JP4135243B2 - 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】
この発明は、メチルアルコールなどの炭化水素および水などからなる改質燃料を水素リッチなガスなどの所望の燃料に改質する改質器に関し、特にその改質燃料を加熱昇温するための燃焼を制御する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の改質器の一例として、メチルアルコール（メタノール）と水とを原料として水素ガスを主体とする改質ガスを生成する改質器が知られている。この改質器は、銅合金などを触媒としており、その触媒の活性温度が一例として２８０℃程度であって、それより温度が低い場合には、メタノールが充分に改質されずに改質ガスに残留するメタノールの量が多くなる。また、メタノールの改質反応は、吸熱反応であるから、前記の触媒の温度を維持すると同時に、改質反応を促進するために、外部から熱を供給している。
【０００３】
その加熱の方法は、バーナなどで加熱する以外に、酸化反応によって発熱させ、その熱を改質部に伝達する方法が知られている。後者の方法は、いわゆる部分酸化反応による方法であり、例えばメタノール蒸気に空気を混合し、これを触媒の下で酸化させて水素を発生させ、その際の熱を利用するものである。したがってこの部分酸化反応を利用すれば、改質反応に伴う熱を部分酸化反応によって補い、吸熱量と発熱量とをバランスさせることにより、外部からの加熱を不要にすることもできる。しかしながらこれは、改質部での熱収支がバランスして改質および酸化による温度変化がないことをもたらすのみであり、改質部の温度を目的温度に設定する用をなすものではない。
【０００４】
すなわち改質部の温度を、改質反応あるいは触媒の活性に好適な温度に設定するためには、外部からの加熱が必要である。そのため、この種の改質器では、燃焼部で発生させた熱によってメタノールと水との混合液を、所定温度の蒸気とし、これを改質部に供給している。
【０００５】
上記の改質器を、例えば燃料電池における燃料ガスを生成するための手段として使用した場合、燃料電池の負荷の変動に応じて改質器での反応を制御する必要がある。すなわち負荷の増大に伴って改質ガスの生成量を増大させ、また負荷が低下した場合には改質ガスの生成量を減少させる必要がある。改質ガスの発生量を増減するためには、改質部に供給する原料すなわちメタノールと水との混合蒸気を増減することになるが、そのためには、当然、目的とする温度のメタノールおよび水の混合蒸気を発生させるのに要する加熱熱量を増減させる必要がある。
【０００６】
メタノールと水との混合蒸気を発生させるのに要する熱量は、メタノールなどの加熱用の燃料の量を増減することにより制御することができる。しかしながらメタノールと水との混合液を加熱するために従来採用されているバーナや酸化触媒による発熱手段などは、その発熱応答性が低いので、負荷変動に的確に対応した加熱制御をおこなうことが困難であった。すなわち急激な負荷の増大があった場合には、加熱するべきメタノールと水との量に対して発熱量が不足し、その結果、蒸気温度や触媒温度が低下して改質反応が低調になり、改質ガス中の残留メタノール量が増大するなど、燃料電池の性能が低下する。また反対に負荷が急激に低下した場合には、加熱熱量の低下の遅れにより、蒸気温度や触媒温度が過度に上昇し、その結果、触媒の活性が低下するなどの不都合が生じる。
【０００７】
このような不都合を解消するために、特公平７−１０５２４０号公報に記載された発明では、水蒸気比を制御することにより、負荷変動に応じた温度制御をおこなうようにしている。すなわち、改質燃料として混合されている水の量を減少させれば、その加熱および蒸発に要する熱量が低下して改質燃料であるメタノールと水との混合蒸気の温度が高くなり、これとは反対に水の量を多くすれば、その昇温および蒸発に要する熱量が増大するので、改質燃料であるメタノールと水との混合蒸気の温度が低くなる。またこの公報に記載された発明では、改質燃料を加熱するための燃料の一部に、残存水素を含む使用済み燃料ガスを使用しており、その残存水素をバーナで燃焼させることにより改質燃料を加熱している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の公報に記載された温度制御の方法は、水の量を変化させてその水の加熱・蒸発により消費もしくは吸収する熱量を変化させ、これにより温度を制御する方法である。したがって燃焼させる燃料の量を変更して発熱量を制御する方法に比較して温度制御の応答性が高くなる。
【０００９】
しかしながら、上記の公報に記載された方法は、燃料の燃焼による発熱量が一定であることを前提とし、その発熱量の一部を水の加熱・蒸発のために消費させる方法であるから、例えば燃料電池での負荷が少ないことにより改質ガス量を低下させる場合であっても、燃焼による発熱量を、理論上決まる熱量以上に維持することになる。その結果、改質燃料の改質に実際に必要な熱量以上の熱量を発生させるように燃焼をおこなうことになるので、燃料を不必要に消費し、燃費が悪化する不都合がある。
【００１０】
また上記の公報に記載された方法では、残存水素をバーナで燃焼させて改質燃料を加熱するとしても、その熱量を制御していない。そして上記のように水蒸気比によって温度を制御するのであるから、残存水素を含む加熱燃料の消費量は、改質燃料の加熱に要する量より多くする必要があり、したがってこの点でも残存水素を過剰に燃焼させることになり、燃料の有効利用の点では改善すべき余地があった。
【００１１】
この発明は、上記の事情を背景にしてなされたものであり、改質燃料を加熱するための燃焼部での燃焼を適正に制御して改質効率を向上させることのできる制御装置を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段およびその作用】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、燃焼部で生じさせた熱によって改質燃料を蒸発部で加熱するとともにその加熱された改質燃料を改質部における改質反応によってガス化し、得られた改質ガスを他の形態のエネルギーに変換するエネルギー変換器に供給し、かつそのエネルギー変換器で生じた未利用可燃性ガスと加熱燃料との少なくともいずれか一方を前記燃焼部で燃焼させる改質器の制御装置において、ガス化させるべき前記改質燃料の量に基づいて前記燃焼部で発生させる熱量を算定する加熱熱量算定手段と、前記エネルギー変換器で生じた未利用可燃性ガスによって発生させることのできる熱量を算定する回収熱量算定手段と、前記加熱熱量算定手段で算定された熱量に基づく値が前記回収熱量算定手段で算定された熱量に基づく値を超えている場合に前記燃焼部に前記加熱燃料を供給する加熱燃料供給手段とを備えていることを特徴とするものである。
【００１３】
したがって請求項１の発明においては、燃焼部で発生させる必要のある熱量が、未利用可燃性ガスの燃焼によって得られる熱量を超えている場合に、加熱燃料が燃焼部に供給される。したがって加熱燃料は、未利用可燃性ガスによる熱量では不足する場合に限って使用されることにより、改質燃料の加熱には未利用可燃性ガスが最大限使用されるので、加熱燃料の使用量が少なくなり、全体としてのエネルギー効率が高くなる。
【００１４】
また、請求項２の発明は、請求項１の構成に加えて、前記燃焼部で生じた熱によって加熱された改質燃料の温度を検出する改質燃料温度検出手段と、検出された改質燃料の温度が予め定めた所定温度以上の場合に、前記燃焼部に対する加熱燃料の供給を停止する加熱燃料停止手段とを更に備えていることを特徴とするものである。
【００１５】
したがって請求項２の発明においては、改質燃料の温度が必要以上に高くなる場合には、加熱燃料の燃焼部への供給が停止される。その結果、加熱燃料を不必要に燃焼させることによるエネルギー効率の低下や改質燃料の温度が必要以上に高くなることによる改質反応効率の低下が防止される。
【００１６】
請求項３の発明は、燃焼部で生じさせた熱によって改質燃料を蒸発部で加熱するとともにその加熱された改質燃料を改質部における改質反応によってガス化する改質器の制御装置において、前記燃焼部の温度を検出する燃焼部温度検出手段と、検出された燃焼部の温度および前記ガス化させるべき前記改質燃料の量に基づいて前記燃焼部に供給する燃焼原料の量を減少するように補正する燃焼原料補正手段とを備えていることを特徴とするものである。
【００１７】
したがって請求項３の発明においては、燃焼部の温度が所定値以上に高くなった場合、燃焼部で燃焼する原料の量が少なくなるので、燃焼部での発熱量が低下する。そのため、燃焼部の異常な温度上昇やそれに伴う損傷が未然に防止される。
【００１８】
さらに、請求項４の発明は、燃焼部で生じさせた熱によって改質燃料を蒸発部で加熱するとともにその加熱された改質燃料を改質部における改質反応によってガス化する改質器の制御装置において、前記ガス化させるべき前記改質燃料の量およびその改質燃料に混合される水の量ならびに改質燃料の目標温度に基づいて前記燃焼部での目標燃焼温度を設定する目標燃焼温度設定手段と、その目標燃焼温度設定手段で設定された目標燃焼温度に基づいて前記燃焼部が燃焼させる燃焼原料の量を設定する燃焼原料量設定手段とを備えていることを特徴とするものである。
【００１９】
したがって請求項４の発明においては、燃焼部に供給される燃焼原料の量が目標燃焼温度に基づいて設定されるので、燃焼部での異常な高温状態が防止され、燃焼部の損傷が回避される。また、その目標燃焼温度が改質燃料の目標温度に基づいて設定されているので、改質燃料温度が適正化されて改質反応を効率よく生じる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
つぎにこの発明を図に示す具体例に基づいて説明する。先ず、改質器としてメタノールおよび水を改質燃料とした改質器を使用し、かつその改質器から生じた改質ガスを他の形態のエネルギーに変換するエネルギー変換器として燃料電池を使用したシステムについて説明する。図１６はその一例を模式的に示しており、燃料電池１の燃料極（水素極）側に、改質器２が接続されている。この改質器２は、改質燃料であるメタノールと水との混合物を水素と二酸化炭素とに改質するものであって、改質燃料を加熱する加熱部３と、改質部４と、ＣＯ酸化部５とを備えている。
【００２３】
加熱部３は、改質燃料を加熱してメタノールと水との混合蒸気を生じさせるためのものであり、加熱のための熱を発生させる燃焼部６とその熱によって改質燃料を蒸発させる蒸発部７とによって構成されている。その燃焼部６としては、燃焼原料をバーナによって燃焼させる構造のものや燃焼原料を触媒によって酸化させる構成のものなどを採用することができる。したがってこの燃焼部６には、加熱燃料の一例であるメタノールを供給するポンプ８がインジェクタ９を介して接続され、また支燃ガスの一例である空気を供給するエアー供給部１０が設けられている。このエアー供給部１０は具体的には、エアーポンプによって構成されている。
【００２４】
また、蒸発部７には、メタノールと水との混合液を供給する改質燃料供給部としてポンプ１１が接続されている。そしてこの蒸発部７と前記燃焼部６とは、熱交換器１２によって熱伝達可能に連結されている。なお、この加熱部３の更に具体的な構成については後述する。
【００２５】
前記改質部４は、主としてメタノールと水との改質反応によって水素リッチなガスを発生させるように構成されている。具体的には、活性温度が２８０℃程度の銅系の触媒を用いて、
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋３Ｈ２ …（１）
の改質反応によって水素ガスを主体とする改質ガスを生成するようになっている。またこの改質部４は、メタノールの部分酸化反応によって水素ガスおよび熱を生じさせるようになっており、そのためにエアー供給部１３から空気が供給されている。すなわち上記の（１）式で示される改質反応が吸熱反応であり、これに対してメタノールの部分酸化反応である下記の（２）式の反応が発熱反応であるから、これらの吸熱量と発熱量とをバランスさせることにより、改質部４の温度をほぼ一定に維持させるようになっている。
【００２６】
ＣＨ３ＯＨ＋１／２Ｏ２→２Ｈ２ ＋ＣＯ２ …（２）
【００２７】
上記の（１）式で示す改質反応および（２）式で示す部分酸化反応は理想状態の反応であり、また二酸化炭素は可逆的に一酸化炭素に変化するので、実際には、不可避的に一酸化炭素ガスが改質ガスに混入する。この一酸化炭素は、燃料電池１における燃料極の触媒を被毒する原因となるので、これを除去するためにＣＯ酸化部５が設けられている。このＣＯ酸化部５は、ＣＯ酸化触媒（図示せず）を備えるとともに、エアー供給部１４を備えており、改質部４で生成させた改質ガスを通過させることにより、改質ガスに含まれる一酸化炭素を空気中の酸素によって酸化させるように構成されている。
【００２８】
一方、燃料電池１は、一例として、プロトン透過性のある高分子膜を電解質とし、その電解質膜を挟んで燃料極（水素極）１５と空気極（酸素極）１６とを設け、このような構成の単電池を多数直並列に接続して構成されている。各電極１５，１６は、拡散層と反応層とによって構成され、燃料極１５における反応層は、例えば炭素に白金やその合金あるいはルテニウムなどの触媒を担持させた多孔質構造とされている。そしてこの燃料極１５に前記改質器２が連通され、ここに水素ガスを主体とする改質ガスが供給されるようになっている。また空気極１６には、ポンプなどのエアー供給部１７が接続され、改質ガス中の水素と反応させるための酸素を供給するようになっている。
【００２９】
なお、各電極１５，１６には、外部負荷としてバッテリー１８やインバータ１９が閉回路を構成するように接続されている。またこの閉回路には、電流センサ２０が介装されている。さらにインバータ１９には、モータ２１が接続されている。このモータ２１は、例えば車両の走行のための動力源とされる。
【００３０】
上記の燃料極１５で生じる水素のイオン化および電解質膜を介した酸化反応は、燃料電池１に供給した水素ガスの全てについて生じる訳ではなく、その反応効率は、数十％であり、したがって燃料極１５側から生じる排ガス（以下、オフガスと記す場合がある。）には未利用の可燃性ガスすなわち水素ガスが含まれている。これを有効利用するために、燃料極１５側の排ガスを前記燃焼部６に戻すためにリターン管２２が、燃料電池１と燃焼部６とを連通した状態に配置されている。またこのリターン管２２の中間部には、その内部を流動するガスの流量を制御するための流量調整弁２３が設けられている。なお、この流量調整弁２３はその開度を電気的に制御するように構成されている。さらに、このリターン管２２は、その内部を流動するガスを、燃焼部６に供給せずに適宜に外部に排出できるように構成されている。
【００３１】
図１７に上記の加熱部３の更に具体的な構成が制御系統と併せて示されている。燃焼部６は、加熱燃料としてのメタノール（以下、燃焼メタノールと記す）および／または未利用水素ガスと空気とを一定方向に流通させる間に、これらの燃焼原料を酸化させる燃焼室２４を備えており、その燃焼室２４の流入側にインジェクタ９が配置され、このインジェクタ９から燃焼メタノールを燃焼室２４内に噴霧するようになっている。また燃焼室２４の流入側で燃焼メタノールの噴霧位置の近傍に開口するエアー供給口２５が形成されており、このエアー供給口２５にエアーポンプ１０が接続されている。
【００３２】
さらに前記燃焼室２４のうち前記インジェクタ９の近傍に、リターン管２２が開口して接続されている。そしてこのリターン管２２に介装してある流量調整弁２３を挟んだ両側に、圧力センサ２６，２７が配置され、流量調整弁２３の上流側の圧力と下流側の圧力とを検出するようになっている。
【００３３】
燃焼室２４の内部に熱交換器１２が配置されている。この熱交換器１２は、燃焼室２４を横断するように気密状態に貫通した複数の蒸発管２８を有しており、これらの蒸発管２８の一方の端部が、給液管２９に連通され、また他方の端部が蒸気管３０に連通されている。さらに各蒸発管２８の外周面のうち前記燃焼室２４の内部に位置する部分には、酸化触媒３１が取り付けられている。したがって燃焼室２４の内部に供給された燃焼メタノールや排ガス中の未利用水素ガスがこれらの触媒３１において空気中の酸素により酸化し、発熱するようになっている。そしてこの燃焼による温度を検出するためにの温度センサ３２が各触媒３１もしくは蒸発管２８に取り付けられている。したがってこれらの温度センサ３２は、支燃ガスである空気の流入側から排気側に向けて配列されている。
【００３４】
前記燃焼室２４の下流側には排気管３３が接続されており、その排気管３３の燃焼室２４側の端部に空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）３４が配置されている。このＡ／Ｆセンサ３４は排気中の酸素濃度に応じた電気信号を出力するように構成されたセンサである。したがって加熱部３に供給された燃焼メタノールあるいは未利用水素ガスと酸素との比率（Ａ／Ｆ）を検出することができる。
【００３５】
前記給液管２９は改質燃料であるメタノールと水との混合液を蒸発管２８に供給するためのものであって、改質燃料供給部を構成する給液ポンプ１１に接続されている。これに対して蒸気管３０は、蒸発管２８で生じたメタノールと水との混合蒸気を改質部４に供給するための管路を構成しており、その内部には蒸気温度を検出するための蒸気温度センサ３５が配置されている。
【００３６】
前記各ポンプ８，１０，１１は電気的に制御されてその吐出量を適宜に調整するように構成されており、その制御のために電子制御装置（ＥＣＵ）３６が設けられている。この電子制御装置３６は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）と記憶装置（ＲＡＭ、ＲＯＭ）と入出力インターフェースとを主体とするいわゆるマイクロコンピュータからなるものであり、制御データとして前記各センサ２６，２７，３２，３４，３５による検出信号が入力されている。さらに燃料電池１の負荷を検出するための電流センサ２０の検出信号が電子制御装置３６に入力されている。なお、前記流量調整弁２３の開度をこの電子制御装置３６によって制御するようになっている。
【００３７】
上述した改質器２の基本的な動作について説明すると、改質燃料であるメタノールと水との混合液が、給液ポンプ１１により給液管２９を介して蒸発管２８に供給される。これに対して燃焼室２４には、燃焼メタノールがインジェクタ９によって噴霧され、あるいはこれと同時にもしくはこれに替えて未利用水素ガスを含むオフガスがリターン管２２から供給される。また支燃ガスとして空気がエアーポンプ１０によって供給される。この燃焼メタノールおよび／または未利用水素ガスと空気とが酸化触媒３１において酸化反応し、すなわち燃焼し、熱を発生する。その熱によって蒸発管２８が加熱され、その内部の混合液が蒸発し、メタノールと水との混合蒸気が生じる。また、燃焼によって生じた排ガスは排気管３３を介して外部に送り出される。
【００３８】
蒸発管２８で生じた混合蒸気は、蒸気管３０を介して改質部４に送られる。この改質部４に設けられた銅系触媒によってメタノールと水との改質反応が生じ、水素ガスおよび二酸化炭素ガスを主成分とする改質ガスが生じる。またこれと同時に、エアー供給部１３から改質部４に供給された空気とメタノールとの部分酸化反応が生じる。この部分酸化反応は上述した（２）式で表され、その結果、水素ガスと二酸化炭素ガスとが生じる。メタノールの改質反応は吸熱反応であり、これに対してメタノールの部分酸化反応は発熱反応であるから、これらの反応における吸熱量と発熱量とが等しくなるように反応を制御することにより、改質部４での熱収支をバランスさせ、改質部４の温度がほぼ一定に維持される。したがって改質部４での熱の出入りがないので、前記燃焼部６で生じさせた熱は、専ら改質燃料の加熱・蒸発に使用される。
【００３９】
改質部４で生じるガスは、原理的には、水素ガスと二酸化炭素ガスであるが、実際には一酸化炭素ガスがわずか（１％程度）生じる。この一酸化炭素ガスの大半は、改質ガスがＣＯ酸化部５を通過する際にエアー供給部１４から供給される空気中の酸素と反応して二酸化炭素となる。こうして水素リッチなガスとされた改質ガスが燃料電池１における燃料極１５に送られ、その反応層で水素イオンと電子とを生じるとともに、その水素イオンが電解質膜を透過して空気極１６側で酸素と反応し、水を生じる。また電子は外部負荷を通って動力を生じさせる。
【００４０】
以上のようにして改質器２で生じさせる改質ガスの量は、燃料電池１での負荷に応じた量に制御され、したがって加熱部３で生じさせるメタノールと水との混合蒸気の量も燃料電池１での負荷に応じた量に制御される。この発明に係る制御装置は、この燃料電池１での負荷に応じた改質燃料を加熱・蒸発させるために、燃焼部６での燃焼を以下のように制御する。
【００４１】
図１はその制御例を説明するためのフローチャートであって、先ず、改質燃料（メタノールと水との混合液）の量を算出する（ステップＳ１）。燃料電池１で使用される水素ガスは、上記の（１）式および（２）式で表される反応によって生じるから、その改質率や燃料電池１での水素ガスの利用率さらにはファラディー定数などに基づいて算出することができる。
【００４２】
つぎに燃焼部６に供給する燃焼原料の選択条件を決定する（ステップＳ２）。具体的には、▲１▼前記流量調整弁２３の開度Ｖ0 （％）が予め定めた最大値Ｖou以上、▲２▼改質燃料の蒸気温度Ｔe （℃）が予め定めた下限温度Ｔel以下、▲３▼制御フラグＦacがＯＦＦの３条件の論理積（ａｎｄ条件）が成立した場合に、加熱燃料である燃焼メタノールの追加供給をおこなう。すなわちこれらの３条件が成立していれば、未利用可燃性ガス（オフガス水素）を最大限、燃焼部６に供給しているにも関わらず、改質燃料温度が下限値を下回っていて燃焼部６での発熱量が不足していることになる。そこで、燃焼部６に対して未利用可燃性ガスに加えて燃焼メタノールを追加供給して発熱量を増大させる。いわゆる燃焼メタノールによるアシスト制御を実行する。これと同時に、制御フラグＦacをＯＮにする。
【００４３】
これとは反対に、▲１▼燃焼メタノール量を制御するためのインジェクタ９に対する指令値τ（％）が０％以下、▲２▼改質燃料蒸気温度Ｔe （℃）が上限温度Ｔeu以上、▲３▼制御フラグＦacがＯＮの３条件の論理積（ａｎｄ条件）が成立した場合に、アシスト制御を終了する。すなわち、これらの３条件が成立していれば、燃焼メタノールの供給を停止しても燃焼部６での発熱量が改質燃料を加熱するのに必要な熱量を上回っていることになる。したがって燃焼メタノールを未利用可燃性ガス（オフガス水素）に追加して燃焼部６に供給するアシスト制御を中止する。また同時に制御フラグＦacをＯＦＦにする。
【００４４】
このようにして燃焼部６に対する燃焼原料の選択条件を決定して改質燃料の加熱をおこなった場合のタイムチャートを図２に示してある。すなわち流量調整弁２３の開度Ｖ0 を最大値Ｖouに設定した状態で、蒸気温度（改質燃料温度）Ｔe が下限値Ｔel以下になると（ｔ1 時点）、燃焼部６での発熱量が不足していることにより、燃焼メタノールの供給が開始される。すなわちインジェクタ指令値τが所定の値に設定され、また制御フラグＦacがＯＮになる。
【００４５】
その結果、燃焼部６においては未利用可燃性ガス（オフガス水素）と燃焼メタノールとの燃焼が生じ、燃焼原料が増量されたことにより燃焼部６での発熱量が増大する。その場合、蒸気温度に応じてインジェクタ指令値τ、すなわち燃焼メタノール量が制御される。
【００４６】
燃焼部６での発熱量の増大や改質燃料量の減少などによって蒸気温度が次第に上昇すると、それに応じてインジェクタ指令値τ（燃焼メタノール量）が低下させられ、改質燃料蒸気温度が上限温度Ｔeuに達したｔ2 時点では、インジェクタ指令値τが０％に低下する。その状態で改質燃料蒸気温度が上限温度Ｔeu以上であれば、燃焼メタノールの供給すなわちアシスト制御が終了し、制御フラグＦacがＯＦＦになる。
【００４７】
その後、改質燃料蒸気温度Ｔe を目標温度に設定するために、その温度Ｔe に応じてオフガス用の流量調整弁２３の開度が減少させられ、未利用可燃性ガスのみによって改質燃料の加熱がおこなわれる。
【００４８】
なお、燃焼部６での発熱量を変更してから改質燃料の温度の変化するまでの間には応答遅れがあるから、燃焼メタノールの供給およびその停止ならびにオフガス量の変更の制御のハンチングを防止するために、前記上限温度Ｔeuと下限温度Ｔelとの間に所定の温度差（例えば３０℃）を設定することが好ましい。
【００４９】
上記のように改質燃料の加熱は基本的には、未利用可燃性ガスを燃焼させることによっておこなう。そこで燃焼部６で燃焼させることのできる未利用可燃性ガスすなわちオフガス中水素量を算出する（ステップＳ３）。これは、例えば燃料電池１に供給した水素ガス量と、外部に取り出された電力に基づいて算定される水素ガスの使用量とから求めることができる。
【００５０】
未利用可燃性ガス（水素ガス）を燃焼させた場合の単位量当たりの発熱量が知られているから、その熱によって改質燃料を加熱する際の効率を考慮することにより、改質燃料を加熱するために必要なオフガスの量が知られる。そこでステップＳ４では、流量調整弁２３の開度を決定する。上述したアシスト制御が実行されている場合、すなわち制御フラグＦacがＯＮの場合には、流量調整弁２３の開度を上限値Ｖouに固定する。これに対して、アシスト制御がおこなわれていない場合、すなわち制御フラグＦacがＯＦＦの場合には、改質燃料を加熱するために必要なオフガスの量に基づいて決定する。これは、例えば、未利用可燃性ガスの必要量を含有する排ガス量と、バルブ絞り係数、ならびに流量調整弁２３を挟んだ上流側と下流側との圧力差に基づいて決定することができる。
【００５１】
また一方、未利用可燃性ガスのみによっては改質燃料を充分に加熱することができない場合に、燃焼メタノールを燃焼部６に追加供給して燃焼させるので、その燃焼メタノール量を算出する（ステップＳ５）。燃焼メタノールが酸化した場合の発熱量が知られているから、改質燃料の比熱や蒸発潜熱、改質燃料の量、改質燃料に対する熱伝達率ならびに改質燃料の目標温度、さらに制御の遅れに伴う補正量などに基づいてその燃焼メタノール量を決定することができる。なお、この燃焼メタノール量は改質燃料蒸気温度に基づくフィードバック制御によって決定する。
【００５２】
そしてこのようにして求められた燃焼メタノールの量が前記燃焼部６に供給されるようにインジェクタ９に指令信号が出力される（ステップＳ６）。その場合、インジェクタ９の上流側の圧力がほぼ一定圧力（例えば２気圧程度）となるようにポンプ８を制御する。これは、インジェクタ９に対する指令値と吐出量とが一定の関係となるようにするためであり、その結果、インジェクタ９によって供給される燃焼メタノールの量が正確になる。
【００５３】
なお、このような燃焼メタノール量のフィードバック制御は、前記制御フラグＦacがＯＮの状態、すなわち燃焼メタノールによるアシスト制御を実行している場合に限られ、それ以外の場合、すなわち制御フラグＦacがＯＦＦであってアシスト制御が実行されていない場合にはインジェクタ９に対する指令値は０％に固定される。
【００５４】
上述した制御をおこなうこの発明の制御装置によれば、燃料電池１などの改質燃料を使用して他の形態のエネルギーを出力するエネルギー変換器から不可避的に生じる未利用可燃性ガスを使用して改質燃料を加熱し、その加熱熱量が不足する場合に限ってメタノールなどの加熱用の燃料を燃焼させるから、燃料の有効利用を図って熱効率を向上させることができる。また同時に、改質燃料の温度を目標温度に維持することができるので、水蒸気改質反応や部分酸化改質反応を促進して高品質な改質ガスを得ることができ、それに伴い燃料電池１での一酸化炭素による被毒を低減することが可能になる。
【００５５】
ここで、上記の制御をおこなう制御装置と請求項１および請求項２の発明との関係を説明すると、上記のステップＳ２の機能が、請求項１の発明における熱量検出手段および追加燃焼手段に相当する。また、このステップＳ２の機能が請求項２の発明における改質燃料温度検出手段および燃料燃焼停止手段に相当する。
【００５６】
なお、上記の具体例では、改質燃料蒸気温度に基づいて熱量の過不足および追加燃焼の要否を判定するように構成したが、改質燃料を加熱するために必要とする熱量および未利用可燃性ガスを燃焼させて得られる熱量は、共に、改質器２の運転状況に基づいて算定することができるから、加熱熱量の過不足および追加燃焼の要否を、改質燃料蒸気温度によらずに、改質器２の運転状況から演算することができる。したがって上記のステップＳ２をこれらの熱量の算定および算定結果の比較に基づく燃焼原料の選択のステップとすることができる。そして請求項１の発明は、「燃焼部で生じさせた熱によって改質燃料を加熱するとともにその改質燃料を改質反応によってガス化し、得られた改質ガスを他の形態のエネルギーに変換するエネルギー変換器に供給し、かつそのエネルギー変換器で生じた未利用可燃性ガスと加熱燃料との少なくともいずれか一方を前記燃焼部で燃焼させる改質器の制御装置において、ガス化させるべき前記改質燃料の量に基づいて前記燃焼部で発生させる熱量を算定する加熱熱量算定手段と、前記エネルギー変換器で生じた未利用可燃性ガスによって発生させることのできる熱量を算定する回収熱量算定手段と、前記加熱熱量算定手段で算定された熱量に基づく値が前記回収熱量算定手段で算定された熱量に基づく値を越えている場合に前記燃焼部に前記加熱燃料を供給する加熱燃料供給手段とを備えていることを特徴とする改質器の制御装置。」として構成することができる。
【００５７】
ところで、燃焼部６に対して未利用可燃性ガスや燃焼メタノールを供給して燃焼させた場合、その燃焼反応や改質燃料に対する熱伝達あるいは外部への放熱などが全ての箇所で均一に生じるとは限らず、温度のバラツキが不可避的に生じる。温度のバラツキによって局部的に高温になると、その部分で溶損が生じるなどの可能性があるので、これを防止するために、以下に説明する制御を実行する。
【００５８】
図３はその一例を示すフローチャートであって、先ず、ステップＳ１１およびステップＳ１２でオフガス目標流量と燃焼メタノール目標流量とを算出する。これは、上述した図１に示す制御に従って実行され、前記のアシスト制御が実行されている場合には、オフガス流量は流量調整弁２３の開度を上限値Ｖouに設定した量に固定され、またアシスト制御が実行されていない場合には、改質燃料の目標温度およびその量に基づいて算出される。また燃焼メタノールの流量は、アシスト制御が実行されている場合に、改質燃料の温度や改質燃料を目標温度に加熱するために不足する熱量に基づいて算出される。
【００５９】
ついで、アシスト制御の実行・不実行に基づいて、オフガス流量および／または燃焼メタノール流量が補正される（ステップＳ１３，Ｓ１４）。具体的には、アシスト制御を実行していない場合には、排ガス流量の補正をおこない、アシスト制御を実行している場合には、燃焼メタノールの流量の補正をおこなう。
【００６０】
これらの流量補正は、燃焼部６の温度に基づいておこなう。すなわち前述した温度センサ３２によって燃焼部６の各部の温度Ｔb1，Ｔb2，…Ｔbnを検出し、その検出した温度Ｔb1，Ｔb2，…Ｔbnから代表温度Ｔbmを求める。この代表温度Ｔbmは、燃焼部６における最も溶損し易い箇所の温度であってもよく、あるいは検出した温度Ｔb1，Ｔb2，…Ｔbnのうちの最大値であってもよい。その代表温度Ｔbmに応じた補正係数Ｋo ，Ｋm を設定し、ステップＳ１１もしくはステップＳ１２で算定された流量Ｑo ，Ｑm にその補正係数を掛けて各流量を補正する。すなわちオフガス流量については、
Ｑo'＝Ｋo ×Ｑo
燃焼メタノールの流量については、
Ｑm'＝Ｋm ×Ｑm
である。
【００６１】
またその補正係数Ｋo ，Ｋm は、予めマップの形で設定した値を採用することができ、具体的には図４の（Ａ）および（Ｂ）に示す値を採用することができる。すなわち、前記代表温度Ｔbmが、燃焼部６の許容上限温度に対して所定温度低い第１の基準温度Ｔ1 以下では、補正係数Ｋo ，Ｋm が“１”、その第１の基準温度Ｔ1 より高くかつ許容上限温度より低い第２の基準温度Ｔ2 までの範囲では、補正係数Ｋo ，Ｋm が“１”から“０”まで代表温度Ｔbmの増大に応じて減少する値とされ、さらにその第２の基準温度Ｔ2 以上では“０”に設定される。
【００６２】
上述のようにして算出された未利用可燃性ガスを含むオフガス量および燃焼メタノール量に対する燃焼エアー量を算定する（ステップＳ１５）。未利用可燃性ガスおよび燃焼メタノールを完全に燃焼させるために必要とする酸素量は、その酸化反応の式に基づいて知ることができ、また空気中の酸素濃度は既知であり、さらに酸化反応時の温度は予め想定することができるから、未利用可燃性ガス量および燃焼メタノール量から必要とする空気量すなわち空燃比（Ａ／Ｆ）を求めることができる。
【００６３】
以上のようにして排ガス流量および燃焼メタノール流量ならびに燃焼エアー量が求まるので、それぞれに応じた指令値を出力する。すなわちリターン管２２に介装してある流量調整弁２３に対してはオフガス流量を得るための開度指令信号を出力し（ステップＳ１６）、インジェクタ９に対しては燃焼メタノール量を得るように指令信号を出力し（ステップＳ１７）、さらに前記の算出したエアー量となるようにエアーポンプ１０に指令信号を出力する（ステップＳ１８）。
【００６４】
上記の図３に示す制御をおこなった場合の燃焼部６の代表温度の変化を、比較例と共に図５に示す。図５の（Ａ）は比較例であって上記の流量補正をおこなわない場合の例を示しており、改質燃料蒸気温度の低下に伴ってオフガス量Ｑo が増量され、所定の遅れ時間後に燃焼部６の代表温度Ｔbmが許容上限温度を超えてしまう。これに対して図５の（Ｂ）は上記の流量補正をおこなった例であり、改質燃料蒸気温度が低下することによりオフガス量Ｑo を増量するとしても、代表温度Ｔbmが第１の基準温度Ｔ1 以上になると、流量が減じられるので、燃焼部６での発熱量が低下し、その結果、燃焼部６の代表温度Ｔbmが許容上限温度を超えることがない。
【００６５】
したがって上記の制御をおこなう制御装置によれば、燃料電池１の負荷の変動などに伴って改質燃料量が変化し、それに伴って燃焼部６に要求される熱量あるいは燃焼原料の供給量が変化した場合であっても、燃焼部６での局部的な過熱状態を未然に回避でき、燃焼部６の溶損などの異常を防止することができる。
【００６６】
ここで上記の具体例と請求項３の発明との関係を述べると、上記のステップＳ１３，Ｓ１４の機能が請求項３における燃焼部温度検出手段および燃焼原料補正手段に相当する。
【００６７】
この発明の制御装置は、未利用可燃性ガスによって改質燃料を充分加熱することのできる状態、すなわち前述したいわゆるアシスト制御をおこなわない場合には、リターン管２２の途中に設けた流量調整弁２３の開度を調整することによりオフガスの流量を制御する。その場合、改質燃料の目標蒸気温度に基づいて目標燃焼温度を設定し、さらにその目標燃焼温度に基づいてオフガス流量を設定する。また、これと併せて上述のように燃焼部６での許容上限温度に基づいて流量補正をおこなう。これは、未利用可燃性ガスのみを燃焼原料として使用する場合と燃焼メタノールを併用する場合とのいずれにおいても同様である。そこで、この発明では、コントローラを以下のように構成することが好ましい。
【００６８】
図６は、オフガス流量の制御のための構成を示しており、蒸気温度コントローラ４１と、燃焼温度コントローラ４２と、オフガス流量調整弁コントローラ４３とが設けられている。これらのコントローラ４１，４２，４３のそれぞれは、マイクロコンピュータを主体として構成されており、蒸気温度コントローラ４１は目標蒸気温度Ｔerと検出された改質燃料蒸気温度Ｔe とに基づいて、蒸気温度Ｔe が目標温度Ｔerとなるように目標燃焼温度Ｔbrを設定する。ここで、目標蒸気温度Ｔerは、例えば改質部４での活性温度に基づいた温度（例えば３３０℃）である。
【００６９】
また、燃焼温度コントローラ４２は、蒸気温度コントローラ４１から目標燃焼温度Ｔbrが入力される一方、検出された燃焼温度Ｔb が入力され、これらの入力データに基づいて演算をおこなってオフガス流量Ｑo を設定するように構成されている。さらに、オフガス流量調整弁コントローラ４３は、燃焼温度コントローラ４２から入力される排ガス流量に基づいて前記流量調整弁２３の開度を制御するように構成されている。
【００７０】
また、図７は、燃焼メタノールの流量制御のための構成を示しており、蒸気温度コントローラ５１と、燃焼温度コントローラ５２と、インジェクタコントローラ５３とが設けられている。これらのコントローラ５１，５２，５３のそれぞれは、マイクロコンピュータを主体として構成されており、蒸気温度コントローラ５１は目標蒸気温度Ｔerと検出された改質燃料蒸気温度Ｔe とに基づいて、蒸気温度Ｔe が目標温度Ｔerとなるように目標燃焼温度Ｔbrを設定する。ここで、目標蒸気温度Ｔerは、例えば改質部４での触媒活性温度に基づいた温度（例えば３３０℃）である。
【００７１】
また、燃焼温度コントローラ５２は、蒸気温度コントローラ５１から目標燃焼温度Ｔbrが入力される一方、検出された燃焼温度Ｔb が入力され、これらの入力データに基づいて演算をおこなって燃焼メタノール量Ｑbmを設定するように構成されている。さらに、インジェクタコントローラ５３は、燃焼温度コントローラ５２から入力される燃焼メタノール量Ｑbmに基づいて前記インジェクタ９による燃焼メタノールの供給量を制御するように構成されている。なお、上記の各蒸気温度コントローラ４１，５１をそれぞれ共用し、また各燃焼温度コントローラ４２，５２をそれぞれ共用した構成としてもよい。
【００７２】
上記の各蒸気温度コントローラ４１，５１における目標燃焼温度Ｔbrの計算プロセスは共にほぼ同様であり、これを図８に示してある。先ず、目標燃焼温度のノミナル値Ｔbrffを求める（ステップＳ２１）。これは、例えば図９に示すマップから求めることができる。この図９に示すマップは、改質メタノールと水との混合液の量と、これを上述した目標蒸気温度Ｔerに加熱するために必要とする燃焼温度の目標値との関係を定めたものであり、実験に基づき、あるいは熱量計算に基づいて定められている。したがって改質燃料の流量が決まれば、このマップから目標燃焼温度のノミナル値Ｔbrffが定まる。なお、この目標燃焼温度としては燃焼部６の各部位の平均温度あるいは代表温度を採用する。
【００７３】
つぎに目標燃焼温度の補正をおこなう（ステップＳ２２）。すなわち、目標燃焼温度Ｔbrをノミナル値Ｔbrffとなるようにしても、外気温度や改質燃料の温度、流量調整弁２３あるいはインジェクタ９のなどの装置のバラツキが原因となって、蒸気の生成に必要な熱量が不足し、蒸気温度Ｔe が目標蒸気温度Ｔerとならないことがある。ステップＳ２２ではこれを是正するように補正をおこなう。その一例として、補正値Ｔbrfbを
Ｔbrfb＝Kpe（Ｔe −Ｔer）＋ＫieΣ（Ｔe −Ｔer）
で算出する。ここで、KpeおよびＫieは、予め定めた制御パラメータ、Σ（Ｔe −Ｔer）は、改質燃料蒸気の目標値と検出値との偏差の積算値である。また、他の補正例は、
Ｔe −Ｔer＜−εe のとき、Ｔbrfb＝Ｔbrfb＋Δｅ
Ｔe −Ｔer＞εe のとき、Ｔbrfb＝Ｔbrfb−Δｅ
として補正値を求める。ここで、εe ，Δｅは予め定めた制御パラメータである。
【００７４】
つぎに、上記のノミナル値Ｔbrffに補正値Ｔbrfbを加算して目標燃焼温度Ｔbrを求める（ステップＳ２３）。
Ｔbr＝Ｔbrff＋Ｔbrfb
【００７５】
さらに、燃焼部６の溶損を防止するために、上限ガードを設定する（ステップＳ２４）。すなわち
Ｔbr＝min（Ｔbr，ＴbrMAX）
として、算出された値Ｔbrと予め定めた上限値ＴbrMAXとのうちの小さい値を採用する。上記温度コントローラ４１，５１ではこれらステップＳ２１ないしステップＳ２４の制御を実行して目標燃焼温度Ｔbrを設定する。
【００７６】
また一方、各燃焼温度コントローラ４２，５２におけるオフガス流量もしくは燃焼メタノール量の計算プロセスは共にほぼ同様であり、これを図１０に示してある。先ず、未利用可燃性ガスを含む排ガスあるいは燃焼メタノールの目標量（以下、これらを燃焼原料目標量と記す）を求める（ステップＳ３１）。これは、例えば図１１に示すマップから求めることができる。この図１１に示すマップは、目標燃焼温度と改質メタノールおよび水の混合液の量とから燃焼原料流量を求める三次元マップであり、実験に基づき、あるいは熱量計算に基づいて定められている。したがって目標燃焼温度Ｔbrが図８に示すルーチンに従って算出され、また改質燃料量が燃料電池１の負荷に基づいて算出されているから、図１１に示すマップから燃焼原料流量のノミナル値Ｑbmff（Ｑoff）が求められる。
【００７７】
このノミナル値Ｑbmff（Ｑoff）に対して補正値Ｑbmfb（Ｑofb）を求め（ステップＳ３２）、またその補正値Ｑbmfb（Ｑofb）による補正をおこなう（ステップＳ３３）。これらステップＳ３２およびステップＳ３３は、図８に示すステップＳ２２およびステップＳ２３に対応するステップであり、その補正値の算出および補正は、ステップＳ２２およびステップＳ２３の説明で述べたのと同様にしておこなうことができる。すなわち補正値は、一例として
Ｑbmfb（Ｑofb）＝Kpb（Ｔb −Ｔbr）＋ＫibΣ（Ｔb −Ｔbr）
で算出する。ここで、KpbおよびＫibは、予め定めた制御パラメータ、Σ（Ｔb −Ｔbr）は、燃焼温度の目標値と検出値との偏差の積算値である。また、他の補正例は、
Ｔb −Ｔbr＜−εb のとき、Ｑbmfb（Ｑofb）＝Ｑbmfb（Ｑofb）＋Δｂ
Ｔb −Ｔbr＞εb のとき、Ｑbmfb（Ｑofb）＝Ｑbmfb（Ｑofb）−Δｂ
として補正値を求める。ここで、εb ，Δｂは予め定めた制御パラメータである。
【００７８】
つぎに、上記のノミナル値Ｑbmff（Ｑoff）に補正値Ｑbmfb（Ｑofb）を加算して目標燃焼原料量Ｑbm，Ｑo を求める（ステップＳ３３）。
Ｑbm（Ｑo）＝Ｑbmff（Ｑoff）＋Ｑbmfb（Ｑofb）
【００７９】
そしてこのようにして求められた燃焼原料流量となるように流量調整弁２３の開度あるいはインジェクタ９の噴射量を制御する（ステップＳ３４）。これは、例えば燃焼原料の流量と指令値との関係を流量調整弁２３やインジェクタ９について実験的に求めて図１２に示すようにマップ化しておき、そのマップから求めることができる。
【００８０】
したがって上記のように燃焼温度コントローラ４２，５２を独立して設け、その燃焼温度コントローラ４２，５２によって燃焼部６における上限温度を考慮した燃焼原料の流量制御を実行するので、燃焼温度が過剰に高くなったり、それに伴って燃焼部６の溶損が生じたりすることを確実に防止することができる。またこの燃焼温度コントローラ４２，５２による燃焼原料の流量制御は、蒸気温度コントローラ４１，５１による目標燃焼温度に基づいているので、改質燃料の蒸気温度が適正に制御されて改質効率が良好になるとともに、改質部４における触媒の劣化を防止することができる。
【００８１】
ここで、この図６ないし図１２に示す具体例と請求項４の発明との関係とを説明すると、図６および図７に示す蒸気温度コントローラ４１，５１が請求項４における目標燃焼温度設定手段に相当し、また燃焼温度コントローラ４２，５２が燃焼原料量設定手段に相当する。
【００８２】
ところで、燃焼部６に供給される空気は特には予熱されていないから、燃焼部６に対して冷却剤として機能する。また燃焼部６に導入された空気は、燃焼によって温度が上昇し、その状態で排気側に流動することにより排気側に熱を運ぶことになる。そのため、空気の導入の仕方によって燃焼部６での温度分布が変化するので、空気を燃焼部６の温度分布の制御に使用することができる。以下、その例について説明する。
【００８３】
燃焼部６で発生させた熱によって改質燃料を加熱する場合、前述したように、改質燃料量やその目標蒸気温度などに基づいて、未利用可燃性ガスを含む排ガスの流量や燃焼メタノールの量、その燃焼に必要なエアー量を求め、それらの流量を実現するために、流量調整弁２３やインジェクタ９あるいはエアーポンプ１０に所定の指令値を出力する。図１３に示す制御例では、これに加えて、検出された燃焼部の温度に基づいて流量を補正するように構成されている。
【００８４】
これを具体的に説明すると、オフガスの目標流量の計算（ステップＳ４１）および燃焼メタノールの目標流量計算（ステップＳ４２）ならびにエアー流量の計算（ステップＳ４３）を、図３を参照して説明したのと同様にしておこなう。ついで、そのエアー流量を補正する（ステップＳ４４）。
【００８５】
このステップＳ４４のサブルーチンを図１４に示してある。先ず、燃焼部６における目標温度勾配Ａr を求める（ステップＳ４４−１）。すなわち、燃焼部６における長手方向（エアーおよび燃焼原料の流入側から排気側に向けた方向）に対する目標燃焼温度分布を、改質燃料の流量ごとに実験的にもしくは熱量計算に基づいて求め、その温度分布を直線近似するとともに、その傾きを目標温度勾配Ａr とする。このようにして設定した温度分布のマップの一例を図１５に示してある。
【００８６】
一方、前述した温度センサ３２によって検出された燃焼部６の各部位の温度Ｔb1，Ｔb2，…Ｔbnについて直線近似をおこなうことにより、その温度分布の勾配Ａを求める（ステップＳ４４−２）。その直線近似は例えば最小自乗法などによっておこなえばよい。
【００８７】
このようにして求めた温度勾配Ａと前記の目標温度勾配Ａr とに基づいてエアー量の補正値Ｑafb を求める（ステップＳ４４−３）。その一例を示すと、
▲１▼ Ａ−Ａr ＞εの場合、Ｑafb ＝max（Ｑafb −Δ，ＱafbMIN）
▲２▼ Ａ−Ａr ＜−εの場合、Ｑafb ＝min（Ｑafb ＋Δ，ＱafbMax）
とする。ここで、εおよびΔは、制御パラメータである。
【００８８】
すなわち▲１▼の場合は、排気側（下流側）の温度が高い場合であり、この場合、所定の値Δを減じた値と補正最小値ＱafbMINとのうちの大きい方を補正値Ｑafb として採用する。また▲２▼の場合は、排気側（下流側）の温度が低い場合であり、この場合は、所定の値Δを加えた値と補正最大値ＱafbMAXとのうちの小さい方を補正値Ｑafb として採用する。そしてステップＳ４３で求められているエアー量Ｑa に補正値Ｑafb を加算してエアー量の補正をおこなう（ステップＳ４４−４）。
【００８９】
ついで、排ガス量および燃焼メタノール量ならびにエアー量が、上記のようにして算出した量となるように流量調整弁２３、インジェクタ９、エアーポンプ１０に対して指令信号を出力する（ステップＳ４５，Ｓ４６，Ｓ４７）。
【００９０】
このように制御することにより、エアーの流入側の温度が高い場合には、エアー供給量が増大させられてその冷却作用によって流入側の温度が低下させられ、かつ排気側の温度が上昇させられる。また反対の場合には、エアーの流入量が低下するために、流入側の温度が高くなり、かつ排気側の温度が低下し、その結果、温度分布が目標とする分布に是正される。すなわち燃焼部６に局部的な高温箇所が生じることが防止されて、燃焼部６の溶損などの不都合を未然に回避することができる。
【００９２】
以上、この発明を具体例を参照して説明したが、この発明は、上述した各例に限定されないのであって、改質器に供給される燃料はメタノールと水との混合液に限定されず、他の炭化水素を用いたものであってもよい。また、改質ガスの供給部は、燃料電池に限定されず、他の用途に改質ガスを使用してもよい。さらに、燃焼部や熱交換器は、図に示す構造に限定されず、必要に応じて適宜の構造のものを使用してよい。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明によれば、燃焼部で発生させる必要のある熱量が、未利用可燃性ガスの燃焼によって得られる熱量を超えている場合に、加熱燃料が燃焼部に供給されるので、加熱燃料は、未利用可燃性ガスによる熱量では不足する場合に限って使用されることになり、その結果、改質燃料の加熱には未利用可燃性ガスが最大限使用されるので、加熱燃料の使用量が少なくなり、全体としてのエネルギー効率を向上させることができる。
【００９４】
また、請求項２の発明によれば、改質燃料の温度が必要以上に高くなる場合には、加熱燃料の燃焼部への供給が停止されるので、加熱燃料を不必要に燃焼させることによるエネルギー効率の低下や改質燃料の温度が必要以上に高くなることによる改質反応効率の低下を防止することができる。
【００９５】
さらに、請求項３の発明によれば、燃焼部の温度が所定値以上に高くなった場合、燃焼部で燃焼する原料の量を少なくして燃焼部での発熱量を低下させるので、燃焼部の異常な温度上昇やそれに伴う損傷を未然に防止することができる。
【００９６】
請求項４の発明によれば、燃焼部に供給される燃焼原料の量が目標燃焼温度に基づいて設定されるので、燃焼部での異常な高温状態が防止され、燃焼部の損傷を未然に回避でき、また、その目標燃焼温度が改質燃料の目標温度に基づいて設定されているので、改質燃料温度が適正化されて改質反応を効率よく生じさせ、さらには高品質な改質ガスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 請求項１の発明による制御装置で実行される制御例を説明するためのフローチャートである。
【図２】 図１に示す制御を実行した場合の各制御量の変化を示すタイムチャートである。
【図３】 請求項３の発明による制御装置で実行される制御例を説明するためのフローチャートである。
【図４】 その排ガスあるいは燃焼メタノールの補正係数を示すマップである。
【図５】 図４に示す制御を実行した場合と実行しない場合との燃焼部の代表温度の変化を示す線図である。
【図６】 排ガスの流量制御系におけるコントローラの構成の一例を示すブロック図である。
【図７】 燃焼メタノールの流量制御系におけるコントローラの構成の一例を示すブロック図である。
【図８】 その蒸気温度コントローラで実行される制御の一例を説明するためのフローチャートである。
【図９】 燃焼温度目標値を求めるマップの一例を示す図である。
【図１０】 燃焼温度コントローラで実行される制御の一例を説明するためのフローチャートである。
【図１１】 燃焼原料流量を求めるためのマップの一例を示す図である。
【図１２】 算定された燃焼原料量を得るための指令値を求めるマップの一例を示す図である。
【図１３】 この発明による制御装置で実行される制御の参考例を説明するためのフローチャートである。
【図１４】 エアー流量を補正するためのサブルーチンを説明するためのフローチャートである。
【図１５】 燃焼部での目標温度勾配のマップの一例を示す図である。
【図１６】 改質器を燃料電池に接続したシステムの全体的な構成を模式的に示す図である。
【図１７】 その加熱部の構造および制御系統を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１…燃料電池、 ２…改質器、 ３…加熱部、 ４…改質部、 ６…燃焼部、７…蒸発部、 ９…インジェクタ、 １０…エアーポンプ、 ２２…リターン管、 ２３…流量調整弁、 ２４…燃焼室、 ３２…温度センサ、 ３６…電子制御装置、 ４１，５１…蒸気温度コントローラ、 ４２，５２…燃焼温度コントローラ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、メチルアルコールなどの炭化水素および水などからなる改質燃料を水素リッチなガスなどの所望の燃料に改質する改質器に関し、特にその改質燃料を加熱昇温するための燃焼を制御する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の改質器の一例として、メチルアルコール（メタノール）と水とを原料として水素ガスを主体とする改質ガスを生成する改質器が知られている。この改質器は、銅合金などを触媒としており、その触媒の活性温度が一例として２８０℃程度であって、それより温度が低い場合には、メタノールが充分に改質されずに改質ガスに残留するメタノールの量が多くなる。また、メタノールの改質反応は、吸熱反応であるから、前記の触媒の温度を維持すると同時に、改質反応を促進するために、外部から熱を供給している。
【０００３】
その加熱の方法は、バーナなどで加熱する以外に、酸化反応によって発熱させ、その熱を改質部に伝達する方法が知られている。後者の方法は、いわゆる部分酸化反応による方法であり、例えばメタノール蒸気に空気を混合し、これを触媒の下で酸化させて水素を発生させ、その際の熱を利用するものである。したがってこの部分酸化反応を利用すれば、改質反応に伴う熱を部分酸化反応によって補い、吸熱量と発熱量とをバランスさせることにより、外部からの加熱を不要にすることもできる。しかしながらこれは、改質部での熱収支がバランスして改質および酸化による温度変化がないことをもたらすのみであり、改質部の温度を目的温度に設定する用をなすものではない。
【０００４】
すなわち改質部の温度を、改質反応あるいは触媒の活性に好適な温度に設定するためには、外部からの加熱が必要である。そのため、この種の改質器では、燃焼部で発生させた熱によってメタノールと水との混合液を、所定温度の蒸気とし、これを改質部に供給している。
【０００５】
上記の改質器を、例えば燃料電池における燃料ガスを生成するための手段として使用した場合、燃料電池の負荷の変動に応じて改質器での反応を制御する必要がある。すなわち負荷の増大に伴って改質ガスの生成量を増大させ、また負荷が低下した場合には改質ガスの生成量を減少させる必要がある。改質ガスの発生量を増減するためには、改質部に供給する原料すなわちメタノールと水との混合蒸気を増減することになるが、そのためには、当然、目的とする温度のメタノールおよび水の混合蒸気を発生させるのに要する加熱熱量を増減させる必要がある。
【０００６】
メタノールと水との混合蒸気を発生させるのに要する熱量は、メタノールなどの加熱用の燃料の量を増減することにより制御することができる。しかしながらメタノールと水との混合液を加熱するために従来採用されているバーナや酸化触媒による発熱手段などは、その発熱応答性が低いので、負荷変動に的確に対応した加熱制御をおこなうことが困難であった。すなわち急激な負荷の増大があった場合には、加熱するべきメタノールと水との量に対して発熱量が不足し、その結果、蒸気温度や触媒温度が低下して改質反応が低調になり、改質ガス中の残留メタノール量が増大するなど、燃料電池の性能が低下する。また反対に負荷が急激に低下した場合には、加熱熱量の低下の遅れにより、蒸気温度や触媒温度が過度に上昇し、その結果、触媒の活性が低下するなどの不都合が生じる。
【０００７】
このような不都合を解消するために、特公平７−１０５２４０号公報に記載された発明では、水蒸気比を制御することにより、負荷変動に応じた温度制御をおこなうようにしている。すなわち、改質燃料として混合されている水の量を減少させれば、その加熱および蒸発に要する熱量が低下して改質燃料であるメタノールと水との混合蒸気の温度が高くなり、これとは反対に水の量を多くすれば、その昇温および蒸発に要する熱量が増大するので、改質燃料であるメタノールと水との混合蒸気の温度が低くなる。またこの公報に記載された発明では、改質燃料を加熱するための燃料の一部に、残存水素を含む使用済み燃料ガスを使用しており、その残存水素をバーナで燃焼させることにより改質燃料を加熱している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の公報に記載された温度制御の方法は、水の量を変化させてその水の加熱・蒸発により消費もしくは吸収する熱量を変化させ、これにより温度を制御する方法である。したがって燃焼させる燃料の量を変更して発熱量を制御する方法に比較して温度制御の応答性が高くなる。
【０００９】
しかしながら、上記の公報に記載された方法は、燃料の燃焼による発熱量が一定であることを前提とし、その発熱量の一部を水の加熱・蒸発のために消費させる方法であるから、例えば燃料電池での負荷が少ないことにより改質ガス量を低下させる場合であっても、燃焼による発熱量を、理論上決まる熱量以上に維持することになる。その結果、改質燃料の改質に実際に必要な熱量以上の熱量を発生させるように燃焼をおこなうことになるので、燃料を不必要に消費し、燃費が悪化する不都合がある。
【００１０】
また上記の公報に記載された方法では、残存水素をバーナで燃焼させて改質燃料を加熱するとしても、その熱量を制御していない。そして上記のように水蒸気比によって温度を制御するのであるから、残存水素を含む加熱燃料の消費量は、改質燃料の加熱に要する量より多くする必要があり、したがってこの点でも残存水素を過剰に燃焼させることになり、燃料の有効利用の点では改善すべき余地があった。
【００１１】
この発明は、上記の事情を背景にしてなされたものであり、改質燃料を加熱するための燃焼部での燃焼を適正に制御して改質効率を向上させることのできる制御装置を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段およびその作用】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、燃焼部で生じさせた熱によって改質燃料を蒸発部で加熱するとともにその加熱された改質燃料を改質部における改質反応によってガス化し、得られた改質ガスを他の形態のエネルギーに変換するエネルギー変換器に供給し、かつそのエネルギー変換器で生じた未利用可燃性ガスと加熱燃料との少なくともいずれか一方を前記燃焼部で燃焼させる改質器の制御装置において、ガス化させるべき前記改質燃料の量に基づいて前記燃焼部で発生させる熱量を算定する加熱熱量算定手段と、前記エネルギー変換器で生じた未利用可燃性ガスによって発生させることのできる熱量を算定する回収熱量算定手段と、前記加熱熱量算定手段で算定された熱量に基づく値が前記回収熱量算定手段で算定された熱量に基づく値を超えている場合に前記燃焼部に前記加熱燃料を供給する加熱燃料供給手段とを備えていることを特徴とするものである。
【００１３】
したがって請求項１の発明においては、燃焼部で発生させる必要のある熱量が、未利用可燃性ガスの燃焼によって得られる熱量を超えている場合に、加熱燃料が燃焼部に供給される。したがって加熱燃料は、未利用可燃性ガスによる熱量では不足する場合に限って使用されることにより、改質燃料の加熱には未利用可燃性ガスが最大限使用されるので、加熱燃料の使用量が少なくなり、全体としてのエネルギー効率が高くなる。
【００１４】
また、請求項２の発明は、請求項１の構成に加えて、前記燃焼部で生じた熱によって加熱された改質燃料の温度を検出する改質燃料温度検出手段と、検出された改質燃料の温度が予め定めた所定温度以上の場合に、前記燃焼部に対する加熱燃料の供給を停止する加熱燃料停止手段とを更に備えていることを特徴とするものである。
【００１５】
したがって請求項２の発明においては、改質燃料の温度が必要以上に高くなる場合には、加熱燃料の燃焼部への供給が停止される。その結果、加熱燃料を不必要に燃焼させることによるエネルギー効率の低下や改質燃料の温度が必要以上に高くなることによる改質反応効率の低下が防止される。
【００１６】
請求項３の発明は、燃焼部で生じさせた熱によって改質燃料を蒸発部で加熱するとともにその加熱された改質燃料を改質部における改質反応によってガス化する改質器の制御装置において、前記燃焼部の温度を検出する燃焼部温度検出手段と、検出された燃焼部の温度および前記ガス化させるべき前記改質燃料の量に基づいて前記燃焼部に供給する燃焼原料の量を減少するように補正する燃焼原料補正手段とを備えていることを特徴とするものである。
【００１７】
したがって請求項３の発明においては、燃焼部の温度が所定値以上に高くなった場合、燃焼部で燃焼する原料の量が少なくなるので、燃焼部での発熱量が低下する。そのため、燃焼部の異常な温度上昇やそれに伴う損傷が未然に防止される。
【００１８】
さらに、請求項４の発明は、燃焼部で生じさせた熱によって改質燃料を蒸発部で加熱するとともにその加熱された改質燃料を改質部における改質反応によってガス化する改質器の制御装置において、前記ガス化させるべき前記改質燃料の量およびその改質燃料に混合される水の量ならびに改質燃料の目標温度に基づいて前記燃焼部での目標燃焼温度を設定する目標燃焼温度設定手段と、その目標燃焼温度設定手段で設定された目標燃焼温度に基づいて前記燃焼部が燃焼させる燃焼原料の量を設定する燃焼原料量設定手段とを備えていることを特徴とするものである。
【００１９】
したがって請求項４の発明においては、燃焼部に供給される燃焼原料の量が目標燃焼温度に基づいて設定されるので、燃焼部での異常な高温状態が防止され、燃焼部の損傷が回避される。また、その目標燃焼温度が改質燃料の目標温度に基づいて設定されているので、改質燃料温度が適正化されて改質反応を効率よく生じる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
つぎにこの発明を図に示す具体例に基づいて説明する。先ず、改質器としてメタノールおよび水を改質燃料とした改質器を使用し、かつその改質器から生じた改質ガスを他の形態のエネルギーに変換するエネルギー変換器として燃料電池を使用したシステムについて説明する。図１６はその一例を模式的に示しており、燃料電池１の燃料極（水素極）側に、改質器２が接続されている。この改質器２は、改質燃料であるメタノールと水との混合物を水素と二酸化炭素とに改質するものであって、改質燃料を加熱する加熱部３と、改質部４と、ＣＯ酸化部５とを備えている。
【００２３】
加熱部３は、改質燃料を加熱してメタノールと水との混合蒸気を生じさせるためのものであり、加熱のための熱を発生させる燃焼部６とその熱によって改質燃料を蒸発させる蒸発部７とによって構成されている。その燃焼部６としては、燃焼原料をバーナによって燃焼させる構造のものや燃焼原料を触媒によって酸化させる構成のものなどを採用することができる。したがってこの燃焼部６には、加熱燃料の一例であるメタノールを供給するポンプ８がインジェクタ９を介して接続され、また支燃ガスの一例である空気を供給するエアー供給部１０が設けられている。このエアー供給部１０は具体的には、エアーポンプによって構成されている。
【００２４】
また、蒸発部７には、メタノールと水との混合液を供給する改質燃料供給部としてポンプ１１が接続されている。そしてこの蒸発部７と前記燃焼部６とは、熱交換器１２によって熱伝達可能に連結されている。なお、この加熱部３の更に具体的な構成については後述する。
【００２５】
前記改質部４は、主としてメタノールと水との改質反応によって水素リッチなガスを発生させるように構成されている。具体的には、活性温度が２８０℃程度の銅系の触媒を用いて、
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋３Ｈ２ …（１）
の改質反応によって水素ガスを主体とする改質ガスを生成するようになっている。またこの改質部４は、メタノールの部分酸化反応によって水素ガスおよび熱を生じさせるようになっており、そのためにエアー供給部１３から空気が供給されている。すなわち上記の（１）式で示される改質反応が吸熱反応であり、これに対してメタノールの部分酸化反応である下記の（２）式の反応が発熱反応であるから、これらの吸熱量と発熱量とをバランスさせることにより、改質部４の温度をほぼ一定に維持させるようになっている。
【００２６】
ＣＨ３ＯＨ＋１／２Ｏ２→２Ｈ２ ＋ＣＯ２ …（２）
【００２７】
上記の（１）式で示す改質反応および（２）式で示す部分酸化反応は理想状態の反応であり、また二酸化炭素は可逆的に一酸化炭素に変化するので、実際には、不可避的に一酸化炭素ガスが改質ガスに混入する。この一酸化炭素は、燃料電池１における燃料極の触媒を被毒する原因となるので、これを除去するためにＣＯ酸化部５が設けられている。このＣＯ酸化部５は、ＣＯ酸化触媒（図示せず）を備えるとともに、エアー供給部１４を備えており、改質部４で生成させた改質ガスを通過させることにより、改質ガスに含まれる一酸化炭素を空気中の酸素によって酸化させるように構成されている。
【００２８】
一方、燃料電池１は、一例として、プロトン透過性のある高分子膜を電解質とし、その電解質膜を挟んで燃料極（水素極）１５と空気極（酸素極）１６とを設け、このような構成の単電池を多数直並列に接続して構成されている。各電極１５，１６は、拡散層と反応層とによって構成され、燃料極１５における反応層は、例えば炭素に白金やその合金あるいはルテニウムなどの触媒を担持させた多孔質構造とされている。そしてこの燃料極１５に前記改質器２が連通され、ここに水素ガスを主体とする改質ガスが供給されるようになっている。また空気極１６には、ポンプなどのエアー供給部１７が接続され、改質ガス中の水素と反応させるための酸素を供給するようになっている。
【００２９】
なお、各電極１５，１６には、外部負荷としてバッテリー１８やインバータ１９が閉回路を構成するように接続されている。またこの閉回路には、電流センサ２０が介装されている。さらにインバータ１９には、モータ２１が接続されている。このモータ２１は、例えば車両の走行のための動力源とされる。
【００３０】
上記の燃料極１５で生じる水素のイオン化および電解質膜を介した酸化反応は、燃料電池１に供給した水素ガスの全てについて生じる訳ではなく、その反応効率は、数十％であり、したがって燃料極１５側から生じる排ガス（以下、オフガスと記す場合がある。）には未利用の可燃性ガスすなわち水素ガスが含まれている。これを有効利用するために、燃料極１５側の排ガスを前記燃焼部６に戻すためにリターン管２２が、燃料電池１と燃焼部６とを連通した状態に配置されている。またこのリターン管２２の中間部には、その内部を流動するガスの流量を制御するための流量調整弁２３が設けられている。なお、この流量調整弁２３はその開度を電気的に制御するように構成されている。さらに、このリターン管２２は、その内部を流動するガスを、燃焼部６に供給せずに適宜に外部に排出できるように構成されている。
【００３１】
図１７に上記の加熱部３の更に具体的な構成が制御系統と併せて示されている。燃焼部６は、加熱燃料としてのメタノール（以下、燃焼メタノールと記す）および／または未利用水素ガスと空気とを一定方向に流通させる間に、これらの燃焼原料を酸化させる燃焼室２４を備えており、その燃焼室２４の流入側にインジェクタ９が配置され、このインジェクタ９から燃焼メタノールを燃焼室２４内に噴霧するようになっている。また燃焼室２４の流入側で燃焼メタノールの噴霧位置の近傍に開口するエアー供給口２５が形成されており、このエアー供給口２５にエアーポンプ１０が接続されている。
【００３２】
さらに前記燃焼室２４のうち前記インジェクタ９の近傍に、リターン管２２が開口して接続されている。そしてこのリターン管２２に介装してある流量調整弁２３を挟んだ両側に、圧力センサ２６，２７が配置され、流量調整弁２３の上流側の圧力と下流側の圧力とを検出するようになっている。
【００３３】
燃焼室２４の内部に熱交換器１２が配置されている。この熱交換器１２は、燃焼室２４を横断するように気密状態に貫通した複数の蒸発管２８を有しており、これらの蒸発管２８の一方の端部が、給液管２９に連通され、また他方の端部が蒸気管３０に連通されている。さらに各蒸発管２８の外周面のうち前記燃焼室２４の内部に位置する部分には、酸化触媒３１が取り付けられている。したがって燃焼室２４の内部に供給された燃焼メタノールや排ガス中の未利用水素ガスがこれらの触媒３１において空気中の酸素により酸化し、発熱するようになっている。そしてこの燃焼による温度を検出するためにの温度センサ３２が各触媒３１もしくは蒸発管２８に取り付けられている。したがってこれらの温度センサ３２は、支燃ガスである空気の流入側から排気側に向けて配列されている。
【００３４】
前記燃焼室２４の下流側には排気管３３が接続されており、その排気管３３の燃焼室２４側の端部に空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）３４が配置されている。このＡ／Ｆセンサ３４は排気中の酸素濃度に応じた電気信号を出力するように構成されたセンサである。したがって加熱部３に供給された燃焼メタノールあるいは未利用水素ガスと酸素との比率（Ａ／Ｆ）を検出することができる。
【００３５】
前記給液管２９は改質燃料であるメタノールと水との混合液を蒸発管２８に供給するためのものであって、改質燃料供給部を構成する給液ポンプ１１に接続されている。これに対して蒸気管３０は、蒸発管２８で生じたメタノールと水との混合蒸気を改質部４に供給するための管路を構成しており、その内部には蒸気温度を検出するための蒸気温度センサ３５が配置されている。
【００３６】
前記各ポンプ８，１０，１１は電気的に制御されてその吐出量を適宜に調整するように構成されており、その制御のために電子制御装置（ＥＣＵ）３６が設けられている。この電子制御装置３６は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）と記憶装置（ＲＡＭ、ＲＯＭ）と入出力インターフェースとを主体とするいわゆるマイクロコンピュータからなるものであり、制御データとして前記各センサ２６，２７，３２，３４，３５による検出信号が入力されている。さらに燃料電池１の負荷を検出するための電流センサ２０の検出信号が電子制御装置３６に入力されている。なお、前記流量調整弁２３の開度をこの電子制御装置３６によって制御するようになっている。
【００３７】
上述した改質器２の基本的な動作について説明すると、改質燃料であるメタノールと水との混合液が、給液ポンプ１１により給液管２９を介して蒸発管２８に供給される。これに対して燃焼室２４には、燃焼メタノールがインジェクタ９によって噴霧され、あるいはこれと同時にもしくはこれに替えて未利用水素ガスを含むオフガスがリターン管２２から供給される。また支燃ガスとして空気がエアーポンプ１０によって供給される。この燃焼メタノールおよび／または未利用水素ガスと空気とが酸化触媒３１において酸化反応し、すなわち燃焼し、熱を発生する。その熱によって蒸発管２８が加熱され、その内部の混合液が蒸発し、メタノールと水との混合蒸気が生じる。また、燃焼によって生じた排ガスは排気管３３を介して外部に送り出される。
【００３８】
蒸発管２８で生じた混合蒸気は、蒸気管３０を介して改質部４に送られる。この改質部４に設けられた銅系触媒によってメタノールと水との改質反応が生じ、水素ガスおよび二酸化炭素ガスを主成分とする改質ガスが生じる。またこれと同時に、エアー供給部１３から改質部４に供給された空気とメタノールとの部分酸化反応が生じる。この部分酸化反応は上述した（２）式で表され、その結果、水素ガスと二酸化炭素ガスとが生じる。メタノールの改質反応は吸熱反応であり、これに対してメタノールの部分酸化反応は発熱反応であるから、これらの反応における吸熱量と発熱量とが等しくなるように反応を制御することにより、改質部４での熱収支をバランスさせ、改質部４の温度がほぼ一定に維持される。したがって改質部４での熱の出入りがないので、前記燃焼部６で生じさせた熱は、専ら改質燃料の加熱・蒸発に使用される。
【００３９】
改質部４で生じるガスは、原理的には、水素ガスと二酸化炭素ガスであるが、実際には一酸化炭素ガスがわずか（１％程度）生じる。この一酸化炭素ガスの大半は、改質ガスがＣＯ酸化部５を通過する際にエアー供給部１４から供給される空気中の酸素と反応して二酸化炭素となる。こうして水素リッチなガスとされた改質ガスが燃料電池１における燃料極１５に送られ、その反応層で水素イオンと電子とを生じるとともに、その水素イオンが電解質膜を透過して空気極１６側で酸素と反応し、水を生じる。また電子は外部負荷を通って動力を生じさせる。
【００４０】
以上のようにして改質器２で生じさせる改質ガスの量は、燃料電池１での負荷に応じた量に制御され、したがって加熱部３で生じさせるメタノールと水との混合蒸気の量も燃料電池１での負荷に応じた量に制御される。この発明に係る制御装置は、この燃料電池１での負荷に応じた改質燃料を加熱・蒸発させるために、燃焼部６での燃焼を以下のように制御する。
【００４１】
図１はその制御例を説明するためのフローチャートであって、先ず、改質燃料（メタノールと水との混合液）の量を算出する（ステップＳ１）。燃料電池１で使用される水素ガスは、上記の（１）式および（２）式で表される反応によって生じるから、その改質率や燃料電池１での水素ガスの利用率さらにはファラディー定数などに基づいて算出することができる。
【００４２】
つぎに燃焼部６に供給する燃焼原料の選択条件を決定する（ステップＳ２）。具体的には、▲１▼前記流量調整弁２３の開度Ｖ0 （％）が予め定めた最大値Ｖou以上、▲２▼改質燃料の蒸気温度Ｔe （℃）が予め定めた下限温度Ｔel以下、▲３▼制御フラグＦacがＯＦＦの３条件の論理積（ａｎｄ条件）が成立した場合に、加熱燃料である燃焼メタノールの追加供給をおこなう。すなわちこれらの３条件が成立していれば、未利用可燃性ガス（オフガス水素）を最大限、燃焼部６に供給しているにも関わらず、改質燃料温度が下限値を下回っていて燃焼部６での発熱量が不足していることになる。そこで、燃焼部６に対して未利用可燃性ガスに加えて燃焼メタノールを追加供給して発熱量を増大させる。いわゆる燃焼メタノールによるアシスト制御を実行する。これと同時に、制御フラグＦacをＯＮにする。
【００４３】
これとは反対に、▲１▼燃焼メタノール量を制御するためのインジェクタ９に対する指令値τ（％）が０％以下、▲２▼改質燃料蒸気温度Ｔe （℃）が上限温度Ｔeu以上、▲３▼制御フラグＦacがＯＮの３条件の論理積（ａｎｄ条件）が成立した場合に、アシスト制御を終了する。すなわち、これらの３条件が成立していれば、燃焼メタノールの供給を停止しても燃焼部６での発熱量が改質燃料を加熱するのに必要な熱量を上回っていることになる。したがって燃焼メタノールを未利用可燃性ガス（オフガス水素）に追加して燃焼部６に供給するアシスト制御を中止する。また同時に制御フラグＦacをＯＦＦにする。
【００４４】
このようにして燃焼部６に対する燃焼原料の選択条件を決定して改質燃料の加熱をおこなった場合のタイムチャートを図２に示してある。すなわち流量調整弁２３の開度Ｖ0 を最大値Ｖouに設定した状態で、蒸気温度（改質燃料温度）Ｔe が下限値Ｔel以下になると（ｔ1 時点）、燃焼部６での発熱量が不足していることにより、燃焼メタノールの供給が開始される。すなわちインジェクタ指令値τが所定の値に設定され、また制御フラグＦacがＯＮになる。
【００４５】
その結果、燃焼部６においては未利用可燃性ガス（オフガス水素）と燃焼メタノールとの燃焼が生じ、燃焼原料が増量されたことにより燃焼部６での発熱量が増大する。その場合、蒸気温度に応じてインジェクタ指令値τ、すなわち燃焼メタノール量が制御される。
【００４６】
燃焼部６での発熱量の増大や改質燃料量の減少などによって蒸気温度が次第に上昇すると、それに応じてインジェクタ指令値τ（燃焼メタノール量）が低下させられ、改質燃料蒸気温度が上限温度Ｔeuに達したｔ2 時点では、インジェクタ指令値τが０％に低下する。その状態で改質燃料蒸気温度が上限温度Ｔeu以上であれば、燃焼メタノールの供給すなわちアシスト制御が終了し、制御フラグＦacがＯＦＦになる。
【００４７】
その後、改質燃料蒸気温度Ｔe を目標温度に設定するために、その温度Ｔe に応じてオフガス用の流量調整弁２３の開度が減少させられ、未利用可燃性ガスのみによって改質燃料の加熱がおこなわれる。
【００４８】
なお、燃焼部６での発熱量を変更してから改質燃料の温度の変化するまでの間には応答遅れがあるから、燃焼メタノールの供給およびその停止ならびにオフガス量の変更の制御のハンチングを防止するために、前記上限温度Ｔeuと下限温度Ｔelとの間に所定の温度差（例えば３０℃）を設定することが好ましい。
【００４９】
上記のように改質燃料の加熱は基本的には、未利用可燃性ガスを燃焼させることによっておこなう。そこで燃焼部６で燃焼させることのできる未利用可燃性ガスすなわちオフガス中水素量を算出する（ステップＳ３）。これは、例えば燃料電池１に供給した水素ガス量と、外部に取り出された電力に基づいて算定される水素ガスの使用量とから求めることができる。
【００５０】
未利用可燃性ガス（水素ガス）を燃焼させた場合の単位量当たりの発熱量が知られているから、その熱によって改質燃料を加熱する際の効率を考慮することにより、改質燃料を加熱するために必要なオフガスの量が知られる。そこでステップＳ４では、流量調整弁２３の開度を決定する。上述したアシスト制御が実行されている場合、すなわち制御フラグＦacがＯＮの場合には、流量調整弁２３の開度を上限値Ｖouに固定する。これに対して、アシスト制御がおこなわれていない場合、すなわち制御フラグＦacがＯＦＦの場合には、改質燃料を加熱するために必要なオフガスの量に基づいて決定する。これは、例えば、未利用可燃性ガスの必要量を含有する排ガス量と、バルブ絞り係数、ならびに流量調整弁２３を挟んだ上流側と下流側との圧力差に基づいて決定することができる。
【００５１】
また一方、未利用可燃性ガスのみによっては改質燃料を充分に加熱することができない場合に、燃焼メタノールを燃焼部６に追加供給して燃焼させるので、その燃焼メタノール量を算出する（ステップＳ５）。燃焼メタノールが酸化した場合の発熱量が知られているから、改質燃料の比熱や蒸発潜熱、改質燃料の量、改質燃料に対する熱伝達率ならびに改質燃料の目標温度、さらに制御の遅れに伴う補正量などに基づいてその燃焼メタノール量を決定することができる。なお、この燃焼メタノール量は改質燃料蒸気温度に基づくフィードバック制御によって決定する。
【００５２】
そしてこのようにして求められた燃焼メタノールの量が前記燃焼部６に供給されるようにインジェクタ９に指令信号が出力される（ステップＳ６）。その場合、インジェクタ９の上流側の圧力がほぼ一定圧力（例えば２気圧程度）となるようにポンプ８を制御する。これは、インジェクタ９に対する指令値と吐出量とが一定の関係となるようにするためであり、その結果、インジェクタ９によって供給される燃焼メタノールの量が正確になる。
【００５３】
なお、このような燃焼メタノール量のフィードバック制御は、前記制御フラグＦacがＯＮの状態、すなわち燃焼メタノールによるアシスト制御を実行している場合に限られ、それ以外の場合、すなわち制御フラグＦacがＯＦＦであってアシスト制御が実行されていない場合にはインジェクタ９に対する指令値は０％に固定される。
【００５４】
上述した制御をおこなうこの発明の制御装置によれば、燃料電池１などの改質燃料を使用して他の形態のエネルギーを出力するエネルギー変換器から不可避的に生じる未利用可燃性ガスを使用して改質燃料を加熱し、その加熱熱量が不足する場合に限ってメタノールなどの加熱用の燃料を燃焼させるから、燃料の有効利用を図って熱効率を向上させることができる。また同時に、改質燃料の温度を目標温度に維持することができるので、水蒸気改質反応や部分酸化改質反応を促進して高品質な改質ガスを得ることができ、それに伴い燃料電池１での一酸化炭素による被毒を低減することが可能になる。
【００５５】
ここで、上記の制御をおこなう制御装置と請求項１および請求項２の発明との関係を説明すると、上記のステップＳ２の機能が、請求項１の発明における熱量検出手段および追加燃焼手段に相当する。また、このステップＳ２の機能が請求項２の発明における改質燃料温度検出手段および燃料燃焼停止手段に相当する。
【００５６】
なお、上記の具体例では、改質燃料蒸気温度に基づいて熱量の過不足および追加燃焼の要否を判定するように構成したが、改質燃料を加熱するために必要とする熱量および未利用可燃性ガスを燃焼させて得られる熱量は、共に、改質器２の運転状況に基づいて算定することができるから、加熱熱量の過不足および追加燃焼の要否を、改質燃料蒸気温度によらずに、改質器２の運転状況から演算することができる。したがって上記のステップＳ２をこれらの熱量の算定および算定結果の比較に基づく燃焼原料の選択のステップとすることができる。そして請求項１の発明は、「燃焼部で生じさせた熱によって改質燃料を加熱するとともにその改質燃料を改質反応によってガス化し、得られた改質ガスを他の形態のエネルギーに変換するエネルギー変換器に供給し、かつそのエネルギー変換器で生じた未利用可燃性ガスと加熱燃料との少なくともいずれか一方を前記燃焼部で燃焼させる改質器の制御装置において、ガス化させるべき前記改質燃料の量に基づいて前記燃焼部で発生させる熱量を算定する加熱熱量算定手段と、前記エネルギー変換器で生じた未利用可燃性ガスによって発生させることのできる熱量を算定する回収熱量算定手段と、前記加熱熱量算定手段で算定された熱量に基づく値が前記回収熱量算定手段で算定された熱量に基づく値を越えている場合に前記燃焼部に前記加熱燃料を供給する加熱燃料供給手段とを備えていることを特徴とする改質器の制御装置。」として構成することができる。
【００５７】
ところで、燃焼部６に対して未利用可燃性ガスや燃焼メタノールを供給して燃焼させた場合、その燃焼反応や改質燃料に対する熱伝達あるいは外部への放熱などが全ての箇所で均一に生じるとは限らず、温度のバラツキが不可避的に生じる。温度のバラツキによって局部的に高温になると、その部分で溶損が生じるなどの可能性があるので、これを防止するために、以下に説明する制御を実行する。
【００５８】
図３はその一例を示すフローチャートであって、先ず、ステップＳ１１およびステップＳ１２でオフガス目標流量と燃焼メタノール目標流量とを算出する。これは、上述した図１に示す制御に従って実行され、前記のアシスト制御が実行されている場合には、オフガス流量は流量調整弁２３の開度を上限値Ｖouに設定した量に固定され、またアシスト制御が実行されていない場合には、改質燃料の目標温度およびその量に基づいて算出される。また燃焼メタノールの流量は、アシスト制御が実行されている場合に、改質燃料の温度や改質燃料を目標温度に加熱するために不足する熱量に基づいて算出される。
【００５９】
ついで、アシスト制御の実行・不実行に基づいて、オフガス流量および／または燃焼メタノール流量が補正される（ステップＳ１３，Ｓ１４）。具体的には、アシスト制御を実行していない場合には、排ガス流量の補正をおこない、アシスト制御を実行している場合には、燃焼メタノールの流量の補正をおこなう。
【００６０】
これらの流量補正は、燃焼部６の温度に基づいておこなう。すなわち前述した温度センサ３２によって燃焼部６の各部の温度Ｔb1，Ｔb2，…Ｔbnを検出し、その検出した温度Ｔb1，Ｔb2，…Ｔbnから代表温度Ｔbmを求める。この代表温度Ｔbmは、燃焼部６における最も溶損し易い箇所の温度であってもよく、あるいは検出した温度Ｔb1，Ｔb2，…Ｔbnのうちの最大値であってもよい。その代表温度Ｔbmに応じた補正係数Ｋo ，Ｋm を設定し、ステップＳ１１もしくはステップＳ１２で算定された流量Ｑo ，Ｑm にその補正係数を掛けて各流量を補正する。すなわちオフガス流量については、
Ｑo'＝Ｋo ×Ｑo
燃焼メタノールの流量については、
Ｑm'＝Ｋm ×Ｑm
である。
【００６１】
またその補正係数Ｋo ，Ｋm は、予めマップの形で設定した値を採用することができ、具体的には図４の（Ａ）および（Ｂ）に示す値を採用することができる。すなわち、前記代表温度Ｔbmが、燃焼部６の許容上限温度に対して所定温度低い第１の基準温度Ｔ1 以下では、補正係数Ｋo ，Ｋm が“１”、その第１の基準温度Ｔ1 より高くかつ許容上限温度より低い第２の基準温度Ｔ2 までの範囲では、補正係数Ｋo ，Ｋm が“１”から“０”まで代表温度Ｔbmの増大に応じて減少する値とされ、さらにその第２の基準温度Ｔ2 以上では“０”に設定される。
【００６２】
上述のようにして算出された未利用可燃性ガスを含むオフガス量および燃焼メタノール量に対する燃焼エアー量を算定する（ステップＳ１５）。未利用可燃性ガスおよび燃焼メタノールを完全に燃焼させるために必要とする酸素量は、その酸化反応の式に基づいて知ることができ、また空気中の酸素濃度は既知であり、さらに酸化反応時の温度は予め想定することができるから、未利用可燃性ガス量および燃焼メタノール量から必要とする空気量すなわち空燃比（Ａ／Ｆ）を求めることができる。
【００６３】
以上のようにして排ガス流量および燃焼メタノール流量ならびに燃焼エアー量が求まるので、それぞれに応じた指令値を出力する。すなわちリターン管２２に介装してある流量調整弁２３に対してはオフガス流量を得るための開度指令信号を出力し（ステップＳ１６）、インジェクタ９に対しては燃焼メタノール量を得るように指令信号を出力し（ステップＳ１７）、さらに前記の算出したエアー量となるようにエアーポンプ１０に指令信号を出力する（ステップＳ１８）。
【００６４】
上記の図３に示す制御をおこなった場合の燃焼部６の代表温度の変化を、比較例と共に図５に示す。図５の（Ａ）は比較例であって上記の流量補正をおこなわない場合の例を示しており、改質燃料蒸気温度の低下に伴ってオフガス量Ｑo が増量され、所定の遅れ時間後に燃焼部６の代表温度Ｔbmが許容上限温度を超えてしまう。これに対して図５の（Ｂ）は上記の流量補正をおこなった例であり、改質燃料蒸気温度が低下することによりオフガス量Ｑo を増量するとしても、代表温度Ｔbmが第１の基準温度Ｔ1 以上になると、流量が減じられるので、燃焼部６での発熱量が低下し、その結果、燃焼部６の代表温度Ｔbmが許容上限温度を超えることがない。
【００６５】
したがって上記の制御をおこなう制御装置によれば、燃料電池１の負荷の変動などに伴って改質燃料量が変化し、それに伴って燃焼部６に要求される熱量あるいは燃焼原料の供給量が変化した場合であっても、燃焼部６での局部的な過熱状態を未然に回避でき、燃焼部６の溶損などの異常を防止することができる。
【００６６】
ここで上記の具体例と請求項３の発明との関係を述べると、上記のステップＳ１３，Ｓ１４の機能が請求項３における燃焼部温度検出手段および燃焼原料補正手段に相当する。
【００６７】
この発明の制御装置は、未利用可燃性ガスによって改質燃料を充分加熱することのできる状態、すなわち前述したいわゆるアシスト制御をおこなわない場合には、リターン管２２の途中に設けた流量調整弁２３の開度を調整することによりオフガスの流量を制御する。その場合、改質燃料の目標蒸気温度に基づいて目標燃焼温度を設定し、さらにその目標燃焼温度に基づいてオフガス流量を設定する。また、これと併せて上述のように燃焼部６での許容上限温度に基づいて流量補正をおこなう。これは、未利用可燃性ガスのみを燃焼原料として使用する場合と燃焼メタノールを併用する場合とのいずれにおいても同様である。そこで、この発明では、コントローラを以下のように構成することが好ましい。
【００６８】
図６は、オフガス流量の制御のための構成を示しており、蒸気温度コントローラ４１と、燃焼温度コントローラ４２と、オフガス流量調整弁コントローラ４３とが設けられている。これらのコントローラ４１，４２，４３のそれぞれは、マイクロコンピュータを主体として構成されており、蒸気温度コントローラ４１は目標蒸気温度Ｔerと検出された改質燃料蒸気温度Ｔe とに基づいて、蒸気温度Ｔe が目標温度Ｔerとなるように目標燃焼温度Ｔbrを設定する。ここで、目標蒸気温度Ｔerは、例えば改質部４での活性温度に基づいた温度（例えば３３０℃）である。
【００６９】
また、燃焼温度コントローラ４２は、蒸気温度コントローラ４１から目標燃焼温度Ｔbrが入力される一方、検出された燃焼温度Ｔb が入力され、これらの入力データに基づいて演算をおこなってオフガス流量Ｑo を設定するように構成されている。さらに、オフガス流量調整弁コントローラ４３は、燃焼温度コントローラ４２から入力される排ガス流量に基づいて前記流量調整弁２３の開度を制御するように構成されている。
【００７０】
また、図７は、燃焼メタノールの流量制御のための構成を示しており、蒸気温度コントローラ５１と、燃焼温度コントローラ５２と、インジェクタコントローラ５３とが設けられている。これらのコントローラ５１，５２，５３のそれぞれは、マイクロコンピュータを主体として構成されており、蒸気温度コントローラ５１は目標蒸気温度Ｔerと検出された改質燃料蒸気温度Ｔe とに基づいて、蒸気温度Ｔe が目標温度Ｔerとなるように目標燃焼温度Ｔbrを設定する。ここで、目標蒸気温度Ｔerは、例えば改質部４での触媒活性温度に基づいた温度（例えば３３０℃）である。
【００７１】
また、燃焼温度コントローラ５２は、蒸気温度コントローラ５１から目標燃焼温度Ｔbrが入力される一方、検出された燃焼温度Ｔb が入力され、これらの入力データに基づいて演算をおこなって燃焼メタノール量Ｑbmを設定するように構成されている。さらに、インジェクタコントローラ５３は、燃焼温度コントローラ５２から入力される燃焼メタノール量Ｑbmに基づいて前記インジェクタ９による燃焼メタノールの供給量を制御するように構成されている。なお、上記の各蒸気温度コントローラ４１，５１をそれぞれ共用し、また各燃焼温度コントローラ４２，５２をそれぞれ共用した構成としてもよい。
【００７２】
上記の各蒸気温度コントローラ４１，５１における目標燃焼温度Ｔbrの計算プロセスは共にほぼ同様であり、これを図８に示してある。先ず、目標燃焼温度のノミナル値Ｔbrffを求める（ステップＳ２１）。これは、例えば図９に示すマップから求めることができる。この図９に示すマップは、改質メタノールと水との混合液の量と、これを上述した目標蒸気温度Ｔerに加熱するために必要とする燃焼温度の目標値との関係を定めたものであり、実験に基づき、あるいは熱量計算に基づいて定められている。したがって改質燃料の流量が決まれば、このマップから目標燃焼温度のノミナル値Ｔbrffが定まる。なお、この目標燃焼温度としては燃焼部６の各部位の平均温度あるいは代表温度を採用する。
【００７３】
つぎに目標燃焼温度の補正をおこなう（ステップＳ２２）。すなわち、目標燃焼温度Ｔbrをノミナル値Ｔbrffとなるようにしても、外気温度や改質燃料の温度、流量調整弁２３あるいはインジェクタ９のなどの装置のバラツキが原因となって、蒸気の生成に必要な熱量が不足し、蒸気温度Ｔe が目標蒸気温度Ｔerとならないことがある。ステップＳ２２ではこれを是正するように補正をおこなう。その一例として、補正値Ｔbrfbを
Ｔbrfb＝Kpe（Ｔe −Ｔer）＋ＫieΣ（Ｔe −Ｔer）
で算出する。ここで、KpeおよびＫieは、予め定めた制御パラメータ、Σ（Ｔe −Ｔer）は、改質燃料蒸気の目標値と検出値との偏差の積算値である。また、他の補正例は、
Ｔe −Ｔer＜−εe のとき、Ｔbrfb＝Ｔbrfb＋Δｅ
Ｔe −Ｔer＞εe のとき、Ｔbrfb＝Ｔbrfb−Δｅ
として補正値を求める。ここで、εe ，Δｅは予め定めた制御パラメータである。
【００７４】
つぎに、上記のノミナル値Ｔbrffに補正値Ｔbrfbを加算して目標燃焼温度Ｔbrを求める（ステップＳ２３）。
Ｔbr＝Ｔbrff＋Ｔbrfb
【００７５】
さらに、燃焼部６の溶損を防止するために、上限ガードを設定する（ステップＳ２４）。すなわち
Ｔbr＝min（Ｔbr，ＴbrMAX）
として、算出された値Ｔbrと予め定めた上限値ＴbrMAXとのうちの小さい値を採用する。上記温度コントローラ４１，５１ではこれらステップＳ２１ないしステップＳ２４の制御を実行して目標燃焼温度Ｔbrを設定する。
【００７６】
また一方、各燃焼温度コントローラ４２，５２におけるオフガス流量もしくは燃焼メタノール量の計算プロセスは共にほぼ同様であり、これを図１０に示してある。先ず、未利用可燃性ガスを含む排ガスあるいは燃焼メタノールの目標量（以下、これらを燃焼原料目標量と記す）を求める（ステップＳ３１）。これは、例えば図１１に示すマップから求めることができる。この図１１に示すマップは、目標燃焼温度と改質メタノールおよび水の混合液の量とから燃焼原料流量を求める三次元マップであり、実験に基づき、あるいは熱量計算に基づいて定められている。したがって目標燃焼温度Ｔbrが図８に示すルーチンに従って算出され、また改質燃料量が燃料電池１の負荷に基づいて算出されているから、図１１に示すマップから燃焼原料流量のノミナル値Ｑbmff（Ｑoff）が求められる。
【００７７】
このノミナル値Ｑbmff（Ｑoff）に対して補正値Ｑbmfb（Ｑofb）を求め（ステップＳ３２）、またその補正値Ｑbmfb（Ｑofb）による補正をおこなう（ステップＳ３３）。これらステップＳ３２およびステップＳ３３は、図８に示すステップＳ２２およびステップＳ２３に対応するステップであり、その補正値の算出および補正は、ステップＳ２２およびステップＳ２３の説明で述べたのと同様にしておこなうことができる。すなわち補正値は、一例として
Ｑbmfb（Ｑofb）＝Kpb（Ｔb −Ｔbr）＋ＫibΣ（Ｔb −Ｔbr）
で算出する。ここで、KpbおよびＫibは、予め定めた制御パラメータ、Σ（Ｔb −Ｔbr）は、燃焼温度の目標値と検出値との偏差の積算値である。また、他の補正例は、
Ｔb −Ｔbr＜−εb のとき、Ｑbmfb（Ｑofb）＝Ｑbmfb（Ｑofb）＋Δｂ
Ｔb −Ｔbr＞εb のとき、Ｑbmfb（Ｑofb）＝Ｑbmfb（Ｑofb）−Δｂ
として補正値を求める。ここで、εb ，Δｂは予め定めた制御パラメータである。
【００７８】
つぎに、上記のノミナル値Ｑbmff（Ｑoff）に補正値Ｑbmfb（Ｑofb）を加算して目標燃焼原料量Ｑbm，Ｑo を求める（ステップＳ３３）。
Ｑbm（Ｑo）＝Ｑbmff（Ｑoff）＋Ｑbmfb（Ｑofb）
【００７９】
そしてこのようにして求められた燃焼原料流量となるように流量調整弁２３の開度あるいはインジェクタ９の噴射量を制御する（ステップＳ３４）。これは、例えば燃焼原料の流量と指令値との関係を流量調整弁２３やインジェクタ９について実験的に求めて図１２に示すようにマップ化しておき、そのマップから求めることができる。
【００８０】
したがって上記のように燃焼温度コントローラ４２，５２を独立して設け、その燃焼温度コントローラ４２，５２によって燃焼部６における上限温度を考慮した燃焼原料の流量制御を実行するので、燃焼温度が過剰に高くなったり、それに伴って燃焼部６の溶損が生じたりすることを確実に防止することができる。またこの燃焼温度コントローラ４２，５２による燃焼原料の流量制御は、蒸気温度コントローラ４１，５１による目標燃焼温度に基づいているので、改質燃料の蒸気温度が適正に制御されて改質効率が良好になるとともに、改質部４における触媒の劣化を防止することができる。
【００８１】
ここで、この図６ないし図１２に示す具体例と請求項４の発明との関係とを説明すると、図６および図７に示す蒸気温度コントローラ４１，５１が請求項４における目標燃焼温度設定手段に相当し、また燃焼温度コントローラ４２，５２が燃焼原料量設定手段に相当する。
【００８２】
ところで、燃焼部６に供給される空気は特には予熱されていないから、燃焼部６に対して冷却剤として機能する。また燃焼部６に導入された空気は、燃焼によって温度が上昇し、その状態で排気側に流動することにより排気側に熱を運ぶことになる。そのため、空気の導入の仕方によって燃焼部６での温度分布が変化するので、空気を燃焼部６の温度分布の制御に使用することができる。以下、その例について説明する。
【００８３】
燃焼部６で発生させた熱によって改質燃料を加熱する場合、前述したように、改質燃料量やその目標蒸気温度などに基づいて、未利用可燃性ガスを含む排ガスの流量や燃焼メタノールの量、その燃焼に必要なエアー量を求め、それらの流量を実現するために、流量調整弁２３やインジェクタ９あるいはエアーポンプ１０に所定の指令値を出力する。図１３に示す制御例では、これに加えて、検出された燃焼部の温度に基づいて流量を補正するように構成されている。
【００８４】
これを具体的に説明すると、オフガスの目標流量の計算（ステップＳ４１）および燃焼メタノールの目標流量計算（ステップＳ４２）ならびにエアー流量の計算（ステップＳ４３）を、図３を参照して説明したのと同様にしておこなう。ついで、そのエアー流量を補正する（ステップＳ４４）。
【００８５】
このステップＳ４４のサブルーチンを図１４に示してある。先ず、燃焼部６における目標温度勾配Ａr を求める（ステップＳ４４−１）。すなわち、燃焼部６における長手方向（エアーおよび燃焼原料の流入側から排気側に向けた方向）に対する目標燃焼温度分布を、改質燃料の流量ごとに実験的にもしくは熱量計算に基づいて求め、その温度分布を直線近似するとともに、その傾きを目標温度勾配Ａr とする。このようにして設定した温度分布のマップの一例を図１５に示してある。
【００８６】
一方、前述した温度センサ３２によって検出された燃焼部６の各部位の温度Ｔb1，Ｔb2，…Ｔbnについて直線近似をおこなうことにより、その温度分布の勾配Ａを求める（ステップＳ４４−２）。その直線近似は例えば最小自乗法などによっておこなえばよい。
【００８７】
このようにして求めた温度勾配Ａと前記の目標温度勾配Ａr とに基づいてエアー量の補正値Ｑafb を求める（ステップＳ４４−３）。その一例を示すと、
▲１▼ Ａ−Ａr ＞εの場合、Ｑafb ＝max（Ｑafb −Δ，ＱafbMIN）
▲２▼ Ａ−Ａr ＜−εの場合、Ｑafb ＝min（Ｑafb ＋Δ，ＱafbMax）
とする。ここで、εおよびΔは、制御パラメータである。
【００８８】
すなわち▲１▼の場合は、排気側（下流側）の温度が高い場合であり、この場合、所定の値Δを減じた値と補正最小値ＱafbMINとのうちの大きい方を補正値Ｑafb として採用する。また▲２▼の場合は、排気側（下流側）の温度が低い場合であり、この場合は、所定の値Δを加えた値と補正最大値ＱafbMAXとのうちの小さい方を補正値Ｑafb として採用する。そしてステップＳ４３で求められているエアー量Ｑa に補正値Ｑafb を加算してエアー量の補正をおこなう（ステップＳ４４−４）。
【００８９】
ついで、排ガス量および燃焼メタノール量ならびにエアー量が、上記のようにして算出した量となるように流量調整弁２３、インジェクタ９、エアーポンプ１０に対して指令信号を出力する（ステップＳ４５，Ｓ４６，Ｓ４７）。
【００９０】
このように制御することにより、エアーの流入側の温度が高い場合には、エアー供給量が増大させられてその冷却作用によって流入側の温度が低下させられ、かつ排気側の温度が上昇させられる。また反対の場合には、エアーの流入量が低下するために、流入側の温度が高くなり、かつ排気側の温度が低下し、その結果、温度分布が目標とする分布に是正される。すなわち燃焼部６に局部的な高温箇所が生じることが防止されて、燃焼部６の溶損などの不都合を未然に回避することができる。
【００９２】
以上、この発明を具体例を参照して説明したが、この発明は、上述した各例に限定されないのであって、改質器に供給される燃料はメタノールと水との混合液に限定されず、他の炭化水素を用いたものであってもよい。また、改質ガスの供給部は、燃料電池に限定されず、他の用途に改質ガスを使用してもよい。さらに、燃焼部や熱交換器は、図に示す構造に限定されず、必要に応じて適宜の構造のものを使用してよい。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明によれば、燃焼部で発生させる必要のある熱量が、未利用可燃性ガスの燃焼によって得られる熱量を超えている場合に、加熱燃料が燃焼部に供給されるので、加熱燃料は、未利用可燃性ガスによる熱量では不足する場合に限って使用されることになり、その結果、改質燃料の加熱には未利用可燃性ガスが最大限使用されるので、加熱燃料の使用量が少なくなり、全体としてのエネルギー効率を向上させることができる。
【００９４】
また、請求項２の発明によれば、改質燃料の温度が必要以上に高くなる場合には、加熱燃料の燃焼部への供給が停止されるので、加熱燃料を不必要に燃焼させることによるエネルギー効率の低下や改質燃料の温度が必要以上に高くなることによる改質反応効率の低下を防止することができる。
【００９５】
さらに、請求項３の発明によれば、燃焼部の温度が所定値以上に高くなった場合、燃焼部で燃焼する原料の量を少なくして燃焼部での発熱量を低下させるので、燃焼部の異常な温度上昇やそれに伴う損傷を未然に防止することができる。
【００９６】
請求項４の発明によれば、燃焼部に供給される燃焼原料の量が目標燃焼温度に基づいて設定されるので、燃焼部での異常な高温状態が防止され、燃焼部の損傷を未然に回避でき、また、その目標燃焼温度が改質燃料の目標温度に基づいて設定されているので、改質燃料温度が適正化されて改質反応を効率よく生じさせ、さらには高品質な改質ガスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 請求項１の発明による制御装置で実行される制御例を説明するためのフローチャートである。
【図２】 図１に示す制御を実行した場合の各制御量の変化を示すタイムチャートである。
【図３】 請求項３の発明による制御装置で実行される制御例を説明するためのフローチャートである。
【図４】 その排ガスあるいは燃焼メタノールの補正係数を示すマップである。
【図５】 図４に示す制御を実行した場合と実行しない場合との燃焼部の代表温度の変化を示す線図である。
【図６】 排ガスの流量制御系におけるコントローラの構成の一例を示すブロック図である。
【図７】 燃焼メタノールの流量制御系におけるコントローラの構成の一例を示すブロック図である。
【図８】 その蒸気温度コントローラで実行される制御の一例を説明するためのフローチャートである。
【図９】 燃焼温度目標値を求めるマップの一例を示す図である。
【図１０】 燃焼温度コントローラで実行される制御の一例を説明するためのフローチャートである。
【図１１】 燃焼原料流量を求めるためのマップの一例を示す図である。
【図１２】 算定された燃焼原料量を得るための指令値を求めるマップの一例を示す図である。
【図１３】 この発明による制御装置で実行される制御の参考例を説明するためのフローチャートである。
【図１４】 エアー流量を補正するためのサブルーチンを説明するためのフローチャートである。
【図１５】 燃焼部での目標温度勾配のマップの一例を示す図である。
【図１６】 改質器を燃料電池に接続したシステムの全体的な構成を模式的に示す図である。
【図１７】 その加熱部の構造および制御系統を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１…燃料電池、 ２…改質器、 ３…加熱部、 ４…改質部、 ６…燃焼部、７…蒸発部、 ９…インジェクタ、 １０…エアーポンプ、 ２２…リターン管、 ２３…流量調整弁、 ２４…燃焼室、 ３２…温度センサ、 ３６…電子制御装置、 ４１，５１…蒸気温度コントローラ、 ４２，５２…燃焼温度コントローラ。
Claims (4)
- 燃焼部で生じさせた熱によって改質燃料を蒸発部で加熱するとともにその加熱された改質燃料を改質部における改質反応によってガス化し、得られた改質ガスを他の形態のエネルギーに変換するエネルギー変換器に供給し、かつそのエネルギー変換器で生じた未利用可燃性ガスと加熱燃料との少なくともいずれか一方を前記燃焼部で燃焼させる改質器の制御装置において、
ガス化させるべき前記改質燃料の量に基づいて前記燃焼部で発生させる熱量を算定する加熱熱量算定手段と、
前記エネルギー変換器で生じた未利用可燃性ガスによって発生させることのできる熱量を算定する回収熱量算定手段と、
前記加熱熱量算定手段で算定された熱量に基づく値が前記回収熱量算定手段で算定された熱量に基づく値を超えている場合に前記燃焼部に前記加熱燃料を供給する加熱燃料供給手段と
を備えていることを特徴とする改質器の制御装置。 - 前記燃焼部で生じた熱によって加熱された改質燃料の温度を検出する改質燃料温度検出手段と、
検出された改質燃料の温度が予め定めた所定温度以上の場合に、前記燃焼部に対する加熱燃料の供給を停止する加熱燃料停止手段と
を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の改質器の制御装置。 - 燃焼部で生じさせた熱によって改質燃料を蒸発部で加熱するとともにその加熱された改質燃料を改質部における改質反応によってガス化し、得られた改質ガスを他の形態のエネルギーに変換するエネルギー変換器に供給する改質器の制御装置において、
前記燃焼部の温度を検出する燃焼部温度検出手段と、
検出された燃焼部の温度および前記ガス化させるべき前記改質燃料の量に基づいて前記燃焼部に供給する燃焼原料の量を減少するように補正する燃焼原料補正手段と
を備えていることを特徴とする改質器の制御装置。 - 燃焼部で生じさせた熱によって改質燃料を蒸発部で加熱するとともにその加熱された改質燃料を改質部における改質反応によってガス化する改質器の制御装置において、
前記ガス化させるべき前記改質燃料の量およびその改質燃料に混合される水の量ならびに改質燃料の目標温度に基づいて前記燃焼部での目標燃焼温度を設定する目標燃焼温度設定手段と、
その目標燃焼温度設定手段で設定された目標燃焼温度に基づいて前記燃焼部で燃焼させる燃焼原料の量を設定する燃焼原料量設定手段と
を備えていることを特徴とする改質器の制御装置。
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