(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系化合物を含む改質原料から、燃料電池のための水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置であって、
通電することによって発熱する発熱体と、前記発熱体に担持された改質触媒とを有し、前記改質触媒を加熱し、改質ガスを生成するための電気通電式触媒部と、
前記電気通電式触媒部の下流側に設けられ、通電式の発熱体を有しておらず改質触媒を用いて前記改質原料を改質する改質部と、
前記改質原料を前記電気通電式触媒部に供給するための原料供給部と、
前記電気通電式触媒部と前記原料供給部とを制御するための制御部と、
前記電気通電式触媒部と、前記改質部内の複数の箇所とにおいて、前記改質触媒の上流側から下流側に至る流路に順次配置された複数の温度センサと、
を備えており、
前記制御部は、前記上流側から下流側に至る流路に沿って前記複数の温度センサで測定された温度が予め定められたしきい値温度に順次到達するたびに、前記改質原料の供給量を段階的に増加させる、燃料改質装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料改質装置であって、
前記改質原料は、炭化水素系化合物を含む原燃料と、水蒸気と、酸素とを含んでおり、
前記原燃料と水蒸気と酸素の供給量は、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するのに適した十分な割合の水素を含む前記燃料ガスが前記改質器で生成されるように設定され、
前記制御部は、前記燃料改質装置の起動期間における前記改質原料中の炭素の原子数Ｃと酸素の原子数Ｏとの比（Ｏ／Ｃ）の値を、前記原燃料の種類に応じて設定する、燃料改質装置。
【請求項３】
請求項２記載の燃料改質装置であって、
前記原燃料は、メタノールであり、
前記制御部は、前記改質原料中の炭素の原子数Ｃと酸素の原子数Ｏとの比（Ｏ／Ｃ）の値が、０．２から３．０の範囲に収まるように前記メタノールと前記水蒸気と前記酸素の供給量を調整する、燃料改質装置。
【請求項４】
請求項２記載の燃料改質装置であって、
前記原燃料は、ガソリンであり、
前記制御部は、前記改質原料中の炭素の原子数Ｃと酸素の原子数Ｏとの比（Ｏ／Ｃ）の値が、０．７から３．０の範囲に収まるように前記ガソリンと前記水蒸気と前記酸素の供給量を調整する、燃料改質装置。
【請求項５】
請求項２記載の燃料改質装置であって、
前記原燃料は、天然ガスであり、
前記制御部は、前記改質原料中の炭素の原子数Ｃと酸素の原子数Ｏとの比（Ｏ／Ｃ）の値が、０．８から４．０の範囲に収まるように前記天然ガスと前記水蒸気と前記酸素の供給量を調整する、燃料改質装置。
【請求項６】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
炭化水素系化合物を含む改質原料から、前記燃料電池のための水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置と、
前記燃料電池と前記燃料改質装置とを制御するための制御部と、
を備え、
前記燃料改質装置は、
通電することによって発熱する発熱体と、前記発熱体に担持された改質触媒とを有し、前記改質触媒を加熱し、改質ガスを生成するための電気通電式触媒部と、
前記電気通電式触媒部の下流側に設けられ、通電式の発熱体を有しておらず改質触媒を用いて前記改質原料を改質する改質部と、
前記改質原料を前記電気通電式触媒部に供給するための原料供給部と、
前記電気通電式触媒部と、前記改質部内の複数の箇所とにおいて、前記改質触媒の上流側から下流側に至る流路に順次配置された複数の温度センサと、
を備えており、
前記制御部は、前記上流側から下流側に至る流路に沿って前記複数の温度センサで測定された温度が予め定められたしきい値温度に順次到達するたびに、前記改質原料の供給量を段階的に増加させる、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料改質装置の起動時において、前記改質器の暖機状態に応じて前記燃料電池の発電量の上限値を決定する、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料改質装置の起動時において、前記改質触媒の温度に応じて前記燃料電池の発電量の上限値を決定する、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項７記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料改質装置の起動時において、前記燃料改質装置の起動からの時間に応じて前記燃料電池の発電量の上限値を決定する、燃料電池システム。
【請求項１０】
移動体であって、
燃料電池を含む電源と、
炭化水素系化合物を含む原燃料から、前記燃料電池のための水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置と、
前記移動体の推進力を発生するための原動機と、
前記電源から供給される電力を用いて前記原動機を駆動する駆動回路と、
前記電源と前記燃料改質装置と前記原動機と前記駆動回路とを制御するための制御部と、
を備え、
前記燃料改質装置は、
通電することによって発熱する発熱体と、前記発熱体に担持された改質触媒とを有し、前記改質触媒を加熱し、改質ガスを生成するための電気通電式触媒部と、
前記電気通電式触媒部の下流側に設けられ、通電式の発熱体を有しておらず改質触媒を用いて前記改質原料を改質する改質部と、
前記改質原料を前記電気通電式触媒部に供給するための原料供給部と、
前記電気通電式触媒部と、前記改質部内の複数の箇所とにおいて、前記改質触媒の上流側から下流側に至る流路に順次配置された複数の温度センサと、
を備えており、
前記制御部は、前記上流側から下流側に至る流路に沿って前記複数の温度センサで測定された温度が予め定められたしきい値温度に順次到達するたびに、前記改質原料の供給量を段階的に増加させる、移動体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素系化合物を含む改質原料から水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置の制御技術に関し、特に、改質器の起動時の制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
改質装置では、改質触媒を用いた改質反応によって、炭化水素系化合物を含む改質原料から水素リッチな燃料ガス（「改質ガス」とも呼ぶ）を生成する。改質反応を効率良く行うには、改質触媒をある程度の温度（例えば２００℃）まで昇温する必要がある。このため、改質装置の起動時には、改質触媒をなるべく早く昇温したいという要望がある。
【０００３】
改質触媒を素早く昇温する技術として、例えば特開平１１−１３０４０５号公報に記載された発熱・触媒体を利用する方法がある。この発熱・触媒体は、電気ヒータと改質触媒とを組み合わせたものであり、電気ヒータに通電することによって、改質触媒を素早く昇温させることが可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この発熱・触媒体は、改質触媒のごく一部を昇温できるだけなので、発熱・触媒体に通電した後に直ちに大量の改質原料を投入すると、改質装置から未反応のガスが大量に排出されてしまうという問題を生じる。そこで、従来は、改質装置の起動時には、改質触媒の全体の昇温が完了した後に、燃料電池への燃料ガスの供給を開始するようにしていた。すなわち、改質触媒の昇温が完了するまで、燃料電池への燃料ガスの供給を待たなければならなかった。このため、従来から、改質装置の起動時のなるべく早い時期から、燃料電池に供給可能な成分を有する燃料ガスを生成することのできる技術が望まれていた。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、改質装置の起動時のなるべく早い時期から、燃料電池に供給可能な成分を有する燃料ガスを生成することのできる技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明の燃料改質装置は、炭化水素系化合物を含む改質原料から、燃料電池のための水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置である。この燃料改質装置は、通電することによって発熱する発熱体と、前記発熱体に担持された改質触媒とを有し、前記改質触媒を加熱し、改質ガスを生成するための電気通電式触媒部と、前記電気通電式触媒部の下流側に設けられ、通電式の発熱体を有しておらず改質触媒を用いて前記改質原料を改質する改質部と、前記改質原料を前記電気通電式触媒部に供給するための原料供給部と、前記電気通電式触媒部前記原料供給部とを制御するための制御部と、前記電気通電式触媒部と、前記改質部内の複数の箇所とにおいて、前記改質触媒の上流側から下流側に至る流路に順次配置された複数の温度センサと、を備えている。前記制御部は、前記上流側から下流側に至る流路に沿って前記複数の温度センサで測定された温度が予め定められたしきい値温度に順次到達するたびに、前記改質原料の供給量を段階的に増加させる。
【０００７】
この構成によれば、電気通電式加熱部を用いて改質触媒を最初に昇温させ、その後は、通電式の発熱体が設けられていない改質部の改質触媒の温度の上昇に伴って改質原料の供給量を次第に増加させるので、未反応ガスの量を低減することができる。従って、燃料改質装置の起動時の早い時期から、燃料電池に供給可能な成分を有する燃料ガスを生成することが可能である。また、改質触媒の温度が上流側から下流側にかけて次第に上昇するのに応じて、適切な量の改質原料を供給することができる。
【００１４】
前記改質原料は、炭化水素系化合物を含む原燃料と、水蒸気と、酸素とを含んでおり、前記原燃料と水蒸気と酸素の供給量は、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するのに適した十分な割合の水素を含む前記燃料ガスが前記改質器で生成されるように設定されることが好ましい。
【００１５】
この構成では、燃料電池に供給するのに適した十分な割合の水素を含む燃料ガスを、改質器の起動時の早い時期から生成することが可能である。
【００１６】
なお、前記原燃料がメタノールのときには、前記制御部は、前記改質原料中の炭素の原子数Ｃと酸素の原子数Ｏとの比（Ｏ／Ｃ）の値が、約０．２から約３．０の範囲に収まるように前記メタノールと前記水蒸気と前記酸素の供給量を調整することが好ましい。
【００１７】
また、前記原燃料はガソリンのときには、前記制御部は、前記改質原料中の炭素の原子数Ｃと酸素の原子数Ｏとの比（Ｏ／Ｃ）の値が、約０．７から約３．０の範囲に収まるように前記メタノールと前記水蒸気と前記酸素の供給量を調整することが好ましい。
【００１８】
さらに、前記原燃料が天然ガスのときには、前記制御部は、前記改質原料中の炭素の原子数Ｃと酸素の原子数Ｏとの比（Ｏ／Ｃ）の値が、約０．８から約４．０の範囲に収まるように前記メタノールと前記水蒸気と前記酸素の供給量を調整することが好ましい。
【００１９】
このような（Ｏ／Ｃ）比の範囲では、未反応ガスや水素ガスの濃度を適切な範囲の保つことが可能である。
【００２２】
本発明による燃料電池システムは、燃料電池と、炭化水素系化合物を含む改質原料から、前記燃料電池のための水素リッチな燃料ガスを生成する上述の燃料改質装置と、前記燃料電池と前記燃料改質装置とを制御するための制御部と、を備える。
【００２３】
この燃料電池システムでは、燃料改質装置の起動時の早い時期から、燃料電池に燃料ガスを供給して、発電を開始することが可能である。
【００２４】
この燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料改質装置の起動時において、前記改質器の暖機状態に応じて前記燃料電池の発電量の上限値を決定するようにしてもよい。
【００２５】
燃料改質装置は、改質器の暖機状態が進行するにつれて、より多くの燃料ガスを供給することができる。従って、改質器の暖機状態に応じて燃料電池の発電量の上限値を決定するようにすれば、燃料電池が実際に発電しうる発電量を反映した制御を行うことが可能である。
【００２６】
具体的には、前記制御部は、前記燃料改質装置の起動時において、前記改質触媒の温度に応じて前記燃料電池の発電量の上限値を決定するようにしてもよい。
【００２７】
あるいは、前記制御部は、前記燃料改質装置の起動時において、前記燃料改質装置の起動からの時間に応じて前記燃料電池の発電量の上限値を決定するようにしてもよい。
【００２８】
本発明による移動体は、燃料電池を含む電源と、炭化水素系化合物を含む原燃料から、前記燃料電池のための水素リッチな燃料ガスを生成する上述の燃料改質装置と、前記移動体の推進力を発生するための原動機と、前記電源から供給される電力を用いて前記原動機を駆動する駆動回路と、前記電源と前記燃料改質装置と前記原動機と前記駆動回路とを制御するための制御部と、を備える。
【００２９】
この移動体によれば、燃料改質装置の起動時の早い時期から、燃料電池を用いて発電を開始することができるので、より早い時期から移動体を運転可能な状態にすることが可能である。
【００３０】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料改質装置およびその制御方法、燃料電池システムおよびその制御方法、それらの装置またはシステムを備える移動体およびその制御方法、それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の態様で実現することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．起動制御の実施例：
Ｃ．変形例：
【００３２】
Ａ．装置の構成：
図１は、本発明の一実施例としての電気自動車の概略構成図である。この電気自動車（以下、単に「車両」と呼ぶ）の車輪駆動機構は、モータ２０と、トルクコンバータ３０と、変速機４０とを有している。モータ２０の回転軸１３は、トルクコンバータ３０に結合されている。トルクコンバータの出力軸１４は、変速機４０に結合されている。変速機４０の出力軸１５は、ディファレンシャルギヤ１６を介して車輪１８の車軸１７に結合されている。
【００３３】
モータ２０は、ロータ２２と、ステータ２４とを備える三相の同期モータである。ロータ２２の外周面には、複数個の永久磁石が設けられている。また、ステータ２４には、回転磁界を形成するための三相コイルが巻回されている。モータ２０は、ロータ２２に備えられた永久磁石による磁界と、ステータ２４の三相コイルによって形成される磁界との相互作用により回転駆動する。また、ロータ２２が外力によって回転させられる場合には、これらの磁界の相互作用により三相コイルの両端に起電力を生じさせる。この場合には、モータ２０は発電機として機能する。
【００３４】
モータ２０には、主電源としての燃料電池システム６０と、補助電源としてのバッテリ（２次電池）５０と、の２つの電源が備えられている。バッテリ５０は燃料電池システム６０が故障した場合や、車両の始動時等のように燃料電池システム６０から十分な電力を出力することができない場合などに、不足する電力をモータ２０に供給する。バッテリ５０の電力は、さらに、車両の制御を行う制御ユニット７０や、照明装置などの電力機器（図示せず）にも供給される。
【００３５】
２つの電源５０，６０からの電力は、それぞれの駆動回路５１，５２と、切替スイッチ８０とを介してモータ２０に供給される。切替スイッチ８０は、バッテリ５０と、燃料電池システム６０と、モータ２０の３者間の接続状態を任意に切り替えることができる。ステータ２４は、切替スイッチ８０および第１の駆動回路５１を介してバッテリ５０に電気的に接続され、また、切替スイッチ８０および第２の駆動回路５２を介して燃料電池システム６０に接続される。２つの駆動回路５１，５２は、それぞれトランジスタインバータで構成されており、モータ２０の三相それぞれに対して、ソース側とシンク側の２つを一組としてトランジスタが複数備えられている。これらの駆動回路５１，５２は、制御ユニット７０と電気的に接続されている。
【００３６】
制御ユニット７０は、シフトレバー７２と、アクセルペダル７４と、ブレーキペダル７６とから与えられる運転者の指令に基づいて、車両のための各種の制御を実行する。制御ユニット７０が駆動回路５１，５２の各トランジスタのオン・オフの時間をＰＷＭ制御すると、バッテリ５０および燃料電池システム６０を電源とする擬似三相交流がステータ２４の三相コイルに流れ、回転磁界が形成される。モータ２０は、このような回転磁界の作用によって、先に説明した通り電動機または発電機として機能する。
【００３７】
なお、制御ユニット７０の各種の制御動作は、制御ユニット７０に内蔵されているメモリ７１内に格納されたコンピュータプログラムを、制御ユニット７０が実行することによって実現される。メモリ７１としては、ＲＯＭやハードディスクなどの種々の記録媒体を利用することが可能である。
【００３８】
図２は、燃料電池システム６０の内部構成を示す説明図である。この燃料電池システム６０は、メタノールなどの原燃料を貯蔵する原燃料タンク１１０と、水を貯蔵する水タンク１２０と、改質反応により原燃料から燃料ガス（「改質ガス」とも呼ぶ）を生成する改質器１３０と、燃料電池１４０とを備えている。改質器１３０は、原燃料と水とを蒸発させるための蒸発部１３３と、電気加熱式触媒部（ＥＨＣ）１３５と、改質触媒を収納した改質部１３６と、選択酸化反応等を利用して改質ガス中の一酸化炭素を低減するためのＣＯ低減部１３８と、を有している。なお、蒸発部１３３は、改質原料を気化する気化部１３２と、気化部１３２に熱を供給する触媒加熱部１３４と、を有している。ＥＨＣ１３５は、通電することによって発熱する発熱体と、発熱体の上に担持された改質触媒とを有しているが、これらの図示は省略されている。
【００３９】
原燃料タンク１１０には原燃料供給路１０２が接続されており、水タンク１２０には水供給路１０８が接続されている。原燃料供給路１０２は２つの分岐流路２０４，２０６に分岐している。第１の分岐流路２０４は、水供給路２０８と合流しており、合流後の流路２１０は気化部１３２に接続されている。一方、第２の分岐流路２０６は、加熱部１３４に接続されている。第１の分岐流路２０４には流量計１５１とポンプ１５２が設けられており、第２の分岐流路２０６にも流量計１５３とポンプ１５４が設けられている。また、水供給路２０８にも、流量計１５５とポンプ１５６が設けられている。
【００４０】
原燃料（メタノール）と水は、ポンプ１５２，１５６によってそれぞれ吸い出され、混合された状態で気化部１３２に導入される。この混合物は、気化部１３２において気化される。
【００４１】
ＥＨＣ１３５の上流側の混合室１３５ａには、空気供給部１６６によって空気ＡＲＯが供給されている。空気供給部１６６は、エアーポンプ１６６ａと、流量計１６６ｂと、電動弁１６６ｃとを有している。混合室１３５ａで混合された空気ＡＲＯとメタノール蒸気と水蒸気の混合物は、ＥＨＣ１３５に供給される。なお、本明細書では、この混合物を「改質原料」または「改質原料ガス」と呼ぶ。
【００４２】
ＥＨＣ１３５は、発熱抵抗体上に改質触媒が担持されたものである。従って、改質器１３０の起動時においてＥＨＣ１３５に通電すれば、ＥＨＣ１３５内の改質触媒を素早く昇温させて、改質反応を促進させることができる。また、未反応のガスも、発熱抵抗体によって加熱し、昇温させることができる。
【００４３】
改質原料ガスは、ＥＨＣ１３５によって部分的に改質され、昇温された後に改質部１３６に供給される。この改質原料ガスは、改質部１３６と、ＣＯ低減部１３８とにおける化学反応によって水素ガスリッチな燃料ガスＨＲＧに変換される。ＥＨＣ１３５や改質部１３６内では、主に水蒸気改質反応と部分酸化反応とが発生しており、これによって水素が生成される。なお、混合室１３５ａに投入される空気ＡＲＯは、主として部分酸化反応に利用されるので、以下では「部分酸化用空気」と呼ぶ。
【００４４】
ＣＯ低減部１３８は、水蒸気改質反応によって発生する一酸化炭素を低減するためのものである。原燃料がメタノールの場合には、ＣＯ低減部１３８は、一酸化炭素を酸素で直接酸化する選択酸化反応を行う選択酸化部として構成される。
一方、原燃料がガソリンや天然ガスの場合には、ＣＯ低減部１３８は、いわゆるシフト反応を行うシフト反応部と、選択酸化を行う選択酸化部とで構成される。
【００４５】
なお、ＥＨＣ１３５と改質部１３６とは、いずれも改質触媒を用いた改質反応を行っている。
【００４６】
改質器１３０で生成された燃料ガスＨＲＧは、燃料ガス流路２１２を介して燃料電池１４０内の燃料ガス通路１４２に導入される。また、燃料電池１４０内の空気通路１４４には、エアーポンプ１４６によって空気ＡＲＦが供給される。このエアーポンプ１４６としては、例えばブロアを利用することができる。燃料電池１４０内では、燃料ガスＨＲＧ内の水素と、空気ＡＲＦ内の酸素との電気化学反応によって発電が行われ、この結果、燃料ガスＨＲＧ中の水素が消費される。
【００４７】
燃料電池１４０からの燃料排ガスの排出路２１４は、改質器１３０の触媒加熱部１３４に戻されている。触媒加熱部１３４は、燃料排ガス中の水素を燃焼させて、その熱を気化部１３２に供給している。触媒加熱部１３４としては、白金触媒やパラジウム触媒などの貴金属触媒を用いて燃料排ガスやメタノールの燃焼反応を促進する装置を利用することができる。気化部１３２では、触媒加熱部１３４から与えられた熱によって改質原料が気化される。燃料排ガスの燃焼による熱では熱量が不足する場合には、ポンプ１５４を介して原燃料であるメタノールが触媒加熱部１３４に供給される。
【００４８】
改質器１３０と燃料電池１４０との間の燃料ガス流路２１２には、酸素濃度センサ１９４と、一酸化炭素濃度センサ１９６とが設けられている。制御ユニット７０は、これらのセンサ１９４，１９６を含む各種のセンサで測定された測定値を制御入力として用いて、燃料電池システム６０の制御を実行する。なお、図２の例では、制御ユニット７０は、図示の便宜上、一部の構成部品（センサやポンプ）への接続のみが描かれており、他の構成部品への接続は図示が省略されている。
【００４９】
燃料ガス流路２１２上には、さらに、分配弁１７０が設けられている。改質器１３０の起動時の初期には、改質器１３０から排出される燃料ガスＨＲＧは、未反応ガスを多く含んでいる。そこで、起動時の初期には、この燃料ガスＨＲＧは、必要に応じて、分配弁１７０を介して燃料排ガスの排出路２１４にバイパスすることができる。
【００５０】
なお、原燃料タンク１１０と、流量計１５１と、ポンプ１５２とは、原燃料供給部を構成している。また、水タンク１２０と、流量計１５５と、ポンプ１５６とは、水供給部を構成している。また、空気供給部１６６は、酸素供給部として機能する。これらの原燃料供給部と、水供給部と、酸素供給部とが、本発明における原料供給部を構成する。但し、酸素供給部としては、一般に、酸素を含む酸化性化学物質を供給するものを利用することができる。
【００５１】
図３は、改質器１３０の斜視図である。改質部１３６は、前段改質部１３６ａと後段改質部１３６ｂとを、連結管１３６ｃでＵ字状に連結したものである。すなわち、改質器１３０全体は、略Ｕ字状の形状を有しており、蒸発部１３３とＣＯ低減部１３８が隣接した位置関係で配置されている。
【００５２】
図４は、改質器１３０内の温度センサの配置を示す概念図である。本実施例では、ＥＨＣ１３５内に１つの温度センサ１８０が設けられているとともに、改質部１３６内に４つの温度センサ１８１〜１８４が設けられている。４つの温度センサ１８１〜１８４は、改質部１３６の上流側から下流側にかけて、ほぼ等間隔に順に配置されている。但し、これらの温度センサ１８１〜１８４は、ほぼ等間隔に配置されている必要はなく、改質部１３６内の複数の箇所に配置されていればよい。
【００５３】
Ｂ．起動制御の実施例：
図５は、本発明の実施例における改質装置の起動時の制御手順を示すフローチャートである。なお、この制御手順は、メモリ７１（図２）に格納されたコンピュータプログラムを、制御ユニット７０が実行することによって実現される。
【００５４】
まず、車両が始動されると、ステップＳ１において燃料電池システム６０が起動され、ＥＨＣ１３５の通電が開始される。このとき、蒸発部１３３の運転も開始される。ステップＳ２では、少量の原燃料（メタノール）と水の投入が開始される。
【００５５】
図６は、本実施例における改質器の起動運転の様子を示すグラフである。図６（Ａ）は、気化部１３２へのメタノールと水の合計投入量の時間変化を示している。また、図６（Ｂ）は混合室１３５ａへの空気ＡＲＯの投入量を、図６（Ｃ）は改質触媒の温度Ｔｅ，Ｔ１〜Ｔ４を、図６（Ｄ）は改質器１３０で生成される水素量をそれぞれ示している。
【００５６】
図６の時刻ｔ０は、図５のステップＳ２において、原燃料（メタノール）と水の投入が開始された時点に相当する。時刻ｔ０では、気化部１３２において、メタノールや水があまり気化されておらず、また、ＥＨＣ１３５の温度も低い。そこで、この時点では、混合室１３５ａに投入される空気（改質触媒での部分酸化反応に利用される）は、投入されていない。
【００５７】
図５のステップＳ３では、ＥＨＣ１３５の温度Ｔｅ（図６（Ｃ））が所定のしきい値Ｔｈ（例えば約２００℃）に達したか否かが判断され、しきい値Ｔｈに達したと判断されると、ステップＳ４において部分酸化用の空気ＡＲＯが少量投入される（図６（Ｂ）の時刻ｔ１）。すなわち、時刻ｔ１からは、メタノールと水蒸気と空気との混合物である改質原料ガスが、ＥＨＣ１３５に投入される。このとき、ＥＨＣ１３５は、改質反応（水蒸気改質反応や部分酸化反応）が発生するのに十分な高温に達しているので、少量の酸素が投入されると、ＥＨＣ１３５において、その投入量に応じた改質反応が発生する。この結果、改質器１３０からは、その反応量に応じた水素が発生する（図６（Ｄ））。
【００５８】
時刻ｔ１以降は、燃料電池１４０に供給するのに適した十分な割合の水素を含む燃料ガスＨＲＧが生成されるように、改質原料の供給量が制御されている。具体的には、図６（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１以降は、改質原料ガス（メタノール＋水蒸気＋空気）に含まれる酸素原子数と炭素原子数との比（Ｏ／Ｃ）の値が、約０．４になるように、３つの原料の供給量がそれぞれ制御されている。改質器１３０内で発生する各種反応の活発さは、（Ｏ／Ｃ）比に依存することが知られている。本実施例では、この（Ｏ／Ｃ）比を、未反応ガスや一酸化炭素を低減しつつ、水素ガスを生成するための適切な値に設定しているので、時刻ｔ１以降からは、燃料電池１４０に供給可能な改質ガスが生成される。従って、時刻ｔ１からは、改質ガスを燃料電池１４０に供給して、発電を開始することが可能である。なお、（Ｏ／Ｃ）比の値は、メタノールを原料とした改質の場合には、約０．２〜約３．０の範囲に設定することが好ましい。（Ｏ／Ｃ）比が約０．２よりも小さいときには、大量のメタノールが未反応のまま排出される可能性がある。一方、（Ｏ／Ｃ）比が約３．０よりも大きいときには、水素ガス量が減少したり、一酸化炭素が増加したりする可能性がある。
【００５９】
なお、燃料電池１４０に供給するのに適した燃料ガスＨＲＧ中の水素の「十分な割合」の値は、実験的に決定される。現実には、燃料ガスＨＲＧが実際に燃料電池１４０に供給されて発電が行われている場合には、その燃料ガスＨＲＧに、燃料電池１４０に供給するのに適した十分な割合の水素が含まれていると見なすことが可能である。
【００６０】
こうして改質反応が進行すると、その熱によって、ＥＨＣ１３５よりも下流側の改質触媒も徐々に加熱される。図５のステップＳ５では、改質部１３６内の１番目の温度センサ１８１の温度Ｔ１が、しきい値Ｔｈに達したか否かが判断され、しきい値Ｔｈに達したと判断されると、ステップＳ６において各原料（メタノールと水蒸気と空気）が、それぞれの要求量に達しているか否かが判断される。この要求量は、改質部１３６内部の温度Ｔ１〜Ｔ４が上昇するにつれて増加するように予め設定されている。従って、通常は、ステップＳ６からステップＳ７に移行して、各原料が要求量まで増量される。図６（Ａ），（Ｂ）の例では、時刻ｔ２において、メタノールと水蒸気が３５０cc/minまで増量されており、これに応じて空気量も増量されている。なお、時刻ｔ２以降においても（Ｏ／Ｃ）比は約０．４に保たれているので、燃料電池１４０に供給するのに適した十分な割合の水素を含む燃料ガスＨＲＧが生成される。また、時刻ｔ２以降は、時刻ｔ１〜ｔ２の期間よりも多くの水素が生成されるので、燃料電池１４０の発電量も増加する。
【００６１】
ステップＳ８〜Ｓ１４においても同様に、改質部１３６内の温度センサ１８２〜１８４の温度Ｔ２〜Ｔ４が上昇するにつれて各原料を増量してゆく。そして、改質部１３６内の最下流の温度センサ１８４の温度Ｔ４がしきい値Ｔｈに達すると、改質器１３０の起動が完了したものと判断される。
【００６２】
以上のように、本実施例では、改質器１３０の起動時の最初に、改質部１３６の上流側に設けられたＥＨＣ１３５内の改質触媒で改質を行い、生成された燃料ガスＨＲＧを燃料電池１４０に供給している。従って、改質器１３０の起動時の早い時点から（具体的には時刻ｔ１から）、燃料電池１４０による発電を行うことが可能である。
【００６３】
また、改質触媒の上流側から下流側に至る流路に沿って複数の温度センサ１８１〜１８４が順次配置されており、各温度センサで測定された温度Ｔ１〜Ｔ４が順次次第に上昇していくにつれて改質原料の供給量を段階的に増加させている。従って、改質触媒の温度上昇に合わせて、燃料ガスＨＲＧ（改質ガス）の生成量と燃料電池１４０の発電量を徐々に増加させることができる。
【００６４】
図７は、改質器１３０の暖機状態と燃料電池１４０の発電量の上限値との関係の一例を示す説明図である。改質器１３０の暖機状態ＣＣは、例えば次の（１）式で定義することができる。
ＣＣ＝Σ｛ min(0.25, 0.25×(Ti-To)/(Th-To))}      …（１）
【００６５】
ここで、Ｔｉは測定温度（ｉ＝１〜４）、Ｔｏは環境温度、Ｔｈはしきい値である。また、演算子minはかっこ内の最小値を取る演算を示し、演算子Σはかっこ内の和を取る演算を示す。
【００６６】
例えば、４つの温度Ｔ１〜Ｔ４がすべて環境温度Ｔｏに等しいときには、暖機状態ＣＣは０％である。また、４つの温度Ｔ１〜Ｔ４がすべてしきい値Ｔｈを超えているときには、暖機状態ＣＣは１００％である。制御ユニット７０（図２）は、図７のような関係に基づいて、改質器１３０の暖機状態ＣＣに応じて燃料電池１４０の発電量の上限値を決定することが可能である。
【００６７】
なお、暖機状態ＣＣと発電量の関係は、図８に示すように、ほぼ直線的な関係としてもよい。図８のような関係を用いるときには、図６に示した各改質原料の供給量の変化も、ステップ状ではなく、徐々に緩やかに増加する曲線状にすることが好ましい。
【００６８】
また、暖機状態ＣＣの定義としては、上述した（１）式に限らず、改質器１３０の暖機状態を表現することのできる他の種々の定義を採用することが可能である。
【００６９】
なお、暖機状態ＣＣの値に応じて発電量の上限値を決定する代わりに、改質器１３０の起動からの時間に応じて燃料電池１４０の発電量の上限値を決定するようにしてもよい。ほとんどの場合には、改質器１３０の暖機状態の時間的変化は、ほぼ一定の経過を辿ると考えられる。従って、改質器１３０の起動からの時間に応じて発電量の上限値を決定しても実際上の問題は少ない。
【００７０】
以上のように、本実施例では、改質器１３０の暖機状態に応じて改質原料（メタノールと水と空気）の供給量を徐々に増加させるようにしたので、改質器１３０の起動時の早い時期から燃料電池１４０に燃料ガスＨＲＧを供給して発電を始めることが可能である。この結果、車両が始動する（キーオンされる）と、早い時期から燃料電池１４０による発電ができるので、従来よりも早く車両が運転可能な状態になる。この際、燃料電池１４０の発電量では車両の要求動力を満足できない場合には、２次電池５０（図１）の電気を利用して車両が運転される。
【００７１】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００７２】
Ｃ１．変形例１：
図９は、改質器の変形例を示す説明図である。図４に示した改質器との違いは、改質部１３６の途中の複数の位置において空気を吹き込むように構成されている点だけである。このような改質器では、空気が吹き込まれた位置より下流側での発熱反応（部分酸化反応など）が活発化する。この結果、改質触媒全体の昇温を早めることが可能である。このような改質器を用いる場合にも、改質部１３６に供給される空気量を、改質部１３６内の複数の温度Ｔ１〜Ｔ４に応じて図６と同様に制御すればよい。
【００７３】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、改質触媒の温度が順次次第に上昇していくにつれて、改質原料の供給量を段階的に（ステップ的に）増加させていたが、改質原料の供給量は滑らかな曲線に沿って増加させるようにしてもよい。また、改質原料の供給量は、改質触媒の温度の測定結果に応じて変える必要はなく、例えば、改質器１３０の起動からの時間で供給量が決まるような所定の増加曲線に従って改質原料を増加させるようにしてもよい。この場合にも、改質触媒の温度は改質器１３０の起動からの時間の経過に応じて上昇するので、改質原料の供給量が改質触媒の温度の上昇とともに増加していく、という点では、上述した実施例と共通している。従って、この場合の改質原料の供給量の増加曲線も、改質触媒の温度の上昇に関連付けられたものであると考えることが可能である。すなわち、本発明では一般に、改質原料の供給量を、改質触媒の温度の上昇に関連付けられた増加率で、次第に増加させるようにすればよい。ここで、「増加率」という用語は、増加の仕方（増加曲線）を意味する広い意味を有している。この増加率は、各改質原料に関してそれぞれ異なる値や曲線に設定可能である。
【００７４】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、ＥＨＣ１３５を改質触媒の最上流の位置に配置していたが、ＥＨＣ１３５を他の位置に配置することも可能である。但し、通常は改質触媒は最上流側から下流側に向かって徐々に昇温していくので、ＥＨＣ１３５を最上流側に配置することが好ましい。また、上記実施例では、ＥＨＣ１３５は改質触媒の一部のみを加熱していたが、ＥＨＣ１３５で改質触媒の全体を加熱するようにしてもよい。すなわち、ＥＨＣ１３５は、改質触媒の少なくとも一部を加熱するように構成されていればよい。また、改質触媒を加熱するための加熱部としては、電気加熱式以外の他の方式による加熱部を用いることも可能である。
【００７５】
Ｃ４．変形例４：
改質器の原燃料としては、メタノール以外の炭化水素系燃料を使用可能であり、例えば、他のアルコールや、ガソリン、天然ガス、アルデヒド、エーテルなどの種々の炭化水素系化合物を利用可能である。例えば、原燃料としてガソリンを用いた場合には、起動期間における（Ｏ／Ｃ）比の値は、約０．７〜約３．０の範囲に設定することが好ましい。また、原燃料として天然ガスを用いた場合には、起動期間における（Ｏ／Ｃ）比の値は、約０．８〜約４．０の範囲に設定することが好ましい。
【００７６】
Ｃ５．変形例５：
上記実施例では、燃料電池システム６０を使用した電気自動車の例について説明したが、本発明は、車輪駆動用の原動機として、モータと内燃機関との２つの原動機を用いたハイブリッド自動車（ハイブリッド車両）にも適用することができる。また、本発明は、船舶や電車などのような、自動車以外の移動体にも適用可能である。すなわち、本発明は、一般に、燃料電池と、燃料改質装置と、燃料電池を含む電源から供給される電力によって駆動される原動機と、を備える移動体に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例としての電気自動車の概略構成図。
【図２】燃料電池システム６０の内部構成を示す説明図。
【図３】改質器１３０の斜視図。
【図４】改質器１３０内の温度センサの配置を示す概念図。
【図５】実施例における改質装置の起動時の制御手順を示すフローチャート。
【図６】実施例における改質器の起動運転の様子を示すグラフ。
【図７】改質器１３０の暖機状態と燃料電池１４０の発電量との関係の一例を示す説明図。
【図８】改質器１３０の暖機状態と燃料電池１４０の発電量との関係の他の例を示す説明図。
【図９】改質器１３０の変形例を示す説明図。
【符号の説明】
１３…回転軸
１４…出力軸
１５…出力軸
１６…ディファレンシャルギヤ
１７…車軸
１８…車輪
２０…モータ
２２…ロータ
２４…ステータ
３０…トルクコンバータ
４０…変速機
５０…バッテリ
５１，５２…駆動回路
５１…第１の駆動回路
５２…第２の駆動回路
６０…燃料電池システム
７０…制御ユニット
７１…メモリ
７２…シフトレバー
７４…アクセルペダル
７６…ブレーキペダル
８０…切替スイッチ
１０２…原燃料供給路
１０８…水供給路
１１０…原燃料タンク
１２０…水タンク
１３０…改質器
１３２…気化部
１３３…蒸発部
１３４…触媒加熱部
１３５…電気加熱式触媒部（ＥＨＣ）
１３５ａ…混合室
１３６…改質部
１３６ａ…前段改質部
１３６ｂ…後段改質部
１３６ｃ…連結管
１３８…ＣＯ低減部
１４０…燃料電池
１４２…燃料ガス通路
１４４…空気通路
１４６…エアーポンプ
１５１…流量計
１５２…ポンプ
１５３…流量計
１５４…ポンプ
１５５…流量計
１５６…ポンプ
１６６…空気供給部
１６６ａ…エアーポンプ
１６６ｂ…流量計
１６６ｃ…電動弁
１７０…分配弁
１８０〜１８４…温度センサ
１９４…酸素濃度センサ
１９６…一酸化炭素濃度センサ
２０４，２０６…分岐流路
２０８…水供給路
２１０…流路
２１２…燃料ガス流路
２１４…排出路
【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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