(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質ガスに含まれる水素と、酸素の供給を受けて化学反応により発電を行う燃料電池と、
水ないしは液体燃料から水蒸気ないしは液体燃料の蒸気を生成する蒸発器と、
前記液体燃料の蒸気と、酸素を含む気体とを用いて前記燃料電池に供給する改質ガスを生成する燃料改質器と、
前記燃料電池が要求する負荷の変動に応じて、前記蒸発器に液体燃料を供給する液体燃料供給装置と、
前記燃料電池からの排ガスを燃焼することにより前記蒸発器を加熱するための排気燃焼ガスを生成する第一燃焼器を有する移動体用燃料改質システムにおいて、
燃料を燃焼することにより、前記蒸発器を加熱するための高温ガスを生成する第二燃焼器と、
前記第二燃焼器に供給する燃料流量を調整する燃料流量調整装置を備え、
前記燃料電池が要求する負荷の変動に応じて、前記燃料流量調整装置を制御する手段を備えたことを特徴とする移動体用燃料改質システム。
【請求項２】
前記蒸発器を迂回して前記排気燃焼ガスを流すバイパス通路、及び、このバイパス通路の開度を調整するバイパス制御弁を備え、
前記燃料電池が要求する負荷の変動に応じて、前記バイパス制御弁を制御する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の移動体用燃料改質システム。
【請求項３】
入力加速度に応じて、前記燃料流量調整装置と前記バイパス制御弁を制御する手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の移動体用燃料改質システム。
【請求項４】
前記入力加速度が正の方向に大きい場合には前記第二燃焼器への燃料流量を多くする請求項３に記載の移動体用燃料改質システム。
【請求項５】
前記入力加速度が負の方向に大きい場合には、前記バイパス制御弁の開度を大きくする請求項３に記載の移動体用燃料改質システム。
【請求項６】
前記入力加速度が正の時には負荷が小さいほど前記第二燃焼器への燃料流量を多くし、負の時には負荷が大きいほど前記バイパス制御弁の開度を小さくする請求項３から請求項５の何れか一つに記載の移動体用燃料改質システム。
【請求項７】
前記蒸発器へ要求される発生蒸気質量流量と実際の発生蒸気質量流量との差異に応じて、前記第二燃焼器への燃料流量および前記バイパス制御弁の開度を制御する請求項３から請求項６の何れか一つに記載の移動体用燃料改質システム。
【請求項８】
前記第二燃焼器への燃料流量をまず前記蒸発器へ要求される発生蒸気質量流量の入力加速度に基づくマップにより設定し、且つ、前記要求される発生蒸気質量流量と前記実際の発生蒸気質量流量を検知しマップ値を補正する請求項７に記載の移動体用燃料改質システム。
【請求項９】
前記入力加速度が正の時には、実際に前記蒸発器に入力する燃料質量流量を、前記要求される発生蒸気質量流量に比べ大きな入力加速度で、また負の時には、実際に前記蒸発器に入力する燃料質量流量を、前記要求される発生蒸気質量流量に比べ負の方向に大きな入力加速度で、それぞれ制御する請求項６から請求項８の何れか一つに記載の移動体用燃料改質システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、移動体用燃料改質システムの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に燃料電池自動車で代表される移動体用燃料改質システムの従来例を示す。
【０００３】
燃料タンク100内の水と燃料であるメタノールの混合液は蒸発器102に送られ、加熱蒸発され、水とメタノールの混合気体となって混合器180に送気される。また圧縮器104より混合器180に空気が送気され、混合蒸気と空気は混合器180で混合された後、ATR（オートサーマル反応器）103に送気される。
【０００４】
ATR103は燃料であるメタノールを、水ならびに空気内の酸素を用いて、下記の触媒反応により燃料改質し、水素リッチな改質ガスを生成する。
【０００５】
【式１】
0003882550.tif 000002
【０００６】
ATR103の運転温度は300〜600℃であり、熱力学的化学平衡より数パーセントオーダーの一酸化炭素を含む改質ガスが得られる。一酸化炭素は固体高分子型燃料電池200の白金等からなる燃料極電極触媒を被毒し、その活性を著しく低下させてしまうため、下記のシフト反応器105ならびにPROX（選択酸化）反応器106からなる一酸化炭素クリーナシステムにより、数十〜100ppmにまで一酸化炭素を低減した上で燃料電池200に供給する必要がある。
【０００７】
数パーセントオーダーの一酸化炭素を含む改質ガスは、シフト反応器105に送られ一酸化炭素が低減される。シフト反応器105の運転温度は200〜300℃であり、熱力学的化学平衡により十分の数パーセントオーダーの一酸化炭素を含む改質ガスとなる。必要な酸素は圧縮器104により空気として供給される。PROX反応器106では水素雰囲気下で酸化反応を行う。
【０００８】
燃料電池200において、改質ガス中の水素を全て利用することは不可能であり、一部の水素を残した発電に使用済みの改質ガスと、一部の酸素を残した発電に使用済みの空気とを、触媒が充填された排気ガス燃焼器107に送気・燃焼する。これにより得られた高温の排気ガスは、蒸発器102に送気され、メタノールと水とを蒸発させるためのエネルギーとして再利用される。
【０００９】
500はPROX反応器106に供給される空気の流量を制御する流量制御弁、501はATR反応器103に供給される空気の流量を制御する流量制御弁、502は燃料電池200の空気極に供給される空気の流量を制御する流量制御弁である。510は燃料電池200の燃料極の運転圧力を調整するための圧力制御弁、511は燃料電池200の空気極の運転圧力を調整するための圧力制御弁である。520、521は燃料電池200の燃料極側および空気極側の運転圧力を検出する圧力センサーであり、これらの圧力が同一になるように圧力調整が成される。
【００１０】
400は移動体のエネルギー管理を行うコントローラであり、改質システムの運転負荷信号402をコントローラ401に送る。コントローラ401は運転負荷信号402に基づきART反応器103に必要な燃料流量ならびに空気流量となるようにポンプ170を駆動し、蒸発器102に供給する液体燃料の流量を制御すると共に、流量制御弁501により燃料改質に用いる供給空気量を制御する。601、602はそれぞれ燃料改質に用いる燃料流量および空気流量の流量センサーである。
【００１１】
起動時等、蒸発器102の迅速な昇温が必要な場合、改質ガスは燃料電池200を経由せずバイパス700により直接排気ガス燃焼器107に供給し蒸発器102の昇温を促進する例もある（特開2000−63104）。
【００１２】
また、負荷変動に対応するため二つ以上の蒸発器を具備し、その各々に燃焼バーナを設け負荷と連動して燃料量を制御する例もある（特開2000−100462）。
【００１３】
【発明が解決しようとしている問題点】
これら改質システムは、負荷変動時（加・減速時等）の過渡運転条件においてアクセルと連動（アクセル開度と直接連動する場合とコントローラ400を介する場合あり）し、蒸発器102に供給される入力燃料（液体）の質量流量（以下入力）と出力燃料（蒸気）の質量流量（以下出力）との間に位相差が生じるという問題があった。この位相差により、必要とする電気量を発生できない、またはその過不足分の電気量をバッテリで補償する場合バッテリ容量が増大してしまうという問題が生じる。
【００１４】
そこで、本発明は、以上の問題点を鑑み成されたもので、過渡運転条件においての蒸発器の入・出力間に位相差が生じない、または、出力がアクセル開度と連動した質量流量が得られる移動体用燃料改質システムの制御装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、改質ガスに含まれる水素と、酸素の供給を受けて化学反応により発電を行う燃料電池と、水ないしは液体燃料から水蒸気ないしは液体燃料の蒸気を生成する蒸発器と、前記液体燃料の蒸気と、酸素を含む気体とを用いて前記燃料電池に供給する改質ガスを生成する燃料改質器と、前記燃料電池が要求する負荷の変動に応じて、前記蒸発器に液体燃料流量を供給する液体燃料流量供給装置と、前記燃料電池からの排ガスを燃焼することにより前記蒸発器を加熱するための排気燃焼ガスを生成する第一燃焼器を有する移動体用燃料改質システムにおいて、さらに、燃料を燃焼することにより、前記蒸発器を加熱するための高温ガスを生成する第二燃焼器と、前記第二燃焼器に供給する燃料流量を調整する燃料流量調整装置を備え、前記燃料電池が要求する負荷の変動に応じて、前記燃料流量調整装置を制御する手段を備える。
第２の発明は、第１の発明において、前記蒸発器を迂回して前記排気燃焼ガスを流すバイパス通路、及び、このバイパス通路の開度を調整するバイパス制御弁を備え、前記燃料電池が要求する負荷の変動に応じて、前記バイパス制御弁を制御する手段を備える。
第３の発明は、第１または第２の発明において、入力加速度に応じて、前記燃料流量調整装置と前記バイパス制御弁を制御する手段を備える。
【００１６】
第４の発明は、第３の発明において、前記入力加速度が正の方向に大きい場合には前記第二燃焼器への燃料流量を多くする。
【００１７】
第５の発明は、第３または第４の発明において、前記入力加速度が負の方向に大きい場合には、前記バイパス制御弁の開度を大きくする。
【００１８】
第６の発明は、第３から第５の何れか一つの発明において、前記入力加速度が正の時には負荷が小さいほど前記第二燃焼器への燃料流量を多くし、負の時には負荷が大きいほど前記バイパス制御弁の開度を小さくする。
【００１９】
第７の発明は、第３から第６の何れか一つの発明において、前記蒸発器へ要求される発生蒸気質量流量と実際の発生蒸気質量流量との際に応じて、前記第二燃焼器への燃料流量および前記バイパス制御弁の開度を制御する。
【００２０】
第８の発明は、第７の発明において、前記第二燃焼器への燃料流量をまず前記蒸発器へ要求される発生蒸気質量流量の入力加速度に基づくマップにより設定し、且つ、前記要求される発生蒸気質量流量と前記実際の発生蒸気質量流量を検知しマップ値を補正する。
【００２１】
第９の発明は、第３から第８の何れか一つの発明において、前記入力加速度が正の時には、実際に前記蒸発器に入力する燃料質量流量を、前記要求される発生蒸気質量流量に比べ大きな入力加速度で、また負の時には、実際に前記蒸発器に入力する燃料質量流量を、前記要求される発生蒸気質量流量に比べ負の方向に大きな入力加速度で、それぞれ制御する。
【００２２】
【作用及び効果】
第１から第３の何れか一つの発明によれば、過渡運転時においての蒸発器の入出力間に生じる位相差を小さくできる。
【００２３】
第４の発明によれば、入力加速度が正の方向に大きくなるにしたがって蒸発器の熱量の不足も大きくなるが、燃焼器への燃料供給を増加することで高温ガスの熱量が多くなり、蒸発器の熱量の不足を抑制でき、入力加速時において蒸発器の入出力間に生じる位相差を小さくできる。
【００２４】
第５の発明によれば、入力加速度が負の方向に大きくなるにしたがって蒸発器の熱量の余剰分も大きくなるが、バイパス制御弁の開度を増やすことで、熱量の余剰分を逃がすことができ、入力減速時において蒸発器の入出力間に生じる位相差を小さくできる。
【００２５】
第６の発明によれば、正の入力加速度が要求された時は負荷の小さい入力加速度の初期ほど蒸発器に多く熱量を供給し、負の入力加速度が要求された時は負荷が大きいほど燃焼器で発生する熱量全体に対する逃す熱の割合が小さくなるので、バイパス制御弁の開度を小さくすることにより、正または負の入力加速度において蒸発器の入出力間に生じる位相差を小さくできる。
【００２６】
第７の発明によれば、実際の蒸発器の入力と出力の差によって蒸発器へ供給する熱量を調整できるので、過渡運転時において蒸発器の入出力間に生じる位相差を小さくできる。
【００２７】
第８の発明によれば、実際の蒸発器の入力と出力の差によってマップを補正し、蒸発器へ供給する熱量を補正できるので、蒸発器の入出力に生じる位相差をより小さくできる。
【００２８】
第９の発明によれば、正の入力加速時には燃焼器に供給する熱量が小さくて済むため、燃焼器への燃料供給量を小さくできる。負の入力加速時には蒸発器をバイパスして逃がす熱を少なくできるので、熱の損失を少なくできる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の制御が行われる改質システムの構成を図２に示す。図１に示した従来技術の構成に、排気ガス燃焼器107とは独立した燃焼器701、燃料タンク100から燃焼器701への供給燃料を制御するインジェクタ704、排気ガス燃焼器107からの高温ガスが蒸発器102を迂回するためのバイパス通路702、そのバイパス通路702上に設置し迂回する流量を制御する迂回流量制御バルブ703が追加されており他の構成は従来技術と同じである。インジェクタ704および迂回流量制御バルブ703はコントローラ401により制御される。
【００３０】
次に、第１の実施形態における制御方法を図５、図６（各々加・減速時）に、その結果得られる加・減速時蒸発特性を図３、図４に示す。ここで、加速は正の加速、減速は負の加速である。
【００３１】
車両の加速時には、図５に示すマップに従い燃焼器701への燃料流量をインジェクタ704により制御する。（図５のａ〜ｆは図３のａ〜ｆに対応する。）即ち、負荷が小さく入力加速度が大きいほど燃料流量を多く、負荷が大きく加速度が小さいほど燃料流量を少なくする、言い換えれば、ある一定の入力加速度が生じた時に、負荷が大きくなるほど燃料流量を少なくする設定となっており、時々刻々変化する条件に応じたマップに従い燃料流量を制御する。
【００３２】
負荷が大きい時、つまり蒸発器102に供給される燃料流量が多い時には、燃料電池200からの排気ガスも多くなり、燃焼器107で生成される高温ガスも多くなる。そのため、燃焼器701で生成する高温ガスは少なくても十分な蒸発が行えるので、燃焼器701に供給する燃料を少なくする。また、加速度が大きくなるに従い、蒸発器102の熱量の不足が大きくなるので、燃焼器701に供給する燃料流量を増加することで、蒸発器102の熱量の不足を抑制することができる。その結果、図３の発生燃料蒸気質量燃料特性（出力）は破線（本制御を行わない場合）から実線まで改善され、加速時における入・出力間に生じる位相差を抑制できる。
【００３３】
減速時には、図６に示すマップに従いバイパス制御弁703の開度を制御する。（図６のａ〜ｆはそれぞれ図４のａ〜ｆに対応する）即ち、負荷が大きく入力減速度が小さいほどバイパス制御弁703の開度を小さく、負荷が小さく減速度が大きいほどバイパス制御弁703の開度を大きくする、言い換えれば、減速度が同じであれば、負荷が大きいほどバイパス制御弁703の開度を小さくする設定となっており、時々刻々と変化する条件に応じマップに従いバイパス制御弁703の開度を制御する。
【００３４】
負荷が大きい時と小さい時で減速度が一定であれば、蒸発器102に供給する燃料の減少量も同じであり、蒸発器102に供給するべき熱量の減少量も同じになる。ここで、蒸発器102に供給するべき熱量の減少量が同じである場合には、負荷が大きい時は小さい時に比べ、もともと蒸発器102に供給している熱量が多いので、負荷が大きいほど、もともと蒸発器102に供給している熱量にたいする減少割合は少なくて済む。すなわち、もともとの流量に対してバイパスすべき流量の割合は、高負荷のほうが小さくてよいので、バイパス制御弁703の開度も小さくてよい。その結果、図４の発生蒸気燃料蒸気質量流量特性（出力）は破線から実線まで改善され、減速時における入・出力間に生じる位相差を抑制できる。
【００３５】
以上の制御により、加速が要求された時には負荷の小さい加速の初期ほど蒸発器102により多くの熱量を供給し、減速が要求された時には負荷の大きい減速の初期ほど蒸発器102に供給する熱をより多く逃がすことができ、入出力間の位相差を抑制することが可能となる。
【００３６】
なお、蒸発器102の入力の加速度とはアクセル開度より決定される要求発生蒸気質量流量の時間変化率であり、負荷とは定格を４/４とするロードを示し、要求発生蒸気流量に比例する。
【００３７】
図９、図１０に第２の実施形態の制御方法に用いる制御マップを、図７、８にその制御の結果得られる加・減速時の蒸発特性を示す。
【００３８】
蒸発器102で生成された蒸気の質量流量を検知する流量センサー601の信号(出力)と入力との差異を検知して、その差異より燃焼器701に供給する燃料流量およびバイパス制御弁703の開度を制御する。図７、図８に上記同様、加減速時の入・出力特性と出力と入力の差（Δｑ）を示す。図７、図８の破線は本実施形態を行わない場合の発生蒸気質量流量特性、実線は本制御を採用した場合の発生蒸気質量流量特性を示す。
【００３９】
Δｑが負の場合（入力＞出力；加速時）は図９に示すマップに従い燃料流量の制御を行う。つまり、入力と出力の差が大きくなるほど燃焼器701への燃料流量を増加させ、蒸発器102をより加熱することにより出力を増加させる。その後、入・出力間の差が小さくなるにつれ燃料流量を減少させ、蒸発器102の出力増加に伴い増加する燃料電池200からの排気ガスによる蒸発器102の加熱に移行する。
【００４０】
一方、Δｑが正の場合（入力＜出力；減速時）には図１０に示すマップに従いバイパス制御弁703の開度の制御を行う。つまり、入・出力の差が大きくなる（出力が入力に対して大きくなる）ほどバイパス制御弁703の開度を大きくして余剰分の熱を逃がし、その後、入・出力の差が小さくなるにつれバイパス制御弁703の開度を小さくする。
【００４１】
このように、実際の蒸発器102の入力と出力の差によって蒸発器102へ供給する熱量を調整できるので、発生蒸気質量流量特性を要求発生蒸気質量流量特性に近づけることができ、過渡運転時においての蒸発器102の入出力間に生じる位相差をより小さくすることができる。
【００４２】
第３の実施形態の制御方法を図１１のフローチャートに示す。入力(液体)の加減速度に基づく図５、６のマップと同様に時々刻々と変化する位相差に基づく図９、図１０のマップを双方連動させて燃焼器701の燃料噴出流量とバイパス制御弁703の開度を制御することにより、図３、図４の鎖線で示すように蒸発器102の入力（液体）と出力（蒸気）との位相差を低減することが可能となる。
【００４３】
具体的には、図１１のフローチャートにおいて、まず、図５、図６より燃焼器701へ供給する燃料流量およびバイパス制御弁703の開度の初期値を与え、ステップＳ１においてその制御下で生じた入力（液）と発生蒸気質量流量（出力）を検知する。次にステップＳ２において入出力の位相差（Δｑ）を算出する。ステップＳ３に進み、その値に応じた補正を図９、１０で行い、図５、６に示した一点鎖線のようにマップを補正する。次にステップＳ４にて、補正の結果Δｑが許容値であるかどうか判断し、許容値でなければ再び補正をおこなうためステップＳ３に戻り、許容値であればそれ以上の補正は必要ないと判断し、以下、上記制御を繰り返す。このような制御により、次回からの制御においては図３、図４の一点鎖線のように入力と出力の位相差を小さくすることができる。このように、実際の蒸発器102の入力と出力の差によってマップを修正し、蒸発器へ供給する熱量を補正できるので蒸発器の入出力間の生じる位相差をより小さくできる。
【００４４】
第４の実施形態における発生蒸気質量流量特性を図１２、１３に示す。
【００４５】
要求蒸気出力に対し入力（液体）の流量特性を、位相差を加味して決定する。即ち、図１２に示すように加速時には要求蒸気出力（点線）に対して大きな加速度を持った流量特性（実線）、図１３に示すように減速時には要求蒸気出力（点線）に対して大きな減速度を持った流量特性（実線）に沿った燃料質量流量を蒸発器102に入力する。このような制御を行うことにより加速もしくは減速初期の入出力の差は発生するものの、加速度は液および２相の接触伝熱面積を積極的に増大、減速時には液及び２相の接触伝熱断面積を減少させることにより図１２、図１３に示すように発生蒸気質量流量（点線）を要求発生蒸気質量流量特性（実線）に近づけることが可能になる。
【００４６】
ここで、第４の実施形態では燃焼器701やバイパス制御弁703を使わなくても、過渡時の蒸気発生の追従性を向上できる。そこで、第１〜３の実施形態に第４の実施形態を適用すれば、蒸気発生の追従性を向上できた分だけ、加速時には燃焼器701に供給する熱量が小さくて済むため、燃焼器701への燃料供給量を小さくでき、また減速時には、蒸発器102を迂回して逃がす熱を少なくできるので、熱の損失を少なくできる。
【００４７】
なお、蒸発器の入力と出力の差が小さくなるように、加速中にバイパス制御弁703を、減速中に燃焼器701の燃料流量を制御するようにしてもよい。このように、本発明は上記実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲以内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術における改質システムの構成図である。
【図２】本実施形態における改質システムの構成図である。
【図３】従来技術と第１の実施形態の加速時における蒸発特性である。
【図４】従来技術と第１の実施形態の減速時における蒸発特性である。
【図５】第１の実施形態の加速時における燃料流量と負荷のマップである。
【図６】第１の実施形態の減速時におけるバイパス制御弁の開度と負荷のマップである。
【図７】従来技術と第２の実施形態の加速時における蒸発特性である。
【図８】従来技術と第２の実施形態の減速時における蒸発特性である。
【図９】第２の実施形態の加速時における燃料流量と負荷のマップである。
【図１０】第２の実施形態の減速時におけるバイパス制御弁の開度と負荷のマップである。
【図１１】第３の実施形態における改質システムを制御するフローチャートである。
【図１２】第４の実施形態の加速時における発生蒸気質量流量および要求発生蒸気質量流量である。
【図１３】第４の実施形態の減速時における発生蒸気質量流量および要求発生蒸気質量流量である。
【符号の説明】
１００    燃料タンク
１０２    蒸発器
１０３    オートサーマル反応器（ＡＴＲ）
１０４    圧縮器
１０５    シフト反応器
１０６    ＰＲＯＸ反応器
１０７    排気ガス燃焼器
１７０    燃料ポンプ
１８０    混合器
２００    燃料電池
４００    コントローラ
４０１    コントローラ
４０２    運転負荷信号
５００    ＰＲＯＸ反応器への空気流量制御弁
５０１    ＡＴＲ反応器への空気流量制御弁
５０２    燃料電池への空気流量制御弁
５１０    燃料極の圧力制御弁
５１１    空気極の圧力制御弁
５２０    燃料極側圧力センサー
５２１    酸素極側圧力センサー
６０１    供給燃料の流量センサー
６０２    供給空気の流量センサー
７００    燃料電池200のバイパス
７０１    燃焼器
７０２    蒸発器102のバイパス通路
７０３    バイパス制御弁
１０４    インジェクタ
【図１】
0003882550.tif 000003
【図２】
0003882550.tif 000004
【図３】
0003882550.tif 000005
【図４】
0003882550.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
0003882550.tif 000009
【図８】
0003882550.tif 000010
【図９】
0003882550.tif 000011
【図１０】
0003882550.tif 000012
【図１１】
0003882550.tif 000013
【図１２】
0003882550.tif 000014
【図１３】
0003882550.tif 000015