JP2002274805A

JP2002274805A - 改質原料を冷媒として利用した熱交換器を有する改質器の制御

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Publication number: JP2002274805A
Application number: JP2001098163A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Yoshii; 桂一吉井; Koji Takumi; 厚至工匠; Kenji Kimura; 憲治木村; 和政 ▲高▼田; Kazumasa Takada; Hiroki Tanaka; 浩己田中; Shigeto Kajiwara; 滋人梶原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-01-12
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2002-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】改質装置の熱効率あるいは安定性を向上させ
る。【解決手段】２種類以上の原料、または、常温で液体
状の炭化水素化合物を含む原燃料を含む１種類以上の原
料に関して、改質器内に熱交換器１４３ａ，１４５ａを
それぞれ設ける。改質原料の流路として、熱交換器を通
過するメイン流路と、熱交換器をバイパスするバイパス
流路が設けられている。メイン流路とバイパス流路の流
量配分は、熱交換部１４３やＣＯ浄化部１４５の出口温
度に応じて決定される。

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
を含む原燃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原燃料から水素リ
ッチな燃料ガス（「改質ガス」とも呼ぶ）を生成する。
このような改質装置のエネルギ効率を高めることができ
れば、資源の節約や、地球環境の保護の上から好まし
い。

【０００３】改質装置の効率向上の技術としては、例え
ば特開平１０−３３４９３５号公報に記載されたものが
ある。この技術では、改質器への水供給系の流路が、複
数の反応器（改質器や変成器）に設けられた熱交換コイ
ルを通るコイル側流路と、熱交換コイルをバイパスする
バイパス側流路と、に分岐されている。そして、コイル
側流路を通る水量と、バイパス側流路を通る水量とを調
整することによって、各反応器における温度を適切に制
御し、これによって燃料電池システムの熱効率を向上さ
せている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の技術では、効率の向上対策としてはまだ不十分な場
合があった。また、燃料電池システムを利用する車両な
どにおいては、改質装置をより安定に運転することので
きる技術も望まれていた。

【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、改質装置の熱効率を向上さ
せることのできる技術を提供することを第１の目的とす
る。また、改質装置をより安定に運転することのできる
技術を提供することを第２の目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第
１の燃料改質装置は、炭化水素系化合物を含む原燃料か
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、改質触媒を収納する改質
部と、前記原燃料を含む複数種類の原料で構成される改
質原料が供給される供給口とを有し、前記供給口から供
給された前記改質原料を改質するための改質器と、前記
改質原料を前記改質器の供給口に供給するための原料供
給部と、前記改質器における特定の被測定量を測定する
ためのセンサと、を備える。前記改質器は、前記複数種
類の原料の中の２種類以上の原料が前記改質器の供給口
に供給される前に通過することが可能な熱交換器をそれ
ぞれ有している。また、前記原料供給部は、前記２種類
以上の原料に関して、前記熱交換器を通過して前記改質
器の供給口に至る熱交換流路と、前記熱交換器をバイパ
スして前記改質器の供給口に至るバイパス流路と、前記
熱交換流路とバイパス流路の流量配分を調整するための
流量調整部と、を有している。前記流量調整部は、前記
センサで測定された測定値に応じて、前記熱交換流路と
前記バイパス流路の流量配分を調整する。

【０００７】この第１の燃料改質装置によれば、２種類
以上の原料を用いて改質器中の熱を回収し、再利用する
ことができるので、改質装置の熱効率を向上させること
が可能である。

【０００８】また、本発明の第２の燃料改質装置は、常
温で液体状の炭化水素系化合物を含む原燃料から、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、改質触媒を収納する改質部と、前
記原燃料を含む複数種類の原料で構成される改質原料が
供給される供給口とを有し、前記供給口から供給された
前記改質原料を改質するための改質器と、前記改質原料
を前記改質器の供給口に供給するための原料供給部と、
前記改質器における特定の被測定量を測定するためのセ
ンサと、を備えている。前記改質器は、前記常温で液体
状の炭化水素系化合物を含む原燃料を少なくとも含む１
種類以上の原料が前記改質器の供給口に供給される前に
通過することが可能な熱交換器を有している。また、前
記原料供給部は、前記１種類以上の原料に関して、前記
熱交換器を通過して前記改質器の供給口に至る熱交換流
路と、前記熱交換器をバイパスして前記改質器の供給口
に至るバイパス流路と、前記熱交換流路とバイパス流路
の流量配分を調整するための流量調整部と、を有してい
る。前記流量調整部は、前記センサで測定された測定値
に応じて、前記熱交換流路と前記バイパス流路の流量配
分を調整する。

【０００９】第２の燃料改質装置によれば、常温で液体
状の炭化水素系化合物を含む原燃料を用いて改質器中の
熱を回収し、再利用することができるので、改質装置の
熱効率を向上させることが可能である。特に、常温で液
体状の炭化水素系化合物に関しては熱伝達効率を高める
のが容易なので、改質装置の熱効率を容易に向上させる
ことができる。

【００１０】なお、第１または第２の燃料改質装置にお
いて、前記改質原料は、前記原燃料と水と空気とを含ん
でおり、前記改質器は、前記原燃料と水と空気のために
前記熱交換器をそれぞれ有しており、前記原料供給部
は、前記原燃料と水と空気のために前記熱交換流路と前
記バイパス流路と前記流量調整部とをそれぞれ有してい
てもよい。このとき、前記流量調整部は、前記測定値に
応じて、前記原燃料と水と空気のそれぞれに関して前記
熱交換流路と前記バイパス流路の流量配分を調整するよ
うにしてもよい。

【００１１】この構成では、３種類の原料を冷媒として
用いて改質器内の熱を有効利用することができるので、
改質装置の効率をさらに向上させることが可能である。

【００１２】なお、前記改質器は、さらに、前記改質部
の下流側に設けられた一酸化炭素低減部を有しており、
前記熱交換器は、前記改質部と前記一酸化炭素低減部と
の間に設けられているようにしてもよい。

【００１３】この構成では、一酸化炭素低減部の入口温
度を改質部の出口温度よりも低下さえることが要求され
るときに、改質ガス中の熱を有効に利用することが可能
である。

【００１４】また、前記改質器は、さらに、前記改質部
の下流側に設けられた一酸化炭素低減部を有しており、
前記熱交換器は、前記一酸化炭素低減部の内部に設けら
れているようにしてもよい。

【００１５】一般に、一酸化炭素低減部では、一酸化炭
素の酸化反応による熱が発生する。従って、上記の構成
によれば、この熱を有効に利用することが可能である。

【００１６】前記センサで測定される前記特定の被測定
量は、前記一酸化炭素低減部の内部に設けられた前記熱
交換器の出口における冷媒温度を含み、前記流量調整部
は、前記熱交換器の出口における冷媒温度が所定の温度
範囲に収まるように前記熱交換流路と前記バイパス流路
の流量配分を調整するようにしてもよい。

【００１７】この構成によれば、一酸化炭素低減部内を
流れる流体の温度がほぼ一定の範囲に収まるので、一酸
化炭素低減部内の反応を安定した条件下で行わせること
ができ、この結果、一酸化炭素を十分に低減することが
可能である。

【００１８】前記所定の温度範囲は、前記冷媒の沸騰温
度を超えた範囲に設定されていることが好ましい。

【００１９】冷媒が沸騰していないときには、冷却のた
めに多量の冷媒が必要になるので、冷媒は熱交換器内で
沸騰していることが好ましい。また、冷媒が熱交換器内
で沸騰していても、気液混合状態で熱交換器から流出す
る場合には、冷媒は沸騰温度となっている。このときに
は、熱交換量が変化しても冷媒の温度が一定の沸騰温度
に維持されるので、熱交換量の過不足を冷媒温度で検知
することができない可能性がある。一方、冷媒がその沸
騰温度を超えた気体状態になっていれば、熱交換量の過
不足を冷媒温度によって検知することができる。すなわ
ち、冷媒温度がその沸騰温度を超えているときには、熱
交換器における熱交換状態が冷媒温度に反映されるの
で、一酸化炭素低減部内の熱交換状態を所望の状態に維
持することができる。また、冷媒を気体の過熱状態にす
れば、熱交換器内における冷媒の温度分布がほぼ一定と
なる点で好ましいという利点もある。

【００２０】前記流量調整部は、前記測定値が前記燃料
改質装置の安定的な運転状態にとって好ましくない変化
を示すときに、前記燃料改質装置を安定化させるように
前記熱交換流路とバイパス流路との流量配分を調整する
ようにしてもよい。

【００２１】この構成によれば、燃料改質装置を安定的
に運転することが可能である。

【００２２】前記流量調整部は、前記測定値が所定の変
化率よりも大きな変化を示すときに、前記バイパス流路
を流れる前記原料の流量を増加させるようにしてもよ
い。

【００２３】バイパス流路を流れる原料の温度は、熱交
換流路を流れる原料の温度に比べて安定している。した
がって、上記の構成によれば、改質装置をより安定に運
転することが可能である。

【００２４】なお、前記改質器は、前記供給口から供給
された前記改質原料を蒸発させるための蒸発部を有して
おり、前記センサで測定される前記特定の被測定量は、
前記蒸発部を通過した前記改質原料の温度と圧力の少な
くとも一方を含むようにしてもよい。

【００２５】改質装置が不安定になると、蒸発部を通過
した改質原料の温度や圧力が変動することが多い。従っ
て、これらの少なくとも一方を測定し、その変化量に応
じてバイパス流路を流れる原料の流量を調整するように
すれば、改質装置の安定性を高めることが可能である。

【００２６】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。

【００２７】

【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．第１実施例の構成：Ｂ．第１実施例の動作：Ｃ．第２実施例の構成と動作：Ｄ．第３実施例の構成と動作：Ｅ．変形例：

【００２８】Ａ．第１実施例の構成：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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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に内蔵されている図示しないメモ
リ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７０が実行することによって実現される。このメモ
リとしては、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。

【００３４】図２は、第１実施例における燃料電池シス
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、天然ガスなどの原燃料を供給するため
の原燃料供給部１１０と、水を供給するための水供給部
１２０と、空気を供給するための空気供給部１３０と、
原燃料と水と空気とを含む改質原料から改質反応により
燃料ガス（「改質ガス」とも呼ぶ）を生成する改質器１
４０と、燃料電池１５０とを備えている。

【００３５】改質器１４０は、改質原料を蒸発させるた
めの蒸発部１４１と、改質触媒を利用した改質反応を行
うための改質部１４２と、熱交換部１４３と、シフト反
応を行うためのシフト部１４４と、選択酸化を利用して
改質ガス中の一酸化炭素を低減するためのＣＯ浄化部１
４５と、を有している。

【００３６】蒸発部１４１と熱交換部１４３とＣＯ浄化
部１４５は、それぞれの内部に熱交換器１４１ａ，１４
３ａ，１４５ａを有している。蒸発部１４１内の熱交換
器１４１ａは、蒸発部１４１における触媒燃焼反応で発
生した熱で、改質原料（原燃料と水と空気）とを昇温さ
せるためのものである。熱交換部１４３内の熱交換器１
４３ａは、改質ガスの温度を低下させて、シフト部１４
４におけるシフト反応に適した温度にするためのもので
ある。また、ＣＯ浄化部１４５内の熱交換器１４５ａ
は、ＣＯ浄化のための反応（選択酸化反応）によって発
生する熱を除去するとともに、燃料ガスＨＲＧの温度を
燃料電池１５０に適した温度に低下させるためのもので
ある。熱交換部１４３内の熱交換器１４３ａには、原燃
料と水と空気の３種類の冷媒が通過する流路がそれぞれ
設けられているが、図２では図示が省略されている。な
お、シフト部１４４内にも、必要に応じて熱交換器を設
けることが可能である。

【００３７】ＣＯ浄化部１４５は、「選択酸化部」また
は「ＣＯ選択酸化部」とも呼ばれる。また、シフト部１
４４とＣＯ浄化部１４５は、いずれも一酸化炭素濃度を
低減するための反応器なので、これらを合わせて「一酸
化炭素低減部」と呼ぶことができる。

【００３８】原燃料供給部１１０は、原燃料を貯蔵する
原燃料タンク１１２と、ポンプ１１４と、分配弁１１６
と、原燃料供給用の配管系と、を有している。原燃料供
給用の配管系は、通常運転時において主に使用されるメ
イン流路２１２を有している。このメイン流路２１２
は、熱交換部１４３の熱交換器１４３ａを通過した後
に、蒸発部１４１の原燃料供給口（すなわち、改質器１
４０の原燃料供給口）に到達している。従って、メイン
流路２１２を流れる原燃料は、熱交換部１４３で昇温さ
れた後で蒸発部１４１の供給口に供給される。

【００３９】原燃料用のメイン流路２１２は、分配弁１
１６においてバイパス流路２１４に分岐している。この
バイパス流路２１４は、熱交換部１４３をバイパスして
おり、蒸発部１４１の原燃料供給口においてメイン流路
２１２と再合流している。また、バイパス流路２１４
は、もう１つの分配弁１１７において、蒸発部１４１に
至る分岐流路２１８に分岐している。この分岐流路２１
８は、蒸発部１４１内の触媒燃焼反応に利用される燃料
ガス（「燃焼用原燃料」とも呼ぶ）を蒸発部１４１に供
給するためのものである。

【００４０】水供給部１２０は、水を貯蔵する水タンク
１２２と、ポンプ１２４と、水供給用の配管系と、を有
している。水供給用の配管系は、通常運転時において主
に使用されるメイン流路２２２を有している。水用のメ
イン流路２２２は、ポンプ１２４を経由した後に、分配
弁１２６において２つのメイン流路２２２ａ，２２２ｂ
に分岐している。第１のメイン流路２２２ａは、ＣＯ浄
化部１４５内の熱交換器１４５ａを通過した後に、蒸発
部１４１の水供給口（すなわち、改質器１４０の水供給
口）に到達している。第２のメイン流路２２２ｂは、熱
交換部１４３の熱交換器１４３ａを通過した後に、第１
のメイン流路２２２ａと合流し、蒸発部１４１の水供給
口に到達している。従って、メイン流路２２２，２２２
ａ，２２２ｂを流れる水は、ＣＯ浄化部１４５や熱交換
部１４３で昇温された後で蒸発部１４１の供給口に供給
される。

【００４１】水用のメイン流路２２２は、分配弁１２６
において、バイパス流路２２６に分岐している。このバ
イパス流路２２６は、熱交換部１４３やＣＯ浄化部１４
５をバイパスして、メイン流路２２２ａ，２２２ｂと再
合流している。

【００４２】空気供給部１３０は、エアポンプ１２４
と、空気供給用の配管系とを有している。空気供給用の
配管系は、通常運転時において主に使用されるメイン流
路２３２を有している。このメイン流路２３２は、熱交
換部１４３の熱交換器１４３ａを通過した後に、蒸発部
１４１の空気供給口（すなわち、改質器１４０の空気供
給口）に到達している。従って、メイン流路２３２を流
れる空気は、熱交換部１４３で昇温された後で蒸発部１
４１の供給口に供給される。

【００４３】改質空気用のメイン流路２３２は、分配弁
１３４において分岐流路２３３に分岐している。この分
岐流路２３３は、蒸発部１４１内の触媒燃焼反応に利用
される空気（燃焼用空気）を蒸発部１４１に供給するた
めのものである。また、このメイン流路２３３は、もう
１つの分配弁１３５において、改質空気用のバイパス流
路２３４と、ＣＯ浄化空気用のバイパス流路２３６とに
分岐している。改質空気用のバイパス流路２３４は、熱
交換部１４３をバイパスして、蒸発部１４１の空気供給
口においてメイン流路２３２と再合流している。ＣＯ浄
化用空気用のバイパス流路２３６は、ＣＯ浄化部１４５
内における選択酸化反応に利用される空気を供給するた
めのものである。なお、改質空気用のメイン流路２３２
が熱交換部１４３を通過した後にも分配弁１３７が設け
られており、ここからＣＯ浄化空気用のメイン流路２３
８が分岐している。このメイン流路２３８は、熱交換部
１４３で昇温されたＣＯ浄化用空気をＣＯ浄化部１４５
に供給するためのものである。改質空気用のメイン流路
２３２のさらに下流では、分配弁１３６において分岐流
路２３５が分岐している。この分岐流路２３５は、蒸発
部１４１内の触媒燃焼反応に利用される空気を供給する
ための分岐流路２３３に合流している。

【００４４】なお、ＣＯ浄化部１４５に供給される空気
は、改質ガス内の一酸化炭素を低減するための反応に利
用されるので、この意味では、改質器１４０内における
広義の改質反応（改質ガスを生成するための反応）に利
用されていると考えることができる。従って、ＣＯ浄化
部１４５に供給される空気も、広義の改質原料に含まれ
る。

【００４５】改質器１４０内の各部１４１〜１４５の出
口には、それぞれ温度センサ１９１〜１９５が設けられ
ている。図２には、通常運転時における各部１４１〜１
４５の出口温度（改質原料や改質ガスの温度）が例示さ
れている。例えば、蒸発部１４１の出口温度は４００℃
であり、改質部１４２の出口温度は６５０℃である。但
し、これらの温度は一例であり、改質原料の種類や各部
の構成に応じて種々の温度を取りうる。

【００４６】原燃料（天然ガス）と水と空気は、蒸発部
１４１において気化され、混合されて、改質原料ガスと
なる。この改質原料ガスは、改質部１４２と、シフト部
１４４と、ＣＯ浄化部１４５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。改質
部１４２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。シフ
ト部１４４とＣＯ浄化部１４５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。
熱交換部１４３は、改質部１４２の出口における改質ガ
スの温度が高いので、この改質ガスを冷却して、シフト
部１４４でのシフト反応に適した温度に調整するための
ものである。

【００４７】本実施例では、熱交換部１４３の冷媒とし
て、改質原料を構成する３つの原料（原燃料と水と空
気）をすべて利用している。従って、熱交換部１４３に
おける熱交換能力を十分に高めることができる。また、
熱交換部１４３で昇温された原燃料と水と空気は、改質
原料として利用されるので、改質部１４２で発生した熱
を有効に利用することが可能である。また、水は、ＣＯ
浄化部１４５内の熱交換器１４５ａの冷却にも利用され
ており、ここでも昇温されている。この結果、ＣＯ浄化
部１４５で発生する熱も、改質反応のために有効利用す
ることができる。このように、本実施例では、改質器１
４０内部で発生した余分な熱を、改質原料を構成する３
つの原料を用いて除去しているので、改質器１４０全体
としての熱効率（エネルギ効率）を高めることが可能で
ある。

【００４８】こうして改質器１４０で生成された燃料ガ
スＨＲＧは、燃料ガス流路２５２を介して燃料電池１５
０に導入される。燃料電池１５０内では、燃料ガスＨＲ
Ｇ内の水素を用いた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。
燃料電池１５０からの燃料排ガスＥＸＧの排出路２５４
は、改質器１４０の蒸発部１４１に戻されており、そこ
での触媒燃焼反応に利用される。

【００４９】Ｂ．第１実施例の動作：図３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、制御ユニッ
ト７０（図１）内の図示しないメモリに格納されたコン
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。

【００５０】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、ステップＳ
２において改質器１４０の運転状態が第１の起動状態に
設定される。

【００５１】図４は、第１の起動状態を示す説明図であ
る。図４において、点線で描かれている流路はほとんど
使用されておらず、実線で描かれている流路が主に使用
されている。すなわち、原燃料は、熱交換部１４３を通
過するメイン流路２１２ではなく、バイパス流路２１４
を介して蒸発部１４１の原燃料供給口に供給される。ま
た、改質用空気も、熱交換部１４３を通過するメイン流
路２３２ではなく、バイパス流路２３４を介して蒸発部
１４１の空気供給口に供給される。改質用水も同様に、
熱交換部１４３を通過するメイン流路２２２ａ，２２２
ｂではなく、バイパス流路２２６を介して蒸発部１４１
の水供給口に供給される。さらに、ＣＯ浄化用空気も、
主にバイパス流路２３６を介してＣＯ浄化部１４５に供
給される。なお、蒸発部１４１内の触媒燃焼反応に使用
される原燃料と空気は、それぞれの分岐流路２１８，２
３３を介して蒸発部１４１にそれぞれ供給される。

【００５２】このように、起動初期の第１の起動状態で
は、３つの改質原料は、熱交換部１４３やＣＯ浄化部１
４５の熱交換器を経由しないバイパス流路を主として経
由して蒸発部１４１に供給される。この理由は、起動初
期では改質器１４０がまだ昇温していないので、熱交換
部１４３やＣＯ浄化部１４５の熱交換器を改質原料で冷
却しないようにするためである。こうすれば、改質器１
４０の暖機を早めることが可能である。

【００５３】図３のステップＳ３では、熱交換部１４３
の出口温度が所定の温度（例えば２００℃）に達したか
否かが判断される。熱交換部１４３の出口温度が所定の
温度に達した場合には、ステップＳ４に移行して、改質
器１４０の運転状態が第２の起動状態に設定される。

【００５４】図５は、第２の起動状態を示す説明図であ
る。原燃料と改質用空気は、第１の起動状態と同様に、
それぞれのバイパス流路２１４，２３３を介して蒸発部
１４１の供給口に供給される。また、ＣＯ浄化用空気
も、そのバイパス流路２３６を介してＣＯ浄化部１４５
に供給される。一方、改質用の水は、主として、熱交換
部１４３を通過するメイン流路２２２ａを介して蒸発部
１４１の水供給口に供給される。こうすることによっ
て、熱交換部１４３の出口温度を制御しつつ、改質用の
水を昇温することができる。

【００５５】なお、熱交換部１４３の出口温度を所定の
温度に保つようにするために、水用のバイパス流路２２
６も必要に応じて利用することができる。例えば、熱交
換部１４３の出口温度を約２００℃に保るように、メイ
ン流路２２２とバイパス流路２２６における水の流量配
分が決定される。但し、他の改質原料（原燃料と空気）
に関しても、熱交換部１４３における冷却の要求に応じ
て、メイン流路とバイパス流路との流量配分を決定する
ようにしても良い。

【００５６】このように、第２の起動状態において、主
に改質用水を用いて熱交換部１４３の冷却を行うのは、
以下のような理由による。３つの改質原料（原燃料と水
と空気）の中では、水が最も熱容量が大きく昇温されに
くい。そこで、本実施例では、改質用水を熱交換部１４
３で予め昇温させた後に蒸発部１４１の水供給口に供給
することによって、蒸発部１４１における改質原料全体
の気化を容易にしている。

【００５７】このように、第２の起動状態では、改質用
水の少なくとも一部が、熱交換部１４３を通過した後に
蒸発部１４１に供給されるので、起動の途中において
も、改質器１４０内の熱を有効に利用しつつ改質器１４
０の暖機を行うことが可能である。

【００５８】図３のステップＳ５では、改質部１４２の
出口温度が所定の温度（例えば６５０℃）に達したか否
かが判断される。改質部１４２の出口温度が所定の温度
に達した場合には、起動運転を終了し、改質器１４０の
運転状態が通常運転状態に設定される。

【００５９】図６は、通常運転状態を示す説明図であ
る。原燃料は、熱交換部１４３を通過するメイン流路２
１２を主に経由して蒸発部１４１の原燃料供給口に供給
される。また、改質用空気も、熱交換部１４３を通過す
るメイン流路２３２を主に経由して蒸発部１４１の空気
供給口に供給される。改質用水も同様に、熱交換部１４
３を通過するメイン流路２２２ａ，２２２ｂを主に経由
して蒸発部１４１の水供給口に供給される。また、ＣＯ
浄化用空気も、主に、熱交換部１４３で昇温された後に
メイン流路２３８を経由してＣＯ浄化部１４５に供給さ
れる。

【００６０】各改質原料のバイパス流路は、改質器１４
０内の各部の温度が所定の値に保たれるようにするため
に、必要に応じて利用される。例えば、熱交換部１４３
の出口温度を約２００℃に保ち、ＣＯ浄化部１４５の出
口温度を約１００℃に保つように、各原料の流量配分が
それぞれ決定される。

【００６１】図７は、通常運転状態における流量配分制
御の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１
では、制御ユニット７０が、各改質原料（原燃料と水と
改質用空気とＣＯ浄化用空気）の要求量を決定する。こ
の要求量は、燃料電池１５０における要求発電量に応じ
て決定される。ステップＳ１２では、熱交換部１４３の
出口温度と、ＣＯ浄化部１４５の出口温度とが、それぞ
れ所定値（例えば２００℃と１００℃）になるように、
各改質原料に関するメイン流路とバイパス流路の流量配
分が決定される。具体的には、熱交換部１４３やＣＯ浄
化部１４５の出口温度が所定値よりも低い場合には、バ
イパス流路の流量を増加させてメイン流路の流量を減少
させる。この結果、熱交換部１４３やＣＯ浄化部１４５
内の熱交換器１４３ａ，１４５ａにおける除熱量が減少
するので、熱交換部１４３やＣＯ浄化部１４５の出口温
度が高くなる。反対に、熱交換部１４３やＣＯ浄化部１
４５の出口温度が所定値よりも高い場合には、バイパス
流路の流量を減少させてメイン流量の流量を増加させ
る。ステップＳ１３では、蒸発部１４１の出口温度が所
定値（例えば４００℃）になるように、触媒燃焼用の原
燃料と空気の量が決定される。

【００６２】なお、流量の配分は、メイン流路とバイパ
ス流路の分岐点にある分配弁１１６，１２６，１３５，
１３７を用いて行われる。また、この手順における各流
量を決定するために、各流路には必要に応じて流量セン
サや温度センサが設けられいるが、図２、図４ないし図
６では、これらの測定器が省略されている。

【００６３】このように、第１実施例の通常運転状態で
は、３種類の改質原料（原燃料と水と空気）が、主に、
熱交換部１４３やＣＯ浄化部１４５の熱交換器を通過し
た後に蒸発部１４１に供給されるので、改質器１４０内
における熱の再利用を促進することが可能である。特
に、本実施例では、熱交換器の冷媒として複数種類の冷
媒を用いているので、熱交換器における冷却能力を高め
ることができ、この結果、改質装置の熱効率を高めるこ
とが可能である。また、各原料のメイン流路とバイパス
流路の流量配分は、熱交換部１４３やＣＯ浄化部１４５
の出口温度に応じて制御されるので、これらの出口にお
ける改質原料ガスや改質ガスの温度を適切な値に制御す
ることが可能である。

【００６４】Ｃ．第２実施例の構成と動作：図８は、第
２実施例における燃料電池システムを示す説明図であ
る。この燃料電池システムは、原燃料としてメタノール
を用いている。第２実施例は、第１実施例と原燃料が異
なるので、この差異に起因して、原燃料供給部１１０ａ
と水供給部１２０ａと空気供給部１３０ａと改質器１４
０ａの構成も異なっている。すなわち、メタノール改質
用の改質器１４０ａでは、図２に示した熱交換部１４３
やシフト部１４４が不要なので、これらが削除されてい
る。また、原燃料供給部１１０ａのメイン流路２１３
は、ＣＯ浄化部１４５内の熱交換器１４５ａを通過した
後に、蒸発部１４１の原燃料供給口に到達している。水
供給部１２０ａのメイン流路２２８は、改質原料ガスや
改質ガスと熱交換することなく、蒸発部１４１の水供給
口に直接接続されている。また、空気供給部１３０ａの
メイン流路２３９も、改質原料ガスや改質ガスと熱交換
することなく、蒸発部１４１の空気供給口に到達してい
る。さらに、ＣＯ浄化用空気の流路２３６も、改質原料
ガスや改質ガスと熱交換することなく、ＣＯ浄化部１４
５に到達している。換言すれば、第２実施例では、３種
類の原料のうちで、原燃料だけが熱交換器を経由して改
質器１４０の供給口に供給されている。

【００６５】但し、第２実施例においても、上述した第
１実施例と同様に、改質用水や空気の流路として、ＣＯ
浄化部１４５内の熱交換器１４５ａを通過するメイン流
路と、熱交換器１４５ａを通過しないバイパス流路とを
設けることが可能である。

【００６６】原燃料用のメイン流路２１３とバイパス流
路２１５には、流量センサ２１６，２１９がそれぞれ設
けられている。また、改質器１４０ａから燃料電池１５
０に至る燃料ガス流路２５２上には、圧力センサ１９６
と、流量センサ１９７と、調圧弁１９８とが設けられて
いる。第２実施例のその他の構成は、図２に示した第１
実施例の構成とほぼ同じである。

【００６７】ところで、ＣＯ浄化部１４５内の温度は、
燃料電池システム６０の運転状態によって比較的変動し
易い傾向にある。従って、第２実施例のように、改質用
の原燃料（メタノール）を、ＣＯ浄化部１４５で加熱し
た後に蒸発部１４１に供給すると、蒸発部１４１の供給
口における改質用原燃料の状態が燃料電池システム６０
の運転状態によって変動する可能性がある。具体的に
は、ＣＯ浄化部１４５における熱交換量が多い場合には
メタノールが気体状態で蒸発部１４１に供給され、ま
た、熱交換量が少ない場合には液体状態で蒸発部１４１
に供給される。この結果、蒸発部１４１内部の温度が不
安定となり、改質器１４０ａ全体の運転状態も不安定と
なる可能性がある。そこで、第２実施例では、以下に説
明するように、原燃料のメイン流量とバイパス流量の比
率を調整することによって、改質器１４０ａの安定性制
御を行っている。

【００６８】図９は、第２実施例における通常運転時の
改質装置の安定性制御の手順を示すフローチャートであ
る。この制御手順は、制御ユニット７０（図１）内の図
示しないメモリ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。また、以下のステップＳ２１〜Ｓ２５は、一定時間
毎に実行される。

【００６９】ステップＳ２１では、蒸発部１４１の出口
温度を温度センサ１９１で測定する。ステップＳ２２で
は、前回の測定値と今回の測定値とを比較して、温度変
化量Δｔを算出する。ステップＳ２３では、温度変化量
Δｔが、所定のしきい値Ｔｈ以上であるか否かが判断さ
れる。温度変化量Δｔがしきい値Ｔｈ未満のときには、
この処理を終了する。一方、温度変化量Δｔがしきい値
Ｔｈ以上のときには、ステップＳ２４において、温度変
化量Δｔに応じて原燃料のバイパス量の増加分が演算さ
れる。

【００７０】図１０は、温度変化量Δｔとバイパス流量
の増加率との関係の一例を示すグラフである。この例で
は、温度変化量Δｔが大きいほど、バイパス流量をより
大きく増加させる。なお、蒸発部１４１の原燃料供給口
に供給する原燃料の全流量は、燃料電池１５０における
要求発電量に応じて決定されるので、バイパス流量が増
加すると、メイン流量は減少する。

【００７１】図９のステップ２５では、こうして決定さ
れたバイパス流量とメイン流量とを実現するように分配
弁１１６が調整される。こうしてバイパス流量が増加す
ると、蒸発部１４１の原燃料供給口に供給される原燃料
の温度が安定するので、改質器１４０ａ全体の運転状態
も安定する。改質器１４０ａが安定した後には、再びメ
イン流量を増加させて、熱効率を向上させることができ
る。

【００７２】このように、第２実施例では、ＣＯ浄化部
１４５で原燃料を昇温させた後に蒸発部１４１の原燃料
供給口に供給しているので、改質器１４０ａの熱効率を
向上させることが可能である。また、蒸発部１４１の出
口温度が不安定になったときに、改質用原燃料のバイパ
ス流量を増加させるようにしているので、改質用原燃料
をＣＯ浄化部１４５で昇温することに伴う不安定性の影
響を低減することが可能である。

【００７３】なお、第２実施例では、蒸発部１４１の出
口温度の変化量に応じて改質用原燃料のバイパス流量の
制御を行っていたが、蒸発部１４１の出口温度の変化量
の代わりに、圧力センサ１９６や流量センサ１９７で測
定された改質ガスＨＲＧの圧力や流量の変化に応じて改
質用原燃料のバイパス流量の制御を行うようにしてもよ
い。

【００７４】また、改質用原燃料のバイパス流量の制御
によって改質器１４０ａの安定性を制御する代わりに、
改質器１４０ａの出口に設けられている調圧弁１９８を
調整することによって、改質器１４０ａの安定性を制御
することも可能である。あるいは、改質用空気やＣＯ浄
化用空気の量を調整することによって改質器１４０ａの
安定性を制御することも可能である。

【００７５】上述の説明から理解できるように、第２実
施例では、改質原料ガス（または改質ガス）に関する特
定の測定値（温度、圧力、流量など）の変化に応じて、
複数種類の改質原料のうちの少なくとも１種類の原料の
流量を制御することによって、改質器の安定性を保つよ
うにすればよい。ここで、改質原料とは、改質用原燃料
と、改質用空気と、ＣＯ浄化用空気と、改質用水とを含
む広い意味を有している。

【００７６】但し、改質器の安定性は、メタノールのよ
うに常温で液体状である炭化水素系化合物を含む原燃料
を改質する改質器において、その原燃料を冷媒とした熱
交換器を利用するときに問題となる場合が多い。すなわ
ち、原燃料のメイン流量とバイパス流量の調整によって
安定性を制御する技術の利点は、常温で液体状である炭
化水素系化合物を含む原燃料を改質する改質器において
特に顕著である。

【００７７】Ｄ．第３実施例の構成と動作：図１１は、
第３実施例における燃料電池システムの内部構成を示す
説明図である。この燃料電池システムは、メタノールと
水の混合物を原燃料として供給するための原燃料供給部
３１０と、改質器３４０と、燃料電池３５０とを備えて
いる。なお、空気供給部は図示が省略されている。

【００７８】改質器３４０は、改質原料を蒸発させるた
めの蒸発部３４１と、改質触媒を利用した改質反応を行
うための改質部３４２と、選択酸化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浄化部３４５と、
を有している。この第３実施例は、改質器の運転状態が
変動したときにも、ＣＯ浄化部３４５の運転状態を安定
に保つことによって、改質ガスＨＲＧ中に含まれる一酸
化炭素を低レベルに維持するようにした点に大きな特徴
がある。

【００７９】ＣＯ浄化部３４５には、選択酸化用の空気
が３カ所から投入されている。また、この３つの空気投
入口の下流側に、３つ熱交換器３６１，３６２，３６３
がそれぞれ設けられている。３つの熱交換器３６１〜３
６３は、例えば直交型の熱交換器であり、その改質ガス
流路のフィンには、互いに異なる触媒がそれぞれ担持さ
れている。但し、ＣＯ浄化部３４５内には、１つ以上の
任意の数の熱交換器を設けることが可能である。

【００８０】原燃料供給部３１０は、原燃料タンク３１
２と、ポンプ３１４と、分配弁３１６と、メイン流路３
２２と、バイパス流路３２４とを有している。メイン流
路３２２は３つに分岐しており、ＣＯ浄化部３４５内の
３つの熱交換器３６１〜３６３にそれぞれ接続されてい
る。これらの３つの分岐流路上には、熱交換器３６１〜
３６３の入口側に流量調整弁３７１〜３７３がそれぞれ
設けられている。流量調整弁３７１〜３７３は、後述す
るように、メイン流路３２２とバイパス流路３２４の流
量配分を調整することによって、ＣＯ浄化部３４５の運
転状態を安定に保つ機能を有している。

【００８１】流量調整弁３７１は、熱交換器３６１の出
口側の流路に設けられた温度センサとしての感熱部３７
１ａを有している。これは、他の流量調整弁３７２，３
７３も同様である。流量調整弁３７１〜３７３は、感熱
部３７１ａ〜３７３ａで検知された冷媒（メタノール＋
水）の温度に応じて弁開度が変化する機械制御式の調整
弁である。このような流量調整弁３７１〜３７３として
は、例えばエアコンに通常用いられている膨張弁を使用
することが可能である。これらの流量調整弁３７１〜３
７３の開度が変化すると、メイン流路３２２の流量と、
バイパス流路３２４の流量との配分が変更される。

【００８２】なお、機械制御式の調整弁の代わりに、温
度センサが付属していない調整弁と、温度センサと、電
子コントローラ（図１の制御ユニット７０）とを用い
て、流量配分を調整するようにしてもよい。但し、機械
制御式の調整弁を用いると、構成が簡素化されるという
利点がある。

【００８３】ＣＯ浄化部３４５の出口側では、３本の分
岐流路が１本のメイン流路３２６に合流している。この
出口側のメイン流路３２６は、蒸発部３４１の原燃料供
給口に到達している。従って、メイン流路２１２を流れ
る原燃料は、熱交換器３６１〜３６３で昇温された後で
蒸発部３４１の供給口に供給される。

【００８４】熱交換器３６１〜３６３を通過した冷媒
（メタノール＋水）は、完全に気化した状態となる。す
なわち、バイパス流路３２４の流量は、熱交換器３６１
〜３６３内において冷媒がすべて気化されて過熱状態
（沸騰温度よりも高い温度状態）になるように決定され
ている。具体的には、例えば、改質原料の全流量のうち
の約１／３がメイン流路３２２に配分され、残りの約２
／３がバイパス流路３２４に配分される。この例からも
理解できるように、本明細書において、「メイン流路」
とは、バイパス流路よりも流量が多いことを意味してお
らず、単に、熱交換器を経由して昇温される流路（熱交
換流路）であることを意味している。

【００８５】なお、図１１においては、各種のセンサな
どが省略されており、上述した第１および第２実施例に
比べて簡略に描かれている。

【００８６】図１２は、第３実施例における改質原料の
流量制御の手順を示すフローチャートである。この流量
制御は、流量調整弁３７１〜３７３の機構によって自動
的に行われる。

【００８７】図１２の制御手順では、熱交換器３６１〜
３６３の出口側流路における冷媒温度Ｔｉ（ｉ＝１〜
３）の目標温度を、冷媒（メタノール＋水）の沸騰温度
ＢＰ＋５℃を中心とする範囲としている。冷媒温度Ｔｉ
が（ＢＰ＋３℃）未満の場合には、対応する流量調整弁
の開度が減少する（ステップＳ３１，Ｓ３２）。この結
果、冷媒量が減少して冷媒温度Ｔｉが上昇する。一方、
冷媒温度Ｔｉが（ＢＰ＋７℃）を超えている場合には、
対応する流量調整弁の開度が増加する（ステップＳ３
１，Ｓ３３）。この結果、冷媒量が増加して冷媒温度Ｔ
ｉが減少する。このような制御によって、冷媒温度Ｔｉ
（ｉ＝１〜３）は、目標温度（ＢＰ＋５℃）±２℃の範
囲に収まるようにメイン流路３２２とバイパス流路３２
４の流量配分が調整される。

【００８８】なお、熱交換器出口における冷媒温度の目
標範囲を沸騰温度を超えた範囲としたのは、熱交換器に
おける熱交換の状態を安定化するためである。図１３
は、熱交換器３６１〜３６３における冷媒の加熱量（す
なわち、改質ガスの冷却量）と、熱交換器出口における
冷媒温度Ｔｉとの関係を示すグラフである。冷媒が熱交
換器内で沸騰していて完全には気化していない場合に
は、冷媒の加熱量が変動しても、冷媒温度は沸騰温度Ｂ
Ｐに維持される。従って、沸騰温度ＢＰ付近では熱交換
器内における熱交換状態の変化が検出できない。そこ
で、熱交換器出口における冷媒温度Ｔｉの目標範囲を沸
騰温度ＢＰを超える範囲に設定すれば、熱交換器３６１
〜３６３における熱交換の状態を応答性良く制御するこ
とが可能である。この結果、何らかの要因によって改質
器３４０の運転状態が変動した場合にも、改質ガスＨＲ
Ｇの温度を望ましい範囲に維持することが可能である。

【００８９】このように、第３実施例では、ＣＯ浄化部
３４５内の熱交換器３６１〜３６３の出口における冷媒
温度が所定の目標範囲内に収まるように、メイン流路３
２２とバイパス流路３２４の流量配分が調整される。従
って、改質原料の流量の変動などの種々の要因によっ
て、熱交換器３６１〜３６３における熱交換の状態が変
動しても、その変動に素早く応答して、ＣＯ浄化部３４
５における改質ガスＨＲＧの温度を安定化することがで
きる。

【００９０】ところで、ＣＯ浄化部３４５内の選択酸化
反応には適切な温度範囲が存在する。従って、ＣＯ浄化
部３４内の温度が適切な温度範囲から外れると、一酸化
炭素の濃度を十分低くすることができなくなる可能性が
ある。この第３実施例では、ＣＯ浄化部３４５内の熱交
換器出口における冷媒温度が常に目標範囲内に納まるよ
うにしているので、ＣＯ浄化部３４５における改質ガス
ＨＲＧの温度も、ほぼ一定の範囲内に収まる。この結
果、ＣＯ浄化部３４５内における選択酸化反応が適正に
行われて、改質ガスＨＲＧ中の一酸化炭素濃度が十分に
低下し、一酸化炭素による燃料電池３５０の被毒も緩和
することが可能である。

【００９１】なお、このようなＣＯ浄化部の温度状態
（熱交換状態）の制御は、第１実施例や第２実施例にも
適用可能である。但し、ＣＯ浄化部内の熱交換器を通る
冷媒としては、常温で液体状の冷媒を使用することが好
ましい。この理由は、常温で液体状の冷媒を用いると、
その気化熱を利用して冷却効率を高めることができるか
らである。

【００９２】図１１の構成を変更して、熱交換器３６１
〜３６３を経由したガス状の冷媒を、蒸発部３４１と改
質部３４２との間に供給するようにしてもよい。蒸発部
３４１の出口では、バイパス流路３２４を介して供給さ
れた改質原料も気化しているので、ＣＯ浄化部３４５で
気化された改質原料と混合しても、液体の突沸が起こる
心配が無い。また、蒸発部３４１を通る流量が減少する
ので、蒸発部３４１を小型化することができ、また、蒸
発部３４１内の圧損も低下するという利点がある。

【００９３】あるいは、熱交換器３６１〜３６３を経由
したガス状の冷媒を、蒸発部３４１内の改質原料の流路
に供給するようにしてもよい。この構成では、蒸発部３
４１内における改質原料の流速が大きくなるので、熱伝
達率を向上させることができるという利点がある。

【００９４】上述した第２実施例と第３実施例は、特定
のセンサで測定された測定値が、改質器の安定的な運転
状態にとって好ましくない変化を示すときに、改質器を
安定化させるようにメイン流路とバイパス流路との流量
配分を調整するという点で共通している。第２実施例と
第３実施例の燃料電池システムは、このような特徴によ
って、改質器を安定的に運転することが可能であるとい
う利点がある。

【００９５】Ｅ．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。

【００９６】Ｅ１．変形例１：熱交換器を経由するメイ
ン流路と、熱交換器を経由しないバイパス流路とを設け
る対象としては、以下のような種々の原料が考えられ
る。（１）改質用原燃料（蒸発部１４１の供給口に供給され
る原燃料）（２）改質用水（蒸発部１４１の供給口に供給される
水）（３）改質用空気（蒸発部１４１の供給口に供給される
空気）（４）ＣＯ浄化用空気（ＣＯ浄化部１４５に供給される
空気）（５）燃焼用空気（蒸発部１４１の触媒燃焼に利用され
る空気）（６）燃料電池用空気（燃料電池１５０内の電気化学反
応に利用される空気）

【００９７】上述した第１実施例では、上記（１）〜
（４）の原料に関してメイン流路とバイパス流路とを併
用していた。また、第２実施例では、上記（１）の改質
用原燃料のみに関してメイン流路とバイパス流路とを併
用していた。第３実施例では、上記（１），（２）の原
料に関して、メイン流路とバイパス流路とを併用してい
た。これらの例から理解できるように、複数種類の原料
のうちのいくつかに関して、メイン流路（熱交換流路）
とバイパス流路とを用いるようにすればよい。

【００９８】ところで、原燃料のうちで、熱容量が最も
大きいのは水であり、原燃料が次に大きく、空気は熱容
量が最も小さい。しかし、液体状の原燃料は水よりも沸
点が低いので、熱交換器内で沸騰熱伝達が起こし易い。
沸騰熱伝達では非沸騰熱伝達に比べて熱伝達率が高いの
で、冷媒として原燃料を用いた方が水よりも熱伝達率を
高くすることができ、従って、熱交換器における熱交換
の効率を高めることが可能である。この意味では、原燃
料（特に、常温で液体状の炭化水素系化合物を含む原燃
料）を冷媒として用いることが好ましい。

【００９９】以上の説明から理解できるように、本発明
では、少なくとも原燃料を含む１種類以上の原料に関し
て、熱交換器を通過して改質器の供給口に至るメイン流
路（熱交換流路）と、熱交換器をバイパスして改質器の
供給口に至るバイパス流路と、を設けるようにすればよ
い。そして、センサで測定された改質器の特定の状態量
（温度、圧力、流量など）に応じて、メイン流路とバイ
パス流路の流量配分を調整するようにすればよい。

【０１００】但し、複数種類の原料に関してメイン流路
とバイパス流路とを設けるようにすれば、エネルギ効率
がより向上するので好ましい。

【０１０１】Ｅ２．変形例２：上述した各実施例では、
分配弁を用いてメイン流路とバイパス流路の流量配分を
調整していたが、この代わりに、メイン流路用とバイパ
ス流路用にそれぞれポンプを設けておき、これらのポン
プを用いて流量配分を制御するようにしてもよい。すな
わち、メイン流路とバイパス流路の流量配分を調整する
流量調整部は、分配弁やポンプなどの種々の要素で構成
することが可能である。

【０１０２】Ｅ３．変形例３：改質器の原燃料として
は、天然ガスやメタノール以外の種々の炭化水素系燃料
を使用可能である。例えば、メタノール以外のアルコー
ルや、ガソリン、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することができる。

【０１０３】なお、上記実施例では、水蒸気改質反応に
よって改質ガス（燃料ガス）ＨＲＧを生成していたが、
本発明は、水を利用しない改質反応によって改質ガスＨ
ＲＧを生成する燃料改質装置にも適用可能である。

【０１０４】Ｅ４．変形例４：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】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４】第１の起動状態を示す説明図。

【図５】第２の起動状態を示す説明図。

【図６】通常運転状態を示す説明図。

【図７】通常運転状態における流量配分制御の手順を示
すフローチャート。

【図８】第２実施例における燃料電池システムを示す説
明図。

【図９】第２実施例における通常運転時の改質装置の安
定性制御の手順を示すフローチャート。

【図１０】温度変化量Δｔとバイパス流量の増加率との
関係の一例を示すグラフ。

【図１１】第３実施例における燃料電池システムの内部
構成を示す説明図

【図１２】第３実施例における改質原料の流量制御の手
順を示すフローチャート

【図１３】熱交換器３６１〜３６３における冷媒の加熱
量と、熱交換器出口における冷媒温度Ｔｉとの関係を示
すグラフ。

【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６０…燃料電池システム７０…制御ユニット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１１０…原燃料供給部１１２…原燃料タンク１１４…ポンプ１１６…分配弁１１７…分配弁１２０…水供給部１２２…水タンク１２４…エアポンプ１２６…分配弁１３０…空気供給部１３４〜１３７…分配弁１４０…改質器１４１…蒸発部１４１ａ…熱交換器１４２…改質部１４３…熱交換部１４３ａ…熱交換器１４４…シフト部１４５…ＣＯ浄化部１４５ａ…熱交換器１５０…燃料電池１９１〜１９５…温度センサ１９６…圧力センサ１９７…流量センサ１９８…調圧弁２１２…原燃料用メイン流路２１３…原燃料用メイン流路２１４…原燃料用バイパス流路２１５…原燃料用バイパス流路２１６…流量センサ２１８…分岐流路２１９…流量センサ２２２，２２２ａ，２２２ｂ…水用メイン流路２２６…水用バイパス流路２２８…水用メイン流路２３２…空気用メイン流路２３３…燃焼空気用流路２３４…空気用バイパス流路２３５…燃焼空気用分岐流路２３６…ＣＯ浄化空気用バイパス流路２３８…ＣＯ浄化空気用メイン流路２３９…空気用メイン流路２５２…燃料ガス流路２５４…排出路３１０…原燃料供給部３１２…原燃料タンク３１４…ポンプ３１６…分配弁３２２…メイン流路３２４…バイパス流路３２６…メイン流路３４０…改質器３４１…蒸発部３４２…改質部３４５…ＣＯ浄化部３５０…燃料電池３６１〜３６３…熱交換器３７１〜３７３…流量調整弁３７１ａ…感熱部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｇ 8/06 8/06 ＧＡ (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 ▲高▼田和政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)発明者田中浩己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)発明者梶原滋人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 EB03 EB31 EB42 EB43 4G140 EA02 EA03 EA06 EB03 EB31 EB42 EB43 5H027 AA02 BA01 BA09 BA16 BA17 DD03 KK10 KK21 KK41 MM01 MM12 MM13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素系化合物を含む原燃料から、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、改質触媒を収納する改質部と、前記原燃料を含む複数種
類の原料で構成される改質原料が供給される供給口とを
有し、前記供給口から供給された前記改質原料を改質す
るための改質器と、前記改質原料を前記改質器の供給口に供給するための原
料供給部と、前記改質器における特定の被測定量を測定するためのセ
ンサと、を備えており、前記改質器は、前記複数種類の原料の中の２種類以上の
原料が前記改質器の供給口に供給される前に通過するこ
とが可能な熱交換器をそれぞれ有しており、前記原料供給部は、前記２種類以上の原料に関して、前
記熱交換器を通過して前記改質器の供給口に至る熱交換
流路と、前記熱交換器をバイパスして前記改質器の供給
口に至るバイパス流路と、前記熱交換流路とバイパス流
路の流量配分を調整するための流量調整部と、を有して
おり、前記流量調整部は、前記センサで測定された測定値に応
じて、前記熱交換流路と前記バイパス流路の流量配分を
調整することを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】常温で液体状の炭化水素系化合物を含む
原燃料から、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、改質触媒を収納する改質部と、前記原燃料を含む複数種
類の原料で構成される改質原料が供給される供給口とを
有し、前記供給口から供給された前記改質原料を改質す
るための改質器と、前記改質原料を前記改質器の供給口に供給するための原
料供給部と、前記改質器における特定の被測定量を測定するためのセ
ンサと、を備えており、前記改質器は、前記常温で液体状の炭化水素系化合物を
含む原燃料を少なくとも含む１種類以上の原料が前記改
質器の供給口に供給される前に通過することが可能な熱
交換器を有しており、前記原料供給部は、前記１種類以上の原料に関して、前
記熱交換器を通過して前記改質器の供給口に至る熱交換
流路と、前記熱交換器をバイパスして前記改質器の供給
口に至るバイパス流路と、前記熱交換流路とバイパス流
路の流量配分を調整するための流量調整部と、を有して
おり、前記流量調整部は、前記センサで測定された測定値に応
じて、前記熱交換流路と前記バイパス流路の流量配分を
調整することを特徴とする燃料改質装置。
【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、前記改質原料は、前記原燃料と水と空気とを含んでお
り、前記改質器は、前記原燃料と水と空気のために前記熱交
換器をそれぞれ有しており、前記原料供給部は、前記原燃料と水と空気のために前記
熱交換流路と前記バイパス流路と前記流量調整部をそれ
ぞれ有しており、前記流量調整部は、前記測定値に応じて、前記原燃料と
水と空気のそれぞれに関して前記熱交換流路と前記バイ
パス流路の流量配分を調整する、燃料改質装置。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の燃
料改質装置であって、前記改質器は、さらに、前記改質部の下流側に設けられ
た一酸化炭素低減部を有しており、前記熱交換器は、前記改質部と前記一酸化炭素低減部と
の間に設けられている、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、前記改質器は、さらに、前記改質部の下流側に設けられ
た一酸化炭素低減部を有しており、前記熱交換器は、前記一酸化炭素低減部の内部に設けら
れている、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、前記センサで測定される前記特定の被測定量は、前記一
酸化炭素低減部の内部に設けられた前記熱交換器の出口
における冷媒温度を含み、前記流量調整部は、前記熱交換器の出口における冷媒温
度が所定の温度範囲に収まるように前記熱交換流路と前
記バイパス流路の流量配分を調整する、燃料改質装置。
【請求項７】請求項６記載の燃料改質装置であって、前記所定の温度範囲は、前記冷媒の沸騰温度を超えた範
囲に設定されている、燃料改質装置。
【請求項８】請求項１ないし５のいずれかに記載の燃
料改質装置であって、前記流量調整部は、前記測定値が前記燃料改質装置の安
定的な運転状態にとって好ましくない変化を示すとき
に、前記燃料改質装置を安定化させるように前記熱交換
流路とバイパス流路との流量配分を調整する、燃料改質
装置。
【請求項９】請求項８記載の燃料改質装置であって、前記流量部は、前記測定値が所定の変化率よりも大きな
変化を示すときに、前記バイパス流路を流れる前記原料
の流量を増加させる、燃料改質装置。
【請求項１０】請求項９記載の燃料改質装置であっ
て、前記改質器は、前記供給口から供給された前記改質原料
を蒸発させるための蒸発部を有しており、前記センサで測定される前記特定の被測定量は、前記蒸
発部を通過した前記改質原料の温度と圧力の少なくとも
一方を含む、燃料改質装置。
【請求項１１】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、を備え、前記燃料改質装置は、（ａ）改質触媒を収納する改質部
と、前記原燃料を含む複数種類の原料で構成される改質
原料が供給される供給口とを有し、前記供給口から供給
された前記改質原料を改質するための改質器と、（ｂ）
前記改質原料を前記改質器の供給口に供給するための原
料供給部と、（ｃ）前記改質器における特定の被測定量
を測定するためのセンサと、を備えており、前記改質器は、前記複数種類の原料の中の２種類以上の
原料が前記改質器の供給口に供給される前に通過するこ
とが可能な熱交換器を有しており、前記原料供給部は、前記２種類以上の原料に関して、前
記熱交換器を通過して前記改質器の供給口に至る熱交換
流路と、前記熱交換器をバイパスして前記改質器の供給
口に至るバイパス流路と、前記熱交換流路とバイパス流
路の流量配分を調整するための流量調整部と、を有して
おり、前記流量調整部は、前記センサで測定された測定値に応
じて、前記熱交換流路と前記バイパス流路の流量配分を
決定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】燃料電池システムであって、燃料電池と、常温で液体状の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、を備え、前記燃料改質装置は、（ａ）改質触媒を収納する改質部
と、前記原燃料を含む複数種類の原料で構成される改質
原料が供給される供給口とを有し、前記供給口から供給
された前記改質原料を改質するための改質器と、（ｂ）
前記改質原料を前記改質器の供給口に供給するための原
料供給部と、（ｃ）前記改質器における特定の被測定量
を測定するためのセンサと、を備えており、前記改質器は、前記常温で液体状の炭化水素系化合物を
含む原燃料を少なくとも含む１種類以上の原料が前記改
質器の供給口に供給される前に通過することが可能な熱
交換器を有しており、前記原料供給部は、前記１種類以上の原料に関して、前
記熱交換器を通過して前記改質器の供給口に至る熱交換
流路と、前記熱交換器をバイパスして前記改質器の供給
口に至るバイパス流路と、前記熱交換流路とバイパス流
路の流量配分を調整するための流量調整部と、を有して
おり、前記流量調整部は、前記センサで測定された測定値に応
じて、前記熱交換流路と前記バイパス流路の流量配分を
決定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】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、を備え、前記燃料改質装置は、（ａ）改質触媒を収納する改質部
と、前記原燃料を含む複数種類の原料で構成される改質
原料が供給される供給口とを有し、前記供給口から供給
された前記改質原料を改質するための改質器と、（ｂ）
前記改質原料を前記改質器の供給口に供給するための原
料供給部と、（ｃ）前記改質器における特定の被測定量
を測定するためのセンサと、を備えており、前記改質器は、前記複数種類の原料の中の２種類以上の
原料が前記改質器の供給口に供給される前に通過するこ
とが可能な熱交換器を有しており、前記原料供給部は、前記２種類以上の原料に関して、前
記熱交換器を通過して前記改質器の供給口に至る熱交換
流路と、前記熱交換器をバイパスして前記改質器の供給
口に至るバイパス流路と、前記熱交換流路とバイパス流
路の流量配分を調整するための流量調整部と、を有して
おり、前記流量調整部は、前記センサで測定された測定値に応
じて、前記熱交換流路と前記バイパス流路の流量配分を
決定することを特徴とする移動体。
【請求項１４】移動体であって、燃料電池を含む電源と、常温で液体状の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、を備え、前記燃料改質装置は、（ａ）改質触媒を収納する改質部
と、前記原燃料を含む複数種類の原料で構成される改質
原料が供給される供給口とを有し、前記供給口から供給
された前記改質原料を改質するための改質器と、（ｂ）
前記改質原料を前記改質器の供給口に供給するための原
料供給部と、（ｃ）前記改質器における特定の被測定量
を測定するためのセンサと、を備えており、前記改質器は、前記常温で液体状の炭化水素系化合物を
含む原燃料を少なくとも含む１種類以上の原料が前記改
質器の供給口に供給される前に通過することが可能な熱
交換器を有しており、前記原料供給部は、前記１種類以上の原料に関して、前
記熱交換器を通過して前記改質器の供給口に至る熱交換
流路と、前記熱交換器をバイパスして前記改質器の供給
口に至るバイパス流路と、前記熱交換流路とバイパス流
路の流量配分を調整するための流量調整部と、を有して
おり、前記流量調整部は、前記センサで測定された測定値に応
じて、前記熱交換流路と前記バイパス流路の流量配分を
決定す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原燃料から、
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、（ａ）前記複数種類の原
料の中の２種類以上の原料が前記改質器の供給口に供給
される前に通過することが可能な熱交換器をそれぞれ準
備する工程と、（ｂ）前記２種類以上の原料に関して、
前記熱交換器を通過して前記改質器の供給口に至る熱交
換流路と、前記熱交換器をバイパスして前記改質器の供
給口に至るバイパス流路と、を準備する工程と、（ｃ）
前記改質器における特定の被測定量を測定する工程と、
（ｄ）前記特定の被測定量の測定値に応じて、前記熱交
換流路と前記バイパス流路の流量配分を調整する工程
と、を備えることを特徴とする改質器の制御方法。
【請求項１６】常温で液体状の炭化水素系化合物を含
む原燃料から、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、（ａ）前
記常温で液体状の炭化水素系化合物を含む原燃料を少な
くとも含む１種類以上の原料が前記改質器の供給口に供
給される前に通過することが可能な熱交換器を準備する
工程と、（ｂ）前記２種類以上の原料に関して、前記熱
交換器を通過して前記改質器の供給口に至る熱交換流路
と、前記熱交換器をバイパスして前記改質器の供給口に
至るバイパス流路と、を準備する工程と、（ｃ）前記改
質器における特定の被測定量を測定する工程と、（ｄ）
前記特定の被測定量の測定値に応じて、前記熱交換流路
と前記バイパス流路の流量配分を調整する工程と、を備
えることを特徴とする改質器の制御方法。