(57)【要約】改質装置（２９）と、改質装置から発生される改質ガソリンの水素濃縮装置（３３、３４）と、一酸化炭素の反応による改質ガソリンの純化装置（３２）を有する、特に自動車のための、燃料電池（２）へ水素を供給するための燃料の改質システム（１）において、少なくとも２つの別々の経路（ａ、ｂ）を有し、別々の経路の各々は、改質装置と水素濃縮装置と純化装置の少なくとも１つを有し、上記経路の１つまたは全ての経路を同時に選択するための制御手段（１９、３９）を有することを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に自動車のための、燃料電池へ水素を供給するための燃料の改質システムであって、上記改質システムは、改質装置と、上記改質装置から発生される改質ガソリンの水素濃縮装置と、一酸化炭素の反応による上記改質ガソリンの純化装置とを含んでなる、燃料電池へ水素を供給するための燃料の改質システムにおいて、少なくとも２つの別々の経路（ａ、ｂ）を有し、上記経路の各々は、上記改質装置と上記水素濃縮装置と上記純化装置の少なくとも１つを有し、上記経路の１つまたは全ての経路を同時に選択するための制御手段（１９、３９）を有することを特徴とする、燃料電池へ水素を供給するための燃料の改質システム。
【請求項２】
上記別々の経路の各々が、改質装置と、上記改質装置から発生される改質ガソリンの水素濃縮装置と、一酸化炭素の反応による上記改質ガソリンの純化装置を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池へ水素を供給するための燃料の改質システム。
【請求項３】
上記別々の経路の各々が改質装置を有し、上記別々の経路は唯一の経路に結合され、上記唯一の経路は、異なる経路の上記改質装置から発生される改質ガソリンの共通の水素濃縮装置と、一酸化炭素の反応による上記改質ガソリンの共通の純化装置を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池へ水素を供給するための燃料の改質システム。
【請求項４】
上記別々の経路の各々が改質装置と上記改質装置から発生される改質ガソリンの水素濃縮装置とを有し、上記別々の経路は唯一の経路に結合され、上記唯一の経路は、一酸化炭素の反応による上記改質ガソリンの共通の純化装置を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池へ水素を供給するための燃料の改質システム。
【請求項５】
上記別々の経路の各々が改質装置と上記改質装置から発生される改質ガソリンの高温の水素濃縮装置とを有し、上記別々の経路は唯一の経路に結合され、上記唯一の経路は、上記改質装置から発生される改質ガソリンの共通の低温の水素濃縮装置と、一酸化炭素の反応による上記改質ガソリンの共通の純化装置を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池へ水素を供給するための燃料の改質システム。
【請求項６】
上記別々の経路は、上記燃料電池の異なる出力に対応して、異なる水素の流量を供給するように適合化されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池へ水素を供給するための燃料の改質システム。
【請求項７】
上記制御手段は、上記システムに供給する燃料の流量を、選択された１または複数の上記経路に応じて制御するように適合化されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料電池へ水素を供給するための燃料の改質システム。
【請求項８】
バッテリーと、燃料の改質装置によって製造された水素を供給される燃料電池とが装備された自動車の電気駆動装置へ供給する電気出力の制御方法において、上記燃料電池へ供給する水素の流量を、要求される出力に応じて、１または複数の個別の改質経路を使用して制御することを特徴とする、電気駆動装置へ供給する電気出力の制御方法。
【請求項９】
唯一の改質経路のみを使用し、上記自動車の速度が上記バッテリーを使用することなく達せられる速度よりも低い速度に留まる限りは、上記バッテリーから供給される出力が、上記燃料電池から供給される出力に付加されることを特徴とする、請求項８に記載の電気駆動装置へ供給する電気出力の制御方法。
【請求項１０】
同時に全ての改質経路を使用し、全出力が燃料電池から供給される最大出力よりも低い限りは、上記バッテリーから供給される出力が、上記燃料電池から供給される出力に付加されることを特徴とする、請求項８に記載の電気駆動装置へ供給する電気出力の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池への水素の供給に関し、特に駆動用の電気モータが装備された自動車の燃料電池への水素の供給に関する。この燃料電池は、炭化水素燃料の改質によって得られた水素を供給されるものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と、空気中の酸素を同時に供給される電気化学発電機を構成する。このような燃料電池は、自動車における電気駆動装置に給電するために使用することができる。このようにして、燃料を供給される熱エンジンが装備された従来の自動車に比べて、二酸化炭素と汚染ガスの排出を著しく減少させることができる。  
炭化水素燃料を使用して、燃料電池へ供給するために必要な水素を製造するためには、燃料から水素を抽出することが可能な改質システムを自動車の中に設置する必要である。このような燃料は、ガソリン、メタノール、またはその他のあらゆる炭化水素燃料である可能性がある。  
一般に、改質システムは、本質的に３つの主構成要素からなる。  
まず第１に、改質システムは、１次燃料から、触媒改質過程によって、高濃度水素混合ガスを製造する、本来の意味における改質装置すなわちリフォーマを有する。様々なタイプのリフォーマが知られているが、この説明においては、一般にＡＴＲ（Ａｕｔｏ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）と呼ばれる様式に含まれる、熱を自給可能なリフォーマについて主として言及する。勿論、本発明は異なる技術のリフォーマにも同じ条件で適用可能である。  
また改質システムは、高温水蒸気を介入させる反応による、改質装置から発生される改質ガソリンの水素の濃縮装置を有する。実際には、濃縮装置は多くの場合高温部分（ＨＴＳ）と低温部分（ＬＴＳ）との２つの部分からなる。  
最後に、燃料電池へ供給する前に、改質装置から発生される水素濃度が高いガス状混合物から一酸化炭素のガスを除去するための、一酸化炭素の反応による、改質装置から発生される改質ガソリンの純化装置も有する。  
これらの３つの装置は、完全に機能するためには、動作に適した温度に維持される必要がある。例えば、ガソリンの改質の場合、最適温度は、ＡＴＲ型については８００℃のオーダ、水素の濃縮装置については４００℃、一酸化炭素の純化装置については１５０℃である。  
これらの温度に達するために、改質システムに組み込まれ、燃料を供給される燃焼器が一般に使用される。改質システムの構成要素の熱容量は比較的大きいので、相当な量の燃料の燃焼が必要であり、燃料消費の増大をもたらす。走行距離が長距離で自動車の速度が高速の場合には、燃焼器によるこの燃料消費は微小であるとみなされるが、走行距離が短く自動車の速度が低速の場合は、限られた時間の中に複数の低温での発進が含まれ、燃焼器によるこの燃料消費は微小であるとみなすことはできない。このような状態は、燃料電池が装備された自動車を市街地で使用する際に特に生じる。
【０００３】
特許出願ＷＯ  ００３１８１６には、改質と純化の行程を１つの反応装置に再編成する、自動車用の小型化された改質装置が記載されている。この文献には、直列または並列に接続された複数のモジュールの可能性が言及されているが、燃料消費と自動車の操作性の観点における利点には言及されていない。
【０００４】
【特許文献１】特許出願ＷＯ  ００３１８１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明は、特に低速の市街地走行の際の燃料消費の節約を可能にする、自動車の燃料電池へ水素を供給するための燃料の改質システムを提供することを目的とする。  
また本発明は、利用可能な出力を簡単に変更する可能性を運転者に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による、特に自動車のための、燃料電池へ水素を供給するための燃料の改質システムは、改質装置と、上記改質装置から発生される改質ガソリンの水素濃縮装置と、一酸化炭素の反応による上記改質ガソリンの純化装置とを含んでなる。少なくとも２つの別々の経路が設けられ、上記経路の各々は、上記改質装置と上記水素濃縮装置と上記純化装置の少なくとも１つを有し、上記経路の１つまたは全ての経路を同時に選択するための制御手段が設けられる。
【０００７】
このようにして、自動車の運転者は、各運転状況に適応された出力を、容易に選択することが可能である。
【０００８】
１実施の形態においては、上記別々の経路の各々は、改質装置と、上記改質装置から発生される改質ガソリンの水素濃縮装置と、一酸化炭素の反応による上記改質ガソリンの純化装置を有する。並列に搭載された２つの経路のそれぞれ互いに対応する各装置は同じ装置である。
【０００９】
他の１つの実施の形態においては、上記別々の経路の各々は、改質装置を有し、上記別々の経路は唯一の経路に結合され、上記唯一の経路は、異なる経路の上記改質装置から発生される改質ガソリンの共通の水素濃縮装置と、一酸化炭素の反応による上記改質ガソリンの共通の純化装置を有する。
【００１０】
他の１つの実施の形態においては、上記別々の経路の各々は、改質装置と上記改質装置から発生される改質ガソリンの水素濃縮装置とを有し、上記別々の経路は唯一の経路に結合され、上記唯一の経路は、一酸化炭素の反応による上記改質ガソリンの共通の純化装置を有する。
【００１１】
変形として、上記別々の経路の各々は、改質装置と上記改質装置から発生される改質ガソリンの高温の水素濃縮装置とを有することができ、上記別々の経路は唯一の経路に結合され、上記唯一の経路は、上記改質装置から発生される改質ガソリンの共通の低温の水素濃縮装置と、一酸化炭素の反応による上記改質ガソリンの共通の純化装置を有する。
【００１２】
望ましくは、上記別々の経路は、上記燃料電池の異なる出力に対応して、異なる水素の流量を供給するように適合化される。したがって、運転者は、所望の出力に対応する上記経路を容易に選択することが可能である。
【００１３】
有利には、上記制御手段も、上記システムに供給する燃料の流量を、選択された１または複数の上記経路に応じて制御するように適合化される。
【００１４】
本発明による自動車の燃料電池の水素供給方法は、改質ガソリンの水素の濃縮と一酸化炭素の反応による改質ガソリンの純化を伴う、燃料の改質過程を使用する。更に、燃料電池へ供給する水素の流量を、要求される出力に応じて、１または複数の個別の改質経路を使用して制御する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、非限定的な例としてとらえられ、添付図面によって例示された幾つかの実施の形態を検討することによって、よりよく理解されるであろう。これらの図において：
−図１は、改質システムと燃料電池を有する、自動車の駆動装置の主な要素を示し；
−図２は、完全に別の２つの経路を有する、本発明による改質システムの第１の実施の形態を示し；
−図３は、１つの経路に結合される、部分的に２つの経路を有する、本発明による改質システムの第２の実施の形態を示し；
−図４は、１つの経路に結合される、部分的に２つの経路を有する、本発明による改質システムの第３の実施の形態を示し；
−図５は、図４に示す実施の形態の変形を示す。
【００１６】
図１に示すように、改質システム１は、配管３を介して、燃料電池２へ水素を供給する。燃料電池２によって製造された電流は、電気接続５を介して、コンバータ４へ送られる。電気接続６は、コンバータ４を、自動車に装備されたバッテリー７へ接続する。コンバータ４から発生される電流は、電気接続８を介して自動車の電気モータ９へ送られる。電気モータ９は、軸１０を介して、ブロック１１によって図式化された変速機と自動車の車輪へ接続されている。  
燃料タンク１２は、燃料を配管１４を介して改質システム１へ送ることが可能なポンプ１３を備えている。  
空気は、配管１６を介してコンプレッサ１６へ送られる。次いで、空気はそれぞれ配管１７と１８を介して、燃料電池２と改質システム１の中へ送られる。  
電子制御ユニット１９は、接続２０を介して燃料ポンプ１３へ、接続２１を介して改質システム１へ、それらを制御するために、制御信号を送ることができる。このことについては、後に説明する。  
出力指示装置２２は、接続２３を介して電子制御ユニット１９の信号を受け、駆動用のモータに対して供給可能な出力を運転者に知らせる。  
また図１に、接続２５を介して電子制御ユニット１９に接続されたモード選択ボタン２４と、同様に接続２７を介して電子制御ユニット１９に接続されたキー２６を示した。勿論、これらの手段は例としてのみ記載されたものであり、その他の手段を設けることが可能である。  
作動中に、電子制御ユニット１９がキー２６と選択ボタン２４から信号を受けたときには、電子制御ユニットは、改質システムに燃料を供給するようにポンプ１３を直接操作する。図１には示さない手段によって適当に加熱され、コンプレッサ１６から圧縮空気を供給されている改質システム１は、後に説明するように、燃料電池２へ供給するために、適当に純化された、水素濃度の高い改質ガソリンを製造する。過剰な水素は、配管２８を介して改質システムの中へ戻る。
【００１７】
これらの様々な手段が装備された自動車は、熱エンジンが装備された自動車と同様に、駆動装置によって消費される平均出力が小さい市街地における使用に対しても、駆動装置によって消費される平均出力が大きい道路または高速道路における使用に対しても、適応されなければならない。  
本発明は、これらの２つのタイプの使用を、従来の自動車の機能と同等な機能を保証しつつ、電気駆動に固有の利点も保持し、燃料消費を減少させて、可能にすることを目的とする。  
本発明によって提供される解決策は、改質システムの中に、所望の出力に応じて運転者によって、個々に、あるいは一緒に選択可能な、少なくとも２つの分離された経路を設置することからなる。
【００１８】
図２は、本発明の第１の実施の形態を示す。第１の実施の形態においては、改質システム１は、対応する構成要素が互いに同じである２つの経路を有する。２つの経路ａ及びｂは、並列に配置される。２つの経路のそれぞれは、改質装置２９ａ、２９ｂ、高温の水素濃縮装置３０ａ、３０ｂ、低温の水素濃縮装置３１ａ、３１ｂ、製造された改質燃料の中の一酸化炭素を反応させる純化装置３２ａ、３２ｂを有する。各装置の最適動作温度は熱交換器３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂ、３５ａ、３５ｂによって確保される。
【００１９】
燃焼器３６は、熱エネルギを発生し、この熱エネルギは、配管１８から空気を供給される熱交換器３７へ送られる。熱交換器３７から発生する高温の空気は、リアクタ（改質装置、高、低温の水素濃縮装置、純化装置）２９、３０、３１、３２を通り抜け、これらを加熱すること可能にする。燃焼器３６から発生する燃焼ガスは、熱交換器３７を通り抜けた後で、様々な熱交換器３３〜３５も通り抜ける。このように２重に加熱に寄与することによって、装置の加熱時間が短縮される。第２行程においては、熱交換器３７は、配管１４から供給される燃料と、配管３８から供給される水を気化させるために使用される。熱交換器３７の中で気化された燃料と水は、図１に示す電子制御ユニット１９から発生される信号によって操作される弁３９の位置に応じて、２つの経路ａ、ｂの一方または両方へ送られる。
【００２０】
２つの経路ａ、ｂは、燃料電池２の入口で一緒になり、水素濃度が濃いガス状混合物は、熱交換器４０の中を通過することによって、適当な温度にされる。
【００２１】
２つの経路を使用するこの実施の形態においては、２つのうちの１つの経路の装置の様々な構成要素を、例えば経路ａは、ある出力、例えば６０ｋＷのオーダの出力を供給するように選択し、経路ｂは、より低い出力、例えば２０ｋＷのオーダの出力を供給するように選択することができる。
【００２２】
自動車の発進時には、運転者は、次の２つの動作モードから１つの動作モードを選択する。  
第１動作モードによれば、運転者は、発進時に、２０ｋＷのオーダの低出力の経路ｂのみを作動状態にして、燃料消費を優先することができる。この場合、改質システムの温度を動作温度にするために消費される燃料の量は減少される。  
第２動作モードによれば、運転者は、自動車の発進時から、同時に２つの経路ａ、ｂを作動状態にして、自動車の性能を優先することができる。しかしながら、これは、２つの経路ａ、ｂを同時に加熱することを必要とし、このことは自動車の燃料消費の著しい増加をもたらす。しかしながら、運転者は、動作温度に達すると直ちに、自動車に備わる全出力を使用することができる。  
また、運転者は、自動車の走行時に、特定の操作モードを選択することもできる。  
運転者に動作モードの選択を可能にするインタフェースは、図１に符号２４で示した例におけるような、簡単なモード選択ボタンとすることができる。  
運転者が、その運転を利用可能な出力に適応させることを可能にするために、電子制御ユニット１９によって操作される出力指示装置２２は、動作中の経路を運転者に知らせる。
【００２３】
この実施の形態の動作のロジックは次のとおりである。  
電子制御ユニットは、キー２６または動力装置の始動ボタンを常時観察する。電子制御ユニットは、キー２６また動力装置の始動ボタンが「発進」位置をとると直ちに、モード選択ボタン２４の位置をテストする。  
もし、「低燃料消費」優先の動作モードが選ばれていたら、電子制御ユニットは、燃焼器３６を起動し、ポンプ１３を操作して燃料の流量を調整して、改質システムの経路ｂ、すなわち小出力の経路を加熱するために燃焼器３６に供給するのに適した流量にする。  
反対に、運転者によって「性能」優先の動作モードが選ばれていたら、電子制御ユニットは、燃焼器を起動し、２つの経路ａ、ｂを加熱することを可能にするように燃料の流量を調整する。
【００２４】
これらの２つの場合において、燃料電池への水素の供給は、リアクタが動作温度に達したら直ちに可能である。この瞬間から、電子制御ユニットは、例えばアクセルペダルの位置によって表される運転者の要求に応じて、燃料電池から電気出力を発生することを保証する。使用可能な全電気出力は、運転者によって選択されたモードの他に、電子制御ユニットの中にプログラム可能な、自動車のために採用されるエネルギの管理に依存する。
【００２５】
低燃料消費優先の動作モードにおいては、改質システムの経路ｂのみが、燃料電池２へ供給される水素を製造する。自動車の速度が、経路ｂから水素を供給される燃料電池２によってのみ供給される出力によって到達可能な速度を超えないという条件で、バッテリーから供給される出力が、燃料電池２によって発生される出力に追加される。この場合の到達可能な速度は、燃料電池が２つの経路ａ、ｂからＨ２を供給されるときに得られる自動車の最大速度よりも低い。このようなエネルギの管理は、加速のために、一方の経路のみから水素を供給される燃料電池の出力に加えて、バッテリーの出力を使用することを可能にする。自動車の速度は、経路ｂのみのＨ２の製造によって達せられる速度に限られるので、バッテリーから供給される出力を連続して要求させることはない。このことは、出力の連続した要求によるバッテリーの放電を回避する。バッテリーを使用することによって、自動車の加速は、改質システムの経路ｂのみが作動中であるという事実によって影響されない。
【００２６】
性能優先の動作モードにおいては、燃料電池２へ供給される水素を、改質システムの２つの経路が製造する。得られる合計出力が、燃料電池２のシステムの最大出力を超えないという条件で、バッテリーから供給される出力も、燃料電池２によって発生される出力に追加される。このようなエネルギの管理は、駆動装置によって出力の増加が要求されたときに、燃料電池システムの反応時間を補償するために、バッテリーの出力を使用することを可能にする。このことは、電気モータへ供給される最大出力は、燃料電池システムの最大出力を超えることはないので、バッテリーの放電による自動車の性能低下のリスクをもたらすことなく、優れた加速を得ることを可能にする。
【００２７】
自動車の走行中に、運転者が低燃料消費優先の動作モードから性能優先の動作モードへ移行したときには、電子制御ユニットは、燃焼器３６を活性化し、ポンプ１３を操作して、改質システムの第２の経路を加熱するように燃焼器へ供給する燃料の流量を調整する。一方、第１の経路ｂは、既に最適の動作温度になっている。
【００２８】
出力指示装置２２は、運転者に使用可能な出力を知らせる。自動車の始動の際には、出力指示装置２２は、バッテリーのみが、出力供給の手段であることを運転者に知らせる。もし、低燃料消費優先の動作モードが選択されたら、経路ｂが熱くなったら直ちに、バッテリーと改質装置システムの一方の経路が使用可能であることを、出力指示装置は運転者に知らせる。もし、性能優先の動作モードが選択されたら、改質装置システムの２つの経路が動作温度に達したたら直ちに、自動車の出力の全てが使用可能であることを、出力指示装置は運転者に知らせる。
【００２９】
図３は、本発明の第２の実施の形態を示す。この図において、図２と同じ構成要素には同じ符号を付けたが、改質装置のみが２つ設けられている。２つの経路ａ、ｂはそれぞれ改質装置２９ａと２９ｂを有している。しかし、２つの経路ａ、ｂは改質装置２９ａと２９ｂの出口で唯一の経路に結合される。この唯一の経路は、唯一の高温の水素濃縮装置３０と、唯一の低温の水素濃縮装置３１と、唯一の純化装置３２を有する。図２に示された実施の形態と同様に、熱交換器３３、３４、３５及び４０が設けられている。
【００３０】
図４に示す第３の実施の形態においては、２つの経路ａ、ｂはそれぞれ改質装置２９ａ、２９ｂと、高温の水素濃縮装置３０ａ、３０ｂと、低温の水素濃縮装置３１ａ、３１ｂと、種々の構成要素を最適温度にすることを可能にする熱交換器３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂを有している。２つの経路ａ、ｂは低温の水素濃縮装置３１ａ、３１ｂの出口で唯一の経路に結合される。従って、純化装置３２は２つの経路ａ、ｂに共通である。
【００３１】
図５に示す第３の実施の形態の変形においては、低温の水素濃縮装置３１も、それぞれ改質装置２９ａと２９ｂと、高温の水素濃縮装置３０ａ、３０ｂとを有する２つの経路ａ、ｂに共通である。
【００３２】
勿論、他の組み合わせの構成を想定することも可能である。特に、本説明においては例として２つの経路を示したが、運転者に選択の範囲の拡大を可能にするために、より多数の経路を用いることが可能である。
【００３３】
本発明は、運転者が、市街地における運転のために、自動車の一時的な性能の低下の代償として、燃料消費の少ない自動車の動作モードを選択することを可能にする。自動車の動作モードの選択は、運転者の制御に委ねられ、運転者は、燃料消費が少ない経済的な動作モードから、性能を優先し車両に備わる全出力に対応する動作モードへ、いつでも変更することができる。
【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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【国際調査報告】
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