JP2003095607A - Apparatus for estimating reaction in fuel reformer - Google Patents

Apparatus for estimating reaction in fuel reformer

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JP2003095607A
JP2003095607A JP2001285007A JP2001285007A JP2003095607A JP 2003095607 A JP2003095607 A JP 2003095607A JP 2001285007 A JP2001285007 A JP 2001285007A JP 2001285007 A JP2001285007 A JP 2001285007A JP 2003095607 A JP2003095607 A JP 2003095607A
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JP
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flow rate
gas
fuel
fuel gas
reforming
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JP2001285007A
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Itsuro Muramoto
逸朗 村本
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To exactly estimate a rate of reaction of a fuel gas, independently of an individual difference of a reformer and variations with time in reforming characteristics. SOLUTION: A flow rate sensor 31 is mounted on the inlet of a reforming reactor 5 to detect a flow rate of the fuel gas which is a mixture of a reforming gas and the original fuel gas. A flow rate sensor 33 is mounted on the outlet of the reforming reactor 5 to detect a flow rate of the reforming gas. Time series signals detected with the flow rate sensors 31 and 32 are recorded in the memory parts 35 and 37 as the first time series signal and the second time series signal, respectively. An answer calculating part 39 seeks an answering characteristic of a variation in the state of the reforming gas to a variation in the state of the fuel gas based on contents memorized in the memory parts 35 and 37 and a part 41 to estimate reaction quantity seeks a reformed quantity of the fuel gas based on the answering characteristic.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、原燃料ガスから水
素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器の改質反応を
推定する燃料改質器の反応推定装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel reformer reaction estimation device for estimating a reforming reaction of a fuel reformer that produces hydrogen-rich reformed gas from raw fuel gas.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、水素ガスと空気中の酸素を反応さ
せて電気化学的に直接発電する燃料電池の研究が盛んに
なってきている。燃料電池へ水素ガスを供給する方法と
しては、直接貯蔵した水素を供給する方法や、メタノー
ル等の原燃料を改質器により改質して水素ガスを得る方
法がある。
2. Description of the Related Art In recent years, much research has been conducted on fuel cells in which hydrogen gas and oxygen in the air are reacted to directly generate electricity electrochemically. As a method of supplying hydrogen gas to the fuel cell, there are a method of directly supplying stored hydrogen and a method of reforming a raw fuel such as methanol by a reformer to obtain hydrogen gas.

【0003】従来の燃料改質技術として、例えば、特開
2000−63104号公報記載の技術がある。この公
報で開示されている燃料改質の制御方法においては、改
質反応器に配置された改質触媒部の改質ガス出口温度
と、改質反応器に導入される改質用燃料の供給量とか
ら、予め測定された反応率特性に基づいて、残留炭化水
素濃度を推定する方法が示されている。
As a conventional fuel reforming technique, for example, there is a technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-63104. In the fuel reforming control method disclosed in this publication, the reforming gas outlet temperature of the reforming catalyst portion arranged in the reforming reactor and the supply of the reforming fuel introduced into the reforming reactor. A method for estimating the residual hydrocarbon concentration from the amount and the reaction rate characteristic measured in advance is shown.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術では、推定された残留炭化水素濃度は、改質器
の反応率特性に依存しているため、改質器の個体差によ
る誤差や、改質特性の経時変化による誤差を避けること
ができないという問題点があった。
However, in the above-mentioned conventional technique, the estimated residual hydrocarbon concentration depends on the reaction rate characteristics of the reformer, so that an error due to individual difference of the reformer or There is a problem in that it is impossible to avoid an error due to a change with time of the modification characteristics.

【0005】以上の問題点に鑑み本発明の目的は、改質
器の個体差や、改質特性の経時変化によらず、燃料ガス
の反応率を正確に推定することができる燃料改質器の反
応推定装置を提供することである。
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel reformer capable of accurately estimating the reaction rate of fuel gas, regardless of individual differences in the reformer and changes in the reforming characteristics with time. It is to provide a reaction estimation device of.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
上記目的を達成するため、原燃料ガスと該原燃料ガスと
反応して水素を生成する改質用ガスとが混合された燃料
ガスが供給され、該燃料ガスを水素リッチな改質ガスに
改質する燃料改質器の改質反応を推定する燃料改質器の
反応推定装置であって、触媒が配置された改質反応器の
入口に設置され、燃料ガスの流量または圧力の少なくと
も一方を検出する燃料ガス状態検出手段と、前記改質反
応器の出口に設置され、改質ガスの流量または圧力の少
なくとも一方を検出する改質ガス状態検出手段と、検出
された燃料ガス状態と、検出された改質ガス状態とか
ら、燃料ガス状態の変化に対する改質ガス状態の変化の
応答特性を求める応答算出手段と、前記応答特性に基づ
いて燃料ガスが改質された量を求める改質量推定手段
と、を備えたことを要旨とする改質器の反応推定装置で
ある。
The invention according to claim 1 is
In order to achieve the above object, a fuel gas in which a raw fuel gas and a reforming gas that reacts with the raw fuel gas to generate hydrogen are mixed is supplied, and the fuel gas is converted into a hydrogen-rich reformed gas. A fuel reformer reaction estimation device for estimating a reforming reaction of a reforming fuel reformer, which is installed at an inlet of a reforming reactor in which a catalyst is arranged, and which controls at least one of a flow rate and a pressure of fuel gas. Detecting fuel gas state detecting means, reforming gas state detecting means installed at the outlet of the reforming reactor and detecting at least one of the flow rate and pressure of the reforming gas, the detected fuel gas state, and detecting Response calculation means for obtaining a response characteristic of the change of the reformed gas state with respect to the change of the fuel gas state from the reformed reformed gas state, and a reforming amount estimation for obtaining the reformed amount of the fuel gas based on the response characteristic. Means and A response estimation unit of the reformer to.

【0007】請求項2記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項1記載の燃料改質器の反応推定装置にお
いて、検出された燃料ガス状態を第一時系列信号として
記憶する第一記憶手段と、検出された改質ガス状態を第
二時系列信号として記憶する第二記憶手段とを有し、前
記応答算出手段は、第一時系列信号に対する第二時系列
信号の応答特性を求める応答算出手段であることを要旨
とする。
According to a second aspect of the present invention, in order to achieve the above object, in the reaction estimating device for a fuel reformer according to the first aspect, the detected fuel gas state is stored as a first temporary series signal. It has a storage means and a second storage means for storing the detected reformed gas state as a second time-series signal, the response calculation means, the response characteristics of the second time-series signal to the first temporary series signal. The gist is that it is a response calculation means to be obtained.

【0008】請求項3記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項1または請求項2記載の燃料改質器の反
応推定装置において、燃料改質器の稼動状態が定常状態
であるか否かを判断する運転状態判別手段と、該運転状
態判別手段により定常状態であると判断されたときに、
燃料ガスの流量を変動させる運転状態変更手段と、を備
え、定常状態から燃料ガスの流量を変動させた時の改質
ガス状態の変化の応答特性に基づいて、改質量を推定す
ることを要旨とする。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 3 is, in the reaction estimation device for a fuel reformer according to claim 1 or claim 2, whether the operating state of the fuel reformer is a steady state. An operating state determination means for determining whether or not, and when the operating state determination means determines a steady state,
And an operation state changing means for changing the flow rate of the fuel gas, wherein the reforming amount is estimated based on the response characteristics of the change in the reformed gas state when the flow rate of the fuel gas is changed from the steady state. And

【0009】[0009]

【作用】ここで本発明の原理を説明する為、メタノール
を原燃料とする改質器について考える。燃料ガスを構成
する組成ガスの分子量(概数)は、メタノール(CH3
OH):32、酸素(O2):32、窒素(N2):2
8、水(H2O):18である。
In order to explain the principle of the present invention, consider a reformer using methanol as a raw fuel. The molecular weight (approximate number) of the composition gas that constitutes the fuel gas is methanol (CH3
OH): 32, oxygen (O2): 32, nitrogen (N2): 2
8, water (H2O): 18.

【0010】改質ガスを構成する組成ガスの分子量は、
上記の燃料ガスの残留ガス以外に、一酸化炭素(C
O):28、二酸化炭素(CO2):44、水素(H
2):2、である。これらのガスの中で水素ガスの分子
量だけが他のガスと比較して、極端に小さいことがわか
る。
The molecular weight of the composition gas constituting the reformed gas is
In addition to the residual gas of the above fuel gas, carbon monoxide (C
O): 28, carbon dioxide (CO2): 44, hydrogen (H
2): 2. It can be seen that among these gases, only the molecular weight of hydrogen gas is extremely small as compared with other gases.

【0011】図6は、一定容積の容器に分子量の異なる
ガスを導入し、オリフィスを出口としたときの、導入ガ
ス流量の変化に対するオリフィスから流出するガスの流
量の応答を示した一例である。この図から、水素ガスの
反応だけが極端に早いこと、また、水素以外のガスは、
分子量が28である窒素ガスも分子量が44である二酸
化炭素もほとんど変化しないことが見て取れる。複数の
組成から成る燃料ガスの反応は、平均的な分子量のガス
と考えて近似することが可能であり、従って、上記の様
な燃料ガスにおいては、その応答は水素の割合に大きく
依存することがわかった。ここで、改質器内は触媒が設
置されているので、外観の大きさに比べて、熱容量は大
きく、気体が通過する容積は小さいので、温度の変化速
度は、流量、圧力の応答速度に対して、十分に遅いと考
えてよい。
FIG. 6 is an example showing the response of the flow rate of the gas flowing out of the orifice to the change of the flow rate of the introduced gas when the gases having different molecular weights are introduced into a container having a constant volume and the orifice is used as the outlet. From this figure, only the reaction of hydrogen gas is extremely fast, and for gases other than hydrogen,
It can be seen that nitrogen gas having a molecular weight of 28 and carbon dioxide having a molecular weight of 44 hardly change. The reaction of fuel gas composed of multiple compositions can be approximated by considering it as an average molecular weight gas. Therefore, in the fuel gas as described above, its response depends largely on the proportion of hydrogen. I understood. Here, since the catalyst is installed inside the reformer, the heat capacity is large and the volume through which the gas passes is small compared to the size of the external appearance, so the rate of temperature change depends on the flow rate and the response speed of pressure. On the other hand, you may think that it is slow enough.

【0012】[0012]

【発明の効果】請求項1記載の発明によれば、原燃料ガ
スと該原燃料ガスと反応して水素を生成する改質用ガス
とが混合された燃料ガスが供給され、該燃料ガスを水素
リッチな改質ガスに改質する燃料改質器の改質反応を推
定する燃料改質器の反応推定装置であって、触媒が配置
された改質反応器の入口に設置され、燃料ガスの流量ま
たは圧力の少なくとも一方を検出する燃料ガス状態検出
手段と、前記改質反応器の出口に設置され、改質ガスの
流量または圧力の少なくとも一方を検出する改質ガス状
態検出手段と、検出された燃料ガス状態と、検出された
改質ガス状態とから、燃料ガス状態の変化に対する改質
ガス状態の変化の応答特性を求める応答算出手段と、前
記応答特性に基づいて燃料ガスが改質された量を求める
改質量推定手段と、を備えたことにより、触媒性能の個
体差や経時劣化に影響されることなく、安定した改質量
推定を行なうことが可能となる。
According to the first aspect of the present invention, the fuel gas in which the raw fuel gas and the reforming gas that reacts with the raw fuel gas to generate hydrogen are mixed is supplied, and the fuel gas is supplied. A reaction estimation device of a fuel reformer for estimating a reforming reaction of a fuel reformer for reforming into a hydrogen-rich reformed gas, which is installed at an inlet of the reforming reactor in which a catalyst is arranged, Fuel gas state detection means for detecting at least one of the flow rate and pressure, and reformed gas state detection means installed at the outlet of the reforming reactor for detecting at least one of the flow rate and pressure of the reformed gas; Response calculation means for obtaining a response characteristic of the change of the reformed gas state with respect to the change of the fuel gas state from the detected fuel gas state and the detected reformed gas state, and the fuel gas is reformed based on the response characteristic. And a reforming amount estimation means for obtaining the amount By having a, without being influenced by individual differences and aging of the catalyst performance, it is possible to perform a stable modified mass estimation.

【0013】請求項2記載の発明によれば、検出された
燃料ガス状態を第一時系列信号として記憶する第一記憶
手段と、検出された改質ガス状態を第二時系列信号とし
て記憶する第二記憶手段とを有し、前記応答算出手段
は、第一時系列信号に対する第二時系列信号の応答特性
を求める応答算出手段であることとしたので、請求項1
記載の発明の効果に加えて、誤差が出来難く精度の高い
改質量推定が出来るという効果がある。
According to the second aspect of the present invention, the first storage means for storing the detected fuel gas state as the first temporary series signal and the detected reformed gas state as the second time series signal. A second storage unit is provided, and the response calculation unit is a response calculation unit that obtains a response characteristic of the second time series signal with respect to the first temporary series signal.
In addition to the effects of the invention described, there is an effect that an error is unlikely to occur and the reforming amount can be estimated with high accuracy.

【0014】請求項3記載の発明によれば、燃料改質器
の稼動状態が定常状態であるか否かを判断する運転状態
判別手段と、該運転状態判別手段により定常状態である
と判断されたときに、燃料ガスの流量を変動させる運転
状態変更手段と、を備え、定常状態から燃料ガスの流量
を変動させた時の改質ガス状態の変化の応答特性に基づ
いて、改質量を推定するようにしたので、請求項1また
は請求項2記載の発明の効果に加えて、定常状態でも水
素の含有量を推定することが可能となるという効果があ
る。
According to the third aspect of the present invention, the operating state determination means for determining whether or not the operating state of the fuel reformer is a steady state, and the operating state determination means determines that the operating state is a steady state. And an operation state changing means for changing the flow rate of the fuel gas, and the reforming amount is estimated based on the response characteristic of the change of the reformed gas state when the flow rate of the fuel gas is changed from the steady state. Therefore, in addition to the effect of the invention according to claim 1 or claim 2, there is an effect that the hydrogen content can be estimated even in a steady state.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】図1は、本発明に係る燃料改質器
の反応推定装置の第1の実施形態を適用した燃料電池シ
ステムの構成図である。なお、この燃料電池システム
は、燃料電池自動車などの移動体に搭載されるシステム
など、発電量を変化させて使用するものである。
1 is a block diagram of a fuel cell system to which a first embodiment of a reaction estimating device for a fuel reformer according to the present invention is applied. The fuel cell system is used by changing the amount of power generation, such as a system mounted on a moving body such as a fuel cell vehicle.

【0016】図1において、燃料改質器である燃料改質
部1は、ミキサ3、改質反応器5、シフト反応器7及び
選択酸化反応器9から成る。ミキサ3は原燃料であるメ
タノールや石油系の燃料(ここでは、メタノールを例に
とって説明する)の蒸気と、水蒸気と、空気とを均一に
混ぜる機能を持っている。改質反応器5は、改質触媒を
充填して成る触媒層を有しており、メタノールと水と空
気中の酸素とを用いて、部分酸化反応および水蒸気改質
反応により、水素を多量に含む改質ガスを生成する。
In FIG. 1, the fuel reformer 1 which is a fuel reformer comprises a mixer 3, a reforming reactor 5, a shift reactor 7 and a selective oxidation reactor 9. The mixer 3 has a function of uniformly mixing the vapor of raw fuel such as methanol and petroleum-based fuel (here, methanol will be described as an example), water vapor, and air. The reforming reactor 5 has a catalyst layer filled with a reforming catalyst, and a large amount of hydrogen is produced by a partial oxidation reaction and a steam reforming reaction using methanol, water, and oxygen in the air. A reformed gas containing is generated.

【0017】改質反応器5で生成された改質ガスは、シ
フト反応器7に送られ、改質ガス中に残留する一酸化炭
素と水をシフト反応させて二酸化炭素と水素を生成した
後、選択酸化反応器9に送られる。選択酸化反応器9
は、選択酸化触媒を充填して成る触媒層を有しており、
圧縮機から供給される空気中の酸素を用いて残留する一
酸化炭素を選択酸化して燃料電池スタック11に無害な
二酸化炭素とする。そして、燃料改質部1で生成された
改質ガスは、燃料電池スタック11に送られる。
The reformed gas produced in the reforming reactor 5 is sent to the shift reactor 7, where carbon monoxide and water remaining in the reformed gas are subjected to a shift reaction to produce carbon dioxide and hydrogen. , To the selective oxidation reactor 9. Selective oxidation reactor 9
Has a catalyst layer filled with a selective oxidation catalyst,
The residual carbon monoxide is selectively oxidized using oxygen in the air supplied from the compressor to produce carbon dioxide that is harmless to the fuel cell stack 11. Then, the reformed gas generated in the fuel reforming section 1 is sent to the fuel cell stack 11.

【0018】燃料電池スタック11は、燃料改質部1か
らの改質ガスと圧縮機からの空気とを用いて、詳しくは
改質ガス中の水素と空気中の酸素とを用いて電気化学反
応により直流電力を発生する。このとき、燃料電池スタ
ック11に供給された水素と酸素は、燃料電池スタック
11内ですべて消費されるわけではなく、一部を残して
排出され、余剰の排改質ガス及び排空気として共に燃焼
器13に送られる。
The fuel cell stack 11 uses the reformed gas from the fuel reforming section 1 and the air from the compressor, specifically, the hydrogen in the reformed gas and the oxygen in the air to cause an electrochemical reaction. Generates DC power. At this time, the hydrogen and oxygen supplied to the fuel cell stack 11 are not all consumed in the fuel cell stack 11, but are partially discharged and burned as excess exhaust reformed gas and exhaust air. Sent to the container 13.

【0019】燃焼器13は、燃料電池スタック11から
排出される余剰の排改質ガスと排空気とを燃焼反応させ
る。このとき、図示しないが、場合によっては、燃料電
池スタック11からの排改質ガスと排空気は、圧縮機か
らの空気や燃料であるメタノールと一緒に燃焼される。
そして、燃焼器13で生成された排気ガスは、蒸発器1
5に送られる。
The combustor 13 burns and reacts the surplus exhaust reformed gas discharged from the fuel cell stack 11 with the exhaust air. At this time, although not shown, in some cases, the exhaust reformed gas and the exhaust air from the fuel cell stack 11 are combusted together with the air from the compressor and the fuel methanol.
Then, the exhaust gas generated in the combustor 13 is transferred to the evaporator 1
Sent to 5.

【0020】蒸発器15は、燃焼器13から排出される
排気ガスの熱を回収してメタノールと水を蒸発させる。
すなわち、燃焼器13における燃焼反応の熱は、排気ガ
スによって蒸発器15に運ばれ、メタノールと水を蒸発
させるために再利用される。そして、蒸発器15で蒸発
されたメタノールと水はそれぞれメタノール蒸気、水蒸
気となって燃料改質部1内のミキサ3に送られ、ミキサ
3により均一に混合されて燃料ガスとなり、改質反応器
5へ送られる。
The evaporator 15 recovers the heat of the exhaust gas discharged from the combustor 13 to evaporate methanol and water.
That is, the heat of the combustion reaction in the combustor 13 is carried to the evaporator 15 by the exhaust gas and is reused for evaporating methanol and water. Then, the methanol and water evaporated in the evaporator 15 become methanol vapor and water vapor, respectively, and are sent to the mixer 3 in the fuel reforming section 1, and are uniformly mixed by the mixer 3 to become fuel gas, and the reforming reactor. Sent to 5.

【0021】バッテリ21は、燃料電池スタック11に
よって発電された余剰電力や燃料電池自動車が減速する
際の駆動モータ23による回生電力を蓄積するととも
に、駆動モータ23で消費される走行電力や、図示しな
い空気圧縮機、燃料改質部1、燃焼器13等で消費され
る補機電力などを賄うのに十分な発電が燃料電池スタッ
ク11によって行われなかった場合には、放電して駆動
モータ23や補機(圧縮機、燃料改質部1、燃焼器13
等)に給電し、不足電力を補う。これらの電力の配分
は、電力制御装置21によって行われる。
The battery 21 accumulates surplus power generated by the fuel cell stack 11 and regenerative power generated by the drive motor 23 when the fuel cell vehicle is decelerated, and the running power consumed by the drive motor 23 and not shown. When the fuel cell stack 11 does not generate enough power to cover the auxiliary electric power consumed by the air compressor, the fuel reforming section 1, the combustor 13, etc., the fuel cell stack 11 is discharged and the drive motor 23, Auxiliary equipment (compressor, fuel reformer 1, combustor 13
Etc.) to compensate for the power shortage. The distribution of these powers is performed by the power control device 21.

【0022】コントローラ19は、電力制御装置21に
よる電力配分を制御すると同時に、例えば、反応推定装
置17で推定された改質ガスにおける水素の割合から、
残留メタノールの量を推定するなどして、図示していな
い、空気、メタノールなどの流量を調整するバルブの制
御等を行なう。
The controller 19 controls the electric power distribution by the electric power control device 21, and at the same time, for example, from the ratio of hydrogen in the reformed gas estimated by the reaction estimation device 17,
Control of a valve (not shown) for adjusting the flow rate of air, methanol, etc. is performed by estimating the amount of residual methanol.

【0023】本発明に係る燃料改質器の反応推定装置1
7は、触媒が配置された改質反応器5の入口に設置さ
れ、改質用ガスと原燃料ガスとが混合された燃料ガスの
流量を検出する燃料ガス状態検出手段としての流量セン
サ31と、改質反応器5の出口に設置され、改質ガスの
流量を検出する改質ガス状態検出手段としての流量セン
サ33と、流量センサ31が検出した流量の時系列信号
を第一時系列信号として記憶する記憶部35と、流量セ
ンサ33が検出した流量の時系列信号を第二時系列信号
として記憶する記憶部37と、検出された燃料ガス状態
と、検出された改質ガス状態とから、燃料ガス状態の変
化に対する改質ガス状態の変化の応答特性を求める応答
算出手段としての応答算出部39と、応答特性に基づい
て燃料ガスが改質された量を求める改質量推定手段とし
ての反応量推定部41と、を備えている。
Reaction estimating device 1 for a fuel reformer according to the present invention
7 is a flow rate sensor 31, which is installed at the inlet of the reforming reactor 5 in which a catalyst is arranged, and which detects a flow rate of the fuel gas in which the reforming gas and the raw fuel gas are mixed, and a flow rate sensor 31. A flow rate sensor 33 installed at the outlet of the reforming reactor 5 as a reformed gas state detecting means for detecting the flow rate of the reformed gas, and a time series signal of the flow rate detected by the flow rate sensor 31 as a temporary series signal. From the storage unit 35 that stores the time-series signal of the flow rate detected by the flow rate sensor 33 as the second time-series signal, the detected fuel gas state, and the detected reformed gas state. , A response calculating unit 39 as a response calculating unit that obtains a response characteristic of a change in the reformed gas state with respect to a change in the fuel gas state, and a reforming amount estimation unit that obtains an amount of reformed fuel gas based on the response characteristic Reaction amount estimation unit 4 It has a, and.

【0024】尚、流量センサ31及び33を除いた反応
推定装置17は、例えば、1チップマイクロコンピュー
タとして構成してもよいし、コントローラ19と一体化
して構成してもよい。
The reaction estimation device 17 excluding the flow rate sensors 31 and 33 may be configured as, for example, a one-chip microcomputer or may be integrated with the controller 19.

【0025】次に、反応推定装置17の動作を説明す
る。改質反応器5の入口に設置された流量センサ31
は、改質反応器5に流入する燃料ガスの流量を測定して
いる。また、改質反応器5の出口に設置された流量セン
サ33は、改質反応器5から流出する改質ガスの流量を
測定している。
Next, the operation of the reaction estimation device 17 will be described. Flow rate sensor 31 installed at the inlet of the reforming reactor 5
Measures the flow rate of the fuel gas flowing into the reforming reactor 5. The flow rate sensor 33 installed at the outlet of the reforming reactor 5 measures the flow rate of the reformed gas flowing out of the reforming reactor 5.

【0026】流量センサ31で測定された燃料ガスの流
量の時系列データは記憶部35で記憶される。また、流
量センサ33で測定された改質ガスの流量の時系列デー
タは記憶部37で記憶される。
The time series data of the flow rate of the fuel gas measured by the flow rate sensor 31 is stored in the storage unit 35. The time series data of the flow rate of the reformed gas measured by the flow rate sensor 33 is stored in the storage unit 37.

【0027】応答算出部39では、燃料ガスの流量の時
系列データと改質ガスの流量の時系列データから燃料ガ
スの変化に対する改質ガスの応答を算出する。
The response calculator 39 calculates the response of the reformed gas to the change in the fuel gas from the time series data of the flow rate of the fuel gas and the time series data of the flow rate of the reformed gas.

【0028】反応量推定部41は、予め実験などにより
求められている、改質器入口の燃料ガス流量の変化に対
する改質器出口の改質ガス流量の応答特性と、水素の割
合との関係を示すマップデータなどを持っており、応答
算出部39により求められた応答から、マップを参照し
て、改質ガスに含まれる水素の割合を推定するものであ
る。
The reaction amount estimating unit 41 has a relationship between the proportion of hydrogen and the response characteristic of the reformed gas flow rate at the reformer outlet with respect to the change in the fuel gas flow rate at the reformer inlet, which has been previously obtained by experiments. It has the map data and so on, and the ratio of hydrogen contained in the reformed gas is estimated from the response obtained by the response calculation unit 39 with reference to the map.

【0029】次に、本実施形態における特に本発明に関
わる部分の作用、すなわち、改質ガス中の水素の割合を
推定する方法について説明する。流量センサ31で測定
された燃料ガスの流量の時系列データは、例えば、常
に、直前に測定されたn個のデータが記憶部35で記憶
されるものとし、その時系列データは、
Next, the operation of the portion particularly related to the present invention in this embodiment, that is, the method of estimating the proportion of hydrogen in the reformed gas will be described. As the time series data of the flow rate of the fuel gas measured by the flow rate sensor 31, for example, n pieces of data measured immediately before are always stored in the storage unit 35, and the time series data is

【数1】u(1),…,u(n) …(1) で表されるものとする。## EQU1 ## u (1), ..., u (n) ... (1) Shall be represented by.

【0030】同様に、流量センサ33で測定された改質
ガスの流量の時系列データは、例えば、常に、直前に測
定されたn個のデータが記憶部37で記憶されるものと
し、その時系列データは、
Similarly, for the time series data of the flow rate of the reformed gas measured by the flow rate sensor 33, for example, n pieces of data measured immediately before are always stored in the storage unit 37, and the time series data thereof is shown. Data is,

【数2】y(1),…,y(n) …(2) で表されるものとする。## EQU2 ## y (1), ..., Y (n) ... (2) Shall be represented by.

【0031】さて、ここで、改質ガスの燃料ガスに対す
る応答特性は、ゲインa、時定数Tの一次遅れ特性で表
すると、微分演算子sを用いて、uとyの関係は以下の
様に表すことが出来る。
Now, when the response characteristic of the reformed gas to the fuel gas is expressed by the first-order lag characteristic of the gain a and the time constant T, the differential operator s is used and the relation between u and y is as follows. Can be expressed as

【0032】[0032]

【数3】 ここで、改質ガスの燃料ガスに対する応答特性に対して
十分に大きい遮断周波数を持つローパスフィルタF
(s)を導入し下式を得る。
[Equation 3] Here, the low-pass filter F having a cutoff frequency sufficiently large with respect to the response characteristic of the reformed gas to the fuel gas.
(S) is introduced to obtain the following formula.

【0033】[0033]

【数4】 以下のベクトルX、Y、θを定義する。ここで、kは1
以上n以下の整数である。
[Equation 4] The following vectors X, Y and θ are defined. Where k is 1
It is an integer not less than n.

【0034】[0034]

【数5】 この様にして、応答算出部39では応答特性を示す時定
数Tを求めることができる。
[Equation 5] In this way, the response calculator 39 can determine the time constant T indicating the response characteristic.

【0035】図2に示すように、燃料ガスの流量を変化
させたときの改質ガスの流量変化の応答特性は、改質ガ
ス中の水素含有割合が速いほど応答速度が速い特性を有
しており本実施形態ではこの応答特性を利用して改質ガ
ス中の水素含有割合の推定を行う。
As shown in FIG. 2, the response characteristic of the flow rate change of the reformed gas when the flow rate of the fuel gas is changed is such that the faster the hydrogen content in the reformed gas, the faster the response speed. Therefore, in this embodiment, the hydrogen content ratio in the reformed gas is estimated by utilizing this response characteristic.

【0036】反応量推定部41では、予め実験等で求め
られた図3に示すような時定数と水素含有割合の関係を
示すマップを持っており、このマップを参照することに
より水素含有割合を算出(推定)している。
The reaction amount estimating unit 41 has a map showing the relationship between the time constant and the hydrogen content ratio as shown in FIG. 3, which is obtained in advance by experiments or the like, and the hydrogen content ratio can be determined by referring to this map. It is calculated (estimated).

【0037】ここでは、応答特性を1次遅れとし、応答
特性を代表するパラメータを時定数としたが、応答特性
は2次遅れ等、他の特性としても良いし、また、応答特
性を代表するパラメータは2次遅れであれば固有振動数
としてもよいし、また、遅れ時間(制定した時の値を1
00%として50%に到達するまでの時間)や立上り時
間(10%から90%に到達するまでの時間)としても
よい。
Although the response characteristic is a first-order lag and the parameter representing the response characteristic is a time constant here, the response characteristic may be another characteristic such as a second-order lag, or the response characteristic is representative. The parameter may be the natural frequency as long as it is a secondary delay, and the delay time (the value at the time of establishment is 1
The time may be set to 00% to reach 50%) or the rise time (time to reach 10% to 90%).

【0038】また、流量センサ31,33の検出値を一
旦時系列データとして記憶部35,37に記憶するの
で、時系列の前後のデータを比較してノイズデータであ
ることを判定するのが容易になるので、判定したノイズ
データを除外、又は適当な補間関数により補間、又は修
正を施して用いる様にすると、更に精度が向上する。
Further, since the detection values of the flow rate sensors 31, 33 are temporarily stored in the storage units 35, 37 as time series data, it is easy to compare the data before and after the time series to determine that they are noise data. Therefore, if the determined noise data is excluded, or if it is used after being interpolated or modified by an appropriate interpolation function, the accuracy is further improved.

【0039】以上説明した第1の実施形態によれば、触
媒性能の個体差や経時劣化に影響されることなく、安定
した改質量推定を行なうことが可能となる。また、誤差
が出来難く精度の高い改質量推定が出来る。
According to the first embodiment described above, stable reforming amount estimation can be performed without being affected by individual differences in catalyst performance and deterioration over time. In addition, it is possible to estimate the reforming amount with high accuracy without making an error.

【0040】図4は、本発明に係る燃料改質器の反応推
定装置の第2の実施形態を適用した燃料電池システムの
構成図である。図1に示した第1の実施形態に対して、
図4の第2の実施形態における反応推定装置17aで
は、シフト反応器7の出口の流量を検出する流量センサ
43と、流量センサ43が検出した流量信号を時系列デ
ータとして記憶する記憶部45と、記憶部37に記憶さ
れた改質反応器5の出口の流量、即ちシフト反応器7の
入口の流量の時系列データと記憶部45に記憶されたシ
フト反応器7の出口流量の時系列データから改質ガスに
対する反応ガスの応答特性を算出する応答算出部47
と、得られた流量応答特性からシフト反応器7で増加し
た水素の割合を算出する反応量推定部49と、が追加さ
れていることである。その他の構成は、図1に示した第
1の実施形態の構成と同様であるので、同じ構成要素に
は、同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
FIG. 4 is a configuration diagram of a fuel cell system to which the second embodiment of the reaction estimating device for a fuel reformer according to the present invention is applied. In contrast to the first embodiment shown in FIG.
In the reaction estimation device 17a in the second embodiment of FIG. 4, a flow rate sensor 43 that detects the flow rate at the outlet of the shift reactor 7, and a storage unit 45 that stores the flow rate signal detected by the flow rate sensor 43 as time series data. , The flow rate at the outlet of the reforming reactor 5 stored in the storage unit 37, that is, the time-series data of the flow rate at the inlet of the shift reactor 7, and the time-series data of the flow rate at the outlet of the shift reactor 7 stored in the storage unit 45. Response calculation unit 47 that calculates the response characteristics of the reaction gas to the reformed gas from
And a reaction amount estimation unit 49 that calculates the proportion of hydrogen increased in the shift reactor 7 from the obtained flow rate response characteristics. Since other configurations are similar to those of the first embodiment shown in FIG. 1, the same reference numerals are given to the same components, and duplicated description will be omitted.

【0041】次に、第2実施形態の動作を説明する。本
実施形態では、シフト反応器7の出口にも流量センサ4
3を設置し、シフト反応器7から出力される反応ガスの
流量の時系列データを記憶部45に記憶するので、記憶
部37に記憶された改質反応器5の出口の流量、即ちシ
フト反応器7の入口の流量の時系列データと併せると、
シフト反応器7の入口及び出口のガス状態の時系列デー
タが得られる。
Next, the operation of the second embodiment will be described. In this embodiment, the flow rate sensor 4 is also provided at the outlet of the shift reactor 7.
3 is installed and the time series data of the flow rate of the reaction gas output from the shift reactor 7 is stored in the storage unit 45, the flow rate at the outlet of the reforming reactor 5 stored in the storage unit 37, that is, the shift reaction. Combined with the time series data of the flow rate at the inlet of vessel 7,
Time series data of the gas state at the inlet and the outlet of the shift reactor 7 can be obtained.

【0042】そして、これらの時系列データに基づい
て、応答算出部47は、シフト反応器7における改質ガ
スに対する反応ガスの応答特性を算出することができ、
この応答特性に基づいて、反応量推定部49はシフト反
応器7で増加した水素の割合を算出することができる。
応答算出部47及び反応量推定部49における算出方法
は、第1実施形態で説明した応答算出部39及び反応量
推定部41における算出方法と同様である。反応量推定
部41における水素量の推定を加えることにより、コン
トローラ19は燃料改質部1で得られた水素量を更に正
確に推定することができる。
Then, based on these time-series data, the response calculator 47 can calculate the response characteristics of the reaction gas to the reformed gas in the shift reactor 7,
Based on this response characteristic, the reaction amount estimation unit 49 can calculate the proportion of hydrogen increased in the shift reactor 7.
The calculation method in the response calculation unit 47 and the reaction amount estimation unit 49 is the same as the calculation method in the response calculation unit 39 and the reaction amount estimation unit 41 described in the first embodiment. By adding the estimation of the hydrogen amount in the reaction amount estimation unit 41, the controller 19 can estimate the hydrogen amount obtained in the fuel reforming unit 1 more accurately.

【0043】図5は、本発明に係る燃料改質器の反応推
定装置の第3実施形態を適用した燃料電池システムの構
成図である。図1に示した第1の実施形態に対して、図
5の第3実施形態における反応推定装置17bの構成上
の相違は、燃料改質器の稼動状態が定常状態であるか否
かを判断する運転状態判別手段としての運転状態判別部
51と、運転状態判別部51により定常状態であると判
断されたときに、燃料ガスの流量を変動させる運転状態
変更手段としての運転状態変更部53とが追加されてい
ることである。
FIG. 5 is a configuration diagram of a fuel cell system to which the third embodiment of the reaction estimating device for a fuel reformer according to the present invention is applied. The difference in the configuration of the reaction estimation device 17b in the third embodiment shown in FIG. 5 from the first embodiment shown in FIG. 1 is whether or not the operating state of the fuel reformer is a steady state. An operating state discriminating unit 51 as an operating state discriminating unit, and an operating state changing unit 53 as an operating state changing unit for varying the flow rate of the fuel gas when the operating state discriminating unit 51 determines that the operating state is a steady state. Has been added.

【0044】そして、応答算出部39、反応量推定部4
1は、定常状態から燃料ガスの流量を変動させた時の改
質ガス状態の変化の応答特性に基づいて、改質量を推定
するようにしたので、改質器の運転状態が定常状態であ
っても改質量を推定することができる。その他の構成
は、図1に示した第1の実施形態の構成と同様であるの
で、同じ構成要素には、同じ符号を付与して、重複する
説明を省略する。
Then, the response calculation unit 39 and the reaction amount estimation unit 4
In No. 1, since the reforming amount is estimated based on the response characteristic of the change in the reformed gas state when the flow rate of the fuel gas is changed from the steady state, the reformer operating state is the steady state. However, the reforming amount can be estimated. Since other configurations are similar to those of the first embodiment shown in FIG. 1, the same reference numerals are given to the same components, and duplicated description will be omitted.

【0045】本実施形態では、記憶部35で記憶された
改質反応器5に投入される燃料ガスの流量の時系列デー
タが運転状態判別部51にも取り込まれる。運転状態判
別部51では、取り込まれた燃料ガスの流量の時系列デ
ータから、予め定められた時間、応答が推定可能な流量
変化があったか否かを判定し、この判定に基づいて定常
状態であるか否かを判定する。即ち、所定時間、推定可
能な流量変化がなかったとき、定常状態と判定する。
In this embodiment, the time-series data of the flow rate of the fuel gas supplied to the reforming reactor 5 stored in the storage unit 35 is also fetched in the operation state determination unit 51. The operating state determination unit 51 determines from the captured time series data of the flow rate of the fuel gas whether or not there is a change in the flow rate at which the response can be estimated for a predetermined time, and the steady state is based on this determination. Or not. That is, when there is no change in the flow rate that can be estimated for a predetermined period of time, it is determined that the steady state.

【0046】そして、運転状態判別部51が定常状態と
判定したとき、運転状態変更部53では、改質ガス状態
の変化の応答に基づいて改質量推定が可能な燃料ガス流
量の変動量を求め、この変動量をコントローラ19に送
る。この変動量は、燃料改質部1の状態の変動を最小限
にするような、例えば、パルス状の信号である。コント
ローラ19では、運転状態変更部53から送られた変動
量を燃料ガスの目標流量に対して加えて、実際に、流量
を制御している、図示していないアクチュエータに対す
る制御信号を算出する。そして、この燃料ガスの目標流
量の変動に対する改質ガス状態の応答特性を応答算出部
39で算出し、この応答特性に基づいて反応量推定部4
1は、改質ガス中の水素含有割合を算出する。
When the operating state discriminating unit 51 determines that the operating state is changing to the steady state, the operating state changing unit 53 obtains a variation amount of the fuel gas flow rate that enables estimation of the reforming amount based on the response of the change in the reformed gas state. , This variation amount is sent to the controller 19. This fluctuation amount is, for example, a pulse-shaped signal that minimizes fluctuations in the state of the fuel reformer 1. The controller 19 adds the fluctuation amount sent from the operation state changing unit 53 to the target flow rate of the fuel gas to calculate a control signal for an actuator (not shown) that actually controls the flow rate. Then, the response calculation unit 39 calculates the response characteristic of the reformed gas state with respect to the fluctuation of the target flow rate of the fuel gas, and the reaction amount estimation unit 4 based on this response characteristic.
1 calculates the hydrogen content ratio in the reformed gas.

【0047】本実施形態においては、記憶部35で記憶
された信号を使って、運転状態に変化が無いか否かを判
定したが、もちろん、記憶部37で記憶された信号を使
って判断してもよいし、それ以外の、燃料改質部1の動
作状態を代表する物理状態でもかまわない。また、コン
トローラ19内で用いられている、アクチュエータ制御
信号や、流量等の目標値から判定してもよい。
In the present embodiment, the signal stored in the storage unit 35 is used to determine whether or not there is a change in the operating state. However, of course, the signal stored in the storage unit 37 is used for the determination. Alternatively, other physical states that represent the operating state of the fuel reformer 1 may be used. Alternatively, the determination may be made from the actuator control signal used in the controller 19 or a target value such as a flow rate.

【0048】また、以上の実施形態においては、燃料ガ
ス及び改質ガスの状態としてガス流量を用いたが、ガス
流量に代えてガス圧力を用いてもよい。この場合、図
1、4、5における流量センサを圧力センサに置き換
え、応答算出部39(47)においては、圧力の応答を
算出し、図3のマップの横軸を圧力変化の時定数とす
る。
Further, in the above embodiments, the gas flow rate is used as the state of the fuel gas and the reformed gas, but the gas pressure may be used instead of the gas flow rate. In this case, the flow rate sensor in FIGS. 1, 4 and 5 is replaced with a pressure sensor, the response calculation unit 39 (47) calculates the pressure response, and the horizontal axis of the map in FIG. 3 is used as the time constant of the pressure change. .

【0049】また、図1、4、5における流量センサに
圧力センサを追加し、応答算出部39(47)において
は、入力側の圧力と出力側の圧力の組み合わせ毎に、図
3のようなマップを持たせるような構成としても良い。
Further, a pressure sensor is added to the flow rate sensor in FIGS. 1, 4 and 5, and in the response calculation section 39 (47), as shown in FIG. 3, for each combination of the pressure on the input side and the pressure on the output side. It may be configured to have a map.

【0050】なお、流量あるいは圧力を直接検出しなく
ともこれらに相関のある値を検出することで間接的に流
量あるいは圧力を用いて推定するように構成しても良
い。
It should be noted that the flow rate or pressure may be indirectly estimated by detecting a value having a correlation therewith without directly detecting the flow rate or pressure.

【0051】また、常時本発明の反応量推定手段を用い
なくとも、通常は従来技術で挙げたような簡易的な推定
手段を用い、時々本発明の反応量推定手段を用いて補正
をするという構成としてもよい。
Further, even if the reaction amount estimating means of the present invention is not always used, a simple estimating means as mentioned in the prior art is usually used, and sometimes the reaction amount estimating means of the present invention is used for correction. It may be configured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係る燃料改質器の反応推定装置の第1
の実施形態を適用した燃料電池システムの構成図であ
る。
FIG. 1 is a first embodiment of a reaction estimating device for a fuel reformer according to the present invention.
3 is a configuration diagram of a fuel cell system to which the embodiment of FIG.

【図2】第1実施形態における燃料ガス流量に対する改
質ガス流量の応答特性を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a response characteristic of a reformed gas flow rate with respect to a fuel gas flow rate in the first embodiment.

【図3】応答特性を示す時定数と改質ガス中の水素含有
割合との関係を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a time constant showing a response characteristic and a hydrogen content ratio in a reformed gas.

【図4】本発明に係る燃料改質器の反応推定装置の第2
の実施形態を適用した燃料電池システムの構成図であ
る。
FIG. 4 is a second reaction estimating device for a fuel reformer according to the present invention.
3 is a configuration diagram of a fuel cell system to which the embodiment of FIG.

【図5】本発明に係る燃料改質器の反応推定装置の第3
の実施形態を適用した燃料電池システムの構成図であ
る。
FIG. 5 is a third view of the reaction estimation device of the fuel reformer according to the present invention.
3 is a configuration diagram of a fuel cell system to which the embodiment of FIG.

【図6】気体の分子量と応答特性との関係を示す図であ
る。
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a molecular weight of gas and response characteristics.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…燃料改質部 3…ミキサ 5…改質反応器 7…シフト反応器 9…選択酸化反応器 11…燃料電池スタック 13…燃焼器 15…蒸発器 17…反応推定装置 19…コントローラ 21…電力制御装置 23…駆動モータ 25…バッテリ 31、33…流量センサ 35、37…記憶部 39…応答算出部 41…反応量推定部 1 ... Fuel reformer 3 ... mixer 5 ... Reforming reactor 7 ... Shift reactor 9 ... Selective oxidation reactor 11 ... Fuel cell stack 13 ... Combustor 15 ... Evaporator 17 ... Reaction estimation device 19 ... Controller 21 ... Power control device 23 ... Drive motor 25 ... Battery 31, 33 ... Flow rate sensor 35, 37 ... Storage unit 39 ... Response calculation unit 41 ... Reaction amount estimation unit

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 原燃料ガスと該原燃料ガスと反応して水
素を生成する改質用ガスとが混合された燃料ガスが供給
され、該燃料ガスを水素リッチな改質ガスに改質する燃
料改質器の改質反応を推定する燃料改質器の反応推定装
置であって、 触媒が配置された改質反応器の入口に設置され、燃料ガ
スの流量または圧力の少なくとも一方を検出する燃料ガ
ス状態検出手段と、 前記改質反応器の出口に設置され、改質ガスの流量また
は圧力の少なくとも一方を検出する改質ガス状態検出手
段と、 検出された燃料ガス状態と、検出された改質ガス状態と
から、燃料ガス状態の変化に対する改質ガス状態の変化
の応答特性を求める応答算出手段と、 前記応答特性に基づいて燃料ガスが改質された量を求め
る改質量推定手段と、 を備えたことを特徴とする燃料改質器の反応推定装置。
1. A fuel gas in which a raw fuel gas and a reforming gas that reacts with the raw fuel gas to generate hydrogen are mixed is supplied, and the fuel gas is reformed into a hydrogen-rich reformed gas. A reaction estimation device of a fuel reformer for estimating a reforming reaction of a fuel reformer, which is installed at an inlet of a reforming reactor in which a catalyst is arranged, and detects at least one of a flow rate and a pressure of fuel gas. A fuel gas state detection unit, a reformed gas state detection unit installed at the outlet of the reforming reactor for detecting at least one of the flow rate and pressure of the reformed gas, the detected fuel gas state, and the detected fuel gas state. Response calculation means for obtaining a response characteristic of the change of the reformed gas state with respect to the change of the fuel gas state from the reformed gas state, and reforming amount estimation means for obtaining the reformed amount of the fuel gas based on the response characteristic. Is characterized by Response estimation apparatus charge reformer.
【請求項2】 検出された燃料ガス状態を第一時系列信
号として記憶する第一記憶手段と、検出された改質ガス
状態を第二時系列信号として記憶する第二記憶手段とを
有し、 前記応答算出手段は、第一時系列信号に対する第二時系
列信号の応答特性を求める応答算出手段であることを特
徴とする請求項1記載の燃料改質器の反応推定装置。
2. A first storage means for storing the detected fuel gas state as a first temporary series signal, and a second storage means for storing the detected reformed gas state as a second time series signal. 2. The reaction estimation device for a fuel reformer according to claim 1, wherein the response calculation unit is a response calculation unit that obtains a response characteristic of the second time series signal with respect to the first temporary series signal.
【請求項3】 燃料改質器の稼動状態が定常状態である
か否かを判断する運転状態判別手段と、 該運転状態判別手段により定常状態であると判断された
ときに、燃料ガスの流量を変動させる運転状態変更手段
と、を備え、 定常状態から燃料ガスの流量を変動させた時の改質ガス
状態の変化の応答特性に基づいて、改質量を推定するこ
とを特徴とする請求項1または請求項2記載の燃料改質
器の反応推定装置。
3. An operating state determination means for determining whether or not the operating state of the fuel reformer is a steady state, and a flow rate of the fuel gas when the operating state determination means determines the steady state. And an operating state changing means for changing the fuel cell flow rate, and estimating the reforming amount based on the response characteristic of the change in the reformed gas state when the flow rate of the fuel gas is changed from the steady state. The reaction estimation device for a fuel reformer according to claim 1 or 2.
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