(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水および炭化水素を含む原料を供給する原料供給装置と、
前記原料供給装置からの原料供給量を調整する原料供給量調整手段と、
前記原料供給装置から供給された原料を気化させて原料蒸気を発生する原料蒸気発生装置と、
前記原料蒸気発生装置の温度を上昇させる加熱手段と、
前記原料蒸気発生装置からの原料蒸気と空気とを用いて発熱反応である酸化反応を行うとともに、当該酸化反応で発生する熱エネルギーを利用して吸熱反応である前記原料蒸気の改質反応を行うことによって、水素を発生する水素発生装置と、
前記水素発生装置に空気を供給する空気供給装置と、
前記空気供給装置から前記水素発生装置への空気供給量を調整する空気供給量調整手段とを備えた燃料電池用改質システムにおいて、
前記水素発生装置における酸化反応状態として温度を検出する酸化反応状態検出手段と、
前記原料蒸気発生装置に供給された原料がすべて気化した場合に発生する理論原料蒸気量と当該理論原料蒸気量に見合った空気量とが理論酸化反応した理論酸化反応状態モデルにおける前記水素発生装置の温度範囲を記憶する理論酸化反応状態モデル記憶手段と、
前記酸化反応状態検出手段により検出された温度と前記理論酸化反応状態モデル記憶手段に記憶された温度範囲との比較に基づいて、前記原料供給量調整手段または前記加熱手段を制御する水素発生状態制御手段とを有することを特徴とする燃料電池用改質システム。
【請求項２】
前記水素発生状態制御手段は、
前記酸化反応状態検出手段により検出された温度が前記温度範囲を超えていた場合、前記原料蒸気発生装置の温度を上昇させるように前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用改質システム。
【請求項３】
前記水素発生状態制御手段は、
前記酸化反応状態検出手段により検出された温度が前記温度範囲を下回っていた場合、前記原料蒸気発生装置への原料供給量を減少させるように前記原料供給量調整手段を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用改質システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用改質システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の原料改質システムとしては、例えば特開平９−３１５８０１号公報に開示されているものが知られている。
【０００３】
これは、原料蒸気発生装置に原料を供給して気化させ、発生した原料蒸気を水素発生装置に供給し、一方で、空気を水素発生装置に供給し、水素発生装置内の触媒の作用下で原料蒸気と空気を酸化反応させ、この酸化反応で発生する熱エネルギーを利用して原料蒸気の改質反応を行って、水素を発生させ、その際、水素発生装置における発熱反応である酸化反応と吸熱反応である改質反応とをバランス良く進行させるために、原料蒸気発生装置への原料供給量と水素発生装置への空気供給量とを制御するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の原料改質システムにあっては、改質する原料を原料蒸気発生装置で気化させ、発生した原料蒸気を水素発生装置に送り込んで水素を発生させるため、原料を原料蒸気発生装置で気化させるための何らかの熱源を必要とする。
【０００５】
このとき、実際問題として、原料蒸気発生装置に供給された原料が必要最低限の熱エネルギーですべて原料蒸気になって水素発生装置に供給されればよいが、原料蒸気発生装置の温度状態によっては、供給された原料がすべて完全には気化しないことがある。
【０００６】
また、水素発生装置に供給する空気の量は、原料蒸気発生装置に供給する原料の量に基づいて算出されている。このため、供給された原料がすべて完全に気化していない場合は、算出された空気供給量と予定よりも少ない原料蒸気とが水素発生装置内で過剰な発熱反応（酸化反応）を行って、水素発生装置の温度が上昇するという問題があった。
【０００７】
一方、供給された原料がすべて完全には気化しない状態で原料の供給を続けると、気化しなかった原料が原料蒸気発生装置内に残留してしまう。原料蒸気発生装置内に液体のまま残留している原料（残留原料）は、原料蒸気発生装置の温度の上昇によって気化を始める。このため、原料蒸気発生装置内の残留原料が気化を始めた場合は、原料蒸気発生装置に供給する原料の量に基づいて算出された空気供給量と予定よりも多い原料蒸気とが水素発生装置内で過少な発熱反応（酸化反応）を行い、過剰な吸熱反応（改質反応）によって水素発生装置の温度が低下して、質の低い水素が発生するという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、残留原料の有無にかかわりなく、常に、最適な制御を実現し、最大限効率良く水素を発生させることができる燃料電池用改質システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、水および炭化水素を含む原料を供給する原料供給装置と、前記原料供給装置からの原料供給量を調整する原料供給量調整手段と、前記原料供給装置から供給された原料を気化させて原料蒸気を発生する原料蒸気発生装置と、前記原料蒸気発生装置の温度を上昇させる加熱手段と、前記原料蒸気発生装置からの原料蒸気と空気とを用いて発熱反応である酸化反応を行うとともに、当該酸化反応で発生する熱エネルギーを利用して吸熱反応である前記原料蒸気の改質反応を行うことによって、水素を発生する水素発生装置と、前記水素発生装置に空気を供給する空気供給装置と、前記空気供給装置から前記水素発生装置への空気供給量を調整する空気供給量調整手段とを備えた燃料電池用改質システムにおいて、前記水素発生装置における酸化反応状態として温度を検出する酸化反応状態検出手段と、前記原料蒸気発生装置に供給された原料がすべて気化した場合に発生する理論原料蒸気量と当該理論原料蒸気量に見合った空気量とが理論酸化反応した理論酸化反応状態モデルにおける前記水素発生装置の温度範囲を記憶する理論酸化反応状態モデル記憶手段と、前記酸化反応状態検出手段により検出された温度と前記理論酸化反応状態モデル記憶手段に記憶された温度範囲との比較に基づいて、前記原料供給量調整手段または前記加熱手段を制御する水素発生状態制御手段とを有することを要旨とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１記載の燃料電池用改質システムにおいて、前記水素発生状態制御手段は、前記酸化反応状態検出手段により検出された温度が前記温度範囲を超えていた場合、前記原料蒸気発生装置の温度を上昇させるように前記加熱手段を制御することを要旨とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１記載の燃料電池用改質システムにおいて、前記水素発生状態制御手段は、前記酸化反応状態検出手段により検出された温度が前記温度範囲を下回っていた場合、前記原料蒸気発生装置への原料供給量を減少させるように前記原料供給量調整手段を制御することを要旨とする。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、原料蒸気発生装置への原料供給量を原料供給量調整手段で調整し、原料蒸気発生装置の温度を加熱手段で上昇させ、原料蒸気発生装置からの原料蒸気と空気供給装置からの空気とを用いて発熱反応である酸化反応を行うとともに、当該酸化反応で発生する熱エネルギーを利用して吸熱反応である前記原料蒸気の改質反応を行うことによって水素発生装置で水素を発生するようにしておき、水素発生装置における酸化反応状態としての温度と、原料蒸気発生装置に供給された原料がすべて気化した場合に発生する理論原料蒸気量と当該理論原料蒸気量に見合った空気量とが理論酸化反応した場合における水素発生装置の理論酸化反応状態モデルにおける前記水素発生装置装置の温度範囲との比較に基づいて、前記原料供給量調整手段または前記加熱手段を制御することで、現在の水素発生装置の温度に応じて、原料蒸気発生装置への原料供給量（および水素発生装置への空気供給量）ならびに原料蒸気発生装置の温度を最適に制御することができ、燃費良く改質システムを運転することができる。すなわち、残留原料の有無にかかわりなく、常に、最適な制御を実現し、最大限効率良く水素を発生させることができる。
【００１５】
請求項２記載の本発明によれば、前記酸化反応状態検出手段により検出された温度が前記温度範囲を超えていた場合、原料蒸気発生装置の温度を上昇させることで、最適な制御を実現し、最大限効率良く水素を発生させることができる。すなわち、この場合、原料蒸気発生装置に供給された原料の気化状態が悪化して原料の残留が起こり原料蒸気過少の状態にあると予想されるので、原料蒸気発生装置の温度を上昇させて原料蒸気の発生を促進させ、水素発生装置への原料蒸気供給量を最適化して、水素発生装置の酸化反応状態を最適に制御でき、水素発生装置での水素の発生を促進することができる。
【００１６】
請求項３記載の本発明によれば、前記酸化反応状態検出手段により検出された温度が前記温度範囲を下回っていた場合、原料蒸気発生装置への原料供給量を減少させることで、最適な制御を実現し、最大限効率良く水素を発生させることができる。すなわち、この場合、原料蒸気発生装置内に残留している原料が気化を始めて原料蒸気過多の状態にあると予想されるので、原料蒸気発生装置に供給する原料の量を減少させて原料蒸気の発生量を抑制し、水素発生装置への原料蒸気供給量を最適化して、水素発生装置の酸化反応状態を最適に制御でき、水素発生装置での水素の発生を促進することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池用改質システムの構成を示す図である。
【００２１】
図１において、予め水とメタノール（炭化水素）とを混合してなる液体状態の原料１が、原料タンク３（原料供給装置）に蓄えられている。原料タンク３内の原料１は、原料タンク３内に設けられた原料ポンプ５（原料供給装置）によって噴射ノズル７（原料供給量調整手段）に送り出される。噴射ノズル７は、開弁時間の制御が可能である。噴射ノズル７に送られて来た原料は、噴射ノズル７が開弁することによって、原料蒸気発生装置９内に細かい霧状になって噴射される。噴射ノズル７から原料蒸気発生装置９内に噴射された原料は、ここで気化して原料蒸気になる。原料蒸気発生装置９内には、原料を気化させるための熱源として、原料蒸気発生装置９の温度を上昇させるヒータ１１（加熱手段）が設けられている。原料蒸気発生装置９内で気化した原料蒸気は、水素発生装置１３に流入する。
【００２２】
水素発生装置１３は、原料蒸気と空気を触媒作用下で酸化反応および改質反応させて水素を発生する。より具体的には、原料蒸気と空気とを用いて発熱反応である酸化反応を行うとともに、当該酸化反応で発生する熱エネルギーを利用して吸熱反応である原料蒸気の改質反応を行うことによって、水素を発生する。
【００２３】
水素発生装置１３で用いられる空気は、コンプレッサ１５（空気供給装置）から空気制御バルブ１７（空気供給量調整手段）を通過して水素発生装置１３に供給される。なお、コンプレッサ１５は、燃料電池１９に対しても空気を供給する。
【００２４】
ここで、水素発生装置１３に供給される空気の流量は、空気流量計２１で、水素発生装置１３の酸化反応の温度（酸化反応状態）は、温度センサ２３（酸化反応状態検出手段）で、原料蒸気発生装置９の温度は、別の温度センサ２５（温度検出手段）でそれぞれ計測している。空気流量計２１および２個の温度センサ２３，２５は、本改質システムを制御するための制御装置２７にそれぞれ接続されており、それぞれの測定信号を制御装置２７へ出力する。
【００２５】
制御装置２７は、コンピュータで構成されており、内部にＣＰＵ２９（水素発生状態制御手段）、制御プログラムおよび後述する理論温度モデル（図７参照）を記憶したＲＯＭ３１（理論酸化反応状態モデル記憶手段）および制御時のワークエリアとなるＲＡＭ３３を有しており、空気流量計２１および温度センサ２３，２５からの測定信号に基づいて最適な制御状態を演算し、この演算結果に応じた制御信号を噴射ノズル７、ヒータ１１、コンプレッサ１５および空気制御バルブ１７に出力する。なお、原料ポンプ５も制御装置２７によって駆動される。
【００２６】
次に、図２に示す制御フローチャートに従って燃料電池用改質システムの制御動作を説明する。なお、図２に示す制御フローチャートおよび理論温度モデルは、制御装置２７の内部ＲＯＭ３１に制御プログラムおよびデータテーブルとして記憶されている。また、図２に示す制御フローチャートは、ＣＰＵ２９によって実行される。
【００２７】
まず、ステップＳ１０では、原料蒸気発生装置９内に設けられたヒータ１１を通電（ＯＮ）して、原料蒸気発生装置９を暖める。なお、ここでは、原料を気化させるための熱源としてヒータ１１を設けたが、これに限定されるわけではなく、例えば、別の装置でメタノールを燃焼させまたは水素を燃焼させて加熱した空気を熱源にしてもよい。
【００２８】
そして、ステップＳ２０では、原料蒸気発生装置９に設けられた温度センサ２５からその原料蒸気発生装置９の温度を読み込む。
【００２９】
そして、ステップＳ３０では、温度センサ２５から読み込まれた原料蒸気発生装置９の温度が所定値以上であるか否かを判断する。所定値は、原料蒸気発生装置９が原料を気化させて原料蒸気を発生するのに十分な温度に予め設定されている。すなわち、ここでは、原料蒸気発生装置９の温度が十分に原料蒸気を発生できる温度になっているか否かが検出される。原料蒸気発生装置９の温度が所定値以上である場合は（Ｓ３０：ＹＥＳ）、原料蒸気発生装置９がヒータ１１によって十分に暖められているものと判断して、ステップＳ４０に進み、原料蒸気発生装置９の温度が所定値未満である場合は（Ｓ３０：ＮＯ）、ステップＳ１０に戻って、原料蒸気発生装置９が十分に暖められるまで待機する。
【００３０】
ステップＳ４０では、図示しない部位（例えば、上位の制御装置）から、水素発生装置１３に要求される要求水素発生量の指示を受け取る。
【００３１】
そして、ステップＳ５０では、図３に示す要求水素発生量と原料供給量の関係に基づいて、ステップＳ４０で受け取った要求水素発生量に見合った原料蒸気発生装置９への原料供給量を算出する。原料１は、前述のように、予め水とメタノールが混合されて、原料タンク３に蓄えられている。なお、図３に示す要求水素発生量と原料供給量の関係は、制御装置２７の内部ＲＯＭ３１にデータテーブルとして記憶されている。
【００３２】
そして、ステップＳ６０では、原料ポンプ５を駆動して原料タンク３内の原料１を噴射ノズル７に圧送し、ステップＳ５０で算出された原料供給量で原料を噴射ノズル７から原料蒸気発生装置９内に噴射する。このとき、噴射ノズル７の開弁時間を制御することによって、原料の供給量がコントロールされる。図４は、噴射ノズル７の弁開閉制御を示す図である。ここでは、噴射ノズル７をＯＮ−ＯＦＦ制御し、そのデューティ比を可変することで、原料の供給量をコントロールする。噴射ノズル７がＯＮ状態の時、噴射ノズル７への通電が行われ、噴射ノズル７が開弁して、原料が噴射される。
【００３３】
なお、本実施の形態では、原料が予め混合されている場合を例示しているが、これに限定されるわけではない。例えば、水とメタノールをそれぞれ別のタンクに蓄えておき、それぞれのポンプと噴射ノズルによって原料蒸気発生装置９に供給するようにしてもよい。
【００３４】
この場合、原料蒸気発生装置９は、原料の噴射が開始された時点で既にヒータ１１によって十分に暖められているため（ステップＳ３０参照）、噴射ノズル７から噴射された原料は、暖められた原料蒸気発生装置９内でただちに気化して原料蒸気になる。そして、この気化した原料蒸気は、水素発生装置１３に送り出される。
【００３５】
そして、ステップＳ７０では、コンプレッサ１５に回転数信号を送る。コンプレッサ１５は、この回転数信号を受けて、圧縮された空気を水素発生装置１３に供給する。コンプレッサ１５の回転数を上昇させることによって、コンプレッサ１５から吐出される空気の量は増加する。なお、コンプレッサ１５は、水素発生装置１３、燃料電池１９その他図示しない部位を含めてすべてに必要十分な量の空気を供給できる能力を持っている。
【００３６】
そして、ステップＳ８０では、ステップＳ５０で算出された原料供給量に見合った水素発生装置１３への空気供給量（目標流量）を算出する。
【００３７】
そして、ステップＳ９０では、この算出結果に基づいて空気制御バルブ１７の開度をコントロールして、ステップＳ８０で算出された空気供給量でコンプレッサ１５から水素発生装置１３に空気を供給する。具体的には、コンプレッサ１５から水素発生装置１３に供給される空気の流量（実流量）を空気流量計２１から読み込み、図５に示すフィードバック制御により、空気流量計２１から読み込まれた実際の空気流量が目標空気流量と一致するように空気制御バルブ１７の開度を補正する。
【００３８】
こうして、水素発生装置１３には原料蒸気発生装置９からの原料蒸気とコンプレッサ１５からの空気とが供給されることになるが、このとき、原料蒸気発生装置９からの原料蒸気とコンプレッサ１５からの空気とを水素発生装置１３内の触媒の作用下で反応させると、（１）式に示す発熱を伴う酸化反応（発熱反応）と（２）式に示す吸熱を伴う改質反応（吸熱反応）とが同時に進行する。
【数１】
ＣＨ３ＯＨ＋（１／２）Ｏ２   →  ＣＯ２ ＋２Ｈ２ ＋（発熱）  …（１）
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２ ＋３Ｈ２ ＋（吸熱）           …（２）
よって、この場合、原料蒸気の改質反応に必要な熱エネルギーを原料蒸気と空気の酸化反応によって供給することができる。従って、発熱反応である酸化反応と吸熱反応である改質反応とをバランス良く進行させるべく、原料蒸気と空気を一定の量的比率で水素発生装置１３に供給すれば、改質反応のためにバーナやヒータなどを設けることなく、（１）式の発熱反応のみによって（２）式の吸熱反応に必要な熱エネルギーを賄うことができ、効率良く水素を発生させることができ、燃費を良くすることができる。
【００３９】
図６は、空気量／原料蒸気量の比率に対する酸化反応および改質反応で発生する全体の熱収支の関係を説明するための図である。
【００４０】
図６に示すように、空気量／原料蒸気量の比率がある一定の値ａの場合に、発熱量と吸熱量とが等しくなり、その値ａよりも大きい（空気量が多い）場合は、発熱量の方が多くなり、逆に、その値ａよりも小さい（空気量が少ない）場合は、吸熱量の方が多くなる。
【００４１】
しかし、実際には、吸熱反応よりも発熱反応の方が反応速度が速いため、水素発生装置１３の温度は上昇する。
【００４２】
水素発生装置１３に供給すべき空気の量は、最適な熱収支を考慮しつつ、図６に示す関係に基づいて、最適な空気量／原料蒸気量の比率を求め、この比率を、原料蒸気発生装置９に供給された原料がすべて気化した場合に発生する理論原料蒸気量と当該理論原料蒸気量に見合った空気量との比率とみなし、この比率から一義的に求められる。
【００４３】
また、理論改質反応に必要な酸化反応において、効率良く水素を発生することができる理論温度モデル（酸化反応状態）が、予め設定されている。この理論温度モデルは、換言すれば、原料蒸気発生装置９に供給された原料がすべて気化した場合に発生する理論原料蒸気量と当該理論原料蒸気量に見合った空気量とが理論酸化反応した場合における水素発生装置１３の理論温度（より厳密には、水素発生装置１３における理論酸化反応温度）である。理論温度モデルは、水素発生装置１３の仕様などによって異なる。図７は、理論温度モデルの一例を示す図である。図７に示すように、理論温度モデルＡは、一定の領域を有している。なお、図７に示す理論温度モデルは、前述したように、制御装置２７の内部ＲＯＭ３１にデータテーブルとして記憶されている。
【００４４】
本実施の形態では、このような理論温度モデルを持つことで、理論酸化反応が行われた場合における水素発生装置１３の酸化反応の理論温度モデルと水素発生装置１３の酸化反応の実温度とを比較することによって、水素発生装置１３における現在の酸化反応状態および水素発生状態を知ることができる。例えば、図８に示すように理論温度モデルよりも水素発生装置１３の実温度が高いまたは低い場合には、後述するように、理論水素発生量に対して実水素発生量が少ないことがわかる。
【００４５】
そこで、本実施の形態では、水素発生状態を最適にするため、さらに下記の制御を行っている。
【００４６】
すなわち、ステップＳ１００では、水素発生装置１３に設けられた温度センサ２３からその水素発生装置１３の（酸化反応の）温度を読み込む。
【００４７】
そして、ステップＳ１１０では、温度センサ２３から読み込まれた水素発生装置１３の実温度を、ステップＳ５０で算出された原料供給量に対応する理論原料蒸気量における図７に示す理論温度モデルと比較して、水素発生装置１３の実温度が理論温度モデルの領域内にあるか、理論温度モデルよりも高いか、または、理論温度モデルよりも低いかを判断する。
【００４８】
この判断の結果として水素発生装置１３の実温度が理論温度モデルの領域内にある場合は、水素発生装置１３における水素発生状態は良好であると推定されるので、他の場合のように別の処理を行うことなく、直ちにステップＳ１０に戻る。
【００４９】
これに対し、ステップＳ１１０の判断の結果として水素発生装置１３の実温度が理論温度モデルよりも高い場合は、ステップＳ１２０で、ヒータ１１に供給する電流量を増加させてヒータ１１の発熱量を増大させることで、原料蒸気発生装置９の温度を上昇させて原料蒸気の発生を促進させる。そして、ステップＳ１０に戻る。
【００５０】
より詳細に説明すると、この場合は、水素発生装置１３内で過剰な発熱反応（酸化反応）が起きていることがわかる。過剰な発熱反応（酸化反応）は、図６に示すように、原料蒸気量に対して空気供給量が多い、逆に言えば、空気供給量に対して原料蒸気量が少ないために発生する。原料供給量よりも原料蒸気量の方が少ない理由は、原料蒸気発生装置９で原料の気化状態が悪く、原料の残留が起こるためであると考えられる。空気供給量は、前述のように、原料蒸気発生装置９への原料供給量から一義的に決まるので（ステップＳ５０参照）、原料の気化状態が悪いと発生する原料蒸気が過少になり、水素発生装置１３が空気過剰になっていると考えられる。水素発生装置１３の酸化反応のいくつかの理想温度における原料蒸気量と空気量との関係は、例えば、図９に示すとおりである。
【００５１】
原料蒸気発生装置９の温度が低下していると気化状態が悪くなり、上記のように水素発生装置１３が空気過剰になってしまうので、ヒータ１１への電流量をコントロール（増加）し、原料蒸気発生装置９の温度を上昇させることによって、原料の気化を促進させ、もって水素発生装置１３の実原料蒸気量を理論原料蒸気量に近づける。原料蒸気発生装置９の温度と原料蒸気発生量との関係は、例えば、図１０に示すとおりである。これにより、水素発生装置１３における水素の発生を促進することができる。
【００５２】
一方、ステップＳ１１０の判断の結果として水素発生装置１３の実温度が理論温度モデルよりも低い場合は、ステップＳ１３０で、噴射ノズル７に制御信号を送って噴射ノズル７から噴射される原料の量を減少させることで、原料蒸気の発生量を抑制する。そして、ステップＳ１０に戻る。
【００５３】
より詳細に説明すると、この場合は、水素発生装置１３内で発熱反応（酸化反応）が促進されていないことがわかる。発熱反応（酸化反応）が促進されていないのは、図６に示すように、原料蒸気量に対して空気供給量が少ない、逆に言えば、空気供給量に対して原料蒸気量が多いためである。原料供給量よりも原料蒸気量の方が多い理由は、図１１に示すように、原料蒸気発生装置９内に残留していた原料が、原料蒸気発生装置９の温度上昇に伴って気化を始め、現在の原料供給量に対応する原料蒸気に残留原料分の原料蒸気が加算されるためであると考えられる。
【００５４】
従って、ステップＳ１１０で比較された水素発生装置１３の理論温度モデルと実温度の差に基づいて、原料蒸気発生装置９への原料供給量の減少分を算出し、算出された減量分だけ原料供給量を減少させることによって、原料蒸気発生装置９で発生して水素発生装置１３に供給される原料蒸気量を適量に保つことができる。ここで、図１２は、水素発生装置１３の温度が理論温度モデルに達するのに必要な温度上昇分を説明するための図であり、図１３は、算出された温度上昇分だけ水素発生装置１３の温度を上昇させるのに必要な原料噴射量の減少分を説明するための図である。これにより、その際に水素発生装置１３への空気供給量を減少させないことで、水素発生装置１３における水素の発生を促進することができる。
【００５５】
この結果、第１の実施の形態に関する効果としては、水素発生装置１３の温度を理論温度モデルと比較することで、水素発生装置１３の水素発生状態を推定することができ、原料蒸気発生装置９への原料供給量および水素発生装置１３への空気供給量ならびに原料蒸気発生装置９の温度を最適に制御することができ、燃費良く改質システムを運転することができる。すなわち、残留原料の有無にかかわりなく、常に、最適な制御を実現し、最大限効率良く水素を発生させることができる。
【００５６】
その際、水素発生装置１３の温度が理論温度モデルよりも高い場合は、原料蒸気発生装置９の温度を上昇させることで、最適な制御を実現し、最大限効率良く水素を発生させることができる。すなわち、この場合には、原料蒸気発生装置９に供給された原料の気化状態が悪化していると予想されるので、原料蒸気発生装置９の温度を上昇させて原料蒸気の発生を促進させ、水素発生装置１３への原料蒸気供給量を最適化することができ、水素発生装置１３での水素の発生を促進することができる。
【００５７】
また、水素発生装置１３の温度が理論温度モデルよりも低い場合は、原料蒸気発生装置９への原料供給量を減少させることで、最適な制御を実現し、最大限効率良く水素を発生させることができる。すなわち、この場合には、原料蒸気発生装置９内に残留している原料が気化を始めて原料蒸気過多の状態にあると予想されるので、原料蒸気発生装置９に供給する原料の量を減少させて原料蒸気の発生量を抑制し、水素発生装置１３への原料蒸気供給量を最適化することができ、水素発生装置１３での水素の発生を促進することができる。
【００５８】
さらに、水素発生装置１３の酸化反応状態として水素発生装置１３の温度を検出することで、精度および信頼性が高く安価なセンサを使用でき、システムの低コスト化を図ることができる。
【００５９】
（第２の実施の形態）
図１４は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池用改質システムの制御動作を説明するための制御フローチャートである。なお、第２の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池用改質システムと同様の構成を有しており、その説明を省略することとする。
【００６０】
第２の実施の形態の特徴は、原料蒸気発生装置９の温度が所定値以上の場合において、水素発生装置１３の温度が理論温度モデルよりも高いまたは低い状態が所定時間以上継続しているとき、原料蒸気発生装置９への原料供給量を減少させる処置をさらに施すことにある。このため、制御装置２５に設けられたＣＰＵ２７は、タイマを内蔵し、指定された事象の経過時間を計測する機能を有している。
【００６１】
なお、図１４に示す制御フローチャートは、制御装置２７の内部ＲＯＭ３１に制御プログラムとして記憶されており、ＣＰＵ２９によって実行される。
【００６２】
本実施の形態では、図１４に示すように、ステップＳ１４０およびステップＳ１５０を図２に示すフローチャートに挿入している。なお、ステップＳ１０〜Ｓ１３０は、図２に示すフローチャートの各ステップと同様であるので、その説明を省略する。
【００６３】
そして、ステップＳ１４０では、ステップＳ１１０の比較結果として水素発生装置１３の温度が理論温度モデルよりも高い状態または低い状態が当該事象の発生から所定時間以上継続しているか否かを判断する。水素発生装置１３の温度が理論温度モデルよりも高い状態または低い状態が所定時間以上継続している場合は（Ｓ１４０：ＹＥＳ）、ステップＳ１５０に進み、水素発生装置１３の温度が理論温度モデルよりも高い状態または低い状態が所定時間以上継続していない場合は（Ｓ１４０：ＮＯ）、ただちにステップＳ１０に戻る。
【００６４】
ステップＳ１５０では、噴射ノズル７に制御信号を送って噴射ノズル７から噴射される原料の量を減少させることで、原料蒸気の発生量を抑制する。特に、水素発生装置１３の温度が理論温度モデルよりも低い場合は、ステップＳ１３０の処理に加えてさらにステップＳ１５０の処理を行うことになり、原料蒸気発生装置９への原料供給量が大幅に減らされることになる。そして、ステップＳ１０に戻る。
【００６５】
より詳細に説明すると、原料蒸気発生装置９の温度が十分に原料蒸気を発生できる温度になっている場合（Ｓ３０：ＹＥＳ）は、本来、水素発生装置１３にて原料蒸気量と空気量のバランスがとれ、水素発生装置１３の酸化反応の理論温度モデルと水素発生装置１３の実温度とはほぼ一致しているはずである。ただし、実際には、前述した残留原料による不具合があり、これを解消するためにステップＳ１００〜ステップＳ１３０の処理を行っている。
【００６６】
にもかかわらず、水素発生装置１３の温度が理論温度モデルよりも高い状態または低い状態が所定時間以上継続している場合は、原料供給系、空気供給系、原料蒸気発生装置９および水素発生装置１３のうち少なくとも１つに何らかの不具合が発生していることが考えられる。従って、このままの状態で運転を続けると、質の高い水素の発生が望めないばかりでなく、システムそれ自体が故障するおそれがあるので、原料蒸気発生装置９への原料供給量を低下させ、酸化反応温度を低下させて、出力の抑制を図る。
【００６７】
この結果、第２の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、原料蒸気発生装置９の温度が所定値以上の場合において、水素発生装置１３の温度が理論温度モデルよりも高いまたは低い状態が所定時間以上継続しているとき、原料蒸気発生装置９への原料供給量を減少させることで、システムの故障発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池用改質システムの構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態の燃料電池用改質システムの制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【図３】要求水素発生量と原料供給量の関係を示す図である。
【図４】噴射ノズルの弁開閉制御を説明するための図である。
【図５】空気制御バルブの開度制御を説明するための図である。
【図６】空気量／原料蒸気量の比率に対する酸化反応および改質反応で発生する全体の熱収支の関係を説明するための図である。
【図７】水素発生装置の理論温度モデルの一例を示す図である。
【図８】水素発生装置の理論温度モデルと実温度の比較例を示す図である。
【図９】水素発生装置のいくつかの理想温度における原料蒸気量と空気量との関係を示す図である。
【図１０】原料蒸気発生装置の温度と原料蒸気発生量との関係を説明するための図である。
【図１１】残留原料の気化に関する説明図である。
【図１２】水素発生装置の温度が理論温度モデルに達するのに必要な温度上昇分を説明するための図である。
【図１３】算出された温度上昇分だけ水素発生装置の温度を上昇させるのに必要な原料噴射量の減少分を説明するための図である。
【図１４】第２の実施の形態の燃料電池用改質システムの制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【符号の説明】
１  原料
３  原料タンク
５  原料ポンプ
７  噴射ノズル
９  原料蒸気発生装置
１１  ヒータ
１３  水素発生装置
１５  コンプレッサ
１７  空気制御バルブ
１９  燃料電池
２１  空気流量計
２３，２５  温度センサ
２７  制御装置
２９  ＣＰＵ
３１  ＲＯＭ
３３  ＲＡＭ
【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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