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Kiおよび係数Ki−1を導出して、それら係数切換フラグF、係数Kiおよび係数Ki−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Ki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Ki−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Kiおよび係数Ki−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Ki−1,Ki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Ki−1はK1であり、係数Ki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Ki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Kiおよび係数Ki−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Ki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Kiおよび係数Ki−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Ki−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Ki、係数Ki−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Ki−1,Ki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Ki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Ki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Ki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Ki−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/m3)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。
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。