JP2001332284A

JP2001332284A - 燃料電池用改質システム

Info

Publication number: JP2001332284A
Application number: JP2000151931A
Authority: JP
Inventors: Naoto Kashiwagi; 直人柏木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2000-05-23
Publication date: 2001-11-30
Anticipated expiration: 2020-05-23
Also published as: JP3879366B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、残留原料の有無にかかわりなく、
常に、最適な制御を実現し、最大限効率良く水素を発生
させることができる燃料電池用改質システムを提供する
ことにある。【解決手段】水素発生装置１３の温度と理論温度モデ
ルを比較し、水素発生装置１３の温度が理論温度モデル
よりも高い場合は、原料蒸気発生装置９の温度を上昇さ
せ、水素発生装置１３の温度が理論温度モデルよりも低
い場合は、原料蒸気発生装置９への原料供給量を減少さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用改質シ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の原料改質システムとしては、例え
ば特開平９−３１５８０１号公報に開示されているもの
が知られている。

【０００３】これは、原料蒸気発生装置に原料を供給し
て気化させ、発生した原料蒸気を水素発生装置に供給
し、一方で、空気を水素発生装置に供給し、水素発生装
置内の触媒の作用下で原料蒸気と空気を酸化反応させ、
この酸化反応で発生する熱エネルギーを利用して原料蒸
気の改質反応を行って、水素を発生させ、その際、水素
発生装置における発熱反応である酸化反応と吸熱反応で
ある改質反応とをバランス良く進行させるために、原料
蒸気発生装置への原料供給量と水素発生装置への空気供
給量とを制御するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の原料改質システムにあっては、改質する原料
を原料蒸気発生装置で気化させ、発生した原料蒸気を水
素発生装置に送り込んで水素を発生させるため、原料を
原料蒸気発生装置で気化させるための何らかの熱源を必
要とする。

【０００５】このとき、実際問題として、原料蒸気発生
装置に供給された原料が必要最低限の熱エネルギーです
べて原料蒸気になって水素発生装置に供給されればよい
が、原料蒸気発生装置の温度状態によっては、供給され
た原料がすべて完全には気化しないことがある。

【０００６】また、水素発生装置に供給する空気の量
は、原料蒸気発生装置に供給する原料の量に基づいて算
出されている。このため、供給された原料がすべて完全
に気化していない場合は、算出された空気供給量と予定
よりも少ない原料蒸気とが水素発生装置内で過剰な発熱
反応（酸化反応）を行って、水素発生装置の温度が上昇
するという問題があった。

【０００７】一方、供給された原料がすべて完全には気
化しない状態で原料の供給を続けると、気化しなかった
原料が原料蒸気発生装置内に残留してしまう。原料蒸気
発生装置内に液体のまま残留している原料（残留原料）
は、原料蒸気発生装置の温度の上昇によって気化を始め
る。このため、原料蒸気発生装置内の残留原料が気化を
始めた場合は、原料蒸気発生装置に供給する原料の量に
基づいて算出された空気供給量と予定よりも多い原料蒸
気とが水素発生装置内で過少な発熱反応（酸化反応）を
行い、過剰な吸熱反応（改質反応）によって水素発生装
置の温度が低下して、質の低い水素が発生するという問
題があった。

【０００８】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的としては、残留原料の有無にかかわりなく、常
に、最適な制御を実現し、最大限効率良く水素を発生さ
せることができる燃料電池用改質システムを提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記課題を解決するため、水および炭化水素を含む原料
を供給する原料供給装置と、前記原料供給装置からの原
料供給量を調整する原料供給量調整手段と、前記原料供
給装置から供給された原料を気化させて原料蒸気を発生
する原料蒸気発生装置と、前記原料蒸気発生装置の温度
を上昇させる加熱手段と、前記原料蒸気発生装置からの
原料蒸気と空気とを用いて発熱反応である酸化反応を行
うとともに、当該酸化反応で発生する熱エネルギーを利
用して吸熱反応である前記原料蒸気の改質反応を行うこ
とによって、水素を発生する水素発生装置と、前記水素
発生装置に空気を供給する空気供給装置と、前記空気供
給装置から前記水素発生装置への空気供給量を調整する
空気供給量調整手段とを備えた燃料電池用改質システム
において、前記水素発生装置における酸化反応状態を検
出する酸化反応状態検出手段と、前記原料蒸気発生装置
に供給された原料がすべて気化した場合に発生する理論
原料蒸気量と当該理論原料蒸気量に見合った空気量とが
理論酸化反応した場合における前記水素発生装置の理論
酸化反応状態モデルを記憶する理論酸化反応状態モデル
記憶手段と、検出された酸化反応状態と理論酸化反応状
態モデルとを比較して、前記水素発生装置における水素
発生状態を推定し、推定された水素発生状態に基づい
て、水素発生状態が最適になるように前記原料供給量調
整手段または前記加熱手段を制御する水素発生状態制御
手段とを有することを要旨とする。

【００１０】請求項２記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記水素発生状態制御手段は、検出された酸化
反応状態が理論酸化反応状態モデルよりも大きい場合、
前記原料蒸気発生装置の温度を上昇させるように前記加
熱手段を制御することを要旨とする。

【００１１】請求項３記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記水素発生状態制御手段は、検出された酸化
反応状態が理論酸化反応状態モデルよりも小さい場合、
前記原料蒸気発生装置への原料供給量を減少させるよう
に前記原料供給量調整手段を制御することを要旨とす
る。

【００１２】請求項４記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記原料蒸気発生装置の温度を検出する温度検
出手段をさらに有し、前記水素発生状態制御手段は、前
記原料蒸気発生装置の温度が所定値以上の場合におい
て、検出された酸化反応状態が理論酸化反応状態モデル
よりも大きいまたは小さい状態が所定時間以上継続して
いるとき、前記原料蒸気発生装置への原料供給量を減少
させるように前記原料供給量調整手段を制御することを
要旨とする。

【００１３】請求項５記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記酸化反応状態は、前記水素発生装置の温度
であることを要旨とする。

【００１４】

【発明の効果】請求項１記載の本発明によれば、原料蒸
気発生装置への原料供給量を原料供給量調整手段で調整
し、原料蒸気発生装置の温度を加熱手段で上昇させ、原
料蒸気発生装置からの原料蒸気と空気供給装置からの空
気とを用いて発熱反応である酸化反応を行うとともに、
当該酸化反応で発生する熱エネルギーを利用して吸熱反
応である前記原料蒸気の改質反応を行うことによって水
素発生装置で水素を発生するようにしておき、水素発生
装置における酸化反応状態と、原料蒸気発生装置に供給
された原料がすべて気化した場合に発生する理論原料蒸
気量と当該理論原料蒸気量に見合った空気量とが理論酸
化反応した場合における水素発生装置の理論酸化反応状
態モデルとを比較して、水素発生装置における水素発生
状態を推定し、推定された水素発生状態に基づいて、水
素発生状態が最適になるように原料供給量調整手段また
は加熱手段を制御することで、現在の水素発生状態に応
じて、原料蒸気発生装置への原料供給量（および水素発
生装置への空気供給量）ならびに原料蒸気発生装置の温
度を最適に制御することができ、燃費良く改質システム
を運転することができる。すなわち、残留原料の有無に
かかわりなく、常に、最適な制御を実現し、最大限効率
良く水素を発生させることができる。

【００１５】請求項２記載の本発明によれば、検出され
た酸化反応状態が理論酸化反応状態モデルよりも大きい
場合、原料蒸気発生装置の温度を上昇させることで、最
適な制御を実現し、最大限効率良く水素を発生させるこ
とができる。すなわち、この場合、原料蒸気発生装置に
供給された原料の気化状態が悪化して原料の残留が起こ
り原料蒸気過少の状態にあると予想されるので、原料蒸
気発生装置の温度を上昇させて原料蒸気の発生を促進さ
せ、水素発生装置への原料蒸気供給量を最適化して、水
素発生装置の酸化反応状態を最適に制御でき、水素発生
装置での水素の発生を促進することができる。

【００１６】請求項３記載の本発明によれば、検出され
た酸化反応状態が理論酸化反応状態モデルよりも小さい
場合、原料蒸気発生装置への原料供給量を減少させるこ
とで、最適な制御を実現し、最大限効率良く水素を発生
させることができる。すなわち、この場合、原料蒸気発
生装置内に残留している原料が気化を始めて原料蒸気過
多の状態にあると予想されるので、原料蒸気発生装置に
供給する原料の量を減少させて原料蒸気の発生量を抑制
し、水素発生装置への原料蒸気供給量を最適化して、水
素発生装置の酸化反応状態を最適に制御でき、水素発生
装置での水素の発生を促進することができる。

【００１７】請求項４記載の本発明によれば、原料蒸気
発生装置の温度が所定値以上の場合において、検出され
た酸化反応状態が理論酸化反応状態モデルよりも大きい
または小さい状態が所定時間以上継続しているとき、原
料蒸気発生装置への原料供給量を減少させることで、さ
らに、システムの故障発生を防止することができる。す
なわち、この場合、原料蒸気発生装置の温度が高いにも
かかわらず、検出酸化反応状態と理論酸化反応状態モデ
ルとが異なる状態が継続しているため、原料供給系、空
気供給系、原料蒸気発生装置または水素発生装置に何ら
かの不具合が発生していると予想されるので、原料蒸気
発生装置への原料供給量を低下させて、出力を抑制し、
システムの故障発生を防止することができる。

【００１８】請求項５記載の本発明によれば、酸化反応
状態を水素発生装置の温度とすることで、精度および信
頼性が高く安価なセンサを使用でき、システムのコスト
を低減することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００２０】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態に係る燃料電池用改質システムの構成を
示す図である。

【００２１】図１において、予め水とメタノール（炭化
水素）とを混合してなる液体状態の原料１が、原料タン
ク３（原料供給装置）に蓄えられている。原料タンク３
内の原料１は、原料タンク３内に設けられた原料ポンプ
５（原料供給装置）によって噴射ノズル７（原料供給量
調整手段）に送り出される。噴射ノズル７は、開弁時間
の制御が可能である。噴射ノズル７に送られて来た原料
は、噴射ノズル７が開弁することによって、原料蒸気発
生装置９内に細かい霧状になって噴射される。噴射ノズ
ル７から原料蒸気発生装置９内に噴射された原料は、こ
こで気化して原料蒸気になる。原料蒸気発生装置９内に
は、原料を気化させるための熱源として、原料蒸気発生
装置９の温度を上昇させるヒータ１１（加熱手段）が設
けられている。原料蒸気発生装置９内で気化した原料蒸
気は、水素発生装置１３に流入する。

【００２２】水素発生装置１３は、原料蒸気と空気を触
媒作用下で酸化反応および改質反応させて水素を発生す
る。より具体的には、原料蒸気と空気とを用いて発熱反
応である酸化反応を行うとともに、当該酸化反応で発生
する熱エネルギーを利用して吸熱反応である原料蒸気の
改質反応を行うことによって、水素を発生する。

【００２３】水素発生装置１３で用いられる空気は、コ
ンプレッサ１５（空気供給装置）から空気制御バルブ１
７（空気供給量調整手段）を通過して水素発生装置１３
に供給される。なお、コンプレッサ１５は、燃料電池１
９に対しても空気を供給する。

【００２４】ここで、水素発生装置１３に供給される空
気の流量は、空気流量計２１で、水素発生装置１３の酸
化反応の温度（酸化反応状態）は、温度センサ２３（酸
化反応状態検出手段）で、原料蒸気発生装置９の温度
は、別の温度センサ２５（温度検出手段）でそれぞれ計
測している。空気流量計２１および２個の温度センサ２
３，２５は、本改質システムを制御するための制御装置
２７にそれぞれ接続されており、それぞれの測定信号を
制御装置２７へ出力する。

【００２５】制御装置２７は、コンピュータで構成され
ており、内部にＣＰＵ２９（水素発生状態制御手段）、
制御プログラムおよび後述する理論温度モデル（図７参
照）を記憶したＲＯＭ３１（理論酸化反応状態モデル記
憶手段）および制御時のワークエリアとなるＲＡＭ３３
を有しており、空気流量計２１および温度センサ２３，
２５からの測定信号に基づいて最適な制御状態を演算
し、この演算結果に応じた制御信号を噴射ノズル７、ヒ
ータ１１、コンプレッサ１５および空気制御バルブ１７
に出力する。なお、原料ポンプ５も制御装置２７によっ
て駆動される。

【００２６】次に、図２に示す制御フローチャートに従
って燃料電池用改質システムの制御動作を説明する。な
お、図２に示す制御フローチャートおよび理論温度モデ
ルは、制御装置２７の内部ＲＯＭ３１に制御プログラム
およびデータテーブルとして記憶されている。また、図
２に示す制御フローチャートは、ＣＰＵ２９によって実
行される。

【００２７】まず、ステップＳ１０では、原料蒸気発生
装置９内に設けられたヒータ１１を通電（ＯＮ）して、
原料蒸気発生装置９を暖める。なお、ここでは、原料を
気化させるための熱源としてヒータ１１を設けたが、こ
れに限定されるわけではなく、例えば、別の装置でメタ
ノールを燃焼させまたは水素を燃焼させて加熱した空気
を熱源にしてもよい。

【００２８】そして、ステップＳ２０では、原料蒸気発
生装置９に設けられた温度センサ２５からその原料蒸気
発生装置９の温度を読み込む。

【００２９】そして、ステップＳ３０では、温度センサ
２５から読み込まれた原料蒸気発生装置９の温度が所定
値以上であるか否かを判断する。所定値は、原料蒸気発
生装置９が原料を気化させて原料蒸気を発生するのに十
分な温度に予め設定されている。すなわち、ここでは、
原料蒸気発生装置９の温度が十分に原料蒸気を発生でき
る温度になっているか否かが検出される。原料蒸気発生
装置９の温度が所定値以上である場合は（Ｓ３０：ＹＥ
Ｓ）、原料蒸気発生装置９がヒータ１１によって十分に
暖められているものと判断して、ステップＳ４０に進
み、原料蒸気発生装置９の温度が所定値未満である場合
は（Ｓ３０：ＮＯ）、ステップＳ１０に戻って、原料蒸
気発生装置９が十分に暖められるまで待機する。

【００３０】ステップＳ４０では、図示しない部位（例
えば、上位の制御装置）から、水素発生装置１３に要求
される要求水素発生量の指示を受け取る。

【００３１】そして、ステップＳ５０では、図３に示す
要求水素発生量と原料供給量の関係に基づいて、ステッ
プＳ４０で受け取った要求水素発生量に見合った原料蒸
気発生装置９への原料供給量を算出する。原料１は、前
述のように、予め水とメタノールが混合されて、原料タ
ンク３に蓄えられている。なお、図３に示す要求水素発
生量と原料供給量の関係は、制御装置２７の内部ＲＯＭ
３１にデータテーブルとして記憶されている。

【００３２】そして、ステップＳ６０では、原料ポンプ
５を駆動して原料タンク３内の原料１を噴射ノズル７に
圧送し、ステップＳ５０で算出された原料供給量で原料
を噴射ノズル７から原料蒸気発生装置９内に噴射する。
このとき、噴射ノズル７の開弁時間を制御することによ
って、原料の供給量がコントロールされる。図４は、噴
射ノズル７の弁開閉制御を示す図である。ここでは、噴
射ノズル７をＯＮ−ＯＦＦ制御し、そのデューティ比を
可変することで、原料の供給量をコントロールする。噴
射ノズル７がＯＮ状態の時、噴射ノズル７への通電が行
われ、噴射ノズル７が開弁して、原料が噴射される。

【００３３】なお、本実施の形態では、原料が予め混合
されている場合を例示しているが、これに限定されるわ
けではない。例えば、水とメタノールをそれぞれ別のタ
ンクに蓄えておき、それぞれのポンプと噴射ノズルによ
って原料蒸気発生装置９に供給するようにしてもよい。

【００３４】この場合、原料蒸気発生装置９は、原料の
噴射が開始された時点で既にヒータ１１によって十分に
暖められているため（ステップＳ３０参照）、噴射ノズ
ル７から噴射された原料は、暖められた原料蒸気発生装
置９内でただちに気化して原料蒸気になる。そして、こ
の気化した原料蒸気は、水素発生装置１３に送り出され
る。

【００３５】そして、ステップＳ７０では、コンプレッ
サ１５に回転数信号を送る。コンプレッサ１５は、この
回転数信号を受けて、圧縮された空気を水素発生装置１
３に供給する。コンプレッサ１５の回転数を上昇させる
ことによって、コンプレッサ１５から吐出される空気の
量は増加する。なお、コンプレッサ１５は、水素発生装
置１３、燃料電池１９その他図示しない部位を含めてす
べてに必要十分な量の空気を供給できる能力を持ってい
る。

【００３６】そして、ステップＳ８０では、ステップＳ
５０で算出された原料供給量に見合った水素発生装置１
３への空気供給量（目標流量）を算出する。

【００３７】そして、ステップＳ９０では、この算出結
果に基づいて空気制御バルブ１７の開度をコントロール
して、ステップＳ８０で算出された空気供給量でコンプ
レッサ１５から水素発生装置１３に空気を供給する。具
体的には、コンプレッサ１５から水素発生装置１３に供
給される空気の流量（実流量）を空気流量計２１から読
み込み、図５に示すフィードバック制御により、空気流
量計２１から読み込まれた実際の空気流量が目標空気流
量と一致するように空気制御バルブ１７の開度を補正す
る。

【００３８】こうして、水素発生装置１３には原料蒸気
発生装置９からの原料蒸気とコンプレッサ１５からの空
気とが供給されることになるが、このとき、原料蒸気発
生装置９からの原料蒸気とコンプレッサ１５からの空気
とを水素発生装置１３内の触媒の作用下で反応させる
と、（１）式に示す発熱を伴う酸化反応（発熱反応）と
（２）式に示す吸熱を伴う改質反応（吸熱反応）とが同
時に進行する。

【数１】ＣＨ_３ＯＨ＋（１／２）Ｏ_２ → ＣＯ_２＋２Ｈ_２＋（発熱） …（１）ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋３Ｈ_２＋（吸熱） …（２）よって、この場合、原料蒸気の改質反応に必要な熱エネ
ルギーを原料蒸気と空気の酸化反応によって供給するこ
とができる。従って、発熱反応である酸化反応と吸熱反
応である改質反応とをバランス良く進行させるべく、原
料蒸気と空気を一定の量的比率で水素発生装置１３に供
給すれば、改質反応のためにバーナやヒータなどを設け
ることなく、（１）式の発熱反応のみによって（２）式
の吸熱反応に必要な熱エネルギーを賄うことができ、効
率良く水素を発生させることができ、燃費を良くするこ
とができる。

【００３９】図６は、空気量／原料蒸気量の比率に対す
る酸化反応および改質反応で発生する全体の熱収支の関
係を説明するための図である。

【００４０】図６に示すように、空気量／原料蒸気量の
比率がある一定の値ａの場合に、発熱量と吸熱量とが等
しくなり、その値ａよりも大きい（空気量が多い）場合
は、発熱量の方が多くなり、逆に、その値ａよりも小さ
い（空気量が少ない）場合は、吸熱量の方が多くなる。

【００４１】しかし、実際には、吸熱反応よりも発熱反
応の方が反応速度が速いため、水素発生装置１３の温度
は上昇する。

【００４２】水素発生装置１３に供給すべき空気の量
は、最適な熱収支を考慮しつつ、図６に示す関係に基づ
いて、最適な空気量／原料蒸気量の比率を求め、この比
率を、原料蒸気発生装置９に供給された原料がすべて気
化した場合に発生する理論原料蒸気量と当該理論原料蒸
気量に見合った空気量との比率とみなし、この比率から
一義的に求められる。

【００４３】また、理論改質反応に必要な酸化反応にお
いて、効率良く水素を発生することができる理論温度モ
デル（酸化反応状態）が、予め設定されている。この理
論温度モデルは、換言すれば、原料蒸気発生装置９に供
給された原料がすべて気化した場合に発生する理論原料
蒸気量と当該理論原料蒸気量に見合った空気量とが理論
酸化反応した場合における水素発生装置１３の理論温度
（より厳密には、水素発生装置１３における理論酸化反
応温度）である。理論温度モデルは、水素発生装置１３
の仕様などによって異なる。図７は、理論温度モデルの
一例を示す図である。図７に示すように、理論温度モデ
ルＡは、一定の領域を有している。なお、図７に示す理
論温度モデルは、前述したように、制御装置２７の内部
ＲＯＭ３１にデータテーブルとして記憶されている。

【００４４】本実施の形態では、このような理論温度モ
デルを持つことで、理論酸化反応が行われた場合におけ
る水素発生装置１３の酸化反応の理論温度モデルと水素
発生装置１３の酸化反応の実温度とを比較することによ
って、水素発生装置１３における現在の酸化反応状態お
よび水素発生状態を知ることができる。例えば、図８に
示すように理論温度モデルよりも水素発生装置１３の実
温度が高いまたは低い場合には、後述するように、理論
水素発生量に対して実水素発生量が少ないことがわか
る。

【００４５】そこで、本実施の形態では、水素発生状態
を最適にするため、さらに下記の制御を行っている。

【００４６】すなわち、ステップＳ１００では、水素発
生装置１３に設けられた温度センサ２３からその水素発
生装置１３の（酸化反応の）温度を読み込む。

【００４７】そして、ステップＳ１１０では、温度セン
サ２３から読み込まれた水素発生装置１３の実温度を、
ステップＳ５０で算出された原料供給量に対応する理論
原料蒸気量における図７に示す理論温度モデルと比較し
て、水素発生装置１３の実温度が理論温度モデルの領域
内にあるか、理論温度モデルよりも高いか、または、理
論温度モデルよりも低いかを判断する。

【００４８】この判断の結果として水素発生装置１３の
実温度が理論温度モデルの領域内にある場合は、水素発
生装置１３における水素発生状態は良好であると推定さ
れるので、他の場合のように別の処理を行うことなく、
直ちにステップＳ１０に戻る。

【００４９】これに対し、ステップＳ１１０の判断の結
果として水素発生装置１３の実温度が理論温度モデルよ
りも高い場合は、ステップＳ１２０で、ヒータ１１に供
給する電流量を増加させてヒータ１１の発熱量を増大さ
せることで、原料蒸気発生装置９の温度を上昇させて原
料蒸気の発生を促進させる。そして、ステップＳ１０に
戻る。

【００５０】より詳細に説明すると、この場合は、水素
発生装置１３内で過剰な発熱反応（酸化反応）が起きて
いることがわかる。過剰な発熱反応（酸化反応）は、図
６に示すように、原料蒸気量に対して空気供給量が多
い、逆に言えば、空気供給量に対して原料蒸気量が少な
いために発生する。原料供給量よりも原料蒸気量の方が
少ない理由は、原料蒸気発生装置９で原料の気化状態が
悪く、原料の残留が起こるためであると考えられる。空
気供給量は、前述のように、原料蒸気発生装置９への原
料供給量から一義的に決まるので（ステップＳ５０参
照）、原料の気化状態が悪いと発生する原料蒸気が過少
になり、水素発生装置１３が空気過剰になっていると考
えられる。水素発生装置１３の酸化反応のいくつかの理
想温度における原料蒸気量と空気量との関係は、例え
ば、図９に示すとおりである。

【００５１】原料蒸気発生装置９の温度が低下している
と気化状態が悪くなり、上記のように水素発生装置１３
が空気過剰になってしまうので、ヒータ１１への電流量
をコントロール（増加）し、原料蒸気発生装置９の温度
を上昇させることによって、原料の気化を促進させ、も
って水素発生装置１３の実原料蒸気量を理論原料蒸気量
に近づける。原料蒸気発生装置９の温度と原料蒸気発生
量との関係は、例えば、図１０に示すとおりである。こ
れにより、水素発生装置１３における水素の発生を促進
することができる。

【００５２】一方、ステップＳ１１０の判断の結果とし
て水素発生装置１３の実温度が理論温度モデルよりも低
い場合は、ステップＳ１３０で、噴射ノズル７に制御信
号を送って噴射ノズル７から噴射される原料の量を減少
させることで、原料蒸気の発生量を抑制する。そして、
ステップＳ１０に戻る。

【００５３】より詳細に説明すると、この場合は、水素
発生装置１３内で発熱反応（酸化反応）が促進されてい
ないことがわかる。発熱反応（酸化反応）が促進されて
いないのは、図６に示すように、原料蒸気量に対して空
気供給量が少ない、逆に言えば、空気供給量に対して原
料蒸気量が多いためである。原料供給量よりも原料蒸気
量の方が多い理由は、図１１に示すように、原料蒸気発
生装置９内に残留していた原料が、原料蒸気発生装置９
の温度上昇に伴って気化を始め、現在の原料供給量に対
応する原料蒸気に残留原料分の原料蒸気が加算されるた
めであると考えられる。

【００５４】従って、ステップＳ１１０で比較された水
素発生装置１３の理論温度モデルと実温度の差に基づい
て、原料蒸気発生装置９への原料供給量の減少分を算出
し、算出された減量分だけ原料供給量を減少させること
によって、原料蒸気発生装置９で発生して水素発生装置
１３に供給される原料蒸気量を適量に保つことができ
る。ここで、図１２は、水素発生装置１３の温度が理論
温度モデルに達するのに必要な温度上昇分を説明するた
めの図であり、図１３は、算出された温度上昇分だけ水
素発生装置１３の温度を上昇させるのに必要な原料噴射
量の減少分を説明するための図である。これにより、そ
の際に水素発生装置１３への空気供給量を減少させない
ことで、水素発生装置１３における水素の発生を促進す
ることができる。

【００５５】この結果、第１の実施の形態に関する効果
としては、水素発生装置１３の温度を理論温度モデルと
比較することで、水素発生装置１３の水素発生状態を推
定することができ、原料蒸気発生装置９への原料供給量
および水素発生装置１３への空気供給量ならびに原料蒸
気発生装置９の温度を最適に制御することができ、燃費
良く改質システムを運転することができる。すなわち、
残留原料の有無にかかわりなく、常に、最適な制御を実
現し、最大限効率良く水素を発生させることができる。

【００５６】その際、水素発生装置１３の温度が理論温
度モデルよりも高い場合は、原料蒸気発生装置９の温度
を上昇させることで、最適な制御を実現し、最大限効率
良く水素を発生させることができる。すなわち、この場
合には、原料蒸気発生装置９に供給された原料の気化状
態が悪化していると予想されるので、原料蒸気発生装置
９の温度を上昇させて原料蒸気の発生を促進させ、水素
発生装置１３への原料蒸気供給量を最適化することがで
き、水素発生装置１３での水素の発生を促進することが
できる。

【００５７】また、水素発生装置１３の温度が理論温度
モデルよりも低い場合は、原料蒸気発生装置９への原料
供給量を減少させることで、最適な制御を実現し、最大
限効率良く水素を発生させることができる。すなわち、
この場合には、原料蒸気発生装置９内に残留している原
料が気化を始めて原料蒸気過多の状態にあると予想され
るので、原料蒸気発生装置９に供給する原料の量を減少
させて原料蒸気の発生量を抑制し、水素発生装置１３へ
の原料蒸気供給量を最適化することができ、水素発生装
置１３での水素の発生を促進することができる。

【００５８】さらに、水素発生装置１３の酸化反応状態
として水素発生装置１３の温度を検出することで、精度
および信頼性が高く安価なセンサを使用でき、システム
の低コスト化を図ることができる。

【００５９】（第２の実施の形態）図１４は、本発明の
第２の実施の形態に係る燃料電池用改質システムの制御
動作を説明するための制御フローチャートである。な
お、第２の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態
に対応する燃料電池用改質システムと同様の構成を有し
ており、その説明を省略することとする。

【００６０】第２の実施の形態の特徴は、原料蒸気発生
装置９の温度が所定値以上の場合において、水素発生装
置１３の温度が理論温度モデルよりも高いまたは低い状
態が所定時間以上継続しているとき、原料蒸気発生装置
９への原料供給量を減少させる処置をさらに施すことに
ある。このため、制御装置２５に設けられたＣＰＵ２７
は、タイマを内蔵し、指定された事象の経過時間を計測
する機能を有している。

【００６１】なお、図１４に示す制御フローチャート
は、制御装置２７の内部ＲＯＭ３１に制御プログラムと
して記憶されており、ＣＰＵ２９によって実行される。

【００６２】本実施の形態では、図１４に示すように、
ステップＳ１４０およびステップＳ１５０を図２に示す
フローチャートに挿入している。なお、ステップＳ１０
〜Ｓ１３０は、図２に示すフローチャートの各ステップ
と同様であるので、その説明を省略する。

【００６３】そして、ステップＳ１４０では、ステップ
Ｓ１１０の比較結果として水素発生装置１３の温度が理
論温度モデルよりも高い状態または低い状態が当該事象
の発生から所定時間以上継続しているか否かを判断す
る。水素発生装置１３の温度が理論温度モデルよりも高
い状態または低い状態が所定時間以上継続している場合
は（Ｓ１４０：ＹＥＳ）、ステップＳ１５０に進み、水
素発生装置１３の温度が理論温度モデルよりも高い状態
または低い状態が所定時間以上継続していない場合は
（Ｓ１４０：ＮＯ）、ただちにステップＳ１０に戻る。

【００６４】ステップＳ１５０では、噴射ノズル７に制
御信号を送って噴射ノズル７から噴射される原料の量を
減少させることで、原料蒸気の発生量を抑制する。特
に、水素発生装置１３の温度が理論温度モデルよりも低
い場合は、ステップＳ１３０の処理に加えてさらにステ
ップＳ１５０の処理を行うことになり、原料蒸気発生装
置９への原料供給量が大幅に減らされることになる。そ
して、ステップＳ１０に戻る。

【００６５】より詳細に説明すると、原料蒸気発生装置
９の温度が十分に原料蒸気を発生できる温度になってい
る場合（Ｓ３０：ＹＥＳ）は、本来、水素発生装置１３
にて原料蒸気量と空気量のバランスがとれ、水素発生装
置１３の酸化反応の理論温度モデルと水素発生装置１３
の実温度とはほぼ一致しているはずである。ただし、実
際には、前述した残留原料による不具合があり、これを
解消するためにステップＳ１００〜ステップＳ１３０の
処理を行っている。

【００６６】にもかかわらず、水素発生装置１３の温度
が理論温度モデルよりも高い状態または低い状態が所定
時間以上継続している場合は、原料供給系、空気供給
系、原料蒸気発生装置９および水素発生装置１３のうち
少なくとも１つに何らかの不具合が発生していることが
考えられる。従って、このままの状態で運転を続ける
と、質の高い水素の発生が望めないばかりでなく、シス
テムそれ自体が故障するおそれがあるので、原料蒸気発
生装置９への原料供給量を低下させ、酸化反応温度を低
下させて、出力の抑制を図る。

【００６７】この結果、第２の実施の形態に関する効果
は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、
原料蒸気発生装置９の温度が所定値以上の場合におい
て、水素発生装置１３の温度が理論温度モデルよりも高
いまたは低い状態が所定時間以上継続しているとき、原
料蒸気発生装置９への原料供給量を減少させることで、
システムの故障発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池用改
質システムの構成を示す図である。

【図２】第１の実施の形態の燃料電池用改質システムの
制御動作を説明するための制御フローチャートである。

【図３】要求水素発生量と原料供給量の関係を示す図で
ある。

【図４】噴射ノズルの弁開閉制御を説明するための図で
ある。

【図５】空気制御バルブの開度制御を説明するための図
である。

【図６】空気量／原料蒸気量の比率に対する酸化反応お
よび改質反応で発生する全体の熱収支の関係を説明する
ための図である。

【図７】水素発生装置の理論温度モデルの一例を示す図
である。

【図８】水素発生装置の理論温度モデルと実温度の比較
例を示す図である。

【図９】水素発生装置のいくつかの理想温度における原
料蒸気量と空気量との関係を示す図である。

【図１０】原料蒸気発生装置の温度と原料蒸気発生量と
の関係を説明するための図である。

【図１１】残留原料の気化に関する説明図である。

【図１２】水素発生装置の温度が理論温度モデルに達す
るのに必要な温度上昇分を説明するための図である。

【図１３】算出された温度上昇分だけ水素発生装置の温
度を上昇させるのに必要な原料噴射量の減少分を説明す
るための図である。

【図１４】第２の実施の形態の燃料電池用改質システム
の制御動作を説明するための制御フローチャートであ
る。

【符号の説明】

１原料３原料タンク５原料ポンプ７噴射ノズル９原料蒸気発生装置１１ヒータ１３水素発生装置１５コンプレッサ１７空気制御バルブ１９燃料電池２１空気流量計２３，２５温度センサ２７制御装置２９ＣＰＵ３１ＲＯＭ３３ＲＡＭ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水および炭化水素を含む原料を供給する
原料供給装置と、前記原料供給装置からの原料供給量を調整する原料供給
量調整手段と、前記原料供給装置から供給された原料を気化させて原料
蒸気を発生する原料蒸気発生装置と、前記原料蒸気発生装置の温度を上昇させる加熱手段と、前記原料蒸気発生装置からの原料蒸気と空気とを用いて
発熱反応である酸化反応を行うとともに、当該酸化反応
で発生する熱エネルギーを利用して吸熱反応である前記
原料蒸気の改質反応を行うことによって、水素を発生す
る水素発生装置と、前記水素発生装置に空気を供給する空気供給装置と、前記空気供給装置から前記水素発生装置への空気供給量
を調整する空気供給量調整手段とを備えた燃料電池用改
質システムにおいて、前記水素発生装置における酸化反応状態を検出する酸化
反応状態検出手段と、前記原料蒸気発生装置に供給された原料がすべて気化し
た場合に発生する理論原料蒸気量と当該理論原料蒸気量
に見合った空気量とが理論酸化反応した場合における前
記水素発生装置の理論酸化反応状態モデルを記憶する理
論酸化反応状態モデル記憶手段と、検出された酸化反応状態と理論酸化反応状態モデルとを
比較して、前記水素発生装置における水素発生状態を推
定し、推定された水素発生状態に基づいて、水素発生状
態が最適になるように前記原料供給量調整手段または前
記加熱手段を制御する水素発生状態制御手段とを有する
ことを特徴とする燃料電池用改質システム。
【請求項２】前記水素発生状態制御手段は、検出された酸化反応状態が理論酸化反応状態モデルより
も大きい場合、前記原料蒸気発生装置の温度を上昇させ
るように前記加熱手段を制御することを特徴とする請求
項１記載の燃料電池用改質システム。
【請求項３】前記水素発生状態制御手段は、検出された酸化反応状態が理論酸化反応状態モデルより
も小さい場合、前記原料蒸気発生装置への原料供給量を
減少させるように前記原料供給量調整手段を制御するこ
とを特徴とする請求項１記載の燃料電池用改質システ
ム。
【請求項４】前記原料蒸気発生装置の温度を検出する
温度検出手段をさらに有し、前記水素発生状態制御手段は、前記原料蒸気発生装置の温度が所定値以上の場合におい
て、検出された酸化反応状態が理論酸化反応状態モデル
よりも大きいまたは小さい状態が所定時間以上継続して
いるとき、前記原料蒸気発生装置への原料供給量を減少
させるように前記原料供給量調整手段を制御することを
特徴とする請求項１記載の燃料電池用改質システム。
【請求項５】前記酸化反応状態は、前記水素発生装置
の温度であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか
一つに記載の燃料電池用改質システム。