JP4192301B2 - 改質器の制御装置 - Google Patents
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Description
【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な改質ガスなどの所望の形態の燃料に改質する改質器に関し、特に部分酸化改質反応を併用する改質器における部分酸化改質反応を制御するための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の改質器として、メタノールと水との混合蒸気を改質して水素を主体とする改質ガスを生成する構成のものが知られている。その改質器での改質反応は、主に、下記の式で表されるメタノールと水蒸気との反応により水素ガスを生じる水蒸気改質反応である。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２（＋ＣＯ）−49.5（kJ/mol） …（１）
したがってこの水蒸気改質反応が吸熱反応であり、また改質触媒の活性温度が３００℃程度の比較的高温であるから、改質反応を継続させるためには、その反応熱を供給する必要がある。
【０００３】
一方、メタノールの改質反応として、酸化反応によって水素を生じる部分酸化改質反応がある。これは、下記の式で表されるように発熱反応である。
ＣＨ３ＯＨ＋１／２Ｏ２→２Ｈ２＋ＣＯ２＋189.6（kJ/mol） …（２）
【０００４】
これらの水蒸気改質反応と部分酸化改質反応とを並行して生じさせることができるから、水蒸気改質反応での吸熱を部分酸化改質反応の発熱で補うことができる。このようないわゆる部分酸化併用型の燃料電池システムが、特開平７−５７７５６号公報に記載されている。この公報に記載された発明では、コンプレッサーで加圧した空気を熱交換器で加熱した後に、改質器に導入し、部分酸化反応を生じさせる、としている。しかし、その導入する空気の量などについては特に制御の対象としていない。これは、前記の公報に記載されているシステムがいわゆる据え置き型の大型のシステムを対象とし、そのために、負荷の変動が殆どないことによるものと思われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上に示した反応式から知られるように、水蒸気改質反応での吸熱量と部分酸化改質反応での発熱量とは大きく異なっている。したがってこれらの各反応が同時に１モルのメタノールについて生じるとすれば、発熱量が多くなって触媒温度が過剰に高温になり、その活性や耐久性が低下する可能性がある。また反対に部分酸化改質反応が低調であれば、改質触媒の温度が低下して残留メタノール量や一酸化炭素ガスの生成量が多くなる不都合がある。
【０００６】
このように部分酸化改質反応を生じさせるとしても、その反応の程度によっては改質反応に異常を来すことになる。そのために、部分酸化併用型の改質器ではその部分酸化反応を適正に制御する必要があるが、上述した公報に記載された従来のシステムでは、部分酸化反応を制御するための具体的な制御対象や制御方法が全く認識されていない。そのため、上述した従来の装置では、改質部の温度を改質反応に要求される温度に安定的に維持することが困難であり、特に燃料電池などの改質燃料を消費するエネルギー変換器での負荷の変動に伴って改質燃料の量が変動する場合には、改質触媒の温度など改質部の温度が不安定になり、その結果、改質ガスの品質が低下するなどの可能性があった。
【０００７】
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、部分酸化改質反応を併用する改質器の温度を改質反応に要求される温度に安定的に維持す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。
【０００８】
【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、部分酸化反応が改質部に導入した酸素量に応じて生じることに着目し、その酸素量を、吸熱改質反応と部分酸化改質反応とに供される改質燃料の要求量のうち、吸熱改質反応での理論吸熱量と部分酸化改質反応での理論発熱量との比率に基づいて決定された部分酸化改質反応に供される改質燃料量に基づいて決定するように構成したことを特徴とするものである。より具体的には、請求項１の発明は、吸熱を伴う改質反応と発熱を伴う部分酸化改質反応とによって改質燃料を所定の形態の燃料に改質する改質器の制御装置において、前記部分酸化改質反応のために供給する酸素の量を、前記所定の形態の燃料に改質するべき改質燃料量と前記吸熱を伴う改質反応での理論吸熱量および前記部分酸化改質反応での理論発熱量とに基づいて決定する酸素量決定手段と、前記酸素量決定手段で決定された酸素量を、前記改質燃料の供給から改質反応までの時間遅れに基づいて補正する遅れ補正手段とを備えていることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２の発明は、吸熱を伴う改質反応と発熱を伴う部分酸化改質反応とによって改質燃料を所定の形態の燃料に改質する改質器の制御装置において、前記部分酸化改質反応のために供給する酸素の量を、前記所定の形態の燃料に改質するべき改質燃料量と前記吸熱を伴う改質反応での理論吸熱量および前記部分酸化改質反応での理論発熱量とに基づいて決定する酸素量決定手段と、前記改質燃料の改質反応が生じる部分に対する前記部分酸化改質反応のための酸素の供給状態量を推定する推定手段と、該推定手段で推定された酸素供給状態量と前記酸素量決定手段で決定された酸素量とに基づいて、部分酸化改質反応のための酸素を供給する指令値を設定する指令値設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、部分酸化改質反応の用に供される酸素の量が、改質すべき改質燃料の量および改質反応に伴う理論吸熱量と理論発熱量とに基づいて決定され、また改質燃料の量の変動に伴う改質反応の変動の時間的遅れに応じて供給酸素量を補正するので、改質反応に伴う吸熱量と発熱量とをバランスさせて改質反応が生じる部分の温度を所定の温度に維持することができるとともに、改質反応の生じる部分の温度が更に正確に維持され、その結果、改質反応を良好に進行させて形態を変更した高品質の燃料を得ることできる。
【００１５】
そして請求項２の発明によれば、部分酸化改質反応の用に供される酸素の量が、改質すべき改質燃料の量および改質反応に伴う理論吸熱量と理論発熱量とに基づいて決定され、また酸素量決定手段で決定された量の酸素を供給するための指令信号を出力するにあたり、酸素の供給圧などの状態量を推定し、その推定値に基づいて酸素供給指令値を設定するので、酸素の供給量が正確になり、その結果、改質反応が安定して、形態を変更した高品質の燃料を得ることができる。
【００１６】
【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２はその一例を模式的に示しており、燃料電池１の燃料極側に、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を主成分とする改質ガス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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
前記改質部４は、主としてメタノールの改質反応によって水素を主成分とする改質ガスを発生させるように構成されている。その改質反応は、上記の（１）式で示されるいわゆる水蒸気改質反応と、（２）式で示されるいわゆる部分酸化改質反応とであり、これらの反応を生じさせるために、図３に示すように、活性温度が例えば２８０〜３００℃程度の銅系の触媒からなる触媒層４１がチャンバー４２内に設けられており、そのチャンバー４２の供給口４３に前記蒸発部７が接続されている。またその供給口４３には、部分酸化反応のために酸素を供給する部分酸化エアー供給管４４が接続されている。そしてこの部分酸化エアー供給管４４にエアーポンプ１３が接続されている。
【００２０】
また、チャンバー４２の供給口４３側と排出口４５側とには、触媒層４１の温度を検出して信号を出力する温度センサ４６，４７がそれぞれ配置されている。さらに排出口４５側には、圧力センサ４８が配置されている。
【００２１】
上記の（１）式および（２）式で示す改質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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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側からの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。
【００２５】
前記蒸発部７に対する改質燃料の供給や部分酸化エアーの供給を制御するための電子制御装置（ＥＣＵ）２４が設けられている。この電子制御装置２４は、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であって、制御データとして前記電流センサ２０の出力信号と、前記温度センサ４６，４７の検出信号と、前記圧力センサ４８の検出信号とが入力されている。そしてこれらの入力データと予め記憶しているデータとに基づいて演算をおこなって制御信号を前記ポンプ１１やエアーポンプ１３に出力し、改質燃料の供給量や部分酸化エアーの供給量を制御するようになっている。
【００２６】
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により蒸発部７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の下に酸化反応し、すなわち燃焼し、熱を発生する。その熱によって混合液が蒸発し、メタノールと水との混合蒸気が生じる。
【００２７】
蒸発部７で生じた混合蒸気は、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水蒸気改質反応が生じ、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、エアーポンプ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改質反応が生じる。この部分酸化改質反応は上述した（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。
【００２８】
メタノールの水蒸気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改質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。
【００２９】
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。
【００３０】
上述した改質過程での改質部４における温度をほぼ一定に維持するために、部分酸化改質反応のための酸素量すなわち供給エアー量を以下のように制御する。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、改質燃料量に基づいて部分酸化エアー量を算出する（ステップ１）。その改質燃料量Ｆk （mol/s）は、燃料電池１で必要とする水素ガス量に相当しているから、燃料電池１の負荷に基づいて算出される。
【００３１】
また、メタノールを水蒸気改質および部分酸化改質によって改質した場合の吸熱量と発熱量とは、前述した（１）式および（２）式に示すとおりであり、したがって改質部４に供給したメタノールの約２１％を部分酸化改質し、かつ残る約７９％を水蒸気改質することにより、改質反応に伴う熱収支がバランスする。さらに１モルのメタノールを酸化改質するためには、（２）式に示されるように１／２モルの酸素を必要とする。したがってＦk （mol/s）の改質燃料に対して必要とする部分酸化エアー量Ｆpo（l/s）は、次式で求められる。
Ｆpo（l/s）＝0.105×Ｆk（mol/s）×22.4（l/mol）×100/21×298/273
ここで、「100/21」は必要酸素量の空気量換算であり、また「298/273」は室温を２５℃とした場合の体積の補正である。
【００３２】
改質燃料の量を変化させた場合、それに伴う改質反応の変化が生じるまでには、改質燃料の輸送のための時間および蒸発部７での動特性があるため、これに基づく補正をおこなう（ステップ２１）。先ず、改質燃料の輸送に起因する遅れの補正は、遅れ時間をｔ0 とすると、
Ｆpo1＝Ｆpo(t-t0)
として補正する。すなわち、遅れ時間ｔ0 だけ以前の時点のエアー量として算出される値を現時点の部分酸化エアー量として採用する。また、蒸発部７の動特性を一次遅れと仮定すると、
Ｆpo2(l/s)＝Ｆpo2old×τ／（ＤＴ＋τ）＋Ｆpo1×ＤＴ／（ＤＴ＋τ）
である。ここで、ＤＴは制御周期であり、またτは一次遅れの遅れの程度を表す量であり、さらにＦpo2oldはＦpo2の一制御周期前の履歴である。
【００３３】
つぎに、改質部４での排出口４５側の温度センサ４７で検出した温度に基づく部分酸化エアー量の補正をおこなう（ステップ３）。その一例を示せば、
Ｆpo3＝Ｆpo2＋Ｋp×（Ｔrot−Ｔro）＋Ｋi×Σ（Ｔrot−Ｔro）
である。ここで、Ｋp およびＫi は制御パラメータであり、Ｔrotは改質部４の排出側での目標温度であり、さらにＴroは温度センサ４７で検出された温度であり、そしてΣ（Ｔrot−Ｔro）は目標温度Ｔtot と検出温度Ｔroとの偏差の積算値である。すなわち検出された排出側温度が高い場合には、部分酸化エアー量を減少させ、また反対に低い場合には部分酸化エアー量を増大させることにより、検出された温度が目標温度となるように部分酸化エアー量を制御する。
【００３４】
さらに改質部４の流入口側の温度に基づいて部分酸化エアー量を補正する（ステップ４）。これは、改質触媒の劣化が所定温度以上の高温で顕著になるので、温度上昇に起因する触媒の劣化を防止することを目的とするものである。その一例を示せば、
Ｆpo4＝Ｋdec×Ｆpo3
の演算により、ステップ３で求めた値を補正する。ここで、Ｋdec は改質部４の供給口４３側の温度センサ４６によって検出された温度Ｔri（℃）の関数であり、一例として図４に示す値が採用される。図４に示す屈曲点温度は、異常高温による触媒劣化しきい値であり、したがって触媒層４１に供給される改質燃料蒸気温度が高い場合には、部分酸化改質反応が抑制されて、触媒温度で目標温度に低下させられる。なお、改質部４の触媒層４１における温度分布の一例を図３に参考値として示してある。
【００３５】
そして以上のようにして補正された部分酸化エアー量Ｆpo4 を改質部４に供給するべくエアーポンプ１３に対して指令信号を出力する（ステップ５）。その場合、改質部４の流入側の圧力が高ければ、エアーポンプ１３の出力を大きくする必要があるので、エアーポンプ１３に対する指令値を以下のようにして設定する。先ず、改質部４の排出口４５側に設けた圧力センサ４８によって圧力を検出し、その検出値に基づいて部分酸化エアーの改質部４の供給口４３側での圧力を推定する。したがってこの圧力がこの発明における酸素の供給状態量である。そしてその推定した圧力をパラメータとした部分酸化エアー供給量とエアーポンプ指令値とのマップに基づいてエアーポンプ指令値を設定する。そのマップの一例を図５に示してある。したがって蒸発部７から改質部４に対して供給する改質燃料蒸気の量が多いことによりその供給口４３側での圧力が高いなどの場合であっても、それに応じてエアーポンプ１３の出力が大きくなるので、部分酸化改質反応に必要とする量の酸素を過不足なく供給することができる。
【００３６】
上述したようにこの発明に係る制御装置によれば、改質燃料の量と水蒸気改質反応での理論吸熱量および部分酸化改質反応での理論発熱量とに基づいて部分酸化改質反応に供される酸素供給量を設定するので、改質部４での吸熱量と発熱量とがバランスし、その温度を目標温度にほぼ一定に維持することができる。特に上述した例では、改質燃料の輸送や反応の遅れに基づくエアー量の補正や改質部４の供給側や排出側の温度に基づくエアー量の補正をおこなうので、部分酸化改質反応のためにの酸素量すなわち部分酸化改質反応の程度が目標どおりとなり、その結果、改質部４の温度が触媒を活性状態に維持する温度に設定され、改質効率が向上するのみならず、高品質の改質ガスを得ることができる。さらに上述した例では、部分酸化エアーの供給箇所すなわち改質部４の供給口４３側の推定された圧力に基づいてエアーポンプ１３に対する指令値を設定するから、算出もしくは補正された量のエアーすなわち酸素を改質部４に供給でき、その結果、部分酸化改質反応の割合が正確になって改質部４の温度が目標とする温度にほぼ一定に維持される。
【００３７】
ここでこの発明と上述した具体例との関係を説明すると、図１に示すステップ１の機能がこの発明の酸素量決定手段に相当し、またステップ２の機能がこの発明の遅れ補正手段に相当する。さらに前記温度センサ４６，４７がこの発明の温度検出手段に相当し、ステップ３，４が温度補正手段に相当する。そして、図１に示すステップ５の機能がこの発明の推定手段および指令値設定手段に相当する。
【００３８】
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、部分酸化エアーの供給状態量を改質部の供給側の圧力としたが、エアーの流速などの他の状態量であってもよい。
【００３９】
また、上記の具体例では、改質部の排出側の圧力に基づいて供給側での圧力を推定することとしたが、この発明では、部分酸化エアーの改質部に対する吐出部の圧力を直接検出することも部分酸化エアーの供給状態量の推定に含まれる。さらにこの発明では、改質器本体の出口圧から部分酸化エアーの供給状態量を推定することとしてもよい。
【００４０】
【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、部分酸化改質反応の用に供される酸素の量が、改質すべき改質燃料の量および改質反応に伴う理論吸熱量と理論発熱量とに基づいて決定され、また改質燃料の量の変動に伴う改質反応の変動の時間的遅れに応じて供給酸素量を補正するので、改質反応に伴う吸熱量と発熱量とをバランスさせて改質反応が生じる部分の温度を所定の温度に維持することができるとともに、改質反応の生じる部分の温度が更に正確に維持され、その結果、改質反応を良好に進行させて形態を変更した高品質の燃料を得ることできる。
【００４３】
そして請求項２の発明によれば、部分酸化改質反応の用に供される酸素の量が、改質すべき改質燃料の量および改質反応に伴う理論吸熱量と理論発熱量とに基づいて決定され、また酸素量決定手段で決定された量の酸素を供給するための指令信号を出力するにあたり、酸素の供給圧などの状態量を推定し、その推定値に基づいて酸素供給指令値を設定するので、酸素の供給量が正確になり、その結果、改質反応が安定して、形態を変更した高品質の燃料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】 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３】 その改質部を模式的に示す図である。
【図４】 温度による部分坂エアー供給量の補正をおこなうための係数を決定するマップの例を示す図である。
【図５】 圧力をパラメータとした部分酸化エアー供給量とエアーポンプ指令値との関係を示すマップの一例を示す図である。
【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、 １３…エアーポンプ、 ２４…電子制御装置、 ４１…触媒層、 ４４…部分酸化エアー供給管、 ４６，４７…温度センサ、 ４８…圧力センサ。
【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な改質ガスなどの所望の形態の燃料に改質する改質器に関し、特に部分酸化改質反応を併用する改質器における部分酸化改質反応を制御するための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の改質器として、メタノールと水との混合蒸気を改質して水素を主体とする改質ガスを生成する構成のものが知られている。その改質器での改質反応は、主に、下記の式で表されるメタノールと水蒸気との反応により水素ガスを生じる水蒸気改質反応である。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２（＋ＣＯ）−49.5（kJ/mol） …（１）
したがってこの水蒸気改質反応が吸熱反応であり、また改質触媒の活性温度が３００℃程度の比較的高温であるから、改質反応を継続させるためには、その反応熱を供給する必要がある。
【０００３】
一方、メタノールの改質反応として、酸化反応によって水素を生じる部分酸化改質反応がある。これは、下記の式で表されるように発熱反応である。
ＣＨ３ＯＨ＋１／２Ｏ２→２Ｈ２＋ＣＯ２＋189.6（kJ/mol） …（２）
【０００４】
これらの水蒸気改質反応と部分酸化改質反応とを並行して生じさせることができるから、水蒸気改質反応での吸熱を部分酸化改質反応の発熱で補うことができる。このようないわゆる部分酸化併用型の燃料電池システムが、特開平７−５７７５６号公報に記載されている。この公報に記載された発明では、コンプレッサーで加圧した空気を熱交換器で加熱した後に、改質器に導入し、部分酸化反応を生じさせる、としている。しかし、その導入する空気の量などについては特に制御の対象としていない。これは、前記の公報に記載されているシステムがいわゆる据え置き型の大型のシステムを対象とし、そのために、負荷の変動が殆どないことによるものと思われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上に示した反応式から知られるように、水蒸気改質反応での吸熱量と部分酸化改質反応での発熱量とは大きく異なっている。したがってこれらの各反応が同時に１モルのメタノールについて生じるとすれば、発熱量が多くなって触媒温度が過剰に高温になり、その活性や耐久性が低下する可能性がある。また反対に部分酸化改質反応が低調であれば、改質触媒の温度が低下して残留メタノール量や一酸化炭素ガスの生成量が多くなる不都合がある。
【０００６】
このように部分酸化改質反応を生じさせるとしても、その反応の程度によっては改質反応に異常を来すことになる。そのために、部分酸化併用型の改質器ではその部分酸化反応を適正に制御する必要があるが、上述した公報に記載された従来のシステムでは、部分酸化反応を制御するための具体的な制御対象や制御方法が全く認識されていない。そのため、上述した従来の装置では、改質部の温度を改質反応に要求される温度に安定的に維持することが困難であり、特に燃料電池などの改質燃料を消費するエネルギー変換器での負荷の変動に伴って改質燃料の量が変動する場合には、改質触媒の温度など改質部の温度が不安定になり、その結果、改質ガスの品質が低下するなどの可能性があった。
【０００７】
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、部分酸化改質反応を併用する改質器の温度を改質反応に要求される温度に安定的に維持す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。
【０００８】
【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、部分酸化反応が改質部に導入した酸素量に応じて生じることに着目し、その酸素量を、吸熱改質反応と部分酸化改質反応とに供される改質燃料の要求量のうち、吸熱改質反応での理論吸熱量と部分酸化改質反応での理論発熱量との比率に基づいて決定された部分酸化改質反応に供される改質燃料量に基づいて決定するように構成したことを特徴とするものである。より具体的には、請求項１の発明は、吸熱を伴う改質反応と発熱を伴う部分酸化改質反応とによって改質燃料を所定の形態の燃料に改質する改質器の制御装置において、前記部分酸化改質反応のために供給する酸素の量を、前記所定の形態の燃料に改質するべき改質燃料量と前記吸熱を伴う改質反応での理論吸熱量および前記部分酸化改質反応での理論発熱量とに基づいて決定する酸素量決定手段と、前記酸素量決定手段で決定された酸素量を、前記改質燃料の供給から改質反応までの時間遅れに基づいて補正する遅れ補正手段とを備えていることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２の発明は、吸熱を伴う改質反応と発熱を伴う部分酸化改質反応とによって改質燃料を所定の形態の燃料に改質する改質器の制御装置において、前記部分酸化改質反応のために供給する酸素の量を、前記所定の形態の燃料に改質するべき改質燃料量と前記吸熱を伴う改質反応での理論吸熱量および前記部分酸化改質反応での理論発熱量とに基づいて決定する酸素量決定手段と、前記改質燃料の改質反応が生じる部分に対する前記部分酸化改質反応のための酸素の供給状態量を推定する推定手段と、該推定手段で推定された酸素供給状態量と前記酸素量決定手段で決定された酸素量とに基づいて、部分酸化改質反応のための酸素を供給する指令値を設定する指令値設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、部分酸化改質反応の用に供される酸素の量が、改質すべき改質燃料の量および改質反応に伴う理論吸熱量と理論発熱量とに基づいて決定され、また改質燃料の量の変動に伴う改質反応の変動の時間的遅れに応じて供給酸素量を補正するので、改質反応に伴う吸熱量と発熱量とをバランスさせて改質反応が生じる部分の温度を所定の温度に維持することができるとともに、改質反応の生じる部分の温度が更に正確に維持され、その結果、改質反応を良好に進行させて形態を変更した高品質の燃料を得ることできる。
【００１５】
そして請求項２の発明によれば、部分酸化改質反応の用に供される酸素の量が、改質すべき改質燃料の量および改質反応に伴う理論吸熱量と理論発熱量とに基づいて決定され、また酸素量決定手段で決定された量の酸素を供給するための指令信号を出力するにあたり、酸素の供給圧などの状態量を推定し、その推定値に基づいて酸素供給指令値を設定するので、酸素の供給量が正確になり、その結果、改質反応が安定して、形態を変更した高品質の燃料を得ることができる。
【００１６】
【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２はその一例を模式的に示しており、燃料電池１の燃料極側に、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を主成分とする改質ガス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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
前記改質部４は、主としてメタノールの改質反応によって水素を主成分とする改質ガスを発生させるように構成されている。その改質反応は、上記の（１）式で示されるいわゆる水蒸気改質反応と、（２）式で示されるいわゆる部分酸化改質反応とであり、これらの反応を生じさせるために、図３に示すように、活性温度が例えば２８０〜３００℃程度の銅系の触媒からなる触媒層４１がチャンバー４２内に設けられており、そのチャンバー４２の供給口４３に前記蒸発部７が接続されている。またその供給口４３には、部分酸化反応のために酸素を供給する部分酸化エアー供給管４４が接続されている。そしてこの部分酸化エアー供給管４４にエアーポンプ１３が接続されている。
【００２０】
また、チャンバー４２の供給口４３側と排出口４５側とには、触媒層４１の温度を検出して信号を出力する温度センサ４６，４７がそれぞれ配置されている。さらに排出口４５側には、圧力センサ４８が配置されている。
【００２１】
上記の（１）式および（２）式で示す改質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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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側からの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。
【００２５】
前記蒸発部７に対する改質燃料の供給や部分酸化エアーの供給を制御するための電子制御装置（ＥＣＵ）２４が設けられている。この電子制御装置２４は、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であって、制御データとして前記電流センサ２０の出力信号と、前記温度センサ４６，４７の検出信号と、前記圧力センサ４８の検出信号とが入力されている。そしてこれらの入力データと予め記憶しているデータとに基づいて演算をおこなって制御信号を前記ポンプ１１やエアーポンプ１３に出力し、改質燃料の供給量や部分酸化エアーの供給量を制御するようになっている。
【００２６】
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により蒸発部７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の下に酸化反応し、すなわち燃焼し、熱を発生する。その熱によって混合液が蒸発し、メタノールと水との混合蒸気が生じる。
【００２７】
蒸発部７で生じた混合蒸気は、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水蒸気改質反応が生じ、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、エアーポンプ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改質反応が生じる。この部分酸化改質反応は上述した（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。
【００２８】
メタノールの水蒸気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改質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。
【００２９】
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。
【００３０】
上述した改質過程での改質部４における温度をほぼ一定に維持するために、部分酸化改質反応のための酸素量すなわち供給エアー量を以下のように制御する。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、改質燃料量に基づいて部分酸化エアー量を算出する（ステップ１）。その改質燃料量Ｆk （mol/s）は、燃料電池１で必要とする水素ガス量に相当しているから、燃料電池１の負荷に基づいて算出される。
【００３１】
また、メタノールを水蒸気改質および部分酸化改質によって改質した場合の吸熱量と発熱量とは、前述した（１）式および（２）式に示すとおりであり、したがって改質部４に供給したメタノールの約２１％を部分酸化改質し、かつ残る約７９％を水蒸気改質することにより、改質反応に伴う熱収支がバランスする。さらに１モルのメタノールを酸化改質するためには、（２）式に示されるように１／２モルの酸素を必要とする。したがってＦk （mol/s）の改質燃料に対して必要とする部分酸化エアー量Ｆpo（l/s）は、次式で求められる。
Ｆpo（l/s）＝0.105×Ｆk（mol/s）×22.4（l/mol）×100/21×298/273
ここで、「100/21」は必要酸素量の空気量換算であり、また「298/273」は室温を２５℃とした場合の体積の補正である。
【００３２】
改質燃料の量を変化させた場合、それに伴う改質反応の変化が生じるまでには、改質燃料の輸送のための時間および蒸発部７での動特性があるため、これに基づく補正をおこなう（ステップ２１）。先ず、改質燃料の輸送に起因する遅れの補正は、遅れ時間をｔ0 とすると、
Ｆpo1＝Ｆpo(t-t0)
として補正する。すなわち、遅れ時間ｔ0 だけ以前の時点のエアー量として算出される値を現時点の部分酸化エアー量として採用する。また、蒸発部７の動特性を一次遅れと仮定すると、
Ｆpo2(l/s)＝Ｆpo2old×τ／（ＤＴ＋τ）＋Ｆpo1×ＤＴ／（ＤＴ＋τ）
である。ここで、ＤＴは制御周期であり、またτは一次遅れの遅れの程度を表す量であり、さらにＦpo2oldはＦpo2の一制御周期前の履歴である。
【００３３】
つぎに、改質部４での排出口４５側の温度センサ４７で検出した温度に基づく部分酸化エアー量の補正をおこなう（ステップ３）。その一例を示せば、
Ｆpo3＝Ｆpo2＋Ｋp×（Ｔrot−Ｔro）＋Ｋi×Σ（Ｔrot−Ｔro）
である。ここで、Ｋp およびＫi は制御パラメータであり、Ｔrotは改質部４の排出側での目標温度であり、さらにＴroは温度センサ４７で検出された温度であり、そしてΣ（Ｔrot−Ｔro）は目標温度Ｔtot と検出温度Ｔroとの偏差の積算値である。すなわち検出された排出側温度が高い場合には、部分酸化エアー量を減少させ、また反対に低い場合には部分酸化エアー量を増大させることにより、検出された温度が目標温度となるように部分酸化エアー量を制御する。
【００３４】
さらに改質部４の流入口側の温度に基づいて部分酸化エアー量を補正する（ステップ４）。これは、改質触媒の劣化が所定温度以上の高温で顕著になるので、温度上昇に起因する触媒の劣化を防止することを目的とするものである。その一例を示せば、
Ｆpo4＝Ｋdec×Ｆpo3
の演算により、ステップ３で求めた値を補正する。ここで、Ｋdec は改質部４の供給口４３側の温度センサ４６によって検出された温度Ｔri（℃）の関数であり、一例として図４に示す値が採用される。図４に示す屈曲点温度は、異常高温による触媒劣化しきい値であり、したがって触媒層４１に供給される改質燃料蒸気温度が高い場合には、部分酸化改質反応が抑制されて、触媒温度で目標温度に低下させられる。なお、改質部４の触媒層４１における温度分布の一例を図３に参考値として示してある。
【００３５】
そして以上のようにして補正された部分酸化エアー量Ｆpo4 を改質部４に供給するべくエアーポンプ１３に対して指令信号を出力する（ステップ５）。その場合、改質部４の流入側の圧力が高ければ、エアーポンプ１３の出力を大きくする必要があるので、エアーポンプ１３に対する指令値を以下のようにして設定する。先ず、改質部４の排出口４５側に設けた圧力センサ４８によって圧力を検出し、その検出値に基づいて部分酸化エアーの改質部４の供給口４３側での圧力を推定する。したがってこの圧力がこの発明における酸素の供給状態量である。そしてその推定した圧力をパラメータとした部分酸化エアー供給量とエアーポンプ指令値とのマップに基づいてエアーポンプ指令値を設定する。そのマップの一例を図５に示してある。したがって蒸発部７から改質部４に対して供給する改質燃料蒸気の量が多いことによりその供給口４３側での圧力が高いなどの場合であっても、それに応じてエアーポンプ１３の出力が大きくなるので、部分酸化改質反応に必要とする量の酸素を過不足なく供給することができる。
【００３６】
上述したようにこの発明に係る制御装置によれば、改質燃料の量と水蒸気改質反応での理論吸熱量および部分酸化改質反応での理論発熱量とに基づいて部分酸化改質反応に供される酸素供給量を設定するので、改質部４での吸熱量と発熱量とがバランスし、その温度を目標温度にほぼ一定に維持することができる。特に上述した例では、改質燃料の輸送や反応の遅れに基づくエアー量の補正や改質部４の供給側や排出側の温度に基づくエアー量の補正をおこなうので、部分酸化改質反応のためにの酸素量すなわち部分酸化改質反応の程度が目標どおりとなり、その結果、改質部４の温度が触媒を活性状態に維持する温度に設定され、改質効率が向上するのみならず、高品質の改質ガスを得ることができる。さらに上述した例では、部分酸化エアーの供給箇所すなわち改質部４の供給口４３側の推定された圧力に基づいてエアーポンプ１３に対する指令値を設定するから、算出もしくは補正された量のエアーすなわち酸素を改質部４に供給でき、その結果、部分酸化改質反応の割合が正確になって改質部４の温度が目標とする温度にほぼ一定に維持される。
【００３７】
ここでこの発明と上述した具体例との関係を説明すると、図１に示すステップ１の機能がこの発明の酸素量決定手段に相当し、またステップ２の機能がこの発明の遅れ補正手段に相当する。さらに前記温度センサ４６，４７がこの発明の温度検出手段に相当し、ステップ３，４が温度補正手段に相当する。そして、図１に示すステップ５の機能がこの発明の推定手段および指令値設定手段に相当する。
【００３８】
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、部分酸化エアーの供給状態量を改質部の供給側の圧力としたが、エアーの流速などの他の状態量であってもよい。
【００３９】
また、上記の具体例では、改質部の排出側の圧力に基づいて供給側での圧力を推定することとしたが、この発明では、部分酸化エアーの改質部に対する吐出部の圧力を直接検出することも部分酸化エアーの供給状態量の推定に含まれる。さらにこの発明では、改質器本体の出口圧から部分酸化エアーの供給状態量を推定することとしてもよい。
【００４０】
【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、部分酸化改質反応の用に供される酸素の量が、改質すべき改質燃料の量および改質反応に伴う理論吸熱量と理論発熱量とに基づいて決定され、また改質燃料の量の変動に伴う改質反応の変動の時間的遅れに応じて供給酸素量を補正するので、改質反応に伴う吸熱量と発熱量とをバランスさせて改質反応が生じる部分の温度を所定の温度に維持することができるとともに、改質反応の生じる部分の温度が更に正確に維持され、その結果、改質反応を良好に進行させて形態を変更した高品質の燃料を得ることできる。
【００４３】
そして請求項２の発明によれば、部分酸化改質反応の用に供される酸素の量が、改質すべき改質燃料の量および改質反応に伴う理論吸熱量と理論発熱量とに基づいて決定され、また酸素量決定手段で決定された量の酸素を供給するための指令信号を出力するにあたり、酸素の供給圧などの状態量を推定し、その推定値に基づいて酸素供給指令値を設定するので、酸素の供給量が正確になり、その結果、改質反応が安定して、形態を変更した高品質の燃料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】 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３】 その改質部を模式的に示す図である。
【図４】 温度による部分坂エアー供給量の補正をおこなうための係数を決定するマップの例を示す図である。
【図５】 圧力をパラメータとした部分酸化エアー供給量とエアーポンプ指令値との関係を示すマップの一例を示す図である。
【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、 １３…エアーポンプ、 ２４…電子制御装置、 ４１…触媒層、 ４４…部分酸化エアー供給管、 ４６，４７…温度センサ、 ４８…圧力センサ。
Claims (2)
- 吸熱を伴う改質反応と発熱を伴う部分酸化改質反応とによって改質燃料を所定の形態の燃料に改質する改質器の制御装置において、
前記部分酸化改質反応のために供給する酸素の量を、前記所定の形態の燃料に改質するべき改質燃料量と前記吸熱を伴う改質反応での理論吸熱量および前記部分酸化改質反応での理論発熱量とに基づいて決定する酸素量決定手段と、前記酸素量決定手段で決定された酸素量を、前記改質燃料の供給から改質反応までの時間遅れに基づいて補正する遅れ補正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。 - 吸熱を伴う改質反応と発熱を伴う部分酸化改質反応とによって改質燃料を所定の形態の燃料に改質する改質器の制御装置において、
前記部分酸化改質反応のために供給する酸素の量を、前記所定の形態の燃料に改質するべき改質燃料量と前記吸熱を伴う改質反応での理論吸熱量および前記部分酸化改質反応での理論発熱量とに基づいて決定する酸素量決定手段と、前記改質燃料の改質反応が生じる部分に対する前記部分酸化改質反応のための酸素の供給状態量を推定する推定手段と、該推定手段で推定された酸素供給状態量と前記酸素量決定手段で決定された酸素量とに基づいて、部分酸化改質反応のための酸素を供給する指令値を設定する指令値設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。
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