JP3864658B2 - 燃料改質器の制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質器の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電装置は、メタノールなどの原料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質器と、この燃料改質器で生成した水素リッチな燃料ガスと、別途空気供給装置から供給される酸素を含む酸化ガスとを反応させて発電する燃料電池とを主な要素として構成されている。そして燃料改質器には、メタノールなどの原料を加熱して蒸気にする蒸発器、この蒸発器に熱を供給する燃焼器、蒸気にされた原料を改質触媒で水素リッチな燃料ガスに改質する改質部が含まれる。
【０００３】
この燃料改質器では、蒸発器に原料を能力以上に大量に投入すると蒸発器温度が下がり、原料を蒸発させられなくなる。そのため、蒸発器で原料を蒸気にするためには、蒸発器の温度を目標管理温度に制御する必要がある。
【０００４】
従来、このような蒸発器の温度を制御する方法として、例えば、特開平８−２７３６８５号公報に記載されたものが知られている。この従来例の方法では、投入する原料投入量に応じて蒸発器目標温度を算出して、蒸発器温度が目標温度となるように燃焼器の空気、燃料流量を調節するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来の燃料電池改質器の制御装置では、燃焼器温度が目標温度を超えたときでも、蒸発器の温度が目標温度に達していない場合が起こる。
【０００６】
本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもので、蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の所定範囲内にあるように燃焼器温度を制御することができる燃料改質器の制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、蒸気化された原料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質触媒と、原料を蒸発させて前記改質触媒に供給する蒸発器と、前記蒸発器に前記原料を加熱するための熱を供給する燃焼器とから成り、燃料電池に供給する水素を生成するための燃料改質器を制御する燃料改質器の制御装置であって、燃料電池で要求する出力要求値に応じて前記蒸発器に投入する原料投入量目標値を算出する原料投入量目標値算出手段と、前記原料投入量目標値算出手段により算出された原料投入量目標値に基づいて、少なくとも原料が蒸発するときの蒸発熱量を含む前記蒸発器における熱量の収支を推定する熱量収支推定手段と、前記熱量収支推定手段の推定した前記蒸発器における熱量の収支に基づいて、前記燃焼器に供給する燃料の供給量と空気の供給量との少なくとも一方を制御する燃焼器制御手段とを備えたものである。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の燃料改質器の制御装置において、前記燃焼器制御手段は、前記熱量収支推定手段の推定した前記蒸発器の熱量の収支に基づいて前記蒸発器へ熱を伝達する伝熱部の目標温度を算出する伝熱部温度目標値演算手段を備え、前記伝熱部が前記伝熱部温度目標値演算手段の算出した前記目標温度に一致するように前記燃焼器に供給する燃料の供給量と空気の供給量との少なくとも一方を制御するものである。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項２の燃料改質器の制御装置において、前記燃焼器制御手段は、前記伝熱部の温度を測定する伝熱部温度測定手段を備え、前記伝熱部温度測定手段の測定する前記伝熱部の温度が前記伝熱部温度目標値演算手段の算出する前記伝熱部温度目標値と一致するように、前記燃焼器に供給する燃料の供給量と空気の供給量との少なくとも一方を制御するものである。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項２に記載の燃料改質器の制御装置において、前記燃焼器制御手段は、前記伝熱部の温度を測定する伝熱部温度測定手段と、前記燃焼器出口の燃焼ガス温度を測定する燃焼器出口温度測定手段とを備え、前記伝熱部温度測定手段の測定する前記伝熱部の温度が前記伝熱部温度目標値演算手段の算出する前記伝熱部温度目標値と一致するように、前記燃焼器出口の燃焼ガス温度を制御するものである。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項２の燃料改質器の制御装置において、前記燃焼器制御手段は、前記伝熱部の温度を測定する伝熱部温度測定手段と、前記燃焼器出口の燃焼ガス温度を測定する燃焼器出口温度測定手段と、前記燃焼器出口の燃焼ガス温度の上限値を設定する上限値設定手段とを備え、前記伝熱部温度測定手段の測定する前記伝熱部の温度が前記伝熱部温度目標値演算手段の算出する前記伝熱部温度目標値と一致するように前記燃焼器出口の燃焼ガス温度を制御すると共に、前記燃焼器出口温度測定手段により測定された燃焼器出口の燃焼ガス温度が前記上限値設定手段により設定された上限値に到達したときに、当該上限値を超えないように燃焼ガス温度を維持するように前記燃焼器に対する燃料の供給量を制御するものである。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項５に記載の燃料改質器の制御装置において、前記燃焼器が燃料と空気の混合物を燃焼させるものであり、前記燃焼器制御手段が、前記燃料の供給量を調整する燃料供給量制御手段と、前記空気の供給量を調整する空気供給量制御手段と、前記燃焼器出口の燃焼ガス温度を前記上限値に維持するために、前記燃焼器に供給する前記燃料と空気との供給量の比を制御する流量比制御手段とを備えたものである。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１の発明の燃料改質器の制御装置では、原料投入量目標値算出手段が燃料電池で要求する出力要求値に応じて蒸発器に投入する原料投入量目標値を算出し、熱量収支推定手段が蒸発器における熱量の収支を推定する。そして燃焼器制御手段が、この熱量収支推定手段の推定した蒸発器における熱量の収支に基づいて燃焼器を制御する。
【００１４】
蒸発器の熱量収支が負になったときには、蒸発器の出口蒸気温度が低下することを意味し、逆に正になったときには蒸発器の出口蒸気温度が上昇することを意味する。そして熱量収支がゼロであれば定常状態であり、蒸発器の出口蒸気温度が現状のまま維持されることを意味している。したがって、蒸発器の熱量の収支バランスが正か、負か、ゼロかによって熱量の過不足が判定できるのである。そこで、燃焼器制御手段は、蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の下限値よりも低い場合にはその温度を上昇させるように熱量収支が正となるように燃焼器を制御し、反対に蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の上限値よりも高い場合にはその温度を低下させる目的で熱量収支が負となるように燃焼器を制御し、蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の所定範囲内にある場合にはその温度を維持する目的で熱量収支がゼロとなるように燃焼器を制御して蒸発器の出口蒸気温度を制御する。
【００１５】
このようにして燃焼器を制御することにより、蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の所定範囲内にあるように制御することができる。
【００１６】
請求項２の発明の燃料改質器の制御装置では、伝熱部温度目標値演算手段が熱量収支推定手段の推定した蒸発器の熱量の収支に基づいて蒸発器へ熱を伝達する伝熱部の目標温度を算出し、燃焼器制御手段が、伝熱部の温度が伝熱部温度目標値演算手段の算出した目標温度に一致するように燃焼器を制御する。
【００１７】
このようにして燃焼器からの熱を蒸発器に伝達する伝熱部の温度を目標温度に制御することによって、蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の所定範囲内にあるように制御することができる。
【００１８】
請求項３の発明の燃料改質器の制御装置では、燃焼器制御手段が、伝熱部温度測定手段の測定する伝熱部の温度を伝熱部温度目標値演算手段の算出する伝熱部温度目標値と一致するように燃焼器に対する燃料の供給量を制御することにより、蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の所定範囲内にあるように制御することができる。
【００１９】
請求項４の発明の燃料改質器の制御装置では、燃焼器制御手段が、伝熱部温度測定手段の測定する伝熱部の温度を伝熱部温度目標値演算手段の算出する伝熱部温度目標値と一致するように燃焼器出口の燃焼ガス温度を制御することにより、蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の所定範囲内にあるように制御することができる。
【００２０】
請求項５の発明の燃料改質器の制御装置では、燃焼器制御手段が、伝熱部温度測定手段の測定する伝熱部の温度を伝熱部温度目標値演算手段の算出する伝熱部温度目標値と一致するように燃焼器出口の燃焼ガス温度を制御すると共に、燃焼器出口の燃焼ガス温度が燃焼ガス温度の上限値に到達したときに、当該上限値を超えないように燃焼ガス温度を維持するように燃焼器に対する燃料の供給量を制御することにより、蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の所定範囲内にあるように制御することができる。
【００２１】
請求項６の発明の燃料改質器の制御装置では、燃焼器制御手段における流量比制御手段が、燃焼器出口の燃焼ガス温度を上限値に維持するために、燃焼器に供給する燃料と空気との供給量の比を制御することにより、蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の所定範囲内にあるように制御することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は本発明の第１の実施の形態の燃料改質器の制御装置を含む燃料電池発電システムの構成を示している。この燃料電池発電システムの機械系は、燃焼器Ｃ１、蒸発器Ｃ２、改質触媒室Ｃ３、燃料電池Ｃ４、燃焼器Ｃ１に対する空気供給装置Ｃ５及び燃料供給装置Ｃ６、原料１タンクＣ７及び原料２タンクＣ８、これらの原料１タンクＣ７の原料１、原料２タンクＣ８の原料２を蒸発器Ｃ２に供給する原料１供給装置Ｃ９、原料２供給装置Ｃ１０、そして負荷Ｃ１１から構成されている。
【００２３】
本実施の形態では、原料１タンクＣ７には原料１としてメタノールが収められている。原料２タンクＣ８には原料２として水が収められている。
【００２４】
燃料電池発電システムの制御系は、負荷要求値演算装置Ａ１、出力要求値演算装置Ａ２、蒸発器原料投入量演算装置Ａ３、パラメータ設定装置Ａ４、制御装置Ａ５、原料１タンクＣ７内の原料１に対する温度計測装置Ａ６、原料２タンクＣ８内の原料２に対する温度計測装置Ａ７、燃焼器Ｃ１の出口ガス温度を計測する燃焼器出口ガス温度計測装置Ａ８、蒸発器Ｃ２に熱を伝える伝熱部の温度を計測する伝熱部温度計測装置Ａ９、蒸発器出口の蒸気温度を計測する蒸発器出口蒸気温度計測装置Ａ１０、空気供給装置Ｃ５から燃焼器Ｃ１に供給する空気流量を制御する空気流量制御装置Ａ１１、そして燃料タンクＣ６から燃焼器Ｃ１に供給する燃料流量を制御する燃料流量制御装置Ａ１２から構成されている。
【００２５】
負荷要求値演算装置Ａ１は、負荷Ｃ１１に要求する負荷要求値を演算する。この負荷要求値は、当該システムが燃料電池自動車である場合、ドライバのアクセル操作から算出する。出力要求値演算装置Ａ２は、負荷要求値演算装置Ａ１が算出した負荷要求値に基づき、燃料電池Ｃ４で必要とする出力要求値を演算する。蒸発器原料投入量演算装置Ａ３は、出力要求値演算装置Ａ２が算出した出力要求値に基づき、蒸発器原料投入量を算出する。この蒸発器原料投入量が、燃料電池出力要求値に応じた蒸発器原料投入量目標値である。パラメータ設定装置Ａ４は、制御装置Ａ５が演算制御に必要とする諸々のパラメータを保持している。
【００２６】
制御装置Ａ５には蒸発器原料投入量演算装置Ａ３から原料投入量目標値が入力され、原料１温度計測装置Ａ６から原料１の温度、原料２温度計測装置Ａ７から原料２の温度、燃焼器出口ガス温度計測装置Ａ８から燃焼器出口のガス温度、電熱部温度計測装置Ａ９から蒸発器内の伝熱部の温度、蒸発器出口蒸気温度計測装置Ａ１０から蒸発器出口の蒸気温度がそれぞれ入力される。そして制御装置Ａ５はこれらの計測値とパラメータ設定装置Ａ４からのパラメータとを用いて、後述する制御演算処理によって燃焼器Ｃ１に対する空気供給量、燃料供給量を求め、これに基づいて空気流量制御装置Ａ１１、燃料流量制御装置Ａ１２を制御して燃焼器Ｃ１に供給する空気、燃料の供給量を調整する。
【００２７】
この制御装置Ａ５は図２に示す構成であり、蒸発器Ｃ２の熱量収支を推定する蒸発器熱量収支推定部Ａ５１、この蒸発器熱量の収支推定結果に基づき燃焼器Ｃ１から蒸発器Ｃ２に熱を伝達する伝熱部の目標温度を演算する伝熱部目標温度演算部Ａ５２、そして燃焼器Ｃ１に対する空気流量制御装置Ａ１１、燃料流量制御装置Ａ１２に対して空気供給量、燃料供給量を指示する燃焼器制御部Ａ５３を備えている。
【００２８】
次に、上記の構成の燃料電池発電システムにおける燃料改質器の制御装置の動作を、図３のフローチャートを用いて説明する。
【００２９】
負荷要求演算装置Ａ１は、負荷Ｃ１１に要求する負荷要求値を演算する。出力要求値演算装置Ａ２は、負荷要求値演算装置Ａ１が算出した負荷要求値に基づき、燃料電池Ｃ４で必要とする出力要求値を演算する。
【００３０】
蒸発器原料投入量演算装置Ａ３は、出力要求値演算装置Ａ２が算出した出力要求値に基づいて蒸発器原料投入量を算出し（ステップＳ０５）、これを原料１供給装置Ｃ９、原料２供給装置Ｃ１０に与えて所定の投入量だけ蒸発器Ｃ２に原料１、原料２を供給する（ステップＳ１０）。そしてこれと並行して、蒸発器原料投入量演算装置Ａ３は算出した蒸発器原料投入量目標値を制御装置Ａ５の蒸発器熱量収支推定部Ａ５１に与える。
【００３１】
制御装置Ａ５の蒸発器熱量収支推定部Ａ５１は、蒸発器原料投入量演算装置Ａ３から原料投入量目標値を、原料１温度計測装置Ａ６から原料１の温度を、原料２温度計測装置Ａ７から原料２の温度を、燃焼器出口ガス温度計測装置Ａ８から燃焼器出口のガス温度を、伝熱部温度計測装置Ａ９から伝熱部温度を、蒸発器出口蒸気温度計測装置Ａ１０から蒸発器出口の蒸気温度をそれぞれ入力し、またパラメータ設定装置Ａ４から諸々のパラメータを入力する。蒸発器熱量収支推定部Ａ５１はこれらの入力を用いて、後述する方法で蒸発器Ｃ２の熱量収支を推定演算し、伝熱部目標温度演算部Ａ５２に渡す（ステップＳ１５）。
【００３２】
伝熱部目標温度演算部Ａ５２では、この蒸発器熱量の収支推定結果に基づき燃焼器Ｃ１から蒸発器Ｃ２に熱を伝達するための伝熱部の目標温度を算出して燃焼器制御部Ａ５３に渡す（ステップＳ２０）。
【００３３】
続いて、燃焼器制御部Ａ５３では、燃焼器出口温度を計測している温度計測装置Ａ８の出力を受け取り、これが上限値に到達していないかどうか判定する（ステップＳ２５）。
【００３４】
そして燃焼器出口ガス温度が上限値に到達していなければ、伝熱部が目標温度になるように空気供給量、燃料供給量のいずれかを制御することにより、燃焼器出口ガス流量と出口ガス温度を調整し、伝熱部が目標温度となるようにする（ステップＳ３０）。
【００３５】
他方、燃焼器出口ガス温度が上限値に到達していれば、その温度を維持しながら伝熱部を目標温度に維持すべく、燃料、空気の供給量比は一定にしたままその全体の供給量を制御する（ステップＳ３５）。
【００３６】
蒸発器Ｃ２では、投入される所定量の原料１、原料２に対して、燃焼器Ｃ１からの熱を伝えて蒸発させ、気化された原料１、原料２を改質触媒室Ｃ３に導く。改質触媒室Ｃ３では、気化した原料１、原料２を改質触媒に接触させて改質反応を起こさせ、水素リッチな燃料ガスにして燃料電池Ｃ４に送込む。
【００３７】
燃料電池Ｃ４では、改質触媒室Ｃ３からの水素リッチな燃料ガスと、空気供給装置Ｃ５から供給される空気中の酸素とを反応させて発電する。この燃料電池Ｃ４から排出される排ガスは燃焼器Ｃ１に戻して燃焼させ、蒸発器Ｃ２に対する熱源とする。一方、燃料電池Ｃ４で発生した電力は負荷Ｃ１１に供給する。
【００３８】
燃料電池自動車の場合には、負荷Ｃ１１はバッテリあるいはモータであり、燃料電池Ｃ４で発電した電気を取り出し、これを電圧昇圧器で昇圧してから利用する。
【００３９】
次に、制御装置Ａ５が採用している上述した蒸発器Ｃ２の熱量収支の推定、燃焼器Ｃ１に対する空気、燃料供給量の制御に用いる演算原理について説明する。
【００４０】
蒸発器Ｃ２における熱量の収支は、次の数１式によって表すことができる。ここで原料は２種類、メタノール（原料１）と水（原料２）である。
【００４１】
【数１】
ただし、
ρ1：原料１の密度［ｋｇ／ｍ3］
ρ2：原料２の密度［ｋｇ／ｍ3］
ρ： 蒸発器内の混合物の平均密度［ｋｇ／ｍ3］
Ｆ1：原料１の体積流量［ｍ3／ｓ］
Ｆ2：原料２の体積流量［ｍ3／ｓ］
Ｆ： 蒸発器流出混合物の体積流量［ｍ3／ｓ］
Ｈ： 蒸発熱量［Ｊ／ｓ］
Ｋ： 蒸発器への伝熱部の熱伝達率［Ｊ／（ｓ・Ｋ・ｍ2）］
Ａ： 蒸発器への伝熱部の伝熱面積［ｍ2］
Ｃn： 蒸発器熱容量［Ｊ／Ｋ］
Ｃp1：原料１の熱容量［Ｊ／Ｋ］
Ｃp2：原料２の熱容量［Ｊ／Ｋ］
Ｃp： 原料混合物の熱容量［Ｊ／Ｋ］
Ｔn： 蒸発器出口の蒸気温度［Ｋ］
Ｔj： 蒸発器内の伝熱部の温度［Ｋ］
Ｔ1： 蒸発器への原料１の流入温度［Ｋ］
Ｔ2： 蒸発器への原料２の流入温度［Ｋ］
上の数１式の左辺は、熱量の時間変動を表し、数１式の右辺第１項は蒸発器Ｃ２に対して原料１が持ち込む熱量、第２項は原料２が持ち込む熱量を表している。また右辺第３項は蒸発器Ｃ２から混合物蒸気が持ち去る熱量、第４項は蒸発器Ｃ２において原料混合物が蒸発するときの蒸発熱量、第５項は蒸発器Ｃ２へ燃焼器Ｃ１の熱を伝える伝熱部からの熱量の収支、そして第６項のΔは蒸発器Ｃ２での熱量の損失分を表している。
【００４２】
この数１式は、蒸発器Ｃ２の周辺の熱量の収支すべてを表しているので、原料１、原料２の流入温度、流量、伝熱部の温度が変化した場合の蒸発器Ｃ２の周辺の熱量の収支のバランスを推定することができる。
【００４３】
この熱量の収支バランスが負になった場合、蒸発器Ｃ２の出口温度が低下することを意味する。反対にそれが正になった場合には、蒸発器Ｃ２の出口温度が上昇することを意味する。そしてそれがゼロの場合には定常状態で、蒸発器Ｃ２の出口温度が現状のまま維持されることを意味する。つまり、熱量の収支バランスが正、負、ゼロによって熱量の過不足を判別することができる。
【００４４】
そして蒸発器Ｃ２の出口蒸気ガス温度が目標管理温度の下限値よりも低い場合には、温度を上昇させて熱量の収支バランスが正となるように燃焼器Ｃ１を制御し、反対に蒸発器Ｃ２の出口蒸気温度が目標管理温度上限値よりも高い場合には、温度を低下させて熱量の収支バランスが負となるように燃焼器Ｃ１を制御し、蒸発器出口の蒸気温度が目標管理温度の所定の範囲内にあれば、温度を現状維持させて熱量の収支バランスがゼロとなるように燃焼器Ｃ１を制御することにより、蒸発器Ｃ２の出口蒸気温度を目標管理温度の所定の範囲内にあるように制御することができるのである。
【００４５】
いま、数１式において、蒸発器Ｃ２の熱量収支が定常状態であれば、左辺がゼロとなるので、次の数２式のようになる。以下では、説明の簡単化のために損失Δはないものと仮定する。
【００４６】
【数２】
数２式をＴjについて解いて、Ｔj-tとおく。
【００４７】
【数３】
蒸発器Ｃ２の出口蒸気温度を目標管理温度に保つように、蒸発器Ｃ２内の燃焼器Ｃ１からの伝熱部の目標温度を算出するには、数３式において、蒸発器Ｃ２の出口蒸気温度Ｔnを目標管理温度Ｔn-tに置き換えて、次の数４式となる。
【００４８】
【数４】
この数４式から、蒸発器Ｃ２に投入する原料流量、温度が変化したときには、蒸発器温度を目標管理値に維持するために必要となる、前記伝熱部の目標温度を算出することができる。
【００４９】
この燃焼器Ｃ１からの伝熱部の温度と、燃焼器Ｃ１の出口ガス温度との関係は、次の数５式で表すことができる。
【００５０】
【数５】
ただし、
Ｃj： 伝熱部熱容量［Ｊ／Ｋ］
Ｔn： 蒸発器の出口蒸気温度［Ｋ］
Ｔj： 伝熱部の温度［Ｋ］
Ｃｐ3：燃焼器からのガスの熱容量［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）
Ｔ3： 燃焼器からのガスの温度［Ｋ］
ρ3： 燃焼器からのガスの密度［ｋｇ／ｍ3］
この数５式の右辺第１項は燃焼器Ｃ１の出口ガスが伝熱部に持ち込む熱量、第２項は燃焼器Ｃ１の出口ガスが伝熱部から持ち去る熱量を表している。第３項は、蒸発器Ｃ２へ熱を伝える伝熱部からの熱量の収支を表し、第４項は伝熱部での熱量の損失分を表している。
【００５１】
この数５式より、蒸発器Ｃ２の伝熱部の温度Ｔjを変化させるためには、第１項と、第３項のＫ・Ａ・（−Ｔn）を変化させるしかない。ところが、Ｔnは蒸発器Ｃ２の出口蒸気温度であるので、これを直接操作することはできない。したがって、蒸発器Ｃ２内にある伝熱部の温度Ｔjを変化させるためには、第１項のρ3・Ｆ3・Ｃｐ3・Ｔ3を変化させるしか現実的な方法はない。
【００５２】
このことから、燃焼器Ｃ１の出口ガス流量Ｆ3と出口ガス温度Ｔ３を制御すれば、蒸発器Ｃ２へ熱を伝達するための伝熱部へ供給する熱量を調節することができ、これによって伝熱部の温度Ｔjを制御することができるのである。
【００５３】
燃焼器Ｃ１の出口ガス流量や出口ガス温度を制御するには、これらに目標値を設定し、それに一致するように燃焼器Ｃ１に供給する燃料、空気の供給量を制御することになる。ここで、燃焼器Ｃ１の出口ガス温度は一定に保ちながら出口ガス流量を変化させる場合には、空気供給量：燃料供給量の比は一定に保ちながらその全体の供給量を変化させる制御を行う。また出口ガス温度を変化させる場合には、空気供給量だけあるいは燃料供給量だけを変化させる制御を行う。
【００５４】
図４及び図５は本実施の形態による燃料改質器の制御装置と従来の制御装置とのコンピュータシミュレーション結果を示している。図４は本実施の形態による制御を実施した場合、図５はそれを実施しなかった場合のシミュレーション結果である。両図において、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）はそれぞれ、
（ａ）蒸発器Ｃ２の出口蒸気温度［Ｋ］
（ｂ）蒸発器Ｃ２へ熱を伝達する伝熱部の目標温度［Ｋ］（図６にはない）
（ｃ）燃焼器Ｃ１の投入燃料［ｍ3／ｓ］
（ｄ）蒸発器Ｃ２への投入原料［ｍ3／ｓ］
（ｅ）燃焼器Ｃ１への空気供給量［ｍ3／ｓ］
を表している。
【００５５】
このシミュレーション条件は、２２秒の時点で蒸発器Ｃ２に投入する原料流量をステップ状に変化させて増加し、２５秒の時点でステップ状に減少させたものである（両図（ｄ））。
【００５６】
燃焼器Ｃ１の燃料としては、水素と空気を仮定し、水素は一定量供給し続けるものとし、空気流量だけを変化させるものとした（シミュレーション上では、燃焼器出口ガス温度が上限管理値を超えない場合を想定しているので、水素と空気との一定比率制御は行わないとした）。
【００５７】
図４に示した本実施の形態の制御では、蒸発器Ｃ２内の伝熱部の目標温度を算出して、燃焼器Ｃ１の空気量を調節するようにしている。このため、燃焼器出口ガス温度が変化している。またこれにより、蒸発器出口の蒸気温度は原料投入時にいったん下がるが、すぐに復帰している。
【００５８】
これに対して、図５に示した従来例の制御によれば、蒸発器Ｃ２の出口蒸気温度は原料投入と共に低下したままとなっていて、原料投入量を減らさない限り温度が復帰しないことが分かる。
【００５９】
このようにして本発明によれば、燃料電池Ｃ４で要求する出力要求値に応じた原料投入量を蒸発器Ｃ２に投入すると共に、その出口蒸気温度が目標管理温度の下限値よりも低下したり、逆に目標管理温度の上限値よりも上昇したりしないように燃焼器Ｃ１側を制御することにより、蒸発器出口の蒸気ガス温度をふさわしいものに維持することができる。
【００６０】
そしてこの場合に、燃焼器Ｃ１の出口ガス流量Ｆ３と出口ガス温度Ｔ３を制御すれば、蒸発器Ｃ２へ熱を伝達するための伝熱部へ供給する熱量を調節することができ、これによって伝熱部の温度Ｔｊを制御することができる。
【００６１】
さらに、燃焼器Ｃ１の出口ガス流量や出口ガス温度を制御するには、これらに目標値を設定し、それに一致するように燃焼器Ｃ１に供給する燃料、空気の供給量を制御することができる。つまり、燃焼器Ｃ１の出口ガス温度は一定に保ちながら出口ガス流量を変化させる場合には、空気供給量：燃料供給量の比は一定に保ちながらその全体の供給量を変化させる制御を行う。また出口ガス温度を変化させる場合には、空気供給量だけあるいは燃料供給量だけを変化させる制御を行うのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施の形態の燃料改質器の制御装置を含む燃料電池発電システムのブロック図。
【図２】上記の実施の形態における制御装置の内部構成を示すブロック図。
【図３】上記の実施の形態における蒸発器、燃焼器の制御のフローチャート。
【図４】上記の実施の形態による制御特性を示すグラフ。
【図５】従来例の制御特性を示すグラフ。
【符号の説明】
Ｃ１ 燃焼器
Ｃ２ 蒸発器
Ｃ３ 改質触媒室
Ｃ４ 燃料電池
Ｃ９ 原料１供給装置
Ｃ１０ 原料２供給装置
Ｃ１１ 負荷
Ａ１ 負荷要求値演算装置
Ａ２ 出力要求値演算装置
Ａ３ 蒸発器原料投入量演算装置
Ａ４ パラメータ設定装置
Ａ５ 制御装置
Ａ１１ 空気供給量制御装置
Ａ１２ 燃料供給量制御装置
Ａ５１ 蒸発器熱量収支推定部
Ａ５２ 伝熱部温度目標演算部
Ａ５３ 燃焼器制御部
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質器の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電装置は、メタノールなどの原料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質器と、この燃料改質器で生成した水素リッチな燃料ガスと、別途空気供給装置から供給される酸素を含む酸化ガスとを反応させて発電する燃料電池とを主な要素として構成されている。そして燃料改質器には、メタノールなどの原料を加熱して蒸気にする蒸発器、この蒸発器に熱を供給する燃焼器、蒸気にされた原料を改質触媒で水素リッチな燃料ガスに改質する改質部が含まれる。
【０００３】
この燃料改質器では、蒸発器に原料を能力以上に大量に投入すると蒸発器温度が下がり、原料を蒸発させられなくなる。そのため、蒸発器で原料を蒸気にするためには、蒸発器の温度を目標管理温度に制御する必要がある。
【０００４】
従来、このような蒸発器の温度を制御する方法として、例えば、特開平８−２７３６８５号公報に記載されたものが知られている。この従来例の方法では、投入する原料投入量に応じて蒸発器目標温度を算出して、蒸発器温度が目標温度となるように燃焼器の空気、燃料流量を調節するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来の燃料電池改質器の制御装置では、燃焼器温度が目標温度を超えたときでも、蒸発器の温度が目標温度に達していない場合が起こる。
【０００６】
本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもので、蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の所定範囲内にあるように燃焼器温度を制御することができる燃料改質器の制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、蒸気化された原料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質触媒と、原料を蒸発させて前記改質触媒に供給する蒸発器と、前記蒸発器に前記原料を加熱するための熱を供給する燃焼器とから成り、燃料電池に供給する水素を生成するための燃料改質器を制御する燃料改質器の制御装置であって、燃料電池で要求する出力要求値に応じて前記蒸発器に投入する原料投入量目標値を算出する原料投入量目標値算出手段と、前記原料投入量目標値算出手段により算出された原料投入量目標値に基づいて、少なくとも原料が蒸発するときの蒸発熱量を含む前記蒸発器における熱量の収支を推定する熱量収支推定手段と、前記熱量収支推定手段の推定した前記蒸発器における熱量の収支に基づいて、前記燃焼器に供給する燃料の供給量と空気の供給量との少なくとも一方を制御する燃焼器制御手段とを備えたものである。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の燃料改質器の制御装置において、前記燃焼器制御手段は、前記熱量収支推定手段の推定した前記蒸発器の熱量の収支に基づいて前記蒸発器へ熱を伝達する伝熱部の目標温度を算出する伝熱部温度目標値演算手段を備え、前記伝熱部が前記伝熱部温度目標値演算手段の算出した前記目標温度に一致するように前記燃焼器に供給する燃料の供給量と空気の供給量との少なくとも一方を制御するものである。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項２の燃料改質器の制御装置において、前記燃焼器制御手段は、前記伝熱部の温度を測定する伝熱部温度測定手段を備え、前記伝熱部温度測定手段の測定する前記伝熱部の温度が前記伝熱部温度目標値演算手段の算出する前記伝熱部温度目標値と一致するように、前記燃焼器に供給する燃料の供給量と空気の供給量との少なくとも一方を制御するものである。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項２に記載の燃料改質器の制御装置において、前記燃焼器制御手段は、前記伝熱部の温度を測定する伝熱部温度測定手段と、前記燃焼器出口の燃焼ガス温度を測定する燃焼器出口温度測定手段とを備え、前記伝熱部温度測定手段の測定する前記伝熱部の温度が前記伝熱部温度目標値演算手段の算出する前記伝熱部温度目標値と一致するように、前記燃焼器出口の燃焼ガス温度を制御するものである。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項２の燃料改質器の制御装置において、前記燃焼器制御手段は、前記伝熱部の温度を測定する伝熱部温度測定手段と、前記燃焼器出口の燃焼ガス温度を測定する燃焼器出口温度測定手段と、前記燃焼器出口の燃焼ガス温度の上限値を設定する上限値設定手段とを備え、前記伝熱部温度測定手段の測定する前記伝熱部の温度が前記伝熱部温度目標値演算手段の算出する前記伝熱部温度目標値と一致するように前記燃焼器出口の燃焼ガス温度を制御すると共に、前記燃焼器出口温度測定手段により測定された燃焼器出口の燃焼ガス温度が前記上限値設定手段により設定された上限値に到達したときに、当該上限値を超えないように燃焼ガス温度を維持するように前記燃焼器に対する燃料の供給量を制御するものである。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項５に記載の燃料改質器の制御装置において、前記燃焼器が燃料と空気の混合物を燃焼させるものであり、前記燃焼器制御手段が、前記燃料の供給量を調整する燃料供給量制御手段と、前記空気の供給量を調整する空気供給量制御手段と、前記燃焼器出口の燃焼ガス温度を前記上限値に維持するために、前記燃焼器に供給する前記燃料と空気との供給量の比を制御する流量比制御手段とを備えたものである。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１の発明の燃料改質器の制御装置では、原料投入量目標値算出手段が燃料電池で要求する出力要求値に応じて蒸発器に投入する原料投入量目標値を算出し、熱量収支推定手段が蒸発器における熱量の収支を推定する。そして燃焼器制御手段が、この熱量収支推定手段の推定した蒸発器における熱量の収支に基づいて燃焼器を制御する。
【００１４】
蒸発器の熱量収支が負になったときには、蒸発器の出口蒸気温度が低下することを意味し、逆に正になったときには蒸発器の出口蒸気温度が上昇することを意味する。そして熱量収支がゼロであれば定常状態であり、蒸発器の出口蒸気温度が現状のまま維持されることを意味している。したがって、蒸発器の熱量の収支バランスが正か、負か、ゼロかによって熱量の過不足が判定できるのである。そこで、燃焼器制御手段は、蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の下限値よりも低い場合にはその温度を上昇させるように熱量収支が正となるように燃焼器を制御し、反対に蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の上限値よりも高い場合にはその温度を低下させる目的で熱量収支が負となるように燃焼器を制御し、蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の所定範囲内にある場合にはその温度を維持する目的で熱量収支がゼロとなるように燃焼器を制御して蒸発器の出口蒸気温度を制御する。
【００１５】
このようにして燃焼器を制御することにより、蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の所定範囲内にあるように制御することができる。
【００１６】
請求項２の発明の燃料改質器の制御装置では、伝熱部温度目標値演算手段が熱量収支推定手段の推定した蒸発器の熱量の収支に基づいて蒸発器へ熱を伝達する伝熱部の目標温度を算出し、燃焼器制御手段が、伝熱部の温度が伝熱部温度目標値演算手段の算出した目標温度に一致するように燃焼器を制御する。
【００１７】
このようにして燃焼器からの熱を蒸発器に伝達する伝熱部の温度を目標温度に制御することによって、蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の所定範囲内にあるように制御することができる。
【００１８】
請求項３の発明の燃料改質器の制御装置では、燃焼器制御手段が、伝熱部温度測定手段の測定する伝熱部の温度を伝熱部温度目標値演算手段の算出する伝熱部温度目標値と一致するように燃焼器に対する燃料の供給量を制御することにより、蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の所定範囲内にあるように制御することができる。
【００１９】
請求項４の発明の燃料改質器の制御装置では、燃焼器制御手段が、伝熱部温度測定手段の測定する伝熱部の温度を伝熱部温度目標値演算手段の算出する伝熱部温度目標値と一致するように燃焼器出口の燃焼ガス温度を制御することにより、蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の所定範囲内にあるように制御することができる。
【００２０】
請求項５の発明の燃料改質器の制御装置では、燃焼器制御手段が、伝熱部温度測定手段の測定する伝熱部の温度を伝熱部温度目標値演算手段の算出する伝熱部温度目標値と一致するように燃焼器出口の燃焼ガス温度を制御すると共に、燃焼器出口の燃焼ガス温度が燃焼ガス温度の上限値に到達したときに、当該上限値を超えないように燃焼ガス温度を維持するように燃焼器に対する燃料の供給量を制御することにより、蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の所定範囲内にあるように制御することができる。
【００２１】
請求項６の発明の燃料改質器の制御装置では、燃焼器制御手段における流量比制御手段が、燃焼器出口の燃焼ガス温度を上限値に維持するために、燃焼器に供給する燃料と空気との供給量の比を制御することにより、蒸発器の出口蒸気温度が目標管理温度の所定範囲内にあるように制御することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は本発明の第１の実施の形態の燃料改質器の制御装置を含む燃料電池発電システムの構成を示している。この燃料電池発電システムの機械系は、燃焼器Ｃ１、蒸発器Ｃ２、改質触媒室Ｃ３、燃料電池Ｃ４、燃焼器Ｃ１に対する空気供給装置Ｃ５及び燃料供給装置Ｃ６、原料１タンクＣ７及び原料２タンクＣ８、これらの原料１タンクＣ７の原料１、原料２タンクＣ８の原料２を蒸発器Ｃ２に供給する原料１供給装置Ｃ９、原料２供給装置Ｃ１０、そして負荷Ｃ１１から構成されている。
【００２３】
本実施の形態では、原料１タンクＣ７には原料１としてメタノールが収められている。原料２タンクＣ８には原料２として水が収められている。
【００２４】
燃料電池発電システムの制御系は、負荷要求値演算装置Ａ１、出力要求値演算装置Ａ２、蒸発器原料投入量演算装置Ａ３、パラメータ設定装置Ａ４、制御装置Ａ５、原料１タンクＣ７内の原料１に対する温度計測装置Ａ６、原料２タンクＣ８内の原料２に対する温度計測装置Ａ７、燃焼器Ｃ１の出口ガス温度を計測する燃焼器出口ガス温度計測装置Ａ８、蒸発器Ｃ２に熱を伝える伝熱部の温度を計測する伝熱部温度計測装置Ａ９、蒸発器出口の蒸気温度を計測する蒸発器出口蒸気温度計測装置Ａ１０、空気供給装置Ｃ５から燃焼器Ｃ１に供給する空気流量を制御する空気流量制御装置Ａ１１、そして燃料タンクＣ６から燃焼器Ｃ１に供給する燃料流量を制御する燃料流量制御装置Ａ１２から構成されている。
【００２５】
負荷要求値演算装置Ａ１は、負荷Ｃ１１に要求する負荷要求値を演算する。この負荷要求値は、当該システムが燃料電池自動車である場合、ドライバのアクセル操作から算出する。出力要求値演算装置Ａ２は、負荷要求値演算装置Ａ１が算出した負荷要求値に基づき、燃料電池Ｃ４で必要とする出力要求値を演算する。蒸発器原料投入量演算装置Ａ３は、出力要求値演算装置Ａ２が算出した出力要求値に基づき、蒸発器原料投入量を算出する。この蒸発器原料投入量が、燃料電池出力要求値に応じた蒸発器原料投入量目標値である。パラメータ設定装置Ａ４は、制御装置Ａ５が演算制御に必要とする諸々のパラメータを保持している。
【００２６】
制御装置Ａ５には蒸発器原料投入量演算装置Ａ３から原料投入量目標値が入力され、原料１温度計測装置Ａ６から原料１の温度、原料２温度計測装置Ａ７から原料２の温度、燃焼器出口ガス温度計測装置Ａ８から燃焼器出口のガス温度、電熱部温度計測装置Ａ９から蒸発器内の伝熱部の温度、蒸発器出口蒸気温度計測装置Ａ１０から蒸発器出口の蒸気温度がそれぞれ入力される。そして制御装置Ａ５はこれらの計測値とパラメータ設定装置Ａ４からのパラメータとを用いて、後述する制御演算処理によって燃焼器Ｃ１に対する空気供給量、燃料供給量を求め、これに基づいて空気流量制御装置Ａ１１、燃料流量制御装置Ａ１２を制御して燃焼器Ｃ１に供給する空気、燃料の供給量を調整する。
【００２７】
この制御装置Ａ５は図２に示す構成であり、蒸発器Ｃ２の熱量収支を推定する蒸発器熱量収支推定部Ａ５１、この蒸発器熱量の収支推定結果に基づき燃焼器Ｃ１から蒸発器Ｃ２に熱を伝達する伝熱部の目標温度を演算する伝熱部目標温度演算部Ａ５２、そして燃焼器Ｃ１に対する空気流量制御装置Ａ１１、燃料流量制御装置Ａ１２に対して空気供給量、燃料供給量を指示する燃焼器制御部Ａ５３を備えている。
【００２８】
次に、上記の構成の燃料電池発電システムにおける燃料改質器の制御装置の動作を、図３のフローチャートを用いて説明する。
【００２９】
負荷要求演算装置Ａ１は、負荷Ｃ１１に要求する負荷要求値を演算する。出力要求値演算装置Ａ２は、負荷要求値演算装置Ａ１が算出した負荷要求値に基づき、燃料電池Ｃ４で必要とする出力要求値を演算する。
【００３０】
蒸発器原料投入量演算装置Ａ３は、出力要求値演算装置Ａ２が算出した出力要求値に基づいて蒸発器原料投入量を算出し（ステップＳ０５）、これを原料１供給装置Ｃ９、原料２供給装置Ｃ１０に与えて所定の投入量だけ蒸発器Ｃ２に原料１、原料２を供給する（ステップＳ１０）。そしてこれと並行して、蒸発器原料投入量演算装置Ａ３は算出した蒸発器原料投入量目標値を制御装置Ａ５の蒸発器熱量収支推定部Ａ５１に与える。
【００３１】
制御装置Ａ５の蒸発器熱量収支推定部Ａ５１は、蒸発器原料投入量演算装置Ａ３から原料投入量目標値を、原料１温度計測装置Ａ６から原料１の温度を、原料２温度計測装置Ａ７から原料２の温度を、燃焼器出口ガス温度計測装置Ａ８から燃焼器出口のガス温度を、伝熱部温度計測装置Ａ９から伝熱部温度を、蒸発器出口蒸気温度計測装置Ａ１０から蒸発器出口の蒸気温度をそれぞれ入力し、またパラメータ設定装置Ａ４から諸々のパラメータを入力する。蒸発器熱量収支推定部Ａ５１はこれらの入力を用いて、後述する方法で蒸発器Ｃ２の熱量収支を推定演算し、伝熱部目標温度演算部Ａ５２に渡す（ステップＳ１５）。
【００３２】
伝熱部目標温度演算部Ａ５２では、この蒸発器熱量の収支推定結果に基づき燃焼器Ｃ１から蒸発器Ｃ２に熱を伝達するための伝熱部の目標温度を算出して燃焼器制御部Ａ５３に渡す（ステップＳ２０）。
【００３３】
続いて、燃焼器制御部Ａ５３では、燃焼器出口温度を計測している温度計測装置Ａ８の出力を受け取り、これが上限値に到達していないかどうか判定する（ステップＳ２５）。
【００３４】
そして燃焼器出口ガス温度が上限値に到達していなければ、伝熱部が目標温度になるように空気供給量、燃料供給量のいずれかを制御することにより、燃焼器出口ガス流量と出口ガス温度を調整し、伝熱部が目標温度となるようにする（ステップＳ３０）。
【００３５】
他方、燃焼器出口ガス温度が上限値に到達していれば、その温度を維持しながら伝熱部を目標温度に維持すべく、燃料、空気の供給量比は一定にしたままその全体の供給量を制御する（ステップＳ３５）。
【００３６】
蒸発器Ｃ２では、投入される所定量の原料１、原料２に対して、燃焼器Ｃ１からの熱を伝えて蒸発させ、気化された原料１、原料２を改質触媒室Ｃ３に導く。改質触媒室Ｃ３では、気化した原料１、原料２を改質触媒に接触させて改質反応を起こさせ、水素リッチな燃料ガスにして燃料電池Ｃ４に送込む。
【００３７】
燃料電池Ｃ４では、改質触媒室Ｃ３からの水素リッチな燃料ガスと、空気供給装置Ｃ５から供給される空気中の酸素とを反応させて発電する。この燃料電池Ｃ４から排出される排ガスは燃焼器Ｃ１に戻して燃焼させ、蒸発器Ｃ２に対する熱源とする。一方、燃料電池Ｃ４で発生した電力は負荷Ｃ１１に供給する。
【００３８】
燃料電池自動車の場合には、負荷Ｃ１１はバッテリあるいはモータであり、燃料電池Ｃ４で発電した電気を取り出し、これを電圧昇圧器で昇圧してから利用する。
【００３９】
次に、制御装置Ａ５が採用している上述した蒸発器Ｃ２の熱量収支の推定、燃焼器Ｃ１に対する空気、燃料供給量の制御に用いる演算原理について説明する。
【００４０】
蒸発器Ｃ２における熱量の収支は、次の数１式によって表すことができる。ここで原料は２種類、メタノール（原料１）と水（原料２）である。
【００４１】
【数１】
ρ1：原料１の密度［ｋｇ／ｍ3］
ρ2：原料２の密度［ｋｇ／ｍ3］
ρ： 蒸発器内の混合物の平均密度［ｋｇ／ｍ3］
Ｆ1：原料１の体積流量［ｍ3／ｓ］
Ｆ2：原料２の体積流量［ｍ3／ｓ］
Ｆ： 蒸発器流出混合物の体積流量［ｍ3／ｓ］
Ｈ： 蒸発熱量［Ｊ／ｓ］
Ｋ： 蒸発器への伝熱部の熱伝達率［Ｊ／（ｓ・Ｋ・ｍ2）］
Ａ： 蒸発器への伝熱部の伝熱面積［ｍ2］
Ｃn： 蒸発器熱容量［Ｊ／Ｋ］
Ｃp1：原料１の熱容量［Ｊ／Ｋ］
Ｃp2：原料２の熱容量［Ｊ／Ｋ］
Ｃp： 原料混合物の熱容量［Ｊ／Ｋ］
Ｔn： 蒸発器出口の蒸気温度［Ｋ］
Ｔj： 蒸発器内の伝熱部の温度［Ｋ］
Ｔ1： 蒸発器への原料１の流入温度［Ｋ］
Ｔ2： 蒸発器への原料２の流入温度［Ｋ］
上の数１式の左辺は、熱量の時間変動を表し、数１式の右辺第１項は蒸発器Ｃ２に対して原料１が持ち込む熱量、第２項は原料２が持ち込む熱量を表している。また右辺第３項は蒸発器Ｃ２から混合物蒸気が持ち去る熱量、第４項は蒸発器Ｃ２において原料混合物が蒸発するときの蒸発熱量、第５項は蒸発器Ｃ２へ燃焼器Ｃ１の熱を伝える伝熱部からの熱量の収支、そして第６項のΔは蒸発器Ｃ２での熱量の損失分を表している。
【００４２】
この数１式は、蒸発器Ｃ２の周辺の熱量の収支すべてを表しているので、原料１、原料２の流入温度、流量、伝熱部の温度が変化した場合の蒸発器Ｃ２の周辺の熱量の収支のバランスを推定することができる。
【００４３】
この熱量の収支バランスが負になった場合、蒸発器Ｃ２の出口温度が低下することを意味する。反対にそれが正になった場合には、蒸発器Ｃ２の出口温度が上昇することを意味する。そしてそれがゼロの場合には定常状態で、蒸発器Ｃ２の出口温度が現状のまま維持されることを意味する。つまり、熱量の収支バランスが正、負、ゼロによって熱量の過不足を判別することができる。
【００４４】
そして蒸発器Ｃ２の出口蒸気ガス温度が目標管理温度の下限値よりも低い場合には、温度を上昇させて熱量の収支バランスが正となるように燃焼器Ｃ１を制御し、反対に蒸発器Ｃ２の出口蒸気温度が目標管理温度上限値よりも高い場合には、温度を低下させて熱量の収支バランスが負となるように燃焼器Ｃ１を制御し、蒸発器出口の蒸気温度が目標管理温度の所定の範囲内にあれば、温度を現状維持させて熱量の収支バランスがゼロとなるように燃焼器Ｃ１を制御することにより、蒸発器Ｃ２の出口蒸気温度を目標管理温度の所定の範囲内にあるように制御することができるのである。
【００４５】
いま、数１式において、蒸発器Ｃ２の熱量収支が定常状態であれば、左辺がゼロとなるので、次の数２式のようになる。以下では、説明の簡単化のために損失Δはないものと仮定する。
【００４６】
【数２】
【００４７】
【数３】
【００４８】
【数４】
【００４９】
この燃焼器Ｃ１からの伝熱部の温度と、燃焼器Ｃ１の出口ガス温度との関係は、次の数５式で表すことができる。
【００５０】
【数５】
Ｃj： 伝熱部熱容量［Ｊ／Ｋ］
Ｔn： 蒸発器の出口蒸気温度［Ｋ］
Ｔj： 伝熱部の温度［Ｋ］
Ｃｐ3：燃焼器からのガスの熱容量［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）
Ｔ3： 燃焼器からのガスの温度［Ｋ］
ρ3： 燃焼器からのガスの密度［ｋｇ／ｍ3］
この数５式の右辺第１項は燃焼器Ｃ１の出口ガスが伝熱部に持ち込む熱量、第２項は燃焼器Ｃ１の出口ガスが伝熱部から持ち去る熱量を表している。第３項は、蒸発器Ｃ２へ熱を伝える伝熱部からの熱量の収支を表し、第４項は伝熱部での熱量の損失分を表している。
【００５１】
この数５式より、蒸発器Ｃ２の伝熱部の温度Ｔjを変化させるためには、第１項と、第３項のＫ・Ａ・（−Ｔn）を変化させるしかない。ところが、Ｔnは蒸発器Ｃ２の出口蒸気温度であるので、これを直接操作することはできない。したがって、蒸発器Ｃ２内にある伝熱部の温度Ｔjを変化させるためには、第１項のρ3・Ｆ3・Ｃｐ3・Ｔ3を変化させるしか現実的な方法はない。
【００５２】
このことから、燃焼器Ｃ１の出口ガス流量Ｆ3と出口ガス温度Ｔ３を制御すれば、蒸発器Ｃ２へ熱を伝達するための伝熱部へ供給する熱量を調節することができ、これによって伝熱部の温度Ｔjを制御することができるのである。
【００５３】
燃焼器Ｃ１の出口ガス流量や出口ガス温度を制御するには、これらに目標値を設定し、それに一致するように燃焼器Ｃ１に供給する燃料、空気の供給量を制御することになる。ここで、燃焼器Ｃ１の出口ガス温度は一定に保ちながら出口ガス流量を変化させる場合には、空気供給量：燃料供給量の比は一定に保ちながらその全体の供給量を変化させる制御を行う。また出口ガス温度を変化させる場合には、空気供給量だけあるいは燃料供給量だけを変化させる制御を行う。
【００５４】
図４及び図５は本実施の形態による燃料改質器の制御装置と従来の制御装置とのコンピュータシミュレーション結果を示している。図４は本実施の形態による制御を実施した場合、図５はそれを実施しなかった場合のシミュレーション結果である。両図において、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）はそれぞれ、
（ａ）蒸発器Ｃ２の出口蒸気温度［Ｋ］
（ｂ）蒸発器Ｃ２へ熱を伝達する伝熱部の目標温度［Ｋ］（図６にはない）
（ｃ）燃焼器Ｃ１の投入燃料［ｍ3／ｓ］
（ｄ）蒸発器Ｃ２への投入原料［ｍ3／ｓ］
（ｅ）燃焼器Ｃ１への空気供給量［ｍ3／ｓ］
を表している。
【００５５】
このシミュレーション条件は、２２秒の時点で蒸発器Ｃ２に投入する原料流量をステップ状に変化させて増加し、２５秒の時点でステップ状に減少させたものである（両図（ｄ））。
【００５６】
燃焼器Ｃ１の燃料としては、水素と空気を仮定し、水素は一定量供給し続けるものとし、空気流量だけを変化させるものとした（シミュレーション上では、燃焼器出口ガス温度が上限管理値を超えない場合を想定しているので、水素と空気との一定比率制御は行わないとした）。
【００５７】
図４に示した本実施の形態の制御では、蒸発器Ｃ２内の伝熱部の目標温度を算出して、燃焼器Ｃ１の空気量を調節するようにしている。このため、燃焼器出口ガス温度が変化している。またこれにより、蒸発器出口の蒸気温度は原料投入時にいったん下がるが、すぐに復帰している。
【００５８】
これに対して、図５に示した従来例の制御によれば、蒸発器Ｃ２の出口蒸気温度は原料投入と共に低下したままとなっていて、原料投入量を減らさない限り温度が復帰しないことが分かる。
【００５９】
このようにして本発明によれば、燃料電池Ｃ４で要求する出力要求値に応じた原料投入量を蒸発器Ｃ２に投入すると共に、その出口蒸気温度が目標管理温度の下限値よりも低下したり、逆に目標管理温度の上限値よりも上昇したりしないように燃焼器Ｃ１側を制御することにより、蒸発器出口の蒸気ガス温度をふさわしいものに維持することができる。
【００６０】
そしてこの場合に、燃焼器Ｃ１の出口ガス流量Ｆ３と出口ガス温度Ｔ３を制御すれば、蒸発器Ｃ２へ熱を伝達するための伝熱部へ供給する熱量を調節することができ、これによって伝熱部の温度Ｔｊを制御することができる。
【００６１】
さらに、燃焼器Ｃ１の出口ガス流量や出口ガス温度を制御するには、これらに目標値を設定し、それに一致するように燃焼器Ｃ１に供給する燃料、空気の供給量を制御することができる。つまり、燃焼器Ｃ１の出口ガス温度は一定に保ちながら出口ガス流量を変化させる場合には、空気供給量：燃料供給量の比は一定に保ちながらその全体の供給量を変化させる制御を行う。また出口ガス温度を変化させる場合には、空気供給量だけあるいは燃料供給量だけを変化させる制御を行うのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施の形態の燃料改質器の制御装置を含む燃料電池発電システムのブロック図。
【図２】上記の実施の形態における制御装置の内部構成を示すブロック図。
【図３】上記の実施の形態における蒸発器、燃焼器の制御のフローチャート。
【図４】上記の実施の形態による制御特性を示すグラフ。
【図５】従来例の制御特性を示すグラフ。
【符号の説明】
Ｃ１ 燃焼器
Ｃ２ 蒸発器
Ｃ３ 改質触媒室
Ｃ４ 燃料電池
Ｃ９ 原料１供給装置
Ｃ１０ 原料２供給装置
Ｃ１１ 負荷
Ａ１ 負荷要求値演算装置
Ａ２ 出力要求値演算装置
Ａ３ 蒸発器原料投入量演算装置
Ａ４ パラメータ設定装置
Ａ５ 制御装置
Ａ１１ 空気供給量制御装置
Ａ１２ 燃料供給量制御装置
Ａ５１ 蒸発器熱量収支推定部
Ａ５２ 伝熱部温度目標演算部
Ａ５３ 燃焼器制御部
Claims (6)
- 蒸気化された原料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質触媒と、原料を蒸発させて前記改質触媒に供給する蒸発器と、前記蒸発器に前記原料を加熱するための熱を供給する燃焼器とから成り、燃料電池に供給する水素を生成するための燃料改質器を制御する燃料改質器の制御装置であって、
燃料電池で要求する出力要求値に応じて前記蒸発器に投入する原料投入量目標値を算出する原料投入量目標値算出手段と、
前記原料投入量目標値算出手段により算出された原料投入量目標値に基づいて、少なくとも原料が蒸発するときの蒸発熱量を含む前記蒸発器における熱量の収支を推定する熱量収支推定手段と、
前記熱量収支推定手段の推定した前記蒸発器における熱量の収支に基づいて、前記燃焼器に供給する燃料の供給量と空気の供給量との少なくとも一方を制御する燃焼器制御手段とを備えて成る燃料改質器の制御装置。 - 前記燃焼器制御手段は、前記熱量収支推定手段の推定した前記蒸発器の熱量の収支に基づいて前記蒸発器へ熱を伝達する伝熱部の目標温度を算出する伝熱部温度目標値演算手段を備え、前記伝熱部が前記伝熱部温度目標値演算手段の算出した前記目標温度に一致するように前記燃焼器に供給する燃料の供給量と空気の供給量との少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料改質器の制御装置。
- 前記燃焼器制御手段は、前記伝熱部の温度を測定する伝熱部温度測定手段を備え、前記伝熱部温度測定手段の測定する前記伝熱部の温度が前記伝熱部温度目標値演算手段の算出する前記伝熱部温度目標値と一致するように、前記燃焼器に供給する燃料の供給量と空気の供給量との少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料改質器の制御装置。
- 前記燃焼器制御手段は、前記伝熱部の温度を測定する伝熱部温度測定手段と、前記燃焼器出口の燃焼ガス温度を測定する燃焼器出口温度測定手段とを備え、前記伝熱部温度測定手段の測定する前記伝熱部の温度が前記伝熱部温度目標値演算手段の算出する前記伝熱部温度目標値と一致するように、前記燃焼器出口の燃焼ガス温度を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料改質器の制御装置。
- 前記燃焼器制御手段は、前記伝熱部の温度を測定する伝熱部温度測定手段と、前記燃焼器出口の燃焼ガス温度を測定する燃焼器出口温度測定手段と、前記燃焼器出口の燃焼ガス温度の上限値を設定する上限値設定手段とを備え、
前記伝熱部温度測定手段の測定する前記伝熱部の温度が前記伝熱部温度目標値演算手段の算出する前記伝熱部温度目標値と一致するように前記燃焼器出口の燃焼ガス温度を制御すると共に、前記燃焼器出口温度測定手段により測定された燃焼器出口の燃焼ガス温度が前記上限値設定手段により設定された上限値に到達したときに、当該上限値を超えないように燃焼ガス温度を維持するように前記燃焼器に対する燃料の供給量を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料改質器の制御装置。 - 前記燃焼器は燃料と空気の混合物を燃焼させるものであり、前記燃焼器制御手段は、前記燃料の供給量を調整する燃料供給量制御手段と、前記空気の供給量を調整する空気供給量制御手段と、前記燃焼器出口の燃焼ガス温度を前記上限値に維持するために、前記燃焼器に供給する前記燃料と空気との供給量の比を制御する流量比制御手段とを備えて成ることを特徴とする請求項５に記載の燃料改質器の制御装置。
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