(57)【要約】【課題】負荷応答性が高く、かつ、負荷変動に伴う改質性能の低下を抑制できる燃料改質器を提供すること。【解決手段】燃料改質器は、改質触媒コンバータへの燃料供給量及び空気供給量を調整する燃料供給装置及び空気供給装置と、改質触媒コンバータを加熱するヒータと、を備える。燃料改質器の制御装置は、所定の改質ガス要求量に応じた量の改質ガスを生成するように燃料供給量及び空気供給量を調整した場合における改質性能の低下を、触媒温度予測値と閾値を比較することで予測する（Ｓ２，Ｓ３）。ここで、改質性能の低下が予測された場合には、ヒータを制御し改質触媒コンバータを昇温し（Ｓ４）、そして改質ガス要求量に応じた量の改質ガスを生成するように燃料供給量及び空気供給量を調整する（Ｓ５）。【選択図】図６
2011144053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料及び空気を含む原料を改質触媒に供給することにより改質ガスを生成する燃料改質器及びその制御装置であって、
前記改質触媒に供給される燃料の流量及び空気の流量を調整する流量調整機構と、
前記改質触媒を加熱する加熱器と、
所定の要求量に応じた量の改質ガスを生成するように燃料及び空気の流量を調整した場合における、改質性能の低下を予測する改質性能予測手段と、
当該改質性能予測手段により改質性能の低下が予測された場合には、前記加熱器を制御し前記改質触媒を昇温する触媒温度制御手段と、
前記要求量に応じた量の改質ガスを生成するように前記流量調整機構を制御する流量制御手段と、を備えることを特徴とする燃料改質器及びその制御装置。
【請求項２】
前記流量制御手段は、前記改質性能予測手段により改質性能の低下が予測された場合、前記触媒温度制御手段により前記改質触媒の昇温を開始した後に、前記流量調整機構の制御を開始することを特徴とする請求項１に記載の燃料改質器及びその制御装置。
【請求項３】
前記改質性能予測手段は、要求量に応じた量の改質ガスを生成するように燃料及び空気の流量を調整した場合における前記改質触媒の温度を予測し、当該温度の予測値が所定値未満である場合には、改質性能が低下すると予測することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料改質器及びその制御装置。
【請求項４】
前記加熱器の発熱源は、原料の流路のうち前記改質触媒よりも上流側に設けられることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の燃料改質器及びその制御装置。
【請求項５】
前記流量制御手段は、流量調整機構を制御し燃料の流量及び空気の流量を調整する際には、原料の酸素と炭素の比率を所定の設定値に維持することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の燃料改質器及びその制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料及び空気を含む原料を改質触媒に供給することにより改質ガスを生成する燃料改質器に関する。より詳しくは、改質触媒を加熱する加熱器を備えた燃料改質器に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素エネルギーはクリーンなエネルギーであり、燃料電池や内燃機関などのエネルギー源として、将来的に利用の拡大が期待されている。内燃機関に関しては、水素を動力源とした水素内燃機関及び水素添加内燃機関、水素を還元剤とするＮＯｘ浄化装置、及び燃料電池を用いた補助電源などについての研究がなされている。
【０００３】
水素を製造する装置としては、炭化水素燃料を改質することで水素を製造する改質触媒を備えた燃料改質器が提案されている。改質触媒における改質反応としては、例えば、次式に示すような炭化水素の部分酸化反応により、水素と一酸化炭素とを含む改質ガスを製造する反応が知られている。
ＣｎＨｍ＋１／２ｎＯ２→ｎＣＯ＋１／２ｍＨ２
【０００４】
この部分酸化反応は、燃料と酸素を用いた発熱反応であり、自発的に反応が進行する。このため、一旦、反応が始まると、外部から熱の供給をすることなく水素の製造し続けることができる。また、このような部分酸化反応において、燃料と酸素とを高温状態で共存させた場合には、次式に示すような燃焼反応も改質触媒において進行する。
ＣｎＨｍ＋（ｎ＋１／４ｍ）Ｏ２→ｎＣＯ２＋１／２ｍＨ２Ｏ
【０００５】
改質反応としては、部分酸化反応の他、次式のような水蒸気改質反応も知られている。
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋１／２ｍ）Ｈ２
この水蒸気改質反応は、燃料と水蒸気とを用いた吸熱反応であり、自発的に進行する反応ではない。このため、水蒸気改質反応は、上述の部分酸化反応に対して制御しやすいものとなっている。
【０００６】
以上のような燃料改質器を、自動車上で使用することを検討する。
この場合、燃料改質器の燃料として、ガソリンや軽油など自動車用燃料を用いることが考えられるが、自動車用燃料のような炭素数が多い炭化水素燃料を用いる場合、分子サイズが大きくなり分解に高いエネルギーが必要となる。このため、例えばロジウムなどの貴金属を担持した改質触媒で、部分酸化反応や水蒸気改質反応により高い効率で水素を生成するためには、改質触媒の反応温度を約８００〜１０００℃の高温に維持する必要がある。
【０００７】
また、走行する自動車上で燃料改質器を運転する場合、定置で燃料改質器を運転する場合と比較して、要求される改質ガスの量は状況に応じて大きく変化するので、燃料改質器には高い負荷応答性が求められる。しかしながら、改質ガスの生成量が変化すると改質触媒の温度も変化してしまい、上述のように水素を生成する効率が低下してしまうので、改質触媒の温度は一定に保たれていることが好ましい。
【０００８】
燃料改質器の負荷応答性を向上する技術として、例えば特許文献１には、２つの燃料改質器を同時に運転することで、低負荷運転モードと、低負荷運転モードよりも多くの改質ガスを生成可能な高負荷運転モードとの２種類を切り換えることが可能なシステムが提案されている。このシステムでは、低負荷運転モード時には、改質ガスの生成を主に１つの燃料改質器でまかない、残りの燃料改質器は待機状態とし改質触媒の温度が低下しないようにする。また、高負荷運転モード時には、２つの燃料改質器で改質ガスを生成することにより、低負荷運転モード時よりも多くの量の改質ガスを生成する。これにより、改質ガスの要求量の変化に応じて、速やかに生成量を変化させることができる。
【０００９】
また、改質触媒の温度変化を抑制する技術として、例えば特許文献２には、円筒状の真空断熱容器を用いた燃料改質器が提案されている。この燃料改質器では、真空断熱容器の内筒内に、燃焼ガスが流通する炉筒を設け、この炉筒と内筒との間に複数の改質管を配置する。このような真空断熱容器に改質管を配置することにより、改質管に入熱する燃焼ガスの偏流や外部への放熱を抑制することができる。
【００１０】
上記特許文献２の他、特許文献３には、耐熱性断熱材で形成された燃焼バーナー、一酸化炭素浄化部、及び蒸発部を一体化した外側一体構造体の内側に、改質部、冷却部、及び一酸化炭素シフト反応部を一体化した内側一体構造体を配置して構成された燃料改質器が提案されている。このような構成により、改質部の熱や、改質部を加熱するための燃焼バーナーの熱が外部に放散するのを抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−２７７００５号公報
【特許文献２】特開２００４−７５４３５号公報
【特許文献３】特許４２６８００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら特許文献１の技術では、運転モードは低負荷運転モードと高負荷運転モードとの２種類しか選択できないため、大まかな要求量の変化にしか対応することができない。つまり、この技術では、２つの燃料改質器を運転することで要求量に応じた量の改質ガスを生成しているため、２段階より多くの要求量の変化に対応することが根本的に困難であり、結果として無駄な燃料消費が多くなる。また、複数の燃料改質器を備えることにより、触媒コンバータ、供給デバイス、センサなどの部品点数が増加するため、コストが増加、装置の大型化、システムの複雑化などの課題がある。
【００１３】
また、特許文献２や特許文献３の技術では、改質部を加熱する燃焼ガスの流路を外部と断熱することにより、燃料改質器全体の熱効率を向上することができるものの、部分酸化反応や自己熱改質などの発熱反応において、空気や燃料の供給量が変わることによる改質部の温度変化を抑制することはできない。したがって、このような断熱技術により、負荷変動に伴う改質部の温度変化を抑制することはできない。
【００１４】
本発明は、負荷応答性が高く、かつ、負荷変動に伴う改質性能の低下を抑制できる燃料改質器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため本発明は、燃料及び空気を含む原料を改質触媒（例えば、後述の改質触媒コンバータ２）に供給することにより改質ガスを生成する燃料改質器（例えば、後述の燃料改質器１）及びその制御装置（例えば、後述の制御装置７）を提供する。前記燃料改質器及び制御装置は、前記改質触媒に供給される燃料の流量（例えば、後述の燃料供給量）及び空気の流量（例えば、後述の空気供給量）を調整する流量調整機構（例えば、後述の燃料供給装置４１及び空気供給装置４２）と、前記改質触媒を加熱する加熱器（例えば、後述のヒータ５）と、所定の要求量に応じた量の改質ガスを生成するように燃料及び空気の流量を調整した場合における、改質性能の低下を予測する改質性能予測手段（例えば、後述の制御装置７及び図６中ステップＳ２，Ｓ３の実行に係る手段）と、当該改質性能予測手段により改質性能の低下が予測された場合には、前記加熱器を制御し前記改質触媒を昇温する触媒温度制御手段（例えば、後述の制御装置７及び図６中ステップＳ４の実行に係る手段）と、前記要求量に応じた量の改質ガスを生成するように前記流量調整機構を制御する流量制御手段（例えば、後述の制御装置７及び図６中ステップＳ５の実行に係る手段）と、を備える。
【００１６】
この発明によれば、改質性能予測手段は、所定の要求量に応じた量の改質ガスを生成するように燃料及び空気の流量を調整した場合における改質性能の低下を予測する。そして、触媒温度制御手段は、改質性能の低下が予測された場合には加熱器を制御し改質触媒を昇温し、流量制御手段は、要求量に応じた量の改質ガスを生成するように流量調整機構を制御する。このように、改質性能の低下が予測された場合に改質触媒を昇温し、要求量に応じた量の改質ガスを生成するように燃料及び空気の流量を調整することにより、要求量の変動に応じて適切な量の改質ガスを生成しながら、改質触媒の温度が低下することによる改質性能の低下を抑制することができる。つまり、要求量の変動すなわち負荷変動に伴う改質性能の低下を抑制しながら、応答性良く改質ガスを生成することができる。また、改質性能が低下すると予測されたときに、加熱器を制御し改質触媒を昇温することにより、必要としないときに加熱器を駆動することによる余分なエネルギーの消費を抑制することができる。
【００１７】
この場合、前記流量制御手段は、前記改質性能予測手段により改質性能の低下が予測された場合、前記触媒温度制御手段により前記改質触媒の昇温を開始した後に、前記流量調整機構の制御を開始することが好ましい。
【００１８】
この発明によれば、改質性能の低下が予測された場合には、要求量に応じて燃料及び空気の流量の調整を開始する前に、改質触媒の昇温を開始しておくことにより、燃料及び空気の流量を調整している間に改質触媒の温度が低下し改質性能が大きく低下してしまうのを、より確実に防ぐことができる。
【００１９】
この場合、前記改質性能予測手段は、要求量に応じた量の改質ガスを生成するように燃料及び空気の流量を調整した場合における前記改質触媒の温度を予測し、当該温度の予測値（例えば、後述の触媒温度予測値）が所定値（例えば、後述の閾値）未満である場合には、改質性能が低下すると予測することが好ましい。
【００２０】
この発明によれば、要求量に応じて算出した改質触媒の温度の予測値が所定値未満である場合に改質性能が低下すると予測し、加熱器を制御し改質触媒を昇温する。これにより、要求量の変動によらず、改質反応は、基本的には上記所定値以上の温度の改質触媒のもとで行われることとなる。これにより、要求量の変動に伴う改質性能の低下の抑制に加えて、燃料転化率を高くすることができる。また、改質触媒の温度が低い場合には、改質触媒にコークが付着し、最悪の場合には改質触媒が閉塞してしまう場合もあるが、この発明によれば、このようなコークの付着を抑制することもできる。
【００２１】
この場合、前記加熱器の発熱源は、原料の流路のうち前記改質触媒よりも上流側に設けられることが好ましい。
【００２２】
この発明によれば、原料の流路のうち改質触媒よりも上流側に加熱器の発熱源を設けることにより、発熱源で発生した熱量を効率良く改質触媒に伝熱することができる。したがって、要求に応じて速やかに改質触媒を昇温することができる。
【００２３】
この場合、前記流量制御手段は、流量調整機構を制御し燃料の流量及び空気の流量を調整する際には、原料の酸素と炭素の比率を所定の設定値に維持することが好ましい。
【００２４】
改質触媒に供給する原料の酸素と炭素の比率を変えると、改質反応は質的に異なったものとなる。このため、この酸素と炭素の比率は、改質触媒の性能及び状態や、改質ガスに要求される成分などに応じて最適な値に設定される。この発明によれば、流量制御手段は、流量調整機構を制御し燃料及び空気の流量を調整する際、原料の酸素と炭素の比率を所定の設定値に維持することにより、改質反応を質的に変えることなく最適な設定に維持しながら、改質ガスの生成量のみを要求量に応じて変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料改質装置及びその制御装置の構成を示す模式図である。
【図２】試験例１及び試験例２の改質性能評価試験の結果を示す図である。
【図３】試験例１及び試験例２の改質性能評価試験の結果を示す図である。
【図４】試験例１の改質性能評価試験の結果を示す図である。
【図５】試験例２の改質性能評価試験の結果を示す図である。
【図６】上記実施形態に係る燃料改質器の制御の手順を示すフローチャートである。
【図７】改質ガス要求量に基づいて触媒温度予想値を算出するマップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料改質器１及びその制御装置７の構成を示す模式図である。なお以下では、この燃料改質器１及び制御装置７を、図示しない車両に搭載し、内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置に応用した場合について説明する。
【００２７】
燃料改質器１は、改質触媒コンバータ２と、この改質触媒コンバータ２を収容するケーシング３と、ケーシング３内の改質触媒コンバータ２に燃料と空気を混合した原料を供給する供給装置４と、改質触媒コンバータ２を加熱するヒータ５と、改質触媒コンバータ２の温度を検出する温度センサ６と、を含んで構成される。
【００２８】
改質触媒コンバータ２は、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、及びコバルトよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属触媒成分と、セリア、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、及びゼオライトよりなる群から選ばれる少なくとも１種の酸化物又はこれらを基本組成とした複合酸化物と、を含んで構成される。この改質触媒コンバータ２は、供給装置４から噴射された原料を改質し、水素及び一酸化炭素の他、軽質炭化水素を含む改質ガスを生成する。より具体的には、この改質触媒コンバータ２は、原料を構成する炭化水素と酸素との部分酸化反応により、上記改質ガスを生成する。
【００２９】
改質触媒コンバータ２の調製方法については特に限定されず、従来公知の含浸法により調製される。例えば、所定の質量比になるように配合した触媒粉末を、バインダー及び水系媒体とともにボールミルに投入して攪拌、混合することでスラリーを調製する。次いで、調製したスラリーを、コージエライト製のハニカム担体にウォッシュコートし、所定の条件で乾燥、焼成することにより、改質触媒コンバータ２が得られる。
【００３０】
温度センサ６は、改質触媒コンバータ２の温度（以下、「触媒温度」という）を検出し、検出値に略比例した信号を制御装置７に送信する。この温度センサ６は、より具体的には、例えば熱電対で構成される。
【００３１】
供給装置４は、燃料を供給する燃料供給装置４１と、空気を供給する空気供給装置４２と、燃料と空気とを混合し、ケーシング３内の改質触媒コンバータ２に噴射する噴射器４３と、を備える。
【００３２】
燃料供給装置４１は、燃料を貯蔵する燃料タンク、燃料供給ライン４５を介して噴射器４３に燃料を圧送する燃料ポンプ、及び燃料供給ライン４５を流通する燃料の流量を調整する流量調整弁などを含んで構成される。燃料タンクには、炭化水素系燃料やアルコール系燃料などの燃料が貯蔵されている。なお、燃料供給装置４１の燃料タンクには、内燃機関で燃焼する燃料の燃料タンクを兼用してもよい。
【００３３】
空気供給装置４２は、空気供給ライン４６を介して噴射器４３に空気を圧送するエアコンプレッサ、及び空気供給ライン４６を流通する空気の流量を調整する流量調整弁などを含んで構成される。
【００３４】
噴射器４３は、ケーシング３の一端側に設けられている。噴射器４３は、燃料供給装置４１から供給された燃料と、空気供給装置４２から供給された空気とを混合し、霧状の混合気をケーシング３内の他端側に設けられた改質触媒コンバータ２へ噴射する。このように、供給装置４により改質触媒コンバータ２へ混合気を噴射すると、改質触媒コンバータ２で燃料の改質反応が進行し、改質ガスが生成される。さらにこの改質ガスは、ケーシング３の他端側に接続された改質ガスライン４７を介して、図示しない排気浄化装置が設けられた排気管内に導入される。
【００３５】
燃料供給装置４１及び空気供給装置４２の流量調整弁は、それぞれ、図示しないアクチュエータを介して制御装置７に接続されており、その開度は制御装置７からの駆動信号により制御される。すなわち、改質触媒コンバータ２に供給される原料の空気の流量（以下、「空気供給量」という）及び燃料の流量（以下、「燃料供給量」という）、並びに、改質触媒コンバータ２に供給される空気中の酸素のモル数に対する、燃料中の炭素のモル数の比率（以下、「ＯＣ比」という）は、それぞれ、制御装置７により制御される。
【００３６】
ヒータ５は、発熱源としてのグロープラグや、グロープラグに電圧を印加する電源ユニットなどを含んで構成される。グロープラグは、ケーシング３のうち、改質触媒コンバータ２の近傍に設けられている。より具体的には、ヒータ５のグロープラグは、燃料供給装置４１及び空気供給装置４２から、ケーシング３内の改質触媒コンバータ２へ至る燃料及び空気の流路のうち、改質触媒コンバータ２の上流側に設けられている。
【００３７】
この他、ヒータ５としては、ニクロム線やカンタル線などを熱源とした電熱線ヒータ、電気加熱式触媒、マイクロ波加熱器、又はプラズマ加熱器などの既知の加熱器を用いてもよい。ヒータ５に、高い応答性を有するものを用いることにより、高速反応である改質反応への対応が可能となり、高い改質性能を維持することができる。また、ヒータ５には、高い熱安定性や耐久性を有しているものを用いることが好ましい。
【００３８】
ここで、制御装置による燃料改質器の制御の手順について詳細に説明する前に、改質触媒コンバータの性能に関する改質性能評価試験について、図２〜図５を参照して説明する。この改質性能評価試験は、改質触媒コンバータに供給される燃料及び空気の流量の変化が、改質性能に及ぼす影響を検証するために行った試験である。
【００３９】
この改質性能評価試験は、以下の手順で行った。
先ず、改質触媒コンバータを反応管に充填し、ヒータにより改質触媒コンバータを３５０℃まで昇温した後、この反応管内の改質触媒コンバータへ所定の流量で燃料及び空気を供給し、改質ガスの生成を開始する。
その後、燃料供給量及び空気供給量を段階的に変化させて、そのときにおける改質ガスの成分（水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、Ｃ２〜Ｃ４炭化水素、及び全炭化水素（ＴＨＣ））を分析し、さらに触媒温度を測定した。
【００４０】
より具体的には、空気供給量は、１５（Ｌ／ｍｉｎ）から開始し、１時間ごとに１０（Ｌ／ｍｉｎ）、５（Ｌ／ｍｉｎ）となるように段階的に減少させた。このとき燃料供給量は、原料のＯＣ比が１．０４となるように空気供給量に合わせて調整した。燃料には、Ｃｈｅｖｒｏｎ  Ｐｈｉｌｌｉｐｓ製ＵＳ認定軽油を使用した。
【００４１】
また、上記改質ガスの成分の分析及び触媒温度の測定は、空気供給量及び燃料供給量を変化させてから３０分後に行った。さらにこの改質性能評価試験では、改質性能を示す指標として、触媒温度の他、上記改質ガスの分析に基づいて各空気供給量における燃料転化率（％）と水素収率（％）とを算出した。燃料転化率は、供給した燃料のうち、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び軽質の炭化水素などの、供給燃料以外の物質に転化した割合を示す。また、水素収率は、供給した燃料から水素ガスとして取り出された割合を示し、下記式に基づいて算出した。
水素収率（％）＝改質ガス中の水素原子（モル）／燃料中の水素原子（モル）×１００
【００４２】
なお、改質ガスの成分（水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、Ｃ２〜Ｃ４炭化水素、及び全炭化水素（ＴＨＣ））の分析には、ガスクロマトグラフ（ＶＡＲＩＡＮ製  ＣＰ４９００）と全炭化水素計（ＨＯＲＩＢＡ製  ＭＥＸＡ−１１７０ＨＦＩＤ）とを用いた。ガスクロマトグラフのカラムには、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｓｉｅｖｅ  ５Ａ、Ｕｎｉｐａｃｋ  Ｔを用いた。
【００４３】
また、この改質性能評価試験では、以下の手順で調製された改質触媒コンバータを用いた。
先ず、ナス型フラスコ内に、セリア（ニッキ社製  酸化セリウム）と、このセリアに対してロジウムが質量比で１％となるように秤量した硝酸ロジウム溶液とを入れた後、イオン交換水を加えた。次いで、ロータリーエバポレーターにより余分な水分を除去した後、乾燥炉にて２００℃×２時間、マッフル炉にて６００℃×２時間焼成し、粉末Ａを得た。
上記粉末Ａに対し、Ａｌバインダー（日産化学工業株式会社製  Ａｌ２Ｏ３濃度２０％）が１０質量％となるように秤量した後、イオン交換水及びアルミナボールとともにポリエチレン製容器に入れ、１４時間湿式粉砕してスラリーを得た。
上記スラリーに、φ２５．４ｍｍ×Ｌ３０ｍｍ、６００セル／ｉｎ２、４ミルのコージェライト製ハニカム支持体を浸漬させた。次いで、そのハニカム支持体をスラリーから取り出し、過剰分をエア噴射により除去した後、ハニカム支持体を２００℃×２時間加熱した。この操作を所定の担持量が得られるまで繰り返した。所定の担持量が得られた後、マッフル炉で５００℃×２時間焼成し、改質触媒コンバータを得た。ウォッシュコート量は１００ｇ／Ｌであった。
【００４４】
試験例１では、始動時に加えて、改質ガスの生成中もヒータによる加熱を行った。なお、ヒータの出力は５．５Ｗ（１１Ｖ、０．２Ａ）であった。
試験例２では、始動時のみヒータによる加熱を行い、改質ガスの生成中はヒータによる加熱を行わなかった。
【００４５】
図２は、試験例１及び試験例２の改質性能評価試験の結果を示す図であり、空気供給量と水素収率との関係を示す図である。
図３は、試験例１及び試験例２の改質性能評価試験の結果を示す図であり、空気供給量と全炭化水素量との関係を示す図である。
図４は、試験例１の改質性能評価試験の結果を示す図であり、空気供給量と、改質性能（燃料転化率、水素収率、触媒温度）及び水素収率の変化率との関係を示す図である。
図５は、試験例２の改質性能評価試験の結果を示す図であり、空気供給量と、改質性能（燃料転化率、水素収率、触媒温度）及び水素収率の変化率との関係を示す図である。なお、水素収率の変化率は、試験例２で空気供給量を１５（Ｌ／ｍｉｎ）としたときの水素収率を基準とした変化率である。
【００４６】
図５に示すように、ヒータによる加熱を行わなかった試験例２では、空気供給量を１５（Ｌ／ｍｉｎ）から５（Ｌ／ｍｉｎ）へ減少させると、触媒温度は９７６℃から８７１℃まで低下し、これに伴い水素収率は７７％から６０％まで低下し、燃料転化率も９２％から８５％まで低下した。すなわち、空気供給量を１５（Ｌ／ｍｉｎ）としたときを基準とした場合、触媒温度は約１００℃低下し、水素収率は２２％減少する。このようにヒータによる加熱を行わなかった場合、空気供給量及び燃料供給量を減少すると、改質性能は大幅に低下する。
これに対して、図４に示すように、ヒータによる加熱を行った試験例１では、空気供給量を１５（Ｌ／ｍｉｎ）から５（Ｌ／ｍｉｎ）へ減少させると、触媒温度は１０１６℃から９５０℃まで低下し、これに伴い水素収率は８０％から７４％まで低下し、燃料転化率は９４％から９３％まで低下した。すなわち、上記試験例２を基準とした場合、触媒温度の低下は約２６℃であり、水素収率は約４％の減少であり、改質性能の低下は試験例２と比較して小さくなる。
したがって、本改質性能評価試験の結果によれば、例えば改質ガスの生成量を変化するために空気流量を変化させた場合、触媒温度、水素収率、燃料転化率などの改質性能が大幅に低下することが検証された。また、ヒータで改質触媒コンバータを補助的に加熱することにより、このような改質性能の低下を抑制できることが検証された。
【００４７】
図１に戻って、制御装置７は、温度センサ６などの各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、制御装置７は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、燃料供給装置４１、空気供給装置４２、及びヒータ５などに制御信号を出力する出力回路と、を備える。また、制御装置７には、以上のようなハードウェア構成により、以下に示す改質器制御処理を実行するモジュールが構成される。
【００４８】
図６は、改質器制御処理の手順を示すフローチャートである。この処理は、後述の改質ガス要求量に応じた量の改質ガスを生成するように燃料改質器を制御する処理であり、制御装置により実行される。
【００４９】
ステップＳ１では、改質ガスの要求量を取得し、ステップＳ２に移る。この改質ガス要求量は、排気を浄化するために排気管内に要求される改質ガスの流量を示す値であり、図示しない排気浄化装置から送信される。
【００５０】
ステップＳ２では、取得した改質ガス要求量に応じた量の改質ガスを生成するように空気供給量及び燃料供給量を調整した場合における触媒温度の予測値を算出する。上記改質性能評価試験の結果で詳述したように、空気供給量及び燃料供給量を変化させると触媒温度が変化し、これにより改質性能も変化する。したがって、上記触媒温度予測値に基づいて、改質ガス要求量に応じた量の改質ガスを生成するように空気供給量及び燃料供給量を調整した場合における改質性能の低下を予測することができる。なお、この触媒温度予測値は、改質ガス要求量に基づいて、図７に示すようなマップを検索することで算出することができる。図７に示すマップによれば、改質ガス要求量が小さくなるに従い、触媒温度予測値は低くなるように決定される。
【００５１】
ステップＳ３では、算出した触媒温度予測値が、改質性能の低下を判定するために設定された所定の閾値未満であるか否かを判別する。ステップＳ３の判別がＮＯの場合には、改質ガス要求量に応じた量の改質ガスを生成するように空気供給量及び燃料供給量を調整しても、改質性能が大きく低下することはないと予測し、ステップＳ５に移る。
そして、ステップＳ５では、改質ガス要求量に応じた量の改質ガスを生成するように、空気供給量及び燃料供給量を調整する。この際、空気供給量及び燃料供給量は、ＯＣ比を所定の設定値に維持しながら調整する。
【００５２】
一方、ステップＳ３の判別がＹＥＳの場合には、改質ガス要求量に応じた量の改質ガスを生成するように空気供給量及び燃料供給量を調整すると、改質性能が低下すると予測し、ステップＳ４に移る。
そして、ステップＳ４では、改質性能が低下すると予測されたことに応じて、この改質性能の低下を抑制するようにヒータをオンにし、改質触媒コンバータの昇温を開始した後、上記ステップＳ５に移り、上述のように空気供給量及び燃料供給量を調整する。
【００５３】
本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）改質性能の低下が予測された場合に改質触媒コンバータ２を昇温し、改質ガス要求量に応じた量の改質ガスを生成するように燃料供給量及び空気供給量を調整することにより、改質ガス要求量の変動に応じて適切な量の改質ガスを生成しながら、改質触媒コンバータ２の温度が低下することによる改質性能の低下を抑制することができる。つまり、改質ガス要求量の変動すなわち負荷変動に伴う改質性能の低下を抑制しながら、応答性良く改質ガスを生成することができる。また、改質性能が低下すると予測されたときに、ヒータ５を制御し改質触媒コンバータ２を昇温することにより、必要としないときにヒータ５を駆動することによる余分なエネルギーの消費を抑制することができる。
【００５４】
（２）改質性能の低下が予測された場合には、改質ガス要求量に応じて燃料供給量及び空気供給量の調整を開始する前に、改質触媒コンバータ２の昇温を開始しておくことにより、燃料供給量及び空気供給量を調整している間に改質触媒コンバータ２の温度が低下し改質性能が大きく低下してしまうのを、より確実に防ぐことができる。
【００５５】
（３）改質ガス要求量に応じて算出した触媒温度予測値が閾値未満である場合に改質性能が低下すると予測し、ヒータ５を制御し改質触媒コンバータ２を昇温する。これにより、改質ガス要求量の変動によらず、改質反応は、基本的には上記閾値以上の温度の改質触媒コンバータ２のもとで行われることとなる。これにより、改質ガス要求量の変動に伴う改質性能の低下の抑制に加えて、燃料転化率を高くすることができる。また、触媒温度が低い場合には、改質触媒コンバータ２にコークが付着し、最悪の場合には改質触媒コンバータ２が閉塞してしまう場合もあるが、本実施形態によれば、このようなコークの付着を抑制することもできる。
【００５６】
（４）原料の流路のうち改質触媒コンバータ２よりも上流側にヒータ５の発熱源を設けることにより、発熱源で発生した熱量を効率良く改質触媒コンバータ２に伝熱することができる。したがって、要求に応じて速やかに改質触媒コンバータ２を昇温することができる。
【００５７】
（５）燃料供給量及び空気供給量を調整する際、ＯＣ比を所定の設定値に維持することにより、改質触媒コンバータ２における改質反応を質的に変えることなく最適な設定に維持しながら、改質ガスの生成量のみを改質ガス要求量に応じて変えることができる。
【００５８】
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
上記実施形態では、改質性能を示すパラメータとして触媒温度に着目し、改質ガス要求量に応じて算出された触媒温度予測値と閾値とを比較することで改質性能の低下を判断したが、これに限らない。改質性能に相関のあるパラメータとしては、触媒温度の他、例えば、改質触媒コンバータが収納されたケーシング内の圧力や、改質ガスの水素濃度、一酸化炭素濃度、酸素濃度、及び全炭化水素量などがある。すなわち、これらパラメータの値と所定の閾値とを比較することで、改質性能の低下を判断してもよい。
【００５９】
上記実施形態では、触媒温度を温度センサにより直に検出したが、これに限らない。触媒温度は、改質触媒コンバータにおける反応条件に大きく依存することから、反応条件に相関のあるパラメータに基づいて推定することができる。例えば、空気供給量、燃料供給量、及びＯＣ比に基づいて、予め設定されたマップを検索することで触媒温度を推定することができる。また、改質ガスの酸素濃度、二酸化炭素濃度、又は水蒸気濃度などのパラメータに基づいて触媒温度を推定することもできる。
【符号の説明】
【００６０】
１…燃料改質器
２…改質触媒コンバータ（改質触媒）
４１…燃料供給装置（流量調整機構）
４２…空気供給装置（流量調整機構）
５…ヒータ（加熱器）
７…制御装置（改質性能予測手段、触媒温度制御手段、流量制御手段）
【図１】
2011144053.tif 000003
【図２】
2011144053.tif 000004
【図３】
2011144053.tif 000005
【図４】
2011144053.tif 000006
【図５】
2011144053.tif 000007
【図６】
2011144053.tif 000008
【図７】
2011144053.tif 000009