(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燃料から水素リッチな燃料ガスを生成するための改質装置であって、
改質を行うための触媒を収納し、前記改質燃料を含む原料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質部と、
前記改質部内におけるメタンの生成反応に関連づけられた特定の被測定量を測定するためのセンサと、
前記センサからの信号に基づいて、前記改質部内における改質反応の条件を制御する制御部と、
前記改質燃料を気化して水および酸素含有ガスと混合して前記原料ガスを生成するための蒸発室と、
前記蒸発室に前記改質燃料を供給することが可能な燃料供給部と、
前記蒸発室に前記水を供給することが可能な第１の水供給部と、
前記蒸発室に前記酸素含有ガスを供給することが可能な酸素供給部と、
前記改質部に送られる前記原料ガスを加熱するための加熱部と、を備え、
前記制御部は、
前記原料ガスの温度の目標値、および前記原料ガス中の炭素に対する前記原料ガス中の前記水の割合の目標値を設定し、
前記原料ガスの温度の目標値および前記水の割合の目標値と、前記原料ガス中の前記炭素に対する前記原料ガス中の酸素の割合の目標値との間であらかじめ設定された対応関係に従って、前記酸素の割合を制御する、改質装置。
【請求項２】
請求項１記載の改質装置であって、
前記センサは、前記改質部の出口近傍におけるガスの温度を測定するための改質温度センサであり、
前記対応関係は、
前記原料ガスの温度の目標値および前記水の割合の目標値と、前記改質部出口におけるガスの温度の目標値とについてあらかじめ設定された補助的対応関係を含み、
前記制御部は、
前記補助的対応関係に基づいて、前記改質部出口におけるガスの温度の目標値を設定し、
前記改質温度センサからの信号に基づいて、前記酸素の割合を制御する、改質装置。
【請求項３】
請求項２記載の改質装置であって、
前記補助的対応関係においては、
前記原料ガスの温度の目標値が一定であるという条件の下で、
第１の水の割合の目標値に対しては、前記改質部出口におけるガスの温度の目標値として第１の温度の目標値が設定されており、
前記第１の水の割合の目標値より低い第２の水の割合の目標値に対しては、前記改質部出口におけるガスの温度の目標値として、前記第１の温度の目標値より高い第２の温度の目標値が設定されており、
前記水の割合の目標値が一定であるという条件の下で、
第３の前記原料ガスの温度の目標値に対しては、前記改質部出口におけるガスの温度の目標値として第３の温度の目標値が設定されており、
前記第３の前記原料ガスの温度の目標値より低い第４の前記原料ガスの温度の目標値に対しては、前記改質部出口におけるガスの温度の目標値として、前記第３の温度の目標値より低い第４の温度の目標値が設定されている、改質装置。
【請求項４】
請求項１記載の改質装置であって、
前記制御部は、
前記改質装置への要求負荷に応じて、前記酸素の割合と、前記原料ガスの温度と、の一方の目標値を設定し、
前記センサからの信号に基づいて、前記酸素の割合と、前記原料ガスの温度と、の他方を制御する、改質装置。
【請求項５】
請求項４に記載の改質装置であって、
前記制御部は、
前記要求負荷が第１の値であるときには、
前記原料ガスの温度を第１の温度に設定し、
前記酸素の割合を第１の割合に設定し、
前記要求負荷が前記第１の値より高い第２の値であるときには、
前記原料ガスの温度を前記第１の温度より低い第２の温度に設定し、
前記酸素の割合を前記第１の割合より高い第２の割合に設定する、改質装置。
【請求項６】
請求項５記載の改質装置であって、さらに、
前記改質部が生成した前記燃料ガス中の一酸化炭素を水と反応させて前記燃料ガス中の一酸化炭素を低減させるためのシフト部を有し、
前記制御部は、
前記要求負荷が前記第１の値であるときには、前記シフト部における前記水の割合を第１の割合に設定し、
前記要求負荷が前記第２の値であるときには、前記シフト部における前記水の割合を前記第１の割合より高い第２の割合に設定する、改質装置。
【請求項７】
請求項６記載の改質装置であって、
前記制御部は、前記第１の水供給部による水の供給量を調整して、前記シフト部における前記水の割合を制御する、改質装置。
【請求項８】
請求項６記載の改質装置であって、さらに、
前記シフト部に前記水を供給することが可能な第２の水供給部を有し、
前記制御部は、前記第２の水供給部による水の供給量を調整して、前記シフト部における前記水の割合を制御する、改質装置。
【請求項９】
請求項１記載の改質装置であって、
前記改質燃料は天然ガスである、改質装置。
【請求項１０】
請求項１記載の改質装置であって、
前記改質燃料は、ガソリン、アルコール、アルデヒド、およびエーテルの中の一つであり、
前記原料ガスは気化状態の改質燃料を含む、改質装置。
【請求項１１】
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改質装置と、を備え、
前記改質装置は、
改質を行うための触媒を収納し、前記改質燃料を含む原料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質部と、
前記改質部内におけるメタンの生成反応に関連づけられた特定の被測定量を測定するためのセンサと、
前記センサからの信号に基づいて、前記改質部内における改質反応の条件を制御する制御部と、
前記改質燃料を気化して水および酸素含有ガスと混合して前記原料ガスを生成するための蒸発室と、
前記蒸発室に前記改質燃料を供給することが可能な燃料供給部と、
前記蒸発室に前記水を供給することが可能な第１の水供給部と、
前記蒸発室に前記酸素含有ガスを供給することが可能な酸素供給部と、
前記改質部に送られる前記原料ガスを加熱するための加熱部と、を備え、
前記制御部は、
前記原料ガスの温度の目標値、および前記原料ガス中の炭素に対する前記原料ガス中の前記水の割合の目標値を設定し、
前記原料ガスの温度の目標値および前記水の割合の目標値と、前記原料ガス中の前記炭素に対する前記原料ガス中の酸素の割合の目標値との間であらかじめ設定された対応関係に従って、前記酸素の割合を制御する、燃料電池システム。
【請求項１２】
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改質燃料から、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、を備え、
前記改質装置は、
改質を行うための触媒を収納し、前記改質燃料を含む原料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質部と、
前記改質部内におけるメタンの生成反応に関連づけられた特定の被測定量を測定するためのセンサと、
前記センサからの信号に基づいて、前記改質部内における改質反応の条件を制御する制御部と、
前記改質燃料を気化して水および酸素含有ガスと混合して前記原料ガスを生成するための蒸発室と、
前記蒸発室に前記改質燃料を供給することが可能な燃料供給部と、
前記蒸発室に前記水を供給することが可能な第１の水供給部と、
前記蒸発室に前記酸素含有ガスを供給することが可能な酸素供給部と、
前記改質部に送られる前記原料ガスを加熱するための加熱部と、を備え、
前記制御部は、
前記原料ガスの温度の目標値、および前記原料ガス中の炭素に対する前記原料ガス中の前記水の割合の目標値を設定し、
前記原料ガスの温度の目標値および前記水の割合の目標値と、前記原料ガス中の前記炭素に対する前記原料ガス中の酸素の割合の目標値との間であらかじめ設定された対応関係に従って、前記酸素の割合を制御する、移動体。
【請求項１３】
炭化水素系化合物を含む改質燃料から水素リッチな燃料ガスを生成するための改質方法であって、
（ａ）前記改質燃料を含む原料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質部における、メタンが生成される反応の状態を測定する工程と、
（ｂ）前記反応の状態に基づいて、前記改質反応の条件の制御を行う工程と、を備え、さらに、
前記工程（ａ）に先だって、
蒸発室に前記改質燃料を供給する工程と、
前記蒸発室に水を供給する工程と、
前記蒸発室に酸素含有ガスを供給する工程と、
前記改質燃料を気化して前記水および前記酸素含有ガスと混合して前記原料ガスを生成する工程と、
前記改質部に送られる前記原料ガスを加熱する工程と、を備え、
前記工程（ｂ）は、
前記原料ガスの温度の目標値、および前記原料ガス中の炭素に対する前記原料ガス中の前記水の割合の目標値を設定する工程と、
前記原料ガスの温度の目標値および前記水の割合の目標値と、前記原料ガス中の前記炭素に対する前記原料ガス中の酸素の割合の目標値との間であらかじめ設定された対応関係に従って、前記酸素の割合を制御する工程と、を備える、改質方法。
【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燃料から水素リッチな燃料ガスを生成するための改質技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、炭化水素系化合物を含む改質燃料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置が使用されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、そのような改質技術において高効率に改質反応を起こさせるように各操作パラメータの制御を行うことは、困難であった。
【０００４】
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、効率の高い改質反応を起こさせるための技術を提供することを目的とする。
【０００５】
【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、本発明では、炭化水素系化合物を含む改質燃料から水素リッチな燃料ガスを生成するための改質装置において、所定の処理を行う。この改質装置は、改質を行うための触媒を収納し、改質燃料を含む原料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質部と、改質部内におけるメタンの生成反応に関連づけられた特定の被測定量を測定するためのセンサと、前記センサからの信号に基づいて、前記改質部内における改質反応の条件を制御する制御部と、を備える。このような態様とすれば、改質部におけるメタンの量が少なくなるように各部を制御することで、効率の高い改質を行うことができる。なお、改質燃料は天然ガスとすることができる。また、改質燃料は、ガソリン、アルコール、アルデヒド、およびエーテルの中の一つとすることもできる。改質燃料が、ガソリン、アルコール、アルデヒド、およびエーテルの中の一つである場合には、原料ガスは気化状態の改質燃料を含む。
【０００６】
なお、センサを使って状態を測定する反応は、以下のような反応とすることができる。
【０００７】
【化２】
0004135358.tif 000002
【０００８】
このような態様において、平衡状態が反応式の左側に寄るように各部を制御して改質を行うことで、水素の生成効率の高い改質を行うことができる。
【０００９】
なお、センサは、改質部の出口近傍におけるメタンの濃度を測定するためのメタン濃度センサとすることができる。そのようなセンサによれば、改質部において生成された燃料ガス中のメタンの濃度を測定することができる。
【００１０】
そして、そのような改質装置において、メタン濃度が１％以下となるように、改質反応条件の制御を行うことが好ましい。メタン濃度を低く押さえることで、燃料ガスを効率的に生成することができる。
【００１１】
また、メタン濃度が０．０１％以上となるように改質反応条件の制御を行うことが好ましく、０．１％以上となるように改質反応条件の制御を行うことがさらに好ましい。このような態様とすれば、改質装置全体の効率を低下させない範囲で、改質部において効率的な改質を行うことができる。
【００１２】
センサは、改質部の出口近傍におけるガスの温度を測定するための改質温度センサであってもよい。そのようなセンサによれば、改質部において生成された燃料ガスの温度を測定することができる。
【００１３】
また、改質部出口におけるガスの温度が６５０℃〜８００℃となるように、改質反応条件の制御を行うことが好ましい。このような態様とすれば、改質装置全体の効率を低下させない範囲で、改質部において効率的な改質を行うことができる。
【００１４】
改質装置は、さらに、改質燃料を気化して水および酸素含有ガスと混合して原料ガスを生成するための蒸発室と、蒸発室に改質燃料を供給することが可能な燃料供給部と、蒸発室に水を供給することが可能な第１の水供給部と、蒸発室に酸素含有ガスを供給することが可能な酸素供給部と、改質部に送られる原料ガスを加熱するための加熱部と、を備える態様とすることができる。そのような態様においては、制御部は、（ｉ）原料ガス中の炭素に対する原料ガス中の酸素の割合と、（ｉｉ）原料ガス中の炭素に対する原料ガス中の水の割合と、（ｉｉｉ）原料ガスの温度と、のうちの少なくとも一つを制御対象として制御することが好ましい。このような態様とすれば、センサからの信号に基づいて、改質部における改質反応条件の制御を行うことができる。
【００１５】
なお、制御部は、原料ガスの温度の目標値、および水の割合の目標値を設定し、原料ガスの温度の目標値および水の割合の目標値と、酸素の割合の目標値との間であらかじめ設定された対応関係に従って、酸素の割合を制御することが好ましい。酸素の割合は、原料ガスの温度や水（水蒸気）の割合にくらべて、素早く変化させることができる。よって、このような態様とすれば、効率的に改質の状態を制御することができる。
【００１６】
「原料ガスの温度の目標値および水の割合の目標値と、酸素の割合の目標値との間であらかじめ設定された対応関係」は、原料ガスの温度の目標値および水の割合の目標値と、改質部出口におけるガスの温度の目標値とについてあらかじめ設定された補助的対応関係を含むことが好ましい。そして、制御部は、補助的対応関係に基づいて、改質部出口におけるガスの温度の目標値を設定し、改質温度センサからの信号に基づいて、酸素の割合を制御することが好ましい。このような態様とすれば、改質部出口におけるガスの温度が、効率の高い改質を行うことができる温度となるように、酸素の割合を制御することができる。
【００１７】
また、補助的対応関係は、比較的高い水の割合の目標値に対しては、改質部出口におけるガスの温度の目標値が比較的低く設定されており、比較的低い水の割合の目標値に対しては、改質部出口におけるガスの温度の目標値が比較的高く設定されているものとすることができる。そして、比較的高い原料ガスの温度の目標値に対しては、改質部出口におけるガスの温度の目標値が比較的高く設定されており、比較的低い原料ガスの温度の目標値に対しては、改質部出口におけるガスの温度の目標値が比較的低く設定されているものとすることができる。
【００１８】
また、制御部は、改質装置への要求負荷に応じて、酸素の割合と、原料ガスの温度と、の一方の目標値を設定し、センサからの信号に基づいて、酸素の割合と、原料ガスの温度と、の他方を制御することが好ましい。このような態様とすれば、要求負荷と改質効率との複数の目的について改質を最適化できるように、各パラメータを制御することができる。
【００１９】
なお、制御部は、要求負荷が比較的低いときには、原料ガスの温度を比較的高く設定し、酸素の割合を比較的低く設定することが好ましい。そして、要求負荷が比較的高いときには、原料ガスの温度を比較的低く設定し、酸素の割合を比較的高く設定することが好ましい。このような態様とすれば、加熱部を小規模なものとすることができる。
【００２０】
なお、改質装置が、改質部が生成した燃料ガス中の一酸化炭素を水と反応させて燃料ガス中の一酸化炭素を低減させるためのシフト部を有する場合には、次のようにすることが好ましい。すなわち、制御部は、要求負荷が比較的低いときには、シフト部における水の割合を比較的低く設定し、要求負荷が比較的高いときには、シフト部における水の割合を比較的高く設定する。このような態様とすれば、要求負荷が比較的高いときに、燃料ガス中の一酸化炭素の低減をより促進させることができる。
【００２１】
制御部は、第１の水供給部による水の供給量を調整して、シフト部における水の割合を制御する態様とすることができる。また、改質装置が、シフト部に水を供給することが可能な第２の水供給部を有する場合には、制御部は、第２の水供給部による水の供給量を調整して、シフト部における水の割合を制御することができる。
【００２２】
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。例えば、燃料電池システムは、改質装置と、燃料電池と、を備える態様とすることができる。そして、改質装置と、燃料電池を含む電源と、推進力を発生するための原動機と、電源から供給される電力を用いて原動機を駆動する駆動回路と、を備える移動体として、本発明を構成することもできる。
【００２３】
【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．第１実施例：
Ａ１．第１実施例の構成：
Ａ２．改質部におけるメタンの生成：
Ａ３．改質装置の動作：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
【００２４】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．第１実施例の構成：
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」とも呼ぶ）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。
【００２５】
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。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。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。
【００２６】
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モータ２０が有するステータ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、電動機または発電機として機能する。
【００２７】
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に内蔵されている図示しないメモリ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。このメモリとしては、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。
【００２８】
図２は、第１実施例における燃料電池システム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、改質燃料を供給するための原燃料供給部１１０と、水を供給するための水供給部１２０と、空気を供給するための空気供給部１３０と、改質燃料と水と空気から改質反応により燃料ガス（「改質ガス」とも呼ぶ）を生成する改質器１４０と、燃料電池１５０とを備えている。
【００２９】
改質器１４０は、改質燃料を気化させるための蒸発部１４１と、改質触媒を利用した改質反応を行うための改質部１４２と、改質反応で生成された燃料ガス中の一酸化炭素を低減するシフト部１４８と、を有している。蒸発部１４１は、さらに、水と空気を混合して水を蒸発させる水蒸発部１４３と、水蒸発部１４３で作られた水蒸気に改質燃料を噴霧して、水蒸気と改質燃料の混合ガスを生成する原料蒸発部１４４と、水蒸発部１４３を加熱するための加熱部１４５と、原料蒸発部１４４を加熱するための加熱部１４６と、を有する。加熱部１４５、１４６では、改質燃料が触媒によって酸化されて反応熱が生じる。その熱がそれぞれ水蒸発部１４３および原料蒸発部１４４に伝えられて、水蒸発部１４３で水蒸気が生成され、原料蒸発部１４４の混合ガスの温度が調整される。
【００３０】
原料蒸発部１４４で生成され温度が調節された混合ガスは、改質部１４２に送られ、水蒸気改質が行われる。改質燃料としてガソリンを用いたときの主要な水蒸気改質反応の反応式を以下に示す。
【００３１】
Ｃ8Ｈ18 ＋ ８Ｈ2Ｏ → １７Ｈ2 ＋ ８ＣＯ  ・・・（１）
【００３２】
また、改質部１４２では、以下に反応式を示す部分酸化反応もおこる。
【００３３】
Ｃ8Ｈ18 ＋ ４Ｏ2 → ９Ｈ2 ＋ ８ＣＯ  ・・・（２）
【００３４】
ここで、（１）の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、（２）の部分酸化反応は発熱反応である。改質器１４０では、（２）の部分酸化反応の反応熱が（１）の吸熱反応を起こさせる熱として利用される。改質部１４２では、主として以上のような反応により水素が生成される。なお、ここでは、ガソリンに含まれる各成分のうち、代表的な成分であるオクタンについての反応式のみを示して説明した。
【００３５】
改質部１４２において得られた水素リッチな燃料ガスは、シフト部１４８に送られ、以下に示すシフト反応により、一酸化炭素を低減される。その後、燃料ガスは燃料電池１５０に送られ、発電に使用される。
【００３６】
Ｈ2Ｏ ＋ ＣＯ → Ｈ2 ＋ ＣＯ2  ・・・（３）
【００３７】
水供給部１２０は、水を収容している水タンク１２１と、水タンク１２１内の水を水蒸発部１４３に送るための配管２２６と、ポンプ３１４と、を有する。一方、空気供給部１３０は、大気を水蒸発部１４３に送るための、一端を大気中に解放された配管２２４と、ポンプ３１２と、を有する。なお、空気供給部１３０は、大気ではなく、酸素を水蒸発部１４３に送る態様とすることもできる。すなわち、空気供給部１３０は、酸素を含むガスを水蒸発部１４３に送ることができるものであればよい。
【００３８】
原燃料供給部１１０は、ガソリンＦｏを収容するための原燃料タンク１１１と、原燃料タンク１１１と原料蒸発部１４４を結ぶ配管２１２と、配管２１２に設けられたポンプ３０６と、を有している。原燃料タンク１１１内のガソリンＦｏは、ポンプ３０６によって原料蒸発部１４４に送られる。
【００３９】
一方、原燃料供給部１１０内のガソリンＦｏは、別の配管２１４〜２１８によって、加熱部１４５、１４６に送られる。それぞれに送られるガソリンＦｏの量は、それぞれバルブ５０２，５０４で調節される。加熱部１４５、１４６に送られたガソリンＦｏは、触媒によって酸化されて、その反応熱がそれぞれ水蒸発部１４３、原料蒸発部１４４に供給される。なお、加熱部１４５では、燃料電池１５０から排出された未反応水素を含むガスも、触媒によって酸化され、その反応熱が水蒸発部１４３に供給される。燃料電池１５０から加熱部１４５に至る配管系は、図２において図示を省略する。
【００４０】
原燃料タンク１１１から原料蒸発部１４４に至る配管２１２、原燃料タンク１１１から送られる改質燃料を加熱部１４５、１４６に送る配管２１６，２１８には、それぞれ流量センサ４０８，４１０，４１２が設けられている。また、空気供給部１３０が水蒸発部１４３に空気を供給する配管２２４、水供給部１２０が水蒸発部１４３に水を供給する配管２２６、それぞれ流量センサ４１８，４２０が設けられている。さらに、改質部１４２の入口側と出口側には、温度センサ４２２，４２４がそれぞれ設けられており、改質部１４２の出口側には、メタン濃度センサ４２６が設けられている。ＥＣＵ（制御ユニット）７０は、これらのセンサからの信号を受け取って、ポンプやバルブなどの各部を制御する。なお、図２においては、燃料電池システム６０の一部のセンサのみをＥＣＵ７０と破線で結んでいるが、ＥＣＵ７０は、他のセンサからの信号も受け取っている。
【００４１】
Ａ２．改質部におけるメタンの生成：
改質部１４２においては、水蒸気改質によって水素リッチな燃料ガスが生成されるが、上記の反応式（１），（２）に示されるように、同時に一酸化炭素も生成される。水素と一酸化炭素が共存する場合は、下記のような平衡反応が起こる。
【００４２】
【化３】
0004135358.tif 000003
【００４３】
改質部１４２においては、できるだけ多くの水素を生成することが好ましいので、平衡状態は、できるだけ反応式の左辺の方に寄っていることが好ましい。平衡状態がどの程度反応式の左辺の方に寄っているかは、右辺のメタンの量を測定すれば判断できる。すなわち、改質部１４２出口側におけるメタン濃度は、できるだけ低い方が好ましい。
【００４４】
図３は、改質部１４２の出口側におけるガス温度Ｔｏとメタン濃度Ｄｍの関係を示すグラフである。改質部１４２の出口側においては、温度Ｔｏが高いほどメタン濃度は低くなるが、一定の値を超えると、温度Ｔｏを上げてもメタン濃度はそれほど低下しなくなる。その温度は、改質条件にもよるが、８００℃前後である。したがって、改質部１４２出口側の温度を、８００℃を超える高温にすることは、改質部１４２における改質の効率を余り高めないのに対して、燃料電池システム全体としての効率の低下を招くので、好ましくない。よって、改質部１４２の出口側温度Ｔｏは所定の範囲Ｔｏｔｌ〜Ｔｏｔｕとすることが好ましい。または、メタン濃度Ｄｍが、出口側温度ＴｏがＴｏｔｌ〜Ｔｏｔｕとなるときに対応するメタン濃度Ｄｍｔｌ〜Ｄｍｔｕとなるようにすることが好ましい。具体的には、メタン濃度Ｄｍは、０．０１％〜１％の範囲内であることが好ましく、０．１％〜１％の範囲内であることがより好ましい。そして、改質部１４２の出口側の温度は、６５０℃〜８００℃であることが好ましい。なお、メタン濃度やガスの温度を改質部の出口側で測定するのは、改質部において生成された燃料ガス中に含まれるメタンの量を少なくすることが、高効率な改質を行うために好ましいからである。
【００４５】
Ａ３．改質装置の動作：
図４は、燃料電池システム６０における各操作パラメータの目標値を設定する手順を示すフローチャートである。まず、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２で、改質器１４０への要求負荷に基づいて、改質部１４２に送られる原料ガスの温度の目標値Ｔｉｔ、およびＳ／Ｃ比の目標値を設定する。改質器１４０への要求負荷とは、水素リッチガスの生成要求量である。具体的には、改質器１４０への要求負荷は、アクセルペダル７４（図１参照）から送られてくるアクセルペダル７４の踏み込み量の信号等に基づいて、ＥＣＵ７０が決定する。また、「Ｓ／Ｃ比」とは、水供給部１２０から改質器１４０に供給される水蒸気分子と、原燃料供給部１１０から改質器１４０に供給される原料中の炭素原子のモル比である。
【００４６】
改質部１４２に送られる原料ガスの温度Ｔｉは、実際には、原料蒸発部１４４を加熱するための加熱部１４６によって調節される。ＥＣＵ７０は、温度センサ４２２から送られてくる信号に基づいて、原料ガスの温度Ｔｉが設定された目標値Ｔｉｔとなるように、加熱部１４６をフィードバック制御する。また、Ｓ／Ｃ比は、水供給部１２０のポンプ３１４によって調節される。すなわち、ポンプ３１４によって、原料ガス中の炭素に対する水の割合が調節される。ＥＣＵ７０は、改質燃料の流量センサ４０８と、水の流量センサ４２０から送られてくる信号に基づいて、Ｓ／Ｃ比が設定された目標値となるように、ポンプ３１４をフィードバック制御する。
【００４７】
ステップＳ４では、原料ガスの温度の目標値Ｔｉｔと、Ｓ／Ｃ比の目標値と、に基づいて、改質部出口側における望ましいガス温度Ｔｏｔが設定される。そして、改質部出口側におけるガス温度ＴｏがＴｏｔとなるように、空気量が制御される。
【００４８】
図５は、原料ガスの温度の目標値Ｔｉｔと、Ｓ／Ｃ比の目標値と、に基づいて、改質部出口側における望ましいガス温度Ｔｏｔを定めるためのマップである。このマップの横軸は、原料ガスの温度の目標値Ｔｉｔであり、縦軸は、Ｓ／Ｃ比の目標値である。このマップによれば、原料ガスの温度の目標値Ｔｉｔと、Ｓ／Ｃ比の目標値と、が決まっているとき、改質部出口側における望ましいガス温度Ｔｏｔを決定することができる。なお、望ましいガス温度とは、改質効率が高くなるようなガス温度である（図３参照）。ＥＣＵ７０は、ステップＳ４において、このマップに基づいて、改質部出口におけるガスの温度の目標値Ｔｏｔを設定する。
【００４９】
その後、ＥＣＵ７０は、改質部出口側におけるガス温度ＴｏがＴｏｔとなるように、空気量を制御する。具体的には、空気量は、ポンプ３１２によって調節される。すなわち、ポンプ３１２によって、原料ガス中の炭素に対する酸素の割合が調整される。ＥＣＵ７０は、温度センサ４２４から送られてくる信号に基づいて、改質部出口側におけるガス温度ＴｏがＴｏｔとなるように、ポンプ３１２をフィードバック制御する。
【００５０】
なお、図５のマップにおいては、比較的高いＳ／Ｃの目標値に対しては、改質部出口におけるガスの温度の目標値Ｔｏｔが比較的低く設定されており（図のｂ点参照）、比較的低いＳ／Ｃの目標値に対しては、Ｔｏｔが比較的高く設定されている（図のａ点参照）。そして、比較的高いＴｉｔに対しては、Ｔｏｔが比較的高く設定されており（図のｃ点参照）、比較的低いＴｉｔに対しては、Ｔｏｔが比較的低く設定されている（図のａ点参照）。
【００５１】
第１実施例では、改質器への要求負荷に基づいて原料ガスの温度の目標値、およびＳ／Ｃ比の目標値を定めている（図４のステップＳ２参照）。よって、改質器への要求負荷に応じた量の燃料ガスを生成することができる。また、第１実施例では、改質部１４２の出口側におけるガス温度Ｔｏが望ましいガス温度Ｔｏｔとなるように、空気量を制御している（図４のステップＳ４参照）。よって、要求負荷に応じた量の燃料ガスを生成しつつ、改質効率の高い改質を行うことができる。
【００５２】
なお、ここでは、まず、改質器１４０への要求負荷に基づいて、改質部１４２に送られる原料ガスの温度の目標値Ｔｉｔが設定され、その後、原料ガスの温度の目標値Ｔｉｔに基づいて、改質部出口側における望ましいガス温度Ｔｏｔを実現するように、空気量が制御された。しかし、まず最初に、空気量の目標値を設定し、その後、改質部出口側における望ましいガス温度Ｔｏｔを実現するように、原料ガスの温度の目標値Ｔｉを制御する態様としてもよい。
【００５３】
Ｂ．第２実施例：
第１実施例の燃料電池システム６０においては、常に改質効率を高めるための運転を行っていた。第２実施例では、改質器１４０への要求負荷が低いときには、改質効率を高めるための運転を行い、要求負荷が高いときには、改質効率以外の要素にも着目した運転を行う。
【００５４】
図６は、第２実施例における燃料電池システム６０ｂの内部構成を示す説明図である。第２実施例における燃料電池システム６０ｂは、水タンク１２１からシフト部１４８に水を送るための配管２３８およびポンプ３１６を備えている。そして、配管２３８には流量センサ４２８が設けられている。第２実施例の燃料電池システムの他のハードウェア構成は、第１実施例の燃料電池システムと同様である。
【００５５】
図７は、第２実施例における各操作パラメータの設定値を示す表である。第２実施例においては、改質器１４０への要求負荷が低いときには、原料ガスの温度の目標値Ｔｉｔは６００℃に設定される。そして、改質部１４２におけるＯ／Ｃは比較的低く設定され、シフト部１４８におけるＳ／Ｃ比（以下、「Ｓｓ／Ｃ比」と表記する。）も比較的低く制御される。ここで、「Ｏ／Ｃ比」とは、酸素供給部１３０から改質器１４０に供給される酸素原子と、原燃料供給部１１０から改質器１４０に供給される原料中の炭素原子のモル比である。一方、改質器１４０への要求負荷が高いときには、原料ガスの温度の目標値Ｔｉｔは３００℃に設定される。そして、Ｏ／Ｃ比は比較的高く設定され、シフト部１４８におけるＳｓ／Ｃ比も比較的高く設定される。
【００５６】
原料ガスの温度Ｔｉは、第１実施例と同様に、加熱部１４６によって調節される。また、Ｏ／Ｃ比は、水蒸発部１４３に空気を送るためのポンプ３１２によって調節される。さらに、シフト部１４８における水蒸気の割合、Ｓｓ／Ｃ比は、シフト部１４８に水を送るポンプ３１６によって調節される。なお、Ｓｓ／Ｃ比は、水蒸発部１４３に水を送るポンプ３１４によって調節してもよい。
【００５７】
第２実施例においては、改質器１４０への要求負荷が低いときには、原料ガスの温度の目標値Ｔｉｔは比較的高く（６００℃）設定される。このため、要求負荷が高いときに比べて、改質部１４２内において、吸熱反応である（１）の水蒸気改質反応が起こりやすい。よって、改質部１４２内において、発熱反応である（２）の部分酸化反応をたくさんおこす必要がない。このため、改質部１４２に酸素をたくさん供給する必要がなく、Ｏ／Ｃ比が低くてもよい（図７参照）。なお、このとき、各パラメータは、改質部１４２出口側における温度Ｔｏが、改質効率が高くなるような一定範囲Ｔｏｔｌ〜Ｔｏｌｕ内の温度となるように、設定される（図３参照）。
【００５８】
一方、改質器１４０への要求負荷が高いときには、原料ガスの温度の目標値Ｔｉｔは比較的低く（３００℃）設定される。このため、要求負荷が低いときに比べて、改質部１４２内において、吸熱反応である（１）の水蒸気改質反応が起こりにくい。よって、発熱反応である（２）の部分酸化反応をたくさんおこす必要がある。このため、改質部１４２に酸素をたくさん供給する必要があり、Ｏ／Ｃ比の目標値は、高く設定される（図７参照）。
【００５９】
第２実施例においては、要求負荷が低いときには、改質効率が高くなるような運転が行われる。一方で、要求負荷が高いときには、必ずしも改質効率が高くなるような運転が行われるわけではない。しかし、自動車の運転においては、改質器への要求負荷が高い時間、すなわち、アクセル開度が大きい時間が、運転時間全体に占める割合は低いものであるから、第２実施例の電気自動車も、全体としては、高い改質効率を維持することができる。
【００６０】
そして、第２実施例においては、改質器１４０への要求負荷が高いときには、Ｔｉｔは比較的低く設定される。よって、改質器１４０への要求負荷が高いときには、加熱部１４６から原料ガスに大量の熱エネルギーを与える必要がない。一方、改質器１４０への要求負荷が低いときには、Ｔｉｔは比較的高く設定されるが、原料ガスの供給量が少ないため、やはり、加熱部１４６から原料ガスに大量の熱エネルギーを与える必要がない。よって、原料蒸発部１４４を加熱するための加熱部１４６を小規模なものとすることができる。
【００６１】
また、電気自動車においては、加速を開始する時、すなわち、アクセル開度の小さい状態から大きい状態へ移行する時に、燃料電池システムが素早く応答する必要がある。すなわち、燃料電池システムが、要求負荷が小さいときの運転状態から、要求負荷が大きいときの運転状態へ、素早く移行できる必要がある。図７のように燃料電池システム６０ｂを動作させることとすれば、改質器１４０への要求負荷が小さいときの運転状態から大きいときの運転状態へ移行する際には、原料ガスの温度を下げることになる。よって、要求負荷の変更に対して素早く応答することができる。
【００６２】
また、第２実施例では、改質器１４０への要求負荷が高いときには、（２）の部分酸化反応が促進され、オクタンは（２）の部分酸化反応で消費される。そして、（１）の水蒸気改質反応はあまりおこらないため、水蒸気改質反応に使用される水（水蒸気）が比較的余分に存在することになる。このため、改質部１４２内において（３）のシフト反応が促進されて、改質部１４２で生成される燃料ガス中の一酸化炭素濃度が低減される。改質器１４０への要求負荷が高いときには、大量の燃料ガスが生成されるため、シフト部１４８においても、大量の一酸化炭素を（３）のシフト反応により水素と二酸化炭素にする必要がある。しかし、図７のような態様で燃料電池システム６０ｂを運転すれば、改質器１４０への要求負荷が高いときには、生成される燃料ガス中の一酸化炭素濃度が低減されることになるため、シフト部１４８の負担を軽減することができる。よって、シフト部を小規模なものとすることができる。
【００６３】
また、第２実施例においては、改質器１４０への要求負荷が高いときには、シフト部における水の割合であるＳｓ／Ｃ比が高く設定される。このため、シフト部における（３）のシフト反応は右側に寄り、燃料ガス中の一酸化炭素の低減がより促進される。よって、この点からも、シフト部を小規模なものとすることができる。
【００６４】
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。
【００６５】
Ｃ１．変形例１：
改質器の原燃料としては、ガソリン以外の種々の炭化水素系燃料を使用可能である。例えば、天然ガスやアルコール、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することができる。
【００６６】
また、上記実施例では、改質部出口側におけるガス温度を測定するセンサ、およびガス中のメタン濃度を測定するセンサを備えていた。しかし、改質反応の条件をモニタするためのセンサは、これらに限られるものではない。すなわち、改質部出口側におけるガス中の水蒸気や一酸化炭素、水素の濃度を測定するセンサであってもよい。すなわち、改質部内におけるメタンの生成反応に関連づけられた特定の被測定量を測定するためのセンサであればよい。
【００６７】
Ｃ２．変形例２：
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】本発明の一実施例としての電気自動車の概略構成図。
【図２】第１実施例における燃料電池システム６０の内部構成を示す説明図。
【図３】改質部１４２の出口側におけるガス温度Ｔｏとメタン濃度Ｄｍの関係を示すグラフ。
【図４】燃料電池システム６０における各操作パラメータの目標値を設定する手順を示すフローチャート。
【図５】原料ガスの温度の目標値Ｔｉｔと、Ｓ／Ｃ比の目標値と、に基づいて、改質部出口側における望ましいガス温度Ｔｏｔを定めるためのマップの説明図。
【図６】第２実施例における燃料電池システム６０ｂの内部構成を示す説明図。
【図７】第２実施例における各操作パラメータの設定値を示す表の説明図。
【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
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
６０，６０ｂ…燃料電池システム
７０…ＥＣＵ（制御ユニット）
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
１１０…原燃料供給部
１１１…原燃料タンク
１２０…水供給部
１２１…水タンク
１３０…空気供給部
１４０…改質器
１４１…蒸発部
１４２…改質部
１４３…水蒸発部
１４４…原料蒸発部
１４５，１４６…加熱部
１４８…シフト部
１５０…燃料電池
２１２…原燃料タンク１１１と原料蒸発部１４４を結ぶ配管
２１４…原燃料タンク１１１と加熱部１４５、１４６を結ぶ配管
２１６…配管２１４に接続され加熱部１４５に至る配管
２１８…配管２１４に接続され加熱部１４６に至る配管
２２４…大気を水蒸発部１４３に送るための配管
２２６…水タンク１２１内の水を水蒸発部１４３に送るための配管
２３８…水タンク１２１内の水をシフト部１４８に送るための配管
３０６…原料を原料蒸発部１４４に送るためのポンプ
３０８…原料を加熱部１４５、１４６に送るためのポンプ
３１２…大気を水蒸発部１４３に送るためのポンプ
３１４…水タンク１２１内の水を水蒸発部１４３に送るためのポンプ
３１６…水タンク１２１内の水をシフト部１４８に送るためのポンプ
４０８，４１０，４１２，４１８，４２０，４２８…流量センサ
４２２，４２４…温度センサ
４２６…メタン濃度センサ
５０２…加熱部１４５への原料の供給量を制御するためのバルブ
５０４…加熱部１４６への原料の供給量を制御するためのバルブ
Ｄｍ…メタン濃度
Ｄｍｔｌ…好ましいメタン濃度の下限値
Ｄｍｔｕ…好ましいメタン濃度の上限値
Ｆｏ…ガソリン
Ｔｉ…原料ガスの温度
Ｔｏ…改質部１４２出口側における燃料ガスの温度
Ｔｏｔ…改質部１４２出口側における燃料ガスの温度の目標値
Ｔｏｔｌ…燃料ガスの温度の目標値の下限値
Ｔｏｔｕ…燃料ガスの温度の目標値の上限値
【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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