JP4753058B1 - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】改質器を小型化しながら、適正な量の燃料を供給することができる固体電解質型燃料電池を提供する。
【解決手段】改質器20により改質した燃料と空気により発電を行う固体電解質型燃料電池1であって、改質器と、燃料供給手段38と、改質用空気供給手段44と、改質器に水を供給する水供給手段28と、実際の燃料供給量を検出する燃料供給量検出センサと、燃料電池モジュール2と、目標量の燃料、改質用空気、及び水が、改質器に送り込まれるように、各供給手段を制御する制御手段と、を有し、制御手段は、燃料供給量が、目標とする燃料供給量と一致するように燃料供給手段を制御すると共に、改質器に改質用空気が供給されている場合には、供給されていない場合よりも、目標燃料供給量に対する燃料供給量の追従性が高くなるように燃料供給手段を制御することを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体電解質型燃料電池に係わり、特に、改質器により改質した燃料と空気により発電を行う固体電解質型燃料電池に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料（水素ガス）と空気とを用いて発電して電力を得ることができる燃料電池と、この燃料電池を稼働するための補機類とを備えた燃料電池装置が種々提案されている。

特開２００８−５３２０９号公報（特許文献１）には、改質器により燃料を水蒸気改質して、得られた水素ガスにより発電を行う燃料電池装置が記載されている。

特開２００８−５３２０９号公報

ここで、詳細は後述するが、燃料電池装置の起動時には、先ず、改質器内に燃料ガスと改質用空気が供給されて部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が行われ、次に、改質器内に、燃料ガス、改質用空気、及び、水（純水）が供給され、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と後述する水蒸気改質反応（ＳＲ）とが併用されたオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）が進行し、その後、改質器内に燃料ガスと水（純水）が供給され、水蒸気改質反応（ＳＲ）が行われる。

燃料電池装置においては、改質器に燃料ガスが供給されると共に、上記のように、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）及びオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）を行う際には、改質用空気も改質器に供給される。

ここで、改質器に実際に導入される燃料供給量は、改質器に燃料ガスを供給する燃料供給装置を一定に制御していても、改質器内の圧力に依存して変動してしまう。即ち、燃料ガスと共に空気が改質器に導入されている状態においては、空気の導入により改質器内の圧力が上昇するので、改質器内に燃料ガスが導入されにくくなっている。このため、改質器内で適正な改質が行われるように設定された、目標とする燃料供給量と、実際に供給される燃料供給量がずれてしまうという問題がある。実際に供給される燃料供給量が目標値からずれ、改質用空気と燃料ガスのバランスが崩れると、改質器内で炭素析出が発生し、これが改質器の触媒の劣化を著しく早めてしまうという問題が発生する。

このような改質器内の圧力上昇は、改質器の容積を大きくすることによって緩和することが可能であるが、改質器が大型になると、これを均一に加熱することが困難になり、改質器に温度ムラが発生しやすいという問題がある。また、改質器を大型化すると、燃料電池の装置全体が大型化するという問題がある。
或いは、改質器内に燃料ガスを供給する燃料供給装置を、改質器内の圧力上昇に打ち勝って燃料ガスを送り込むことができるよう強力なものとすることにより、燃料供給量は改質器内の圧力の影響を受けにくくなるが、燃料供給装置を強力なものとすると、燃料供給装置が大型化すると共に、高価なものになるという問題がある。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、改質器の小型化を実現しながら、適正な量の燃料ガスを供給することができる固体電解質型燃料電池を提供することを目的としている。

なお、燃料電池装置において、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）及び水蒸気改質反応（ＳＲ）を行う際には、上記のように、改質器に水（純水）を供給する必要があるが、特に、水の供給量が非常に少ないＡＴＲの領域においては、毎分数ミリリットルという非常に微量な水を連続的に供給する必要がある。このような極微量な水を正確に安定的に供給するためには特殊なポンプを使用しなければならない。そこで、この極少量の水を供給するために、パルスポンプを用いて、パルス制御により間欠的に水を噴射して供給することが考えられる。

ところが、水蒸気改質を行う場合には、供給された水が改質器内で蒸発されるが、この水が気化する際に急激に体積が増大するので、改質器内に圧力変動が生じてしまう。なお、改質器に供給された水は改質器内の気化器において蒸発され、蒸発された水蒸気と燃料ガスが混合されることにより、改質器内で燃料ガスの改質が行われる。ここで、気化器は、改質器内の改質が行われる部分と連通されているため、水の蒸発による気化器内の圧力上昇は改質器内全体に影響する。これは、改質器と気化器が別体で構成されている場合にも同様の現象が発生する。

燃料供給装置は、一般に、実際の燃料供給量を測定し、これをフィードバックして燃料供給量が目標とする燃料供給量と一致するように制御される。ここで、目標燃料供給量に対する追従性を高めるために単純にフィードバックゲインを大きくしてしまうと、改質器内への間欠的な水の供給による急激な圧力変化に対応して燃料供給量が不安定に増減されてしまうという問題が起こる。

即ち、圧力上昇時に燃料ガスの供給量が目標値よりも少なくなる状態を燃料供給量検出センサが検出し、その直後に、燃料ガスが不足していると判断して燃料ガスを追加供給する増量制御が行われる。しかし、実際には圧力が次の瞬間に低下するために燃料ガスは供給されやすい状態になってしまうので、上述した不足分の燃料増加が本来必要ないにもかかわらず供給されてしまい、結果的に、燃料ガスの過剰供給になってしまうという問題が発生する。

本発明は、上述した水の間欠的な導入に伴う改質器内の圧力変動が発生した場合にも、安定して、適正な量の燃料ガスを供給することができる固体電解質型燃料電池を提供することを第２の目的としている。

上述した課題を解決するために、本発明は、改質器により改質した燃料と空気により発電を行う固体電解質型燃料電池であって、燃料を改質する改質器と、この改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、改質器に水を供給する水供給手段と、燃料供給手段により改質器内に供給された実際の燃料供給量を検出する燃料供給量検出センサと、改質器内で改質された燃料により発電する燃料電池モジュールと、目標量の燃料、改質用空気、及び水が、改質器に送り込まれるように、燃料供給手段、改質用空気供給手段、及び水供給手段を制御する制御手段と、を有し、制御手段は、燃料供給量検出センサにより検出された実際の燃料供給量が、目標とする燃料供給量と一致するように燃料供給手段を制御すると共に、改質用空気供給手段により改質器に改質用空気が供給されている場合には、改質用空気供給量が大きいほど、燃料供給手段の制御ゲインを増加させることにより、目標とする燃料供給量に対する実際の燃料供給量の追従性が高くなるように燃料供給手段を制御することを特徴としている。

このように構成された本発明においては、制御手段が、燃料供給手段、改質用空気供給手段、及び水供給手段を制御して、改質器に燃料、改質用空気、水を供給する。また、燃料供給量検出センサは、改質器内に供給された実際の燃料供給量を検出し、制御手段は検出された実際の燃料供給量が目標とする燃料供給量と一致するように燃料供給手段を制御する。この制御手段は、改質器に改質用空気が供給されている場合には、改質用空気が供給されていない場合よりも、目標とする燃料供給量に対する実際の燃料供給量の追従性が高くなるように燃料供給手段を制御する。

このように構成された本発明によれば、改質器に改質用空気が供給されている状態では、燃料供給量の追従性を高くしている。この結果、本発明によれば、改質用空気の導入により圧力が上昇して、燃料が導入されにくくなっている改質器内に実際に導入される燃料供給量が、目標とする燃料供給量に速やかに追従し、燃料を改質器内に的確に流入させることができる。一方、改質用空気が供給されていない領域においては、追従性を下げ、圧力変動に伴って燃料供給にハンチング現象が発生するのを回避することができる。これにより、改質器内における炭素析出の発生等による改質器の劣化を抑制することができる。

本発明において、好ましくは、制御手段は、改質用空気供給量が大きいほど、目標とする燃料供給量に対する実際の燃料供給量の追従性が高くなるように燃料供給手段を制御する。

このように構成された本発明によれば、改質器に改質用空気が多量に供給されている状態の方が、改質用空気の供給量が少ない状態よりも、燃料供給量の追従性を向上させている。この結果、改質用空気の導入量に応じて、燃料供給量の追従性を的確に変更し、燃料不足や供給過剰をより確実に防止することができる。

本発明において、好ましくは、さらに、改質器内の圧力を測定する改質器圧力センサを有し、制御手段は、改質器圧力センサによって測定された改質器内の平均的な内圧が高いほど、燃料供給手段の制御ゲインを増加させることにより、目標とする燃料供給量に対する実際の燃料供給量の追従性が高くなるように燃料供給手段を制御する。

このように構成された本発明によれば、燃料供給量の制御が、改質器内の圧力に基づいて変更される。この結果、本発明によれば、改質器内の平均圧力が高い場合には、燃料供給量の追従性が、より向上される。改質器内の平均圧力は、改質用空気の導入量の他、改質器の劣化による目詰まり等によっても影響を受ける。本発明によれば、このような要因による改質器内の圧力上昇にも対応して、燃料供給量を適切に制御することができる。

本発明において、好ましくは、水供給手段は改質器に間欠的に水を供給するように構成され、制御手段は、改質用空気供給量が大きいほど、燃料供給手段の制御ゲインを増加させることにより、目標とする燃料供給量に対する実際の燃料供給量の追従性が高くなるように燃料供給手段を制御する一方、水供給手段により改質器に水が供給されている場合には、燃料供給手段の制御ゲインを低下させることにより、目標とする燃料供給量に対する実際の燃料供給量の追従性が低くなるように燃料供給手段を制御する。

このように構成された本発明によれば、水供給手段は改質器に間欠的に水を供給するので、安価な水供給手段を使用して、微小流量の水を供給することができる。また、このように構成された本発明によれば、改質用空気の導入量が多いほど、目標燃料供給量に対する追従性を向上させている一方、改質器に水が間欠的に供給されている状態においては目標燃料供給量に対する追従性を低下させている。この結果、本発明によれば、改質用空気の導入量が多く、改質器内の圧力が高い状態において、燃料供給量の追従性を高めて確実な燃料供給を行うと共に、水が間欠的に導入されて圧力の急激な変化が起こる状態においては、燃料供給量の追従性を下げて燃料の過剰供給を回避することができる。

本発明の固体電解質型燃料電池によれば、改質器の小型化を実現しながら、改質器に適正な量の燃料を供給することができる。

本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。 図２のIII-III線に沿って断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態の変形例による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の水供給装置を示す概略図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置における燃料、水、及び改質用空気の供給量を制御するための制御内容を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態によるＡＴＲの領域における改質器内の状態等を示すタイムチャートである。

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」又は「燃料電池装置」と言う。）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣを示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣ１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。

燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材（図示せず但し断熱材は必須の構成ではなく、なくても良いものである。）を介して密封空間８が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４（図５参照）を備え、この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（図４参照）から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。

燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器２０が配置され、上述した残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器２２が配置されている。

次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４（モータで駆動される「空気ブロア」等）及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。

次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。

次に、図２及び図３により、本発明の実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のIII-III線に沿った断面図である。
図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２のハウジング６内の密閉空間８には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体１２、改質器２０、空気用熱交換器２２が配置されている。

改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂを形成され、改質部２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。

この改質器２０の下流端側には、燃料ガス供給管６４が接続され、この燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。

このマニホールド６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１６内に供給される。

次に、改質器２０の上方には、空気用熱交換器２２が設けられている。この空気用熱交換器２２は、上流側に空気集約室７０、下流側に２つの空気分配室７２を備え、これらの空気集約室７０と空気分配室７２は、６個の空気流路管７４により接続されている。ここで、図３に示すように、３個の空気流路管７４が一組（７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅ，７４ｆ）となっており、空気集約室７０内の空気が各組の空気流路管７４からそれぞれの空気分配室７２へ流入する。

空気用熱交換器２２の６個の空気流路管７４内を流れる空気は、燃焼室１８で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室７２のそれぞれには、空気導入管７６が接続され、この空気導入管７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１０の下方空間に連通し、発電室１０に余熱された空気を導入する。

次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図３に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０が形成され、この排気ガス通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。
図２に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。

次に図４により燃料電池セルユニット１６について説明する。図４は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図４に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。

燃料電池セル１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。

内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。

電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。

外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。

次に図５により燃料電池セルスタック１４について説明する。図５は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図５に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板６８及び上支持板１００により支持されている。これらの下支持板６８及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴６８ａ及び１００ａがそれぞれ形成されている。

さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と電気的に接続される燃料極用接続部１０２ａと、空気極である外側電極層９２の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとにより一体的に形成されている。空気極用接続部１０２ｂは、外側電極層９２の表面を上下方向に延びる鉛直部１０２ｃと、この鉛直部１０２ｃから外側電極層９２の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部１０２ｄとから形成されている。また、燃料極用接続部１０２ａは、空気極用接続部１０２ｂの鉛直部１０２ｃから燃料電池セルユニット１６の上下方向に位置する内側電極端子８６に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。

さらに、燃料電池セルスタック１４の端（図５では左端の奥側及び手前側）に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４（図示せず）に接続され、上述したように、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。

次に図６により本実施形態によるＳＯＦＣに取り付けられたセンサ類等について説明する。図６は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣを示すブロック図である。
図６に示すように、燃料電池装置１は、制御手段である制御部１１０を備え、この制御部１１０には、使用者が操作するための「ＯＮ」や「ＯＦＦ」等の操作ボタンを備えた操作装置１１２、発電出力値（ワット数）等の種々のデータを表示するための表示装置１１４、及び、異常状態のとき等に警報（ワーニング）を発する報知装置１１６が接続されている。なお、この報知装置１１６は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。

次に、制御部１１０には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ１２０は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４に取り付けられている。
ＣＯ検出センサ１２２は、本来排気ガス通路８０等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４を覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ１２４は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。

電力状態検出センサ１２６は、インバータ５４及び分電盤（図示せず）の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ１２８は、発電室１０に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ１３０は、改質器２０に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料供給量検出センサである燃料流量センサ１３２は、改質器２０に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。

水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水（水蒸気）の流量を検出するためのものである。
水位センサ１３６は、純水タンク２６の水位を検出するためのものである。
改質器圧力センサである圧力センサ１３８は、改質器２０の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ１４０は、温水製造装置５０に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。

発電室温度センサ１４２は、図３に示すように、燃料電池セル集合体１２の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック１４の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック１４（即ち燃料電池セル８４自体）の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ１４４は、燃焼室１８の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ１４６は、排気ガス室７８の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ１４８は、改質器２０の温度を検出するためのものであり、改質器２０の入口温度と出口温度から改質器２０の温度を算出する。
外気温度センサ１５０は、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。

これらのセンサ類からの信号は、制御部１１０に送られ、制御部１１０は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８、改質用空気流量調整ユニット４４、発電用空気流量調整ユニット４５に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。
また、制御ユニット１１０は、インバータ５４に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。

次に図７により本実施形態によるＳＯＦＣによる起動時の動作を説明する。図７は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣの起動時の動作を示すタイムチャートである。
先ず、本実施形態によるＳＯＦＣによる起動時の概要を説明する。ＳＯＦＣは、起動時において、燃料ガスを着火する燃焼運転、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）、水蒸気改質反応（ＳＲ）を経て、発電運転に移行する。

ここで、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）の領域においては、改質器２０に燃料ガスと改質用空気が供給され、改質器２０において、式（１）に示す部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。この部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。

Ｃ_mＨ_n＋ｘＯ₂ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （１）

次に、オートサーマル改質反応ＡＴＲは、上述した部分酸化改質反応ＰＯＸと後述する水蒸気改質反応ＳＲとが併用された領域であり、水の供給量が少ないオートサーマル改質反応ＡＴＲ１と、このＡＴＲ１の後に運転され、ＡＴＲ１より水の供給量が多いオートサーマル改質反応ＡＴＲ２とを有する。これらのＡＴＲ１とＡＴＲ２の領域では、改質器２０に、燃料ガス、改質用空気、及び、水が供給され、改質器２０において、式（２）に示すオートサーマル改質反応ＡＴＲ（ＡＴＲ１，ＡＴＲ２）が進行する。このオートサーマル改質反応ＡＴＲは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器２０内では熱的に自立した状態で反応が進行する。
Ｃ_mＨ_n＋ｘＯ₂＋ｙＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （２）

次に、水蒸気改質反応ＳＲは、燃料ガス及び水の供給量が多い水蒸気改質反応ＳＲ１と、このＳＲ１の後に運転され、Ｓ１より燃料ガス及び水の供給量が少ない水蒸気改質反応ＳＲ２とを有する。これらのＳＲ１とＳＲ２の領域では、改質器２０に、燃料ガスと水が供給され（改質用空気の供給は停止される）、改質器２０において、式（３）に示す水蒸気改質反応ＳＲ（ＳＲ１，ＳＲ２）が進行する。この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼室１８からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。
Ｃ_mＨ_n＋ｘＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （３）

次に、図７により、上述した燃焼運転、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）、水蒸気改質反応（ＳＲ）の各領域における、燃料ガス、改質用空気、水の供給について、詳細に説明する。
図７の時刻ｔ０において、固体電解質型燃料電池１を起動すると、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気供給手段である発電用空気流量調整ユニット４５により、改質用空気及び発電用空気を燃料電池モジュール２に供給する。なお、本実施形態においては、時刻ｔ０において供給が開始される改質用空気の供給量は１０Ｌ／ｍｉｎ、発電用空気の供給量は１００Ｌ／ｍｉｎである。

次に、時刻ｔ１において、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８により、改質器２０への燃料ガスの供給を開始する。各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれた燃料及び改質用空気は、各燃料電池セルユニット１６の上端から夫々流出する。なお、本実施形態においては、時刻ｔ１において供給が開始される燃料ガスの供給量は６Ｌ／ｍｉｎに設定されている。

さらに、時刻ｔ２において、点火装置８３により、燃料電池セルユニット１６から流出した燃料が着火される。これにより、燃焼室１８内で燃料が燃焼され、その上方に配置された改質器２０が加熱されると共に、燃焼室１８、発電室１０、及びその中に配置された燃料電池セルスタック１４の温度も上昇する（図７の時刻ｔ２〜ｔ３）。改質器２０が加熱されることにより、改質器２０の温度が３００゜Ｃ程度まで上昇すると、改質器２０内においては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が発生する（図７の時刻ｔ３）。部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質器２０は、部分酸化改質反応の発生により、その反応熱によっても加熱されるようになる（ＰＯＸ１領域）。

さらに温度が上昇し、改質器２０の温度が３５０゜Ｃに達すると、燃料供給量を減少させると共に、改質用空気供給量を増加させる（図７の時刻ｔ４）。これにより、燃料供給量は５Ｌ／ｍｉｎに変更され、改質用空気供給量は１８Ｌ／ｍｉｎに変更される。これらの供給量は、部分酸化改質反応を発生させるために適正な供給量である。即ち、部分酸化改質反応が発生し始める初期の温度領域においては、供給する燃料を多くすることにより、燃料に確実に着火される状態を形成すると共に、その供給量を維持して着火を安定させる（ＰＯＸ１領域）。さらに、安定して着火され、温度が上昇した後には、部分酸化改質反応を生成するために必要にして十分な燃料供給量として、燃料の浪費を抑えている（ＰＯＸ２領域）。

次に、図７の時刻ｔ５において、改質器２０の温度が６００゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が２５０゜Ｃ以上になると、改質用空気供給量を減少させると共に、水供給手段である水流量調整ユニット２８により、水の供給を開始させる。これにより、改質用空気供給量は８Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は２ｃｃ／ｍｉｎにされる（ＡＴＲ１領域）。改質器２０内に水（水蒸気）が導入されることにより、改質器２０内で水蒸気改質反応も発生するようになる。即ちＡＴＲ１領域態においては、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在したオートサーマル改質（ＡＴＲ）が発生するようになる。

さらに、図７の時刻ｔ６において、改質器２０の温度が６００゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が４００゜Ｃ以上になると、燃料供給量を減少させる。また、改質用空気供給量を減少させると共に、水の供給量を増加させる。これにより、燃料供給量は４Ｌ／ｍｉｎに変更され、改質用空気供給量は４Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は３ｃｃ／ｍｉｎにされる（ＡＴＲ２領域）。改質用空気供給量が減少され、水供給量が増加されることにより、改質器２０内においては、部分酸化改質反応の割合が減少し、水蒸気改質反応の割合が増加する。

次に、図７の時刻ｔ７において、改質器２０の温度が６５０゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が６００゜Ｃ以上になると、改質用空気の供給を停止する。また、燃料供給量を減少させると共に、水の供給量を増加させる。これにより、燃料供給量は３Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は８ｃｃ／ｍｉｎに変更される（ＳＲ１領域）。改質用空気の供給が停止されることにより、改質器２０内においては、部分酸化改質反応は発生しなくなり、水蒸気改質反応（ＳＲ）のみとなる。

さらに、図７の時刻ｔ８において、改質器２０の温度が６５０゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が７００゜Ｃ以上になると、燃料供給量を減少させると共に、水の供給量も減少させる。また、発電用空気の供給量も減少させる。これにより、燃料供給量は発電待機燃料供給量である２．３Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は６．３ｃｃ／ｍｉｎに変更され、発電用空気供給量は８０Ｌ／ｍｉｎに変更される（ＳＲ２領域）。

この後、燃料電池モジュール２からインバータ５４に電力を出力させ、発電を開始する（図７の時刻ｔ９）。発電開始後の燃料供給量、発電用空気供給量、及び水供給量は、要求電力に応じて決定され、供給される。

次に、図８により、本実施形態の変形例によるＳＯＦＣによる起動時の動作を説明する。図８は、本発明の実施形態の変形例によるＳＯＦＣの起動時の動作を示すタイムチャートである。
この図８に示すように、この本実施形態の変形例においては、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）は、ＡＲＴ１とＡＴＲ２と言う２つの領域を有さず、このＡＴＲ領域において、発電用空気、燃料、水、改質用空気のぞれぞれの供給量が変化せず一定量が改質器２０に供給されるようになっている。
また、水蒸気改質反応（ＳＲ）も、ＳＲ１とＳＲ２と言う２つの領域を有さず、このＳＲ領域において、発電用空気、燃料、水のぞれぞれの供給量が変化せず一定量が改質器２０に供給されるようになっている。

次に、図９により、本実施形態による水供給装置（水流量調整ユニット２８）について詳細に説明する。図８は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣの水供給装置を示す概略図である。
図９に示すように、水供給装置（水流量調整ユニット２８）は、水道水を一時的に貯蔵する水タンク１５２と、水を供給するポンプ１５４と、この供給された水を浄化して純水を生成するためのＲＯ膜（逆浸透膜）１５６と、生成された純水を一時的に貯蔵する純水タンク２６と、この純水を燃料電池モジュール２の改質器２０にパルス制御により間欠的に供給するパルスポンプ１６０とを備えている。また、水及び純水が凍結するのを防止するための、熱交換器１６２やヒーター１６４も備えている。

次に、図１０により、本実施形態による、ＰＯＸ（ＰＯＸ１、ＰＯＸ２）領域、ＡＴＲ（ＡＴＲ１，ＡＴＲ２）領域、ＳＲ（ＳＲ１，ＳＲ２）領域、及び、発電領域における、燃料、水、及び改質用空気の供給量の制御内容を説明する。図１０は、本発明の一実施形態による燃料電池装置における燃料、水、及び改質用空気の供給量を制御するための制御内容を示すフローチャートである。図１０において、Ｓは各ステップを示している。

先ず、燃料電池装置の起動時に、Ｓ１において、ＰＯＸ領域か否かを判定する。上述したように、改質器２０の温度が３００℃以上であれば、ＰＯＸ領域であると判定する。ＰＯＸ領域であればＳ２に進み、Ｓ２において、改質器２０の温度が３５０℃以下であれば、ＰＯＸ１領域であるので、Ｓ３に進む。Ｓ３において、ＰＯＸ１領域における制御ゲインを設定する。燃料については、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８の制御ゲインτａを基準の制御ゲインτａ１と同じ値に設定する（τａ＝τａ１）。改質用空気ついては、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４の制御ゲインτｂを基準の制御ゲインτｂ１と同じ値に設定する（τｂ＝τｂ１）。なお、ＰＯＸ領域では改質器２０に水は供給されない。また、燃料供給量、改質用空気供給量を目標値にそれぞれ追従させるための制御ゲインは、これを増加させると、目標値の変化に対する追従性が高くなり、目標値からずれた際に目標値に復帰させる速度が速くなる。また、制御ゲインを減少させると、目標値の変化に対する追従性は低くなるが、燃料供給量、改質用空気供給量の変化が緩やかになる。

次に、Ｓ２において、ＰＯＸ１領域でないと判定されたときは、Ｓ４に進み、Ｓ４において、ＰＯＸ２領域における制御ゲインを設定する。燃料については、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８の制御ゲインτａを基準の制御ゲインτａ１よりも上昇させた値に設定する（τａ＝τａ１×１．５）。改質用空気ついては、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４の制御ゲインτｂを基準の制御ゲインτｂ１よりも上昇させた値に設定する（τｂ＝τｂ１×１．５）。
次に、Ｓ１において、ＰＯＸ領域でないと判定されたときは、Ｓ５に進み、ＡＴＲ領域か否かを判定する。上述したように、改質器２０の温度が６００℃以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度（＝発電室温度）が２５０℃以上、６００℃以下であれば、ＡＴＲ領域であると判定し、Ｓ６に進む。Ｓ６において、改質器２０の温度が６００℃以上で、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度（＝発電室温度）が２５０℃以上４００℃以下であれば、ＡＴＲ１領域であるので、Ｓ７に進む。

Ｓ７において、ＡＴＲ１領域における制御ゲインを設定する。即ち、燃料については、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８の制御ゲインτａを基準の制御ゲインτａ１よりも低下させた小さな値に設定する（τａ＝τａ１×０．６）。改質用空気ついても、同様に、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４の制御ゲインτｂを基準の制御ゲインτｂ１よりも低下させた小さな値に設定する（τｂ＝τｂ１×０．９）。さらに、水についても、同様に、水供給手段である水流量調整ユニット２８の制御ゲインτｃを基準の制御ゲインτｃ１よりも低下させた小さな値に設定する（τｃ＝τｃ１×０．８）。このように、ＡＴＲ１領域では、水供給に伴う圧力変動の要因に基づく過剰燃料の供給等の影響を抑えるように燃料の制御ゲインが低下され、それと対応できるように燃料の制御ゲイン以外のゲインも低下されており、最も影響の大きい燃料の制御ゲインτａの低下量が改質空気及び水の制御ゲインの低下量よりも大きくなるように設定されている。

一方、Ｓ６において、ＡＴＲ１領域でないと判定された場合には、Ｓ８に進む。即ち、改質器２０の温度が６００℃以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度（＝発電室温度）が４００℃以上であれば、ＡＴＲ１領域ではなくＡＴＲ２領域であるので、Ｓ８に進む。

Ｓ８において、ＡＴＲ２領域における制御ゲインを設定する。即ち、燃料については、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８の制御ゲインτａを基準の制御ゲインτａ１よりも低下させた小さな値に設定する（τａ＝τａ１×０．７）。改質用空気ついても、同様に、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４の制御ゲインτｂを基準の制御ゲインτｂ１よりも低下させた小さな値に設定する（τｂ＝τｂ１×０．９）。さらに、水についても、同様に、水供給手段である水流量調整ユニット２８の制御ゲインτｃを基準の制御ゲインτｃ１よりも低下させた小さな値に設定する（τｃ＝τｃ１×０．９）。このように、ＡＴＲ２領域では、燃料の制御ゲインの低下量が改質空気及び水の制御ゲインの低下量よりも大きく設定されている。また、ＡＴＲ２領域の燃料の制御ゲイン及び水ゲインの低下量をＡＴＲ１領域の燃料の制御ゲインの低下量よりも緩和するように小さくしている。これは水の供給量の増加とともに圧力変動の要因が緩和されることに対応させたものである。

次に、Ｓ５において、ＡＴＲ領域ではないと判定されたときには、Ｓ９に進み、ＳＲ領域であるか否かを判定する。上述したように、改質器２０の温度が６５０℃以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度（＝発電室温度）が６００℃以下の場合には、ＳＲ領域であるので、Ｓ１０に進み、ＳＲ１とＳＲ２の領域の制御ゲインを設定する。燃料については、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８の制御ゲインτａを基準の制御ゲインτａ１よりも低下させた小さな値に設定する（τａ＝τａ１×０．９）。水については、水供給手段である水流量調整ユニット２８の制御ゲインτｃを基準の制御ゲインτｃ１と同じ値に設定する（τｃ＝τｃ１）。なお、ＳＲ１及びＳＲ２の領域においては、改質用空気は供給しない。

次に、Ｓ９において、ＳＲ領域ではないと判定された場合には、発電運転領域であるので、Ｓ１１に進む。Ｓ１１においては、発電室１０及び改質器２０の温度が発電可能な温度に達しているか否かを判定する。発電可能な温度に達している場合には、Ｓ１２に進み、Ｓ１２においては、燃料については、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８の制御ゲインτａを基準の制御ゲインτａ１と同じ値に設定する（τａ＝τａ１）。水についても、同様に、水供給手段である水流量調整ユニット２８の制御ゲインτｃを基準の制御ゲインτｃ１と同じ値に設定する（τｃ＝τｃ１）。

次に、Ｓ１３に進み、Ｓ１３においては、上記Ｓ１、Ｓ４、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ１０、又はＳ１２において設定された燃料に対する制御ゲインτａを補正係数Ｃａによって補正する（τａ＝τａ×Ｃａ）。補正係数Ｃａは、改質器圧力センサである圧力センサ１３８によって検出された改質器２０内の平均圧力に基づいて決定される係数であり、本実施形態においては、改質器２０内の圧力５ｋＰａにおいて１であり、圧力上昇に比例して増加し、圧力２０ｋＰａにおいて２となるように設定されている。
次に、Ｓ１４に進み、Ｓ１４においては、燃料流量調整ユニット３８、改質用空気流量調整ユニット４４、及び、水流量調整ユニット２８を、それぞれ、設定した制御ゲインで制御して、燃料、改質用空気、及び、水を、改質器２０に供給する。

次に、再び、図７を参照して、本実施形態によるＰＯＸ領域からＡＴＲ領域への移行時、ＡＴＲ領域からＳＲ領域への移行時等における、燃料、改質用空気、及び、水の供給量（目標供給量）の変更量について説明する。

先ず、燃料の供給量（目標供給量）は、ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時（図７の時刻ｔ６）、及び、ＡＴＲ２からＳＲ１への移行時（図７の時刻ｔ７）において、それぞれ、目標供給量まで低減されるように変更される。ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時における、燃料の目標供給量への単位時間あたりの変更量（目標値変更ゲイン）は、ＡＴＲ２からＳＲ１への移行時よりも、小さい値となっている。具体的には、図７において、Ａで示される単位時間あたりの変更量は、Ｂで示される単位時間あたりの変更量よりも小さい値（傾きが緩い）となっている。

次に、水の供給量（目標供給量）は、先ず、ＰＯＸからＡＴＲ１への移行時（図７の時刻ｔ５）、及び、ＡＴＲ１からＡＴＲ２（図７の時刻ｔ６）への移行時において、それぞれ、目標供給量まで増加されるようになっている。ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時における、水の目標供給量への単位時間あたりの変更量（目標値変更ゲイン）は、ＰＯＸからＡＴＲ１への移行時よりも、小さい値となっている。具体的には、図７において、Ｄで示される単位時間あたりの変更量は、Ｃで示される単位時間あたりの変更量よりも小さい値（傾きが緩い）となっている。

さらに、水の供給量（目標供給量）は、ＡＴＲ２からＳＲ１への移行時（図７の時刻ｔ７）において、目標供給量まで増加されるように変更される。ＡＲＴ１からＡＴＲ２への移行時における、水の目標供給量への単位時間あたりの変更量（目標値変更ゲイン）は、ＡＴＲ２からＳＲ１への移行時よりも、小さい値となっている。具体的には、図７において、Ｄで示される単位時間あたりの変更量は、Ｅで示される単位時間あたりの変更量よりも小さい値（傾きが緩い）となっている。

次に、改質用空気の供給量（目標供給量）は、ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時（図７の時刻ｔ６）、及び、ＡＴＲ２からＳＲ１への移行時（図７の時刻ｔ７）において、それぞれ、目標供給量まで低減されるように変更される。ＡＲＴ１からＡＴＲ２への移行時における、燃料の目標供給量への単位時間あたりの変更量（目標値変更ゲイン）は、ＡＴＲ２からＳＲ１への移行時よりも、小さい値となっている。具体的には、図７において、Ｆで示される単位時間あたりの変更量は、Ｇで示される単位時間あたりの変更量よりも小さい値（傾きが緩い）となっている。

次に、図７乃至図１１を参照して、上述した本実施形態による燃料電池装置の作用（動作）を説明する。図１１は、本発明の一実施形態によるＡＴＲの領域における改質器内の状態等を示すタイムチャートである。
先ず、従来、水の供給量が非常に少ないＡＴＲの領域においては、毎分数ミリリットルという極微量な水を正確に安定的に供給するために高価な特殊なポンプを使用しなければならないが、本実施形態においては、図１０に示したように、従来の高価な特殊なポンプの代わりにパルスポンプ１６０を使用してパルス制御により間欠的に水を改質器２０に供給するようにしているので、構造が簡単で安価なポンプの採用が可能となり、更に制御も簡易なパルス制御が可能となる。

次に、本実施形態においては、図１０に示したように、ＡＴＲ１及びＡＴＲ２の領域において、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８の制御ゲインτａを基準の制御ゲインτａ１よりも低下させた小さな値（τａ＝τａ１×０．６及びτａ＝τａ１×０．７）に設定している。このためＡＴＲ領域においては、改質器２０内に燃料を供給するとき、燃料の供給量は、目標供給量に対する追従性を低くしている。

図１１により、このときのＡＴＲ（ＡＴＲ１及びＡＴＲ２）の領域における改質器内の状態を図１１により説明する。
先ず、水の供給については、水供給手段である水流量調整ユニット２８のパルスポンプ１６０により、パルス状の水供給制御信号に基づき、間欠的に極少量の水が改質器２０内へ供給される。この水が改質器内で水蒸気となるので、水が供給された直後に、改質器２０内の圧力が上昇する。この改質器内の圧力上昇により、燃料が改質器２０内に供給され難くなる。このため、図１１において、燃料供給量（比較例：基準の制御ゲイン使用）として示すように、圧力上昇時に燃料の供給量が目標値よりも少なくなる状態を燃料供給量検出センサが検出し、その直後に、燃料が不足していると判断して燃料を追加供給する増量制御が行われる。しかし、実際には圧力が次の瞬間に低下するために燃料は供給されやすい状態になってしまうので、不足分の燃料増加が本来必要ないにもかかわらず供給されてしまい、結果的に、燃料ガスの過剰供給になってしまう。

このような燃料供給量の比較例として示した燃料の過剰供給を防止するため、本実施形態においては、図１１において、燃料供給量（本実施形態）として示すように、ＡＴＲの領域では、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８の制御ゲインを低下させて、目標供給量に対する追従性が低くなるようにしたので、上述した水供給直後に生じる改質器内の圧力上昇に起因する燃料の過剰供給を防止することができる。
このように、本実施形態によれば、パルスポンプ１６０による改質器への水の供給の後（所定期間の間）、燃料の供給量の変化を制御ゲインを低下させることにより抑制するようにしたので、上述した水の供給の直後に生じる燃料の過剰供給を防止することができ、その結果、構造が簡単で安価なポンプによる間欠制御であっても、ＡＴＲの領域において、安定した燃料供給、及び安定したオートサーマル改質反応が可能となる。

次に、本実施形態においては、図１０に示したように、改質器２０に改質用空気が供給されているＰＯＸ１、ＰＯＸ２の領域では、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８の制御ゲイン（τａ＝τａ１及びτａ＝τａ１×１．５）を、改質用空気が供給されていない他の起動制御領域よりも大きく設定している。この結果、本実施形態によれば、改質用空気の導入により圧力が上昇して、燃料が導入されにくくなっている改質器２０内に実際に導入される燃料供給量が、目標とする燃料供給量に速やかに追従し、燃料を改質器２０内に的確に流入させることができる。一方、改質用空気が供給されていない領域においては、制御ゲインを小さく設定することにより追従性を下げ、水の導入による急激な圧力変動に伴う燃料の過剰供給を回避することができる。

また、本実施形態においては、図１０に示したように、改質器２０に改質用空気が多量に供給されているＰＯＸ２の領域では、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８の制御ゲイン（τａ＝τａ１×１．５）を、改質用空気供給量が少ないＰＯＸ１領域における制御ゲイン（τａ＝τａ１）よりも大きく設定して、追従性を高くしている。この結果、本実施形態によれば、改質用空気の導入量に応じて、燃料供給量の追従性を的確に変更し、燃料不足や供給過剰をより確実に防止することができる。

さらに、本実施形態においては、図１０に示したように、燃料供給量の制御ゲインが、改質器２０内の圧力に基づいて補正係数Ｃａによって補正される（ステップＳ１３）。この結果、本実施形態によれば、改質器２０内の平均圧力が高い場合には、燃料供給量の追従性が、より高くなる。改質器２０内の平均圧力は、改質用空気の導入量の他、改質器２０の劣化による目詰まり等によっても影響を受ける。本実施形態によれば、このような要因による改質器２０内の圧力上昇にも対応して、燃料供給量を適切に制御することができる。

また、本実施形態においては、図１０に示したように、改質用空気の導入量が多いほど、目標燃料供給量に対する追従性を高くしている（ステップＳ３、Ｓ４）一方、改質器２０に水が供給されている状態においては目標燃料供給量に対する追従性を低下させている（ステップＳ７、Ｓ８、Ｓ１０）。この結果、本実施形態によれば、改質用空気の導入量が多く、改質器２０内の圧力が高い状態において、燃料供給量の追従性を高めて確実な燃料供給を行うと共に、水が導入されて圧力の急激な変化が起こる状態においては、燃料供給量の追従性を下げて燃料の過剰供給を回避することができる。

次に、本実施形態においては、図１０に示したように、ＡＴＲ（ＡＴＲ１及びＡＴＲ２）の領域では、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８の制御ゲイン（τａ＝τａ１×０．６及びτａ＝τａ１×０．７）を、ＰＯＸの領域（τａ＝τａ１）及びＳＲの領域（τａ＝τａ１）よりも、低下させている。この結果、本実施形態によれば、ＡＴＲの領域で、燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインを起動時の他の領域であるＰＯＸ領域及びＳＲ領域に比べ最も低下させたので、極微量な水の供給が必要なＡＴＲの領域であっても、間欠的に水を改質器２０内に供給することにより生じる圧力変動に起因した燃料の過剰供給や制御ハンチングを確実に防止することができる。

次に、上述したように、ＡＴＲ領域において、燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインを他の領域よりも低下させたことにより、燃料流量センサ１３２に基づいて燃料供給量を正確な状態に維持する制御能力が低下し、その結果制御遅れに起因した制御不良になることが考えられる。しかしながら、本実施形態においては、図８に示したように、ＡＴＲ領域では、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４による空気の供給量、及び、水供給手段である水流量調整ユニット２８による水の供給量を、それぞれ変更せずに一定量にしている。この結果、本実施形態においては、ＡＴＲの領域で、燃料供給量の制御に影響を与える空気の供給量及び水の供給量をそれぞれ変更せずに一定量に保持させて、燃料供給量の変更が積極的に生じないようにして、燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインを低下させたことによる制御不良の発生を確実に防止することができる。

なお、本実施形態においては、図７に示すように、ＡＴＲ１及びＡＴＲ２のぞれぞれの領域において、同様に、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４による空気の供給量、及び、水供給手段である水流量調整ユニット２８による水の供給量を、それぞれ変更せずに一定量にしている。これにより、同様な効果を得ることができる。

次に、図７に示すように、本実施形態においては、ＰＯＸからＡＴＲ１への移行時（図７の時刻ｔ５）、及び、ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時（図７のｔ６）に、水の目標供給量を変更し、このとき、ＰＯＸからＡＴＲ１への移行時はＡＴＲ１からＡＴＲ２の移行時よりも水の目標供給量への単位時間当たりの変更量を小さくした。この結果、本実施形態においては、ＡＴＲの領域で燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインを低下させたことにより、特にＰＯＸからＡＴＲ１への移行時の目標燃料供給量の変更の際に燃料供給の追従遅れが発生する恐れがあるが、ＰＯＸからＡＴＲ１への水の目標供給量への単位時間当たりの変更量（目標値変更ゲイン）を小さくしたので、燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインの低下に伴う目標燃料供給量への追従遅れを確実に防止することができる。

次に、図７に示すように、本実施形態においては、ＡＴＲ１からＡＴＲ２（図７の時刻ｔ６）への移行時、及び、ＡＴＲ２からＳＲへの移行時（図７の時刻ｔ７）に、ぞれぞれ、燃料、空気、及び、水のそれぞれの目標供給量を変更すると共に、ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時及びＡＴＲ２からＳＲへの移行時に、それぞれ、燃料、空気、水の目標供給量への単位時間当たりの変更量を小さくし、且つ、それらの目標供給量への単位時間当たりの変更量を、ＡＴＲ１からＡＴＲ２の移行時の方が、ＡＴＲ２からＳＲへの移行時よりも小さくなるようにしている。

ここで、図７に示すように、ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時よりもＡＴＲ２からＳＲへの移行時の方が、水が多く供給され、それにより、水が供給される間欠タイミングが密となり、改質器２０内の圧力変動が緩和されて圧力が高い状態で安定してくるので、圧力変動に伴う燃料の過剰供給の問題も緩和することができる。このため、本実施形態においては、燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインの低下させると共に、目標供給量への単位時間当たりの変更量（目標値変更ゲイン）を、ＡＴＲ１からＡＴＲ２への移行時の方が、ＡＴＲ２からりＳＲへの移行時の方よりも小さくするようにしたので、圧力変動に伴って発生する燃料の過剰供給やハンチング発生の問題と、目標燃料供給量に対する追従遅れの問題を高いレベルで上手にバランスさせて解決することが可能となる。

次に、図１０に示すように、本実施形態においては、ＡＴＲ２領域での燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインの低下量をＡＴＲ１の領域の制御ゲインの低下量よりも小さくしている。ここで、図７に示すように、ＡＴＲ２の領域の方がＡＴＲ１の領域よりも水が多く供給され、それにより、水が供給される間欠タイミングが密となり、圧力が高い状態で安定してくるので、圧力変動に伴う燃料の過剰供給も緩和することができる。このため、本実施形態においては、ＡＴＲ２領域での燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲイン低下量を、ＡＴＲ１の領域のそれよりも小さくすることにより、燃料の過剰供給の抑制と目標燃料値への追従性能の低下を抑制して追従遅れの緩和を同時に図ることができる。

次に、図１０に示すように、本実施形態においては、ＡＴＲの領域及びＳＲの領域での燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインを、ＰＯＸの領域よりも低下させるとともに、ＳＲの領域における燃料供給手段の制御ゲインの低下量をＡＴＲ領域の制御ゲインの低下量よりも小さくしている。ここで、図７に示すように、ＳＲ領域の方がＡＴＲ領域よりも水が多く供給され、それにより、水が供給される間欠タイミングが密となり、圧力が高い状態で安定してくるので、圧力変動に起因した燃料の過剰供給も緩和することができる。このため、本実施形態においては、ＳＲ領域における燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインの低下量を、ＡＴＲ領域の制御ゲインの低下量をより小さくすることにより、圧力変動に伴う燃料の過剰供給の抑制を図ると同時に、目標燃料供給量への追従遅れの緩和という相反する課題を高いレベルで両立することができる。

次に、図１０に示すように、本実施形態においては、ＡＴＲの領域では、改質用空気供給手段（改質用空気流量調整ユニット３８）の制御のゲインを、ＰＯＸの領域よりも、低下させている。ここで、ＡＴＲの領域で、燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインと同様に、改質用空気供給手段（改質用空気流量調整ユニット３８）の制御ゲインを低下させたので、間欠的に水を改質器内に供給することにより生じる圧力変動に起因した空気の過剰供給を防止することができる。

次に、図１０に示すように、ＡＴＲの領域では、燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインの低下量を改質用空気供給手段（改質用空気流量調整ユニット４４）の制御ゲインの低下量よりも大きくしている。ここで、間欠的な水供給に伴って発生する改質起内の圧力変動によって、燃料の供給量とともに改質器内に供給される改質用空気の供給量も変動してしまう。このため、本実施形態においては、改質器用空気供給手段（改質用空気流量調整ユニット４４）の制御ゲインも低下させたため、過剰空気の供給、及び、ハンチングの発生を一層確実に防止できる。また、改質器用空気の供給量は燃料の供給量と比べて非常に多いので、水が蒸発することにより生じる圧力変動の影響を、改質空気の方が燃料よりも受け難い。このため、本実施形態においては、改質器用空気供給手段（改質用空気流量調整ユニット４４）の制御ゲインの低下量を燃料供給手段（燃料流量調整ユニット３８）の制御ゲインの低下量よりも小さくしているので、無用に目標改質用空気供給量に対して追従遅れが発生することを確実に防止することができる。
なお、本実施形態においては、燃料、水、空気の制御ゲインを独立して個々に変更しているが、燃料供給量に対する制御ゲインのみを水の流量や空気の圧力に基づいて変更するようにしても良い。このようにすることで制御の簡素化と安定化を図ることができる。

１ 固体電解質型燃料電池
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室
２０ 改質器
２２ 空気用熱交換器
２４ 水供給源
２６ 純水タンク
２８ 水流量調整ユニット
３０ 燃料供給源
３８ 燃料流量調整ユニット
４０ 空気供給源
４４ 改質用空気流量調整ユニット
５２ 制御ボックス
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部（制御手段）
１３０ 改質用空気流量センサ
１３２ 燃料流量センサ（燃料供給量検出センサ）
１３４ 水流量センサ
１３８ 圧力センサ（改質器圧力センサ）
１４２ 発電室温度センサ
１４４ 燃焼室温度センサ
１４８ 改質器温度センサ
１５２ 水タンク
１５４ ポンプ
１５６ ＲＯ膜（逆浸透膜）
１６０ パルスポンプ

Claims (3)

1. 改質器により改質した燃料と空気により発電を行う固体電解質型燃料電池であって、
   燃料を改質する改質器と、
   この改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
   上記改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、
   上記改質器に水を供給する水供給手段と、
   上記燃料供給手段により上記改質器内に供給された実際の燃料供給量を検出する燃料供給量検出センサと、
   上記改質器内で改質された燃料により発電する燃料電池モジュールと、
   目標量の燃料、改質用空気、及び水が、上記改質器に送り込まれるように、上記燃料供給手段、上記改質用空気供給手段、及び上記水供給手段を制御する制御手段と、を有し、
   上記制御手段は、上記燃料供給量検出センサにより検出された実際の燃料供給量が、目標とする燃料供給量と一致するように上記燃料供給手段を制御すると共に、上記改質用空気供給手段により上記改質器に改質用空気が供給されている場合には、改質用空気供給量が大きいほど、上記燃料供給手段の制御ゲインを増加させることにより、目標とする燃料供給量に対する実際の燃料供給量の追従性が高くなるように、上記燃料供給手段を制御することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
2. さらに、上記改質器内の圧力を測定する改質器圧力センサを有し、上記制御手段は、上記改質器圧力センサによって測定された改質器内の平均的な内圧が高いほど、上記燃料供給手段の制御ゲインを増加させることにより、目標とする燃料供給量に対する実際の燃料供給量の追従性が高くなるように上記燃料供給手段を制御する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
3. 上記水供給手段は上記改質器に間欠的に水を供給するように構成され、上記制御手段は、改質用空気供給量が大きいほど、上記燃料供給手段の制御ゲインを増加させることにより、目標とする燃料供給量に対する実際の燃料供給量の追従性が高くなるように上記燃料供給手段を制御する一方、上記水供給手段により上記改質器に水が供給されている場合には、上記燃料供給手段の制御ゲインを低下させることにより、目標とする燃料供給量に対する実際の燃料供給量の追従性が低くなるように上記燃料供給手段を制御する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。

Images