JP2003112902A

JP2003112902A - 燃料改質器の制御装置

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Publication number: JP2003112902A
Application number: JP2001305540A
Authority: JP
Inventors: Hiromitsu Toyoda; 博充豊田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2001-10-01
Publication date: 2003-04-18
Anticipated expiration: 2021-10-01
Also published as: JP3849480B2

Abstract

(57)【要約】【課題】少ない温度計で改質反応器のピーク温度を管
理し、改質反応器の劣化に応じて流入させる燃料量を制
御し、かつ、性能が維持できない劣化を検出すると、こ
れを告知する改質反応器の制御装置を提供する。【解決手段】温度センサ９は改質反応器１の温度を測
定し、温度推定部４５は、運転条件と温度センサ９の温
度測定値とに基づいて改質反応器１で最も高い温度であ
るピーク温度推定値を推定する。劣化推定部４６は、ピ
ーク温度推定値と温度測定値との偏差に基づいて、改質
反応器１の劣化の程度を示す劣化推定値を推定し、劣化
推定値が所定値を超えると情報提供装置３２で異常を告
知する。また劣化推定値に応じて目標値生成部４２が生
成する燃料供給値を制限する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原燃料から水素リ
ッチな燃料ガスを生成する燃料改質器の制御装置に係
り、特に改質器が劣化しても適切な制御が行える燃料改
質器の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池用の燃料ガス生成方法として、
アルコールやガソリン等の炭化水素系の原燃料から燃料
改質により水素リッチな燃料ガスを得る方法が知られて
いる。例えば、特開平１０−１６９９０８号公報には、
メタノールを改質して利用する燃料電池が開示されてい
る。この従来技術によれば、原燃料としてのメタノール
を蒸発させたメタノール蒸気と、蒸気発生器で発生させ
た水蒸気と、空気圧縮機で圧縮した空気とを改質反応器
に導入し、改質反応により水素リッチな燃料ガスを生成
している。この改質反応には、メタノールと空気中の酸
素から水素と二酸化炭素を生成する部分酸化反応と、メ
タノールと水から水素と二酸化炭素を生成する水蒸気改
質反応とがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の改質においては、部分酸化反応は発熱反応であり、
水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、改質反応器内の
温度が一定せず、部分的な温度上昇により改質触媒の劣
化が進行し、改質器の性能低下を招くという問題点があ
った。一度反応器の触媒が劣化してしまうと、その劣化
箇所の触媒は二度と活性化しなくなる。さらに劣化した
部分を有する触媒のまま改質反応を行なうと、反応器自
体の異常劣化や燃費の悪化につながるという問題点があ
った。

【０００４】そこで、信頼性向上、燃費向上の為には、
劣化を招くような高温にならないように制御するととも
に、劣化を推定し、適切に制御を行なう必要があるが、
これには、改質器内の温度を測定して目標値を超えない
よう制御することが考えられる。

【０００５】しかし改質反応器の温度分布は、運転条件
や経時劣化によっても変化し、ピーク温度位置も変化す
る。改質反応器の温度を１個の温度計で測定した測定値
で制御すると、温度計取付位置がピーク温度になるよう
な運転条件では良いものの、運転条件が変化したり、経
時劣化が進むと、温度計取付位置では目標温度以下にな
っていても他の場所でそれ以上の温度となることが有り
得る。

【０００６】また赤外線カメラ等で改質反応器の温度分
布を示す画像を撮影し、この画像信号に基づいて温度制
御を行なう手法も考えられるが、これらを実現する上記
センサは非常に高価である。また分布定数系センサの代
わりに複数の温度センサを用いて改質反応器の温度分布
を把握する方法も考えられるが、数十本の温度センサが
必要となるとともに制御が複雑化し、コストアップが避
けられない。

【０００７】以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、少
ない温度計でも劣化時を含め常時ピーク温度を管理する
ことができる改質反応器の制御装置を提供することであ
る。

【０００８】また本発明の目的は、改質反応器が劣化し
ても、適切に改質反応器に流入させる燃料を制御し、か
つ、性能が維持できない劣化が発見された時は、これを
告知することができる改質反応器の制御装置を提供する
ことである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記目的を達成するため、原燃料を改質して水素を含む
燃料ガスを生成する燃料改質器の制御装置において、改
質用の触媒を収納した改質反応器内の温度を測定する温
度測定手段と、前記燃料改質器の運転条件に基づいて前
記改質反応器内の温度のうち少なくとも最も高い温度で
あるピーク温度を推定する温度推定手段と、該温度推定
手段が推定した温度推定値と前記温度測定手段による温
度測定値との偏差に基づいて、前記改質反応器の劣化の
程度を推定する劣化推定手段と、を備えたことを要旨と
する。

【００１０】請求項２記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項１記載の燃料改質器の制御装置におい
て、前記温度推定手段は、前記改質反応器内の前記温度
測定手段の取付位置における温度を推定する測定位置温
度推定手段と、該測定位置温度推定手段が推定した測定
位置温度推定値と、前記温度測定値との偏差に基づい
て、前記温度推定値を補正する補正手段とを備え、前記
劣化推定手段は、前記測定位置温度推定値と前記温度測
定値との偏差に基づいて、前記改質反応器の劣化の程度
を推定することを要旨とする。

【００１１】請求項３記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項２記載の燃料改質器の制御装置におい
て、前記温度推定手段は、運転条件と前記劣化の程度に
応じた改質反応器の温度特性を格納した複数の温度特性
マップを有し、前記補正手段は、前記測定位置温度推定
値と前記温度測定値との偏差に基づいて前記温度特性マ
ップの選択を変更することを要旨とする。

【００１２】請求項４記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の
燃料改質器の制御装置において、前記劣化推定手段は、
起動初期状態の時は劣化推定を行なわないことを要旨と
する。

【００１３】請求項５記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の
燃料改質器の制御装置において、前記劣化推定手段は、
運転過渡状態の時は劣化推定を行なわないことを要旨と
する。

【００１４】請求項６記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の
燃料改質器の制御装置において、外気の温度を測定する
外気温度測定手段を備え、前記温度推定手段は、前記外
気温度により温度推定値を補正することを要旨とする。

【００１５】請求項７記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項２記載の燃料改質器の制御装置におい
て、前記偏差が第１所定値以上、かつ第２所定位置以下
の範囲の場合、前記劣化推定手段は経年劣化として判断
して、前記補正手段は温度推定方法を正常時の温度推定
方法から経年劣化時の温度推定方法に切り替えることを
要旨とする。

【００１６】請求項８記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項２記載の燃料改質器の制御装置におい
て、前記偏差が第２所定値を超える場合、前記劣化推定
手段は異常劣化として判断することを要旨とする。

【００１７】請求項９記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項８記載の燃料改質器の制御装置におい
て、異常劣化として判断した時に、燃料改質器の異常を
告知する告知手段を備えたことを要旨とする。

【００１８】請求項１０記載の発明は、上記目的を達成
するため、請求項２記載の燃料改質器の制御装置におい
て、前記燃料改質器が改質した燃料ガスを用いて発電す
る燃料電池の実セル電圧を検出する電圧検出器と、燃料
電池に対する要求電力に応じた要求セル電圧を算出する
要求電圧算出手段と、前記偏差が第２所定値以下の場
合、前記実セル電圧と前記要求セル電圧との差が第３所
定値以上であれば、燃料改質器の異常を告知する告知手
段と、を備えたことを要旨とする。

【００１９】請求項１１記載の発明は、上記目的を達成
するため、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項記
載の燃料改質器の制御装置において、前記劣化推定手段
による劣化の程度に応じて、前記改質反応器に供給する
原燃料の量を制御することを要旨とする。

【００２０】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、原燃料を
改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料改質器の制
御装置において、改質用の触媒を収納した改質反応器内
の温度を測定する温度測定手段と、前記燃料改質器の運
転条件に基づいて前記改質反応器内の温度のうち少なく
とも最も高い温度であるピーク温度を推定する温度推定
手段と、該温度推定手段が推定した温度推定値と前記温
度測定手段による温度測定値との偏差に基づいて、前記
改質反応器の劣化の程度を推定する劣化推定手段と、を
備えたことにより、改質反応器の劣化がその温度の変化
として現れることを利用して改質反応器の劣化の程度を
推定できるようになり、劣化の程度から運転条件に応じ
た改質反応器の温度分布を推定できることを利用して、
劣化による影響を含めて改質反応器内で最も温度が高い
ピーク温度が管理温度以下になるように制御することが
できるようになるので、改質反応器内で異常に高温な部
分の発生及びこれによる劣化を防止できるという効果が
ある。

【００２１】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明の効果に加えて、前記温度推定手段は、前記改
質反応器内の前記温度測定手段の取付位置における温度
を推定する測定位置温度推定手段と、該測定位置温度推
定手段が推定した測定位置温度推定値と、前記温度測定
値との偏差に基づいて、前記温度推定値を補正する補正
手段とを備え、前記劣化推定手段は、前記測定位置温度
推定値と前記温度測定値との偏差に基づいて、前記改質
反応器の劣化の程度を推定することにより、更に正確な
温度推定値に基づいて温度推定値と温度測定値との間の
偏差を算出できるようになり、劣化推定の確度を高める
ことができるという効果がある。

【００２２】請求項３記載の発明によれば、請求項２記
載の発明の効果に加えて、前記温度推定手段は、運転条
件と前記劣化の程度に応じた改質反応器の温度特性を格
納した複数の温度特性マップを有し、前記補正手段は、
前記測定位置温度推定値と前記温度測定値との偏差に基
づいて前記温度特性マップの選択を変更するようにした
ので、前記温度推定手段が簡素な構成になるという効果
がある。

【００２３】請求項４記載の発明によれば、請求項１な
いし請求項３記載の発明の効果に加えて、前記劣化推定
手段は、起動初期状態の時は劣化推定を行なわないよう
にしたので、改質反応器の温度が不安定な起動初期を除
いて、劣化判断できるようになり、劣化推定精度が向上
するという効果がある。

【００２４】請求項５記載の発明によれば、請求項１な
いし請求項４記載の発明の効果に加えて、前記劣化推定
手段は、運転過渡状態の時は劣化推定を行なわないよう
にしたので、運転過渡状態で正確に劣化推定を行なうた
めに必要な複雑なモデル、もしくは高密度なマップが不
要となり、劣化推定手段の構成を簡略化できるという効
果がある。

【００２５】請求項６記載の発明によれば、請求項１な
いし請求項５記載の発明の効果に加えて、外気の温度を
測定する外気温度測定手段を備え、前記温度推定手段
は、前記外気温度により温度推定値を補正するようにし
たので、外気温度の影響を受けやすい改質反応器温度を
より正確に推定することができるという効果がある。

【００２６】請求項７記載の発明によれば、請求項２記
載の発明の効果に加えて、前記偏差が第１所定値以上、
かつ第２所定位置以下の範囲の場合、前記劣化推定手段
は経年劣化として判断して、前記補正手段は温度推定方
法を正常時の温度推定方法から経年劣化時の温度推定方
法に切り替えるようにしたので、経年劣化後も正確に温
度推定を行うことができるという効果がある。

【００２７】請求項８記載の発明によれば、請求項２記
載の発明の効果に加えて、前記偏差が第２所定値を超え
る場合、前記劣化推定手段は異常劣化として判断するよ
うにしたので、異常劣化の早期検出が可能となるという
効果がある。

【００２８】請求項９記載の発明によれば、請求項８記
載の発明の効果に加えて、異常劣化として判断した時
に、燃料改質器の異常を告知する告知手段を備えたこと
により、検出した異常劣化を燃料改質器の運用者に告知
することができるという効果がある。

【００２９】請求項１０記載の発明によれば、請求項２
記載の発明の効果に加えて、前記燃料改質器が改質した
燃料ガスを用いて発電する燃料電池の実セル電圧を検出
する電圧検出器と、燃料電池に対する要求電力に応じた
要求セル電圧を算出する要求電圧算出手段と、前記偏差
が第２所定値以下の場合、前記実セル電圧と前記要求セ
ル電圧との差が第３所定値以上であれば、燃料改質器の
異常を告知する告知手段と、を備えたことにより、温度
に基づく燃料改質器の異常が検出できない場合でも、要
求セル電圧と実セル電圧が異なり、燃料改質器の改質処
理能力が低下している可能性がある場合には、燃料改質
器の異常を検出することができるという効果がある。

【００３０】請求項１１記載の発明によれば、請求項１
ないし請求項１０記載の発明の効果に加えて、前記劣化
推定手段による劣化の程度に応じて、前記改質反応器に
供給する原燃料の量を制御するようにしたので、経年劣
化があっても改質反応器の負荷能力を最大限まで引き出
すことができ、かつ、必要以上の原燃料を流入させない
ことも可能となったので、劣化による燃費の悪化を防止
することができるという効果がある。

【００３１】

【発明の実施の形態】次に図面を参照して、本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料
改質器の制御装置を適用した燃料電池システムの構成を
示すブロック図であり、原燃料としてメタノールと水と
使用し、燃料改質器で生成した水素で発電する燃料電池
を動力源とする電気自動車を示している。

【００３２】図１において、燃料改質器は、蒸発器３
と、改質用の触媒を収納した改質反応器１と、一酸化炭
素（ＣＯ）除去器８であり、燃料改質器の制御装置は、
ＥＣＵ４０である。

【００３３】まず最初に、ガス経路に従って、上記燃料
改質器及び燃料電池本体１２及びその周辺の構成要素を
説明し、次に、ＥＣＵ４０で実現される制御装置及びそ
の他の構成要素を説明する。

【００３４】燃料タンク２３から供給されるメタノール
と、水タンク２１から供給される水とは、それぞれ燃料
制御装置２２、水流量制御装置２０で流量が制御され
て、蒸発器３へ供給される。蒸発器３は、後述する燃焼
器１７からの排ガスの熱量を利用して、供給されたメタ
ノールと水とを加熱して蒸発させ、メタノール蒸気と水
蒸気とを生成する。メタノール蒸気と水蒸気とは、温度
センサ７７で温度が測定されて、改質反応器１へ流入す
る。

【００３５】一方、空気供給装置であるコンプレッサ２
は、図示しないフィルタを介して取り込んだ空気を圧縮
して、燃料電池本体１２の空気極１２ａへ供給すると共
に、空気流量調整弁６、１０をそれぞれ介して、改質反
応器１、ＣＯ（一酸化炭素）除去器８へ供給する。コン
プレッサ２から改質反応器１へ流入する空気流量を調整
する空気流量調整弁６の手前には、温度センサ４及び流
量センサ５が設けられている。

【００３６】改質用の触媒を収納した改質反応器１は、
蒸発器３から供給されるメタノール蒸気、水蒸気、およ
びコンプレッサから供給される圧縮空気を利用して、メ
タノールの部分酸化反応（発熱反応）、水蒸気改質反応
（吸熱反応）により、水素と二酸化炭素（ＣＯ₂）を生
成し、これらを含む改質ガスをＣＯ除去器８へ送る。改
質反応器１は、改質反応と部分酸化反応で生じたＣＯを
燃焼するシフト反応一体型であるが、改質反応器１から
出力される水素リッチな改質ガスには多少のＣＯが含ま
れている。また、改質反応器１には、その内部の温度を
測定する温度センサ９が取り付けられている。

【００３７】ＣＯ除去器８は、改質反応器１から送られ
た改質ガス中の残留ＣＯをコンプレッサ２からの空気を
利用して選択酸化反応（発熱反応）させ、燃料電池本体
１２に無害なＣＯ₂ に変える。

【００３８】ＣＯ除去器８でＣＯが除去された改質ガス
は、流量センサ２４で流量が測定され、温度センサ１１
で温度が測定されて、燃料電池本体１２の水素極１２ｂ
の入口へ供給される。本実施形態では、ＣＯ除去器８の
出口ガス温度は、温度センサ１１が管理温度になるよう
に図示しない冷却装置が冷媒流量を調整する。

【００３９】一方、燃料電池本体１２の空気極１２ａの
入口には、コンプレッサ２で圧縮された空気が供給され
る。そして、燃料電池本体１２で改質ガス中の水素と空
気中の酸素とを利用した電気化学反応により発電が行わ
れ、後述する負荷２６へ直流電力が供給される。

【００４０】尚、燃料電池本体１２には、図示しない冷
却液通路が設けられ、燃料電池本体１２の温度が発電に
適切な温度に維持されるように、図示しない冷却装置に
より冷媒の循環が制御されている。

【００４１】燃料電池本体１２の空気極１２ａの出口に
は、その圧力を測定する圧力センサ１５と、圧力調整弁
１３を介して燃焼器１７に接続する配管が設けられてい
る。同様に、水素極１２ｂの出口には、その圧力を測定
する圧力センサ１６と、圧力調整弁１４を介して燃焼器
１７に接続する配管が設けられている。圧力調整弁１
３，１４は、それぞれ圧力センサ１５，１６で測定され
る空気極１２ａの圧力、水素極１２ｂの圧力が制御目標
値となるように、後述するＥＣＵ４０により制御され
る。

【００４２】燃焼器１７は、空気極１２ａから供給され
る酸素が残留した排空気と、水素極１２ｂから供給され
る水素が残留した排改質ガスとが供給され、水素と酸素
とを燃焼させて高温の排ガスを生成し、蒸発器３に熱源
として供給する一方、余剰の排ガスを車外へ放出できる
構成となっている。また、燃焼器１７には、その温度を
検出する温度センサ１８が設けられている。

【００４３】本発明に係る燃料改質器の制御装置である
ＥＣＵ４０は、管理温度生成部４１と、空気目標流量お
よび改質ガス目標流量を生成する目標値生成部４２と、
コンプレッサ２から空気が供給される各部の空気流量が
それぞれ目標値となるように非干渉制御する非干渉制御
部４３と、改質反応器１の温度を制御する温度制御部４
４と、運転条件に基づいて改質反応器１内で最も高い温
度であるピーク温度を推定する温度推定手段および温度
測定手段である温度センサ９の取付位置における温度で
ある測定位置温度を推定する測定位置温度推定手段とし
ての温度推定部４５と、測定位置温度推定値と温度測定
値との偏差に基づいて、改質反応器１の劣化の程度を示
す劣化推定値を推定する劣化推定手段としての劣化推定
部４６と、を備えている。このＥＣＵ４０は、例えば、
ＣＰＵと周辺インターフェースを有するマイクロコンピ
ュータで実現される。

【００４４】管理温度生成部４１では、燃焼器１７の出
口に設けられた温度センサ１８が検出する出口ガス温度
が目標ガス温度になるように、それぞれ必要とする要求
空気流量と、要求燃料流量を算出する。

【００４５】管理温度生成部４１で算出した空気要求量
は目標値生成部４２へ入力して、燃料電池システム全体
で必要とする総空気流量を算出する。

【００４６】目標値生成部４２は、コンプレッサ２から
空気が供給される改質反応器１、ＣＯ除去器８及び空気
極１２ａのそれぞれの目標流量を算出するとともに、こ
れら目標流量の合計である空気の目標総流量を算出す
る。また目標値生成部４２は、蒸発器３へ供給する原燃
料であるメタノール及び水の目標流量を算出する。

【００４７】非干渉制御部４３は、改質反応器１、ＣＯ
除去器８及び空気極１２ａにおける空気流量がそれぞれ
目標値となるように、空気流量制御弁６の開度、空気流
量制御弁１０の開度、及びコンプレッサ２の駆動力を制
御し、それぞれの空気流量が他の空気流量に影響されな
いように非干渉制御する。

【００４８】非干渉制御部４３では、目標値生成部４２
で算出した燃料電池システム全体で必要とする空気の目
標総流量を受取り、それぞれの流量センサで測定されて
いる空気の流量の合計が目標総流量になるようにコンプ
レッサ２を制御する。本実施形態では、コンプレッサの
回転数を非干渉制御部４３で他の流量、圧力の制御と非
干渉になるように制御する。

【００４９】燃料電池本体１２の空気極１２ａへの空気
流量は、総空気流量が目標値に制御されて、改質反応器
１への空気流量と、ＣＯ除去器８への空気流量が目標値
に制御されるので、燃料電池本体１２の空気極１２ａの
空気流量制御用のバルブを設置することなしに目標値を
制御することができる。

【００５０】燃料電池本体１２の空気極１２ａ側の圧力
と、水素極１２ｂ側の圧力は非干渉制御部４３で制御す
る。空気極１２ａ側の目標圧力と、水素極１２ｂ側の目
標圧力は、目標値生成部４２で算出され、その目標値を
非干渉制御部４３へ入力して、非干渉制御部４３で、圧
力センサ１５で測定している空気極１２ａ側の圧力が目
標値になるように、圧力調整弁１３の開度を他の空気流
量、圧力の制御と非干渉に制御する。

【００５１】圧力センサ１６で測定している水素極１２
ｂ側の圧力が目標値になるように、圧力調整弁１４の開
度を他の空気流量、圧力の制御と非干渉に制御する。

【００５２】温度制御部４４は改質反応器１の温度制御
器である。温度推定部４５で推定される改質反応器１の
ピーク温度が目標管理温度になるように、フィードバッ
ク制御で改質反応器１へ供給すべき空気の流量を求め
る。

【００５３】また、温度制御部４４は目標値生成部４２
より、改質反応器１へ供給する空気流量の目標値を受け
取っている。温度制御部４４では、これはフィードフォ
ワード項として、温度制御部４４内にあるフィードバッ
ク制御で求めた改質反応器１へ供給すべき空気の流量に
加算する。

【００５４】このようにして算出した改質反応器１へ供
給すべき空気の流量の目標値は、非干渉制御部４３へ送
って非干渉制御部４３が改質反応器１の空気流量を制御
するために、空気流量制御弁６の開度を制御する。

【００５５】温度推定部４５は、改質反応器１内の温度
をモデルを使って、改質反応器１内のピーク温度及び測
定位置温度を推定する。温度推定には、目標値生成部４
２で算出した原燃料（メタノール蒸気及び水蒸気）の目
標流量と、温度センサ７で測定した原燃料の温度と、流
量センサ５で測定した空気流量と、温度センサ４で検出
した空気温度とを運転状態として入力し、改質反応器１
の内部のピーク温度及び測定位置温度を運転条件に応じ
て出力する温度モデル関数を予め記憶しておき、この温
度モデル関数を参照して、改質反応器１の温度推定を行
う。

【００５６】次に、本実施形態で使用する温度モデル関
数の性質を説明する。

【００５７】空気流量を増加させると、改質反応器内の
部分酸化反応が活発になるため改質反応器内温度は上昇
し、逆に空気流量を減少させると温度は下がる。

【００５８】また、空気の温度が上昇すると、空気の持
ち込む熱量が増えるので、改質反応器内温度は上昇し、
逆に空気の温度が低下すると改質反応器内の温度は下が
る。

【００５９】原燃料の流量を増加すると（ただし水とメ
タノール比は一定）、改質反応器内の吸熱反応である水
蒸気改質反応が活発になるため、改質反応器内温度は低
下し、逆に減少させると温度は上がる。

【００６０】また、原燃料の温度が上昇すると、原燃料
の持ち込む熱量が増えるので、改質反応器内温度は上昇
し、逆に原燃料の温度が低下すると改質反応器内の温度
は下がる。

【００６１】また同じ運転条件（改質反応器に供給され
る原燃料の量、原燃料の温度、空気の量、空気の温度）
であっても、改質反応器１の経時劣化が進むと、ピーク
温度が下がるとともにピーク温度が発生する位置が改質
反応器の出口側に近づくように変化する。

【００６２】このように、改質反応器１内の温度は、原
燃料の流量と温度、空気流量と温度に密接な関係がある
ため、改質反応器内の温度は予め実験で得たデータテー
ブルあるいは多変量解析に基づく関数として、予め記憶
しておくことが出来る。

【００６３】本発明の温度推定手段は、改質反応器１の
温度を推定する温度推定部４５であり、以下の機能を有
する。

【００６４】（１）温度推定部４５は、運転条件に基づ
いて、改質反応器１の温度を推定し、温度推定値を算出
する。

【００６５】（２）温度推定部４５は、外気温度センサ
３５より外気温度を取得し、温度推定値を補正する。

【００６６】本発明の劣化推定手段は、改質反応器１の
劣化を推定する劣化推定部４６であり、以下の機能を有
する。

【００６７】（１）劣化推定部４６は温度推定部４５で
推定した改質反応器１の測定位置温度推定値と、実際に
温度センサ９で測定した温度測定値との偏差により劣化
状態を推定する。

【００６８】（２）劣化推定部４６は改質反応器１の劣
化状態を検出し、異常判断が行われた時、情報提供装置
３２により劣化状態をドライバへ情報提供する。本実施
形態では、情報提供装置３２は、インストルメントパネ
ルに設けられたランプであり、劣化状態の異常を検出し
たときにランプを点灯させることにより、異常検出の情
報をドライバへ提供している。

【００６９】（３）劣化推定部４６は発電状態検出装置
３４と充電状態検出装置３１の和と要求トルク検出装置
３３から算出された電圧を比較し、異常劣化を推定す
る。本実施形態では、要求トルク検出装置３３をアクセ
ルペダルと線形関係とし、アクセルペダルストロークを
ドライバ要求トルクとして算出している。

【００７０】負荷２６は燃料電池本体１２に接続されて
いる負荷であり、燃料電池本体１２の余剰電力を後述す
る二次電池２９へ充電する充電器２７、インバータ２
８、二次電池２９が接続されている。

【００７１】インバータ２８は、燃料電池本体１２また
は二次電池２９から供給される直流電力を交流電力に変
換して駆動用モータ３０を駆動させ、車両走行の動力と
して使うことができる。

【００７２】充電状態検出装置３１は、充電器２７によ
る二次電池２９の充電状態を検出するである。本実施形
態では電圧計である。

【００７３】次に、図２のフローチャートを参照して、
温度推定部４５及び劣化推定部４６の動作を詳細に説明
する。

【００７４】まずステップＳ１では、燃料改質システム
が起動初期状態か否かを判断する。

【００７５】本実施形態では、図１の改質反応器１の触
媒が活性温度範囲になっているか、かつ、ＣＯ除去器８
の触媒が活性温度範囲になっているか、という条件に基
づき、もし起動後一度も上記２条件を満たしていなけれ
ば、起動初期状態であると判断し、劣化推定を行なわな
い。

【００７６】次いで、ステップＳ２では、要求トルク検
出装置３３が検出したドライバの要求トルクが過渡状態
にあるか、否かの判断をする。本実施形態では、ドライ
バ要求トルクの変化率がある値以上のとき、過渡状態と
し、前記変化率の算出は、アクセルペダルストローク量
の微分値を変化率として用いる。

【００７７】ステップＳ３では、改質反応器１に供給さ
れる原燃料（メタノールと水）の量、原燃料の温度、空
気の量、空気の温度からなる運転条件、改質反応器１に
設けられた温度センサ９の測定値、外気温度センサ３５
による外気温度の測定値を読み込む。

【００７８】ステップＳ４では、先に読み込んだ運転条
件に基づいて、温度推定部４５が改質反応器１内の最も
高い温度であるピーク温度及び温度センサ９の取付位置
の温度である測定位置温度の温度推定値を算出する。こ
の温度推定値を算出するため、図３に示すような改質反
応器１の温度分布マップを運転条件毎に予め実験で得た
データテーブルとして用意しておく。

【００７９】ステップＳ５では、ステップＳ４で算出し
た温度推定値を、外気温度の測定値を参照して補正す
る。この補正に用いる補正値の算出のために、改質反応
器１内の位置と外気温とから温度補正値を求める図４の
ようなマップを予め実験で求め、記憶しておく。図４が
示すマップの構成は、外気温が高ければ高いほど、補正
温度を上げ、低ければ低いほど補正温度を下げることと
する。また改質反応器１の温度分布に依存した補正マッ
プとなるような構成にした。

【００８０】ステップＳ６では、ステップＳ５で求めた
測定位置温度推定値と温度センサ９の温度測定値との偏
差の過去１００回の移動平均を算出し、これをｅｒｒと
する。

【００８１】ステップＳ１０、Ｓ１６では、Ｓ６で算出
した、ｅｒｒに基づき、異常劣化か経年劣化か正常かを
判断するフローへの分岐を行なう。

【００８２】本実施形態では、図５に示すように、ｃｏ
ｎｓｔ２とｃｏｎｓｔ３という２つの所定値（閾値）と
の比較により、異常劣化、経年劣化、正常判断の処理ル
ーチンの分岐を行なった。

【００８３】ステップＳ１０では、｜ｅｒｒ｜＞ｃｏｎ
ｓｔ３であるか、否かを判定する。ステップＳ１０の条
件が満足されれば、異常劣化と判断してステップＳ２０
へ進む。ステップＳ１０の条件が満足されなければ、ス
テップＳ１１へ進む。

【００８４】ステップＳ１１では、図１の要求トルク検
出装置３３が算出した要求セル電圧Ｖｎと、発電状態検
出装置３４または充電状態検出装置３１が検出した燃料
電池本体１２の実セル電圧Ｖｒを読み込む。

【００８５】ステップＳ１２では、要求セル電圧Ｖｎと
実セル電圧Ｖｒの差分と、ある値ｃｏｎｓｔ５と、を比
較し、その大小関係より、異常劣化か否かを判断する。
もし、要求セル電圧Ｖｎと実セル電圧Ｖｒの差分が、ｃ
ｏｎｓｔ５より大きな値であれば異常劣化として判断す
る。本実施形態では、ｃｏｎｓｔ５＝（Ｖｒ＋Ｖｎ）／
２＊０．５とした。

【００８６】ステップＳ１３では、異常劣化と判断し
て、ＥＣＵ４０内部処理で異常劣化判断結果を記憶す
る。

【００８７】ステップＳ１４では、ステップＳ１２の時
点でシステムが異常と判断されたので、改質反応器１へ
供給する原燃料の量を制限する。本実施形態では、図６
に示すように、ｅｒｒが大きくなればなるほど、供給す
る原燃料の上限値を減少させる構成にした。また、本実
施形態では、要求セル電圧Ｖｎが実セル電圧Ｖｒを超え
ないように、要求セル電圧Ｖｎを変更し、変更された要
求セル電圧に見合う原燃料を供給するように制限をかけ
る。これにより蒸発器３へ供給する原燃料であるメタノ
ールと水の流量をそれぞれ燃料制御装置２２と水流量制
御装置２０により制限するように目標流量を変更する。

【００８８】ステップＳ１５では、情報提供装置３２を
作動させて、改質反応器１の異常劣化をドライバへ情報
提供する。本実施形態では、情報提供装置３２は、運転
席前方のインスツルメントパネル内に設けたランプを点
灯させることにより、燃料改質器の劣化情報を提供して
いる。

【００８９】ステップＳ１６では、｜ｅｒｒ｜＞ｃｏｎ
ｓｔ２であるか否かを判定する。この判定がＹｅｓであ
れば、ステップＳ１７で、ｅｒｒの値は、経年劣化の範
囲であるとして、ＥＣＵ４０内部処理で経年劣化判断結
果を記憶する。

【００９０】次いで、ステップＳ１８で、経年劣化用の
温度推定モデルへ温度推定モデルを切り替える。この温
度推定モデルである図３の改質反応器１の温度分布マッ
プは、ｅｒｒ値が大きくなるほど、改質反応器１のピー
ク温度が低くなると共に、ピーク温度となる改質反応器
内の位置が入口側から出口側へ移動するようなマップで
ある。

【００９１】ステップＳ１６の判断がＮｏであれば、ｅ
ｒｒ値は、正常範囲であるとして、ＥＣＵ４０内部処理
で正常判断結果を記憶し、リターンする。

【００９２】ステップＳ２０では、直前のｅｒｒ値の判
断が異常劣化であったので、異常劣化と判断して、ＥＣ
Ｕ４０内部処理で異常劣化判断結果を記憶する。

【００９３】ステップＳ２１では、ステップＳ１４と同
様に、ステップＳ１０の時点でシステムが異常と判断さ
れたので、改質反応器１へ供給する原燃料の量を制限す
る。具体的な制限方法は、ステップＳ１４で説明したこ
とと同じである。

【００９４】ステップＳ２２では、ステップＳ１５と同
様に、情報提供装置３２を作動させて、改質反応器１の
異常劣化をドライバへ情報提供する。本実施形態では、
情報提供装置３２は、運転席前方のインスツルメントパ
ネル内に設けたランプを点灯させることにより、燃料改
質器の劣化情報を提供している。

【００９５】なお本実施形態の温度推定部４５は、温度
推定にデータテーブルを用いたがこれに限らず、下記の
ように改質反応器１の温度変化をモデル化した関数を用
いて演算を行い、劣化を判定するとともに劣化に応じて
モデルの関数の定数を変更することで劣化後の正しいピ
ーク温度を算出することも出来る。また、以下の各式に
おいて、乗算記号として「＊」を用いて、Ｘとの区別を
明瞭にする。

【００９６】

【数１】 (∂(T)/∂t +(u1+u2+u3)*∂(T)/∂z)*(cp*p) ＝ k1*H1 + K2*H2 - U*A*(T-Tw) …（１）Ｔ：改質反応器内の温度［Ｋ］ u1:空気流速［m/s］空気の流速は、流量センサ５の出力［m3/s］／配管の断
面積［m2］で求まる。

【００９７】u2：メタノールの流速［m/s］。メタノー
ルの場合にも同様にすれば求めることができる。

【００９８】u3：水の流速。水の場合にも同様にすれば
求めることができる。

【００９９】ただし、メタノール、水の流量センサは本
実施形態では使用していないので目標値を使うことにす
る。

【０１００】H1：水とメタノールの反応熱量（吸熱）、
−４９５００［Ｊ/mol］ H2：酸素とメタノールの反応熱量（発熱）、１８９６０
０［Ｊ/mol］ｐ：平均密度［kg/m３］ cp：平均熱容量［Ｊ/(kg*K)] k1=A1*EXP(-E1/RT)*(CH3OH)*(H2O) k2=A2*EXP(-E2/RT)*(CH3OH)*(O2)^0.5 E1,E2は活性化エネルギー定数、A1,A2は頻度係数と呼ば
れる適当な定数である。

【０１０１】[CH3OH]、[H2O]、[O2]は濃度[mol/m3]を表
す。

【０１０２】Ｒ：ガス定数、８．３１４[J/(mol*K)] Ｕ：熱伝達率[J/(K*s*m2)] Ａ：壁の伝熱面積[m2] Tw:反応器外気温度[K](本実施形態では外気温度を測定
してないので固定値とした。）外気温を測定している場合にはその値を使うようにすれ
ばよい。

【０１０３】ｚは空間を表し、ｔは時間を表す。

【０１０４】式（１）をマイコンで計算するために空間
微分を消去する。そのために本実施形態では１次後退差
分を使う。また、改質反応器全体（入口から出口まで）
の長さをＬ[m]として、これを適当なＮ個のサブ領域に
分割する。一つのサブ領域の長さをΔｚとすると、次の
式（２）となる。

【０１０５】

【数２】 Δｚ＝Ｌ／Ｎ …（２）１次の後退差分は、次の式（３）となる。

【０１０６】

【数３】 (∂(T)/∂z)_n=(T_n-T_n-1)/Δｚ …（３）添え字ｎは、Ｎ個に分割したサブ領域のｎ番めのサブ領
域であることを表す。

【０１０７】式（２）を使って式（１）を表すと、次の
式（４）となる。

【０１０８】

【数４】 (d(T_n)/dt +(u1+u2+u3)*(T_n-T_n-1)/Δｚ)*cp*p ＝k1*H1+k2*H2-U*A*(T_n-Tw) [J/s] …（４）本実施形態では、ｎ＝１のとき、T0は、空気、メタノー
ル、水の平均温度とする。空気の温度は温度センサ４の
出力、メタノールと水とは混合して蒸気となっているの
で、温度センサ７の出力を使った。式（３）はエネルギ
ーバランス式であり、これは積分すれば、温度の変化を
表す式として利用できる。

【０１０９】式（３）を計算するためには、

【数５】 k1=A1*EXP(-E1/RT_n)*(CH3OH)*(H2O) k2=A2*EXP(-E2/RT_n)*(CH3OH)*(O2)^0.5 を計算する必要がある。

【０１１０】k1,k2は濃度が分かれば計算できるので、
濃度を次の式で計算する。

【０１１１】

【数６】 d(CH3OH_n)/dt+u1*(CH3OH_n-CH3OH_n-1)/Δz ＝-A1*EXP(-E1/RT_n)*(CH3OH_n)*(H2O_n) d(H2O_n)/dt+u2*(H2O_n-H2O_n-1)/Δz ＝-A1*EXP(-E1/RT_n)*(CH3OH_n)*(H2O_n) d(O2_n)/dt+u3*(O2_n-O2_n-1)/Δz ＝-A2*EXP(-E2/RT_n)*(CH3OH)*(O2)^0.5 …（５）本実施形態では、原燃料であるメタノールと水との流量
を測定する流量センサを備えていないので、目標値生成
部４２で算出しているそれぞれの目標値を使った。原燃
料の流量を測定するセンサを取り付けている場合には、
それらの値を使うようにすればよい。

【０１１２】なお、改質反応器１の全領域についての温
度推定演算を行っても良いが、より効率的には、予め運
転条件に応じてピーク温度が発生する領域を予測してお
き、この領域が改質反応器１の入り口に近い場合には、
上式（４）、（５）を使っても計算回数はそれほど多く
ならないのでそのまま使える。

【０１１３】しかし、ピーク温度領域が改質反応器１の
入り口から遠く、計算回数が多くなる場合には、まず、
荒いΔｚ（式２）でピーク温度領域設定手段で設定した
領域までを上式（４）、（５）を使って計算する。

【０１１４】次にピーク温度領域では、上記計算結果を
初期値とするとともに、細かく分割したΔｚ(式２）で
上式（４）、（５）を使って計算するようにすれば少な
い計算量で正確な推定ができる。なお、荒いΔｚのまま
計算してもよいが、誤差が大きくなるので、ピーク温度
領域設内では細かいΔｚで計算したほうがよい。温度セ
ンサ９が設けられている位置の温度を推定する時も、上
記手法と同様にすればよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料改質器の制御装置が適用され
た燃料電池システムの構成を説明するシステム構成図で
ある。

【図２】改質反応器の劣化推定の動作を説明するフロー
チャートである。

【図３】改質反応器の温度推定で参照する改質反応器内
の温度マップの例を示す図である。

【図４】外気温による改質反応器の温度補正を説明する
図である。

【図５】改質反応器の温度推定値と温度測定値との偏差
による劣化判定基準を説明する図である。

【図６】改質反応器の温度推定値と温度測定値との偏差
による原燃料供給量の上限との関係を説明する図であ
る。

【符号の説明】

１…改質反応器２…コンプレッサ３…蒸発器４…温度センサ５…流量センサ６…空気流量制御弁７…温度センサ８…ＣＯ除去器９…温度センサ１０…空気流量制御弁１１…温度センサ１２…燃料電池本体１３…圧力調整弁１４…圧力調整弁１５…圧力センサ１６…圧力センサ１７…燃焼器１８…温度センサ２０…水流量制御装置２１…水タンク２２…燃料制御装置２３…燃料タンク２４…流量センサ３２…情報提供装置３５…外気温度センサ４０…ＥＣＵ４１…管理温度生成部４２…目標値生成部４３…非干渉制御部４４…温度制御部４５…温度推定部４６…劣化推定部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原燃料を改質して水素を含む燃料ガスを
生成する燃料改質器の制御装置において、改質用の触媒を収納した改質反応器内の温度を測定する
温度測定手段と、前記燃料改質器の運転条件に基づいて前記改質反応器内
の温度のうち少なくとも最も高い温度であるピーク温度
を推定する温度推定手段と、該温度推定手段が推定した温度推定値と前記温度測定手
段による温度測定値との偏差に基づいて、前記改質反応
器の劣化の程度を推定する劣化推定手段と、を備えたことを特徴とする燃料改質器の制御装置。
【請求項２】前記温度推定手段は、前記改質反応器内の前記温度測定手段の取付位置におけ
る温度を推定する測定位置温度推定手段と、該測定位置温度推定手段が推定した測定位置温度推定値
と、前記温度測定手段による温度測定値との偏差に基づ
いて、前記温度推定値を補正する補正手段とを備え、前記劣化推定手段は、前記測定位置温度推定値と前記温
度測定値との偏差に基づいて、前記改質反応器の劣化の
程度を推定することを特徴とする請求項１記載の燃料改
質器の制御装置。
【請求項３】前記温度推定手段は、運転条件と前記劣化の程度に応じた改質反応器の温度特
性を格納した複数の温度特性マップを有し、前記補正手段は、前記測定位置温度推定値と前記温度測定値との偏差に基
づいて前記温度特性マップの選択を変更することを特徴
とする請求項２記載の燃料改質器の制御装置。
【請求項４】前記劣化推定手段は、起動初期状態の時
は劣化推定を行なわないことを特徴とする請求項１ない
し請求項３のいずれか１項記載の燃料改質器の制御装
置。
【請求項５】前記劣化推定手段は、運転過渡状態の時
は劣化推定を行なわないことを特徴とする請求項１ない
し請求項４のいずれか１項記載の燃料改質器の制御装
置。
【請求項６】外気の温度を測定する外気温度測定手段
を備え、前記温度推定手段は、前記外気温度により温度推定値を
補正することを特徴とする請求項１ないし請求項５のい
ずれか１項記載の燃料改質器の制御装置。
【請求項７】前記偏差が第１所定値以上、かつ第２所
定位置以下の範囲の場合、前記劣化推定手段は経年劣化
として判断して、前記補正手段は温度推定方法を正常時
の温度推定方法から経年劣化時の温度推定方法に切り替
えることを特徴とする請求項２記載の燃料改質器の制御
装置。
【請求項８】前記偏差が第２所定値を超える場合、前
記劣化推定手段は異常劣化として判断することを特徴と
する請求項２記載の燃料改質器の制御装置。
【請求項９】異常劣化として判断した時に、燃料改質
器の異常を告知する告知手段を備えたことを特徴とする
請求項８記載の燃料改質器の制御装置。
【請求項１０】前記燃料改質器が改質した燃料ガスを
用いて発電する燃料電池の実セル電圧を検出する電圧検
出器と、燃料電池に対する要求電力に応じた要求セル電圧を算出
する要求電圧算出手段と、前記偏差が第２所定値以下の場合、前記実セル電圧と前
記要求セル電圧との差が第３所定値以上であれば、燃料
改質器の異常を告知する告知手段と、を備えたことを特徴とする請求項２記載の燃料改質器の
制御装置。
【請求項１１】前記劣化推定手段による劣化の程度に
応じて、前記改質反応器に供給する原燃料の量を制御す
ることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれ
か１項記載の燃料改質器の制御装置。