JP5094202B2 - 流体送出装置、改質器および燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、流体送出装置、改質器および燃料電池システムに関する。

従来から、流体送出装置として特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１および図２に示されているように、ＬＮＧ基地におけるガス流量制御装置においては、流体送出装置としてのターボ圧縮機２の出口での圧縮ガスの温度・圧力・差圧流量をそれぞれ温度計３、圧力計４、差圧式流量計６で測定し、この測定値をもとに演算器１３Ａで密度補正をして実流量値を求める。アナログメモリ１５には流量設定値を記憶させ、ゲインコントローラ１６で変化率制限をつけて出力する。実流量値と流量設定値との偏差ΔＥ1 を演算器１７で求め、比例・積分要素２２で比例・積分動作を行って制御電流を出力する。この出力を電流−空気変換器２３で空気圧信号へ変換し、ミニマムフロー弁８を調整して吐出流量を制御する。

また、他の一例として特許文献２に示されている「流量制御バルブ及び燃料電池システム」が知られている。特許文献２の図１に示されているように、燃料電池システムは、流体の温度を検知する温度検知手段と、前記流体の圧力を検知する圧力検知手段と、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と、バルブの開度を調節できる開度調節手段と、バルブの開度を検知する開度検知手段と、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を具備することを特徴とする流量制御バルブ及び該流量制御バルブを燃料電池スタック、改質装置、ＣＯ除去装置の酸化剤ガス管路、改質ガス管路の少なくとも一つのガス管路に設けたことを特徴とするものである。これにより、流量制御バルブ内部に設けられた各検知手段により正確に質量流量を演算して流量を制御できる。
特開平９−１７０５９２号公報 特開２０００−１６３１３４号公報

上述した特許文献１に記載のガス流量制御装置においては、ターボ圧縮機２の吐出流量を制御するために、ターボ圧縮機２を直接制御するのではなく、ミニマムフロー弁８を調整しているので、ミニマムフロー弁８を設けるため装置全体が大型化するという問題があった。

上述した特許文献２に記載の燃料電池システムにおいては、圧力検知手段、差圧検知手段、および開度検知手段の検出結果に基づいて質量流量を精度よく演算することができる。しかし、経年劣化によってバルブの流出側の背圧が上昇した場合には、質量流量を精度よく演算することができないおそれがあった。

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、流体送出装置、改質器および燃料電池システムにおいて、装置全体を大型化することなく、吐出流量を精度よく推定し、ひいては精度よく吐出流量を制御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に係る流体送出装置は、吐出側に配置されて流体の流量を絞る絞り部材と、絞り部材の流入側と流出側との差圧を取得する差圧取得手段と、少なくとも差圧に基づいて吐出量を推定送出量として導出する推定送出量導出手段と、推定送出量および目標送出量に基づいて操作量を導出する操作量導出手段と、操作量に基づいて制御する制御手段と、を備えた流体送出装置であって、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、差圧および吐出圧力に基づいて、絞り部材の流出側の背圧が大きくなると小さくなり該背圧が小さくなると大きくなる関係にあってかつ差圧を吐出圧力で除した値が大きいほど段階的に増大する係数を導出する係数導出手段と、をさらに備え、推定送出量導出手段は、係数および差圧に基づいて推定送出量を導出することを発明の構成上の特徴とする。

また、請求項２に係る流体送出装置は、請求項１において、流体送出装置から吐出される流体の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、推定送出量導出手段は、流体の温度も考慮して推定送出量を導出することを発明の構成上の特徴とする。

また、請求項３に係る改質器は、請求項１または請求項２に記載の流体送出装置により供給された改質用原料を改質することにより改質ガスを生成する改質部を備えたことを発明の構成上の特徴とする。

また、請求項４に係る改質器は、請求項１または請求項２に記載の流体送出装置と、該流体送出装置により供給された改質用原料を改質することにより改質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用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより改質部を加熱する燃焼部と、を備え、可燃ガス、燃焼用酸化剤ガスのうち少なくとも一方の流体を流体送出装置により燃焼部に供給することを発明の構成上の特徴とする。

また、請求項５に係る改質器は、請求項１または請求項２に記載の流体送出装置と、該流体送出装置により供給された改質用原料を改質することにより改質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用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより改質部を加熱する燃焼部と、改質部から導出された改質ガス中の一酸化炭素を、供給された一酸化炭素低減用酸化剤ガスによって低減する一酸化炭素低減部と、を備え、一酸化炭素低減用酸化剤ガスを流体送出装置により一酸化炭素低減部に供給することを発明の構成上の特徴とする。

また、請求項６に係る燃料電池システムは、燃料極に供給された燃料および酸化剤極に供給された酸化剤ガスによって発電する燃料電池を備え、燃料、酸化剤ガスのうち少なくとも一方の流体を請求項１または請求項２に記載の流体送出装置により燃料電池に供給することを発明の構成上の特徴とする。

また、請求項７に係る燃料電池システムは、請求項１または請求項２に記載の流体送出装置と、該流体送出装置により供給された改質用原料を改質することにより改質ガスを生成する改質部を少なくとも備えた改質器と、燃料極に供給された燃料および酸化剤極に供給された酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、を備え、燃料、酸化剤ガスのうち少なくとも一方の流体を流体送出装置により燃料電池に供給し、改質器より導出された改質ガスを前記燃料として使用することを発明の構成上の特徴とする。

上記のように構成した請求項１に係る流体送出装置においては、推定送出量導出手段が、少なくとも、差圧取得手段が取得した絞り部材の流入側と流出側との差圧に基づいて吐出量を推定送出量として導出し、操作量導出手段が、推定送出量および目標送出量に基づいて操作量を導出し、制御手段が、操作量に基づいて制御する。したがって、吐出側に配置された絞り部材の流入側と流出側との差圧に基づいて精度よく導出された推定送出量を使用して、流体送出装置を直接制御するので、装置全体の大型化を抑制し、精度よく吐出量を調整することができる。
さらに、係数導出手段が、絞り部材の流入側と流出側との差圧、および流体送出装置の吐出圧力に基づいて、絞り部材の流出側の背圧が大きくなると小さくなり該背圧が小さくなると大きくなる関係にある係数を導出し、推定送出量導出手段は、係数および差圧に基づいて推定送出量を導出する。これにより、絞り部材の流出側の背圧が、それ以降の流路抵抗の変化によって上昇した場合でも、その背圧と関連のある係数を使用してすなわちその背圧に応じて流体送出装置の推定送出量（吐出量）を精度よく演算することができ、ひいては流体送出装置を精度よく調整することができる。
ところで、本願の発明者は、絞り部材の流出側の背圧、および流体送出装置の吐出量（流量）を変化させて実験したところ、背圧と差圧を吐出圧力で除した値との間に、図８に示すような関係があることを見出した。横軸に絞り部材の前後の差圧を流体送出装置の吐出圧力で除した値を、縦軸に背圧を示している。図８から明らかなように、背圧は差圧を吐出圧力で除した値に対して段階的に変化している。したがって、背圧が大きくなると小さくなり該背圧が小さくなると大きくなる関係にある係数も、差圧を吐出圧力で除した値に対して段階的に変化することになる。よって、流体送出装置においては、係数は段階的に変化する背圧に対応した値となるので、背圧の変化に応じた適切な係数によって、流体送出装置の送出量（吐出量）をより精度よく演算することができ、ひいては流体送出装置をより精度よく調整することができる。

上記のように構成した請求項２に係る流体送出装置においては、請求項１に係る発明において、推定送出量導出手段は、温度検出手段によって検出された流体送出装置から吐出される流体の温度も考慮して推定送出量を導出するので、より精度よく推定送出量を導出することができる。

上記のように構成した請求項３に係る改質器においては、請求項１または請求項２に記載の流体送出装置により供給された改質用原料を改質することにより改質ガスを生成する改質部を備えているので、改質用原料を改質部に精度よく供給し、ひいては改質ガスを精度よく生成することができる。

上記のように構成した請求項４に係る改質器においては、請求項１または請求項２に記載の流体送出装置と、該流体送出装置により供給された改質用原料を改質することにより改質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用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより改質部を加熱する燃焼部と、を備え、可燃ガス、燃焼用酸化剤ガスのうち少なくとも一方の流体を流体送出装置により燃焼部に供給するので、可燃ガス、燃焼用酸化剤ガスのうち少なくとも一方の流体を燃焼部に精度よく供給し、ひいてはエネルギー効率よく燃焼させることができる。

上記のように構成した請求項５に係る改質器においては、請求項１または請求項２に記載の流体送出装置と、該流体送出装置により供給された改質用原料を改質することにより改質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用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより改質部を加熱する燃焼部と、改質部から導出された改質ガス中の一酸化炭素を、供給された一酸化炭素低減用酸化剤ガスによって低減する一酸化炭素低減部と、を備え、一酸化炭素低減用酸化剤ガスを流体送出装置により一酸化炭素低減部に供給するので、一酸化炭素低減用酸化剤ガスを精度よく一酸化炭素低減部に供給することができる。

上記のように構成した請求項６に係る燃料電池システムにおいては、燃料極に供給された燃料および酸化剤極に供給された酸化剤ガスによって発電する燃料電池を備え、燃料、酸化剤ガスのうち少なくとも一方の流体を請求項１または請求項２に記載の流体送出装置により燃料電池に供給するので、燃料および酸化剤ガスを燃料電池に精度よく供給し、精度よく発電させることができる。

上記のように構成した請求項７に係る燃料電池システムにおいては、請求項１または請求項２に記載の流体送出装置と、該流体送出装置により供給された改質用原料を改質することにより改質ガスを生成する改質部を少なくとも備えた改質器と、燃料極に供給された燃料および酸化剤極に供給された酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、を備え、燃料、酸化剤ガスのうち少なくとも一方の流体を流体送出装置により燃料電池に供給し、改質器より導出された改質ガスを前記燃料として使用するので、改質ガスを精度よく燃料電池に供給することができ、燃料電池システム全体として効率よい運転をすることができる。

１．第１実施形態
以下、本発明による燃料電池システム（本発明による流体送出装置、改質器を適用した燃料電池システム）の第１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。

改質器２０は、改質用燃料（改質用原料）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、オリフィス８１、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（例えば熱電対）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。それらセンサ４３ａ，４３ｂ，４３ｃは改質用燃料ポンプ４３に一体的に設けられている。

オリフィス８１は、改質用燃料ポンプ４３の吐出側の燃料供給管４１上に配置されて流体（改質用燃料）を絞る絞り部材である。オリフィス８１は、その流入側と流出側との差圧を検出する差圧検出装置８１ａを備えている。差圧検出装置８１ａ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。

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）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、一酸化炭素低減用酸化剤ガスである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、改質ガスやアノードオフガスなどの可燃ガス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、燃焼用空気などの酸化剤ガス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。

また、燃焼用空気供給管６５にはオリフィス８２が燃焼用空気ブロア６６の吐出側に配置されている。オリフィス８２は、オリフィス８１と同様に流体（燃焼用空気）を絞る絞り部材である。オリフィス８２は、その流入側と流出側との差圧を検出する差圧検出装置８２ａを備えている。差圧検出装置８２ａ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。

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２１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。

また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、酸化剤ガスである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に流体である燃料や空気を送出（圧送）する流体送出装置である。また、上述したカソード用空気ブロア６８も燃料電池１０に流体である空気を送出（圧送）する流体送出装置である。

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２４ｂ，４３ｃ，６６ｃ、回転数センサ４３ａ，６６ａ、圧力センサ４３ｂ，６６ｂ、差圧検出装置８１ａ，８２ａ、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２４ｂ，４３ｃ（６６ｃ）、回転数センサ４３ａ（６６ａ）、圧力センサ４３ｂ（６６ｂ）、差圧検出装置８１ａ（８２ａ）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、流量推定ロジック部（推定送出量導出手段）３２および係数切換ロジック部３３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。

係数切換ロジック部３３は、オリフィス８１の差圧ΔＰおよび改質用燃料ポンプ４３の吐出圧力ｐｒｅｓｓを入力してそれらに基づいて係数切換フラグＦ、係数Ｋ_ｉおよび係数Ｋ_ｉ−１を導出して、それら係数切換フラグＦ、係数Ｋ_ｉおよび係数Ｋ_ｉ−１を流量推定ロジック部３２に出力するものである。係数切換フラグＦは、切換部３２ｃにおいて第１流量推定ロジック部３２ａと移行モード流量推定ロジック部３２ｂを切り換えるためのフラグである。係数切換フラグＦが０のとき第１流量推定ロジック部３２ａに切り換え、１のとき移行モード流量推定ロジック部３２ｂに切り換える。係数Ｋ_ｉは、取得した差圧および吐出圧力に基づいて算出した係数であり、係数Ｋ_ｉ−１は、係数が切り換わった場合の切り換え直前の係数である。

係数切換ロジック部３３は、オリフィス８１の差圧ΔＰを改質用燃料ポンプ４３の吐出圧力ｐｒｅｓｓで除した値（以降、差圧／吐出圧力（またはΔＰ／Ｐ）と表す。）と係数との関係３３ａを有している（記憶している）。この関係３３ａは、係数が差圧／吐出圧力が大きいほど段階的に増大する値となるように設定されている。

この関係３３ａの算出方法を説明する。本願の発明者は、図６に示すように、流体送出装置である改質用燃料ポンプ４３と同一仕様のポンプ１０１、絞り部材であるオリフィス８１と同一仕様のオリフィス１０２、流量計１０３およびバルブ１０４を同一管路上に直列に配置した実験装置を使用して、バルブ１０４の開度（絞り程度）毎にポンプ１０１の吐出圧力を変化させて流量計１０３にてポンプ１０１からの改質用燃料（流体）の送出量（流体流量）を測定した。バルブ１０４は背圧の経年変化をシミュレートするために設けられており、バルブ１０４の開度が大きければ抵抗が小さいので、背圧が小さい使用当初の状態を擬似し、バルブ１０４の開度が小さければ抵抗が大きいので、背圧が大きい使用年数経過の状態を擬似する。

まず、バルブ１０４が全開の場合すなわち使用０年目の背圧の場合の差圧ΔＰおよび流量を測定する。測定結果は図７の曲線ｆ１にて示される。図７においては、差圧ΔＰに対する流量を示している。同様に、バルブ１０４が全開より開度の小さい第１開度の場合すなわち使用５年目の背圧の場合の差圧ΔＰおよび流量を測定する。測定結果は図７の曲線ｆ２にて示される。同様に、バルブ１０４が第１開度より開度の小さい第２開度の場合すなわち使用１０年目の背圧の場合の差圧ΔＰおよび流量を測定する。測定結果は図７の曲線ｆ３にて示される。

図７から明らかなように、開度が小さくなるにしたがって、すなわち使用年数が大きくなるにしたがって流量が小さくなっている。また、流量は下記数１で表されることは知られている。

ここで、Ｋは係数であり、ΔＰは絞り部材であるオリフィス１０２の前後の差圧であり、αは補正係数である。

図７に示す各曲線ｆ１，ｆ２，ｆ３の各係数Ｋは、測定結果からＫａ（例えば５．２２），Ｋｂ（例えば５．１４），Ｋｃ（例えば４．７）としてそれぞれ算出することができる。すなわち、使用年数０年の場合には係数はＫａであり、使用年数５年の場合には係数はＫｂであり、使用年数１０年の場合には係数はＫｃである。このように、係数Ｋは、背圧が大きくなると小さくなり、背圧が小さくなると大きくなる関係にある。

ところで、本願の発明者は、オリフィス１０２の流出側の背圧、およびポンプ１０１の吐出量（流量）を変化させて実験したところ、背圧と差圧／吐出圧力との間に、図８に示すような関係があることを見出した。横軸にオリフィス１０２の前後の差圧をポンプ１０１の吐出圧力で除した値を、縦軸に背圧を示している。図８から明らかなように、背圧は差圧／吐出圧力に対して段階的に変化している。したがって、背圧が大きくなると小さくなり該背圧が小さくなると大きくなる関係にある係数も、図９に示すように、差圧／吐出圧力に対して段階的に変化することになる。図９においては、係数が４．７、５．１４および５．２２である第１段Ｓ１、第２段Ｓ２および第３段Ｓ３を示している。なお、例えば図８により、差圧／吐出圧力に基づいて背圧（背圧の上昇値）が算出可能であり、例えば図９により、差圧／吐出圧力に基づいて係数が算出可能である。

ここで、係数が段階的でなく線形的に変化する場合を考えると、その係数が段階的に変化する背圧に対応した本来の係数と大きくずれるおそれがある。例えば、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、係数が差圧／吐出圧力に対して段階的でなく屈曲して変化するグラフｆ１０で示されるとする。この場合、ΔＰ／Ｐがａである場合、係数は約４．９６となる。ａは図１０（ｂ）に示す図９に示す使用年数５年に対応した係数（＝５．１４）である第２段Ｓ２の左端の値である。しかし、実際には、係数は第２段Ｓ２の左端の値である５．１４であるので、誤差が生じてしまう。係数に誤差が生じれば上記数１から算出される流量にも誤差が生じてしまう。このことからも、係数Ｋは線形的でなく段階的に切り換えたほうがよいことがわかる。

係数切換ロジック部３３による係数切換フラグＦ、係数Ｋ_ｉおよび係数Ｋ_ｉ−１の導出について図４を参照して説明する。係数切換ロジック部３３は、入力したオリフィス８１の差圧ΔＰおよび改質用燃料ポンプ４３の吐出圧力ｐｒｅｓｓから、差圧／吐出圧力（ΔＰ／Ｐ）を算出する。係数切換ロジック部３３は、図４に示す関係３３ａを使ってその算出したΔＰ／Ｐに対応した係数を算出する。このとき、ΔＰ／Ｐに対して係数が切り換わる場合、すなわちΔＰ／Ｐに対して２つの係数が算出される場合、係数切換ロジック部３３は、係数切換フラグＦを１に設定して出力する。これとともに、切り換え前後の２つの係数をそれぞれ係数Ｋ_ｉ−１，Ｋ_ｉに設定して出力する。例えば係数Ｋ１から係数Ｋ２に切り換わる場合には、係数Ｋ_ｉ−１はＫ１であり、係数Ｋ_ｉはＫ２である。また、ΔＰ／Ｐに対して係数が切り換わらない場合、すなわちΔＰ／Ｐに対して１つの係数が算出される場合、係数切換ロジック部３３は、係数切換フラグＦを０に設定して出力する。これとともに、ΔＰ／Ｐに対応する係数をそれぞれ係数Ｋ_ｉに設定して出力する。

このように、係数切換ロジック部３３は、差圧および吐出圧力に基づいて、オリフィス８１（絞り部材）の流出側の背圧が大きくなると小さくなり該背圧が小さくなると大きくなる関係にある係数を導出する係数導出手段である。

流量推定ロジック部３２は、オリフィス８１の差圧ΔＰ、改質用燃料ポンプ４３の吐出圧力ｐｒｅｓｓおよび吐出温度ｔｅｍｐ、ならびに係数切換ロジック部３３からの係数切換フラグＦ、係数Ｋ_ｉおよび係数Ｋ_ｉ−１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。すなわち、流量推定ロジック部３２は、差圧および吐出圧力により算出されるオリフィス８１の流出側の背圧の上昇値に基づいて推定送出量（推定流量ｅｓｔｆｌｕｘ）を導出する。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）の温度である。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５に示すように、流量推定ロジック部３２は、第１流量推定ロジック部３２ａ、移行モード流量推定ロジック部３２ｂ、および流量推定ロジック切替部３２ｃを備えている。

第１流量推定ロジック部３２ａは、オリフィス８１の差圧ΔＰ、改質用燃料ポンプ４３の吐出圧力ｐｒｅｓｓおよび吐出温度ｔｅｍｐ、ならびに係数切換ロジック部３３からの係数Ｋ_ｉを入力し、それらと下記数２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。

移行モード流量推定ロジック部３２ｂは、オリフィス８１の差圧ΔＰ、改質用燃料ポンプ４３の吐出圧力ｐｒｅｓｓおよび吐出温度ｔｅｍｐ、ならびに係数切換ロジック部３３からの係数Ｋ_ｉおよび係数Ｋ_ｉ−１を入力し、それらに基づいて第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。具体的には、移行モード流量推定ロジック部３２ｂは、上述した第１流量推定ロジック部３２ａと同様に第１推定流量を導出する。さらに、移行モード流量推定ロジック部３２ｂは、オリフィス８１の差圧ΔＰ、改質用燃料ポンプ４３の吐出圧力ｐｒｅｓｓおよび吐出温度ｔｅｍｐ、ならびに係数切換ロジック部３３からの係数Ｋ_ｉ−１を入力し、それらと下記数３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。

そして、移行モード流量推定ロジック部３２ｂは、導出された第１および第２推定流量と下記数４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。

ただし、β＝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。すなわち、所定時間Ｔａにおいて所定の短時間毎に段階的に第１推定流量から第２推定流量へ移行する。

なお、上記数２および数３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。

流量推定ロジック切替部３２ｃは、係数切換ロジック部３３からの係数切換フラグＦに基づいて第１流量推定ロジック部３２ａまたは移行モード流量推定ロジック部３２ｂに切り換える。すなわち、流量推定ロジック切替部３２ｃは、係数切換フラグＦが０であるとき、第１流量推定ロジック部３２ａに切り替え、係数切換フラグＦが１であるとき、移行モード流量推定ロジック部３２ｂに切り換える。移行モード流量推定ロジック部３２ｂへの切り替え時間は、所定時間Ｔａであり、この時間の経過後は自動的に第１流量推定ロジック部３２ａに戻るようになっている。

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、改質水バルブ５４を開き、改質水ポンプ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改質水ポンプ５３を駆動させている。また、制御装置３０は、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を駆動させている。また、制御装置３０は、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を駆動させている。そして、制御装置３０は、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１１〜１３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１１のステップ１００にてプログラムの実行を開始すると、所定の短時間毎に係数切換フラグＦ、係数Ｋ_ｉ、係数Ｋ_ｉ−１を導出する。

具体的には、制御装置３０は、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を入力し、そして、差圧検出装置８１ａが検出した差圧ΔＰを入力する（ステップ１０２）。

制御装置３０は、ステップ１０４において、入力したオリフィス８１の差圧ΔＰおよび改質用燃料ポンプ４３の吐出圧力ｐｒｅｓｓから、差圧／吐出圧力（ΔＰ／Ｐ）を算出し、図４に示す関係３３ａを使ってその算出したΔＰ／Ｐに対応した係数を算出する。このとき、ΔＰ／Ｐに対して係数が切り換わる場合、すなわちΔＰ／Ｐに対して２つの係数が算出される場合、制御装置３０は、係数切換フラグＦを１に設定して出力するとともに、切り換え前後の２つの係数をそれぞれ係数Ｋ_ｉ−１，Ｋ_ｉに設定して出力する。また、ΔＰ／Ｐに対して係数が切り換わらない場合、すなわちΔＰ／Ｐに対して１つの係数が算出される場合、制御装置３０は、係数切換フラグＦを０に設定して出力するとともに、ΔＰ／Ｐに対応する係数をそれぞれ係数Ｋ_ｉに設定して出力する。

制御装置３０は、ステップ１０６において、移行フラグＧが０であるか否かを判定する。移行フラグＧは係数が切り換わる際の移行制御の実施を示すフラグであり、移行フラグＧが１である場合に移行制御の実施を示し移行フラグＧが０である場合に通常制御の実施を示す。なお、スタートスイッチがオンされ、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際には、移行フラグＧおよび係数切換フラグＦは０にリセットされている。

制御装置３０は、ステップ１０８において、係数切換フラグＦが０であるか否かを判定する。係数切換フラグＦは、第１推定流量を導出するか移行モード推定流量を導出するかを切り換えるためのフラグである。制御装置３０は、係数切換フラグＦが０である場合には、係数は切り換わらないので、第１推定流量を導出し（ステップ１１０）、係数切換フラグＦが１である場合には、係数は切り換わるので、移行モード推定流量を導出する（ステップ１１８）。

係数が切り換わらない場合には、制御装置３０は、図１２に示す第１流量推定ルーチンに対応したプログラムを実施して、第１推定流量を導出する。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、ステップ１０２で入力（受信）した差圧ΔＰと吐出温度ｔｅｍｐ、およびステップ１０４で導出したＫ_ｉから上記数２に基づいて第１推定流量ｅｓｔｆｌｕｘ１を導出する（ステップ２０２）。そして、制御装置３０は、その第１推定流量ｅｓｔｆｌｕｘ１を推定流量ｅｓｔｆｌｕｘとする（ステップ２０４）。

そして、制御装置３０は、プログラムを図１１のステップ１１２に戻し、ステップ１１２において、別に導出される設定流量ｒｆｌｕｘを入力する。ステップ１１４にて、入力した設定流量ｒｆｌｕｘとステップ１１０で導出した推定流量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（ｒｆｌｕｘ，ｅｓｔｆｌｕｘ））を算出する。そして、ステップ１１６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。

また、係数が切り換わる場合には、制御装置３０は、図１３に示す移行モード流量推定ルーチンに対応したプログラムを実施して、移行モード推定流量（第３推定流量）を導出する。

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、ステップ１０２で入力（受信）した差圧ΔＰと吐出温度ｔｅｍｐ、およびステップ１０４で導出したＫ_ｉから上記数２に基づいて第１推定流量ｅｓｔｆｌｕｘ１を導出する（ステップ３０２）。また、制御装置３０は、ステップ１０２で入力（受信）した差圧ΔＰと吐出温度ｔｅｍｐ、およびステップ１０４で導出したＫ_ｉ−１から上記数３に基づいて第２推定流量ｅｓｔｆｌｕｘ２を導出する（ステップ３０４）。そして、制御装置３０は、これら導出した第１および第２推定流量ｅｓｔｆｌｕｘ１，ｅｓｔｆｌｕｘ２と上記数４に基づいて第３推定流量ｅｓｔｆｌｕｘ３を導出する（ステップ３０６）。そして、制御装置３０は、その第３推定流量ｅｓｔｆｌｕｘ３を推定流量ｅｓｔｆｌｕｘとする（ステップ３０８）。

そして、制御装置３０は、プログラムを図１１のステップ１２０に進め、タイマをカウントアップする。制御装置３０は、そのタイマがＴ１（上述した所定時間Ｔａに相当する。）に達するまで、ステップ１２２で「ＮＯ」の判定をし続けて、フラグＧを１に設定して維持する（ステップ１２６）。そして、制御装置３０は、そのタイマがＴ１に達すると、ステップ１２２で「ＹＥＳ」の判定をして、フラグＧおよびタイマを０に設定する（ステップ１２４）。これにより、係数が切り換わる際には、係数を急激に切り換えるのではなく、徐々に切り換えることができる。
そして、制御装置３０は、プログラムをステップ１１２に進め、上述と同様に改質用燃料ポンプ４３を駆動する。

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１４および図１５に示す。図１４においては、使用年数が０年であり改質触媒２１ｂ（ＣＯシフト触媒２３ａ、ＣＯ選択酸化触媒２４ａも含む。）の劣化がない状態（すなわち背圧が劣化により上昇していない状態）での本発明を適用しない場合（図１４（ａ））と適用した場合（図１４（ｂ））を示している。この場合、所定間隔（例えば約１５秒（ｓｅｃ））で流量を増大させた場合の推定流量ｅｓｔｆｌｕｘと実流量を示している。なお、実流量はオリフィス８１と改質部２１との間に配置された流量計で実際に測定したものである。

図１４（ａ）においては、推定流量ｅｓｔｆｌｕｘを比較的薄い色で丸印を有する曲線Ｌ１で示しており、これに対して実流量を比較的濃い色で太い曲線Ｌ２で示している。この場合、推定流量と実流慮の誤差の平均は０．８％である。図１４（ｂ）においては、推定流量ｅｓｔｆｌｕｘを比較的薄い色で丸印を有する曲線Ｌ１１で示しており、これに対して実流量を比較的濃い色で太い曲線Ｌ１２で示している。この場合、推定流量と実流慮の誤差の平均は０．８％である。これらのことから、背圧が上昇していない場合には、本発明を適用してもしなくても推定流量は実流量とほぼ一致している。

図１５においては、使用年数が１０年であり改質触媒２１ｂ（ＣＯシフト触媒２３ａ、ＣＯ選択酸化触媒２４ａも含む。）の劣化がある状態（すなわち背圧が劣化により上昇している状態）での本発明を適用しない場合（図１５（ａ））と適用した場合（図１５（ｂ））を示している。この場合、所定間隔（例えば約１５秒（ｓｅｃ））で流量を増大させた場合の推定流量ｅｓｔｆｌｕｘと実流量を示している。なお、実流量はオリフィス８１と改質部２１との間に配置された流量計で実際に測定したものである。

図１５（ａ）においては、推定流量ｅｓｔｆｌｕｘを比較的薄い色で丸印を有する曲線Ｌ２１で示しており、これに対して実流量を比較的濃い色で太い曲線Ｌ２２で示している。この場合、推定流量と実流慮の誤差の平均は９．９％である。図１５（ｂ）においては、推定流量ｅｓｔｆｌｕｘを比較的薄い色で丸印を有する曲線Ｌ３１で示しており、これに対して実流量を比較的濃い色で太い曲線Ｌ３２で示している。この場合、推定流量と実流慮の誤差の平均は４．８％である。これらのことから、背圧が上昇している場合には、本発明を適用しなければ推定流量は実流量と一致しておらず、本発明を適用すればすなわち背圧の上昇に応じて係数を切り換えることにより推定流量は実流量とほぼ一致している。

上述した説明から明らかなように、本第１実施形態においては、推定送出量導出手段（流量推定ロジック部３２）が、少なくとも、差圧取得手段（ステップ１０２）が取得した絞り部材（オリフィス８１）の流入側と流出側との差圧ΔＰに基づいて吐出量を推定送出量として導出し、操作量導出手段（ステップ１１４）が、推定送出量および目標送出量（ポンプ設定値）に基づいて操作量（ｄｕｔｙ）を導出し、制御手段（制御ロジック部３１）が、操作量に基づいて改質用燃料ポンプ４３を制御する。したがって、吐出側に配置された絞り部材（オリフィス８１）の流入側と流出側との差圧に基づいて精度よく導出された推定送出量を使用して、流体送出装置（改質用燃料ポンプ４３）を直接制御するので、装置全体の大型化を抑制し、精度よく吐出量を調整することができる。

また、吐出圧力検出手段（例えば圧力センサ４３ｂ）が流体送出装置（改質用燃料ポンプ４３）の吐出圧力を検出し、差圧および吐出圧力により算出される絞り部材の流出側の背圧の上昇値に基づいて推定送出量を導出する。これにより、絞り部材（オリフィス８１）の流出側の背圧が、それ以降の流路抵抗の変化によって上昇した場合でも、その背圧の上昇値に応じて流体送出装置の推定送出量（吐出量）を精度よく演算することができ、ひいては流体送出装置を精度よく調整することができる。

また、係数導出手段（ステップ１０４）が、絞り部材（オリフィス８１）の流入側と流出側との差圧、および流体送出装置（改質用燃料ポンプ４３）の吐出圧力に基づいて、絞り部材の流出側の背圧が大きくなると小さくなり該背圧が小さくなると大きくなる関係にある係数Ｋを導出し、推定送出量導出手段（ステップ１１０，１１８）は、係数Ｋおよび差圧ΔＰに基づいて推定送出量を導出する。これにより、絞り部材の流出側の背圧が、それ以降の流路抵抗の変化（改質部２１、ＣＯシフト部２３、ＣＯ選択酸化部２４の触媒の経年劣化によるそれら各部の触媒間が狭まることによる流路抵抗の増大）によって上昇した場合でも、その背圧と関連のある係数Ｋを使用してすなわちその背圧（背圧の上昇値）に応じて流体送出装置の推定送出量（吐出量）を精度よく演算することができ、ひいては流体送出装置を精度よく調整することができる。

ところで、本願の発明者は、絞り部材（オリフィス８１）の流出側の背圧、および流体送出装置（改質用燃料ポンプ４３）の吐出量（流量）を変化させて実験したところ、背圧と差圧を吐出圧力で除した値との間に、図８に示すような関係があることを見出した。横軸に絞り部材の前後の差圧を流体送出装置の吐出圧力で除した値を、縦軸に背圧を示している。図８から明らかなように、背圧は差圧を吐出圧力で除した値に対して段階的に変化している。したがって、背圧が大きくなると小さくなり該背圧が小さくなると大きくなる関係にある係数も、差圧を吐出圧力で除した値に対して段階的に変化することになる。上述したような改質用燃料ポンプ４３においては、図１５（ｂ）に示すように、係数Ｋは段階的に変化する背圧に対応した値となるので、背圧の変化に応じた適切な係数によって、流体送出装置（改質用燃料ポンプ４３）の送出量（吐出量）をより精度よく演算することができ、ひいては流体送出装置をより精度よく調整することができる。

また、推定送出量導出手段（流量推定ロジック部３２、ステップ１１０，１１８）は、温度検出手段（温度センサ４３ｃ、ステップ１０２）によって検出された流体送出装置（改質用燃料ポンプ４３）から吐出される流体の温度も考慮して推定送出量を導出するので、より精度よく推定送出量を導出することができる。

また、上記改質器２０においては、上述した改質用燃料ポンプ４３により供給された改質用原料を改質することにより改質ガスを生成する改質部２１を備えているので、改質用原料を改質部２１に精度よく供給し、ひいては改質ガスを精度よく生成することができる。

また、本発明を、燃焼用燃料ポンプ４８および燃焼用空気ポンプ４８にも適用することができる。この場合、上記改質器２０においては、可燃ガスが供給されその可燃ガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより改質部２１を加熱する燃焼部２５をさらに備え、可燃ガス、燃焼用酸化剤ガスのうち少なくとも一方の流体を改質用燃料ポンプ４３、燃焼用燃料ポンプ４８、燃焼用空気ポンプ４８である流体送出装置により燃焼部２５に供給するので、可燃ガス、燃焼用酸化剤ガスのうち少なくとも一方の流体を燃焼部２５に精度よく供給し、ひいてはエネルギー効率よく燃焼させることができる。このとき、差圧および吐出圧力により算出される絞り部材の流出側の背圧の上昇値に基づいて推定送出量を導出する。これにより、絞り部材の流出側の背圧が、それ以降の流路抵抗の変化によって上昇した場合でも、その背圧の上昇値に応じて流体送出装置による可燃ガス、燃焼用酸化剤ガスのうち少なくとも一方の流体の推定送出量（吐出量）を精度よく演算することができ、ひいては流体送出装置を精度よく調整することができる。

また、本発明を酸化用空気ブロア６３にも適用することができる。この場合、上記改質器２０においては、改質部２１から導出された改質ガス中の一酸化炭素を、供給された一酸化炭素低減用酸化剤ガスによって低減する一酸化炭素低減部（ＣＯ選択酸化部２４）をさらに備え、一酸化炭素低減用酸化剤ガスを流体送出装置（酸化用空気ブロア６３）により一酸化炭素低減部２４に供給するので、一酸化炭素低減用酸化剤ガスを精度よく一酸化炭素低減部２４に供給することができる。このとき、差圧および吐出圧力により算出される絞り部材の流出側の背圧の上昇値に基づいて推定送出量を導出する。これにより、絞り部材の流出側の背圧が、それ以降の流路抵抗の変化によって上昇した場合でも、その背圧の上昇値に応じて流体送出装置による一酸化炭素低減用酸化剤ガスの推定送出量（吐出量）を精度よく演算することができ、ひいては流体送出装置を精度よく調整することができる。

また、本発明をカソード用空気ブロア６８にも適用することができる。この場合、上記燃料電池システムにおいては、燃料極１１に供給された燃料および酸化剤極１２に供給された酸化剤ガスによって発電する燃料電池１０を備え、燃料、酸化剤ガスのうち少なくとも一方の流体を改質用燃料ポンプ４３およびカソード用空気ブロア６８（流体送出装置）により燃料電池１０に供給するので、燃料および酸化剤ガスを燃料電池１０に精度よく供給し、精度よく発電させることができる。

また、上記燃料電池システムにおいては、改質器２０より導出された改質ガスを燃料として使用するので、改質ガスを精度よく燃料電池１０に供給することができ、燃料電池システム全体として効率よい運転をすることができる。このとき、差圧および吐出圧力により算出される絞り部材の流出側の背圧の上昇値に基づいて推定送出量を導出する。これにより、絞り部材の流出側の背圧が、それ以降の流路抵抗の変化によって上昇した場合でも、その背圧の上昇値に応じて流体送出装置による改質ガスを精度よく演算することができ、ひいては流体送出装置を精度よく調整することができる。

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、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。

また、改質器２０は燃料電池システム以外に使用してもよい。また、改質器２０は一酸化炭素低減部を有さないものもある。また、燃料極１１に燃料ガスでなく液体状の燃料を供給する場合もある。また、燃料電池システムは改質器２０を有さないものもある。

また、本発明の流体送出装置は、改質水や、メタノールなどの液体を原料とした改質器の液体原料や、ダイレクトメタノール型燃料電池のメタノールなどの液体送出装置としても使用することができる。

２．第２実施形態
次に、本発明による燃料電池システム（本発明による流体送出装置、改質器を適用した燃料電池システム）の第２実施形態について説明する。図１６はこの燃料電池システムの制御装置１３０を示す概要図であり、図１７は温度と流体密度の関係を示す図であり、図１８は流路状態検知手段の詳細を示す図である。

図１６に示すように、改質用燃料ポンプ４３の下流側（吐出側）の改質用燃料供給管４１にはオリフィス８１が配置されている。オリフィス８１は改質用燃料供給管４１の内径より小径（ｄである。）の入口が形成された孔８１ｂを有している。出口は入口より大径である。改質用燃料供給管４１のオリフィス８１の流入側および流出側には、それぞれ上流側圧力センサ１３６と上流側温度センサ１３７および下流側圧力センサ１３８と下流側温度センサ１３９が配置されている。

制御装置１３０は、流体密度補正手段１３１、流路状態検知手段１３２、差圧演算手段１３３、流量推定手段１３４およびポンプ起動指示手段１３５を備えている。

流体密度補正手段１３１は、上流および下流温度センサ１３７，１３９からのオリフィス８１の上流および下流温度の平均を算出し、その平均値と図１７に示す温度と流体密度の相関から流体密度γ（ｋｇ／ｍ^３）を算出し、流路検出状態検知手段１３２および流量推定手段１３４に出力するものである。

流路状態検知手段１３２は、図１８に示すように、上流および下流温度センサ１３７，１３９からのオリフィス８１の上流および下流温度、上流および下流圧力センサ１３６，１３８からのオリフィス８１の上流および下流圧力、回転数センサ４３ａからの回転数、改質ガス圧力センサ１４１からの改質ガス圧力、およびオフガス圧力センサ１４２からのオフガス圧力を取得し、それらに基づいて流路状態を判断するものである。

差圧演算手段１３３は、流路状態検知手段１３２から入力したオリフィス８１の上流および下流圧力に基づいてオリフィス８１の前後の流体圧力差を算出し、その圧力差（差圧）を流量推定手段１３４に出力するものである。

流量推定手段１３４は、差圧演算手段１３３からの差圧、流体密度補正手段１３１からの流体密度から下記数５を用いて流量を算出し、その流量をポンプ起動指示手段１３５に出力するものである。

ここで、ｄはオリフィス８１の絞り径であり、ｇは重力加速度であり、γは流体密度であり、ｋは定数（実験により設定されるものである。）、Ｐ１およびＰ２はオリフィス８１の前後の流体圧力である。

ポンプ起動指示手段１３５は、流量推定手段１３４からの流量と燃料電池システムの運転状態により改質用燃料ポンプ４３の起動指示（起動、停止、ｄｕｔｙレベル）を決定し、決定結果を改質用燃料ポンプ４３に出力するものである。

また、流路状態検知手段１３２は、図１８に示すように、流路状態記憶手段１３２ａ、波形解析手段１３２ｂ、流路異常判定手段１３２ｃおよび警告報知手段１３２ｄを備えている。

流路状態記憶手段１３２ａは、上流および下流温度センサ１３７，１３９からのオリフィス８１の上流および下流温度、上流および下流圧力センサ１３６，１３８からのオリフィス８１の上流および下流圧力、回転数センサ４３ａからの回転数、改質ガス圧力センサ１４１からの改質ガス圧力、およびオフガス圧力センサ１４２からのオフガス圧力、流体密度補正手段１３１からの流体密度を経時的変化として記憶するものである。なお、改質ガス圧力センサ１４１は、ＣＯ選択酸化部２４と燃料電池１０の間の改質ガス供給管７１に配設され、オフガス圧力センサ１４２は、燃料電池１０と燃焼部２５の間のオフガス供給管７２に配設されている。

波形解析手段１３２ｂは、流路状態記憶手段１３２ａに記憶されている、オリフィス８１の上流側圧力特性Ｐ１、下流側圧力特性Ｐ２、改質ガス圧力特性Ｐ３、オフガス圧力特性Ｐ４、ポンプ回転数、流体温度、密度の各特性変動の波形を解析し、その解析結果を流路異常判定手段１３２ｃに出力するものである。各波形は、例えばフーリエ変換を用いて周波数毎のゲイン特性を導出している。

流路異常判定手段１３２ｃは、入力した各特性からの流路の圧力状態などにより異常判定を行うものである。周波数特性により流路の正常・異常を判断する。例えば、正常な圧力変動の周波数特性は、２０Ｈｚでのゲイン０．１であるが、流路異常時には、２０Ｈｚと１００Ｈｚ以上の周波数成分が発生する。正常時の圧力変動特性と、オリフィス８１の上流側のポンプの性能劣化における圧力変動や、下流側での異常（例えば、燃料電池１０のフラッディングなど）における圧力変動との差異点を波形解析により導出することができる。また、改質器２０での蒸発時脈動の圧力変動を捉えることができる。
警告報知手段１３２ｄは、流路異常判定手段１３２ｃからの異常判定結果を受けて警告するものである。

本発明による燃料電池システムの第１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に示した係数切換ロジック部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。 係数と差圧／吐出圧力との関係を示す実験を実施する実験装置を示した図である。 背圧を変化させた場合の、流量と差圧との関係を示す図である。 背圧と差圧／吐出圧力との関係を示す図である。 係数と差圧／吐出圧力との関係を示す図である。 係数と差圧／吐出圧力との関係が段階的であることが好ましいことを説明するための図である。 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第１流量推定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移行モード流量推定ルーチンのフローチャートである。 使用年数が０年であり触媒の劣化がない状態（すなわち背圧が劣化により上昇していない状態）での本発明を適用しない場合（図１４（ａ））と適用した場合（図１４（ｂ））を示す図である。 使用年数が１０年であり触媒の劣化がある状態（すなわち背圧が劣化により上昇している状態）での本発明を適用しない場合（図１５（ａ））と適用した場合（図１５（ｂ））を示す図である。 本発明による燃料電池システムの第２実施形態の制御装置の概要を示す概要図である。 温度と流体密度の関係を示す図である。 図１６に示す流路状態検知手段の詳細を示す図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質器、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、３０…制御装置、３１…制御ロジック部、３２…流量推定ロジック部、３２ａ…第１流量推定ロジック部、３２ｂ…移行モード流量推定ロジック部、３２ｃ…流量推定ロジック切替部、３３…係数切換ロジック部、４１…燃料供給管、４２…第１燃料バルブ、４３…改質用燃料ポンプ（流体送出装置）、４３ａ…回転数センサ、４３ｂ…圧力センサ、４３ｃ…温度センサ、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（流体送出装置）、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（流体送出装置）、６６ａ…回転数センサ、６６ｂ…圧力センサ、６６ｃ…温度センサ、６７…カソード用空気供給管、６８…カソード用空気ブロア（流体送出装置）、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、８１，８２…オリフィス、８１ａ，８２ａ…差圧検出装置、Ｓｆ…燃料供給源、Ｓｗ…改質水供給源。

Claims (7)

1. 吐出側に配置されて流体の流量を絞る絞り部材と、
   前記絞り部材の流入側と流出側との差圧を取得する差圧取得手段と、
   少なくとも前記差圧に基づいて吐出量を推定送出量として導出する推定送出量導出手段と、
   前記推定送出量および目標送出量に基づいて操作量を導出する操作量導出手段と、
   前記操作量に基づいて制御する制御手段と、を備えた流体送出装置であって、
   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、
   前記差圧および前記吐出圧力に基づいて、前記絞り部材の前記流出側の背圧が大きくなると小さくなり該背圧が小さくなると大きくなる関係にあってかつ前記差圧を前記吐出圧力で除した値が大きいほど段階的に増大する係数を導出する係数導出手段と、をさらに備え、
   前記推定送出量導出手段は、前記係数および前記差圧に基づいて前記推定送出量を導出することを特徴とする流体送出装置。
2. 請求項１において、前記流体送出装置から吐出される流体の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
   前記推定送出量導出手段は、前記流体の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流体送出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の流体送出装置により供給された改質用原料を改質することにより改質ガスを生成する改質部を備えたことを特徴とする改質器。
4. 請求項１または請求項２に記載の流体送出装置と、
   該流体送出装置により供給された改質用原料を改質することにより改質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用酸化剤ガスで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、を備え、
   前記可燃ガス、前記燃焼用酸化剤ガスのうち少なくとも一方の流体を前記流体送出装置により前記燃焼部に供給することを特徴とする改質器。
5. 請求項１または請求項２に記載の流体送出装置と、
   該流体送出装置により供給された改質用原料を改質することにより改質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用酸化剤ガスで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、
   前記改質部から導出された改質ガス中の一酸化炭素を、供給された一酸化炭素低減用酸化剤ガスによって低減する一酸化炭素低減部と、を備え、
   前記一酸化炭素低減用酸化剤ガスを前記流体送出装置により前記一酸化炭素低減部に供給することを特徴とする改質器。
6. 燃料極に供給された燃料および酸化剤極に供給された酸化剤ガスによって発電する燃料電池を備え、
   前記燃料、前記酸化剤ガスのうち少なくとも一方の流体を請求項１または請求項２に記載の流体送出装置により前記燃料電池に供給することを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１または請求項２に記載の流体送出装置と、
   該流体送出装置により供給された改質用原料を改質することにより改質ガスを生成する改質部を少なくとも備えた改質器と、
   燃料極に供給された燃料および酸化剤極に供給された酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、を備え、
   前記燃料、前記酸化剤ガスのうち少なくとも一方の流体を前記流体送出装置により前記燃料電池に供給し、
   前記改質器より導出された改質ガスを前記燃料として使用することを特徴とする燃料電池システム。

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