JP2009298657A - 改質システム - Google Patents

Abstract

【課題】 改質水供給量の制御精度を向上させることができる改質システムを提供する。
【解決手段】 改質システム（１００）は、炭化水素燃料から改質ガスを生成する改質器（５０）の下流のガス中の水分濃度を検出する水分濃度センサ（７０）と、水分濃度センサの下流において改質器の下流のガス中の水分の少なくとも一部の凝縮水を貯留する凝縮水タンク（３２）と、凝縮水タンクの水位を検出する水位センサ（３３）と、水分濃度センサの検出値を所定時間積分して得られた積分値と水位センサの検出値に基づいて得られた水位変化量との偏差に基づいて改質器への改質水の供給量を制御する供給量制御手段（１０）と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、改質システムに関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。

この燃料電池へ供給するための燃料ガスを生成するために、炭化水素燃料を改質する改質器が設けられることがある。この改質器は、例えば、水蒸気と炭化水素燃料との改質反応によって、改質ガスを得ることができる。この改質反応を用いる場合、改質器に供給される改質水供給量を制御する必要がある。例えば、特許文献１には、水蒸気センサの検出値に応じて改質水供給量を制御する技術が開示されている。

特開２００３−２１２５０８号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、水蒸気センサの精度不良の対策がなされていない。その結果、改質水供給量の制御精度が低くなる。

本発明は、改質水供給量の制御精度を向上させることができる改質システムを提供することを目的とする。

本発明に係る改質システムは、炭化水素燃料から改質ガスを生成する改質器の下流のガス中の水分濃度を検出する水分濃度センサと、水分濃度センサの下流において改質器の下流のガス中の水分の少なくとも一部の凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、凝縮水タンクの水位を検出する水位センサと、水分濃度センサの検出値を所定時間積分して得られた積分値と水位センサの検出値に基づいて得られた水位変化量との偏差に基づいて改質器への改質水の供給量を制御する供給量制御手段と、を備えることを特徴とするものである。

本発明に係る改質システムにおいては、水分濃度センサに精度不良が生じても、水分濃度センサの検出値を所定時間積分して得られた積分値と水位センサの検出値に基づいて得られた水位変化量との偏差に応じて改質水の供給量が制御される。したがって、炭化水素燃料量に対して改質水供給量を適正に制御することができる。

上記改質システムは、改質ガスに含まれる水素を燃料として発電する燃料電池と、燃料電池のアノードオフガスを燃料とする燃焼器と、をさらに備え、水分濃度センサは、燃焼器の下流に配置されていてもよい。この場合、燃料電池における発電生成水およびアノードオフガスの燃焼生成水による水分濃度誤差も含めて改質供給量を補正することができる。

燃焼器は、改質器に熱を与える加熱部であってもよい。また、燃焼器は、燃料電池のカソードオフガスに含まれる酸素を用いて燃焼してもよい。

水分濃度センサは、酸素イオン伝導性固体電解質を備える水蒸気濃度センサであり、水分濃度センサへの印加電圧に応じて水蒸気濃度および酸素濃度を検出してもよい。この場合、水分濃度センサを、酸素濃度センサとして用いることができる。

本発明によれば、改質器への水供給量の制御精度を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る改質システム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、改質システム１００は、制御部１０、改質燃料供給部２０、水供給部３０、エアポンプ４０、改質器５０、燃料電池６０および酸素・水分濃度検出器７０を備える。

改質燃料供給部２０は、改質燃料タンク２１、燃料ポンプ２２および調圧弁２３を備える。水供給部３０は、凝縮水排水弁３１、凝縮水タンク３２、水位センサ３３、イオン交換器３４、蒸発器３５および水計量弁３６を備える。改質器５０は、改質部５１および加熱部５２を備える。燃料電池６０は、カソード６１およびアノード６２を備える。

制御部１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。制御部１０は、水位センサ３３および酸素・水分濃度検出器７０から与えられる検出結果に基づいて、改質システム１００の各部を制御する。詳細は、後述する。

改質燃料タンク２１は、改質燃料として用いるための炭化水素燃料を貯蔵するタンクである。燃料ポンプ２２は、制御部１０の指示に従って、改質燃料タンク２１に貯蔵されている改質燃料を調圧弁２３に供給するポンプである。調圧弁２３は、制御部１０の指示に従って、改質燃料の圧力を調整して、改質部５１における改質反応に必要な量の改質燃料を改質部５１に供給する弁である。

凝縮水排水弁３１は、制御部１０の指示に従って、加熱部５２からの排気ガスに含まれる凝縮水を凝縮水タンク３２へ排水するための弁である。凝縮水タンク３２は、凝縮水を貯蔵するタンクである。水位センサ３３は、凝縮水タンク３２に貯蔵される凝縮水の水位を検出するセンサである。イオン交換器３４は、凝縮水タンク３２に貯蔵された凝縮水の不純物を除去するための装置である。蒸発器３５は、凝縮水を蒸発させるための装置である。水計量弁３６は、制御部１０の指示に従って、必要量の水蒸気を改質部５１に供給するための弁である。

改質部５１においては、調圧弁２３からの改質燃料と水計量弁３６からの水蒸気とから、水素を含有する改質ガスが生成される。まず、改質燃料中の炭化水素と水蒸気とにより水蒸気改質反応が起こり、水素及び一酸化炭素が生成される。次に、生成された一酸化炭素の一部と水蒸気とが反応し、水素及び二酸化炭素が生成される。

改質部５１において生成された改質ガスは、アノード６２に供給される。アノード６２においては、改質ガス中の水素がプロトンに変換される。アノード６２においてプロトンに変換されなかった水素、ならびに、改質部５１において反応しなかった炭化水素、一酸化炭素および水蒸気は、アノードオフガスとして加熱部５２に供給される。

エアポンプ４０は、制御部１０の指示に従って、必要量の酸素をカソード６１に供給する。カソード６１においては、アノード６２において変換されたプロトンとカソード６１に供給されたエア中の酸素とから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、図示しないモータ等の負荷に用いられる。発生した水は、燃料電池６０において発生する熱によって水蒸気となる。カソード６１において発生した水蒸気およびプロトンと反応しなかったエアは、カソードオフガスとして加熱部５２に供給される。

加熱部５２においては、アノードオフガスに含まれる可燃成分がカソードオフガスに含まれる酸素によって燃焼する。加熱部５２における燃焼反応による燃焼熱は、改質部５１における水蒸気改質反応に利用される。燃焼反応によって発生する排気ガスは、凝縮水排水弁３１を介して外部に排出される。

酸素・水分濃度検出器７０は、加熱部５２から排出される排気ガス中の酸素濃度および水分濃度を検出するためのセンサである。以下、酸素・水分濃度検出器７０の詳細について説明する。

図２は、酸素・水分濃度検出器７０の模式的断面図である。図２に示すように、酸素・水分濃度検出器７０は、電解質７１の一面にアノード７２が設けられ、電解質７１の他面にカソード７３が設けられ、細孔が形成された多孔質基板７４がカソード７３を覆うように配置された構造を有する。電解質７１は、酸素イオン伝導性の電解質からなり、例えばジルコニアからなる。アノード７２およびカソード７３は、例えば白金からなる。多孔質基板７４は、例えば多孔質状のアルミナからなる。

アノード７２とカソード７３とは、配線を介して外部回路を形成する。この外部回路には、電源７５および電流計７６が設けられている。電源７５は、アノード７２にプラス電圧を印加する。この印加電圧は、可変である。電源７５によってアノード７２に電圧が印加されると、下記式（１）に従って、カソード７３において酸素が酸素イオンとなって電解質７１を伝導する。アノード７２においては、下記式（２）に従って、酸素イオンが酸素分子となる。
Ｏ_２ ＋ ４ｅ⁻ ＝ ２Ｏ^２− （１）
２Ｏ^２− ＝ Ｏ_２ ＋ ４ｅ⁻ （２）

カソード７３への酸素輸送量は、多孔質基板７４の細孔によって支配されるため、式（１）および式（２）の反応によって生じる電流は、多孔質基板７４の細孔における酸素ガス拡散量によって決定される。この酸素ガス拡散量は、多孔質基板７４の外部の酸素濃度によって決まる。以上のことから、酸素・水分濃度検出器７０は、電流計７６の検出結果に基づいて、排気ガス中の酸素濃度を取得することができる。

ここで、排気ガスに水蒸気が含まれる場合を考える。この場合、電源７５の電圧が高くなると、水蒸気の解離によって生じる酸素イオンが電解質７１を伝導することになる。それにより、外部回路を流れる電流が増加する。この増加幅は、排気ガス中の水蒸気濃度に依存する。

図３は、排気ガス中の酸素濃度が一定である場合における、電源７５の電圧と電流と排気ガス中の水蒸気濃度との関係を示す図である。図３において、横軸は電源７５の電圧を示し、縦軸は電流計７６によって検出される電流を示す。図３に示すように、電圧０．７Ｖ程度までは、電流はほぼ一定値となる。これは、低い電圧では水蒸気の解離が促進されないからであると考えられる。一方、電圧が０．７Ｖよりも高くなると、電流が大きくなる。この場合の増加幅は、水蒸気濃度の増加に伴って大きくなる。

以上のことから、電源７５の電圧を０．７Ｖ以下に制御すれば、水蒸気濃度にかかわらず、排気ガス中の酸素濃度を検出することができる。また、電源７５の電圧を０．７よりも大きくすることによって、排気ガス中の水蒸気濃度を検出することができる。

図４は、改質システム１００における水分量の流れを示す模式図である。炭化水素燃料としてメタンを用いた場合に理想的な改質反応が生じるとすると、下記式（３）に示すように、メタン１モルに対して２モルの水が反応して４モルの水素が生成される。この２モルの水は、凝縮水タンク３２から改質水として供給される。
ＣＨ_４ ＋ ２Ｈ_２Ｏ → ４Ｈ_２ ＋ ＣＯ_２ （３）

この水素が燃料電池６０での発電反応および加熱部５２での燃焼反応によって完全酸化すると、下記式（４）に示すように、４モルの水が生成される。
４Ｈ_２ ＋ ２Ｏ_２ → ４Ｈ_２Ｏ （４）

さらに、エアポンプ４０からカソード６１に供給されるエアにも水分が含まれている。これらの水分の合計が、カソードオフガスに含まれることになる。装置ロスおよび排気ガスによる水分持ち去りを差し引いた残りの水分が、凝縮水タンク３２に戻る。この場合、凝縮水タンク３２に２モルの水が戻れば、凝縮水タンク３２における水位は変化しないことになる。すなわち、凝縮水タンク３２から改質部５１に供給される改質水は、ある時間遅れの後に再度凝縮水タンク３２に戻る。

しかしながら、改質水供給量が炭化水素燃料に対して適正量供給されないと、改質システム１００内の水分ループの収支が合わなくなる。例えば、炭化水素燃料に対して改質水供給量が少ないと、改質反応効率が低下し、カソードオフガス中の水分濃度が低下し、凝縮水排水弁３１による補水量が低下する。それにより、改質システム１００内の水分ループの収支が合わなくなる。一方、炭化水素燃料に対して改質水供給量が多いと、凝縮水排水弁３１による補水量を上回る水分がカソードオフガスに含まれてしまい、大気に放出される水分量が多くなる。それにより、改質システム１００内の水分ループの収支が合わなくなる。

そこで、本実施例に係る改質システム１００は、酸素・水分濃度検出器７０を用いて、排気ガス中の酸素濃度および水蒸気濃度を検出し、改質部５１への水分供給量を適正に制御する。以下、図５〜図１１を参照しつつ、その詳細を説明する。

図５は、カソードオフガス中の酸素濃度を取得する際のフローチャートの一例を示す図である。このフローチャートは、周期的に実行され、例えば２５６ｍｓごとに実行される。図５に示すように、まず、制御部１０は、電解質７１に印加される電圧が電圧ｖ１になるように電源７５を制御する（ステップＳ１）。この電圧ｖ１は、排気ガス中の水蒸気濃度の干渉を回避できる電圧である。本実施例においては、電圧ｖ１を一例として０．４Ｖとする。

次に、制御部１０は、時間ｔ＿ｄが経過したか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２において時間ｔ＿ｄが経過したと判定されなかった場合、制御部１０は、ステップＳ２を再度実行する。この時間ｔ＿ｄは、電源７５の電圧が制御された後に酸素・水分濃度検出器７０の出力電流が安定化するまでの時間であることが好ましい。本実施例においては、時間ｔ＿ｄを一例として１２８ｍｓとする。

ステップＳ２において時間ｔ＿ｄが経過したと判定された場合、制御部１０は、排気ガス中の酸素濃度Ｏ_２＿ｖ１を取得して、保存する（ステップＳ３）。この場合、制御部１０は、電流計７６の検出結果に基づいて、酸素濃度を取得する。酸素濃度Ｏ_２＿ｖ１は、水蒸気濃度の干渉を回避して取得される値であるため、排気ガス中の酸素濃度と等しいかそれに近い値である。

次に、制御部１０は、電解質７１に印加される電圧が電圧ｖ２になるように電源７５を制御する（ステップＳ４）。この電圧ｖ２は、排気ガス中の水蒸気濃度の干渉を受ける範囲の電圧である。本実施例においては、電圧ｖ２を一例として１．３Ｖとする。

次に、制御部１０は、時間ｔ＿ｄが経過したか否かを判定する（ステップＳ５）。ステップＳ５において時間ｔ＿ｄが経過したと判定されなかった場合、制御部１０は、ステップＳ５を再度実行する。ステップＳ５において時間ｔ＿ｄが経過したと判定された場合、制御部１０は、酸素濃度Ｏ_２＿ｖ２を取得して、保存する（ステップＳ６）。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。

図５のフローチャートに従えば、カソードオフガス中の水蒸気の干渉を回避した場合の酸素濃度Ｏ_２＿ｖ１と水蒸気の干渉を受けた場合の酸素濃度Ｏ_２＿ｖ２とを検出することができる。

図６は、図５のフローチャートに従って得られた酸素濃度Ｏ_２＿ｖ１を用いて改質部５１における空気過剰率を制御する際のフローチャートの一例を示す図である。このフローチャートは、例えば、改質部５１への改質水供給周期（例えば、２５６ｍｓ）と同周期かつ、改質部５１への改質水供給と異なるタイミングで実行される。

図６に示すように、まず、制御部１０は、酸素濃度Ｏ_２＿ｖ１に基づいて、改質部５１における空気過剰率λを求めて保存する（ステップＳ１１）。空気過剰率λは、アノードオフガス中の可燃成分の理論空燃比に対する比率のことである。酸素濃度Ｏ_２＿ｖ１と空気過剰率λとの関係は、あらかじめマップとして作成しておいてもよい。酸素濃度Ｏ_２＿ｖ１と空気過剰率λとの関係を、一例として図７に示す。例えば、空気過剰率λは、酸素濃度Ｏ_２＿ｖ１の増加に伴って上昇する。

次に、制御部１０は、空気過剰率λが最小値λｍｉｎ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。ここで、最小値λｍｉｎは、不完全燃焼を抑制してＮＯｘ濃度を所定値以下に抑制できる値に設定される。ＮＯｘ濃度は、加熱部５２における火炎温度との間に強相関関係を有する。空気過剰率λと加熱部５２における火炎温度との関係を、図８に示す。図８に示すように、空気過剰率λが１．０よりもやや小さい場合に、火炎温度が最も高くなる（ＮＯｘ濃度が最も高くなる）。最小値λｍｉｎは、１．０よりも大きい範囲で、ＮＯｘ濃度が所望値以下になるように設定される。

ステップＳ１２において空気過剰率λが最小値λｍｉｎ以下であると判定された場合、制御部１０は、カソードエア流量Ｑａを、下記式（３）に従って求め、エアポンプ４０を制御する。この場合、空気過剰率λが増加する。
Ｑａ ＝ Ｑｆ・λ＿ｔｒｇ ＋ Ｑａ＿ｆｂ （３）

ここで、Ｑｆは、アノード燃料流量を示し、λ＿ｔｒｇは、空気過剰率λの制御目標値を示し、Ｑａ＿ｆｂは、補正カソードエア流量を示す。アノード燃料流量Ｑｆは、調圧弁２３への指令値から求めることができ、燃料電池６０の発電電流から求めることもできる。補正カソードエア流量は、カソードエア流量の増分としてあらかじめ設定しておくことができる。

次に、制御部１０は、空気過剰率λが最大値λｍａｘ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。最大値λｍａｘは、加熱部５２において失火しない範囲で設定される。ステップＳ１４において空気過剰率λが最大値λｍａｘ以上であると判定された場合、制御部１０は、カソードエア流量Ｑａを、下記式（４）に従って求め、エアポンプ４０を制御する。この場合、空気過剰率λが減少する。
Ｑａ ＝ Ｑｆ・λ＿ｔｒｇ − Ｑａ＿ｆｂ （４）

その後、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。なお、ステップＳ１２において空気過剰率λが最小値λｍｉｎ以下であると判定されなかった場合、制御部１０は、ステップＳ１４を実行する。また、ステップＳ１４において空気過剰率λが最大値λｍａｘ以上であると判定されなかった場合、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。

図６のフローチャートに従えば、ＮＯｘ濃度を所定値以下に制御することができかつ加熱部５２における失火を抑制できるように、空気過剰率λを設定することができる。

ここで、制御目標値λ＿ｔｒｇ、最小値λｍｉｎおよび最大値λｍａｘの関係を図９に示す。図９において、横軸は燃料電池６０の発電負荷を示し、縦軸は空気過剰率λを示す。図９に示すように、最小値λｍｉｎは、制御誤差に余裕を持たせ、さらにＮＯｘ濃度を低下させるため、１．０よりも大きい値に設定される。最大値λｍａｘは、制御誤差に余裕を持たせるため、燃焼限界（例えば「５」）よりも小さい値に設定される。

図１０は、凝縮水タンク３２の水位をフィードバック制御するためのフローチャートの一例を示す図である。このフローチャートは、周期的に実行され、例えば２５６ｍｓごとに実行される。図１０に示すように、制御部１０は、図５のフローチャートを実行した際に保存した酸素濃度Ｏ_２＿ｖ１および酸素濃度Ｏ_２＿ｖ２を読み込む（ステップＳ２１）。次に、制御部１０は、フローチャート６を実行した際に用いたアノード燃料流量Ｑｆおよび空気過剰率λを読み込む（ステップＳ２２）。

次に、制御部１０は、酸素・水分濃度検出器７０が検出する瞬時水分量ｄＱｓ＿Ｏ_２を下記式（５）を用いて求める（ステップＳ２３）。
ｄＱｓ＿Ｏ_２ ＝ （Ｏ_２＿ｖ２−Ｏ_２＿ｖ１）・（Ｑｆ＋Ｑｆ・λ） （５）

ここで、式（５）から瞬時水分量ｄＱｓ＿Ｏ_２が求まる理由を説明する。図４で説明したように、水蒸気の干渉を受ける場合の酸素濃度と水蒸気の干渉を回避した場合の酸素濃度との差から水分濃度が求まる。この水分濃度にガス量を乗じれば、水分量が求まる。したがって、ある時点の酸素濃度差とある時点のガス量とから、瞬時水分量が求まる。ガス量は、カソードエア流量とアノード燃料流量との和である。カソードエア流量は、アノード燃料流量に空気過剰率λを乗じることによって得られる。

なお、正確には、改質工程前後でガス種が変化する。さらに改質水が加わって発電反応によって可燃性ガスが消費されることから、酸素・水分濃度検出器７０の位置におけるガス量は、厳密にはカソードエア流量とアノード燃料流量との和とは異なり得る。したがって、必要に応じて、実機から得られたマップデータ、または、改質反応が常に平衡状態にあると仮定して発電反応分を発電電力に基づいて考慮した値を、カソードエア流量とアノード燃料流量とに基づいて決定し、酸素・水分濃度検出器７０の位置におけるガス量と推定してもよい。

次に、制御部１０は、下記式（６）に従って、酸素・水分濃度検出器７０によって検出された水分量の積分値Ｑｓ＿Ｏ_２を求める（ステップＳ２４）。それにより、ステップＳ２４実行時の積分値Ｑｓ＿Ｏ_２を求めることができる。
Ｑｓ＿Ｏ_２ ＝ Ｑｓ＿Ｏ_２ ＋ ｄＱｓ＿Ｏ_２ （６）

次に、制御部１０は、積分回数を１回加算する（ステップＳ２５）。次に、制御部１０は、積分回数Ｎが最大値Ｎｍａｘに到達したか否かを判定する（ステップＳ２６）。本実施例においては、一例として最大値Ｎｍａｘを１２０とする。ステップＳ２６において積分回数Ｎが最大値Ｎｍａｘに到達したと判定されなかった場合、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。この場合、積分回数Ｎが最大値Ｎｍａｘに到達するまで、ステップＳ２１からステップＳ２４が実行される。

ステップＳ２６において積分回数Ｎが最大値Ｎｍａｘに到達したと判定された場合、制御部１０は、水位センサ３３から、凝縮水タンク３２の水位ＰＯＳを取得する（ステップＳ２７）。次に、制御部１０は、水位ＰＯＳから前回のフローチャート実行時に求めた水位ＰＯＳ＿ｏｌｄを差し引いて、凝縮水タンク３２の水位変化量ｄＰＯＳを求める（ステップＳ２８）。

次に、制御部１０は、水位変化量ｄＰＯＳの絶対値が水位変化誤差限界ＰＯＳ＿ｌｍｔ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２９）。水位変化誤差限界ＰＯＳ＿ｌｍｔは、水位センサ３３の誤差以上の値に設定される。したがって、ステップＳ２９においては、水位センサ３３の誤差以上に水位が変動したか否かを判定することができる。例えば、水位変化誤差限界ＰＯＳ＿ｌｍｔは、設計基準水位×ｋ％（例えば、１００ｍｍ×１０％）に設定される。

ステップＳ２９において水位変化量ｄＰＯＳの絶対値が水位変化誤差限界ＰＯＳ＿ｌｍｔ以上であると判定されなかった場合、制御部１０は、積分回数Ｎをゼロに設定する（ステップＳ３０）。次に、制御部１０は、水位ＰＯＳを水位ＰＯＳ＿ｏｌｄに代入し（ステップＳ３１）、フローチャートの実行を終了する。

ステップＳ２９において水位変化量ｄＰＯＳの絶対値が水位変化誤差限界ＰＯＳ＿ｌｍｔ以上であると判定された場合、制御部１０は、偏差Ｑｓ＿Ｏ_２＿ｅｒｒを求める（ステップＳ３２）。偏差Ｑｓ＿Ｏ_２＿ｅｒｒは、積分値Ｑｓ＿Ｏ_２から水位変化量ｄＰＯＳを差し引いた値である。

次に、制御部１０は、図１１のマップに従って、改質部５１への改質水の供給量の補正量Ｑｓ＿ｆｂ＿ｐｏｓを求める（ステップＳ３３）。図１１において、横軸は偏差Ｑｓ＿Ｏ_２＿ｅｒｒを示し、縦軸は偏差Ｑｓ＿Ｏ_２ｅｒｒから求まるマップ値ｍａｐ（Ｑｓ＿Ｏ_２＿ｅｒｒ）を示す。図１１に示すように、偏差Ｑｓ＿Ｏ_２ｅｒｒの絶対値が小さい場合には、水回収ループの回収時間遅れを考慮して、マップ値ｍａｐ（Ｑｓ＿Ｏ_２＿ｅｒｒ）をゼロとする。偏差Ｑｓ＿Ｏ_２＿ｅｒｒがプラスに大きくなると、ｍａｐ（Ｑｓ＿Ｏ_２＿ｅｒｒ）を増加させる。一方、偏差Ｑｓ＿Ｏ_２ｅｒｒがマイナスに大きくなると、ｍａｐ（Ｑｓ＿Ｏ_２＿ｅｒｒ）をマイナスに増加させる。なお、過補償防止を目的とし、マップ値ｍａｐ（Ｑｓ＿Ｏ_２＿ｅｒｒ）に下限値および上限値が設定されている。

次いで、制御部１０は、下記式（７）に従って、改質部５１への改質水供給量を求める（ステップＳ３４）。なお、Ｑｓは、改質水供給量を示す。Ｑｓ＿ｂａｓｅは、燃料量Ｑｆに比例した改質水量であって、Ｓ／Ｃ比＝２．５によって求まる値である。なお、Ｓ／Ｃ比とは、炭化水素燃料中の炭素モル数に対する水蒸気のモル数の比のことをいう。さらに、Ｑｓ＿ｆｂ＿Ｏ_２は、酸素・水分濃度検出器７０に基づくフィードバック補正水分量を示す。この値は、酸素センサを用いる際のフィードバック補正量としてよく知られた値である。
Ｑｓ＝Ｑｓ＿ｂａｓｅ＋Ｑｓ＿ｆｂ＿Ｏ_２＋Ｑｓ＿ｆｂ＿ｐｏｓ （７）

次に、制御部１０は、ステップＳ３０およびステップＳ３１を順に実行する。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。

以上のように酸素・水分濃度検出器７０の検出値を所定時間積分して得られた値と凝縮水タンク３２の水位変化量との偏差を改質部５１への供給改質水分量に反映することによって、凝縮水タンク３２の水位を所定範囲内にフィードバック制御することができる。それにより、炭化水素燃料量に対して改質水供給量を適正に制御することができる。

なお、本実施例においては酸素・水分濃度検出器７０はアノードオフガスの酸素濃度および水分濃度を検出するが、それに限られない。例えば、酸素・水分濃度検出器７０は、改質部５１の下流側のいずれかの箇所における酸素濃度および水分濃度を検出すればよい。この場合においても、酸素・水分濃度検出器７０の検出値を所定時間積分して得られた値と凝縮水タンク３２の水位変化量との偏差を改質部５１への供給改質水分量に反映することによって、凝縮水タンク３２の水位を所定範囲内にフィードバック制御することができる。

また、本実施例においては水分濃度センサとして酸素・水分濃度検出器７０を用いているが、水蒸気濃度を検出できるセンサであれば水分濃度センサとして用いることができる。

本実施例と請求項との対応関係において、酸素・水分濃度検出器７０が水分濃度センサに相当し、制御部１０が供給量制御手段に相当し、加熱部５２が燃焼器に相当する。

本発明の第１実施例に係る改質システムの全体構成を示す模式図である。 酸素・水分濃度検出器の模式的断面図である。 排気ガス中の酸素濃度が一定である場合における、電源の電圧と電流と排気ガス中の水蒸気濃度との関係を示す図である。 改質システムにおける水分量の流れを示す模式図である。 カソードオフガス中の酸素濃度を取得する際のフローチャートの一例を示す図である。 図５のフローチャートに従って得られた値を用いて改質部における空気過剰率を制御する際のフローチャートの一例を示す図である。 酸素濃度と空気過剰率との関係を示す図である。 空気過剰率と加熱部における火炎温度との関係を示す図である。 空気過剰率の制御目標値、最小値および最大値の関係を示す図である。 凝縮水タンクの水位をフィードバック制御するためのフローチャートの一例を示す図である。 改質部への改質水の供給量の補正量を示す図である。

符号の説明

１０ 制御部
２０ 改質燃料供給部
３０ 水供給部
３１ 凝縮水排水弁
３２ 凝縮水タンク
３３ 水位センサ水
３６ 計量弁
４０ エアポンプ
５０ 改質器
５１ 改質部
５２ 加熱部
６０ 燃料電池
６１ カソード
６２ アノード
７０ 酸素・水分濃度検出器
１００ 改質システム

Claims (5)

1. 炭化水素燃料から改質ガスを生成する改質器の下流のガス中の水分濃度を検出する水分濃度センサと、
   前記水分濃度センサの下流において、前記改質器の下流のガス中の水分の少なくとも一部の凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、
   前記凝縮水タンクの水位を検出する水位センサと、
   前記水分濃度センサの検出値を所定時間積分して得られた積分値と前記水位センサの検出値に基づいて得られた水位変化量との偏差に基づいて、前記改質器への改質水の供給量を制御する供給量制御手段と、を備えることを特徴とする改質システム。
2. 前記改質ガスに含まれる水素を燃料として発電する燃料電池と、
   前記燃料電池のアノードオフガスを燃料とする燃焼器と、をさらに備え、
   前記水分濃度センサは、前記燃焼器の下流に配置されていることを特徴とする請求項１記載の改質システム。
3. 前記燃焼器は、前記改質器に熱を与える加熱部であることを特徴とする請求項２記載の改質システム。
4. 前記燃焼器は、前記燃料電池のカソードオフガスに含まれる酸素を用いて燃焼することを特徴とする請求項２または３記載の改質システム。
5. 前記水分濃度センサは、酸素イオン伝導性固体電解質を備える水蒸気濃度センサであり、前記水分濃度センサへの印加電圧に応じて水蒸気濃度および酸素濃度を検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の改質システム。

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