JP2000319004A

JP2000319004A - 改質方法及び改質器

Info

Publication number: JP2000319004A
Application number: JP11124988A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Goto; 勉後藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2000-11-21

Abstract

(57)【要約】【課題】改質ガスの改質効率を高める。【解決手段】運転状況が吸熱反応である水蒸気改質反
応である場合には、ガス流方向切替手段5,(A),(B)によ
り熱交換器型改質部４内で冷加熱ガスを燃料ガスの流れ
に対して並行流にして流すことにより、熱が不足する燃
料ガスの上流側（入口側）で最初に熱交換して燃料ガス
を加熱して吸熱反応を促進させ、水蒸気改質反応を効果
的に行なわせる。また、運転状況が熱交換器型改質部４
の燃料ガスの上流側で主に発熱反応し、燃料ガスの下流
側で吸熱反応となるオートサーマル改質反応である場合
には、ガス流方向切替手段5,(A),(B)により冷加熱ガス
を燃料ガスの流れに対して対向流にして流すことによ
り、熱が不足する燃料ガスの下流側（出口側）で最初に
熱交換して燃料ガスを加熱して吸熱反応を促進させ、オ
ートサーマル改質反応を効果的に行なわせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車に搭載する
燃料電池発電装置において、燃料ガスを改質して水素リ
ッチな改質ガスを生成する改質方法及び改質器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば自動車に搭載される固体高
分子型燃料電池発電装置における、改質器として、特開
平６３−２９１８０２号公報に記載されたものが知られ
ている。この従来の改質器は、加熱側の触媒層が改質側
の触媒層を燃料ガスの流れ方向に対して均一に加熱する
構成である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の改質
器では、加熱側の触媒層が改質側の触媒層を燃料ガスの
流れ方向に対して均一に加熱する構成であるため、加熱
のし過ぎによって一酸化炭素濃度が上昇したり、加熱不
足で改質反応がうまく進まなくなったりして、適正な改
質ガスを安定して得られないという問題点があった。

【０００４】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたもので、運転状況に依存せず、常に適正な改
質ガスを生成することができる改質方法および改質器を
提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、プレ
ートフィン熱交換器型改質部を用い、当該プレートフィ
ン熱交換器型改質部内に燃料ガスとこれに対する冷加熱
ガスとを流し、燃料ガスを改質して水素リッチな改質ガ
スを生成する改質方法であって、運転状況に応じて前記
冷加熱ガスを前記燃料ガスに対して並行流又は対向流に
して流すものである。

【０００６】請求項２の発明の改質方法は、請求項１に
おいて、運転状況が水蒸気改質反応である場合には前記
冷加熱ガスを燃料ガスに対して並行流にして流し、運転
状況がオートサーマル改質反応である場合には前記冷加
熱ガスを燃料ガスに対して対向流にして流すものであ
る。

【０００７】請求項３の発明の改質方法は、請求項１又
は２において、負荷に応じて前記冷加熱ガスの流量を調
整するものである。

【０００８】請求項４の発明の改質方法は、請求項１に
おいて、急加速時に前記冷加熱ガスの流量を調整するも
のである。

【０００９】請求項５の発明の改質方法は、請求項１に
おいて、急減速時に前記冷加熱ガスの流量を調整するも
のである。

【００１０】請求項６の発明の改質器は、プレートフィ
ン熱交換器型改質部を用い、当該プレートフィン熱交換
器型改質部内に燃料ガスとこれに対する冷加熱ガスとを
流し、燃料ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成
する改質器であって、運転状況に応じて前記冷加熱ガス
を前記燃料ガスに対して並行流又は対向流にして流すガ
ス流方向切替手段を備えたものである。

【００１１】請求項６の発明の改質器では、ガス流方向
切替手段がプレートフィン熱交換器型改質部に流す冷加
熱ガスを運転状況に応じて燃料ガスに対して並行流又は
対向流に切り替えて流すことにより、改質部内の燃料ガ
スに対して運転状況に応じた冷加熱を行ない、燃料ガス
に対する改質効率を良くする。

【００１２】請求項７の発明の改質器は、請求項６にお
いて、運転状況が水蒸気改質反応である場合には前記冷
加熱ガスを燃料ガスに対して並行流にして流し、運転状
況がオートサーマル改質反応である場合には前記冷加熱
ガスを燃料ガスに対して対向流にして流すガス流方向切
替手段を備えたものである。

【００１３】請求項７の発明の改質器では、運転状況が
吸熱反応である水蒸気改質反応である場合には、ガス流
方向切替手段により冷加熱ガスを燃料ガスの流れに対し
て並行流にして流すことにより、改質部内で熱が不足す
る燃料ガスの上流側（入口側）で最初に熱交換して燃料
ガスを加熱して吸熱反応を促進させ、水蒸気改質反応を
効果的に行なわせる。

【００１４】また、運転状況が熱交換器型改質部の燃料
ガスの上流側で主に発熱反応し、燃料ガスの下流側で吸
熱反応となるオートサーマル改質反応である場合には、
ガス流方向切替手段により冷加熱ガスを燃料ガスの流れ
に対して対向流にして流すことにより、改質部内で熱が
不足する燃料ガスの下流側（出口側）で最初に熱交換し
て燃料ガスを加熱して吸熱反応を促進させ、オートサー
マル改質反応を効果的に行なわせる。

【００１５】請求項８の発明の改質器は、請求項７又は
８において、負荷に応じて前記冷加熱ガスの流量を調整
する流量調整手段を備えたものであり、全負荷の場合に
は冷加熱ガスをプレートフィン熱交換器型改質部内に少
なめに通流させることにより燃料ガスの加熱割合を抑
え、また部分負荷の場合には冷加熱ガスを熱交換器型改
質部内に多めに通流させることにより燃料ガスの加熱割
合を大きくし、負荷の変化に対しても確実な改質率を得
る。

【００１６】請求項９の発明の改質器は、請求項７又は
８において、急加速時に前記冷加熱ガスの流量を調整す
る流量調整手段を備えたものであり、急加速時に部分酸
化改質反応を行なわせることによって反応速度を速め、
改質ガスを多く生成して応答性を向上させるが、この際
に、部分酸化改質反応が発熱反応であるために冷加熱ガ
スを多量に熱交換器型改質部内に通流させることによっ
て燃料ガスの温度上昇を抑制し、改質率の低下と一酸化
炭素の発生を防止する。

【００１７】請求項１０の発明の改質器は、請求項７又
は８において、急減速時に前記冷加熱ガスの流量を調整
する流量調整手段を備えたものであり、急減速時には改
質ガスの速度が急激に減速するために熱交換器型改質部
内に改質ガスが滞留し、改質部内の吸熱反応の起こる場
所で温度が低下し、発熱反応が起こる場所では温度が上
昇することになるので、急減速前の運転状況が水蒸気改
質反応であった場合には冷加熱ガスを改質部内の温度上
昇が起こりやすい燃料ガスの出口側を冷やすように通流
させ、逆に、急減速前の運転状況がオートサーマル改質
反応であった場合には冷加熱ガスを改質部内の温度上昇
が起こりやすい燃料ガスの入口側を冷やすように通流さ
せる調整をすることによって、改質部内が高温状態にな
るのを回避し、触媒の劣化を防止する。

【００１８】請求項１１の発明の改質器は、燃料ガスの
入口側に相当する部分に部分的に燃焼触媒担持部が形成
された第１冷加熱ガスプレートフィンと、前記燃料ガス
の出口側に相当する部分に部分的に燃焼触媒担持部が形
成された第２冷加熱ガスプレートフィンと、燃料ガスプ
レートとを交互に多層に積層した構造のプレートフィン
熱交換器型改質部と、前記プレートフィン熱交換器型改
質部の前記燃料ガスプレートの層各々に燃料ガスを供給
する燃料ガス供給部と、前記プレートフィン熱交換器型
改質部の前記第１冷加熱ガスプレートフィン各々に対し
て前記出口側に相当する側から前記冷加熱ガスを供給
し、当該第１冷加熱がスプレーとフィン各々の前記入口
側に相当する側から前記冷加熱ガスを排出する第１の冷
加熱ガス供給系統と、前記プレートフィン熱交換器型改
質部の前記第２冷加熱ガスプレートフィン各々に対して
前記入口側に相当する側から前記冷加熱ガスを供給し、
当該第２冷加熱がスプレーとフィン各々の前記出口側に
相当する側から前記冷加熱ガスを排出する第２の冷加熱
ガス供給系統と、前記第１の冷加熱ガス供給系統と前記
第２の冷加熱ガス供給系統とのいずれか一方、又は両方
に切り換えて前記冷加熱ガスを供給する系統切換制御部
とを備えたものである。

【００１９】請求項１１の発明の改質器では、系統切換
制御部がプレートフィン熱交換器型改質部に流す冷加熱
ガスを運転状況に応じて燃料ガスに対して並行流又は対
向流に切り替えて流すことにより、改質部内の燃料ガス
に対して運転状況に応じた冷加熱を行ない、燃料ガスに
対する改質効率を良くする。

【００２０】請求項１２の発明の改質器は、請求項１１
において、前記系統切換制御部が、運転状況が水蒸気改
質反応である場合には前記第１の冷加熱ガス供給系統だ
けに前記冷加熱ガスを供給し、運転状況がオートサーマ
ル改質反応である場合には前記第２の冷加熱ガス供給系
統だけに前記冷加熱ガスを供給するようにしたものであ
る。

【００２１】請求項１２の発明の改質器では、運転状況
が吸熱反応である水蒸気改質反応である場合には、系統
切換制御部により冷加熱ガスを第１の冷加熱ガス供給系
統だけに流すことにより、改質部内で燃料ガス温度が高
い出口側を冷却し、かつ、改質部内で熱が不足する燃料
ガスの入口側で加熱ガスを燃焼触媒によって燃焼させて
効果的に加熱して吸熱反応を促進させ、水蒸気改質反応
を効果的に行なわせると共に生成される改質ガス中の一
酸化炭素濃度を低くする。

【００２２】また、運転状況が熱交換器型改質部の燃料
ガスの入口側で主に発熱反応し、燃料ガスの出口側で吸
熱反応となるオートサーマル改質反応である場合には、
系統切換制御部により冷加熱ガスを第２の冷加熱ガス供
給系統だけに流すことにより、改質部内で主に発熱する
入口側を冷却し、かつ、熱が不足する改質部内の出口側
で加熱ガスを燃焼触媒によって燃焼させて効果的に加熱
して吸熱反応を促進させ、オートサーマル改質反応を効
果的に行なわせる。

【００２３】請求項１３の発明の改質器は、請求項１１
又は１２において、負荷に応じて前記冷加熱ガスの流量
を調整する流量調整手段を備えたものであり、全負荷の
場合には冷加熱ガスをプレートフィン熱交換器型改質部
内に少なめに通流させることにより燃料ガスの加熱割合
を抑え、また部分負荷の場合には冷加熱ガスを熱交換器
型改質部内に多めに通流させることにより燃料ガスの加
熱割合を大きくし、負荷の変化に対しても確実な改質率
を得る。

【００２４】請求項１４の発明の改質器は、請求項１１
又は１２において、急加速時に前記冷加熱ガスの流量を
調整する流量調整手段を備え、前記系統切換制御部が、
急加速時に前記第１、第２の冷加熱ガス供給系統の両方
に空気のみを供給するようにしたものである。

【００２５】請求項１４の発明の改質器では、急加速時
に部分酸化改質反応を行なわせることによって反応速度
を速め、改質ガスを多く生成して応答性を向上させる
が、この際に、部分酸化改質反応が発熱反応であるため
に、冷却を目的として第１、第２の冷加熱ガス供給系等
に共に冷却ガスとしての空気だけを多量に流すことによ
って燃料ガスの温度上昇を抑制し、改質率の低下と一酸
化炭素の発生を防止する。

【００２６】請求項１５の発明の改質器は、請求項１１
又は１２において、急減速時に前記冷加熱ガスの流量を
調整する流量調整手段を備え、前記系統切換制御部が、
急減速の直前に水蒸気改質反応を行っていた場合には前
記第１、第２の冷加熱ガス供給系統の両方に空気のみを
流し、急減速の直前にオートサーマル改質を行っていた
場合には、前記第２の冷加熱ガス供給系統に空気のみを
流すようにしたものである。

【００２７】請求項１５の発明の改質器では、急減速時
には改質ガスの速度が急激に減速するために熱交換器型
改質部内に改質ガスが滞留し、改質部内の吸熱反応の起
こる場所で温度が低下し、発熱反応が起こる場所では温
度が上昇することになるので、急減速前の運転状況が水
蒸気改質反応であった場合には冷加熱ガスとして冷却を
行う空気だけを改質部内の温度上昇が起こりやすい入口
側、出口側両方を冷やすように通流させ、逆に、急減速
前の運転状況がオートサーマル改質反応であった場合に
は空気だけを改質部内の温度上昇が起こりやすい入口側
を冷やすように通流させる調整をすることによって、改
質部内が高温状態になるのを回避し、触媒の劣化を防止
する。

【００２８】

【発明の効果】請求項１の発明の改質方法によれば、プ
レートフィン熱交換器型改質部に流す冷加熱ガスを運転
状況に応じて燃料ガスに対して並行流又は対向流に切り
替えて流すので、改質部内の燃料ガスに対して運転状況
に応じた冷加熱を行ない、燃料ガスに対する改質効率を
良くすることができる。

【００２９】請求項２の発明の改質方法によれば、運転
状況が吸熱反応である水蒸気改質反応である場合には、
冷加熱ガスを燃料ガスの流れに対して並行流にして流す
ことによって改質部内で熱が不足する燃料ガスの上流側
（入口側）で最初に熱交換して燃料ガスを加熱して吸熱
反応を促進させ、水蒸気改質反応を効果的に行なわせ、
運転状況が熱交換器型改質部の燃料ガスの上流側で主に
発熱反応し、燃料ガスの下流側で吸熱反応となるオート
サーマル改質反応である場合には、冷加熱ガスを燃料ガ
スの流れに対して対向流にして流すことによって改質部
内で熱が不足する燃料ガスの下流側（出口側）で最初に
熱交換して燃料ガスを加熱して吸熱反応を促進させ、オ
ートサーマル改質反応を効果的に行なわせることができ
る。

【００３０】請求項３の発明の改質方法によれば、全負
荷の場合には冷加熱ガスを熱交換器型改質部内に少なめ
に通流させることにより燃料ガスの加熱割合を抑え、ま
た部分負荷の場合には冷加熱ガスを熱交換器型改質部内
に多めに通流させることにより燃料ガスの加熱割合を大
きくし、負荷の変化に対しても確実な改質率を得ること
ができる。

【００３１】請求項４の発明の改質方法によれば、急加
速時に部分酸化改質反応を行なわせることによって反応
速度を速め、改質ガスを多く生成して応答性を向上させ
るが、この際に、部分酸化改質反応が発熱反応であるた
めに冷加熱ガスを多量に熱交換器型改質部内に通流させ
ることによって燃料ガスの温度上昇を抑制し、改質率の
低下と一酸化炭素の発生を防止することができる。

【００３２】請求項５の発明の改質方法によれば、急減
速時には改質ガスの速度が急激に減速するために熱交換
器型改質部内に改質ガスが滞留し、改質部内の吸熱反応
の起こる場所で温度が低下し、発熱反応が起こる場所で
は温度が上昇することになるが、急減速前の運転状況が
水蒸気改質反応であった場合には冷加熱ガスを改質部内
の温度上昇が起こりやすい燃料ガスの出口側を冷やすよ
うに通流させ、逆に、急減速前の運転状況がオートサー
マル改質反応であった場合には冷加熱ガスを改質部内の
温度上昇が起こりやすい燃料ガスの入口側を冷やすよう
に通流させる調整をするので、改質部内が高温状態にな
るのを回避し、触媒の劣化を防止することができる。

【００３３】請求項６の発明の改質器によれば、プレー
トフィン熱交換器型改質部に流す冷加熱ガスを運転状況
に応じて燃料ガスに対して並行流又は対向流に切り替え
て流すので、改質部内の燃料ガスに対して運転状況に応
じた冷加熱を行ない、燃料ガスに対する改質効率を良く
することができる。

【００３４】請求項７の発明の改質器によれば、運転状
況が吸熱反応である水蒸気改質反応である場合には、冷
加熱ガスを燃料ガスの流れに対して並行流にして流すこ
とによって改質部内で熱が不足する燃料ガスの上流側
（入口側）で最初に熱交換して燃料ガスを加熱して吸熱
反応を促進させ、水蒸気改質反応を効果的に行なわせ、
運転状況が熱交換器型改質部の燃料ガスの上流側で主に
発熱反応し、燃料ガスの下流側で吸熱反応となるオート
サーマル改質反応である場合には、冷加熱ガスを燃料ガ
スの流れに対して対向流にして流すことによって改質部
内で熱が不足する燃料ガスの下流側（出口側）で最初に
熱交換して燃料ガスを加熱して吸熱反応を促進させ、オ
ートサーマル改質反応を効果的に行なわせることができ
る。

【００３５】請求項８の発明の改質器によれば、全負荷
の場合には冷加熱ガスを熱交換器型改質部内に少なめに
通流させることにより燃料ガスの加熱割合を抑え、また
部分負荷の場合には冷加熱ガスを熱交換器型改質部内に
多めに通流させることにより燃料ガスの加熱割合を大き
くし、負荷の変化に対しても確実な改質率を得ることが
できる。

【００３６】請求項９の発明の改質器によれば、急加速
時に部分酸化改質反応を行なわせることによって反応速
度を速め、改質ガスを多く生成して応答性を向上させる
が、この際に、部分酸化改質反応が発熱反応であるため
に冷加熱ガスを多量に熱交換器型改質部内に通流させる
ことによって燃料ガスの温度上昇を抑制し、改質率の低
下と一酸化炭素の発生を防止することができる。

【００３７】請求項１０の発明の改質器によれば、急減
速時には改質ガスの速度が急激に減速するために熱交換
器型改質部内に改質ガスが滞留し、改質部内の吸熱反応
の起こる場所で温度が低下し、発熱反応が起こる場所で
は温度が上昇することになるが、急減速前の運転状況が
水蒸気改質反応であった場合には冷加熱ガスを改質部内
の温度上昇が起こりやすい燃料ガスの出口側を冷やすよ
うに通流させ、逆に、急減速前の運転状況がオートサー
マル改質反応であった場合には冷加熱ガスを改質部内の
温度上昇が起こりやすい燃料ガスの入口側を冷やすよう
に通流させる調整をするので、改質部内が高温状態にな
るのを回避し、触媒の劣化を防止することができる。

【００３８】請求項１１の発明の改質器によれば、系統
切換制御部がプレートフィン熱交換器型改質部に流す冷
加熱ガスを運転状況に応じて燃料ガスに対して並行流又
は対向流に切り替えて流すことにより、改質部内の燃料
ガスに対して運転状況に応じた冷加熱を行ない、燃料ガ
スに対する改質効率を良くすることができる。

【００３９】請求項１２の発明の改質器によれば、運転
状況が吸熱反応である水蒸気改質反応である場合には、
系統切換制御部により冷加熱ガスを第１の冷加熱ガス供
給系統だけに流すことにより、改質部内で燃料ガス温度
が高い出口側を冷却し、かつ、改質部内で熱が不足する
燃料ガスの入口側で加熱ガスを燃焼触媒によって燃焼さ
せて効果的に加熱して吸熱反応を促進させ、水蒸気改質
反応を効果的に行なわせることができ、生成される改質
ガス中の一酸化炭素濃度を低くすることができる。ま
た、運転状況が熱交換器型改質部の燃料ガスの入口側で
主に発熱反応し、燃料ガスの出口側で吸熱反応となるオ
ートサーマル改質反応である場合には、系統切換制御部
により冷加熱ガスを第２の冷加熱ガス供給系統だけに流
すことにより、改質部内で主に発熱する入口側を冷却
し、かつ、熱が不足する改質部内の出口側で加熱ガスを
燃焼触媒によって燃焼させて効果的に加熱して吸熱反応
を促進させ、オートサーマル改質反応を効果的に行なわ
せることができる。

【００４０】請求項１３の発明の改質器によれば、負荷
に応じて冷加熱ガスの流量を調整する流量調整手段を備
えたので、全負荷の場合には冷加熱ガスをプレートフィ
ン熱交換器型改質部内に少なめに通流させることにより
燃料ガスの加熱割合を抑え、また部分負荷の場合には冷
加熱ガスを熱交換器型改質部内に多めに通流させること
により燃料ガスの加熱割合を大きくし、負荷の変化に対
しても確実な改質率を得ることができる。

【００４１】請求項１４の発明の改質器によれば、急加
速時に部分酸化改質反応を行なわせることによって反応
速度を速め、改質ガスを多く生成して応答性を向上させ
るが、この際に、部分酸化改質反応が発熱反応であるた
めに、冷却を目的として第１、第２の冷加熱ガス供給系
等に共に冷却ガスとしての空気だけを多量に流すことに
よって燃料ガスの温度上昇を抑制し、改質率の低下と一
酸化炭素の発生を防止することができる。

【００４２】請求項１５の発明の改質器によれば、急減
速時には改質ガスの速度が急激に減速するために熱交換
器型改質部内に改質ガスが滞留し、改質部内の吸熱反応
の起こる場所で温度が低下し、発熱反応が起こる場所で
は温度が上昇することになるので、急減速前の運転状況
が水蒸気改質反応であった場合には冷加熱ガスとして冷
却を行う空気だけを改質部内の温度上昇が起こりやすい
入口側、出口側両方を冷やすように通流させ、逆に、急
減速前の運転状況がオートサーマル改質反応であった場
合には空気だけを改質部内の温度上昇が起こりやすい入
口側を冷やすように通流させる調整をすることによっ
て、改質部内が高温状態になるのを回避し、触媒の劣化
を防止することができる。

【００４３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
基づいて詳説する。図１は本発明の改質器の第１の実施
の形態を示している。蒸発器１に噴射弁２から燃料であ
るメタノールと水を供給する。この蒸発器１はプレート
フィン型熱交換器で構成し、触媒燃焼器３と図示してい
ない加熱パイプで配管接続してあり、触媒燃焼器３から
の高温の燃焼ガスによって加熱することにより、そこに
供給される燃料を気化して燃料ガスとし、これをプレー
トフィン熱交換器型改質部４に供給する。

【００４４】触媒燃焼器３には、図示していない燃料電
池部からの排燃料ガスと燃料とを混合して燃焼させて加
熱ガスを発生させ、この加熱ガスを蒸発器１に供給して
燃料の気化を行ない、また加熱ガス管１０、分岐管１１
又は１２を経てプレートフィン熱交換器型改質部４に供
給して燃料ガスの加熱を行なう。

【００４５】蒸発器１からの燃料ガスとコンプレッサか
らの空気（酸素）との混合割合を変化させることによっ
て、プレートフィン熱交換器型改質部４における水蒸気
改質反応と部分酸化改質反応との割合を変化させるた
め、コントローラ５により可変バルブ６の開度を調整
し、コンプレッサ７からの空気量を調整するようにして
ある。すなわち、運転モードをオートサーマル改質反応
（後述するように、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応
を同時に行なうモード）にするためには可変バルブ６を
開いてコンプレッサ７から適当な量の空気を改質部４に
その入口側から供給し、運転モードが水蒸気改質反応で
あれば可変バルブ６を閉じてコンプレッサ７からの空気
供給を停止するのである。

【００４６】このプレートフィン熱交換器型改質部４に
供給される燃料ガスは、その内部において改質されて水
素リッチな改質ガスになり、改質ガス通路８を通って一
酸化炭素除去部（図示せず）に導出される。

【００４７】一方、プレートフィン熱交換器型改質部４
には加熱流路として、触媒燃焼器３から加熱ガス管１０
が接続してある。この加熱ガス管１０には、上流側分岐
管１１と下流側分岐管１２が分岐接続してあり、これら
の上流側分岐管１１の他端はプレートフィン熱交換器型
改質部４の上流ヘッダ１３に接続してあり、下流側分岐
管１２の他端は改質部４の下流ヘッダ１４に接続してあ
る。上流側分岐管１１には上流側供給路Ａを開閉するた
めに第１バルブＡが、また下流側分岐管１２には下流側
供給路Ｂを開閉するために第２バルブＢがそれぞれ設け
てある。

【００４８】プレートフィン熱交換器型改質部４の上流
ヘッダ１３は上流ヘッダ下部１５と連通し、改質部４の
下流ヘッダ１４は下流ヘッダ下部１６と連通し、これら
の上流ヘッダ下部１５は排気管１７に第３バルブＣを介
して接続し、下流ヘッダ下部１６は同じ排気管１７に第
４バルブＤを介して接続してある。

【００４９】次に、上記の構成の第１の実施の形態の改
質器の動作を説明する。通常、燃料電池発電装置の改質
器における改質反応は、部分酸化改質反応、水蒸気改質
反応、そして部分酸化改質反応と水蒸気改質反応とを１
つの改質部で行なうオートサーマル改質反応の３種類が
ある。

【００５０】これらのうち、部分酸化改質反応は、反応
速度が速く、また、発熱反応であり、図９に示すように
最初の段階で発熱反応が早く進み、その後は、徐々に温
度が降下していく特性を示す。また、水蒸気改質反応
は、吸熱反応であるために、図２に示すとおり、改質部
４の燃料ガスの入口側（上流側）においてその反応のた
めに熱を吸収して温度が下がり、後半において、したが
って改質部４の出口側（下流側）において一酸化炭素と
水蒸気とが反応するシフト反応（発熱反応）が起こって
きて温度が上昇してくる。さらにオートサーマル改質反
応では、同じく図２に示すように、まず、反応速度の速
い部分酸化が始めに起こって温度上昇し、その発熱で後
半に水蒸気改質反応に必要な熱を補ってやり、そのとき
に吸熱反応が起きるので、温度降下する。

【００５１】通常、燃料電池発電装置の運転において
は、オートサーマル改質反応と水蒸気改質反応の組合せ
で、改質反応を進める。図３は、定常運転時の負荷に対
する水蒸気改質反応と部分酸化改質反応の比率の設定例
を示しているが、改質部の放熱量が一定であるため（改
質部での反応温度が負荷によらず一定であるため）、部
分負荷においては部分酸化改質反応の発熱量に対する放
熱量の比率が増加する。したがって、負荷を小さくする
ほど部分酸化改質反応の割合を増加し、反応温度を維持
する必要がある。この場合、上述したように水蒸気改質
反応では、改質部４の入口側で熱が不足し、一方、オー
トサーマル改質反応では改質部４の出口側で熱が不足す
る。このため、水蒸気改質反応では、改質部４の入口側
で熱を多くし、他方、オートサーマル改質反応では、改
質部４の出口側で熱を多く供給することにより、改質率
を向上させることが可能となる。

【００５２】そこで、改質率を向上させることができる
加熱ガスの流し方は、図４に示すバルブの開閉組合せ制
御によって実現する。

【００５３】＜起動時、熱不足状態＞燃料電池発電装置
の起動時で、プレートフィン熱交換器型改質部４の熱が
不足気味の状態では、発熱反応を伴うオートサーマル改
質反応を起こさせ、このときにプレートフィン熱交換器
型改質部４の加熱方法としては、燃料ガスの流れに対し
て対向流となるように加熱ガスを流す設定（Ｉ）にす
る。

【００５４】つまり、第１バルブＡを閉じ、第２バルブ
Ｂを開いて加熱ガス管１０から下流側分岐管１２に加熱
ガスを流し、下流側供給路Ｂを通してプレートフィン熱
交換器型改質部４の下流ヘッダ１４に加熱ガスを供給
し、さらに、第３バルブＣを開き、第４バルブＤを閉じ
ることにより、改質部４の上流ヘッダ下部１５から第３
バルブＣを通して排気管１７に排出する排出流路を形成
し、改質部４内で上流側（入口側）から下流側（出口
側）に流れる燃料ガスに対して加熱ガスを対向流にして
流す。

【００５５】すなわち、プレートフィン熱交換器型改質
部４の出口側で不足気味の熱を高温状態の加熱ガスから
供給して加熱を行なうことによって、改質部４の出口側
での水蒸気改質反応を効率よく行なわせ、逆に、改質部
４の入口側では熱を奪われた後の加熱ガスを通すことに
よって加熱を行なわない。

【００５６】これにより、プレートフィン熱交換器型改
質部４の出口側での水蒸気改質反応の反応を効率よく進
めることができ、入口側での部分酸化改質反応と相俟っ
て、プレートフィン熱交換器型改質部４の全体を速く暖
めることができ、熱不足を急速に補うことができる。

【００５７】＜定常状態＞プレートフィン熱交換器型改
質部４が十分に暖まった定常状態においては、吸熱反応
中心の水蒸気改質反応に切り替える。その加熱方法は、
燃料ガスの流れに対して並行流となるように加熱ガスを
流す設定（II）にする。

【００５８】つまり、第１バルブＡを開き、第２バルブ
Ｂを閉じて加熱ガス管１０から上流側分岐管１１に加熱
ガスを流し、上流側供給路Ａを通して改質部４の上流ヘ
ッダ１３に加熱ガスを供給し、さらに、第３バルブＣを
閉じ、第４バルブＤを開くことにより、熱交換器型改質
部４を流れる燃料ガスに対して加熱ガスを並行流にして
流す。

【００５９】すなわち、プレートフィン熱交換器型改質
部４の入口側で不足気味の熱を高温状態の加熱ガスから
供給し、あまり加熱が必要ではなくなった改質部４の出
口側では熱量を奪われた後の加熱ガスで、加熱は行なわ
ない。

【００６０】これにより、プレートフィン熱交換器型改
質部４の入口側でも水蒸気改質反応を効率よく進めるこ
とができ、改質部４の改質率を向上させることができ
る。しかも、改質部４の出口側では不要な加熱を行なわ
ないため、温度上昇が抑制でき、改質ガスの一酸化炭素
濃度を低く抑えることができる。

【００６１】次に、本発明の第２の実施の形態の改質器
について図５〜図７に基づいて説明する。図５に示す第
２の実施の形態の改質器は、触媒燃焼器３からプレート
フィン熱交換器型改質部４に配管されている加熱ガス管
１０に対してバイパス管２０を接続し、このバイパス管
２０の他端を排気管１７に接続し、さらに、加熱ガス管
１０側に第１流量調整バルブＥを設け、バイパス管２０
側に第２流量調整バルブＦを設け、これらの流量調整バ
ルブＥ，Ｆをコントローラ５によってコントロールする
ことにより、プレートフィン熱交換器型改質部４に供給
する加熱ガスの流量を調整するようにしたことを特徴と
している。なお、その他の構成要素は図１に示した第１
の実施の形態と共通であり、同一の部分には同一の符号
を付して示してある。

【００６２】この第２の実施の形態の改質器の動作を、
次に説明する。実際の運転状況においては全負荷と部分
負荷とがあり、それぞれによって改質反応による発熱量
が異なる。図６には全負荷と部分負荷の場合のオートサ
ーマル改質反応、水蒸気改質反応それぞれによる温度分
布を示してある。負荷によらず反応温度は一定であるた
め、部分負荷の場合、反応熱に対する放熱量の比率が増
え、オートサーマル改質反応、水蒸気改質反応いずれに
あっても温度が下がる。したがって、部分負荷と全負荷
とで改質反応熱に対する加熱割合を変化させる必要が生
じ、部分負荷においては改質反応熱に対する加熱割合を
多めに調節し、全負荷においては改質反応熱に対する加
熱割合を少なめに調節することにより、負荷の変化に対
しても確実な改質率を得ることが可能となる。

【００６３】そこで、加熱ガス管１０に設けられた第１
流量調整バルブＥとバイパス管２０に設けられた第２流
量調整バルブＦとの開度をコントローラ５によって調節
することにより、プレートフィン熱交換器型改質部４内
に流通させる加熱ガスの流量を調整することにより、オ
ートサーマル改質反応、水蒸気改質反応のいずれにおい
ても負荷の変化によらず確実な改質率が得られるように
する。

【００６４】つまり、図７に示したように、オートサー
マル改質反応で、部分負荷の場合（Ｉ−１）には、第１
バルブＡ〜第４バルブＤについて図４（Ｉ）に示した組
合せで開閉制御し、かつ、第１流量調整バルブＥを広め
に開き、第２流量調整バルブＦを狭める制御を行なうの
である。

【００６５】そして、オートサーマル改質反応で、全負
荷の場合（Ｉ−２）には、第１バルブＡ〜第４バルブＤ
について同じく図４（Ｉ）の組合せであるが、第１流量
調整バルブＥを狭め、第２流量調整バルブＦを広く開く
制御を行なう。

【００６６】また、水蒸気改質反応で、部分負荷の場合
（II−１）には、第１バルブＡ〜第４バルブＤについて
図４（II）に示した組合せで開閉制御し、かつ、第１流
量調整バルブＥを広めに開き、第２流量調整バルブＦを
狭める制御を行なう。

【００６７】そして、水蒸気改質反応で、全負荷の場合
（II−２）には、第１バルブＡ〜第４バルブＤについて
同じく図４（II）の組合せであるが、第１流量調整バル
ブＥを狭め、第２流量調整バルブＦを広く開く制御を行
なう。

【００６８】これにより、部分負荷、全負荷の負荷の変
化に対しても確実な改質率を得ることができる。

【００６９】次に、本発明の第３の実施の形態の改質器
を図８〜図１０に基づいて説明する。第３の実施の形態
の改質器の特徴は、図５に示した第２の実施の形態の改
質器の構成に加えて、加熱ガス管１０における第１バル
ブＡ及び第２バルブＢと第１流量調整バルブＥとの間に
コンプレッサ７より空気を導くための空気供給管２１を
接続し、さらに、この空気供給管２１に第３流量調整バ
ルブＧを設け、コントローラ５によってその開度を調整
するようにした点にある。その他の構成は、図５に示し
た第２の実施の形態と共通であり、同一の部分には同一
の符号を付して示してある。

【００７０】第３の実施の形態の改質器の動作を次に説
明する。実際の運転を状況においては、特に自動車で急
加速を行なう場合には瞬時に反応させ、多量の水素を発
生させて駆動部である燃料電池に供給する必要がある。

【００７１】ところが、改質反応に水蒸気改質反応が含
まれているとどうしても反応速度が遅くなる。したがっ
て、急発進時のみ、部分酸化改質反応を行なわせて反応
速度を速め、応答性を向上させる必要がある。

【００７２】図９は、急発進時に部分酸化改質反応を行
なわせた場合の改質部４の温度分布を示している。部分
酸化改質反応は発熱反応であるために、全体的に温度が
上昇していることが分かる。

【００７３】そのため、急発進、急加速の時にはプレー
トフィン熱交換器型改質部４を冷却する必要が生じ、コ
ントローラ５によって図１０に示すバルブ開度の組合せ
状態になるように各バルブをコントロールする。すなわ
ち、触媒燃焼器３より供給される加熱ガスは、バイパス
管２０を通じて排気するために、加熱ガス管１０上の第
１流量調整バルブＥはほとんど閉じ、バイパス管２０上
の第２流量調整バルブＦを必要量だけ広く開く。そし
て、空気供給管２１の上の第３流量調整バルブＧを必要
量だけ開き、コンプレッサ７から冷却空気を加熱ガス管
１０に導く。さらに、第２バルブＢは閉じ、第１バルブ
Ａを開いて、加熱ガス管１０に導かれた冷却空気を上流
ヘッダ１３からプレートフィン熱交換器型改質部４の入
口側に導く。そしてさらに、第３バルブＣは閉じ、第４
バルブＤを開くことによって、プレートフィン熱交換器
型改質部４内では燃料ガスと並行流となるように冷却空
気を流し、排気管１７から排出する流路(III)を形成す
る。

【００７４】これにより、プレートフィン熱交換器型改
質部４内を流路(III)のように流れる冷却空気によっ
て、部分酸化改質反応により温度が上昇する改質部入口
側を重点的に冷却して温度上昇を抑え、部分酸化改質反
応を効率よく行なわせることができ、改質率の低下、一
酸化炭素の発生を防止することができ、しかも、急発進
に即応することができるようになる。

【００７５】次に、本発明の第４の実施の形態を図１１
〜図１３に基づいて説明する。第４の実施の形態の改質
器の構成は、図８に示した第３の実施の形態と共通であ
り、同一の部分には同一の符号を付して示してある。こ
の第４の実施の形態の改質器の特徴は、その作用にあ
る。

【００７６】自動車の運転時における急減速時には、改
質ガスの速度が急激に減速するため、改質ガスがプレー
トフィン熱交換器型改質部４の内部に滞留することにな
る。その結果、図１２に示すように、吸熱反応の起こる
場所は温度が下がり、逆に発熱反応の起こる場所では温
度が上昇することになる。

【００７７】したがって、急減速を行なう直前の運転モ
ードがオートサーマル改質反応か水蒸気改質反応かによ
って、図１３に示すようなバルブ開度の組合せ状態にな
るように各バルブをコントロールする。

【００７８】急減速時に、コントローラ５は可変バルブ
６の状態(オートサーマル改質反応であれば開、水蒸気
改質反応であれば閉）を見て運転モードがオートサーマ
ル改質反応であると判断した場合、第１流量調整バルブ
Ｅを閉じ、第２流量調整バルブＦを開き、触媒燃焼器３
からの加熱ガスをすべて、あるいはほぼすべてバイパス
管２０に流して排気管１７から排出する。そして、第３
流量調整バルブＧを開いてコンプレッサ７から空気供給
管２１を経て加熱ガス管１０に冷却空気を導き、さら
に、上流側分岐管１１、上流ヘッダ１３を経て改質部４
の入口側に冷却空気を導入し、燃料ガスに対して並行流
にして冷却する（Ｉ′）。これにより、プレートフィン
熱交換器型改質部４の入口付近の発熱による高温状態を
回避することができ、触媒の劣化を防止することができ
る。

【００７９】また、急減速時に、運転モードが水蒸気改
質反応であると判断した場合、第１流量調整バルブＥを
閉じ、第２流量調整バルブＦを開き、触媒燃焼器３から
の加熱ガスをすべて、あるいはほぼすべてバイパス管２
０に流して排気管１７から排出する。そして、第３流量
調整バルブＧを開いてコンプレッサ７から空気供給管２
１を経て加熱ガス管１０に冷却空気を導き、さらに、下
流側分岐管１２、下流ヘッダ１４を経て改質部４の出口
側に冷却空気を導入し、燃料ガスに対して対向流にして
冷却する（II′）。これにより、改質部４の出口付近の
発熱による高温状態を回避することができ、触媒の劣化
を防止することができる。

【００８０】次に、本発明の第５の実施の形態の改質器
について、図１４〜図１８に基づいて説明する。第５の
実施の形態の改質器は、それに採用されているプレート
フィン熱交換器型改質部４０の構造に特徴を有してい
る。

【００８１】プレートフィン熱交換器型改質部４０は、
図１５に示す多層ハニカム断面構造（ガス流に直交する
垂直面の断面構造）であり、改質ガス流層５１、第１加
熱ガス流層（断面Ａ）５２、第２加熱ガス流層（断面
Ｂ）５３の３種類のプレートが…断面Ａ−改質ガス流層
５１−断面Ｂ−改質ガス流層５１−断面Ａ−改質ガス流
層５１…という順に多層に積層された構造である。

【００８２】各改質ガス流層５１は、ベースプレートの
片側全面に改質触媒を担持する波板状のフィンを形成し
た構造である。

【００８３】断面Ａの加熱ガス流層５２各々は、ベース
プレートの片側全面に波板状のフィンを形成した構造で
あり、かつ、図１６に示すように、改質部４０における
燃料ガスの入口側半分に相当する部分に排水素ガスを燃
焼させるための燃焼触媒を担持させた燃焼触媒担持部５
４Ａが設けてある。断面Ｂの加熱ガス流層５３各々も、
ベースプレートの片側全面に波板状のフィンを形成した
構造である。ただし、図１７に示すように、断面Ｂのフ
ィンには、改質部４０における出口側半分に相当する部
分に燃焼触媒担持部５４Ｂが設けてある。

【００８４】そして、図１４に示すように、この多層ハ
ニカム構造のプレートフィン熱交換器型改質部４０で
は、各改質ガス流層５１にその入口側から燃料ガスと必
要に応じて空気が供給され、内部で改質された改質ガス
が出口側から送り出される。断面Ａ同士は、このプレー
トフィン熱交換器型改質部４０の入口側、出口側それぞ
れに形成されているヘッダにおいて相連通され、また断
面Ｂ同士も改質部４０の入口側、出口側それぞれに形成
されているヘッダにおいて相連通されている。しかしな
がら、断面Ａと断面Ｂとは互いに流通できないように隔
離されている。

【００８５】したがって、断面Ａに対しては、プレート
フィン熱交換器型改質部４０の出口側に設けられている
断面Ａ側供給ヘッダ４１Ａから加熱ガスが供給される
と、改質部４０の改質ガス流層５１内を流れる燃料ガス
とは逆向きの対向流として断面Ａ内を流れ、改質部４０
の入口側に設けられている断面Ａ側排気ヘッダ４２Ａか
ら排出されることになる。そして流れの途中で、燃焼触
媒担持部５４Ａにおいて燃焼触媒と反応して排水素が燃
焼して温度上昇し、燃料ガスと熱交換して加熱する。し
たがって、図１６に示したように、断面Ａに加熱ガスを
流すときには、改質部４０の入口側で燃料ガスを強く加
熱することができることになる。

【００８６】他方、断面Ｂに対しては、プレートフィン
熱交換器型改質部４０の入口側に設けられている断面Ｂ
側供給ヘッダ４１Ｂから加熱ガスが供給され、改質部４
０内を燃料ガスと同じ向きの並行流として断面Ｂ内を流
れ、改質部４０の出口側に設けられている断面Ｂ側排気
ヘッダ４２Ｂから排出されることになる。そして流れの
途中で、燃焼触媒担持部５４Ｂにおいて燃焼触媒と反応
して排水素が燃焼して温度上昇し、燃料ガスと熱交換し
て加熱する。したがって、図１７に示したように、断面
Ｂに加熱ガスを流すときには、改質部４０の出口側で燃
料ガスを強く加熱することができることになる。

【００８７】次に、図１４〜１８に基づいて、この実施
の形態の改質器について説明する。蒸発器１に噴射弁２
から燃料であるメタノールと水を供給する。この蒸発器
１は図１に示した第１の実施の形態と同様の構造であ
り、図示していない触媒燃焼器からの高温の燃焼ガスに
よって加熱することにより、そこに供給される燃料を気
化して燃料ガスとし、これをプレートフィン熱交換器型
改質部４０の多数の改質ガス流層５１に入口側から供給
する。

【００８８】コンプレッサ７は空気を供給するためのも
のである。このコンプレッサ７はプレートフィン熱交換
器型改質部４０に空気供給管３１によって接続されてお
り、その配管３１の途上に可変バルブＰＶが設けられて
いる。蒸発器１からの燃料ガスとコンプレッサ７からの
空気（酸素）との混合割合を変化させることによって、
プレートフィン熱交換器型改質部４０における水蒸気改
質反応と部分酸化改質反応との割合を変化させるため、
コントローラ５０によりこの可変バルブＰＶの開度を調
整し、コンプレッサ７からの空気量を調整する。すなわ
ち、運転モードをオートサーマル改質反応にするために
は可変バルブＰＶを開いてコンプレッサ７から適当な量
の空気を改質部４０にその入口側から供給し、運転モー
ドが水蒸気改質反応であれば可変バルブＰＶを閉じてコ
ンプレッサ７からの空気供給を停止するのである。

【００８９】プレートフィン熱交換器型改質部４０に供
給される燃料ガスは、その内部において改質されて水素
リッチな改質ガスになり、一酸化炭素除去部（図示せ
ず）に導出され、その後、燃料電池スタック（図示せ
ず）に供給される。

【００９０】加熱ガス管３２は、燃料電池スタックから
の排水素をプレートフィン熱交換器型改質部４０に供給
するためのものである。この加熱ガス管３２の途上には
排水素用流量調整バルブＨＶが設けてある。

【００９１】加熱ガス管３２の下流側には、上流側分岐
管３３と下流側分岐管３３が接続してあり、これらの上
流側分岐管３３の他端はプレートフィン熱交換器型改質
部４０の入口側にある断面Ｂ側供給ヘッダ４１Ｂに接続
してあり、下流側分岐管３４の他端は改質部４０の出口
側にある断面Ａ側供給ヘッダ４１Ａに接続してある。上
流側分岐管３３には上流側供給路を開閉するために第１
排水素用バルブＨ１が、また下流側分岐管３４には下流
側供給路を開閉するために第２排水素用バルブＨ２がそ
れぞれ設けてある。

【００９２】冷却空気用配管３５は、コンプレッサ７か
ら冷却用空気をプレートフィン熱交換器型改質部４０に
供給するためのものである。この冷却空気用配管３５に
は空気用流量調整バルブＣＶが設けてある。

【００９３】冷却空気用配管３５の下流側にも、上流側
分岐管３６と下流側分岐管３７が接続してあり、これら
の上流側分岐管３６の他端は加熱ガス管３２の上流側分
岐管３３に接続してあり、下流側分岐管３７の他端は加
熱ガス管３２の下流側分岐管３４に接続してある。そし
て冷却空気用配管３５の上流側分岐管３６には上流側供
給路を開閉するために第１空気用バルブＣ１が、また下
流側分岐管３７には下流側供給路を開閉するために第２
空気用バルブＣ２がそれぞれ設けてある。

【００９４】プレートフィン熱交換器型改質部４０の断
面Ａ側排気ヘッダ４２Ａ、断面Ｂ側排気ヘッダ４２Ｂは
それぞれ排気管３８，３９によって排気管１７に接続し
てある。そして、これらの排気管３８，３９には、第１
排気バルブＥＸ１、第２排気バルブＥＸ２が設けてあ
る。

【００９５】コントローラ５０は、噴射弁２を制御し、
また運転状態に応じて可変バルブＰＶ、排水素用流量調
整バルブＨＶ、空気用流量調整バルブＣＶのバルブ開度
を調整し、さらにバルブ群Ｈ１，Ｈ２，Ｃ１，Ｃ２，Ｅ
Ｘ１，ＥＸ２を後述する組み合わせで開閉制御する。

【００９６】次に、上記の構成の第５の実施の形態の改
質器の動作を説明する。第１の実施の形態でも説明した
ように、燃料電池発電装置の改質器における改質反応
は、部分酸化改質反応、水蒸気改質反応、そして部分酸
化改質反応と水蒸気改質反応とを１つの改質部で行なう
オートサーマル改質反応の３種類を利用する。

【００９７】部分酸化改質反応は反応速度が速く、ま
た、発熱反応であり、図１９に破線で示しすように、最
初の段階（改質部４０の入口側）で発熱反応が早く進
み、その後は、徐々に温度が降下していく特性を示す。
また、水蒸気改質反応は、吸熱反応であるために、図１
６に破線で示すように、改質部４０の入口側においてそ
の反応のために熱を吸収して温度が下がり、後半におい
て、したがって改質部４０の出口側において一酸化炭素
と水蒸気とが反応するシフト反応（発熱反応）が起こっ
てきて温度が上昇してくる。さらにオートサーマル改質
反応では、図１７に示すように、まず、反応速度の速い
部分酸化が始めに起こって温度上昇し、その発熱で後半
に水蒸気改質反応に必要な熱を補ってやり、そのときに
吸熱反応が起きるので、温度降下する。

【００９８】通常、燃料電池発電装置の運転において
は、オートサーマル改質反応と水蒸気改質反応の組合せ
で、改質反応を進める。図３は、定常運転時の負荷に対
する水蒸気改質反応と部分酸化改質反応の比率の設定例
を示しているが、部分負荷においては部分酸化改質反応
の発熱量に対する放熱量の比率が増加するため、負荷を
小さくするほど部分酸化改質反応の割合を増加し、反応
温度を維持する必要がある。この場合、上述したように
水蒸気改質反応では、改質部４０の入口側で熱が不足
し、一方、オートサーマル改質反応では改質部４０の出
口側で熱が不足する。このため、水蒸気改質反応では、
改質部４０の入口側で熱を多くし、他方、オートサーマ
ル改質反応では、改質部４０の出口側で熱を多く供給す
ることにより、改質率を向上させることが可能となる。

【００９９】そのため、水蒸気改質反応を利用する場合
には、図１６に示すように、排水素と空気（エア）とを
断面Ａだけに供給（断面Ｂには供給せず）して改質部４
０の入口側で燃焼を起こさせて燃料ガスを加熱すること
により、改質反応を促進することができる。逆にオート
サーマル改質反応を利用する場合には、図１７に示すよ
うに、排水素と空気（エア）とを断面Ｂだけに供給（断
面Ａには供給せず）して改質部４０の出口側で燃焼を起
こさせて燃料ガスを加熱することにより、改質反応を促
進することができる。

【０１００】以下、コントローラ５０が行う、運転状態
に応じたバルブ開閉シーケンス制御動作を、水蒸気改質
反応、オートサーマル改質反応、部分酸化改質反応、水
蒸気改質反応からの急停止、オートサーマル改質反応か
ら急停止それぞれの場合について説明する。

【０１０１】＜水蒸気改質反応＞プレートフィン熱交換
器型改質部４０の入口側の加熱を大きくするために、断
面Ａ側だけに加熱ガス（排水素ガス＋空気）を、改質ガ
ス流層５１を流れる燃料ガスに対する対向流として流す
る。そのために、断面Ｂ側に加熱ガスを流す系統上のバ
ルブ、第１空気用バルブＣ１、第１排水素用バルブＨ
１、第２排気バルブＥＸ２を閉じる。そして、断面Ａ側
に加熱ガスを流す系統上のバルブ、第２空気用バルブＣ
２、第２排水素用バルブＨ２、第１排気バルブＥＸ１を
開くのである。

【０１０２】これにより、図１６に実線で示したよう
に、プレートフィン熱交換器型改質部４０の出口側には
燃焼触媒がないので余った熱を冷却し、入口側で燃焼触
媒担持部５４Ａで排水素が燃焼して不足する熱を補うこ
とにより、燃料ガスの水蒸気改質反応を促進し、改質効
率を上昇させることができる。

【０１０３】この水蒸気改質反応は、第１〜第４の実施
の形態で説明したように、機器構成部品が十分に暖機さ
れた定常状態で利用する。

【０１０４】＜オートサーマル改質反応＞プレートフィ
ン熱交換器型改質部４０の出口側の加熱を大きくするた
めに、断面Ｂ側だけに加熱ガス（排水素ガス＋空気）
を、改質ガス流層５１を流れる燃料ガスに対する並行流
として流する。そのために、断面Ａ側に加熱ガスを流す
系統上のバルブ、第２空気用バルブＣ２、第２排水素用
バルブＨ２、第１排気バルブＥＸ１を閉じる。そして、
断面Ｂ側に加熱ガスを流す系統上のバルブ、第１空気用
バルブＣ１、第１排水素用バルブＨ１、第２排気バルブ
ＥＸ２を開くのである。

【０１０５】これにより、図１７に実線で示したよう
に、プレートフィン熱交換器型改質部４０の入口側には
燃焼触媒がないので余った熱を冷却し、出口側で燃焼触
媒担持部５４Ｂで排水素が燃焼して不足する熱を補うこ
とにより、燃料ガスのオートサーマル改質反応を促進
し、改質効率を上昇させることができる。

【０１０６】このオートサーマル改質反応は、第１〜第
４の実施の形態で説明したように、熱不足、また起動時
の暖機運転で利用する。

【０１０７】＜部分酸化改質反応＞部分酸化改質反応は
反応速度が速いので、急発進、急加速時に利用するが、
その場合の、コントローラ５０による制御は、図１９及
び図２０に示すとおりである。つまり、図１９に示すよ
うに入口側での温度上昇が大きいので、コンプレッサ７
からの空気をまず入口側から取り入れて強く冷却する。
また、強い発熱反応であるために、排水素を燃焼させる
必要はなく、コンプレッサ７からの空気のみを供給す
る。

【０１０８】そこで、図２０のテーブルに示すバルブの
開閉制御を行う。つまり、改質ガス流層５１を流れる燃
料ガスに対する並行流として流するために、断面Ａ側に
加熱ガスを流す系統上のバルブ、第２空気用バルブＣ
２、第２排水素用バルブＨ２、第１排気バルブＥＸ１を
閉じる。さらに、断面Ｂ側に排水素を流す系統上のバル
ブである第１排水素バルブＨ１も閉じる。そしてコンプ
レッサ７からの冷却空気のみを断面Ｂに流す系統上のバ
ルブ、第１空気用バルブＣ１だけを開き、また第２排気
バルブＥＸ２を開くのである。

【０１０９】＜水蒸気改質反応からの急減速、急停止＞
第４の実施の形態でも説明したように、自動車の運転時
における急減速時には、改質ガスの速度が急激に減速す
るため、改質ガスがプレートフィン熱交換器型改質部４
０の内部に滞留することになる。その結果、図２１に示
すように、吸熱反応の起こる場所は温度が下がり、逆に
発熱反応の起こる場所では温度が上昇することになる。
そして、急減速前の運転モードが水蒸気改質反応であっ
た場合には、プレートフィン熱交換器型改質部４０の入
口近く、出口近くにおいて特に温度上昇が激しい。そこ
で、これらの部分を急速に冷却する必要がある。

【０１１０】したがって、急減速時に、コントローラ５
０は可変バルブ６の状態(水蒸気改質反応であれば閉、
オートサーマル改質反応であれば開）を見て運転モード
が水蒸気改質反応であると判断した場合、燃焼による加
熱を必要とせず、コンプレッサ７からの空気による冷却
が必要であるので、改質部４０の出口側を冷却するため
に断面Ａ用供給ヘッダ４１Ａから空気を供給し、同時
に、改質部４０の入口側も冷却するために断面Ｂ用供給
ヘッダ４１Ｂからも空気を供給する。そこで、図２３に
示すようなバルブ開閉シーケンスで各バルブをコントロ
ールする。

【０１１１】つまり、排水素供給用の第１、第２排水素
用バルブＨ１，Ｈ２は共に閉じる。そして、空気供給用
の第１、第２空気用バルブＣ１，Ｃ２は共に開く。ま
た、第１、第２排気バルブＥＸ１，ＥＸ２も共に開く。

【０１１２】これにより、プレートフィン熱交換器型改
質部４０の入口付近、出口付近の発熱による高温状態を
回避することができ、触媒の劣化を防止することができ
る。

【０１１３】＜オートサーマル改質反応からの急減速、
急停止＞自動車の運転時における急減速時に、改質ガス
がプレートフィン熱交換器型改質部４０の内部に滞留す
ることにより、運転モードがオートサーマル改質反応で
あった場合、図２２に示すように、改質部４０の入口側
において特に温度上昇が激しい。このため、この部分を
急速に冷却する必要がある。

【０１１４】そこで、急減速時に、コントローラ５０が
可変バルブ６の状態を見て運転モードがオートサーマル
改質反応であると判断した場合、コンプレッサ７からの
空気によって改質部４０の入口側を重点的に冷却するた
めに断面Ｂ用供給ヘッダ４１Ｂのみから空気を供給する
ことにして、図２３に示すようなバルブ開閉シーケンス
で各バルブをコントロールする。

【０１１５】つまり、排水素供給用の第１、第２排水素
用バルブＨ１，Ｈ２は共に閉じる。また、第２空気用バ
ルブＣ２を閉じ、第１排気バルブＥＸ１も閉じる。そし
て、第１空気用バルブＣ１を開く、第２排気バルブＥＸ
２も開く。

【０１１６】これにより、プレートフィン熱交換器型改
質部４０の入口側の発熱による高温状態を回避すること
ができ、触媒の劣化を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の構成を示す系統
図。

【図２】水蒸気改質反応とオートサーマル改質反応によ
る改質部内の温度分布を示すグラフ。

【図３】定常運転での運転負荷と水蒸気改質反応／部分
酸化改質反応の比率との関係を示すグラフ。

【図４】上記の実施の形態によるバルブ開閉状態の組合
せを示す表。

【図５】本発明の第２の実施の形態の構成を示す系統
図。

【図６】部分負荷時の改質部内の温度分布を示すグラ
フ。

【図７】上記の実施の形態によるバルブ開閉状態の組合
せを示す表。

【図８】本発明の第３の実施の形態の構成を示す系統
図。

【図９】急加速時の改質部内の温度分布を示すグラフ。

【図１０】上記の実施の形態によるバルブ開閉状態の組
合せを示す表。

【図１１】本発明の第４の実施の形態の構成を示す系統
図。

【図１２】急減速時の改質部内の温度分布を示すグラ
フ。

【図１３】上記の実施の形態によるバルブ開閉状態の組
合せを示す表。

【図１４】本発明の第５の実施の形態の構成を示す系統
図。

【図１５】上記の実施の形態におけるプレートフィン熱
交換器型改質部の構造を示す断面図。

【図１６】上記の実施の形態において水蒸気改質反応運
転時の改質部内の温度分布を示すグラフ。

【図１７】上記の実施の形態においてオートサーマル改
質反応運転時の改質部内の温度分布を示すグラフ。

【図１８】上記の実施の形態による水蒸気改質反応運転
時、オートサーマル改質反応運転時のバルブ開閉状態の
組合せを示す表。

【図１９】上記の実施の形態において部分酸化改質反応
運転時の改質部内の温度分布を示すグラフ。

【図２０】上記の実施の形態による部分酸化改質反応運
転時のバルブ開閉状態の組合せを示す表。

【図２１】上記の実施の形態による水蒸気改質反応運転
からの急減速時の改質部内の温度分布を示すグラフ。

【図２２】上記の実施の形態によるオートサーマル改質
反応運転からの急減速時の改質部内の温度分布を示すグ
ラフ。

【図２３】上記の実施の形態において水蒸気改質反応運
転からの急減速時、オートサーマル改質反応運転からの
急減速時それぞれのバルブ開閉状態の組合せを示す表。

【符号の説明】

１蒸発器２噴射弁３触媒燃焼器４プレートフィン熱交換器型改質部５コントローラ７コンプレッサ１３上流側ヘッダ１４下流側ヘッダ１５上流側ヘッダ下部１６下流側ヘッダ下部４０プレートフィン熱交換器型改質部４１Ａ断面Ａ側供給ヘッダ４１Ｂ断面Ｂ側供給ヘッダ４２Ａ断面Ａ側排気ヘッダ４２Ｂ断面Ｂ側排気ヘッダ５０コントローラ５１改質ガス流層５２第１冷加熱ガス流層（断面Ａ）５３第２冷加熱ガス流層（断面Ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プレートフィン熱交換器型改質部を用
い、当該プレートフィン熱交換器型改質部内に燃料ガス
とこれに対する冷加熱ガスとを流し、燃料ガスを改質し
て水素リッチな改質ガスを生成する改質方法であって、
運転状況に応じて前記冷加熱ガスを前記燃料ガスに対し
て並行流又は対向流にして流すことを特徴とする改質方
法。
【請求項２】運転状況が水蒸気改質である場合には前
記冷加熱ガスを燃料ガスに対して並行流にして流し、運
転状況がオートサーマル改質反応である場合には前記冷
加熱ガスを燃料ガスに対して対向流にして流すことを特
徴とする請求項１に記載の改質方法。
【請求項３】負荷に応じて前記冷加熱ガスの流量を調
整することを特徴とする請求項１又は２に記載の改質方
法。
【請求項４】急加速時に前記冷加熱ガスの流量を調整
することを特徴とする請求項１又は２に記載の改質方
法。
【請求項５】急減速時に前記冷加熱ガスの流量を調整
することを特徴とする請求項１又は２に記載の改質方
法。
【請求項６】プレートフィン熱交換器型改質部を用
い、当該プレートフィン熱交換器型改質部内に燃料ガス
とこれに対する冷加熱ガスとを流し、燃料ガスを改質し
て水素リッチな改質ガスを生成する改質器であって、運
転状況に応じて前記冷加熱ガスを前記燃料ガスに対して
並行流又は対向流にして流すガス流方向切替手段を備え
て成る改質器。
【請求項７】前記ガス流方向切換手段は、運転状況が
水蒸気改質反応である場合には前記冷加熱ガスを燃料ガ
スに対して並行流にして流し、運転状況がオートサーマ
ル改質反応である場合には前記冷加熱ガスを燃料ガスに
対して対向流にして流すことを特徴とする請求項６に記
載の改質器。
【請求項８】負荷に応じて前記冷加熱ガスの流量を調
整する流量調整手段を備えたことを特徴とする請求項６
又は７に記載の改質器。
【請求項９】急加速時に前記冷加熱ガスの流量を調整
する流量調整手段を備えたことを特徴とする請求項６又
は７に記載の改質器。
【請求項１０】急減速時に前記冷加熱ガスの流量を調
整する流量調整手段を備えたことを特徴とする請求項６
又は７に記載の改質器。
【請求項１１】燃料ガスの入口側に相当する部分に部
分的に燃焼触媒担持部が形成された第１冷加熱ガスプレ
ートフィンと、前記燃料ガスの出口側に相当する部分に
部分的に燃焼触媒担持部が形成された第２冷加熱ガスプ
レートフィンと、燃料ガスプレートとを交互に多層に積
層した構造のプレートフィン熱交換器型改質部と、前記プレートフィン熱交換器型改質部の前記燃料ガスプ
レートの層各々に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部
と、前記プレートフィン熱交換器型改質部の前記第１冷加熱
ガスプレートフィン各々に対して前記出口側に相当する
側から前記冷加熱ガスを供給し、当該第１冷加熱がスプ
レーとフィン各々の前記入口側に相当する側から前記冷
加熱ガスを排出する第１の冷加熱ガス供給系統と、前記プレートフィン熱交換器型改質部の前記第２冷加熱
ガスプレートフィン各々に対して前記入口側に相当する
側から前記冷加熱ガスを供給し、当該第２冷加熱がスプ
レーとフィン各々の前記出口側に相当する側から前記冷
加熱ガスを排出する第２の冷加熱ガス供給系統と、前記第１の冷加熱ガス供給系統と前記第２の冷加熱ガス
供給系統とのいずれか一方、又は両方に切り換えて前記
冷加熱ガスを供給する系統切換制御部とを備えて成る改
質器。
【請求項１２】前記系統切換制御部は、運転状況が水
蒸気改質反応である場合には前記第１の冷加熱ガス供給
系統だけに前記冷加熱ガスを供給し、運転状況がオート
サーマル改質反応である場合には前記第２の冷加熱ガス
供給系統だけに前記冷加熱ガスを供給することを特徴と
する請求項１１に記載の改質器。
【請求項１３】負荷に応じて前記冷加熱ガスの流量を
調整する流量調整手段を備えたことを特徴とする請求項
１１又は１２に記載の改質器。
【請求項１４】急加速時に前記冷加熱ガスの流量を調
整する流量調整手段を備え、前記系統切換制御部は、急加速時に前記第１、第２の冷
加熱ガス供給系統の両方に空気のみを供給することを特
徴とする請求項１１又は１２に記載の改質器。
【請求項１５】急減速時に前記冷加熱ガスの流量を調
整する流量調整手段を備え、前記系統切換制御部は、急減速の直前に水蒸気改質反応
を行っていた場合には前記第１、第２の冷加熱ガス供給
系統の両方に空気のみを流し、急減速の直前にオートサ
ーマル改質を行っていた場合には、前記第２の冷加熱ガ
ス供給系統に空気のみを流すことを特徴とする請求項１
１又は１２に記載の改質器。