JP2002201002A

JP2002201002A - 改質器の起動制御

Info

Publication number: JP2002201002A
Application number: JP2000397950A
Authority: JP
Inventors: Yukihiko Takeda; 幸彦武田; Atsushi Ogino; 温荻野; Kenji Kimura; 憲治木村; Koji Takumi; 厚至工匠; Masayoshi Taki; 正佳滝; Yasuaki Tanaka; 泰明田中; Norihiko Saito; 典彦齋藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2002-07-16
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP4590730B2

Abstract

(57)【要約】【課題】改質装置の起動時のなるべく早い時期から、
燃料電池に供給可能な成分を有する燃料ガスを生成す
る。【解決手段】改質装置は、改質触媒を加熱するための
電気加熱式触媒部１３５を備えている。燃料改質装置の
起動時においては、電気加熱式触媒部１３５を用いて改
質触媒の最上流部を最初に昇温させるとともに、改質原
料の供給量を、改質触媒の温度の上昇に関連付けられた
増加率で次第に増加させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素系化合物
を含む改質原料から水素リッチな燃料ガスを生成するた
めの燃料改質装置の制御技術に関し、特に、改質器の起
動時の制御技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】改質装置では、改質触媒を用いた改質反
応によって、炭化水素系化合物を含む改質原料から水素
リッチな燃料ガス（「改質ガス」とも呼ぶ）を生成す
る。改質反応を効率良く行うには、改質触媒をある程度
の温度（例えば２００℃）まで昇温する必要がある。こ
のため、改質装置の起動時には、改質触媒をなるべく早
く昇温したいという要望がある。

【０００３】改質触媒を素早く昇温する技術として、例
えば特開平１１−１３０４０５号公報に記載された発熱
・触媒体を利用する方法がある。この発熱・触媒体は、
電気ヒータと改質触媒とを組み合わせたものであり、電
気ヒータに通電することによって、改質触媒を素早く昇
温させることが可能である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この発熱・触
媒体は、改質触媒のごく一部を昇温できるだけなので、
発熱・触媒体に通電した後に直ちに大量の改質原料を投
入すると、改質装置から未反応のガスが大量に排出され
てしまうという問題を生じる。そこで、従来は、改質装
置の起動時には、改質触媒の全体の昇温が完了した後
に、燃料電池への燃料ガスの供給を開始するようにして
いた。すなわち、改質触媒の昇温が完了するまで、燃料
電池への燃料ガスの供給を待たなければならなかった。
このため、従来から、改質装置の起動時のなるべく早い
時期から、燃料電池に供給可能な成分を有する燃料ガス
を生成することのできる技術が望まれていた。

【０００５】本発明は、上述した従来の課題を解決する
ためになされたものであり、改質装置の起動時のなるべ
く早い時期から、燃料電池に供給可能な成分を有する燃
料ガスを生成することのできる技術を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記目的を達成するために、本発明の燃料改質装置は、炭
化水素系化合物を含む改質原料から、燃料電池のための
水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置で
ある。この燃料改質装置は、改質触媒を用いて前記改質
原料を改質する改質器と、前記改質触媒の少なくとも一
部を加熱するための加熱部と、前記改質原料を前記改質
器に供給するための原料供給部と、前記加熱部と前記原
料供給部とを制御するための制御部と、を備えている。
前記制御部は、前記燃料改質装置の起動時において、前
記加熱部を用いて前記改質触媒の少なくとも一部を最初
に昇温させるとともに、前記改質原料の供給量を、前記
改質触媒の温度の上昇に関連付けられた増加率で次第に
増加させることを特徴とする。

【０００７】この構成によれば、加熱部を用いて改質触
媒の少なくとも一部を最初に昇温させ、その後は、改質
触媒の温度の上昇に関連づけられた増加率で改質原料の
供給量を次第に増加させるので、未反応ガスの量を低減
することができる。従って、燃料改質装置の起動時の早
い時期から、燃料電池に供給可能な成分を有する燃料ガ
スを生成することが可能である。

【０００８】なお、前記加熱部は、前記改質触媒の最上
流部に設けられていることが好ましい。

【０００９】この構成では、改質触媒の最上流部が最初
に昇温し、その後、下流側が徐々に昇温するので、効率
よく改質触媒を昇温させることができる。

【００１０】また、上記燃料改質装置は、さらに、前記
改質触媒の複数の箇所に設けられた複数の温度センサを
備えるようにしてもよい。このとき、前記制御部は、前
記複数の温度センサで検出された温度に応じて前記改質
原料の供給量を増加させるようにしてもよい。

【００１１】この構成によれば、複数の温度センサで検
出された温度に応じて改質原料の供給量を増加させるの
で、改質触媒の現実の活性度に適した量の改質原料を供
給することが可能である。

【００１２】なお、前記複数の温度センサは、前記改質
触媒の上流側から下流側に至る流路に順次配置されるよ
うにしてもよい。このとき、前記制御部は、前記上流側
から下流側に至る流路に沿って前記複数の温度センサで
測定された温度が順次次第に上昇していくにつれて、前
記改質原料の供給量を段階的に増加させるようにしても
よい。

【００１３】この構成によれば、改質触媒の温度が上流
側から下流側にかけて次第に上昇するのに応じて、適切
な量の改質原料を供給することができる。

【００１４】前記改質原料は、炭化水素系化合物を含む
原燃料と、水蒸気と、酸素とを含んでおり、前記原燃料
と水蒸気と酸素の供給量は、前記燃料ガスを前記燃料電
池に供給するのに適した十分な割合の水素を含む前記燃
料ガスが前記改質器で生成されるように設定されること
が好ましい。

【００１５】この構成では、燃料電池に供給するのに適
した十分な割合の水素を含む燃料ガスを、改質器の起動
時の早い時期から生成することが可能である。

【００１６】なお、前記原燃料がメタノールのときに
は、前記制御部は、前記改質原料中の炭素の原子数Ｃと
酸素の原子数Ｏとの比（Ｏ／Ｃ）の値が、約０．２から
約３．０の範囲に収まるように前記メタノールと前記水
蒸気と前記酸素の供給量を調整することが好ましい。

【００１７】また、前記原燃料はガソリンのときには、
前記制御部は、前記改質原料中の炭素の原子数Ｃと酸素
の原子数Ｏとの比（Ｏ／Ｃ）の値が、約０．７から約
３．０の範囲に収まるように前記メタノールと前記水蒸
気と前記酸素の供給量を調整することが好ましい。

【００１８】さらに、前記原燃料が天然ガスのときに
は、前記制御部は、前記改質原料中の炭素の原子数Ｃと
酸素の原子数Ｏとの比（Ｏ／Ｃ）の値が、約０．８から
約４．０の範囲に収まるように前記メタノールと前記水
蒸気と前記酸素の供給量を調整することが好ましい。

【００１９】このような（Ｏ／Ｃ）比の範囲では、未反
応ガスや水素ガスの濃度を適切な範囲の保つことが可能
である。

【００２０】なお、前記加熱部は、通電することによっ
て発熱する発熱体と、前記発熱体に担持された前記改質
触媒とを有する電気通電式触媒部であることが好まし
い。

【００２１】このような電気通電式触媒部を用いるよう
にすれば、発熱体に通電することによって、改質触媒を
素早くさせることができる。従って、より早い時期から
燃料電池に供給可能な改質ガスを供給することが可能で
ある。

【００２２】本発明による燃料電池システムは、燃料電
池と、炭化水素系化合物を含む改質原料から、前記燃料
電池のための水素リッチな燃料ガスを生成する上述の燃
料改質装置と、前記燃料電池と前記燃料改質装置とを制
御するための制御部と、を備える。

【００２３】この燃料電池システムでは、燃料改質装置
の起動時の早い時期から、燃料電池に燃料ガスを供給し
て、発電を開始することが可能である。

【００２４】この燃料電池システムにおいて、前記制御
部は、前記燃料改質装置の起動時において、前記改質器
の暖機状態に応じて前記燃料電池の発電量の上限値を決
定するようにしてもよい。

【００２５】燃料改質装置は、改質器の暖機状態が進行
するにつれて、より多くの燃料ガスを供給することがで
きる。従って、改質器の暖機状態に応じて燃料電池の発
電量の上限値を決定するようにすれば、燃料電池が実際
に発電しうる発電量を反映した制御を行うことが可能で
ある。

【００２６】具体的には、前記制御部は、前記燃料改質
装置の起動時において、前記改質触媒の温度に応じて前
記燃料電池の発電量の上限値を決定するようにしてもよ
い。

【００２７】あるいは、前記制御部は、前記燃料改質装
置の起動時において、前記燃料改質装置の起動からの時
間に応じて前記燃料電池の発電量の上限値を決定するよ
うにしてもよい。

【００２８】本発明による移動体は、燃料電池を含む電
源と、炭化水素系化合物を含む原燃料から、前記燃料電
池のための水素リッチな燃料ガスを生成する上述の燃料
改質装置と、前記移動体の推進力を発生するための原動
機と、前記電源から供給される電力を用いて前記原動機
を駆動する駆動回路と、前記電源と前記燃料改質装置と
前記原動機と前記駆動回路とを制御するための制御部
と、を備える。

【００２９】この移動体によれば、燃料改質装置の起動
時の早い時期から、燃料電池を用いて発電を開始するこ
とができるので、より早い時期から移動体を運転可能な
状態にすることが可能である。

【００３０】なお、本発明は、種々の態様で実現するこ
とが可能であり、例えば、燃料改質装置およびその制御
方法、燃料電池システムおよびその制御方法、それらの
装置またはシステムを備える移動体およびその制御方
法、それらの方法または装置の機能を実現するためのコ
ンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを
記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み
搬送波内に具現化されたデータ信号、等の態様で実現す
ることができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例に基づいて以下の順序で説明する。Ａ．装置の全体構成：Ｂ．起動制御の実施例：Ｃ．変形例：

【００３２】Ａ．装置の構成：図１は、本発明の一実施
例としての電気自動車の概略構成図である。この電気自
動車（以下、単に「車両」と呼ぶ）の車輪駆動機構は、
モータ２０と、トルクコンバータ３０と、変速機４０と
を有している。モータ２０の回転軸１３は、トルクコン
バータ３０に結合されている。トルクコンバータの出力
軸１４は、変速機４０に結合されている。変速機４０の
出力軸１５は、ディファレンシャルギヤ１６を介して車
輪１８の車軸１７に結合されている。

【００３３】モータ２０は、ロータ２２と、ステータ２
４とを備える三相の同期モータである。ロータ２２の外
周面には、複数個の永久磁石が設けられている。また、
ステータ２４には、回転磁界を形成するための三相コイ
ルが巻回されている。モータ２０は、ロータ２２に備え
られた永久磁石による磁界と、ステータ２４の三相コイ
ルによって形成される磁界との相互作用により回転駆動
する。また、ロータ２２が外力によって回転させられる
場合には、これらの磁界の相互作用により三相コイルの
両端に起電力を生じさせる。この場合には、モータ２０
は発電機として機能する。

【００３４】モータ２０には、主電源としての燃料電池
システム６０と、補助電源としてのバッテリ（２次電
池）５０と、の２つの電源が備えられている。バッテリ
５０は燃料電池システム６０が故障した場合や、車両の
始動時等のように燃料電池システム６０から十分な電力
を出力することができない場合などに、不足する電力を
モータ２０に供給する。バッテリ５０の電力は、さら
に、車両の制御を行う制御ユニット７０や、照明装置な
どの電力機器（図示せず）にも供給される。

【００３５】２つの電源５０，６０からの電力は、それ
ぞれの駆動回路５１，５２と、切替スイッチ８０とを介
してモータ２０に供給される。切替スイッチ８０は、バ
ッテリ５０と、燃料電池システム６０と、モータ２０の
３者間の接続状態を任意に切り替えることができる。ス
テータ２４は、切替スイッチ８０および第１の駆動回路
５１を介してバッテリ５０に電気的に接続され、また、
切替スイッチ８０および第２の駆動回路５２を介して燃
料電池システム６０に接続される。２つの駆動回路５
１，５２は、それぞれトランジスタインバータで構成さ
れており、モータ２０の三相それぞれに対して、ソース
側とシンク側の２つを一組としてトランジスタが複数備
えられている。これらの駆動回路５１，５２は、制御ユ
ニット７０と電気的に接続されている。

【００３６】制御ユニット７０は、シフトレバー７２
と、アクセルペダル７４と、ブレーキペダル７６とから
与えられる運転者の指令に基づいて、車両のための各種
の制御を実行する。制御ユニット７０が駆動回路５１，
５２の各トランジスタのオン・オフの時間をＰＷＭ制御
すると、バッテリ５０および燃料電池システム６０を電
源とする擬似三相交流がステータ２４の三相コイルに流
れ、回転磁界が形成される。モータ２０は、このような
回転磁界の作用によって、先に説明した通り電動機また
は発電機として機能する。

【００３７】なお、制御ユニット７０の各種の制御動作
は、制御ユニット７０に内蔵されているメモリ７１内に
格納されたコンピュータプログラムを、制御ユニット７
０が実行することによって実現される。メモリ７１とし
ては、ＲＯＭやハードディスクなどの種々の記録媒体を
利用することが可能である。

【００３８】図２は、燃料電池システム６０の内部構成
を示す説明図である。この燃料電池システム６０は、メ
タノールなどの原燃料を貯蔵する原燃料タンク１１０
と、水を貯蔵する水タンク１２０と、改質反応により原
燃料から燃料ガス（「改質ガス」とも呼ぶ）を生成する
改質器１３０と、燃料電池１４０とを備えている。改質
器１３０は、原燃料と水とを蒸発させるための蒸発部１
３３と、電気加熱式触媒部（ＥＨＣ）１３５と、改質触
媒を収納した改質部１３６と、選択酸化反応等を利用し
て改質ガス中の一酸化炭素を低減するためのＣＯ低減部
１３８と、を有している。なお、蒸発部１３３は、改質
原料を気化する気化部１３２と、気化部１３２に熱を供
給する触媒加熱部１３４と、を有している。ＥＨＣ１３
５は、通電することによって発熱する発熱体と、発熱体
の上に担持された改質触媒とを有しているが、これらの
図示は省略されている。

【００３９】原燃料タンク１１０には原燃料供給路１０
２が接続されており、水タンク１２０には水供給路１０
８が接続されている。原燃料供給路１０２は２つの分岐
流路２０４，２０６に分岐している。第１の分岐流路２
０４は、水供給路２０８と合流しており、合流後の流路
２１０は気化部１３２に接続されている。一方、第２の
分岐流路２０６は、加熱部１３４に接続されている。第
１の分岐流路２０４には流量計１５１とポンプ１５２が
設けられており、第２の分岐流路２０６にも流量計１５
３とポンプ１５４が設けられている。また、水供給路２
０８にも、流量計１５５とポンプ１５６が設けられてい
る。

【００４０】原燃料（メタノール）と水は、ポンプ１５
２，１５６によってそれぞれ吸い出され、混合された状
態で気化部１３２に導入される。この混合物は、気化部
１３２において気化される。

【００４１】ＥＨＣ１３５の上流側の混合室１３５ａに
は、空気供給部１６６によって空気ＡＲＯが供給されて
いる。空気供給部１６６は、エアーポンプ１６６ａと、
流量計１６６ｂと、電動弁１６６ｃとを有している。混
合室１３５ａで混合された空気ＡＲＯとメタノール蒸気
と水蒸気の混合物は、ＥＨＣ１３５に供給される。な
お、本明細書では、この混合物を「改質原料」または
「改質原料ガス」と呼ぶ。

【００４２】ＥＨＣ１３５は、発熱抵抗体上に改質触媒
が担持されたものである。従って、改質器１３０の起動
時においてＥＨＣ１３５に通電すれば、ＥＨＣ１３５内
の改質触媒を素早く昇温させて、改質反応を促進させる
ことができる。また、未反応のガスも、発熱抵抗体によ
って加熱し、昇温させることができる。

【００４３】改質原料ガスは、ＥＨＣ１３５によって部
分的に改質され、昇温された後に改質部１３６に供給さ
れる。この改質原料ガスは、改質部１３６と、ＣＯ低減
部１３８とにおける化学反応によって水素ガスリッチな
燃料ガスＨＲＧに変換される。ＥＨＣ１３５や改質部１
３６内では、主に水蒸気改質反応と部分酸化反応とが発
生しており、これによって水素が生成される。なお、混
合室１３５ａに投入される空気ＡＲＯは、主として部分
酸化反応に利用されるので、以下では「部分酸化用空
気」と呼ぶ。

【００４４】ＣＯ低減部１３８は、水蒸気改質反応によ
って発生する一酸化炭素を低減するためのものである。
原燃料がメタノールの場合には、ＣＯ低減部１３８は、
一酸化炭素を酸素で直接酸化する選択酸化反応を行う選
択酸化部として構成される。一方、原燃料がガソリンや
天然ガスの場合には、ＣＯ低減部１３８は、いわゆるシ
フト反応を行うシフト反応部と、選択酸化を行う選択酸
化部とで構成される。

【００４５】なお、ＥＨＣ１３５と改質部１３６とは、
いずれも改質触媒を用いた改質反応を行っている。従っ
て、ＥＨＣ１３５と改質部１３６との両方を含む部分
を、広義の「改質部」と呼ぶことができる。本発明にお
ける「改質部」は、この広義の改質部に相当する。

【００４６】改質器１３０で生成された燃料ガスＨＲＧ
は、燃料ガス流路２１２を介して燃料電池１４０内の燃
料ガス通路１４２に導入される。また、燃料電池１４０
内の空気通路１４４には、エアーポンプ１４６によって
空気ＡＲＦが供給される。このエアーポンプ１４６とし
ては、例えばブロアを利用することができる。燃料電池
１４０内では、燃料ガスＨＲＧ内の水素と、空気ＡＲＦ
内の酸素との電気化学反応によって発電が行われ、この
結果、燃料ガスＨＲＧ中の水素が消費される。

【００４７】燃料電池１４０からの燃料排ガスの排出路
２１４は、改質器１３０の触媒加熱部１３４に戻されて
いる。触媒加熱部１３４は、燃料排ガス中の水素を燃焼
させて、その熱を気化部１３２に供給している。触媒加
熱部１３４としては、白金触媒やパラジウム触媒などの
貴金属触媒を用いて燃料排ガスやメタノールの燃焼反応
を促進する装置を利用することができる。気化部１３２
では、触媒加熱部１３４から与えられた熱によって改質
原料が気化される。燃料排ガスの燃焼による熱では熱量
が不足する場合には、ポンプ１５４を介して原燃料であ
るメタノールが触媒加熱部１３４に供給される。

【００４８】改質器１３０と燃料電池１４０との間の燃
料ガス流路２１２には、酸素濃度センサ１９４と、一酸
化炭素濃度センサ１９６とが設けられている。制御ユニ
ット７０は、これらのセンサ１９４，１９６を含む各種
のセンサで測定された測定値を制御入力として用いて、
燃料電池システム６０の制御を実行する。なお、図２の
例では、制御ユニット７０は、図示の便宜上、一部の構
成部品（センサやポンプ）への接続のみが描かれてお
り、他の構成部品への接続は図示が省略されている。

【００４９】燃料ガス流路２１２上には、さらに、分配
弁１７０が設けられている。改質器１３０の起動時の初
期には、改質器１３０から排出される燃料ガスＨＲＧ
は、未反応ガスを多く含んでいる。そこで、起動時の初
期には、この燃料ガスＨＲＧは、必要に応じて、分配弁
１７０を介して燃料排ガスの排出路２１４にバイパスす
ることができる。

【００５０】なお、原燃料タンク１１０と、流量計１５
１と、ポンプ１５２とは、原燃料供給部を構成してい
る。また、水タンク１２０と、流量計１５５と、ポンプ
１５６とは、水供給部を構成している。また、空気供給
部１６６は、酸素供給部として機能する。これらの原燃
料供給部と、水供給部と、酸素供給部とが、本発明にお
ける原料供給部を構成する。但し、酸素供給部として
は、一般に、酸素を含む酸化性化学物質を供給するもの
を利用することができる。

【００５１】図３は、改質器１３０の斜視図である。改
質部１３６は、前段改質部１３６ａと後段改質部１３６
ｂとを、連結管１３６ｃでＵ字状に連結したものであ
る。すなわち、改質器１３０全体は、略Ｕ字状の形状を
有しており、蒸発部１３３とＣＯ低減部１３８が隣接し
た位置関係で配置されている。

【００５２】図４は、改質器１３０内の温度センサの配
置を示す概念図である。本実施例では、ＥＨＣ１３５内
に１つの温度センサ１８０が設けられているとともに、
改質部１３６内に４つの温度センサ１８１〜１８４が設
けられている。４つの温度センサ１８１〜１８４は、改
質部１３６の上流側から下流側にかけて、ほぼ等間隔に
順に配置されている。但し、これらの温度センサ１８１
〜１８４は、ほぼ等間隔に配置されている必要はなく、
改質部１３６内の複数の箇所に配置されていればよい。

【００５３】Ｂ．起動制御の実施例：図５は、本発明の
実施例における改質装置の起動時の制御手順を示すフロ
ーチャートである。なお、この制御手順は、メモリ７１
（図２）に格納されたコンピュータプログラムを、制御
ユニット７０が実行することによって実現される。

【００５４】まず、車両が始動されると、ステップＳ１
において燃料電池システム６０が起動され、ＥＨＣ１３
５の通電が開始される。このとき、蒸発部１３３の運転
も開始される。ステップＳ２では、少量の原燃料（メタ
ノール）と水の投入が開始される。

【００５５】図６は、本実施例における改質器の起動運
転の様子を示すグラフである。図６（Ａ）は、気化部１
３２へのメタノールと水の合計投入量の時間変化を示し
ている。また、図６（Ｂ）は混合室１３５ａへの空気Ａ
ＲＯの投入量を、図６（Ｃ）は改質触媒の温度Ｔｅ，Ｔ
１〜Ｔ４を、図６（Ｄ）は改質器１３０で生成される水
素量をそれぞれ示している。

【００５６】図６の時刻ｔ０は、図５のステップＳ２に
おいて、原燃料（メタノール）と水の投入が開始された
時点に相当する。時刻ｔ０では、気化部１３２におい
て、メタノールや水があまり気化されておらず、また、
ＥＨＣ１３５の温度も低い。そこで、この時点では、混
合室１３５ａに投入される空気（改質触媒での部分酸化
反応に利用される）は、投入されていない。

【００５７】図５のステップＳ３では、ＥＨＣ１３５の
温度Ｔｅ（図６（Ｃ））が所定のしきい値Ｔｈ（例えば
約２００℃）に達したか否かが判断され、しきい値Ｔｈ
に達したと判断されると、ステップＳ４において部分酸
化用の空気ＡＲＯが少量投入される（図６（Ｂ）の時刻
ｔ１）。すなわち、時刻ｔ１からは、メタノールと水蒸
気と空気との混合物である改質原料ガスが、ＥＨＣ１３
５に投入される。このとき、ＥＨＣ１３５は、改質反応
（水蒸気改質反応や部分酸化反応）が発生するのに十分
な高温に達しているので、少量の酸素が投入されると、
ＥＨＣ１３５において、その投入量に応じた改質反応が
発生する。この結果、改質器１３０からは、その反応量
に応じた水素が発生する（図６（Ｄ））。

【００５８】時刻ｔ１以降は、燃料電池１４０に供給す
るのに適した十分な割合の水素を含む燃料ガスＨＲＧが
生成されるように、改質原料の供給量が制御されてい
る。具体的には、図６（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１以
降は、改質原料ガス（メタノール＋水蒸気＋空気）に含
まれる酸素原子数と炭素原子数との比（Ｏ／Ｃ）の値
が、約０．４になるように、３つの原料の供給量がそれ
ぞれ制御されている。改質器１３０内で発生する各種反
応の活発さは、（Ｏ／Ｃ）比に依存することが知られて
いる。本実施例では、この（Ｏ／Ｃ）比を、未反応ガス
や一酸化炭素を低減しつつ、水素ガスを生成するための
適切な値に設定しているので、時刻ｔ１以降からは、燃
料電池１４０に供給可能な改質ガスが生成される。従っ
て、時刻ｔ１からは、改質ガスを燃料電池１４０に供給
して、発電を開始することが可能である。なお、（Ｏ／
Ｃ）比の値は、メタノールを原料とした改質の場合に
は、約０．２〜約３．０の範囲に設定することが好まし
い。（Ｏ／Ｃ）比が約０．２よりも小さいときには、大
量のメタノールが未反応のまま排出される可能性があ
る。一方、（Ｏ／Ｃ）比が約３．０よりも大きいときに
は、水素ガス量が減少したり、一酸化炭素が増加したり
する可能性がある。

【００５９】なお、燃料電池１４０に供給するのに適し
た燃料ガスＨＲＧ中の水素の「十分な割合」の値は、実
験的に決定される。現実には、燃料ガスＨＲＧが実際に
燃料電池１４０に供給されて発電が行われている場合に
は、その燃料ガスＨＲＧに、燃料電池１４０に供給する
のに適した十分な割合の水素が含まれていると見なすこ
とが可能である。

【００６０】こうして改質反応が進行すると、その熱に
よって、ＥＨＣ１３５よりも下流側の改質触媒も徐々に
加熱される。図５のステップＳ５では、改質部１３６内
の１番目の温度センサ１８１の温度Ｔ１が、しきい値Ｔ
ｈに達したか否かが判断され、しきい値Ｔｈに達したと
判断されると、ステップＳ６において各原料（メタノー
ルと水蒸気と空気）が、それぞれの要求量に達している
か否かが判断される。この要求量は、改質部１３６内部
の温度Ｔ１〜Ｔ４が上昇するにつれて増加するように予
め設定されている。従って、通常は、ステップＳ６から
ステップＳ７に移行して、各原料が要求量まで増量され
る。図６（Ａ），（Ｂ）の例では、時刻ｔ２において、
メタノールと水蒸気が３５０cc/minまで増量されてお
り、これに応じて空気量も増量されている。なお、時刻
ｔ２以降においても（Ｏ／Ｃ）比は約０．４に保たれて
いるので、燃料電池１４０に供給するのに適した十分な
割合の水素を含む燃料ガスＨＲＧが生成される。また、
時刻ｔ２以降は、時刻ｔ１〜ｔ２の期間よりも多くの水
素が生成されるので、燃料電池１４０の発電量も増加す
る。

【００６１】ステップＳ８〜Ｓ１４においても同様に、
改質部１３６内の温度センサ１８２〜１８４の温度Ｔ２
〜Ｔ４が上昇するにつれて各原料を増量してゆく。そし
て、改質部１３６内の最下流の温度センサ１８４の温度
Ｔ４がしきい値Ｔｈに達すると、改質器１３０の起動が
完了したものと判断される。

【００６２】以上のように、本実施例では、改質器１３
０の起動時の最初に、改質部１３６の上流側に設けられ
たＥＨＣ１３５内の改質触媒で改質を行い、生成された
燃料ガスＨＲＧを燃料電池１４０に供給している。従っ
て、改質器１３０の起動時の早い時点から（具体的には
時刻ｔ１から）、燃料電池１４０による発電を行うこと
が可能である。

【００６３】また、改質触媒の上流側から下流側に至る
流路に沿って複数の温度センサ１８１〜１８４が順次配
置されており、各温度センサで測定された温度Ｔ１〜Ｔ
４が順次次第に上昇していくにつれて改質原料の供給量
を段階的に増加させている。従って、改質触媒の温度上
昇に合わせて、燃料ガスＨＲＧ（改質ガス）の生成量と
燃料電池１４０の発電量を徐々に増加させることができ
る。

【００６４】図７は、改質器１３０の暖機状態と燃料電
池１４０の発電量の上限値との関係の一例を示す説明図
である。改質器１３０の暖機状態ＣＣは、例えば次の
（１）式で定義することができる。ＣＣ＝Σ｛ min(0.25, 0.25×(Ti-To)/(Th-To))} …（１）

【００６５】ここで、Ｔｉは測定温度（ｉ＝１〜４）、
Ｔｏは環境温度、Ｔｈはしきい値である。また、演算子
minはかっこ内の最小値を取る演算を示し、演算子Σは
かっこ内の和を取る演算を示す。

【００６６】例えば、４つの温度Ｔ１〜Ｔ４がすべて環
境温度Ｔｏに等しいときには、暖機状態ＣＣは０％であ
る。また、４つの温度Ｔ１〜Ｔ４がすべてしきい値Ｔｈ
を超えているときには、暖機状態ＣＣは１００％であ
る。制御ユニット７０（図２）は、図７のような関係に
基づいて、改質器１３０の暖機状態ＣＣに応じて燃料電
池１４０の発電量の上限値を決定することが可能であ
る。

【００６７】なお、暖機状態ＣＣと発電量の関係は、図
８に示すように、ほぼ直線的な関係としてもよい。図８
のような関係を用いるときには、図６に示した各改質原
料の供給量の変化も、ステップ状ではなく、徐々に緩や
かに増加する曲線状にすることが好ましい。

【００６８】また、暖機状態ＣＣの定義としては、上述
した（１）式に限らず、改質器１３０の暖機状態を表現
することのできる他の種々の定義を採用することが可能
である。

【００６９】なお、暖機状態ＣＣの値に応じて発電量の
上限値を決定する代わりに、改質器１３０の起動からの
時間に応じて燃料電池１４０の発電量の上限値を決定す
るようにしてもよい。ほとんどの場合には、改質器１３
０の暖機状態の時間的変化は、ほぼ一定の経過を辿ると
考えられる。従って、改質器１３０の起動からの時間に
応じて発電量の上限値を決定しても実際上の問題は少な
い。

【００７０】以上のように、本実施例では、改質器１３
０の暖機状態に応じて改質原料（メタノールと水と空
気）の供給量を徐々に増加させるようにしたので、改質
器１３０の起動時の早い時期から燃料電池１４０に燃料
ガスＨＲＧを供給して発電を始めることが可能である。
この結果、車両が始動する（キーオンされる）と、早い
時期から燃料電池１４０による発電ができるので、従来
よりも早く車両が運転可能な状態になる。この際、燃料
電池１４０の発電量では車両の要求動力を満足できない
場合には、２次電池５０（図１）の電気を利用して車両
が運転される。

【００７１】Ｃ．変形例：なお、この発明は上記の実施
例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱
しない範囲において種々の態様において実施することが
可能であり、例えば次のような変形も可能である。

【００７２】Ｃ１．変形例１：図９は、改質器の変形例
を示す説明図である。図４に示した改質器との違いは、
改質部１３６の途中の複数の位置において空気を吹き込
むように構成されている点だけである。このような改質
器では、空気が吹き込まれた位置より下流側での発熱反
応（部分酸化反応など）が活発化する。この結果、改質
触媒全体の昇温を早めることが可能である。このような
改質器を用いる場合にも、改質部１３６に供給される空
気量を、改質部１３６内の複数の温度Ｔ１〜Ｔ４に応じ
て図６と同様に制御すればよい。

【００７３】Ｃ２．変形例２：上記実施例では、改質触
媒の温度が順次次第に上昇していくにつれて、改質原料
の供給量を段階的に（ステップ的に）増加させていた
が、改質原料の供給量は滑らかな曲線に沿って増加させ
るようにしてもよい。また、改質原料の供給量は、改質
触媒の温度の測定結果に応じて変える必要はなく、例え
ば、改質器１３０の起動からの時間で供給量が決まるよ
うな所定の増加曲線に従って改質原料を増加させるよう
にしてもよい。この場合にも、改質触媒の温度は改質器
１３０の起動からの時間の経過に応じて上昇するので、
改質原料の供給量が改質触媒の温度の上昇とともに増加
していく、という点では、上述した実施例と共通してい
る。従って、この場合の改質原料の供給量の増加曲線
も、改質触媒の温度の上昇に関連付けられたものである
と考えることが可能である。すなわち、本発明では一般
に、改質原料の供給量を、改質触媒の温度の上昇に関連
付けられた増加率で、次第に増加させるようにすればよ
い。ここで、「増加率」という用語は、増加の仕方（増
加曲線）を意味する広い意味を有している。この増加率
は、各改質原料に関してそれぞれ異なる値や曲線に設定
可能である。

【００７４】Ｃ３．変形例３：上記実施例では、ＥＨＣ
１３５を改質触媒の最上流の位置に配置していたが、Ｅ
ＨＣ１３５を他の位置に配置することも可能である。但
し、通常は改質触媒は最上流側から下流側に向かって徐
々に昇温していくので、ＥＨＣ１３５を最上流側に配置
することが好ましい。また、上記実施例では、ＥＨＣ１
３５は改質触媒の一部のみを加熱していたが、ＥＨＣ１
３５で改質触媒の全体を加熱するようにしてもよい。す
なわち、ＥＨＣ１３５は、改質触媒の少なくとも一部を
加熱するように構成されていればよい。また、改質触媒
を加熱するための加熱部としては、電気加熱式以外の他
の方式による加熱部を用いることも可能である。

【００７５】Ｃ４．変形例４：改質器の原燃料として
は、メタノール以外の炭化水素系燃料を使用可能であ
り、例えば、他のアルコールや、ガソリン、天然ガス、
アルデヒド、エーテルなどの種々の炭化水素系化合物を
利用可能である。例えば、原燃料としてガソリンを用い
た場合には、起動期間における（Ｏ／Ｃ）比の値は、約
０．７〜約３．０の範囲に設定することが好ましい。ま
た、原燃料として天然ガスを用いた場合には、起動期間
における（Ｏ／Ｃ）比の値は、約０．８〜約４．０の範
囲に設定することが好ましい。

【００７６】Ｃ５．変形例５：上記実施例では、燃料電
池システム６０を使用した電気自動車の例について説明
したが、本発明は、車輪駆動用の原動機として、モータ
と内燃機関との２つの原動機を用いたハイブリッド自動
車（ハイブリッド車両）にも適用することができる。ま
た、本発明は、船舶や電車などのような、自動車以外の
移動体にも適用可能である。すなわち、本発明は、一般
に、燃料電池と、燃料改質装置と、燃料電池を含む電源
から供給される電力によって駆動される原動機と、を備
える移動体に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例としての電気自動車の概略構成
図。

【図２】燃料電池システム６０の内部構成を示す説明
図。

【図３】改質器１３０の斜視図。

【図４】改質器１３０内の温度センサの配置を示す概念
図。

【図５】実施例における改質装置の起動時の制御手順を
示すフローチャート。

【図６】実施例における改質器の起動運転の様子を示す
グラフ。

【図７】改質器１３０の暖機状態と燃料電池１４０の発
電量との関係の一例を示す説明図。

【図８】改質器１３０の暖機状態と燃料電池１４０の発
電量との関係の他の例を示す説明図。

【図９】改質器１３０の変形例を示す説明図。

【符号の説明】

１３…回転軸１４…出力軸１５…出力軸１６…ディファレンシャルギヤ１７…車軸１８…車輪２０…モータ２２…ロータ２４…ステータ３０…トルクコンバータ４０…変速機５０…バッテリ５１，５２…駆動回路５１…第１の駆動回路５２…第２の駆動回路６０…燃料電池システム７０…制御ユニット７１…メモリ７２…シフトレバー７４…アクセルペダル７６…ブレーキペダル８０…切替スイッチ１０２…原燃料供給路１０８…水供給路１１０…原燃料タンク１２０…水タンク１３０…改質器１３２…気化部１３３…蒸発部１３４…触媒加熱部１３５…電気加熱式触媒部（ＥＨＣ）１３５ａ…混合室１３６…改質部１３６ａ…前段改質部１３６ｂ…後段改質部１３６ｃ…連結管１３８…ＣＯ低減部１４０…燃料電池１４２…燃料ガス通路１４４…空気通路１４６…エアーポンプ１５１…流量計１５２…ポンプ１５３…流量計１５４…ポンプ１５５…流量計１５６…ポンプ１６６…空気供給部１６６ａ…エアーポンプ１６６ｂ…流量計１６６ｃ…電動弁１７０…分配弁１８０〜１８４…温度センサ１９４…酸素濃度センサ１９６…一酸化炭素濃度センサ２０４，２０６…分岐流路２０８…水供給路２１０…流路２１２…燃料ガス流路２１４…排出路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木村憲治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)発明者工匠厚至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)発明者滝正佳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)発明者田中泰明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)発明者齋藤典彦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） 4G040 EA02 EA03 EA06 EA07 EB03 EB43 4G140 EA02 EA03 EA06 EA07 EB03 EB43 5H027 AA02 BA01 BA16 BA19 BC11 KK42 KK48 MM08 MM14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素系化合物を含む改質原料から、
燃料電池のための水素リッチな燃料ガスを生成するため
の燃料改質装置であって、改質触媒を用いて前記改質原料を改質する改質器と、前記改質触媒の少なくとも一部を加熱するための加熱部
と、前記改質原料を前記改質器に供給するための原料供給部
と、前記加熱部と前記原料供給部とを制御するための制御部
と、を備えており、前記制御部は、前記燃料改質装置の起動時において、前
記加熱部を用いて前記改質触媒の少なくとも一部を最初
に昇温させるとともに、前記改質原料の供給量を、前記
改質触媒の温度の上昇に関連付けられた増加率で次第に
増加させることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】請求項１記載の燃料改質装置であって、前記加熱部は、前記改質触媒の最上流部に設けられてい
る、燃料改質装置。
【請求項３】請求項１または２記載の燃料改質装置で
あって、さらに、前記改質触媒の複数の箇所に設けられた複数の温度セン
サを備えており、前記制御部は、前記複数の温度センサで検出された温度
に応じて前記改質原料の供給量を増加させる、燃料改質
装置。
【請求項４】請求項３記載の燃料改質装置であって、前記複数の温度センサは、前記改質触媒の上流側から下
流側に至る流路に順次配置されており、前記制御部は、前記上流側から下流側に至る流路に沿っ
て前記複数の温度センサで測定された温度が順次次第に
上昇していくにつれて、前記改質原料の供給量を段階的
に増加させる、燃料改質装置。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の燃
料改質装置であって、前記改質原料は、炭化水素系化合物を含む原燃料と、水
蒸気と、酸素とを含んでおり、前記原燃料と水蒸気と酸素の供給量は、前記燃料ガスを
前記燃料電池に供給するのに適した十分な割合の水素を
含む前記燃料ガスが前記改質器で生成されるように設定
される、燃料改質装置。
【請求項６】請求項５記載の燃料改質装置であって、前記原燃料は、メタノールであり、前記制御部は、前記改質原料中の炭素の原子数Ｃと酸素
の原子数Ｏとの比（Ｏ／Ｃ）の値が、約０．２から約
３．０の範囲に収まるように前記メタノールと前記水蒸
気と前記酸素の供給量を調整する、燃料改質装置。
【請求項７】請求項５記載の燃料改質装置であって、前記原燃料は、ガソリンであり、前記制御部は、前記改質原料中の炭素の原子数Ｃと酸素
の原子数Ｏとの比（Ｏ／Ｃ）の値が、約０．７から約
３．０の範囲に収まるように前記メタノールと前記水蒸
気と前記酸素の供給量を調整する、燃料改質装置。
【請求項８】請求項５記載の燃料改質装置であって、前記原燃料は、天然ガスであり、前記制御部は、前記改質原料中の炭素の原子数Ｃと酸素
の原子数Ｏとの比（Ｏ／Ｃ）の値が、約０．８から約
４．０の範囲に収まるように前記メタノールと前記水蒸
気と前記酸素の供給量を調整する、燃料改質装置。
【請求項９】請求項１ないし８のいずれかに記載の燃
料改質装置であって、前記加熱部は、通電することによって発熱する発熱体
と、前記発熱体に担持された前記改質触媒とを有する電
気通電式触媒部である、燃料改質装置。
【請求項１０】燃料電池システムであって、燃料電池と、炭化水素系化合物を含む改質原料から、前記燃料電池の
ための水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置
と、前記燃料電池と前記燃料改質装置とを制御するための制
御部と、を備え、前記燃料改質装置は、（ａ）改質触媒を用いて前記改質
原料を改質する改質器と、（ｂ）前記改質触媒の少なく
とも一部を加熱するための加熱部と、（ｃ）前記改質原
料を前記改質器に供給するための原料供給部と、を備え
ており、前記制御部は、前記燃料改質装置の起動時において、前
記加熱部を用いて前記改質触媒の少なくとも一部を最初
に昇温させるとともに、前記改質原料の供給量を、前記
改質触媒の温度の上昇に関連付けられた増加率で次第に
増加させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】請求項１０記載の燃料電池システムで
あって、前記制御部は、前記燃料改質装置の起動時において、前記改質器の暖機
状態に応じて前記燃料電池の発電量の上限値を決定す
る、燃料電池システム。
【請求項１２】請求項１１記載の燃料電池システムで
あって、前記制御部は、前記燃料改質装置の起動時において、前記改質触媒の温
度に応じて前記燃料電池の発電量の上限値を決定する、
燃料電池システム。
【請求項１３】請求項１１記載の燃料電池システムで
あって、前記制御部は、前記燃料改質装置の起動時において、前記燃料改質装置
の起動からの時間に応じて前記燃料電池の発電量の上限
値を決定する、燃料電池システム。
【請求項１４】移動体であって、燃料電池を含む電源と、炭化水素系化合物を含む原燃料から、前記燃料電池のた
めの水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置と、前記移動体の推進力を発生するための原動機と、前記電源から供給される電力を用いて前記原動機を駆動
する駆動回路と、前記電源と前記燃料改質装置と前記原動機と前記駆動回
路とを制御するための制御部と、を備え、前記燃料改質装置は、（ａ）改質触媒を用いて前記改質
原料を改質する改質器と、（ｂ）前記改質触媒の少なく
とも一部を加熱するための加熱部と、（ｃ）前記改質原
料を前記改質器に供給するための原料供給部と、を備え
ており、前記制御部は、前記燃料改質装置の起動時において、前
記加熱部を用いて前記改質触媒の少なくとも一部を最初
に昇温させるとともに、前記改質原料の供給量を、前記
改質触媒の温度の上昇に関連付けられた増加率で次第に
増加させることを特徴とする移動体。
【請求項１５】炭化水素系化合物を含む改質原料か
ら、燃料電池のための水素リッチな燃料ガスを生成する
ための改質器の制御方法であって、前記改質器に収納された改質触媒の少なくとも一部を加
熱するための加熱部を準備する工程と、前記改質器の起動時において、前記加熱部を用いて前記
改質器内の改質触媒の少なくとも一部を最初に昇温させ
る工程と、前記改質原料の供給量を、前記改質触媒の温度の上昇に
関連付けられた増加率で次第に増加させる工程と、を備
えることを特徴とする改質器の制御方法。