(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に応じた原料を供給する原料入口と、
部分酸化反応に用いる酸素を含む気体を供給する気体入口と、
酸素を含む気体と原料とを用いて改質反応と部分酸化反応とを行って水素を含む改質ガスを生成する触媒と、
この生成された改質ガスを排出するガス出口とからなる改質器において、
気体入口の流量を調整可能な気体入口流量調整手段と、
部分酸化反応に必要な気体流量である要求気体流量を原料流量に基づいて算出する要求気体流量算出手段と、
改質器内部のピーク温度位置を推定するピーク温度位置推定手段と、
このピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動したとき、前記要求気体流量を減量側に補正して気体流量を算出する気体流量算出手段と、
この算出した気体流量が気体入口から供給されるように気体入口流量調整手段を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする改質器の制御装置。
【請求項２】
気体入口付近の触媒温度を実際に検出する気体入口触媒温度検出手段を備え、ピーク温度位置に基づいて気体入口触媒温度検出手段位置の目標温度を算出し、気体入口付近の実際の触媒温度がこの気体入口触媒温度検出手段位置の目標温度と一致するように気体入口から供給される気体流量を算出することを特徴とする請求項１に記載の改質器の制御装置。
【請求項３】
気体入口とガス出口との中間位置に酸素を含む気体を供給する気体中間入口と、この気体中間入口の流量を調整可能な気体中間入口流量調整手段とを備え、要求気体流量のうち気体入口から供給されなかった気体が気体中間入口より供給されるように気体中間入口流量調整手段を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の改質器の制御装置。
【請求項４】
負荷に応じた原料を供給する原料入口と、
部分酸化反応に用いる酸素を含む気体を供給する気体入口と、
酸素を含む気体と原料とを用いて改質反応と部分酸化反応を行って水素を含む改質ガスを生成する触媒と、
この生成された改質ガスを排出するガス出口とからなる改質器において、
気体入口の流量を調整可能な気体入口流量調整手段と、
部分酸化反応に必要な気体流量である要求気体流量を原料流量に基づいて算出する要求気体流量算出手段と、
気体入口付近の実際の触媒温度を検出する気体入口触媒温度検出手段と、
改質器内部のピーク温度位置を推定するピーク温度位置推定手段と、
このピーク温度位置に基づいて気体入口触媒温度検出手段位置の目標温度を算出する気体入口触媒温度検出手段位置目標温度算出手段と、
気体入口付近の実際の触媒温度がこの気体入口触媒温度検出手段位置の目標温度と一致するように気体流量を算出する気体流量算出手段と、
要求気体流量とこの気体流量のうち値の小さい方を選択する選択手段と、
この選択した値の小さい方の気体流量が流れるように気体入口流量調整手段を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする改質器の制御装置。
【請求項５】
気体入口とガス出口との中間位置に酸素を含む気体を供給する気体中間入口と、この気体中間入口の流量を調整可能な気体中間入口流量調整手段とを備え、気体入口付近の実際の触媒温度がこの気体入口触媒温度検出手段位置の目標温度と一致するように算出した気体流量より、要求気体流量が大きい場合に、その差の流量が気体中間入口より供給されるように気体中間入口流量調整手段を制御することを特徴とする請求項４に記載の改質器の制御装置。
【請求項６】
選択した値の小さい方の気体流量をピーク温度位置に基づいて減量補正することを特徴とする請求項４または５に記載の改質器の制御装置。
【請求項７】
選択した値の小さい方の気体流量の減量補正値をピーク温度位置が改質器の下流方向に移動するほど増やすことを特徴とする請求項６に記載の改質器の制御装置。
【請求項８】
気体入口触媒温度検出手段位置目標温度算出手段は、ピーク温度位置が目標運転温度となるように改質器内の温度分布プロファイルを生成する温度分布プロファイル生成手段と、この温度分布プロファイル上の、気体入口触媒温度検出手段位置に相当する温度を、気体入口触媒温度検出手段位置の目標温度として算出する手段とからなることを特徴とする請求項４から７までのいずれか一つに記載の改質器の制御装置。
【請求項９】
改質器内のガス流速に基づいてピーク温度位置を推定することを特徴とする請求項４から８までのいずれか一つに記載の改質器の制御装置。
【請求項１０】
改質器内のガス流速が速くなるほどピーク温度位置が改質器の下流側に移動すると推定することを特徴とする請求項９に記載の改質器の制御装置。
【請求項１１】
改質器内ガス流速を改質器の入口圧と出口圧の差に基づいて推定することを特徴とする請求項９または１０に記載の改質器の制御装置。
【請求項１２】
気体中間入口付近の実際の触媒温度を検出する気体中間入口触媒温度検出手段と、気体入口より供給される実際の気体流量を検出する気体入口流量検出手段とを備え、この気体入口より供給される実際の気体流量が変化したときの所定期間先の気体中間入口付近の触媒温度を、気体入口より供給される実際の気体流量と気体中間入口付近の実際の触媒温度とに基づいて推定し、この所定期間先の気体中間入口付近の触媒温度の推定値が触媒の上限温度を超えるときには超えないように気体中間入口より供給される気体流量を減量側に補正することを特徴とする請求項５から１１までのいずれか一つに記載の改質器の制御装置。
【請求項１３】
気体中間入口付近の実際の触媒温度を検出する気体中間入口触媒温度検出手段と、気体中間入口より供給される実際の気体流量を検出する気体中間入口流量検出手段とを備え、この気体中間入口より供給される実際の気体流量が変化したときの所定期間先の気体中間入口付近の触媒温度を、気体中間入口より供給される実際の気体流量と気体中間入口付近の実際の触媒温度とに基づいて推定し、この所定期間先の気体中間入口付近の触媒温度の推定値が触媒の上限温度を超えるときには超えないように気体中間入口より供給される気体流量を減量側に補正することを特徴とする請求項５から１１までのいずれか一つに記載の改質器の制御装置。
【請求項１４】
気体中間入口付近の実際の触媒温度を実際に検出する気体中間入口触媒温度検出手段と、気体入口より供給される実際の気体流量を検出する気体入口流量検出手段と、気体中間入口より供給される実際の気体流量を検出する気体中間入口流量検出手段とを備え、これら気体入口より供給される実際の気体流量と気体中間入口より供給される実際の気体流量とが変化したときの所定期間先の気体中間入口付近の触媒温度を、気体入口より供給される実際の気体流量と気体中間入口より供給される実際の気体流量と気体中間入口付近の実際の触媒温度とに基づいて推定し、この所定期間先の気体中間入口付近の触媒温度の推定値が触媒の上限温度を超えるときには超えないように気体中間入口より供給される気体流量を減量側に補正することを特徴とする請求項５から１１までのいずれか一つに記載の改質器の制御装置。
【請求項１５】
所定期間先の気体中間入口付近の触媒温度の推定値が触媒の上限温度を超えるときに、その触媒の上限温度からの温度上昇分が大きいほど、気体中間入口より供給される気体流量の減量側補正値を大きくすることを特徴とする請求項１２から１４までのいずれか一つに記載の改質器の制御装置。
【請求項１６】
気体入口より供給される実際の気体流量が変化したときの所定期間先の気体中間入口付近の触媒温度の推定値は、気体入口より供給される実際の気体流量が変化したときの所定期間先の気体中間入口付近の触媒温度変化分の時系列データを、気体中間入口付近の実際の触媒温度に加算した値であることを特徴とする請求項１２に記載の改質器の制御装置。
【請求項１７】
気体中間入口より供給される実際の気体流量が変化したときの所定期間先の気体中間入口付近の触媒温度の推定値は、気体中間入口より供給される実際の気体流量が変化したときの所定期間先の気体中間入口付近の触媒温度変化分の時系列データを、気体中間入口付近の実際の触媒温度に加算した値であることを特徴とする請求項１３に記載の改質器の制御装置。
【請求項１８】
時系列データの算出に伝達関数を用いることを特徴とする請求項１６または１７に記載の改質器の制御装置。
【請求項１９】
伝達関数を負荷に応じて複数有することを特徴とする請求項１８に記載の改質器の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は改質器の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の改質器の制御装置として特開平６−３４９５１０号公報に開示されるものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
改質器では炭化水素を主成分とする原料と空気中の酸素とを反応させて原料を分解し水素リッチな改質ガスを生成するのであるが、その水素リッチな改質ガスを生成する改質反応は吸熱反応であるので、同時に部分酸化反応による発熱反応を生じさせ、これら吸熱と発熱とがバランスする条件で運転することにより、外部加熱や外部冷却を不要としている。
【０００４】
改質器の構成は、一方向に長い円筒状の容器内に改質反応と部分酸化反応とを共に行う触媒を充填し、長手方向の一端に原料及び空気（酸素を含む気体）の各入口を、長手方向他端にガス出口を開口したものであり、こうした改質器の構成によれば、原料入口に原料を、空気入口に空気をそれぞれ供給したとき、改質器内部の温度分布は一様とならず温度差のある温度分布が生じる。
【０００５】
改質器内のガスは改質器の入口より出口に向けて一方向に流れるので、改質器の入口を原点として下流方向の位置を横軸に、その位置でのガス温度を縦軸に採ると、ガス温度は入口より上昇してピークをとった後に徐々に低下していく（図１９参照）。ガス温度がピークをとるということは、ガス温度がピークをとる位置で空気入口より供給された酸素が殆ど残っていないことを意味する。
【０００６】
この場合に、ピークの温度が、改質器内の触媒が働くのに適した温度（この温度を以下「目標運転温度」という。）Ｔｍを大きく超えないように改質器を運転できれば問題ないので、こうした観点から改質器の触媒の種類や量、改質器の外形寸法といった設計仕様が定まる。
【０００７】
ただし、このときの仕様は基準負荷に対して決定されるのであり、具体的に示すと、図１９上段に示したように基準負荷に対応する原料流量と、部分酸化反応に必要な空気流量とを供給したとき、ピーク温度が望みの位置（基準ピーク温度位置ｚｐ０）にきたとする（図１９上段参照）。
【０００８】
しかしながら、基準負荷より負荷が大きくなって原料を増加し、これに応じて空気流量も増加し、これら増加した原料と空気とを各入口より供給したときには、ピーク温度が目標運転温度Ｔｍを超えたり、ピーク温度の位置ｚｐが基準ピーク温度位置ｚｐ０より下流側に移動してしまう（図１９下段の一点鎖線参照）。ピーク温度位置が下流側に移動する理由は、基準負荷より大きな高負荷時になると改質器の入口付近はガス流速が早く滞留時間が短いため十分な反応が起きずに温度が低くなり、未燃の酸素は下流側へ流されていきながら徐々に反応して下流のほうでピーク温度を生じるためである。
【０００９】
このように負荷の増大でピーク温度位置が基準ピーク温度位置ｚｐ０より下流側に移動すると、改質器の上流側に触媒温度が低くなる領域（不活性な触媒領域）が生じ（図１９下段参照）、これにより原料を水素リッチな改質ガスにする転化率が下がり、改質器を出るガス中に未反応の原料成分が多量に含まれるようになる（水素を含む改質ガスの生成が不十分となる）。
【００１０】
そこで本発明は、部分酸化反応に必要な酸素を含む気体の流量である要求気体流量を原料流量に基づいて算出する一方で、改質器内部のピーク温度位置を推定し、そのピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動したとき、前記要求気体流量を減量側に補正して、気体入口から供給すべき気体流量を算出することにより、基準負荷より負荷が大きくなる領域においても、改質器内の反応を効率的に行わせることを目的とする。
【００１１】
一方、上記の従来装置は、改質器に複数の温度センサを設けて改質器の内部温度が高温になりすぎたり低温になりすぎたりすることを防止するものに過ぎず、ピーク温度の存在や負荷に応じてピーク温度位置が移動する点を開示するものでない。
【００１２】
このため従来装置を、上記のようにピーク温度位置が基準ピーク温度位置よりずれた場合に適用しようとすれば、例えば改質器の長手方向に適当な間隔をおいて温度センサを複数配置し、温度センサからの各温度をみて最も高い温度を示した温度センサの位置がピーク温度位置であると推定し、その位置が基準温度位置より下流側にあれば酸素を含む気体の流量を減量補正することである。
【００１３】
しかしながら、この方法によりピーク温度位置の検出精度を上げようとすれば温度センサの数を増やすしかなくコストアップを招く。かといってセンサ数が少ないと、ピーク温度位置がどこにあるかわからない。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、負荷に応じた原料を供給する原料入口と、部分酸化反応に用いる酸素を含む気体（例えば空気）を供給する気体入口と、酸素を含む気体と原料とを用いて改質反応と部分酸化反応とを行って水素を含む改質ガスを生成する触媒と、この生成された改質ガスを排出するガス出口とからなる改質器において、気体入口の流量を調整可能な気体入口流量調整手段と、部分酸化反応に必要な気体流量である要求気体流量Ｑｎｅｅｄを原料流量に基づいて算出する要求気体流量算出手段と、改質器内部のピーク温度位置を推定するピーク温度位置推定手段と、このピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動したとき、前記要求気体流量Ｑｎｅｅｄを減量側に補正して気体流量Ｑ１を算出する気体流量算出手段と、この算出した気体流量Ｑ１が気体入口から供給されるように気体入口流量調整手段を制御する制御手段とを備える。
【００１５】
請求項３に記載の発明では、気体入口とガス出口との中間位置に酸素を含む気体（例えば空気）を供給する気体中間入口と、この気体中間入口の流量を調整可能な気体中間入口流量調整手段とを備え、要求気体流量Ｑｎｅｅｄのうち気体入口から供給されなかった気体が気体中間入口より供給されるように気体中間入口流量調整手段を制御する。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、負荷に応じた原料を供給する原料入口と、部分酸化反応に用いる酸素を含む気体（例えば空気）を供給する気体入口と、酸素を含む気体と原料とを用いて改質反応と部分酸化反応を行って水素を含む改質ガスを生成する触媒と、この生成された改質ガスを排出するガス出口とからなる改質器において、気体入口の流量を調整可能な気体入口流量調整手段と、部分酸化反応に必要な気体流量である要求気体流量Ｑｎｅｅｄを原料流量に基づいて算出する要求気体流量算出手段と、気体入口付近の実際の触媒温度Ｔ１を検出する気体入口触媒温度検出手段と、改質器内部のピーク温度位置を推定するピーク温度位置推定手段と、このピーク温度位置に基づいて気体入口触媒温度検出手段位置の目標温度Ｔｂを算出する気体入口触媒温度検出手段位置目標温度算出手段と、気体入口付近の実際の触媒温度Ｔ１がこの気体入口触媒温度検出手段位置の目標温度Ｔｂと一致するように気体流量Ｑ１を算出する気体流量算出手段と、要求気体流量Ｑｎｅｅｄとこの気体流量Ｑ１のうち値の小さい方を選択する選択手段と、この選択した値の小さい方の気体流量（Ｑｓｅｌ）が流れるように気体入口流量調整手段を制御する制御手段とを備える。
【００１７】
請求項５に記載の発明では、気体入口とガス出口との中間位置に酸素を含む気体（例えば空気）を供給する気体中間入口と、この気体中間入口の流量を調整可能な気体中間入口流量調整手段とを備え、気体入口付近の実際の触媒温度Ｔ１がこの気体入口触媒温度検出手段位置の目標温度Ｔｂと一致するように算出した気体流量Ｑ１より、要求気体流量Ｑｎｅｅｄが大きい場合に、その差の流量Ｑ２ｒｉｓが気体中間入口より供給されるように気体中間入口流量調整手段を制御する。
【００１８】
【発明の効果】
図１９に示したように基準負荷のときピーク温度が基準ピーク温度位置ｚｐ０にくるように、基準負荷に対応する要求気体流量Ｑｎｅｅｄを設定している場合に（図１９上段参照）、基準負荷より負荷が大きくなって原料を増加し、これに応じて要求気体流量Ｑｎｅｅｄを増加し、その要求気体流量Ｑｎｅｅｄを気体入口より供給したのでは、ピーク温度が目標運転温度Ｔｍを超えたり、ピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動する（図１９下段、図２０上段の一点鎖線参照）。
【００１９】
そして、ピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動すると、改質器入口側に触媒温度が低くなる領域（不活性な触媒領域）が生じ、これにより水素を含む改質ガスの生成量が不足するのであるが、請求項１に記載の発明によれば、ピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動したとき、要求気体流量Ｑｎｅｅｄを減量側に補正して気体流量Ｑ１を算出し、この算出した気体流量Ｑ１を気体入口から供給するので、基準負荷より大きな負荷領域においてもピーク温度位置が目標運転温度Ｔｍを超えてしまったり基準ピーク温度位置より下流側に移動することを抑制できる。すなわち、気体入口に流入する過剰な酸素を含む気体を減らすことで、改質器内部のガス流速が低下してガスの滞留時間が長くなり酸化反応が改質器上流側の触媒で生じ、これにより、ピーク温度が目標運転温度Ｔｍを超える高温になることを防止できると共に、改質器入口側に不活性な触媒領域が生じることを回避できる（図２０中段の実線参照）。
【００２０】
要求気体流量Ｑｎｅｅｄを減量補正した値である気体流量Ｑ１を気体入口より供給すると、ピーク温度位置が上流側に移動するが、これは、ピーク温度の部分で気体入口より供給した気体中の酸素がほとんど反応しきったことを意味し、このままであればそのピーク温度位置以降の下流側は下流になるほど温度が低下する。請求項３に記載の発明によれば、要求空気流量Ｑｎｅｅｄのうち、気体入口より供給できなかった気体の流量（Ｑｎｅｅｄ−Ｑ１）を気体中間入口より供給するので、気体中間入口付近の触媒温度を高めることができる（図２０下段の破線参照）。
【００２１】
一方、気体入口付近の実際の触媒温度Ｔ１が気体入口触媒温度検出手段位置の目標温度Ｔｂと一致するように算出した気体流量Ｑ１が、原料流量に基づいて算出した要求気体流量Ｑｎｅｅｄより小さい場合とは、目標運転温度Ｔｍが低く設定されている状態であるか、または気体入口付近の実際の触媒温度Ｔ１が現在、目標運転温度Ｔｍに近い状態である。この状態で値の大きい方の要求気体流量Ｑｎｅｅｄを選択すると、過剰な空気を含む気体の供給によりピーク温度が目標運転温度Ｔｍを大きく超えて高温になったり、ピーク温度位置が下流に過剰に移動するのであるが、請求項４に記載の発明によれば、この状態で値の小さい方の気体流量Ｑ１を選択するので、ピーク温度が目標運転温度Ｔｍを超えて高温になったり、ピーク温度位置が下流に過剰に移動することを抑制できる。
【００２２】
一方、気体流量Ｑ１が要求気体流量Ｑｎｅｅｄより大きい場合とは、目標運転温度Ｔｍが高く設定されている状態であるか、または気体入口付近の実際の触媒温度Ｔ１が現在、目標運転温度Ｔｍに到達してない状態である。この状態では反応に必要な気体流量の全てである要求気体流量Ｑｎｅｅｄを気体入口より供給できる。
【００２３】
また、気体流量Ｑ１より要求気体流量Ｑｎｅｅｄが大きい場合に、気体流量Ｑ１を気体入口より供給すると、ピーク温度位置が上流側に移動するのであるが、これは、ピーク温度の部分で気体入口より供給した気体中の酸素がほとんど反応しきったことを意味し、このままであればそのピーク温度位置より下流側は下流になるほど温度が低下する。請求項５に記載の発明によれば、要求気体流量Ｑｎｅｅｄのうち、気体入口より供給できなかった気体の流量（Ｑｎｅｅｄ−Ｑ１）を気体中間入口より供給するので、気体中間入口付近の触媒温度を高めることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態を示す。まず燃料改質システムとしての基本的な構成および動作につき説明する。
【００２５】
図において原料タンク２内の水と原料タンク３内の燃料であるメタノールとが水供給装置４、メタノール供給装置５より蒸発器６内に送られて加熱蒸発され、水とメタノールの混合蒸気（原料蒸気）となって改質器８に供給される。ここで、水供給装置４、メタノール供給装置５は、主にフィードポンプとインジェクタからなっている。
【００２６】
水流量とメタノール流量の目標値は燃料電池９で要求する発電量に基づいてコントローラ２１により算出され、それぞれの目標値になるようにコントローラ２１がそれぞれの供給装置４、５内の流量制御装置（インジェクタ）を制御する。当該燃料電池システムを車両に適用した場合には、上記の要求発電量はドライバのアクセルペダルの踏み込み量に基づいて算出する。
【００２７】
また、コンプレッサ７より空気（酸素を含む気体）が改質器８に圧送（送気）される。コンプレッサ７は、燃料電池システム全体で必要とする空気を全て供給するため、流量センサ１５により検出されるコンプレッサ吐出流量が、改質器８に供給する空気流量と燃料電池９で必要とされる空気流量との総和と等しくなるように、流量制御器１６がコンプレッサ７の回転速度を制御する。この場合、流量制御器１６による制御には非干渉制御方式を採用している（特開２００１−３３８６５９号公報参照）。
【００２８】
改質器８は、水、メタノールの混合蒸気と空気中の酸素とを改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成する。改質器８は、部分酸化反応による発熱とメタノールの分解反応による吸熱とがバランスするオートサーマル条件で運転される。
【００２９】
なお、水素リッチな改質ガスには低レベルの一酸化炭素が含まれ、この一酸化炭素は固体高分子型燃料電池９の、白金等からなる電極触媒を被毒し、その活性を著しく低下させてしまうので、一酸化炭素を除去するシフト反応器が改質器８と一体に構成されている。
【００３０】
このようにして極めて低レベルな濃度にまで一酸化炭素が低減された改質ガスとコンプレッサ７からの空気とが燃料電池９の燃料極と空気極に送気され、燃料電池９では空気中の酸素と改質ガス中の水素とを電気化学的に反応させて発電する。
【００３１】
燃料電池９において、改質ガス中の水素を全て利用することは困難であり、一部の水素を残した、発電に使用済みの改質ガスと、一部の酸素を残した、発電に使用済みの空気とを、触媒燃焼器１０に送り燃焼させる。得られた高温の燃焼ガスは、蒸発器６に送られ、メタノールと水の蒸発のエネルギーとして再利用される。
【００３２】
こうした燃料改質システムは、本実施形態は車両に搭載され、燃料電池９から取り出される負荷電流は、インバータ１８を介して車両駆動用のモータ１９に流される。ここでは、インバータ１８及び駆動モータ１９が、燃料電池９で発電した電力を消費する負荷装置である。
【００３３】
こうして燃料改質システムが、運転条件により変化する負荷装置と組み合わされるとき、負荷装置で必要な電力を燃料電池９が発生するように改質器８に供給する原料と空気の各流量とを制御する必要があるのであるが、図２に示したように、改質器８の構成が、一方向に長い円筒状の容器８ａ内に部分酸化反応と改質反応とを共に行う触媒８ｂを充填し、長手方向の一端（図で左端）に原料入口８ｃ及びその近くに空気入口８ｄを、長手方向他端（図で右端）にガス出口８ｅを開口したものであり、こうした改質器８の構成によれば、原料入口８ｃに原料蒸気を、空気入口８ｄに空気をそれぞれ供給したとき、改質器８内部の温度分布は一様とならず温度差のある温度分布が生じる。
【００３４】
改質器８内のガスは原料入口８ｃよりガス出口８ｅに向けて一方向（図で右方向）に流れるので、原料入口８ｃを原点として下流方向の位置を横軸に、その位置でのガス温度を縦軸に採ると、ガス温度は原料入口８ｃより上昇してピークをとった後に徐々に低下していく。ガス温度がピークをとるということは、その位置で空気入口８ｄより供給された酸素が殆ど残っていないことを意味する。
【００３５】
この場合に、ピークの温度が目標運転温度Ｔｍを大きく超えないように運転できれば問題ないので、こうした観点から触媒８ｂの種類や量、改質器８の外形寸法といった設計仕様が定まる。
【００３６】
ただし、このときの仕様は基準負荷に対して決定されるのであり、具体的に示すと、図１９上段に示したように基準負荷に対応する原料流量と、部分酸化反応に必要な空気流量（この空気流量を以下「要求空気流量」という。）Ｑｎｅｅｄとを供給したとき、ピーク温度が望みの位置（基準ピーク温度位置ｚｐ０）にきたとする（図１９上段参照）。
【００３７】
しかしながら、基準負荷より負荷が大きくなって原料を増加し、これに応じて要求空気流量Ｑｎｅｅｄを増加し、これら増加した原料と空気とを各入口８ｃ、８ｄより供給したときには、ピーク温度が目標運転温度Ｔｍを超えたり、ピーク温度の位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動する（図１９下段の一点鎖線参照）。
【００３８】
本発明では、運転条件により変化する負荷装置と組み合わされる、このような燃料改質システムにおいて、空気入口８ｄ付近の触媒温度（この触媒温度を以下「入口触媒温度」という。）を実際に検出する温度センサ（気体入口触媒温度検出手段）２２を、原料入口８ｃから所定の距離だけ下流側の位置に設け、改質器８内のガス流速に基づいて改質器８内部のピーク温度位置を推定し、このピーク温度位置に基づいて温度センサ２２位置の目標温度Ｔｂを算出し、温度センサ２２により検出される実際の入口触媒温度Ｔ１がこの温度センサ２２位置の目標温度Ｔｂと一致するように空気入口８ｄより供給される空気流量（この流量を以下「空気入口流量」という。）Ｑ１を算出し、この空気入口流量Ｑ１と要求空気流量Ｑｎｅｅｄのうち値の小さい方を選択し、この選択した値の小さい方の空気流量（Ｑｓｅｌ）が流れるように、コンプレッサ７より改質器８への空気供給通路１１に設けた流量制御弁１２の開度を制御する。
【００３９】
また、改質器８内のガス流速を推定するため、改質器８の入口側と出口側に圧力センサ２５、２６を備えている。
【００４０】
一方、上記の要求空気流量Ｑｎｅｅｄは原料流量に基づいて算出するのであるが、空気入口流量Ｑ１が要求空気流量Ｑｎｅｅｄより小さいときには、空気入口８ｄからは空気入口流量Ｑ１が供給されるだけで、残りＱｎｅｅｄ−Ｑ１の空気分が供給されないことになってしまうため、空気入口８ｄよりも下流側に空気中間入口８ｆを設け、この空気中間入口８ｆより残りの空気を供給する。
【００４１】
この場合、空気中間入口８ｆ付近の触媒は、空気中間入口８ｆからの空気供給の影響を受けて温度が上昇し、さらに空気入口８ｄより供給される空気の影響を受けても温度が上昇する。すなわち、空気入口８ｄより供給される空気による酸化反応によって入口側触媒の温度が上昇し、この入口側触媒の温度上昇が下流側の触媒温度を上昇させる。このような状態で空気中間入口８ｆからも空気を導入すると、中間空気入口付近の触媒温度が触媒８ｂの上限温度（以下単に「上限温度」という）Ｔｍａｘを超えてしまう可能性がある。
【００４２】
そこで、空気中間入口８ｆ付近の触媒温度を実際に検出する温度センサ（気体中間入口触媒温度検出手段）２３と、空気入口流量を実際に検出する流量センサ（気体入口流量検出手段）２７と、空気中間入口８ｆより供給される空気流量（この空気流量を以下「空気中間流量」という。）を実際に検出する流量センサ（気体中間入口流量検出手段）２８とを設け、実際の空気入口流量Ｑｓｅｎ１や実際の空気中間流量Ｑｓｅｎ２がステップ的に増加したときの所定期間先の温度センサ２３位置の触媒温度を推定し、この所定期間先の温度センサ２３位置の触媒温度の推定値Ｔ２ｓｕｉが上限温度Ｔｍａｘを超えるときには、超えないように空気中間流量を減量側に補正し、補正後の空気中間流量が流れるように、改質器８への空気供給通路１１からの分岐供給通路１３に設けた流量制御弁１４の開度を制御する。
【００４３】
なお、空気入口８ｄと空気中間入口８ｆとの２つから空気を分散して供給するようにしたものは特開２００１−１９４０３号公報により公知であるが、このように、空気中間入口８ｆ付近の触媒が、空気中間入口８ｆからの空気供給の影響を受けて温度が上昇することに加えて、空気入口８ｄより供給された空気の影響も受けて温度上昇することまで開示するものではない。
【００４４】
次に、コントローラ２１で実行されるこのような制御を以下のフローチャートに基づいて詳述する。
【００４５】
図３は２つの流量制御弁１２、１４の各目標空気流量の演算を説明するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。
【００４６】
ステップ１では改質器８内のガス流速νを推定する。この推定については図４により説明する。図４においてステップ１１で圧力センサ２５、２６により検出される改質器８の入口圧Ｐ１［Ｐａ］と出口圧Ｐ２［Ｐａ］を読み込み、ステップ１２で圧力差ΔＰ［Ｐａ］を、
△Ｐ＝Ｐ１−Ｐ２…（１）
の式により算出し、この圧力差ΔＰを用いて改質器８内のガス流速ν［ｍ／ｓ］を、
ν＝△Ｐ×Ｄ×Ｄ／（３２×μ×Ｌ）…（２）
ただし、Ｄ：改質器直径［ｍ］、
Ｌ：改質器長さ［ｍ］、
μ：粘度［Ｐａ・ｓ］、
の式により算出する。
【００４７】
ここで、（２）式は、円筒内を層流状に流れる流体の流れの法則であるハーゲン・ポアズイユの式（Ｈａｇｅｎ−Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ  ｌａｗ）である。
【００４８】
このようにして改質器８内のガス流速νの推定を終了したら図３に戻り、ステップ２で要求空気流量Ｑｎｅｅｄを算出する。この算出については図５により説明する。図５においてステップ２１で改質器８に供給する原料流量Ｑｇｅｎ［ＮＬ／ｍｉｎ］を読み込み、これからステップ２２において要求空気流量Ｑｎｅｅｄ［ＮＬ／ｍｉｎ］を、
Ｑｎｅｅｄ＝Ｑｇｅｎ×係数／０．２１…（３）
の式により算出する。
【００４９】
ここで、（３）式右辺の分子であるＱｇｅｎ×係数は、改質器８内の部分酸化反応に必要となる酸素流量であり、従って係数は改質器内の部分酸化率を表す任意の定数（例えば０．３）である。０．２１は空気中の酸素割合であり、酸素流量を０．２１で割ることによって空気流量を求めることができる。
【００５０】
上記の原料流量Ｑｇｅｎは、水流量とメタノール流量を合わせた値である。すなわち、水流量とメタノール流量とはインジェクタに与えるデューティ値により制御している（デューティ値が増えるほど流量が増加する）ので、これらデューティ値から図６、図７を内容とするテーブルを検索することによりにより水流量［ＮＬ／ｍｉｎ］とメタノール流量［ＮＬ／ｍｉｎ］を求めることができ、両者を合計すれば、原料流量Ｑｇｅｎを求めることができる。なお、流量の単位であるＬ（リットル）に付けている「Ｎ」は標準状態（０℃、一気圧）での値であることを表している。
【００５１】
このようにして要求空気流量Ｑｎｅｅｄの算出を終了したら図３に戻り、ステップ３ではピーク温度位置を推定する。改質器８が図２に示す構成であるとき、改質器８の内部に一様でない温度分布が生じ、このうち最大となる温度がピーク温度である。ピーク温度位置とは改質器８の原料入口８ｃとガス出口８ｅの間でピーク温度が生じる位置のことである。ここでは、改質器内ガス流速νから図８を内容とするテーブルを検索することにより、ピーク温度位置を算出する。
【００５２】
図８の特性は予め行った実験データに基づいて作成したものである。図８において縦軸のピーク温度位置は原料入口８ｃ（改質器入口）が原点であり、改質器内ガス流速νが速くなるほどピーク温度位置が改質器８の下流方向へと移動している。これは次の理由による。例えば改質器内ガス流速νが速い場合には改質器８に供給している原料と空気が多い高負荷時がある。この高負荷時に改質器８内にガスが滞留する時間が短くなるため、反応が改質器８の下流のほうで行われるようになり、さらに部分酸化反応に比べて改質反応の反応速度が遅いことが原因で部分酸化反応による発熱と改質反応による吸熱のバランスが崩れ吸熱が追いつかない。このような理由で改質器内ガス流速νが速いほどピーク温度位置が改質器８の下流方向へと移動するのである。
【００５３】
ステップ４、５では改質器８の入口付近、具体的には空気入口８ｄのすぐ下流に取付けた温度センサ２２位置の目標温度Ｔｂを算出する。
【００５４】
まずステップ４ではピーク温度位置が、目標運転温度Ｔｍとなるように改質器内部の温度分布状態を示すプロファイルを表す関数を次のように作成する。すなわち、改質器内部の温度分布状態を示すプロファイルは、図９に示したようにピーク温度位置（図ではａがピーク温度位置）で目標運転温度Ｔｍに達する、上に凸の曲線であると考えられるので（中段の実線参照）、このプロファイルをロジスティック波形（ｌｏｇｉｓｔｉｃ  ｃｕｒｖｅ）で近似する。
【００５５】
ロジスティック波形は、一般的には
ｙ＝ｋ／（１＋ｃ×ＥＸＰｆ（ｔ））…（４）
ただし、ｋ、ｃ：定数、
ｆ（ｔ）：時間の関数、
の型の関数ｙを表す波形であるが（「ＥＸＰ」は指数を「ｆ（ｔ）」は指数の右肩に付く値）、ここでは時間ｔに代えて、原料入口８ｃを原点とする位置ｚの関数としている。すなわち、ロジスティック波形を表す関数として、
ｙ（ｚ）＝Ｋ２／（１＋ＥＸＰ（−Ｋ１×ｚ）…（５ａ）
ただし、ｙ（ｚ）：位置ｚにおけるガス温度、
ｚ：位置、
Ｋ１、Ｋ２：定数、
の式を用いる。
【００５６】
ここで、（５ａ）式の関数は２つの定数Ｋ１、Ｋ２が決まれば１つに定まるので、これら定数Ｋ１、Ｋ２は次の条件を満足するように決定する。
【００５７】
条件１：ｚ＝ａのとき、ｙ＝Ｔｍ。
【００５８】
条件２：ｚ＝０のとき、ｙ＝原料温度Ｔｆと空気温度Ｔａの平均値Ｔａｖ。
【００５９】
上記の目標運転温度Ｔｍはたとえば４００℃である。原料温度Ｔｆは温度センサ２９により、また空気温度Ｔａは温度センサ３０により検出している（図１参照）。
【００６０】
ロジスティック波形を表す関数には次に示す他の態様が考えられる。
【００６１】
（１）他の態様１：
ｙ（ｚ）＝（Ａ１−Ａ２）／（１＋ＥＸＰ（ｚ−ｚ０）／ｄ）＋Ａ２…（５ｂ）
ただし、Ａ２：目標温度、
ｄ：任意の値、
ここで、Ａ１、ｚ０は上記の条件１、２を満足するように決定する。
【００６２】
（２）他の態様２：
ｙ（ｚ）＝Ａ×ＥＸＰ（−ＥＸＰ（−ｋ×（ｚ−ｚ０）））…（５ｃ）
ただし、ｋ：任意の値、
ここで、Ａ、ｚ０は上記の条件１、２を満足するように決定する。
【００６３】
（３）他の態様３：
ｙ（ｚ）＝Ａ／（１＋ＥＸＰ（−ｋ（ｚ−ｚ０））…（５ｄ）
ただし、ｋ：任意の値、
ここで、Ａ、ｚ０は上記の条件１、２を満足するように決定する。
【００６４】
（４）他の態様４：
ｙ（ｚ）＝Ａ／（１＋Ｂ×ＥＸＰ（−ｋ×ｚ））…（５ｅ）
ただし、ｋ：任意の値、
ここで、Ａ、Ｂは上記の条件１、２を満足するように決定する。
【００６５】
ステップ５では、このようにして作成した温度分布状態を示すプロファイル上の温度であって温度センサ２２位置に対応する触媒温度を、温度センサ２２位置の目標温度Ｔｂとして求める。すなわち、改質器８上における温度センサ２２位置は予め定まっているので、この位置をｂとすれば、このｂを上記（５ａ）式に代入して求めたｙ（ｂ）の値が目標温度Ｔｂである（図９中段参照）。
【００６６】
なお、図９には実験に用いたものを示しているため、負荷が５０％のときに温度ピークがくる位置に温度センサ２２を取付けている。原料入口８ｃの近くでは温度は上がらないので、温度センサ２２位置としては原料入口８ｃはふさわしくない。
【００６７】
ステップ６では、温度センサ２２により検出される実際の入口触媒温度Ｔ１がこの温度センサ２２位置の目標温度Ｔｂと一致するように、空気入口流量Ｑ１を算出する。この算出については図１０により説明する。
【００６８】
図１０においてステップ３１で温度センサ２２により検出される実際の入口触媒温度Ｔ１を読み込み、ステップ３２では温度センサ２２位置の目標温度Ｔｂからの偏差ｅを、
ｅ＝Ｔｂ−Ｔ１…（６）
の式により算出し、この偏差ｅを用いステップ３３において制御周期当たりの空気流量のフィードバック量Ｑｆｂ［ＮＬ／ｍｉｎ］を、
0003709852.tif 000002
ただし、ｅ（前回）：前回の偏差、
ｅ（前々回）：前々回の偏差、
Ｔ／Ｔｉ：積分係数（積分ゲイン）、
ＴＤ／Ｔ：微分係数（微分ゲイン）、
Ｔ：制御周期、
Ｋ３：定数、
の式により算出する。これは公知の比例積分微分動作の式である。
【００６９】
ステップ３４ではこのフィードバック量Ｑｆｂを用いて、実際の入口触媒温度Ｔ１を目標温度Ｔｂに一致させるための空気入口流量Ｑ１［ＮＬ／ｍｉｎ］を、
Ｑ１＝Ｑ１（前回）＋Ｑｆｂ…（８）
ただし、Ｑ１（前回）：Ｑ１の前回値、
の式により算出する。Ｑ１の初期値はゼロである。
【００７０】
例えば、実際の入口触媒温度Ｔ１が目標温度Ｔｂより低いときフィードバック量Ｑｆｂが正となり空気入口流量Ｑ１が増量され、この反対に実際の入口触媒温度Ｔ１が目標温度Ｔｂより高いときフィードバック量Ｑｆｂが負となり空気入口流量Ｑ１が減量される。
【００７１】
このようにしてＴ１をＴｂと一致させるための空気入口流量Ｑ１の算出を終了したら図３に戻り、ステップ７でこのＱ１とＱｎｅｅｄとを比較して値の小さい方を選択し、選択後の空気流量を選択空気流量Ｑｓｅｌとする。
【００７２】
例えばＱ１がＱｎｅｅｄより小さい場合とは、目標運転温度Ｔｍが低く設定されている状態であるかまたは、実際の入口触媒温度Ｔ１がＴｍに現在近い状態である。この状態でＱ１よりも大きなＱｎｅｅｄを与えるとすれば、過剰な空気供給によりピーク温度がＴｍを超えて高温になり、かつピーク温度が下流に過剰に移動してしまう。本実施形態では値の小さな方のＱ１を選択することで、こうした事態が生じることが防止される。
【００７３】
一方、Ｑ１がＱｎｅｅｄより大きい場合とは、Ｔｍが高く設定されている状態であるかまたは、実際の入口触媒温度Ｔ１がＴｍに現在到達してない状態である。この状態では値の小さな方のＱｎｅｅｄを選択することで、反応に必要な空気流量の全てであるＱｎｅｅｄを空気入口８ｄより供給できる。
【００７４】
ステップ８では、選択空気流量Ｑｓｅｌに対して、ピーク温度位置に応じた空気入口流量の減量補正を行う。すなわち、ピーク温度位置から図１１を内容とするテーブルを検索することにより、空気入口流量の減量補正値Ｑｇｅｎを演算し、選択空気流量Ｑｓｅｌからこの減量補正値Ｑｇｅｎを差し引いた値を、目標空気入口流量Ｑｍ１として、つまり
Ｑｍ１＝Ｑｓｅｌ−Ｑｇｅｎ…（９）
の式により目標空気入口流量Ｑｍ１を算出する。
【００７５】
減量補正値Ｑｇｅｎは、ピーク温度位置を温度センサ２２位置までもってきたいための空気入口流量の減量分で、図１１のようにピーク温度位置が改質器８の下流になるほど大きくしている。図１１の特性も予め行った実験データから作成する。
【００７６】
空気入口流量を減量補正して、改質器８の下流方向に移動したピーク温度位置を温度センサ２２位置へと移動させたい理由は、ピーク温度位置が温度センサ２２位置に一致するとき、改質効率が最適となるように改質器８を設計しているためである。
【００７７】
なお、図１１において温度センサ２２位置であるｂよりも左側の領域でＱｇｅｎ＝０としているのは、要求空気流量Ｑｎｅｅｄが空気入口流量Ｑ１より小さいとき、ピーク温度位置が温度センサ２２位置よりも前にくることあり、このときにも正の値の減量補正値Ｑｇｅｎを与えたのでは、ピーク温度位置を温度センサ２２位置にもってくることができなくなるからである。
【００７８】
ステップ９では、要求空気流量Ｑｎｅｅｄと目標空気入口流量Ｑｍ１との差分を空気中間流量の理想値Ｑ２ｒｉｓとして、すなわち
Ｑ２ｒｉｓ＝Ｑｎｅｅｄ−Ｑｍ１…（１０）
の式により空気中間流量理想値Ｑ２ｒｉｓを算出する。
【００７９】
ただし、（１０）式において差分がマイナスの値となった場合には無視してＱ２ｒｉｓ＝０とする。
【００８０】
このようにして算出した空気中間流量理想値Ｑ２ｒｉｓは、要求空気流量Ｑｎｅｅｄのうち空気入口８ｄから供給できない空気流量である。
【００８１】
ステップ１０では温度センサ２３位置の触媒温度を推定する。この推定については図１２により説明する。
【００８２】
図１２においてステップ４１で流量センサ２７、２８からの実際の空気流量Ｑｓｅｎ１、Ｑｓｅｎ２、温度センサ２３位置の実際の触媒温度Ｔ２を読み込む。
【００８３】
ステップ４２〜４４は空気入口流量の変化が温度センサ２３位置の触媒温度に与える温度変化分ｄＴ１を算出する部分、ステップ４５〜４７は空気中間流量の変化が温度センサ２３位置の触媒温度に与える温度変化分ｄＴ２を算出する部分である。ｄＴ１を考慮する必要があるのは、空気入口８ｄから供給した空気により空気入口８ｄ付近の触媒で酸化反応が活発になって温度が上昇し、この温度上昇が温度センサ２３位置の触媒温度に影響するためである。同様にして、ｄＴ２を考慮する必要があるのは、温度センサ２３位置より上流側に空気中間入口８ｆが設けられている場合に、空気中間入口８ｆから供給した空気により空気中間入口付近の触媒で酸化反応が活発になって温度が上昇し、この温度上昇が温度センサ２３位置の触媒温度に影響するためである。
【００８４】
これについて図１３を参照してさらに説明すると、空気入口流量がｔ１のタイミングでステップ的に増加したとき（最上段参照）、この変化に対応して温度センサ２３位置の触媒温度は、ステップ増加後の空気流量に対応する温度（図１３第２段目の一点鎖線参照）に対して、一次遅れで追従するものと考えられる（図１３第２段目の実線参照）。このとき、制御理論で良く知られている伝達関数Ｇ１（ｓ）（ｓはラプラス演算子）を用いれば、空気入口流量がステップ増加したタイミングを起点として、所定の期間先の温度センサ２３位置の触媒温度の変化を時系列に推定することが可能である。これを式で表すと次のようになる。
【００８５】
ｄＴ１＝Ｇ１（ｓ）×ｄＱ１…（１１ａ）
ただし、Ｇ１（ｓ）：伝達関数、
すなわち、空気入口流量がｄＱ１だけ変化したときの、温度センサ２３位置の触媒温度変化分ｄＴ１の所定の期間先までの時系列データを、ｄＱ１と伝達関数Ｇ１（ｓ）を用いて求めることができる（図１３第２段目の矢印参照）。
【００８６】
次に、空気中間流量がｔ２のタイミングでステップ的に増加したとき（図１３第３段目参照）、この変化に対応して温度センサ２３位置の触媒温度は、ステップ増加後の空気流量に対応する温度（図１３第４段目の一点鎖線参照）に対して、一次遅れで追従するものと考えられるため（図１３第４段目の実線参照）、推定方法は上記と同様にして行う。すなわち、伝達関数Ｇ２（ｓ）を用いれば、空気中間流量がｄＱ２だけステップ増加したタイミングを起点として、所定の期間先の温度センサ２３位置の触媒温度の変化を、式で表すと次のようになる。
【００８７】
ｄＴ２＝Ｇ２（ｓ）×ｄＱ２…（１２ａ）
ただし、Ｇ２（ｓ）：伝達関数、
従って、空気中間流量がｄＱ２だけ変化したときの、温度センサ２３位置の触媒温度変化分ｄＴ２の所定の期間先までの時系列データを、ｄＱ２と伝達関数Ｇ２（ｓ）を用いて求めることができる（図１３第４段目の矢印参照）。
【００８８】
ここで、上記の伝達関数Ｇ１（ｓ）、Ｇ２（ｓ）は予めステップ応答実験を行って求めておく。ただし、伝達関数Ｇ２（ｓ）は温度センサ２３位置の実際の触媒温度が同じでも伝達関数Ｇ１（ｓ）とは異なるので、伝達関数Ｇ２（ｓ）は別途作成する。
【００８９】
図１２に戻り、ステップ４２では空気入口流量の制御周期当たりの実際の変化分ｄＱ１を、
ｄＱ１＝Ｑｓｅｎ１−Ｑｓｅｎ１（前回）…（１３）
ただし、Ｑｓｅｎ１（前回）：Ｑｓｅｎ１の前回値、
の式により算出する。本実施形態では、図１２に示すサブルーチンの制御周期を図３に示すメインルーチンの制御周期と同じにしているが、図１２の制御周期を別途定めるようにしてもかまわない。
【００９０】
ステップ４３では温度センサ２３位置の実際の触媒温度Ｔ２に応じた伝達関数Ｇ１（ｓ）を選択する。
【００９１】
伝達関数Ｇ１（ｓ）は温度センサ２３位置の触媒温度に応じて複数作成している。複数の伝達関数を用意して温度センサ２３位置の実際の触媒温度Ｔ２に応じた伝達関数を選択させるのは、温度センサ２３位置の触媒温度が高い場合には空気入口流量の単位変化に対する温度センサ２３位置の触媒温度変化分が大きくなる特性があり、この特性を持たせるためである（図１４参照）。高負荷時には空気入口流量も高流量となるので温度変化分は高負荷になるほど大きくなる。
【００９２】
ステップ４４では選択した伝達関数Ｇ１（ｓ）とｄＱ１とを用いて、空気入口流量が制御周期当たりｄＱ１だけ変化したときの、温度センサ２３位置の触媒温度変化分ｄＴ１の所定の期間先までの時系列データを算出する。
【００９３】
ステップ４５では空気中間流量の制御周期当たりの実際の変化分ｄＱ２を、
ｄＱ２＝Ｑｓｅｎ２−Ｑｓｅｎ２（前回）…（１４）
ただし、Ｑｓｅｎ２（前回）：Ｑｓｅｎ２の前回値、
の式により算出する。
【００９４】
ステップ４６では温度センサ２３位置の実際の触媒温度Ｔ２に応じた伝達関数Ｇ２（ｓ）を選択し、ステップ４７においてこの選択した伝達関数Ｇ２（ｓ）とｄＱ２とを用いて、空気中間流量が制御周期当たりｄＱ２だけ変化したときの、温度センサ２３位置の触媒温度変化分ｄＴ２の所定の期間先までの時系列データを算出する。
【００９５】
そして、ステップ４８では温度センサ２３位置の触媒温度変化分ｄＴ１の時系列データともう一つの温度センサ２３位置の触媒温度変化分ｄＴ２の時系列データとを温度センサ２３位置の実際の触媒温度Ｔ２に加算することにより、つまり温度センサ２３位置の触媒温度推定値Ｔ２ｓｕｉの時系列データを、
0003709852.tif 000003
の式により算出する。
【００９６】
このようにして、空気入口流量や空気中間流量がステップ増加したとき、そのステップ増加した各タイミングを起点として所定の期間先までの温度センサ２３位置の触媒温度推定値の時系列データを求めることができる。
【００９７】
なお、（１５）式のｄＴ１、ｄＴ２の時系列データは正の値も採るし負の値も採る。入口空気流量、中間空気流量の変化分ｄＱ１、ｄＱ２が正のときにはｄＴ１、ｄＴ２の時系列データが正の値となり、この反対に各空気流量の変化分が負のときにはｄＴ１、ｄＴ２の時系列データが負の値となる。
【００９８】
Ｇ１（ｓ）、Ｇ２（ｓ）の各伝達関数を複数用意する代わりに、各伝達関数は温度センサ２３位置の基準触媒温度に対するもの１つずつとし、温度センサ２３位置の実際の触媒温度Ｔ２に基づいて温度補正値を算出し、これらに基づいてｄＴ１、ｄＴ２の時系列データを算出するようにしてもよい。この方法について述べると、これは（１５）式のｄＴ１の時系列データ、ｄＴ２の時系列データを次のようにして求めるものである。すなわち、温度センサ２３位置の触媒温度が基準触媒温度である場合において空気入口流量が制御周期当たりｄＱ１だけ変化したときの、温度センサ２３位置の触媒温度変化分ｄＴ１の所定の期間先までの時系列データを、ｄＱ１と温度センサ２３位位置の基準触媒温度に対する伝達関数Ｇ１０（ｓ）を用いて算出し、これら時系列データにそれぞれ温度補正値１を加えた値を、改めてｄＴ１の時系列データとする。
【００９９】
ｄＴ１の時系列データ
＝基準触媒温度時のｄＴ１の時系列データ＋温度補正値１…（１６）同様にして、温度センサ２３位置の触媒温度が基準触媒温度である場合において中間空気流量が制御周期当たりｄＱ２だけ変化したときの、温度センサ２３位置の触媒温度変化分ｄＴ２の所定の期間先までの時系列データを、ｄＱ２と基準触媒温度に対する伝達関数Ｇ２０（ｓ）を用いて算出し、これら時系列データにそれぞれ温度補正値２を加えた値を、改めてｄＴ２の時系列データとする。
【０１００】
0003709852.tif 000004
ここで、（１６）、（１７）式の温度補正値１、２は図１５に示したように温度センサ２３位置の実際の触媒温度Ｔ２が基準触媒温度より高くなるほど大きくなる値である。
【０１０１】
このようにして温度センサ２３位置の触媒温度推定値Ｔ２ｓｕｉの算出を終了したら図３に戻り、ステップ１１ではこのＴ２ｓｕｉに基づいて、Ｔ２ｓｕｉの所定の期間先までの時系列データの中の最大値が上限温度Ｔｍａｘを超えることがないように、目標空気中間流量Ｔｍ２を算出する。この算出については図１６により説明する。
【０１０２】
図１６においてステップ５１で、温度センサ２３位置の触媒温度推定値Ｔ２ｓｕｉの時系列データの最大値が上限温度Ｔｍａｘ以下であるかどうかみる。
【０１０３】
ここで、上限温度Ｔｍａｘは目標運転温度Ｔｍ（例えば４００℃）より少し高い値を設定する。簡単にはＴｍと等しくしてもかまわない。
【０１０４】
Ｔ２ｓｕｉの時系列データの最大値が上限値Ｔｍａｘ以下である場合にはステップ５２に進み、上記の空気中間流量理想値Ｑ２ｒｉｓをそのまま目標空気中間流量Ｑｍ２とする。
【０１０５】
一方、Ｔ２ｓｕｉの時系列データの最大値がＴｍａｘを越える場合とは、例えば図１７に示したように、Ｑ１（ただしＱ１＜Ｑｎｅｅｄの場合）にｄＱ１の流量増加があった場合に、Ｔ２ｓｕｉの時系列データのうち時間的に遅い側がＴｍａｘを超える場合である（図１７下段の実線参照）。このときには空気中間流量理想値Ｑ２ｒｉｓをそのま空気中間入口８ｆから供給したのでは大きすぎるので、Ｑ２ｒｉｓより小さな流量としてやる必要がある。このため、ステップ５１よりステップ５３に進んで温度センサ２３位置の実際の触媒温度Ｔ２を読み込み、この温度Ｔ２からステップ５４において図１８を内容とするテーブルを検索することにより、空気中間流量の減量側補正値ｄＱｇｅｎを演算する。
【０１０６】
図１８のように減量側補正値ｄＱｇｅｎは、温度センサ２３位置の実際の触媒温度Ｔ２が高くなるほど負の値で大きくしている。これは、Ｔ２が高い場合には空気中間流量の単位変化に対する温度センサ２３位置の触媒温度変化分が大きくなる特性があるので、これを考慮して計算誤差を少なくするようにしたものである。
【０１０７】
ステップ５５では空気中間流量理想値Ｑ２ｒｉｓにこの負の値である減量分ｄＱｇｅｎを加算した値を改めて空気中間流量理想値Ｑ２ｒｉｓ’として、
Ｑ２ｒｉｓ’＝Ｑ２ｒｉｓ＋ｄＱｇｅｎ…（１８）
の式により算出する。
【０１０８】
ここで、Ｑ２ｒｉｓ’はＱ２ｒｉｓより小さな値である。
【０１０９】
ステップ５６では空気中間流量がＱ２ｒｉｓ’の状態から｜ｄＱｇｅｎ｜だけステップ増加するときの伝達関数Ｇ２’（ｓ）を選択し、ステップ５７においてこの伝達関数Ｇ２’（ｓ）と｜ｄＱｇｅｎ｜とを用いて、空気中間流量がＱ２ｒｉｓ’の状態から｜ｄＱｇｅｎ｜だけ増加するときの、温度センサ２３位置の触媒温度変化分ｄＴ２の所定の期間先までの時系列データを算出する。
【０１１０】
そして、ステップ５８ではこのｄＴ２の時系列データを温度センサ２３位置の実際の触媒温度Ｔ２に加算することにより、温度センサ２３位置の触媒温度推定値Ｔ２ｓｕｉの時系列データを、つまり、
Ｔ２ｓｕｉの時系列データ＝Ｔ２＋ｄＴ２の時系列データ…（１９）
の式により算出する。
【０１１１】
ステップ５９ではこのようにして算出した温度センサ２３位置の触媒温度推定値Ｔ２ｓｕｉの時系列データの最大値が、再び触媒の上限温度Ｔｍａｘ以下であるかどうかみる。
【０１１２】
ここで、Ｔ２ｓｕｉの時系列データの最大値が上限温度Ｔｍａｘを超えていない場合とは、空気中間流量の｜ｄＱｇｅｎ｜の減量によって（図１７最上段の破線鎖線）、図１７最下段の一点鎖線で示したようにＴ２ｓｕｉの時系列データが最大値Ｔｍａｘを下回った場合である。この場合にはステップ６０に進み、Ｑ２離ｓから｜ｄＱｇｅｎ｜だけ減量した値であるＱ２ｒｉｓ’を目標空気中間流量Ｑｍ２として算出する。
【０１１３】
一方、Ｔ２ｓｕｉの時系列データの最大値が上限温度Ｔｍａｘを超えている場合には、ステップ５９よりステップ６１に進み、減量側補正値ｄＱｇｅｎを一定値ｄＱだけ増やしてステップ５５〜５９の操作を繰り返す。この繰り返しによりやがてＴ２ｓｕｉの時系列データの最大値が上限温度Ｔｍａｘ以下になったらステップ６０の操作を実行して、図１６の処理を終える。
【０１１４】
なお、ステップ５５〜５９、６１の操作の繰り返しは制御速度が速いこともあって一瞬で終わる。
【０１１５】
このようにして目標空気中間流量Ｑｍ２の算出を終了したら図３に戻り、ステップ１２でこの目標空気中間流量Ｑｍ２と目標空気入口流量Ｑｍ１とを出力レジスタに移す。
【０１１６】
図示しないフローでは、このようにして算出した目標空気入口流量Ｑｍ１の空気が空気入口８ｄより供給されるように流量制御弁１２の開度を制御すると共に、目標空気中間流量Ｑｍ２の空気が空気中間入口８ｆより供給されるように流量制御弁１４の開度を制御する。
【０１１７】
これらの流量制御弁１２、１４に代えて、ガス流体用の流量制御一体型の制御弁を用いてもかまわない。当該制御弁では流量センサを内蔵しており、算出した目標空気流量Ｑｍ１、Ｑｍ２を入力として与えると、この値と内蔵の流量センサにより検出される実流量とが一致するように弁開度が駆動される。
【０１１８】
ここで、本実施形態の作用効果を説明する。
【０１１９】
温度センサ２２（気体入口触媒温度検出手段）位置の実際の触媒温度Ｔ１が温度センサ２２位置の目標温度Ｔｂと一致するように算出した空気入口流量Ｑ１が、原料流量に基づいて算出した要求空気流量Ｑｎｅｅｄより小さい場合とは、目標運転温度Ｔｍが低く設定されている状態であるか、または空気入口８ｄの実際の触媒温度Ｔ１が目標運転温度Ｔｍに現在近い状態である。この状態で値の大きい方の要求空気流量Ｑｎｅｅｄを選択すると、過剰な空気の供給によりピーク温度が目標運転温度Ｔｍを大きく超えて高温になったり、ピーク温度位置が下流に過剰に移動するのであるが、本実施形態（請求項４に記載の発明）によれば、この状態で値の小さい方の空気入口流量Ｑ１を選択するので、ピーク温度が目標運転温度Ｔｍを超えて高温になったり、ピーク温度位置が下流に過剰に移動することを抑制できる。
【０１２０】
一方、空気入口流量Ｑ１が要求空気流量Ｑｎｅｅｄより大きい場合とは、目標運転温度Ｔｍが高く設定されている状態であるか、または空気入口８ｄの実際の触媒温度Ｔ１が目標運転温度Ｔｍに現在到達してない状態である。この状態では反応に必要な空気流量の全てである要求空気流量Ｑｎｅｅｄを空気入口８ｄより供給できる。
【０１２１】
また、空気入口流量Ｑ１より要求気体流量Ｑｎｅｅｄが大きい場合に、空気入口流量Ｑ１を空気入口８ｄより供給すると、ピーク温度位置が上流側に移動するが、これは、ピーク温度の部分で空気入口８ｄより供給した空気中の酸素がほとんど反応しきったことを意味し、このままであればピーク温度位置より下流側は下流になるほど温度が低下する。本実施形態（請求項５に記載の発明）によれば、要求空気流量Ｑｎｅｅｄのうち、空気入口８ｄより供給できなかった空気の流量（Ｑｎｅｅｄ−Ｑ１）を空気中間入口８ｆより供給するので、空気中間入口８ｆ付近の触媒温度を高めることができる。
【０１２２】
本実施形態（請求項６の発明）によれば、選択空気流量Ｑｓｅｌをピーク温度位置に基づいて減量補正することでも、ピーク温度位置が改質器８の下流方向に過剰に移動することを抑制することができ、かつ上流側で温度の低かった部分の温度を上昇させることができる。
【０１２３】
本実施形態（請求項７の発明）によれば、ピーク温度位置が改質器下流方向に移動するほど、選択空気流量の減量補正値Ｑｇｅｎを増やすので、負荷が相違してもピーク温度位置をほぼ同じ位置にもってくることができる。
【０１２４】
本実施形態（請求項８の発明）によれば、ピーク温度位置が目標運転温度Ｔｍとなるように生成した温度分布プロファイルの中で、温度センサ２２位置に相当する温度を、温度センサ２２位置の目標温度Ｔｂとして算出するので、ピーク温度位置が下流側に移動しても、ピーク温度位置が目標運転温度Ｔｍを超えないようにすることができる。
【０１２５】
本実施形態（請求項１０に記載の発明）によれば、改質器内ガス流速νが速くなるほどピーク温度が改質器の下流側へ移動すると推定するので、改質器内ガス流速が相違してもピーク温度位置を精度良く与えることができる。
【０１２６】
空気入口流量がステップ増加すると、この影響を受けて温度センサ２３位置（気体中間入口付近）の触媒温度が上昇する。この温度上昇分を考慮することなく、空気入口８ｄの実際の触媒温度Ｔ１がこの温度センサ２３位置の目標温度Ｔｂと一致するように算出した空気流量Ｑ１より、要求空気流量Ｑｎｅｅｄが大きい場合に、その差の流量Ｑ２ｒｉｓの空気をそのまま空気中間入口８ｆより供給するとすれば、温度センサ２３位置の触媒温度が上限温度Ｔｍａｘを超えてしまうことが考えられる。本実施形態（請求項１２に記載の発明）によれば、この温度上昇分を含んだ温度センサ２３位置の触媒温度を推定し、その所定期間先の温度センサ２３位置の触媒温度の推定値Ｔ２ｓｕｉが上限温度Ｔｍａｘを超えるときには超えないように空気中間流量を減量側に補正するので、空気入口流量がステップ増加するときでも、温度センサ２３位置の触媒温度が上限温度Ｔｍａｘを超えてしまうことを回避できる。
【０１２７】
同様にして、空気中間流量がステップ増加すると、この影響を受けて温度センサ２３位置の触媒温度が上昇する。この温度上昇分を考慮することなく、空気入口８ｄの実際の触媒温度Ｔ１が温度センサ２２位置の目標温度Ｔｂと一致するように算出した空気入口流量Ｑ１より、要求空気流量Ｑｎｅｅｄが大きい場合に、その差の流量Ｑ２ｒｉｓの空気をそのまま空気中間入口８ｆより供給するとすれば、温度センサ２３位置の触媒温度が上限温度Ｔｍａｘを超えてしまうことが考えられる。本実施形態（請求項１３に記載の発明）によれば、この温度上昇分を含んだ温度センサ２３位置の触媒温度を推定し、その所定期間先の温度センサ２３位置の触媒温度の推定値Ｔ２ｓｕｉが上限温度Ｔｍａｘを超えるときには超えないように空気中間流量を減量側に補正するので、空気中間流量がステップ増加するときでも、温度センサ２３位置の触媒温度が上限温度Ｔｍａｘを超えてしまうことを回避できる。
【０１２８】
高負荷になるほど空気入口８ｄより供給される空気の単位流量変化に対する温度センサ２３位置の触媒温度変化が大きくなる特性を有するので、この特性を考慮しないとすれば、所定期間先の温度センサ２３位置の触媒温度を推定するのに用いる、空気中間流量の減量側補正値ｄＱｇｅｎに過不足が生じる。これに対して本実施形態（請求項１５に記載の発明）によれば、所定期間先の温度センサ２３位置の触媒温度の推定値Ｔ２ｓｕｉが上限温度Ｔｍａｘを超えるときに、その上限温度Ｔｍａｘからの温度上昇分が大きいほど、空気中間流量の減量側補正値ｄＱｇｅｎを大きくするので、負荷に関係なく空気中間流量の減量側補正値ｄＱｇｅｎを精度良く与えることができる。
【０１２９】
前述した実施形態のほかに次の他の実施形態が考えられる。
【０１３０】
他の実施形態１：図２に示した改質器であることを前提とし、部分酸化反応に必要な空気流量である要求空気流量Ｑｎｅｅｄを原料流量に基づいて算出する要求空気流量算出手段と、改質器内部のピーク温度位置を推定するピーク温度位置推定手段と、このピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動したとき、前記要求空気流量Ｑｎｅｅｄを減量側に補正して空気入口流量Ｑ１を算出する空気入口流量算出手段と、この算出した空気入口流量Ｑ１が空気入口から供給されるように流量制御弁１２の開度を制御する制御手段とを備える。
【０１３１】
この他の実施形態１（請求項１に記載の発明）による作用効果を次に説明する。
【０１３２】
図１９に示したように基準負荷のときピーク温度が基準ピーク温度位置ｚｐ０にくるように、基準負荷に対応する要求空気流量Ｑｎｅｅｄを設定している場合に（図１９上段参照）、基準負荷より負荷が大きくなって原料を増加し、これに応じて要求空気流量Ｑｎｅｅｄを増加し、その要求空気流量Ｑｎｅｅｄを空気入口８ｄより供給したのでは、ピーク温度が目標運転温度Ｔｍを超えたり、ピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動する（図１９下段の一点鎖線参照）。
【０１３３】
そして、ピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動すると、改質器入口側に触媒温度が低くなる領域（不活性な触媒領域）が生じ、これにより水素を含む改質ガスの生成量が不足するのであるが、他の実施形態１（請求項１に記載の発明）によれば、ピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動したとき、要求空気流量Ｑｎｅｅｄを減量側に補正して空気入口流量Ｑ１を算出し、この算出した空気入口流量Ｑ１が空気入口８ｄから供給されるようにするので、ピーク温度位置が目標運転温度Ｔｍを超えてしまったり基準ピーク温度位置より下流側に移動することを抑制できる。すなわち、空気入口８ｄに流入する過剰な空気を減らすことで、改質器８内部のガス流速が低下してガスの滞留時間が長くなり酸化反応が改質器８上流側の触媒で生じ、これにより、ピーク温度が目標運転温度Ｔｍを超える高温になることを防止できると共に、改質器８入口側に不活性な触媒領域が生じることを回避できる（図２０中段の実線参照）。
【０１３４】
他の実施形態２：要求空気流量Ｑｎｅｅｄのうち空気入口８ｄから供給されなかった空気が空気中間入口８ｆより供給されるように流量制御弁１４の開度を制御する。
【０１３５】
この他の実施形態２（請求項３に記載の発明）による作用効果を次に説明する。
【０１３６】
要求空気流量Ｑｎｅｅｄを減量補正した値である空気入口流量Ｑ１を空気入口８ｄより供給すると、ピーク温度位置が改質器８の上流側に移動するが、これは、ピーク温度の部分で空気入口８ｄより供給した空気中の酸素がほとんど反応しきったことを意味し、このままであればそのピーク温度位置より下流側は下流になるほど温度が低下する。他の実施形態２（請求項３に記載の発明）によれば、要求空気流量Ｑｎｅｅｄのうち、空気入口８ｄより供給できなかった空気の流量（Ｑｎｅｅｄ−Ｑ１）を空気中間入口８ｆより供給するので、空気中間入口８ｆ付近の触媒温度を高めることができる（図２０下段の破線参照）。
【０１３７】
実施例では、空気入口８ｄより供給される実際の空気流量Ｑｓｅｎ１と空気中間入口８ｆより供給される実際の空気流量Ｑｓｅｎ２とが変化したときの所定期間先の温度センサ２３位置の触媒温度を推定する場合で説明したが、簡単には空気入口８ｄより供給される実際の空気流量Ｑｓｅｎ１のみが変化したときの、あるいは空気中間入口８ｆより供給される実際の空気流量Ｑｓｅｎ２のみが変化したときの所定期間先の温度センサ２３位置の触媒温度を推定する場合でもかまわない。
【０１３８】
実施形態ではメタノール改質の場合で述べたが、本発明は、ガソリン改質など他の改質仕様にも適用が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料改質システムの概略構成図。
【図２】改質器の概略構成図。
【図３】目標空気流量の算出を説明するためのフローチャート。
【図４】改質器内ガス流量の推定を説明するためのフローチャート。
【図５】要求空気流量の算出を説明するためのフローチャート。
【図６】水流量の特性図。
【図７】メタノール流量の特性図。
【図８】ピーク温度位置の特性図。
【図９】温度分布プロファイルの作成を説明するための特性図。
【図１０】空気入口流量の算出を説明するためのフローチャート。
【図１１】空気入口流量の減量補正値の特性図。
【図１２】温度センサ２３位置の触媒温度の推定を説明するためのフローチャート。
【図１３】空気入口流量と空気中間流量の各ステップ増加が温度センサ２３位置の触媒温度に与える影響を説明するための波形図。
【図１４】単位空気流量変化に対する温度センサ２３位置の温度変化分が負荷の違いによって異なることを説明するための特性図。
【図１５】温度補正値の特性図。
【図１６】目標空気中間流量の算出を説明するためのフローチャート。
【図１７】空気中間流量の減量を説明するための波形図。
【図１８】減量側補正値の特性図。
【図１９】従来装置の作用を説明する波形図。
【図２０】請求項１に記載の発明の作用を説明する波形図。
【符号の説明】
８  改質器
８ａ  円筒状ケース
８ｂ  触媒
８ｃ  原料入口
８ｄ  空気入口（気体入口）
８ｅ  ガス出口
８ｆ  空気中間入口（気体中間入口）
１２  流量制御弁（気体入口流量調整手段）
１４  流量制御弁（気体中間入口流量調整手段）
２１  コントローラ
２２  温度センサ（気体入口触媒温度検出手段）
２３  温度センサ（気体中間入口触媒温度検出手段）
２５  圧力センサ
２６  圧力センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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