(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系化合物を含む原燃料から、燃料電池のための水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置であって、
改質触媒を含み、水蒸気改質反応と部分酸化反応とを利用して前記原燃料を改質する改質器と、
前記原燃料を、前記改質器に供給するための原燃料供給部と、
前記水蒸気改質に用いられる水を、前記改質器に供給するための水供給部と、
前記改質触媒における前記原燃料の部分酸化反応に用いられる酸素を、前記改質器に供給するための酸素供給部と、
前記原燃料供給部と前記水供給部と前記酸素供給部とを制御するための制御部と、
を備えており、
前記制御部は、所定の条件下において、前記酸素供給部から供給される酸素の原子数Ｏと、前記原燃料供給部から供給される前記原燃料に含まれる炭素の原子数Ｃとの比（Ｏ／Ｃ）の値が、前記改質器の定常運転時における適正範囲よりも大きな値を取るように前記原燃料の供給量と前記酸素の供給量とのうちの少なくとも一方を制御することによって、前記改質触媒に析出している炭素を除去するための炭素除去処理を実行し、
前記制御部は、前記改質器の運転状態の履歴に応じて前記改質器内の炭素の蓄積量を算出するとともに、前記炭素蓄積量を第１の閾値と比較した場合に前記第１の閾値を超えていたときには、前記第１の閾値よりも大きな１つ以上の第２の閾値と前記炭素蓄積量を比較して、前記炭素除去処理の実行モードとして予め準備された炭素除去量の少ない第１のモードおよび炭素除去量の多い第２のモードを含む複数のモードのうちから、前記炭層蓄積量に応じて１つのモードを選択し、選択されたモードに従って前記炭素除去処理を実行することを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料改質装置であって、
前記制御部は、前記炭素除去処理を断続的に複数回実行する、燃料改質装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料改質装置であって、
前記制御部は、前記炭素蓄積量に応じて前記炭素除去処理における前記原燃料と前記酸素の供給量を制御する、燃料改質装置。
【請求項４】
請求項３記載の燃料改質装置であって、
前記制御部は、前記炭素蓄積量に応じて、前記炭素除去処理における前記原燃料の供給量と、前記酸素の供給量と、前記炭素除去処理が継続する期間の長さと、前記炭素除去処理の実行回数と、のうちの少なくとも一部を変更する、燃料改質装置。
【請求項５】
請求項１または２記載の燃料改質装置であって、
前記制御部は、前記燃料電池に対する出力要求値が所定値以下であるときに前記炭素除去処理を実行する、燃料改質装置。
【請求項６】
請求項１または２記載の燃料改質装置であって、
前記制御部は、前記燃料改質装置の始動時に前記炭素除去処理を実行する、燃料改質装置。
【請求項７】
請求項６記載の燃料改質装置であって、
前記制御部は、前記燃料改質装置の始動時において前記炭素除去処理を実行する際に、前記改質器に供給される前記原燃料を完全燃焼させるのに十分な量以上の酸素を前記改質器に供給するように前記酸素供給部を制御する、燃料改質装置。
【請求項８】
請求項７記載の燃料改質装置であって、
前記制御部は、前記燃料改質装置の始動時において前記炭素除去処理を実行する際に、前記改質器に前記酸素と共に前記原燃料も供給するように前記酸素供給部と前記原燃料供給部とを制御する、燃料改質装置。
【請求項９】
請求項８記載の燃料改質装置であって、さらに、
前記改質触媒の上流側に、前記原燃料と前記酸素とを加熱するための電気加熱部を備えており、
前記制御部は、前記燃料改質装置の始動時において前記炭素除去処理を実行する際に、前記電気加熱部を用いて前記酸素と前記原燃料とを加熱する、燃料改質装置。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載の燃料改質装置であって、さらに、
前記改質触媒の温度を検出するための温度センサを備えており、
前記制御部は、前記温度センサで検出された前記改質触媒の温度が所定の限界値を超えないように、前記炭素除去処理における前記原燃料と前記酸素と前記水の前記改質器への供給量を制御する、燃料改質装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれかに記載の燃料改質装置であって、
前記制御部は、前記改質器への前記酸素の供給量を過剰に制御することによって前記炭素除去処理を実行する、燃料改質装置。
【請求項１２】
請求項１ないし１０のいずれかに記載の燃料改質装置であって、
前記制御部は、前記改質器への前記原燃料の供給量を過少に制御することによって前記炭素除去処理を実行する燃料改質装置。
【請求項１３】
移動体であって、
燃料電池と、
２次電池と、
炭化水素系化合物を含む原燃料から、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ための燃料改質装置と、
前記移動体の推進力を発生するための原動機と、
前記燃料電池と前記２次電池とのうちの少なくとも一方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、
前記燃料改質装置と前記原動機と前記駆動回路とを制御するための制御部と、
を備え、
前記燃料改質装置は、
（ａ）改質触媒を含み、水蒸気改質反応と部分酸化反応とを利用して前記原燃料を改質する改質器と、
（ｂ）前記原燃料を、前記改質器に供給するための原燃料供給部と、
（ｃ）前記水蒸気改質に用いられる水を、前記改質器に供給するための水供給部と、
（ｄ）前記改質触媒における前記原燃料の部分酸化反応に用いられる酸素を、前記改質器に供給するための酸素供給部と、
を備えており、
前記制御部は、所定の条件下において、前記酸素供給部から供給される酸素の原子数Ｏと、前記原燃料供給部から供給される前記原燃料に含まれる炭素の原子数Ｃとの比（Ｏ／Ｃ）の値が、前記改質器の定常運転時における適正範囲よりも大きな値を取るように前記原燃料の供給量と前記酸素の供給量とのうちの少なくとも一方を制御することによって、前記改質触媒に析出している炭素を除去するための炭素除去処理を実行し、
前記制御部は、前記改質器の運転状態の履歴に応じて前記改質器内の炭素の蓄積量を算出するとともに、前記炭素蓄積量を第１の閾値と比較した場合に前記第１の閾値を超えていたときには、前記第１の閾値よりも大きな１つ以上の第２の閾値と前記炭素蓄積量を比較して、前記炭素除去処理の実行モードとして予め準備された炭素除去量の少ない第１のモードおよび炭素除去量の多い第２のモードを含む複数のモードのうちから、前記炭層蓄積量に応じて１つのモードを選択し、選択されたモードに従って前記炭素除去処理を実行することを特徴とする移動体。
【請求項１４】
請求項１３記載の移動体であって、
前記制御部は、前記原動機への出力要求値が所定値以下であるときに前記炭素除去処理を実行する、移動体。
【請求項１５】
請求項１４記載の移動体であって、
前記制御部は、前記移動体の始動時と、アイドリング時と、減速時と、キーオフ時と、のうちの少なくとも１つの時期において前記炭素除去処理を実行する、移動体。
【請求項１６】
請求項１３記載の移動体であって、
前記制御部は、前記炭素除去処理を実行する際に、前記炭素除去処理による前記燃料電池の出力の低下分を前記２次電池によって補充するように前記駆動回路を制御する、移動体。
【請求項１７】
炭化水素系化合物を含む原燃料から、燃料電池のための水素リッチな燃料ガスを生成するための改質器の制御方法であって、
所定の条件下において、前記改質器に供給される酸素の原子数Ｏと、前記改質器に供給される前記原燃料に含まれる炭素の原子数Ｃとの比（Ｏ／Ｃ）の値が、前記改質器の定常運転時における適正範囲よりも大きな値を取るように前記原燃料の供給量と前記酸素の供給量とのうちの少なくとも一方を制御することによって、前記改質触媒に析出している炭素を除去するための炭素除去処理を実行し、
前記改質器の運転状態の履歴に応じて前記改質器内の炭素の蓄積量を算出するとともに、前記炭素蓄積量を第１の閾値と比較した場合に前記第１の閾値を超えていたときには、前記第１の閾値よりも大きな１つ以上の第２の閾値と前記炭素蓄積量を比較して、前記炭素除去処理の実行モードとして予め準備された炭素除去量の少ない第１のモードおよび炭素除去量の多い第２のモードを含む複数のモードのうちから、前記炭層蓄積量に応じて１つのモードを選択し、選択されたモードに従って前記炭素除去処理を実行することを特徴とする改質器の制御方法。
【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原燃料から水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置の制御技術に関し、特に、改質器内に析出した炭素を除去するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
改質装置では、水蒸気改質反応を利用して、炭化水素系化合物を含む原燃料から水素リッチな燃料ガスを生成する。また、通常の改質装置では、水蒸気改質反応とともに、原燃料の部分酸化反応も利用されている。この理由は、水蒸気改質反応が吸熱反応なので、部分酸化反応による発熱で熱バランスを取るためである。改質装置への原燃料の供給量と、水の供給量と、酸素（空気）の供給量は、水蒸気改質反応と部分酸化反応のバランスを考慮して、それぞれ適切な値に制御される。このような改質装置としては、例えば特開平１１−７９７０３号公報に記載されたものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、通常の改質装置では、原燃料から分解された炭素が改質触媒に析出する現象が発生する。改質触媒に析出炭素が蓄積されると、触媒の活性が低下するという問題がある。特に、ガソリンなどのような高級炭化水素系化合物を主成分とする原燃料を用いた場合には、炭素析出の問題が顕著である。このため、従来から、改質触媒での析出炭素の蓄積量を低減するための技術が望まれていた。
【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、改質触媒での析出炭素の蓄積量を低減することできる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、本発明の燃料改質装置は、炭化水素系化合物を含む原燃料から、燃料電池のための水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置であって、改質触媒を含み、水蒸気改質反応と部分酸化反応とを利用して前記原燃料を改質する改質器と、前記原燃料を、前記改質器に供給するための原燃料供給部と、前記水蒸気改質に用いられる水を、前記改質器に供給するための水供給部と、前記改質触媒における前記原燃料の部分酸化反応に用いられる酸素を、前記改質器に供給するための酸素供給部と、前記原燃料供給部と前記水供給部と前記酸素供給部とを制御するための制御部と、を備えている。前記制御部は、所定の条件下において、前記酸素供給部から供給される酸素の原子数Ｏと、前記原燃料供給部から供給される前記原燃料に含まれる炭素の原子数Ｃとの比（Ｏ／Ｃ）の値が、前記改質器の定常運転時における適正範囲よりも大きな値を取るように前記原燃料の供給量と前記酸素の供給量とのうちの少なくとも一方を制御することによって、前記改質触媒に析出している炭素を除去するための炭素除去処理を実行し、前記制御部は、前記改質器の運転状態の履歴に応じて前記改質器内の炭素の蓄積量を算出するとともに、前記制御部は、前記改質器の運転状態の履歴に応じて前記改質器内の炭素の蓄積量を算出するとともに、前記炭素蓄積量を第１の閾値と比較した場合に前記第１の閾値を超えていたときには、前記第１の閾値よりも大きな１つ以上の第２の閾値と前記炭素蓄積量を比較して、前記炭素除去処理の実行モードとして予め準備された炭素除去量の少ない第１のモードおよび炭素除去量の多い第２のモードを含む複数のモードのうちから、前記炭層蓄積量に応じて１つのモードを選択し、選択されたモードに従って前記炭素除去処理を実行する。
【０００６】
このような燃料改質装置では、改質器に供給される酸素原子数と炭素原子素の比（Ｏ／Ｃ）の値が定常運転時における適正範囲よりも大きな値を取るように炭素除去処理を実行するので、改質触媒に蓄積されている炭素を燃焼させることができる。この結果、改質触媒での析出炭素の蓄積量を低減することが可能である。また、炭素蓄積量が過度に多くなることを防止することができるとともに、炭素蓄積量が少ないときに炭素除去処理を行わないようにすることできるので、不要な炭素除去処理の実行を防止することが可能である。また、炭素蓄積量が多いときには炭素除去量の多い第１のモードを選択し、炭素蓄積量が少ないときには炭素除去量の少ない第２のモードを選択することができる。従って、必要な炭素除去量に応じた適切なモードで炭素除去処理を実行することが可能である。
【０００７】
なお、前記制御部は、前記炭素除去処理を断続的に複数回実行することが好ましい。
【０００８】
上記のような炭素除去処理を長時間連続すると、改質触媒の温度が徐々に上昇してゆく可能性がある。一方、炭素除去処理を終了すると、改質触媒の温度も通常の温度まで急速に低下する。そこで、炭素除去処理を断続的に複数回実行するようにすれば、改質触媒が加熱することを防止しつつ、炭素の蓄積量を低減することが可能である。
【００１３】
また、前記制御部は、前記改質器の運転状態の履歴に応じて前記改質器内の炭素の蓄積量を算出するとともに、前記炭素蓄積量の値に応じて前記炭素除去処理における前記原燃料と前記酸素の供給量を制御するようにしてもよい。
【００１４】
このような構成においても、必要な炭素除去量に応じた適切な方法で炭素除去処理を実行することが可能である。
【００１５】
また、前記制御部は、前記炭素蓄積量に応じて、前記炭素除去処理における前記原燃料の供給量と、前記酸素の供給量と、前記炭素除去処理が継続する期間の長さと、前記炭素除去処理の実行回数と、のうちの少なくとも一部を変更するようにしてもよい。
【００１６】
これらのパラメータは炭素除去量に影響を与えるので、これらのパラメータを変更することによって、好ましい方法で炭素除去処理を実行することが可能である。
【００１７】
また、前記制御部は、前記燃料電池に対する出力要求値が所定値以下であるときに前記炭素除去処理を実行するようにしてもよい。
【００１８】
上記のような炭素除去処理では、改質器において生成される水素ガスの量が低下する。したがって、燃料電池に対する出力要求値が高いときには炭素除去処理を行わず、出力要求値が所定値以下のときに実行するようにすれば、燃料電池の出力に過度の影響を与えること無く炭素除去処理を実行することが可能である。
【００１９】
なお、前記制御部は、前記燃料改質装置の始動時に前記炭素除去処理を実行するようにしてもよい。
【００２０】
燃料改質装置の始動時は、一般に、燃料電池における水素ガスの要求量も少ないので、燃料電池の出力に過度の影響を与えること無く炭素除去処理を実行することが可能である。
【００２１】
前記制御部は、前記燃料改質装置の始動時において前記炭素除去処理を実行する際に、前記改質器に供給される前記原燃料を完全燃焼させるのに十分な量以上の酸素を前記改質器に供給するように前記酸素供給部を制御するようにしてもよい。
【００２２】
こうすれば、より効率的に炭素を除去することが可能である。
【００２３】
また、前記制御部は、前記燃料改質装置の始動時において前記炭素除去処理を実行する際に、前記改質器に前記酸素と共に前記原燃料も供給するように前記酸素供給部と前記原燃料供給部とを制御するようにしてもよい。
【００２４】
こうすれば、原燃料の酸化による発熱によって、改質器内の触媒の昇温を早めることが可能である。
【００２５】
また、燃料改質装置は、前記改質触媒の上流側に、前記原燃料と前記酸素とを加熱するための電気加熱部を備えるようにしてもよい。この場合に、前記制御部は、前記燃料改質装置の始動時において前記炭素除去処理を実行する際に、前記電気加熱部を用いて前記酸素と前記原燃料とを加熱するようにしてもよい。
【００２６】
こうすれば、原燃料の酸化反応をより効率的に行わせることが可能であり、この結果、炭素の除去と触媒の加熱とをより効率的に行うことができる。
【００２７】
また、燃料改質装置は、前記改質触媒の温度を検出するための温度センサを備えていてもよい。この場合に、前記制御部は、前記温度センサで検出された前記改質触媒の温度が所定の限界値を超えないように、前記炭素除去処理における前記原燃料と前記酸素と前記水の前記改質器への供給量を制御するようにしてもよい。
【００２８】
この構成では、改質触媒のオーバーヒートをより確実に防止することが可能である。
【００２９】
前記制御部は、前記改質器への前記酸素の供給量を過剰に制御することによって前記炭素除去処理を実行するようにしてもよい。あるいは、前記改質器への前記原燃料の供給量を過少に制御することによって前記炭素除去処理を実行するようにしてもよい。
【００３０】
これらのいずれの方法によっても、炭素除去処理を実現することが可能である。
【００３１】
本発明は、さらに、上述した燃料改質装置を備えた移動体としても実現可能である。この移動体は、燃料電池と、２次電池と、燃料改質装置と、前記移動体の推進力を発生するための原動機と、前記燃料電池と前記２次電池とのうちの少なくとも一方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、前記燃料改質装置と前記原動機と前記駆動回路とを制御するための制御部と、を備える。
【００３２】
このような移動体に上述した燃料改質装置を利用すれば、改質器内における炭素の蓄積による改質効率の低下を抑制することができ、従って、燃料効率を向上させることが可能である。
【００３３】
なお、上記移動体において、前記制御部は、前記原動機への出力要求値が所定値以下であるときに前記炭素除去処理を実行するようにしてもよい。
【００３４】
こうすれば、移動体の動作に過度の影響を与えること無く炭素除去処理を実行することが可能である。
【００３５】
また、上記移動体において、前記制御部は、前記移動体の始動時と、アイドリング時と、減速時と、キーオフ時と、のうちの少なくとも１つの時期において前記炭素除去処理を実行するようにしてもよい。
【００３６】
これらの時期では原動機の出力要求値が低いので、移動体の動作に過度の影響を与えること無く炭素除去処理を実行することが可能である。
【００３７】
また、上記移動体において、前記制御部は、前記炭素除去処理を実行する際に、前記炭素除去処理による前記燃料電池の出力の低下分を前記２次電池によって補充するように前記駆動回路を制御するようにしてもよい。
【００３８】
こうすれば、炭素除去処理による移動体の動作への影響を、より小さくすることが可能である。
【００３９】
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。
【００４０】
【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．装置の構成：
Ｂ．第１実施例：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．第３実施例：
Ｅ．第４実施例：
Ｆ．第５実施例：
Ｇ．変形例：
【００４１】
Ａ．装置の構成：
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。
【００４２】
モータ２０は、ロータ２２と、ステータ２４とを備える三相の同期モータである。ロータ２２の外周面には、複数個の永久磁石が設けられている。また、ステータ２４には、回転磁界を形成するための三相コイルが巻回されている。モータ２０は、ロータ２２に備えられた永久磁石による磁界と、ステータ２４の三相コイルによって形成される磁界との相互作用により回転駆動する。また、ロータ２２が外力によって回転させられる場合には、これらの磁界の相互作用により三相コイルの両端に起電力を生じさせる。この場合には、モータ２０は発電機として機能する。
【００４３】
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。バッテリ５０は燃料電池システム６０が故障した場合や、車両の始動時等のように燃料電池システム６０から十分な電力を出力することができない場合などに、不足する電力をモータ２０に供給する。バッテリ５０の電力は、さらに、車両の制御を行う制御ユニット７０や、照明装置などの電力機器（図示せず）にも供給される。
【００４４】
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。ステータ２４は、切替スイッチ８０および第１の駆動回路５１を介してバッテリ５０に電気的に接続され、また、切替スイッチ８０および第２の駆動回路５２を介して燃料電池システム６０に接続される。２つの駆動回路５１，５２は、それぞれトランジスタインバータで構成されており、モータ２０の三相それぞれに対して、ソース側とシンク側の２つを一組としてトランジスタが複数備えられている。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。
【００４５】
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、先に説明した通り電動機または発電機として機能する。
【００４６】
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に内蔵されているメモリ７１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。メモリ７１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。
【００４７】
図２は、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、ガソリンなどの原燃料を貯蔵する原燃料タンク１１０と、水を貯蔵する水タンク１２０と、改質反応により原燃料から燃料ガス（「改質ガス」とも呼ぶ）を生成する改質器１３０と、燃料電池１４０とを備えている。改質器１３０は、改質原料を気化する気化部１３２と、気化部１３２に熱を供給する触媒加熱部１３４と、電気加熱部１３５と、改質触媒を収納した改質部１３６と、改質ガスを冷却するための熱交換部１３７と、シフト反応（変成反応）を利用して改質ガス中の一酸化炭素を低減するためのシフト部１３８と、選択酸化反応を利用して改質ガス中の一酸化炭素を低減するための選択酸化部１３９と、を有している。なお、気化部１３２と加熱部１３４とを合わせて「蒸発部」と呼ぶこともある。
【００４８】
原燃料タンク１１０には原燃料供給路２０２が接続されており、水タンク１２０には水供給路２０８が接続されている。原燃料供給路２０２は２つの分岐流路２０４，２０６に分岐している。第１の分岐流路２０４は、水供給路２０８と合流しており、合流後の流路２１０は気化部１３２に接続されている。一方、第２の分岐流路２０６は、加熱部１３４に接続されている。第１の分岐流路２０４には流量計１５１とポンプ１５２が設けられており、第２の分岐流路２０６にも流量計１５３とポンプ１５４が設けられている。また、水供給路２０８にも、流量計１５５とポンプ１５６が設けられている。
【００４９】
ガソリンと水は、ポンプ１５２，１５６によってそれぞれ吸い出され、混合された状態で気化部１３２に導入される。この混合物を、以下では「改質原料」と呼ぶ。改質原料は気化部１３２において気化されて、ガソリン蒸気および水蒸気を含む改質原料ガスとなる。この改質原料ガスは、必要に応じて電気加熱部１３５によって加熱された後に、改質部１３６に供給される。この改質原料ガスは、改質部１３６と、シフト部１３８と、選択酸化部１３８とにおける化学反応によって水素ガスリッチな燃料ガスＨＲＧに変換される。
【００５０】
改質器１３０で生成された燃料ガスＨＲＧは、燃料ガス流路２１２を介して燃料電池１４０内の燃料ガス通路１４２に導入される。また、燃料電池１４０内の空気通路１４４には、エアーポンプ１４６によって空気ＡＲＦが供給される。このエアーポンプ１４６としては、例えばブロアを利用することができる。燃料電池１４０内では、燃料ガスＨＲＧ内の水素と、空気ＡＲＦ内の酸素との電気化学反応によって発電が行われ、この結果、燃料ガスＨＲＧ中の水素が消費される。
【００５１】
燃料電池１４０からの燃料排ガスの排出路２１４は、改質器１３０の触媒加熱部１３４に戻されている。触媒加熱部１３４は、燃料排ガス中の水素を燃焼させて、その熱を気化部１３２に供給している。触媒加熱部１３４としては、白金触媒やパラジウム触媒などの貴金属触媒を用いて燃料排ガスやガソリンの燃焼反応を促進する装置を利用することができる。気化部１３２では、触媒加熱部１３４から与えられた熱によって改質原料が気化される。燃料排ガスの燃焼による熱では熱量が不足する場合には、ポンプ１５４を介して原燃料であるガソリンが触媒加熱部１３４に供給される。
【００５２】
電気加熱部１３５の上流側の混合室１３５ａには、空気供給部１６６によって空気ＡＲＯが供給されている。この空気供給部１６６は、エアーポンプ１６６ａと、流量計１６６ｂと、電動弁１６６ｃとを有している。電気加熱部１３５は、この空気ＡＲＯと、改質原料ガス（ガソリン蒸気と水蒸気の混合物）とを、改質部１３６内の反応に適した十分高い温度になるまで加熱するために使用される。
【００５３】
なお、原燃料タンク１１０と、流量計１５１と、ポンプ１５２とは、本発明における原燃料供給部を構成している。また、水タンク１２０と、流量計１５５と、ポンプ１５６とは、本発明における水供給部を構成している。さらに、この空気供給部１６６は、本発明における酸素供給部に相当する。但し、酸素供給部としては、一般に、酸素を含む酸化性化学物質を供給するものを利用することができる。
【００５４】
この燃料電池システムは、さらに、空気供給部１６６と同様な図示しない複数の空気供給部を有している。これらの空気供給部は、触媒加熱部１３４に空気を供給する他に、シフト部１３８や選択酸化部１３９の上流側の混合室１３８ａ，１３９ａにそれぞれ空気（すなわち酸素）を供給する。
【００５５】
改質部１３６には、改質触媒の温度を測定するための温度センサ１９２が設けられている。また、改質器１３０内の各部１３５〜１３９の上流側の混合室１３５ａ〜１３９ａにも、温度センサ２３１〜２３５がそれぞれ設けられている。
【００５６】
さらに、改質器１３０と燃料電池１４０との間の燃料ガス流路２１２には、温度センサ２３６と、酸素濃度センサ１９４と、一酸化炭素濃度センサ１９６とが設けられている。制御ユニット７０は、これらのセンサ２３１〜２３６，１９４，１９６を含む各種のセンサで測定された測定値を制御入力として用いて、燃料電池システム６０の制御を実行する。なお、図２では、制御ユニット７０は、図示の便宜上、一部の構成部品（センサやポンプ）への接続のみが描かれており、他の構成部品への接続は図示が省略されている。
【００５７】
改質部１３６内では、主に水蒸気改質反応と部分酸化反応とが発生する。水蒸気改質反応では、原燃料（ガソリン）中の炭化水素系化合物と水蒸気とが反応して、主に水素ガスと二酸化炭素とが生成される。但し、水蒸気改質反応は吸熱反応なので、改質部１３６内での熱バランスをとるために、発熱反応である部分酸化反応が利用されている。ここで、「部分酸化反応」とは、原燃料の少なくとも一部の炭素が一酸化炭素までしか酸化されないような酸化反応を言う。電気加熱部１３５の上流側の混合室１３５ａに供給される空気ＡＲＯは、この部分酸化反応に使用される。
【００５８】
ところで、炭化水素系化合物の改質反応では、原燃料が分解され、この分解によって生成された炭素が改質触媒に析出して、改質触媒の活性を低下させる。特に、ガソリンなどのような、高級炭化水素系化合物を主成分とする原燃料を用いた場合には、炭素の析出量が多い傾向にある。ここで、「高級炭化水素系化合物」とは、炭素原子を４個以上含むような炭化水素系化合物を意味する。そこで、以下に説明する各種の実施例では、改質器１３０への改質原料（原燃料、水、酸素）の投入量を制御することによって、改質触媒における析出炭素の蓄積を低減している。
【００５９】
なお、改質部１３６内に収容される改質触媒としては、すすの発生が少ないものが好ましい。このような改質触媒としては、例えば、貴金属触媒、ニッケル触媒、コバルト触媒、ペロブスカイト触媒、ヘキサアルミネート触媒などを利用することができる。また、触媒担体としては、例えば、アルミナや、ジルコニア、チタニアなどのセラミックスを利用することができる。
【００６０】
Ｂ．第１実施例：
図３は、本発明の第１実施例における炭素除去モード運転の様子を示す説明図である。図３（Ａ）は、炭素除去モード運転において改質部１３６に供給される水蒸気の分子数Ｓ（すなわち水蒸気分子のモル数）と、炭素の原子数Ｃと、酸素の原子数Ｏの時間変化をそれぞれ示している。これらの値Ｓ，Ｃ，Ｏは、流量計１５５，１５１，１６６ｂ（図２）で測定された水とガソリンと空気の流量からそれぞれ算出されたものである。図３（Ｂ）は、酸素・カーボン比（Ｏ／Ｃ）の時間変化を示し、図３（Ｃ）はスチーム・カーボン比（Ｓ／Ｃ）の時間変化を示している。ここで、「酸素・カーボン比（Ｏ／Ｃ）」とは、図３（Ａ）に示されている酸素の原子数Ｏと、炭素の原子数Ｃとの比である。また、スチーム・カーボン比（Ｓ／Ｃ）は、水蒸気の分子数Ｓと、炭素の原子数Ｃとの比である。
【００６１】
この第１実施例では、時刻ｔ１までは燃料電池システム６０が定常運転状態で運転されているものと仮定している。定常運転状態では、改質部１３６に供給される水と原燃料と空気ＡＲＯの投入量は、それぞれ一定である。この定常運転状態におけるＯ／Ｃ比の値は約０．７であり、Ｓ／Ｃ比の値（Ｓ／Ｃ）reg は約２．０である。なお、図３（Ｂ）に示されているように、定常運転状態におけるＯ／Ｃ比の適正値（Ｏ／Ｃ）reg の範囲は、約０．７〜約１．０の範囲である。この適正値（Ｏ／Ｃ）reg は、燃料電池１４０の負荷などに依存しているが、通常運転状態ではこの範囲を超えることは無い。
【００６２】
時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３からそれぞれ始まる期間Δｔにおいては、空気ＡＲＯをほぼステップ状に増大させている。この空気供給量の増大に応じて、Ｏ／Ｃ比（図３（Ｂ））も定常運転状態における適正値の範囲約０．７〜約１．０を超えており、約１．５にまで増大している。すなわち、期間Δｔでは、改質部１３６に対して空気ＡＲＯが過剰に供給されている。ここで「過剰な空気を供給する」とは、定常運転状態におけるＯ／Ｃ比の適正値の範囲を超えるような量の空気が供給されることを意味する。なお、以下では、この期間Δｔを「炭素除去期間」または「炭素燃焼期間」と呼び、この期間Δｔにおいて改質器１３０内で行われる処理を「炭素除去処理」と呼ぶ。
【００６３】
このように、過剰な空気ＡＲＯを改質部１３６に供給することによって、改質触媒に蓄積されている析出炭素を燃焼させることができる。但し、過剰な空気ＡＲＯを連続的に投入すると、改質触媒の温度が加熱してしまう可能性がある。そこで、第１実施例では、炭素除去期間Δｔを数秒程度の短い時間に設定するとともに、ほぼ一定の間隔で炭素除去期間を複数回設けている。換言すれば、第１実施例では、炭素除去処理を断続的に（すなわち間欠的に）複数回実行している。こうすることによって、改質触媒が加熱することを防止しつつ、改質触媒に蓄積されている析出炭素を燃焼させて、炭素の蓄積量を低減することができる。但し、炭素除去期間（炭素除去処理）を１回だけ行うようにすることも可能である。
【００６４】
なお、以下では、１回以上の炭素除去期間Δｔを含む燃料電池システム６０の運転状態を、「炭素除去モード運転」と呼ぶ。
【００６５】
図４は、炭素除去期間Δｔ中のＯ／Ｃ比と、炭素除去期間Δｔの長さとの関係の一例を示すマップである。ここでは、炭素除去モード運転中に除去すべき炭素量が一定であり、また、炭素除去処理の実行回数（すなわち炭素除去期間の回数）が一定であると仮定している。この場合には、炭素除去期間Δｔが長いほどＯ／Ｃ比は小さくて済み、空気ＡＲＯの投入量が少なくて済む。逆に、炭素除去期間Δｔが短いほどＯ／Ｃ比は大きくなる。なお、炭素除去モード運転において除去すべき炭素量が増加すると、図４のマップは全体的に上に移動する。制御ユニット７０は、予め準備されている図４のようなマップを参照して、期間Δｔの長さや空気ＡＲＯの投入量を決定する。
【００６６】
図５は、炭素除去期間Δｔ中のＯ／Ｃ比と、触媒温度Ｔcat との関係の一例を示すマップである。ここでは、炭素除去モード運転によって除去すべき炭素量が一定であり、また、炭素除去期間Δｔの長さも一定であると仮定している。炭素除去期間Δｔの長さが一定の場合には、Ｏ／Ｃ比が大きいほど触媒温度Ｔcat が上昇する傾向にある。触媒温度Ｔcat が過度に上昇すると、触媒を劣化させる原因となるので好ましくない。そこで、制御ユニット７０は、炭素除去期間Δｔ内において、触媒温度Ｔcat がその上限値Ｔlim 以下に収まるように空気ＡＲＯの投入量を決定する。
【００６７】
上述の説明から理解できるように、制御ユニット７０は、炭素除去モード運転において除去すべき炭素量や、改質触媒の温度の上限値Ｔlim 等を考慮し、図４や図５のようなマップを利用して、炭素除去期間Δｔの長さと、炭素除去処理の回数と、Ｏ／Ｃ比（すなわち空気ＡＲＯの投入量）とを決定する。
【００６８】
また、制御ユニット７０は、温度センサ１９２（図２）を用いて改質触媒の温度を監視し、改質触媒がその上限値Ｔlim を超えないように、炭素除去期間Δｔの長さと、炭素除去処理の回数と、Ｏ／Ｃ比とを含む複数のパラメータのうちの少なくとも１つを変更しながら炭素除去モード運転を行ってもよい。
【００６９】
図６は、第１実施例において車両が通常運転を行っているときに制御ユニット７０が行う炭素除去の制御手順を示すフローチャートである。ステップＳ１では、まず、その運転状態における単位時間当たりの炭素析出量Ｃdep を予測する。図７は、単位時間当たりの炭素析出量Ｃdep の予測値の一例を示すマップである。Ｓ／Ｃ比が一定の場合には、Ｏ／Ｃ比が大きいほど炭素析出量Ｃdep は少なくなる。このようなマップは、Ｓ／Ｃ比の複数の値についてそれぞれ予め準備されている。また、実際の炭素析出量Ｃdep は、原燃料（ガソリン）の投入量にも比例する。従って、制御ユニット７０は、Ｓ／Ｃ比と、Ｏ／Ｃ比と、原燃料（ガソリン）の投入量とに基づいて、各運転時点における炭素析出量Ｃdep を算出する。
【００７０】
ステップＳ２では、予測された炭素析出量Ｃdep を時間的に積分することによって、積算炭素析出量ΣＣdep （炭素蓄積量）を算出する。ステップＳ３では、この積算炭素析出量ΣＣdep を、予め決定された閾値Σthと比較する。積算炭素析出量ΣＣdep が閾値Σth未満のときには、そのままステップＳ１に戻る。一方、積算炭素析出量ΣＣdep が閾値Σth以上のときには、ステップＳ４において炭素除去モード運転を実行する。
【００７１】
図８は、炭素除去モード運転の詳細手順を示すフローチャートである。ステップＴ１では、制御ユニット７０が、アクセル開度などからモータ２０の駆動力要求値Ｐreq を算出する。ステップＴ２では、この駆動力要求値Ｐreq を、燃料電池出力Ｐfcとバッテリ出力Ｐscとに割り当てる。この割り当ては、燃料電池１４０の運転状態や、バッテリ５０の蓄電量に応じて適宜実行される。
【００７２】
ステップＴ３では、炭素除去モード運転中の炭素除去期間Δｔにおける燃料電池出力の低下量ΔＰを求める。この出力低下量ΔＰは、炭素除去期間Δｔにおける空気ＡＲＯの投入量（すなわちＯ／Ｃ比）に応じて算出される。そして、この出力低下量ΔＰが、バッテリの割り当て出力Ｐscに加算されて、最終的なバッテリ出力Ｐsc’が決定される。このようにすれば、炭素除去モード運転によって燃料電池１４０の出力が低下しても、バッテリ５０からその出力を補完することによって、必要な動力をモータ２０に供給することが可能である。
【００７３】
ステップＴ４では、Ｎ回（Ｎは１以上の整数）の炭素除去処理を含む炭素除去モード運転を実行する。そして、ステップＴ５では、この炭素除去モード運転によって除去される炭素量を算出して、積算炭素析出量ΣＣdep から減算する。なお、炭素除去モード運転によって除去される炭素量は、炭素除去期間Δｔの長さと、炭素除去処理の回数Ｎと、Ｏ／Ｃ比の値とに応じて算出される。この結果、炭素除去モード運転後の積算炭素析出量ΣＣdep を正しく評価することができる。こうして炭素除去モード運転が終了すると、図６のステップＳ１に戻り、ステップＳ１〜Ｓ４が繰り返される。
【００７４】
このように、改質触媒における積算炭素析出量ΣＣdep を算出し、その値が所定の閾値Σth以上になったときに炭素除去モード運転を行うようにすれば、改質触媒における積算炭素析出量ΣＣdep を一定値以下に制限することができる。この結果、改質触媒の活性が過度に低下することを防止することが可能である。また、積算炭素蓄積量ΣＣdep が少ないときには炭素除去モード運転を行わないので、不要な炭素除去モード運転を実行して原燃料を浪費することを防止することが可能である。
【００７５】
なお、積算炭素蓄積量ΣＣdep （すなわち炭素蓄積量）を算出する方法としては、上述した方法以外の種々の方法を採用することが可能であり、一般に、改質器１３０の運転状態の履歴に応じて改質器１３０内の炭素蓄積量を算出することが可能である。
【００７６】
図９は、炭素除去の他の制御手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１，Ｓ１２における積算炭素析出量ΣＣdep の算出は、前述した図６のステップＳ１，Ｓ２の内容と同じである。ステップＳ１３では、前回の炭素除去モード運転からの経過時間Σｔを算出する。ステップＳ１４では、この経過時間Σｔを、予め決定された閾値Ｔｐと比較する。経過時間Σｔが閾値Ｔｐ未満のときには、そのままステップＳ１１に戻る。一方、経過時間Σｔが閾値Ｔｐ以上のときには、ステップＳ１５において、積算炭素析出量ΣＣdep に応じて、炭素除去モード運転における炭素除去処理の実行回数Ｎを決定する。
【００７７】
図１０は、積算炭素析出量ΣＣdep と炭素除去処理の実行回数Ｎとの関係の一例を示すマップである。この例に示すように、積算炭素析出量ΣＣdep が多いほど炭素除去処理の実行回数Ｎが多くなる。図９のステップＳ１６においては、Ｎ回の炭素除去処理を含む炭素除去モード運転が実行される。なお、炭素除去モード運転の詳細手順は、前述した図８に示したものと同じである。このように、炭素除去モード運転を一定の時間間隔Ｔｐ毎に実行するようにしても、改質触媒に炭素が過剰に蓄積することを防止することが可能である。
【００７８】
上述した第１実施例によれば、燃料電池システム６０の通常運転中に、空気ＡＲＯを改質部１３６に過剰に投入して、Ｏ／Ｃ比の値を定常運転状態における適正値の範囲よりも大きな値になるようにしたので、改質触媒に蓄積している析出炭素を燃焼させて除去することができる。この結果、改質触媒の活性が過度に低下することを防止できるという利点がある。
【００７９】
Ｃ．第２実施例：
図１１は、本発明の第２実施例における炭素除去モード運転の様子を示す説明図である。図３に示した第１実施例とは、水の供給量（水蒸気の分子数Ｓ）の変化と、これに応じたＳ／Ｃ比の変化が異なるだけであり、原燃料の供給量（炭素の原子数Ｃ）と、空気ＡＲＯの供給量（酸素の原子数Ｏ）と、Ｏ／Ｃ比とは第１実施例と同じである。
【００８０】
第２実施例において、制御ユニット７０は、温度センサ１９２（図２）を用いて改質触媒の温度を監視し、改質触媒がその温度上限値を超えないように、水の投入量を制御している。すなわち、炭素除去期間Δｔにおいて酸素が改質部１３６に過剰に供給されると、触媒温度（図示省略）が徐々に上昇する。そこで、制御ユニット７０は、触媒温度が上昇すると水の供給量を増加させる。水の供給量を増加させると、改質部１３６内における水蒸気改質の割合が増加し、水蒸気改質は吸熱反応なので触媒温度は低下する。従って、制御ユニット７０は、水の供給量を図１１に示すように調整することによって、触媒温度がその上限値以下に保たれるような制御を実行することができる。
【００８１】
このように、炭素除去処理中に水の供給量を調整するようにすれば、改質触媒が加熱して劣化してしまうことを防止することが可能である。
【００８２】
Ｄ．第３実施例：
図１２は、本発明の第３実施例における炭素除去モード運転の様子を示す説明図である。第３実施例では、図３に示した第１実施例とは異なり、炭素除去期間Δｔにおいて、空気ＡＲＯの供給量（酸素の原子数Ｏ）は一定であり、原燃料の供給量（炭素の原子数Ｃ）が減少している。
【００８３】
図１２（Ｂ）を図３（Ｂ）と比較すれば理解できるように、第３実施例におけるＯ／Ｃ比の変化は、第１実施例と同じである。このように、原燃料の供給量を過少にすることによっても、実質的に酸素を過剰にすることができ、この結果、改質触媒に蓄積されている析出炭素を燃焼させることが可能である。
【００８４】
なお、第３実施例では、炭素除去期間Δｔ中にＳ／Ｃ比が高くなっており、原燃料に比べて水蒸気の供給量が多くなっている。従って、第３実施例では、炭素除去期間Δｔ中に吸熱反応である水蒸気改質反応の割合が増加するので、改質触媒が加熱することを防止できるという利点もある。但し、図１１に示した第２実施例と同様に、改質触媒の温度がその上限値を超えないように、水蒸気の投入量を制御するようにしてもよい。これは、以下で説明する他の実施例においても同様である。
【００８５】
Ｅ．第４実施例：
図１３は、第４実施例における炭素除去モード運転の実行時期の制御手順を示すフローチャートである。上述した第１ないし第３実施例では、車両の通常運転中における炭素除去モード運転のみを考慮していたが、以下に説明するように、第４実施例では車両の種々の運転時期に合わせて炭素除去モード運転を実行する。
【００８６】
図１３のステップＳ２１〜Ｓ２５の手順では、車両が、（１）始動時、（２）アイドリング時、（３）減速時、（４）キーオフ時、のうちのいずれかの状態にあるときに、炭素除去モード運転が実行される。
【００８７】
ここで、「始動時」とは、車両のキーがオフ状態からオン状態に切り替えられた後であって、燃料電池システム６０の運転が開始された直後の時期を意味している。また、「アイドリング時」とは、車両が停止しており、アクセル開度がゼロであって、かつ、燃料電池システム６０が動作している時期を意味している。例えば、車両の停止中に、バッテリ５０の充電のために燃料電池システム６０が動作している場合は、この「アイドリング時」に相当する。「減速時」とは、車両が移動しており、かつ、アクセル開度がゼロである時期を意味している。「キーオフ時」とは、車両のキーがオン状態からオフ状態に切り替えられた後であって、燃料電池システム６０の運転が完全に停止される直前の時期を意味している。
【００８８】
これらの４つの時期においては、燃料電池１４０の出力要求値が少なく、燃料電池１４０に供給すべき水素量も少ない。従って、これらの時期において炭素除去モード運転を行えば、車両の運転への影響が少なくて済むという利点がある。以下に説明するように、上述した各時期における炭素除去モード運転の具体的な方法は、それぞれの異なっていてもよい。
【００８９】
図１４は、車両の始動時における炭素除去モード運転の様子を示す説明図である。時刻ｔ１０において車両がキーオンされ、燃料電池システム６０の運転が開始されると、時刻ｔ１１までは触媒加熱部１３４（図２）のみが運転されて昇温される。触媒加熱部１３４の温度がある程度高くなると、時刻ｔ１１から水と原燃料の気化部１３２への供給が開始され、また、空気供給部１６６からの空気ＡＲＯの供給も開始される。その後、時刻ｔ１２および時刻ｔ１３から開始される炭素除去期間Δｔにおいて、それぞれ炭素除去処理が実行される。
【００９０】
図１５は、車両のキーオフ時における炭素除去モード運転の様子を示す説明図である。時刻ｔ２０において車両がキーオフされ、燃料電池１４０の運転が停止されると、水と原燃料の供給量もほとんどゼロになる。しかし、制御ユニット７０は、空気ＡＲＯの供給を時刻ｔ２１まで継続する。従って、この期間ｔ２０〜ｔ２１においては、改質触媒に蓄積している析出炭素が燃焼し、除去される。なお、この炭素除去期間ｔ２０〜ｔ２１における空気ＡＲＯの供給量は、改質触媒の温度が過度に上昇しないように制御されている。
【００９１】
図１５（Ｂ）に示すように、この炭素除去期間ｔ２０〜ｔ２１において、Ｏ／Ｃ比は定常運転状態の適正値の範囲（約０．７〜約１．０）を大きく超えている。この理由は、期間ｔ２０〜ｔ２１では原燃料が改質器１３０に供給されていないので、Ｏ／Ｃ比が無限大に発散してしまうからである。この例からも理解できるように、本明細書において「Ｏ／Ｃ比が定常運転状態の適正値の範囲を超える」という文言は、改質器１３０への原燃料の投入量がゼロであって、かつ、酸素（すなわち空気ＡＲＯ）の投入量がゼロでないような場合を含む広い意味を有している。
【００９２】
アイドリング時と、減速時の炭素除去モード運転は、上述した図３（第１実施例）や、図１１（第２実施例）、または、図１２（第３実施例）と同様な方法によって実行することができる。但し、アイドリング時と減速時には、燃料電池１４０の要求出力が少なく、水素量も少なくて済むので、改質器１３０への水と原燃料と空気ＡＲＯの供給量自体は、定常運転時よりも大幅に少ない。
【００９３】
上述した第４実施例では、燃料電池１４０への出力要求値が少ないときに炭素除去モード運転を行うようにしたので、車両の運転への影響が少なくて済むという利点がある。但し、炭素除去モード運転は、上述した４つの時期のすべてで実行される必要は無く、その一部においてのみ実行されるようにしてもよい。また、これらの４つの時期とは別に、燃料電池システム６０の走行中においても、燃料電池１４０への出力要求値が所定値以下のときに炭素除去モード運転を行うようにしてもよい。あるいは、モータ２０（原動機）への出力要求値が所定値以下のときに炭素除去モード運転を行うようにしてもよい。
【００９４】
Ｆ．第５実施例：
図１６は、第５実施例における炭素除去モード運転の制御手順を示すフローチャートである。この第４実施例では、燃料電池システム６０の始動時において、改質触媒に蓄積されている炭素量に応じて炭素除去モード運転の方法を切り替えている。なお、「燃料電池システム６０の始動」とは、室温からの始動（コールドスタート）を意味している。
【００９５】
ステップＳ３１では、制御ユニット７０がメモリ７１（図２）から積算炭素析出量ΣＣdep を読み出す。積算炭素蓄積量ΣＣdep を記憶するメモリとしては、ＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性メモリが使用される。
【００９６】
ステップＳ３２では、積算炭素析出量ΣＣdep を第１の閾値Ｌ１と比較する。積算炭素析出量ΣＣdep が第１の閾値Ｌ１よりも少ないときには、炭素除去モード運転を行わずに、通常の運転モードによる燃料電池システム６０の運転を開始する（ステップＳ３４）。一方、積算炭素析出量ΣＣdep が第１の閾値Ｌ１以上のときには、ステップＳ３３において、積算炭素析出量ΣＣdep を第２の閾値Ｌ２と比較する。この第２の閾値Ｌ２は、第１の閾値Ｌ１よりも大きな値に設定されている。
【００９７】
積算炭素析出量ΣＣdep が第２の閾値Ｌ２よりも少ないときには、ステップＳ３５において第１のモードによる炭素除去処理を実行し、一方、積算炭素析出量ΣＣdep が第２の閾値Ｌ２以上のときには、ステップＳ３６において第２のモードによる炭素除去処理を実行する。ここで、第１のモードは、炭素除去量の少ない弱モードであり、第２のモードは炭素除去量の多い強モードである。
【００９８】
第１のモード（弱モード）としては、例えば図１４に示した運転方法を採用することができる。また、第２のモード（強モード）としては、第１のモードよりも炭素除去量が多い任意の炭素除去処理方法を採用することができ、例えば図１７に示すような処理方法を採用することができる。
【００９９】
図１７の時刻ｔ３０において燃料電池システム６０の運転が開始されると、時刻ｔ３１までは触媒加熱部１３４（図２）のみが運転されて昇温される。触媒加熱部１３４の温度がある程度高くなると、時刻ｔ３１から時刻ｔ３２まで炭素除去処理が実行される。この炭素除去期間ｔ３１〜ｔ３２では、水蒸気は改質部１３６に供給されず、原燃料ガス（ガソリン）と空気ＡＲＯのみが供給される。このとき、電気加熱部１３５を用いて原燃料ガスと空気ＡＲＯを加熱し、改質触媒に蓄積されている炭素が燃焼するのに十分な高い温度にまで昇温する。
【０１００】
また、この炭素除去期間ｔ３１〜ｔ３２では、原燃料の供給量を定常運転状態に比べて少なくしており、逆に空気ＡＲＯを過剰に供給している。具体的には、図１７（Ｂ）に示すように、Ｏ／Ｃ比の値は定常運転時の適正値の範囲（約０．７〜約１．０）を大きく超えており、ピークではＯ／Ｃ比が約４．８にまで達している。また、この実施例では、Ｏ／Ｃ比が約３．１となる空気供給量が、原燃料が完全燃焼するために必要な酸素量に相当するものと仮定している。従って、この炭素除去期間ｔ３１〜ｔ３２では、原燃料が完全燃焼するよりも過剰な酸素が改質部１３６に供給されている。
【０１０１】
図１７（Ｃ）は、空気過剰率λの変化を示している。ここで、「空気過剰率λ」とは、原燃料が完全燃焼するために必要な酸素量の何倍の酸素が改質部１３６に供給されているかを示す指標である。前述したように、本実施例では完全燃焼に相当するＯ／Ｃ比が約３．１であると仮定しているので、空気過剰率λは０／Ｃ比を３．１で除した値に等しい。空気過剰率λが１を超えている場合には、原燃料の酸化反応に使用されずに残る酸素が存在するので、この残存酸素によって、触媒に蓄積している酸素が除去される。
【０１０２】
このように、炭素除去期間ｔ３１〜ｔ３２においては、電気加熱部１３５を用いて原燃料ガスと空気ＡＲＯを十分昇温するとともに、原燃料が完全燃焼するために必要な量以上に過剰な空気が供給されているので、改質触媒に蓄積している析出炭素を燃焼させて、その蓄積量を低減することが可能である。
【０１０３】
本実施例では、改質部１３６内に設けられた温度センサ１９２や、各部１３６〜１３９の上流側と下流側に設けられた温度センサ２３２〜２３６を用いて、制御ユニット７０が各位置における温度を監視している。そして、各部に収納されている触媒の温度がなるべく早く上昇するように、空気ＡＲＯの供給量を制御している。また、空気ＡＲＯの供給量を制御することによって、改質部１３６や、シフト部１３８、選択酸化部１３９内の触媒が加熱することを防止している。
【０１０４】
なお、原燃料の供給量を一定として空気ＡＲＯの供給量を制御する代わりに、空気ＡＲＯの供給量を一定として原燃料の供給量を制御するようにしてもよい。あるいは、空気ＡＲＯと原燃料の両方の供給量を制御して、同様な効果を得ることも可能である。さらに、温度センサの代わりに、酸素濃度センサや、燃料濃度センサによる測定値を用いて、原燃料と空気ＡＲＯの供給量を制御するようにしてもよい。
【０１０５】
また、炭素除去期間ｔ３１〜ｔ３２においては、原燃料ガス（ガソリンガス）を供給せずに、空気ＡＲＯのみを改質部１３６に供給するようにしてもよい。但し、原燃料ガスを空気ＡＲＯと共に改質部１３６に供給するようにすれば、改質触媒の温度をより速やかに上昇させることが可能である。
【０１０６】
なお、上記第５実施例では、積算炭素蓄積量ΣＣdep に応じて、炭素除去処理の２つのモードのうちのいずれかを選択して実行していたが、炭素除去処理のモードとして、３つ以上のモードを準備するようにしてもよい。第５実施例では、積算炭素蓄積量ΣＣdep に応じて、炭素除去処理の複数のモードのうちのいずれかを選択して実行するようにしたので、積算炭素蓄積量ΣＣdep に応じた適切な処理を実行することが可能である。
【０１０７】
Ｇ．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。
【０１０８】
Ｇ１．変形例１：
改質器の原燃料としては、ガソリン以外の炭化水素系燃料を使用可能であり、例えば、メタノール等のアルコールや、天然ガス、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可能である。但し、ガソリンのように、高級炭化水素系化合物（炭素原子が４個以上含まれている炭化水素系化合物）を含む原燃料を用いた場合には、炭素の析出の問題が顕著なので、本発明を適用した場合の効果も顕著である。
【０１０９】
Ｇ２．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。
【０１１０】
Ｇ３．変形例３：
上記第１ないし第３実施例では、炭素除去モード運転において複数回の炭素除去期間を断続的に設けており、また、第４、第５実施例では、１回の炭素除去期間にわたって酸素（または原燃料）の投入量を連続的に制御するようにしていた。これらの実施例から理解できるように、本発明の炭素除去処理においては、Ｏ／Ｃ比が定常運転時の適正値の範囲を超えるように原燃料や酸素の供給量を制御すればよく、その具体的な制御方法としては種々の方法を採用することが可能である。ここで、「Ｏ／Ｃ比が定常運転時の適正値の範囲を超える」という文言は、Ｏ／Ｃ比が定常運転時の適正値の最大値よりも大きな値を取ることを意味する。但し、炭素除去を効率的に行うためには、Ｏ／Ｃ比を定常運転時の適正値の最大値の約１．２倍以上に設定することが好ましく、約１．５倍以上に設定することがさらに好ましい。
【０１１１】
また、上述した各種の実施例から理解できるように、炭素除去処理は所定の種々の条件下で実行することが可能である。すなわち、本発明では、一般に、所定の条件下において原燃料の供給量と酸素の供給量とのうちの少なくとも一方を制御することによって、炭素除去処理を実行すればよい。
【０１１２】
Ｇ４．変形例４：
炭素除去処理の効果に影響を与えるパラメータとしては、原燃料の供給量や、酸素の供給量、炭素除去期間の長さ、炭素除去期間の実行回数等の種々のものが存在する。従って、炭素除去モード運転では、一般に、これらのパラメータのうちの少なくとも一部を変更することによって炭素除去処理を実行することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例としての電気自動車の概略構成図。
【図２】燃料電池システム６０の内部構成を示す説明図。
【図３】本発明の第１実施例における炭素除去モード運転の様子を示す説明図。
【図４】Ｏ／Ｃ比と炭素除去期間Δｔの長さとの関係の一例を示すグラフ。
【図５】Ｏ／Ｃ比と触媒温度Ｔcat との関係の一例を示すグラフ。
【図６】第１実施例において電気自動車が通常運転を行っているときの炭素除去処理の制御手順を示すフローチャート。
【図７】炭素析出量Ｃdep の予測値の一例を示すグラフ。
【図８】炭素除去モード運転の詳細手順を示すフローチャート。
【図９】炭素除去処理の他の制御手順を示すフローチャート。
【図１０】積算炭素析出量ΣＣdep と炭素除去期間の実行回数との関係の一例を示すグラフ。
【図１１】第２実施例における炭素除去モード運転の様子を示す説明図。
【図１２】第３実施例における炭素除去モード運転の様子を示す説明図。
【図１３】第４実施例における炭素除去モード運転の実行時期の制御手順を示すフローチャート
【図１４】自動車の始動時における炭素除去モード運転の様子を示す説明図。
【図１５】自動車のキーオフ時における炭素除去モード運転の様子を示す説明図。
【図１６】第５実施例における炭素除去モード運転の制御手順を示すフローチャート。
【図１７】第５実施例における強モードの様子を示す説明図。
【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
２２…ロータ
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…燃料電池システム
７０…制御ユニット
７１…メモリ
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
１０２…原燃料供給路
１０８…水供給路
１１０…原燃料タンク
１２０…水タンク
１３０…改質器
１３２…気化部
１３４…触媒加熱部
１３５…電気加熱部
１３６…改質部
１３７…熱交換部
１３８…シフト部
１３８…選択酸化部
１３９…選択酸化部
１４０…燃料電池
１４２…燃料ガス通路
１４４…空気通路
１４６…エアーポンプ
１５１…流量計
１５２…ポンプ
１５３…流量計
１５４…ポンプ
１５５…流量計
１５６…ポンプ
１６６…空気供給部
１６６ａ…エアーポンプ
１６６ｂ…流量計
１６６ｃ…電動弁
１９２…温度センサ
１９４…酸素濃度センサ
１９６…一酸化炭素濃度センサ
２０２…原燃料供給路
２０４，２０６…分岐流路
２０８…水供給路
２１０…流路
２１２…燃料ガス流路
２１４…排出路
２３１〜２３６…温度センサ
【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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【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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