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JP4839821B2 - 電源システム、電源システムの制御装置及び電源システムの制御方法 - Google Patents

電源システム、電源システムの制御装置及び電源システムの制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、電源システム、電源システムの制御装置及び電源システムの制御方法に関し、特に、水素原子を組成中に含む流体燃料を改質して生成された水素を用いて発電動作を行う電源システム、電源システムの制御装置及び電源システムの制御方法に関する。
近年、環境問題やエネルギー問題への関心の高まりに伴い、次世代の主流となる電源システム（又は、発電システム）として、燃料電池（又は、燃料電池を用いた電源システム）が注目されている。燃料電池の発電原理は周知の通り、水素と酸素を用いた電気化学反応により電気エネルギーを取り出すものであるので、温暖化ガスや汚染物質をほとんど排出せず、環境への影響（環境負荷）が極めて小さいという利点を有している。また、旧来の発電システム（例えば化石燃料を燃焼させた熱エネルギー等に基づいて電気エネルギーを生成するシステム）に比較して極めて高い発電効率（エネルギー変換効率）を実現することができるため、様々な産業分野での本格的な普及に向けた研究開発が盛んに行われている。
ここで、燃料電池に適用される発電用燃料としては、高濃度の水素ガスが直接供給されることが望ましいが、このような水素ガスを直接燃料電池本体に供給するシステムは、水素ガスの生成、貯蔵、供給等における技術面や安全面における取り扱いの難しさや、社会的なインフラの整備等の経済的な観点から広範かつ急速な普及は困難であり、特定の事業所における発電設備や、一部の特殊な車両の駆動装置等の、比較的大型のシステムにおいてのみ限定的に実用化が図られている。
これに対して、燃料電池を用いた電源システムを、ノートパソコンや携帯電話等の小型で携帯可能な電子機器（携帯機器）等に適用する場合においては、比較的入手や取り扱いが容易で、製造コストも安価な、メタノールやエタノール等の炭化水素系の液体燃料（アルコール類）を用いるものの方が現実的であると考えられている。
このような液体燃料を用いる電源システムにおいては、燃料電池への発電用燃料の供給方式として、当該発電用燃料（メタノール等）を直接燃料電池本体に供給する燃料直接供給方式と、該発電用燃料を改質して得られる水素ガスを供給する燃料改質供給方式と、が知られている。
燃料直接供給方式の燃料電池においては、メタノール等の発電用燃料を直接燃料電池本体に供給することができるので、燃料供給経路に後述する燃料改質器等の構成を必要とせず、燃料電池（電源システム）の構成を簡素化することができるという利点はあるものの、この方式の燃料電池においては、一般に、燃料改質供給方式の燃料電池に比較して、発電効率（エネルギー変換効率）が低いという欠点を有している。
これに対して、燃料改質供給方式の燃料電池においては、メタノール等の発電用燃料を改質して生成された高純度（高濃度）の水素ガスを燃料電池本体に供給することができるので、上述した燃料直接供給方式の燃料電池に比較して、発電効率（エネルギー変換効率）が高いという利点を有する。
ここで、従来技術における燃料改質供給方式の燃料電池を適用した電源システムについて簡単に説明する。
図６は、従来技術における燃料改質供給方式の燃料電池を適用した電源システムの一構成例を示す概略ブロック図であり、図７は、燃料改質供給方式の燃料電池を適用した電源システムに適用される燃料改質部における化学反応の一例を示す概略図である。
図６に示すように、従来技術における燃料電池を適用した電源システムは、概略、メタノール等の発電用燃料が貯蔵又は封入された燃料供給部３１０と、発電用燃料を改質して主に水素ガスを含む改質ガスを生成する燃料改質部（化学反応部）３２０と、生成された水素ガスと大気中の酸素とを用いた電気化学反応により電気エネルギーを生成して出力する発電セル部（燃料電池本体）３３０と、を備えた構成を有している。
ここで、燃料改質部３２０は、例えば図６、図７に示すように、少なくとも、発電用燃料（例えば、メタノールＣＨ３ＯＨ）と水（Ｈ２Ｏ）からなる水溶液を蒸発（気化）させて燃料ガスを生成する気化器（燃料蒸発器）３２１と、該燃料ガスを改質反応により改質して水素（Ｈ２）を含む改質ガスを生成する改質器３２２と、該改質反応に伴って、副生成物として生成される二酸化炭素（ＣＯ２）及び微量な一酸化炭素（ＣＯ）のうち、有害な一酸化炭素（ＣＯ）を選択酸化反応により二酸化炭素ＣＯ２に変換除去する一酸化炭素除去器（以下、「ＣＯ除去器」と略記する）３２３と、を備えた構成を有している。
このような構成において、燃料改質部３２０により生成された高濃度の水素ガスが発電セル部３３０の陽極（アノード極）側に供給されることにより、上記水素から水素イオンと電子が生成され、該水素イオンが陽極−陰極（カソード極）間に介在する電解質膜を透過して、陰極側で酸素分子（大気中の酸素）と結合する際に、陽極側から陰極側へ移動する上記電子を取り出すことにより電気エネルギーが生成される。なお、燃料改質部及び発電セル部（燃料電池本体）における具体的な化学反応については、後述する発明の実施の形態において詳しく説明する。
ところで、上述したような燃料改質供給方式の燃料電池を適用した電源システムにおいては、当該電源システムに接続された負荷を安定的に駆動するために、燃料改質部３２０から発電セル部３３０に供給される水素ガスの量を一定に維持しておく必要がある。ここで、燃料改質部３２０における水素ガスの生成状態（改質器３２２における改質反応の進行状態）は、改質器３２２を含む燃料改質部３２０に設定される温度条件により制御されるので、燃料改質部３２０により生成される水素ガスの量を一定にするためには、燃料改質部３２０を所定の高温状態に設定（維持）して、改質器３２２における改質反応の進行状態を所定の状態に保持する必要がある。
ここで、燃料改質部３２０を所定の高温状態（一定温度）に維持する方法としては、例えば上述した発電セル部３３０における発電動作（電気化学反応）において、残留した未反応の水素を含むオフガスを、燃料改質部３２０（改質器３２２）に近接して設けられた触媒燃焼器（図示を省略）等により燃焼させて得られる燃焼熱や、電気ヒータ（図示を省略）等による発熱により加熱して所定の高温状態に設定する手法等が知られている。
具体的には、オフガスの燃焼熱により燃料改質部３２０（改質器３２２）を所定の高温状態（一定温度）に設定する手法においては、オフガス燃焼器に供給するオフガスや酸素の量を制御することにより、オフガスの燃焼の度合い（燃焼熱の発生量）を設定して、燃料改質部３２０（改質器３２２）における水素ガスの生成状態（改質反応の進行状態）を制御するようにしている。
このようなオフガス燃焼器に供給するオフガスや酸素の量を制御することにより燃料改質部（改質器）における温度状態を制御する構成及び方法については、例えば特許文献１や特許文献２等に詳しく記載されている。
特開平９−４５３４９号公報 （第２頁〜第３頁、図１） 特開平７−１９２７４２号公報 （第３頁、第５頁、図１、図２）
しかしながら、上述したようなオフガスの燃焼熱により燃料改質部（改質器）の温度状態を制御する構成及び方法を採用した電源システムにおいては、発電セル部における発電動作により安定的に一定の電気エネルギー（電流）を取り出すことができるように、当該発電動作に必要とされる水素量、及び、燃料改質部（改質器）における水素生成動作において熱エネルギーとして必要とされる水素量の総和よりも多い水素が供給されるように設定されていた。すなわち、発電セル部から排出されるオフガス中の水素量はオフガス燃焼器において消費される量（すなわち、改質器が必要とする熱エネルギーを発生するための量）よりも大幅に多くなるように設定されていた。
ここで、燃料改質部（改質器）により生成された水素のうち、発電動作（電気化学反応）及び水素生成動作（オフガスの燃焼）で利用されなかった水素は、そのままシステム外部に排出することができないので、例えば残留ガス燃焼器等において燃焼させて水に変換（消費）する処理を行わなければならなかった。
そのため、発電用燃料により生成された水素の一部が無駄に消費されることになり、発電効率（エネルギー変換効率）の低下を招くという問題を有していた。また、残留ガス燃焼器及びその周辺装置（バルブや流量計等）を付加する必要があるため、システム規模の大型化や制御の複雑化、製品コストの増大等も招くという問題を有していた。
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑み、システム規模の大型化や制御の複雑化、製品コストの増大を招くことなく、発電用燃料を改質して生成された水素を有効に利用して発電効率の向上を図ることができる電源システム、電源システムの制御装置及び電源システムの制御方法を提供することを目的とする。
請求項１記載の発明は、組成中に水素原子を含む発電用燃料が供給され、該発電用燃料を所定の化学反応により改質して、水素を含む改質ガスを生成する化学反応手段と、前記化学反応手段の温度を計測する温度計測手段と、前記改質ガスに含まれる水素を用いて電気エネルギーを生成する発電手段と、前記発電手段から排出されるオフガスを用いて熱エネルギーを生成し、少なくとも前記化学反応手段に供給する加熱手段と、前記発電手段から取り出す前記電気エネルギーの量を制御する電気エネルギー制御手段と、少なくとも、前記温度計測手段により計測される前記化学反応手段の温度に基づき、前記化学反応手段の温度を所定の温度に維持するように前記電気エネルギー制御手段を介して前記発電手段から取り出す前記電気エネルギーの量を増減させる制御手段と、を備え、前記電気エネルギー制御手段は、前記発電手段から前記電気エネルギーの量に応じた出力電流を取り出す手段を備え、前記電気エネルギーの量の制御に応じて該出力電流の電流値を制御する出力電流制御手段を有し、前記制御手段は、前記出力電流の電流値を検出し、該出力電流の電流値が、前記発電手段が特定の発電特性を示す範囲内であるか否かを判定する電流値判定手段を備え、前記制御手段は、前記温度計測手段で計測された前記化学反応手段の温度が前記所定の温度よりも低い場合には、予め設定された最低電流値と前記出力電流の電流値を比較し、前記温度計測手段で計測された前記化学反応手段の温度が前記所定の温度よりも高い場合には、予め設定された最大電流値と前記出力電流の電流値を比較することを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の電源システムにおいて、前記所定の温度は化学反応手段における前記改質ガスの生成に適した温度であり、前記制御手段は、前記温度計測手段により計測される前記化学反応手段の温度と前記所定の温度とを比較する温度比較手段を備え、該温度比較手段による比較結果に基づいて前記電気エネルギー制御手段を介して、前記発電手段から取り出す前記電気エネルギーの量を増減させることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１記載の電源システムにおいて、前記電源システムは、前記発電手段から取り出された前記電気エネルギーを変換して所定の電圧値及び電流値を有する負荷駆動電力を生成し、該負荷駆動電力を負荷に供給する電圧変換手段を備えることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の電源システムにおいて、前記電源システムは、前記発電手段から取り出された前記電気エネルギーを蓄積する蓄電手段を備え、前記電圧変換手段は、当該蓄電手段に蓄積された前記電気エネルギーを変換して前記負荷駆動電力を生成し、該負荷駆動電力を前記負荷に供給することを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項３記載の電源システムにおいて、前記制御手段は、電圧変換手段を介して前記発電手段から前記電気エネルギーが取り出される際の該発電手段の出力電圧の電圧値を検出し、該出力電圧の電圧値が、当該発電手段が特定の発電特性を示す範囲内であるか否かを判定する電圧値判定手段を備えることを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項１記載の電源システムにおいて、前記加熱手段は、前記オフガス中に含まれる、前記発電手段において前記電気エネルギーの生成に用いられずに残留する水素を用いた燃焼反応により前記熱エネルギーを生成することを特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項１記載の電源システムにおいて、前記温度計測手段は、熱エネルギーを生成して前記化学反応手段を加熱する電気ヒータを兼ねることを特徴とする。
請求項８記載の発明は、請求項１記載の電源システムにおいて、前記化学反応手段は、少なくとも、前記発電用燃料を気化する燃料気化器と、前記気化された前記発電用燃料を用いた触媒反応により水素を生成する燃料改質器と、を備え、前記加熱手段は、少なくとも前記燃料改質器に前記熱エネルギーを供給することを特徴とする。
請求項９記載の発明は、請求項１記載の電源システムにおいて、前記発電手段は、前記改質ガスに含まれる水素を用いた電気化学反応により前記電気エネルギーを生成することを特徴とする。
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の電源システムにおいて、前記発電手段は、固体高分子型の燃料電池であることを特徴とする。
請求項１１記載の発明は、組成中に水素原子を含む発電用燃料が供給され、該発電用燃料を所定の化学反応により改質して、水素を含む改質ガスを生成する化学反応手段と、前記改質ガスに含まれる水素を用いて電気エネルギーを生成する発電手段と、前記発電手段から排出されるオフガスを用いて熱エネルギーを生成し、少なくとも前記化学反応手段に供給する加熱手段と、を備える電源システムの制御装置であって、前記化学反応手段の温度を計測する温度計測手段と、前記発電手段から取り出される前記電気エネルギーの量を制御する電気エネルギー制御手段と、前記温度計測手段により計測される前記化学反応手段の温度と当該化学反応手段における前記改質ガスの生成に適した所定の温度とを比較する温度比較手段と、前記温度比較手段における比較結果に基づいて、前記化学反応手段の温度を前記所定の温度に維持するように、前記電気エネルギー制御手段を介して前記電気エネルギーの量を増減させる制御手段と、を備え、前記電気エネルギー制御手段は、前記発電手段から前記電気エネルギーに応じた出力電流を取り出す手段を備え、前記電気エネルギーの量の制御に応じて該出力電流の電流値を制御する出力電流制御手段を有し、前記制御手段は、前記出力電流の電流値を検出し、該出力電流の電流値が、前記発電手段が特定の発電特性を示す範囲内であるか否かを判定する電流値判定手段を備え、前記制御手段は、前記温度計測手段で計測された前記化学反応手段の温度が前記所定の温度よりも低い場合には、予め設定された最低電流値と前記出力電流の電流値を比較し、前記温度計測手段で計測された前記化学反応手段の温度が前記所定の温度よりも高い場合には、予め設定された最大電流値と前記出力電流の電流値を比較することを特徴とする。
請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の電源システムの制御装置において、前記電源システムは、前記発電手段から取り出された前記電気エネルギーを変換して所定の電圧値及び電流値を有する負荷駆動電力を生成し、該負荷駆動電力を負荷に供給する電圧変換手段を備え、前記制御手段は、前記電圧変換手段を介して前記発電手段から前記電気エネルギーが取り出される際の該発電手段の出力電圧の電圧値を検出し、該出力電圧の値が、当該発電手段が特定の発電特性を示す範囲内であるか否かを判定する電圧値判定手段を備えることを特徴とする。
請求項１３記載の発明は、組成中に水素原子を含む発電用燃料が供給され、該発電用燃料を所定の化学反応により改質して、水素を含む改質ガスを生成する化学反応手段と、前記改質ガスに含まれる水素を用いて電気エネルギーを生成する発電手段と、前記発電手段から排出されるオフガスを用いて熱エネルギーを生成し、少なくとも前記化学反応手段に供給する加熱手段と、を備える電源システムの制御方法において、前記化学反応手段の温度を計測する温度計測ステップと、前記計測された前記化学反応手段の温度に応じて、該化学反応手段の温度を、該化学反応手段における前記改質ガスの生成に適した所定の温度に維持するように、前記発電手段から取り出される前記電気エネルギーの量を制御する電気エネルギー制御ステップと、を含み、前記電気エネルギー制御ステップは、前記計測された前記化学反応手段の温度と前記所定の温度とを比較する温度比較ステップと、前記温度比較ステップにおける比較結果に基づいて、前記電気エネルギーの量を増減させるステップと、をさらに含み、前記電気エネルギーの量を増減させるステップは、さらに、前記発電手段から前記電気エネルギーに応じた出力電流を取り出すステップと、前記出力電流の電流値が、前記発電手段が特定の発電特性を示す範囲内であるか否かを判定する電流値判定ステップと、を含み、前記電流値判定ステップは、前記温度計測ステップで計測された前記化学反応手段の温度が前記所定の温度よりも低い場合には、予め設定された最低電流値と前記出力電流の電流値を比較し、前記温度計測ステップで計測された前記化学反応手段の温度が前記所定の温度よりも高い場合には、予め設定された最大電流値と前記出力電流の電流値を比較するステップを含むことを特徴とする。
請求項１４記載の発明は、請求項１３記載の電源システムの制御方法において、前記電気エネルギーの量を増減させるステップは、更に、前記発電手段から前記電気エネルギーが取り出される際の該発電手段の出力電圧の電圧値を検出するステップと、前記出力電圧の電圧値が、前記発電手段が特定の発電特性を示す範囲内であるか否かを判定する電圧値判定ステップと、を含むことを特徴とする。
本発明に係る電源システム、電源システムの制御装置及び電源システムの制御方法においては、発電用燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する化学反応手段（燃料改質部）における温度が予め設定した温度条件（設定温度）に一致しない場合には、発電手段（発電セル部）から取り出す電気エネルギーの量を増減させる制御を行い、当該発電手段において電気エネルギーの生成のために利用される水素の量（水素利用率）を調整するように制御する。これにより、発電手段から排出されるオフガス中に含まれる水素の量を相対的に増減させるように制御することができるので、加熱手段（オフガス触媒燃焼器）により生成される熱エネルギーの量を変化させて、化学反応手段の温度を調整することができる。
したがって、発電手段から加熱手段に供給されるオフガス中に含まれる水素量を、当該加熱手段における熱エネルギーの生成に必要な量、すなわち、化学反応手段の設定温度に制御するために必要な熱エネルギー分だけの量に制御することができるので、加熱手段においてオフガス中の水素が全部消費されることになり、化学反応手段において生成された水素が無駄に消費されることがなく、電源システムの発電効率を向上させることができる。
また、本発明に係る電源システム、電源システムの制御装置及び電源システムの制御方法においては、発電手段から取り出される電気エネルギーの量を制御することにより、発電手段における水素利用率を調整して、結果的に、加熱手段に供給されるオフガス中の水素量を制御するように構成されているので、加熱手段へのオフガスの供給量を制御するバルブや流量計等を設ける必要がなく、また、加熱手段に供給されたオフガス中の水素は全て熱エネルギーを生成するために消費されるので、当該加熱手段から排出されるガス（排出ガス）に水素がほとんど含まれておらず、当該排出ガスを処理するための構成（例えば燃焼器等）を設ける必要がない。したがって、電源システムの小型化や構成の簡素化、製品コストの低減を図ることができる。
以下、本発明に係る電源システム、電源システムの制御装置及び電源システムの制御方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
＜電源システム＞
まず、本発明に係る電源システム及びその制御装置の構成について説明する。
図１は、本発明に係る電源システム及びその制御装置の一実施形態を示す概略構成図である。なお、ここでは、発電用燃料としてメタノールを使用する場合について説明する。
図１に示すように、第１の実施形態に係る電源システムは、大別して、発電用燃料であるメタノールＣＨ３ＯＨと水Ｈ２Ｏの混合液体（メタノール水溶液）を封入した燃料タンク２００と、当該メタノールＣＨ３ＯＨ、水Ｈ２Ｏ及び大気中の酸素Ｏ２を用いた一連の化学反応（詳しくは後述する）により水素Ｈ２を生成する燃料改質部（化学反応手段）１００と、該燃料改質部１００から供給される水素Ｈ２及び大気中に含まれる酸素Ｏ２を用いた電気化学反応により電気エネルギーを生成して出力する燃料電池からなる発電セル部（燃料電池；発電手段）１５０と、当該発電セル部１５０により生成され出力される（取り出される）電気エネルギーに応じた出力電流の電流値を、後述するシステム制御部１７０からの制御信号（電流制御値）に基づいて制御する出力電流制御部（電気エネルギー制御手段、電流制御手段）１６０と、当該発電セル部１５０から出力される電気エネルギーを所望の電圧値に変換するとともに、当該電気エネルギーの二次電池１９０への蓄積（蓄電）、又は、負荷への出力を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換手段）１８０と、発電セル部１５０から出力される電気エネルギーを蓄積する蓄電池等の二次電池（蓄電手段）１９０と、上記各構成における動作を制御して、電源システムの駆動状態（主に、燃料改質部１００における化学反応（改質反応）の進行状態や発電セル部１５０における発電動作）を制御するシステム制御部（制御手段）１７０と、を備えた構成を有している。
以下、各構成について詳細に説明する。
（燃料改質部）
燃料改質部１００は、図１に示すように、具体的には、燃料タンク２００から供給されるメタノール水溶液を加熱して気化（蒸発）させてメタノールガスと水蒸気からなる燃料ガスを生成する発電燃料気化器１１０と、当該燃料ガスを用いた触媒反応（水蒸気改質反応）により水素Ｈ２を含む改質ガスを生成する燃料改質器１２０と、燃料改質器１２０における触媒反応において水素ガスの生成の際に副生成物として生成される一酸化炭素ＣＯ、酸素Ｏ２を用いた触媒反応（選択酸化反応）により一酸化炭素ＣＯを除去して二酸化炭素ＣＯ２を生成するＣＯ除去器１３０と、電源システムの定常状態において、発電セル部１５０に供給された水素ガスＨ２のうち、当該発電セル部１５０における電気化学反応に用いられなかった未反応の水素ガスＨ２を含むオフガスと大気中の酸素Ｏ２を用いた触媒燃焼反応により、少なくとも上記発電燃料気化器１１０、燃料改質器１２０及びＣＯ除去器１３０における各化学反応を促進又は維持するための熱エネルギーを生成するオフガス触媒燃焼器（加熱手段）１４０と、電源システムの起動時に二次電池１９０に蓄積された電気エネルギーを用いて、少なくとも上記発電燃料気化器１１０、燃料改質器１２０及びＣＯ除去器１３０における各化学反応を促進又は維持するための熱エネルギーを生成するとともに、発電燃料気化器１１０、燃料改質器１２０及びＣＯ除去器１３０における温度状態を計測（検出）する電気ヒータ兼温度計（温度計測手段）ＨＳ１、ＨＳ２、ＨＳ３と、を備えて構成されている。
また、燃料タンク２００と発電燃料気化器１１０間の燃料供給経路には、燃料タンク２００からメタノール水溶液を送出（吐出）するための流体ポンプＰＮ１と、該流体ポンプＰＮ１の駆動状態を制御する制御ドライバＤＲ１と、発電燃料気化器１１０へのメタノール水溶液の供給量を設定するための流体バルブＶＬ１と、当該供給量を検出するための流量計ＦＬ１と、が設けられている。
さらに、ＣＯ除去器１３０、オフガス触媒燃焼器１４０及び発電セル部１５０における各種の化学反応（触媒反応、電気化学反応等）においては、酸素を必要とするため、大気中の空気を取り込んで送出する空気ポンプＰＮ２と、該空気ポンプＰＮ２の駆動状態を制御する制御ドライバＤＲ２と、ＣＯ除去器１３０、オフガス触媒燃焼器１４０及び発電セル部１５０の各々への酸素の供給量を設定するための流体バルブＶＬ２、ＶＬ３及びＶＬ４と、当該供給量を測定するための流量計ＦＬ２、ＦＬ３及びＦＬ４と、が設けられている。
ここで、各制御ドライバＤＲ１及びＤＲ２は、システム制御部１７０からの指令（制御信号ＣＤ）に基づいて、各ポンプＰＮ１及びＰＮ２における駆動状態を制御する。また、流量計ＦＬ１〜ＦＬ４は、各構成に供給されるメタノール水溶液及び空気の流量データＦＯをシステム制御部１７０に出力する。
また、発電燃料気化器１１０、燃料改質器１２０及びＣＯ除去器１３０に隣接（密着）して設けられた各電気ヒータ兼温度計ＨＳ１〜ＨＳ３には、電源システムの起動時に発電燃料気化器１１０、燃料改質器１２０及びＣＯ除去器１３０における各化学反応を促進するために適した熱エネルギーを生成するとともに、当該熱エネルギーにより実現される発電燃料気化器１１０、燃料改質器１２０及びＣＯ除去器１３０の温度を測定する制御を行うための制御ドライバＤＲ３、ＤＲ４及びＤＲ５が個別に設けられている。各制御ドライバＤＲ３〜ＤＲ５は、システム制御部１７０からの指令（制御信号ＣＤ）に基づいて、各電気ヒータ兼温度計ＨＳ１〜ＨＳ３により検出される温度を監視しながら放出する熱エネルギーを調整する。
なお、上述した構成を有する電源システムにおいて、本実施形態に係る燃料改質部１００は、上記オフガス触媒燃焼器１４０、燃料改質器１２０、ＣＯ除去器１３０及び発電燃料気化器１１０の各々を、例えば、半導体デバイス製造技術を適用して、絶縁性の基板に微細な溝を形成したり、薄い金属板による複数の隔壁を設けたりして反応流路を形成し、当該流路内壁に所定の触媒を塗布形成して微小な化学反応器（マイクロリアクタ）として構成することができる。また、電気ヒータ兼温度計ＨＳ１〜ＨＳ３は、薄膜抵抗材料を上記各構成に密着させたものを適用することができる。
さらに、上記各化学反応器と薄膜抵抗とを順次積層した構成、すなわち、図１に示すように、電気ヒータ兼温度計ＨＳ１及び発電燃料気化器１１０を積層した第１のユニットと、オフガス触媒燃焼器１４０、電気ヒータ兼温度計ＨＳ２及び燃料改質器１２０を順次積層した第２のユニットと、電気ヒータ兼温度計ＨＳ３及びＣＯ除去器１３０を積層した第３のユニットと、を適当な順序で積層し（図１においては、第１、第３、第２のユニットの順序で積層した構成を示す）、これらの各ユニット相互をパイプ等の流路により接続した構成が、真空断熱容器中に封止された構成を適用することもできる。
ここで、発電燃料気化器１１０の排出口は燃料改質器１２０の供給口に接続され、燃料改質器１２０の排出口はＣＯ除去器１３０の供給口に接続され、ＣＯ除去器１３０の排出口は発電セル部１５０に接続されるように流路が形成されている。
なお、本実施形態においては、燃料タンク２００に封入されたメタノール及び水の混合液体（メタノール水溶液）を発電燃料気化器１１０に供給する構成を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、メタノール及び水を各々別個のタンク（すなわち、メタノールタンク及び水タンク）に封入し、これらのタンクから別個に設けられたポンプ、制御ドライバ、流体バルブ及び流量計（すなわち、別個の供給系）を用いて発電燃料気化器１１０にメタノール及び水を供給するようにしてもよい。
ここで、燃料改質部１００（発電燃料気化器１１０、燃料改質器１２０及びＣＯ除去器１３０）における水素ガスを生成するための一連の化学反応（加熱気化処理、水蒸気改質反応、選択酸化反応）について、具体的に説明する。
まず、発電燃料気化器１１０における蒸発過程において、電源システムの起動時には電気ヒータ兼温度計ＨＳ１を制御して、また、電源システム（発電セル部１５０）における発電動作が安定化した定常状態では、オフガス触媒燃焼器１４０におけるオフガスの触媒燃焼反応を制御して、発電燃料気化器１１０の温度条件をメタノールＣＨ３ＯＨ及び水Ｈ２Ｏの混合液体（メタノール水溶液）の沸点以上（例えば、概ね１２０℃程度）に設定することにより、当該混合液体を加熱して気化させ、燃料ガスを生成する。
次いで、燃料改質器１２０における水蒸気改質反応過程においては、上述した蒸発過程と同様に、電気ヒータ兼温度計ＨＳ２又はオフガス触媒燃焼器１４０から供給される熱エネルギーにより、２５０℃〜４００℃、好ましくは２７０℃〜３００℃程度の温度条件に設定することにより、次の化学反応式（１）に示すように、上記燃料ガスから水素Ｈ２を含む改質ガスを生成する。なお、この水蒸気改質反応においては、図７（ａ）に示したように、水素Ｈ２以外に副生成物として二酸化炭素ＣＯ２及び微量の一酸化炭素ＣＯが生成される。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ
→ ３Ｈ２＋ＣＯ２ ・・・（１）
このような有害な副生成物を除去するため、ＣＯ除去器１３０におけるＣＯ除去過程において、上述した蒸発過程と同様に、電気ヒータ兼温度計ＨＳ３又はオフガス触媒燃焼器１４０から供給される熱エネルギーにより、１２０℃〜２００℃、好ましくは１４０℃〜１８０℃程度の温度条件に設定することにより、図７（ｂ）に示したように、次の化学反応式（２）に示すように、一酸化炭素ＣＯに対して、大気中の酸素Ｏ２を反応させて、二酸化炭素ＣＯ２を生成する選択酸化反応が実行される。
ＣＯ＋（１／２）Ｏ２ →ＣＯ２ ・・・（２）
これにより、燃料タンク２００から供給されるメタノールＣＨ３ＯＨ（発電用燃料）と水Ｈ２Ｏの混合液体（メタノール水溶液）が、燃料改質部１００により改質されて高純度（高濃度、７０〜７５％）の水素ガスＨ２が生成される。
（発電セル部）
図２は、本実施形態に係る電源システムに適用される発電セル部（燃料電池本体）の一例を示す概略構成図である。ここでは、発電セル部を構成する燃料電池の一例として、周知の固体高分子型の燃料電池を適用した場合について説明する。
発電セル部（燃料電池本体）１５０は、図２に示すように、例えば白金や白金・ルテニウム等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなるアノード極（陽極）ＥＬａと、白金等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなるカソード極（陰極）ＥＬｃと、アノード極ＥＬａとカソード極ＥＬｃの間に介挿されたフィルム状の電解質膜（イオン交換膜）ＬＹｉと、を有し、アノード極ＥＬａ側には、上述した燃料改質部１００により発電用燃料（メタノールＣＨ３ＯＨ）を改質して得られた高純度（高濃度）の水素ガスＨ２が供給され、一方、カソード極ＥＬｃ側には、上述した空気ポンプＰＮ２により取り込まれ、流体バルブＶＬ４及び流量計ＦＬ４を介して、所定の流量で大気中の酸素Ｏ２が常時供給されるように構成されている。
ここで、本実施形態に係る発電セル部１５０においては、燃料タンク２００から取り出されたメタノール水溶液を気化してなる燃料ガスが燃料改質器１２０に供給されて改質され、ＣＯ除去器１３０により一酸化炭素ＣＯを除去して得られた高濃度の水素ガスＨ２のみがアノード極ＥＬａに供給される。
そして、このような構成を有する発電セル部１５０における発電動作に係る電気化学反応は、アノード極ＥＬａに水素ガスＨ２が供給されると、次の化学反応式（３）に示すように、触媒反応により電子ｅ−が分離して水素イオンＨ＋が発生し、電解質膜ＬＹｉを介してカソード極ＥＬｃ側に通過するとともに、アノード極ＥＬａを構成する炭素電極により電子ｅ−が取り出されて負荷ＬＤに供給される。
Ｈ２ → ２Ｈ＋＋２ｅ− ・・・（３）
一方、カソード極ＥＬｃに空気中の酸素Ｏ２が供給されることにより、次の化学反応式（４）に示すように、触媒により負荷ＬＤを経由した電子ｅ−と電解質膜ＬＹｉを通過した水素イオンＨ＋と酸素Ｏ２が反応して、副生成物として水Ｈ２Ｏが生成される。
２Ｈ＋＋（１／２）Ｏ２＋２ｅ− → Ｈ２Ｏ ・・・（４）
ここで、化学反応式（３）及び（４）に示した一連の電気化学反応は、概ね６０〜８０℃の比較的低温の温度条件で進行する。このような電気化学反応によりアノード極ＥＬａに供給される水素Ｈ２が反応して消費され、電気エネルギーに変換されるが、供給された水素Ｈ２のうちの消費される割合（水素利用率）は、発電セル部１５０から取り出される電気エネルギーの量に依存し、消費されず未反応のまま残留した水素Ｈ２はオフガスとして排出される。ここで、発電セル部１５０から電気エネルギーを取り出す場合に、発電セル部１５０における上記電気化学反応が適正に行われ、発電セルを傷めたり劣化させたりしないようにする為に、水素利用率の値には適正な範囲がある。後述するように、水素利用率は、通常、７５％〜９５％の範囲に設定される。これに応じて、発電セル部１５０から電気エネルギーに応じた電流を取り出す場合には、電流値は、後述ずる所定の最小電流値から最大電流値までの範囲内に制限され、発電セル部１５０から取り出される電力としては、後述する所定の最低電力値以上の範囲に制限され、発電セル部１５０の出力電圧は、後述ずる最低電圧値以上の範囲に設定され、これらの範囲を超えると、発電セル部１５０における電気エネルギーの生成動作が不安定となる。
なお、上述した発電セル部１５０から排出されるオフガスは、上述したように、上記燃料改質部１００のオフガス触媒燃焼器１４０に供給されて、触媒燃焼反応により熱エネルギーに変換されて、燃料改質器１２０、ＣＯ除去器１３０及び発電燃料気化器１１０における温度状態（各化学反応に適した一定温度）を維持するために利用される。
（出力電流制御部）
図３は、本実施形態に係る電源システムに適用される出力電流制御部の一例を示す概略回路構成図である。
出力電流制御部１６０は、発電セル部１５０の電気エネルギー出力部に設けられ、例えば図３に示すように、発電セル部１５０に接続される入力側接点ＩＮとＤＣ／ＤＣコンバータ１８０を介して電子機器等の負荷に接続される出力側接点ＯＵＴ間に、電流路が接続されたｐチャネル型のトランジスタ（電界効果型トランジスタ）Ｔｒ１と、上記入力側接点ＩＮと接地電位ＧＮＤ間に、各々の電流路が直列に接続されたｐチャネル型のトランジスタＴｒ２、Ｔｒ３及び抵抗素子Ｒと、一方の入力端子に上記出力側接点ＯＵＴが接続され、他方の入力端子にトランジスタＴｒ２とＴｒ３の接続接点（接点Ｎ１）が接続され、出力端子がトランジスタＴｒ３のゲート端子に接続されたコンパレータ（アンプ）ＡＰ１と、上記システム制御部１７０から出力されるデジタル信号からなる制御信号（電流制御値）をデジタル−アナログ変換して設定電圧Ｖsetを生成するＤ／ＡコンバータＤＡＣと、一方の入力端子に薄膜トランジスタＴｒ３と抵抗素子Ｒの接続接点（接点Ｎ２）が接続され、他方の入力端子にＤ／ＡコンバータＤＡＣから出力される設定電圧Ｖsetが印加され、出力端子（接点Ｎ３）がトランジスタＴｒ１及びＴｒ２のゲート端子に接続されたコンパレータＡＰ２と、を備えて構成されている。
このような回路構成を有する出力電流制御部１６０においては、コンパレータＡＰ１及びトランジスタＴｒ３により、出力側接点ＯＵＴに流れる出力電流（すなわち、発電セル部１５０から取り出される電気エネルギーに応じた電流値）Ｉoutに対して、例えば１／1000の電流（Ｉout／1000）が抵抗素子Ｒを介して接地電位ＧＮＤに流れるように設定され、当該電流が抵抗素子Ｒに流れることにより生じる接点Ｎ２の電位がコンパレータＡＰ２の一方の入力端子に印加され、また、コンパレータＡＰ２の他方の入力端子にはシステム制御部１７０から出力されるデジタル信号からなる制御信号（電流制御値）に基づいてＤ／ＡコンバータＤＡＣにより生成された設定電圧（アナログ電圧）Ｖsetが印加される。
これにより、コンパレータＡＰ２は、接点Ｎ２の電位と設定電圧Ｖsetとを比較して得られる出力電位（接点Ｎ３の電位）によりトランジスタＴｒ１及びＴｒ２の導通状態（オン、オフ）を制御する。したがって、発電セル部１５０から取り出される電気エネルギーに応じた電流値（出力電流Ｉout）は、システム制御部１７０から出力されるデジタル信号からなる制御信号（電流制御値）に基づいて段階的に制御（ステップ制御）される。すなわち、トランジスタＴｒ１は発電セル部１５０に対する負荷として働くものであり、コンパレータＡＰ２の出力に応じて発電セル部１５０に対する負荷の大きさが制御され、出力電流制御部１６０は発電セル部１５０に対する所謂電子負荷として働くものである。
ここで、本実施形態に係る出力電流制御部１６０においては、出力電流Ｉoutが上記制御信号（電流制御値）に基づいて設定される電流値（設定電流）Ｉlimを超過した場合には、当該出力電流Ｉoutが設定電流Ｉlimと同一の電流値（Ｉout＝Ｉlim）になるように制御され、出力電流Ｉoutの電流値が設定電流Ｉlimを超えないように制御される。なお、抵抗素子Ｒの抵抗値が１ｋΩである場合、設定電流Ｉlimと制御信号に基づいて生成される設定電圧Ｖsetとの関係は、次式のように表わされる。
Ｉlim／1000＝Ｖset／Ｒ → Ｉlim（＝Ｉout）＝1000×Ｖset／Ｒ
なお、本発明に係る電源システムの発電セル部１５０の出力部に設けられる出力電流制御部１６０は、図３に示した回路構成に限定されるものではなく、出力電流Ｉoutの電流値をシステム制御部１７０からの制御信号に基づいて制御する同等の機能を有するものであれば他の回路構成を有するものであってもよいことはいうまでもない。また、図１においては、出力電流制御部１６０を独立した構成として示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ１８０等と一体的に構成されているものであってもよく、この場合においては、システム制御部１７０から出力される制御信号（電流制御値）は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ１８０を介して出力電流制御部１６０のＤ／ＡコンバータＤＡＣに入力される。
（ＤＣ／ＤＣコンバータ・二次電池）
ＤＣ／ＤＣコンバータ１８０は、電源システムの定常運転時には、発電セル部１５０から取り出される電気エネルギーを変換して、所定の電圧値及び電流値を有する負荷駆動電力を生成して電子機器等の負荷に供給し、制御駆動電力を生成してシステム制御部１７０や各ドライバＤＲ１〜ＤＲ５等に出力するとともに、変換した電圧により二次電池１９０を充電して、二次電池１９０に電気エネルギーを蓄積する。また、電源システムの起動時や一時的な過負荷時等には、二次電池１９０に蓄積された電気エネルギーを用いて負荷駆動電力を生成して電子機器等の負荷に供給し、制御駆動電力を生成してシステム制御部１７０や各ドライバＤＲ１〜ＤＲ５等に出力する。なお、二次電池１９０は、周知の各種蓄電池を適用するものであってもよいし、薄型かつ小型軽量化が可能で、充放電特性に優れた電気二重層コンデンサ等を適用するものであってもよい。
（システム制御部）
システム制御部１７０は、例えば、図示を省略したＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器およびＤ／Ａ変換器等を備え、上述した各構成の動作を制御する。
具体的には、電源システムの使用者等による起動操作等に基づいて、燃料タンク２００から流体ポンプＰＮ１及び流体バルブＶＬ１、流量計ＦＬ１を介して、所定量のメタノール水溶液を所定のタイミングで発電燃料気化器１１０に供給するとともに、発電燃料気化器１１０を所定の温度状態に設定することにより、メタノール水溶液を蒸発させて燃料ガスを生成する上記蒸発過程（燃料気化動作）の動作状態を制御する。
また、システム制御部１７０は、燃料改質器１２０を所定の温度状態に設定することにより、発電燃料気化器１１０により生成された燃料ガス（メタノールＣＨ３ＯＨ及び水Ｈ２Ｏ）を改質して水素Ｈ２を含む改質ガスを生成する上記水蒸気改質反応過程（燃料改質動作）の動作状態を制御する。
また、システム制御部１７０は、空気ポンプＰＮ２及び流体バルブＶＬ２、流量計ＦＬ２を介して、所定量の酸素Ｏ２を所定のタイミングでＣＯ除去器１３０に供給するとともに、ＣＯ除去器１３０を所定の温度状態に設定することにより、燃料改質器１２０により生成された改質ガス改質ガス中の一酸化炭素ＣＯを除去して高濃度の水素ガスＨ２を生成する上記選択酸化反応からなるＣＯ除去過程（ＣＯ除去動作）の動作状態を制御する。
また、システム制御部１７０は、ＣＯ除去器１３０を介して生成された高濃度の水素ガスがアノード極ＥＬａ側に直接供給される発電セル部１５０に対して、空気ポンプＰＮ２、流体バルブＶＬ４、流量計ＦＬ４を介して、所定量の酸素Ｏ２を所定のタイミングでカソード極ＥＬｃ側に供給することにより、上述した化学反応式（４）及び（５）に示した一連の電気化学反応に基づいて所定の電気エネルギーを生成する発電動作の動作状態を制御する。
ここで、発電燃料気化器１１０における蒸発過程、燃料改質器１２０における水蒸気改質反応過程、及び、ＣＯ除去器１３０におけるＣＯ除去過程は、電源システムの起動時においては、各電気ヒータ兼温度計ＨＳ１、ＨＳ２及びＨＳ３に電力を供給することにより放出される熱エネルギーにより所定の温度状態が実現され、また、電源システムの定常状態においては、電気ヒータ兼温度計ＨＳ１、ＨＳ２及びＨＳ３を用いることなく、発電セル部１５０における電気化学反応において未反応で残留した水素ガスを含むオフガスをオフガス触媒燃焼器１４０に供給するとともに、空気ポンプＰＮ２及び流体バルブＶＬ３、流量計ＦＬ３を介して、所定量の酸素Ｏ２を所定のタイミングでオフガス触媒燃焼器１４０に供給することにより、当該オフガス触媒燃焼器１４０における触媒燃焼反応により生成される熱エネルギーにより所定の温度状態が実現される。
上述したような燃料改質部１００及び発電セル部１５０における各動作制御は、システム制御部１７０において、例えばＣＰＵがＲＯＭ等に格納された各種制御プログラムを実行することにより、各流量計ＦＬ１〜ＦＬ４の各流量データ（供給量データ）ＦＯや電気ヒータ兼温度計ＨＳ１〜ＨＳ３により計測された各温度データ（厳密には、各制御ドライバＤＲ３〜ＤＲ５を介して取り込まれるデータ信号）、及び、発電セル部１５０から取り出される電気エネルギーに応じた電流値（出力電流値）等をＡ／Ｄ変換して取り込み、各データ（計測値）に基づいて、Ｄ／Ａ変換された、流体バルブＶＬ１〜ＶＬ４を駆動するバルブ駆動信号ＶＤ、ポンプＰＮ１、ＰＮ２及び電気ヒータ兼温度計ＨＳ１〜ＨＳ３を駆動するドライバＤＲ１〜ＤＲ５を制御するドライバ制御信号ＣＤ等を出力することにより実現される。
また、発電セル部１５０における電気化学反応により生成され取り出される電気エネルギーは、システム制御部１７０から出力電流制御部１６０に出力されるデジタル信号からなる制御信号（電流制御値）に基づいてその電流値が制御され、また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８０により所定の電圧値に変換される。電流値及び電圧値が設定された電気エネルギーは、二次電池１９０に一旦蓄積された後、又は、直接、図示を省略した負荷（電子機器等）に負荷駆動電力として供給されるとともに、システム制御部１７０及び上記各制御ドライバＤＲ１〜ＤＲ５に対して制御駆動電力として供給される。
また、本実施形態に係る電源システムにおけるシステム制御部１７０においては、特に、電源システムの定常状態における燃料改質部１００の各構成（発電燃料気化器１１０、燃料改質器１２０及びＣＯ除去器１３０）の温度状態を一定に維持するために、オフガス触媒燃焼器１４０に供給するオフガス量をバルブ等を用いて制御するのではなく、発電セル部１５０における発電動作により生成される電気エネルギーに応じた電流値を、システム制御部から出力される制御信号（電流制御値）に基づいて上述した出力電流制御部１６０により制御して、オフガス中の水素量を調整することにより行う。
これは、発電セル部１５０を構成する燃料電池において消費される（電気化学反応に利用される）水素の量（水素利用率）は、一般に、当該電気化学反応により生成され取り出される電気エネルギーに応じた出力電流の電流値によって一義的に決まるため、発電セル部１５０より取り出される電気エネルギーに応じた出力電流の電流値を制御することにより、発電セル部１５０における水素利用率が決定され、これに基づいて、オフガス触媒燃焼器１４０に供給されるオフガス中の水素量が調整されるので、触媒燃焼反応により生成される熱エネルギー（熱量）を任意に制御することができ、燃料改質部１００の各構成の温度状態を一定に維持することができる。
これにより、発電セル部１５０から供給されるオフガス中の水素量が、オフガス触媒燃焼器１４０において必要な量（すなわち、燃料改質部１００における水素生成のための各化学反応に必要な熱エネルギーを生成する量）になるように調整されるので、オフガス中の水素がオフガス触媒燃焼器１４０における触媒燃焼反応で全て消費される。
＜電源システムの制御方法＞
次に、上述した構成を有する電源システムにおける制御方法について、具体的に説明する。
図４は、本実施形態に係る電源システムにおける制御方法の一例を示すフローチャートである。
本実施形態に係る電源システムにおいては、上述したシステム制御部（温度比較手段、電流値設定手段、電流値判定手段、電圧値判定手段）１７０により、燃料改質部１００の各構成（発電燃料気化器１１０、燃料改質器１２０、ＣＯ除去器１３０）における温度状態を電気ヒータ兼温度計ＨＳ１〜ＨＳ３によりモニタ（監視）し、水素生成のための各化学反応に適した一定の温度状態が維持されるように温度制御を実行する。そして、この燃料改質部１００の各構成における温度状態が何らかの原因（例えば、外部温度の変化や発電セル部１５０における出力特性の変化、オフガス触媒燃焼器１４０における触媒燃焼反応の特性劣化等）で変化したときに、発電セル部１５０から取り出される電気エネルギーに応じた出力電流の電流値を増減させてオフガス中の水素量を制御して温度状態を一定に維持する、以下に示すような一連の制御動作が実行される。なお、以下の説明においては、燃料改質部１００を構成する燃料改質器１２０について温度制御を実行する場合について詳しく説明するが、後述するように、他の構成（発電燃料気化器１１０、ＣＯ除去器１３０）を含めた場合であっても同等の制御方法を適用できることはいうまでもない。
本実施形態に係る電源システムにおける燃料改質部１００（燃料改質器１２０）の温度制御は、まず、当該燃料改質器１２０の温度状態を電気ヒータ兼温度計ＨＳ２により常時又は定期的、あるいは、任意のタイミングで計測（検出）してシステム制御部１７０に取り込む（Ｓ１１１；温度計測ステップ）。具体的には、システム制御部１７０から制御ドライバＤＲ４にドライバ制御信号ＣＤを送出して、電気ヒータ兼温度計ＨＳ２に微量の電流を流し、そのときの電圧値を制御ドライバＤＲ４を介して温度計測データとして取り込む。そして、当該温度計測データ（電圧値）に基づいてそのときの抵抗値を算出することにより、燃料改質器１２０の温度を得る。
次いで、燃料改質器１２０の温度（改質器温度）が予め設定した温度条件（設定温度）と一致する（同一）か否かを判定する（Ｓ１１２；温度比較ステップ）。改質器温度が設定温度と一致する場合には、上記ステップＳ１１１に戻って燃料改質器１２０の温度計測動作を継続する。一方、改質器温度が設定温度と異なる場合には、当該改質器温度が設定温度よりも高いか否かを判定する（Ｓ１１３）。
改質器温度が設定温度よりも低い場合には、温度を上げるために発電セル部１５０からの出力電流Ｉoutを減少させて、発電セル部１５０における水素利用率を下げてオフガス中の水素量を増加させるように制御し、改質器温度が設定温度よりも高い場合には、温度を下げるために発電セル部１５０からの出力電流Ｉoutを増加させて、発電セル部１５０における水素利用率を上げてオフガス中の水素量を減少させるように制御する。ここで、発電セル部１５０から取り出す出力電流Ｉoutの電流値は後述する最小電流値から最大電流値までの範囲内に制限される。そこで、ステップＳ１１３において改質器温度が設定温度よりも低いと判定された場合には、Ｓ１１４（電流値判定ステップ）において、発電セル部１５０からの出力電流Ｉoutの電流値が、予め設定した最小電流値（設定最小電流）以下か否かを判定する。一方、改質器温度が設定温度よりも高い場合には、Ｓ１２１（電流値判定ステップ）において、上記出力電流Ｉoutの電流値が予め設定した最大電流値以上か否かを判定する。
ステップＳ１１４において、発電セル部１５０からの出力電流Ｉoutの値が最小電流値（設定最小電流）以下の場合には、これ以下には出力電流Ｉoutの電流値を下げられないため、当該電流値が過小であると判定して、電源システムや当該電源システムが搭載された電子機器等に付設された報知手段（ディスプレイやスピーカ等）によりエラー情報を通知する（Ｓ１２０）。ここで、出力電流Ｉoutの電流値の過小の程度に応じて、エラー情報の報知後、上記ステップＳ１１１に戻って燃料改質器１２０の温度計測動作を継続するか、あるいは、電源システムをシャットダウン（停止動作）する。
一方、出力電流Ｉoutの電流値が最小電流値（設定最小電流）よりも大きい場合には、当該出力電流Ｉoutの電流値を１ステップ低いレベルに下げるように制御する（Ｓ１１５；電流値設定ステップ）。具体的には、システム制御部１７０から図３に示したような出力電流制御部１６０に出力される制御信号の電流制御値を、既定値から１ステップ低い値に変更することにより、発電セル部１５０からの出力電流Ｉoutの電流値を１ステップ低く設定する。
このように、改質器温度が設定温度よりも低い場合には、発電セル部１５０からの出力電流Ｉoutの電流値を減少させて発電セル部１５０における水素の消費量を低減（水素利用率を低下）させるように制御する。これにより、発電セル部１５０から排出されるオフガスに含まれる水素量を増加させることができるので、オフガス触媒燃焼器１４０から燃料改質器１２０に供給される熱エネルギーを増大させて改質器温度を上昇させることができる。
次に、発電セル部１５０から取り出される電力は、後述する最低電力値（設定最低電力）以上の範囲に制限され、電流値が１ステップ低く設定された発電セル部１５０の出力電圧を、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８０を介して電圧データとして読み込み発電電力を計算し（Ｓ１１６）、当該発電電力（計算値）が最低電力値以下か否かを判定する（Ｓ１１７；電圧値判定ステップ）。
ステップＳ１１７において、発電電力（計算値）が最低電力値（設定最低電力）よりも大きい場合には、上記ステップＳ１１１に戻って燃料改質器１２０の温度計測動作を継続する。一方、発電電力（計算値）が最低電力値（設定最低電力）以下の場合には、当該出力電力が過小であると判定（低電力判定）して、報知手段によりエラー情報を通知し（Ｓ１１８）、当該出力電流Ｉoutの電流値を１ステップ高いレベルに上げるように制御する（Ｓ１１９）。具体的には、システム制御部１７０から出力電流制御部１６０に出力される制御信号の電流制御値を、上記ステップＳ１１５において設定された値から１ステップ高い値に変更することにより、発電セル部１５０からの出力電流Ｉoutの電流値を１ステップ高く設定する（電流値を元に戻す）。その後、上記ステップＳ１１１に戻って燃料改質器１２０の温度計測動作を継続する。
また、上記ステップＳ１２１において、出力電流Ｉoutの電流値が最大電流値（設定最大電流）以上の場合には、これ以上は出力電流Ｉoutの電流値を上げられないため、当該電流値が過大であると判定して、報知手段（ディスプレイやスピーカ等）によりエラー情報を通知する（Ｓ１２７）。ここで、出力電流Ｉoutの電流値の過大の程度に応じて、エラー情報の報知後、上記ステップＳ１１１に戻って燃料改質器１２０の温度計測動作を継続するか、あるいは、電源システムをシャットダウン（停止動作）する。
一方、出力電流Ｉoutの電流値が最大電流値（設定最大電流）よりも小さい場合には、システム制御部１７０から出力電流制御部１６０に出力される制御信号の電流制御値を、既定値から１ステップ高い値に変更することにより、当該出力電流Ｉoutの電流値を１ステップ高いレベルに上げるように制御する（Ｓ１２２；電流値設定ステップ）。
このように、改質器温度が設定温度よりも高い場合には、発電セル部１５０からの出力電流Ｉoutの電流値を増加させて発電セル部１５０における水素の消費量を増加（水素利用率を上昇）させるように制御する。これにより、発電セル部１５０から排出されるオフガスに含まれる水素量を減少させることができるので、オフガス触媒燃焼器１４０から燃料改質器１２０に供給される熱エネルギーを低減させて改質器温度を降下させることができる。
次に、発電セル部１５０の出力電圧の値は、後述する最低電圧値（設定最低電圧）以上の範囲に制限され、電流値が１ステップ高く設定された発電セル部１５０の出力電圧を、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８０を介して電圧データとして読み込み（Ｓ１２３）、当該電圧値（読込値）が最低電圧値（設定最低電圧）より低いか否かを判定する（Ｓ１２４；電圧値判定ステップ）。
ステップＳ１２４において、電圧値（読込値）が最低電圧値（設定最低電圧）以上の場合には、上記ステップＳ１１１に戻って燃料改質器１２０の温度計測動作を継続する。一方、電圧値（読込値）が最低電圧値（設定最低電圧）よりも低い場合には、当該電圧値が過小であると判定（低電圧判定）して、報知手段によりエラー情報を通知し（Ｓ１２５）、システム制御部１７０から出力電流制御部１６０に出力される制御信号の電流制御値を、上記ステップＳ１２２において設定された値から１ステップ低い値に変更することにより、当該電気エネルギーに応じた電流値（出力電流Ｉout）を１ステップ低いレベルに下げるように制御する（Ｓ１２６）。その後、上記ステップＳ１１１に戻って燃料改質器１２０の温度計測動作を継続する。
なお、上述したステップＳ１２０及びＳ１２７において、エラー情報を報知した後、ステップＳ１１１に戻って温度計測動作を継続する場合にあっては、そのままでは改質器温度が適正な状態に迅速に変化することはないので、例えばオフガス触媒燃焼器１４０に供給する酸素量を調整する流体バルブＶＬ３や、燃料改質器１２０に供給する燃料ガス量を間接的に調整する流体バルブＶＬ１を制御することにより、燃料改質器１２０の温度状態を適正な状態に変化させた後、ステップＳ１１１の温度計測動作を継続するように制御するものであってもよい。
次に、本実施形態に係る電源システムに適用される発電セル部（燃料電池本体）における発電特性と上述した制御方法との関係について具体的に説明する。
図５は、本実施形態に係る電源システムに適用される発電セル部（燃料電池本体）の出力特性（発電特性）を示す図である。
上述した電源システムの制御方法（燃料改質部の温度制御）において、発電セル部（燃料電池本体）１５０から取り出される電気エネルギーの制御範囲には限度があり、通常、水素利用率が７５％〜９５％となる発電動作の範囲内で制御が行われる。
また、本実施形態に係る電源システムにおいては、上述したように、発電セル部１５０から出力される電気エネルギーはＤＣ／ＤＣコンバータ１８０に供給され、所定の一定電圧に変換された後、負荷駆動電力として負荷に供給されるように構成されている。
このような電源システムにおいては、図５に示すように、発電セル部１５０から取り出す電気エネルギーに応じた電流値（出力電流）を増加させると、発電セル部１５０の電圧値（出力電圧）は緩やかに低下する傾向を示す（測定電圧値の特性曲線参照）。また、上記電圧値に基づいて計算される電力値（発電電力）は、電流値（出力電流）を増加させると略線形的に増加する傾向を示し、発電セル部１５０の水素利用率が７５％〜９５％となる制御範囲（発電セル部１５０の通常制御範囲）内において最大値を有している（測定電力値の特性曲線参照）。
ここで、図４のフローチャート及び図５の出力特性図に示した、設定最小電流、設定最大電流、設定最低電力及び設定最低電圧は、発電セルの出力が急激に降下したり、又は発電セルを傷めたり劣化させない為に、発電セル部１５０が安定動作する範囲の限度に対応した設定値である。
このように、上述した電源システムの制御方法（一連の温度制御動作）は、発電セル部１５０の水素利用率が７５％〜９５％となる制御範囲（通常制御範囲）内であって、かつ、発電セルが安定動作する範囲において良好に実現される。
ここで、電源システムが正常に動作している場合には、上記範囲内で良好に動作するように設定されるが、発電セル部１５０の出力電圧や、これに基づいて計算される電力値（発電電力）が、上記設定最低電圧、設定最低電力を下回る現象が生じた場合には、電源システムに何らかの異常（故障）が発生したことを意味し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８０が正常に動作する範囲を逸脱して、電源システムにより駆動される負荷（電子機器等）の正常な動作が維持できなくなる。このような状態が発生した場合には、エラー情報を報知（表示等）した後、上述したように、燃料改質器１２０の温度状態を適正な状態に変化させた後、燃料改質器１２０の温度計測動作を継続するか、あるいは、電源システムをシャットダウン（停止動作）する。
以上説明したように、本実施形態に係る電源システムの制御方法においては、燃料改質器１２０の温度が設定温度よりも高い場合には、発電セル部１５０からの出力電流の電流値を増加させて発電セル部１５０における水素の消費量を増加させ、水素利用率を上昇させるように制御する。すなわち、温度の上昇に伴って燃料改質器１２０における改質反応が促進されて、発電セル部１５０及びオフガス触媒燃焼器１４０で消費される水素量よりも多くの水素が生成され、オフガス中の水素量が増加する現象が生じた場合には、発電セル部１５０における水素利用率を上昇させることにより、当該オフガス中の水素量を相対的に減少させてオフガス触媒燃焼器１４０により生成される熱エネルギーを低減させて、燃料改質器１２０の温度を低下させるように制御することができる。
一方、燃料改質器１２０の温度が設定温度よりも低い場合には、発電セル部１５０からの出力電流の電流値を減少させて発電セル部１５０における水素の消費量を低減させ水素利用率を低下させるように制御する。すなわち、温度の下降に伴って燃料改質器１２０における改質反応が抑制されて、発電セル部１５０及びオフガス触媒燃焼器１４０で消費される水素量よりも少ない水素が生成され、オフガス中の水素量が減少する現象が生じた場合には、発電セル部１５０における水素利用率を低下させることにより、当該オフガス中の水素量を相対的に増加させてオフガス触媒燃焼器１４０により生成される熱エネルギーを増大させ、燃料改質器１２０の温度を上昇させるように制御することができる。
このように、燃料改質部１００（燃料改質器１２０）の温度に応じて発電セル部１５０における水素利用率を適宜調整することにより、当該発電セル部１５０からオフガス触媒燃焼器１４０に供給されるオフガス中に含まれる水素量を相対的に増減させて、オフガス触媒燃焼器１４０における熱エネルギーの生成に必要な量だけに制御して、オフガス中の水素が全部消費されるようにすることができるので、電源システムの発電効率を向上させることができる。特に、本発明に係る電源システムの制御方法においては、電気エネルギーを生成する発電セル部（燃料電池本体）１５０及び負荷に負荷駆動電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ１８０が良好に動作する範囲内で燃料改質部１００の温度制御を実行することができるので、電源システム全体の駆動状態を最適化して発電効率の一層の向上を図ることができる。
また、本実施形態に係る電源システムにおいては、上述したような発電セル部１５０における発電動作（すなわち、水素利用率）、及び、オフガス触媒燃焼器１４０に供給されるオフガス中の水素量を、燃料改質部１００（燃料改質器１２０）から直接供給される水素量により制御するように構成されているので、従来技術に示したようなオフガス触媒燃焼器１４０へのオフガスの供給量を制御するバルブや流量計等を設ける必要がない。また、オフガス触媒燃焼器１４０から排出されるガス（排出ガス）に水素がほとんど含まれていないので、従来技術に示したような残留ガス燃焼器を設ける必要がない。したがって、電源システムの小型化や構成の簡素化、製品コストの低減を図ることができる。
なお、上述した電源システムの制御方法においては、燃料改質部１００を構成する燃料改質器１２０における温度状態を電気ヒータ兼温度計ＨＳ２によりモニタし、当該温度に応じてオフガス触媒燃焼器１４０に供給されるオフガス中の水素量を調整する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば定常状態にある電源システムにおける燃料改質部１００の各構成（発電燃料気化器１１０、燃料改質器１２０、ＣＯ除去器１３０）の温度状態がオフガス触媒燃焼器１４０から供給される熱エネルギーにより維持されている場合にあっては、燃料改質部１００を構成する発電燃料気化器１１０、燃料改質器１２０、ＣＯ除去器１３０のうちの少なくともいずれかについて、電気ヒータ兼温度計ＨＳ１、ＨＳ２、ＨＳ３により温度状態をモニタして、当該温度に応じてオフガス触媒燃焼器１４０に供給されるオフガス中の水素量を調整するものであってもよい。
また、上述した実施形態に示した電源システムにおいては、発電用燃料としてメタノールを適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その組成中に水素原子を含むものであれば、例えば、他の炭化水素系（アルコール類）の液体燃料を発電用燃料として適用するものであってもよい。
また、上述した電源システムにおいては、燃料改質部により生成される水素ガスを用いて発電を行う発電セル部として、固体高分子型の燃料電池を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の構造を有する燃料電池であってもよい。更ににゅうちｈ（電圧値（（Ｓ１１６）、当該発電電力（計算値）が予、燃料改質部により生成された水素ガスの燃焼反応等に伴う圧力エネルギーを用いて発電器を回転させて電気エネルギーを発生する力学的なエネルギー変換作用等によるもの（ガス燃焼タービンやロータリーエンジン、スターリングエンジン等の内燃、外燃機関発電）や、燃焼反応に伴う熱エネルギーによるもの（温度差発電）等、種々の形態にも良好に適用することができる。
本発明に係る電源システム及びその制御装置の一実施形態を示す概略構成図である。 本実施形態に係る電源システムに適用される発電セル部（燃料電池本体）の一例を示す概略構成図である。 本実施形態に係る電源システムに適用される出力電流制御部の一例を示す概略回路構成図である。 本実施形態に係る電源システムにおける制御方法の一例を示すフローチャートである。 本実施形態に係る電源システムに適用される発電セル部（燃料電池本体）の出力特性（発電特性）を示す図である。 従来技術における燃料改質供給方式の燃料電池を適用した電源システムの一構成例を示す概略ブロック図である。 燃料改質供給方式の燃料電池を適用した電源システムに適用される燃料改質部における化学反応の一例を示す概略図である。
符号の説明
１００ 燃料改質部
１１０ 発電燃料気化器
１２０ 燃料改質器
１３０ ＣＯ除去器
１４０ オフガス触媒燃焼器
１５０ 発電セル部
１６０ 出力電流制御部
１７０ システム制御部
１８０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１９０ 二次電池
２００ 燃料タンク
ＨＳ１〜ＨＳ３ 電気ヒータ兼温度計

Claims (14)

  1. 組成中に水素原子を含む発電用燃料が供給され、該発電用燃料を所定の化学反応により改質して、水素を含む改質ガスを生成する化学反応手段と、
    前記化学反応手段の温度を計測する温度計測手段と、
    前記改質ガスに含まれる水素を用いて電気エネルギーを生成する発電手段と、
    前記発電手段から排出されるオフガスを用いて熱エネルギーを生成し、少なくとも前記化学反応手段に供給する加熱手段と、
    前記発電手段から取り出す前記電気エネルギーの量を制御する電気エネルギー制御手段と、
    少なくとも、前記温度計測手段により計測される前記化学反応手段の温度に基づき、前記化学反応手段の温度を所定の温度に維持するように前記電気エネルギー制御手段を介して前記発電手段から取り出す前記電気エネルギーの量を増減させる制御手段と、
    を備え、
    前記電気エネルギー制御手段は、前記発電手段から前記電気エネルギーの量に応じた出力電流を取り出す手段を備え、前記電気エネルギーの量の制御に応じて該出力電流の電流値を制御する出力電流制御手段を有し、
    前記制御手段は、前記出力電流の電流値を検出し、該出力電流の電流値が、前記発電手段が特定の発電特性を示す範囲内であるか否かを判定する電流値判定手段を備え、
    前記制御手段は、前記温度計測手段で計測された前記化学反応手段の温度が前記所定の温度よりも低い場合には、予め設定された最低電流値と前記出力電流の電流値を比較し、前記温度計測手段で計測された前記化学反応手段の温度が前記所定の温度よりも高い場合には、予め設定された最大電流値と前記出力電流の電流値を比較することを特徴とする電源システム。
  2. 前記所定の温度は化学反応手段における前記改質ガスの生成に適した温度であり、
    前記制御手段は、前記温度計測手段により計測される前記化学反応手段の温度と前記所定の温度とを比較する温度比較手段を備え、該温度比較手段による比較結果に基づいて前記電気エネルギー制御手段を介して、前記発電手段から取り出す前記電気エネルギーの量を増減させることを特徴とする請求項１記載の電源システム。
  3. 前記電源システムは、前記発電手段から取り出された前記電気エネルギーを変換して所定の電圧値及び電流値を有する負荷駆動電力を生成し、該負荷駆動電力を負荷に供給する電圧変換手段を備えることを特徴とする請求項１記載の電源システム。
  4. 前記電源システムは、前記発電手段から取り出された前記電気エネルギーを蓄積する蓄電手段を備え、
    前記電圧変換手段は、当該蓄電手段に蓄積された前記電気エネルギーを変換して前記負荷駆動電力を生成し、該負荷駆動電力を前記負荷に供給することを特徴とする請求項３記載の電源システム。
  5. 前記制御手段は、電圧変換手段を介して前記発電手段から前記電気エネルギーが取り出される際の該発電手段の出力電圧の電圧値を検出し、該出力電圧の電圧値が、当該発電手段が特定の発電特性を示す範囲内であるか否かを判定する電圧値判定手段を備えることを特徴とする請求項３記載の電源システム。
  6. 前記加熱手段は、前記オフガス中に含まれる、前記発電手段において前記電気エネルギーの生成に用いられずに残留する水素を用いた燃焼反応により前記熱エネルギーを生成することを特徴とする請求項１記載の電源システム。
  7. 前記温度計測手段は、熱エネルギーを生成して前記化学反応手段を加熱する電気ヒータを兼ねることを特徴とする請求項１記載の電源システム。
  8. 前記化学反応手段は、少なくとも、前記発電用燃料を気化する燃料気化器と、前記気化された前記発電用燃料を用いた触媒反応により水素を生成する燃料改質器と、を備え、
    前記加熱手段は、少なくとも前記燃料改質器に前記熱エネルギーを供給することを特徴とする請求項１記載の電源システム。
  9. 前記発電手段は、前記改質ガスに含まれる水素を用いた電気化学反応により前記電気エネルギーを生成することを特徴とする請求項１記載の電源システム。
  10. 前記発電手段は、固体高分子型の燃料電池であることを特徴とする請求項９記載の電源システム。
  11. 組成中に水素原子を含む発電用燃料が供給され、該発電用燃料を所定の化学反応により改質して、水素を含む改質ガスを生成する化学反応手段と、前記改質ガスに含まれる水素を用いて電気エネルギーを生成する発電手段と、前記発電手段から排出されるオフガスを用いて熱エネルギーを生成し、少なくとも前記化学反応手段に供給する加熱手段と、を備える電源システムの制御装置であって、
    前記化学反応手段の温度を計測する温度計測手段と、
    前記発電手段から取り出される前記電気エネルギーの量を制御する電気エネルギー制御手段と、
    前記温度計測手段により計測される前記化学反応手段の温度と当該化学反応手段における前記改質ガスの生成に適した所定の温度とを比較する温度比較手段と、
    前記温度比較手段における比較結果に基づいて、前記化学反応手段の温度を前記所定の温度に維持するように、前記電気エネルギー制御手段を介して前記電気エネルギーの量を増減させる制御手段と、
    を備え、
    前記電気エネルギー制御手段は、前記発電手段から前記電気エネルギーに応じた出力電流を取り出す手段を備え、前記電気エネルギーの量の制御に応じて該出力電流の電流値を制御する出力電流制御手段を有し、
    前記制御手段は、前記出力電流の電流値を検出し、該出力電流の電流値が、前記発電手段が特定の発電特性を示す範囲内であるか否かを判定する電流値判定手段を備え、
    前記制御手段は、前記温度計測手段で計測された前記化学反応手段の温度が前記所定の温度よりも低い場合には、予め設定された最低電流値と前記出力電流の電流値を比較し、前記温度計測手段で計測された前記化学反応手段の温度が前記所定の温度よりも高い場合には、予め設定された最大電流値と前記出力電流の電流値を比較することを特徴とする電源システムの制御装置。
  12. 前記電源システムは、前記発電手段から取り出された前記電気エネルギーを変換して所定の電圧値及び電流値を有する負荷駆動電力を生成し、該負荷駆動電力を負荷に供給する電圧変換手段を備え、
    前記制御手段は、前記電圧変換手段を介して前記発電手段から前記電気エネルギーが取り出される際の該発電手段の出力電圧の電圧値を検出し、該出力電圧の値が、当該発電手段が特定の発電特性を示す範囲内であるか否かを判定する電圧値判定手段を備えることを特徴とする請求項１１記載の電源システムの制御装置。
  13. 組成中に水素原子を含む発電用燃料が供給され、該発電用燃料を所定の化学反応により改質して、水素を含む改質ガスを生成する化学反応手段と、前記改質ガスに含まれる水素を用いて電気エネルギーを生成する発電手段と、前記発電手段から排出されるオフガスを用いて熱エネルギーを生成し、少なくとも前記化学反応手段に供給する加熱手段と、を備える電源システムの制御方法において、
    前記化学反応手段の温度を計測する温度計測ステップと、
    前記計測された前記化学反応手段の温度に応じて、該化学反応手段の温度を、該化学反応手段における前記改質ガスの生成に適した所定の温度に維持するように、前記発電手段から取り出される前記電気エネルギーの量を制御する電気エネルギー制御ステップと、
    を含み、
    前記電気エネルギー制御ステップは、前記計測された前記化学反応手段の温度と前記所定の温度とを比較する温度比較ステップと、前記温度比較ステップにおける比較結果に基づいて、前記電気エネルギーの量を増減させるステップと、をさらに含み、
    前記電気エネルギーの量を増減させるステップは、さらに、前記発電手段から前記電気エネルギーに応じた出力電流を取り出すステップと、前記出力電流の電流値が、前記発電手段が特定の発電特性を示す範囲内であるか否かを判定する電流値判定ステップと、を含み、
    前記電流値判定ステップは、前記温度計測ステップで計測された前記化学反応手段の温度が前記所定の温度よりも低い場合には、予め設定された最低電流値と前記出力電流の電流値を比較し、前記温度計測ステップで計測された前記化学反応手段の温度が前記所定の温度よりも高い場合には、予め設定された最大電流値と前記出力電流の電流値を比較するステップを含むことを特徴とする電源システムの制御方法。
  14. 前記電気エネルギーの量を増減させるステップは、更に、
    前記発電手段から前記電気エネルギーが取り出される際の該発電手段の出力電圧の電圧値を検出するステップと、
    前記出力電圧の電圧値が、前記発電手段が特定の発電特性を示す範囲内であるか否かを判定する電圧値判定ステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１３記載の電源システムの制御方法。
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