(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質原料を加熱昇温するとともに加熱昇温された改質原料から改質反応によって改質ガスを生成させる改質器の制御装置において、
前記改質原料を改質反応の前に所定の目標温度に加熱昇温する加熱部と、
前記加熱部に供給される改質原料の量を判定する改質原料量判定手段と、
この改質原料量判定手段で判定された改質原料量の増大に応じて前記目標温度を高くする目標温度設定手段と、
前記加熱部で加熱昇温された改質原料の流量に関する物理量を検出する検出手段と、
この検出手段で検出された物理量に基づいて前記目標温度を補正する補正手段と
を備えていることを特徴とする改質器の制御装置。
【請求項２】
前記加熱部が空気と燃焼燃料との酸化を生じさせる燃焼部を備え、
その加熱部に対する空気の供給量を前記改質原料量判定手段で判定された改質原料量に応じて増減する空気量制御手段を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の改質器の制御装置。
【請求項３】
改質原料を加熱昇温するとともに加熱昇温された改質原料から改質反応によって改質ガスを生成させる改質器の制御装置において、
空気と燃焼燃料との酸化を生じさせる燃焼部を有するとともにその燃焼部の熱で、前記改質原料を、改質反応の前に所定の目標温度に加熱昇温する加熱部と、
前記加熱部に供給される改質原料の量を判定する改質原料量判定手段と、
前記加熱部に対する空気の供給量を前記改質原料量判定手段で判定された改質原料量に応じて増減する空気量制御手段と、
前記加熱昇温された改質原料の流量に関する物理量を検出する検出手段と、
この検出手段で検出された物理量に基づいて前記空気供給量を補正する補正手段と
を備えていることを特徴とする改質器の制御装置。
【請求項４】
前記加熱部自体の熱容量に基づいて前記加熱部での発生熱量を補正する加熱熱量補正手段を更に備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の改質器の制御装置。
【請求項５】
前記物理量は、前記改質原料の流量であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の改質器の制御装置。
【請求項６】
空気と燃焼燃料との酸化を生じさせて前記改質原料を加熱するための熱を発生させる燃焼部と、
前記加熱昇温するために供給される改質原料の量を判定する改質原料量判定手段と、
前記空気の供給量を前記改質原料量判定手段で判定された改質原料量に応じて増減する空気量制御手段と
を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の改質器の制御装置。
【請求項７】
前記空気量制御手段は、前記改質原料量が少ない場合に、改質原料の温度が下限温度以上になるように前記燃焼部での空気量を制御する手段と、前記改質原料量が多い場合に、改質原料の温度が上限温度以下になるように前記燃焼部での空気量を制御する手段との少なくともいずれか一方を含むことを特徴とする請求項６に記載の改質器の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、メチルアルコールなどの炭化水素および水などからなる改質原料を加熱してそれらの混合蒸気を得、これを改質触媒などからなる改質部に供給して水素リッチなガスなどの所望の燃料に改質する改質器に関し、特に改質原料蒸気を得るための加熱制御をおこなう装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の改質器の一例として、メチルアルコール（メタノール）と水とを原料として水素ガスを主体とする改質ガスを生成する改質器が知られている。この改質器は、銅合金などを触媒としており、その触媒の活性温度が一例として２８０℃程度であって、それより温度が低い場合には、メタノールが充分に改質されずに改質ガスに残留するメタノールの量が多くなる。また、メタノールの改質反応は、吸熱反応であるから、前記の触媒の温度を維持すると同時に、改質反応を促進するために、外部から熱を供給している。
【０００３】
その加熱の方法は、バーナなどで加熱する以外に、酸化反応によって発熱させ、その熱を改質部に伝達する方法が知られている。後者の方法は、いわゆる部分酸化反応による方法であり、例えばメタノール蒸気に空気を混合し、これを触媒の下で酸化させて水素を発生させ、その際の熱を利用するものである。したがってこの部分酸化反応を利用すれば、改質反応に伴う熱を部分酸化反応によって補い、吸熱量と発熱量とをバランスさせることにより、外部からの加熱を不要にすることもできる。しかしながらこれは、改質部での熱収支がバランスして改質および酸化による温度変化がないことをもたらすのみであり、改質部の温度を目的温度に設定する用をなすものではない。
【０００４】
すなわち改質部の温度を、改質反応あるいは触媒の活性に好適な温度に設定するためには、外部からの加熱が必要である。そのため、この種の改質器では、燃焼部で発生させた熱によってメタノールと水との混合液を、所定温度の蒸気とし、これを改質部に供給している。
【０００５】
上記の改質器を、例えば燃料電池における燃料ガスを生成するための手段として使用した場合、燃料電池の負荷の変動に応じて改質器での反応を制御する必要がある。すなわち負荷の増大に伴って改質ガスの生成量を増大させ、また負荷が低下した場合には改質ガスの生成量を減少させる必要がある。改質ガスの発生量を増減するためには、改質部に供給する原料すなわちメタノールと水との混合蒸気を増減することになるが、そのためには、当然、目的とする温度のメタノールおよび水の混合蒸気を発生させるのに要する加熱熱量を増減させる必要がある。
【０００６】
このような制御をおこなう装置の一例が特開平７−２９６８３４号公報に記載されている。この公報に記載された装置は、バーナーで発生させた燃焼熱によって改質器を加熱するように構成されたプラントを対象とするものであって、改質器の入口温度および出口温度、改質器バーナの入口温度および出口温度を検出し、これらの温度に基づいて燃料ガスと酸化剤との流量制御をおこなうことにより、改質器バーナでの安定燃焼を確保するように構成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の公報に記載されているように改質部の入口と出口との温度およびバーナの入口と出口との温度を検出すれば、改質反応の状況や改質温度の状態を知ることができると同時に、未利用の改質ガスをバーナで燃焼させる場合に、燃焼の安定状態を知ることができ、したがってその検出値に基づいて安定燃焼のための制御をおこなうことができる。しかしながら、このような制御では、改質器に対する改質原料の供給量が変化した場合の制御を必要十分におこなうことができない。
【０００８】
すなわち、上記の公報にも記載されているように、改質器は燃料電池などに対する燃料供給源として使用されることが多く、その場合、改質ガスの要求量に応じて改質器に供給する改質原料量が変化させられるが、この改質原料は改質触媒の活性温度より低温の状態で供給されるから、加熱して蒸気とする必要がある。したがって改質原料の増減に応じてこれを加熱するための加熱用の燃料の量を増減する必要があるが、改質原料量の変更指示から実際にその量の改質原料が蒸発部に供給されるまでの時間遅れや、加熱用燃料量の変更の指示から実際にその量の加熱用燃料が燃焼部に供給されるまでの時間遅れ、さらにはその加熱用燃料量に応じた発熱量となるまでの時間遅れなどの遅れの要因や、改質原料量あるいは加熱用燃料量の変動に伴う周囲の環境との相対関係の変動などのいわゆる外乱要因がある。そのため、改質反応や燃焼の結果として生じる温度変化のみに基づいて、改質原料の加熱の制御をおこなったのでは、目的とする温度の改質原料を得ることができず、また改質原料を加熱する装置の溶損などの不都合を生じる可能性がある。
【０００９】
この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、改質原料を加熱する制御の過渡応答性を向上させることのできる装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段およびその作用】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載された発明は、改質原料を加熱昇温するとともに加熱昇温された改質原料から改質反応によって改質ガスを生成させる改質器の制御装置において、前記改質原料を改質反応の前に所定の目標温度に加熱昇温する加熱部と、前記加熱部に供給される改質原料の量を判定する改質原料量判定手段と、この改質原料量判定手段で判定された改質原料量の増大に応じて前記目標温度を高くする目標温度設定手段と、前記加熱部で加熱昇温された改質原料の流量に関する物理量を検出する検出手段と、この検出手段で検出された物理量に基づいて前記目標温度を補正する補正手段とを備えていることを特徴とするものである。
【００１１】
したがって請求項１の発明では、改質原料が増量されると、これを蒸気とする場合、その蒸発潜熱が増大する。これに対して加熱目標温度が高く設定されるので、蒸発潜熱として奪われる熱量が多くなっても改質原料の加熱温度が低下することが防止され、目標とする温度の改質原料を得ることができる。また、加熱されて実際に流動している改質原料の量に基づいて目標温度もしくは空気供給量が補正される。そのため、加熱部での発熱量のバラツキや熱交換量のバラツキさらにはバルブなどの機能部材の個体差の影響が回避もしくは抑制される。
【００１２】
また、請求項２の発明は、請求項１の構成に加えて、前記加熱部が空気と燃焼燃料との酸化を生じさせる燃焼部を備え、その加熱部に対する空気の供給量を前記改質原料量判定手段で判定された改質原料量に応じて増減する空気量制御手段を更に備えていることを特徴とするものである。
【００１３】
したがって請求項２の発明では、改質原料量が少ない場合に空気の供給量が少なくなり、また反対に改質原料量が多い場合は空気供給量が多くなる。その結果、改質原料量が少ないことにより目標温度が低く設定されると、空気量が少ないことにより空気の加熱昇温のための熱量や空気が持ち去る熱量が少なくなる。反対に改質原料量が多いことにより目標温度が高い場合には、空気供給量が多くなってその加熱昇温のための熱量や空気持ち去る熱量が多くなる。そのために改質原料の加熱不足や過熱が防止される。
【００１４】
さらに、請求項３の発明は、改質原料を加熱昇温するとともに加熱昇温された改質原料から改質反応によって改質ガスを生成させる改質器の制御装置において、空気と燃焼燃料との酸化を生じさせる燃焼部を有するとともにその燃焼部の熱で前記改質原料を改質反応の前に所定の目標温度に加熱昇温する加熱部と、前記加熱部に供給される改質原料の量を判定する改質原料量判定手段と、前記加熱部に対する空気の供給量を前記改質原料量判定手段で判定された改質原料量に応じて増減する空気量制御手段と、前記加熱昇温された改質原料の流量に関する物理量を検出する検出手段と、この検出手段で検出された物理量に基づいて前記空気供給量を補正する補正手段とを備えていることを特徴とするものである。
【００１５】
したがって請求項３の発明では、検出された物理量が加熱された改質原料の流量に相当しており、その結果、加熱されて実際に流動している改質原料の量に基づいて空気供給量を補正することになる。そのため、加熱部での発熱量のバラツキや熱交換量のバラツキさらにはバルブなどの機能部材の個体差の影響が回避もしくは抑制される。
【００１６】
そして請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかの構成に加えて、前記加熱部自体の熱容量に基づいて前記加熱部での発生熱量を補正する加熱熱量補正手段を更に備えていることを特徴とするものである。
またさらに、請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれかの構成において、前記物理量は、前記改質原料の流量であることを特徴とするものである。
そしてまた、請求項６の発明は、請求項１の発明において、空気と燃焼燃料との酸化を生じさせて前記改質原料を加熱するための熱を発生させる燃焼部と、前記加熱昇温するために供給される改質原料の量を判定する改質原料量判定手段と、前記空気の供給量を前記改質原料量判定手段で判定された改質原料量に応じて増減する空気量制御手段とを備えていることを特徴とするものである。
請求項６の発明における前記空気量制御手段は、請求項７に記載されているように、前記改質原料量が少ない場合に、改質原料の温度が下限温度以上になるように前記燃焼部での空気量を制御する手段と、前記改質原料量が多い場合に、改質原料の温度が上限温度以下になるように前記燃焼部での空気量を制御する手段との少なくともいずれか一方を含むことができる。
【００１７】
したがって請求項４の発明では、改質原料量の増大や減少に伴って加熱部で生じさせる熱量を変更する場合、加熱部の昇温に要する熱量や加熱部が有している熱量をも考慮して発熱量が補正され、そのために、改質原料の加熱不足や過熱が防止される。
また、請求項５の発明では、改質原料の流量が検出され、その検出された流量に基づいて目標温度や空気供給量が補正される。
そして、請求項６および７の発明によれば、燃焼燃料を酸化させるための空気量が改質原料量に応じて制御されるので、改質原料の温度を所定の温度範囲に維持することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
つぎにこの発明を図に示す具体例に基づいて説明する。先ず、改質器としてメタノールおよび水を改質原料とした改質器を使用し、かつその改質器から生じた改質ガスを他の形態のエネルギーに変換するエネルギー変換器として燃料電池を使用したシステムについて説明する。図７はその一例を模式的に示しており、燃料電池１の燃料極（水素極）側に、改質器２が接続されている。この改質器２は、改質原料であるメタノールと水との混合物を水素と二酸化炭素とに改質するものであって、改質原料を加熱する加熱部３と、改質部４と、ＣＯ酸化部５とを備えている。
【００１９】
加熱部３は、改質原料を加熱してメタノールと水との混合蒸気を生じさせるためのものであり、加熱のための熱を発生させる燃焼部６とその熱によって改質原料を蒸発させる蒸発部７とによって構成されている。その燃焼部６としては、燃焼原料をバーナによって燃焼させる構造のものや燃焼原料を触媒によって酸化させる構成のものなどを採用することができる。したがってこの燃焼部６には、加熱燃料の一例であるメタノールを供給するポンプ８がインジェクタ９を介して接続され、また支燃ガスの一例である空気を供給するエアー供給部１０が設けられている。このエアー供給部１０は具体的には、エアーポンプによって構成されている。
【００２０】
また、蒸発部７には、メタノールと水との混合液を供給する改質原料供給部としてポンプ１１が接続されている。そしてこの蒸発部７と前記燃焼部６とは、熱交換器１２によって熱伝達可能に連結されている。なお、この加熱部３の更に具体的な構成については後述する。
【００２１】
前記改質部４は、主としてメタノールと水との改質反応によって水素リッチなガスを発生させるように構成されている。具体的には、活性温度が２８０℃程度の銅系の触媒を用いて、
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋３Ｈ２           …（１）
の改質反応によって水素ガスを主体とする改質ガスを生成するようになっている。
【００２２】
またこの改質部４は、メタノールの部分酸化反応によって水素ガスおよび熱を生じさせるようになっており、そのためにエアー供給部１３から空気が供給されている。すなわち上記の（１）式で示される改質反応が吸熱反応であり、これに対してメタノールの部分酸化反応である下記の（２）式の反応が発熱反応であるから、これらの吸熱量と発熱量とをバランスさせることにより、改質部４の温度をほぼ一定に維持させるようになっている。
ＣＨ３ＯＨ＋１／２Ｏ２→２Ｈ２ ＋ＣＯ２      …（２）
【００２３】
上記の（１）式で示す改質反応および（２）式で示す部分酸化反応は理想状態の反応であり、また二酸化炭素は可逆的に一酸化炭素に変化するので、実際には、不可避的に一酸化炭素ガスが改質ガスに混入する。この一酸化炭素は、燃料電池１における燃料極の触媒を被毒する原因となるので、これを除去するためにＣＯ酸化部５が設けられている。このＣＯ酸化部５は、ＣＯ酸化触媒（図示せず）を備えるとともに、エアー供給部１４を備えており、改質部４で生成させた改質ガスを通過させることにより、改質ガスに含まれる一酸化炭素を空気中の酸素によって酸化させるように構成されている。
【００２４】
一方、燃料電池１は、一例として、プロトン透過性のある高分子膜を電解質とし、その電解質膜を挟んで燃料極（水素極）１５と空気極（酸素極）１６とを設け、このような構成の単電池を多数直並列に接続して構成されている。各電極１５，１６は、拡散層と反応層とによって構成され、燃料極１５における反応層は、例えば炭素に白金やその合金あるいはルテニウムなどの触媒を担持させた多孔質構造とされている。そしてこの燃料極１５に前記改質器２が連通され、ここに水素ガスを主体とする改質ガスが供給されるようになっている。また空気極１６には、ポンプなどのエアー供給部１７が接続され、改質ガス中の水素と反応させるための酸素を供給するようになっている。
【００２５】
なお、各電極１５，１６には、外部負荷としてバッテリー１８やインバータ１９が閉回路を構成するように接続されている。またこの閉回路には、電流センサ２０が介装されている。さらにインバータ１９には、モータ２１が接続されている。このモータ２１は、例えば車両の走行のための動力源とされる。
【００２６】
上記の燃料極１５で生じる水素のイオン化および電解質膜を介した酸化反応は、燃料電池１に供給した水素ガスの全てについて生じる訳ではなく、その反応効率は、数十％であり、したがって燃料極１５側から生じる排ガス（以下、オフガスと記す場合がある。）には未利用の可燃性ガスすなわち水素ガスが含まれている。これを有効利用するために、燃料極１５側の排ガスを前記燃焼部６に戻すためにリターン管２２が、燃料電池１と燃焼部６とを連通した状態に配置されている。またこのリターン管２２の中間部には、その内部を流動するガスの流量を制御するための流量調整弁２３が設けられている。なお、この流量調整弁２３はその開度を電気的に制御するように構成されている。さらに、このリターン管２２は、その内部を流動するガスを、燃焼部６に供給せずに適宜に外部に排出できるように構成されている。
【００２７】
図８に上記の加熱部３の更に具体的な構成が制御系統と併せて示されている。燃焼部６は、加熱燃料としてのメタノール（以下、燃焼メタノールと記す）および／または未利用水素ガスと空気とを流通させる間に、これらの燃焼原料を酸化させる燃焼室２４を備えており、その燃焼室２４が上下二段に区画された構造であって、上側の区画部分の流入側にインジェクタ９が配置され、このインジェクタ９から燃焼メタノールを燃焼室２４内に噴霧するようになっている。また燃焼室２４の流入側で燃焼メタノールの噴霧位置の近傍に開口するエアー供給口２５が形成されており、このエアー供給口２５にエアーポンプ１０が接続されている。
【００２８】
さらに前記燃焼室２４のうち前記インジェクタ９の近傍に、リターン管２２が開口して接続されている。そしてこのリターン管２２に介装してある流量調整弁２３を挟んだ両側に、圧力センサ２６，２７が配置され、流量調整弁２３の上流側の圧力と下流側の圧力とを検出するようになっている。そして上下の各区画部分は、前記インジェクタ９を設けてある流入側とは反対側の端部で連通しており、下側の区画部分の図８での左側端部が排気部とされている。
【００２９】
燃焼室２４の内部に熱交換器１２が配置されている。この熱交換器１２は、燃焼室２４を上下に横断するように気密状態に貫通した複数の蒸発管２８を有しており、これらの蒸発管２８の一方の端部が、給液管２９に連通され、また他方の端部が蒸気管３０に連通されている。さらに各蒸発管２８の外周面のうち前記燃焼室２４の内部に位置する部分には、酸化触媒３１が取り付けられている。したがって燃焼室２４の内部に供給された燃焼メタノールや排ガス中の未利用水素ガスがこれらの触媒３１において空気中の酸素により酸化し、発熱するようになっている。また各蒸気管２８には、その所定の高さまで改質原料液が供給されており、そのいわゆる液柱の部分で改質原料の蒸気が生じるので、この部分が沸騰部２８ａとなっており、それより上側の部分が改質原料蒸気が加熱される蒸気加熱部２８ｂとなっている。
【００３０】
そして、蒸気管３０の上流側と下流側との２箇所に圧力センサ３２，３３が配置され、それぞれの箇所での改質原料蒸気の圧力を検出するようになっている。また、その下流側の圧力センサ３３よりも下流側に、蒸気管３０の内部を改質部４に向けて流動する改質原料蒸気の流量を検出する流量センサ３４が設けられている。
【００３１】
前記各ポンプ８，１０，１１は電気的に制御されてその吐出量を適宜に調整するように構成されており、その制御のために電子制御装置（ＥＣＵ）３５が設けられている。この電子制御装置３５は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）と記憶装置（ＲＡＭ、ＲＯＭ）と入出力インターフェースとを主体とするいわゆるマイクロコンピュータからなるものであり、制御データとして前記各センサ２６，２７，３２，３３，３４による検出信号が入力されている。さらに燃料電池１の負荷を検出するための電流センサ２０の検出信号が電子制御装置３５に入力されている。なお、前記流量調整弁２３の開度をこの電子制御装置３５によって制御するようになっている。
【００３２】
上述した改質器２の基本的な動作について説明すると、改質原料であるメタノールと水との混合液が、給液ポンプ１１により給液管２９を介して蒸発管２８に供給される。これに対して燃焼室２４には、燃焼メタノールがインジェクタ９によって噴霧され、あるいはこれと同時にもしくはこれに替えて未利用水素ガスを含むオフガスがリターン管２２から供給される。また支燃ガスとして空気がエアーポンプ１０によって供給される。この燃焼メタノールおよび／または未利用水素ガスと空気とが酸化触媒３１において酸化反応し、すなわち燃焼し、熱を発生する。その熱によって蒸発管２８が加熱され、その内部の混合液が蒸発し、メタノールと水との混合蒸気が生じる。また、燃焼によって生じた排ガスは排気管３３を介して外部に送り出される。
【００３３】
蒸発管２８で生じた混合蒸気は、蒸気管３０を介して改質部４に送られる。この改質部４に設けられた銅系触媒によってメタノールと水との改質反応が生じ、水素ガスおよび二酸化炭素ガスを主成分とする改質ガスが生じる。またこれと同時に、エアー供給部１３から改質部４に供給された空気とメタノールとの部分酸化反応が生じる。この部分酸化反応は上述した（２）式で表され、その結果、水素ガスと二酸化炭素ガスとが生じる。メタノールの改質反応は吸熱反応であり、これに対してメタノールの部分酸化反応は発熱反応であるから、これらの反応における吸熱量と発熱量とが等しくなるように反応を制御することにより、改質部４での熱収支をバランスさせ、改質部４の温度がほぼ一定に維持される。したがって改質部４での熱の出入りがないので、前記燃焼部６で生じさせた熱は、専ら改質原料の加熱・蒸発に使用される。
【００３４】
改質部４で生じるガスは、原理的には、水素ガスと二酸化炭素ガスであるが、実際には一酸化炭素ガスがわずか（１％程度）生じる。この一酸化炭素ガスの大半は、改質ガスがＣＯ酸化部５を通過する際にエアー供給部１４から供給される空気中の酸素と反応して二酸化炭素となる。こうして水素リッチなガスとされた改質ガスが燃料電池１における燃料極１５に送られ、その反応層で水素イオンと電子とを生じるとともに、その水素イオンが電解質膜を透過して空気極１６側で酸素と反応し、水を生じる。また電子は外部負荷を通って動力を生じさせる。
【００３５】
以上のようにして改質器２で生じさせる改質ガスの量は、燃料電池１での負荷に応じた量に制御され、したがって加熱部３で生じさせるメタノールと水との混合蒸気の量も燃料電池１での負荷に応じた量に制御される。この発明に係る制御装置は、この燃料電池１での負荷に応じた改質原料を加熱・蒸発させるために、加熱部３での改質原料の加熱を以下のように制御する。
【００３６】
図１はその制御例を説明するためのフローチャートであって、先ず、改質原料（メタノールと水との混合液）の量を算出する（ステップＳ１）。燃料電池１で使用される水素ガスは、上記の（１）式および（２）式で表される反応によって生じるから、燃料電池１に対する負荷（電流値）や改質率、燃料電池１での水素ガスの利用率さらにはファラディー定数などに基づいて算出することができる。
【００３７】
つぎに改質原料の目標蒸気温度を計算する（ステップＳ２）。図８に示す構成の加熱部３では、蒸発管２８のうちメタノールと水との混合液が入っている部分が、その混合液から蒸気が生じる沸騰部２８ａであり、またその液面より上側の部分が、発生した蒸気を加熱昇温する蒸気加熱部２８ｂである。この蒸発管２８に混合液を供給しつつ燃焼部６で燃焼メタノールおよび／または未利用水素ガスの燃焼を生じさせて混合液を加熱すれば、改質原料の蒸気が発生する。その場合、蒸発管２８の内部での液面高さが一定であれば、改質原料の供給量Ｆelと発生した蒸気の量Ｆegとが等しいことになる。
Ｆel＝Ｆeg
即ち、この状態が蒸発部７での過渡応答遅れのない状態であり、制御の目標となる。
【００３８】
一方、混合液の蒸発潜熱と改質原料蒸気の比熱とを比較すると、前者の混合液の蒸発潜熱が十分大きいので、蒸発管２８の内部での液面高さを一定に保つように燃焼燃料を供給した場合、改質原料液の供給量が少ない場合に加熱昇温された蒸気温度と、改質原料液の供給量が多い場合に加熱昇温された蒸気温度とを比較すると、
（供給量小の場合の蒸気温度）＜（供給量大の場合の蒸気温度）
の関係が成り立つ。すなわち、蒸発管２８における液層に対する伝熱面積と気層に対する伝熱面積とは、改質原料液の供給量Ｆelによらずに一定となるために、蒸発量を多くするように供給熱量を多くした場合には、比熱の小さい気層側すなわち改質原料蒸気が暖まりやすいことを示している。
【００３９】
この改質原料液量とその加熱昇温の程度とは、基本的には上記の関係があるものの、実際には、使用する加熱部３の構造によるところも多く、そこで改質原料液量Ｆelと蒸気温度目標値Ｔegtrとの関係を実験的もしくは設計緒元に基づく計算によって求めておく。その一例を図２に示してある。制御時におけるステップＳ２の計算は、具体的には、この図２に示すマップに基づいて蒸気温度目標値Ｔegtrを求めることによりおこなわれる。
【００４０】
つぎに、燃料エア流量を計算する（ステップＳ３）。これは、燃焼部６に供給される支燃ガスとしてのエアによって消費もしくは持ち去られる熱量を調整して、蒸気温度の不足や過熱を防止する制御である。すなわち、ステップＳ２での制御では、改質原料量Ｆelに基づいて蒸気温度目標値Ｔegtrを設定するが、前述したように改質触媒の活性温度が決まっているので、ステップＳ２で計算された蒸気温度目標値がその触媒の活性温度を大きく下回ったり、また反対に大きく上回ったりすることがある。このような場合、改質部４での活性が低下したり、また触媒の劣化が進行したりして改質率が悪くなり、それに伴って改質ガス中にメタノールが残り、もしくは一酸化炭素ガスが多くなるなど改質ガスの品質が悪化して燃料電池１での電流−電圧特性（ＩＶ特性）が悪化し、充分な発電をおこなうことが困難になる。
【００４１】
このような条件から蒸気温度目標値Ｔegtrの上限値Ｔegtuと下限値Ｔegtlとが定まり、蒸気温度目標値Ｔegtrがこれらの上限値Ｔegtuと下限値Ｔegtlとの間に入るように、燃料エア流量を計算する。これは、燃焼部６に供給するエアの昇温に消費される熱量とそのエアが持ち去る熱量とを、エアの供給量によって調整する制御である。すなわち、エアの供給量を少なくすれば、前記の蒸気加熱部２８ｂ側でエアの昇温に消費される熱量およびエアが持ち去る熱量が少なくなるので、蒸気温度が高くなり、したがってこのような制御を、図２に基づく計算では蒸気温度目標値Ｔegtrが低くなる改質原料量Ｆelの少ない場合に実施する。すなわち改質原料量Ｆelが少ない場合に、燃焼部６での空燃比（Ａ／Ｆ）を小さくし、蒸気温度が下限温度Ｔegtl以上となるように制御する。
【００４２】
これとは反対にエアの供給量を多くすれば、前記の蒸気加熱部２８ｂでエアの昇温に消費される熱量およびエアが持ち去る熱量が多くなるので、蒸気温度が低下させられ、したがってこのような制御を、図２に基づく計算では蒸気温度目標値Ｔegtrが高くなる改質原料量Ｆelの多い場合に実施する。すなわち改質原料量Ｆelが多い場合に、燃焼部６での空燃比（Ａ／Ｆ）を大きくし、蒸気の過熱を防止する。
【００４３】
このような改質原料蒸気の加熱不足および過熱を考慮した空燃比目標値Ｒaftrは、実験もしくは計算によって求めることができ、その一例を図３に示してある。ステップＳ３ではこの図３に示す線図（マップ）に基づいてエア流量を計算する。そして、この図３に基づく蒸気温度目標値Ｔegtrの補正をおこなった後の改質原料量Ｆelと蒸気温度目標値Ｔegtrとの関係は、例えば図４に示す線図（マップ）として表すことができる。
【００４４】
改質原料の蒸気温度Ｔegが以上のようにして求めた目標値Ｔegtrとなるように燃焼部６を制御する。その場合、酸化触媒３１や燃料メタノールあるいは未利用水素ガスの供給装置などのバラツキによって改質原料液の供給量Ｆelと発生した蒸気流量Ｆegとが一致しない場合がある。これを修正するために、蒸気温度目標値Ｔegtrおよび目標空燃比（Ａ／Ｆ）値Ｒaftrを補正する。図５はその補正の概念図である。
【００４５】
この補正は、蒸気管２８における改質原料蒸気の流量に関連する物理量に基づいておこなわれる（ステップＳ４）。具体的には、改質原料液の供給量Ｆelと同量の目標蒸気量Ｆegtrと前記流量センサ３４で検出された実際の蒸気流量Ｆegとの差に補正ゲインＫ1 ，Ｋ2 を掛けて蒸気温度目標値の補正量Ｔegtrfbと目標Ａ／Ｆ値の補正量Ｒaftrfbとを求める。
Ｔegtrfb＝Ｋ1 （Ｆegtr−Ｆeg）
Ｒaftrfb＝Ｋ1 （Ｆegtr−Ｆeg）
【００４６】
なお、これらの補正量Ｔegtrfb，Ｒaftrfbには、下限値Ｔegtrfbmin，Ｒaftrfbminおよび上限値Ｔegtrfbmax，Ｒaftrfbmaxを設定し、
Ｔegtrfbmin≦Ｔegtrfb≦Ｔegtrfbmax
Ｒaftrfbmin≦Ｒaftrfb≦Ｒaftrfbmax
これらの値の範囲で補正量を設定する。
【００４７】
そしてこれまでに求められている蒸気温度目標値Ｔegtrおよび目標Ａ／Ｆ値Ｒaftrに、上記の各補正量を加えて新たな目標値Ｔegtr'および目標Ａ／Ｆ値Ｒaftr'を求める。
Ｔegtr'＝Ｔegtr＋Ｔegtrfb
Ｒaftr'＝Ｒaftr＋Ｒaftrfb
【００４８】
上記の例は、改質原料蒸気を直接検出し、その検出値に基づいて補正する例であるが、改質原料蒸気は蒸気管３０における圧力に基づいて推定することができるので、その推定値に基づいて補正することとしてもよい。例えば蒸気管３０の上流側の圧力センサ３２で得られた圧力すなわち蒸発部７の出口側の圧力Ｐegと下流側の圧力センサ３３で得られた圧力すなわち改質部４の入口側の圧力Ｐr との差に基づいて
Ｆeg＝Ｃ・（Ｐeg−Ｐr ）１／２
として蒸気流量を求めてもよい。なお、Ｃは予め定めた係数である。
【００４９】
以上のようにして求められた蒸気温度目標値Ｔegtr'となるように燃焼部６での必要な燃焼メタノール量Ｆbmを求める（ステップＳ５）。すなわちメタノールの単位量当たり発熱量が知られているから、発生させるべき蒸気量とその加熱前の温度、比熱、蒸発潜熱、熱交換効率などに基づいて求まる必要熱量を、その単位量当たりの熱量で除算することにより、燃焼メタノール量Ｆbmを算出することができる。
【００５０】
なお、加熱熱量が改質原料蒸気の要求量の変更に伴って変更される場合には、加熱部３自体の熱容量に基づいて燃焼メタノール量の補正をおこなう（ステップＳ６）。すなわち、上述したように改質原料蒸気量の変更は、蒸気温度目標値の増減を伴うので、加熱部３の温度変化が生じ、その際に加熱部３の温度変化によって熱量の消費あるいは放出が生じる。これを見込んで燃焼メタノール量Ｆbmを補正する。具体的には、図６に示すように、単位時間に改質原料液量がＦel1 からＦel2 に増大される場合、その変更前後での流量Ｆel1 ，Ｆel2 に対応した蒸気温度目標値Ｔegtr1，Ｔegtr2 の差に基づいて下記の演算をおこなって補正項Ｆbmffを求める。
Ｆbmff＝（Ｔegtr2−Ｔegtr1）・Ｃe ／Ｈbm
ここで、Ｃe は、加熱部３の熱容量、Ｈbmは燃焼メタノールのモル当たりの反応熱量である。したがって燃焼メタノール量の補正項Ｆbmffは図６に示すように過渡的にステップ的に増大し、それに応じた燃焼メタノールの増量がおこなわれる。そしてその増量分は、加熱部３の熱容量に応じたものとなる。
【００５１】
前述したように燃料電池１での改質ガスの利用率は１００％になることはなく、燃料電池１からの排ガス（オフガス）には未利用の水素ガスが含まれているので、これを燃焼部６で燃焼させて改質原料を加熱することができる。そこでステップＳ７およびステップＳ８では、燃焼部６に供給するオフガス量を求めるとともに、その補正をおこなう。具体的には、燃料電池１での水素ガスの利用率が知られているので、オフガス中の水素濃度が知られる。そして、水素を燃焼させた場合の発熱量が知られているので、燃焼部６で要求される熱量からオフガス量を算定することができる。また、オフガスの供給から改質原料蒸気の加熱までの時間遅れがあるから、その時間遅れに基づく補正をおこなう。
【００５２】
以上のようにして燃料メタノール量およびオフガス量ならびに空気量が求められるので、それぞれの量を燃焼部６に供給するように制御する。すなわち前記インジェクタ９に燃焼メタノール量を噴射するように指令信号を出力する（ステップＳ９）。また、流量調整弁２３にオフガス量が上記の流量となるように開度指令値を出力する（ステップＳ１０）。さらにエアポンプ１０に上記のエア流量となるように指令信号を出力する（ステップＳ１１）。
【００５３】
したがって以上説明した制御を実行することにより、改質原料の量を変更する過渡時での改質原料の加熱および蒸気流量を適正に制御することができる。その結果、改質ガスの品質および量が、燃料電池１での要求出力に対応したものとなって燃料電池１での改質ガスの利用率が向上する。したがって電気自動車あるいはハイブリッド車の動力源として構成した場合には、燃費の向上を図ることができる。また、その場合、補助的に用いる２次バッテリーの電力分担が小さくなるので、そのバッテリーの容量を小さくし、車体重量の低減を図り、それに伴い燃費を向上させることができる。また、上記の制御装置では、空気量を制御して目標温度を予め設定した上限値と下限値との間に入るように制御するので、加熱部の溶損などの不都合を未然に回避することができると同時に改質触媒の活性を維持して高品質の改質ガスを得ることができる。またこれと併せて、改質率が向上して燃料電池１での電圧降下を抑制できるために、車両の駆動力を制限する必要がなく、走行性を良好にすることができ、さらには補助的に搭載している２次バッテリーの電力負担が少なくなって燃費が向上する。
【００５４】
なお、上述した各検出値やマップなどに基づく演算やデータの処理は、図８に示す電子制御装置３５によって実行される。そしてこれらの機能のうち図１に示すステップＳ１の機能がこの発明における改質原料量判定手段に相当し、またステップＳ２の機能がこの発明における目標温度設定手段に相当する。さらに、ステップＳ３の機能がこの発明における空気量制御手段に相当する。また、請求項１における物理量を検出する検出手段については、図８に示す圧力センサ３２，３３および流量センサ３４がこれに相当し、この発明における補正手段には、図１に示すステップＳ４の機能が相当する。そして図１に示すステップＳ６の機能がこの発明における加熱熱量補正手段に相当する。
【００５５】
以上、この発明を具体例に基づいて説明したが、この発明は上記の具体例に限定されないのであって、車両に搭載される改質器以外の改質器や燃料電池に対して改質ガスを供給する改質器以外の改質器を対象とした制御装置に適用することができる。また、この発明で対象とする加熱部の構造は上述した構造に限定されないのであって、酸化触媒を用いずに燃料を直接燃焼させるバーナタイプのものであってもよい。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明によれば、改質原料が増量されると、これを蒸気とする場合、その蒸発潜熱が増大し、それに対応して加熱目標温度が高く設定されるので、蒸発潜熱として奪われる熱量が多くなっても改質原料の加熱温度が低下することが防止され、目標とする温度の改質原料を得ることができる。また、加熱されて実際に流動している改質原料の量に基づいて目標温度もしくは空気供給量が補正される。そのため、加熱部での発熱量のバラツキや熱交換量のバラツキさらにはバルブなどの機能部材の個体差の影響を回避もしくは抑制することができる。
【００５７】
また、請求項２の発明によれば、改質原料量が少ない場合に空気の供給量が少なくなり、また反対に改質原料量が多い場合は空気供給量が多くなるので、改質原料量が少ないことにより目標温度が低く設定されると、空気量が少ないことにより空気の加熱昇温のための熱量や空気が持ち去る熱量が少なくなり、これとは反対に改質原料量が多いことにより目標温度が高い場合には、空気供給量が多くなってその加熱昇温のための熱量や空気持ち去る熱量が多くなり、その結果、改質原料の加熱不足や過熱が防止される。
【００５８】
さらに、請求項３の発明によれば、検出された物理量が加熱された改質原料の流量に相当しており、その結果、加熱されて実際に流動している改質原料の量に基づいて空気供給量を補正することになるので、加熱部での発熱量のバラツキや熱交換量のバラツキさらにはバルブなどの機能部材の個体差の影響を回避もしくは抑制して改質原料を所期どおりに加熱することができる。
【００５９】
そして請求項４の発明によれば、改質原料量の増大や減少に伴って加熱部で生じさせる熱量を変更する場合、加熱部の昇温に要する熱量や加熱部が有している熱量をも考慮して発熱量が補正され、そのために、改質原料の加熱不足や過熱を有効に防止することができる。
またさらに、請求項５の発明によれば、改質原料の流量が検出され、その検出された流量に基づいて目標温度や空気供給量が補正される。
そして、請求項６および７の発明によれば、燃焼燃料を酸化させるための空気量が改質原料量に応じて制御されるので、改質原料の温度を所定の温度範囲に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  請求項１の発明による制御装置で実行される制御例を説明するためのフローチャートである。
【図２】  改質原料量と蒸気温度目標値との関係を示すマップの一例である。
【図３】  改質原料量と空燃比目標値との関係を示すマップの一例である。
【図４】  供給空気量によって補正された蒸気温度目標値と改質原料量との関係を示すマップの一例である。
【図５】  検出された蒸気流量に基づく蒸気温度目標値と空燃比目標値との補正概念図である。
【図６】  改質原料量のステップ的な変化の際の加熱用の燃料量の補正値を示す図である。
【図７】  改質器を燃料電池に接続したシステムの全体的な構成を模式的に示す図である。
【図８】  その加熱部の構造および制御系統を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１…燃料電池、  ２…改質器、  ３…加熱部、  ４…改質部、  ６…燃焼部、７…蒸発部、  ９…インジェクタ、  １０…エアーポンプ、  ２２…リターン管、  ２３…流量調整弁、  ２４…燃焼室、  ３２，３３…圧力センサ、  ３４…流量センサ。
【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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