(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料を改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料改質器の制御装置において、
改質用の触媒を収納した改質反応器内の温度を測定する温度測定手段と、
外気の温度を測定する外気温度測定手段と、
前記燃料改質器の運転条件に基づいて前記改質反応器内の温度のうち前記温度測定手段の取付位置の温度を推定する温度推定手段と、
該温度推定手段が推定した測定位置温度推定値と前記温度測定手段による温度測定値との偏差に基づいて、前記改質反応器の劣化の程度を推定する劣化推定手段と、
を備え、
前記温度推定手段は、前記外気温度により測定位置温度推定値を補正することを特徴とする燃料改質器の制御装置。
【請求項２】
前記温度推定手段は、
運転条件と前記劣化の程度に応じた改質反応器の温度特性を格納した複数の温度特性マップを有し、
前記測定位置温度推定値と前記温度測定値との偏差に基づいて前記温度特性マップの選択を変更して、前記温度測定手段の取付位置の温度を推定することを特徴とする請求項１記載の燃料改質器の制御装置。
【請求項３】
前記劣化推定手段は、起動初期状態の時は劣化推定を行なわないことを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料改質器の制御装置。
【請求項４】
前記劣化推定手段は、運転過渡状態の時は劣化推定を行なわないことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の燃料改質器の制御装置。
【請求項５】
前記偏差が第１所定値以上、かつ第２所定値以下の範囲の場合、前記劣化推定手段は経年劣化として判断して、前記温度推定手段は、温度推定方法を正常時の温度推定方法から経年劣化時の温度推定方法に切り替えることを特徴とする請求項１記載の燃料改質器の制御装置。
【請求項６】
前記偏差が第２所定値を超える場合、前記劣化推定手段は異常劣化として判断することを特徴とする請求項１記載の燃料改質器の制御装置。
【請求項７】
異常劣化として判断した時に、燃料改質器の異常を告知する告知手段を備えたことを特徴とする請求項６記載の燃料改質器の制御装置。
【請求項８】
前記燃料改質器が改質した燃料ガスを用いて発電する燃料電池の実セル電圧を検出する電圧検出器と、
燃料電池に対する要求電力に応じた要求セル電圧を算出する要求電圧算出手段と、
前記偏差が第２所定値以下の場合、前記実セル電圧と前記要求セル電圧との差が第３所定値以上であれば、燃料改質器の異常を告知する告知手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料改質器の制御装置。
【請求項９】
前記劣化推定手段による劣化の程度に応じて、前記改質反応器に供給する原燃料の量を制御することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項記載の燃料改質器の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原燃料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質器の制御装置に係り、特に改質器が劣化しても適切な制御が行える燃料改質器の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池用の燃料ガス生成方法として、アルコールやガソリン等の炭化水素系の原燃料から燃料改質により水素リッチな燃料ガスを得る方法が知られている。例えば、特開平１０−１６９９０８号公報には、メタノールを改質して利用する燃料電池が開示されている。この従来技術によれば、原燃料としてのメタノールを蒸発させたメタノール蒸気と、蒸気発生器で発生させた水蒸気と、空気圧縮機で圧縮した空気とを改質反応器に導入し、改質反応により水素リッチな燃料ガスを生成している。この改質反応には、メタノールと空気中の酸素から水素と二酸化炭素を生成する部分酸化反応と、メタノールと水から水素と二酸化炭素を生成する水蒸気改質反応とがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の改質においては、部分酸化反応は発熱反応であり、水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、改質反応器内の温度が一定せず、部分的な温度上昇により改質触媒の劣化が進行し、改質器の性能低下を招くという問題点があった。一度反応器の触媒が劣化してしまうと、その劣化箇所の触媒は二度と活性化しなくなる。さらに劣化した部分を有する触媒のまま改質反応を行なうと、反応器自体の異常劣化や燃費の悪化につながるという問題点があった。
【０００４】
そこで、信頼性向上、燃費向上の為には、劣化を招くような高温にならないように制御するとともに、劣化を推定し、適切に制御を行なう必要があるが、これには、改質器内の温度を測定して目標値を超えないよう制御することが考えられる。
【０００５】
しかし改質反応器の温度分布は、運転条件や経時劣化によっても変化し、ピーク温度位置も変化する。改質反応器の温度を１個の温度計で測定した測定値で制御すると、温度計取付位置がピーク温度になるような運転条件では良いものの、運転条件が変化したり、経時劣化が進むと、温度計取付位置では目標温度以下になっていても他の場所でそれ以上の温度となることが有り得る。
【０００６】
また赤外線カメラ等で改質反応器の温度分布を示す画像を撮影し、この画像信号に基づいて温度制御を行なう手法も考えられるが、これらを実現する上記センサは非常に高価である。また分布定数系センサの代わりに複数の温度センサを用いて改質反応器の温度分布を把握する方法も考えられるが、数十本の温度センサが必要となるとともに制御が複雑化し、コストアップが避けられない。
【０００７】
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、少ない温度計でも劣化時を含め常時ピーク温度を管理することができる改質反応器の制御装置を提供することである。
【０００８】
また本発明の目的は、改質反応器が劣化しても、適切に改質反応器に流入させる燃料を制御し、かつ、性能が維持できない劣化が発見された時は、これを告知することができる改質反応器の制御装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記目的を達成するため、原燃料を改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料改質器の制御装置において、改質用の触媒を収納した改質反応器内の温度を測定する温度測定手段と、外気の温度を測定する外気温度測定手段と、前記燃料改質器の運転条件に基づいて前記改質反応器内の温度のうち前記温度測定手段の取付位置の温度を推定する温度推定手段と、該温度推定手段が推定した測定位置温度推定値と前記温度測定手段による温度測定値との偏差に基づいて、前記改質反応器の劣化の程度を推定する劣化推定手段と、を備え、前記温度推定手段は、前記外気温度により測定位置温度推定値を補正することを要旨とする。
【００１１】
請求項２記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１記載の燃料改質器の制御装置において、前記温度推定手段は、運転条件と前記劣化の程度に応じた改質反応器の温度特性を格納した複数の温度特性マップを有し、前記測定位置温度推定値と前記温度測定値との偏差に基づいて前記温度特性マップの選択を変更して、前記温度測定手段の取付位置の温度を推定することを要旨とする。
【００１２】
請求項３記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１または請求項２記載の燃料改質器の制御装置において、前記劣化推定手段は、起動初期状態の時は劣化推定を行なわないことを要旨とする。
【００１３】
請求項４記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の燃料改質器の制御装置において、前記劣化推定手段は、運転過渡状態の時は劣化推定を行なわないことを要旨とする。
【００１５】
請求項５記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１記載の燃料改質器の制御装置において、前記偏差が第１所定値以上、かつ第２所定値以下の範囲の場合、前記劣化推定手段は経年劣化として判断して、前記温度推定手段は、温度推定方法を正常時の温度推定方法から経年劣化時の温度推定方法に切り替えることを要旨とする。
【００１６】
請求項６記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１記載の燃料改質器の制御装置において、前記偏差が第２所定値を超える場合、前記劣化推定手段は異常劣化として判断することを要旨とする。
【００１７】
請求項７記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項６記載の燃料改質器の制御装置において、異常劣化として判断した時に、燃料改質器の異常を告知する告知手段を備えたことを要旨とする。
【００１８】
請求項８記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１記載の燃料改質器の制御装置において、前記燃料改質器が改質した燃料ガスを用いて発電する燃料電池の実セル電圧を検出する電圧検出器と、燃料電池に対する要求電力に応じた要求セル電圧を算出する要求電圧算出手段と、前記偏差が第２所定値以下の場合、前記実セル電圧と前記要求セル電圧との差が第３所定値以上であれば、燃料改質器の異常を告知する告知手段と、を備えたことを要旨とする。
【００１９】
請求項９記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１ないし請求項８のいずれか１項記載の燃料改質器の制御装置において、前記劣化推定手段による劣化の程度に応じて、前記改質反応器に供給する原燃料の量を制御することを要旨とする。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、原燃料を改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料改質器の制御装置において、改質用の触媒を収納した改質反応器内の温度を測定する温度測定手段と、外気の温度を測定する外気温度測定手段と、前記燃料改質器の運転条件に基づいて前記改質反応器内の温度のうち少なくとも最も高い温度であるピーク温度を推定する温度推定手段と、該温度推定手段が推定した温度推定値と前記温度測定手段による温度測定値との偏差に基づいて、前記改質反応器の劣化の程度を推定する劣化推定手段と、を備え、前記温度推定手段は、前記外気温度により測定位置温度推定値を補正することにより、改質反応器の劣化がその温度の変化として現れることを利用して改質反応器の劣化の程度を推定できるようになり、劣化の程度から運転条件に応じた改質反応器の温度分布を推定できることを利用して、劣化による影響を含めて改質反応器内で最も温度が高いピーク温度が管理温度以下になるように制御することができるようになるので、改質反応器内で異常に高温な部分の発生及びこれによる劣化を防止できるとともに、外気温度の影響を受けやすい改質反応器温度をより正確に推定することができるという効果がある。
【００２２】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記温度推定手段は、運転条件と前記劣化の程度に応じた改質反応器の温度特性を格納した複数の温度特性マップを有し、前記測定位置温度推定値と前記温度測定値との偏差に基づいて前記温度特性マップの選択を変更して、前記温度測定手段の取付位置の温度を推定するようにしたので、前記温度推定手段が簡素な構成になるという効果がある。
【００２３】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の発明の効果に加えて、前記劣化推定手段は、起動初期状態の時は劣化推定を行なわないようにしたので、改質反応器の温度が不安定な起動初期を除いて、劣化判断できるようになり、劣化推定精度が向上するという効果がある。
【００２４】
請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし請求項３記載の発明の効果に加えて、前記劣化推定手段は、運転過渡状態の時は劣化推定を行なわないようにしたので、運転過渡状態で正確に劣化推定を行なうために必要な複雑なモデル、もしくは高密度なマップが不要となり、劣化推定手段の構成を簡略化できるという効果がある。
【００２６】
請求項５記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記偏差が第１所定値以上、かつ第２所定値以下の範囲の場合、前記劣化推定手段は経年劣化として判断して、前記温度推定手段は、温度推定方法を正常時の温度推定方法から経年劣化時の温度推定方法に切り替えるようにしたので、経年劣化後も正確に温度推定を行うことができるという効果がある。
【００２７】
請求項６記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記偏差が第２所定値を超える場合、前記劣化推定手段は異常劣化として判断するようにしたので、異常劣化の早期検出が可能となるという効果がある。
【００２８】
請求項７記載の発明によれば、請求項６記載の発明の効果に加えて、異常劣化として判断した時に、燃料改質器の異常を告知する告知手段を備えたことにより、検出した異常劣化を燃料改質器の運用者に告知することができるという効果がある。
【００２９】
請求項８記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記燃料改質器が改質した燃料ガスを用いて発電する燃料電池の実セル電圧を検出する電圧検出器と、燃料電池に対する要求電力に応じた要求セル電圧を算出する要求電圧算出手段と、前記偏差が第２所定値以下の場合、前記実セル電圧と前記要求セル電圧との差が第３所定値以上であれば、燃料改質器の異常を告知する告知手段と、を備えたことにより、温度に基づく燃料改質器の異常が検出できない場合でも、要求セル電圧と実セル電圧が異なり、燃料改質器の改質処理能力が低下している可能性がある場合には、燃料改質器の異常を検出することができるという効果がある。
【００３０】
請求項９記載の発明によれば、請求項１ないし請求項８記載の発明の効果に加えて、前記劣化推定手段による劣化の程度に応じて、前記改質反応器に供給する原燃料の量を制御するようにしたので、経年劣化があっても改質反応器の負荷能力を最大限まで引き出すことができ、かつ、必要以上の原燃料を流入させないことも可能となったので、劣化による燃費の悪化を防止することができるという効果がある。
【００３１】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る燃料改質器の制御装置を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図であり、原燃料としてメタノールと水と使用し、燃料改質器で生成した水素で発電する燃料電池を動力源とする電気自動車を示している。
【００３２】
図１において、燃料改質器は、蒸発器３と、改質用の触媒を収納した改質反応器１と、一酸化炭素（ＣＯ）除去器８であり、燃料改質器の制御装置は、ＥＣＵ４０である。
【００３３】
まず最初に、ガス経路に従って、上記燃料改質器及び燃料電池本体１２及びその周辺の構成要素を説明し、次に、ＥＣＵ４０で実現される制御装置及びその他の構成要素を説明する。
【００３４】
燃料タンク２３から供給されるメタノールと、水タンク２１から供給される水とは、それぞれ燃料制御装置２２、水流量制御装置２０で流量が制御されて、蒸発器３へ供給される。蒸発器３は、後述する燃焼器１７からの排ガスの熱量を利用して、供給されたメタノールと水とを加熱して蒸発させ、メタノール蒸気と水蒸気とを生成する。メタノール蒸気と水蒸気とは、温度センサ７７で温度が測定されて、改質反応器１へ流入する。
【００３５】
一方、空気供給装置であるコンプレッサ２は、図示しないフィルタを介して取り込んだ空気を圧縮して、燃料電池本体１２の空気極１２ａへ供給すると共に、空気流量調整弁６、１０をそれぞれ介して、改質反応器１、ＣＯ（一酸化炭素）除去器８へ供給する。コンプレッサ２から改質反応器１へ流入する空気流量を調整する空気流量調整弁６の手前には、温度センサ４及び流量センサ５が設けられている。
【００３６】
改質用の触媒を収納した改質反応器１は、蒸発器３から供給されるメタノール蒸気、水蒸気、およびコンプレッサから供給される圧縮空気を利用して、メタノールの部分酸化反応（発熱反応）、水蒸気改質反応（吸熱反応）により、水素と二酸化炭素（ＣＯ2 ）を生成し、これらを含む改質ガスをＣＯ除去器８へ送る。改質反応器１は、改質反応と部分酸化反応で生じたＣＯを燃焼するシフト反応一体型であるが、改質反応器１から出力される水素リッチな改質ガスには多少のＣＯが含まれている。また、改質反応器１には、その内部の温度を測定する温度センサ９が取り付けられている。
【００３７】
ＣＯ除去器８は、改質反応器１から送られた改質ガス中の残留ＣＯをコンプレッサ２からの空気を利用して選択酸化反応（発熱反応）させ、燃料電池本体１２に無害なＣＯ2 に変える。
【００３８】
ＣＯ除去器８でＣＯが除去された改質ガスは、流量センサ２４で流量が測定され、温度センサ１１で温度が測定されて、燃料電池本体１２の水素極１２ｂの入口へ供給される。本実施形態では、ＣＯ除去器８の出口ガス温度は、温度センサ１１が管理温度になるように図示しない冷却装置が冷媒流量を調整する。
【００３９】
一方、燃料電池本体１２の空気極１２ａの入口には、コンプレッサ２で圧縮された空気が供給される。そして、燃料電池本体１２で改質ガス中の水素と空気中の酸素とを利用した電気化学反応により発電が行われ、後述する負荷２６へ直流電力が供給される。
【００４０】
尚、燃料電池本体１２には、図示しない冷却液通路が設けられ、燃料電池本体１２の温度が発電に適切な温度に維持されるように、図示しない冷却装置により冷媒の循環が制御されている。
【００４１】
燃料電池本体１２の空気極１２ａの出口には、その圧力を測定する圧力センサ１５と、圧力調整弁１３を介して燃焼器１７に接続する配管が設けられている。同様に、水素極１２ｂの出口には、その圧力を測定する圧力センサ１６と、圧力調整弁１４を介して燃焼器１７に接続する配管が設けられている。圧力調整弁１３，１４は、それぞれ圧力センサ１５，１６で測定される空気極１２ａの圧力、水素極１２ｂの圧力が制御目標値となるように、後述するＥＣＵ４０により制御される。
【００４２】
燃焼器１７は、空気極１２ａから供給される酸素が残留した排空気と、水素極１２ｂから供給される水素が残留した排改質ガスとが供給され、水素と酸素とを燃焼させて高温の排ガスを生成し、蒸発器３に熱源として供給する一方、余剰の排ガスを車外へ放出できる構成となっている。また、燃焼器１７には、その温度を検出する温度センサ１８が設けられている。
【００４３】
本発明に係る燃料改質器の制御装置であるＥＣＵ４０は、管理温度生成部４１と、空気目標流量および改質ガス目標流量を生成する目標値生成部４２と、コンプレッサ２から空気が供給される各部の空気流量がそれぞれ目標値となるように非干渉制御する非干渉制御部４３と、改質反応器１の温度を制御する温度制御部４４と、運転条件に基づいて改質反応器１内で最も高い温度であるピーク温度を推定する温度推定手段および温度測定手段である温度センサ９の取付位置における温度である測定位置温度を推定する測定位置温度推定手段としての温度推定部４５と、測定位置温度推定値と温度測定値との偏差に基づいて、改質反応器１の劣化の程度を示す劣化推定値を推定する劣化推定手段としての劣化推定部４６と、を備えている。このＥＣＵ４０は、例えば、ＣＰＵと周辺インターフェースを有するマイクロコンピュータで実現される。
【００４４】
管理温度生成部４１では、燃焼器１７の出口に設けられた温度センサ１８が検出する出口ガス温度が目標ガス温度になるように、それぞれ必要とする要求空気流量と、要求燃料流量を算出する。
【００４５】
管理温度生成部４１で算出した空気要求量は目標値生成部４２へ入力して、燃料電池システム全体で必要とする総空気流量を算出する。
【００４６】
目標値生成部４２は、コンプレッサ２から空気が供給される改質反応器１、ＣＯ除去器８及び空気極１２ａのそれぞれの目標流量を算出するとともに、これら目標流量の合計である空気の目標総流量を算出する。また目標値生成部４２は、蒸発器３へ供給する原燃料であるメタノール及び水の目標流量を算出する。
【００４７】
非干渉制御部４３は、改質反応器１、ＣＯ除去器８及び空気極１２ａにおける空気流量がそれぞれ目標値となるように、空気流量制御弁６の開度、空気流量制御弁１０の開度、及びコンプレッサ２の駆動力を制御し、それぞれの空気流量が他の空気流量に影響されないように非干渉制御する。
【００４８】
非干渉制御部４３では、目標値生成部４２で算出した燃料電池システム全体で必要とする空気の目標総流量を受取り、それぞれの流量センサで測定されている空気の流量の合計が目標総流量になるようにコンプレッサ２を制御する。本実施形態では、コンプレッサの回転数を非干渉制御部４３で他の流量、圧力の制御と非干渉になるように制御する。
【００４９】
燃料電池本体１２の空気極１２ａへの空気流量は、総空気流量が目標値に制御されて、改質反応器１への空気流量と、ＣＯ除去器８への空気流量が目標値に制御されるので、燃料電池本体１２の空気極１２ａの空気流量制御用のバルブを設置することなしに目標値を制御することができる。
【００５０】
燃料電池本体１２の空気極１２ａ側の圧力と、水素極１２ｂ側の圧力は非干渉制御部４３で制御する。空気極１２ａ側の目標圧力と、水素極１２ｂ側の目標圧力は、目標値生成部４２で算出され、その目標値を非干渉制御部４３へ入力して、非干渉制御部４３で、圧力センサ１５で測定している空気極１２ａ側の圧力が目標値になるように、圧力調整弁１３の開度を他の空気流量、圧力の制御と非干渉に制御する。
【００５１】
圧力センサ１６で測定している水素極１２ｂ側の圧力が目標値になるように、圧力調整弁１４の開度を他の空気流量、圧力の制御と非干渉に制御する。
【００５２】
温度制御部４４は改質反応器１の温度制御器である。温度推定部４５で推定される改質反応器１のピーク温度が目標管理温度になるように、フィードバック制御で改質反応器１へ供給すべき空気の流量を求める。
【００５３】
また、温度制御部４４は目標値生成部４２より、改質反応器１へ供給する空気流量の目標値を受け取っている。温度制御部４４では、これはフィードフォワード項として、温度制御部４４内にあるフィードバック制御で求めた改質反応器１へ供給すべき空気の流量に加算する。
【００５４】
このようにして算出した改質反応器１へ供給すべき空気の流量の目標値は、非干渉制御部４３へ送って非干渉制御部４３が改質反応器１の空気流量を制御するために、空気流量制御弁６の開度を制御する。
【００５５】
温度推定部４５は、改質反応器１内の温度をモデルを使って、改質反応器１内のピーク温度及び測定位置温度を推定する。温度推定には、目標値生成部４２で算出した原燃料（メタノール蒸気及び水蒸気）の目標流量と、温度センサ７で測定した原燃料の温度と、流量センサ５で測定した空気流量と、温度センサ４で検出した空気温度とを運転状態として入力し、改質反応器１の内部のピーク温度及び測定位置温度を運転条件に応じて出力する温度モデル関数を予め記憶しておき、この温度モデル関数を参照して、改質反応器１の温度推定を行う。
【００５６】
次に、本実施形態で使用する温度モデル関数の性質を説明する。
【００５７】
空気流量を増加させると、改質反応器内の部分酸化反応が活発になるため改質反応器内温度は上昇し、逆に空気流量を減少させると温度は下がる。
【００５８】
また、空気の温度が上昇すると、空気の持ち込む熱量が増えるので、改質反応器内温度は上昇し、逆に空気の温度が低下すると改質反応器内の温度は下がる。
【００５９】
原燃料の流量を増加すると（ただし水とメタノール比は一定）、改質反応器内の吸熱反応である水蒸気改質反応が活発になるため、改質反応器内温度は低下し、逆に減少させると温度は上がる。
【００６０】
また、原燃料の温度が上昇すると、原燃料の持ち込む熱量が増えるので、改質反応器内温度は上昇し、逆に原燃料の温度が低下すると改質反応器内の温度は下がる。
【００６１】
また同じ運転条件（改質反応器に供給される原燃料の量、原燃料の温度、空気の量、空気の温度）であっても、改質反応器１の経時劣化が進むと、ピーク温度が下がるとともにピーク温度が発生する位置が改質反応器の出口側に近づくように変化する。
【００６２】
このように、改質反応器１内の温度は、原燃料の流量と温度、空気流量と温度に密接な関係があるため、改質反応器内の温度は予め実験で得たデータテーブルあるいは多変量解析に基づく関数として、予め記憶しておくことが出来る。
【００６３】
本発明の温度推定手段は、改質反応器１の温度を推定する温度推定部４５であり、以下の機能を有する。
【００６４】
（１）温度推定部４５は、運転条件に基づいて、改質反応器１の温度を推定し、温度推定値を算出する。
【００６５】
（２）温度推定部４５は、外気温度センサ３５より外気温度を取得し、温度推定値を補正する。
【００６６】
本発明の劣化推定手段は、改質反応器１の劣化を推定する劣化推定部４６であり、以下の機能を有する。
【００６７】
（１）劣化推定部４６は温度推定部４５で推定した改質反応器１の測定位置温度推定値と、実際に温度センサ９で測定した温度測定値との偏差により劣化状態を推定する。
【００６８】
（２）劣化推定部４６は改質反応器１の劣化状態を検出し、異常判断が行われた時、情報提供装置３２により劣化状態をドライバへ情報提供する。本実施形態では、情報提供装置３２は、インストルメントパネルに設けられたランプであり、劣化状態の異常を検出したときにランプを点灯させることにより、異常検出の情報をドライバへ提供している。
【００６９】
（３）劣化推定部４６は発電状態検出装置３４と充電状態検出装置３１の和と要求トルク検出装置３３から算出された電圧を比較し、異常劣化を推定する。本実施形態では、要求トルク検出装置３３をアクセルペダルと線形関係とし、アクセルペダルストロークをドライバ要求トルクとして算出している。
【００７０】
負荷２６は燃料電池本体１２に接続されている負荷であり、燃料電池本体１２の余剰電力を後述する二次電池２９へ充電する充電器２７、インバータ２８、二次電池２９が接続されている。
【００７１】
インバータ２８は、燃料電池本体１２または二次電池２９から供給される直流電力を交流電力に変換して駆動用モータ３０を駆動させ、車両走行の動力として使うことができる。
【００７２】
充電状態検出装置３１は、充電器２７による二次電池２９の充電状態を検出するである。本実施形態では電圧計である。
【００７３】
次に、図２のフローチャートを参照して、温度推定部４５及び劣化推定部４６の動作を詳細に説明する。
【００７４】
まずステップＳ１では、燃料改質システムが起動初期状態か否かを判断する。
【００７５】
本実施形態では、図１の改質反応器１の触媒が活性温度範囲になっているか、かつ、ＣＯ除去器８の触媒が活性温度範囲になっているか、という条件に基づき、もし起動後一度も上記２条件を満たしていなければ、起動初期状態であると判断し、劣化推定を行なわない。
【００７６】
次いで、ステップＳ２では、要求トルク検出装置３３が検出したドライバの要求トルクが過渡状態にあるか、否かの判断をする。本実施形態では、ドライバ要求トルクの変化率がある値以上のとき、過渡状態とし、前記変化率の算出は、アクセルペダルストローク量の微分値を変化率として用いる。
【００７７】
ステップＳ３では、改質反応器１に供給される原燃料（メタノールと水）の量、原燃料の温度、空気の量、空気の温度からなる運転条件、改質反応器１に設けられた温度センサ９の測定値、外気温度センサ３５による外気温度の測定値を読み込む。
【００７８】
ステップＳ４では、先に読み込んだ運転条件に基づいて、温度推定部４５が改質反応器１内の最も高い温度であるピーク温度及び温度センサ９の取付位置の温度である測定位置温度の温度推定値を算出する。この温度推定値を算出するため、図３に示すような改質反応器１の温度分布マップを運転条件毎に予め実験で得たデータテーブルとして用意しておく。
【００７９】
ステップＳ５では、ステップＳ４で算出した温度推定値を、外気温度の測定値を参照して補正する。この補正に用いる補正値の算出のために、改質反応器１内の位置と外気温とから温度補正値を求める図４のようなマップを予め実験で求め、記憶しておく。図４が示すマップの構成は、外気温が高ければ高いほど、補正温度を上げ、低ければ低いほど補正温度を下げることとする。また改質反応器１の温度分布に依存した補正マップとなるような構成にした。
【００８０】
ステップＳ６では、ステップＳ５で求めた測定位置温度推定値と温度センサ９の温度測定値との偏差の過去１００回の移動平均を算出し、これをｅｒｒとする。
【００８１】
ステップＳ１０、Ｓ１６では、Ｓ６で算出した、ｅｒｒに基づき、異常劣化か経年劣化か正常かを判断するフローへの分岐を行なう。
【００８２】
本実施形態では、図５に示すように、ｃｏｎｓｔ２とｃｏｎｓｔ３という２つの所定値（閾値）との比較により、異常劣化、経年劣化、正常判断の処理ルーチンの分岐を行なった。
【００８３】
ステップＳ１０では、｜ｅｒｒ｜＞ｃｏｎｓｔ３であるか、否かを判定する。ステップＳ１０の条件が満足されれば、異常劣化と判断してステップＳ２０へ進む。ステップＳ１０の条件が満足されなければ、ステップＳ１１へ進む。
【００８４】
ステップＳ１１では、図１の要求トルク検出装置３３が算出した要求セル電圧Ｖｎと、発電状態検出装置３４または充電状態検出装置３１が検出した燃料電池本体１２の実セル電圧Ｖｒを読み込む。
【００８５】
ステップＳ１２では、要求セル電圧Ｖｎと実セル電圧Ｖｒの差分と、ある値ｃｏｎｓｔ５と、を比較し、その大小関係より、異常劣化か否かを判断する。もし、要求セル電圧Ｖｎと実セル電圧Ｖｒの差分が、ｃｏｎｓｔ５より大きな値であれば異常劣化として判断する。本実施形態では、ｃｏｎｓｔ５＝（Ｖｒ＋Ｖｎ）／２＊０．５とした。
【００８６】
ステップＳ１３では、異常劣化と判断して、ＥＣＵ４０内部処理で異常劣化判断結果を記憶する。
【００８７】
ステップＳ１４では、ステップＳ１２の時点でシステムが異常と判断されたので、改質反応器１へ供給する原燃料の量を制限する。本実施形態では、図６に示すように、ｅｒｒが大きくなればなるほど、供給する原燃料の上限値を減少させる構成にした。また、本実施形態では、要求セル電圧Ｖｎが実セル電圧Ｖｒを超えないように、要求セル電圧Ｖｎを変更し、変更された要求セル電圧に見合う原燃料を供給するように制限をかける。これにより蒸発器３へ供給する原燃料であるメタノールと水の流量をそれぞれ燃料制御装置２２と水流量制御装置２０により制限するように目標流量を変更する。
【００８８】
ステップＳ１５では、情報提供装置３２を作動させて、改質反応器１の異常劣化をドライバへ情報提供する。本実施形態では、情報提供装置３２は、運転席前方のインスツルメントパネル内に設けたランプを点灯させることにより、燃料改質器の劣化情報を提供している。
【００８９】
ステップＳ１６では、｜ｅｒｒ｜＞ｃｏｎｓｔ２であるか否かを判定する。この判定がＹｅｓであれば、ステップＳ１７で、ｅｒｒの値は、経年劣化の範囲であるとして、ＥＣＵ４０内部処理で経年劣化判断結果を記憶する。
【００９０】
次いで、ステップＳ１８で、経年劣化用の温度推定モデルへ温度推定モデルを切り替える。この温度推定モデルである図３の改質反応器１の温度分布マップは、ｅｒｒ値が大きくなるほど、改質反応器１のピーク温度が低くなると共に、ピーク温度となる改質反応器内の位置が入口側から出口側へ移動するようなマップである。
【００９１】
ステップＳ１６の判断がＮｏであれば、ｅｒｒ値は、正常範囲であるとして、ＥＣＵ４０内部処理で正常判断結果を記憶し、リターンする。
【００９２】
ステップＳ２０では、直前のｅｒｒ値の判断が異常劣化であったので、異常劣化と判断して、ＥＣＵ４０内部処理で異常劣化判断結果を記憶する。
【００９３】
ステップＳ２１では、ステップＳ１４と同様に、ステップＳ１０の時点でシステムが異常と判断されたので、改質反応器１へ供給する原燃料の量を制限する。具体的な制限方法は、ステップＳ１４で説明したことと同じである。
【００９４】
ステップＳ２２では、ステップＳ１５と同様に、情報提供装置３２を作動させて、改質反応器１の異常劣化をドライバへ情報提供する。本実施形態では、情報提供装置３２は、運転席前方のインスツルメントパネル内に設けたランプを点灯させることにより、燃料改質器の劣化情報を提供している。
【００９５】
なお本実施形態の温度推定部４５は、温度推定にデータテーブルを用いたがこれに限らず、下記のように改質反応器１の温度変化をモデル化した関数を用いて演算を行い、劣化を判定するとともに劣化に応じてモデルの関数の定数を変更することで劣化後の正しいピーク温度を算出することも出来る。また、以下の各式において、乗算記号として「＊」を用いて、Ｘとの区別を明瞭にする。
【００９６】
【数１】
(∂(T)/∂t +(u1+u2+u3)*∂(T)/∂z)*(cp*p)
＝ k1*H1 + K2*H2 - U*A*(T-Tw)                  …（１）
Ｔ：改質反応器内の温度［Ｋ］
u1:空気流速［m/s］
空気の流速は、流量センサ５の出力［m3/s］／配管の断面積［m2］で求まる。
【００９７】
u2：メタノールの流速［m/s］。メタノールの場合にも同様にすれば求めることができる。
【００９８】
u3：水の流速。水の場合にも同様にすれば求めることができる。
【００９９】
ただし、メタノール、水の流量センサは本実施形態では使用していないので目標値を使うことにする。
【０１００】
H1：水とメタノールの反応熱量（吸熱）、−４９５００［Ｊ/mol］
H2：酸素とメタノールの反応熱量（発熱）、１８９６００［Ｊ/mol］
ｐ：平均密度［kg/m３］
cp：平均熱容量［Ｊ/(kg*K)]
k1=A1*EXP(-E1/RT)*(CH3OH)*(H2O)
k2=A2*EXP(-E2/RT)*(CH3OH)*(O2)0.5
E1,E2は活性化エネルギー定数、A1,A2は頻度係数と呼ばれる適当な定数である。
【０１０１】
[CH3OH]、[H2O]、[O2]は濃度[mol/m3]を表す。
【０１０２】
Ｒ：ガス定数、８．３１４[J/(mol*K)]
Ｕ：熱伝達率[J/(K*s*m2)]
Ａ：壁の伝熱面積[m2]
Tw:反応器外気温度[K](本実施形態では外気温度を測定してないので固定値とした。）
外気温を測定している場合にはその値を使うようにすればよい。
【０１０３】
ｚは空間を表し、ｔは時間を表す。
【０１０４】
式（１）をマイコンで計算するために空間微分を消去する。そのために本実施形態では１次後退差分を使う。また、改質反応器全体（入口から出口まで）の長さをＬ[m]として、これを適当なＮ個のサブ領域に分割する。一つのサブ領域の長さをΔｚとすると、次の式（２）となる。
【０１０５】
【数２】
Δｚ＝Ｌ／Ｎ                          …（２）
１次の後退差分は、次の式（３）となる。
【０１０６】
【数３】
(∂(T)/∂z)n=(Tn-Tn-1)/Δｚ             …（３）
添え字ｎは、Ｎ個に分割したサブ領域のｎ番めのサブ領域であることを表す。
【０１０７】
式（２）を使って式（１）を表すと、次の式（４）となる。
【０１０８】
【数４】
(d(Tn)/dt +(u1+u2+u3)*(Tn-Tn-1)/Δｚ)*cp*p
＝k1*H1+k2*H2-U*A*(Tn-Tw)    [J/s]    …（４）
本実施形態では、ｎ＝１のとき、T0は、空気、メタノール、水の平均温度とする。空気の温度は温度センサ４の出力、メタノールと水とは混合して蒸気となっているので、温度センサ７の出力を使った。式（３）はエネルギーバランス式であり、これは積分すれば、温度の変化を表す式として利用できる。
【０１０９】
式（３）を計算するためには、
【数５】
k1=A1*EXP(-E1/RTn)*(CH3OH)*(H2O)
k2=A2*EXP(-E2/RTn)*(CH3OH)*(O2)0.5
を計算する必要がある。
【０１１０】
k1,k2は濃度が分かれば計算できるので、濃度を次の式で計算する。
【０１１１】
【数６】
d(CH3OHn)/dt+u1*(CH3OHn-CH3OHn-1)/Δz
＝-A1*EXP(-E1/RTn)*(CH3OHn)*(H2On)
d(H2On)/dt+u2*(H2On-H2On-1)/Δz
＝-A1*EXP(-E1/RTn)*(CH3OHn)*(H2On)
d(O2n)/dt+u3*(O2n-O2n-1)/Δz
＝-A2*EXP(-E2/RTn)*(CH3OH)*(O2)0.5    …（５）
本実施形態では、原燃料であるメタノールと水との流量を測定する流量センサを備えていないので、目標値生成部４２で算出しているそれぞれの目標値を使った。原燃料の流量を測定するセンサを取り付けている場合には、それらの値を使うようにすればよい。
【０１１２】
なお、改質反応器１の全領域についての温度推定演算を行っても良いが、より効率的には、予め運転条件に応じてピーク温度が発生する領域を予測しておき、この領域が改質反応器１の入り口に近い場合には、上式（４）、（５）を使っても計算回数はそれほど多くならないのでそのまま使える。
【０１１３】
しかし、ピーク温度領域が改質反応器１の入り口から遠く、計算回数が多くなる場合には、まず、荒いΔｚ（式２）でピーク温度領域設定手段で設定した領域までを上式（４）、（５）を使って計算する。
【０１１４】
次にピーク温度領域では、上記計算結果を初期値とするとともに、細かく分割したΔｚ(式２）で上式（４）、（５）を使って計算するようにすれば少ない計算量で正確な推定ができる。なお、荒いΔｚのまま計算してもよいが、誤差が大きくなるので、ピーク温度領域設内では細かいΔｚで計算したほうがよい。温度センサ９が設けられている位置の温度を推定する時も、上記手法と同様にすればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料改質器の制御装置が適用された燃料電池システムの構成を説明するシステム構成図である。
【図２】改質反応器の劣化推定の動作を説明するフローチャートである。
【図３】改質反応器の温度推定で参照する改質反応器内の温度マップの例を示す図である。
【図４】外気温による改質反応器の温度補正を説明する図である。
【図５】改質反応器の温度推定値と温度測定値との偏差による劣化判定基準を説明する図である。
【図６】改質反応器の温度推定値と温度測定値との偏差による原燃料供給量の上限との関係を説明する図である。
【符号の説明】
１…改質反応器
２…コンプレッサ
３…蒸発器
４…温度センサ
５…流量センサ
６…空気流量制御弁
７…温度センサ
８…ＣＯ除去器
９…温度センサ
１０…空気流量制御弁
１１…温度センサ
１２…燃料電池本体
１３…圧力調整弁
１４…圧力調整弁
１５…圧力センサ
１６…圧力センサ
１７…燃焼器
１８…温度センサ
２０…水流量制御装置
２１…水タンク
２２…燃料制御装置
２３…燃料タンク
２４…流量センサ
３２…情報提供装置
３５…外気温度センサ
４０…ＥＣＵ
４１…管理温度生成部
４２…目標値生成部
４３…非干渉制御部
４４…温度制御部
４５…温度推定部
４６…劣化推定部
【図１】
0003849480.tif 000002
【図２】
0003849480.tif 000003
【図３】
0003849480.tif 000004
【図４】
0003849480.tif 000005
【図５】
0003849480.tif 000006
【図６】
0003849480.tif 000007