(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質用燃料から水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器において、改質反応部に導入される改質用燃料と空気との空燃比を検出する空燃比検出手段の信号と、空燃比と改質反応部の到達温度との温度相関マップとに基づいて、燃料改質器に供給される改質用燃料と空気との混合比を制御することによって、改質反応部の温度を制御し、前記温度相関マップは、燃料改質器への燃料供給量に応じて複数用意し、その燃料供給量に応じて選択することを特徴とする燃料改質器の温度制御方法。
【請求項２】
改質用燃料から水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器において、改質反応部に導入される改質用燃料と空気との空燃比を検出する空燃比検出手段の信号と、空燃比と改質反応部の到達温度との温度相関マップと、改質反応部に設置された温度検出手段の信号とに基づいて、燃料改質器に供給される改質用燃料と空気との混合比を制御することによって、改質反応部の温度を制御し、前記温度相関マップは、燃料改質器への燃料供給量に応じて複数用意し、その燃料供給量に応じて選択することを特徴とする燃料改質器の温度制御方法。
【請求項３】
前記改質用燃料と空気との混合比を、前記空燃比検出手段の信号と前記温度相関マップとに基づいて制御してから所定の時間が経過した後に、前記温度検出手段の信号に基づいて補正制御するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の燃料改質器の温度制御方法。
【請求項４】
前記所定の時間は、前記空燃比検出手段の信号と前記温度相関マップとに基づく混合比の制御に伴う前記改質反応部での反応が終了するまでの時間であることを特徴とする請求項３に記載の燃料改質器の温度制御方法。
【請求項５】
前記改質反応部での反応が終了するまでの時間は、前記空燃比検出手段の信号と前記温度相関マップとに基づく混合比の制御から前記改質反応部の温度の単位時間当たりの変化率が基準値以下になるまでの時間であることを特徴とする請求項４に記載の燃料改質器の温度制御方法。
【請求項６】
前記改質用燃料は、炭化水素系燃料と水とにより構成し、前記混合比を、炭化水素系燃料と水の比率に応じて補正することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料改質器の温度制御方法。
【請求項７】
前記混合比の制御は、燃料改質器への空気供給量を制御することによって行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料改質器の温度制御方法。
【請求項８】
前記空燃比検出手段は、酸素濃度の計測手段と、改質用燃料の蒸気濃度の計測手段とを備え、これらの計測値から空燃比を算出することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の燃料改質器の温度制御方法。
【請求項９】
前記空燃比検出手段は、空気流量の計測手段と、改質用燃料流量の計測手段とを備え、これらの計測値から空燃比を算出することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の燃料改質器の温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質用燃料から水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器の温度制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料改質器の温度制御方法として、例えば特開平１１−１３０４０３号の例がある。これは、改質反応部に設置した温度センサの信号を基に改質用燃料、空気の流量を調整することによって、触媒等からなる改質反応部の温度を所定温度に制御するという方法を採っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料改質器の温度制御方法を、車載用燃料電池等の比較的小型軽量で廉価な燃料改質システムに適用しようとした場合、温度センサによる温度検出の応答が遅いため、負荷の急激な変化（供給される改質用燃料の流量の変化）に対して、改質反応部の温度を応答良く制御することは難しく、改質用燃料の流量が急増した場合、触媒の温度の過昇温によって触媒の劣化を招いたり、燃料電池の性能低下の原因となるＣＯガスの生成をもたらし、また流量が急減した場合、触媒の温度の低下によって反応が進まず、未反応ガスを生じる等の問題があった。
【０００４】
本発明は、このような問題点を解決することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、改質用燃料から水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器において、改質反応部に導入される改質用燃料と空気との空燃比を検出する空燃比検出手段の信号と、空燃比と改質反応部の到達温度との温度相関マップとに基づいて、燃料改質器に供給される改質用燃料と空気との混合比を制御することによって、改質反応部の温度を制御し、前記温度相関マップは、燃料改質器への燃料供給量に応じて複数用意し、その燃料供給量に応じて選択する。
【０００６】
第２の発明は、改質用燃料から水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器において、改質反応部に導入される改質用燃料と空気との空燃比を検出する空燃比検出手段の信号と、空燃比と改質反応部の到達温度との温度相関マップと、改質反応部に設置された温度検出手段の信号とに基づいて、燃料改質器に供給される改質用燃料と空気との混合比を制御することによって、改質反応部の温度を制御し、前記温度相関マップは、燃料改質器への燃料供給量に応じて複数用意し、その燃料供給量に応じて選択する。
【０００７】
第３の発明は、第２の発明において、前記改質用燃料と空気との混合比を、前記空燃比検出手段の信号と前記温度相関マップとに基づいて制御してから所定の時間が経過した後に、前記温度検出手段の信号に基づいて補正制御するようにした。
【０００８】
第４の発明は、第３の発明において、前記所定の時間は、前記空燃比検出手段の信号と前記温度相関マップとに基づく混合比の制御に伴う前記改質反応部での反応が終了するまでの時間である。
【０００９】
第５の発明は、第２の発明において、前記改質反応部での反応が終了するまでの時間は、前記空燃比検出手段の信号と前記温度相関マップとに基づく混合比の制御から前記改質反応部の温度の単位時間当たりの変化率が基準値以下になるまでの時間である。
【００１１】
第６の発明は、第１〜第５の発明において、前記改質用燃料は、炭化水素系燃料と水とにより構成し、前記混合比を、炭化水素系燃料と水の比率に応じて補正する。
【００１２】
第７の発明は、第１〜第６の発明において、前記混合比の制御は、燃料改質器への空気供給量を制御することによって行う。
【００１３】
第８の発明は、第１〜第７の発明において、前記空燃比検出手段は、酸素濃度の計測手段と、改質用燃料の蒸気濃度の計測手段とを備え、これらの計測値から空燃比を算出する。
【００１４】
第９の発明は、第１〜第７の発明において、前記空燃比検出手段は、空気流量の計測手段と、改質用燃料流量の計測手段とを備え、これらの計測値から空燃比を算出する。
【００１５】
【発明の効果】
第１の発明では、改質用燃料と空気との空燃比に対する改質反応部の到達温度の温度相関マップを基に、燃料改質器に供給される改質用燃料と空気との混合比を制御することによって、起動時、急加減速時等の急峻な応答にも対応した燃料改質器の温度制御ができる。また、温度相関マップを燃料供給量に応じて複数用意して、燃料供給量に応じて選択するので、燃料流量が変化しても、燃料改質器の温度を適正範囲内に制御することができる。
【００１６】
第２、第３の発明では、第１の発明のように温度相関マップを基に混合比を制御したとしても、実際の温度が何らかの要因(触媒の劣化等)で適正範囲内に入らなかった場合には、燃料改質器の温度は適正に制御されない場合があるが、改質反応部の温度を併せて測定することによって、起動時、急加減速時等の急峻な応答に対応した後の改質反応部の温度を正確に把握して、温度を正確に制御でき、燃料改質器の温度制御精度を向上できる。特に、第３の発明では、混合比を温度相関マップに基づいて制御してから所定の時間が経過した後に、温度検出手段の信号に基づいて補正制御することによって、燃料改質器の温度が安定した状態で適正温度に正確に制御することができる。また、第２の発明では、温度相関マップを燃料供給量に応じて複数用意して、燃料供給量に応じて選択するので、燃料流量が変化しても、燃料改質器の温度を適正範囲内に制御することができる。
【００１７】
第４の発明では、前記所定の時間を、温度相関マップに基づく混合比の制御に伴う改質反応部での反応が終了するまでの時間とするので、燃料改質器の温度を一層正確に制御することができる。
【００１８】
第５の発明では、前記改質反応部での反応が終了する時間を、温度検出手段による温度検出値の単位時間当たりの変化率から検出することができる。
【００２０】
第６の発明では、炭化水素系燃料と水の比率に対応して、燃料改質器の温度を適正範囲内に制御することができる。
【００２１】
第７の発明では、燃料と空気の混合比を空気供給量によって制御でき、制御が容易である。
【００２２】
第８、第９の発明では、空燃比の検出手段を具現化できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１、図２は、本発明の第１の実施の形態の概略構成と、その温度制御シーケンスを示す図である。
【００２５】
まず、図１のように燃料改質器１０のケーシング１１には触媒等からなる改質反応部１が装填されている。
【００２６】
燃料改質器１０の改質反応部１上流のケーシング１１には、改質反応部１に原料（改質用燃料）と空気との混合気を供給するための混合気供給ライン１２が接続されている。
【００２７】
混合気供給ライン１２の上流には、原料供給ライン１３より供給される原料と、空気供給ライン１４より供給される空気とを混合して混合気を生成する混合部１５が設けられている。
【００２８】
原料供給ライン１３には、原料供給ライン１３を介して混合部１５に原料を供給すると共に、原料供給量を調整するための原料供給装置１６が配置され、空気供給ライン１４には、図示しない空気供給源から空気供給ライン１４を介して混合部１５に供給する空気の流量を調整するための流量調整装置１７が設置されている。
【００２９】
原料としては、炭化水素系燃料（メタノール、エタノール、石油等）と水が用いられ、これらは原料供給装置１６より所定の割合で供給されると共に、蒸気にされて混合部１５にて空気と混合される。
【００３０】
この混合部１５にて生成された原料と空気との混合気の空燃比を検出するための空燃比検出手段が設けられる。
【００３１】
この空燃比検出手段としては、混合気供給ライン１２の混合部１５の下流に空燃比検出器１８を設置して混合気の空燃比を検出するもの、あるいは原料供給装置１６よりの原料供給量および流量調整装置１７よりの空気供給量を基に混合気の空燃比を検出するもの等が用いられる。
【００３２】
例えば、空燃比検出器１８を設置して混合気の空燃比を検出するものには、混合気の酸素濃度を計測する検出器（自動車用エンジンに使用される空燃比センサ）と原料の蒸気濃度を計測する検出器とが用いられ、これらの酸素濃度信号と蒸気濃度信号がコントローラ２０に入力され、コントローラ２０により酸素濃度から空気量を、蒸気濃度から原料量を求めて空燃比が算出される。
【００３３】
また、原料供給量および空気供給量を基に混合気の空燃比を検出するものの場合には、図示しないが、原料流量を計測する検出器および空気流量を計測する検出器が設けられ、これらの信号がコントローラ２０に入力され、コントローラ２０により原料流量および空気流量を基に空燃比が算出される。
【００３４】
原料供給装置１６、流量調整装置１７はコントローラ２０によって制御される。即ち、コントローラ２０によって、外部からの信号（車両等の運転信号）等に基づく燃料改質器１０の改質ガスの要求生成量に応じて、原料供給装置１６よりの原料供給量ならびに流量調整装置１７よりの空気供給量が制御されると共に、改質反応部１の温度を適正範囲に保つように、空燃比検出手段の出力に応じて、流量調整装置１７よりの空気供給量が調整制御される。
【００３５】
次に、図２に示す制御フローチャートにしたがって燃料改質器１０の温度制御動作を説明する。
【００３６】
外部からの運転信号入力により、この制御フローに入る。
【００３７】
ステップ１０では、外部からの改質ガスの要求生成量に応じて制御する原料供給装置１６の制御値から原料供給量を読み込む。また、その要求生成量に応じて流量調整装置１７を制御する。
【００３８】
ステップ２０では、原料供給量に応じた、原料と空気との空燃比と、改質反応部１の到達温度との関係を表す温度相関マップを選択する。
【００３９】
この温度相関マップは、空燃比と、その空燃比の混合気の改質を行った場合に、到達する改質反応部１の到達温度との関係を実験等によって求めたもので、原料供給量が異なると発熱量が変わるため、原料供給量に応じて温度相関マップを複数用意して、複数の温度相関マップの中から原料供給量に応じて選択する。
【００４０】
ステップ３０では、空燃比検出手段の信号を取り込み、原料と空気との空燃比を読み込む。
【００４１】
ステップ４０では、ステップ２０で選択した温度相関マップと、ステップ３０で読み込んだ空燃比とから、改質反応部１の到達温度を計算する。
【００４２】
ステップ４０中の温度相関マップは、所定範囲における空燃比と改質反応部１の到達温度との関係を示したもので、このマップの場合、改質反応部１が適正温度になる空燃比に対して、空燃比が小さいときほど到達温度は低く、空燃比が大きくなるほど到達温度は高くなる特性となっている。
【００４３】
ステップ５０では、ステップ４０で計算した温度が改質反応部１の適正温度かどうかを判断する。適正範囲である場合、制御フローを終了する。適正範囲でない場合、次のステップに進む。
【００４４】
ステップ６０では、ステップ２０で選択した温度相関マップから、改質反応部１が適正温度になる空燃比を割り出し、その空燃比を基に必要な空気量を計算する。
【００４５】
ステップ７０では、流量調整装置１７の空気流量をステップ６０で計算した値に調整するように、流量調整装置１７を制御する。
【００４６】
これらの処理は、燃料改質器１０の運転が終了するまで、繰り返す。
【００４７】
このように、原料と空気との空燃比に対する改質反応部１の到達温度の関係を表す温度相関マップを基に、改質反応部１に供給される原料と空気との混合比を制御するので、負荷の急激な変化（供給される原料の流量の変化）に対して、改質反応部１の温度を応答良く適正温度に制御することができる。
【００４８】
したがって、起動時、急加減速時等、原料流量が急増した場合、改質反応部１の温度の過昇温によって、触媒の劣化やＣＯガスの生成を招くことはなく、また原料流量が急減した場合、触媒の温度の低下によって、反応が進まずに未反応ガスを生じるといったことを防止できる。
【００４９】
また、温度相関マップを原料供給量に応じて複数用意して、複数の温度相関マップの中から原料供給量に応じて選択するので、原料流量が変化しても、改質反応部１の温度を適正範囲内に制御することができる。
【００５０】
一方、原料の炭化水素系燃料と水の比率は、通常一定の割合（例えば、１：１．５）に設定するが、これらの比率が変わった場合、改質反応部１の到達温度が変わるため、温度相関マップも変わってくる。このため、このような炭化水素系燃料と水の比率に対して、前述の温度相関マップの改質反応部１の到達温度に対する空燃比の補正値を求め、この補正値に応じて原料と空気との混合比を補正制御するようにすれば、炭化水素系燃料と水の比率に対応することができ、改質反応部１の温度を適正範囲内に制御することができる。また、この場合炭化水素系燃料と水の比率に応じて複数の温度相関マップを用意して、原料と空気との混合比を制御するようにしても良い。
【００５１】
また、原料と空気との混合比を空気量によって制御するので、制御が容易である。
【００５２】
図３、図４は、本発明の第２の実施の形態を示す。これは、改質反応部１の温度を検出する温度検出手段（温度センサ）３０を設け、前述の第１の実施の形態のように、原料と空気との空燃比と、改質反応部１の到達温度との温度相関マップを基に、改質反応部１に供給される原料と空気との混合比を制御すると共に、その温度検出手段３０の温度検出値に基づき、改質反応部１に供給される原料と空気との混合比を補正制御するものである。なお、前図１と同一の部分には同符号を付してある。
【００５３】
次に、図４に示す制御フローチャートにしたがって燃料改質器１０の温度制御動作を説明する。なお、ステップ５０を除くステップ１０からステップ７０までは、前図２と同一である。
【００５４】
即ち、ステップ１０では、外部からの改質ガスの要求生成量に応じて制御する原料供給装置１６の制御値から原料供給量を読み込む。また、その要求生成量に応じて流量調整装置１７を制御する。
【００５５】
ステップ２０では、原料供給量に応じた、原料と空気との空燃比と、改質反応部１の到達温度との関係を表す温度相関マップを選択する。
【００５６】
ステップ３０では、空燃比検出手段の信号を取り込み、原料と空気との空燃比を読み込む。
【００５７】
ステップ４０では、ステップ２０で選択した温度相関マップと、ステップ３０で読み込んだ空燃比とから、改質反応部１の到達温度を計算する。
【００５８】
ステップ５０では、ステップ４０で計算した温度が改質反応部１の適正温度かどうかを判断する。適正範囲である場合、ステップ８０に進む。適正範囲でない場合、次のステップに進む。
【００５９】
ステップ６０では、ステップ２０で選択した温度相関マップから、改質反応部１が適正温度になる空燃比を割り出し、その空燃比を基に必要な空気量を計算する。
【００６０】
ステップ７０では、流量調整装置１７の空気流量をステップ６０で計算した値に調整するように、流量調整装置１７を制御する。
【００６１】
そして、ステップ８０では、温度検出手段３０の温度検出値が改質反応部１の適正温度にあるかどうかを判断する。適正範囲である場合、次のステップに進む。適正範囲でない場合、ステップ９０に進み、温度検出手段３０の温度検出値に基づいて流量調整装置１７の空気流量を計算する。
【００６２】
これらの処理は、燃料改質器１０の運転が終了するまで、繰り返す。
【００６３】
このようにすれば、改質反応部１の温度を正確に把握して、改質反応部１の温度を正確に適正温度に制御することができ、改質反応部１の温度制御精度を向上できる。
【００６４】
図５は、本発明の第３の実施の形態を示す。これは、原料と空気との空燃比と、改質反応部１の到達温度との温度相関マップを基に、改質反応部１に供給される原料と空気との混合比を制御してから所定時間が経過した後に、その温度検出手段３０の温度検出値に基づき、改質反応部１に供給される原料と空気との混合比を補正制御するものである。なお、概略構成は前図２と同一である。
【００６５】
図５の制御フローチャートにしたがって燃料改質器１０の温度制御動作を説明する。なお、ステップ５０を除くステップ１０からステップ７０までは、前図２と同一である。
【００６６】
即ち、ステップ１０では、外部からの改質ガスの要求生成量に応じて制御する原料供給装置１６の制御値から原料供給量を読み込む。また、その要求生成量に応じて流量調整装置１７を制御する。
【００６７】
ステップ２０では、原料供給量に応じた、原料と空気との空燃比と、改質反応部１の到達温度との関係を表す温度相関マップを選択する。
【００６８】
ステップ３０では、空燃比検出手段の信号を取り込み、原料と空気との空燃比を読み込む。
【００６９】
ステップ４０では、ステップ２０で選択した温度相関マップと、ステップ３０で読み込んだ空燃比とから、改質反応部１の到達温度を計算する。
【００７０】
ステップ５０では、ステップ４０で計算した温度が改質反応部１の適正温度かどうかを判断する。適正範囲である場合、ステップ１２０に進む。適正範囲でない場合、次のステップに進む。
【００７１】
ステップ６０では、ステップ２０で選択した温度相関マップから、改質反応部１が適正温度になる空燃比を割り出し、その空燃比を基に必要な空気量を計算する。
【００７２】
ステップ７０では、流量調整装置１７の空気流量をステップ６０で計算した値に調整するように、流量調整装置１７を制御する。
【００７３】
そして、ステップ１１０では、温度検出手段３０の温度検出値に基づく温度制御を開始するまでの所定時間を計算する。この所定時間は、ステップ７０で空気流量を調整してから、その調整に伴う改質反応部１での反応の変化が終了するまでの時間、即ち単位時間当たりの改質反応部１の温度変化が基準値以内にサチレートするのに要する時間である。この所定時間は、改質反応部１の空気流量の変化に基づいて、例えば予め実験的に求められた所定時間のマップ等を参照して求める。
【００７４】
ステップ１２０では、前記所定時間が経過する前に改質反応部１の温度が適正範囲内に入ったかどうかを、ステップ１３０では、所定時間が経過したかどうかを判断する。前記所定時間が経過する前に改質反応部１の温度が適正範囲内に入った場合は、後に続く温度制御を行う必要がないので、制御を終了する。所定時間経過しても温度が適正範囲に入っていない場合には、ステップ１４０に進む。
【００７５】
そして、ステップ１４０では、温度検出手段３０の温度検出値に基づいて流量調整装置１７の空気流量を調整し、ステップ１５０で温度検出手段３０の温度検出値が適正範囲に入った場合には、制御を終了する。
【００７６】
このようにすれば、温度相関マップに基づいて応答性良く空気供給量を調整した後、その調整に伴う改質反応部１での反応の変化が終了して、改質反応部１の温度が安定した状態で、温度検出手段３０によって改質反応部１の実際の温度に基づき、改質反応部１の温度制御を一層精度良く行うことができる。また、触媒の劣化等により、あらかじめ用意した空燃比と温度の相関マップにより求めた温度がずれたとしても、正確に温度制御することができる。
【００７７】
なお、この実施の形態では、前記所定時間を計算によって求めるようにしたが、前記所定時間が経過したことを、温度検出手段３０の検出による改質反応部１の単位時間当たりの温度変化に基づき判断することもできる。即ち、改質反応部１の温度の単位時間当たりの変化率が基準値以下になったときに、前記所定時間が経過したと判断できる。これによれば、温度相関マップに基づいて応答性良く空気供給量を調整した後、その調整に伴う改質反応部１での反応の変化の終了を精度良く判断でき、したがって温度検出手段３０による改質反応部１の温度制御に速やかに移行できる。
【００７８】
なお、各実施の形態において、ステップ６０以降の処理中に、原料供給量が急峻に変化した場合は、制御を中断してスタートに戻るためのステップを含ませてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】その制御内容を示すフローチャートである。
【図３】第２の実施の形態を示す概略構成図である。
【図４】その制御内容を示すフローチャートである。
【図５】第３の実施の形態を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  改質反応部
１０  燃料改質器
１２  混合気供給ライン
１５  混合部
１６  原料供給装置
１７  流量調整装置
１８  空燃比検出器
２０  コントローラ
３０  温度検出手段
【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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