(57)【要約】【課題】別途の加熱手段を設置せずとも内燃機関用燃料の改質が可能で、かつ、長期間に亘って所望の改質燃料へのきめ細かな改質が可能な燃料改質手段を備えた内燃機関システムを提供する。【解決手段】本発明の内燃機関システムは、内燃機関と、燃料貯留手段と、燃料改質手段とを有する。前記内燃機関は、燃料の燃焼により動力を発生する。前記燃料貯留手段は、前記内燃機関に供給する燃料を貯留する。前記燃料改質手段は、前記燃料貯留手段から前記燃料が供給される燃料極と、含酸素物質含有流体が供給される空気極と、前記燃料極と前記空気極とを分離するプロトン伝導体とを含む。そして、前記燃料改質手段は、前記燃料極に供給された前記燃料に含まれる炭化水素成分の少なくとも一部を部分酸化して、前記内燃機関に供給するための改質燃料を生成する。【選択図】図１
2009091916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の燃焼により動力を発生するための内燃機関と、
前記内燃機関に供給する燃料を貯留するための燃料貯留手段と、
前記燃料貯留手段から前記燃料が供給される燃料極と、含酸素物質含有流体が供給される空気極と、前記燃料極と前記空気極とを分離するプロトン伝導体とを含み、前記燃料極に供給された前記燃料に含まれる炭化水素成分の少なくとも一部を部分酸化して、前記内燃機関に供給するための改質燃料を生成する燃料改質手段と、
を有する、内燃機関システム。
【請求項２】
前記燃料改質手段における前記燃料極の少なくとも１つと前記空気極の少なくとも１つとが、外部回路を介して電気的に接続されている、請求項１に記載の内燃機関システム。
【請求項３】
前記外部回路が、充放電可能な二次電池を含む、請求項２に記載の内燃機関システム。
【請求項４】
前記外部回路が、車両を駆動するためのモータを含む、請求項２または３に記載の内燃機関システム。
【請求項５】
前記外部回路が、前記燃料改質手段を流れる電流の方向を、改質が進行する方向と改質が阻害される方向とで切り替え可能な電流切替手段をさらに有する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【請求項６】
前記燃料極と前記空気極とを入れ替え可能な電極入替手段をさらに有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【請求項７】
前記燃料極と前記空気極とが、前記プロトン伝導体を介して電気的に接続されている、請求項１に記載の内燃機関システム。
【請求項８】
前記プロトン伝導体が、導電性材料を含む、請求項７に記載の内燃機関システム。
【請求項９】
前記燃料極に水を供給するための水供給手段をさらに有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【請求項１０】
前記燃料貯留手段に接続され、前記燃料改質手段を経由せずに前記燃料を前記内燃機関に供給するための未改質燃料供給手段をさらに有する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【請求項１１】
前記燃料極と前記空気極と前記プロトン伝導体とからなる積層体が、隣接する積層体の燃料極と空気極とが向き合うように、セパレータを介して複数積層されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【請求項１２】
前記プロトン伝導体が、プロトン伝導性高分子、固体酸、および固体酸化物からなる群から選択される１種または２種以上のプロトン伝導性材料を含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【請求項１３】
前記燃料改質手段は、供給される前記燃料と前記含酸素物質含有流体とを、互いに略直交する方向に流通させる、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【請求項１４】
前記燃料極が、前記燃料を流通させるための燃料流路を有し、前記燃料流路の表面に凹凸が形成されている、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【請求項１５】
前記燃料改質手段と前記内燃機関との間に配置され、前記改質燃料を貯留するための改質燃料貯留手段をさらに有する、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【請求項１６】
前記燃料改質手段を加熱するための加熱手段をさらに有する、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【請求項１７】
前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、
検出された前記負荷に基づいて、前記内燃機関に供給される燃料中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御する制御手段と、
をさらに有する、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【請求項１８】
前記内燃機関が火花点火式内燃機関であり、
前記制御手段は、前記内燃機関の負荷が高負荷から低負荷に変化したときに、前記内燃機関に供給される燃料中の部分酸化された炭化水素成分の割合が増加するように制御して、前記内燃機関に供給される燃料のオクタン価を高負荷時よりも小さくし、前記内燃機関の負荷が低負荷から高負荷に変化したときに、前記内燃機関に供給される燃料中の部分酸化された炭化水素成分の割合が減少するように制御して、前記内燃機関に供給される燃料のオクタン価を低負荷時よりも大きくする、請求項１７に記載の内燃機関システム。
【請求項１９】
前記内燃機関が自己着火式内燃機関であり、
前記制御手段は、前記内燃機関の負荷が低負荷から高負荷に変化したときに、前記内燃機関に供給される燃料のセタン価が低負荷時よりも大きくなるように、前記内燃機関に供給される燃料中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御し、前記内燃機関の負荷が高負荷から低負荷に変化したときに、前記内燃機関に供給される燃料のセタン価が高負荷時よりも小さくなるように、前記内燃機関に供給される燃料中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御する、請求項１８に記載の内燃機関システム。
【請求項２０】
前記負荷検出手段は、前記内燃機関におけるノッキング強度を検出し、
前記制御手段は、検出された前記ノッキング強度の変化量が所定値以上である場合に、前記内燃機関の負荷が低負荷から高負荷に変化したと判断し、検出された前記ノッキング強度の変化量が所定値以下である場合に、前記内燃機関の負荷が高負荷から低負荷に変化したと判断する、請求項１８または１９に記載の内燃機関システム。
【請求項２１】
前記制御手段は、前記燃料改質手段を介して前記内燃機関に供給される燃料の流量と、前記未改質燃料供給手段を介して前記内燃機関に供給される燃料の流量との流量比を変化させることによって、前記内燃機関に供給される燃料中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御する、請求項１７〜２０のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【請求項２２】
前記燃料極の少なくとも１つと前記空気極の少なくとも１つとが、充放電可能な二次電池を含む外部回路を介して電気的に接続されており、
前記制御手段は、前記二次電池の作動を制御して前記燃料改質手段に流れる電流を変化させることによって、前記内燃機関に供給される燃料中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御する、請求項１７〜２１のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【請求項２３】
前記燃料改質手段を加熱するための加熱手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記加熱手段により前記燃料改質手段の温度を変化させることによって、前記内燃機関に供給される燃料中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御する、請求項１７〜２２のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【請求項２４】
前記燃料改質手段を加熱するための加熱手段をさらに有し、
システムの始動時において、前記制御手段は、前記加熱手段を始動させるとともに前記未改質燃料供給手段を介して前記内燃機関への前記燃料の供給を開始し、
燃料供給の開始から一定時間経過したときに、前記燃料極への前記燃料の供給を開始し、
前記燃料改質手段の温度が所定温度以上となったときに、前記加熱手段を停止させる、請求項１７〜２３のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【請求項２５】
前記外部回路が、前記燃料改質手段を流れる電流の方向を、改質が進行する方向と改質が阻害される方向とで切り替え可能な電流切替手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記燃料供給手段に所定量の前記燃料が供給されるごとに、前記燃料改質手段を流れる電流の方向を、改質が進行する方向から改質が阻害される方向に一定時間切り替える、請求項１７〜２４のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【請求項２６】
前記燃料改質手段と前記内燃機関との間に配置され、前記改質燃料を貯留するための改質燃料貯留手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記改質燃料貯留手段に貯留している前記改質燃料の量が第１所定値以下となったときに、前記燃料極への前記燃料の供給を開始させ、
前記改質燃料貯留手段に貯留している前記改質燃料の量が第２所定値以上となったときに、前記燃料極への前記燃料の供給を停止させる、請求項１７〜２５のいずれか１項に記載の内燃機関システム。
【請求項２７】
請求項１〜２６のいずれか１項に記載の内燃機関システムを搭載した車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関システムに関する。詳細には、本発明は、内燃機関システムにおいて、内燃機関の運転状況に応じて供給される燃料の特性を最適化するための改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境に対する配慮から、自動車等の内燃機関の燃費を改善し、内燃機関からの排気をより一層浄化する（特に、二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量を低減させる）目的で種々の試みがなされている。
【０００３】
例えば、エンジンシステムにおいてリーンバーン化や直噴化などの工夫を施すことにより、エンジン中での燃焼効率をより一層向上させる技術が盛んに開発されている。
【０００４】
また、ガソリンエンジンでは、燃料であるガソリンのオクタン価を上昇させると（いわゆる、ハイオクガソリン）、高圧縮比でもノッキングを起こし難くなる。従って、大きい出力が必要とされる運転時（例えば、車両の始動時）には比較的オクタン価の高いガソリンをエンジンに供給することが好ましい。これに対し、ガソリンのオクタン価を低下させると、リーンバーン（希薄燃焼）状態でも均一な燃焼状態が維持されることから、それほど大きい出力を必要としない運転時（例えば、車両の定速運転時）には比較的オクタン価の低いガソリンをエンジンに供給することが好ましい。
【０００５】
一方、ディーゼルエンジンでは、寒冷地で通常の夏季用の軽油を用いると、燃料の凍結により、エンジンが動かなくなるという問題があった。これに対し、夏季用の軽油であっても改質により分子構造に分岐構造や二重結合を導入すると、セタン価の低下とともに融点が下がるため、凍結が回避されうる。
【０００６】
これらの知見に基づき、従来、エンジンに供給される燃料について、そのオクタン価・セタン価を制御する技術が提案されている。例えば、エンジン中での燃料の燃焼性や燃費の改善などを目的とした技術として、燃料を超臨界状態として改質触媒と接触させることにより、重質成分を軽質成分に変換させる技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２００４−１６２５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の技術によって内燃機関用燃料を改質するには、ヒータ等の加熱手段を別途設けて改質器を加熱する必要がある。このため、例えば車両に適用される場合には車内空間の減少、車両重量の増加という問題や、加熱のために別途エネルギを必要とするなどの問題があった。また、特許文献１に記載の技術によって内燃機関用燃料の改質を試みても、所望の物性を有する改質燃料へのきめ細かな改質が必ずしも可能とは限らず、内燃機関の運転が十分に安定して行われない場合もあるという問題があった。さらに、特許文献１に記載の技術のように白金等の貴金属を触媒成分として含む改質触媒を用いて内燃機関用燃料を改質しようとすると、改質に伴って一酸化炭素（ＣＯ）が生成する場合には触媒成分が被毒を受け、改質性能が低下するという問題もあった。
【０００８】
そこで本発明は、別途の加熱手段を設置せずとも内燃機関用燃料の改質が可能で、かつ、長期間に亘って所望の改質燃料へのきめ細かな改質が可能な燃料改質手段を備えた内燃
機関システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上述した課題を解決すべく鋭意研究を行った。その結果、従来広く知られている電源の１つである固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の構成を参考にして改質器を構成するという簡便な手段によって、燃料の効率的かつきめ細かな改質が可能となることを見出し、本発明を完成させるに至った。なお、従来、ＰＥＦＣの構成は周知であり、これに関連する非常に多数の技術が提案されている。しかしながら、内燃機関用燃料を改質するための改質手段としてこのＰＥＦＣの構成を利用した技術は皆無である。
【００１０】
本発明の内燃機関システムは、内燃機関と、燃料貯留手段と、燃料改質手段とを有する。前記内燃機関は、燃料の燃焼により動力を発生する。前記燃料貯留手段は、前記内燃機関に供給する燃料を貯留する。前記燃料改質手段は、前記燃料貯留手段から前記燃料が供給される燃料極と、含酸素物質含有流体が供給される空気極と、前記燃料極と前記空気極とを分離するプロトン伝導体とを含む。そして、前記燃料改質手段は、前記燃料極に供給された前記燃料に含まれる炭化水素成分の少なくとも一部を部分酸化して、前記内燃機関に供給するための改質燃料を生成する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の内燃機関システムによれば、別途の加熱手段を設置せずとも、内燃機関用燃料を長期間に亘って所望の改質燃料へときめ細かく改質して内燃機関へと供給することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照しつつ、内燃機関が火花点火式内燃機関の１つであるガソリンエンジンである形態を例に挙げて、本発明の実施形態を説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るガソリンエンジンシステム１００を示す構成図である。図２は、図１に示す燃料改質器１２０の主要な構成要素である電極積層体２００を示す斜視図である。
【００１４】
ガソリンエンジンシステム１００は、ガソリンタンク１１０と、燃料改質器１２０と、ガソリンエンジン１３０とを有する。ガソリンタンク１１０は、ガソリンエンジン１３０に供給するガソリンを貯留する。燃料改質器１２０は、ガソリンエンジン１３０に供給するための改質ガソリンを生成する。ガソリンエンジン１３０は、燃料であるガソリンの燃焼により動力を発生する。
【００１５】
ガソリンエンジン１３０は、火花着火式内燃機関の１種であり、燃料であるガソリンと空気との混合気をシリンダ中に吸入し、この混合気をピストンで圧縮した後に、火花を発生させて点火し、燃焼・膨張させることによりピストンを往復運動させる内燃機関である。ガソリンエンジン１３０には、混合気の燃焼により生成した排気ガスを排出させるための排気管１３１が接続されており、当該排気管１３１は、三方弁１３２を介して、そのまま系外へと排出されるか、または燃料改質器１２０の外部近傍を通って燃料改質器１２０を熱交換するように設置されている。かような構成によれば、三方弁１３２の制御によって、燃料改質器１２０を加熱することが可能となる。また、本実施形態において、ガソリンエンジン１３０には、ガソリンエンジン１３０におけるノッキング強度を検出するためのノッキングセンサ１３３が設置されている。
【００１６】
燃料改質器１２０は、ガソリンタンク１１０に接続された燃料配管１１１の下流側の端
部に設置されている。燃料改質器１２０は、ガソリンタンク１１０からのガソリンの供給を受けて、ガソリンに含まれる炭化水素成分の少なくとも一部を部分酸化し、ガソリンエンジン１３０に供給するための改質ガソリンを生成する。燃料配管１１１の途上には、燃料用電動ポンプ１１２が設置されている。また、燃料配管１１１の、燃料用電動ポンプ１１２の下流には、水タンク１４０に貯留している水が流通する水配管１４１が、三方弁１４２を介して合流している。水配管１４１の途上には、水用電動ポンプ１４３が設置されている。そして、燃料改質器１２０の下流には、改質ガソリンをガソリンエンジン１３０に供給するための改質燃料配管１２１が接続されており、改質燃料配管１２１の途上には、燃料改質器１２０で生成した改質燃料を貯留するための改質燃料サブタンク１５０が設置されている。改質燃料サブタンク１５０には、当該タンクに貯留している改質ガソリンの量（貯留改質ガソリン量）を検出するための貯留量センサ１５１が設置されている。
【００１７】
また、燃料改質器１２０には、燃料改質器１２０に空気を供給するためのブロワ１６０が、空気配管１６１を介して接続されている。さらに、燃料改質器１２０には、燃料改質器１２０の温度を検出するための温度計１２２が設置されている。
【００１８】
ガソリンエンジンシステム１００は、ガソリンタンク１１０に接続され、燃料改質器１２０を経由せずにガソリンをガソリンエンジン１３０に供給するためのバイパス配管１１３をさらに有する。このバイパス配管１１３の途上にもバイパス用電動ポンプ１１４が設置されている。
【００１９】
ガソリンエンジンシステム１００は、ガソリンエンジン１３０に供給されるガソリン中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御するコントローラ１７０をさらに有する。
【００２０】
燃料改質器１２０は、燃料極２０１／プロトン伝導体２０２／空気極２０３がこの順に積層されてなる単セル２０４が、集電体として機能するセパレータ２０５を介して複数積層されてなる電極積層体２００を主要な構成要素として有する。セパレータ２０５は、導電性材料から構成される。セパレータ２０５を構成する導電性材料としては、例えば、カーボン、ステンレスなどが挙げられる。
【００２１】
セパレータ２０５の燃料極２０１側表面には、燃料極２０１に供給されるガソリンが流通するためのガソリン流路２０６が設けられている。また、セパレータ２０５の空気極２０３側表面には、空気極２０３に供給される空気が流通するための空気流路２０７が設けられている。
【００２２】
本実施形態においては、図２に示すように、ガソリン流路２０６の方向と空気流路２０７の方向とは直交している。かような構成とすることにより、流路の断面積に対しプロトン伝導体の面積を最大化することができる。その結果、燃料改質器１２０を小型化することが可能となり、本実施形態のシステムが例えば車両搭載用のシステムである場合には、より広い車内空間が確保されうる。ただし、燃料極２０１にガソリンを供給するためのガソリン流路２０６、および空気極２０３に空気を供給するための空気流路２０７の形態は図２に示す形態のみには制限されない。例えば、ガソリン流路２０６と空気流路２０７とは平行に設けられていてもよい。また、図２に示すように、ガソリン流路２０６および空気流路２０７はそれぞれ複数の流路を有することが、抵抗を低減するという観点からは好ましいが、かような形態にも制限されない。
【００２３】
燃料極２０１は、供給されたガソリンから水素を引き抜いて、プロトン（Ｈ＋）および電子（ｅ−）を生成させる機能を有する多孔質の層である。燃料極２０１を構成する材料について特に制限はなく、供給されたガソリン中の炭化水素成分と接触して下記反応式１で表される燃料の部分酸化反応を進行させうる材料であればよい。燃料極２０１は、一般
的な固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の燃料極（アノード）を構成する材料から構成されうる。一例を挙げると、燃料極２０１は、例えば、カーボン粒子などからなる担体に触媒成分（白金など）の微粒子が担持されてなる電極触媒が、後述するパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーや炭化水素系ポリマーなどのプロトン伝導性材料に分散した構成を有する。特に、燃料極２０１にもこれらのプロトン伝導性材料が含まれると、燃料極２０１で生成したプロトン（Ｈ＋）のプロトン伝導体２０２への移動がスムーズになるため、好ましい。
【００２４】
【化１】
2009091916.tif 000003
【００２５】
プロトン伝導体２０２は、燃料極２０１に隣接し、燃料極２０１において生成したプロトン（Ｈ＋）を選択的に伝導する機能を有する。プロトン伝導体２０２を構成する材料は特に制限されず、プロトンを選択的に伝導しうる材料であればよい。プロトン伝導体２０２を構成する材料としては、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。また、ポリスルホン、ポリスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸等の炭化水素系ポリマーもまた、プロトン伝導体の構成材料として用いられうる。これらのポリマー材料のほかにも、硫酸水素セシウム（ＣｓＨＳＯ４）、ＲｂＨＳＯ４、ＫＨＳＯ４、ＣｓＨ２ＰＯ４、Ｃｓ（ＨＳＯ４）２Ｈ２ＰＯ４、ＴｉＰ２Ｏ７、ＳｉＰ２Ｏ７、Ｇｅ２Ｐ２Ｏ７、ＳｎＰ２Ｏ７、Ｓｎ０．９Ｉｎ０．１Ｐ２Ｏ７、ＳｉＰ２Ｏ７＋ＣｓＨ２ＰＯ４、（ＮＨ４）ｘＭ１−ｘＰＯ３（Ｍ＝Ｔｉ、Ｓｉ）などの固体酸、ＡｌＰＯ４−Ｂ２Ｏ３−Ｒ２Ｏガラス（Ｒはアルカリ金属である）、Ｂａ（Ｐｒ０．６Ｇｄ０．４）Ｏ３−δ、ＢａＣｅ０．８Ｙ０．２Ｏ３−δ、ＢａＺｒ０．８Ｙ０．２Ｏ３、Ｂａ（Ｚｒ０．１Ｃｅ０．７Ｙ０．２）Ｏ３、ＳｒＺｒ０．９５Ｙ０．０５Ｏ３−δ、ＳｒＣｅ０．９５Ｙｂ０．０５Ｏ３−δ、ＣａＺｒ０．９Ｉｎ０．１Ｏ３−δ、Ｌａ０．９Ｃａ０．１ＳｃＯ３−δ、Ｓｒ２（Ｓｃ１．０５Ｎｂ０．９５）Ｏ６−δ＋Ｂａ３（Ｃａ１．１８Ｎｂ１．８２）Ｏ９−δ（ＢＣＮ１８）、Ｓｒ２Ｔｉ０．９３Ｉｎ０．０７Ｏ３−δなどの酸化物、などが挙げられる。なかでも、プロトン伝導体２０２の構成材料は、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーであることが好ましく、ナフィオンであることが最も好ましい。なお、これらの材料は１種のみが単独で用いられてもよいし、２種以上が併用されてもよい。
【００２６】
空気極２０３は、プロトン伝導体２０２を介して燃料極２０１と対向する側に位置し、供給された空気に含まれる酸素（Ｏ２）を、上述した燃料極２０１での反応により生成したプロトン（Ｈ＋）および電子（ｅ−）と反応させて水（Ｈ２Ｏ）を生成させる機能を有する多孔質の層である。空気極２０３を構成する材料について特に制限はなく、下記反応式２で表される酸素の還元反応を進行させうる材料であればよい。空気極２０３もまた、一般的な固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の空気極（カソード）を構成する材料から構成されうる。例えば、上述した燃料極２０１について例示した構成が、空気極２０３についても同様に採用されうる。
【００２７】
【化２】
2009091916.tif 000004
【００２８】
本実施形態において、ガソリン流路２０６のガソリンと接する表面には、凹凸が形成されている。なお、凹凸の形状やサイズは特に制限されず、突出部が設けられる形態や、溝や孔が設けられる形態などが例示される。また、ガソリン流路２０６はセパレータ２０５を構成する部材と燃料極２０１とによって包囲されるように形成されるが、上述した凹凸は、セパレータ２０５の構成部材の表面に設けられていてもよいし、燃料極２０１に設けられていてもよい。
【００２９】
燃料極２０１の構成と空気極２０３の構成とは異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。燃料極２０１の構成と空気極２０３の構成とが、上述した反応式１および反応式２の双方の反応を促進しうるものであれば、燃料極２０１と空気極２０３とを入れ替えてシステムを作動させることも可能となる。すなわち、図１には図示していないが、本実施形態において、燃料改質器１２０の燃料極２０１と空気極２０３とは入れ替え可能なように構成されている。換言すれば、システムが作動しているある時点において、それまで燃料極２０１としてガソリンが供給されていた側の極（以下、「第１電極」とも称する）に空気を供給することでその後は空気極２０３として機能させ、一方それまで空気極２０３として空気が供給されていた側の極（以下、「第２電極」とも称する）にガソリンを供給することでその後は燃料極２０１として機能させることが可能となるように構成されている。図２を参照して説明すれば、このように電極を入れ替えると、図２における燃料極２０１と空気極２０３とが入れ替わり、ガソリン流路２０６と空気流路２０７とが入れ替わり、その結果、電流の流れる方向も入れ替わることとなる。
【００３０】
以下、図３を参照しながらこの構成を詳細に説明する。図３は、本実施形態におけるガソリンおよび空気の流れを説明するための概略図である。図３に示す形態において、ガソリンタンク１１０に接続された燃料配管１１１は、燃料用電動ポンプ１１２の下流に設置された三方弁１１５を経て、第１燃料配管１１１ａとして燃料改質器１２０の第１入口ポート１２３ａに接続されている。また、燃料配管１１１が三方弁１１５から分岐した第２燃料配管１１１ｂは、燃料改質器１２０の第２入口ポート１２３ｂに接続されている。一方、ブロワ１６０に接続された空気配管１６１は、三方弁１６２を経て、第１空気配管１６１ａとして燃料改質器１２０の第２入口ポート１２３ｂに接続されている。また、空気配管１６１が三方弁１６２から分岐した第２空気配管１６１ｂは、燃料改質器１２０の第１入口ポート１２３ａに接続されている。燃料改質器１２０の第１入口ポート１２３ａと対向する側の面には、第１入口ポート１２３ａから流入した流体（第１燃料配管１１１ａ経由のガソリン、または第２空気配管１６１ｂ経由の空気）が流出するための第１出口ポート１２４ａが設置されている。一方、燃料改質器１２０の第２入口ポート１２３ｂと対向する側の面には、第２入口ポート１２３ｂから流入した流体（第２燃料配管１１１ｂ経由のガソリン、または第１空気配管１６１ａ経由の空気）が流出するための第２出口ポート１２４ｂが設置されている。第１出口ポート１２４ａおよび第２出口ポート１２４ｂには、燃料改質器１２０から流出した改質ガソリンをガソリンエンジンに供給するための改質燃料配管（１２１ａ、１２１ｂ）がそれぞれ接続されている。それぞれの改質燃料配管（１２１ａ、１２１ｂ）の途上には、第１出口ポート１２４ａおよび第２出口ポート１２４ｂから流出した空気を系外へと排出するための三方弁（１２５ａ、１２５ｂ）が設置されており、三方弁（１２５ａ、１２５ｂ）にはさらに排気管（１２６ａ、１２６ｂ）が接続されている。また、ある時点において改質ガソリンは改質燃料配管（１２１ａ、１２１ｂ）の一方のみを流通してガソリンエンジンに流入することから、改質燃料配管（１２１ａ、１２１ｂ）の合流部にはさらに三方弁１２７が設置されている。
【００３１】
本実施形態では、電極積層体２００の最上層および最下層のセパレータ２０５は、外部回路１８０を介して互いに電気的に接続されている。具体的には、外部回路１８０は、電極積層体２００の両端に電気的に接続された充放電回路１８１と、当該充放電回路１８１にさらに電気的に接続された、充放電可能な二次電池１８２とから構成されている。充放電回路１８１は、燃料改質器１２０を構成する電極積層体２００を流れる電流を検出するための電流計として兼用される。二次電池１８２は、充放電可能であればその具体的な形態に特に制限されないが、例えば、電気自動車などにおいて用いられているリチウムイオン二次電池が用いられうる。
【００３２】
コントローラ１７０は、ＣＰＵやメモリを主体に構成され、電動ポンプ（１１２、１１４、１４３）、三方弁（１１５、１３２、１４２、１６２、１２５ａ、１２５ｂ、１２７）、温度計１２２、ノッキングセンサ１３３、貯留量センサ１５１、ブロワ１６０、充放電回路１８１に接続されている。コントローラ１７０は、システムの始動に従って、温度計１２２、ノッキングセンサ１３３、貯留量センサ１５１、充放電回路１８１がそれぞれ検出した温度、ノッキング強度、貯留改質ガソリン量、電流に応じて、これらを駆動制御する。
【００３３】
次に、本実施形態のガソリンエンジンシステム１００の動作を説明する。
【００３４】
ガソリンエンジンシステム１００が作動すると、コントローラ１７０は、電動ポンプ（１１２、１１４）の作動を制御して、図中実線矢印で示すように、燃料配管１１１およびバイパス配管１１３に、ガソリンタンク１１０に貯留されたガソリンを流通させる。燃料配管１１１を経たガソリンは、燃料改質器１２０の燃料極２０１に流入する。また、コントローラ１７０は、ブロワ１６０の作動を制御して、空気配管１６１に空気を流通させる。ブロワ１６０から供給された空気が空気配管１６１を経て燃料改質器１２０の空気極２０３に流入すると、燃料改質器１２０において上記反応式１および反応式２に従ってガソリンの改質が進行し、改質ガソリンが生成する。燃料改質器１２０において生成した改質ガソリンは、改質燃料サブタンク１５０に一旦貯留された後、ガソリンエンジン１３０に流入する。ガソリンエンジン１３０に流入した改質ガソリンは、空気と混合されて混合気となり、圧縮・火花点火により燃焼する。これにより、ガソリンエンジン１３０は、動力を発生する。ガソリンエンジン１３０では、ガソリンの燃焼に伴って、排気ガスが生成する。本実施形態において、生成した排気ガスは、燃料改質器１２０の外部近傍を通るように設置された排気管１３１を流通し、熱交換により燃料改質器１２０を加熱しうる。この加熱状態を調節することで、燃料改質器１２０における改質の進行を制御可能である。
【００３５】
一方、バイパス配管１１３を経たガソリン（未改質ガソリン）は、ガソリンエンジン１３０に直接流入する。バイパス配管１１３を経てガソリンエンジン１３０に直接流入した未改質ガソリンもまた、燃料改質器１２０で生成した改質ガソリンとともに、ガソリンエンジン１３０において燃焼して、動力発生に寄与する。
【００３６】
ここで、燃料改質器１２０において反応が進行する様子を詳細に説明する。
【００３７】
燃料改質器１２０の燃料極２０１にガソリンが流入すると、ガソリンに含まれる炭化水素成分の少なくとも一部が上記反応式１に従って水素引き抜きにより部分酸化されるとともに、プロトン（Ｈ＋）および電子（ｅ−）が生成する。
【００３８】
本実施形態においては、上述したようにガソリン流路２０６の表面に凹凸が設けられている。これにより、以下のような利点がある。すなわち、燃料極２０１において部分酸化された成分が下流へと流通せずにそのまま燃料極２０１表面に留まっていると、さらなる
部分酸化反応が進行し、最終的には炭化水素成分が炭化してしまう虞がある。そして、炭化した成分はガソリンエンジン１３０での効率的な燃焼に用いられることができず、さらに、炭化して付着した成分が、新たに供給されたガソリン中の炭化水素成分の改質を阻害してしまうため、好ましくない。これに対し、ガソリン流路２０６の表面に凹凸が形成されていると、ガソリン流路２０６におけるガソリンの流れが不規則になり、燃料極２０１表面における炭化水素成分の滞留とそれに伴う炭化が効果的に防止されうるのである。
【００３９】
燃料極２０１で生成したプロトン（Ｈ＋）は、拡散により、プロトン伝導体２０２を介して燃料極２０１と対向する空気極２０３へと移動する。空気極２０３に移動したプロトンは、上記反応式２に従って、空気極２０３に流入した空気に含まれる酸素（Ｏ２）と反応して、水を生成する。
【００４０】
本実施形態の燃料改質器１２０においては、単セル２０４がセパレータ２０５を介して複数積層されて電極積層体２００を構成している。このため、ある燃料極２０１での部分酸化反応により生成した電子（ｅ−）は、当該燃料極２０１に隣接するセパレータ２０５を介して、隣接する単セル２０４の空気極２０３へと移動する。そしてこの電子は、当該空気極２０３での酸素の還元反応（上記反応式２）に利用される。プロトン伝導体２０２ではプロトン（Ｈ＋）が燃料極２０１から空気極２０３へと移動することから、電極積層体２００全体では、電子およびプロトンをキャリアとして、電極積層体２００全体の燃料極２０１側から空気極２０３側に向かって電流が流れる。かような構成とすることにより、簡便な構成によって、燃料改質器１２０を流れる電流が大きくなりすぎるのを抑制することができ、配線等で生じる抵抗損失を減らすことができる。また、かような構成によれば、燃料改質器１２０での燃料の部分酸化に伴って発生する電気エネルギを、燃料改質器１２０から充放電回路１８１を経て二次電池１８２に至る方向（図１に示す実線矢印の方向）に流すことで二次電池１８２に充電することが可能となり、システムのエネルギ効率が向上しうる。なお、上述した部分酸化反応が進行するほど、充放電回路１８１に流れる電流は大きくなる。また、後述するように、燃料改質器１２０における反応を制御する目的で二次電池１８２に充電された電気エネルギを利用することも可能である。さらに、充放電回路１８１には、二次電池１８２に代えてまたはこれとともに、車両を駆動するためのモータが電気的に接続されていてもよい。かような形態によれば、燃料改質器１２０での改質に伴って生成した電力がモータの駆動に用いられ、効率的な動力発生が可能となる。また、改質に伴って生成した電力は、非動力用途の電力として用いられてもよい。
【００４１】
本実施形態においては、コントローラ１７０が三方弁１４２および水用電動ポンプ１４３の作動を制御することによって、燃料改質器１２０の燃料極２０１に供給されるガソリンに水が添加される。かような形態によれば、炭化水素成分の炭化によって燃料極２０１に付着した炭素成分が水との接触によって酸化され、分解除去され易くなる。
【００４２】
また、本実施形態においては、燃料改質器１２０の燃料極２０１と空気極２０３とは入れ替え可能なように構成されている。以下、電極の入れ替え前後におけるガソリンエンジンシステム１００の動作を説明する。
【００４３】
まず、電極入れ替え前において、コントローラ１７０は、燃料用電動ポンプ１１２の駆動を制御して、ガソリンタンク１１０に貯留しているガソリンを流通させる。また、コントローラ１７０は、当該ガソリンが第１燃料配管１１１ａを流通するように、三方弁１１５の作動を制御する。これにより、ガソリンは第１燃料配管１１１ａを流通し、第１入口ポート１２３ａを通って燃料改質器１２０に流入する。当該第１入口ポート１２３ａに流入したガソリンは、燃料改質器１２０中の電極積層体２００における第１電極側の流路を流通する。
【００４４】
一方、コントローラ１７０は、ブロワ１６０の駆動を制御して、ブロワ１６０から空気を流通させる。また、コントローラ１７０は、当該空気が第１空気配管１６１ａを流通するように、三方弁１６２の作動を制御する。これにより、空気は第１空気配管１６１ａを流通し、第２入口ポート１２３ｂを通って燃料改質器１２０中の電極積層体２００における第２電極側の流路を流通する。その結果、ガソリンは第１電極と接触して、上記反応式１に従って改質され、空気中の酸素は第２電極と接触して、上記反応式２に従って水を生成する。この場合、第１電極は燃料極２０１として機能し、第１電極側の流路はガソリン流路２０６となる。一方、第２電極は空気極２０３として機能し、第２電極側の流路は空気流路２０７となる。
【００４５】
そして、コントローラ１７０は、第１出口ポート１２４ａから排出された流体がガソリンエンジン１３０に供給され、第２出口ポート１２４ｂから排出された流体が系外に排出されるように、三方弁（１２５ａ、１２５ｂ、１２７）の作動を制御する。これにより、第１電極（燃料極２０１）での改質により生成した改質ガソリンは、第１出口ポート１２４ａから改質燃料配管１２１ａを経てガソリンエンジン１３０に供給される。一方、第２電極（空気極２０３）で生成した水は、ブロワ１６０から供給される空気とともに、第２出口ポート１２４ｂから排気管１２６ｂを経て系外へと排出される。
【００４６】
電極を入れ替える場合、コントローラ１７０は、ガソリンタンク１１０に貯留しているガソリンが第２燃料配管１１１ｂを流通するように、三方弁１１５の作動を制御する。これにより、ガソリンは第２燃料配管１１１ｂを流通し、第２入口ポート１２３ｂを通って燃料改質器１２０に流入する。当該第２入口ポート１２３ｂに流入したガソリンは、燃料改質器１２０中の電極積層体２００における第２電極側の流路を流通する。同様に、コントローラ１７０は、ブロワ１６０から供給される空気が第２空気配管１６１ｂを流通するように、三方弁１６２の作動を制御する。これにより、空気は第２空気配管１６１ｂを流通し、第１入口ポート１２３ａを通って燃料改質器１２０中の電極積層体２００における第１電極側の流路を流通する。その結果、ガソリンは第２電極と接触して、上記反応式１に従って改質され、空気中の酸素は第２電極と接触して、上記反応式２に従って水を生成する。この場合、第１電極は空気極２０３として機能し、第１電極側の流路は空気流路２０７となる。一方、第２電極は燃料極２０１として機能し、第２電極側の流路はガソリン流路２０６となる。
【００４７】
そして、コントローラ１７０は、第１出口ポート１２４ａから排出された流体が系外に排出され、第２出口ポート１２４ｂから排出された流体がガソリンエンジン１３０に供給されるように、三方弁（１２５ａ、１２５ｂ、１２７）の作動を制御する。これにより、第１電極（空気極２０３）で生成した水は、ブロワ１６０から供給される空気とともに、第１出口ポート１２４ａから排気管１２６ａを経て系外へと排出される。一方、第２電極（空気極２０３）での改質により生成した改質ガソリンは、第２出口ポート１２４ｂから改質燃料配管１２１ｂを経てガソリンエンジン１３０に供給される。
【００４８】
このように電極を入れ替えることで、電極入れ替え前の燃料極２０１（第１電極）の表面に炭化して付着した炭化水素成分が、電極入れ替えによって供給される空気と接触して酸化し、分解除去され易くなる。かような電極の入れ替えは、一方の電極（例えば、第１電極）を主に燃料極２０１として用い、他方の電極（例えば、第２電極）を主に空気極２０３として用いる場合には、電極表面に付着した炭化水素成分を分解除去するのに十分な時間だけ入れ替えて、また元に戻すことにより行ってもよい。かような形態によれば、燃料極２０１として用いる電極（第１電極）と空気極２０３として用いる電極（第２電極）とで電極の組成をそれぞれ最適化することができるため、よりきめ細かな燃料の改質が可能となる。また、電極の入れ替えは、燃料改質器１２０に所定量のガソリンが供給されるごとに（一定速度でガソリンが供給される場合には、一定時間ごとに）行ってもよい。か
ような形態によれば、制御が容易であり、また、燃料極２０１と空気極２０３との電極の組成を同一にすることもできるため、製造コストが削減されうる。
【００４９】
続いて、本実施形態のガソリンエンジンシステム１００のコントローラ１７０による制御ルーチンについて、まず、ガソリンエンジン１３０の負荷が変化したときに、ガソリンエンジン１３０に供給されるガソリン（改質ガソリンと未改質ガソリンとの合計）中の部分酸化された炭化水素成分の割合が変化するように反応制御を行う制御ルーチンを説明する。
【００５０】
図４は、ガソリンエンジンシステム１００の動作を示すフローチャートである。
【００５１】
まず、コントローラ１７０は、ガソリンエンジンシステム１００が作動しているか否かを判断する（ステップＳ１０１）。システムが作動していない場合（ステップＳ１０１：ＮＯ）、本ルーチンは終了する。
【００５２】
システムが作動している場合（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、ノッキングセンサ１３３によりガソリンエンジン１３０におけるノッキング強度Ｉが検出される（ステップＳ１０２）。「ノッキング強度」とは、ガソリンエンジン１３０において単位時間に発生するノッキングの回数を意味する。ノッキングセンサ１３３によるノッキング強度Ｉの検出は反復して行われ、ノッキング強度Ｉが検出されるたびに、続けて検出されるノッキング強度の変化量ΔＩ（＝Ｉｎ−Ｉｎ−１（ｎ≧２））が算出される（ステップＳ１０３）。そして、算出された変化量ΔＩが規定値（第１所定値）Ｉ１以下であるか否かが判断される（ステップＳ１０４）。規定値Ｉ１は負の値であり、ガソリンエンジン１３０の負荷が高負荷から低負荷に変化した場合（例えば、始動直後から定常運転への移行時など）に、ガソリンエンジン１３０への負荷の減少に伴ってオクタン価の低下を反映させるためのノッキング強度の変化量である。
【００５３】
ノッキング強度の変化量ΔＩが規定値Ｉ１以下である（ΔＩ≦Ｉ１）場合（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、コントローラ１７０は、ガソリンエンジン１３０の負荷が高負荷から低負荷に変化したと判断し、電動ポンプ（１１２、１１４）の少なくとも一方を制御して、改質ガソリンの流量（Ｑ１）と未改質ガソリンの流量（Ｑ２）との流量比（ＲＱ＝Ｑ１／Ｑ２）をＲＱ１に増加させる（ステップＳ１０５）。流量比ＲＱ１はノッキング強度の変化量ΔＩによって予め設定される流量比であり、ガソリンエンジン１３０の負荷の減少に応じてエンジンでのリーンバーンを効率的に行わせるのに適した流量比である。ＲＱ１は、変化量ΔＩの大きさ（絶対値）の大小に応じて、例えば当該絶対値が大きい場合には、ＲＱが比較的大きく変化するように設定されうる。
【００５４】
以上のような制御により、ガソリンエンジン１３０に供給されるガソリンに含まれる部分酸化された炭化水素成分の割合が増加し、供給されるガソリン全体としてのオクタン価が減少する。その結果、ガソリンエンジン１３０の低負荷状態にオクタン価の小さいガソリンがエンジンに供給され、エンジンでのリーンバーンが効率的に行われることとなる。
【００５５】
ノッキング強度の変化量ΔＩが規定値Ｉ１より大きい（ΔＩ＞Ｉ１）場合（ステップＳ１０４：ＮＯ）、ガソリンエンジン１３０の負荷が高負荷から低負荷には変化していないと判断され、続いて、変化量ΔＩが規定値（第２所定値）Ｉ２以上であるか否かが判断される（ステップＳ１０６）。規定値Ｉ２は正の値であり、ガソリンエンジン１３０の負荷が低負荷から高負荷に変化した場合（例えば、システムの始動時など）に、ガソリンエンジン１３０への負荷の増加に伴って高圧縮比条件下におけるノッキングの発生回数が増加する可能性のあるノッキング強度の変化量である。
【００５６】
ノッキング強度の変化量ΔＩが規定値Ｉ２未満である（ΔＩ＜Ｉ２）場合（ステップＳ１０６：ＮＯ）、ガソリンエンジン１３０の負荷が低負荷から高負荷には変化していないと判断され、ステップＳ１０１に戻って本ルーチンが繰り返される。
【００５７】
ノッキング強度の変化量ΔＩが規定値Ｉ２以上である（ΔＩ≧Ｉ２）場合（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）、コントローラ１７０は、ガソリンエンジン１３０の負荷が低負荷から高負荷に変化したと判断し、電動ポンプ（１１２、１１４）の少なくとも一方を制御して、改質ガソリンの流量（Ｑ１）と未改質ガソリンの流量（Ｑ２）との流量比（ＲＱ＝Ｑ１／Ｑ２）をＲＱ２に減少させる（ステップＳ１０７）。流量比ＲＱ２はノッキング強度の変化量ΔＩによって予め設定される流量比であり、ガソリンエンジン１３０の負荷の増加に応じてエンジンでのノッキングの発生を効果的に抑制しうる流量比である。ＲＱ２は、変化量ΔＩの大きさ（絶対値）の大小に応じて、例えば当該絶対値が大きい場合には、ＲＱが比較的大きく変化するように設定されうる。
【００５８】
以上のような制御により、ガソリンエンジン１３０に供給されるガソリンに含まれる部分酸化された炭化水素成分の割合が減少し、供給されるガソリン全体としてのオクタン価が増加する。その結果、ガソリンエンジン１３０の高負荷状態にオクタン価の大きいガソリンが供給され、ガソリンエンジン１３０での高圧縮比条件下でのノッキングの発生が効果的に抑制されうる。
【００５９】
以上、改質ガソリンの流量（Ｑ１）と未改質ガソリンの流量（Ｑ２）との流量比を変化させることにより、ガソリンエンジン１３０に供給されるガソリン中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御する場合を例に挙げて本実施形態における反応制御を説明したが、他の手段によって、ガソリンエンジン１３０に供給されるガソリン中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御することも可能である。
【００６０】
例えば、ガソリンエンジン１３０からの排気ガスが燃料改質器１２０との熱交換に用いられるように三方弁１３２の作動を制御し、排気ガスとの熱交換によって燃料改質器１２０を昇温させることにより、燃料改質器１２０における部分酸化反応の進行を促進させて、ガソリンエンジン１３０に供給されるガソリン中の部分酸化された炭化水素成分の割合を増加させてもよい。同様に、三方弁１３２の作動を制御し、排気ガスとの熱交換を停止させて燃料改質器１２０を冷却することにより、燃料改質器１２０における部分酸化反応の進行を抑制して、ガソリンエンジン１３０に供給されるガソリン中の部分酸化された炭化水素成分の割合を減少させてもよい。このように、排気ガスとの熱交換を利用して反応制御を行うことにより、システム動作の安定性が向上しうる。なお、燃料改質器１２０の加熱は、排気ガスとの熱交換以外の加熱手段（例えば、別途設置されるヒータ、バーナ、誘導加熱装置など）により行われてもよい。
【００６１】
あるいは、コントローラ１７０が充放電回路１８１の作動を制御することによって二次電池１８２を放電させて、図１に示す破線矢印の方向に電流を流し、燃料改質器１２０に流れる電流を増加させることにより、燃料改質器１２０における部分酸化反応の進行を促進させて、ガソリンエンジン１３０に供給されるガソリン中の部分酸化された炭化水素成分の割合を増加させてもよい。同様に、コントローラ１７０が充放電回路１８１の作動を制御することによって、図１に示す実線矢印の方向に電流を流し、二次電池１８２を充電させて燃料改質器１２０に流れる電流を減少させることにより、燃料改質器１２０における部分酸化反応の進行を抑制して、ガソリンエンジン１３０に供給されるガソリン中の部分酸化された炭化水素成分の割合を減少させてもよい。
【００６２】
燃料改質器１２０での改質に伴って改質器および充放電回路を流れる電流は、ガソリンエンジン１３０の負荷などに応じて変動しうるが、上述したように二次電池１８２の放電
を利用して反応制御を行うことにより、改質器を流れる電流を安定化して、燃料改質器１２０における部分酸化反応の進行度合を所望の程度に制御することが可能となる。
【００６３】
続いて、本実施形態のガソリンエンジンシステム１００の始動時におけるコントローラ１７０による制御ルーチンについて、燃料改質器１２０の温度が所定温度まで上昇するように、三方弁１３２の作動を制御する制御ルーチンを説明する。
【００６４】
図５は、ガソリンエンジンシステム１００の始動時の動作を示すフローチャートである。
【００６５】
まず、コントローラ１７０は、ガソリンエンジンシステム１００が始動されたか否かを判断する（ステップＳ２０１）。システムが始動されていない場合（ステップＳ２０１：ＮＯ）、始動されるまで待機する。
【００６６】
システムが始動された場合（ステップＳ２０１：ＹＥＳ）、コントローラ１７０は、バイパス配管１１３に設置されたバイパス用電動ポンプ１１４を作動させるとともに、三方弁１３２の作動を制御して、ガソリンエンジン１３０からの排気ガスが燃料改質器１２０との熱交換に用いられるようにする（ステップＳ２０２）。電動ポンプ１１４の作動により、バイパス配管１１３を介してガソリンエンジン１３０に未改質ガソリンが供給され、ガソリンエンジン１３０でのガソリン燃焼・動力発生が開始する。燃焼に伴って生成する排気ガスは、燃料改質器１２０の外部近傍を通るように設置された排気管１３１を流通し、燃料改質器１２０との熱交換に用いられる。その結果、燃料改質器１２０の温度が上昇を開始する。
【００６７】
このように、システムの始動時には未改質ガソリンのみがガソリンエンジン１３０に供給されることで、改質ガソリンとの混合ガソリンが供給される場合と比較して、オクタン価の比較的大きいガソリンが供給される。その結果、ガソリンエンジン１３０の始動時の高負荷状態においても、エンジンにおけるノッキングの発生が効果的に抑制されうる。
【００６８】
続いて、コントローラ１７０は、バイパス用電動ポンプ１１４の始動からの経過時間ｔが規定値ｔ１以上であるか否かを判断する（ステップＳ２０３）。ここで、規定値ｔ１は、システムの始動時に未改質ガソリンのみの供給によってガソリンエンジン１３０での燃焼・動力発生を行うのに必要な時間である。
【００６９】
検出時間ｔが規定値ｔ１未満である（ｔ＜ｔ１）場合（ステップＳ２０３：ＮＯ）、経過時間ｔがｔ１以上となるまでステップＳ２０３が繰り返される。
【００７０】
経過時間ｔがｔ１以上（ｔ≧ｔ１）となったら（ステップＳ２０３：ＹＥＳ）、コントローラ１７０は、燃料配管１１１に設置された燃料用電動ポンプ１１２を作動させる（ステップＳ２０４）。燃料用電動ポンプ１１２の作動により、燃料配管１１１を介して燃料改質器１２０の燃料極２０１にガソリンが供給される。これにより、燃料改質器１２０における改質（すなわち、ガソリンに含まれる炭化水素成分の部分酸化反応（反応式１））が開始する。改質の進行に伴い、燃料改質器１２０の温度上昇は加速する。
【００７１】
続いて、温度計１２２により燃料改質器１２０の温度Ｔが検出される（ステップＳ２０５）。そして、検出温度Ｔが規定値Ｔ１以上であるか否かが判断される（ステップＳ２０６）。規定値Ｔ１は、燃料改質器１２０における部分酸化反応が効率的に進行するのに十分な温度であり、本実施形態においては１００〜４００℃程度である。
【００７２】
検出温度Ｔが規定値Ｔ１未満である（Ｔ＜Ｔ１）場合（ステップＳ２０６：ＮＯ）、燃
料改質器１２０の昇温が不十分であると判断され、検出温度ＴがＴ１以上となるまで、燃料改質器１２０の温度の検出・判断（ステップＳ２０５およびステップＳ２０６）が繰り返される。
【００７３】
一方、検出温度Ｔが規定値Ｔ１以上（Ｔ≧Ｔ１）となったら（ステップＳ２０６：ＹＥＳ）、もはや燃料改質器１２０を加熱する必要がないため、コントローラ１７０は、三方弁１３２の作動を制御して、ガソリンエンジン１３０からの排気ガスが燃料改質器１２０との熱交換に用いられないように、すなわち、そのまま系外へと排出されるようにする（ステップＳ２０７）。これにより、本ルーチンは終了する。
【００７４】
以上、ガソリンエンジンシステム１００の始動時において、燃料改質器１２０が十分に昇温したか否かの判断基準として、温度計１２２により検出される検出温度（燃料改質器１２０の温度）を採用した場合を例に挙げて、始動時の制御ルーチンを説明したが、当該判断基準として、電流計（充放電回路１８１）により検出される検出電流（燃料改質器１２０を流れる電流）を採用してもよい。かような場合にも、同様の制御ルーチンによってシステムの始動制御が可能である。
【００７５】
本実施形態において、コントローラ１７０、充放電回路１８１および二次電池１８２は、燃料改質器１２０を流れる電流の方向を切り替えるための電流切替手段としても機能する。すなわち、本実施形態では、コントローラ１７０が充放電回路１８１および二次電池１８２の作動を制御することによって、燃料改質器１２０を流れる電流の方向を、改質が進行する方向（図２における「電流」の矢印の方向）と、改質が阻害される方向（図２における「電流」の矢印の方向とは逆の方向）とで切り替えることが可能である。上述したように、燃料改質器１２０における改質の進行時に、電極積層体２００には改質が進行する方向に電流が流れている。これに対し、コントローラ１７０が外部回路１８０の作動を制御して、瞬間的に電極積層体２００に強制的に逆方向の電流を流す（すなわち、燃料改質器１２０を流れる電流の方向を切り替える）と、プロトン伝導体２０２の内部をプロトンが空気極２０３から燃料極２０１へと逆流する。その結果、燃料極２０１の表面が一時的に還元状態となり、炭化水素成分の炭化によって燃料極２０１の表面に付着していた炭素成分が還元されて除去されうる。
【００７６】
以下、本実施形態のガソリンエンジンシステム１００のコントローラ１７０による制御ルーチンについて、特に燃料改質器１２０に所定量のガソリンが供給されるごとに、燃料改質器１２０を流れる電流の方向を切り替えて、燃料極２０１に付着した炭素成分を除去する制御ルーチンを説明する。
【００７７】
図６は、燃料改質器１２０における電流方向切り替え時のガソリンエンジンシステム１００の動作を示すフローチャートである。
【００７８】
まず、コントローラ１７０は、ガソリンエンジンシステム１００が作動しているか否かを判断する（ステップＳ３０１）。システムが作動していない場合（ステップＳ３０１：ＮＯ）、本ルーチンは終了する。
【００７９】
システムが作動している場合（ステップＳ３０１：ＹＥＳ）、コントローラ１７０は、燃料用電動ポンプ１１２の開度の時間による積分値から、前回の電流切り替え処理の終了後に燃料改質器１２０に供給されたガソリンの量（供給ガソリン量）Ｆを算出する（ステップＳ３０２）。なお、システム作動後電流切り替え処理を行う前に算出される供給ガソリン量Ｆは、システム作動後に燃料改質器１２０に供給されたガソリンの量である。次いで、算出された供給ガソリン量Ｆが規定値Ｆ１以上であるか否かが判断される（ステップＳ３０３）。規定値Ｆ１は、電流切り替え処理によって除去する必要がある程度の炭素成
分が燃料極２０１表面に付着しうる供給ガソリン量である。
【００８０】
供給ガソリン量Ｆが規定値Ｆ１未満である（Ｆ＜Ｆ１）場合（ステップＳ３０３：ＮＯ）、供給ガソリン量ＦがＦ１以上となるまでステップＳ３０２およびステップＳ３０３が繰り返される。
【００８１】
供給ガソリン量ＦがＦ１以上（Ｆ≧Ｆ１）となったら（ステップＳ３０３：ＹＥＳ）、コントローラ１７０は、外部回路１８０（充放電回路１８１および二次電池１８２）の作動を制御して、燃料改質器１２０を流れる電流の方向を、改質が進行する方向から改質が阻害される方向へと切り替える（ステップＳ３０４）。これにより、上述したメカニズムによって、燃料極２０１表面に付着した炭素成分が還元・除去される。
【００８２】
続いて、コントローラ１７０は、電流切り替えからの経過時間ｔが規定値ｔ２以上であるか否かを判断する（ステップＳ３０５）。ここで、規定値ｔ２は、電流切り替えによって燃料極２０１に付着した炭素成分を還元・除去するのに必要な時間である。
【００８３】
経過時間ｔが規定値ｔ２未満である（ｔ＜ｔ２）場合（ステップＳ３０５：ＮＯ）、経過時間ｔがｔ２以上となるまでステップＳ３０５が繰り返される。
【００８４】
経過時間ｔがｔ２以上（ｔ≧ｔ２）となったら（ステップＳ３０５：ＹＥＳ）、コントローラ１７０は、外部回路１８０（充放電回路１８１および二次電池１８２）の作動を制御して、電流切り替え処理を停止し、切り替え処理前の状態に戻す（ステップＳ３０６）。その後、ステップＳ３０１に戻って本ルーチンが繰り返される。
【００８５】
以上、燃料改質器１２０を流れる電流の方向を切り替えることにより、燃料極２０１に付着した炭素成分を除去する場合を例に挙げて本実施形態における制御を説明したが、他の手段によって、燃料極２０１に付着した炭素成分を除去することも可能である。
【００８６】
例えば、上述したように燃料改質器１２０における電極（燃料極２０１および空気極２０３）を入れ替えることによって、燃料極２０１に付着した炭素成分を除去してもよい。かような電極の入れ替えによって炭素成分の除去を行う場合には、一定時間ごとに電極の入れ替えを行ってもよいし、いずれの電極を主として燃料極・空気極として機能させるかを固定しておき、一時的に電極の入れ替えを行って炭素成分の除去を行い、その後電極の入れ替え前の状態に戻すという形態を採用してもよい。後者の場合には、図６と同様の制御ルーチンによってシステムの作動制御が可能である。
【００８７】
あるいは、コントローラ１７０が三方弁１４２および水用電動ポンプ１４３の作動を制御して、燃料改質器１２０に供給されるガソリンに水を添加することによって、燃料極２０１に付着した炭素成分を除去してもよい。かような手段によって炭素成分の除去を行う場合には、常に水を供給し続けてもよいし、間欠的に水の添加を行ってもよい。後者の場合には、図６と同様の制御ルーチンによってシステムの作動制御が可能である。
【００８８】
さらには、燃料改質器１２０に供給されるガソリンの流量を一時的に増加させることによって、燃料極２０１表面に付着した炭素成分を物理的に除去することも可能である。
【００８９】
本実施形態において、改質燃料サブタンク１５０は、改質ガソリンを貯留するための改質ガソリン貯留手段として機能する。かような形態によれば、改質燃料サブタンク１５０にある程度の改質ガソリンが貯留された状態でシステムを再始動することで、再始動時に即座に所望の組成（改質ガソリン＋未改質ガソリン）のガソリンをガソリンエンジン１３０へと供給することができる。その結果、エンジンにおけるガソリンの燃焼状態をより一
層きめ細かく制御することが可能となる。また、システムの応答性も大きく向上しうる。さらに、燃料改質器１２０を常に作動させておく必要がなくなるため、燃料改質器１２０の耐久性の向上にも有効に寄与しうる。
【００９０】
本実施形態のガソリンエンジンシステム１００は、改質燃料サブタンク１５０における貯留改質ガソリン量に応じて、燃料改質器１２０における改質の作動・停止を制御可能である。以下、本実施形態のガソリンエンジンシステム１００のコントローラ１７０による制御ルーチンについて、改質燃料サブタンク１５０における貯留改質ガソリン量に応じて、燃料改質器１２０における改質の作動・停止を制御する制御ルーチンを説明する。なお、以下の制御ルーチンにおいて、改質燃料サブタンク１５０からは常に一定量の改質ガソリンがガソリンエンジン１３０へと供給されているものとし、燃料用電動ポンプ１１２が作動して燃料改質器１２０における改質が作動している場合に、これに伴って改質燃料サブタンク１５０へと供給される改質ガソリンの流量は、改質燃料サブタンク１５０からガソリンエンジン１３０へと供給される改質ガソリンの流量よりも大きいものとする。ただし、かような運転形態のみに本発明の技術的範囲が制限されるわけではない。
【００９１】
図７は、燃料改質器１２０における改質の作動・停止切り替え時のガソリンエンジンシステム１００の動作を示すフローチャートである。
【００９２】
まず、コントローラ１７０は、ガソリンエンジンシステム１００が作動しているか否かを判断する（ステップＳ４０１）。システムが作動していない場合（ステップＳ４０１：ＮＯ）、本ルーチンは終了する。
【００９３】
システムが作動している場合（ステップＳ４０１：ＹＥＳ）、貯留量センサ１５１により改質燃料サブタンク１５０における改質ガソリン貯留量Ｓが検出される（ステップＳ４０２）。そして、検出された改質ガソリン貯留量Ｓが規定値（第１所定値）Ｓ１以下であるか否かが判断される（ステップＳ４０３）。規定値Ｓ１は、貯留量Ｓが減少した場合に、貯留量の減少に伴って燃料改質器１２０における改質を作動させるための貯留量である。
【００９４】
改質ガソリン貯留量Ｓが規定値Ｓ１以下である（Ｓ≦Ｓ１）場合（ステップＳ４０３：ＹＥＳ）、コントローラ１７０は、燃料用電動ポンプ１１２を作動させて、ガソリンタンク１１０に貯留しているガソリンを燃料改質器１２０へと流通させる（ステップＳ４０４）。
【００９５】
以上のような制御により、燃料改質器１２０における改質の進行に伴って改質燃料サブタンク１５０における改質ガソリン貯留量Ｓが増加し、常に所定量（Ｓ１）以上の改質ガソリンが改質燃料サブタンク１５０に確保されることになる。その結果、ガソリンエンジン１３０におけるより精密な燃焼制御が可能となり、システムの応答性も向上しうる。
【００９６】
一方、改質ガソリン貯留量Ｓが規定値Ｓ１より大きい（Ｓ＞Ｓ１）場合（ステップＳ４０３：ＮＯ）、続いて、改質ガソリン貯留量Ｓが規定値（第２所定値）Ｓ２以上であるか否かが判断される（ステップＳ４０５）。規定値Ｓ２は、貯留量Ｓが増加した場合に、貯留量の増加に伴って燃料改質器１２０における改質を停止させるための貯留量である。
【００９７】
改質ガソリン貯留量Ｓが規定値Ｓ２より小さい（Ｓ＜Ｓ２）場合（ステップＳ４０５：ＮＯ）、ステップＳ４０１に戻って本ルーチンが繰り返される。
【００９８】
一方、改質ガソリン貯留量Ｓが規定値Ｓ２以上である（Ｓ≧Ｓ２）場合（ステップＳ４０５：ＹＥＳ）、コントローラ１７０は、燃料用電動ポンプ１１２の作動を停止させて、
燃料改質器１２０へのガソリンの流通を停止させる（ステップＳ４０６）。
【００９９】
以上のような制御により、燃料改質器１２０における改質の停止と改質ガソリンの消費に伴って改質燃料サブタンク１５０における改質ガソリン貯留量Ｓが減少する。その結果、改質燃料サブタンク１５０のオーバーフローが防止され、システムの安全性が確保されうる。また、改質燃料サブタンク１５０にある程度の改質ガソリンが貯留している場合には燃料改質器１２０を休止させることが可能となるため、燃料改質器１２０の耐久性が向上しうる。
【０１００】
以上、燃料改質器１２０を構成する電極積層体２００の最外層の燃料極２０１と空気極２０３とが外部回路１８０により電気的に接続される形態を例に挙げて、本実施形態のガソリンエンジンシステム１００を説明したが、本発明においては、燃料改質器１２０は外部回路に接続されていなくてもよい。かような場合においては、燃料改質器１２０を構成するプロトン伝導体２０２が導電性材料を含む。導電性材料の具体的な形態は特に制限されないが、例えば、金、白金、ニッケルなどの金属材料、カーボンなどの炭素材料、酸化スズ、酸化チタン、酸化カルシウム、酸化アルミニウムなどの酸化物材料が挙げられる。これにより、単セル２０４を構成する燃料極２０１と空気極２０３とが、単セル２０４の内部において（すなわち、プロトン伝導体２０２を介して）電気的に接続される。かような形態によれば、外部回路の設置が不要となり、燃料改質器１２０の小型化が図れる。
【０１０１】
また、ここまでは、本発明の内燃機関システムを構成する内燃機関がガソリンエンジンである場合を例に挙げて本発明を詳細に説明したが、内燃機関はガソリンエンジンのような火花点火式内燃機関のみには限定されない。例えば、本発明の内燃機関システムを構成する内燃機関は、ディーゼルエンジンのような自己着火式内燃機関であってもよい。
【０１０２】
例えば、内燃機関がディーゼルエンジンのような自己着火式内燃機関の場合には、燃料としてガソリンに代えて軽油が用いられる。軽油を燃料として用いる場合のエンジンにおける燃焼状態の指標としては、オクタン価に代えてセタン価が用いられる。セタン価は、大きいほど自己着火しやすく、ディーゼルエンジンにおけるアンチノック性に優れる。本発明においては、軽油を燃料改質器１２０において改質する、すなわち、軽油に含まれる炭化水素成分の少なくとも一部を部分酸化することにより、反応式１に従った改質（不飽和化）に伴って、炭化水素成分の融点が低下する（例えば、ヘキサデカン（Ｃ１６Ｈ３４）：１７℃→ヘキサデセン（Ｃ１６Ｈ３２）：４℃）。従って、本発明の内燃機関システムによれば、通常の経由を燃料として用いた場合であっても、寒冷地における凍結の虞が低減されうるという利点も得られる。
【０１０３】
本発明において、内燃機関がディーゼルエンジンである場合には、コントローラは、ディーゼルエンジンの負荷が低負荷から高負荷に変化したときに、ディーゼルエンジンに供給される軽油のセタン価が低負荷時よりも大きくなるように、ディーゼルエンジンに供給される軽油中の部分酸化された炭化水素成分の割合を制御する。具体的には、例えば、燃料配管を経てディーゼルエンジンに供給される軽油（未改質軽油）の流量と、燃料改質器を経てエンジンに供給される軽油（改質軽油）の流量との流量比を、改質軽油の流量が多くなるように電動ポンプを制御することで、上記制御が可能となる。また、燃料改質器の温度を上昇させるか、燃料改質器を流れる電流を大きくすることによっても、上記制御が可能となる。
【０１０４】
本発明の内燃機関システムを構成する内燃機関は、上述したガソリンエンジンやディーゼルエンジンのほか、予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）エンジンであってもよい。かような形態によれば、従来ＨＣＣＩエンジンにおいて課題とされていた着火時期制御が、エンジンに供給される燃料の性状を制御することによって達成されうる。
【０１０５】
（第２実施形態）
第２実施形態では、上記第１実施形態の内燃機関システムを車両駆動用動力発生装置として搭載して車両を構成する。
【０１０６】
参考までに、第１実施形態のガソリンエンジンシステム１００を搭載する自動車３００の概略図を図８に示す。自動車３００に搭載されたガソリンエンジンシステム１００は、上述した特性を有する。このため、別途の加熱手段を設置せずとも、燃料を長期間に亘って所望の改質燃料へときめ細かく改質して内燃機関へと供給することが可能となる。その結果、自動車３００においては広い車内空間が確保され、高出力かつ燃費のよい走行が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガソリンエンジンシステムを示す構成図である。
【図２】図１に示す燃料改質器の主要な構成要素である電極積層体を示す斜視図である。
【図３】本実施形態におけるガソリンおよび空気の流れを説明するための概略図である。
【図４】ガソリンエンジンシステムの動作を示すフローチャートである。
【図５】ガソリンエンジンシステムの始動時の動作を示すフローチャートである。
【図６】燃料改質器における電流方向切り替え時のガソリンエンジンシステムの動作を示すフローチャートである。
【図７】燃料改質器における改質の作動・停止切り替え時のガソリンエンジンシステムの動作を示すフローチャートである。
【図８】内燃機関システムを搭載する自動車の概略図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１００    ガソリンエンジンシステム、
１１０  ガソリンタンク、
１１１    燃料配管、
１１１ａ  第１燃料配管、
１１１ｂ  第２燃料配管、
１１２    燃料用電動ポンプ、
１１３    バイパス配管、
１１４    バイパス用電動ポンプ、
１１５    三方弁、
１２０    燃料改質器、
１２１、１２１ａ、１２１ｂ    改質燃料配管、
１２２    温度計、
１２３ａ    第１入口ポート、
１２３ｂ    第２入口ポート、
１２４ａ    第１出口ポート、
１２４ｂ    第２出口ポート、
１２５ａ、１２５ｂ、１２７    三方弁、
１２６ａ、１２６ｂ    排気管、
１３０    ガソリンエンジン、
１３１    排気管、
１３２    三方弁、
１３３    ノッキングセンサ、
１４０    水タンク、
１４１    水配管、
１４２    三方弁、
１４３    水用電動ポンプ、
１５０    改質燃料サブタンク、
１５１    貯留量センサ、
１６０    ブロワ、
１６１    空気配管、
１６１ａ    第１空気配管、
１６１ｂ    第２空気配管、
１６２    三方弁、
１７０    コントローラ、
１８０    外部回路、
１８１    充放電回路、
１８２    二次電池、
２００    電極積層体、
２０１    燃料極、
２０２    プロトン伝導体、
２０３    空気極、
２０４    単セル、
２０５    セパレータ、
２０６    ガソリン流路、
２０７    空気流路、
３００    自動車。
【図１】
2009091916.tif 000005
【図２】
2009091916.tif 000006
【図３】
2009091916.tif 000007
【図４】
2009091916.tif 000008
【図５】
2009091916.tif 000009
【図６】
2009091916.tif 000010
【図７】
2009091916.tif 000011
【図８】
2009091916.tif 000012