JP4140253B2

JP4140253B2 - 燃料改質システム

Info

Publication number: JP4140253B2
Application number: JP2002072059A
Authority: JP
Inventors: 勝岡本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: WO2003079473A3; US20050123812A1; WO2003079473A2; KR20040094807A; KR100647850B1; EP1485961B1; CN1643724A; JP2003272674A; EP1485961A2; CN1333485C; US7455921B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料改質システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料改質システムとして特開平８−４５５２１号公報や特開平１１−３０７１１０号公報に開示されるものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料改質システムでは、炭化水素を主成分とする原料を蒸発器により蒸発し、蒸気となった原料と酸素を含む気体とを改質器に供給する。改質器では原料中の炭化水素と酸素とを反応して水素リッチな改質ガスを生成する。この水素リッチな改質ガスと酸素を含む気体とは燃料電池に供給され、燃料電池では改質ガス中の水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電する。
【０００４】
こうした燃料改質システムが、燃料電池で発電した電力を消費する負荷装置と組み合わされるとき、運転条件により変化する負荷に対して必要な電力を、燃料電池が発生するように改質器に供給する原料と酸素を含む気体の各流量とを制御する必要がある。
【０００５】
しかしながら、負荷が減少したとき、減少後の負荷に見合った原料と酸素を含む気体の各流量となるように蒸発器を制御したからといって、改質器には負荷減少前に供給した原料と酸素とが残留するため、しばらくは水素リッチな改質ガスを生成し続け、これにより余剰水素が生じる。
【０００６】
このような余剰水素は不要であるので、上記の従来装置では改質器に供給する原料を減少させるようにしているが、改質器の保温のためには原料を流し続けなければならないので燃費が悪い。
【０００７】
ここで、負荷が減少したにも拘わらず、原料を改質器に供給し続けるようにしているのは次の理由からである。すなわち、余剰水素は不要であるから改質器への原料の供給を絞り、これに伴い改質器の触媒温度が触媒活性温度以下に下がってしまうと、次に負荷が増大して水素リッチな改質ガスが必要となったときに、改質器での改質反応が活発となって水素リッチな改質ガスが生成されるまでに時間がかかるので、改質器は活性が保たれる温度に維持しておく必要があるからである。
【０００８】
そこで本発明は、余剰水素があると判定した場合に、余剰水素を含んだ改質ガスを取り出してその改質ガス中の余剰水素を燃焼させ、その燃焼ガスを用いて改質器を保温することにより、負荷減少時に不要となった余剰水素を有効利用して、次に負荷が増大して水素リッチな改質ガスが必要となったときに速やかに水素リッチな改質ガスを発生させることを目的とする。
【０００９】
また、改質器の保温により改質器への原料蒸気と酸素の供給が不要となるので、本発明では改質器への原料蒸気と酸素の供給を停止することにより、不要な原料の消費を回避することをも目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、炭化水素を主成分とする原料を蒸発させる蒸発器と、酸素を含む気体と前記蒸発器で蒸発した原料蒸気とを用いて水素を含む改質ガスを生成する改質器と、この改質ガス中の水素と酸素とを反応させて発電する燃料電池と、この燃料電池で発電した電力を消費する負荷装置とを備えた燃料改質システムにおいて、前記改質器で生成される水素流量を計算する生成水素計算手段と、前記負荷装置の消費電力を発電するために、前記燃料電池で必要とされる消費水素流量を算出する消費水素流量算出手段と、前記改質器で生成される水素流量が前記消費水素流量よりも多くて余剰となる余剰水素があるかどうかを判定する余剰水素判定手段と、この余剰水素判定手段が余剰水素があると判定した場合に、余剰水素を前記燃料電池の上流から分岐して燃焼させ、その燃焼ガスを前記改質器に還流して改質器を保温する改質器保温手段とを備える。
【００１１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、余剰水素が生じるような負荷減少時に余剰水素を燃焼させて改質器を保温するようにしたので、改質器の触媒温度が改質反応を活性化するのに十分な温度に保たれることから、余剰水素が生じるような負荷減少が生じた後に負荷増加を生じて水素生成が必要となった場合に、速やかに改質器で改質反応を開始することが可能となり、改質器による水素生成の応答性能を向上できる。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、改質器保温装置により改質ガスを燃焼させたガスで改質器を保温しているときに、改質器に供給される原料蒸気と酸素を含む気体との供給を停止するので、余剰水素が生じている期間での余分な原料消費をなくして燃費を改善することができる
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態を示す。まず燃料改質システムとしての基本的な構成および動作につき説明する。
【００１４】
図において原料タンク２内の水と原料タンク３内の燃料であるメタノールとが水供給装置４、メタノール供給装置５より蒸発器６内に送られて加熱蒸発され、水とメタノールの混合蒸気（原料蒸気）となって改質器８に供給される。ここで、水供給装置４、メタノール供給装置５は、主にフィードポンプとインジェクタからなっている。
【００１５】
水流量とメタノール流量の目標値は燃料電池９で要求する発電量に基づいてコントローラ２１により算出され、それぞれの目標値になるようにコントローラ２１がそれぞれの供給装置４、５内の流量制御装置（インジェクタ）を制御する。当該燃料電池システムを車両に適用した場合には、上記の要求発電量はドライバのアクセルペダルの踏み込み量に基づいて算出する。
【００１６】
また、コンプレッサ７より空気（酸素を含む気体）が改質器８に圧送（送気）される。コンプレッサ７は、燃料電池システム全体で必要とする空気を全て供給するため、流量センサ１５により検出されるコンプレッサ吐出流量が、改質器８に供給する空気流量と燃料電池９で必要とされる空気流量との総和と等しくなるように、流量制御器１６がコンプレッサ７の回転速度を制御する。この場合、流量制御器１６による制御には非干渉制御方式を採用している（特開２００１−３３８６５９号公報参照）。
【００１７】
改質器８は、水、メタノールの混合蒸気と空気中の酸素とを改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成する。改質器８は、部分酸化反応による発熱とメタノールの分解反応による吸熱とがバランスするオートサーマル条件で運転される。このため、温度センサ１４からの改質器温度が入力される温度制御器１３では実際の改質器温度が目標温度になるように、改質器８への空気通路１１に設けた流量制御弁１２の開度を調節することにより、改質器８に供給される空気流量を制御している。
【００１８】
なお、水素リッチな改質ガスには低レベルの一酸化炭素が含まれ、この一酸化炭素は固体高分子型燃料電池９の、白金等からなる電極触媒を被毒し、その活性を著しく低下させてしまうので、一酸化炭素を除去するシフト反応器が改質器８と一体に構成されている。
【００１９】
このようにして極めて低レベルな濃度にまで一酸化炭素が低減された改質ガスとコンプレッサ７からの空気とが燃料電池９の燃料極と空気極に送気され、燃料電池９では空気中の酸素と改質ガス中の水素とを電気化学的に反応させて発電する。
【００２０】
燃料電池９において、改質ガス中の水素を全て利用することは困難であり、一部の水素を残した、発電に使用済みの改質ガスと、一部の酸素を残した、発電に使用済みの空気とを、触媒燃焼器１０に送り燃焼させる。得られた高温の燃焼ガスは、蒸発器６に送られ、メタノールと水の蒸発のエネルギーとして再利用される。
【００２１】
こうした燃料改質システムは、本実施形態は車両に搭載され、燃料電池９から取り出される負荷電流は、インバータ１８を介して車両駆動用のモータ１９に流される。ここでは、インバータ１８及び駆動モータ１９が、燃料電池９で発電した電力を消費する負荷装置である。
【００２２】
こうして燃料改質システムが、運転条件により変化する負荷装置と組み合わされるとき、負荷装置で必要な電力を燃料電池９が発生するように改質器８に供給する原料と空気の各流量とを制御する必要があるのであるが、負荷装置で必要とする電力が減少したとき（負荷が減少したとき）、減少後の負荷に見合った原料と空気の各流量となるように蒸発器６への水とメタノールの各流量を制御したからといって、改質器８には負荷減少前に供給した原料と空気が残留するため、水素リッチな改質ガスを生成し続け、これにより負荷減少時の負荷装置が必要とする電力を賄う水素以上の水素（余剰水素）が改質ガス中に生じる。
【００２３】
本発明では、運転条件により変化する負荷装置と組み合わされる、このような燃料改質システムにおいて、負荷減少時のように余剰水素が生じる場合に、その余剰水素を取り出して燃焼し、その燃焼により生じるガスを改質器８の上流へと還流させることにより改質器８を保温することに利用する。この余剰水素を燃焼させての改質器８の保温により改質器８への原料蒸気と空気の供給は不要となるので、改質器８への原料蒸気と空気の供給を停止する。
【００２４】
これについてさらに説明すると、図１において改質器８により生成される水素リッチな改質ガスを燃料電池９に供給する通路２２から分岐して通路２３が設けられ、この分岐通路２３を介して改質器８を出た改質ガスの一部が改質器保温装置２４に導かれる。
【００２５】
改質器保温装置２４にはエアコンプレッサ７からの空気も空気供給通路２５を介して導かれ、内部に酸化触媒を備える改質器保温装置２４では、改質ガス中に余剰水素が生じたときに、分岐通路２３を介して導かれる改質ガス中の余剰水素を、エアコンプレッサ７から供給される空気中の酸素で燃焼させ、燃焼した高温のガスを通路２６を介して改質器８の入口側に還流する。
【００２６】
分岐通路２３と空気供給通路２５にはそれぞれ常閉の流量制御弁２７、２８が設けられ、これらの制御弁２７、２８の開閉はコントローラ２１からの信号により制御する。
【００２７】
ここで、通路２３と通路２６とで還流通路が構成され、流量制御弁２７が、請求項２に記載の発明でいう還流装置である。また、流量制御弁２８は空気流量制御器である。
【００２８】
コントローラ２１では、改質器８で生成される改質ガス中の水素流量Ｑｈ２ｇｅｎと、負荷装置で消費する電力を満たすために燃料電池９に必要とされる水素流量Ｑｈ２ｓｕｍとの差分に基づいて余剰水素があるかどうかを判定し、余剰水素があると判定したとき、流量制御弁２７、２８を共に開く。
【００２９】
コントローラ２１ではさらに、余剰水素を燃焼させての改質器８の保温中に次のようにして２つの流量制御弁２７、２８の開度を制御する。
【００３０】
▲１▼負荷減少時に利用されない余剰水素は、そのままでは燃焼器１０にまで運ばれて燃焼するが、燃焼器１０が許容上限温度を超えてまで上昇すると、燃焼器１０の耐久性が低下する。この点、本発明のように余剰水素を取り出し改質器保温装置２４で燃焼させて改質器８に還流すれば、その分だけ燃焼器１０の温度上昇は避けられる。その一方で、保温のためとはいえ改質器８に燃焼ガスを還流させるのであるから、これにより改質器８が許容上限温度を超えてまで上昇すると改質器８の耐久性が低下する。従って、余剰水素を処理する必要があるといっても、改質器８と燃焼器１０がいずれも許容上限温度以上とならないように図らなければならない。
【００３１】
そこで、燃焼器１０の温度を検出する温度センサ３１を追加して設け、温度センサ３１、１４により検出される改質器８及び燃焼器１０の各温度と、改質ガス流量ΔＱｇａｓとに基づいて、還流装置によって還流される改質ガス（この改質ガスを以下「還流改質ガス」という。）の流量Ｑｒｅｃを算出し、この還流改質ガス流量Ｑｒｅｃが流量制御弁２７を流れるように流量制御弁２７の開度を制御する。
【００３２】
▲２▼還流改質ガス中に含まれる余剰水素を燃焼させるため改質器保温装置２４には空気を導入しているが、この空気流量の増減で改質器８の温度をコントロールできる。そこで、還流改質ガス中に含まれる余剰水素を燃焼させての改質器８の保温中には、改質器触媒が活性温度状態に保たれるように、実際の改質器温度に基づいて流量制御弁２８の開度をフィードバック制御する。
【００３３】
コントローラ２１ではまた、次のように余剰水素が生じる前の状態への復帰操作を行う。
【００３４】
▲３▼還流改質ガス中に含まれる余剰水素を燃焼させての改質器８の保温中には改質器８への原料蒸気と空気の供給を停止していること、また負荷減少時の余剰水素の生成は一時的なものであることから、還流改質ガス中に含まれる余剰水素が燃え尽きれば、やがては改質器８だけでなく燃焼器１０や蒸発器６の温度も低下してゆく。このため、改質器温度が活性温度の下限未満になったり、燃焼器１０や蒸発器６の温度がこれらに対して求められる機能を発揮できない温度にまで低下すると、負荷減少より負荷増加に転じて水素の生成が必要となったとき、速やかに改質器８での改質反応を開始することができず、水素生成の応答性能が悪くなる。
【００３５】
そこで、蒸発器５の温度を検出する温度センサ３２を追加して設け、還流改質ガス中に含まれる余剰水素を燃焼させての改質器８の保温開始後に、温度センサ１４、３１、３２により検出される改質器８、燃焼器１０、蒸発器６の３つの温度のいずれかが、それぞれの所定値以下になったとき、改質器保温装置２４による改質器８の保温をやめ、かつ改質器８への原料蒸気と空気の供給を再開する（蒸発器への原料の供給を再開すると共に、温度制御器１３を介して流量制御弁１２を開き改質器８への空気供給を再開する）。
【００３６】
▲４▼なお、還流改質ガス中に含まれる余剰水素を燃焼させての改質器８の保温中に、改質器８、燃焼器１０、蒸発器６の３つの温度の全てが、それぞれの所定値以下になることがあるかも知れないので、次の構成を追加している。すなわち、このときにも余剰水素が生じる前の状態への復帰を早めるため、前述のメタノール供給装置５とは別に新たにメタノール供給装置３５を設け、３つの温度の全てがそれぞれの所定値以下になったとき、▲３▼での操作に加えてこのメタノール供給装置３５によりメタノールを燃焼器１０に供給して燃焼させ燃焼器の温度を上昇させる。
【００３７】
次に、コントローラ２１で実行されるこのような制御を以下のフローチャートに基づいて詳述する。
【００３８】
ここで、コントローラ２１の制御対象は、２つの流量制御弁２７、２８、水供給装置４、メタノール供給装置５、温度制御器１３を介しての流量制御弁１２、メタノール供給装置３５の合計６つである。
【００３９】
図２、図３はこれら６つの制御対象に対する制御動作を説明するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。
【００４０】
ステップ１では、改質器触媒による改質反応で生成される水素流量Ｑｈ２ｇｅｎを推定する。この水素流量Ｑｈ２ｇｅｎの推定については図４により説明する。
【００４１】
図４においてステップ２１では原料流量Ｑｇｅｎ［ｋｇ／ｍｉｎ］、流量センサ１７により検出される改質器８への空気流量（体積流量）Ｑｋａｉ［ｍ³／ｍｉｎ］、温度センサ１４により検出される改質器温度Ｔｋａｉを読み込む。
【００４２】
上記の原料流量Ｑｇｅｎは、水流量とメタノール流量を合わせた値である。すなわち、水流量とメタノール流量とはインジェクタに与えるデューティ値により制御している（デューティ値が増えるほど流量が増加する）ので、これらデューティ値から図５、図６を内容とするテーブルを検索することによりにより水流量［ｋｇ／ｍｉｎ］とメタノール流量［ｋｇ／ｍｉｎ］を求めることができ、両者を合計すれば、原料流量Ｑｇｅｎを求めることができる。
【００４３】
ステップ２２では原料流量Ｑｇｅｎから図７を内容とするテーブルを検索することにより水素流量基本値Ｑｈ２ｇｅｎ０［ＮＬ／ｍｉｎ］を演算する。水素流量基本値Ｑｈ２ｇｅｎ０は基準質量比かつ基準改質器温度のときの水素流量のことで、図７のように原料流量Ｑｇｅｎに比例する値である。なお、水素流量基本値の単位であるＬ（リットル）に付けている「Ｎ」は標準状態（０℃、一気圧）での値であることを表している。
【００４４】
ここで、基準質量比と基準改質器温度とは、改質器８を運転したい質量比と温度のことで、基準質量比は改質器触媒での反応式により決まる。基準改質器温度は改質器触媒の仕様により定まり例えば４００℃である。
【００４５】
ステップ２３では空気流量Ｑｋａｉ中の酸素流量（質量流量）Ｑｏ２［ｋｇ／ｍｉｎ］を、
Ｑｏ２＝Ｑｋａｉ×ρ×０．２１…（１）
ただし、ρ：空気密度［ｋｇ／ｍ³］、
の式により計算する。
【００４６】
ここで、（１）式の０．２１は空気流量中の酸素流量の割合である。
【００４７】
ステップ２４ではこの酸素流量Ｑｏ２と上記の原料流量Ｑｇｅｎとから質量比を、
質量比＝Ｑｏ２／Ｑｇｅｎ…（２）
の式により算出し、この質量比からステップ２５において図８を内容とするテーブルを検索することにより質量比補正値を演算する。
【００４８】
同様にしてステップ２６では改質器温度から図９を内容とするテーブルを検索することにより温度補正値Ｈ１を演算し、ステップ２７ではこれら２つの補正値と基本値Ｑｈ２ｇｅｎ０を用いて、改質器８により生成される水素流量Ｑｈ２ｇｅｎ［ＮＬ／ｍｉｎ］を、
Ｑｈ２ｇｅｎ＝Ｑｈ２ｇｅｎ０＋Ｈ１＋Ｈ２…（３）
の式により算出する。
【００４９】
上記の質量比補正値Ｈ１は実際の質量比が基準質量比からリーン側に外れたときの補正値（負の値）で、図８のように質量比が基準質量比より大きくなるほど水素流量が減少する特性である。これは、質量比が増えると（酸素が増えると）、一酸化炭素、二酸化炭素の成分が増加して水素成分が減るためである。また、温度補正値Ｈ２は、実際の改質器温度が基準改質器温度から高くなる側に外れたときの補正値（負の値）で、図９のように改質器温度が基準改質器温度より高くなるほど水素流量が減少する特性である。これは、改質器温度が上昇すると一酸化炭素成分が増加し、その分水素成分が減るためである。
【００５０】
図８、図９、図７の実際の特性はシミュレーションや実験により決定する。
【００５１】
このようにして改質器８により生成される水素流量Ｑｈ２ｇｅｎの推定を終了したら図２に戻り、ステップ２で余剰水素流量ΔＱｈ２を算出する。この余剰水素流量ΔＱｈ２の算出は図１０のフローにより説明する。
【００５２】
図１０においてステップ３１では電流センサ３３からの取出し電流Ｉ［Ａ］を読み込み、ステップ３２でこの取出し電流Ｉに基づいて、負荷装置で消費している電力需要を満たすために燃料電池９で必要とされる水素流量（この水素流量を以下「消費水素流量」という。）Ｑｈ２ｓｕｍを算出する。すなわち、燃料電池９から取り出している電流Ｉから、消費水素流量Ｑｈ２ｓｕｍ［ＮＬ／ｍｉｎ］を、
Ｑｈ２ｓｕｍ＝Ｋ１×セル数×Ｉ…（４）
ただし、Ｋ１：係数、
の式により算出する。
【００５３】
ここで、（４）式のセル数は燃料電池９を構成しているセルの総数のことで、例えば４２０である。係数Ｋ１は燃料電池９の特性に依存する値で例えば７．０である。
【００５４】
ステップ３３では改質器８により生成される水素流量Ｑｈ２ｇｅｎと消費水素流量Ｑｈ２ｓｕｍとの差分を余剰水素流量ΔＱｈ２として、つまり
ΔＱｈ２＝Ｑｈ２ｇｅｎ−Ｑｈ２ｓｕｍ…（５）
の式により算出する。
【００５５】
ステップ３４ではこの余剰水素流量ΔＱｈ２とゼロを比較し、ΔＱｈ２が負の値であるときにはステップ３５に進んでΔＱｈ２をゼロに制限する。これは、計算誤差によって（５）式の計算結果がマイナスになることもあり得るので、これを考慮したものである。
【００５６】
このようにして余剰水素流量ΔＱｈ２の算出を終了したら図２に戻り、ステップ３で改質器８により生成される改質ガス流量ΔＱｇａｓ［ＮＬ／ｍｉｎ］を、
ΔＱｇａｓ＝ΔＱｈ２×Ｋ２…（６）
ただし、Ｋ２：係数、
の式により算出する。改質ガス流量ΔＱｇａｓは余剰水素流量ΔＱｈ２より必ず大きく、従って係数Ｋ２は１．０を超える値（一定値）である。
【００５７】
ステップ４では余剰水素流量ΔＱｈ２と所定値（例えばゼロ）を比較する。これは余剰水素があるかどうかを判定するためである。ΔＱｈ２が所定値以下（ゼロ以下）であれば余剰水素は生じておらず、従って余剰水素を燃焼処理する必要がないので、そのまま今回の処理を終了する。
【００５８】
一方、ΔＱｈ２が所定値を超えている（正の値）であるときには余剰水素が生じていると判断しステップ５に進んで還流改質ガス流量Ｑｒｅｃを算出する。この還流改質ガス流量Ｑｒｅｃの算出については、図１１のフローにより説明する。
【００５９】
図１１においてステップ４１では温度センサ１４により検出される改質器温度Ｔｋａｉと温度センサ３１により検出される燃焼器温度Ｔｎｅｎを読み込み、ステップ４２、４３、４４で改質器温度と改質器８の許容上限温度を、燃焼器温度と燃焼器１０の許容上限温度を比較する。
【００６０】
これは、改質器８または燃焼器１０において許容範囲内での温度上昇を許容して余剰水素を燃焼処理できるかどうかをみるためである。これについて説明すると、余剰水素は燃焼処理しなければならないが、余剰水素を燃焼処理できるのは燃料改質システム上、改質器８と燃焼器１０の２つだけである。この場合、改質器８と燃焼器１０は目標温度となるように制御されているが、余剰水素を触媒反応で燃焼処理すると温度が上昇する。この温度上昇が許容範囲内であれば問題ない。このため、許容範囲での温度上昇を許容して余剰水素を燃焼処理する。改質器８の目標温度が例えば４００℃、燃焼器の目標温度が例えば３７０℃であり、温度許容値を改質器８についてε１（例えば２０℃程度）、燃焼器１０についてε２（例えば２０℃程度）として定めれば、改質器８について目標温度＋ε１＝４００℃＋２０℃＝４２０℃が、燃焼器１０について目標温度＋ε２＝３７０℃＋２０℃＝３９０℃が許容上限温度となり、これらと実際の温度との比較により余剰水素を燃焼処理するための温度上昇を許容できるかどうかを判定することができる。
【００６１】
すなわち、次のように４つの場合分けを行い、各場合毎に改質器８と燃焼器１０とに最適な配分比率を設定する。いま、余剰水素（従って余剰水素を含んだ改質ガス）の改質器８への配分比率αとすれば、燃焼器１０への配分比率は１−αである。ここで、αは０から１までの数値である。
【００６２】
（ａ）改質器８、燃焼器１０とも許容上限温度より低い場合：この場合にはステップ４５に進み、改質器８と燃焼器１０に均等に余剰水素を含んだ改質ガスを配分するため、改質器８への配分比率αを０．５とする。
【００６３】
（ｂ）改質器８は許容上限温度より低く燃焼器１０は許容上限温度以上である場合：この場合にはステップ４６に進み、改質器８に多く配分する必要があるので、αを例えば０．７とする。
【００６４】
（ｃ）改質器８は許容上限温度以上であり、燃焼器１０は許容上限温度より低い場合：この場合にはステップ４７に進み、燃焼器１０に多く配分する必要があるので、αを例えば０．３とする。
【００６５】
（ｄ）改質器８、燃焼器１０とも許容上限温度以上である場合：この場合にはステップ４８に進み両者に均等に配分するため、αを０．５とする。
【００６６】
ステップ４９では余剰水素を含んだ改質ガスの改質器８への配分量（＝還流改質ガス流量Ｑｒｅｃ）［ＮＬ／ｍｉｎ］を、
Ｑｒｅｃ＝ΔＱｇａｓ×α…（７）
の式により算出する。
【００６７】
なお、燃焼器１０への配分量は、ΔＱｇａｓ×（１−α）となることはいうまでもない。
【００６８】
このように改質器と燃焼器の各温度に応じて余剰水素を含んだ改質ガスの、改質器８と燃焼器１０との配分量を決めることで、改質器８、燃焼器１０の温度が高温になりすぎることを防止するとともに、どちらか一方の温度がそれぞれの許容上限温度より低い場合には、そちらに多く配分して余剰水素を燃焼処理することができる。
【００６９】
このようにして還流改質ガス流量Ｑｒｅｃの算出を終了したら、図２に戻り、還流改質ガス中の水素を燃焼させるのに必要な空気流量（この空気流量を以下「目標空気流量」という。）ｔＱａをステップ６で算出する。
【００７０】
改質器保温装置２４へ空気供給が必要な理由は、改質器保温装置２４内に燃焼触媒を充填しており、余剰水素を燃焼させるのに酸化剤が必要であり、その燃焼酸化剤として空気中の酸素を使うようにしているためである。
【００７１】
目標空気流量ｔＱａの算出については図１２のフローにより説明する。
【００７２】
図１２においてステップ６１では余剰水素流量ΔＱｈ２のうち改質器保温装置２４へと配分される分を燃焼させるのに必要な空気流量を、空気流量基本値Ｑａ０として、
Ｑａ０＝ΔＱｈ２×α／（２×０．２１）…（８）
の式により算出する。
【００７３】
これは次のようにして導いたものである。余剰水素流量ΔＱｈ２のうち改質器保温装置２４へと配分される分を還流水素流量とすれば、
還流水素流量＝ΔＱｈ２×α…（９）
であるので、この還流水素流量を燃焼させるのに必要な酸素流量は反応式より、
酸素流量＝還流水素流量／２…（１０）
となる。この酸素流量を含む空気流量（＝Ｑａ０）は、
Ｑａ０＝酸素流量／０．２１…（１１）
となる。（９）〜（１１）式をまとめると（８）式が得られる。
【００７４】
ステップ６２では温度センサ１４により検出される改質温度Ｔｋａｉを読み込み、ステップ６３で改質器温度と所定値１を比較する。余剰水素を燃焼させたガスで改質器８を保温するが、この燃焼ガスの導入で改質器温度が高くなってしまうと、余剰水素を燃焼処理しているのに改質触媒が活発化して水素が多く発生する。この反対に改質器温度が低いと改質触媒が不活性になり水素が発生しない。よって改質触媒の活性化が保たれる限界の温度を所定値１として設定する。具体的には、目標値（例えば４００℃）または目標値より低い温度（≒３５０℃）とする。
【００７５】
改質器温度が所定値１（＝活性化下限温度）以下であるときには、改質器８を活性状態を保つ温度にまで高めるためステップ６４に進み、空気流量基本値Ｑａ０と所定値２を比較する。
【００７６】
ここで、所定値２は２つの領域１、２のうちいずれにあるかを判定するためのものである。すなわち、空気流量（酸素流量）を減少させると改質器保温装置２４内部の触媒燃焼温度が低下し、空気流量を増加させると改質器保温装置２４内部の触媒燃焼温度が上昇する領域が領域１であり、これに対して、空気流量を減少させると改質器保温装置２４内部の触媒燃焼温度が上昇し、空気流量を増加させると改質器保温装置２４内部の触媒燃焼温度が減少する領域が領域２である。また、領域１の特性が得られるのは空気流量が少ないとき、領域２の特性が得られるのは、ある程度の空気流量を超えたときである。
【００７７】
従って、空気流量基本値Ｑａ０が所定値２以下（領域１）であるときには空気流量を増加させることで改質器保温装置２４内部の触媒燃焼温度が上昇するので、ステップ６５に進み空気流量のフィードバック量Ｑｆｂを一定値△Ｑａ１だけ増加する。すなわち、空気流量のフィードバック量Ｑｆｂを、
Ｑｆｂ＝Ｑｆｂ（前回）＋ΔＱａ１…（１２）
ただし、Ｑｆｂ（前回）：Ｑｆｂの前回値、
の式により算出し、ステップ７０で目標空気流量ｔＱａを、
ｔＱａ＝Ｑａ０＋Ｑｆｂ…（１３）
の式により算出する。
【００７８】
領域１の空気流量域にある場合に改質器温度が所定値１以下のときには、改質器温度が所定値１に近づくように制御周期毎に（１２）、（１３）式により空気流量の増加を継続することで、改質器保温装置２４から改質器８に供給する燃焼ガスの温度が上昇し、これにより、活性化下限温度に達していない改質器８を素早く活性化下限温度を超える温度へと復帰させることができる。
【００７９】
なお、図示しないが、制御周期毎に（１２）式により空気流量の増加を続けても改質器温度が下がる場合には、空気流量の増加を止めるようにしている。
【００８０】
これに対して改質器温度が所定値１以下で、かつ空気流量基本値Ｑａ０が所定値２を超えている（領域２にある）ときにはステップ６３、６４よりステップ６６に進み空気流量のフィードバック量Ｑｆｂを一定値△Ｑａ１だけ減少する。すなわち、空気流量のフィードバック量Ｑｆｂを、
Ｑｆｂ＝Ｑｆｂ（前回）−ΔＱａ１…（１４）
ただし、Ｑｆｂ（前回）：Ｑｆｂの前回値、
の式により算出した後、ステップ７０の操作を実行する。
【００８１】
一方、改質器温度が所定値１を超えてるときにはステップ６３よりステップ６７に進み、このときも空気流量基本値Ｑａ０と所定値２を比較する。Ｑａ０が所定値２以下（領域１にある）のときにはステップ６８に進んで空気流量のフィードバック量Ｑｆｂを一定値△Ｑａ２だけ減少する。すなわち、空気流量のフィードバック量Ｑｆｂを、
Ｑｆｂ＝Ｑｆｂ（前回）−ΔＱａ２…（１５）
ただし、Ｑｆｂ（前回）：Ｑｆｂの前回値、
の式により算出した後、ステップ７０の操作を実行する。
【００８２】
領域１の空気流量域にある場合に改質器温度が所定値１を超えているときには改質器温度が所定値１に近づくように制御周期毎に（１５）、（１３）式により空気流量の減少を継続することで、改質器保温装置２４での燃焼が不完全となり、未燃焼の改質ガスが燃焼ガス中に含まれるようになる。この燃焼ガスが改質器８内を通過し再び分岐通路２３を通して改質器保温装置２４へ導入されると、未燃ガスが可燃ガスとなって改質器保温装置２４での燃焼が継続される、これにより改質器保温装置２４による保温継続期間を長くすることができる。
【００８３】
これに対して改質器温度が所定値１を超えており、かつ空気流量基本値Ｑａ０が所定値２を超えている（領域２にある）ときにはステップ６３、６７よりステップ６９に進み、空気流量のフィードバック量Ｑｆｂを一定値△Ｑａ２だけ増加する。すなわち、空気流量のフィードバック量Ｑｆｂを、
Ｑｆｂ＝Ｑｆｂ（前回）＋ΔＱａ２…（１６）
ただし、Ｑｆｂ（前回）：Ｑｆｂの前回値、
の式により算出した後、ステップ７０の操作を実行する。
【００８４】
このようにして目標空気流量ｔＱａの算出を終了したら図２に戻り、ステップ７で温度センサ１４、３１、３２により検出される３つの温度（改質器温度、燃焼器温度、蒸発器温度）とそれぞれの所定値と比較する。
【００８５】
ここで、それぞれの所定値とは次の通りである。改質器８に対する所定値は改質器８の活性化が保たれる最低の温度（活性化下限温度）で例えば４００℃、燃焼器１０に対する所定値は、燃焼器１０に要求される機能が保たれる最低の温度で例えば３７０℃、蒸発器６に対する所定値は蒸発器６に要求される機能が保たれる最低の温度で例えば１１０℃である。
【００８６】
３つの温度がすべて所定値以上のときには後述するステップ９、１０に進んで、改質器保温装置２４の作動と、改質器８への原料蒸気と空気の供給停止の各操作を行う。
【００８７】
ここで、３つの温度がすべて所定値以上であることを条件としているのは、改質器触媒が活性温度にないのに、あるいは燃焼器１０や蒸発器６に要求される機能が保たれていないのに、改質器保温装置２４の作動と、改質器８への原料蒸気と空気の供給停止の各操作を行ったのでは、負荷減少時から負荷増大へと転じた場合に、負荷減少前の状態（余剰水素が生じる前の状態）への復帰が遅れてしまうからである。従って、３つの温度すべてがそれぞれの所定値以上である場合に限ってステップ８に進み、３つの温度がすべて所定値以上である状態が所定時間以上経過したかどうかを調べる。
【００８８】
３つの温度すべてがそれぞれの所定値以上である状態が所定時間以上経過しない場合にはそのまま今回の処理を終了し、これに対して３つの温度すべてがそれぞれの所定値以上である状態が所定時間以上経過した場合に限ってステップ９、１０に進む。
【００８９】
３つの温度すべてがそれぞれの所定値以上である状態が所定時間以上経過した場合であることを条件としているのは次の理由からである。すなわち、３つの温度がすべて所定値以上でないのにノイズなどの影響により３つの温度が一時的にすべて所定値以上となることがあり、これはノイズなどの影響を受けているので誤判定である。そこで、ノイズが温度信号に乗ると思われる時間よりも大きな時間を所定時間として設定しておけば、ノイズが温度信号に乗って３つの温度がすべて所定値以上となったとしても、その状態が所定時間以上経過することがなく、このときにはそのまま処理を終了することになる。このように、３つの温度すべてがそれぞれの所定値以上である状態が所定時間以上経過した場合であることを条件としているのはノイズが温度信号に乗るなどの影響による誤判定を防止するためである。
【００９０】
３つの温度すべてがそれぞれの所定値以上である状態が所定時間以上経過した場合には、余剰水素を含んだ改質ガスを燃焼処理するためステップ９で還流改質ガス流量Ｑｒｅｃと目標空気流量ｔＱａとを出力レジスタに移す。
【００９１】
図示しないフローでは、このようにして算出した還流改質ガス流量Ｑｒｅｃが得られるように温度制御器２７の開度を制御する。同様にして、図示しないフローではこのようにして算出した目標空気流量ｔＱａが得られるように流量制御弁２８の開度を制御する。
【００９２】
これらの流量制御弁２７、２８に代えて、ガス流体用の流量制御一体型の制御弁を用いてもかまわない。当該制御弁では流量センサを内蔵しており、算出した還流改質ガス流量Ｑｒｅｃあるいは目標空気流量ｔＱａを入力として与えると、この値と内蔵の流量センサにより検出される実流量とが一致するように弁開度が駆動される。
【００９３】
また、改質器保温装置２４で余剰水素の燃焼が行われ、その燃焼ガスにより改質器８が保温されるので、改質器８への原料蒸気と空気の供給は必要ない。このためステップ１０では蒸発器６に供給する原料供給を停止する指示を出すと共に改質器８に供給する空気の供給を停止する指示を温度制御器１３に出す。
【００９４】
水供給装置４、メタノール供給装置５では、このようにして出される指示を受けてインジェクタを全閉とする。また、指示を受けた温度制御器１３では流量制御弁１２を全閉とする。
【００９５】
ステップ７は、改質器保温装置２４による保温を継続するかどうかを判定する部分でもある。余剰水素が生じたとき、改質器８に供給する原料蒸気と空気の供給を停止して改質器保温装置２４による保温を続けていると、改質器保温装置２４で燃焼する水素がなくなり、不活性ガス（燃焼した後のガス）が改質器と改質器保温装置の間を還流するようになる。この場合、改質器保温装置２４による保温は機能しなくなり改質器温度が低下してしまう。また、放熱により燃焼器１０、蒸発器６の各温度も低下する。
【００９６】
そこで、改質器保温装置２４による保温中に３つの温度がすべて所定値以上でなくなったときには、ステップ８より図３に進み、改質器８、燃焼器１０、蒸発器６の各温度に応じて、原料蒸気と空気の供給を停止した状態での改質器保温装置２４による保温を解除するようにしている。
【００９７】
具体的には、次の２つの場合に解除操作を行う。
〈１〉改質器保温装置２４による保温中に、３つの温度すべてが所定値以下となったとき、図３のステップ１１よりステップ１２、１３に進み、次の操作を行う。
【００９８】
（ア）改質器保温装置２４への還流をＯＦＦとする（流量制御弁２７を全閉とする）。
【００９９】
（イ）蒸発器６への原料供給をＯＮとする（水供給装置４とメタノール供給装置５の各インジェクタを開く）。
【０１００】
（ウ）改質器８への空気供給をＯＮする（流量制御弁１２を開く）。
【０１０１】
（エ）燃焼器１０への燃料供給をＯＮする（メタノール供給装置３５のインジェクタを開く）。
【０１０２】
上記（エ）の操作を加えているのは、３つの温度すべてが所定値以下となったときには燃焼器１０の上流側が即座に暖まりようがなく、この状態で燃料改質システムの全体を昇温するには、燃焼器１０に燃料を別途供給して燃焼させるのが効果的だからである。
【０１０３】
これにより、燃焼器１０の温度は供給される燃料（メタノール）の燃焼により最初に上昇する。この燃焼器１０からの燃焼ガスによって蒸発器６の温度が上昇する。蒸発器６の温度が上昇すると、この蒸発器６で蒸気化された原料が改質器８に運ばれ、この燃料蒸気の部分酸化反応により改質器８の温度が上昇し、改質触媒が活性温度になれば水素リッチな改質ガスを生成し、この改質ガス中の水素のうち燃料電池９で利用されなかった分が燃焼器１０で燃焼する。このようにして、改質器８の温度を活性温度へ、また燃焼器１０と蒸発器６の各温度をその機能が保たれる温度へと復帰させて水素リッチな改質ガスを生成させる。
〈２〉改質器保温装置２４による保温中に、３つの温度のいずれかが所定値以下となったとき、ステップ１１、１４よりステップ１５に進んで上記（ア）から（ウ）までの操作を行う。
【０１０４】
この操作により改質器８は部分酸化反応の反応熱で温度上昇し、燃焼器１０は改質器８で生成した水素リッチな改質ガスのうち燃料電池で用いられなかった水素を燃焼することで温度上昇し、蒸発器６は燃焼器１０の温度上昇の影響を受けて温度上昇する。
【０１０５】
なお、〈２〉の場合には上記（エ）の操作がない。これは、３つの温度のいずれかが所定値以下であるときには、改質器８、燃焼器１０、蒸発器６がいずれもすぐに暖まるので、燃焼器１０に対して燃料を別途供給する必要がないからである。
【０１０６】
ただし、上記〈１〉、〈２〉において、蒸発器６の温度は原料を一気に多量に供給すると蒸発器の温度が却って低下することがあるので、原料の単位時間当たりの増加率を所定値（一定値）に抑えながら原料を供給するようにしている。
【０１０７】
このように、改質器８、燃焼器１０、蒸発器６の各温度に応じて改質器保温装置２４による保温を実行するかあるいは解除するかを制御周期毎に繰り返し判定することで、改質器触媒を活性温度に維持し続けることができ、再び改質器８で水素リッチな改質ガスを生成しなければならない状態になったときに応答良く水素リッチな改質ガスを生成できる。
【０１０８】
ここで、本実施形態の発明の作用を説明する。
【０１０９】
本実施形態（請求項２に記載の発明）によれば、余剰水素があると判定した場合に、余剰水素を含んだ改質ガスの一部または全部を改質器８の上流へと還流させる還流装置と、この還流装置によって還流される改質ガスを燃焼させて生じるガスにより改質器８を保温する改質器保温装置２４とから改質器保温手段を構成し、余剰水素が生じるような負荷減少時に余剰水素を燃焼させて改質器８を保温するようにしたので、改質器８における改質反応を活性化するのに十分な温度に改質器触媒の温度を保つことができ、余剰水素が生じるような負荷減少が生じた後に負荷増加を生じて水素生成が必要となったとき、速やかに改質器８で改質反応を開始することができ、水素生成の応答性能を向上することができる。
【０１１０】
本実施形態（請求項３に記載の発明）によれば、改質器保温装置２４により改質ガスを燃焼させたガスで改質器８を保温しているときに、改質器８に供給される原料蒸気と空気（酸素を含む気体）との供給を停止するので、余剰水素が生じている期間での余分な原料消費をなくして燃費を改善することができる（図２のステップ４、１０参照）。
【０１１１】
さらに述べると、余剰水素が生じている場合に蒸発器６への原料供給を停止することで無駄な原料消費がなくなるのであるが、改質器８に供給される原料、空気がなくなると触媒反応が行われず、このままの状態では改質器の温度が下がる。改質器温度が下がると、次に水素が必要となって改質器８で改質ガスを生成しなければならない状態になったときに、改質器内の触媒が活性になるまでに時間を要し、応答性能が悪化する。このため改質器８は触媒活性温度を維持し続けておく必要がある。この場合に、改質器８に供給する空気、蒸発器６に供給する原料のカットを行っても原料、空気の供給遅れによりしばらくは改質器８に余剰水素が生成されるので、改質器保温装置２４を使い、改質ガス中の余剰水素を燃焼させて改質器８を保温するのである。
【０１１２】
本実施形態（請求項５に記載の発明）によれば、余剰水素があると判定した場合に、改質器８と燃焼器１０の各温度および余剰水素を含んだ改質ガス量ΔＱｇａｓに基づいて還流改質ガス量Ｑｒｅｃを算出し（図１１参照）、この還流改質ガス流量Ｑｒｅｃが流量制御弁２７（還流装置）を流れるように流量制御弁２７の開度を制御するので、還流改質ガス流量Ｑｒｅｃを改質器８と燃焼器１０の各温度に応じて調整することができ、これにより改質器触媒を活性状態に維持しつつ改質器８および燃焼器１０の各温度がそれぞれの許容上限温度を越えて高温になることを防止できる。
【０１１３】
本実施形態（請求項７に記載の発明）によれば、改質器８と燃焼器１０の温度に基づいて余剰水素を含んだ改質ガスを改質器８と燃焼器１０に分配するので（図１１参照）、余剰水素を含んだ改質ガスの、改質器８および燃焼器１０への配分流量を、改質器８および燃焼器１０の温度に応じて変えることができ、改質器８および燃焼器１０の温度がぞれぞれの許容上限温度を超えないようにすることができる。
【０１１４】
本実施形態（請求項８に記載の発明）によれば、改質器８および燃焼器１０のうちそれぞれの許容上限温度より温度が低い側の配分比率を大きくするので（図１１参照）、改質器８および燃焼器１０の温度が許容上限温度を超えない範囲で余剰水素を燃焼処理できる。
【０１１５】
改質器８および燃焼器１０の温度がともに許容上限温度より低いときでも一方に多量の改質ガスを配分したとすればその多量に配分された側の温度が許容上限温度を超えることが考えられるが、本実施形態（請求項９に記載の発明）によれば、改質器８および燃焼器１０の温度がともに許容上限温度より低いとき、配分比率を均等にしたので（図１１のステップ４２、４３、４５参照）、一方に多量の改質ガスが配分されることを回避できる。
【０１１６】
本実施形態（請求項１０に記載の発明）によれば、改質器保温装置２４に対して、流量制御弁２７（還流装置）によって還流される改質ガスを燃焼させるために空気を供給する場合に、改質器保温装置２４に供給するこの空気の流量を改質器温度に基づいて制御するので（図１２参照）、改質器触媒の温度が活性温度に保たれるように空気流量を調整できる。例えば改質器温度が高いほど空気流量を少なくすることで、未燃改質ガスが改質器８と改質器保温装置２４との間を還流し続けることになって改質器保温装置２４による保温持続時間を長くすることができ、かつ原料と空気の改質器８への供給停止期間も長くなり燃費を一層改善することができる。また、改質器温度が低い場合には空気流量を多くすることで、改質器保温装置２４による保温効果を増加させて改質器触媒の温度を活性温度に保つことができる。
【０１１７】
本実施形態（請求項１１に記載の発明）によれば、改質器温度が所定値１（改質触媒の活性化下限温度）より高いときには改質器保温装置２４に供給する空気流量を少なくするので（図１２のステップ６３、６７、６８参照）、未燃改質ガスが改質器８と改質器保温装置２４との間を還流し続けることになり、改質器保温装置２４による保温持続時間を長くすることができる。
【０１１８】
本実施形態（請求項１２に記載の発明）によれば、改質器温度が所定値１（改質触媒の活性化下限温度）より低いときに改質器保温装置２４に供給する空気流量を多くするので（図１２のステップ６３、６４、６５参照）、温度の高い燃焼ガスを改質器８に還流することができ改質器温度を活性温度にまで高めることができる。
【０１１９】
本実施形態（請求項１５に記載の発明）によれば、改質器保温装置２４により改質器８を保温し、かつ改質器８への原料蒸気と空気との供給を停止している場合に、改質器８、燃焼器１０、燃焼器６のいずれかの温度がそれぞれの所定値以下になったとき、改質器保温装置２４による改質器８の保温をやめ、改質器８への原料蒸気と空気の供給を再開するので（図２のステップ７、図３のステップ１１、１４、１５参照）、改質器内で部分酸化反応が生じて改質器温度が上昇し、改質器温度を所定値を超える温度に復帰させることができる。また、改質器８での改質反応により改質ガスが生成され、この生成された改質ガスが燃焼器１０で燃焼しその熱が蒸発器６へと供給されるので、燃焼器１０および蒸発器６の温度をも所定値を超える温度に復帰させることができる。
【０１２０】
また、改質器保温装置２４により改質器８を保温し、かつ改質器８への原料蒸気と空気との供給を停止している間に、改質器保温装置２４における可燃改質ガスが不足して改質器温度が低下してしまうことや、燃焼器１０で燃焼する可燃改質ガスが不足して燃焼器温度が低下し、これに伴い蒸発器温度も低下してしまうことをも防止できる。
【０１２１】
本実施形態（請求項１６に記載の発明）によれば、改質器８、燃焼器１０、蒸発器６の３つの温度のすべてがそれぞれの所定値以上に復帰した後に、これら３つの温度のすべてがそれぞれの所定値以上に復帰した状態が所定期間経過したとき、改質器保温装置２４による改質器８の保温及び改質器８への原料蒸気と空気との供給停止を再び行うので（図２のステップ４、７、８、９、１０参照）、所定期間経過後には改質反応を活性化するのに十分な温度に改質器触媒の温度を再び保つことができることから、余剰水素が生じるような負荷減少が生じた後に負荷増加を生じたとき、速やかに改質器８で改質反応を開始して改質ガスの生成に要する応答性能を向上でき、さらに燃費も改善できる。
【０１２２】
本実施形態（請求項６に記載の発明）によれば、改質器８で生成される改質ガス中の水素流量Ｑｈ２ｇｅｎと、インバータ１８及び駆動モータ１９（負荷装置）で消費する電力を満たすために燃料電池９に必要とされる水素流量Ｑｈ２ｓｕｍとの差分を余剰水素流量ΔＱｈ２としているので（図１０参照）、負荷装置で消費する電力の変動に応じた余剰水素流量ΔＱｈ２が得られる。
【０１２３】
改質器温度が基準温度より高くなるほど改質ガス中の一酸化炭素成分が増加して改質ガス中の水素成分の割合が減少する特性があるが、本実施形態（請求項１７に記載の発明）によれば、改質器８が基準温度であるときに改質器８により生成される改質ガス中の水素流量を改質器温度に基づいて補正した値を改質器により生成される改質ガス中の水素流量としているので（図４のステップ２６、２７参照）、改質器温度が基準温度より高くなったときにも、水素成分量を精度良く推定できる。
【０１２４】
基準質量比を超えて質量比が大きくなるほど（酸素が多くなるほど）改質ガス中の一酸化炭素成分が増加して改質ガス中の水素成分の割合が減少する特性があるが、本実施形態（請求項１８に記載の発明）によれば、改質器に供給する原料と酸素の質量比が基準質量比であるときに改質器８により生成される改質ガス中の水素流量を、改質器８に供給している原料と酸素の実際の質量比に基づいて補正した値を、改質器８により生成される改質ガス中の水素流量としているので（図４のステップ２５、２７参照）、質量比が基準質量比より大きくなったときでも、水素成分量を精度良く推定できる。
【０１２５】
図１３は第２実施形態の余剰水素を含んだ改質ガスの改質器８への配分比率αの特性図である。第１実施形態では、余剰水素を含んだ改質ガスの改質器８への配分比率αが離散値であったが、第２実施形態は、改質器温度に応じた連続値で構成したものである。すなわち、図１３のように目標温度より改質器温度が低くなるほど配分比率αを大きくした設定とする。その理由は次の通りである。すなわち、目標温度に達していない間は、余剰水素を燃焼処理して温度上昇させることを許容することができる。目標温度に達すれば余剰水素を燃焼処理して温度上昇させることを許容できない。よって改質器温度が低くなるほどαを大きくする。
【０１２６】
実施形態以外にも次の配分方法が考えられる。すなわち、改質器８と燃焼器１０のうち単位改質ガス変化量当たりの温度変化が大きい側に多量の改質ガスが配分されたのでは、単位改質ガス変化量当たりの温度変化が大きい側の温度が許容上限温度を超えてしまいかねない。そこで、改質器８および燃焼器１０のうち単位改質ガス変化量当たりの温度変化が小さい側の配分比率を大きくする。
【０１２７】
この方法により、単位改質ガス変化量当たりの温度変化が大きい側の温度が許容上限温度を超えてしまうことを回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料改質システムの概略構成図。
【図２】６つの制御対象に対する制御動作を説明するためのフローチャート。
【図３】同じく６つの制御対象に対する制御動作を説明するためのフローチャート。
【図４】水素流量の推定を説明するためのフローチャート。
【図５】水流量の特性図。
【図６】メタノール流量の特性図。
【図７】水素流量基本値の特性図。
【図８】質量比補正値の特性図。
【図９】温度補正値の特性図。
【図１０】余剰水素流量の算出を説明するためのフローチャート。
【図１１】還流改質ガス流量の算出を説明するためのフローチャート。
【図１２】目標空気流量の算出を説明するためのフローチャート。
【図１３】第２実施形態の配分比率の特性図。
【符号の説明】
６蒸発器
８改質器
９燃料電池
１０燃焼器
１４温度センサ
１８インバータ（負荷装置）
１９駆動モータ（負荷装置）
２１コントローラ
２３流量制御弁（還流装置）
２４改質器保温器
２８流量制御弁（空気流量制御器）
３１温度センサ
３２温度センサ

Claims

炭化水素を主成分とする原料を蒸発させる蒸発器と、
酸素を含む気体と前記蒸発器で蒸発した原料蒸気とを用いて水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
この改質ガス中の水素と酸素とを反応させて発電する燃料電池と、
この燃料電池で発電した電力を消費する負荷装置と
を備えた燃料改質システムにおいて、
前記改質器で生成される水素流量を計算する生成水素計算手段と、
前記負荷装置の消費電力を発電するために、前記燃料電池で必要とされる消費水素流量を算出する消費水素流量算出手段と、
前記改質器で生成される水素流量が前記消費水素流量よりも多くて余剰となる余剰水素があるかどうかを判定する余剰水素判定手段と、
この余剰水素判定手段が余剰水素があると判定した場合に、余剰水素を前記燃料電池の上流から分岐して燃焼させ、その燃焼ガスを前記改質器に還流して改質器を保温する改質器保温手段と
を備えることを特徴とする燃料改質システム。
前記改質器保温手段は、
余剰水素があると判定した場合に、余剰水素を含んだ改質ガスの一部または全部を改質器の上流へと還流させる還流装置と、
この還流装置によって還流される改質ガスを燃焼させて生じるガスにより改質器を保温する改質器保温装置と
からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質システム。
余剰水素があると判定した場合には、改質器の保温のために改質器へ前記酸素を含む気体及び前記原料蒸気を供給することを停止する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質システム。
燃料電池で利用されなかった改質ガス中の水素と酸素を燃焼する燃焼器を備え、
前記蒸発器は、この燃焼器の熱により原料を蒸発させる、
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料改質システム。
余剰水素があると判定した場合に、還流装置によって還流される改質ガス流量である還流改質ガス流量を、改質器の温度が改質器の許容上限温度以上か低いか、燃料電池で利用されなかった改質ガス中の水素と酸素を燃焼する燃焼器の温度が燃焼器の許容上限温度以上か低いかに応じて設定された係数を、余剰水素を含んだ改質ガス流量に乗じて算出し、
この算出された還流改質ガス流量が還流装置を流れるように還流装置を制御する
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料改質システム。
前記余剰水素を含んだ改質ガス流量を、改質器により生成される改質ガス中の水素流量と、負荷装置で消費する電力を満たすために燃料電池に必要とされる消費水素流量との差分から求めた余剰水素流量に基づいて算出する
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料改質システム。
改質器の温度が改質器の許容上限温度以上か低いか、燃料電池で利用されなかった改質ガス中の水素と酸素を燃焼する燃焼器の温度が燃焼器の許容上限温度以上か低いかに応じて、余剰水素を含んだ改質ガスを改質器と燃焼器とに配分する比率を設定し、
この配分比率と余剰水素を含んだ改質ガス流量とに基づいて還流改質ガス流量を算出する
ことを特徴とする請求項５または６に記載の燃料改質システム。
改質器および燃焼器のうちそれぞれの許容上限温度より温度が低い側の配分比率を大きくする
ことを特徴とする請求項７に記載の燃料改質システム。
改質器および燃焼器の温度がともにそれぞれの許容上限温度より低いとき、配分比率を均等にする
ことを特徴とする請求項７に記載の燃料改質システム。
改質器保温装置に対して、還流装置によって還流される改質ガスを燃焼させるための空気を供給する場合に、改質器保温装置に供給するこの空気の流量を改質器温度に基づいて制御する
ことを特徴とする請求項３から９までのいずれか一つに記載の燃料改質システム。
改質器温度が改質触媒の活性化下限温度より高くかつ空気流量が、空気流量を減少させると改質器保温装置内部の触媒燃焼温度が低下し、空気流量を増加させると改質器保温装置内部の触媒燃焼温度が上昇する領域か、空気流量を減少させると改質器保温装置内部の触媒燃焼温度が上昇し、空気流量を増加させると改質器保温装置内部の触媒燃焼温度が減少する領域か、を判定するための所定値以下のときに改質器保温装置に供給する空気の流量を少なくする
ことを特徴とする請求項１０に記載の燃料改質システム。
改質器温度が改質触媒の活性化下限温度より低くかつ空気流量が、空気流量を減少させると改質器保温装置内部の触媒燃焼温度が低下し、空気流量を増加させると改質器保温装置内部の触媒燃焼温度が上昇する領域か、空気流量を減少させると改質器保温装置内部の触媒燃焼温度が上昇し、空気流量を増加させると改質器保温装置内部の触媒燃焼温度が減少する領域か、を判定するための所定値以下のときに改質器保温装置に供給する空気の流量を多くする
ことを特徴とする請求項１０に記載の燃料改質システム。
改質器温度が改質触媒の活性化下限温度より高くかつ空気流量が、空気流量を減少させると改質器保温装置内部の触媒燃焼温度が低下し、空気流量を増加させると改質器保温装置内部の触媒燃焼温度が上昇する領域か、空気流量を減少させると改質器保温装置内部の触媒燃焼温度が上昇し、空気流量を増加させると改質器保温装置内部の触媒燃焼温度が減少する領域か、を判定するための所定値を超えるときに改質器保温装置に供給する空気の流量を多くする
ことを特徴とする請求項１０に記載の燃料改質システム。
改質器温度が改質触媒の活性化下限温度より低くかつ空気流量が、空気流量を減少させると改質器保温装置内部の触媒燃焼温度が低下し、空気流量を増加させると改質器保温装置内部の触媒燃焼温度が上昇する領域か、空気流量を減少させると改質器保温装置内部の触媒燃焼温度が上昇し、空気流量を増加させると改質器保温装置内部の触媒燃焼温度が減少する領域か、を判定するための所定値を超えるときに改質器保温装置に供給する空気の流量を少なくする
ことを特徴とする請求項１０に記載の燃料改質システム。
改質器保温装置により改質器を保温し、かつ改質器への前記酸素を含む気体及び前記原料蒸気の供給を停止している場合に、改質器温度、燃焼器温度、蒸発器温度のいずれかが所定値以下になったとき、改質器保温装置による保温をやめ、改質器への前記酸素を含む気体及び前記原料蒸気の供給を再開する
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料改質システム。
改質器温度、燃焼器温度、蒸発器温度がすべて所定値以上に復帰した後に、改質器温度、燃焼器温度、蒸発器温度がすべて所定値以上に復帰した状態が所定期間経過したとき、改質器保温装置による改質器の保温及び改質器への前記酸素を含む気体及び前記原料蒸気の供給停止を再び行う
ことを特徴とする請求項１５に記載の燃料改質システム。
改質器により生成される改質ガス中の水素流量は、改質器が基準温度であるときに改質器により生成される改質ガス中の水素流量を、改質器温度に基づいて補正した値である
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料改質システム。
改質器により生成される改質ガス中の水素流量は、改質器に供給する原料と酸素の質量比が基準質量比であるときに改質器により生成される改質ガス中の水素流量を、改質器に供給している原料と酸素の実際の質量比に基づいて補正した値である
ことを特徴とする請求項６または１７に記載の燃料改質システム。
余剰水素流量が所定値以上あるとき余剰水素があると判定する
ことを特徴とする請求項６、１７、１８のいずれか一つに記載の燃料改質システム。