質ガスｇ及び発電用空気ｔをどの程度供給するかによって燃料電池３０における水素の利用率Ｒｙ及び酸素の利用率Ｒｘが定まる。水素の利用率Ｒｙと酸素の利用率Ｒｘとは独立しており、両者の間に相関関係はない。

水素の利用率Ｒｙを第３の所定の利用率とするためには、原料調節弁６６Ａにより改質部２５に導入する原料ｍ１の流量を調節する。これにより燃料処理装置２０で生成される改質ガスｇの流量を調節することができ、燃料電池３０のアノード３１に供給する改質ガスｇの流量を調節することが可能となって、燃料電池３０における水素の利用率Ｒｙを第３の所定の利用率に維持することができる。

他方、酸素の利用率Ｒｘを第１の所定の利用率とするためには、空気ブロワ４２の回転速度を調節するのであるが、燃料電池システム１０では１台の空気ブロワ４２で発電用空気ｔを燃料電池３０に供給すると共に燃焼用空気ａを燃焼部２３に供給しているので、燃焼部２３における酸素可燃成分比Ｒｍが所定の比率となるように、かつ、燃料電池３０における酸素の利用率Ｒｘが第１の所定の利用率となるように、制御装置４０は空気ブロワ４２の回転速度を調節する。燃焼部２３への燃焼用空気ａの供給量は流量計４８でモニターし、燃料電池３０への発電用空気ｔの供給量は圧力センサ４４でモニターしている。このとき、圧力センサ４４で検出される圧力の値が定常燃料電池入口空気圧力Ｐｓとなるようにするとよい。ここで、定常燃料電池入口空気圧力Ｐｓとは、設定された発電電流を得るために発電用空気ｔを第２の所定の酸素の利用率となる流量で燃料電池３０に導入したときの燃料電池入口空気圧力である。第２の所定の酸素の利用率は、第１の所定の利用率内に設定される設計上の（好ましい）酸素の利用率であり、本実施の形態では５０％としている。定常燃料電池入口空気圧力Ｐｓを目標として空気ブロワ４２を制御すると、燃焼部２３へ供給する燃焼用空気ａとのバランスで定常燃料電池入口空気圧力Ｐｓとなる流量を燃料電池３０へ供給することができない場合であっても、燃料電池３０における酸素の利用率Ｒｘが第１の所定の利用率の範囲内に収まる確率が高くなる。

燃焼部２３における酸素可燃成分比Ｒｍが所定の比率となるように空気ブロワ４２の回転速度を調節すると燃料電池３０における酸素の利用率Ｒｘが第１の所定の利用率にならない場合は、制御装置４０は絞り選択三方弁６８に信号を送信して弁の開方向を切り替えるように作動させ、燃焼用空気ａを流すべきオリフィス６８Ａをオリフィス６８Ｂに切り替える。燃料電池３０における酸素の利用率Ｒｘが第１の所定の利用率よりも高い（燃料電池３０に供給する発電用空気ｔの流量が少ない）場合は圧力損失が大きくなるオリフィス６８Ｂに切り替えて発電用空気管５４の方に流れる発電用空気ｔの流量を増加させる。反対に、燃料電池３０における酸素の利用率Ｒｘが第１の所定の利用率よりも低い（燃料電池３０に供給する発電用空気ｔの流量が多い）場合は圧力損失が小さくなるオリフィス６８Ａに切り替えて発電用空気管５４の方に流れる発電用空気ｔの流量を減少させる。つまり、オリフィス６８Ｂを使用した場合、オリフィス６８Ａを使用した場合の順番に燃焼用空気管５８を流れる燃焼用空気ａの流量は多くなる。このようにオリフィス６８Ａ、６８Ｂを切り替えることにより燃焼用空気ａ側の圧力損失をコントロールすることができ、酸素可燃成分比Ｒｍが所定の比率となるように制御している場合に燃料電池３０に供給される発電用空気ｔの流量を適正化（酸素の利用率Ｒｘが第１の所定の利用率となるように）することができる。

ところで、前述の（２）式から明らかなように、燃料電池３０における発電に伴って燃料電池３０内に水が発生する。また、燃料電池３０内に発生する水は、（２）式に示す電気化学的反応に伴うもののほか、発電用空気ｔによってキャリーされる加湿水も含まれる。燃料電池３０内に発生する水分量は燃料電池３０の発電電流にほぼ比例することは前述の（２）式より理解されるが、本発明者は、燃料電池３０内に存在する水分量は、発電電流の変化に追随しようとするがその変化は遅く、理論値との間で差異が生じるとの知見を得た。燃料電池３０内の水分は、燃料電池３０に供給される発電用空気ｔの圧力損失を引き起こし、燃料電池３０に供給される発電用空気ｔの流量を変化させ、ひいては燃料電池３０における酸素の利用率Ｒｘを変化させる。つまり、発電に伴って発生する水分の存在が原因で、空気ブロワ４２の回転速度を燃料電池３０の発電電流に応じて変化させるだけでは燃焼部２３及び燃料電池３０に適切な流量の空気を供給することが困難となる。したがって、燃料電池３０内の水分量に応じて空気ブロワ４２の回転速度の制御目標とする定常燃料電池入口空気圧力Ｐｓを補正することが好ましい。

本発明者は、鋭意研究の末、空気ブロワ４２の回転速度の制御目標とする圧力センサ４４で検出する圧力を、定常燃料電池入口空気圧力Ｐｓに燃料電池抵抗係数φを乗じて算出される目標燃料電池入口空気圧力Ｐｔ（Ｐｔ＝Ｐｓ×φ）へ補正することで燃料電池３０に供給する発電用空気ｔの流量を適正化することができるとの知見を得た。燃料電池抵抗係数φは、燃料電池３０の発電電流の変動によるカソード３２の圧力損失の変動の程度を示した係数であり、本実施の形態では、ある時点において燃料電池３０内に存在すると想定される水分量である現在想定スタック内水分量Ｗｔを上述の定常想定スタック内水分量Ｗｓ（段落００３７参照）で除したもの（φ＝Ｗｔ／Ｗｓ）としている。ここで、現在想定スタック内水分量Ｗｔは、水分量を想定するにあたって燃料電池３０の運転履歴を考慮しているものである。また、燃料電池抵抗係数φは、燃料電池３０内の水分量の他に、燃料電池３０の温度やその他の条件により定義される場合もあり得るが、本実施の形態に係る燃料電池システム１０を制御するにあたっては、燃料電池３０内に存在する水分量と相関関係を有するものととらえても、適切な流量の空気を燃料電池３０及び燃料処理装置２０の燃焼部２３に供給することが可能となっている。なお、現在想定スタック内水分量Ｗｔは、以下のようにして求められる。

燃料電池３０内に存在する水分は、上述のように、発電電流の変化やこの変化に遅れて追随することにより、時々刻々と変化している。そこで、制御装置４０は、現在想定スタック内水分量Ｗｔを所定のタイムステップごとに求めて燃料電池抵抗係数φに反映させることとしている。現在想定スタック内水分量Ｗｔは、定常想定スタック内水分量Ｗｓと１タイムステップ前の現在想定スタック内水分量Ｗｔ’との差分から算出することとし、係数をｆ、タイムステップをｄｔとして、以下の（３）式で表される。
Ｗｔ＝ｆ×（Ｗｓ−Ｗｔ’）×ｄｔ＋Ｗｔ’ ・・・（３）
例えば係数ｆ＝０．１５、タイムステップｄｔを１秒とすると、現在想定スタック内水分量Ｗｔは以下の（４）式で表される。
Ｗｔ＝０．１５×（Ｗｓ−Ｗｔ’）×１＋Ｗｔ’ ・・・（４）
以上のように、空気ブロワ４２の回転速度の制御目標とする定常燃料電池入口空気圧力Ｐｓを目標燃料電池入口空気圧力Ｐｔへ補正することで、燃料電池システム１０の運転履歴によって燃料電池３０の圧力損失が変動しても、１台の空気ブロワ４２で燃焼部２３及び燃料電池３０に最適な流量の空気（燃焼用空気ａ及び発電用空気ｔ）を供給することができる。

図５に、燃料電池３０の発電電流の変動に伴う目標燃料電池入口空気圧力Ｐｔの変動の様子を示す。図中、曲線Ｉは燃料電池３０における発電電流Ｉを、曲線Ｗｓは定常想定スタック内水分量Ｗｓを、曲線Ｗｔは現在想定スタック内水分量Ｗｔを、曲線Ｐｓは定常燃料電池入口空気圧力Ｐｓを、曲線Ｐｔは目標燃料電池入口空気圧力Ｐｔをそれぞれ表している。図より、現在想定スタック内水分量Ｗｔは定常想定スタック内水分量Ｗｓに遅れて追随しており、目標燃料電池入口空気圧力Ｐｔは現在想定スタック内水分量Ｗｔの変動を反映しているのが分かる。

以上で説明したように、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１０によれば、１台の空気ブロワ４２で燃焼部２３及び燃料電池３０に適切な流量の空気（燃焼用空気ａ及び発電用空気ｔ）を供給することができる。燃焼部２３及び燃料電池３０に空気を供給する空気ブロワを１台とすることにより、燃料電池システム１０のコストダウンを図っている。また、燃料電池３０へ供給する発電用空気ｔの流量をモニターする計器を圧力計４４とすることによってもコストダウンを図っている。

上記の好ましい本発明の実施の形態の説明においては、燃料電池３０内に存在する水分量に応じて空気ブロワ４２の回転速度を補正したが、多少の発電効率の低下を看過して（燃料電池３０における酸素の利用率Ｒｘが第１の所定の利用率を外れることを是認して）燃焼部２３に供給する燃焼用空気ａの流量を適切に調節することにより、制御を簡易にすることもできる。

以上の説明では、絞り手段群を構成する燃焼用空気管が２本並列に配設されているとしたが、３本以上の燃焼用空気管が並列に配設されることとしてもよい。このとき、並列に配設された各燃焼用空気管にそれぞれ圧力損失が異なる絞り手段が配設される。また、絞り手段がオリフィスであるとして説明したが、フィルターや二方弁等であってもよい。絞り手段として自動二方弁を配設した場合は、絞り選択三方弁を省略することができ、１本の燃焼用空気管の圧力損失を可変にすることができる。オリフィスを用いる場合は自動二方弁を用いる場合に比べてコストダウンを図ることができる。また、絞り手段群を通過する燃焼用空気ａは、１つの燃焼用空気管を通過するだけでなく、２つ以上の燃焼用空気管を通過させることで、絞り手段群よりも下流側に供給される燃焼用空気ａの流量を調節してもよい。

以上の説明では、燃焼用空気流量計４８がサーマル式流量計等の質量流量を検出するマスフローセンサであるとしたが、これ以外の差圧流量計や渦流量計等を用いてもよい。差圧流量計は構造が簡単で安価であり、渦流量計は可動部がなく構造簡単で保守が不要という利点がある。しかしながら、マスフローセンサは気体の質量流量が温度・圧力の補正無しに直接測定できるので好適である。

以上の説明では、制御装置４０が、燃焼部２３における燃焼用空気ａの流量の燃料ｐの流量に対する比が所定の空気比となるようにしつつ燃料電池３０における酸素の利用率が第１の所定の利用率となるようにインバータ４２ｖ及び絞り選択三方弁６８を制御することとしたが、燃料電池３０へ供給する発電用空気ｔの流量が成り行きの流量となることが許容される場合（燃料電池３０における酸素の利用率Ｒｘが第１の所定の利用率を外れることが是認される場合）は、燃料電池３０における酸素の利用率を制御の対象から除外して燃焼部２３における燃焼用空気ａの流量の燃料ｐの流量に対する比が所定の空気比となるように燃焼用空気流量調節手段４２、６８ＧＰを制御することとしてもよい。このようにすると、１つの空気供給手段４２で燃料電池３０及び燃料処理装置２０の燃焼部２３に空気を供給しつつ燃焼部２３における燃料の不完全燃焼に伴う一酸化炭素の排出を低減することができ、かつ、制御を簡略化することができる。

以上の説明では、燃料電池３０が固体高分子形燃料電池であるとして説明したが、りん酸形燃料電池等の固体高分子形燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子形燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの模式的系統図である。 燃料電池に導入される発電用空気の圧力と流量との関係を示すグラフである。 酸素の利用率をパラメータとした燃料電池に導入される発電用空気の流量と燃料電池の出力との関係を示すグラフである。 燃料電池における発電電流と定常想定スタック内水分量との関係のテーブルの図である。 燃料電池の発電電流の変動に伴う目標燃料電池入口空気圧力の変動の様子を示すグラフである。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
２０ 燃料処理装置
２３ 燃焼部
２５ 改質部
３０ 燃料電池
４０ 制御装置
４１ 演算部
４２ 空気ブロワ
４３ 電流計
４４ 圧力センサ
４６ 原料流量計
４８ 流量計
５４ 発電用空気供給ライン
５８ 燃焼用空気供給ライン
６４ 遮断弁
６８Ａ、６８Ｂ オリフィス（絞り手段）
６８ＧＰ 絞り手段群
ａ 燃焼用空気
ｇ 改質ガス
ｍ１ 原料
ｐ アノードオフガス
ｔ 発電用空気

Claims (7)

1. 原料を導入し改質して水素に富む改質ガスを生成する改質部と、燃料と燃焼用空気とを導入し前記燃料を燃焼させて前記改質部における改質に用いられる改質熱を発生させる燃焼部とを有する燃料処理装置と；
   発電用空気と前記改質ガスとを導入し、前記発電用空気中の酸素と前記改質ガス中の水素との電気化学反応により発電する燃料電池と；
   前記燃焼部に前記燃焼用空気を供給し、前記燃料電池に前記発電用空気を供給する空気供給手段と；
   前記燃焼部に導入される燃焼用空気の流量を検出する燃焼用空気流量検出手段と；
   前記燃焼部に導入される燃焼用空気の流量を調節する燃焼用空気流量調節手段と；
   前記燃焼部に導入される燃料の流量を把握する燃料流量把握手段と；
   前記燃焼部における、前記燃焼用空気中の酸素の流量の、前記燃料中の可燃成分の流量に対する比が所定の比率となるように前記燃焼用空気流量調節手段を制御する制御装置とを備える；
   燃料電池システム。
2. 前記燃料電池に導入される発電用空気の流量を検出する発電用空気流量検出手段と；
   前記燃料電池における発電電流を検出する発電電流検出手段とを備え；
   前記制御装置が、前記燃料電池における酸素の利用率が第１の所定の利用率となるように前記空気供給手段を制御する；
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記空気供給手段から吐出された前記燃焼用空気を前記燃焼部へと導く燃焼用空気供給ラインと；
   圧力損失が異なる複数の絞り手段が前記燃焼用空気供給ライン上にそれぞれ並列に配設されて構成された絞り手段群とを備え；
   前記空気供給手段がモータの回転により空気を吐出する機器で構成され；
   前記燃焼用空気流量調節手段が、前記モータの回転速度を調節する回転速度調節手段と前記絞り手段群とで構成され；
   前記制御装置が、前記燃焼部における前記燃焼用空気の流量の前記燃料の流量に対する比が所定の空気比となるように前記モータの回転速度を調節しつつ前記燃料電池における酸素の利用率が第１の所定の利用率となるように前記複数の絞り手段の中から前記燃焼用空気を流す前記絞り手段を決定するように構成された；
   請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記空気供給手段から吐出された前記発電用空気を前記燃料電池へと導く発電用空気供給ラインと；
   前記発電用空気供給ラインに配設され、前記発電用空気供給ラインの前記発電用空気の流れを遮断可能な遮断弁とを備える；
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃焼用空気流量検出手段が流量計である；
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池に導入される発電用空気の圧力から該発電用空気の流量を求める演算部を備え；
   前記発電用空気流量検出手段が、前記燃料電池に導入される発電用空気の圧力を検出する圧力検出器と前記演算部とを含んで構成された；
   請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記演算部に、前記燃料電池の発電電流と、該発電電流を発電する流量の前記発電用空気を第２の所定の酸素の利用率で前記燃料電池に導入した場合における前記燃料電池に導入される発電用空気の圧力である定常燃料電池入口空気圧力と、の関係があらかじめ記憶されており；
   さらに前記演算部が、前記燃料電池の発電電流の変動に追随して変動する燃料電池抵抗係数と前記定常燃料電池入口空気圧力とから前記燃料電池に導入される発電用空気の目標とする圧力である目標燃料電池入口空気圧力を算出するように構成され；
   前記制御装置が、前記圧力検出器で検出される圧力が前記目標燃料電池入口空気圧力となるように前記空気供給手段を制御するように構成された；
   請求項６に記載の燃料電池システム。
   

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