JP4584601B2 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、改質器において改質用燃料から水素を含有するアノードガスを生成し、燃料電池においてアノードガス中の水素を利用して発電を行う燃料電池システム及びその制御方法に関する。
炭化水素又はアルコール類等の改質用燃料を利用して発電を行う燃料電池システムは、上記改質用燃料から水素を含有するアノードガスを生成する改質器と、上記アノードガスから高純度の水素を取り出すための水素分離膜装置と、水素をプロトンの状態にし酸素と反応させて発電を行う燃料電池とを備えている。上記改質器は、例えば、改質用燃料と水とによる水蒸気改質反応及び改質用燃料と酸素とによる酸化反応等を行って、上記アノードガスを生成している。また、上記水素分離膜装置は、パラジウム等からなる水素分離膜を備えており、この水素分離膜は水素のみを透過させる性質を持っている。また、上記燃料電池は、上記水素分離膜を透過した水素が供給されるアノード流路と、空気等が供給されるカソード流路と、これらの流路の間に配設されたプロトン伝導体（電解質）とを有している。
そして、上記燃料電池システムにおいては、アノード流路に供給した水素をプロトンの状態にして上記プロトン伝導体を透過させ、カソード流路において、このプロトン状態の水素（以下に水素プロトンという。）と空気中の酸素とを反応させて水を生成しながら発電を行っている。このような燃料電池システムとしては、例えば、特許文献１に示すものがある。
ところで、上記カソード流路から排出されるカソードオフガス中には、上記水素プロトンと酸素との反応により生成された水や、上記水素プロトンとの反応に使用されたかった酸素等が含まれている。そのため、特許文献１においては、上記カソードオフガスを上記改質器における水蒸気改質反応及び酸化反応に利用している。
また、特許文献１においては、改質器に送るカソードオフガス中の酸素量を調節することにより、改質器において酸化反応を行う割合を調節し、また、改質器に送るカソードオフガス中の水蒸気量を調節することにより、改質器において水蒸気改質反応を行う割合を調節している。そして、特許文献１においては、改質器に必要とされていた蒸発器等を設置することが不要になり、システムの小型化を図ることができる。
しかしながら、上記特許文献１においては、上記酸素量及び水蒸気量を調節するための具体的な方法は開示されていない。
また、燃料電池システムの発電を行うに当たっては、改質器において行う酸化反応の量を調節するために、改質器に供給する炭素量Ｃに対する酸素量Ｏの比率であるＯ／Ｃを適切に保つことが必要である。しかしながら、特許文献１においては、例えば、燃料電池における発電状態が変動することによって燃料電池のカソード流路における水素プロトンと酸素との反応に使用されなかった残存酸素量が増加又は減少したときの対策等は何ら開示されていない。
また、特許文献１において開示された方法は、燃料ポンプから改質器に供給する炭素量Ｃを基準として、改質器に供給する酸素量Ｏ及び改質器に供給する水分量Ｓを調節して、Ｏ／Ｃ及びＳ／Ｃを調節する方法である。そのため、Ｏ／Ｃを調節するために、カソードオフガスの一部を排気する排気弁が必要になったり、又はカソードオフガスの通過を制限する調節弁等が必要になったりする。また、Ｓ／Ｃを調節するために、カソードオフガス中の水分量を調節する水蒸気生成部等が必要になってしまう。そのため、燃料電池システムを複雑にしてしまうおそれがある。
特開２０００−１９５５３４号公報
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、燃料電池システムを複雑にしてしまうことなく、燃料電池における実際の発電状態を考慮して算出された改質酸素量Ｏを用いて、改質反応流路におけるＯ／Ｃを適切な値に保つことができる燃料電池システム及びその制御方法を提供しようとするものである。
第１の発明は、改質用燃料から水素を含有するアノードガスを生成する改質反応流路を備えた改質器と、
上記改質反応流路から上記アノードガスが供給される又は該アノードガス中の水素が供給されるアノード流路と、酸素を含有するカソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを備えた燃料電池と、
上記改質反応流路に上記改質用燃料を供給する燃料ポンプと、
該燃料ポンプによる上記改質用燃料の供給量である燃料供給量を検出する燃料供給量検出手段と、
上記カソード流路に上記カソードガスを供給するカソードポンプと、
該カソードポンプによる上記カソードガスの供給量であるカソードガス供給量を検出するカソードガス供給量検出手段と、
上記燃料電池における発電量を検出する発電量検出手段と、
上記発電量が、当該燃料電池により発電した電力を用いて稼動させる負荷に必要とされる要求発電量になるよう上記燃料ポンプの吐出量及び上記カソードポンプの吐出量を決定する制御装置とを有し、
上記カソード流路には、該カソード流路から排出されるカソードオフガスを上記改質反応流路に送るためのカソードオフガスラインを接続してなる燃料電池システムを制御する方法であって、
上記制御装置は、上記改質反応流路に供給される炭素量である改質炭素量Ｃを上記燃料供給量検出手段によって検出した上記燃料供給量に基づいて求める改質炭素量算出ステップと、
上記燃料電池における発電に消費された上記カソードガス中の酸素量である消費酸素量を上記発電量検出手段によって検出した上記発電量から求めると共に、上記カソード流路に供給される酸素量である供給酸素量を上記カソードガス供給量検出手段によって検出した上記カソードガス供給量から求め、次いで、上記供給酸素量から上記消費酸素量を差し引くことによって上記カソードオフガス中の残存酸素量を求め、上記改質反応流路に供給される酸素量である改質酸素量Ｏを上記残存酸素量に基づいて求める改質酸素量算出ステップと、
上記改質炭素量Ｃに対する上記改質酸素量Ｏの比率であるＯ／Ｃを目標範囲内に維持するように、上記燃料ポンプの吐出量を変更して、上記改質炭素量Ｃを補正する改質炭素量補正ステップとを行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法にある（請求項１）。
本発明の燃料電池システムは、上記改質器、上記燃料電池、上記燃料ポンプ、上記燃料供給量検出手段、上記カソードポンプ、上記カソードガス供給量検出手段、上記発電量検出手段、上記制御装置等を有しており、燃料電池のカソード流路から排出されるカソードオフガス中に残存する残存酸素を改質器において利用するよう構成されている。
そして、本発明の燃料電池システムの制御方法は、上記残存酸素量の変化に基づいて、上記燃料ポンプの吐出量を変更することにより、改質器におけるＯ／Ｃが適切な値になるよう補正することができるものである。
上記燃料電池システムを運転する際には、上記制御装置は、上記燃料電池における発電を用いて稼動させる負荷に必要な要求発電量を取り込み、燃料電池により発電を行う発電量が要求発電量を満たすよう上記燃料ポンプの吐出量及び上記カソードポンプの吐出量を決定する。このとき、制御装置は、各ポンプの吐出量と燃料電池の発電量との関係が予め求めてある関係マップを用いて、各ポンプの吐出量を決定することができる。
そして、燃料ポンプから上記改質器の改質反応流路に改質用燃料が供給されると共に、カソードポンプから燃料電池のカソード流路にカソードガスが供給される。そして、改質器においては、改質用燃料、水、酸素等を用いて水素を含有するアノードガスが生成され、このアノードガス又はアノードガス中の水素が燃料電池のアノード流路に供給される。
次いで、燃料電池においては、アノード流路における水素がプロトンの状態になって上記電解質体を透過してカソード流路まで到達し、カソード流路において、プロトン状態の水素と、カソードガス中の酸素とが反応して発電が行われる。
そして、カソード流路から排出されるカソードオフガスは、上記カソードオフガスラインを介して改質反応流路に送られる。このとき、カソードオフガス中には、燃料電池における発電に使用されなかった酸素である残存酸素と、燃料電池における発電により生成された水である生成水等が含まれており、改質反応流路においては、上記残存酸素、生成水等と改質用燃料とを反応させてアノードガスを生成することができる。
ところで、安定かつ効率的に燃料電池システムの発電を行うためには、改質反応流路に供給される改質炭素量Ｃに対する改質酸素量Ｏの比率であるＯ／Ｃを適切に保つことが重要である。一方で、改質反応流路に供給される改質酸素量Ｏは、燃料電池における発電状態の影響を大きく受けており、この改質酸素量Ｏは、燃料電池における発電状態によって変動してしまうことがある。
そこで、本発明においては、制御装置は、上記改質炭素量算出ステップ及び改質酸素量算出ステップを行って上記改質炭素量Ｃ及び改質酸素量Ｏを算出し、上記Ｏ／Ｃを算出する。
特に、改質酸素量算出ステップにおいては、実際に燃料電池において発電が行われたときに消費される消費酸素量を算出し、これをカソードガス流路に供給されたカソードガス中の供給酸素量から差し引くことによって、実際にカソードガス中に残存する残存酸素量を算出する。そして、この残存酸素量に基づいて改質反応流路に供給される改質酸素量Ｏを算出する。そのため、この改質酸素量Ｏの値は、燃料電池における発電状態を考慮した値となり、Ｏ／Ｃを目標範囲内に補正する際の基準となる。
そして、改質炭素量補正ステップにおいて、制御装置は、上記算出したＯ／Ｃが目標範囲内になるように、上記燃料ポンプの吐出量を変更する。これにより、基準とした改質酸素量Ｏの割合に対して、改質炭素量Ｃの割合を適切に補正することができ、改質反応流路におけるＯ／Ｃを適切な値に保つことができる。
また、本発明によれば、上記残存酸素量に基づいて算出した改質酸素量Ｏに対応して改質炭素量Ｃを補正しているため、上記カソードオフガスラインには、改質反応流路に供給する改質酸素量Ｏを調節するための調節弁等を配設しなくても、Ｏ／Ｃを適切な値に保つことが可能である。
それ故、本発明の燃料電池システムの制御方法によれば、燃料電池システムを複雑にしてしまうことなく、燃料電池における実際の発電状態を考慮して算出された改質酸素量Ｏを用いて、改質反応流路におけるＯ／Ｃを適切な値に保つことができる。
第２の発明は、改質用燃料から水素を含有するアノードガスを生成する改質反応流路を備えた改質器と、
上記改質反応流路から上記アノードガスが供給される又は該アノードガス中の水素が供給されるアノード流路と、酸素を含有するカソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを備えた燃料電池と、
上記改質反応流路に上記改質用燃料を供給する燃料ポンプと、
該燃料ポンプによる上記改質用燃料の供給量である燃料供給量を検出する燃料供給量検出手段と、
上記カソード流路に上記カソードガスを供給するカソードポンプと、
該カソードポンプによる上記カソードガスの供給量であるカソードガス供給量を検出するカソードガス供給量検出手段と、
上記燃料電池における発電量を検出する発電量検出手段と、
上記発電量が、当該燃料電池により発電した電力を用いて稼動させる負荷に必要とされる要求発電量になるよう上記燃料ポンプの吐出量及び上記カソードポンプの吐出量を決定する制御装置とを有し、
上記カソード流路には、該カソード流路から排出されるカソードオフガスを上記改質反応流路に送るためのカソードオフガスラインを接続してなる燃料電池システムであって、
上記制御装置は、上記改質反応流路に供給される炭素量である改質炭素量Ｃを上記燃料供給量検出手段によって検出した上記燃料供給量に基づいて求める改質炭素量算出ステップと、
上記燃料電池における発電に消費された上記カソードガス中の酸素量である消費酸素量を上記発電量検出手段によって検出した上記発電量から求めると共に、上記カソード流路に供給される酸素量である供給酸素量を上記カソードガス供給量検出手段によって検出した上記カソードガス供給量から求め、次いで、上記供給酸素量から上記消費酸素量を差し引くことによって上記カソードオフガス中の残存酸素量を求め、上記改質反応流路に供給される酸素量である改質酸素量Ｏを上記残存酸素量に基づいて求める改質酸素量算出ステップと、
上記改質炭素量Ｃに対する上記改質酸素量Ｏの比率であるＯ／Ｃを目標範囲内に維持するように、上記燃料ポンプの吐出量を変更して、上記改質炭素量Ｃを補正する改質炭素量補正ステップとを行うよう構成されていることを特徴とする燃料電池システムにある（請求項９）。
本発明の燃料電池システムによっても、上記発明と同様に、燃料電池システムを複雑にしてしまうことなく、燃料電池における実際の発電状態を考慮して算出された改質酸素量Ｏを用いて、改質反応流路におけるＯ／Ｃを適切な値に保つことができる。
上述した第１、第２の発明における好ましい実施の形態につき説明する。
第１の発明において、上記制御装置は、上記燃料電池における発電により上記カソード流路内に生成された水分量である生成水分量を上記発電量から求め、上記改質反応流路に供給される水分量である改質水分量Ｓを上記生成水分量に基づいて求める改質水分量算出ステップも行い、上記改質炭素量補正ステップにおいて、上記燃料ポンプの吐出量を変更して上記改質炭素量Ｃを補正する際には、上記改質炭素量Ｃに対する上記改質水分量Ｓの比率であるＳ／Ｃも目標範囲内に維持することが好ましい（請求項２）。
この場合には、制御装置は、上記改質炭素量算出ステップ及び改質酸素量算出ステップ以外に、上記改質水分量算出ステップも行って改質水分量Ｓを算出し、上記Ｓ／Ｃを算出する。そして、上記改質炭素量補正ステップにおいて、上記燃料ポンプの吐出量を変更して改質炭素量Ｃを補正する際には、Ｓ／Ｃも目標範囲内になるように考慮して補正を行い、改質反応流路におけるＳ／Ｃも適切な値に保つことができる。
そのため、燃料電池における実際の発電状態を考慮して算出された改質酸素量Ｏを用いて、改質反応流路におけるＳ／Ｃも適切な値に保つことができ、安定かつ効率的に燃料電池システムの発電を行うことができる。
また、上記制御装置は、上記燃料電池システムに異常が発生し、上記発電量が上記要求発電量よりも低下した場合には、上記改質炭素量算出ステップ、上記改質酸素量算出ステップ、上記改質水分量算出ステップ及び上記改質炭素量補正ステップを行い、上記発電量の低下による上記改質酸素量Ｏの増加に応じて、上記燃料ポンプの吐出量を増加させ、上記改質炭素量Ｃを増加させることにより、上記Ｏ／Ｃが上記目標範囲内になるようにして、上記要求発電量を満たすよう上記発電量を回復させる発電量回復ステップを行うことが好ましい（請求項３）。
この場合は、上記燃料電池システムに何らかの異常が発生し、燃料電池における発電量が上記要求発電量よりも低下してしまった場合の対策方法を示す。すなわち、この場合には、上記発電量の低下により、燃料電池における発電に消費されるカソードガス中の消費酸素量が減少し、その分、カソードオフガス中に残存する残存酸素量が増加し、改質反応流路に供給する改質酸素量Ｏが増加することになる。
そのため、制御装置は、発電量回復ステップとして、改質酸素量Ｏの増加量に応じて、燃料ポンプの吐出量を増加させ、改質炭素量Ｃを増加させることにより、上記Ｏ／Ｃを上記目標範囲内に保つことができる。また、改質炭素量Ｃを増加させることにより、上記要求発電量を満たすよう燃料電池における発電量を回復させることができる。
そのため、上記燃料電池システムの異常事態においても、改質反応流路におけるＯ／Ｃを適切な値に保つことができると共に、燃料電池における発電量も要求発電量を満たすよう保つことができる。
なお、上記燃料電池システムにおける異常状態としては、例えば、何らかの原因で改質反応流路において生成するアノードガス中の水素量が減少してしまった場合、何らかの原因で改質反応流路における温度又は燃料電池における温度が低下してしまった場合等が考えられる。また、例えば、燃料電池を固体高分子膜型燃料電池又はリン酸型燃料電池等とした場合には、電解質体が乾燥してしまった場合等も考えられる。
また、上記制御装置は、上記発電量回復ステップにおいて上記燃料ポンプの吐出量を増加させる際には、上記Ｓ／Ｃが１以下とならないように上記燃料ポンプの吐出量の増加を制限することが好ましい（請求項４）。
ところで、上記燃料電池システムの制御方法においては、上記のごとく、改質酸素量Ｏを基準とし、これに対し改質炭素量Ｃを調節することによって、Ｏ／Ｃを適切な値に保っており、Ｓ／ＣよりもＯ／Ｃを優先して調節している。
そこで、上記発電量回復ステップにおいて、燃料ポンプの吐出量を増加させて、改質炭素量Ｃを補正する際には、上記Ｓ／Ｃをチェックし、これが１以下とならないようにする。これにより、Ｓ／Ｃが１以下となって、改質反応流路内に改質用燃料に含まれる未反応の炭素が残り、改質反応流路内に配置した改質触媒等の劣化を招くことを防止することができる。
また、上記改質器は、上記改質反応流路に隣接形成され燃焼反応を行って該改質反応流路を加熱する加熱流路を備えており、上記制御装置は、上記発電量回復ステップにおいて、上記Ｓ／Ｃが１以下となってしまうために上記燃料ポンプの吐出量を増加させることができないときには、上記加熱流路における燃焼反応を減少させることが好ましい（請求項５）。
上記改質反応流路に隣接して加熱流路を設けたことにより、改質器においては、改質反応流路における酸化反応と、加熱流路における燃焼反応とを合わせて、改質反応流路における温度を適切な温度範囲内保つことが容易になる。また、加熱流路において燃焼反応を行うことにより、改質反応流路における酸化反応に用いる改質用燃料の消費量を減少させることができる。
また、上記発電量回復ステップにおいて、Ｓ／Ｃが１以下となってしまうために燃料ポンプの吐出量を増加させることができないときには、改質反応流路に供給される改質酸素量Ｏが過剰になっており、上記Ｏ／Ｃが目標範囲内を外れて大きくなっていると考えられる。そこで、この場合には、改質酸素量Ｏが過剰であることにより、改質反応流路が必要以上に加熱されてしまうおそれがある。そのため、改質反応流路を加熱するために設けた加熱流路における燃焼反応を減少させることにより、改質反応流路における温度を適切な温度に保つことができる。
また、上記制御装置は、上記要求発電量の増加変更がなされた場合には、上記燃料ポンプの吐出量及び上記カソードポンプの吐出量を増加させるよう再決定し、一方で、上記要求発電量の減少変更がなされた場合には、上記燃料ポンプの吐出量及び上記カソードポンプの吐出量を減少させるよう再決定することにより、上記発電量を上記要求発電量に追従させる発電量追従ステップと、該発電量追従ステップを行い、上記改質炭素量算出ステップ、上記改質酸素量算出ステップ及び上記改質水分量算出ステップを再び行った後、上記Ｏ／Ｃが上記目標範囲内を外れて大きくなったときには、上記燃料ポンプの吐出量を増加させ、上記改質炭素量Ｃを増加補正することにより、当該Ｏ／Ｃを上記目標範囲内に復帰させ、一方で、上記Ｏ／Ｃが上記目標範囲内を外れて小さくなったときには、上記燃料ポンプの吐出量を減少させ、上記改質炭素量Ｃを減少補正することにより、当該Ｏ／Ｃを上記目標範囲内に復帰させるＯ／Ｃ補正ステップとを行うことができる（請求項６）。
この場合は、上記燃料電池の発電に要求される要求発電量が変更された場合に、燃料電池における発電量が要求発電量になるよう追従させるときの制御方法を示す。
すなわち、上記発電量追従ステップにおいては、要求発電量の増加変更がなされた場合には、燃料電池における発電量もこれに応じて大きくする必要があり、制御装置は、燃料ポンプの吐出量及びカソードポンプの吐出量を、発電量の増加分に応じて増加させる。これにより、各ポンプの吐出量が適切に再決定される。
一方で、要求発電量の減少変更がなされた場合には、燃料電池における発電量もこれに応じて小さくする必要があり、制御装置は、燃料ポンプの吐出量及びカソードポンプの吐出量を、発電量の減少分に応じて減少させる。これによっても、各ポンプの吐出量が適切に再決定される。こうして、要求発電量の変更量に対応して、燃料電池の発電量を追従変更させることができる。
そして、上記燃料電池の発電量が変更された後（発電量追従ステップを行った後）には、上記改質反応流路におけるＯ／Ｃが目標範囲内を外れているおそれがある。そのため、この場合には、上記Ｏ／Ｃ補正ステップとして、まず、再び上記改質炭素量算出ステップ、改質酸素量算出ステップ及び改質水分量算出ステップを行って、それぞれ上記改質炭素量Ｃ、改質酸素量Ｏ及び改質水分量Ｓを算出し、上記Ｏ／Ｃ及びＳ／Ｃを算出する。
そして、Ｏ／Ｃが目標範囲内を外れて大きくなったときには、改質酸素量Ｏが過剰であると考え、燃料ポンプの吐出量を増加させることにより、改質炭素量Ｃを増加補正する。これにより、Ｏ／Ｃを目標範囲内に復帰させ、適切な値に保つことができる。一方で、Ｏ／Ｃが目標範囲内を外れて小さくなったときには、改質酸素量Ｏが不足していると考え、燃料ポンプの吐出量を減少させることにより、改質炭素量Ｃを減少補正する。これによっても、Ｏ／Ｃを目標範囲内に復帰させ、適切な値に保つことができる。
また、上記制御装置は、上記Ｏ／Ｃ補正ステップにおいて上記燃料ポンプの吐出量を増加させる際には、上記Ｓ／Ｃが１以下とならないように上記燃料ポンプの吐出量の増加を制限することが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記Ｏ／Ｃ補正ステップにおいて、Ｓ／Ｃが１以下とならないようにすることにより、上記と同様に、Ｓ／Ｃが１以下となって、改質反応流路内に改質用燃料に含まれる未反応の炭素が残り、改質反応流路内に配置した改質触媒等の劣化を招くことを防止することができる。
また、上記改質器は、上記改質反応流路に隣接形成され燃焼反応を行って該改質反応流路を加熱する加熱流路を備えており、上記制御装置は、上記Ｏ／Ｃ補正ステップにおいて、上記Ｓ／Ｃが１以下となってしまうために上記燃料ポンプの吐出量を増加させることができないときには、上記加熱流路における燃焼反応を減少させることが好ましい（請求項８）。
この場合には、上記Ｏ／Ｃ補正ステップにおいて、加熱流路において燃焼反応を行うことにより、上記と同様に、改質反応流路における温度を適切な温度範囲内保つことが容易になり、改質反応流路における酸化反応に用いる改質用燃料の消費量を減少させることができる。また、この場合にも、上記と同様に、改質反応流路を加熱するために設けた加熱流路における燃焼反応を減少させることにより、改質反応流路における温度を適切な温度に保つことができる。
また、第２の発明においては、上記制御装置は、上記燃料電池における発電により上記カソード流路内に生成された水分量である生成水分量を上記発電量から求め、上記改質反応流路に供給される水分量である改質水分量Ｓを上記生成水分量に基づいて求める改質水分量算出ステップも行うよう構成し、上記改質炭素量補正ステップにおいて、上記燃料ポンプの吐出量を変更して上記改質炭素量Ｃを補正する際には、上記改質炭素量Ｃに対する上記改質水分量Ｓの比率であるＳ／Ｃも目標範囲内に維持するよう構成することが好ましい（請求項１０）。
この場合には、制御装置は、上記改質炭素量算出ステップ及び改質酸素量算出ステップ以外に、上記改質水分量算出ステップも行って改質水分量Ｓを算出し、上記Ｓ／Ｃを算出する。そして、上記改質炭素量補正ステップにおいて、上記燃料ポンプの吐出量を変更して改質炭素量Ｃを補正する際には、Ｓ／Ｃも目標範囲内になるように考慮して補正を行い、改質反応流路におけるＳ／Ｃも適切な値に保つことができる。
そのため、燃料電池における実際の発電状態を考慮して算出された改質酸素量Ｏを用いて、改質反応流路におけるＳ／Ｃも適切な値に保つことができ、安定かつ効率的に燃料電池システムの発電を行うことができる。
また、第１、第２の発明において、上記改質炭素量Ｃは、上記改質反応流路に供給される改質用燃料中に含まれる炭素原子（Ｃ）のモル量として求めることができ、上記改質酸素量Ｏは、改質反応流路に供給されるカソードガス中に含まれる酸素原子（Ｏ）のモル量として求めることができる。また、上記改質水分量Ｓは、上記燃料電池における反応により生成される生成水（Ｈ2Ｏ）のモル量として求めることができる。
また、上記燃料電池における発電量は、アノード流路に供給されたアノードガス中の水素の消費量（発電反応に消費される消費水素量）、及びカソード流路に供給されたカソードガス中の酸素の消費量（発電反応に消費される消費酸素量）と密接な関係があり、また、これらの消費によって生成される水の量（生成水分量）とも密接な関係がある。そのため、本発明においては、上記発電量検出手段によって検出した燃料電池における発電量を用いて、上記消費酸素量、上記改質水分量を求め、これらを上記燃料電池システムの制御方法に利用する。
また、上記Ｏ／Ｃの目標範囲は、例えば、モル比で０〜１．２とすることができ、上記Ｓ／Ｃの目標範囲は、例えば、モル比で１〜３とすることができる。
上記Ｏ／Ｃが目標範囲よりも大きくなってしまうと、改質反応流路において、改質用燃料と酸素とによる酸化反応が過剰に起こり、改質反応流路を加熱し過ぎてしまうだけでなく、改質用燃料を水素を生成する以外の用途に過剰に消費して、エネルギー効率の低下を招くおそれがある。
また、一方で、上記Ｏ／Ｃが目標範囲よりも小さくなってしまうと、改質反応流路において、上記酸化反応が不足し、改質反応流路の温度が低下して、改質用燃料から水素への転換効率が低下してしまうおそれがある。
また、上記改質炭素量算出ステップ、上記改質酸素量算出ステップ及び上記改質水分量算出ステップは、必ずしもこの順番に行う必要はなく、いずれから行ってもよい。また、これらのステップは、並列して行うこともできる。
また、上記改質炭素量算出ステップ、上記改質酸素量算出ステップ、上記改質水分量算出ステップ及び上記改質炭素量補正ステップは、燃料電池における発電が安定したときに行うことができる。また、改質炭素量算出ステップ、改質酸素量算出ステップ、改質水分量算出ステップ及び改質炭素量補正ステップは、上記燃料電池システムにおいて何らかの異常が発生し、上記発電量が低下した場合、あるいは、上記要求発電量の増加変更がなされた場合にはじめて行うこともできる。
また、上記改質器の改質反応流路においては、例えば、改質用燃料と水とから改質触媒を介して水素及び一酸化炭素等を生成する水蒸気改質反応と、改質用燃料の一部と酸素とを燃焼させて、水及び二酸化炭素等を生成する酸化反応とを行うことができる。そして、水蒸気改質反応により水素を生成する一方、この水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、上記酸化反応としての発熱反応を行って、改質器における反応温度を高く維持することができる。
また、上記燃料電池のアノード流路には、上記改質器の改質反応流路において生成したアノードガスを直接供給することができる。この場合には、例えば、燃料電池における電解質体は、アノード流路に供給されたアノードガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、この水素分離金属層を透過させた水素をプロトンの状態にして透過させてカソード流路に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層とを積層してなるものとすることができる。
また、これ以外にも、改質器と燃料電池との間に、アノードガスから水素を分離するための水素分離金属を配設し、この水素分離金属を透過した水素を燃料電池におけるアノード流路に供給することもできる。
また、上記改質用燃料は、例えば、炭化水素燃料又はアルコール燃料等とすることができる。上記炭化水素燃料としては、例えば、メタン、エタン等の燃料ガス、プロパン、ブタン等の液化石油ガス、オクタン等のガソリンがある。また、上記アルコール燃料としては、例えば、メタノール、エタノール等がある。
以下に、図１〜図７を用いて、本発明の燃料電池システム及びその制御方法にかかる実施例につき説明する。
（実施例１）
本例の燃料電池システム１は、図１に示すごとく、水素を生成する改質反応流路２１を備えた改質器２と、上記水素を利用して発電を行う燃料電池３とを有する燃料電池システム１を制御するに当たり、燃料電池３における実際の発電状態を考慮して算出された改質酸素量Ｏを用いて、改質反応流路２１における改質炭素量Ｃに対する改質酸素量Ｏの比率であるＯ／Ｃと、改質炭素量Ｃに対する改質水分量Ｓの比率であるＳ／Ｃとを適切な値に保つことができるものである。
すなわち、図１に示すごとく、上記改質器２は、改質用燃料Ｆから水素を含有するアノードガスＧａを生成する改質反応流路２１と、これに隣接形成され燃焼反応を行って改質反応流路２１を加熱する加熱流路２２とを備えている。また、上記燃料電池３は、改質反応流路２１からアノードガスＧａが供給されるアノード流路３２と、酸素を含有するカソードガスＧｃが供給されるカソード流路３３と、このカソード流路３３とアノード流路３２との間に配設された電解質体３１と、当該燃料電池３を冷却するための冷媒ガスＧｒが供給される冷媒流路３４とを備えている。
また、図１に示すごとく、燃料電池システム１は、以下の燃料ポンプ５１、燃料供給量検出手段６１、カソードポンプ５２、カソードガス供給量検出手段６２、発電量検出手段６３、制御装置７を有して構成されている。
上記燃料ポンプ５１は、上記改質反応流路２１に改質用燃料Ｆを供給するよう構成されており、上記カソードポンプ５２は、上記カソード流路３３にカソードガスＧｃを供給するよう構成されている。
また、上記燃料供給量検出手段６１は、燃料ポンプ５１による改質用燃料Ｆの供給量である燃料供給量Ｑｆを検出するよう構成されており、上記カソードガス供給量検出手段６２は、カソードポンプ５２によるカソードガスＧｃの供給量であるカソードガス供給量Ｑｃを検出するよう構成されており、また、上記発電量検出手段６３は、燃料電池３における発電量Ｗを検出するよう構成されている。
また、図１に示すごとく、カソード流路３３の出口部には、これから排出されるカソードオフガスＯｃを改質反応流路２１の入口部に送るためのカソードオフガスライン４６が接続されており、改質反応流路２１においては、カソードオフガスＯｃを利用して水蒸気改質反応及び酸化反応を行うよう構成されている。また、カソードオフガスＯｃは、燃料電池３における発電に使用されなかった酸素である残存酸素、燃料電池３における発電により生成された水である生成水及び燃料電池３の発電により高温の熱エネルギーを有しており、改質反応流路２１においては、上記残存酸素、生成水及び高温の熱エネルギーを利用してアノードガスＧａを生成することができる。
また、上記制御装置７は、上記発電量検出手段６３により検出した発電量Ｗが、燃料電池３により発電した電力を用いて稼動させる負荷８に必要とされる要求発電量Ｗｒになるよう燃料ポンプ５１の吐出量及びカソードポンプ５２の吐出量を決定するよう構成されている。
なお、要求発電量Ｗｒとは、負荷８を稼動させるために燃料電池３に要求される発電量Ｗのことであり、制御装置７は、要求発電量Ｗｒを目標発電量として、燃料電池３における発電の制御を行う。
そして、図２〜図４に示すごとく、上記制御装置７は、以下の改質炭素量算出ステップ、改質酸素量算出ステップ、改質水分量算出ステップ及び改質炭素量補正ステップを行って、改質反応流路２１に供給する改質炭素量Ｃを、改質反応流路２１に供給する改質酸素量Ｏに応じて補正する。
すなわち、図３に示すごとく、上記改質炭素量算出ステップにおいては、制御装置７は、改質反応流路２１に供給される炭素量である改質炭素量Ｃを、上記燃料供給量検出手段６１により検出した燃料供給量Ｑｆに基づいて求める。
また、図３に示すごとく、上記改質酸素量算出ステップにおいては、制御装置７は、まず、燃料電池３における発電に消費されたカソードガスＧｃ中の酸素量である消費酸素量を、発電量検出手段６３により検出した発電量Ｗから求める。また、制御装置７は、カソード流路３３に供給される酸素量である供給酸素量を、上記カソードガス供給量検出手段６２により検出したカソードガス供給量Ｑｃから求める。
次いで、制御装置７は、上記供給酸素量から上記消費酸素量を差し引くことによって、カソードオフガスＯｃ中の残存酸素量を求める。こうして、改質反応流路２１に供給される酸素量である改質酸素量Ｏを残存酸素量に基づいて求める。
また、図３に示すごとく、上記改質水分量算出ステップにおいては、制御装置７は、燃料電池３における発電によりカソード流路３３内に生成された水分量である生成水分量を、発電量検出手段６３により検出した発電量Ｗから求める。そして、改質反応流路２１に供給される水分量である改質水分量Ｓを、生成水分量に基づいて求める。
こうして、改質反応流路２１における改質炭素量Ｃ、改質酸素量Ｏ及び改質水分量Ｓをそれぞれ求めることができる。
次いで、図４に示すごとく、上記改質炭素量補正ステップにおいては、制御装置７は、上記Ｏ／Ｃと上記Ｓ／Ｃとがそれぞれ目標値の範囲内になるように、上記燃料ポンプ５１の吐出量を変更する。
すなわち、改質炭素量補正ステップにおいては、上記改質酸素量算出ステップにおいて求めた改質酸素量Ｏを基準とし、この改質酸素量Ｏに対応して、改質炭素量Ｃを補正することにより、Ｏ／Ｃが目標値の範囲内になるように補正する。また、このＯ／Ｃの補正の際には、Ｓ／Ｃも目標値の範囲内から外れないようにして、改質炭素量Ｃを補正（変更）する量を決定する。なお、本例では、Ｏ／Ｃの目標値は０〜１．２の間から選択した値とし、Ｓ／Ｃの目標値は１〜３の間から選択した値とする。また、目標値の範囲とは、目標値に対して上下に若干幅を持たせた範囲のことをいう。
以下に、これを詳説する。
図１に示すごとく、本例の燃料電池３における電解質体３１は、アノード流路３２に供給されたアノードガスＧａ中の水素を透過させるための水素分離金属層３１１と、この水素分離金属層３１１を透過させた水素をプロトンの状態にして透過させてカソード流路３３に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層３１２とを積層してなる。水素分離金属層３１１は、パラジウム（Ｐｄ）を含む金属から構成されており、プロトン伝導体層３１２は、ＢａＣｅＯ3系又はＳｒＣｅＯ3系のペロブスカイト型酸化物から構成されている。そして、本例の燃料電池３は、プロトン伝導体層３１２に水分を含浸させずに発電を行うことができ、例えば３００〜６００℃の高温状態で作動させることができる。
また、改質器２の改質反応流路２１において生成するアノードガスＧａの温度は、３００〜６００℃とすることができる。そのため、本例では、改質反応流路２１における温度と燃料電池３における作動温度とをほぼ同じにすることができ、改質反応流路２１から燃料電池３のアノード流路３２へは、アノードガスＧａを直接供給することができる。
また、カソード流路３３から排出されるカソードオフガスＯｃは、燃料電池３の作動温度に近い高温の状態で改質反応流路２１へ直接送ることができる。
また、図１に示すごとく、上記電解質体３１は、プロトン伝導体層３１２におけるアノード流路３２の側の表面に形成したアノード電極（陽極）３２１と、プロトン伝導体層３１２におけるカソード流路３３の側の表面に形成したカソード電極（陰極）３３１とを有している。また、アノード電極とカソード電極との間には、燃料電池３から電力を取り出すための電池出力線３０１が接続されており、燃料電池３による発電した電力を利用して稼動する負荷８は、電池出力線３０１に接続されている。
また、上記発電量検出手段６３は、上記電池出力線３０１における電力値又は電流値を計測することにより、燃料電池３における発電量Ｗを検出することができる。
また、上記発電量検出手段６３は、例えば、燃料電池３における電力量を検出する電力計とすることができる。また、燃料電池３における発電電圧は、ほぼ一定であることが多いため、発電量検出手段６３は、例えば、燃料電池３における電流量を検出する電流計等とすることもできる。
また、上記燃料供給量検出手段６１及び上記カソードガス供給量検出手段６２は、流量計とすることができる。
また、図１に示すごとく、改質反応流路２１の入口部と燃料ポンプ５１とは、燃料ポンプ５１から改質用燃料Ｆを改質反応流路２１に供給するための燃料供給ライン４１を介して接続されている。そして、上記燃料供給量検出手段６１は、燃料供給ライン４１に配設されている。
また、カソード流路３３とカソードポンプ５２とは、カソードポンプ５２からカソードガスＧｃをカソード流路３３に供給するためのカソードガス供給ライン４３を介して接続されている。そして、上記カソードガス供給量検出手段６２は、カソードガス供給ライン４３に配設されている。
また、改質反応流路２１の出口部とアノード流路３２の入口部とは、改質反応流路２１において生成されたアノードガスＧａが流れるアノードガス供給ライン４２を介して接続されている。
また、アノード流路３２の出口部には、これから排出されるアノードオフガスＯａを加熱流路２２の入口部に送るためのアノードオフガスライン４５が接続されている。そして、改質器２の加熱流路２２は、アノードオフガスＯａが有する残存水素（燃料電池３における発電に消費されなかった水素）、アノードガスＧａ中に含まれる水素以外の物質（特に、一酸化炭素、メタン等の可燃性物質）及び燃料電池３を通過して加熱された熱エネルギー等を利用して燃焼反応を行うよう構成されている。
また、燃料電池３の冷媒流路３４には、これに冷媒ガスＧｒを供給するための冷媒ポンプ５３が冷媒ガス供給ライン４４を介して接続されている。また、冷媒流路３４の出口部には、これから排出される冷媒オフガスＯｒを加熱流路２２の入口部に送るための冷媒オフガスライン４７が接続されている。そして、加熱流路２２は、冷媒オフガスが有する酸素及び燃料電池３を通過して加熱された熱エネルギー等を利用して燃焼反応を行うよう構成されている。
また、改質用燃料ＦとカソードオフガスＯｃとは、改質反応流路用混合弁４６１によって混合されて改質反応流路２１に送られ、アノードオフガスＯａと冷媒オフガスＯｒとは、加熱流路用混合弁４５１によって混合されて加熱流路２２に送られる。また、加熱流路２２において燃焼反応が行われた後の燃焼オフガスは、加熱流路２２の出口部に接続された排気ライン４８から燃料電池システム１の外部に排出される。
なお、本例の改質用燃料Ｆは、炭化水素燃料であり、カソードガスＧｃ及び冷媒ガスＧｒは空気である。
また、上記制御装置７は、燃料電池システム１における種々の制御を行うものである。そして、制御装置７は、発電量検出手段６３、燃料供給量検出手段６１、カソードガス供給量検出手段６２から各検出値としての入力データを受信し、燃料ポンプ５１及びカソードポンプ５２にこれらを作動させるための出力データを送信するよう構成されている。
本例の制御装置７は、図２に示すごとく、燃料電池システム１を起動し、燃料電池３における発電を開始した初期段階においては、まず、初期制御フローを実行し、次いで、燃料電池３における発電が安定して行われる定常段階においては、燃料電池３における発電に要求される要求発電量Ｗｒが変更されていないか、及び燃料電池３における発電量Ｗが低下していないかを監視するメイン制御フローを実行する。
そして、メイン制御フローにおいて、燃料電池３における発電量Ｗが低下したときには、図５に示すごとく、発電量回復ルーチンを実行し、要求発電量Ｗｒが変更されたときには、図６に示すごとく、発電量変更ルーチンを実行する。
また、上記初期制御フローにおいては、図３に示すごとく、Ｏ／Ｃ・Ｓ／Ｃ算出ルーチンを行って、Ｏ／Ｃ及びＳ／Ｃを算出し、次いで、図４に示すごとく、燃料ポンプ増減補正ルーチンを行って、燃料ポンプ５１の吐出量を変更することにより、改質酸素量Ｏに対応して改質酸素量Ｃを補正する。
また、図５に示すごとく、上記メイン制御フローにおける発電量回復ルーチンにおいては、Ｏ／Ｃ・Ｓ／Ｃ算出ルーチン及び燃料ポンプ増減補正ルーチンを行い、改質酸素量Ｏ対応して改質炭素量Ｃを補正し、燃料電池３の発電量Ｗを回復させる。
また、図６に示すごとく、上記メイン制御フローにおける発電量変更ルーチンにおいては、Ｏ／Ｃ・Ｓ／Ｃ算出ルーチン及び燃料ポンプ増減補正ルーチンを行い、改質酸素量Ｏに対応して改質炭素量Ｃを補正し、燃料電池３の発電量Ｗを要求発電量Ｗｒに追従させる。
以下に、燃料電池システム１を制御する方法の一例を、図２〜図６を用いて詳説する。
（初期制御フロー）
図２において、燃料電池３における発電を開始するときには、制御装置７は、燃料電池３により稼動させる負荷８に必要な要求発電量Ｗｒを取り込み（ステップＳ０１）、燃料電池３により発電を行う発電量Ｗが要求発電量Ｗｒを満たすよう燃料ポンプ５１の目標吐出量及びカソードポンプ５２の目標吐出量を決定する（Ｓ０２）。
なお、発電量Ｗが要求発電量Ｗｒを満たす状態とは、発電量Ｗが要求発電量Ｗｒとほぼ同じ、又は発電量Ｗが要求発電量Ｗｒよりも所定の要求範囲内で高い状態のことをいう。この要求範囲は、要求発電量Ｗｒの値よりも若干高い値とすることができる。
上記燃料ポンプ５１の吐出量及びカソードポンプ５２の吐出量を決定するときには、制御装置７は、各ポンプ５１、５２の吐出量と燃料電池３の発電量Ｗとの関係が予め求めてある吐出量・発電量関係マップを用いる。この吐出量・発電量関係マップは、燃料電池システム１において、改質反応流路２１内における温度及び燃料電池３における温度を所定の温度範囲内に保つと共に、燃料電池３のアノード流路３２内における圧力及びカソード流路３３内における圧力を所定の圧力範囲内に保った状態で、燃料ポンプ５１から改質反応流路２１に供給する燃料供給量Ｑｆと、カソードポンプ５２からカソード流路３３に供給するカソードガス供給量Ｑｃとをそれぞれ変化させたときの燃料電池３における発電量Ｗの変化の状態をグラフ等によって示すものである。
そして、燃料ポンプ５１の目標吐出量及びカソードポンプ５２の目標吐出量が決定されたときには、改質反応流路２１に供給される改質炭素量Ｃ及び改質酸素量Ｏの絶対量が決定される。
また、上記吐出量・発電量関係マップにおいては、燃料ポンプ５１の吐出量及びカソードポンプ５２の吐出量を変化させたときの改質反応流路２１におけるＯ／Ｃ及びＳ／Ｃの変化の状態もグラフ等によって示されている。そのため、燃料ポンプ５１の吐出量及びカソードポンプ５２の吐出量を決定したときには、改質反応流路２１におけるＯ／Ｃの目標値及びＳ／Ｃの目標値も決定される。
そして、Ｏ／Ｃにより、改質反応流路２１において酸化反応を行う割合が決定され、Ｓ／Ｃにより、改質反応流路２１において水蒸気改質反応を行う割合が決定される。また、本例では、加熱流路２２における燃焼反応により改質反応流路２１を加熱するため、Ｏ／Ｃをできるだけ小さくして、酸化反応に消費される改質用燃料Ｆの量をできるだけ少なくすることができる。
そして、燃料ポンプ５１及びカソードポンプ５２が作動され、燃料ポンプ５１から改質反応流路２１に改質用燃料Ｆが供給されると共に、カソードポンプ５２からカソード流路３３にカソードガスＧｃが供給される（Ｓ０３）。このとき、制御装置７は、燃料供給量検出手段６１により検出する燃料供給量Ｑｆが燃料ポンプ５１の目標吐出量となるよう燃料ポンプ５１を制御することができ、カソードガス供給量検出手段６２により検出するカソードガス供給量Ｑｃがカソードポンプ５２の目標吐出量となるようカソードポンプ５２を制御することができる。
そして、制御装置７は、燃料電池３における発電が安定するまで、燃料ポンプ５１の吐出量及びカソードポンプ５２の吐出量の微調節を行って、発電量検出手段６３により検出した発電量Ｗが、負荷８から要求される要求発電量（目標発電量）Ｗｒを満たすよう制御する。
こうして、改質反応流路２１においては、燃料ポンプ５１から供給される改質用燃料Ｆと、カソードオフガスライン４６から送られるカソードオフガスＯｃ中の高温の水（水蒸気）とが、改質反応流路２１内に配置した改質触媒を介して水蒸気改質反応を行い、水素を含有するアノードガスＧａが生成される。また、改質反応流路２１においては、改質用燃料Ｆの一部と、カソードオフガスＯｃ中の高温の酸素とが酸化反応を行い、改質反応流路２１内を加熱する。また、加熱流路２２においては、アノードオフガスライン４５から送られるアノードオフガスＯａ中の水素、可燃性物質等と、冷媒オフガスライン４７から送られる冷媒オフガスＯｒ中の高温の酸素とが燃焼反応を行い、改質反応流路２１を加熱する。
また、燃料電池３のアノード流路３２には、改質反応流路２１からアノードガスＧａが供給され、アノードガスＧａ中の水素は、アノード流路３２から電解質体３１の水素分離金属層３１１を透過し、プロトンの状態になって電解質体３１のプロトン伝導体層３１２を透過して、燃料電池３のカソード流路３３まで到達する。そして、カソード流路３３においては、プロトン状態の水素と、カソードポンプ５２から供給されたカソードガスＧｃ中の酸素とが反応して、燃料電池３の発電が行われる。
（Ｏ／Ｃ・Ｓ／Ｃ算出ルーチン）
次に、燃料電池３における発電状態が安定したところで、制御装置７は、Ｏ／Ｃ・Ｓ／Ｃ算出ルーチンにおいて、Ｏ／Ｃ及びＳ／Ｃを算出する（Ｓ０４）。
すなわち、図３に示すごとく、制御装置７は、Ｏ／Ｃ・Ｓ／Ｃ算出ルーチンにおいては、まず、燃料供給量検出手段６１により改質反応流路２１に供給される燃料供給量Ｑｆを検出する（Ｓ０４１）。そして、上記改質炭素量算出ステップとして、改質反応流路２１に供給される改質炭素量Ｃを、燃料供給量Ｑｆと、改質用燃料Ｆ中に含まれる炭素のモル数とを用いて求める（Ｓ０４２）。
また、制御装置７は、発電量検出手段６３により燃料電池３における発電量Ｗを検出する（Ｓ０４３）。そして、制御装置７は、上記改質水分量算出ステップとして、燃料電池３における発電によりカソード流路３３内に生成された生成水分量を、上記発電量Ｗに基づいて求める（Ｓ０４４）。この際には、燃料電池３における生成水分量と燃料電池３における発電量Ｗとの関係を予め求めておいた生成水・発電量関係マップを用いることができる。また、本例では、カソードオフガスＯｃのほぼすべてを改質反応流路２１に送るため、改質反応流路２１に供給される改質水分量Ｓは生成水分量とほぼ同じであるとして求める。
また、制御装置７は、上記改質酸素量算出ステップとして、燃料電池３における発電に消費されたカソードガスＧｃ中の消費酸素量を、上記発電量Ｗに基づいて求める（Ｓ０４５）。この際には、燃料電池３における消費酸素量と燃料電池３における発電量Ｗとの関係を予め求めておいた消費酸素量・発電量関係マップとを用いることができる。
また、制御装置７は、カソードガス供給量検出手段６２によりカソード流路３３に供給されるカソードガス供給量Ｑｃを検出する（Ｓ０４６）。そして、カソード流路３３に供給される供給酸素量を、上記カソードガス供給量Ｑｃと、カソードガスＧｃ中に含まれる酸素のモル数とを用いて求める（Ｓ０４７）。
そして、制御装置７は、上記供給酸素量から上記消費酸素量を差し引くことによって、カソードオフガスＯｃ中の残存酸素量をモル量として求める。また、本例では、カソードオフガスＯｃのほぼすべてを改質反応流路２１に送るため、改質反応流路２１に供給される改質酸素量Ｏは残存酸素量とほぼ同じであるとして求める（Ｓ０４８）。
こうして、改質反応流路２１に供給される改質炭素量Ｃ、改質酸素量Ｏ及び改質水分量Ｓをそれぞれモル量として求め、制御装置７は、改質反応流路２１におけるＯ／Ｃ及びＳ／Ｃを求める（Ｓ０４９）。
（燃料ポンプ増減補正ルーチン）
次いで、図４に示すごとく、制御装置７は、燃料ポンプ増減補正ルーチン（Ｓ０５）において、上記改質炭素量補正ステップとして、上記各算出により求めたＯ／Ｃの値が、目標値の範囲内にあるか否かを判定する（Ｓ０５１）。Ｏ／Ｃの値が目標値の範囲内にある場合（Ｓ０５１の判定がＹｅｓの場合）には、燃料ポンプ５１の吐出量を補正する必要がないため、直ちに燃料ポンプ増減補正ルーチンを終了する。
一方で、Ｏ／Ｃの値が目標値の範囲内にない場合（Ｓ０５１の判定がＮｏの場合）には、Ｏ／Ｃの値が目標値よりも大きいか否かを判定する（Ｓ０５２）。Ｏ／Ｃの値が目標値よりも大きい場合（Ｓ０５２の判定がＹｅｓの場合）には、改質炭素量Ｃの割合が不足していると考え、改質酸素量Ｏを基準とし、Ｏ／Ｃの値を目標値にするために必要な改質炭素量Ｃの不足分を求める。そして、この改質炭素量Ｃの不足分に対応して、Ｏ／Ｃの値を目標値に保つための仮改質炭素量Ｃ’を求める。また、この仮改質炭素量Ｃ’を改質反応流路２１に供給するために、増加させることが必要な燃料ポンプ５１の吐出量の増加量（吐出増加量）が算出される（Ｓ０５３）。
一方で、Ｏ／Ｃの値が目標値よりも小さい場合（Ｓ０５２の判定がＮｏの場合）には、改質炭素量Ｃの割合が過剰であると考え、改質酸素量Ｏを基準とし、Ｏ／Ｃの値を目標値にするために削減することが必要な改質炭素量Ｃの過剰分を求める。そして、この改質炭素量Ｃの過剰分に対応して、Ｏ／Ｃの値を目標値に保つために、減少させることが必要な燃料ポンプ５１の吐出量の減少量（吐出減少量）が算出される（Ｓ０５４）。
また、上記燃料ポンプ５１の吐出増加量が算出された後（Ｓ０５３の後）には、上記仮改質炭素量Ｃ’と上記改質水分量Ｓとを用いて、Ｓ／Ｃ’を求める（Ｓ０５５）。そして、このＳ／Ｃ’が１よりも大きいか否かを判定する（Ｓ０５６）。Ｓ／Ｃ’が１よりも大きい場合（Ｓ０５６の判定がＹｅｓの場合）には、上記仮改質炭素量Ｃ’を改質反応流路２１に供給する改質炭素量Ｃとして確定し、また、上記燃料ポンプ５１の吐出増加量も確定される。
一方で、Ｓ／Ｃ’が１以下である場合（Ｓ０５６の判定がＮｏの場合）には、Ｓ／Ｃ’を１よりも大きくするために、仮改質炭素量Ｃ’の再計算を行う（Ｓ０５７）。そして、Ｓ／Ｃ’が１よりも大きい適切な値になるときの仮改質炭素量Ｃ’の値を、改質反応流路２１に供給する改質炭素量Ｃとして確定し、この改質炭素量Ｃに対応するよう燃料ポンプ５１の吐出増加量の減少補正が行われる（Ｓ０５８）。
このように、Ｓ／Ｃ’が１以下とならないように、仮改質炭素量Ｃ’の再計算を行うことにより、改質反応流路２１に供給する炭素量が過剰で、改質反応流路２１内に未反応の炭素が残り、改質反応流路２１内に配置した改質触媒等の劣化を招くことを防止することができる。
次いで、上記燃料ポンプ５１の吐出増加量の減少補正を行った後（Ｓ０５８の後）には、改質反応流路２１に供給される改質炭素量Ｃの割合に対する改質酸素量Ｏの割合が過剰になり、Ｏ／Ｃの値が目標値よりも大きくなると考えられ、改質反応流路２１が必要以上に加熱されてしまうおそれがある。そのため、改質反応流路２１における温度を適切な温度に保つために、上記加熱流路２２における燃焼反応を減少させるための加熱減少量を算出する（Ｓ０５９）。そして、この加熱流路２２の加熱減少量に応じて、加熱流路２２における加熱燃焼量を減少させる（Ｓ０６０）。この加熱流路２２における加熱燃焼量の減少操作は、例えば、アノードオフガスライン４５を流れるアノードガスＧａの一部を排気することによって行うことができる。
そして、上記のようにして算出した燃料ポンプ５１の吐出増加量又は吐出減少量に応じて、燃料ポンプ５１の吐出量を変更する（Ｓ０６１）。
こうして、燃料ポンプ増減補正ルーチンを実行することにより、上記燃料電池３における発電量Ｗを考慮して求めた改質酸素量Ｏに対して、Ｏ／Ｃが目標値の範囲内に可能な限り保たれるよう燃料ポンプ５１の吐出量を調節することができる。そして、燃料電池３における発電が適切に行われる。
（メイン制御フロー）
図２に示すごとく、上記燃料電池システム１において、Ｏ／Ｃ及びＳ／Ｃを目標値の範囲内に保って制御を開始した後には、上記発電量検出手段６３により燃料電池３における発電量Ｗを検出する（Ｓ０６）。そして、燃料電池３における発電量Ｗが、これに要求される要求発電量Ｗｒを満たしているかを監視する。すなわち、制御装置７は、発電量Ｗが要求発電量Ｗｒよりも低下していないか（Ｓ０７）及び要求発電量Ｗｒが変更されていないか（Ｓ０９）を逐次監視する。
そして、発電量Ｗが要求発電量Ｗｒよりも低下した場合（Ｓ０７の判定がＹｅｓの場合）には、発電量回復ルーチンを実行する（Ｓ０８）。
（発電量回復ルーチン）
発電量Ｗが要求発電量Ｗｒよりも低下した場合は、燃料電池システム１に何らかの異常が発生した場合であると考えられる。そして、この場合には、発電量Ｗの低下により、燃料電池３における発電に消費されるカソードガスＧｃ中の消費酸素量が減少し、その分、カソードオフガスＯｃ中に残存する残存酸素量が増加し、改質反応流路２１に供給する改質酸素量Ｏが増加することになる。
そのため、以下の発電量回復ルーチンを実行することにより、改質酸素量Ｏの増加量に応じて、燃料ポンプ５１の吐出量を増加させ、改質炭素量Ｃを増加させることにより、上記Ｏ／Ｃを上記目標値の範囲内に保ち、上記要求発電量Ｗｒを満たすよう発電量Ｗを回復させる。
すなわち、図５に示すごとく、発電量回復ステップとしての発電量回復ルーチン（Ｓ０８）においては、上述したＯ／Ｃ・Ｓ／Ｃ算出ルーチンを実行し（Ｓ０８１）、Ｏ／Ｃ及びＳ／Ｃを再び算出すると共に、上述した燃料ポンプ増減補正ルーチンを実行し（Ｓ０８２）、燃料ポンプ５１の吐出量を適宜変更する。具体的には、上記Ｏ／Ｃの値を上記目標値の範囲内に保つために、改質酸素量Ｏの増加量に応じて改質炭素量Ｃが増加されることになり、燃料ポンプ５１の吐出量が増加される。
その後、発電量検出手段６３により燃料電池３における発電量Ｗを再び検出する（Ｓ０８３）。そして、発電量Ｗが回復したか、すなわち発電量Ｗが要求発電量Ｗｒを満たしているか否かを判定する（Ｓ０８４）。発電量Ｗが回復した場合（Ｓ０８４の判定がＹｅｓの場合）には、発電量回復ルーチンを終了する。
一方で、Ｏ／Ｃ・Ｓ／Ｃ算出ルーチン及び燃料ポンプ増減補正ルーチンを実行しても、発電量Ｗが回復しない場合（Ｓ０８４の判定がＮｏの場合）には、燃料ポンプ５１の吐出量を増加させることだけによっては、もはや発電量Ｗを回復することができないと考え、カソードポンプ５２の吐出量を増加させる（Ｓ０８５）。そして、このカソードポンプ５２の吐出量を増加させることにより、カソードオフガスＯｃ中の残存酸素量が増加し、改質酸素量Ｏが増加する。そのため、再びＯ／Ｃ・Ｓ／Ｃ算出ルーチン及び燃料ポンプ増減補正ルーチンを実行したときには、改質炭素量Ｃが増加されて、発電量Ｗが回復すると考えられる。
また、カソードポンプ５２の吐出量の増加は、少しずつ段階的に行い、発電量Ｗが回復するまで（Ｓ０８４の判定がＹｅｓになるまで）、Ｓ０８１〜Ｓ０８５を繰り返し、発電量Ｗが回復したときには、発電量回復ルーチンを終了する。
このように、上記燃料電池システム１に何らかの異常が発生した場合においても、Ｏ／Ｃ及びＳ／Ｃが目標値の範囲内に可能な限り保たれた状態で、要求発電量Ｗｒを満たすよう燃料電池３の発電量Ｗを回復させることができる。
なお、燃料電池システム１における異常状態が正常状態に回復し、発電量Ｗが増加した場合には、燃料ポンプ５１の吐出量を元の状態（増減補正前の状態）に戻すことができる。
次に、図２におけるメイン制御フローにおいて、燃料電池３の発電に要求される要求発電量Ｗｒが変更された場合（Ｓ０９の判定がＹｅｓの場合）には、発電量変更ルーチンを実行する（Ｓ１０）。
（発電量変更ルーチン）
上記燃料電池３の発電に要求される要求発電量Ｗｒが変更された場合には、燃料電池３における発電量Ｗをその変更後の要求発電量Ｗｒに追従させる必要がある。そのため、発電量変更ルーチンにおいては、燃料ポンプ５１の吐出量及びカソードポンプ５２の吐出量を適切に変更することにより、発電量Ｗを変更後の要求発電量Ｗｒに追従させる。
すなわち、図６に示すごとく、発電量追従ステップとしての発電量変更ルーチン（Ｓ１０）においては、制御装置７は、まず、変更された要求発電量Ｗｒを再び取り込み（Ｓ１０１）、上記吐出量・発電量関係マップを用いて、発電量Ｗが要求発電量Ｗｒを満たすよう燃料ポンプ５１の目標吐出量及びカソードポンプ５２の目標吐出量を再決定する（Ｓ１０２）。
具体的には、要求発電量Ｗｒの増加変更がなされた場合には、制御装置７は、燃料ポンプ５１の吐出量及びカソードポンプ５２の吐出量を増加させるよう再決定し、一方で、要求発電量Ｗｒの減少変更がなされた場合には、燃料ポンプ５１の吐出量及びカソードポンプ５２の吐出量を減少させるよう再決定する。
そして、制御装置７は、燃料ポンプ５１の吐出量及びカソードポンプ５２の吐出量を変更する（Ｓ１０３）。こうして、燃料電池３における発電量Ｗを要求発電量Ｗｒに追従変更させることができる。
次いで、Ｏ／Ｃ補正ステップとして、上述したＯ／Ｃ・Ｓ／Ｃ算出ルーチンを実行し（Ｓ１０４）、Ｏ／Ｃ及びＳ／Ｃを再び算出すると共に、上述した燃料ポンプ増減補正ルーチンを実行し（Ｓ１０５）、燃料ポンプ５１の吐出量を適宜変更する。
具体的には、Ｏ／Ｃが目標値の範囲内を外れて大きくなったときには、燃料ポンプ５１の吐出量が増加され、改質炭素量Ｃが増加補正される。一方で、Ｏ／Ｃが目標値の範囲内を外れて小さくなったときには、燃料ポンプ５１の吐出量が減少され、改質炭素量Ｃが減少補正される。こうして、発電量Ｗを要求発電量Ｗｒに応じて追従変更した際に、Ｏ／Ｃの値が目標値の範囲内から外れてしまった場合でも、当該Ｏ／Ｃを再び目標値の範囲内に復帰させることができる。
その後、発電量検出手段６３により燃料電池３における発電量Ｗを再び検出する（Ｓ１０６）。そして、発電量Ｗが要求発電量Ｗｒの要求範囲内にあるか否かを判定する（Ｓ１０７）。発電量Ｗが要求発電量Ｗｒの要求範囲内にある場合（Ｓ１０７の判定がＹｅｓの場合）には、発電量変更ルーチンを終了する。なお、要求発電量Ｗｒの要求範囲は、要求発電量Ｗｒとほぼ同じの値から要求発電量Ｗｒよりも若干高い値の範囲とすることができる。
一方で、発電量Ｗが要求発電量Ｗｒの要求範囲内を外れている場合（Ｓ１０７の判定がＮｏの場合）には、燃料ポンプ５１の吐出量を増加させることによっては、もはや発電量Ｗを回復することができないと考え、カソードポンプ５２の吐出量を増減させる。
すなわち、まず、発電量Ｗが要求発電量Ｗｒよりも小さいか否かを判定する（Ｓ１０８）。そして、発電量Ｗが要求発電量Ｗｒよりも小さい場合（Ｓ１０８の判定がＹｅｓの場合）には、カソードポンプ５２の吐出量を増加させる（Ｓ１０９）。これにより、カソードオフガスＯｃ中の残存酸素量が増加し、改質酸素量Ｏが増加するため、再びＯ／Ｃ・Ｓ／Ｃ算出ルーチン（Ｓ１０４）及び燃料ポンプ増減補正ルーチン（Ｓ１０５）を実行したときには、改質炭素量Ｃが増加されて、発電量Ｗが増加すると考えられる。
一方で、発電量Ｗが要求発電量Ｗｒの要求範囲内以上である場合（Ｓ１０８の判定がＮｏの場合）には、カソードポンプ５２の吐出量を減少させる（Ｓ１１０）。これにより、カソードオフガスＯｃ中の残存酸素量が減少し、改質酸素量Ｏが減少するため、再びＯ／Ｃ・Ｓ／Ｃ算出ルーチン（Ｓ１０４）及び燃料ポンプ増減補正ルーチン（Ｓ１０５）を実行したときには、改質炭素量Ｃが減少されて、発電量Ｗが減少すると考えられる。
そして、カソードポンプ５２の吐出量の増加又は減少は、少しずつ段階的に行い、発電量Ｗが要求発電量Ｗｒの要求範囲内になるまで（Ｓ１０７の判定がＹｅｓになるまで）、Ｓ１０４〜Ｓ１１０を繰り返し、発電量Ｗが要求発電量Ｗｒの要求範囲内になったときには、発電量変更ルーチンを終了する。
このように、上記要求発電量Ｗｒの増減変更がなされた場合においても、Ｏ／Ｃ及びＳ／Ｃが目標値の範囲内に可能な限り保たれた状態で、制御装置７は、要求発電量Ｗｒの変更に対応して、燃料電池３の発電量Ｗを追従変更させることができる。
また、図２において、制御装置７は、発電終了の信号を受けて、適宜燃料電池３における発電を終了することができる。
なお、本例においては、上記加熱流路２２における加熱量の変更は、上記Ｓ／Ｃ’が１以下となる場合にのみ行った。これに対し、加熱流路２２における加熱量の変更は、上記燃料ポンプ５１の吐出量を変更し、上記改質炭素量Ｃを変更する際に、改質炭素量Ｃの変更量に対応して行うこともできる。
すなわち、燃料ポンプ５１の吐出量を増加させるときには、改質反応流路２１における温度を適切な温度に保つために、加熱流路２２における加熱量を増加させることができる。一方で、燃料ポンプ５１の吐出量を減少させるときには、改質反応流路２１における温度を適切な温度に保つために、加熱流路２２における加熱量を減少させることができる。
また、図７に示すごとく、上記アノードオフガスライン４５において、上記燃料電池３のアノード流路３２の出口部には、アノード流路３２内の圧力を上昇させるためのアノード調圧弁５１１を配設することができる。そして、燃料電池３における発電量Ｗが低下した場合には、上記アノード調圧弁５１１の開度を絞ることができる。これにより、アノード流路３２内の圧力が上昇し、燃料電池３の発電効率が上昇するため、発電量Ｗの回復を一層迅速に行うことができる。そして、発電量Ｗが回復した後には、アノード調圧弁５１１の開度を再び初期の状態に戻すことができる。
また、図７に示すごとく、上記冷媒ポンプ５３を液体を用いて燃料電池３の冷却を行う液冷タイプのものにしたときには、上記加熱流路２２の入口部には、空気等を加熱流路２２に供給する加熱流路用ポンプ５４を配設することができる。
上述したように、本例においては、燃料電池３における発電量Ｗを検出し、この発電量Ｗに基づいて求めた改質酸素量Ｏを基準とし、これに対して改質反応流路２１におけるＯ／Ｃの値が目標値になるように改質炭素量Ｃの補正を行った。そのため、改質炭素量Ｃを適切に補正することができ、改質反応流路２１におけるＯ／Ｃを適切な値に保つことができる。また、この改質炭素量Ｃの補正の際には、Ｓ／Ｃが１以下にならないように考慮しており、改質反応流路２１におけるＳ／Ｃも適切な値に保つことができる。
また、本例においては、上記カソード流路３３から排出されるカソードオフガスＯｃは、そのほぼすべてを上記カソードオフガスライン４６を経由させて上記改質反応流路２１に供給している。そして、カソードオフガスライン４６には、改質反応流路２１に供給する改質酸素量Ｏ及び改質水分量Ｓを調節するための調節弁等を配設しなくても、Ｏ／Ｃ及びＳ／Ｃを適切な値に保つことが可能である。
それ故、本例の燃料電池システム１及びその制御方法によれば、燃料電池システム１を複雑にしてしまうことなく、燃料電池３における実際の発電状態を考慮して算出された改質酸素量Ｏを用いて、改質反応流路２１におけるＯ／Ｃ及びＳ／Ｃを適切な値に保つことができる。
実施例における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施例における、燃料電池システムの制御方法にかかる初期制御フロー及びメイン制御フローを示すフローチャート。 実施例における、燃料電池システムの制御方法にかかるＯ／Ｃ・Ｓ／Ｃ算出ルーチンを示すフローチャート。 実施例における、燃料電池システムの制御方法にかかる燃料増減補正ルーチンを示すフローチャート。 実施例における、燃料電池システムの制御方法にかかる発電量回復ルーチンを示すフローチャート。 実施例における、燃料電池システムの制御方法にかかる発電量変更ルーチンを示すフローチャート。 実施例における、他の燃料電池システムの構成を示す説明図。
符号の説明
１ 燃料電池システム
２ 改質器
２１ 改質反応流路
２２ 加熱流路
３ 燃料電池
３１ 電解質体
３２ アノード流路
３３ カソード流路
４６ カソードオフガスライン
５１ 燃料ポンプ
５２ カソードポンプ
６１ 燃料供給量検出手段
６２ カソードガス供給量検出手段
６３ 発電量検出手段
７ 制御装置
８ 負荷
Ｆ 改質用燃料
Ｇａ アノードガス
Ｏａ アノードオフガス
Ｇｃ カソードガス
Ｏｃ カソードオフガス
Ｗ 発電量
Ｗｒ 要求発電量
Ｑｆ 燃料供給量
Ｑｃ カソードガス供給量

Claims (10)

  1. 改質用燃料から水素を含有するアノードガスを生成する改質反応流路を備えた改質器と、
    上記改質反応流路から上記アノードガスが供給される又は該アノードガス中の水素が供給されるアノード流路と、酸素を含有するカソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを備えた燃料電池と、
    上記改質反応流路に上記改質用燃料を供給する燃料ポンプと、
    該燃料ポンプによる上記改質用燃料の供給量である燃料供給量を検出する燃料供給量検出手段と、
    上記カソード流路に上記カソードガスを供給するカソードポンプと、
    該カソードポンプによる上記カソードガスの供給量であるカソードガス供給量を検出するカソードガス供給量検出手段と、
    上記燃料電池における発電量を検出する発電量検出手段と、
    上記発電量が、当該燃料電池により発電した電力を用いて稼動させる負荷に必要とされる要求発電量になるよう上記燃料ポンプの吐出量及び上記カソードポンプの吐出量を決定する制御装置とを有し、
    上記カソード流路には、該カソード流路から排出されるカソードオフガスを上記改質反応流路に送るためのカソードオフガスラインを接続してなる燃料電池システムを制御する方法であって、
    上記制御装置は、上記改質反応流路に供給される炭素量である改質炭素量Ｃを上記燃料供給量検出手段によって検出した上記燃料供給量に基づいて求める改質炭素量算出ステップと、
    上記燃料電池における発電に消費された上記カソードガス中の酸素量である消費酸素量を上記発電量検出手段によって検出した上記発電量から求めると共に、上記カソード流路に供給される酸素量である供給酸素量を上記カソードガス供給量検出手段によって検出した上記カソードガス供給量から求め、次いで、上記供給酸素量から上記消費酸素量を差し引くことによって上記カソードオフガス中の残存酸素量を求め、上記改質反応流路に供給される酸素量である改質酸素量Ｏを上記残存酸素量に基づいて求める改質酸素量算出ステップと、
    上記改質炭素量Ｃに対する上記改質酸素量Ｏの比率であるＯ／Ｃを目標範囲内に維持するように、上記燃料ポンプの吐出量を変更して、上記改質炭素量Ｃを補正する改質炭素量補正ステップとを行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  2. 請求項１において、上記制御装置は、上記燃料電池における発電により上記カソード流路内に生成された水分量である生成水分量を上記発電量から求め、上記改質反応流路に供給される水分量である改質水分量Ｓを上記生成水分量に基づいて求める改質水分量算出ステップも行い、
    上記改質炭素量補正ステップにおいて、上記燃料ポンプの吐出量を変更して上記改質炭素量Ｃを補正する際には、上記改質炭素量Ｃに対する上記改質水分量Ｓの比率であるＳ／Ｃも目標範囲内に維持することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  3. 請求項２において、上記制御装置は、上記燃料電池システムに異常が発生し、上記発電量が上記要求発電量よりも低下した場合には、上記改質炭素量算出ステップ、上記改質酸素量算出ステップ、上記改質水分量算出ステップ及び上記改質炭素量補正ステップを行い、上記発電量の低下による上記改質酸素量Ｏの増加に応じて、上記燃料ポンプの吐出量を増加させ、上記改質炭素量Ｃを増加させることにより、上記Ｏ／Ｃが上記目標範囲内になるようにして、上記要求発電量を満たすよう上記発電量を回復させる発電量回復ステップを行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  4. 請求項３において、上記制御装置は、上記発電量回復ステップにおいて上記燃料ポンプの吐出量を増加させる際には、上記Ｓ／Ｃが１以下とならないように上記燃料ポンプの吐出量の増加を制限することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  5. 請求項４において、上記改質器は、上記改質反応流路に隣接形成され燃焼反応を行って該改質反応流路を加熱する加熱流路を備えており、
    上記制御装置は、上記発電量回復ステップにおいて、上記Ｓ／Ｃが１以下となってしまうために上記燃料ポンプの吐出量を増加させることができないときには、上記加熱流路における燃焼反応を減少させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  6. 請求項２において、上記制御装置は、上記要求発電量の増加変更がなされた場合には、上記燃料ポンプの吐出量及び上記カソードポンプの吐出量を増加させるよう再決定し、一方で、上記要求発電量の減少変更がなされた場合には、上記燃料ポンプの吐出量及び上記カソードポンプの吐出量を減少させるよう再決定することにより、上記発電量を上記要求発電量に追従させる発電量追従ステップと、
    該発電量追従ステップを行い、上記改質炭素量算出ステップ、上記改質酸素量算出ステップ及び上記改質水分量算出ステップを再び行った後、上記Ｏ／Ｃが上記目標範囲内を外れて大きくなったときには、上記燃料ポンプの吐出量を増加させ、上記改質炭素量Ｃを増加補正することにより、当該Ｏ／Ｃを上記目標範囲内に復帰させ、一方で、上記Ｏ／Ｃが上記目標範囲内を外れて小さくなったときには、上記燃料ポンプの吐出量を減少させ、上記改質炭素量Ｃを減少補正することにより、当該Ｏ／Ｃを上記目標範囲内に復帰させるＯ／Ｃ補正ステップとを行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  7. 請求項６において、上記制御装置は、上記Ｏ／Ｃ補正ステップにおいて上記燃料ポンプの吐出量を増加させる際には、上記Ｓ／Ｃが１以下とならないように上記燃料ポンプの吐出量の増加を制限することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  8. 請求項７において、上記改質器は、上記改質反応流路に隣接形成され燃焼反応を行って該改質反応流路を加熱する加熱流路を備えており、
    上記制御装置は、上記Ｏ／Ｃ補正ステップにおいて、上記Ｓ／Ｃが１以下となってしまうために上記燃料ポンプの吐出量を増加させることができないときには、上記加熱流路における燃焼反応を減少させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  9. 改質用燃料から水素を含有するアノードガスを生成する改質反応流路を備えた改質器と、
    上記改質反応流路から上記アノードガスが供給される又は該アノードガス中の水素が供給されるアノード流路と、酸素を含有するカソードガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを備えた燃料電池と、
    上記改質反応流路に上記改質用燃料を供給する燃料ポンプと、
    該燃料ポンプによる上記改質用燃料の供給量である燃料供給量を検出する燃料供給量検出手段と、
    上記カソード流路に上記カソードガスを供給するカソードポンプと、
    該カソードポンプによる上記カソードガスの供給量であるカソードガス供給量を検出するカソードガス供給量検出手段と、
    上記燃料電池における発電量を検出する発電量検出手段と、
    上記発電量が、当該燃料電池により発電した電力を用いて稼動させる負荷に必要とされる要求発電量になるよう上記燃料ポンプの吐出量及び上記カソードポンプの吐出量を決定する制御装置とを有し、
    上記カソード流路には、該カソード流路から排出されるカソードオフガスを上記改質反応流路に送るためのカソードオフガスラインを接続してなる燃料電池システムであって、
    上記制御装置は、上記改質反応流路に供給される炭素量である改質炭素量Ｃを上記燃料供給量検出手段によって検出した上記燃料供給量に基づいて求める改質炭素量算出ステップと、
    上記燃料電池における発電に消費された上記カソードガス中の酸素量である消費酸素量を上記発電量検出手段によって検出した上記発電量から求めると共に、上記カソード流路に供給される酸素量である供給酸素量を上記カソードガス供給量検出手段によって検出した上記カソードガス供給量から求め、次いで、上記供給酸素量から上記消費酸素量を差し引くことによって上記カソードオフガス中の残存酸素量を求め、上記改質反応流路に供給される酸素量である改質酸素量Ｏを上記残存酸素量に基づいて求める改質酸素量算出ステップと、
    上記改質炭素量Ｃに対する上記改質酸素量Ｏの比率であるＯ／Ｃを目標範囲内に維持するように、上記燃料ポンプの吐出量を変更して、上記改質炭素量Ｃを補正する改質炭素量補正ステップとを行うよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
  10. 請求項９において、上記制御装置は、上記燃料電池における発電により上記カソード流路内に生成された水分量である生成水分量を上記発電量から求め、上記改質反応流路に供給される水分量である改質水分量Ｓを上記生成水分量に基づいて求める改質水分量算出ステップも行うよう構成されており、
    上記改質炭素量補正ステップにおいて、上記燃料ポンプの吐出量を変更して上記改質炭素量Ｃを補正する際には、上記改質炭素量Ｃに対する上記改質水分量Ｓの比率であるＳ／Ｃも目標範囲内に維持するよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
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