JP4108385B2 - Fuel reformer - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質装置に関し、特に、複数種類の原料を改質部に供給するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムでは、燃料電池に供給される水素ガスを生成するための燃料改質装置が設けられている。燃料改質装置は、通常、炭化水素系の原燃料と水蒸気と空気とを含む複数種類の原料を用いて、水素ガスを含む改質ガスを生成する改質部を備えている。
【０００３】
燃料改質装置において、改質部に供給される複数種類の原料の流量は、燃料電池に要求される出力電力、換言すれば、改質部に要求される水素ガスの排出流量に応じて、調整されている。具体的には、従来の燃料改質装置では、改質部に要求される水素ガスの排出流量に応じて、改質部に供給すべき原燃料の流量が決定され、また、原燃料の実際の流量に応じて、改質部に供給すべき水蒸気などの他の原料の流量が調整されている（例えば、特開平７−１２２２８６号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来では、複数種類の原料の流量を所定の比で精度よく改質部に供給するのは、比較的困難であった。これは、原燃料の実際の流量を基準として、水蒸気の流量を調整しているためである。すなわち、水蒸気は、蒸発器において、水を蒸発させて生成される。蒸発器に供給される水の流量と蒸発器から排出される水蒸気の流量との間には遅延が存在し、この遅延時間の推定は比較的困難である。このため、原燃料と水蒸気とが所定比となるように原燃料の実際の流量に水蒸気の流量を追従させるのは、比較的困難である。
【０００５】
なお、原燃料に対して過剰な水蒸気を予め準備しておけば、原燃料の実際の流量に水蒸気の流量を追従させることができるが、この場合には、過剰な水蒸気を蓄えるためのバッファタンク等が必要となってしまう。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、水蒸気を含む複数種類の原料の流量を所定の比で精度よく改質部に供給することのできる技術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およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の装置は、燃料改質装置であって、
炭化水素系の原燃料と水蒸気とを少なくとも含む複数種類の原料を用いて、水素ガスを含む改質ガスを生成するための改質部と、
前記改質部に前記複数種類の原料を供給するための原料供給部と、
前記原料供給部を制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記改質部に要求される前記水素ガスの排出流量に応じて、前記原料供給部が前記改質部に供給すべき水蒸気の目標流量を少なくとも決定するための第１の目標流量決定部と、
前記改質部に供給される水蒸気の現行流量を測定するための水蒸気現行流量測定部と、
前記測定された水蒸気の現行流量に応じて、前記原料供給部が前記改質部に供給すべき水蒸気以外の少なくとも１種類の原料の目標流量を決定するための第２の目標流量決定部と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
この燃料改質装置では、改質部に要求される水素ガスの排出流量に応じて、改質部に供給されるべき水蒸気の目標流量が決定される。そして、測定された水蒸気の現行流量に応じて、改質部に供給されるべき水蒸気以外の少なくとも１種類の原料の目標流量が決定される。これにより、水蒸気を含む複数種類の原料の流量を所定の比で精度よく改質部に供給することが可能となる。
【０００９】
上記の装置において、
前記原料供給部は、
炭化水素系の原燃料と水蒸気と空気とを含む前記複数種類の原料の混合ガスを生成するための原料混合部と、
前記原料混合部に供給される水の流量を調整する第１のアクチュエータと、
前記原料混合部に供給される空気の流量を調整する第２のアクチュエータと、
前記原料混合部に供給される原燃料の流量を調整する第３のアクチュエータと、
を備え、
前記第１の目標流量決定部は、
少なくとも、前記決定された水蒸気の目標流量に従って、前記第１のアクチュエータを制御し、
前記第２の目標流量決定部は、
前記決定された水蒸気以外の少なくとも１種類の原料の目標流量に従って、前記第１のアクチュエータ以外の少なくとも１つのアクチュエータを制御することが好ましい。
【００１０】
より具体的には、上記の装置において、
前記原料混合部は、
水蒸気を生成する水蒸気生成部と、
前記水蒸気生成部から排出される水蒸気に、空気と原燃料とを混合して混合ガスを生成する混合ガス生成部と、
を備え、
前記第１の目標流量決定部は、
前記決定された水蒸気の目標流量に従って、前記第１のアクチュエータを制御し、
前記水蒸気現行流量測定部は、
前記水蒸気生成部から排出される水蒸気の現行流量を検出する流量センサと、
検出結果を用いて、前記水蒸気の現行流量を算出するための算出部と、
を備え、
前記第２の目標流量決定部は、
前記算出された水蒸気の現行流量に応じて、前記混合ガス生成部が前記改質部に供給すべき空気の目標流量と原燃料の目標流量とを決定して、
前記決定された空気の目標流量と前記決定された原燃料の目標流量とに従って、前記第２のアクチュエータと前記第３のアクチュエータとをそれぞれ制御するようにしてもよい。
【００１１】
こうすれば、水蒸気の現行流量に応じて、空気および原燃料の流量を調整することができる。
【００１２】
また、上記の装置において、
前記原料混合部は、
水蒸気と空気とを含む第１の混合ガスを生成する第１の混合ガス生成部と、
前記第１の混合ガスに原燃料を混合して第２の混合ガスを生成する第２の混合ガス生成部と、
を備え、
前記第１の目標流量決定部は、
前記改質部に要求される前記水素ガスの排出流量に応じて、前記水蒸気の目標流量とともに、前記第１の混合ガス生成部が前記改質部に供給すべき空気の目標流量を決定して、
前記決定された水蒸気の目標流量と前記決定された空気の目標流量とに従って、前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータとをそれぞれ制御し、
前記水蒸気現行流量測定部は、
前記第１の混合ガスの現行流量を検出する流量センサと、
検出結果を用いて、前記第１の混合ガスに含まれる水蒸気の現行流量を算出するための算出部と、
を備え、
前記第２の目標流量決定部は、
前記算出された水蒸気の現行流量に応じて、前記第２の混合ガス生成部が前記改質部に供給すべき原燃料の目標流量を決定して、
前記決定された原燃料の目標流量に従って、前記第３のアクチュエータを制御するようにしてもよい。
【００１３】
こうすれば、第１の混合ガス中の水蒸気の現行流量に応じて、原燃料の流量を調整することができる。
【００１４】
ここで、前記水蒸気現行流量測定部は、さらに、前記第１の混合ガス生成部に供給される空気の現行流量を検出する空気流量センサを備え、前記算出部は、前記空気の現行流量の検出結果と、前記第１の混合ガスの現行流量の検出結果と、を用いて、前記第１の混合ガスに含まれる水蒸気の現行流量を算出するようにしてもよい。
【００１５】
さらに、上記の装置において、
前記原料混合部は、
水蒸気と原燃料とを含む第１の混合ガスを生成する第１の混合ガス生成部と、前記第１の混合ガスに空気を混合して第２の混合ガスを生成する第２の混合ガス生成部と、
を備え、
前記第１の目標流量決定部は、
前記改質部に要求される前記水素ガスの排出流量に応じて、前記水蒸気の目標流量とともに、前記第１の混合ガス生成部が前記改質部に供給すべき原燃料の目標流量を決定して、
前記決定された水蒸気の目標流量と前記決定された原燃料の目標流量とに従って、前記第１のアクチュエータと前記第３のアクチュエータとをそれぞれ制御し、
前記水蒸気現行流量測定部は、
前記第１の混合ガスの現行流量を検出する流量センサと、
検出結果を用いて、前記第１の混合ガスに含まれる水蒸気の現行流量を算出するための算出部と、
を備え、
前記第２の目標流量決定部は、
前記算出された水蒸気の現行流量に応じて、前記第２の混合ガス生成部が前記改質部に供給すべき空気の目標流量を決定して、
前記決定された空気の目標流量に従って、前記第２のアクチュエータを制御するようにしてもよい。
【００１６】
こうすれば、第１の混合ガス中の水蒸気の現行流量に応じて、空気の流量を調整することができる。
【００１７】
上記の装置において、
前記流量センサは、熱線式の流量センサであることが好ましい。
【００１８】
こうすれば、比較的応答の速い燃料改質装置を比較的安価に構成することができる。
【００１９】
なお、本発明は、燃料改質装置、燃料改質装置を含む燃料電池システム、該システムを搭載した移動体などの装置、燃料改質装置における原料供給の制御方法、そ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、等の種々の態様で実現することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
Ａ．第１実施例：
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、第１実施例における燃料改質装置１００の概略構成を模式的に示す説明図である。なお、この燃料改質装置１００は、燃料電池システムに適用されており、水素ガスを含む燃料ガスを生成して燃料電池に供給する。
【００２１】
図示するように、燃料改質装置１００は、原料供給部３０と、改質部４０と、熱交換部５０と、シフト部６０と、ＣＯ浄化部７０と、制御ユニット２００と、を備えている。
【００２２】
原料供給部３０は、蒸発器１４０と加熱器１５０と気化室１６０とを備えており、炭化水素系の原燃料と水蒸気と空気との混合ガスを改質部４０に供給する。蒸発器１４０は、水ポンプ１２２によって水タンク１２０から供給された水を気化させる。加熱器１５０は、蒸発器１４０から供給された水蒸気と、第１の空気ポンプ１３０によって供給された空気と、の混合ガスを加熱して、気化室１６０に供給する。気化室１６０は、第１の原燃料ポンプ１１２によって原燃料タンク１１０から供給された液体原燃料を気化させ、原燃料と水蒸気と空気との混合ガスを生成する。より具体的には、気化室１６０は、図示しないインジェクタを備えており、インジェクタは、液体原燃料を、供給された高温の混合ガス（水蒸気＋空気）中に霧状に噴射する。原燃料は、混合ガス中を飛散する過程で気化する。なお、本実施例では、原燃料タンク１１０は、液体原燃料としてガソリンを蓄えている。
【００２３】
蒸発器１４０には、第２の原燃料ポンプ１４２によって原燃料タンク１１０から原燃料が供給されているとともに、第２の空気ポンプ１４４によって空気が供給されている。同様に、加熱器１５０には、第３の原燃料ポンプ１５２によって原燃料タンク１１０から原燃料が供給されているとともに、第３の空気ポンプ１５４によって空気が供給されている。蒸発器１４０および加熱器１５０は、原燃料を空気を用いて燃焼させ、燃焼熱によって水（水蒸気）や空気を加熱する。なお、蒸発器１４０から排出される水蒸気の温度は、例えば、約１２０℃に設定されており、加熱器１５０から排出される混合ガスの温度は、例えば、改質部４０における改質反応に適した約５００℃に設定されている。
【００２４】
改質部４０は、改質触媒を備えており、混合ガスに含まれる原燃料（ガソリン）を、水蒸気と空気とを用いて、水素ガスと一酸化炭素ガスとを含む改質ガスに改質する。なお、本実施例の改質部は、水蒸気改質と部分酸化改質とを組み合わせた併用改質を行う。
【００２５】
熱交換部５０は、改質ガスを所定範囲内の温度に冷却した後に、シフト部６０に供給する。なお、熱交換部５０において、改質部４０から排出された改質ガスが冷却されるのは、シフト部６０における改質ガスの適正温度が比較的低いためである。具体的には、改質部４０の内部の改質ガスの温度は、約５００〜約８００℃であるが、シフト部６０に供給される改質ガスの適正温度は、約２００〜約４００℃である。
【００２６】
シフト部６０は、改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスを、外部から供給された水蒸気を用いて、水素ガスと二酸化炭素ガスとに変換する。この反応は、シフト反応と呼ばれている。
【００２７】
ＣＯ浄化部７０は、シフト部６０において変換されずに排出された一酸化炭素ガスを、外部から供給された空気を用いて酸化する。そして、ＣＯ浄化部７０からは、水素ガス濃度が高く一酸化炭素ガス濃度が低い燃料ガスが排出される。
【００２８】
なお、シフト部６０とＣＯ浄化部７０とにおいて一酸化炭素ガスの濃度を低減させることにより、燃料電池内部の電極に担持された貴金属触媒の被毒を低減させることができる。
【００２９】
制御ユニット２００は、燃料改質装置１００を含む燃料電池システムの各部を制御する。特に、制御ユニット２００は、燃料電池に供給すべき燃料ガスの流量に基づいて、原料供給部３０を制御する。より具体的には、制御ユニット２００は、改質部４０に要求される水素ガスの排出流量に応じて、水蒸気の目標流量を決定する。そして、制御ユニット２００は、測定された水蒸気の実際の流量に応じて、他の原料の目標流量を決定する。このため、蒸発器１４０と加熱器１５０との間には、水蒸気の実際の流量を検出する水蒸気流量センサ２４２が設けられている。なお、本実施例において、改質部４０よりも後段に設けられた各部の制御は、測定された水蒸気の現行水量に基づいて実行されている。
【００３０】
図２は、図１に示す流量センサ２４２の具体的な構成を示す説明図である。なお、この流量センサ２４２は、熱線式の流量センサである。図２（Ａ）は、流量センサ２４２を図中ｙｚ平面で切断したときの概略断面図を示しており、図２（Ｂ）は、流量センサ２４２を図中−ｙ方向から見たときの正面図を示している。なお、図中−ｚ方向が重力方向に設定されている。
【００３１】
流量センサ２４２は、略矩形の断面を有する通路を形成するハウジング３８２と、ハウジング３８２の上流側および下流側に接続された２つの略円筒状の導管３８４ａ，３８４ｂと、を備えている。
【００３２】
ハウジング３８２内部には、２つの抵抗素子３１０ａ，３１０ｂが設けられている。第１の抵抗素子３１０ａの両端は、２つの棒状の端子３１１ａ，３１２ａの一方の端部に接続されており、第２の抵抗素子３１０ｂの両端は、２つの棒状の端子３１１ｂ，３１２ｂの一方の端部に接続されている。各端子の他方の端部には、雄ネジが形成されており、中央部分には、円板状の凸部３１４が形成されている。ハウジング３８２の上壁には、４つの端子が挿入される取付孔が設けられている。各端子は、ハウジング３８２の内側および外側に設けられた２つのドーナツ状の絶縁部材３２０を介して、ナット３１６によってネジ止めされている。これにより、各端子は、ハウジング３８２と絶縁された状態で、ハウジング３８２に固定される。なお、各端子３１１ａ，３１２ａ，３１１ｂ，３１２ｂには、２つの抵抗素子に電流を流すためのリード線３１８ａ，３１９ａ，３１８ｂ，３１９ｂがそれぞれ接続されている。図示するように、各端子をハウジング３８２の上壁で固定することにより、２つの抵抗素子３１０ａ，３１０ｂは、結露の影響を受け難くなる。
【００３３】
第１の抵抗素子３１０ａはヒータ用抵抗であり、第２の抵抗素子３１０ｂは参照用抵抗である。図３は、図２のヒータ用抵抗３１０ａの部分断面図である。なお、参照用抵抗３１０ｂとしては、ヒータ用抵抗３１０ａと同じものが用いられている。ヒータ用抵抗３１０ａは、中空円筒状のセラミック材料で構成されたパイプ３０１と、白金合金で構成された２つのリード線３０２，３０３と、ワイヤ状の白金抵抗体３０４と、を備えている。パイプ３０１の両端部にはリード線３０２，３０３が挿入されており、各リード線は、ガラス３０５によってパイプに固定されている。パイプ３０１の周囲には白金抵抗体３０４が螺旋状に巻き付けられており、白金抵抗体の両端部は、溶接によって、２つのリード線３０２，３０３に電気的に接続されている。パイプ３０１の周囲には、さらに、白金抵抗体３０４を覆うように、セラミック材料で構成されたコーティング３０６が形成されている。なお、パイプ３０１およびコーティング３０６を構成するセラミック材料としては、例えば、アルミナやガラスなどを用いることができる。
【００３４】
ハウジング３８２の上流側に接続された導管３８４ａ（図２）内部には、２つの網状の整流板３９１，３９２が設けられている。各整流板３９１，３９２は、ハウジング３８２内部を通る流体（ガス）の面内速度分布を均一化する機能を有している。このように整流板を設けることにより、比較的長い直管部分を設けずに、流量を正確に測定することが可能となっている。なお、図２（Ｂ）では、２つの整流板３９１，３９２の図示は省略されている。
【００３５】
制御ユニット２００は、以下に示すキング（Ｋｉｎｇ）の式に基づいて、流量センサ２４２の検出結果を用いて、ハウジング３８２内部を流れる流体の流量Ｕを算出する。
【００３６】
Ｑ＝（ａ＋ｂ・Ｕ1/2）（Ｔ−Ｔｆ）
【００３７】
ここで、Ｑは、ヒータ用抵抗３１０ａから単位時間あたりに失われる熱量（放熱量）である。Ｔは、ヒータ用抵抗３１０ａの温度であり、Ｔｆは、流体の温度である。なお、ａ，ｂは、流体の密度等の特性や、ヒータ用抵抗３１０ａの形状などに応じて決定される値である。
【００３８】
ヒータ用抵抗３１０ａは、通電によって加熱される。参照用抵抗３１０ｂは、加熱されないため、その温度は流体の温度Ｔｆと同じである。制御ユニット２００は、２つの抵抗間の温度差（Ｔ−Ｔｆ）が常に所定値となるように、ヒータ用抵抗３１０ａを制御する。具体的には、流体の流量が変化する場合および／または流体の温度が変化する場合には、ヒータ用抵抗３１０ａから奪われる熱量Ｑが変化する。このため、制御ユニット２００は、温度差（Ｔ−Ｔｆ）が一定となるように、ヒータ用抵抗３１０ａを流れる電流を変化させる。温度差（Ｔ−Ｔｆ）が所定値である場合には、放熱量Ｑが分かれば、流体の流量Ｕを求めることができる。制御ユニット２００は、流量センサ２４２の検出結果を用いて放熱量Ｑを求め、放熱量Ｑから流量Ｕを算出する。なお、流量センサ２４２の検出結果は、実際には、流量に応じた電圧値である。放熱量Ｑは、流量センサ２４２から得られる電圧と流量センサ２４２に与えられる電流とを用いて算出される。
【００３９】
本実施例の流量センサ２４２の検出結果は、流体の速度だけでなく、質量にも関係する。すなわち、本実施例の流量センサは、質量流量（ｇ／ｓ）を検出可能である。
【００４０】
図４は、図１の制御ユニット２００の内部構成を示す説明図である。なお、図４に示す内部構成は、原料供給部３０から改質部４０への原料供給のための制御に注目して描かれている。図示するように、制御ユニット２００は、水蒸気目標流量決定部２１０と、水蒸気現行流量算出部２４０と、空気目標流量決定部２５０と、原燃料目標流量決定部２６０と、を備えている。
【００４１】
ところで、燃料電池の出力電力（発電量）は、負荷変動に応じて変化させる必要がある。例えば、燃料電池システムが車両に搭載されている場合には、アクセル開度などの負荷変動に応じて、燃料電池に要求される出力電力が変化する。燃料電池の出力電力は、燃料電池に供給される水素ガスの流量に応じて変化する。そして、燃料改質装置１００からの水素ガスの排出流量は、改質部４０に供給される原料の流量に応じて変化する。そこで、制御ユニット２００は、燃料電池に要求される出力電力に応じて、原料供給部３０を制御して、改質部４０に供給される原料の流量を調整する。
【００４２】
図５は、図４の制御ユニット２００による原料供給の制御手順を示すフローチャートである。なお、ステップＳ１０１〜Ｓ１０６の処理は、所定のタイミングで繰り返し実行される。
【００４３】
ステップＳ１０１では、水蒸気目標流量決定部２１０は、燃料電池に要求される出力電力を取得する。
【００４４】
ステップＳ１０２では、水蒸気目標流量決定部２１０は、与えられた要求出力電力に応じて、改質部４０に供給されるべき水蒸気の目標流量を決定する。
【００４５】
ステップＳ１０３では、水蒸気目標流量決定部２１０は、決定された水蒸気の目標流量に従って、水ポンプ（第１のアクチュエータ）１２２の動作を制御して、蒸発器１４０に水を供給する。
【００４６】
ステップＳ１０４では、水蒸気現行流量算出部２４０は、流量センサ２４２から検出結果を取得して、蒸発器１４０から排出される水蒸気の実際の流量（質量流量）を算出する。具体的には、流量センサ２４２の検出結果から得られる放熱量Ｑに応じて、水蒸気の現行流量が算出される。図６は、水蒸気流量センサ２４２の放熱量Ｑと水蒸気質量流量Ｆｓとの関係を表すマップを模式的に示す説明図である。図示するように、放熱量Ｑが大きいほど、水蒸気質量流量Ｆｓは大きい。本実施例では、水蒸気の現行水量は、図６に示す関係を表すマップを用いて求められる。
【００４７】
ステップＳ１０５では、空気目標流量決定部２５０は、算出された水蒸気の現行流量に応じて、改質部４０に供給されるべき空気の目標流量を決定する。また、原燃料目標流量決定部２６０は、算出された水蒸気の現行流量に応じて、改質部４０に供給されるべき原燃料の目標流量を決定する。
【００４８】
ステップＳ１０６では、空気目標流量決定部２５０は、決定された空気の目標流量に従って、空気ポンプ（第２のアクチュエータ）１３０の動作を制御して、加熱器１５０に空気を供給する。また、原燃料目標流量決定部２６０は、決定された原燃料の目標流量に従って、原燃料ポンプ（第３のアクチュエータ）１１２の動作を制御して、気化室１６０に原燃料を供給する。
【００４９】
なお、本実施例では、水ポンプ１２２の動作を制御することによって水の流量が調整されているが、これに代えて、あるいは、これと共に、流量調整弁を設け、流量調整弁の動作を制御するようにしてもよい。空気ポンプ１３０や原燃料ポンプ１１２についても同様である。また、原燃料ポンプ１１２の動作の制御に代えて、あるいは、これと共に、気化室１６０に設けられた図示しないインジェクタの動作を制御するようにしてもよい。すなわち、種々のアクチュエータを用いて、流量の調整が可能である。
【００５０】
上記のように、水蒸気の実際の流量に応じて、空気および原燃料の目標流量を決定すれば、原燃料と水蒸気と空気とが所定比となるように、水蒸気の実際の流量に空気および原燃料の流量を追従させることができる。原燃料と水蒸気と空気との混合比が、理論混合比からずれている場合には、改質部４０の制御が困難となる。具体的には、改質部４０おいて一酸化炭素ガスが大量に生成されてしまったり、改質部４０における反応温度を所定範囲内の温度に維持することが困難となったりする。しかしながら、本実施例のようにすれば、改質部４０を正常に動作させて、水素ガスを含む燃料ガスを効率よく生成することが可能となる。
【００５１】
なお、本実施例における蒸発器１４０と加熱器１５０と気化室１６０とが本発明における原料混合部に相当する。また、本実施例における制御ユニット２００と流量センサ２４２とが本発明における制御部に相当し、水蒸気現行流量算出部２４０と流量センサ２４２とが水蒸気現行流量測定部に相当する。
【００５２】
以上説明したように、本実施例の燃料改質装置１００は、原料供給部３０と、改質部４０と、制御部２００，２４２と、を備えている。そして、制御部は、改質部に要求される水素ガスの排出流量に応じて、原料供給部が改質部に供給すべき水蒸気の目標流量を決定するための第１の目標流量決定部２１０と、改質部に供給される水蒸気の現行流量を測定するための水蒸気現行流量測定部２４０，２４２と、測定された水蒸気の現行流量に応じて、原料供給部が改質部に供給すべき空気および原燃料の目標流量を決定するための第２の目標流量決定部２５０，２６０と、を備えている。したがって、水蒸気の現行流量に応じて、空気および原燃料の流量を調整することができる。本実施例の構成を採用すれば、３種類の原料の流量を所定の比で精度よく改質部に供給することが可能となる。
【００５３】
Ｂ．第２実施例：
図７は、第２実施例における燃料改質装置１００Ｂの概略構成を模式的に示す説明図である。図７は図１とほぼ同じであるが、原料供給部３０Ｂと制御ユニット２００Ｂとが変更されている。具体的には、図１の加熱器１５０が省略されており、蒸発器１４０Ｂには、水ポンプ１２２によって水タンク１２０から水が供給されるとともに、空気ポンプ１３０によって空気が供給される。なお、蒸発器１４０Ｂから排出される混合ガスの温度は、例えば、改質部４０における改質反応に適した約５００℃に設定されている。また、本実施例では、空気ポンプ１３０と蒸発器１４０Ｂとの間に、空気の実際の流量を検出する空気流量センサ２４４Ｂが設けられている。そして、蒸発器１４０Ｂと気化室１６０との間に設けられた混合ガス流量センサ２４２Ｂは、水蒸気と空気とを含む混合ガスの実際の流量を検出する。制御ユニット２００Ｂは、２つの流量センサ２４２Ｂ，２４４Ｂの検出結果を用いて、原料供給部３０Ｂを制御する。なお、２つの流量センサ２４２Ｂ，２４４Ｂとしては、第１実施例と同様に、熱線式のセンサが用いられている。
【００５４】
図８は、図７の制御ユニット２００Ｂの内部構成を示す説明図である。制御ユニット２００Ｂは、水蒸気目標流量決定部２１０Ｂと、空気目標流量決定部２２０Ｂと、水蒸気現行流量算出部２４０Ｂと、原燃料目標流量決定部２６０Ｂと、を備えている。
【００５５】
図９は、図８の制御ユニット２００Ｂによる原料供給の制御手順を示すフローチャートである。なお、ステップＳ２０１〜Ｓ２０６の処理は、所定のタイミングで繰り返し実行される。
【００５６】
ステップＳ２０１では、水蒸気目標流量決定部２１０Ｂと空気目標流量決定部２２０Ｂとは、燃料電池に要求される出力電力を取得する。
【００５７】
ステップＳ２０２では、水蒸気目標流量決定部２１０Ｂと空気目標流量決定部２２０Ｂとは、それぞれ、与えられた要求出力電力に応じて、改質部４０に供給されるべき水蒸気と空気との目標流量を決定する。
【００５８】
ステップＳ２０３では、水蒸気目標流量決定部２１０Ｂは、決定された水蒸気の目標流量に従って、水ポンプ（第１のアクチュエータ）１２２の動作を制御して、蒸発器１４０Ｂに水を供給する。また、空気目標流量決定部２２０Ｂは、決定された水蒸気の目標流量に従って、空気ポンプ（第２のアクチュエータ）１３０の動作を制御して、蒸発器１４０Ｂに空気を供給する。
【００５９】
ステップＳ２０４では、水蒸気現行流量算出部２４０Ｂは、２つの流量センサ２４２Ｂ，２４４Ｂから検出結果を取得して、蒸発器１４０Ｂから排出される混合ガス中の水蒸気の実際の流量（質量流量）を算出する。なお、空気流量センサ２４４Ｂと水蒸気現行流量算出部２４０Ｂとの間には、空気流量センサ２４４Ｂからの信号を遅延させるための遅延回路２４６Ｂが設けられている。この遅延回路２４６Ｂの遅延時間は、空気が空気流量センサ２４４Ｂから蒸発器１４０Ｂを介して混合ガス流量センサ２４２Ｂに到達するのに要する時間とほぼ等しく設定されている。
【００６０】
図１０，図１１は、混合ガス流量センサ２４２Ｂの放熱量Ｑａと水蒸気質量流量Ｆｓとの関係を示す説明図である。図１０に示す３つの曲線Ｒ１〜Ｒ３は、混合ガス流量センサ２４２Ｂを通る混合ガスに含まれる水蒸気と空気との体積百分率を変化させた場合の放熱量Ｑａと水蒸気質量流量Ｆｓとの関係を示している。第１の曲線Ｒ１は、水蒸気がほぼ１００％の混合ガスに対応し、第２の曲線Ｒ２は、水蒸気と空気とがそれぞれ５０％の混合ガスに対応し、第３の曲線Ｒ３は、空気がほぼ１００％の混合ガスに対応する。図示するように、水蒸気質量流量Ｆｓが一定である場合には、水蒸気の体積百分率が大きくなる程、放熱量Ｑａは大きくなる。図１１に示す３つの曲線Ｃ１〜Ｃ３は、混合ガス流量センサ２４２Ｂを通る混合ガスに含まれる空気の質量流量を一定として、水蒸気の質量流量を変化させた場合の放熱量Ｑａと水蒸気質量流量Ｆｓとの関係を示している。なお、図１１では、図１０の２つの曲線Ｒ１，Ｒ３が破線で図示されている。第１の曲線Ｃ１は、空気の質量流量が比較的小さな混合ガスに対応し、第３の曲線Ｃ３は、空気の質量流量が比較的大きな混合ガスに対応する。各曲線Ｃ１〜Ｃ３は、混合ガス中の水蒸気質量流量Ｆｓが比較的小さな領域では第３の曲線Ｒ３に近づき、水蒸気質量流量Ｆｓが比較的大きな領域では第１の曲線Ｒ１に近づく。
【００６１】
図１１に示すようなマップを用いれば、水蒸気現行流量算出部２４０Ｂは、２つの流量センサ２４２Ｂ，２４４Ｂの検出結果から水蒸気の現行流量を容易に算出することができる。具体的には、空気流量センサ２４４Ｂの検出結果から得られる放熱量に応じて、空気の現行流量（質量流量）が求められる。次に、求められた空気の質量流量に応じて、図１１に示すような複数の曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，…の中から、１つの曲線が選択される。そして、選択された曲線を用いて、混合ガス流量センサ２４２Ｂの検出結果から得られる放熱量Ｑａに対応する水蒸気の現行流量（質量流量）が求められる。
【００６２】
なお、本実施例では、水蒸気現行流量算出部２４０Ｂは、図１１に示すようなマップを用いて水蒸気の現行流量を算出しているが、水蒸気と空気との混合比が予測可能な場合には、図１０に示すようなマップを用いて算出するようにしてもよい。
【００６３】
ステップＳ２０５では、原燃料目標流量決定部２６０Ｂは、算出された水蒸気の現行流量に応じて、改質部４０に供給されるべき原燃料の目標流量を決定する。
【００６４】
ステップＳ２０６では、原燃料目標流量決定部２６０Ｂは、決定された原燃料の目標流量に従って、原燃料ポンプ（第３のアクチュエータ）１１２の動作を制御して、気化室１６０に原燃料を供給する。
【００６５】
なお、本実施例における蒸発器１４０Ｂと気化室１６０Ｂとが本発明における原料混合部に相当する。また、本実施例における制御ユニット２００Ｂと２つの流量センサ２４２Ｂ，２４４Ｂとが本発明における制御部に相当し、水蒸気現行流量算出部２４０Ｂと２つの流量センサ２４２Ｂ，２４４Ｂとが水蒸気現行流量測定部に相当する。
【００６６】
以上説明したように、本実施例の燃料改質装置１００Ｂは、原料供給部３０Ｂと、改質部４０と、制御部２００Ｂ，２４２Ｂ，２４４Ｂと、を備えている。そして、制御部は、改質部に要求される水素ガスの排出流量に応じて、原料供給部が改質部に供給すべき水蒸気および空気の目標流量を決定するための第１の目標流量決定部２１０Ｂ，２２０Ｂと、改質部に供給される水蒸気の現行流量を測定するための水蒸気現行流量測定部２４０Ｂ，２４２Ｂ，２４４Ｂと、測定された水蒸気の現行流量に応じて、原料供給部が改質部に供給すべき原燃料の目標流量を決定するための第２の目標流量決定部２６０Ｂと、を備えている。したがって、水蒸気および空気を含む混合ガス中の水蒸気の現行流量に応じて、原燃料の流量を調整することができる。本実施例の構成を採用すれば、第１実施例と同様に、３種類の原料の流量を所定の比で精度よく改質部に供給することができる。また、図１に示す加熱器１５０を省略できるため、燃料改質装置を小型化することができる。
【００６７】
Ｂ−１．第２実施例の変形例：
ところで、第２実施例では、混合ガス流量センサ２４２Ｂは、温度が比較的高い（約５００℃）位置に設けられているため、測定精度が悪化し易い。このため、水蒸気現行流量算出部２４０Ｂによる算出結果が、水蒸気の実際の流量からずれてしまう場合がある。そこで、本実施例では、水蒸気現行流量算出部２４０Ｂによって算出される水蒸気の流量を補正している。
【００６８】
図１２は、図８に示す制御ユニット２００Ｂの内部構成の変形例を示す説明図である。この制御ユニット２００Ｂ１では、補正部２８０が追加されている。補正部２８０は、遅延回路２８２と、２つのローパスフィルタ２８４，２８６と、補正量決定部２８８と、を備えている。
【００６９】
水蒸気目標流量決定部２１０Ｂで決定された水蒸気の目標流量は、遅延回路２８２と第１のローパスフィルタ２８４とを介して、補正量決定部２８８に与えられる。一方、水蒸気現行流量算出部２４０Ｂで算出された水蒸気の現行流量は、第２のローパスフィルタ２８６を介して、補正量決定部２８８に与えられる。補正量決定部２８８は、２つのローパスフィルタ２８４，２８６から供給される２つの信号に応じて、補正量を決定する。
【００７０】
図１３は、図１２の補正部２８０の動作を示すタイミングチャートである。図１３（Ａ）は、水蒸気目標流量決定部２１０Ｂから出力される目標流量を表す信号Ｑ２１０Ｂを示している。図１３（Ｂ）は、遅延回路２８２から出力される信号Ｑ２８２を示しており、図１３（Ｃ）は、第１のローパスフィルタ２８４から出力される信号Ｑ２８４を示している。また、図１３（Ｄ）は、水蒸気現行流量算出部２４０Ｂから出力される現行流量を表す信号Ｑ２４０Ｂを示しており、図１３（Ｅ）は、第２のローパスフィルタ２８６から出力される信号Ｑ２８６を示している。なお、図１３（Ｄ）には、図１３（Ｂ）に示す信号Ｑ２８２が破線で示されており、図１３（Ｅ）には、図１３（Ｃ）に示す信号Ｑ２８４が破線で示されている。
【００７１】
図１３（Ａ），（Ｂ），（Ｄ）から分かるように、遅延回路２８２における遅延時間Δｔは、水が水ポンプ１２２から蒸発器１４０Ｂを介して混合ガス流量センサ２４２Ｂに到達するのに要する時間とほぼ等しく設定されている。なお、遅延回路２８２は、理論的には必要であるが、その遅延時間Δｔがローパスフィルタ２８４の時定数に比べて充分小さい場合には、省略可能である。また、図１３（Ｃ），（Ｅ）から分かるように、２つのローパスフィルタ２８４，２８６の時定数は、かなり大きな値でほぼ等しく設定されている。
【００７２】
図示するように、水蒸気の目標流量の変化（図１３（Ｂ））と水蒸気の現行流量の変化（図１３（Ｄ））とは、そのレベルが異なっている。このため、第１のローパスフィルタ２８４からの出力信号Ｑ２８４（図１３（Ｃ））と第２のローパスフィルタ２８６からの出力信号Ｑ２８６（図１３（Ｅ））とのレベルも異なっている。
【００７３】
補正量決定部２８８は、信号Ｑ２８６のレベルが信号Ｑ２８４のレベルと等しくなるような補正量を、水蒸気現行流量算出部２４０Ｂに与える。そして、水蒸気現行流量算出部２４０Ｂは、補正量に応じて、混合ガス流量センサ２４２Ｂからの検出結果を補正する。
【００７４】
上記のように、補正部２８０は、水蒸気目標流量決定部２１０Ｂで決定された水蒸気の目標流量のレベルと、水蒸気現行流量算出部２４０Ｂで算出された水蒸気の現行流量のレベルと、に応じて、混合ガス流量センサ２４２Ｂからの検出結果を補正している。したがって、制御ユニット２００Ｂ１が補正部２８０を備えれば、混合ガス流量センサ２４２Ｂが温度の比較的高い（約５００℃）位置に設けられている場合にも、水蒸気現行流量算出部２４０Ｂは、水蒸気の現行流量を精度よく求めることが可能となる。
【００７５】
Ｃ．第３実施例：
図１４は、第３実施例における燃料改質装置１００Ｃの概略構成を模式的に示す説明図である。本実施例の燃料改質装置１００Ｃは、第１実施例（図１）と同様に、原料供給部３０Ｃと改質部４０ＣとＣＯ浄化部７０と制御ユニット２００Ｃとを備えているが、原料供給部３０Ｃと改質部４０Ｃと制御ユニット２００Ｃとは変更されている。また、図１に示す熱交換部５０とシフト部６０とは省略されている。
【００７６】
原料供給部３０Ｃは、蒸発器１４０Ｃを備えており、炭化水素系の原燃料と水蒸気と空気との混合ガスを改質部４０に供給する。蒸発器１４０Ｃは、原燃料ポンプ１１２によって原燃料タンク１１０Ｃから供給された液体原燃料と、水ポンプ１２２によって水タンク１２０から供給された水と、を気化させる。蒸発器１４０Ｃと改質部４０Ｃとを接続するガス通路１６２には、空気ポンプ１３０によって空気が供給される。これにより、原燃料と水蒸気と空気との混合ガスが生成される。なお、本実施例では、原燃料タンク１１０Ｃは、液体原燃料としてメタノールを蓄えている。
【００７７】
改質部４０Ｃは、改質触媒を備えており、混合ガスに含まれる原燃料（メタノール）を、水蒸気と空気とを用いて、水素ガスと一酸化炭素ガスとを含む改質ガスに改質する。なお、本実施例の改質部も、水蒸気改質と部分酸化改質とを組み合わせた併用改質を行う。
【００７８】
なお、本実施例の改質部４０Ｃでは、比較的低い温度で改質反応が進行する。また、改質部４０Ｃから排出される改質ガス中の一酸化炭素ガスの濃度は、比較的低い。このため、本実施例では、図１に示す熱交換部５０とシフト部６０とが省略されている。
【００７９】
また、本実施例では、蒸発器１４０Ｃと改質部４０Ｃとの間に設けられた混合ガス流量センサ２４２Ｃは、原燃料と水蒸気とを含む混合ガスの実際の流量を検出する。制御ユニット２００Ｃは、流量センサ２４２Ｃの検出結果を用いて、原料供給部３０Ｃを制御する。なお、流量センサ２４２Ｃとしては、第１実施例と同様に、熱線式のセンサが用いられている。
【００８０】
図１５は、図１４の制御ユニット２００Ｃの内部構成を示す説明図である。制御ユニット２００Ｃは、水蒸気目標流量決定部２１０Ｃと、原燃料目標流量決定部２３０Ｃと、水蒸気現行流量算出部２４０Ｃと、空気目標流量決定部２５０Ｃと、を備えている。
【００８１】
図１６は、図１５の制御ユニット２００Ｃによる原料供給の制御手順を示すフローチャートである。なお、ステップＳ３０１〜Ｓ３０６の処理は、所定のタイミングで繰り返し実行される。
【００８２】
ステップＳ３０１では、水蒸気目標流量決定部２１０Ｃと原燃料目標流量決定部２３０Ｃとは、燃料電池に要求される出力電力を取得する。
【００８３】
ステップＳ３０２では、水蒸気目標流量決定部２１０Ｃと原燃料目標流量決定部２３０Ｃとは、それぞれ、与えられた要求出力電力に応じて、改質部４０Ｃに供給されるべき水蒸気と原燃料との目標流量を決定する。
【００８４】
ステップＳ３０３では、水蒸気目標流量決定部２１０Ｃは、決定された水蒸気の目標流量に従って、水ポンプ（第１のアクチュエータ）１２２の動作を制御して、蒸発器１４０Ｃに水を供給する。また、原燃料目標流量決定部２３０Ｃは、決定された原燃料の目標流量に従って、原燃料ポンプ（第３のアクチュエータ）１１２の動作を制御して、蒸発器１４０Ｃに原燃料を供給する。
【００８５】
ステップＳ３０４では、水蒸気現行流量算出部２４０Ｃは、混合ガス流量センサ２４２Ｃから検出結果を取得して、蒸発器１４０Ｃから排出される混合ガス中の水蒸気の実際の流量（質量流量）を算出する。具体的には、混合ガス流量センサ２４２Ｃの検出結果から得られる放熱量に応じて、水蒸気の現行流量が算出される。本実施例では、水と原燃料（メタノール）とは所定比で混合されているため、図１０に示すような所定比における放熱量と水蒸気質量流量との関係を表すマップを用いて求められる。
【００８６】
ステップＳ３０５では、空気目標流量決定部２５０Ｃは、算出された水蒸気の現行流量に応じて、改質部４０Ｃに供給されるべき空気の目標流量を決定する。
【００８７】
ステップＳ３０６では、空気目標流量決定部２５０Ｃは、決定された空気の目標流量に従って、空気ポンプ（第２のアクチュエータ）１３０の動作を制御して、ガス通路１６２に空気を供給する。
【００８８】
なお、本実施例における蒸発器１４０Ｃとガス通路１６２とが本発明における原料混合部に相当する。また、本実施例における制御ユニット２００Ｃと混合ガス流量センサ２４２Ｃとが本発明における制御部に相当し、水蒸気現行流量算出部２４０Ｃと混合ガス流量センサ２４２Ｃとが水蒸気現行流量測定部に相当する。
【００８９】
以上説明したように、本実施例の燃料改質装置１００Ｃは、原料供給部３０Ｃと、改質部４０Ｃと、制御部２００Ｃ，２４２Ｃと、を備えている。そして、制御部は、改質部に要求される水素ガスの排出流量に応じて、原料供給部が改質部に供給すべき水蒸気および原燃料の目標流量を決定するための第１の目標流量決定部２１０Ｃ，２３０Ｃと、改質部に供給される水蒸気の現行流量を測定するための水蒸気現行流量測定部２４０Ｃ，２４２Ｃと、測定された水蒸気の現行流量に応じて、原料供給部が改質部に供給すべき空気の目標流量を決定するための第２の目標流量決定部２５０Ｃと、を備えている。したがって、水蒸気および原燃料を含む混合ガス中の水蒸気の現行流量に応じて、空気の流量を調整することができる。本実施例の構成を採用すれば、第１実施例と同様に、３種類の原料の流量を所定の比で精度よく改質部に供給することができる。また、図１に示す熱交換部５０とシフト部６０とを省略できるため、燃料改質装置を小型化することができる。
【００９０】
Ｃ−１．第３実施例の第１の変形例：
図１７は、図１４に示す燃料改質装置１００Ｃの第１の変形例を示す説明図である。この燃料改質装置１００Ｃ１では、改質部４０Ｃ内部の温度と圧力とを検出するための検出部２９０が設けられている。そして、制御ユニット２００Ｃ内の空気目標流量決定部２５０Ｃは、検出部２９０から検出結果を取得して、改質部４０Ｃの状態（すなわち、温度および圧力）に応じて、空気ポンプ１３０の動作を制御する。
【００９１】
この構成を採用すれば、空気目標流量決定部２５０Ｃは、決定された目標流量で精度よく空気を改質部４０Ｃに供給することができる。
【００９２】
Ｃ−２．第３実施例の第２の変形例：
図１８は、図１４に示す燃料改質装置１００Ｃの第２の変形例を示す説明図である。図１８は図１７とほぼ同じであるが、この燃料改質装置１００Ｃ２では、改質部４０Ｃに空気を供給するための３つの空気ポンプ１３１〜１３３が設けられている。具体的には、改質部４０Ｃには、ガスの流れに沿うように３つの空気吸入口が設けられており、各空気ポンプ１３１〜１３３は、各空気吸入口を介して、空気を順次供給する。また、燃料改質装置１００Ｃ２では、改質部４０Ｃの内部の温度と圧力とを検出するための３つの検出部２９１〜２９３が設けられている。なお、各検出部２９１〜２９３は、各空気吸入口に対応する部位の温度と圧力とを検出する。そして、制御ユニット２００Ｃ内の空気目標流量決定部２５０Ｃは、各検出部２９１〜２９３から検出結果を取得して、改質部４０Ｃの状態（すなわち、温度および圧力）に応じて、空気ポンプ１３１〜１３３の動作を制御する。
【００９３】
この構成を採用すれば、改質部４０Ｃ内部の改質反応を効率よく進行させることが可能となる。すなわち、図１４，図１７に示すように、改質部４０Ｃの前段で空気を供給する場合には、改質部の上流側部分において、部分酸化改質反応が急激に進行する。このような場合には、改質部４０Ｃの下流側部分において、酸素ガスが不足して部分酸化改質反応があまり進行しないとともに、熱量が不足して水蒸気改質反応（吸熱反応）があまり進行しない。図１８に示す構成を採用すれば、改質部４０Ｃ内部のガスの流れ方向に沿った温度分布をほぼ均一にすることができ、この結果、改質反応を効率よく進行させることが可能となる。
【００９４】
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。
【００９５】
（１）上記実施例では、熱線式の流量センサが用いられているが、渦式などの他のタイプの流量センサを用いるようにしてもよい。ただし、熱線式の流量センサを用いる場合には、比較的応答の速いシステムを比較的安価に構成することができるという利点がある。
【００９６】
また、上記実施例では、質量流量を測定可能な流量センサが用いられているが、これに代えて、体積流量を測定可能な流量センサを用いるようにしてもよい。なお、体積流量が測定される場合には、測定対象ガスの状態（温度および圧力）を併せて測定して、質量流量を求めればよい。ただし、本実施例のように、質量流量を検出可能な流量センサを用いる場合には、測定対象ガスの状態を測定せずに済むため、流量を比較的容易に測定することができるという利点がある。
【００９７】
さらに、上記実施例では、空気流量センサが設けられているが、空気ポンプに対する空気流量の指令値と、空気ポンプから実際に排出される空気流量がほぼ等しい場合には、空気流量センサを省略してもよい。この場合には、空気流量センサの検出結果に代えて、空気ポンプに対する指令値を用いればよい。
【００９８】
（２）第１実施例では、蒸発器に水が供給されており、測定された水蒸気の現行水量に応じて、原燃料と空気との目標流量が決定されている。第２実施例では、蒸発器に水と空気とが供給されており、測定された混合ガス中の水蒸気の現行水量に応じて、原燃料の目標流量が決定されている。第３実施例では、蒸発器に原燃料と水とが供給されており、測定された混合ガス中の水蒸気の現行水量に応じて、空気の目標流量が決定されている。
【００９９】
一般に、制御部は、改質部に要求される水素ガスの排出流量に応じて、原料供給部が改質部に供給すべき水蒸気の目標流量を少なくとも決定するための第１の目標流量決定部と、改質部に供給される水蒸気の現行流量を測定するための水蒸気現行流量測定部と、測定された水蒸気の現行流量に応じて、原料供給部が改質部に供給すべき水蒸気以外の少なくとも１種類の原料の目標流量を決定するための第２の目標流量決定部と、を備えていればよい。
【０１００】
（３）上記実施例では、改質部は、原燃料と水蒸気と空気とを用いて、水蒸気改質と部分酸化改質とを組み合わせた併用改質を行っているが、これに代えて、原燃料と水蒸気とを用いた水蒸気改質を行うようにしてもよい。この場合には、水蒸気の流量に応じて、原燃料の流量を決定すればよい。
【０１０１】
また、上記実施例では、ガソリンやメタノールなどの液体原燃料が用いられているが、これに代えて、他のアルコールや、エーテル、アルデヒドなどを用いるようにしてもよい。また、液体原燃料に代えて、天然ガスなどの気体の原燃料を用いるようにしてもよい。
【０１０２】
一般に、改質部は、炭化水素系の原燃料と水蒸気とを少なくとも含む複数種類の原料を用いて、水素ガスを含む改質ガスを生成すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例における燃料改質装置１００の概略構成を模式的に示す説明図である。
【図２】図１に示す流量センサ２４２の具体的な構成を示す説明図である。
【図３】図２のヒータ用抵抗３１０ａの部分断面図である。
【図４】図１の制御ユニット２００の内部構成を示す説明図である。
【図５】図４の制御ユニット２００による原料供給の制御手順を示すフローチャートである。
【図６】水蒸気流量センサ２４２の放熱量Ｑと水蒸気質量流量Ｆｓとの関係を表すマップを模式的に示す説明図である。
【図７】第２実施例における燃料改質装置１００Ｂの概略構成を模式的に示す説明図である。
【図８】図７の制御ユニット２００Ｂの内部構成を示す説明図である。
【図９】図８の制御ユニット２００Ｂによる原料供給の制御手順を示すフローチャートである。
【図１０】混合ガス流量センサ２４２Ｂの放熱量Ｑａと水蒸気質量流量Ｆｓとの関係を示す説明図である。
【図１１】混合ガス流量センサ２４２Ｂの放熱量Ｑａと水蒸気質量流量Ｆｓとの関係を示す説明図である。
【図１２】図８に示す制御ユニット２００Ｂの内部構成の変形例を示す説明図である。
【図１３】図１２の補正部２８０の動作を示すタイミングチャートである。
【図１４】第３実施例における燃料改質装置１００Ｃの概略構成を模式的に示す説明図である。
【図１５】図１４の制御ユニット２００Ｃの内部構成を示す説明図である。
【図１６】図１５の制御ユニット２００Ｃによる原料供給の制御手順を示すフローチャートである。
【図１７】図１４に示す燃料改質装置１００Ｃの第１の変形例を示す説明図である。
【図１８】図１４に示す燃料改質装置１００Ｃの第２の変形例を示す説明図である。
【符号の説明】
３０，３０Ｂ，３０Ｃ…原料供給部
４０，４０Ｃ…改質部
５０…熱交換部
６０…シフト部
７０…ＣＯ浄化部
１００，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｃ１，１００Ｃ２…燃料改質装置
１１０，１１０Ｃ…原燃料タンク
１１２…原燃料ポンプ（第３のアクチュエータ）
１２０…水タンク
１２２…水ポンプ（第１のアクチュエータ）
１３０，１３１〜１３３…空気ポンプ（第２のアクチュエータ）
１４０，１４０Ｂ，１４０Ｃ…蒸発器
１４２…原燃料ポンプ
１４４…空気ポンプ
１５０…加熱器
１５２…原燃料ポンプ
１５４…空気ポンプ
１６０…気化室
１６２…ガス通路
２００，２００Ｂ，２００Ｂ１，２００Ｃ…制御ユニット
２１０，２１０Ｂ，２１０Ｃ…水蒸気目標流量決定部
２２０Ｂ…空気目標流量決定部
２３０Ｃ…原燃料目標流量決定部
２４０，２４０Ｂ，２４０Ｃ…水蒸気現行流量算出部
２４２…水蒸気流量センサ
２４２Ｂ，２４２Ｃ…混合ガス流量センサ
２４４Ｂ…空気流量センサ
２４６Ｂ…遅延回路
２５０，２５０Ｃ…空気目標流量決定部
２６０，２６０Ｂ…原燃料目標流量決定部
２８０…補正部
２８２…遅延回路
２８４，２８６…ローパスフィルタ
２８８…補正量決定部
２９０，２９１〜２９３…検出部
３０１…パイプ
３０２，３０３…リード線
３０４…白金抵抗体
３０５…ガラス
３０６…コーティング
３１０ａ…ヒータ用抵抗
３１０ｂ…参照用抵抗
３１１ａ，３１２ａ，３１１ｂ，３１２ｂ…端子
３１４…凸部
３１６…ナット
３１８ａ，３１９ａ，３１８ｂ，３１９ｂ…リード線
３２０…絶縁部材
３８２…ハウジング
３８４ａ，３８４ｂ…導管
３９１，３９２…整流板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel reformer, and more particularly to a technique for supplying a plurality of types of raw materials to a reforming unit.
[0002]
[Prior art]
In the fuel cell system, a fuel reformer for generating hydrogen gas supplied to the fuel cell is provided. The fuel reformer is usually provided with a reforming unit that generates a reformed gas containing hydrogen gas using a plurality of types of raw materials including hydrocarbon-based raw fuel, water vapor, and air.
[0003]
In the fuel reformer, the flow rates of the plurality of types of raw materials supplied to the reforming unit are determined according to the output power required for the fuel cell, in other words, the hydrogen gas discharge flow rate required for the reforming unit, It has been adjusted. Specifically, in the conventional fuel reformer, the flow rate of the raw fuel to be supplied to the reforming unit is determined according to the hydrogen gas discharge flow rate required for the reforming unit, The flow rate of other raw materials such as water vapor to be supplied to the reforming section is adjusted according to the flow rate (for example, JP-A-7-122286).
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, conventionally, it has been relatively difficult to accurately supply the flow rates of a plurality of types of raw materials at a predetermined ratio to the reforming unit. This is because the flow rate of water vapor is adjusted based on the actual flow rate of raw fuel. That is, water vapor is generated by evaporating water in an evaporator. There is a delay between the flow rate of water supplied to the evaporator and the flow rate of water vapor discharged from the evaporator, and this delay time is relatively difficult to estimate. For this reason, it is relatively difficult to make the flow rate of the water vapor follow the actual flow rate of the raw fuel so that the raw fuel and the water vapor have a predetermined ratio.
[0005]
If excessive water vapor is prepared in advance for the raw fuel, the flow rate of the water vapor can follow the actual flow rate of the raw fuel. In this case, a buffer tank for storing excessive water vapor is used. Etc. will be necessary.
[0006]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a technique that can accurately supply the flow rates of a plurality of types of raw materials containing water vapor to a reforming unit at a predetermined ratio. And
[0007]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
In order to solve at least a part of the problems described above, an apparatus of the present invention is a fuel reformer,
A reforming unit for generating a reformed gas containing hydrogen gas using a plurality of types of raw materials including at least a hydrocarbon-based raw fuel and steam; and
A raw material supply unit for supplying the plurality of types of raw materials to the reforming unit;
A control unit for controlling the raw material supply unit;
With
The controller is
A first target flow rate determination unit for determining at least a target flow rate of water vapor to be supplied to the reforming unit by the raw material supply unit, according to a discharge flow rate of the hydrogen gas required for the reforming unit;
A steam current flow rate measuring unit for measuring the current flow rate of steam supplied to the reforming unit;
A second target flow rate determining unit for determining a target flow rate of at least one kind of raw material other than water vapor to be supplied to the reforming unit by the raw material supply unit according to the measured current flow rate of water vapor;
It is characterized by providing.
[0008]
In this fuel reformer, the target flow rate of water vapor to be supplied to the reforming unit is determined according to the discharge flow rate of hydrogen gas required for the reforming unit. And according to the measured current flow rate of water vapor, a target flow rate of at least one kind of raw material other than water vapor to be supplied to the reforming unit is determined. As a result, the flow rates of a plurality of types of raw materials containing water vapor can be accurately supplied to the reforming unit at a predetermined ratio.
[0009]
In the above apparatus,
The raw material supply unit
A raw material mixing section for generating a mixed gas of the plurality of types of raw materials including hydrocarbon-based raw fuel, water vapor, and air;
A first actuator for adjusting a flow rate of water supplied to the raw material mixing unit;
A second actuator for adjusting a flow rate of air supplied to the raw material mixing unit;
A third actuator for adjusting the flow rate of the raw fuel supplied to the raw material mixing unit;
With
The first target flow rate determining unit is
Controlling the first actuator according to at least the determined target flow rate of water vapor;
The second target flow rate determining unit is
It is preferable to control at least one actuator other than the first actuator according to the determined target flow rate of at least one kind of raw material other than the water vapor.
[0010]
More specifically, in the above apparatus,
The raw material mixing part
A water vapor generating part for generating water vapor;
A mixed gas generating unit that mixes air and raw fuel with the steam discharged from the water vapor generating unit to generate a mixed gas; and
With
The first target flow rate determining unit is
Controlling the first actuator according to the determined target flow rate of water vapor;
The steam current flow rate measuring unit is:
A flow rate sensor for detecting a current flow rate of water vapor discharged from the water vapor generation unit;
Using the detection result, a calculation unit for calculating the current flow rate of the water vapor,
With
The second target flow rate determining unit is
According to the calculated current flow rate of water vapor, the mixed gas generation unit determines a target flow rate of air to be supplied to the reforming unit and a target flow rate of raw fuel,
The second actuator and the third actuator may be controlled in accordance with the determined target flow rate of air and the determined target flow rate of raw fuel.
[0011]
In this way, the flow rates of air and raw fuel can be adjusted according to the current flow rate of water vapor.
[0012]
In the above apparatus,
The raw material mixing part
A first mixed gas generating unit that generates a first mixed gas containing water vapor and air;
A second mixed gas generating unit that mixes raw fuel with the first mixed gas to generate a second mixed gas;
With
The first target flow rate determining unit is
According to the discharge flow rate of the hydrogen gas required for the reforming unit, the target flow rate of air to be supplied to the reforming unit by the first mixed gas generation unit is determined together with the target flow rate of the water vapor. ,
Controlling the first actuator and the second actuator, respectively, according to the determined target flow rate of water vapor and the determined target flow rate of air;
The steam current flow rate measuring unit is:
A flow rate sensor for detecting a current flow rate of the first mixed gas;
A calculation unit for calculating the current flow rate of water vapor contained in the first mixed gas using the detection result;
With
The second target flow rate determining unit is
According to the calculated current flow rate of water vapor, the second mixed gas generation unit determines a target flow rate of raw fuel to be supplied to the reforming unit,
The third actuator may be controlled in accordance with the determined target flow rate of raw fuel.
[0013]
In this way, the flow rate of the raw fuel can be adjusted according to the current flow rate of water vapor in the first mixed gas.
[0014]
Here, the water vapor current flow rate measurement unit further includes an air flow rate sensor that detects a current flow rate of air supplied to the first mixed gas generation unit, and the calculation unit detects the current flow rate of the air. The current flow rate of water vapor contained in the first mixed gas may be calculated using the result and the detection result of the current flow rate of the first mixed gas.
[0015]
Furthermore, in the above device,
The raw material mixing part
A first mixed gas generation unit that generates a first mixed gas containing water vapor and raw fuel, and a second mixed gas generation that generates a second mixed gas by mixing air with the first mixed gas And
With
The first target flow rate determining unit is
A target flow rate of raw fuel to be supplied to the reforming unit by the first mixed gas generation unit is determined together with a target flow rate of the water vapor in accordance with a discharge flow rate of the hydrogen gas required for the reforming unit. And
Controlling the first actuator and the third actuator, respectively, according to the determined target flow rate of water vapor and the determined target flow rate of raw fuel,
The steam current flow rate measuring unit is:
A flow rate sensor for detecting a current flow rate of the first mixed gas;
A calculation unit for calculating the current flow rate of water vapor contained in the first mixed gas using the detection result;
With
The second target flow rate determining unit is
According to the calculated current flow rate of water vapor, the second mixed gas generation unit determines a target flow rate of air to be supplied to the reforming unit,
The second actuator may be controlled according to the determined target flow rate of air.
[0016]
If it carries out like this, the flow volume of air can be adjusted according to the present flow volume of the water vapor | steam in 1st mixed gas.
[0017]
In the above apparatus,
The flow sensor is preferably a hot-wire flow sensor.
[0018]
In this way, a fuel reformer with a relatively fast response can be constructed at a relatively low cost.
[0019]
The present invention relates to a fuel reforming device, a fuel cell system including the fuel reforming device, a device such as a moving body equipped with the system, a method for controlling raw material supply in the fuel reforming device, and a function of the method or device. The present invention can be realized in various modes such as a computer program for realizing, a recording medium storing the computer program, and a data signal including the computer program and embodied in a carrier wave.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A. First embodiment:
Next, embodiments of the present invention will be described based on examples. FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a schematic configuration of a fuel reformer 100 in the first embodiment. The fuel reformer 100 is applied to a fuel cell system, and generates a fuel gas containing hydrogen gas and supplies it to the fuel cell.
[0021]
As illustrated, the fuel reformer 100 includes a raw material supply unit 30, a reforming unit 40, a heat exchange unit 50, a shift unit 60, a CO purification unit 70, and a control unit 200. .
[0022]
The raw material supply unit 30 includes an evaporator 140, a heater 150, and a vaporization chamber 160, and supplies a mixed gas of hydrocarbon-based raw fuel, water vapor, and air to the reforming unit 40. The evaporator 140 vaporizes the water supplied from the water tank 120 by the water pump 122. The heater 150 heats the mixed gas of the water vapor supplied from the evaporator 140 and the air supplied by the first air pump 130 and supplies the mixed gas to the vaporization chamber 160. The vaporizing chamber 160 vaporizes the liquid raw fuel supplied from the raw fuel tank 110 by the first raw fuel pump 112 to generate a mixed gas of the raw fuel, water vapor, and air. More specifically, the vaporization chamber 160 includes an injector (not shown), and the injector injects the liquid raw fuel into the supplied high-temperature mixed gas (water vapor + air) in the form of a mist. The raw fuel is vaporized in the process of scattering in the mixed gas. In this embodiment, the raw fuel tank 110 stores gasoline as liquid raw fuel.
[0023]
The evaporator 140 is supplied with raw fuel from the raw fuel tank 110 by the second raw fuel pump 142, and is also supplied with air by the second air pump 144. Similarly, the heater 150 is supplied with the raw fuel from the raw fuel tank 110 by the third raw fuel pump 152 and is also supplied with air by the third air pump 154. The evaporator 140 and the heater 150 burn the raw fuel using air, and heat water (water vapor) and air with combustion heat. The temperature of the water vapor discharged from the evaporator 140 is set to about 120 ° C., for example, and the temperature of the mixed gas discharged from the heater 150 is suitable for the reforming reaction in the reforming unit 40, for example. It is set to about 500 ° C.
[0024]
The reforming unit 40 includes a reforming catalyst, and reforms the raw fuel (gasoline) contained in the mixed gas into a reformed gas containing hydrogen gas and carbon monoxide gas using water vapor and air. To do. Note that the reforming unit of this embodiment performs combined reforming that combines steam reforming and partial oxidation reforming.
[0025]
The heat exchange unit 50 cools the reformed gas to a temperature within a predetermined range, and then supplies the reformed gas to the shift unit 60. The reason why the reformed gas discharged from the reforming unit 40 is cooled in the heat exchanging unit 50 is that the appropriate temperature of the reformed gas in the shift unit 60 is relatively low. Specifically, the temperature of the reformed gas inside the reforming unit 40 is about 500 to about 800 ° C., but the proper temperature of the reformed gas supplied to the shift unit 60 is about 200 to about 400 ° C. It is.
[0026]
The shift unit 60 converts the carbon monoxide gas contained in the reformed gas into hydrogen gas and carbon dioxide gas using water vapor supplied from the outside. This reaction is called a shift reaction.
[0027]
The CO purification unit 70 oxidizes the carbon monoxide gas discharged without being converted in the shift unit 60 using air supplied from the outside. From the CO purification unit 70, a fuel gas having a high hydrogen gas concentration and a low carbon monoxide gas concentration is discharged.
[0028]
In addition, by reducing the concentration of the carbon monoxide gas in the shift unit 60 and the CO purification unit 70, poisoning of the noble metal catalyst supported on the electrode inside the fuel cell can be reduced.
[0029]
The control unit 200 controls each part of the fuel cell system including the fuel reformer 100. In particular, the control unit 200 controls the raw material supply unit 30 based on the flow rate of the fuel gas to be supplied to the fuel cell. More specifically, the control unit 200 determines the target flow rate of water vapor according to the hydrogen gas discharge flow rate required for the reforming unit 40. And the control unit 200 determines the target flow volume of another raw material according to the actual flow volume of the measured water vapor | steam. For this reason, a steam flow rate sensor 242 that detects the actual flow rate of water vapor is provided between the evaporator 140 and the heater 150. In this embodiment, the control of each part provided after the reforming part 40 is executed based on the measured current amount of water vapor.
[0030]
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a specific configuration of the flow sensor 242 shown in FIG. The flow sensor 242 is a hot-wire flow sensor. 2A shows a schematic cross-sectional view when the flow sensor 242 is cut along the yz plane in the drawing, and FIG. 2B shows a front view when the flow sensor 242 is seen from the −y direction in the drawing. The figure is shown. In the figure, the -z direction is set as the gravity direction.
[0031]
The flow sensor 242 includes a housing 382 that forms a passage having a substantially rectangular cross section, and two substantially cylindrical conduits 384a and 384b connected to the upstream side and the downstream side of the housing 382.
[0032]
Inside the housing 382, two resistance elements 310a and 310b are provided. Both ends of the first resistance element 310a are connected to one end of the two rod-shaped terminals 311a and 312a, and both ends of the second resistance element 310b are connected to one of the two rod-shaped terminals 311b and 312b. Connected to the end. A male screw is formed at the other end of each terminal, and a disk-like convex portion 314 is formed at the center. The upper wall of the housing 382 is provided with mounting holes into which four terminals are inserted. Each terminal is screwed by a nut 316 through two donut-shaped insulating members 320 provided on the inside and outside of the housing 382. Thereby, each terminal is fixed to the housing 382 while being insulated from the housing 382. The terminals 311a, 312a, 311b, and 312b are connected to lead wires 318a, 319a, 318b, and 319b for supplying current to the two resistance elements, respectively. As shown in the figure, by fixing each terminal with the upper wall of the housing 382, the two resistance elements 310a and 310b are less susceptible to dew condensation.
[0033]
The first resistance element 310a is a heater resistance, and the second resistance element 310b is a reference resistance. FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the heater resistor 310a of FIG. The reference resistor 310b is the same as the heater resistor 310a. The heater resistor 310 a includes a pipe 301 made of a hollow cylindrical ceramic material, two lead wires 302 and 303 made of a platinum alloy, and a wire-like platinum resistor 304. Lead wires 302 and 303 are inserted into both ends of the pipe 301, and each lead wire is fixed to the pipe by glass 305. A platinum resistor 304 is spirally wound around the pipe 301, and both ends of the platinum resistor are electrically connected to the two lead wires 302 and 303 by welding. A coating 306 made of a ceramic material is further formed around the pipe 301 so as to cover the platinum resistor 304. In addition, as a ceramic material which comprises the pipe 301 and the coating 306, an alumina, glass, etc. can be used, for example.
[0034]
Two mesh-like rectifying plates 391 and 392 are provided inside the conduit 384 a (FIG. 2) connected to the upstream side of the housing 382. Each of the rectifying plates 391 and 392 has a function of making the in-plane velocity distribution of the fluid (gas) passing through the housing 382 uniform. By providing the current plate in this way, it is possible to accurately measure the flow rate without providing a relatively long straight pipe portion. In FIG. 2B, the two rectifying plates 391 and 392 are not shown.
[0035]
The control unit 200 calculates the flow rate U of the fluid flowing inside the housing 382 using the detection result of the flow rate sensor 242 based on the following King equation.
[0036]
Q = (a + b · U 1/2 ) (T-Tf)
[0037]
Here, Q is the amount of heat (heat radiation amount) lost per unit time from the heater resistor 310a. T is the temperature of the heater resistor 310a, and Tf is the temperature of the fluid. Here, a and b are values determined according to characteristics such as fluid density, the shape of the heater resistor 310a, and the like.
[0038]
The heater resistor 310a is heated by energization. Since the reference resistor 310b is not heated, its temperature is the same as the fluid temperature Tf. The control unit 200 controls the heater resistor 310a so that the temperature difference (T−Tf) between the two resistors is always a predetermined value. Specifically, when the flow rate of the fluid changes and / or when the temperature of the fluid changes, the amount of heat Q taken from the heater resistor 310a changes. Therefore, the control unit 200 changes the current flowing through the heater resistor 310a so that the temperature difference (T−Tf) is constant. When the temperature difference (T−Tf) is a predetermined value, the fluid flow rate U can be obtained if the heat dissipation amount Q is known. The control unit 200 obtains the heat release amount Q using the detection result of the flow sensor 242 and calculates the flow rate U from the heat release amount Q. The detection result of the flow sensor 242 is actually a voltage value corresponding to the flow rate. The heat dissipation amount Q is calculated using a voltage obtained from the flow sensor 242 and a current applied to the flow sensor 242.
[0039]
The detection result of the flow sensor 242 of this embodiment is related not only to the fluid velocity but also to the mass. That is, the flow sensor of the present embodiment can detect the mass flow rate (g / s).
[0040]
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the internal configuration of the control unit 200 of FIG. Note that the internal configuration shown in FIG. 4 is drawn paying attention to the control for supplying the raw material from the raw material supply unit 30 to the reforming unit 40. As shown in the figure, the control unit 200 includes a steam target flow rate determining unit 210, a steam current flow rate calculating unit 240, an air target flow rate determining unit 250, and a raw fuel target flow rate determining unit 260.
[0041]
By the way, the output power (power generation amount) of the fuel cell needs to be changed according to the load fluctuation. For example, when the fuel cell system is mounted on a vehicle, the output power required for the fuel cell changes according to load fluctuations such as the accelerator opening. The output power of the fuel cell changes according to the flow rate of hydrogen gas supplied to the fuel cell. The discharge flow rate of hydrogen gas from the fuel reformer 100 changes according to the flow rate of the raw material supplied to the reforming unit 40. Therefore, the control unit 200 controls the raw material supply unit 30 according to the output power required for the fuel cell, and adjusts the flow rate of the raw material supplied to the reforming unit 40.
[0042]
FIG. 5 is a flowchart showing a control procedure of material supply by the control unit 200 of FIG. Note that the processing of steps S101 to S106 is repeatedly executed at a predetermined timing.
[0043]
In step S101, the steam target flow rate determination unit 210 acquires output power required for the fuel cell.
[0044]
In step S102, the steam target flow rate determination unit 210 determines a target flow rate of water vapor to be supplied to the reforming unit 40 in accordance with the given required output power.
[0045]
In step S103, the water vapor target flow rate determination unit 210 controls the operation of the water pump (first actuator) 122 according to the determined water vapor target flow rate, and supplies water to the evaporator 140.
[0046]
In step S <b> 104, the water vapor current flow rate calculation unit 240 obtains the detection result from the flow rate sensor 242 and calculates the actual flow rate (mass flow rate) of water vapor discharged from the evaporator 140. Specifically, the current flow rate of water vapor is calculated according to the heat release amount Q obtained from the detection result of the flow sensor 242. FIG. 6 is an explanatory diagram schematically showing a map representing the relationship between the heat dissipation amount Q of the water vapor flow rate sensor 242 and the water vapor mass flow rate Fs. As shown in the figure, the water vapor mass flow rate Fs increases as the heat dissipation amount Q increases. In the present embodiment, the current amount of water vapor is obtained using a map representing the relationship shown in FIG.
[0047]
In step S105, the air target flow rate determination unit 250 determines a target flow rate of air to be supplied to the reforming unit 40 according to the calculated current flow rate of water vapor. Further, the raw fuel target flow rate determination unit 260 determines the target flow rate of the raw fuel to be supplied to the reforming unit 40 according to the calculated current flow rate of water vapor.
[0048]
In step S106, the air target flow rate determination unit 250 controls the operation of the air pump (second actuator) 130 according to the determined target flow rate of air, and supplies air to the heater 150. The raw fuel target flow rate determination unit 260 controls the operation of the raw fuel pump (third actuator) 112 according to the determined target flow rate of raw fuel, and supplies the raw fuel to the vaporization chamber 160.
[0049]
In this embodiment, the flow rate of water is adjusted by controlling the operation of the water pump 122, but instead of or in addition to this, a flow rate adjustment valve is provided to control the operation of the flow rate adjustment valve. You may make it do. The same applies to the air pump 130 and the raw fuel pump 112. Further, instead of or in addition to controlling the operation of the raw fuel pump 112, the operation of an injector (not shown) provided in the vaporizing chamber 160 may be controlled. That is, the flow rate can be adjusted using various actuators.
[0050]
As described above, if the target flow rates of air and raw fuel are determined according to the actual flow rates of water vapor, the actual flow rates of air and raw water are adjusted so that the raw fuel, water vapor, and air have a predetermined ratio. The flow rate of the fuel can be followed. When the mixing ratio of the raw fuel, water vapor, and air deviates from the theoretical mixing ratio, it becomes difficult to control the reforming unit 40. Specifically, a large amount of carbon monoxide gas is generated in the reforming unit 40, or it is difficult to maintain the reaction temperature in the reforming unit 40 at a temperature within a predetermined range. However, according to the present embodiment, it is possible to operate the reforming unit 40 normally and to efficiently generate fuel gas containing hydrogen gas.
[0051]
In addition, the evaporator 140, the heater 150, and the vaporization chamber 160 in a present Example correspond to the raw material mixing part in this invention. Further, the control unit 200 and the flow rate sensor 242 in the present embodiment correspond to the control unit in the present invention, and the water vapor current flow rate calculation unit 240 and the flow rate sensor 242 correspond to the water vapor current flow rate measurement unit.
[0052]
As described above, the fuel reformer 100 according to this embodiment includes the raw material supply unit 30, the reforming unit 40, and the control units 200 and 242. Then, the control unit first target flow rate determination unit 210 for determining the target flow rate of water vapor that the raw material supply unit should supply to the reforming unit according to the discharge flow rate of hydrogen gas required for the reforming unit. And the current steam flow rate measuring units 240 and 242 for measuring the current flow rate of water vapor supplied to the reforming unit, and the raw material supply unit should supply the reforming unit according to the measured current flow rate of water vapor. Second target flow rate determination units 250 and 260 for determining target flow rates of air and raw fuel. Therefore, the flow rates of air and raw fuel can be adjusted according to the current flow rate of water vapor. If the configuration of this embodiment is employed, the flow rates of the three types of raw materials can be accurately supplied to the reforming unit at a predetermined ratio.
[0053]
B. Second embodiment:
FIG. 7 is an explanatory view schematically showing a schematic configuration of a fuel reformer 100B in the second embodiment. FIG. 7 is almost the same as FIG. 1, but the raw material supply unit 30B and the control unit 200B are changed. Specifically, the heater 150 of FIG. 1 is omitted, and water is supplied to the evaporator 140B from the water tank 120 by the water pump 122 and air by the air pump 130. The temperature of the mixed gas discharged from the evaporator 140B is set to about 500 ° C. suitable for the reforming reaction in the reforming unit 40, for example. In this embodiment, an air flow rate sensor 244B that detects the actual flow rate of air is provided between the air pump 130 and the evaporator 140B. The mixed gas flow rate sensor 242B provided between the evaporator 140B and the vaporizing chamber 160 detects the actual flow rate of the mixed gas containing water vapor and air. The control unit 200B controls the raw material supply unit 30B using the detection results of the two flow sensors 242B and 244B. As the two flow sensors 242B and 244B, similarly to the first embodiment, hot-wire sensors are used.
[0054]
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the internal configuration of the control unit 200B of FIG. The control unit 200B includes a steam target flow rate determination unit 210B, an air target flow rate determination unit 220B, a steam current flow rate calculation unit 240B, and a raw fuel target flow rate determination unit 260B.
[0055]
FIG. 9 is a flowchart showing a control procedure of material supply by the control unit 200B of FIG. Note that the processing in steps S201 to S206 is repeatedly executed at a predetermined timing.
[0056]
In step S201, the steam target flow rate determining unit 210B and the air target flow rate determining unit 220B acquire output power required for the fuel cell.
[0057]
In step S202, the steam target flow rate determination unit 210B and the air target flow rate determination unit 220B each determine a target flow rate of water vapor and air to be supplied to the reforming unit 40 according to the given required output power. To do.
[0058]
In step S203, the water vapor target flow rate determination unit 210B controls the operation of the water pump (first actuator) 122 according to the determined water vapor target flow rate, and supplies water to the evaporator 140B. In addition, the air target flow rate determination unit 220B controls the operation of the air pump (second actuator) 130 according to the determined target flow rate of water vapor, and supplies air to the evaporator 140B.
[0059]
In step S204, the water vapor current flow rate calculation unit 240B acquires detection results from the two flow rate sensors 242B and 244B, and calculates the actual flow rate (mass flow rate) of water vapor in the mixed gas discharged from the evaporator 140B. . A delay circuit 246B for delaying a signal from the air flow sensor 244B is provided between the air flow sensor 244B and the water vapor current flow calculation unit 240B. The delay time of the delay circuit 246B is set to be approximately equal to the time required for air to reach the mixed gas flow rate sensor 242B from the air flow rate sensor 244B via the evaporator 140B.
[0060]
10 and 11 are explanatory diagrams showing the relationship between the heat release amount Qa of the mixed gas flow rate sensor 242B and the water vapor mass flow rate Fs. The three curves R1 to R3 shown in FIG. 10 show the relationship between the heat release amount Qa and the water vapor mass flow rate Fs when the volume percentage of water vapor and air contained in the mixed gas passing through the mixed gas flow rate sensor 242B is changed. ing. The first curve R1 corresponds to a mixed gas with almost 100% of water vapor, the second curve R2 corresponds to a mixed gas with 50% of water vapor and air, and the third curve R3 shows that the air of It corresponds to almost 100% mixed gas. As shown in the figure, when the water vapor mass flow rate Fs is constant, the heat dissipation amount Qa increases as the volume percentage of water vapor increases. The three curves C1 to C3 shown in FIG. 11 indicate the heat dissipation amount Qa and the water vapor mass flow rate Fs when the mass flow rate of the water vapor is changed while the mass flow rate of air contained in the mixed gas passing through the mixed gas flow rate sensor 242B is constant. Shows the relationship. In FIG. 11, the two curves R1 and R3 in FIG. 10 are indicated by broken lines. The first curve C1 corresponds to a mixed gas having a relatively small air mass flow rate, and the third curve C3 corresponds to a mixed gas having a relatively large air mass flow rate. Each of the curves C1 to C3 approaches the third curve R3 in a region where the steam mass flow rate Fs in the mixed gas is relatively small, and approaches the first curve R1 in a region where the steam mass flow rate Fs is relatively large.
[0061]
If the map as shown in FIG. 11 is used, the water vapor current flow rate calculation unit 240B can easily calculate the current flow rate of water vapor from the detection results of the two flow rate sensors 242B and 244B. Specifically, the current flow rate (mass flow rate) of air is determined in accordance with the heat release amount obtained from the detection result of the air flow rate sensor 244B. Next, one curve is selected from a plurality of curves C1, C2, C3,... As shown in FIG. 11 according to the obtained mass flow rate of air. Then, the current flow rate (mass flow rate) of water vapor corresponding to the heat release amount Qa obtained from the detection result of the mixed gas flow rate sensor 242B is obtained using the selected curve.
[0062]
In the present embodiment, the current steam flow rate calculation unit 240B calculates the current steam flow rate using a map as shown in FIG. 11, but when the mixing ratio of steam and air can be predicted. The calculation may be performed using a map as shown in FIG.
[0063]
In step S205, the raw fuel target flow rate determination unit 260B determines the target flow rate of the raw fuel to be supplied to the reforming unit 40 according to the calculated current flow rate of water vapor.
[0064]
In step S <b> 206, the raw fuel target flow rate determination unit 260 </ b> B controls the operation of the raw fuel pump (third actuator) 112 according to the determined target flow rate of raw fuel, and supplies the raw fuel to the vaporization chamber 160.
[0065]
In addition, the evaporator 140B and the vaporization chamber 160B in a present Example correspond to the raw material mixing part in this invention. In addition, the control unit 200B and the two flow sensors 242B and 244B in the present embodiment correspond to the controller in the present invention, and the steam current flow rate calculation unit 240B and the two flow sensors 242B and 244B serve as the steam current flow rate measurement unit. Equivalent to.
[0066]
As described above, the fuel reformer 100B of the present embodiment includes the raw material supply unit 30B, the reforming unit 40, and the control units 200B, 242B, and 244B. Then, the control unit determines the first target flow rate for determining the target flow rate of water vapor and air that the raw material supply unit should supply to the reforming unit according to the discharge flow rate of hydrogen gas required for the reforming unit. Parts 210B and 220B, steam current flow rate measuring units 240B, 242B and 244B for measuring the current flow rate of steam supplied to the reforming unit, and the raw material supply unit are modified according to the measured current flow rate of steam. A second target flow rate determination unit 260B for determining a target flow rate of the raw fuel to be supplied to the mass part. Therefore, the flow rate of the raw fuel can be adjusted according to the current flow rate of water vapor in the mixed gas containing water vapor and air. If the configuration of the present embodiment is adopted, the flow rates of the three types of raw materials can be accurately supplied to the reforming unit at a predetermined ratio, as in the first embodiment. Further, since the heater 150 shown in FIG. 1 can be omitted, the fuel reformer can be downsized.
[0067]
B-1. Modification of the second embodiment:
By the way, in 2nd Example, since the mixed gas flow sensor 242B is provided in the position where temperature is comparatively high (about 500 degreeC), a measurement precision tends to deteriorate. For this reason, the calculation result by the water vapor current flow rate calculation unit 240B may deviate from the actual flow rate of water vapor. Therefore, in this embodiment, the water vapor flow rate calculated by the water vapor current flow rate calculation unit 240B is corrected.
[0068]
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a modification of the internal configuration of the control unit 200B shown in FIG. In the control unit 200B1, a correction unit 280 is added. The correction unit 280 includes a delay circuit 282, two low-pass filters 284 and 286, and a correction amount determination unit 288.
[0069]
The target flow rate of water vapor determined by the water vapor target flow rate determination unit 210B is provided to the correction amount determination unit 288 via the delay circuit 282 and the first low-pass filter 284. On the other hand, the water vapor current flow rate calculated by the water vapor current flow rate calculation unit 240 </ b> B is provided to the correction amount determination unit 288 via the second low-pass filter 286. The correction amount determination unit 288 determines the correction amount according to the two signals supplied from the two low-pass filters 284 and 286.
[0070]
FIG. 13 is a timing chart showing the operation of the correction unit 280 of FIG. FIG. 13 (A) shows a signal Q210B representing the target flow rate output from the water vapor target flow rate determination unit 210B. 13B shows the signal Q282 output from the delay circuit 282, and FIG. 13C shows the signal Q284 output from the first low-pass filter 284. FIG. 13D shows a signal Q240B representing the current flow rate output from the water vapor current flow rate calculation unit 240B, and FIG. 13E shows a signal Q286 output from the second low-pass filter 286. Show. Note that in FIG. 13D, the signal Q282 shown in FIG. 13B is indicated by a broken line, and in FIG. 13E, the signal Q284 shown in FIG. 13C is indicated by a broken line. Yes.
[0071]
As can be seen from FIGS. 13A, 13B, and 13D, the delay time Δt in the delay circuit 282 is required for water to reach the mixed gas flow rate sensor 242B from the water pump 122 via the evaporator 140B. It is set almost equal to time. The delay circuit 282 is theoretically necessary, but can be omitted when the delay time Δt is sufficiently smaller than the time constant of the low-pass filter 284. Further, as can be seen from FIGS. 13C and 13E, the time constants of the two low-pass filters 284 and 286 are set to be substantially equal with a considerably large value.
[0072]
As shown in the drawing, the level of the change in the target flow rate of water vapor (FIG. 13B) and the change in the current flow rate of water vapor (FIG. 13D) are different. For this reason, the levels of the output signal Q284 from the first low-pass filter 284 (FIG. 13C) and the output signal Q286 from the second low-pass filter 286 (FIG. 13E) are also different.
[0073]
The correction amount determination unit 288 gives a correction amount that makes the level of the signal Q286 equal to the level of the signal Q284 to the steam current flow rate calculation unit 240B. Then, the water vapor current flow rate calculation unit 240B corrects the detection result from the mixed gas flow rate sensor 242B according to the correction amount.
[0074]
As described above, the correction unit 280 depends on the target water vapor flow level determined by the water vapor target flow rate determination unit 210B and the current water vapor flow level calculated by the water vapor current flow rate calculation unit 240B. The detection result from the mixed gas flow rate sensor 242B is corrected. Therefore, if the control unit 200B1 includes the correction unit 280, even when the mixed gas flow rate sensor 242B is provided at a position where the temperature is relatively high (about 500 ° C.), the water vapor current flow rate calculation unit 240B It becomes possible to obtain the current flow rate with high accuracy.
[0075]
C. Third embodiment:
FIG. 14 is an explanatory view schematically showing a schematic configuration of a fuel reformer 100C in the third embodiment. The fuel reformer 100C of the present embodiment includes a raw material supply unit 30C, a reforming unit 40C, a CO purification unit 70, and a control unit 200C, as in the first example (FIG. 1). The part 30C, the reforming part 40C, and the control unit 200C are changed. Further, the heat exchange unit 50 and the shift unit 60 shown in FIG. 1 are omitted.
[0076]
The raw material supply unit 30 </ b> C includes an evaporator 140 </ b> C, and supplies a mixed gas of hydrocarbon-based raw fuel, water vapor, and air to the reforming unit 40. The evaporator 140C vaporizes the liquid raw fuel supplied from the raw fuel tank 110C by the raw fuel pump 112 and the water supplied from the water tank 120 by the water pump 122. Air is supplied by the air pump 130 to the gas passage 162 connecting the evaporator 140C and the reforming unit 40C. Thereby, the mixed gas of raw fuel, water vapor | steam, and air is produced | generated. In this embodiment, the raw fuel tank 110C stores methanol as the liquid raw fuel.
[0077]
The reforming unit 40C includes a reforming catalyst, and reforms the raw fuel (methanol) contained in the mixed gas into a reformed gas containing hydrogen gas and carbon monoxide gas using water vapor and air. To do. Note that the reforming unit of this embodiment also performs combined reforming in which steam reforming and partial oxidation reforming are combined.
[0078]
In the reforming section 40C of the present embodiment, the reforming reaction proceeds at a relatively low temperature. Further, the concentration of carbon monoxide gas in the reformed gas discharged from the reforming unit 40C is relatively low. For this reason, in this embodiment, the heat exchange unit 50 and the shift unit 60 shown in FIG. 1 are omitted.
[0079]
In the present embodiment, the mixed gas flow rate sensor 242C provided between the evaporator 140C and the reforming unit 40C detects the actual flow rate of the mixed gas containing raw fuel and water vapor. The control unit 200C controls the raw material supply unit 30C using the detection result of the flow sensor 242C. As the flow sensor 242C, a hot-wire sensor is used as in the first embodiment.
[0080]
FIG. 15 is an explanatory diagram showing the internal configuration of the control unit 200C of FIG. The control unit 200C includes a steam target flow rate determination unit 210C, a raw fuel target flow rate determination unit 230C, a steam current flow rate calculation unit 240C, and an air target flow rate determination unit 250C.
[0081]
FIG. 16 is a flowchart showing a control procedure of material supply by the control unit 200C of FIG. Note that the processing of steps S301 to S306 is repeatedly executed at a predetermined timing.
[0082]
In step S301, the steam target flow rate determining unit 210C and the raw fuel target flow rate determining unit 230C acquire output power required for the fuel cell.
[0083]
In step S302, the steam target flow rate determination unit 210C and the raw fuel target flow rate determination unit 230C each have a target flow rate of steam and raw fuel to be supplied to the reforming unit 40C in accordance with the given required output power. To decide.
[0084]
In step S303, the steam target flow rate determination unit 210C controls the operation of the water pump (first actuator) 122 according to the determined target flow rate of water vapor, and supplies water to the evaporator 140C. The raw fuel target flow rate determination unit 230C controls the operation of the raw fuel pump (third actuator) 112 according to the determined target flow rate of the raw fuel, and supplies the raw fuel to the evaporator 140C.
[0085]
In step S304, the water vapor current flow rate calculation unit 240C acquires the detection result from the mixed gas flow rate sensor 242C, and calculates the actual flow rate (mass flow rate) of water vapor in the mixed gas discharged from the evaporator 140C. Specifically, the current flow rate of water vapor is calculated according to the heat release amount obtained from the detection result of the mixed gas flow rate sensor 242C. In this embodiment, since water and raw fuel (methanol) are mixed at a predetermined ratio, it is obtained using a map showing the relationship between the heat release amount and the water vapor mass flow rate at the predetermined ratio as shown in FIG.
[0086]
In step S305, the air target flow rate determination unit 250C determines the target flow rate of air to be supplied to the reforming unit 40C according to the calculated current flow rate of water vapor.
[0087]
In step S306, the air target flow rate determination unit 250C controls the operation of the air pump (second actuator) 130 according to the determined target flow rate of air, and supplies air to the gas passage 162.
[0088]
Note that the evaporator 140C and the gas passage 162 in this embodiment correspond to the raw material mixing section in the present invention. Further, the control unit 200C and the mixed gas flow rate sensor 242C in the present embodiment correspond to the control unit in the present invention, and the water vapor current flow rate calculation unit 240C and the mixed gas flow rate sensor 242C correspond to the water vapor current flow rate measurement unit.
[0089]
As described above, the fuel reformer 100C of the present embodiment includes the raw material supply unit 30C, the reforming unit 40C, and the control units 200C and 242C. And a control part is the 1st target flow rate for determining the target flow volume of the water vapor | steam and raw fuel which a raw material supply part should supply to a reforming part according to the discharge flow rate of the hydrogen gas requested | required of a reforming part The determination unit 210C, 230C, the current steam flow rate measurement unit 240C, 242C for measuring the current flow rate of the steam supplied to the reforming unit, and the raw material supply unit reforms according to the measured current flow rate of the steam. And a second target flow rate determination unit 250C for determining a target flow rate of air to be supplied to the unit. Therefore, the flow rate of air can be adjusted according to the current flow rate of water vapor in the mixed gas containing water vapor and raw fuel. If the configuration of this embodiment is adopted, the flow rates of the three kinds of raw materials can be accurately supplied to the reforming unit at a predetermined ratio, as in the first embodiment. Further, since the heat exchange unit 50 and the shift unit 60 shown in FIG. 1 can be omitted, the fuel reformer can be downsized.
[0090]
C-1. First modification of the third embodiment:
FIG. 17 is an explanatory diagram showing a first modification of the fuel reformer 100C shown in FIG. In the fuel reformer 100C1, a detection unit 290 for detecting the temperature and pressure inside the reforming unit 40C is provided. Then, the air target flow rate determination unit 250C in the control unit 200C acquires the detection result from the detection unit 290, and controls the operation of the air pump 130 according to the state (that is, temperature and pressure) of the reforming unit 40C. To do.
[0091]
If this configuration is adopted, the air target flow rate determination unit 250C can accurately supply air to the reforming unit 40C with the determined target flow rate.
[0092]
C-2. Second modification of the third embodiment:
FIG. 18 is an explanatory diagram showing a second modification of the fuel reformer 100C shown in FIG. FIG. 18 is substantially the same as FIG. 17, but the fuel reformer 100C2 is provided with three air pumps 131 to 133 for supplying air to the reforming unit 40C. Specifically, the reforming unit 40C is provided with three air inlets along the gas flow, and the air pumps 131 to 133 sequentially supply air via the air inlets. To do. In the fuel reformer 100C2, three detection units 291 to 293 for detecting the temperature and pressure inside the reforming unit 40C are provided. In addition, each detection part 291-293 detects the temperature and pressure of the site | part corresponding to each air inlet. Then, the air target flow rate determination unit 250C in the control unit 200C acquires the detection results from the detection units 291 to 293, and depending on the state (that is, temperature and pressure) of the reforming unit 40C, The operation of 133 is controlled.
[0093]
If this configuration is adopted, the reforming reaction inside the reforming unit 40C can be efficiently advanced. That is, as shown in FIGS. 14 and 17, when air is supplied before the reforming unit 40 </ b> C, the partial oxidation reforming reaction proceeds rapidly in the upstream portion of the reforming unit. In such a case, in the downstream portion of the reforming section 40C, oxygen gas is insufficient and the partial oxidation reforming reaction does not proceed so much, and the amount of heat is insufficient and the steam reforming reaction (endothermic reaction) proceeds so much. do not do. When the configuration shown in FIG. 18 is adopted, the temperature distribution along the gas flow direction inside the reforming unit 40C can be made substantially uniform, and as a result, the reforming reaction can be efficiently advanced. .
[0094]
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
[0095]
(1) Although the hot wire type flow sensor is used in the above embodiment, other types of flow sensors such as a vortex type may be used. However, in the case of using a hot-wire flow sensor, there is an advantage that a system having a relatively fast response can be configured at a relatively low cost.
[0096]
Moreover, in the said Example, although the flow sensor which can measure a mass flow rate is used, it may replace with this and may use the flow sensor which can measure a volume flow rate. When the volume flow rate is measured, the mass flow rate may be obtained by measuring the state (temperature and pressure) of the measurement target gas. However, when a flow rate sensor capable of detecting a mass flow rate is used as in this embodiment, there is an advantage that the flow rate can be measured relatively easily because it is not necessary to measure the state of the measurement target gas. is there.
[0097]
Furthermore, although the air flow sensor is provided in the above embodiment, the air flow sensor is omitted when the command value of the air flow for the air pump is substantially equal to the air flow actually discharged from the air pump. May be. In this case, a command value for the air pump may be used instead of the detection result of the air flow sensor.
[0098]
(2) In the first embodiment, water is supplied to the evaporator, and the target flow rate of the raw fuel and air is determined according to the measured current amount of water vapor. In the second embodiment, water and air are supplied to the evaporator, and the target flow rate of the raw fuel is determined according to the current amount of water vapor in the measured mixed gas. In the third embodiment, raw fuel and water are supplied to the evaporator, and the target flow rate of air is determined according to the current amount of water vapor in the measured mixed gas.
[0099]
In general, the control unit is a first target flow rate determination unit for determining at least a target flow rate of water vapor that the raw material supply unit should supply to the reforming unit according to the discharge flow rate of hydrogen gas required for the reforming unit. A current steam flow rate measuring unit for measuring the current flow rate of water vapor supplied to the reforming unit, and a material supply unit other than the steam to be supplied to the reforming unit according to the measured current flow rate of water vapor. What is necessary is just to provide the 2nd target flow volume determination part for determining the target flow volume of at least 1 type of raw material.
[0100]
(3) In the above embodiment, the reforming unit uses the raw fuel, steam, and air to perform combined reforming that combines steam reforming and partial oxidation reforming. Steam reforming using raw fuel and steam may be performed. In this case, the raw fuel flow rate may be determined in accordance with the water vapor flow rate.
[0101]
In the above embodiment, liquid raw fuel such as gasoline or methanol is used, but other alcohols, ethers, aldehydes, or the like may be used instead. Further, instead of the liquid raw fuel, a gaseous raw fuel such as natural gas may be used.
[0102]
Generally, the reforming unit may generate a reformed gas containing hydrogen gas using a plurality of types of raw materials including at least a hydrocarbon-based raw fuel and water vapor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a schematic configuration of a fuel reformer 100 in a first embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a specific configuration of the flow sensor 242 shown in FIG. 1;
3 is a partial cross-sectional view of a heater resistor 310a of FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an internal configuration of the control unit 200 of FIG. 1;
FIG. 5 is a flowchart showing a raw material supply control procedure by the control unit 200 of FIG. 4;
FIG. 6 is an explanatory diagram schematically showing a map showing the relationship between the heat dissipation amount Q of the water vapor flow rate sensor 242 and the water vapor mass flow rate Fs.
FIG. 7 is an explanatory view schematically showing a schematic configuration of a fuel reformer 100B in a second embodiment.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing an internal configuration of the control unit 200B of FIG.
FIG. 9 is a flowchart showing a raw material supply control procedure by the control unit 200B of FIG.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the relationship between the heat release amount Qa of the mixed gas flow rate sensor 242B and the water vapor mass flow rate Fs.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the relationship between the heat release amount Qa of the mixed gas flow rate sensor 242B and the water vapor mass flow rate Fs.
12 is an explanatory diagram showing a modification of the internal configuration of the control unit 200B shown in FIG.
13 is a timing chart showing the operation of the correction unit 280 of FIG.
FIG. 14 is an explanatory view schematically showing a schematic configuration of a fuel reformer 100C in a third embodiment.
15 is an explanatory diagram showing an internal configuration of the control unit 200C of FIG.
FIG. 16 is a flowchart showing a raw material supply control procedure by the control unit 200C of FIG.
FIG. 17 is an explanatory view showing a first modification of the fuel reformer 100C shown in FIG.
FIG. 18 is an explanatory diagram showing a second modification of the fuel reformer 100C shown in FIG.
[Explanation of symbols]
30, 30B, 30C ... Raw material supply section
40, 40C ... reforming section
50 ... Heat exchange section
60: Shift section
70 ... CO purification section
100, 100B, 100C, 100C1, 100C2 ... Fuel reformer
110, 110C ... Raw fuel tank
112 ... Raw fuel pump (third actuator)
120 ... Water tank
122 ... Water pump (first actuator)
130, 131-133 ... Air pump (second actuator)
140, 140B, 140C ... evaporator
142 ... Raw fuel pump
144 ... Air pump
150 ... Heater
152 ... Raw fuel pump
154 ... Air pump
160 ... Vaporization room
162: Gas passage
200, 200B, 200B1, 200C ... control unit
210, 210B, 210C ... water vapor target flow rate determination unit
220B ... Air target flow rate determining unit
230C ... Raw fuel target flow rate determination unit
240, 240B, 240C ... steam current flow rate calculation unit
242 ... Water vapor flow rate sensor
242B, 242C ... Mixed gas flow rate sensor
244B: Air flow sensor
246B ... Delay circuit
250, 250C ... Air target flow rate determination unit
260, 260B ... Raw fuel target flow rate determination unit
280 ... Correction unit
282 ... Delay circuit
284, 286 ... Low-pass filter
288 ... Correction amount determination unit
290, 291 to 293 ... detection unit
301 ... Pipe
302, 303 ... Lead wire
304: Platinum resistor
305 ... Glass
306 ... Coating
310a ... heater resistance
310b ... Reference resistor
311a, 312a, 311b, 312b... Terminal
314 ... convex portion
316 ... Nut
318a, 319a, 318b, 319b ... lead wire
320: Insulating member
382 ... Housing
384a, 384b ... conduit
391, 392 ... Rectifying plate

Claims (7)

燃料改質装置であって、
炭化水素系の原燃料と水蒸気とを少なくとも含む複数種類の原料を用いて、水素ガスを含む改質ガスを生成するための改質部と、
前記改質部に前記複数種類の原料を供給するための原料供給部と、
前記原料供給部を制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記改質部に要求される前記水素ガスの排出流量に応じて、前記原料供給部が前記改質部に供給すべき水蒸気の目標流量を少なくとも決定するための第１の目標流量決定部と、
前記改質部に供給される水蒸気の現行流量を測定するための水蒸気現行流量測定部と、
前記測定された水蒸気の現行流量に応じて、前記原料供給部が前記改質部に供給すべき水蒸気以外の少なくとも１種類の原料の目標流量を決定するための第２の目標流量決定部と、
を備えることを特徴とする燃料改質装置。A fuel reformer,
A reforming unit for generating a reformed gas containing hydrogen gas using a plurality of types of raw materials including at least a hydrocarbon-based raw fuel and steam; and
A raw material supply unit for supplying the plurality of types of raw materials to the reforming unit;
A control unit for controlling the raw material supply unit;
With
The controller is
A first target flow rate determination unit for determining at least a target flow rate of water vapor to be supplied to the reforming unit by the raw material supply unit, according to a discharge flow rate of the hydrogen gas required for the reforming unit;
A steam current flow rate measuring unit for measuring the current flow rate of steam supplied to the reforming unit;
A second target flow rate determining unit for determining a target flow rate of at least one kind of raw material other than water vapor to be supplied to the reforming unit by the raw material supply unit according to the measured current flow rate of water vapor;
A fuel reformer characterized by comprising: 請求項１記載の燃料改質装置であって、
前記原料供給部は、
炭化水素系の原燃料と水蒸気と空気とを含む前記複数種類の原料の混合ガスを生成するための原料混合部と、
前記原料混合部に供給される水の流量を調整する第１のアクチュエータと、
前記原料混合部に供給される空気の流量を調整する第２のアクチュエータと、前記原料混合部に供給される原燃料の流量を調整する第３のアクチュエータと、
を備え、
前記第１の目標流量決定部は、
少なくとも、前記決定された水蒸気の目標流量に従って、前記第１のアクチュエータを制御し、
前記第２の目標流量決定部は、
前記決定された水蒸気以外の少なくとも１種類の原料の目標流量に従って、前記第１のアクチュエータ以外の少なくとも１つのアクチュエータを制御する、燃料改質装置。The fuel reformer according to claim 1, wherein
The raw material supply unit
A raw material mixing section for generating a mixed gas of the plurality of types of raw materials including hydrocarbon-based raw fuel, water vapor, and air;
A first actuator for adjusting a flow rate of water supplied to the raw material mixing unit;
A second actuator for adjusting the flow rate of air supplied to the raw material mixing unit; a third actuator for adjusting the flow rate of raw fuel supplied to the raw material mixing unit;
With
The first target flow rate determining unit is
Controlling the first actuator according to at least the determined target flow rate of water vapor;
The second target flow rate determining unit is
A fuel reformer that controls at least one actuator other than the first actuator in accordance with the determined target flow rate of at least one kind of raw material other than the steam. 請求項２記載の燃料改質装置であって、
前記原料混合部は、
水蒸気を生成する水蒸気生成部と、
前記水蒸気生成部から排出される水蒸気に、空気と原燃料とを混合して混合ガスを生成する混合ガス生成部と、
を備え、
前記第１の目標流量決定部は、
前記決定された水蒸気の目標流量に従って、前記第１のアクチュエータを制御し、
前記水蒸気現行流量測定部は、
前記水蒸気生成部から排出される水蒸気の現行流量を検出する流量センサと、
検出結果を用いて、前記水蒸気の現行流量を算出するための算出部と、
を備え、
前記第２の目標流量決定部は、
前記算出された水蒸気の現行流量に応じて、前記混合ガス生成部が前記改質部に供給すべき空気の目標流量と原燃料の目標流量とを決定して、
前記決定された空気の目標流量と前記決定された原燃料の目標流量とに従って、前記第２のアクチュエータと前記第３のアクチュエータとをそれぞれ制御する、燃料改質装置。The fuel reformer according to claim 2, wherein
The raw material mixing part
A water vapor generating part for generating water vapor;
A mixed gas generating unit that mixes air and raw fuel with the steam discharged from the water vapor generating unit to generate a mixed gas; and
With
The first target flow rate determining unit is
Controlling the first actuator according to the determined target flow rate of water vapor;
The steam current flow rate measuring unit is:
A flow rate sensor for detecting a current flow rate of water vapor discharged from the water vapor generation unit;
Using the detection result, a calculation unit for calculating the current flow rate of the water vapor,
With
The second target flow rate determining unit is
According to the calculated current flow rate of water vapor, the mixed gas generation unit determines a target flow rate of air to be supplied to the reforming unit and a target flow rate of raw fuel,
A fuel reformer that controls the second actuator and the third actuator, respectively, according to the determined target flow rate of air and the determined target flow rate of raw fuel. 請求項２記載の燃料改質装置であって、
前記原料混合部は、
水蒸気と空気とを含む第１の混合ガスを生成する第１の混合ガス生成部と、
前記第１の混合ガスに原燃料を混合して第２の混合ガスを生成する第２の混合ガス生成部と、
を備え、
前記第１の目標流量決定部は、
前記改質部に要求される前記水素ガスの排出流量に応じて、前記水蒸気の目標流量とともに、前記第１の混合ガス生成部が前記改質部に供給すべき空気の目標流量を決定して、
前記決定された水蒸気の目標流量と前記決定された空気の目標流量とに従って、前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータとをそれぞれ制御し、
前記水蒸気現行流量測定部は、
前記第１の混合ガスの現行流量を検出する流量センサと、
検出結果を用いて、前記第１の混合ガスに含まれる水蒸気の現行流量を算出するための算出部と、
を備え、
前記第２の目標流量決定部は、
前記算出された水蒸気の現行流量に応じて、前記第２の混合ガス生成部が前記改質部に供給すべき原燃料の目標流量を決定して、
前記決定された原燃料の目標流量に従って、前記第３のアクチュエータを制御する、燃料改質装置。The fuel reformer according to claim 2, wherein
The raw material mixing part
A first mixed gas generating unit that generates a first mixed gas containing water vapor and air;
A second mixed gas generating unit that mixes raw fuel with the first mixed gas to generate a second mixed gas;
With
The first target flow rate determining unit is
According to the discharge flow rate of the hydrogen gas required for the reforming unit, the target flow rate of air to be supplied to the reforming unit by the first mixed gas generation unit is determined together with the target flow rate of the water vapor. ,
Controlling the first actuator and the second actuator, respectively, according to the determined target flow rate of water vapor and the determined target flow rate of air;
The steam current flow rate measuring unit is:
A flow rate sensor for detecting a current flow rate of the first mixed gas;
A calculation unit for calculating the current flow rate of water vapor contained in the first mixed gas using the detection result;
With
The second target flow rate determining unit is
According to the calculated current flow rate of water vapor, the second mixed gas generation unit determines a target flow rate of raw fuel to be supplied to the reforming unit,
A fuel reformer that controls the third actuator in accordance with the determined target flow rate of raw fuel. 請求項４記載の燃料改質装置であって、
前記水蒸気現行流量測定部は、さらに、
前記第１の混合ガス生成部に供給される空気の現行流量を検出する空気流量センサを備え、
前記算出部は、
前記空気の現行流量の検出結果と、前記第１の混合ガスの現行流量の検出結果と、を用いて、前記第１の混合ガスに含まれる水蒸気の現行流量を算出する、燃料改質装置。The fuel reformer according to claim 4, wherein
The water vapor current flow rate measurement unit further includes:
An air flow rate sensor for detecting a current flow rate of air supplied to the first mixed gas generation unit;
The calculation unit includes:
A fuel reformer that calculates a current flow rate of water vapor contained in the first mixed gas using a detection result of the current flow rate of the air and a detection result of the current flow rate of the first mixed gas. 請求項２記載の燃料改質装置であって、
前記原料混合部は、
水蒸気と原燃料とを含む第１の混合ガスを生成する第１の混合ガス生成部と、前記第１の混合ガスに空気を混合して第２の混合ガスを生成する第２の混合ガス生成部と、
を備え、
前記第１の目標流量決定部は、
前記改質部に要求される前記水素ガスの排出流量に応じて、前記水蒸気の目標流量とともに、前記第１の混合ガス生成部が前記改質部に供給すべき原燃料の目標流量を決定して、
前記決定された水蒸気の目標流量と前記決定された原燃料の目標流量とに従って、前記第１のアクチュエータと前記第３のアクチュエータとをそれぞれ制御し、
前記水蒸気現行流量測定部は、
前記第１の混合ガスの現行流量を検出する流量センサと、
検出結果を用いて、前記第１の混合ガスに含まれる水蒸気の現行流量を算出するための算出部と、
を備え、
前記第２の目標流量決定部は、
前記算出された水蒸気の現行流量に応じて、前記第２の混合ガス生成部が前記改質部に供給すべき空気の目標流量を決定して、
前記決定された空気の目標流量に従って、前記第２のアクチュエータを制御する、燃料改質装置。The fuel reformer according to claim 2, wherein
The raw material mixing part
A first mixed gas generation unit that generates a first mixed gas containing water vapor and raw fuel, and a second mixed gas generation that generates a second mixed gas by mixing air with the first mixed gas And
With
The first target flow rate determining unit is
A target flow rate of raw fuel to be supplied to the reforming unit by the first mixed gas generation unit is determined together with a target flow rate of the water vapor in accordance with a discharge flow rate of the hydrogen gas required for the reforming unit. And
Controlling the first actuator and the third actuator, respectively, according to the determined target flow rate of water vapor and the determined target flow rate of raw fuel,
The steam current flow rate measuring unit is:
A flow rate sensor for detecting a current flow rate of the first mixed gas;
A calculation unit for calculating the current flow rate of water vapor contained in the first mixed gas using the detection result;
With
The second target flow rate determining unit is
According to the calculated current flow rate of water vapor, the second mixed gas generation unit determines a target flow rate of air to be supplied to the reforming unit,
A fuel reformer that controls the second actuator in accordance with the determined target flow rate of air. 請求項３，４，６のいずれかに記載の燃料改質装置であって、
前記流量センサは、熱線式の流量センサである、燃料改質装置。The fuel reformer according to any one of claims 3, 4 and 6,
The fuel flow rate sensor is a hot wire type flow rate sensor.
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