JP3733850B2

JP3733850B2 - 燃料改質装置

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Publication number: JP3733850B2
Application number: JP2000294500A
Authority: JP
Inventors: 勝岡本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2020-09-27
Also published as: JP2002104803A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常の燃料改質装置においては改質燃料（例えばメタノールと水）から水素を主成分とする改質ガスを生成する改質反応器が備えられている。
【０００３】
改質反応器では改質ガスを生成する改質反応とメタノールと酸化剤（例えば、空気）とを反応させて生じる部分酸化反応とが発生している。改質反応のメタノールと水の反応は吸熱反応であるため、改質反応を維持するためには熱量を供給し、改質反応器内の温度を所定温度に維持する必要がある。
【０００４】
この熱量を確保するために部分酸化反応を発生させて、その発熱によって改質反応器の温度を維持する。このように吸熱反応で失われた熱量と、発熱反応で発生した熱量をバランスさせることによって、改質反応器内の温度を反応に必要な最適温度に維持し、外部からの熱量の供給を不要としている。
【０００５】
特開２０００−５３４０３号公報には、このような外部熱源を用いることなしに改質反応器を所定の温度に維持する技術が開示されている。
【０００６】
これは改質反応に必要な空気の流量を、改質反応の理論吸熱量と部分酸化反応の理論発熱量とに基づいて決定し、改質反応器の温度を一定にするようにしたものである。また改質反応器内の温度を測定し、測定温度が所定の温度になるように改質反応器に導入する目標空気流量を補正する温度フィードバック制御を開示している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
改質反応器内で生じる改質反応と部分酸化反応ではその反応速度が異なり、部分酸化反応の反応速度の方が改質反応の反応速度よりも速い。このため改質ガス生成用のメタノールと水の目標流量値と、空気の目標流量値とを算出して改質反応器内に導入すると、まず空気導入口近傍で部分酸化反応が優先的に生じ、その付近の温度が上昇し、この温度上昇を受けて改質反応が発生することになる。この結果として空気導入口付近の温度が他の部分より高く、改質反応器内で温度差を生じることになる。
【０００８】
しかしながら、特開２０００−５３４０３号公報に記載の技術では、部分酸化反応（発熱反応）が吸熱反応より空気導入口付近で優先的に行われ、温度が上昇するという状態を考慮しておらず、改質反応器内は常に均一な反応が生じるとして空気流量を算出している。したがって、この従来技術では算出した空気流量が多めとなり、改質反応器内の部分酸化が生じる領域で高温となる不具合が起こる恐れがある。
【０００９】
また改質反応器内で生じる反応の反応速度と改質反応器内の温度との関係は非線形特性を示し、改質反応器内の温度が高いと反応速度は速く、逆に温度が低いと反応速度は遅くなる。
【００１０】
改質反応器内の温度は部分酸化反応によって維持されており、その温度変化は導入される空気流量に依存する。したがって空気流量の変化に伴って発熱反応が生じ急激に温度が上昇する領域（空気導入口近傍の領域）と、空気流量の変化の影響をさほど受けず温度変化が少ない領域（空気導入口から遠い領域）とに大別されることになる。
【００１１】
つまり空気流量の変化と改質反応器内の温度変化は非線形特性を示すといえる。しかしながら特開２０００−５３４０３号公報に記載の技術では温度フィードバック制御によって、改質反応器内の温度を所定温度に制御するようにしているが、改質反応器内の温度変化の非線形性を考慮しておらず、温度フィードバック制御が不安定となり、改質反応器内の温度が異常に高かったり低かったりする不具合が生じる恐れがある。あるいは制御ゲインを小さくして温度制御応答性を犠牲にして対応すると、改質反応器内の温度が長時間に渡って目標温度から外れることになり、発生水素量の低下、残留メタノール量の増加、残留一酸化炭素量の増加が起こる。
【００１２】
そこで本発明は、このような問題を解決する、改質反応器の温度を改質反応に要求される目標温度に維持するための温度制御器を備えた燃料改質装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、図７に示すように、吸熱を伴う改質反応と発熱を伴う部分酸化反応とを併用し、燃料と酸化剤を反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質反応器（１）と、改質反応器に酸化剤を供給する酸化剤供給器（２）と、を備えた燃料改質装置において、改質反応器内で最も高温となる部位の反応熱量の変化量を推定する反応熱量変化推定手段（Ａ４）と、改質反応器に供給する燃料流量を算出する燃料流量算出手段と、改質反応器に供給する燃料流量に基づいて改質反応器に供給する酸化剤の目標流量を算出する目標酸化剤流量算出手段（Ｃ２）と、改質反応器内の最も高温となる部位の温度が目標温度を維持するように目標酸化剤流量算出手段で算出した酸化剤の目標流量を反応熱量変化推定手段が推定した熱量変化に基づいて補正する目標酸化剤流量補正手段（Ａ３）とを備える。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、前記反応熱量変化推定手段は、改質反応器に供給される改質燃料の流量、温度、同じく酸化剤の流量、温度に基づいて改質反応器内の最も高温となる部位を指定して、その部位の反応熱量の変化を推定する。
【００１５】
第３の発明は、第１または２の発明において、改質反応器内の温度を検出する改質反応器温度検出手段（９）と、改質反応器内の実測温度と目標温度の偏差に基づいて、目標酸化剤流量算出手段（Ｃ２）が算出した目標値を補正する補正量を算出する温度フィードバック制御手段（Ａ１）と、温度フィードバック制御手段（Ａ１）が算出した補正量に基づいて、目標酸化剤流量算出手段（Ｃ２）が算出した目標値を補正するかどうかを判定する目標値修正判定手段（Ａ６）と、目標値修正判定手段（Ａ６）の判定に基づいて、目標酸化剤流量算出手段（Ｃ２）が算出した目標値を補正する目標酸化剤流量修正手段（Ａ２）とを備える。
【００１６】
第４の発明は、第３の発明において、改質反応器の酸化剤の供給流量を検出する酸化剤流量検出手段（５）と、改質反応器に供給される改質燃料流量に基づいて、改質反応器内の酸化剤の最適温度範囲を算出する温度上下限算出手段（Ａ７）と、温度上下限算出手段（Ａ７）の算出した最適温度範囲と改質反応器内の実測温度との偏差に基づいて、目標酸化剤流量補正手段（Ａ３）が算出した酸化剤目標流量の補正値を制限するかどうかを判定する第１制限判定手段（Ａ１０）と、第１制限判定手段（Ａ１０）の判定に基づいて、目標酸化剤流量補正手段（Ａ３）が算出した酸化剤目標流量の補正値を制限する第１制限手段（Ａ５）とを備える。
【００１７】
第５の発明は、第４の発明において、改質反応器に供給される改質燃料流量に基づいて、改質反応器内の酸化剤の最適流量範囲を算出する流量上下限算出手段（Ａ９）と、流量上下限算出手段（Ａ９）の算出した最適流量範囲と改質反応器内の実測流量との偏差に基づいて、目標酸化剤流量補正手段（Ａ３）が算出した酸化剤目標流量の補正値を制限するかどうかを判定する第２制限判定手段（Ａ１１）と、第２制限判定手段（Ａ１１）の出力に基づいて、第１制限手段（Ａ５）によって制限された目標酸化剤流量補正手段（Ａ３）が算出した酸化剤目標流量の補正値をさらに制限する第２制限手段（Ａ８）とを備える。
【００１８】
【発明の効果】
第１、２の発明では、燃料改質装置は吸熱を伴う改質反応と発熱を伴う部分酸化反応とを併用し、改質ガスを生成する改質反応器と、改質反応器に酸化剤を供給する酸化剤供給器とを備える。さらに燃料改質装置は、改質反応器内で最も高温となる部位の反応熱量の変化量を推定し、改質反応器内の最も高温となる部位の温度が目標温度を維持するように酸化剤の目標流量を補正するので、改質反応器内での部分酸化反応の反応速度差に基づく、酸化剤導入口近傍の非線形熱量変化を修正するように供給する酸化剤の流量を調整し、改質反応器内で異常に高温となる部位が生じることを防止し、改質反応器内を目標温度に維持することができる。
【００１９】
すなわち、推定した反応熱量が増加する、発熱量が多いと推定される場合には、今後改質反応器内の温度上昇が見込まれるので、この熱量変化を生じないように改質反応器に供給される酸化剤の流量を減少させる。このようにして改質反応器内が高温になることによって改質反応器に備えられる触媒の活性が低下することを防止できる。反対に推定した反応熱量が減少する、吸熱量が多いと推定される場合には、今後改質反応器内の温度低下が見込まれるので、この熱量変化を生じないように改質反応器に供給される酸化剤の流量を増加させる。このように改質反応器内の温度を目標温度に管理することによって、改質反応器が目標温度以下の低温となることで生じる触媒が活性状態になるまでの時間が長いという問題を解決する。
【００２０】
さらに熱量の変化はそのときの改質反応器の温度に依存して非線形に変化するという非線形特性を補正するように酸化剤流量を調整することができるので、改質反応器の温度を目標温度に正確に維持することができる。
【００２１】
すなわち、改質反応器内の温度が高く活性状態が良好な場合には、酸化剤の流量変化に対して非線形的に大きく熱量が変化して温度も大きく変化するので、この非線形特性をキャンセルするように酸化剤流量の変化を小さくし、改質反応器内の温度が目標温度内に維持されるようにすることができる。また改質反応器内の温度が低く活性状態が良好でない場合には、酸化剤の流量変化に対して熱量の変化が小さく温度変化も小さいので、この非線形特性をキャンセルするように酸化剤の流量変化を大きくし、改質反応器内の温度を急速に上昇させ、目標温度にすることができる。
【００２２】
第３の発明では、温度フィードバック制御手段の補正量の変化が目標値に対して負側に大きく変化する場合には、酸化剤目標流量が多すぎて改質反応器内の温度が上昇するのを温度フィードバック制御手段がキャンセルしようとしている場合であるので、酸化剤の目標流量を減少させ、温度フィードバック制御手段の負担を軽減でき、温度フィードバック制御手段の応答性の悪化を防止し、改質反応器内の温度を速やかに目標温度に維持することができる。また、温度フィードバック制御手段の補正量の変化が目標値に対して正側に大きく変化する場合には、酸化剤目標流量が少なすぎて改質反応器内の温度が低下するのを温度フィードバック制御手段がキャンセルしようとしている場合であるので、酸化剤の目標流量を増加させ、温度フィードバック制御手段の負担を軽減でき、温度フィードバック制御手段の応答性の悪化を防止し、改質反応器内の温度を速やかに目標温度に
維持することができる。
【００２３】
第４の発明では、改質反応器内で許容できる上下限温度を算出し、その温度が上限温度を越える場合には、補正した酸化剤の目標流量が上限温度を超えないように制限し、改質反応器内の温度が異常に高温となることを防止する。反対に改質反応器内の温度が下限温度を下回った場合には、補正した酸化剤の目標流量が下限温度を下回らないように制限し、改質反応器内の温度が異常に低温となることを防止する。
【００２４】
第５の発明では、改質反応器への供給が許容される酸化剤の許容流量の上下限流量を算出し、第４の発明で制限された酸化剤の目標流量が上限流量を越えた場合には、上限流量を超えないように目標流量を制限し、改質反応器内の温度が異常に高温となることを防止する。反対に下限流量を下回った場合には下限流量を下回らないように制限し、改質反応器内の温度が異常に低温となることを防止する。このため改質反応器内の温度を検出することができない場合でも、改質反応器内の温度が異常に高温あるいは低温となることを防止できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の実施形態の燃料改質装置を備えた燃料電池システムの構成を示す。
【００２６】
燃料電池システムは燃料（例えば、メタノールなどの炭化水素系燃料）と水を反応させて水素を含んだ改質ガスを生成する改質反応器１と、改質反応器に空気を供給する空気供給機（例えば、コンプレッサ）２と、改質反応器で生成された改質ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度まで低減する一酸化炭素除去器８と、改質ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池１２と、燃料電池１２から排出された空気と改質ガスを燃焼する燃焼器１７と、改質反応器１に導入する燃料を気化する蒸発器３を備える。
【００２７】
改質反応器１にはコンプレッサ２が接続されている。コンプレッサ２から排出された空気は空気流量を検出する流量センサ２５、同じく温度を検出する温度センサ４、空気の流量を調整する流量制御弁６、空気流量調整後の流量を検出する流量センサ５を介して改質反応器１に導入される。さらに改質反応器１には改質反応器１内の温度を検出する温度センサ９が備えられる。
【００２８】
改質反応器１の下流には一酸化炭素除去器８が設置される。改質反応器１内では改質反応が生じ、改質ガスが生成され、一酸化炭素除去器８に改質ガスが導入される。一酸化炭素除去器８には改質ガスとともにコンプレッサ２からの空気が供給される。この空気流量は流量制御弁１０で制御され、実際の流量は流量センサ２４によって検出される。
【００２９】
一酸化炭素除去器８の下流に燃料電池１２が設置される。一酸化炭素除去器８に導入された改質ガスは、燃料電池１２の許容する一酸化炭素濃度まで一酸化炭素濃度を低下させて、発電を行う燃料電池１２に送られる。一酸化炭素除去器８と燃料電池１２との間には改質ガスの温度を検出する温度センサ１１と燃料電池１２の水素極側の圧力を検出する圧力センサ１６が備えられる。なお燃料電池１２に供給される改質ガスは温度センサ１１によって温度を検出され、この改質ガスの温度が所定温度となるように冷却水の流量を制御する図示しない冷却装置によって温度が制御される。
【００３０】
さらに燃料電池１２はコンプレッサ２と接続されており、コンプレッサ２から空気が直接導入される。この空気の圧力を測定するため燃料電池１２の空気極側の圧力を検出する圧力センサ１５が設置される。燃料電池１２は改質ガス（水素ガス）と空気とを反応させて、水の電気分解の逆の反応である発電作用を行う。
【００３１】
燃料電池１２には発電されたエネルギを供給する負荷２６と接続されており、例えば負荷としてバッテリを備え、発電した電気を充電したり、または負荷としてインバータを設けて、インバータにモータを接続して、車両の動力源としたりすることができる。
【００３２】
燃料電池１２の排気側には圧力制御弁１３、１４を介して燃焼器１７が設けられ、燃焼器１７に供給された余剰改質ガス（余剰水素）と余剰空気は、所定の圧力で燃焼器１７に供給され、燃焼器１７で原料タンク２３から供給されたメタノールと混合されて、燃焼される。原料タンク２３から供給されるメタノールの流量はメタノール流量制御装置１９（例えば、インジェクタ）によって制御される。
【００３３】
燃焼器１７で生成された燃焼ガスは蒸発器３に送られる。送られる燃焼ガスは温度センサ１８で温度を検出される。
【００３４】
改質用の燃料を気化するための蒸発器３には原料タンク２１、２３が接続される。蒸発器３には燃焼ガスのほかに、メタノールと水がそれぞれ原料タンク２１、２３から供給され、これらメタノールと水は流量制御装置２０、２２によって流量を制御され、蒸発器３に供給される。蒸発器３で燃焼ガスからの熱を受けて気化した燃料蒸気は改質反応器１に供給され、その温度は温度センサ７によって検出される。
【００３５】
改質反応器１は前述のコンプレッサ２からの空気と燃料蒸気とが供給されて、改質反応を生じて改質ガスを生成する。
【００３６】
次に燃料電池システムの制御系の構成について説明する。図１に示すように、本実施形態において制御系は燃焼器温度制御器Ｃ１、目標値制御器Ｃ２、非干渉制御器Ｃ３、改質反応器温度制御器Ｃ４によって構成される。これらの制御器Ｃ１からＣ４は実在するものではなく、ＣＰＵと周辺インターフェースを有するマイクロコンピュータの制御内容を解り易くするために用いたものである。
【００３７】
燃焼器温度制御器Ｃ１は、燃焼器出口ガス温度が目標ガス温度となるように目標空気流量と要求燃焼器用燃料流量を算出するもので、燃焼ガスの温度を検出する温度センサ１８からの出力信号と、後述する目標値制御器Ｃ２で算出される燃焼器目標温度とに基づいて、目標空気流量と要求燃焼器用燃料流量を算出する。目標空気流量は目標値制御器Ｃ２に出力されるとともに、要求燃焼器用燃料流量はメタノール流量制御装置１９に出力されて、燃焼器１７に供給されるメタノール流量をコントロールする。
【００３８】
目標値制御器Ｃ２は、要求発電量と燃焼器温度制御器Ｃ１で算出した目標空気流量を入力し、前述の燃焼器出口目標温度のほか、一酸化炭素除去器８に供給する空気流量の目標空気流量と、燃料電池１２の水素極側入口圧力の目標値と、燃料電池１２の空気極側入口圧力の目標値と、燃料電池システムで要求される総空気流量とを算出し、これらの出力値は非干渉制御器Ｃ３に出力される。
【００３９】
なお要求発電量は、例えば燃料電池システムを車両に適用した場合にはアクセルの踏込み量に基づいて算出される。
【００４０】
さらに目標値制御器Ｃ２は、改質反応器１に供給する空気流量の目標値を算出する空気流量目標値算出手段と、蒸発器３へのメタノールの目標流量を算出するメタノール目標流量算出手段と、蒸発器３への水の目標流量を算出する水目標流量算出手段と、改質反応器１の目標管理温度を算出する改質反応器目標管理温度算出手段とを備えており、これらの出力値は改質反応器温度制御器Ｃ４に出力されるとともに、メタノール目標流量算出手段の出力値は流量制御装置２２へ、また水目標流量算出手段の出力値は流量制御装置２０へ出力される。これら流量制御装置によって蒸発器３に供給される改質燃料の流量が目標流量となるように制御される。なお流量制御装置２０、２２は例えばインジェクタによって構成される。
【００４１】
改質反応器温度制御器Ｃ４に前述の目標値制御器Ｃ２から出力された信号の一部が入力され、目標値制御器Ｃ２からの信号のほかに、温度センサ４、７、９および流量センサ５からの出力信号が入力される。
【００４２】
改質反応器温度制御器Ｃ４では目標値制御器Ｃ２で求めたメタノール及び水の目標流量に基づいて改質反応器１内の所定位置での熱量の変化を算出し、この求めた熱量の変化から改質反応器１に供給する空気流量目標値と後述する温度フィードバック制御器Ａ１の温度フィードバック制御により算出した空気流量補正量とを加算して算出した空気流量要求値を改質反応器１内で最も高温となる部位の温度が目標管理温度に維持できるように補正する。改質反応器温度制御器Ｃ４の制御内容については図２、３を用いて後で詳しく説明する。
【００４３】
この補正した空気流量要求値を非干渉制御器Ｃ３に出力し、この補正空気流量要求値に基づいて非干渉制御器Ｃ３が流量制御弁６の開度を制御することで改質反応器１に供給する空気流量を制御できる。
【００４４】
本実施形態では水の流量とメタノールの流量とを測定する流量センサを取付けていないため、目標値制御器Ｃ２で求めたメタノール及び水の目標流量に基づいて制御を行ったが、それぞれの流量を検出する流量センサを設け、このセンサの検出値に基づいて制御を行うようにしてもよい。
【００４５】
非干渉制御器Ｃ３には補正空気流量要求値のほか、一酸化炭素除去器８に供給する空気流量の目標空気流量値と、燃料電池１２の水素極側入口圧力目標値と、燃料電池１２の空気極側入口圧力目標値と、燃焼器温度制御器Ｃ１から出力された目標空気流量に基づいて燃料電池システムで要求される総空気流量が目標値制御器Ｃ２から入力され、さらに圧力センサ１５、１６、流量センサ５、２４、２５の検出値が入力される。非干渉制御器Ｃ３はこれらの目標値をそれぞれ圧力と空気流量との間の干渉なしに制御する。つまり非干渉制御器Ｃ３はこれら目標値のうちの一つの圧力あるいは空気流量を変更しても他の圧力、空気流量の制御に影響を及ぼさないように制御する。
【００４６】
具体的には非干渉制御器Ｃ３は、空気総流量を制御するためにコンプレッサ２の回転速度を制御し、一酸化炭素除去器８への空気流量を制御するために流量制御弁１０の開度を制御する。さらに改質反応器１への空気流量を制御するために流量制御弁６の開度を制御する。さらにまた燃料電池１２の空気極側圧力を制御するために圧力制御弁１３の開度を制御し、一方、水素極側圧力を制御するために圧力制御弁１４の開度を制御する。
【００４７】
図２は改質反応器温度制御器Ｃ４で実施される温度制御の構成を説明するものである。
【００４８】
温度制御は温度フィードバック制御器Ａ１、目標酸化剤流量算出手段としての目標空気流量修正器Ａ２、目標酸化剤流量補正手段としての目標空気流量補正手段Ａ３、制限器Ａ５、制限器Ａ８によって制御される。
【００４９】
温度フィードバック制御器Ａ１は比例器ＡＡ１と、積分器ＡＡ２と、微分器ＡＡ３からなるＰＩＤ制御器であって、目標値制御器Ｃ２から目標管理温度値と温度センサ９から改質反応器１の温度値がそれぞれに入力される。
【００５０】
温度フィードバック制御器Ａ１では入力値に基づいて温度フィードバック制御を行い、空気流量補正量を算出し、目標空気流量補正手段Ａ３に出力する。
【００５１】
温度フィードバック制御器Ａ１の出力は、目標空気流量修正器Ａ２の上流に設置した目標値修正判定器Ａ６にも出力され、一方目標値修正判定器Ａ６には目標制御器Ｃ２から空気流量目標値が出力される。目標値修正判定器Ａ６で空気流量目標値の修正が必要かどうかを判定し、その出力が目標空気流量修正器Ａ２に入力される。その判定結果に基づいて目標空気流量修正器Ａ２は空気流量目標値を修正する。
【００５２】
目標空気流量修正器Ａ２の出力である空気流量目標値は温度フィードバック制御器Ａ１の出力である空気流量補正量と加算されて（加算された値を以下、空気流量要求値とする）、目標空気流量補正手段Ａ３に出力される。
【００５３】
さらに目標空気流量補正手段Ａ３には反応熱量変化推定手段としての熱量変化推定器Ａ４からの信号も入力される。
【００５４】
熱量変化推定器Ａ４は改質反応器１内の熱量の変化量を推定するもので、熱量変化推定器Ａ４には温度センサ４、流量センサ５、温度センサ７の検出信号が入力されるとともに、目標値制御器Ｃ２からメタノール目標流量、水目標流量および目標管理温度の各信号が入力される。
【００５５】
目標空気流量補正手段Ａ３では熱量変化推定器Ａ４の出力値に基づいて、改質反応器１内の温度が目標管理温度に維持されるように空気流量要求値を補正し、この値を補正空気流量要求値とする。
【００５６】
目標空気流量補正手段Ａ３の出力値、補正空気流量要求値は第１制限器Ａ５に出力され、さらに第１制限器Ａ５には第１制限判定器Ａ１０からの信号が入力される。第１制限判定器Ａ１０には温度センサ９および温度上下限算出器Ａ７から信号が入力され、この入力に基づいて改質反応器内の空気温度制限を行うかどうかを判定する。
【００５７】
温度上下限算出器Ａ７には目標値制御器Ｃ２からメタノール目標流量および水目標流量の各信号が入力され、温度上下限算出器Ａ７は改質反応器内の適正空気温度範囲を算出する。
【００５８】
第１制限判定器Ａ１０からの温度制限信号に基づいて補正空気流量要求値は第１制限器Ａ５で制限される。
【００５９】
第１制限器Ａ５の出力は第２制限器Ａ８、第２制限判定器Ａ１１に出力される。流量上下限算出器Ａ９にはさらに目標値制御器Ｃ２からメタノール目標流量および水目標流量の各信号が入力される。流量上下限算出器Ａ９はこれらの入力値に基づき改質反応器内の空気流量の適正量を算出し、その出力信号は第２制限判定器Ａ１１に入力される。
【００６０】
第２制限判定器Ａ１１は改質反応器内の空気流量を制限する必要があるかどうかを判定し、その出力信号が第２制限器Ａ８に出力される。
【００６１】
第２制限器Ａ８では第１制限器Ａ５からの補正空気流量要求値を流量上下限算出器Ａ９で算出した空気流量に制限し、第２制限器Ａ８は非干渉制御器Ｃ３に最終空気流量目標値としての補正空気流量要求値を出力信号として送る。
【００６２】
続いて図３のフローチャートを用いて改質反応器温度制御器Ｃ４の温度制御の制御内容を詳しく説明する。
【００６３】
まずステップＳ１では、熱量変化推定器Ａ４を用いて、目標値制御器Ｃ２で算出した改質燃料の水とメタノールのそれぞれの目標流量と、蒸発器３の出口の水とメタノールの混合蒸気の温度を検出する温度センサ７の検出値と、改質反応器１への空気流量を検出する流量センサ５の検出値と、コンプレッサ２から吐出される空気の温度を検出する温度センサ４の検出値とに基づいて、改質反応器１内で最も高温となる部位の熱量の変化を推定する。
【００６４】
熱量は改質反応器１内で最も高温となる部位の温度が目標値制御器Ｃ２で算出した目標管理温度となるように制御される。これはピーク温度以外の温度を目標管理温度として制御すると改質反応器１内での温度が異常に高い部位が生じて改質反応器１を破損する恐れがあるためである。
【００６５】
改質反応器１内で最も高温となる部位は、部分酸化反応が改質反応よりも反応速度が早く、したがって空気導入口付近で部分酸化反応が生じるため、この付近がその反応熱により最も高温となる部位となる。より具体的には空気導入口から１５から２０ｍｍの位置が最も高温となるので、この付近での熱量の変化を算出する。
【００６６】
なお熱量の変化を算出するために改質反応器１全体をいくつかのサブ領域に分割し、空気導入口から１５〜２０ｍｍの位置までを含むサブ領域を指定して算出することもできる。
【００６７】
さらには空気導入口から１５〜２０ｍｍの位置までをいくつかのサブ領域に分割してもよい。この場合には各サブ領域の熱量変化の中で最も大きな熱量変化を選択するようにし、以下にその算出法について説明する。
【００６８】
改質反応器１内のエネルギーバランスは次式によって算出される。
【００６９】
【数１】
式（１）からマイクロコンピュータで計算するために空間微分を消去する。そのため本実施形態では１次後退差分を用いる。また改質反応器１の全長をＬ（ｍ）として、これを適当なＮ個のサブ領域に分割すると、Δｚ＝Ｌ／Ｎである。
【００７０】
１次後退差分は、次式で示される。
【００７１】
【数２】
式（２）を使って式（１）を表すと以下となる。
【００７２】
【数３】
本実施形態の場合、ｎ＝１のとき、Ｔ０はそれぞれ水、メタノール、空気の温度である。なお空気の温度は温度センサ４の測定値を、水とメタノールの温度はこれらが混合されて蒸気となっているので、温度センサ７の測定値を用いる。
【００７３】
また改質反応器１に設けた温度センサ９の出力を計測している場合には、ｎ＝ＮのときＴｎと温度センサ９の測定値を比較して大きいほうを採用するようにしてもよい。この場合には小さめに熱量変化を推定して改質反応器１内の温度が異常に高温になることを防ぐ効果がある。
【００７４】
式（３）は改質反応器１内のエネルギーバランスを表す式であり、これは熱量変化を表す式として利用できる。なお式（３）に示されるように熱量変化は指数関数を含んでおり、温度に関して非線形性を有することがわかる。
【００７５】
なお式（３）中の定数ｋ１、ｋ２は濃度から算出でき、濃度は下式で求められる。
【００７６】
【数４】
図３のフローチャートに戻りステップＳ２では、改質反応器１に供給する空気流量目標値を温度フィードバック制御器Ａ１の出力信号に応じて修正するかどうかを判定、修正する。この空気流量目標値を図２の目標値修正判定器Ａ６で判定し、修正が必要な場合には、目標空気流量修正器Ａ２で補正する。空気流量目標値は目標制御器Ｃ２によって要求発電量に応じて算出されて、例えば図４に示すように要求発電量に相当する改質燃料流量と空気流量目標値では比例関係となる。
【００７７】
目標値修正判定器Ａ６での判定が、温度フィードバック制御器Ａ１の出力の変化分が所定の負の値よりも負側に大きい場合には、空気流量目標値が高すぎて改質反応器１の温度が高くなるのを温度フィードバック制御器Ａ１がキャンセルしようとしているので、目標空気流量修正器Ａ２で空気流量目標値を修正量δだけ減らすように修正する。ここで修正量δは改質反応器１の温度が適正温度となるように目標空気流量を調整するものである。
【００７８】
また目標値修正判定器Ａ６での判定が、温度フィードバック制御器Ａ１の出力の変化分が所定の正の値よりも正側に大きい場合には、空気流量目標値が小さすぎて改質反応器１の温度が低下するのを温度フィードバック制御器Ａ１がキャンセルしようとしているので、目標空気流量修正器Ａ２で空気流量目標値を修正量δだけ増やすように修正する。
【００７９】
このように空気流量目標値を修正することで、温度フィードバック制御器Ａ１の積分器ＡＡ２の負担を軽減でき、温度フィードバック制御器Ａ１の即応性の悪化を低減でき、改質反応器内の温度を速やかに目標値に維持するようにできる。
【００８０】
ステップＳ３では目標空気流量補正手段Ａ３を用いて、温度フィードバック制御器Ａ１から出力された空気流量補正量と目標空気流量修正器Ａ２から出力された空気流量目標値とを加算したものを熱量変化推定器Ａ４で算出した熱量変化量を用いて補正し、改質反応器１入口付近の非線形熱量変化を補正する。
【００８１】
すなわち、入口付近の温度が高く反応活性が高い場合には、空気流量変化に対して大きく熱量が変化し、温度が大きく変化する。この非線形性をキャンセルするように空気流量の変化を小さくして空気流量を調整して温度を速やかに目標値に維持する。
【００８２】
一方、入口付近の温度が低く反応活性が低い場合には、空気流量変化に対して熱量変化が小さく、温度はあまり変化しない。この非線形性をキャンセルするように空気流量の変化を大きくして空気流量を調整して温度を速やかに目標値に維持する。
【００８３】
具体的に説明すると、まず式（３）を便宜上簡単のため次のように表す。
【００８４】
【数５】
ここでｕｎｅｗを目標空気流量修正器Ａ２の出力値である空気流量要求値とすると、空気流量要求値を改質反応器１内の非線形熱量変化を補正するように線形化アルゴリズムで変換して補正空気流量要求値Ｆ１を下式で求める。
【００８５】
【数６】
このようにして求められた補正空気流量要求値は目標空気流量補正手段Ａ３から出力されて、第１制限器Ａ５に送られる。
【００８６】
ステップＳ４では、温度上下限算出器Ａ７を用いて改質反応器１に供給する改質燃料であるメタノールと水の流量に基づいて改質反応器１内の上下限温度を算出する。つぎに第１制限判定器Ａ１０を用いて、温度上下限算出器Ａ７で算出した改質反応器１内の上下限温度と改質反応器１内の温度を検出する温度センサ９の検出値との偏差に基づいて補正空気流量要求値を制限するかどうかを判定し、制限する場合には第１制限器Ａ５が制限する。なお改質反応器１内の上下限温度の算出は、例えば図５に示すように改質燃料流量と上下限温度との関係図（両者は比例関係を有する場合もあるが、本実施形態では一定値とした）から求められる。
【００８７】
このように改質反応器１内の上下限温度を算出して、改質反応器１内の温度を検出する温度センサ９の検出値が上限を越えた場合には、補正空気流量要求値が増加しないように第１制限器Ａ５が制限し、改質反応器１内の温度が異常に高温になることを防止する。
【００８８】
一方、温度センサ９の検出値が下限を下回った場合には、補正空気流量要求値が低下しないように第１制限器Ａ５が制限して改質反応器１内の温度が異常に低温になることを防止する。
【００８９】
なお改質燃料流量は目標制御器Ｃ２で算出した目標値を用いている。
【００９０】
ステップＳ５では、流量上下限算出器Ａ９を用いて改質燃料であるメタノールと水の流量に基づいて改質反応器１内の上下限流量を算出する。つぎに第２制限判定器Ａ１１を用いて、第１制限器Ａ５で制限された補正空気流量要求値と算出した上下限流量との偏差を求め、補正空気流量要求値を制限するかどうか判定する。制限する場合には第２制限器Ａ８が制限する。なお改質反応器１内での空気流量の上下限流量の算出は例えば図６に示すように改質燃料流量と上下限空気流量との関係図（両者は比例関係を有する）から求められる。
【００９１】
このように改質反応器１内の上下限空気流量を算出して、補正空気流量要求値が上限を越えた場合には、補正空気流量要求値が増加しないように第２制限器Ａ８が制限して改質反応器１内の温度が異常に高温になることを防止する。
【００９２】
一方、補正空気流量要求値が下限を下回った場合には、補正空気流量要求値が低下しないように第２制限器Ａ８が制限して改質反応器１内の温度が異常に低温になることを防止する。
【００９３】
これは改質反応器１内の温度を検出する温度センサ９が故障した場合でも改質反応器１内の温度が異常に高温あるいは低温になることを防止するためである。
【００９４】
ステップＳ６では、ステップＳ５の補正空気流量要求値を改質反応器１で要求される空気流量として非干渉制御器Ｃ３に出力する。非干渉制御器Ｃ３では改質反応器１への空気流量がステップＳ６での出力になるように他の圧力、空気流量の制御と非干渉に制御する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の全体構成図である。
【図２】同じく改質反応器温度制御器Ｃ４の実施する改質反応器の温度制御の構成を説明するブロック図である。
【図３】同じく改質反応器温度制御器Ｃ４の実施する改質反応器の温度制御を説明するフローチャートである。
【図４】同じく空気流量の目標値を算出する図である。
【図５】同じく改質反応器内の上下限温度を算出する図である。
【図６】同じく改質反応器内に供給する空気流量の上下限流量を算出する図である。
【図７】本発明の請求項１、２を説明するブロック図である。
【図８】本発明の請求項３、４、５を説明するブロック図である。
【符号の説明】
１改質反応器
２コンプレッサ
３蒸発器
８一酸化炭素除去器
１２燃料電池
２６負荷
【数１】

Ｔ：改質反応器内の温度[Ｋ]
ｕ１：空気流速[ｍ／ｓ]、流量センサ５の出力[ｍ³／ｓ]／流路断面積[ｍ²]で算出される。
ｕ２：メタノールの流速[ｍ／ｓ]、ｕ１と同様に求めることができる。
ｕ３：水の流速[ｍ／ｓ]、ｕ１と同様に求めることができる。
なお、メタノール、水の流量センサは本実施形態では使用していないので目標値を用いる。
Ｈ１：水とメタノールの反応熱量（吸熱）、−４９５００[Ｊ／ｍｏｌ]
Ｈ２：酸素とメタノールの反応熱量（発熱）、１８９６００[Ｊ／ｍｏｌ]
ｐ：平均密度[ｋｇ／ｍ³]
ｃｐ：平均熱容量[Ｊ／Ｋ]
ｋ１＝Ａ１*ＥＸＰ（−Ｅ１／ＲＴ）*（ＣＨ₃ＯＨ）*（Ｈ₂Ｏ）
ｋ２＝Ａ２*ＥＸＰ（−Ｅ２／ＲＴ）*（ＣＨ₃ＯＨ）*（Ｏ₂）^0.5
Ｅ１、Ｅ２は活性化エネルギー定数、Ａ１、Ａ２は頻度係数と呼ぶ適当な定数である。
（ＣＨ₃ＯＨ）、（Ｈ₂Ｏ）、（Ｏ₂）は濃度[ｍｏｌ／ｍ³]を表す。
Ｒ：ガス定数、８．３１４[Ｊ／（ｍｏｌ*Ｋ）]
Ｕ：熱伝達率[Ｊ／（Ｋ*ｓ*ｍ²）]
Ａ：壁の伝熱面積[ｍ²]
Ｔｗ：改質反応器の外気温[Ｋ]、本実施形態では測定していないので、固定値とした。
ｚは空間を表し、ｔは時間を表す。
【数２】

ｎはｎ番目のサブ領域であることを表す。
【数３】

【数４】

【数５】

【数６】

Ｍ：流路面積[ｍ²]
Ｆ１：空気流量[ｍ³／ｓ]

Claims

吸熱を伴う改質反応と発熱を伴う部分酸化反応とを併用し、燃料と酸化剤を反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質反応器と、
改質反応器に酸化剤を供給する酸化剤供給器と、
を備えた燃料改質装置において、
改質反応器内で最も高温となる部位の反応熱量の変化量を推定する反応熱量変化推定手段と、
改質反応器に供給する燃料流量を算出する燃料流量算出手段と、
改質反応器に供給する燃料流量に基づいて改質反応器に供給する酸化剤の目標流量を算出する目標酸化剤流量算出手段と、
改質反応器内の最も高温となる部位の温度が目標温度を維持するように目標酸化剤流量算出手段で算出した酸化剤の目標流量を反応熱量変化推定手段が推定した熱量変化に基づいて補正する目標酸化剤流量補正手段と、
を備えたことを特徴とする燃料改質装置。
前記反応熱量変化推定手段は、改質反応器に供給される改質燃料の流量、温度、同じく酸化剤の流量、温度に基づいて改質反応器内の最も高温となる部位を指定して、その部位の反応熱量の変化を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
改質反応器内の温度を検出する改質反応器温度検出手段と、
改質反応器内の実測温度と目標温度の偏差に基づいて、目標酸化剤流量算出手段が算出した目標値を補正する補正量を算出する温度フィードバック制御手段と、
温度フィードバック制御手段が算出した補正量に基づいて、目標酸化剤流量算出手段が算出した目標値を補正するかどうかを判定する目標値修正判定手段と、
目標値修正判定手段の判定に基づいて、目標酸化剤流量算出手段が算出した目標値を補正する目標酸化剤流量修正手段とを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質装置。
改質反応器に供給される改質燃料流量に基づいて、改質反応器内の酸化剤の最適温度範囲を算出する温度上下限算出手段と、
温度上下限算出手段の算出した最適温度範囲と改質反応器内の実測温度との偏差に基づいて、目標酸化剤流量補正手段が算出した酸化剤目標流量の補正値を制限するかどうかを判定する第１制限判定手段と、
第１制限判定手段の判定に基づいて、目標酸化剤流量補正手段が算出した酸化剤目標流量の補正値を制限する第１制限手段とを備えたことを特徴とする請求項３に記載の燃料改質装置。
改質反応器の酸化剤の供給流量を検出する酸化剤流量検出手段と、
改質反応器に供給される改質燃料流量に基づいて、改質反応器内の酸化剤の最適流量範囲を算出する流量上下限算出手段と、
流量上下限算出手段の算出した最適流量範囲と改質反応器内の実測流量との偏差に基づいて、目標酸化剤流量補正手段が算出した酸化剤目標流量の補正値を制限するかどうかを判定する第２制限判定手段と、
第２制限判定手段の出力に基づいて、前記第１制限手段によって制限された目標酸化剤流量補正手段が算出した酸化剤目標流量の補正値をさらに制限する第２制限手段とを備えたことを特徴とする請求項４に記載の燃料改質装置。