燃料電池システム
【課題】燃料ガスと酸化剤ガスの供給を１台のブロワで行って、改質器に対する原燃料の供給流量と、改質器の改質反応温度を制御することができる改質装置を提供する。
【解決手段】オートサーマル型の改質器４２と、燃料供給路２０から供給される燃料ガスと酸化剤供給路３０から供給される空気とを混合して改質器４２に供給するブロワ４０と、燃料供給路２０流通するガスの流量を変更する流量調節弁２４と、燃料供給路２０からブロワ４０に供給される燃料ガスの流量を求めるガス流量取得手段６２と、改質器４２の温度を検出する改質器温度センサ４５と、燃料ガスの流量が目標流量となるようにブロワ４０の回転速度を制御すると共に、改質器４２の温度が目標温度となるように流量調節弁２４の開度を制御する改質制御手段とを備える。
【解決手段】オートサーマル型の改質器４２と、燃料供給路２０から供給される燃料ガスと酸化剤供給路３０から供給される空気とを混合して改質器４２に供給するブロワ４０と、燃料供給路２０流通するガスの流量を変更する流量調節弁２４と、燃料供給路２０からブロワ４０に供給される燃料ガスの流量を求めるガス流量取得手段６２と、改質器４２の温度を検出する改質器温度センサ４５と、燃料ガスの流量が目標流量となるようにブロワ４０の回転速度を制御すると共に、改質器４２の温度が目標温度となるように流量調節弁２４の開度を制御する改質制御手段とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガス等の燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する改質装置として、燃料ガス用のブロワと酸化剤ガスとしての空気用のブロワを備えて、これらのブロワにより燃料ガス及び空気を改質器に供給し、さらに水を改質器に供給して、部分酸化反応により発生する熱を水蒸気改質反応で用いて、水素リッチな改質ガスを生成するオートサーマル改質（Auto Thermal Reforming: ATR）型の改質装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、オートサーマル改質型の改質装置の制御においては、改質器での改質反応温度を目標温度に維持すると共に、改質器に供給する燃料ガスの流量を目標流量に維持することが要求される。
【０００４】
そこで、従来は、改質器に供給される燃料ガスの流量が目標流量となるように、燃料ガス用のブロワの回転速度を制御すると共に、改質器での改質反応温度が目標温度となるように、空気用のブロワの回転速度を制御していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１５４８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の改質装置は、燃料ガス用のブロワと空気用のブロワという２台のブロワを備えているため、ブロア及びその駆動回路のコストが高くなるという不都合がある。また２台のブロワを同時に作動させることによって騒音が大きくなり、２台のブロワを備えるために改質装置のレイアウト容積が増大するという不都合がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上記不都合を解消するため、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を１台のブロワで行って、改質器に対する燃料ガスの供給流量と、改質器の改質反応温度を制御することができる改質装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、本発明の第１の態様は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成するオートサーマル型の改質器と、燃料供給路から供給される燃料ガスと、酸化剤供給路から供給される酸化剤ガスとを混合して、前記改質器に供給するブロワと、前記燃料供給路又は前記酸化剤供給路に設けられて、前記燃料供給路又は前記酸化剤供給路を流通するガスの流量を変更する流量調節弁と、前記燃料供給路から前記ブロワに供給される燃料ガスの流量を検出する流量検出手段と、前記改質器の温度を検出する改質器温度センサと、前記流量検出手段の検出流量が所定の目標流量となるように、前記ブロワの回転速度を制御すると共に、前記改質器温度センサの検出温度が所定の目標温度となるように、前記流量調節弁の開度を制御する改質制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
かかる本発明によれば、前記ブロワの回転速度を増減することによって、前記燃料供給路から前記改質器に供給される燃料ガスの流量を制御することができる。また、前記流量調節弁の開度を変更することによって、前記燃料供給路から前記改質器に供給される燃料ガスの流量と、前記酸化剤供給路から前記改質器に供給される酸化剤ガスの流量との混合比を変更することができる。そして、この混合比を変更することにより、前記改質器における部分酸化反応での発熱量を増減して、前記改質器の温度を制御することができる。
【００１０】
このように、本発明の第１の態様によれば、１台の前記ブロワと前記流量変換弁を組合わせた構成により、前記燃料供給路から前記改質器に供給される燃料ガスの流量と、前記改質器の温度を制御することができる。そして、この構成により、従来の燃料ガス供給用のブロワと酸化剤ガス供給用のブロワという２台のブロワを備える場合に比べて、ブロワ及びその周辺回路のコストの低減、ブロワの作動音の減少、及び、改質装置のレイアウト容積の減少を図ることができる。
【００１１】
次に、本発明の第２の態様は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成するオートサーマル型の改質器と、燃料供給路から供給される燃料ガスと、酸化剤供給路から供給される酸化剤ガスとを混合して、前記改質器に供給するブロワと、前記燃料供給路又は前記酸化剤供給路に設けられて、前記燃料供給路又は前記酸化剤供給路を流通するガスの流量を変更する流量調節弁と、前記燃料供給路から前記ブロワに供給される燃料ガスの流量を検出する流量検出手段と、前記改質器の温度を検出する改質器温度センサと、前記改質器温度センサの検出温度が所定の目標温度となるように、前記ブロワの回転速度を制御すると共に、前記流量検出手段の検出流量が所定の目標流量となるように、前記流量調節弁の開度を制御する改質制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
かかる本発明によれば、前記ブロワの出力を増減することによって、前記燃料供給路から前記改質器に供給される燃料ガスと前記酸化剤供給路から前記改質器に供給される酸化剤ガスの総流量を増減させ、これにより前記改質器における部分酸化反応での発熱量を増減させて、前記改質器の温度を制御することができる。また、前記流量調節弁の開度を変更することによって、前記燃料供給路から前記改質器に供給される燃料ガスの流量を制御することができる。
【００１３】
このように、本発明の第２の態様によれば、１台の前記ブロワと前記流量変換弁を組合わせた構成により、前記燃料供給路から前記改質器に供給される燃料ガスの流量と、前記改質器の温度を制御することができる。そして、この構成により、燃料ガス供給用のブロワと酸化剤ガス供給用のブロワという２台のブロワを備える場合に比べて、ブロワ及びその周辺回路のコストの低減、ブロワの作動音の減少、及び、改質装置のレイアウト容積の減少を図ることができる。
【００１４】
また、前記第１の態様及び第２態様において、前記流量調節弁は前記燃料供給路に設けられ、前記流量検出手段は、前記流量調節弁の上流側と下流側の間の差圧を検出する差圧検出手段と、前記流量調節弁の開度及び前記流量調節弁の上流側と下流側の差圧と、前記燃料供給路を流れる燃料ガスの流量との相関関係を示す相関データと、前記制御手段により制御されている前記流量調節弁の開度と前記差圧検出手段により検出されている差圧とを前記相間データに適用して、対応する燃料ガスの流量を取得し、該取得した流量を前記燃料ガスの検出流量とするガス流量取得手段とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
かかる本発明によれば、前記ガス流量取得手段は、オリフィスとして機能する前記流量調節弁の上流側と下流側の差圧と前記流量調節弁の開度とにより求めた燃料ガスの流量を、前記燃料ガスの検出流量とする。この場合、前記差圧検出手段は、比較的安価で経時変化や検出値のドリフトも少ない圧力センサを用いて構成することができるため、前記流量検出手段として、高価で経時変化や検出値のドリフトが大きい質量流量計を用いる場合に比べて、安定した燃料ガスの検出が可能な流量検出手段をコストを抑えて構成することができる。
【００１６】
また、前記流量調節弁を流れる燃料ガスの温度を検出する燃料ガス温度センサを備え、前記燃料ガス流量取得手段は、前記相間データへの適用により取得した燃料ガスの流量に対して、前記燃料ガス温度センサにより検出される燃料ガスの温度が高いほど、該流量を少なくする補正を行い、該補正を行った流量を前記燃料ガスの検出流量とすることを特徴とする。
【００１７】
かかる本発明において、前記燃料ガスの温度が高くなるに従って、前記燃料ガスの単位質量あたりの体積が増加する。そのため、前記燃料ガス温度検出手段により検出される燃料ガスの温度が高いほど、燃料ガスの検出流量を少なくする補正を行うことで、前記改質器に対する燃料ガスの供給量の制御をより精度良く行うことができる。
【００１８】
また、前記流量調節弁の上流側の圧力を検出する上流圧力センサを備え、前記燃料ガス流量取得手段は、前記相間データへの適用により取得した燃料ガスの流量に対して、前記上流圧力センサによる検出圧力が高いほど、該流量を多くする補正を行い、該補正を行った流量を前記燃料ガスの検出流量とすることを特徴とする。
【００１９】
かかる本発明において、燃料ガスの供給圧力が高くなるに従って、燃料ガスの単位体積あたりの質量が増加する。そのため、前記上流圧力検出手段により検出される前記流量調節弁の上流側の圧力が高いほど、燃料ガスの検出流量を多くする補正を行うことで、前記改質器に対する燃料ガスの供給量の制御をより精度良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態の改質装置の構成及び作動説明図。
【図２】改質制御手段及びガス流量取得手段の作動フローチャート。
【図３】ガス流量取得手段の作動フローチャート。
【図４】第２実施形態の改質装置の構成及び作動説明図。
【図５】第３実施形態の改質装置の構成及び作動説明図。
【図６】第４実施形態の改質装置の構成及び作動説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の第１実施形態から第４実施形態について、図１〜６を参照して説明する。
【００２２】
［第１の実施形態］
先ず、図１〜図３を参照して、第１実施形態の改質装置について説明する。図１を参照して、第１実施形態の改質装置１０ａは、燃料供給路２０を介して供給される燃料ガス（天然ガス等）と、酸化剤供給路３０を介して供給される酸化剤ガスとしての空気とを混合して混合流路５０に送出するブロワ４０、混合流路５０から供給される燃料ガスと空気の混合ガスに水蒸気を加えて混合燃料を生成する蒸発器４１、蒸発器４１から供給される混合燃料に対して部分酸化反応と水蒸気改質反応に生じさせて水素リッチな改質ガスを生成するオートサーマル改質（Auto Thermal Reforming: ATR）型の改質器４２、及び、改質装置１０ａの全体的な作動を制御するコントローラ６０ａを備えている。
【００２３】
燃料供給路２０には、例えばステッピングモータにより開度が変更される流量調節弁２４と、流量調節弁２４の上流側の圧力を検出する上流圧力センサ２２と、流量調節弁２４の下流側の圧力を検出する下流圧力センサ２３と、燃料供給路２０を流通する燃料ガスの温度を検出する燃料ガス温度センサ２１とが設けられている。ここで、流量調節弁２４はステッピングモータにより開度が変更するものに限られず、開度の調節制御が可能な可変弁であれば何でもよい。
【００２４】
また、酸化剤供給路３０にはオリフィス３１が設けられ、改質器４２には改質器４２の温度（改質触媒の温度等）を検出する改質器温度センサ４５が設けられている。
【００２５】
コントローラ６０ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ等により構成された電子回路ユニットであり、このＣＰＵに改質装置１０ａの制御用プログラムを実行させることによって、コントローラ６０ａが、改質制御手段６１ａ及びガス流量取得手段６３として機能する。
【００２６】
また、コントローラ６０ａのメモリには、上流圧力センサ２２の検出圧力Ｐ1と下流圧力センサ２３の検出圧力Ｐ2の差圧ΔＰ（＝Ｐ1−Ｐ2）及び流量調節弁２４の開度Ｖsと、燃料供給路２０を流れる燃料ガスの流量Ｇfとの相関マップ６３（以下、ΔＰ,Ｖs／Ｇfマップという）のデータ（本発明の流量調節弁の開度及び流量調節弁の上流側と下流側の差圧と、燃料供給路を流れる燃料ガスの流量との相関関係を示す相関データに相当する）が保持されている。なお、上流圧力センサ２２と下流圧力センサ２３とにより、流量調節弁２４の上流側と下流側の差圧を求める構成が、本発明の差圧検出手段に相当する。
【００２７】
次に、図２及び図３に示したフローチャートに従って、改質制御手段６１とガス流量取得手段６２の作動について説明する。
【００２８】
図２のＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ４は、ガス流量取得手段６２による処理である。ガス流量取得手段６２は、ＳＴＥＰ１で、上流圧力センサ２２により流量調節弁２４の上流側の圧力Ｐ1を検出し、流量調節弁２４の下流側の圧力Ｐ2を検出し、燃料ガス温度２１により燃料供給路２０を流通する燃料ガスの温度Ｔ1を検出する。
【００２９】
続くＳＴＥＰ２で、ガス流量取得手段６２は、流量調節弁２４の上流側と下流側の差圧ΔＰ（＝Ｐ1−Ｐ2）と、流量調節弁２４の開度Ｖsとを、図２の(a)で示したΔＰ,Ｖs／Ｇfマップに適用して、対応するガス流量Ｇfを求める。
【００３０】
ΔＰ，Ｖs／Ｇfマップは、実験やコンピュータシミュレーションによるデータに基いて作成されたものであり、各差圧ΔＰ（図では例としてΔＰ＝４．０気圧、ΔＰ＝３．０気圧、ΔＰ＝２．０気圧が示されている）における流量調節弁２４の開度Ｖsと燃料ガスの供給流量Ｇfとの相関曲線が設定されている。ΔＰ＝３．０，Ｖs＝Ｖs1であれば、図示したように、対応するガス流量としてＧf1が求められる。
【００３１】
このように、上流圧力センサ２２と下流圧力センサ２３を用いて燃料ガスの供給流量を検出する場合、圧力センサは検出値のドリフト限度を比較的見積もり易いため、長期的に燃料ガスの供給流量を精度良く検出することができる。また、圧力センサは比較的安価であるため、後述する質量流量計を用いて燃料ガスの供給流量を検出する場合よりも、燃料ガスの供給流量を検出するための構成の低コスト化を図ることができる。
【００３２】
続くＳＴＥＰ３で、ガス流量取得手段６２は、上流圧力センサ２２による流量調節弁２４の上流側の圧力の検出値Ｐ1に応じた燃料ガスの供給流量の圧力補正係数Ｋf1と、燃料ガス温度センサ２１による燃料ガスの検出温度Ｔ1に応じた燃料ガスの供給流量の温度補正係数Ｋf2を決定する。
【００３３】
図２の(b)に示したように、圧力補正係数Ｋf1は、流量調節弁２４の上流側の圧力Ｐ1が１気圧（1013hPa＝760mmHg）であるときに１（補正なし）に設定され、Ｐ1が高いほど圧力補正係数Ｋf1が大きな大きな値に設定される。また、(c)に示したように、温度補正値Ｋf2は、燃料ガスの温度Ｔ1が２０℃であるときに１（補正なし）に設定され、Ｔ1が高いほど温度補正係数Ｋf2が小さい値に設定される。
【００３４】
そして、次のＳＴＥＰ４で、ガス流量取得手段６２は、以下の式（１）により、圧力補正及び温度補正を行った燃料ガスの流量の検出値Ｇfaを算出する。
【００３５】
Ｇfa ＝ Ｇf×Ｋf1×Ｋf2 ・・・・・ （１）
このように、燃料ガスの圧力補正と温度補正を行うことにより、燃料ガスの供給流量をより精度良く検出することができる。
【００３６】
続くＳＴＥＰ５〜ＳＴＥＰ６は、改質制御手段６１ａによる処理である。改質制御手段６１ａは、ＳＴＥＰ４でガス流量取得手段６２により算出された燃料ガスの流量Ｇfaが、予め設定された目標流量Ｇf_targetであるか否かを判断する。そして、燃料ガスの流量Ｇfaが目標流量Ｇf_targetであるとき（Ｇfa＝Ｇf_target）はＳＴＥＰ１に戻り、この場合は、改質制御手段６１は流量調節弁２４の開度を変更しない。
【００３７】
一方、燃料ガスの流量Ｇfaが目標流量Ｇf_targetでないときにはＳＴＥＰ５に進み、改質制御手段６１ａは、燃料ガスの流量Ｇfaが目標流量Ｇf_targetよりも少ないときはブロワ４０の回転速度Ｎmを増加させ、燃料ガスの流量Ｇfaが目標流量Ｇf_targetよりも多いときにはブロワ４０の回転速度Ｎmを減少させる。そして、これにより、改質制御手段６１ａは、燃料ガスの供給流量を目標流量Ｇf_target付近に維持する。
【００３８】
次に、改質制御手段６１ａは、上述した図２のフローチャートによる「燃料ガスの供給流量の制御」と並行して、図３に示したＳＴＥＰ１０〜ＳＴＥＰ１２の処理を実行する。図３の処理は、「改質器４２の温度制御」を行うものである。
【００３９】
改質制御手段６１ａは、図３のＳＴＥＰ１０で、改質器温度センサ４５により検出される改質装置４２の温度Ｔ2が、目標温度Ｔ2_targetとなっているか否かを判断する。そして、改質装置４２の温度Ｔ2が目標温度Ｔ2_targetになっている（Ｔ2＝Ｔ2_targert）ときはＳＴＥＰ１０に戻り、この場合は、改質制御手段６１ａは流量調節弁２４の開度を変更しない。
【００４０】
一方、改質器４２の温度Ｔ1が目標温度Ｔ1_targetでないときはＳＴＥＰ１１に進む。そして、改質制御手段６１ａは、改質器４２の温度Ｔ1が目標温度Ｔ1_targetよりも高いときは流量調節弁２４の開度を増大させ、改質器４２の温度Ｔ1が目標温度Ｔ1_targetよりも低いときには流量調節弁２４の開度を減少させる。
【００４１】
ここで、ブロワ４０の回転速度が一定である状態で流量調節弁２４の開度を増大させると、燃料供給路２０からの燃料ガスの供給流量が増加すると共に、酸化剤供給路３０からの空気の供給流量が減少する。そのため、ブロワ４０から蒸発器４１を介して改質器４２に供給される混合燃料中の空気の割合が減少して、改質器４２における部分酸化反応が抑制され、改質器４２の温度を下げる作用が生じる。
【００４２】
また、ブロワ４０の回転速度が一定である状態で流量調節弁２４の開度を減少させると、燃料供給路２０からの燃料ガスの供給流量が減少すると共に、酸化剤供給路からの空気の供給流量が増加する。そのため、ブロワ４０から蒸発器４１を介して改質器４２に供給される混合燃料中の空気の割合が増加して、改質器４２における部分酸化反応が促進され、改質器４２の温度を上げる作用が生じる。
【００４３】
このように、改質制御手段６１ａは、図２のフローチャートにより、ブロワ４０の回転速度の変更による「燃料ガスの供給流量の制御」を行うと共に、図３のフローチャートにより、流量調節弁２４の開度の変更による「改質器４２の温度制御」を行う。
【００４４】
そして、改質制御手段６１ａによる「燃料ガスの供給量の制御」と「改質器４２の温度制御」は、図１に示したように、１台のブロワ４０と流量調節弁２４とを組み合わせた構成により実現することができる。そのため、燃料ガス供給用のブロワと空気供給用のブロワを個別に備えた従来の改質器に対して、補機のコストの低減、ブロワの作動音の低減、機器レイアウト性の向上を図ることができる。
【００４５】
また、一般に、ブロワ４０よりも流量調節弁２４の方が応答性が高いため、燃料ガスの供給流量の増減時における改質器の過渡的な制御性を向上させることができる。さらに、燃料ガスと改質空気をブロワ４０の吸引側で混合させるため、ブロワ４０内での攪拌の効果が得られる。そのため、ブロワ４０の吐出側にガスミキサ等の混合・攪拌器を別途設ける必要がなくなり、改質装置１０ａの構成を簡素化することができる。
【００４６】
なお、第１実施形態においては、図２のＳＴＥＰ３，４で燃料ガスの供給流量の圧力補正と温度補正を行ったが、これらの補正を行わない場合、及び圧力補正と温度補正のうちにいずれか一方のみを行う場合にも本発明の効果を得ることができる。
【００４７】
また、上流圧力センサ２２と、下流圧量センサ２３と、ΔＰ,Ｖs／Ｇfマップのデータと、ガス流量取得手段６２とにより、本発明の流量検出手段が構成されている。
【００４８】
［第２実施形態］
次に、図４を参照して、本発明の改質装置の第２実施形態について説明する。第２実施形態の改質装置１０ｂのハード構成は、上述した第１実施形態の改質装置１０ａと同様であるため、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４９】
また、ガス流量取得手段６２による燃料ガスの供給流量Ｇfaの算出手順も、第１実施形態と同様であり、改質制御手段６１ｂによる「燃料ガスの供給流量の制御」と「改質器４２の温度制御」の処理のみが、第１実施形態の改質制御手段６１ａと相違する。以下、改質制御手段６１ｂによる「燃料ガスの供給流量の制御」と「改質器４２の温度制御」の処理について説明する。
【００５０】
改質制御手段６１ｂは、ガス流量取得手段６２により求められた燃料ガスの供給流量Ｇfaと、温度センサ４５により検出される改質器４２の温度Ｔ2とを監視する。そして、燃料ガスの供給流量Ｇfaが目標流量Ｇf_targetとなるように、流量調節弁２４の開度Ｖsを変更して「燃料ガスの供給流量の制御」を行う。
【００５１】
すなわち、改質制御手段６１ｂは、燃料ガスの供給流量Ｇfaが目標流量Ｇf_targetよりも少ないとき（Ｇfa＜Ｇf_target）は、流量調節弁２４の開度Ｖsを増大させる。また、燃料ガスの供給流量Ｇfaが目標流量Ｇf_targetよりも多いとき（Ｇf_target＜Ｇfa）には、改質制御手段６１ｂは、流量調節弁２４の開度Ｖsを減少させる。
【００５２】
また、改質制御手段６１ｂは、改質器温度センサ４５により検出される改質器４２の温度Ｔ2が目標改質器温度Ｔ2_targetとなるように、ブロワ４０の回転速度Ｎmを変更して「改質器４２の温度制御」を行う。
【００５３】
すなわち、改質制御手段６１ｂは、改質器４２の温度Ｔ2が目標改質器温度Ｔ2_targetよりも高いとき（Ｔ2_target＜Ｔ2）はブロワ４０の回転速度を下げ、これにより改質器４２に供給される燃料ガス及び空気の量を減少させて、部分酸化反応による発熱量を減少させる。
【００５４】
また、改質器４２の温度Ｔ2が目標改質器温度Ｔ2_targetよりも低いとき（Ｔ2＜Ｔ2_target）には、改質制御手段６１ｂは、ブロワ４０の回転速度を下げ、これにより改質器４２に供給される燃料ガス及び空気の量を増加させて、部分酸化反応による発熱量を増大させる。
【００５５】
［第３実施形態］
次に、図５を参照して、本発明の改質装置の第３実施形態について説明する。第３実施形態の改質装置１０ｃは、上述した第１実施形態の改質装置１０ａに対して、燃料ガスの流量を質量流量計７０（本発明の流量検出手段に相当する）を用いて検出している点が相違する。
【００５６】
そのため、改質装置１０ｃは、上流圧力センサ２２、下流圧力センサ２３、燃料ガス温度センサ２１、ガス流量取得手段６２、及び、ΔＰ,Ｖs／Ｇfマップ６３のデータを備えていない。なお、その他のハード構成は、第１実施形態の改質装置１０ａと同様であるため、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５７】
改質装置１０ｃにおいては、改質制御手段６１ｃは、質量流量計７０により検出される燃料ガスの供給流量Ｇfsと、温度センサ４５により検出される改質器４２の温度Ｔ2とを監視する。そして、改質制御手段６１ｃは、燃料ガスの供給流量Ｇfsが目標流量Ｇf_targetとなるように、流量調節弁２４の開度Ｖsを変更して「燃料ガスの供給流量の制御」を実行する。
【００５８】
すなわち、改質制御手段６１ｃは、燃料ガスの供給流量Ｇfsが目標流量Ｇf_targetよりも少ないとき（Ｇfs＜Ｇf_target）は、ブロワ４０の回転速度Ｎmを増加させる。また、燃料ガスの供給流量Ｇfsが目標流量Ｇf_targetよりも多いとき（Ｇf_target＜Ｇfs）には、改質制御手段６１ｃは、ブロワ４０の回転速度Ｎmを減少させる。
【００５９】
また、改質制御手段６１ｃは、改質器温度センサ４５により検出される改質器４２の温度Ｔ2が目標改質器温度Ｔ2_targetとなるように、流量調節弁２４の開度を変更して「改質器４２の温度制御」を行う。
【００６０】
すなわち、改質制御手段６１ｃは、改質器４２の温度Ｔ2が目標改質器温度Ｔ2_targetよりも高いとき（Ｔ2_target＜Ｔ2）は流量調節弁２４の開度を増大させて燃料ガスの供給流量を増加させると共に空気の供給流量を減少させ、これにより改質器４２における部分酸化反応を抑制して改質器４２の温度を低下させる。
【００６１】
また、改質器４２の温度Ｔ2が目標改質器温度Ｔ2_targetよりも低いとき（Ｔ2＜Ｔ2_target）には、改質制御手段６１ｂは、流量調節弁２４の開度を減少させて燃料ガスの供給流量を減少させると共に空気の供給流量を増加させ、これにより改質器４２における部分酸化反応を促進して改質器４２の温度を上昇させる。
【００６２】
［第４実施形態］
次に、図６を参照して、本発明の改質装置の第４実施形態について説明する。第４実施形態の改質装置１０ｄは、上述した第２実施形態の改質装置１０ｂに対して、燃料ガスの流量を質量流量計７０（本発明の流量検出手段に相当する）を用いて検出している点が相違する。
【００６３】
そのため、改質装置１０ｄは、上流圧力センサ２２、下流圧力センサ２３、燃料ガス温度センサ２１、ガス流量取得手段６２、及び、ΔＰ,Ｖs／Ｇfマップ６３のデータを備えて備えていない。なお、その他のハード構成は第２実施形態の改質装置１０ｂと同様であるため、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６４】
改質装置１０ｄにおいては、改質制御手段６１ｄは、流量計７０により検出される燃料ガスの供給流量Ｇfsと、温度センサ４５により検出される改質器４２の温度Ｔ2とを監視する。そして、改質制御手段６１は、燃料ガスの供給流量Ｇfsが目標流量Ｇf_targetとなるように、ブロワ４０の回転速度Ｎmを変更して「燃料ガスの供給流量の制御」を実行する。
【００６５】
すなわち、改質制御手段６１ｄは、燃料ガスの供給流量Ｇfsが目標流量Ｇf_targetよりも少ないとき（Ｇfs＜Ｇf_target）は、流量調節弁２４の開度Ｖmを増大させる。また、燃料ガスの供給流量Ｇfsが目標流量Ｇf_targetよりも多いとき（Ｇf_target＜Ｇfs）には、改質制御手段６１ｄは、流量調節弁２４の開度Ｖmを減少させる。
【００６６】
また、改質制御手段６１ｄは、改質器温度センサ４５により検出される改質器４２の温度Ｔ2が目標改質器温度Ｔ2_targetとなるように、ブロワ４０の回転速度Ｎmを変更して「改質器４２の温度制御」を行う。
【００６７】
すなわち、改質制御手段６１ｄは、改質器４２の温度Ｔ2が目標改質器温度Ｔ2_targetよりも高いとき（Ｔ2_target＜Ｔ2）はブロワ４０の回転速度Ｎmを減少させて燃料ガスと空気の供給流量を減少させ、これにより改質器４２における部分酸化反応を抑制して改質器４２の温度を低下させる。
【００６８】
また、改質器４２の温度Ｔ2が目標改質器温度Ｔ2_targetよりも低いとき（Ｔ2＜Ｔ2_target）には、改質制御手段６１ｄは、流量調節弁２４の開度Ｖsを減少させて燃料ガスの供給流量を減少させると共に空気の供給流量を増加させ、これにより改質器４２における部分酸化反応を促進して改質器４２の温度を上昇させる。
【符号の説明】
【００６９】
１０ａ〜１０ｄ…改質装置、２１…燃料ガス温度センサ、２２…上流圧力センサ、２３…下流圧力センサ、２４…流量調節弁、４０…ブロワ、４２…改質器、４５…改質器温度センサ、６０ａ〜６０ｄ…コントローラ、６１ａ〜６１ｄ…改質制御手段、６２…ガス流量取得手段、６３…差圧，弁開度／ガス流量相関マップ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガス等の燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する改質装置として、燃料ガス用のブロワと酸化剤ガスとしての空気用のブロワを備えて、これらのブロワにより燃料ガス及び空気を改質器に供給し、さらに水を改質器に供給して、部分酸化反応により発生する熱を水蒸気改質反応で用いて、水素リッチな改質ガスを生成するオートサーマル改質（Auto Thermal Reforming: ATR）型の改質装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、オートサーマル改質型の改質装置の制御においては、改質器での改質反応温度を目標温度に維持すると共に、改質器に供給する燃料ガスの流量を目標流量に維持することが要求される。
【０００４】
そこで、従来は、改質器に供給される燃料ガスの流量が目標流量となるように、燃料ガス用のブロワの回転速度を制御すると共に、改質器での改質反応温度が目標温度となるように、空気用のブロワの回転速度を制御していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１５４８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の改質装置は、燃料ガス用のブロワと空気用のブロワという２台のブロワを備えているため、ブロア及びその駆動回路のコストが高くなるという不都合がある。また２台のブロワを同時に作動させることによって騒音が大きくなり、２台のブロワを備えるために改質装置のレイアウト容積が増大するという不都合がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上記不都合を解消するため、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を１台のブロワで行って、改質器に対する燃料ガスの供給流量と、改質器の改質反応温度を制御することができる改質装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、本発明の第１の態様は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成するオートサーマル型の改質器と、燃料供給路から供給される燃料ガスと、酸化剤供給路から供給される酸化剤ガスとを混合して、前記改質器に供給するブロワと、前記燃料供給路又は前記酸化剤供給路に設けられて、前記燃料供給路又は前記酸化剤供給路を流通するガスの流量を変更する流量調節弁と、前記燃料供給路から前記ブロワに供給される燃料ガスの流量を検出する流量検出手段と、前記改質器の温度を検出する改質器温度センサと、前記流量検出手段の検出流量が所定の目標流量となるように、前記ブロワの回転速度を制御すると共に、前記改質器温度センサの検出温度が所定の目標温度となるように、前記流量調節弁の開度を制御する改質制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
かかる本発明によれば、前記ブロワの回転速度を増減することによって、前記燃料供給路から前記改質器に供給される燃料ガスの流量を制御することができる。また、前記流量調節弁の開度を変更することによって、前記燃料供給路から前記改質器に供給される燃料ガスの流量と、前記酸化剤供給路から前記改質器に供給される酸化剤ガスの流量との混合比を変更することができる。そして、この混合比を変更することにより、前記改質器における部分酸化反応での発熱量を増減して、前記改質器の温度を制御することができる。
【００１０】
このように、本発明の第１の態様によれば、１台の前記ブロワと前記流量変換弁を組合わせた構成により、前記燃料供給路から前記改質器に供給される燃料ガスの流量と、前記改質器の温度を制御することができる。そして、この構成により、従来の燃料ガス供給用のブロワと酸化剤ガス供給用のブロワという２台のブロワを備える場合に比べて、ブロワ及びその周辺回路のコストの低減、ブロワの作動音の減少、及び、改質装置のレイアウト容積の減少を図ることができる。
【００１１】
次に、本発明の第２の態様は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成するオートサーマル型の改質器と、燃料供給路から供給される燃料ガスと、酸化剤供給路から供給される酸化剤ガスとを混合して、前記改質器に供給するブロワと、前記燃料供給路又は前記酸化剤供給路に設けられて、前記燃料供給路又は前記酸化剤供給路を流通するガスの流量を変更する流量調節弁と、前記燃料供給路から前記ブロワに供給される燃料ガスの流量を検出する流量検出手段と、前記改質器の温度を検出する改質器温度センサと、前記改質器温度センサの検出温度が所定の目標温度となるように、前記ブロワの回転速度を制御すると共に、前記流量検出手段の検出流量が所定の目標流量となるように、前記流量調節弁の開度を制御する改質制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
かかる本発明によれば、前記ブロワの出力を増減することによって、前記燃料供給路から前記改質器に供給される燃料ガスと前記酸化剤供給路から前記改質器に供給される酸化剤ガスの総流量を増減させ、これにより前記改質器における部分酸化反応での発熱量を増減させて、前記改質器の温度を制御することができる。また、前記流量調節弁の開度を変更することによって、前記燃料供給路から前記改質器に供給される燃料ガスの流量を制御することができる。
【００１３】
このように、本発明の第２の態様によれば、１台の前記ブロワと前記流量変換弁を組合わせた構成により、前記燃料供給路から前記改質器に供給される燃料ガスの流量と、前記改質器の温度を制御することができる。そして、この構成により、燃料ガス供給用のブロワと酸化剤ガス供給用のブロワという２台のブロワを備える場合に比べて、ブロワ及びその周辺回路のコストの低減、ブロワの作動音の減少、及び、改質装置のレイアウト容積の減少を図ることができる。
【００１４】
また、前記第１の態様及び第２態様において、前記流量調節弁は前記燃料供給路に設けられ、前記流量検出手段は、前記流量調節弁の上流側と下流側の間の差圧を検出する差圧検出手段と、前記流量調節弁の開度及び前記流量調節弁の上流側と下流側の差圧と、前記燃料供給路を流れる燃料ガスの流量との相関関係を示す相関データと、前記制御手段により制御されている前記流量調節弁の開度と前記差圧検出手段により検出されている差圧とを前記相間データに適用して、対応する燃料ガスの流量を取得し、該取得した流量を前記燃料ガスの検出流量とするガス流量取得手段とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
かかる本発明によれば、前記ガス流量取得手段は、オリフィスとして機能する前記流量調節弁の上流側と下流側の差圧と前記流量調節弁の開度とにより求めた燃料ガスの流量を、前記燃料ガスの検出流量とする。この場合、前記差圧検出手段は、比較的安価で経時変化や検出値のドリフトも少ない圧力センサを用いて構成することができるため、前記流量検出手段として、高価で経時変化や検出値のドリフトが大きい質量流量計を用いる場合に比べて、安定した燃料ガスの検出が可能な流量検出手段をコストを抑えて構成することができる。
【００１６】
また、前記流量調節弁を流れる燃料ガスの温度を検出する燃料ガス温度センサを備え、前記燃料ガス流量取得手段は、前記相間データへの適用により取得した燃料ガスの流量に対して、前記燃料ガス温度センサにより検出される燃料ガスの温度が高いほど、該流量を少なくする補正を行い、該補正を行った流量を前記燃料ガスの検出流量とすることを特徴とする。
【００１７】
かかる本発明において、前記燃料ガスの温度が高くなるに従って、前記燃料ガスの単位質量あたりの体積が増加する。そのため、前記燃料ガス温度検出手段により検出される燃料ガスの温度が高いほど、燃料ガスの検出流量を少なくする補正を行うことで、前記改質器に対する燃料ガスの供給量の制御をより精度良く行うことができる。
【００１８】
また、前記流量調節弁の上流側の圧力を検出する上流圧力センサを備え、前記燃料ガス流量取得手段は、前記相間データへの適用により取得した燃料ガスの流量に対して、前記上流圧力センサによる検出圧力が高いほど、該流量を多くする補正を行い、該補正を行った流量を前記燃料ガスの検出流量とすることを特徴とする。
【００１９】
かかる本発明において、燃料ガスの供給圧力が高くなるに従って、燃料ガスの単位体積あたりの質量が増加する。そのため、前記上流圧力検出手段により検出される前記流量調節弁の上流側の圧力が高いほど、燃料ガスの検出流量を多くする補正を行うことで、前記改質器に対する燃料ガスの供給量の制御をより精度良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態の改質装置の構成及び作動説明図。
【図２】改質制御手段及びガス流量取得手段の作動フローチャート。
【図３】ガス流量取得手段の作動フローチャート。
【図４】第２実施形態の改質装置の構成及び作動説明図。
【図５】第３実施形態の改質装置の構成及び作動説明図。
【図６】第４実施形態の改質装置の構成及び作動説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の第１実施形態から第４実施形態について、図１〜６を参照して説明する。
【００２２】
［第１の実施形態］
先ず、図１〜図３を参照して、第１実施形態の改質装置について説明する。図１を参照して、第１実施形態の改質装置１０ａは、燃料供給路２０を介して供給される燃料ガス（天然ガス等）と、酸化剤供給路３０を介して供給される酸化剤ガスとしての空気とを混合して混合流路５０に送出するブロワ４０、混合流路５０から供給される燃料ガスと空気の混合ガスに水蒸気を加えて混合燃料を生成する蒸発器４１、蒸発器４１から供給される混合燃料に対して部分酸化反応と水蒸気改質反応に生じさせて水素リッチな改質ガスを生成するオートサーマル改質（Auto Thermal Reforming: ATR）型の改質器４２、及び、改質装置１０ａの全体的な作動を制御するコントローラ６０ａを備えている。
【００２３】
燃料供給路２０には、例えばステッピングモータにより開度が変更される流量調節弁２４と、流量調節弁２４の上流側の圧力を検出する上流圧力センサ２２と、流量調節弁２４の下流側の圧力を検出する下流圧力センサ２３と、燃料供給路２０を流通する燃料ガスの温度を検出する燃料ガス温度センサ２１とが設けられている。ここで、流量調節弁２４はステッピングモータにより開度が変更するものに限られず、開度の調節制御が可能な可変弁であれば何でもよい。
【００２４】
また、酸化剤供給路３０にはオリフィス３１が設けられ、改質器４２には改質器４２の温度（改質触媒の温度等）を検出する改質器温度センサ４５が設けられている。
【００２５】
コントローラ６０ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ等により構成された電子回路ユニットであり、このＣＰＵに改質装置１０ａの制御用プログラムを実行させることによって、コントローラ６０ａが、改質制御手段６１ａ及びガス流量取得手段６３として機能する。
【００２６】
また、コントローラ６０ａのメモリには、上流圧力センサ２２の検出圧力Ｐ1と下流圧力センサ２３の検出圧力Ｐ2の差圧ΔＰ（＝Ｐ1−Ｐ2）及び流量調節弁２４の開度Ｖsと、燃料供給路２０を流れる燃料ガスの流量Ｇfとの相関マップ６３（以下、ΔＰ,Ｖs／Ｇfマップという）のデータ（本発明の流量調節弁の開度及び流量調節弁の上流側と下流側の差圧と、燃料供給路を流れる燃料ガスの流量との相関関係を示す相関データに相当する）が保持されている。なお、上流圧力センサ２２と下流圧力センサ２３とにより、流量調節弁２４の上流側と下流側の差圧を求める構成が、本発明の差圧検出手段に相当する。
【００２７】
次に、図２及び図３に示したフローチャートに従って、改質制御手段６１とガス流量取得手段６２の作動について説明する。
【００２８】
図２のＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ４は、ガス流量取得手段６２による処理である。ガス流量取得手段６２は、ＳＴＥＰ１で、上流圧力センサ２２により流量調節弁２４の上流側の圧力Ｐ1を検出し、流量調節弁２４の下流側の圧力Ｐ2を検出し、燃料ガス温度２１により燃料供給路２０を流通する燃料ガスの温度Ｔ1を検出する。
【００２９】
続くＳＴＥＰ２で、ガス流量取得手段６２は、流量調節弁２４の上流側と下流側の差圧ΔＰ（＝Ｐ1−Ｐ2）と、流量調節弁２４の開度Ｖsとを、図２の(a)で示したΔＰ,Ｖs／Ｇfマップに適用して、対応するガス流量Ｇfを求める。
【００３０】
ΔＰ，Ｖs／Ｇfマップは、実験やコンピュータシミュレーションによるデータに基いて作成されたものであり、各差圧ΔＰ（図では例としてΔＰ＝４．０気圧、ΔＰ＝３．０気圧、ΔＰ＝２．０気圧が示されている）における流量調節弁２４の開度Ｖsと燃料ガスの供給流量Ｇfとの相関曲線が設定されている。ΔＰ＝３．０，Ｖs＝Ｖs1であれば、図示したように、対応するガス流量としてＧf1が求められる。
【００３１】
このように、上流圧力センサ２２と下流圧力センサ２３を用いて燃料ガスの供給流量を検出する場合、圧力センサは検出値のドリフト限度を比較的見積もり易いため、長期的に燃料ガスの供給流量を精度良く検出することができる。また、圧力センサは比較的安価であるため、後述する質量流量計を用いて燃料ガスの供給流量を検出する場合よりも、燃料ガスの供給流量を検出するための構成の低コスト化を図ることができる。
【００３２】
続くＳＴＥＰ３で、ガス流量取得手段６２は、上流圧力センサ２２による流量調節弁２４の上流側の圧力の検出値Ｐ1に応じた燃料ガスの供給流量の圧力補正係数Ｋf1と、燃料ガス温度センサ２１による燃料ガスの検出温度Ｔ1に応じた燃料ガスの供給流量の温度補正係数Ｋf2を決定する。
【００３３】
図２の(b)に示したように、圧力補正係数Ｋf1は、流量調節弁２４の上流側の圧力Ｐ1が１気圧（1013hPa＝760mmHg）であるときに１（補正なし）に設定され、Ｐ1が高いほど圧力補正係数Ｋf1が大きな大きな値に設定される。また、(c)に示したように、温度補正値Ｋf2は、燃料ガスの温度Ｔ1が２０℃であるときに１（補正なし）に設定され、Ｔ1が高いほど温度補正係数Ｋf2が小さい値に設定される。
【００３４】
そして、次のＳＴＥＰ４で、ガス流量取得手段６２は、以下の式（１）により、圧力補正及び温度補正を行った燃料ガスの流量の検出値Ｇfaを算出する。
【００３５】
Ｇfa ＝ Ｇf×Ｋf1×Ｋf2 ・・・・・ （１）
このように、燃料ガスの圧力補正と温度補正を行うことにより、燃料ガスの供給流量をより精度良く検出することができる。
【００３６】
続くＳＴＥＰ５〜ＳＴＥＰ６は、改質制御手段６１ａによる処理である。改質制御手段６１ａは、ＳＴＥＰ４でガス流量取得手段６２により算出された燃料ガスの流量Ｇfaが、予め設定された目標流量Ｇf_targetであるか否かを判断する。そして、燃料ガスの流量Ｇfaが目標流量Ｇf_targetであるとき（Ｇfa＝Ｇf_target）はＳＴＥＰ１に戻り、この場合は、改質制御手段６１は流量調節弁２４の開度を変更しない。
【００３７】
一方、燃料ガスの流量Ｇfaが目標流量Ｇf_targetでないときにはＳＴＥＰ５に進み、改質制御手段６１ａは、燃料ガスの流量Ｇfaが目標流量Ｇf_targetよりも少ないときはブロワ４０の回転速度Ｎmを増加させ、燃料ガスの流量Ｇfaが目標流量Ｇf_targetよりも多いときにはブロワ４０の回転速度Ｎmを減少させる。そして、これにより、改質制御手段６１ａは、燃料ガスの供給流量を目標流量Ｇf_target付近に維持する。
【００３８】
次に、改質制御手段６１ａは、上述した図２のフローチャートによる「燃料ガスの供給流量の制御」と並行して、図３に示したＳＴＥＰ１０〜ＳＴＥＰ１２の処理を実行する。図３の処理は、「改質器４２の温度制御」を行うものである。
【００３９】
改質制御手段６１ａは、図３のＳＴＥＰ１０で、改質器温度センサ４５により検出される改質装置４２の温度Ｔ2が、目標温度Ｔ2_targetとなっているか否かを判断する。そして、改質装置４２の温度Ｔ2が目標温度Ｔ2_targetになっている（Ｔ2＝Ｔ2_targert）ときはＳＴＥＰ１０に戻り、この場合は、改質制御手段６１ａは流量調節弁２４の開度を変更しない。
【００４０】
一方、改質器４２の温度Ｔ1が目標温度Ｔ1_targetでないときはＳＴＥＰ１１に進む。そして、改質制御手段６１ａは、改質器４２の温度Ｔ1が目標温度Ｔ1_targetよりも高いときは流量調節弁２４の開度を増大させ、改質器４２の温度Ｔ1が目標温度Ｔ1_targetよりも低いときには流量調節弁２４の開度を減少させる。
【００４１】
ここで、ブロワ４０の回転速度が一定である状態で流量調節弁２４の開度を増大させると、燃料供給路２０からの燃料ガスの供給流量が増加すると共に、酸化剤供給路３０からの空気の供給流量が減少する。そのため、ブロワ４０から蒸発器４１を介して改質器４２に供給される混合燃料中の空気の割合が減少して、改質器４２における部分酸化反応が抑制され、改質器４２の温度を下げる作用が生じる。
【００４２】
また、ブロワ４０の回転速度が一定である状態で流量調節弁２４の開度を減少させると、燃料供給路２０からの燃料ガスの供給流量が減少すると共に、酸化剤供給路からの空気の供給流量が増加する。そのため、ブロワ４０から蒸発器４１を介して改質器４２に供給される混合燃料中の空気の割合が増加して、改質器４２における部分酸化反応が促進され、改質器４２の温度を上げる作用が生じる。
【００４３】
このように、改質制御手段６１ａは、図２のフローチャートにより、ブロワ４０の回転速度の変更による「燃料ガスの供給流量の制御」を行うと共に、図３のフローチャートにより、流量調節弁２４の開度の変更による「改質器４２の温度制御」を行う。
【００４４】
そして、改質制御手段６１ａによる「燃料ガスの供給量の制御」と「改質器４２の温度制御」は、図１に示したように、１台のブロワ４０と流量調節弁２４とを組み合わせた構成により実現することができる。そのため、燃料ガス供給用のブロワと空気供給用のブロワを個別に備えた従来の改質器に対して、補機のコストの低減、ブロワの作動音の低減、機器レイアウト性の向上を図ることができる。
【００４５】
また、一般に、ブロワ４０よりも流量調節弁２４の方が応答性が高いため、燃料ガスの供給流量の増減時における改質器の過渡的な制御性を向上させることができる。さらに、燃料ガスと改質空気をブロワ４０の吸引側で混合させるため、ブロワ４０内での攪拌の効果が得られる。そのため、ブロワ４０の吐出側にガスミキサ等の混合・攪拌器を別途設ける必要がなくなり、改質装置１０ａの構成を簡素化することができる。
【００４６】
なお、第１実施形態においては、図２のＳＴＥＰ３，４で燃料ガスの供給流量の圧力補正と温度補正を行ったが、これらの補正を行わない場合、及び圧力補正と温度補正のうちにいずれか一方のみを行う場合にも本発明の効果を得ることができる。
【００４７】
また、上流圧力センサ２２と、下流圧量センサ２３と、ΔＰ,Ｖs／Ｇfマップのデータと、ガス流量取得手段６２とにより、本発明の流量検出手段が構成されている。
【００４８】
［第２実施形態］
次に、図４を参照して、本発明の改質装置の第２実施形態について説明する。第２実施形態の改質装置１０ｂのハード構成は、上述した第１実施形態の改質装置１０ａと同様であるため、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４９】
また、ガス流量取得手段６２による燃料ガスの供給流量Ｇfaの算出手順も、第１実施形態と同様であり、改質制御手段６１ｂによる「燃料ガスの供給流量の制御」と「改質器４２の温度制御」の処理のみが、第１実施形態の改質制御手段６１ａと相違する。以下、改質制御手段６１ｂによる「燃料ガスの供給流量の制御」と「改質器４２の温度制御」の処理について説明する。
【００５０】
改質制御手段６１ｂは、ガス流量取得手段６２により求められた燃料ガスの供給流量Ｇfaと、温度センサ４５により検出される改質器４２の温度Ｔ2とを監視する。そして、燃料ガスの供給流量Ｇfaが目標流量Ｇf_targetとなるように、流量調節弁２４の開度Ｖsを変更して「燃料ガスの供給流量の制御」を行う。
【００５１】
すなわち、改質制御手段６１ｂは、燃料ガスの供給流量Ｇfaが目標流量Ｇf_targetよりも少ないとき（Ｇfa＜Ｇf_target）は、流量調節弁２４の開度Ｖsを増大させる。また、燃料ガスの供給流量Ｇfaが目標流量Ｇf_targetよりも多いとき（Ｇf_target＜Ｇfa）には、改質制御手段６１ｂは、流量調節弁２４の開度Ｖsを減少させる。
【００５２】
また、改質制御手段６１ｂは、改質器温度センサ４５により検出される改質器４２の温度Ｔ2が目標改質器温度Ｔ2_targetとなるように、ブロワ４０の回転速度Ｎmを変更して「改質器４２の温度制御」を行う。
【００５３】
すなわち、改質制御手段６１ｂは、改質器４２の温度Ｔ2が目標改質器温度Ｔ2_targetよりも高いとき（Ｔ2_target＜Ｔ2）はブロワ４０の回転速度を下げ、これにより改質器４２に供給される燃料ガス及び空気の量を減少させて、部分酸化反応による発熱量を減少させる。
【００５４】
また、改質器４２の温度Ｔ2が目標改質器温度Ｔ2_targetよりも低いとき（Ｔ2＜Ｔ2_target）には、改質制御手段６１ｂは、ブロワ４０の回転速度を下げ、これにより改質器４２に供給される燃料ガス及び空気の量を増加させて、部分酸化反応による発熱量を増大させる。
【００５５】
［第３実施形態］
次に、図５を参照して、本発明の改質装置の第３実施形態について説明する。第３実施形態の改質装置１０ｃは、上述した第１実施形態の改質装置１０ａに対して、燃料ガスの流量を質量流量計７０（本発明の流量検出手段に相当する）を用いて検出している点が相違する。
【００５６】
そのため、改質装置１０ｃは、上流圧力センサ２２、下流圧力センサ２３、燃料ガス温度センサ２１、ガス流量取得手段６２、及び、ΔＰ,Ｖs／Ｇfマップ６３のデータを備えていない。なお、その他のハード構成は、第１実施形態の改質装置１０ａと同様であるため、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５７】
改質装置１０ｃにおいては、改質制御手段６１ｃは、質量流量計７０により検出される燃料ガスの供給流量Ｇfsと、温度センサ４５により検出される改質器４２の温度Ｔ2とを監視する。そして、改質制御手段６１ｃは、燃料ガスの供給流量Ｇfsが目標流量Ｇf_targetとなるように、流量調節弁２４の開度Ｖsを変更して「燃料ガスの供給流量の制御」を実行する。
【００５８】
すなわち、改質制御手段６１ｃは、燃料ガスの供給流量Ｇfsが目標流量Ｇf_targetよりも少ないとき（Ｇfs＜Ｇf_target）は、ブロワ４０の回転速度Ｎmを増加させる。また、燃料ガスの供給流量Ｇfsが目標流量Ｇf_targetよりも多いとき（Ｇf_target＜Ｇfs）には、改質制御手段６１ｃは、ブロワ４０の回転速度Ｎmを減少させる。
【００５９】
また、改質制御手段６１ｃは、改質器温度センサ４５により検出される改質器４２の温度Ｔ2が目標改質器温度Ｔ2_targetとなるように、流量調節弁２４の開度を変更して「改質器４２の温度制御」を行う。
【００６０】
すなわち、改質制御手段６１ｃは、改質器４２の温度Ｔ2が目標改質器温度Ｔ2_targetよりも高いとき（Ｔ2_target＜Ｔ2）は流量調節弁２４の開度を増大させて燃料ガスの供給流量を増加させると共に空気の供給流量を減少させ、これにより改質器４２における部分酸化反応を抑制して改質器４２の温度を低下させる。
【００６１】
また、改質器４２の温度Ｔ2が目標改質器温度Ｔ2_targetよりも低いとき（Ｔ2＜Ｔ2_target）には、改質制御手段６１ｂは、流量調節弁２４の開度を減少させて燃料ガスの供給流量を減少させると共に空気の供給流量を増加させ、これにより改質器４２における部分酸化反応を促進して改質器４２の温度を上昇させる。
【００６２】
［第４実施形態］
次に、図６を参照して、本発明の改質装置の第４実施形態について説明する。第４実施形態の改質装置１０ｄは、上述した第２実施形態の改質装置１０ｂに対して、燃料ガスの流量を質量流量計７０（本発明の流量検出手段に相当する）を用いて検出している点が相違する。
【００６３】
そのため、改質装置１０ｄは、上流圧力センサ２２、下流圧力センサ２３、燃料ガス温度センサ２１、ガス流量取得手段６２、及び、ΔＰ,Ｖs／Ｇfマップ６３のデータを備えて備えていない。なお、その他のハード構成は第２実施形態の改質装置１０ｂと同様であるため、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６４】
改質装置１０ｄにおいては、改質制御手段６１ｄは、流量計７０により検出される燃料ガスの供給流量Ｇfsと、温度センサ４５により検出される改質器４２の温度Ｔ2とを監視する。そして、改質制御手段６１は、燃料ガスの供給流量Ｇfsが目標流量Ｇf_targetとなるように、ブロワ４０の回転速度Ｎmを変更して「燃料ガスの供給流量の制御」を実行する。
【００６５】
すなわち、改質制御手段６１ｄは、燃料ガスの供給流量Ｇfsが目標流量Ｇf_targetよりも少ないとき（Ｇfs＜Ｇf_target）は、流量調節弁２４の開度Ｖmを増大させる。また、燃料ガスの供給流量Ｇfsが目標流量Ｇf_targetよりも多いとき（Ｇf_target＜Ｇfs）には、改質制御手段６１ｄは、流量調節弁２４の開度Ｖmを減少させる。
【００６６】
また、改質制御手段６１ｄは、改質器温度センサ４５により検出される改質器４２の温度Ｔ2が目標改質器温度Ｔ2_targetとなるように、ブロワ４０の回転速度Ｎmを変更して「改質器４２の温度制御」を行う。
【００６７】
すなわち、改質制御手段６１ｄは、改質器４２の温度Ｔ2が目標改質器温度Ｔ2_targetよりも高いとき（Ｔ2_target＜Ｔ2）はブロワ４０の回転速度Ｎmを減少させて燃料ガスと空気の供給流量を減少させ、これにより改質器４２における部分酸化反応を抑制して改質器４２の温度を低下させる。
【００６８】
また、改質器４２の温度Ｔ2が目標改質器温度Ｔ2_targetよりも低いとき（Ｔ2＜Ｔ2_target）には、改質制御手段６１ｄは、流量調節弁２４の開度Ｖsを減少させて燃料ガスの供給流量を減少させると共に空気の供給流量を増加させ、これにより改質器４２における部分酸化反応を促進して改質器４２の温度を上昇させる。
【符号の説明】
【００６９】
１０ａ〜１０ｄ…改質装置、２１…燃料ガス温度センサ、２２…上流圧力センサ、２３…下流圧力センサ、２４…流量調節弁、４０…ブロワ、４２…改質器、４５…改質器温度センサ、６０ａ〜６０ｄ…コントローラ、６１ａ〜６１ｄ…改質制御手段、６２…ガス流量取得手段、６３…差圧，弁開度／ガス流量相関マップ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成するオートサーマル型の改質器と、
燃料供給路から供給される燃料ガスと、酸化剤供給路から供給される酸化剤ガスとを混合して、前記改質器に供給するブロワと、
前記燃料供給路又は前記酸化剤供給路に設けられて、前記燃料供給路又は前記酸化剤供給路を流通するガスの流量を変更する流量調節弁と、
前記燃料供給路から前記ブロワに供給される燃料ガスの流量を検出する流量検出手段と、
前記改質器の温度を検出する改質器温度センサと、
前記流量検出手段の検出流量が所定の目標流量となるように、前記ブロワの回転速度を制御すると共に、前記改質器温度センサの検出温度が所定の目標温度となるように、前記流量調節弁の開度を制御する改質制御手段とを備えたことを特徴とする改質装置。
【請求項２】
燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成するオートサーマル型の改質器と、
燃料供給路から供給される燃料ガスと、酸化剤供給路から供給される酸化剤ガスとを混合して、前記改質器に供給するブロワと、
前記燃料供給路又は前記酸化剤供給路に設けられて、前記燃料供給路又は前記酸化剤供給路を流通するガスの流量を変更する流量調節弁と、
前記燃料供給路から前記ブロワに供給される燃料ガスの流量を検出する流量検出手段と、
前記改質器の温度を検出する改質器温度センサと、
前記改質器温度センサの検出温度が所定の目標温度となるように、前記ブロワの回転速度を制御すると共に、前記流量検出手段の検出流量が所定の目標流量となるように、前記流量調節弁の開度を制御する改質制御手段とを備えたことを特徴とする改質装置。
【請求項３】
前記流量調節弁は前記燃料供給路に設けられ、
前記流量検出手段は、
前記流量調節弁の上流側と下流側の間の差圧を検出する差圧検出手段と、
前記流量調節弁の開度及び前記流量調節弁の上流側と下流側の差圧と、前記燃料供給路を流れる燃料ガスの流量との相関関係を示す相関データと、
前記制御手段により制御されている前記流量調節弁の開度と前記差圧検出手段により検出されている差圧とを前記相間データに適用して、対応する燃料ガスの流量を取得し、該取得した流量を前記燃料ガスの検出流量とするガス流量取得手段とを備えたことを特徴とする改質装置。
【請求項４】
請求項３記載の改質装置において、
前記流量調節弁を流れる燃料ガスの温度を検出する燃料ガス温度センサを備え、
前記燃料ガス流量取得手段は、前記相間データへの適用により取得した燃料ガスの流量に対して、前記燃料ガス温度センサにより検出される燃料ガスの温度が高いほど、該流量を少なくする補正を行い、該補正を行った流量を前記燃料ガスの検出流量とすることを特徴とする改質装置。
【請求項５】
請求項３又は請求項４記載の改質装置において、
前記流量調節弁の上流側の圧力を検出する上流圧力センサを備え、
前記燃料ガス流量取得手段は、前記相間データへの適用により取得した燃料ガスの流量に対して、前記上流圧力センサによる検出圧力が高いほど、該流量を多くする補正を行い、該補正を行った流量を前記燃料ガスの検出流量とすることを特徴とする改質装置。
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成するオートサーマル型の改質器と、
燃料供給路から供給される燃料ガスと、酸化剤供給路から供給される酸化剤ガスとを混合して、前記改質器に供給するブロワと、
前記燃料供給路又は前記酸化剤供給路に設けられて、前記燃料供給路又は前記酸化剤供給路を流通するガスの流量を変更する流量調節弁と、
前記燃料供給路から前記ブロワに供給される燃料ガスの流量を検出する流量検出手段と、
前記改質器の温度を検出する改質器温度センサと、
前記流量検出手段の検出流量が所定の目標流量となるように、前記ブロワの回転速度を制御すると共に、前記改質器温度センサの検出温度が所定の目標温度となるように、前記流量調節弁の開度を制御する改質制御手段とを備えたことを特徴とする改質装置。
【請求項２】
燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成するオートサーマル型の改質器と、
燃料供給路から供給される燃料ガスと、酸化剤供給路から供給される酸化剤ガスとを混合して、前記改質器に供給するブロワと、
前記燃料供給路又は前記酸化剤供給路に設けられて、前記燃料供給路又は前記酸化剤供給路を流通するガスの流量を変更する流量調節弁と、
前記燃料供給路から前記ブロワに供給される燃料ガスの流量を検出する流量検出手段と、
前記改質器の温度を検出する改質器温度センサと、
前記改質器温度センサの検出温度が所定の目標温度となるように、前記ブロワの回転速度を制御すると共に、前記流量検出手段の検出流量が所定の目標流量となるように、前記流量調節弁の開度を制御する改質制御手段とを備えたことを特徴とする改質装置。
【請求項３】
前記流量調節弁は前記燃料供給路に設けられ、
前記流量検出手段は、
前記流量調節弁の上流側と下流側の間の差圧を検出する差圧検出手段と、
前記流量調節弁の開度及び前記流量調節弁の上流側と下流側の差圧と、前記燃料供給路を流れる燃料ガスの流量との相関関係を示す相関データと、
前記制御手段により制御されている前記流量調節弁の開度と前記差圧検出手段により検出されている差圧とを前記相間データに適用して、対応する燃料ガスの流量を取得し、該取得した流量を前記燃料ガスの検出流量とするガス流量取得手段とを備えたことを特徴とする改質装置。
【請求項４】
請求項３記載の改質装置において、
前記流量調節弁を流れる燃料ガスの温度を検出する燃料ガス温度センサを備え、
前記燃料ガス流量取得手段は、前記相間データへの適用により取得した燃料ガスの流量に対して、前記燃料ガス温度センサにより検出される燃料ガスの温度が高いほど、該流量を少なくする補正を行い、該補正を行った流量を前記燃料ガスの検出流量とすることを特徴とする改質装置。
【請求項５】
請求項３又は請求項４記載の改質装置において、
前記流量調節弁の上流側の圧力を検出する上流圧力センサを備え、
前記燃料ガス流量取得手段は、前記相間データへの適用により取得した燃料ガスの流量に対して、前記上流圧力センサによる検出圧力が高いほど、該流量を多くする補正を行い、該補正を行った流量を前記燃料ガスの検出流量とすることを特徴とする改質装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−９８８７３（Ｐ２０１１−９８８７３Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５６４３４（Ｐ２００９−２５６４３４）
【出願日】平成２１年１１月９日（２００９．１１．９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月９日（２００９．１１．９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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