(57)【要約】【課題】運転負荷の増加速度を維持しつつ水素リッチガスの熱を用いて蒸気を生成する燃料改質装置を提供する。【解決手段】炭化水素系燃料と水蒸気とから水素リッチガスを生成する改質部１と、水、または、水と水蒸気との混合物と、水素リッチガスとの間で熱交換を行うことにより水蒸気を生成する熱交換部４と、を備える。熱交換部４を通過する水素リッチガスの温度を調整することにより、水蒸気生成に用いることができる熱量を調整する。酸化触媒部３を備え、酸化触媒部３に供給する空気流量を調整することにより、酸化触媒部３における水素リッチガス中の可燃成分の酸化反応を調整し、ひいては、水素リッチガスの温度を調整する。【選択図】      図１
2004231462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質原料を改質することにより水素リッチガスを生成する燃料改質部を備えた燃料改質装置において、
改質原料のうち液状の改質原料、または、液体と蒸気の混合状態の改質原料を、前記水素リッチガスの熱により蒸気状態にする蒸気生成部を備え、
前記蒸気生成部を通過する水素リッチガスの温度を調整することにより、蒸気生成に用いることができる熱量を調整することを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
前記燃料改質部は、少なくとも炭化水素系燃料と水蒸気とから水素リッチガスを生成する燃料改質部であって
前記蒸気生成部は、水、または、水と水蒸気との混合物と、水素リッチガスとの間で熱交換を行うことにより水蒸気を生成する熱交換部であることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項３】
水素リッチガス中の可燃成分の少なくとも一部を酸化することにより、前記熱交換部を通過する水素リッチガスの温度を調整する請求項２に記載の燃料改質装置。
【請求項４】
前記熱交換部上流に、水素リッチガス中の可燃成分を酸化する酸化部と、
前記酸化部へ供給する酸化剤の流量を調整する第一酸化剤調整手段と、を備え、
酸化部へ供給する前記酸化剤の流量を調整することにより、前記熱交換部を通過する水素リッチガスの温度を調整する請求項２または３に記載の燃料改質装置。
【請求項５】
前記熱交換部には、水素リッチガス中の可燃成分を酸化する触媒を充填した水素リッチガス流路を備え、
前記水素リッチガス流路へ供給する酸化剤の流量を調整する第二酸化剤調整手段を設け、
前記酸化剤の流量を調整することにより、前記水素リッチガス流路内を流れる水素リッチガスの温度を調整する請求項２から４のいずれか一つに記載の燃料改質装置。
【請求項６】
前記熱交換部上流に、水素リッチガス中の一酸化炭素を変成する第一変成部と、第一変成部から流出する水素リッチガス中の一酸化炭素を変成すると共に酸化剤混在時には水素リッチガス中の可燃成分を酸化する第二変成部と、
前記第二変成部へ供給する酸化剤の流量を調整する第三酸化剤調整手段と、を備え、
前記第三酸化剤調整手段により酸化剤の供給量を調整することで、前記熱交換部を通過する水素リッチガスの温度を調整する請求項３に記載の燃料改質装置。
【請求項７】
燃料改質装置の運転負荷を測定または推定する運転負荷検出手段を備え、
前記運転負荷に基づいて、前記水素リッチガスの温度を調整する請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料改質装置。
【請求項８】
燃料改質装置の運転負荷を測定または推定する運転負荷検出手段と、
前記熱交換部の温度を測定または推測する温度検出手段と、を備え、
前記熱交換部の温度と運転負荷に基づいて、水素リッチガスに導入する酸化剤の流量を調整する請求項２から６のいずれか一つに記載の燃料改質装置。
【請求項９】
燃料改質装置の運転負荷変化量を推定する負荷変化量推定手段と、
前記熱交換部の温度を測定または推測する温度検出手段を備え、
前記熱交換部の温度と推定運転負荷変化量に応じて、水素リッチガスに導入する酸化剤の流量を調整する請求項２から６のいずれか一つに記載の燃料改質装置。
【請求項１０】
前記熱交換器の下流側に配置され、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減するために、一酸化炭素を選択的に酸化する一酸化炭素酸化部と、
前記一酸化炭素酸化部へ供給する酸化剤の流量を調整する第四酸化剤調整手段と、を備え、
前記第四酸化剤調整手段により調整される酸化剤流量を、水素リッチガスの温度調整のために供給した酸化剤流量に応じて補正する請求項２から９のいずれか一つに記載の燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料改質装置に関する。特に、燃料改質に伴って生じる熱を用いて改質反応に用いる水蒸気を生成するための水蒸気生成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料改質装置内で発生する熱を有効に利用する手段として、水と水素リッチガスとの熱交換により、改質原料である水蒸気を生成する構成を備えた燃料改質システムが知られている。これは、水蒸気の生成と、改質ガスの温度調整と、が同時に可能となり、コンパクトで、効率のよい改質システムを得ることができる。例えば、一酸化炭素の水性シフト触媒層と一酸化炭素選択酸化触媒層の周囲に水の流路を配置し、反応熱を吸収することによって生成した水蒸気を改質原料として利用する構成のものが知られている（例えば、特許文献１、参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３７６０３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、このような構成においては、運転中に水蒸気流量を増加する場合に、増加速度を大きくできないという問題があった。すなわち、運転負荷が低い状態から高い状態に移行する場合、運転負荷が低い状態で使用できる水素リッチガスの熱量が、運転負荷が高い状態へ移行するために必要となる水蒸気生成熱量を下回る。このため、水素リッチガスが過冷却の状態になってしまう。これを抑制するためには、運転負荷の増加速度を緩やかなものにしなければならなかった。
【０００５】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、運転負荷の増加速度を維持しつつ水素リッチガスの熱を用いて改質原料の蒸気を生成することができる燃料改質装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、改質原料を改質することにより水素リッチガスを生成する燃料改質部を備えた燃料改質装置において、改質原料のうち液状の改質原料、または、液体と蒸気の混合状態の改質原料を、前記水素リッチガスの熱により蒸気状態にする蒸気生成部を備える。前記蒸気生成部を通過する水素リッチガスの温度を調整することにより、蒸気生成に用いることができる熱量を調整する。
【０００７】
【作用及び効果】
水素リッチガスの熱により蒸気状態にする蒸気生成部を備え、蒸気生成部を通過する水素リッチガスの温度を調整することにより、蒸気生成に用いることができる熱量を調整する。このように、水素リッチガスの温度を調整することにより、所望の蒸気流量に応じて蒸気生成に用いる熱量を調整できる。よって、運転負荷の増加速度を維持しつつ水素リッチガスの熱を用いて改質原料の蒸気を生成することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料改質装置の構成を図１を用いて説明する。
【０００９】
燃料改質装置として、水素リッチガスを生成する改質部１、水素リッチガス中のＣＯ濃度をＣＯ変成反応により低減するＣＯ変成部２、水素リッチガス中の可燃成分を酸化することにより水素リッチガス温度を調整する酸化触媒部３を備える。さらに、高温の水素リッチガスを流通することにより蓄熱し、その熱を内部を通過するＨ２Ｏに供給することにより改質反応に用いる水蒸気を生成する熱交換部４、水素リッチガス中のＣＯ濃度をさらに低減させ、同時にＨ２Ｏの加熱を行うＣＯ酸化部５を備える。このように、燃料改質装置では、改質反応により水素リッチガスを生成し、さらに水素リッチガス中のＣＯを低減することにより、図示しない燃料電池における発電に用いる燃料ガスを生成する。また、ＣＯ酸化部５および熱交換部４で水素リッチガスとＨ２Ｏとの熱交換を行うことにより、改質部１における改質反応に用いる水蒸気を生成する。
【００１０】
さらに、改質部１における改質反応に必要な酸化剤としての空気の流量を調整するバルブ６、改質反応に必要な水の流量を調整するバルブ９、ＣＯ変成部２におけるＣＯ変成反応に必要な水の流量を調整するバルブ１０を備える。さらに、酸化触媒部３における酸化反応に必要な酸化剤としての空気の流量を調整するバルブ７、ＣＯ酸化部５における酸化反応に必要な酸化剤としての空気の流量を調整するバルブ８を備える。
【００１１】
バルブ９において流量を調整された水は、ＣＯ酸化部５、熱交換部４において昇温され、水蒸気の状態で改質反応部１に供給される。このとき熱交換部４から排出される水蒸気の温度を検出するために、熱交換器４の水蒸気出口部近傍に温度センサ１１を備える。また、燃料改質装置に要求される運転負荷を検出または推定する負荷検出手段３０を備える。
【００１２】
さらに、このような燃料改質装置の水蒸気生成を制御するためのコントローラ５０を備える。なお、このコントローラ５０は、燃料改質装置を制御するためのコントローラとしてもよいし、燃料改質装置を備えた燃料電池システムを制御するコントローラの一部としてもよい。
【００１３】
次に、このような燃料改質装置における図示しない燃料電池に供給する燃料ガスの生成方法について説明する。
【００１４】
改質部１において、改質原料として炭化水素系燃料、酸素含有ガス、水蒸気を用いたＡＴＲ反応により水素リッチガスを生成する。炭化水素系燃料として、ここでは硫黄分を除去した脱硫ガソリンを用いるが、この限りではない。このガソリンは図示しない蒸発部において予め気化された状態で供給される。また、酸素含有ガスとしては空気を用いる。ここでは、図示しないコンプレッサ等により導入した空気の一部をバルブ６により流量調整して改質部１に供給する。水蒸気としては、バルブ９により流量調整した水を、後述するようにＣＯ酸化部５、熱交換部４で加熱することにより生成したものを用いる。
【００１５】
改質部１において生成した水素リッチガス中には、図示しない燃料電池の被毒の原因となるＣＯが含まれている。そこで、バルブ１０で流量調整した水を混入することにより、水素リッチガス中の水蒸気濃度を上昇させてから、ＣＯ変成部２においてＣＯ濃度の低減反応を行う。ＣＯ変成部２の水素リッチガス流通路にはＣＯ変成触媒を充填させておく。この水素リッチガス流路にＣＯを含有する水素リッチガスが流通することにより、ＣＯと水蒸気との変成反応（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２）が生じ、水素リッチガス中のＣＯを低濃度、例えば０．５％程度まで低減する。なお、ＣＯ変成部２の上流側で水を混入することで、水素リッチガスの水蒸気濃度を上昇させるだけではなく、水素リッチガスの温度をＣＯ変成反応が生じ易い温度に調整することもできる。
【００１６】
ＣＯ変成部２においてＣＯを低減した水素リッチガスに、バルブ７により流量調整した空気を混入してから酸化触媒部３に供給する。酸化触媒部３には、可燃成分、ここでは水素およびＣＯを酸化させる触媒を充填する。例えばＰｔ／Ａｌ２Ｏ３等を充填する。酸化触媒部３では、水素リッチガス中に含有される可燃成分を酸化することにより水素リッチガスの温度を上昇可能とする。運転負荷が低い時には、バルブ７を開くことにより水素リッチガスに空気を導入し、酸化触媒部３において酸化反応を生じることにより水素リッチガスの温度を上昇させる。このように温度上昇した水素リッチガスを熱交換部４に流通させることで、水素リッチガスの持つ熱が熱交換部４に移動し、熱交換部４の蓄熱量を増加させることができる。熱交換部４の蓄熱量を増加することで、熱交換部４と水の沸点との温度差が大きくなり、熱交換部４と熱交換を行うＨ２Ｏに与える熱量、すなわち水蒸気生成に使用できる熱量を増大することができる。なお、酸化触媒３における酸化反応の程度、ひいては、水素リッチガスの温度上昇の程度は、バルブ７を介して酸化剤として供給する空気の流量により調整することができる。
【００１７】
熱交換部４を流通した水素リッチガスをＣＯ酸化部５に供給する。この際、ＣＯ酸化部５の上流側で、酸化剤としての空気をバルブ８により流量調整してから水素リッチガスに混入しておく。ＣＯ酸化部５の水素リッチガス流通路には選択酸化触媒を備え、水素リッチガスを流通させることによりＣＯを酸化する。その結果、水素リッチガス中のＣＯを極微量、ここでは１０ｐｐｍ程度にまで低減する。このＣＯ酸化部５では、触媒が充填された水素リッチガスの流路と水蒸気の流路とが熱交換可能となっており、ＣＯの酸化反応に伴って生じた熱は水の加熱に用いられる。
【００１８】
ＣＯ酸化部５によりＣＯ低減された水素リッチガスは、図示しない燃料電池に供給されて発電反応に利用される。
【００１９】
次に、燃料改質装置において改質反応に用いる水を加熱・蒸発させて水蒸気を生成する過程について説明する。
【００２０】
バルブ９において流量を調整された水は、ＣＯ酸化部５内部を通過する。ＣＯ酸化部５は、選択酸化触媒を充填した水素リッチガス流路と、水の流路との間で熱交換可能な構成とする。選択酸化触媒において生じるＣＯの酸化反応に伴って生じる熱を吸収することにより、水が加熱・蒸発する。
【００２１】
ここで、運転負荷の増加時には、改質部１で要求される水蒸気流量が増大する。このとき、ＣＯ酸化部５の酸化反応に伴う熱のみでは、高負荷時に必要な水蒸気を生成するのが困難となり、水素リッチガスの温度が過剰に低下する可能性がある。そこで、本実施形態では、熱交換部４とＨ２Ｏとの間でさらに熱交換を行うことにより、水蒸気生成に必要な熱を賄う。このように、熱交換部４に蓄えられた熱を用いてＨ２Ｏを加熱・蒸発することにより、Ｈ２Ｏ全てを水蒸気の状態としてから改質部１に供給する。
【００２２】
次に、このような燃料改質装置に用いる熱交換部４の構成を図２に示す。なお、運転負荷増加時には、熱交換部４に供給される水は、ＣＯ酸化部５において既に加熱され、例えば水と水蒸気の２相状態となっている。
【００２３】
水素リッチガス流路１６を複数積層する。水素リッチガス流路１６にはそれぞれフィン１７を備える。このフィン１７により水素リッチガスと熱交換部４との接触面積を増大することにより熱交換効率を向上する。水素リッチガス流路１６の間には水流路１４を備え、ここにＨ２Ｏが流通する。水流路１４の一端には、ＣＯ酸化部５からのＨ２Ｏを水流路１４に分配する入口タンク１２と、水流路１４からのＨ２Ｏ、ここでは加熱されて水蒸気となったＨ２Ｏを回収する出口タンク１３を備える。また、水流路１４の他端には、水流路１４を流通したＨ２Ｏを折り返す折り返しタンク１５を備える。なお、ここでは、水素リッチガスの流通方向と水流路１４を流れるＨ２Ｏの流通方向は直行するように構成する。
【００２４】
酸化触媒部３から供給された高温の水素リッチガスは水素リッチガス流路１６を流通する。熱交換部４を構成する部材と水素リッチガスとの間に温度差がある場合には、水素リッチガスの持つ熱が熱交換部４に吸収・蓄積される。一方、ＣＯ酸化部５において加熱されたＨ２Ｏは、入口タンク１２で各水流路１４に分配される。Ｈ２Ｏ中に液体の水が存在する場合には、水流路１４を流れる際に水素リッチガスから熱交換部４を構成する部材に移動した熱により、加熱・蒸発される。水流路１４の端部まで流れたＨ２Ｏは折り返しタンク１５で折り返し、再度水流路１４を流れる際にさらに加熱・蒸発され、出口タンク１３で回収されて改質部１に供給される。出口タンク１３の出口部分には、温度センサ１１を備え、熱交換部４で加熱されたＨ２Ｏの温度を検出可能とする。
【００２５】
ここでは、このような熱交換部４の温度と水の沸点との温度差と熱交換部４を構成する部材の熱容量との積が、熱交換部４の蓄熱量となる。本実施形態で制御する蓄熱量の概要を図３に示す。
【００２６】
運転負荷が低い時には、運転負荷が高いときによりも熱交換部４の温度を高くして、蓄熱量を増大する。ここでは、酸化触媒部３における酸化反応を増大することにより水素リッチガスの温度を上昇させ、熱交換部４と水素リッチガスとの温度差を増大することにより蓄熱量を増大する。つまり、バルブ７を調整して酸化触媒部３に供給する酸化剤としての空気流量を増大することにより、蓄熱量を増大する。熱交換部４の温度の推測は、温度センサ１１で計測した水蒸気の出口温度から行う。このように、運転負荷が低い場合には蓄熱量を増大しておき、運転負荷が増加してＣＯ酸化部５における水の加熱では要求される水蒸気を生成することができない場合に、この熱交換部４の蓄熱を用いて水蒸気を生成する。これにより、運転負荷に対する水蒸気生成量の応答性を向上することができる。
【００２７】
次に、このような水蒸気生成方法についての制御方法を図４のフローチャートを用いて説明する。本フローは、所定時間毎に繰り返し行う。
【００２８】
ステップＳ１において、燃料改質装置に要求される運転負荷Ｌを負荷検出（または推定）手段３０により読み込む。これは、例えば図示しない燃料電池に要求される発電量から求めることができ、燃料電池を搭載した車両等であれば、アクセルペダルの踏込み量などから求めることも可能である。さらには、地図情報等から将来の負荷を予測、推定した結果を用いることも可能である。または、燃料改質装置に供給される燃料の流量より求めても良い。
【００２９】
次に、ステップＳ２において、運転負荷Ｌから熱交換部４の設定温度Ｔ０を算出する。この設定温度Ｔ０は、運転負荷がＬから増加した場合に、水蒸気を生成するのに十分な熱量を蓄熱できる熱交換部４の温度とする。ＬとＴ０の関係は、負荷Ｌが大きいほど水蒸気を生成するのに十分な温度Ｔ０は大きくなる。実験等により求めておき、マップや数式化してコントローラ５０に記憶させておく。ステップＳ３において、熱交換部４の測定温度Ｔを読み込む。ここでは測定温度Ｔは、温度センサ１１により計測した水蒸気の熱交換部４からの出口温度である。これは、熱交換部４の推定温度となる。
【００３０】
ステップＳ４において、測定温度Ｔと設定温度Ｔ０を比較して偏差ΔＴｄ（＝Ｔ０−Ｔ）を算出する。ステップＳ５において、運転負荷Ｌと偏差ΔＴｄとから、酸化触媒部３に供給する空気流量の調節量ΔＦａを算出する。この調節量ΔＦａは、偏差ΔＴｄを０に近づけるように酸化反応を行うのに必要な空気流量に相当する。つまり、調節量ΔＦａだけ空気流量を増大することで、熱交換部４の蓄熱量を増大する。運転負荷Ｌと偏差ΔＴｄと調節量ΔＦａの関係は、予め実験等によりマップまたは数式化してコントローラ５０に記憶させておく。ステップＳ６において、調節量ΔＦａに基づいて、バルブ７を調節する。
【００３１】
このように空気流量を調整したら、本制御を終了する。このような制御を繰り返し行うことで、熱交換部４の蓄熱量を調整する。
【００３２】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００３３】
改質原料を改質することにより水素リッチガスを生成する改質部１を備える。また、改質原料のうち液状の改質原料、または、液体と蒸気の混合状態の改質原料を、水素リッチガスの熱により蒸気状態にする蒸気生成部を備える。ここでは、熱交換部４を備える。熱交換部４を通過する水素リッチガスの温度を調整することにより、蒸気生成に用いることができる熱量を調整する。つまり、蒸気を生成するために用いる水素リッチガスの温度を調整することにより、蒸気生成に用いることができる熱量を調整することができる。ここでは、燃料改質装置の運転負荷に応じて水素リッチガスの温度を調整する。運転負荷が小さい場合に、水素リッチガスの温度を高く設定することで、熱交換部４の蓄熱量を増大し、負荷増加時にはこの蓄熱を用いて水蒸気を生成することができるので、負荷変化に対する水蒸気の生成量の応答性を向上することができる。
【００３４】
少なくとも炭化水素系燃料と水蒸気とから水素リッチガスを生成する改質部１と、水、または、水と水蒸気との混合物と、水素リッチガスとの間で熱交換を行うことにより水蒸気を生成する熱交換部４と、を備える。熱交換部４を通過する水素リッチガスの温度を調整することにより、水蒸気生成に用いることができる熱量を調整する。これにより、熱交換部４の温度と水の沸点との温度差、すなわち水蒸気生成に使用できる熱交換器４の蓄熱量を調整することができる。その結果、運転負荷が低い時に蓄熱量を大きくしておき、運転負荷の増加時に利用できるので、負荷要求に対する水蒸気生成量の応答性を向上することができる。
【００３５】
水素リッチガス中の可燃成分の少なくとも一部を酸化することにより、熱交換部４を通過する水素リッチガスの温度を調整する。ここでは、改質部１で生成された水素リッチガスが、熱交換部４において水、または、水と水蒸気の混合物との熱交換を終了するまでの間に、水素リッチガス中の可燃成分の少なくとも一部を酸化する。このように、水素リッチガス中には可燃成分が含まれるので、これを酸化することで水素リッチガスの持つ熱を増加することができ、熱交換部４の蓄熱量を増大することができる。
【００３６】
熱交換部４の上流に、水素リッチガス中の可燃成分を酸化する酸化触媒部３と酸化触媒部３へ供給する酸化剤の流量を調整するバルブ７とを備える。ここでは、改質部１と熱交換部４との間に、酸化触媒部３と、酸化触媒部３における酸化反応に用いるために水素リッチガスに導入する空気の流量を調整するバルブ７と、を備える。空気の流量を調整することにより、熱交換部４を通過する水素リッチガスの温度を調整する。これにより、熱交換部４の温度を素早く変化させることができる。その結果、負荷要求に対する水蒸気生成量の応答性をさらに向上することができる。特にここでは、水素リッチガス中の可燃成分の酸化部を触媒を用いて構成するので、簡単な構造で、且つ、酸化反応により過剰に可燃成分を消費することなく、水素リッチガスの温度を調整することができる。
【００３７】
また、燃料改質装置の運転負荷Ｌを測定または推定する負荷検出手段３０を備え、運転負荷に基づいて、水素リッチガスの温度を調整する。これにより、水蒸気生成量に応じて水素リッチガスから供給する熱量を調整することができるので、効率良く水蒸気を生成することができる。
【００３８】
また、燃料改質装置の運転負荷Ｌを測定または推定する負荷検出手段３０と、熱交換部４の温度を測定または推測する温度センサ１１を備え、熱交換部４の温度と運転負荷に応じて、水素リッチガスに導入する酸化剤の流量を調整する。これにより、酸化剤流量が適切に調節される。その結果、負荷要求に対する水蒸気生成量の応答性が確実に向上すると共に、水素の過剰な酸化が抑制されて、改質効率の低下が抑制される。
【００３９】
改質原料である水蒸気を水と水素リッチガスの熱交換により生成する燃料改質装置において、従来は、水蒸気の増加を応答性よく行うことができないために運転負荷の増加速度を緩やかにする必要があった。しかしながら、本実施形態では、運転負荷が低い時には熱交換部４の蓄熱量を増大し、運転負荷増加時にはこの蓄熱を用いて負荷要求に応じた量の水蒸気を生成することで、水蒸気生成の応答性を向上することができる。
【００４０】
次に、第２実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分のみを説明する。燃料改質装置の構成を、第１の実施形態と同様に図１に示す。また熱交換部４の構成を、第１の実施形態と同様に図２に示す。
【００４１】
ここでは、酸化触媒部３により水素リッチガスの温度を上昇させる操作を、運転負荷変化の直前に行う。これにより、酸化触媒部３における水素の過剰な酸化が抑制され、改質効率を向上することができる。このような燃料改質装置の制御方法を図５のフローチャートを用いて説明する。
【００４２】
ステップＳ１１において、予測負荷変化量ΔＬを読み込む。この、予測負荷変化量ΔＬは、例えば燃料改質装置を車輌に搭載する際などには、ドライバのアクセル開度に基づいて算出することができる。ステップＳ１２において、予測負荷変化量ΔＬが負荷の増加を示しているかどうかを判断する。予測負荷変化量ΔＬが０以下の場合には、負荷の変化がない、または、負荷が減少するので、水蒸気生成のための熱の不足は生じない。よって、熱交換部４の蓄熱量を調整する必要がないので、本フローを終了する。
【００４３】
一方、ステップＳ１２において、予測負荷変化量ΔＬが負荷の増加を示している場合には、熱交換部４の蓄熱量の調整を行う。ステップＳ１３において、予測負荷変化量ΔＬに基づいて設定温度の調節量ΔＴａを算出する。ここでは、予測負荷変化量ΔＬが大きいほど調節量ΔＴａを大きくする。つまり、負荷の増加が大きいほど熱交換部４の蓄熱量を増大して、負荷増加時に水蒸気生成に用いることができる熱量を増大する。予測負荷変化量ΔＬに対する調節量ΔＴａは予め実験等により求めておき、マップまたは数式化してコントローラ５０に記憶させておく。ここで、調節量ΔＴａは、第１実施形態における偏差ΔＴｄに相当する。
【００４４】
次に、ステップＳ１４において、運転負荷Ｌを読み込む。ステップＳ１５において、調節量ΔＴａと運転負荷Ｌから空気流量の調節量ΔＦａを算出する。調節量ΔＴａと運転負荷Ｌ、空気流量の調節量ΔＦａの関係は、予め実験等により求めておき、マップや数式化してコントローラ５０に記憶させておく。ステップＳ１６において、調節量ΔＦａに基づいて、バルブ７の開度を調節して本フローを終了する。
【００４５】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００４６】
燃料改質装置の運転負荷変化量を推定する負荷変化量推定手段（ステップＳ１１）と、熱交換部４の温度を測定または推測する温度センサ１１を備える。熱交換部４の温度と推定運転負荷変化量に応じて、水素リッチガスに導入する空気の流量を調整する。これにより、酸化ガス量が要最小限に調節される。その結果、水素の過剰な酸化がさらに抑制されて、改質効率の低下をさらに抑制することができる。
【００４７】
本実施形態では、酸化触媒部３における酸化反応が、運転負荷増加の直前のみに行われるため、水素の過剰な酸化を最小限に抑制することができ、改質効率の低下を抑制することができる。
【００４８】
次に、第３の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分のみを説明する。燃料改質装置および熱交換部４の構成を、第１の実施形態と同様とし、図１、図２に示す。
【００４９】
ここでは、第１の実施形態に、バルブ８からＣＯ酸化部５に供給する空気流量を、バルブ７から酸化触媒部３に供給される空気流量に基づいて補正する操作を追加する。酸化触媒部３において、可燃成分を酸化するときに同時に低減されるＣＯ量に応じてＣＯ酸化部５に供給する空気流量を補正する。これにより、水素過剰な酸化を抑制して、改質効率の低下を抑制する。
【００５０】
本実施形態で行う制御方法を図６のフローチャートを用いて説明する。本フローは、第１実施形態に用いたフローチャートのステップＳ６に続いて行う。
【００５１】
ステップＳ２１において、酸化触媒部３へ供給する空気流量Ｆを求める。空気流量Ｆは、調整する前の空気流量と、流量調節量ΔＦａとの和である。ここで、空気流量Ｆは、流量計により実測してもよいし、図示しないコンプレッサの負荷と、バルブ６〜８の開度から求めてもよい。次に、ステップＳ２２において、空気流量Ｆから、ＣＯ低減流量ＦＣＯを算出する。このＣＯ低減流量ＦＣＯは、酸化触媒部３で酸化されるＣＯ流量を表し、酸化触媒部３に供給される空気流量Ｆに応じて決定される。ここでは、予め実験等により空気流量Ｆに応じたＣＯ低減流量ＦＣＯを求めておき、マップまたは数式化してコントローラ５０に記憶させておく。
【００５２】
次に、ステップＳ２３において、ＣＯ低減流量ＦＣＯから、ＣＯ酸化部５においてＣＯを酸化して十分に低減するのに必要な空気流量の調整量、すなわち補正空気流量ΔＦｃを算出する。ＣＯ低減流量ＦＣＯと補正空気流量ΔＦｃの関係は、予め実験等により求めておき、マップまたは数式化してコントローラ５０に記憶させておく。ステップＳ２４において、補正空気流量ΔＦｃに基づいて、バルブ８の開度を調節し、本フローを終了する。
【００５３】
なお、ここでは、第１実施形態にＣＯ酸化部５に供給する空気流量の補正を追加したが、第２実施形態に追加してもよい。この場合には、図５のステップＳ１６に後に続いて本フローを行う。
【００５４】
次に、本実施形態の効果を説明する。第１の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００５５】
熱交換部４の下流側に配置され、水素リッチガス中のＣＯを低減するために、ＣＯを選択的に酸化するＣＯ酸化部５と、ＣＯ酸化部５へ供給する空気の流量を調整するバルブ８と、を備える。バルブ８により調整される空気流量を、水素リッチガスの温度調整のために供給した空気流量Ｆに応じて補正する。これにより、可燃成分を酸化するときに、同時に低減されるＣＯ量に応じ、ＣＯ酸化部５に供給する空気流量が適切に補正される。その結果、水素の過剰な酸化がさらに抑制されて、改質効率の低下をさらに抑制することができる。
【００５６】
本実施形態では、ＣＯ酸化部５に供給する空気流量が最小限に補正されるので、水素の過剰酸化が抑制され、改質効率の低下を抑制することができる。
【００５７】
次に、第４の実施形態について説明する。ここで用いる燃料改質装置の構成を図７に示す。以下、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５８】
ここでは、酸化触媒部３および熱交換部４に替わって、酸化・熱交換部１８を備える。これは、第１実施形態における酸化触媒部３を熱交換部４の水素リッチガス流路１６内部に構成したものである。酸化・熱交換部１８は熱交換部４と同様に、図２に示す構成とする。ただし、水素リッチガス流路１６に備えたフィン１７の表面に酸化触媒を直接塗布することにより、酸化触媒部３の機能を備える。
【００５９】
このような酸化・熱交換部１８で行う酸化反応に用いる酸化剤としての空気流量を調整するバルブ１９を備える。つまり、図示しないコンプレッサ等により導入した空気をバルブ１９により流量調整してから、酸化・熱交換部１８に供給する。
【００６０】
なお、本燃料改質装置は、第１〜第３の実施形態に示す制御のいずれを行っても良い。
【００６１】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００６２】
熱交換部として、酸化・熱交換部１８を備える。つまり、熱交換部には、水素リッチガス中の可燃成分を酸化する触媒を充填した水素リッチガス流路１６を備える。水素リッチガス流路１６へ供給する空気の流量を調整するバルブ１９を設け、空気流量を調整することにより、水素リッチガス流路１６内を流れる水素リッチガスの温度を調整する。これにより、既存のスペースに酸化触媒を設けることができる。その結果、装置を大型化することなく、負荷要求に対する水蒸気生成量の応答性を向上することができる。
【００６３】
次に、第５の実施形態について説明する。ここで用いる燃料改質装置の構成を図８に示す。以下、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６４】
燃料改質装置として、改質部１、ＣＯ変成部２、熱交換部４、ＣＯ酸化部５を備える。ＣＯ変成部２を複数に分割し、直列に接続する。ここでは、上流側変成部２ａと、下流側変成部２ｂに分割する。上流側変成部２ａと下流側変成部２ｂとを直列に接続し、その間からバルブ２０で流量を調節した空気を供給する。
【００６５】
ＣＯ変成部２は、運転負荷が高い状態を想定して容量が設計されるため、運転負荷が低い状態の時には容量が過剰となる。すなわち、運転負荷が低い状態の時には、下流側変成部２ｂはほとんど機能していない。そこで運転負荷が低い状態の時には、バルブ２０により流量調整した空気を水素リッチガスに混入することで、下流側変成部２ｂにおいて酸化反応を生じさせる。これにより、下流側変成部２ｂは、運転負荷が高い状態の時にはＣＯの変成反応を生じる領域となり、運転負荷が低い状態の時には熱交換部４の蓄熱量を増大するために水素リッチガスを酸化反応により昇温する領域となる。つまり、下流側変成部２ｂは、第１実施形態における酸化触媒部３の機能を備える。なお、本実施形態における制御方法は、第１〜第３実施形態で説明した制御方法のいずれを用いても良い。
【００６６】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００６７】
熱交換部４上流に、水素リッチガス中のＣＯを変成する上流側変成部２ａと、上流側変成部２ａから流出する水素リッチガス中のＣＯを変成すると共に酸化剤混在時には水素リッチガス中の可燃成分を酸化する下流側変成部２ｂを備える。また、下流側変成部２ｂへ供給する酸化剤の流量を調整するバルブ２０を備える。バルブ２０により酸化剤の供給量を調整することで、熱交換部４を通過する水素リッチガスの温度を調整する。ここでは、改質部１と熱交換部４との間に上流側変成部２ａを、上流側変成部２ａの下流側に下流側変成部２ｂを備え、また、下流側変成部２ｂにおける酸化反応に用いるために水素リッチガスに導入する酸化剤の流量を調整するバルブ２０を備える。下流側変成部２ｂで生じる酸化反応を調整することにより、熱交換部４を通過する水素リッチガスの温度を調整する。これにより、運転負荷が低い時にはほとんど機能しない既存の部位を、酸化触媒として使用することができる。その結果、装置を大型化することなく、水蒸気生成量の応答性が向上する。
【００６８】
なお、第１〜第５実施形態において、水を蒸発させることにより改質原料としての水蒸気を生成したが、熱交換部４または酸化・熱交換部１８を改質原料としての燃料の蒸発を補助する領域としてもよい。または、酸化部として触媒を備えた酸化触媒部３または酸化・熱交換部１８を構成したがこの限りではない。または、水素リッチガスと、Ｈ２Ｏの熱交換により水蒸気を生成しているが、この限りではない。例えば、水素リッチガスと改質に用いる空気との熱交換を行い、さらに空気とＨ２Ｏとの熱交換を行うことにより水蒸気を生成することもできる。
【００６９】
このように、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料改質装置の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態に用いる熱交換部の構成図である。
【図３】熱交換部の蓄熱量の概要を説明する図である。
【図４】第１の実施形態における蓄熱量調整のための制御を示すフローチャートである。
【図５】第２の実施形態における蓄熱量調整のための制御を示すフローチャートである。
【図６】第３の実施形態における蓄熱両調整のための制御を示すフローチャートである。
【図７】第４の実施形態に用いる燃料改質装置の概略構成図である。
【図８】第５の実施形態に用いる燃料改質装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１    改質部（燃料改質部）
２    ＣＯ変成部
２ａ  上流側変成部（第一変成部）
２ｂ  下流側変成部（第二変成部）
３    酸化触媒部（酸化部）
４    熱交換部（蒸気生成部、熱交換部）
５    ＣＯ酸化部（一酸化炭素酸化部）
７    バルブ（第一酸化剤調整手段）
８    バルブ（第四酸化剤調整手段）
１１  温度センサ（温度検出手段）
１６  水素リッチガス流路
１９  バルブ（第二酸化剤調整手段）
２０  バルブ（第三酸化剤調整手段）
３０  負荷検出手段
Ｓ１１・・・負荷変化量推定手段
【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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