JP2000034101A

JP2000034101A - 改質器の制御装置

Info

Publication number: JP2000034101A
Application number: JP10201927A
Authority: JP
Inventors: Katsuji Yamashita; 勝司山下; Masaaki Yamaoka; 正明山岡; Kiyomi Eimiya; 清美永宮; Kiichi Motozono; 貴一本園
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1998-07-16
Publication date: 2000-02-02
Anticipated expiration: 2018-07-16
Also published as: JP4164901B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池で生じる未利用水素ガスを改質燃料
の加熱に使用するにあたり、改質燃料を過不足なく加熱
するように未利用水素ガスや支燃ガスを制御することの
できる装置を提供する。【解決手段】改質燃料を改質反応によってガス化し、
得られた改質ガスをエネルギー変換器によって他の形態
のエネルギーに変換し、そのエネルギー変換器で生じた
未利用可燃性ガスを含む排ガスを燃焼させて前記改質燃
料を加熱するように構成された改質器の制御装置であっ
て、ガス化させるべき前記改質燃料の量を算定する改質
量算定手段（ステップ１）と、算定された改質燃料量に
基づいて、前記改質器に供給する前記排ガスの量を算定
する排ガス量算定手段（ステップ２〜６）とを備えてい
る。

Description

【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の改質燃料を水素リッチ
ガスなどの所望の燃料に改質する改質器に関し、特にそ
の温度を制御する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に要する加熱熱量を増減させる
必要がある。

【０００６】メタノールと水との混合蒸気を発生させる
のに要する熱量は、メタノールなどの加熱用の燃料の量
を増減することにより制御することができる。しかしな
がらメタノールと水との混合液を加熱するために加熱手
段として従来採用されているバーナや酸化触媒による発
熱手段などの発熱応答性が低いので、負荷変動に的確に
対応した加熱制御をおこなうことが困難であった。すな
わち急激な負荷の増大があった場合には、加熱するべき
メタノールと水との量に対して発熱量が不足し、その結
果、蒸気温度や触媒温度が低下して改質反応が低調にな
り、改質ガス中の残留メタノール量が増大するなど、燃
料電池の性能が低下する。また反対に負荷が急激に低下
した場合には、加熱熱量の低下の遅れにより、蒸気温度
や触媒温度が過度に上昇し、その結果、触媒の活性が低
下するなどの不都合が生じる。

【０００７】このような不都合を解消するために、特公
平７−１０５２４０号公報に記載された発明では、水蒸
気比を制御することにより、負荷変動に応じた温度制御
をおこなうようにしている。すなわち、改質燃料として
混合されている水の量を減少させれば、その加熱および
蒸発に要する熱量が低下して改質燃料であるメタノール
と水との混合蒸気の温度が高くなり、これとは反対に水
の量を多くすれば、その昇温および蒸発に要する熱量が
増大するので、改質燃料であるメタノールと水との混合
蒸気の温度が低くなる。またこの公報に記載された発明
では、改質燃料を加熱するための燃料の一部に、残存水
素を含む使用済み燃料ガスを使用しており、その残存水
素をバーナで燃焼させることにより改質燃料を加熱して
いる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記の公報に記載され
た温度制御の方法は、水の量を変化させてその水により
消費もしくは吸収する熱量を変化させ、これにより温度
を制御する方法である。したがって燃焼させる燃料の量
を変更して発熱量を制御する方法に比較して温度制御の
応答性が高くなる。しかしながら、上記の公報に記載さ
れた方法は、燃料の燃焼による発熱量が一定であること
を前提とし、その発熱量の一部を水の加熱・蒸発のため
に消費させる方法であるから、例えば燃料電池での負荷
が少ないことにより改質ガス量を低下させる場合であっ
ても、燃焼による発熱量を、理論上決まる熱量以上に維
持することになる。その結果、改質燃料の改質に実際に
必要な熱量以上の熱量を発生させるように燃焼をおこな
うことになるので、燃料を不必要に消費し、燃費が悪化
する不都合がある。

【０００９】また上記の公報に記載された方法では、残
存水素をバーナで燃焼させて改質燃料を加熱するとして
も、その熱量を制御していない。そして上記のように水
蒸気比によって温度を制御するのであるから、残存水素
を含む加熱燃料の消費量は、改質燃料の加熱に要する量
より多くする必要があり、したがってこの点でも残存水
素を過剰に燃焼させることになり、燃料の有効利用の点
では改善すべき余地が合った。

【００１０】この発明は、上記の事情を背景にしてなさ
れたものであり、改質燃料を加熱するための燃焼燃料を
制御して改質燃料温度を改質反応に要求される温度に適
正に制御でき、しかも改質燃料の有効利用を図ることの
できる制御装置を提供することを目的とするものであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段およびその作用】この発明
は、上記の目的を達成するために、改質ガスをエネルギ
ー変換した後に生じる排ガス中の未利用可燃性ガスを、
改質燃料の加熱のために使用し、かつその加熱のために
燃焼させる未利用可燃性ガスの量を、要求される改質燃
料の量やその他の要因に応じて適正量に制御するように
構成したものである。より具体的には、請求項１に記載
した発明は、改質燃料を改質反応によってガス化し、得
られた改質ガスをエネルギー変換器によって他の形態の
エネルギーに変換し、そのエネルギー変換器で生じた未
利用可燃性ガスを含む排ガスを燃焼させて前記改質燃料
を加熱するように構成された改質器の制御装置におい
て、ガス化させるべき前記改質燃料の量を算定する改質
量算定手段と、算定された改質燃料量に基づいて、前記
改質器に供給する前記排ガスの量を算定する排ガス量算
定手段とを備えていることを特徴とするものである。

【００１２】したがって請求項１の発明によれば、エネ
ルギー変換器での負荷の変動などによって改質燃料の量
が変化すると、それに応じて改質器に供給される未利用
可燃性ガスを含む排ガス量が算定される。そしてその量
の排ガスを改質器に供給することにより、その排ガスに
含まれる未利用可燃性ガスが燃焼して改質燃料が加熱さ
れる。その場合、改質燃料の量と燃焼させられる可燃性
ガスとの量とが対応しているので、改質燃料が目的とす
る温度まで加熱される。その結果、可燃性ガスを不必要
に多量に燃焼させることなく、改質燃料温度を目的温度
とすることができる。

【００１３】また、請求項２の発明は、請求項１の構成
に加えて、前記排ガス中の未利用可燃性ガス量を、前記
エネルギー変換器に供給すべく改質された改質燃料量と
前記エネルギー変換器の負荷とに基づいて推定する可燃
性ガス量推定手段を更に備えていることを特徴とするも
のである。

【００１４】したがって請求項２の発明によれば、改質
燃料の加熱のために使用される未利用可燃性ガスの量
が、より正確になるので、改質燃料の加熱温度が正確に
なると同時に、未利用可燃性ガスの有効利用を図ること
ができる。

【００１５】請求項３の発明は、請求項１の構成に加え
て、前記改質反応に供される改質燃料の温度を検出する
改質燃料温度検出手段と、検出された改質燃料温度に基
づいて、前記改質器に供給する排ガス量を補正する温度
補正手段とを更に備えていることを特徴とするものであ
る。

【００１６】したがって請求項３の発明によれば、改質
燃料の温度が低い場合、あるいは反対に高い場合に、そ
れに応じて排ガス量、すなわち燃焼させられる未利用可
燃性ガス量が増減される。その結果、改質燃料の温度が
是正されて適正温度となる。

【００１７】請求項４の発明は、請求項１の構成に加え
て、前記改質器に供給された改質燃料がガス化するまで
の時間的遅れに基づいて、前記改質器に供給する排ガス
量を補正する遅れ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。

【００１８】したがって請求項４の発明によれば、改質
燃料が充分に供給されるに先立って未利用可燃性ガスを
相対的に多量に燃焼させたり、また反対に改質燃料が減
少する場合に、先行して未利用可燃性ガスの燃焼量を減
少させたりすることが回避され、その結果、改質燃料の
加熱温度が適正化される。

【００１９】請求項５の発明は、請求項１の構成に加え
て、前記改質器に供給される排ガス中の可燃性ガスを燃
焼させるための支燃ガスの量を、改質器に供給される未
利用可燃性ガス量に基づいて算出する支燃ガス量算出手
段を更に備えていることを特徴とするものである。

【００２０】したがって請求項５の発明によれば、改質
器には、改質燃料を加熱するべく供給される可燃性ガス
の量に応じて支燃ガスが供給される。その結果、両者の
ガスの量の割合が適正になるので、目標とする加熱熱量
を得ることができ、それに伴い、改質燃料の加熱温度が
適正化される。

【００２１】請求項６の発明は、請求項５の構成に加え
て、前記改質反応に供される改質燃料を加熱する温度を
検出する加熱温度検出手段と、検出された加熱温度に基
づいて、前記改質器に供給する支燃ガス量を補正する温
度補正手段とを更に備えていることを特徴とするもので
ある。

【００２２】したがって請求項６の発明によれば、加熱
する温度が低い場合には、例えば支燃ガス量が減じられ
て支燃ガスが持ち去る熱量を減じて改質燃料の温度が高
められ、また反対に加熱する温度が高い場合には、例え
ば支燃ガス量が増大させられて支燃ガスが持ち去る熱量
を多くして改質燃料の温度を低下させる。その結果、改
質燃料の加熱温度が適正化される。

【００２３】さらに、請求項７の発明は、請求項５の構
成に加えて、前記改質器に供給された改質燃料がガス化
するまでの遅れに基づいて、前記改質器に供給する支燃
ガス量を補正する遅れ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。

【００２４】したがって請求項７の発明によれば、未利
用可燃性ガスの燃焼によって改質燃料に与えられる熱量
が、支燃ガス量によって変化し、かつその変化が、改質
燃料の供給の遅れ、あるいは供給量の減少の遅れに合わ
せて生じることになり、その結果、改質燃料を適正温度
に加熱することができる。

【００２５】そして、請求項８の発明は、請求項５の構
成に加えて、前記改質燃料を加熱するために燃焼させら
れる可燃性ガスの量と該可燃性ガスを燃焼させるための
支燃ガスの量との比率を検出するＡ／Ｆ検出手段と、検
出された前記比率に基づいて、前記改質器に供給する排
ガス量を補正するＡ／Ｆ補正手段とを更に備えているこ
とを特徴とするものである。

【００２６】したがって請求項８の発明によれば、支燃
ガス量の過不足が是正されるので、未利用可燃性ガスの
燃焼が所期どおりに生じ、その結果、改質燃料の加熱温
度が適正化される。

【００２７】さらに請求項９の発明は、改質燃料を改質
反応によってガス化し、得られた改質ガスをエネルギー
変換器によって他の形態のエネルギーに変換し、そのエ
ネルギー変換器で生じた未利用可燃性ガスを含む排ガス
を燃焼させて前記改質燃料を加熱するように構成された
改質器の制御装置において、ガス化させるべき前記改質
燃料の量を算定する改質量算定手段と、算定された改質
燃料量に基づいて、前記未利用可燃性ガスの必要量を算
定する可燃性ガス量算定手段と、算定された可燃性ガス
の必要量に基づいて、前記改質器に供給するべき前記排
ガス量を算定する排ガス量算定手段とを備えていること
を特徴とするものである。

【００２８】したがって請求項９の発明によれば、エネ
ルギー変換器での負荷などに応じてガス化すべき改質燃
料の量が算定され、その改質燃料を加熱するのに必要と
する可燃性ガス量が、その改質燃料量に基づいて算定さ
れる。そして、この可燃性ガスの必要量を含む排ガス量
が算定される。したがって改質燃料を加熱するために未
利用の可燃性ガスを使用でき、またその未利用可燃性ガ
スによって改質燃料が過不足なく加熱され、その結果、
良好な改質反応が生じて高品質の改質ガスを得ることが
できる。また同時に燃料の有効利用を図ることができ
る。

【００２９】これに加えて、請求項１０の発明は、前記
可燃性ガス算定手段で算定された可燃性ガス量に基づい
て、前記改質器に前記未利用可燃性ガスと共に供給する
支燃ガスの量を算定する支燃ガス量算定手段を更に備え
ていることを特徴とするものである。

【００３０】したがって請求項１０の発明によれば、排
ガスと共に供給された未利用可燃性ガスを、改質燃料の
加熱温度が目的温度となるように、効果的に燃焼させる
ことができ、その結果、改質燃料の温度およびそれに伴
う改質反応が良好になり、高品質の改質ガスを得ること
ができる。

【００３１】

【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
よび水を改質燃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５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、改質燃料であるメタノ
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、改質燃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。

【００３２】加熱部３は、改質燃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
質燃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、加熱燃料をバーナによって
燃焼させる構造のものや加熱燃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。

【００３３】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燃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。

【００３４】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、ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋３Ｈ_２ …（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。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。ＣＨ_３ＯＨ＋１／２Ｏ_２→２Ｈ_２＋ＣＯ_２ …（２）

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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
排ガス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
介装されている。なお、この流量値調整弁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。

【００３９】図６に上記の加熱部３の更に具体的な構成
が制御系統と合わせて示されている。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一定方向
に流通させる間に、その加熱燃料を酸化させる燃焼室２
４を備えており、その燃焼室２４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。

【００４０】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。

【００４１】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。そしてこの燃焼による温度を検出する
ためにの温度センサ３２が各触媒３１もしくは蒸発管２
８に取り付けられている。

【００４２】前記燃焼室２４の下流側には排気管３３が
接続されており、その排気管３３の燃焼室２４側の端部
に空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）３４が配置されてい
る。このＡ／Ｆセンサ３４は排気中の酸素濃度に応じた
電気信号を出力するように構成されたセンサである。し
たがって加熱部３に供給された燃焼メタノールあるいは
未利用水素ガスと酸素との比率（Ａ／Ｆ）を検出するこ
とができる。

【００４３】前記給液管２９は改質燃料であるメタノー
ルと水との混合液を蒸発管２８に供給するためのもので
あって、改質燃料供給部を構成する給液ポンプ１１に接
続されている。これに対して蒸気管３０は、蒸発管２８
で生じたメタノールと水との混合蒸気を改質部４に供給
するための管路を構成しており、その内部には蒸気温度
を検出するための蒸気温度センサ３５が配置されてい
る。

【００４４】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）３６が
設けられている。この電子制御装置３６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２６，２７，３２，３４，３５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３６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３６によって制御するようになってい
る。

【００４５】上述した改質器２の基本的な動作について
説明すると、改質燃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２
８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
む排ガスがリターン管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から
なる加熱燃料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。

【００４６】蒸発管２８で生じた混合蒸気は、蒸気管３
０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、専ら改質燃料の加熱・蒸
発に使用される。

【００４７】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。

【００４８】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燃料を加熱・蒸発させるために、燃
焼部６での燃焼を以下のように制御する。

【００４９】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、改質燃料（メタノールと水と
の混合液）の量Ｆk（mol/s）を算出する（ステップ
１）。これは、前記燃料電池１の負荷を示す電流センサ
２０の検出値に基づき、燃料電池１で必要とする水素量
に相当する改質燃料の量として算出する。なお、その場
合、Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボン）比を一例として
“２”程度に設定する。

【００５０】つぎに、改質するべき量の改質燃料すなわ
ちガス化すべき量の改質燃料を加熱・蒸発させるための
加熱燃料を選択する（ステップ２）。前述したように燃
焼部６には、燃焼メタノールと未利用水素ガスとを供給
してこれらを燃焼させることができるように構成されて
いるので、いずれか一方もしくは両方を改質燃料の加熱
のために使用することができる。その場合、排ガス中の
未利用水素ガスによって改質燃料を充分に加熱・蒸発さ
せることができる場合には、未利用水素ガスのみを燃焼
室２１に供給して改質燃料の加熱のための燃料とする。
こうすることにより、燃料の有効利用を図り、燃費を向
上させることができる。

【００５１】排ガス中の未利用水素ガスを加熱燃料とし
て使用する場合、燃焼部６に供給する水素量を算出す
る。先ず、改質燃料量Ｆk （mol/s）に対する必要水素
量Ｆho（mol/s）を算出する（ステップ３）。その演算
はつぎのとおりである。

【００５２】１（mol/s）の改質燃料を加熱して蒸気と
し、さらにその蒸気の温度を改質部４における触媒の活
性が高くなる目標温度（すなわち水素ガス濃度の高い高
品質の改質ガスを生成できる目標温度）Ｔer（℃）（一
例として２８０℃）にまで加熱するのに必要な熱量Ｈr
（kj/mol）を算出する。Ｈr ＝Hrm＋Ｈrw ここで、Ｈrmはメタノールに関して必要な熱量（kj/mo
l）、Ｈrwは水に関して必要な熱量（kj/mol）である。

【００５３】また、これらの各必要熱量Ｈrm、Ｈrwは、
それぞれＨrm＝１×（Ｃlm×（Ｔbm−Ｔa）＋Ｅbm＋Ｃgm×（Ｔe
r−Ｔbm））Ｈrw＝２×（Ｃlm×（Ｔbw−Ｔa）＋Ｅbw＋Ｃgw×（Ｔe
r−Ｔbw））である。ここで、Ｃlmは液相のメタノールの平均比熱容
量（kj／℃／mol）、Ｃlwは液相の水の平均比熱容量（k
j／℃／mol）、Ｅbmはメタノールの蒸発潜熱（kj／mo
l）、Ｅbwは水の蒸発潜熱（kj／mol）、Ｃgmは気相のメ
タノールの平均比熱容量（kj／℃／mol）、Ｃgwは水蒸
気の平均比熱容量（kj／℃／mol）、Ｔbmはメタノール
の沸騰温度（℃）、Ｔbwは水の沸騰温度（℃）、Ｔaは
大気温度（℃）である。

【００５４】また一方、燃焼部６において触媒を使用し
て水素を燃焼させるとした場合、その酸化反応は、Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ＋２４５．１７（kj/mol）であるから、上述した必要熱量Ｈr を熱交換器１２を介
して改質燃料に伝達することを考慮して、排ガスとして
供給すべき未利用水素ガスの量Ｆho（mol/s）は、Ｆho＝Ｆk ×Ｈr ／２４５．１７／η で算出される。なお、この式でηは熱交換器１２の熱交
換効率（０．７程度）である。

【００５５】ところで上述のようにして決定された量の
改質燃料を蒸発部７に供給する指令信号を出力してか
ら、この改質燃料が蒸発するまでに不可避的な時間遅れ
が生じる。その時間的な遅れは、ポンプ１１や蒸発部７
などの機械的な構成や化学的反応に基づくものであり、
そこでステップ４では、その遅れに基づいた未利用水素
ガス量の補正をおこなう。すなわち遅れ時間をτとする
と、Ｆho(t)＝Ｆho(t-τ) としてＦho（mol/s）を補正する。より具体的には、Ｆho' ＝Ｆho(old)×τ／（ＤＴ＋τ）＋Ｆho×ＤＴ／
（ＤＴ＋τ）である。ここで、ＤＴは制御周期であり、またＦho(ol
d) はＦhoの一制御周期前の履歴である。

【００５６】さらに、未利用水素ガスの燃焼によって発
生した熱によって改質燃料を加熱する場合、その燃焼効
率や熱交換効率などの影響を受け、必ずしも当初の想定
どおりにはならない場合がある。そこで蒸発部７の出口
での蒸気温度に基づいて未利用水素ガスの量を補正する
（ステップ４）。その補正の仕方の一例を示すと、蒸気
温度センサ３５によって検出された蒸気温度がＴe
（℃）であれば、Ｆho''＝Ｆho’＋Ｋp×（Ｔe −Ｔer）＋Ｋi ×Σ（Ｔe
−Ｔer）によって未利用水素ガス量Ｆho''を算出する。なおここ
で、Ｋp およびＫi は制御パラメータであり、またΣ
（Ｔe −Ｔer）は目標温度と検出された蒸気温度偏差の
積算値である。

【００５７】また他の補正例を示せば、Ｆho''＝Ｆho’＋Ｆhob として未利用水素ガス量Ｆho''を補正してもよい。ここ
で、Ｔe−Ｔer＞εのとき、Ｆhob＝Ｆho’＋Δ Ｔe −Ｔer＜−εのとき、Ｆhob＝Ｆho’−Δ とする。なお、εおよびΔは、制御パラメータである。

【００５８】以上のようにして算出された量Ｆho''の未
利用水素ガスを燃焼部６に供給するために必要とする排
ガス量Ｆo （mol/s）および前記流量調整弁２３の開度
Ｖoを決定する（ステップ６）。先ず、改質器２から燃
料電池１に送られる水素ガス量Ｆh （mol/s）、および
改質ガス総量Ｆr （mol/s）を算出する。Ｆh ＝Ｋh ×Ｆk Ｆr ＝Ｋr ×Ｆk ここで、Ｆk はステップ１で求められた改質燃料量（mo
l/s）、Ｋh はメタノールに対する水素ガス生成モル比
率（定数）、Ｋr はメタノールに対する改質ガス生成モ
ル比率（定数）である。

【００５９】つぎに、燃料電池１からリターン管２２に
送られる排ガス中の水素ガスの割合Ｒh を求める。Ｒh ＝（Ｆh −Ｉfc／（２×Ｋf ））／（Ｆr −Ｉfc／
（２×Ｋf ））ここで、Ｉfcは電流センサ２０によって検出された燃料
電池１の負荷である電流値、Ｋf はファラディー定数で
ある。

【００６０】このようにして求めた排ガス中の未利用水
素ガスの割合Ｒh と前記の必要水素ガス量Ｆho''とから
必要とする排ガス量Ｆo （mol/s）を算出する。Ｆo ＝Fho''／Ｒh

【００６１】この排ガス流量Ｆo （mol/s）を燃焼室２
４に供給するための流量調整弁２３の開度Ｖo は、Ｖo ＝Ｆo ／（ｃ×（Ｐo −Ｐb ）^１／２）である。ここで、ｃはバルブ絞り係数、Ｐo は流量調整
弁２３の上流側すなわち燃料極１５側の圧力センサ２６
によって検出された圧力、Ｐb は流量調整弁２３の下流
側すなわち燃焼部６側の圧力センサ２７によって検出さ
れた圧力である。なお、これらの圧力Ｐo 、Ｐb の変動
が小さい場合には、センサで検出した圧力を用いずに予
め定めた定数を用いてもよい。その場合、前記の各圧力
センサ２６，２７は当然、不要になる。流量調整弁２３
の開度Ｖo が上記の値に制御され、その結果、改質燃料
を加熱して目的とする温度の蒸気にするのに必要とする
未利用水素ガスが燃焼部６に供給される。

【００６２】したがって上述した未利用水素ガスの燃焼
部６に対する供給量の制御をおこなうこの発明に係る装
置によれば、燃料電池１の負荷に応じた改質燃料を加熱
かつ蒸発させて目的とする温度の改質燃料蒸気を得るこ
とができる。その結果、改質部４での触媒の活性を維持
し、一酸化炭素や残留メタノールを生じさせずに高品質
の改質ガスを生成させることができる。それに伴い燃料
電池１の燃料極１５における触媒の被毒やその耐久性の
低下を回避することができる。また、燃料極１５側で不
可避的に生じる未利用水素ガス（すなわち可燃性ガス）
を有効に利用することができるので、燃費が向上する。
特に、上述した制御を実行することにより、未利用水素
ガスを不必要に多量に燃焼させることがないので、燃費
の向上効果が優れている。

【００６３】上述した未利用水素ガス量に対して燃焼室
２４に供給される空気の量の多寡により発熱温度が変化
するから、未利用水素ガス量の制御と併せて空気量の制
御をおこなう。その制御例を図２に示してある。図２に
示す制御例では、先ず、改質燃料の量を算出する（ステ
ップ１１）。これは、図１に示すステップ１と同様の制
御であり、したがって図１のステップ１で算出された値
を利用することができる。つぎに燃焼部６に供給される
加熱燃料を選択する（ステップ１２）。すなわち燃焼部
６で燃焼させる燃料として、メタノールと未利用水素ガ
スとのいずか、もしくはこれらの混合燃料に設定する。
これは、図１に示すステップ２と同様の制御であり、し
たがってステップ２の制御内容をそのまま利用すればよ
い。さらに要求されている改質燃料量を加熱して目的温
度の蒸気とするのに必要とする水素ガス量を算出する
（ステップ１３）。これは、図１に示すステップ３の制
御と同様の制御であり、したがってステップ３での算出
結果をそのまま利用すればよい。なお、燃焼部６に供給
される水素ガスの量は、補正された量であるから、ステ
ップ３で算出され、かつステップ４，５で補正された水
素ガス量を採用してもよい。ただし、以下の説明では、
ステップ３で算出した水素ガス量を利用した例を説明す
る。

【００６４】このステップ１３で算出された水素ガス量
と最適Ａ／Ｆ（エアー／フューエル）値とに基づいて燃
焼エアー量Ｆa を算出する（ステップ１４）。水素１モ
ルを完全に酸化させるためには１／２モルの酸素を必要
とし、また空気中の酸素の割合は約１／５であり、水素
の酸化に供されない気体は燃焼によって生じた熱を外部
に持ち運ぶなどのことがあるから、蒸気温度や燃焼部６
の温度などに基づいて適当なＡ／Ｆ値（＝λr ）を実験
的に求めておく。したがってステップ１３で算出された
量Ｆhoの水素ガスを燃焼させるのに必要とするエアー量
Ｆa は、Ｆa ＝λr ×Ｆho で算出される。

【００６５】これに続くステップ１５では、改質燃料を
加熱して目的温度の蒸気とするのに必要とする量の未利
用水素ガスを燃焼部６に供給するための排ガス量および
その排ガス量を得るための流量調整弁２３の開度を算出
する。その制御内容は、図１におけるステップ６と同様
であり、このステップ６の算出結果をそのまま利用すれ
ばよい。そしてその開度となるように流量調整弁２３に
指令信号を出力する（ステップ１６）。また、ステップ
１４で算出したエアー量となるようにエアーポンプ１０
の指令値を出力する（ステップ１７）。

【００６６】したがって図２に示す制御をおこなうこの
発明に係る制御装置によれば、要求されている改質燃料
量に適合する量のエアーを燃焼部６に供給することがで
きるので、改質燃料の温度が改質部４での改質反応に適
した温度に設定され、その結果、図１に示す制御と同様
に、改質燃料の改質反応を良好に進行させ、高品質の改
質ガスを得ることができ、ひいては、燃料極１５の触媒
の被毒や劣化あるいは燃料電池１の出力の低下などを未
然に回避することができる。

【００６７】なお、図２に示す例では、要求されている
未利用水素ガス量もしくはその補正値と最適Ａ／Ｆ値と
に基づいてエアー量を決定し、その量のエアーを供給す
ることとした。しかしながら実際には、様々な要因で想
定したとおりの反応や発熱が生じず、蒸気温度がずれる
ことがあるので、図１に示す制御例におけると同様に、
エアー量の補正をおこなってもよい。その補正の形態の
例は、つぎの具体例の中で説明する。

【００６８】ところで、燃料電池１の燃料極１５側で生
じる排ガスには、未利用水素ガスが所定の割合で含まれ
ており、これを改質燃料の加熱に使用することは燃費の
向上の点から当然である。その場合、改質燃料量に基づ
いて排ガスの燃焼部６に対する流量を決定するバルブ開
度を、先ず制御する場合もある。すなわち前述した流量
調整弁２３の開度を、燃料電池１の負荷に応じた改質燃
料量に基づいて決定する。その場合、供給エアー量を以
下に述べるように制御する。

【００６９】図３はその制御例を示しており、先ず、排
ガスの流量調整弁２３の開度を算出する（ステップ２
１）。燃料電池１の負荷に応じて算出された量の改質燃
料を加熱して目的とする温度の蒸気とするのに要する熱
量から未利用水素ガスの量が求まり、これを所定の含有
率で含んでいる排ガスの量が求まるから、その排ガス量
となるように流量調整弁２３の開度が算出される。この
制御は、制御ゲインを予め決めておき、改質燃料量に応
じて直ちに流量調整弁をその制御ゲインに基づいて決定
してもよい。

【００７０】つぎに燃焼エアー（すなわち支燃ガス）の
量を算出する。先ず、燃料電池１に送られる水素ガス量
Ｆh （mol/s）、および改質ガス総量（mol/s）を以下の
手法で推定する。Ｆh ＝Ｋh ×Ｆk Ｆr ＝Ｋr ×Ｆk これは、図１に示すステップ６で実行される計算と同じ
である。メタノールを使用した改質反応は、ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ_２であるから、Ｋh は“３”、Ｋr は“４”となる。

【００７１】つぎに、燃料電池１からリターン管２２に
送られる排ガス中の水素ガスの割合Ｒh を求める。Ｒh ＝（Ｆh −Ｉfc／（２×Ｋf ））／（Ｆr −Ｉfc／
（２×Ｋf ））これは、図１に示す制御で流量調整弁２３の開度を求め
る過程で実行される計算と同じである。

【００７２】また一方、流量調整弁２３を介して燃焼部
６に供給される排ガスの総量Ｆo （体積流量）を算出す
る。Ｆo ＝Ｖo ×ｃ×（Ｐo −Ｐb ）である。ここで、Ｖo は流量調整弁２３の開度、ｃはバ
ルブ絞り係数、Ｐo は流量調整弁２３の上流側すなわち
燃料極１５側の圧力センサ２６によって検出された圧
力、Ｐb は流量調整弁２３の下流側すなわち燃焼部６側
の圧力センサ２７によって検出された圧力である。な
お、これらの圧力Ｐo 、Ｐb の変動が小さい場合にはセ
ンサで検出した圧力を用いずに予め定めた定数を用いて
もよい。その場合、前記の各圧力センサ２６，２７は当
然、不要になる。

【００７３】以上のようにして算出された排ガス量Ｆo
と水素ガス割合Ｒh とに基づいて、燃焼部６に供給され
る水素ガス量ＦhoをＦho＝Ｆo ×Ｒh として求める。

【００７４】より正確に制御をおこなうために、改質燃
料の供給から反応が生じるまでの時間的遅れに基づい
て、未利用水素ガス量の補正をおこなう。反応遅れが一
次遅れ系で表されるとすると、その遅れ特性Ｇr(s)は、Ｇr(s)＝１／（１＋Ｔr ×ｓ）×exp（−Ｌr ×ｓ）となる。ここで、Ｔr は一次遅れ時定数、Ｌr は改質部
ガス輸送遅れ時間、ｓはラプラス演算子である。

【００７５】つぎに燃料電池１でのガス輸送遅れ特性Ｇ
f(s)を計算する。Ｇf(s)＝exp（−Ｌf ×ｓ）である。ここで、Ｌf は燃料電池１でのガス輸送遅れ時
間である。

【００７６】これらの遅れ特性Ｇr(s)、Ｇf(s)に基づい
て水素ガス量Ｆhoを補正する。Ｆho' ＝Ｆho×Ｇr(s)×Ｇf(s) である。なお、上記の説明では、各遅れ特性をラプラス
変換の形で記述しているが、電子制御装置３６での実際
の演算は離散型に変換して実行される。

【００７７】上述のようにして求められた推定水素ガス
量Ｆho' に基づいて燃焼エアー量Ｆa を算出する（ステ
ップ２３）。水素１モルを完全に酸化させるためには１
／２モルの酸素を必要とし、また空気中の酸素の割合は
約１／５であり、水素の酸化に供されない気体は燃焼に
よって生じた熱を外部に持ち運ぶなどのことがあるか
ら、蒸気温度や燃焼部６の温度などに基づいて適当なＡ
／Ｆ（エアー／フューエル）値（＝λr ）を実験的に求
めておく。したがってステップ２２で推定された量Ｆh
o' の水素ガスを燃焼させるのに必要とするエアー量Ｆa
は、Ｆa ＝λr ×Ｆho' で算出される。

【００７８】また、実際に供給した空気の量が目標とす
る量からずれていることがあるので、燃焼室２４から排
出される排出ガス中の酸素濃度Ｎo に基づいて供給エア
ー量を補正する（ステップ２４）。すなわち燃焼室２４
の下流側に設けた排気管３３に配置されたＡ／Ｆセンサ
３４によって燃焼室２４から排出されるガス中の酸素濃
度Ｎo が検出される。一方、エアーの供給量Ｆa に対し
て完全反応した場合の排ガス中の目標酸素濃度Ｎorが求
められるので、検出された酸素濃度Ｎo がその目標酸素
濃度Ｎorに一致するように供給エアー量を補正する。こ
れは、燃焼室２４に供給された未利用水素ガスと酸素と
の比率を検出し、それに基づいて供給エアー量を補正す
ることと同義である。その補正の一例を示すと、Ｆa'＝Ｆa ＋Ｋp1×（Ｎo −Ｎor）＋Ｋi1×Σ（Ｎo −
Ｎor）の演算により、補正した供給エアー量Ｆa'を求める。こ
こで、Ｋp1およびＫi1は制御パラメータであり、またΣ
（Ｎo −Ｎor）は実測された酸素濃度と目標酸素濃度と
の偏差の積算値である。

【００７９】また他の補正例を示せば、Ｆa'＝Ｆa＋Ｆb として燃焼エアー量Ｆa'を補正してもよい。ここで、Ｎo −Ｎor＞ε1 のとき、Ｆb＝Ｆb＋Δ1 Ｎo −Ｎor＜−ε1 のとき、Ｆb＝Ｆb−Δ1 とする。なお、ε1 およびΔ1 は、制御パラメータであ
る。

【００８０】なお、上記の燃焼エアー量を、改質燃料の
輸送および反応遅れに基づいて、さらに補正してもよ
い。その場合、改質燃料の応答遅れに基づいて補正した
エアー量を、Ａ／Ｆセンサ３４の検出値に基づいて更に
補正することとすればよい。

【００８１】さらに、未利用水素ガスの燃焼の進行の度
合いによっては、燃焼部６で生じる温度が高低に異なる
から、燃焼部６での温度を適正に維持するために、検出
温度に基づいて供給エアー量の補正をおこなう（ステッ
プ２５）。前述したように燃焼部６における各酸化触媒
３１での発熱温度が温度センサ３２によって検出されて
おり、これらの温度センサ３２で検出された各温度の平
均温度もしくは最高温度などを検出された温度の代表温
度Ｔb として採用する。そしてその代表温度Ｔb に応じ
て目標とするＡ／Ｆの値（λr ）を変化させる。その目
標Ａ／Ｆ値λrは、演算して求めてもよく、あるいはマ
ップに基づいて求めてもよい。図４にはそのマップの一
例を示してある。

【００８２】すなわち検出された代表温度Ｔb が予め定
めた所定温度α℃を超えていれば、その温度に応じて目
標Ａ／Ｆ値λr を大きい値に設定する。そして他の所定
の温度βを超えた場合には、目標Ａ／Ｆ値λr を所定の
上限値に維持する。すなわち所定の温度範囲において
は、検出された燃焼部６の温度が高いほど、空気の量を
多くして燃焼燃料をいわゆるリーンな状態とし、また反
対に燃焼部６の温度が低いほど、空気の量を少なくして
相対的にいわゆるリッチ傾向に設定する。その結果、温
度が過度に高くなる傾向にあれば、未利用水素ガスの燃
焼量が抑制されるとともに排気が持ち去る熱量が多くな
って燃焼部６の温度の上昇が抑制される。また反対に、
温度が低下傾向にある場合には、未利用水素ガスの燃焼
量が増大し、また排気が持ち去る熱量が少なくなって温
度が高くなる。

【００８３】ついでステップ２１で算出された流量調整
弁２３の開度となるように電子制御装置３６から流量調
整弁２３に指令信号が出力される（ステップ２６）。ま
た、燃焼部６に対する燃焼エアー量が上述した量となる
ようにエアーポンプ１０に電子制御装置３６から指令信
号が出力される（ステップ２７）。これら、ステップ２
６およびステップ２７は、図２に示すステップ１６およ
びステップ１７と同様の制御である。

【００８４】したがって図３に示す制御を実行するこの
発明に係る制御装置によれば、未利用水素ガスを燃焼部
６に供給して改質燃料を加熱するにあたり、未利用水素
ガス量を改質燃料量に適合した量に設定できると同時
に、その未利用水素ガスの量に応じて、かつ実際の加熱
温度などによって補正した量の空気を燃焼部６に供給す
るので、未利用水素ガスの有効利用を図ることができ、
また改質燃料の温度を改質反応に適した温度に維持する
ことができる。その結果、改質反応が良好に進行し、高
品質の改質ガスを生成させ、燃料電池１の発電効率を向
上させると同時に、その触媒の被毒や劣化を防止するこ
とができる。

【００８５】ここで、上述した各具体例とこの発明との
関係を説明すると、図１に示すステップ１の機能あるい
は図２に示すステップ１１の機能が請求項１の改質量算
定手段に相当し、また図１のステップ２ないしステップ
６の機能が請求項１の排ガス量算定手段に相当する。さ
らに図３のステップ２１の機能が請求項１の改質量算定
手段および排ガス利用算定手段に相当する。また、図１
のステップ３の機能あるいは図２のステップ１３の機
能、もしくは図３のステップ２２の機能が請求項２の可
燃性ガス量推定手段に相当する。図５に示す温度センサ
３２が請求項３の改質燃料温度検出手段に相当し、また
図１のステップ５の機能が請求項３の温度補正手段に相
当する。さらに図１のステップ４の機能が請求項４の遅
れ補正手段に相当する。請求項５に関して、図２のステ
ップ１４の機能もしくは図３のステップ２３の機能が支
燃ガス量算出手段に相当する。

【００８６】請求項６に関し、図５の温度センサ３２が
加熱温度検出手段に相当し、また図３のステップ２５が
温度補正手段に相当する。請求項７に関し、図３に示す
ステップ２４で説明した機能が遅れ補正手段に相当す
る。請求項８に関し、図５に示すＡ／Ｆセンサ３４がＡ
／Ｆ検出手段に相当し、ステップ２４の機能がＡ／Ｆ補
正手段に相当する。

【００８７】請求項９に関し、図１のステップ１や図２
のステップ１１の機能が改質量算定手段に相当し、ステ
ップ３やステップ１３の機能が可燃性ガス量算定手段に
相当し、さらにステップ６やステップ１６の機能が排ガ
ス量算定手段に相当する。そして図２のステップ１４の
機能が請求項１０の支燃ガス量算定手段に相当する。

【００８８】なお、上述した例では、燃料電池１に燃料
となるガスを供給するための改質器を対象とする制御装
置にこの発明を適用した例を示したが、この発明は、以
上述べた具体例に限定されないのであって、改質ガスを
供給する装置すなわちエネルギー変換器は必要に応じて
選択することができる。また、改質燃料としてメタノー
ルおよび水を示したが、この発明の改質器は他の炭化水
素を改質するように構成したものであってもよい。さら
に上述した例では、改質反応要求量を改質部に供給する
べき改質燃料の量としたが、この発明では、改質燃料量
と対応関係にある他のパラメータ、例えば燃料電池１の
負荷である電流値などを改質反応要求量とすることもで
きる。そして上述した例では、加熱部を図６に示す構造
としたが、この発明で対象とする改質器における加熱部
は、要は、加熱燃料の酸化に伴う熱によって改質燃料を
加熱することのできる構造であればよいのであり、図６
に示す構造に限定されない。さらにまたこの発明で使用
することのできる加熱燃料は、上述したメタノールに限
定されないのであり、必要に応じて各種の燃料を改質燃
料の加熱のために使用することができる。

【００８９】さらに上記の例では、改質器に空気を供給
して部分酸化反応を生じさせることにより、改質反応で
の吸熱量に見合った熱量を部分酸化反応で生じさせ、こ
れにより改質部の温度をほぼ一定に維持するように構成
した改質器を例に説明をおこなった。この発明は、この
種の部分酸化反応をおこなう改質器を対象とした場合に
特に有効であるが、部分酸化反応を生じさせない形式の
改質器を対象とする制御装置にも適用することができ
る。

【００９０】

【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、ガス化させるべき改質燃料の量を算定し、その算
定された改質燃料量に基づいて、前記改質器に供給する
前記排ガスの量を算定するように構成されているので、
エネルギー変換器での負荷の変動などによって改質燃料
の量が変化すると、それに応じて改質器に供給される未
利用可燃性ガスを含む排ガス量が算定され、その量の排
ガスを改質器に供給することにより、その排ガスに含ま
れる未利用可燃性ガスが燃焼して改質燃料が加熱され
る。したがって、改質燃料の量と燃焼させられる可燃性
ガスとの量とが対応しているので、改質燃料が目的とす
る温度まで加熱され、その結果、可燃性ガスを不必要に
多量に燃焼させることなく、改質燃料温度を目的温度と
することができ、ひいては改質反応が好適に進行して高
品質の改質ガスを得ることができる。

【００９１】また、請求項２の発明は、改質燃料の加熱
のために使用される未利用可燃性ガスの量が、より正確
になるので、改質燃料の加熱温度が正確になると同時
に、未利用可燃性ガスの有効利用を図ることができる。

【００９２】請求項３の発明によれば、請求項１の発明
による効果に加えて、改質燃料の加熱温度が低い場合、
あるいは反対に高い場合に、それに応じて排ガス量、す
なわち燃焼させられる未利用可燃性ガス量が増減される
ので、改質燃料の加熱温度が是正されて適正温度とな
り、ひいては高品質の改質ガスを得ることが可能にな
る。

【００９３】請求項４の発明によれば、請求項１の効果
に加えて、改質燃料が充分に供給されるに先立って未利
用可燃性ガスを相対的に多量に燃焼させたり、また反対
に改質燃料が減少する場合に、先行して未利用可燃性ガ
スの燃焼量を減少させたりすることが回避され、その結
果、改質燃料の加熱温度が適正化され、ひいては高品質
の改質ガスを得ることが可能になる。

【００９４】請求項５の発明によれば、請求項１による
効果に加えて、改質器に対して、改質燃料を加熱するべ
く供給される可燃性ガスの量に応じて支燃ガスが供給さ
れるので、両者のガスの量の割合が適正になって、目標
とする加熱熱量を得ることができ、それに伴い、改質燃
料の加熱温度が適正化され、ひいては高品質の改質ガス
を得ることが可能になる。

【００９５】請求項６の発明によれば、請求項５の発明
による効果に加えて、加熱温度が低い場合には、例えば
支燃ガス量が減じられて支燃ガスが持ち去る熱量を減じ
て改質燃料の加熱温度が高められ、また反対に加熱温度
が高い場合には、例えば支燃ガス量が増大させられて支
燃ガスが持ち去る熱量を多くして改質燃料の加熱温度を
低下させるので、改質燃料の加熱温度が適正化され、ひ
いては高品質の改質ガスを得ることが可能になる。

【００９６】さらに、請求項７の発明によれば、請求項
５の発明の効果に加えて、未利用可燃性ガスの燃焼によ
って改質燃料に与えられる熱量が、支燃ガス量によって
変化し、かつその変化が、改質燃料の供給の遅れ、ある
いは供給量の減少の遅れに合わせて生じることになり、
その結果、改質燃料を適正温度に加熱することができ、
ひいては高品質の改質ガスを得ることが可能になる。

【００９７】そして、請求項８の発明によれば、請求項
５の発明による効果に加えて、支燃ガス量の過不足が是
正されるので、未利用可燃性ガスの燃焼が所期どおりに
生じ、その結果、改質燃料の加熱温度が適正化され、ひ
いては高品質の改質ガスを得ることが可能になる。

【００９８】さらに請求項９の発明によれば、エネルギ
ー変換器での負荷などに応じてガス化すべき改質燃料の
量が算定され、その改質燃料を加熱するのに必要とする
可燃性ガス量が、その改質燃料量に基づいて算定され、
この可燃性ガスの必要量を含む排ガス量が算定される。
したがって改質燃料を加熱するために未利用の可燃性ガ
スを使用でき、またその未利用可燃性ガスによって改質
燃料が過不足なく加熱され、その結果、良好な改質反応
が生じて高品質の改質ガスを得ることができる。また同
時に燃料の有効利用を図ることができる。

【００９９】これに加えて、請求項１０の発明によれ
ば、排ガスと共に供給された未利用可燃性ガスを、改質
燃料の加熱温度が目的温度となるように、効果的に燃焼
させることができ、その結果、改質燃料の温度およびそ
れに伴う改質反応が良好になり、高品質の改質ガスを得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】こ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】この発明による制御装置で実行される他の制
御例を説明するためのフローチャートである。

【図３】この発明による制御装置で実行される更に他
の制御例を説明するためのフローチャートである。

【図４】検出された燃焼部の温度に基づいてＡ／Ｆ値
を決定するためのマップの例を示す図である。

【図５】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６】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、２２…リターン
管、２３…流量調整弁、２４…燃焼室、２８…蒸発
管、２９…給液管、３０…蒸気管、３１…酸化触
媒、３２…温度センサ、３４…Ａ／Ｆセンサ、３
５…蒸気温度センサ、３６…電子制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者永宮清美愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者本園貴一愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3K068 FA02 FB01 FC02 FC06 GA01 GA07 4G040 EA02 EA06 EB12 EB43 5H027 AA02 BA09 KK28 KK48 MM16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】改質燃料を改質反応によってガス化し、
得られた改質ガスをエネルギー変換器によって他の形態
のエネルギーに変換し、そのエネルギー変換器で生じた
未利用可燃性ガスを含む排ガスを燃焼させて前記改質燃
料を加熱するように構成された改質器の制御装置におい
て、ガス化させるべき前記改質燃料の量を算定する改質量算
定手段と、算定された改質燃料量に基づいて、前記改質器に供給す
る前記排ガスの量を算定する排ガス量算定手段とを備え
ていることを特徴とする改質器の制御装置。
【請求項２】前記排ガス中の未利用可燃性ガス量を、
前記エネルギー変換器に供給すべく改質された改質燃料
量と前記エネルギー変換器の負荷とに基づいて推定する
可燃性ガス量推定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】前記改質反応に供される改質燃料の温度
を検出する改質燃料温度検出手段と、検出された改質燃料温度に基づいて、前記改質器に供給
する排ガス量を補正する温度補正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４】前記改質器に供給された改質燃料がガス
化するまでの時間的遅れに基づいて、前記改質器に供給
する排ガス量を補正する遅れ補正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５】前記改質器に供給される排ガス中の可燃
性ガスを燃焼させるための支燃ガスの量を、改質器に供
給される未利用可燃性ガス量に基づいて算出する支燃ガ
ス量算出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６】前記改質反応に供される改質燃料を加熱
する温度を検出する加熱温度検出手段と、検出された温度に基づいて、前記改質器に供給する支燃
ガス量を補正する温度補正手段とを更に備えていること
を特徴とする請求項５に記載の改質器の制御装置。
【請求項７】前記改質器に供給された改質燃料がガス
化するまでの遅れに基づいて、前記改質器に供給する支
燃ガス量を補正する遅れ補正手段を更に備えていること
を特徴とする請求項５に記載の改質器の制御装置。
【請求項８】前記改質燃料を加熱するために燃焼させ
られる可燃性ガスの量と該可燃性ガスを燃焼させるため
の支燃ガスの量との比率を検出するＡ／Ｆ検出手段と、検出された前記比率に基づいて、前記改質器に供給する
排ガス量を補正するＡ／Ｆ補正手段とを更に備えている
ことを特徴とする請求項５に記載の改質器の制御装置。
【請求項９】改質燃料を改質反応によってガス化し、
得られた改質ガスをエネルギー変換器によって他の形態
のエネルギーに変換し、そのエネルギー変換器で生じた
未利用可燃性ガスを含む排ガスを燃焼させて前記改質燃
料を加熱するように構成された改質器の制御装置におい
て、ガス化させるべき前記改質燃料の量を算定する改質量算
定手段と、算定された改質燃料量に基づいて、前記未利用可燃性ガ
スの必要量を算定する可燃性ガス量算定手段と、算定された可燃性ガスの必要量に基づいて、前記改質器
に供給するべき前記排ガス量を算定する排ガス量算定手
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１０】前記可燃性ガス算定手段で算定された
可燃性ガス量に基づいて、前記改質器に前記未利用可燃
性ガスと共に供給する支燃ガスの量を算定する支燃ガス
量算定手段を更に備えていることを特徴とする請求項９
に記載の改質器の制御装置。