JP2002087801A

JP2002087801A - 改質器の暖機制御

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Publication number: JP2002087801A
Application number: JP2000271917A
Authority: JP
Inventors: Hibiki Hattori; 響服部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2000-09-07
Publication date: 2002-03-27
Anticipated expiration: 2020-09-07
Also published as: JP4765153B2

Abstract

(57)【要約】【課題】改質装置の暖機時における局所的な過熱を防
止する。【解決手段】炭化水素を含む改質原料から水素リッチ
な燃料ガスを生成するための改質器の暖機時において、
改質器内での発熱反応に利用される昇温用ガスを、間欠
的な投入量ピークを有する間欠投入パターンに従って改
質器に投入する。昇温用ガスは、空気でもよく、あるい
は、原燃料ガスでもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素を含む改
質原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装
置の暖機制御技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】改質装置では、水蒸気改質反応や部分酸
化反応などの種々の化学反応を利用して、改質原料から
水素リッチな燃料ガスを生成する。このような化学反応
は、改質装置の内部に収納された触媒によって促進され
る。また、通常の改質装置には、改質原料を昇温するた
めの加熱部が設けられており、この加熱部においても、
触媒を用いた発熱反応を利用することが多い。

【０００３】このように、改質装置では各種の反応を促
進するために種々の触媒が利用されている。触媒による
反応を促進するためには、触媒の活性が充分に高くなる
温度にまで触媒を昇温させる必要がある。したがって、
例えば改質装置の起動時には、装置の内部を適切な温度
まで上昇させる時間（暖機時間）を、より短くすること
が好ましい。

【０００４】改質装置の暖機時間の短縮のための技術と
して、例えば特開平１１−８６８９３号公報に記載され
たものが知られている。この装置では、その起動時や過
渡応答時において、高温燃焼ガスで改質触媒を連続的に
加熱している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の技術では、高温燃焼ガスで連続的に改質触媒を加熱し
ているので、改質触媒の温度が局所的に過熱してしまう
可能性があった。このような問題は、改質触媒に限ら
ず、他の触媒や触媒以外の部分の昇温時にも起こりうる
問題であった。

【０００６】本発明は、上述した従来の課題を解決する
ためになされたものであり、改質装置の暖機時における
局所的な過熱を防止することのできる技術を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記目的を達成するために、本発明の燃料改質装置は、炭
化水素を含む改質原料から水素リッチな燃料ガスを生成
するための燃料改質装置であって、改質触媒を少なくと
も含む改質器と、前記改質器の暖機時において、前記改
質器内での発熱反応に利用される昇温用ガスを、間欠的
な投入量ピークを示すピーク期間と前記ピーク期間以外
の非ピーク期間とを有する間欠投入パターンに従って、
前記改質器に投入するガス間欠投入部と、を備えること
を特徴とする。

【０００８】改質器に昇温用ガスを間欠的に投入する
と、非投入期間の間に温度の均一化が起こる。従って、
昇温用ガスを連続的に投入する場合に比べて温度分布が
より均一になり、局所的な過熱を防止することが可能で
ある。

【０００９】なお、前記ガス間欠投入部は、前記昇温用
ガスを、前記非ピーク期間におけるベース流量と、前記
ピーク期間において前記ベース流量に追加されるピーク
部流量と、の和の流量で前記改質器に投入するようにし
てもよい。

【００１０】この形態では、非ピーク期間において流量
がゼロになる場合に比べて、ピーク期間と非ピーク期間
における投入量の変動が小さいので、局所的な過熱をよ
り有効に防止することが可能である。

【００１１】前記ベース流量は、前記昇温用ガスを前記
ベース流量だけ継続的に前記改質器に投入した場合にも
前記改質器が過熱しない量の範囲に制限されているよう
にしてもよい。

【００１２】この形態では、ベース流量の昇温用ガスを
連続的に改質器に投入しても改質器を過熱させることが
無いので、改質器の過熱をより確実に防止することが可
能である。

【００１３】前記ベース流量は一定量に維持されるよう
に制御してもよく、あるいは、可変に制御してもよい。

【００１４】前記改質器は、通常は、前記改質器内に導
入される前記改質原料を加熱するための加熱部と、前記
改質触媒を用いて前記加熱された改質原料を改質するこ
とによって改質ガスを生成する改質部と、前記改質ガス
中の一酸化炭素を低減するための一酸化炭素低減部と、
を有している。このとき、前記昇温用ガスは、前記加熱
部と、前記改質部と、前記一酸化炭素低減部と、のうち
の少なくともいずれかに投入されるガスであることが好
ましい。

【００１５】これらの部分は、暖機時において、空気や
改質原料ガスなどの昇温用ガスが関与する発熱反応によ
って昇温される。従って、これらの部分に投入される昇
温用ガスを間欠的に投入することによって、これらの部
分における局所的な過熱を防止することが可能である。

【００１６】前記発熱反応は、前記改質器内に収納され
た触媒によって促進され、これによって前記触媒を加熱
するものであることが好ましい。

【００１７】触媒は、昇温時に局所的な過熱が生じやす
い傾向がある。従って、触媒によって促進される発熱反
応に関与する昇温用ガスを間欠的に投入すれば、触媒の
局所的な過熱を防止することが可能である。

【００１８】前記昇温用ガスとしては、空気を含むガス
である場合や、前記改質原料のガスを含む場合がある。
また、昇温用ガスが両方を含むようにしてもよい。

【００１９】前記ガス間欠投入部は、前記ピーク期間と
前記非ピーク期間との繰り返しの周期を一定に保つとと
もに、前記昇温用ガスの単位時間当たりの投入量を各ピ
ーク期間毎に変化させるようにしてもよい。

【００２０】あるいは、前記ガス間欠投入部は、前記ピ
ーク期間における前記昇温用ガスの投入量のピーク部分
の高さをほぼ一定に保つとともに、前記ピーク期間の長
さを変化させるようにしてもよい。

【００２１】なお、本発明は、種々の態様で実現するこ
とが可能であり、例えば、燃料改質装置およびその暖機
制御方法、燃料電池システムおよびその暖機制御方法、
それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピ
ュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録
した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送
波内に具現化されたデータ信号、等の態様で実現するこ
とができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例に基づいて以下の順序で説明する。Ａ．第１実施例（メタノール改質）：Ｂ．第２実施例：Ｃ．第３〜第６実施例：Ｄ．第７実施例（天然ガス改質）：Ｅ．変形例：

【００２３】Ａ．第１実施例（メタノール改質）：図１
は、本発明の第１実施例としての燃料電池システムの構
成を示す説明図である。この燃料電池システム２００
は、メタノールを貯蔵する原燃料タンク１０と、水を貯
蔵する水タンク２０と、改質反応により原燃料から燃料
ガス（「改質ガス」とも呼ぶ）を生成する改質器３０
と、燃料電池４０と、コントローラ５０とを備えてい
る。改質器３０は、改質原料を気化する気化部３２と、
気化部３２に熱を供給する加熱部３４と、改質触媒を収
納した改質部３６と、改質ガス中の一酸化炭素を低減す
るための選択酸化を行う選択酸化部３８と、を有してい
る。なお、気化部３２と加熱部３４とを合わせて「蒸発
部」と呼ぶこともある。

【００２４】原燃料タンク１０には原燃料供給路１０２
が接続されており、水タンク２０には水供給路１０８が
接続されている。原燃料供給路１０２は２つの分岐流路
１０４，１０６に分岐している。第１の分岐流路１０４
は、水供給路１０８と合流しており、合流後の流路１１
０は気化部３２に接続されている。一方、第２の分岐流
路１０６は、加熱部３４に接続されている。分岐流路１
０４，１０６にはポンプ５２，５４がそれぞれ設けられ
ており、また、水供給路１０８にもポンプ５６が設けら
れている。

【００２５】メタノールと水は、ポンプ５２，５６によ
ってそれぞれ吸い出され、混合された状態で気化部３２
に導入される。この混合物を、以下では「改質原料」と
呼ぶ。改質原料は気化部３２において気化されて蒸気
（メタノール蒸気および水蒸気）となり、改質部３６に
供給される。このガス状の改質原料（「改質原料ガス」
と呼ぶ）は、改質部３６と選択酸化部３８における化学
反応によって水素ガスリッチな燃料ガスＨＲＧに変換さ
れる。改質部３６と選択酸化部３８における化学反応に
ついては後述する。

【００２６】改質器３０で生成された燃料ガスＨＲＧ
は、燃料ガス流路１１２を介して燃料電池４０内の燃料
ガス通路４２に導入される。また、燃料電池４０内の空
気通路４４には、エアーポンプ４６によって空気ＡＲ４
０が供給される。このエアーポンプ４６としては、例え
ばブロアを利用することができる。燃料電池４０内で
は、燃料ガスＨＲＧ内の水素と、空気ＡＲ４０内の酸素
との電気化学反応によって発電が行われ、この結果、燃
料ガスＨＲＧ中の水素が消費される。

【００２７】燃料電池４０からの燃料排ガスの排出路１
１４は、改質器３０の加熱部３４に戻されている。加熱
部３４は、燃料排ガス中の水素を燃焼させて、その熱を
気化部３２に供給している。加熱部３４としては、白金
触媒やパラジウム触媒などの貴金属触媒を用いて燃料排
ガスやメタノールの燃焼反応を促進する装置や、あるい
は、バーナを用いて燃料排ガスやメタノールを燃焼させ
る装置を利用することができる。気化部３２では、加熱
部３４から与えられた熱によって改質原料が気化され
る。燃料排ガスの燃焼による熱では熱量が不足する場合
には、ポンプ５４を介して原燃料であるメタノールが加
熱部３４に供給される。加熱部３４には、さらに、空気
供給部６４によって加熱用空気ＡＲ３４が供給されてい
る。空気供給部６４は、エアーポンプ６４ａと、圧力計
６４ｂと、電動弁６４ｃとを有している。なお、これと
同様な空気供給部６６，６８が、改質部３６の上流側の
混合室３６ａと、選択酸化部３８の上流側の混合室３８
ａとに空気をそれぞれ供給している。

【００２８】改質部３６には、改質触媒の温度を測定す
るための温度センサ９２が設けられている。また、改質
器３０と燃料電池４０との間の燃料ガス流路１１２に
は、酸素濃度センサ９４と一酸化炭素濃度センサ９６と
が設けられている。コントローラ５０は、これらのセン
サ９２，９４，９６を含む複数のセンサで測定された測
定値を制御入力として用いて、燃料電池システム２００
の制御を実行する。なお、図１では、コントローラ５０
は、図示の便宜上、一部の構成部品（センサやポンプ）
への接続のみが描かれており、他の構成部品への接続は
図示が省略されている。

【００２９】改質器３０内の各部において利用されてい
る主な化学反応は、以下の通りである。改質部３６で
は、主として下記のようなメタノールの水蒸気改質反応
が発生する。

【００３０】ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋３Ｈ₂−４９．５（kJ/mol） …（１）

【００３１】メタノールの水蒸気改質反応の触媒として
は、例えば銅−亜鉛系の触媒を用いることが可能であ
る。空気供給部６６によって改質部３６に空気ＡＲ３６
が投入されると、改質部３６内において以下に示す部分
酸化反応も発生する。

【００３２】ＣＨ₃ＯＨ＋（１／２）Ｏ₂ → ＣＯ₂＋２Ｈ₂＋１８９（kJ/mol） …（２）

【００３３】上記（１）式の水蒸気改質反応は吸熱反応
であり、（２）式の部分酸化反応は発熱反応である。従
って、改質器３０の定常運転時には、両者を適度な比率
で行わせることによって、改質部３６を適切な運転温度
に維持することが可能である。なお、改質部３６に供給
される空気ＡＲ３６は、上記の部分酸化反応に利用され
るので、以下ではこれを「部分酸化用空気」と呼ぶ。

【００３４】なお、上記（１）式の水蒸気改質反応は、
例えば下記の２つの反応の結果であると考えることがで
きる。

【００３５】ＣＨ₃ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ₂−９０．０（kJ/mol） …（３）ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋Ｈ₂＋４０．５（kJ/mol） …（４）

【００３６】しかし、（３）式の反応で発生した一酸化
炭素の一部は、二酸化炭素に変換されずにそのまま改質
部３６から選択酸化部３８に供給される。そこで、選択
酸化部３８では、空気供給部６８から供給された空気Ａ
Ｒ３８中の酸素を用いて以下の選択酸化反応を発生さ
せ、これによって一酸化炭素濃度を低下させている。

【００３７】ＣＯ＋（１／２）Ｏ₂ → ＣＯ₂＋２７９．５（kJ/mol）…（５）

【００３８】この選択酸化反応の触媒としては、白金触
媒やルテニウム触媒などの貴金属触媒や、アルミニウム
触媒などを利用することができる。選択酸化部３８を通
過したガスは、水素リッチな燃料ガスＨＧＲとして燃料
電池４０に供給される。選択酸化部３８において一酸化
炭素濃度を低減させる理由は、良く知られているよう
に、一酸化炭素が燃料電池４０内の白金触媒に対して被
毒作用があり、燃料電池４０の起電力を低下させてしま
うからである。なお、選択酸化部３８に供給される空気
ＡＲ３８を、以下では「選択酸化用空気」と呼ぶ。

【００３９】上述したように、この改質器３０における
改質処理は、改質部３６と選択酸化部３８の両方におけ
る反応で達成される。そこで、改質部３６での処理後の
ガスを「一次改質ガス」と呼び、また、選択酸化部３８
での処理後のガスを「最終改質ガス」または単に「改質
ガス」と呼ぶことがある。

【００４０】図２は、コントローラ５０によって実行さ
れる改質器３０の暖機制御の流れを示すフローチャート
である。改質器３０の起動時や、起動後に再度暖機を行
う必要が生じたときには、このフローに従って暖機制御
が行われる。

【００４１】ステップＳ１では、コントローラ５０がポ
ンプ５２，５４，５６や空気供給部６４，６６，６８を
起動して、改質器３０の暖機運転を開始する。暖機運転
時には、コントローラ５０は、加熱部３４に対して通常
運転時よりも多量のメタノールを供給するようにポンプ
５４を制御し、これによって、気化部３２で気化される
原燃料ガスの温度を高めている。また、改質部３６への
部分酸化用空気ＡＲ３６の投入量も、定常運転時よりも
高い値に設定される。こうすることにより、上記（２）
式の部分酸化反応や、水素ガスの酸化反応により、改質
触媒をより早く昇温させることができる。

【００４２】ステップＳ２では、コントローラ５０が、
改質部３６に部分酸化用空気ＡＲ３６が間欠的に投入さ
れるように空気供給部６６を制御する。図３（Ａ）は、
第１実施例における部分酸化用空気ＡＲ３６の投入量制
御を示すグラフである。第１実施例では、改質部３６の
暖機時において、部分酸化用空気ＡＲ３６が間欠的に改
質部３６に投入される。この例では、時刻ｔ０で暖機運
転が開始されると、時刻ｔ０〜ｔ１の期間（投入期間）
では空気ＡＲ３６が投入され、その後の時刻ｔ１〜ｔ２
の期間（非投入期間）では空気ＡＲ３６の投入が完全に
遮断される。さらに、時刻ｔ２〜ｔ３の投入期間では空
気ＡＲ３６が再び投入される。このような空気ＡＲ３６
の間欠投入制御は、コントローラ５０によって制御され
る。具体的には、投入期間と非投入期間の切り替えは、
電動弁６６ｃをオン／オフ制御することによって実現さ
れる。また、空気ＡＲ３６の投入期間における圧力は、
改質触媒の温度に応じて、エアポンプ６６ａや電動弁６
６ｃを制御することによって調整される。

【００４３】なお、上述の説明から理解できるように、
空気供給部６６とコントローラ５０とが、本発明におけ
るガス間欠投入部に相当する。

【００４４】この第１実施例では、空気ＡＲ３６の間欠
的な投入の周期Δｔは一定に設定されており、空気ＡＲ
３６の投入量は、空気ＡＲ３６の投入圧力を調整するこ
とによって変化するように制御されている。このため、
電動弁６６ｃは、一定周期でオン／オフ制御されてい
る。このオン／オフ制御の周期Δｔは、例えば約１秒に
設定される。また、空気ＡＲ３６の投入圧力の調整は、
圧力センサ６６ｂで測定された圧力を用いて、エアポン
プ６６ａの運転状態を制御することによって実現されて
いる。なお、圧力センサの代わりに流量計を用いて空気
ＡＲ３６の投入量を測定するようにしてもよい。

【００４５】なお、実際には、空気ＡＲ３６の圧力は、
図３（Ａ）に示すようなきれいな矩形を示さずに、各投
入期間内でも変動するが、図３（Ａ）では図示の便宜
上、簡略化されている。

【００４６】図３（Ｂ）は、比較例における部分酸化用
空気ＡＲ３６の投入量制御を示すグラフである。この比
較例では、時刻ｔ０で暖機運転が開始されると、空気Ａ
Ｒ３６の投入量が連続的に変化するように制御される。
また、暖機運転の開始直後は、改質触媒の温度を早く上
昇させるために、特に空気ＡＲ３６の投入量が多い。こ
のように、暖機時において改質部３６に多量の部分酸化
用空気ＡＲ３６を連続的に投入すると、上記（２）式で
示す部分酸化反応や水素ガスの酸化反応によって生じた
熱によって、改質触媒の温度が局所的に上昇する傾向が
ある。改質触媒の温度が局所的に上昇すると、その部分
における反応がさらに促進され、その部分の温度がさら
に上昇する。この結果、改質触媒の一部が過熱状態にな
ってしまうという問題がある。特に、銅−亜鉛系の触媒
は、貴金属触媒に比べて耐熱性が低いので、このような
過熱によって触媒の劣化などの問題が生じやすい傾向に
ある。

【００４７】これに対して、図３（Ａ）に示す第１実施
例の暖機制御では、部分酸化用空気ＡＲ３６が間欠的に
投入されるように制御が行われているので、空気の投入
期間に温度が大幅に上昇した触媒部分の熱が、空気の非
投入期間において周囲に伝達される。すなわち、空気の
非投入期間のたびに触媒内の温度分布が均一化されるの
で、改質触媒全体を従来に比べてより均一な温度で徐々
に上昇させることができるという効果が得られる。ま
た、これに伴って、改質触媒の温度上昇に使用されるエ
ネルギを節約できるという効果がある。

【００４８】改質部３６の暖機中は、コントローラ５０
は温度センサ９２（図１）を用いて改質触媒の温度を監
視している。なお、温度センサ９２は、改質触媒中の複
数の位置の温度を測定できるように、複数の位置に設け
られていることが好ましい。図２のステップＳ３では、
改質触媒内の少なくとも１つの特定箇所の温度Ｔ36が所
定のしきい値Ｔth以上になったか否かが判断される。改
質触媒の温度Ｔ36がしきい値Ｔth未満である場合には、
部分酸化用空気ＡＲ３６の間欠投入制御が継続される。
一方、改質触媒の温度Ｔ36が所定のしきい値Ｔth以上に
なると、ステップＳ４において部分酸化用空気ＡＲ３６
の連続投入制御に移行する。図３（Ａ）の例では、時刻
ｔｐ以降は部分酸化用空気ＡＲ３６の連続投入制御が開
始され、その投入量が変化するように制御が実行されて
いる。

【００４９】なお、暖機運転中の部分酸化用空気ＡＲ３
６の投入量（すなわち圧力）の制御を、改質触媒の温度
Ｔ36に基づいて行う代わりに、センサ９６で測定された
一酸化炭素濃度に基づいて行うようにしてもよい。暖機
運転の終了時の判断についても同様である。すなわち、
一般には、改質器の動作状態を示す特定の特性値を制御
入力として用いて、改質器の暖機制御を実行すればよ
い。

【００５０】以上のように、第１実施例では、改質部３
６の暖機時において部分酸化用空気ＡＲ３６を改質部３
６に間欠的に投入しているので、改質触媒の温度をより
均一に上昇させてゆくことができ、改質触媒が局所的に
過熱状態になるのを防止することが可能である。

【００５１】Ｂ．第２実施例：図４は、第２実施例にお
ける部分酸化用空気ＡＲ３６の投入量制御を示すグラフ
である。第２実施例は、装置構成は図１に示した第１実
施例と同じであり、空気ＡＲ３６の投入量制御の方法が
異なるだけである。すなわち、第２実施例においては、
図４に示すように、改質部３６に投入される空気ＡＲ３
６の圧力（すなわち単位時間当たりの投入量）が一定に
保持されており、投入期間Δｔonが変化するように制御
が行われている。また、非投入期間Δｔoff は一定値に
設定されている。この第２実施例のように、投入期間Δ
ｔonにおける空気ＡＲ３６の単位時間当たり投入量
（「投入率」とも呼ぶ）を一定として、投入期間Δｔon
の長さを変化させる間欠投入制御によっても、上述した
第１実施例とほぼ同様な効果が得られる。

【００５２】なお、改質部３６への部分酸化用空気ＡＲ
３６の間欠投入制御の方法としては、図３（Ａ）に示し
た第１の方法（単位時間当たりの投入量を変化させる方
法）や、第２の方法（投入時間ｔonを変化させる方法）
以外の方法を採用することも可能である。例えば、改質
触媒の温度が第１のしきい値Ｔth1 に達するまでは第１
の方法を採用し、第１のしきい値Ｔth1 を超えて第２の
しきい値Ｔth2 に達するまでは第２の方法を採用するよ
うにしてもよい。

【００５３】改質器３０の暖機時において空気を間欠的
に投入する技術は、改質器３０内の改質部３６以外の部
分にも適用可能である。例えば、暖機時において、選択
酸化部３８に選択酸化用空気ＡＲ３８を間欠的に投入す
ることも可能である。選択酸化部３８も触媒を用いてい
るので、空気ＡＲ３８の間欠投入制御を行うことによっ
て、改質部３６と同様に、その触媒の温度をほぼ均一に
上昇させることができるという効果がある。また、暖機
に要するエネルギを節約できるという効果もある。さら
に、暖機時において、加熱部３４に空気ＡＲ３４を間欠
的に投入することも可能である。加熱部３４において触
媒を用いている場合には、改質部３６や選択酸化部３８
と同様な効果が期待できる。

【００５４】選択酸化部３８や加熱部３４への空気の間
欠投入制御を行う場合には、これらの各部３８，３４に
それぞれ温度センサを設けて、個別に暖機運転の終了時
期を判断することが好ましい。但し、改質器３０内の所
定の箇所の温度に基づいて、各部３４，３６，３８の暖
機運転を同時に終了させるようにすることも可能であ
る。

【００５５】なお、改質部３６で用いられる触媒は、銅
−亜鉛系の卑金属触媒であり、改質器３０内の他の触媒
よりも耐熱性が低い場合が多い。従って、空気の間欠投
入制御の効果は、改質部３６においてもっとも顕著であ
る。すなわち、一般には、改質器３０の複数種類の触媒
の中で、耐熱性が最も低い触媒に関して、その暖機時に
空気の間欠投入制御を行うことが好ましい。

【００５６】Ｃ．第３〜第６実施例：以下に説明する第
３ないし第６実施例は、装置構成は上述した第１および
第２実施例と同じであり、空気の投入量のパターン（以
下、単に「投入パターン」とも呼ぶ）が異なるだけであ
る。

【００５７】図５は、第３実施例におけるにおける部分
酸化用空気ＡＲ３６の投入パターンを示すグラフであ
る。この第３実施例では、暖機運転時の空気ＡＲ３６の
投入パターンが、ピーク期間と非ピーク期間とに区分さ
れている。すなわち、非ピーク期間では一定の流量ＦＢ
Ｆに維持されており、ピーク期間ではこの一定流量ＦＢ
Ｆに略パルス状のピーク部分ＰＦが追加されている。以
下では、非ピーク期間における一定流量ＦＢＦを「固定
ベース流量」と呼び、ピーク部分ＰＦを「ピーク部流
量」と呼ぶ。

【００５８】なお、この第３実施例における空気投入量
は、前述した第１実施例（図３（Ａ））と同様に、ピー
ク期間と非ピーク期間の周期をそれぞれ一定に維持する
とともに、空気３６の単位時間当たりの投入量（より正
確にはピーク部分ＰＦの高さ）をピーク期間毎に変化さ
せる方法に従って制御されている。

【００５９】この第３実施例では、暖機運転が終了した
時刻ｔｐ以降も、ピーク期間を有する投入パターンに従
って部分酸化用空気ＡＲ３６が投入されている。但し、
この代わりに、図３（Ａ）に示し第１実施例と同様に、
時刻ｔｐ以降において、空気ＡＲ３６の連続投入制御を
開始するようにしてもよい。

【００６０】なお、固定ベース流量ＦＢＦの値は、仮に
固定ベース流量ＦＢＦだけの空気ＡＲ３６を改質器３０
に継続的に投入しても、改質器３０が過熱することが無
いような範囲の量に制限しておくことが好ましい。こう
すれば、ベース流量ＦＢＦの空気ＡＲ３６を連続的に改
質器３０に投入しても、局所的な過熱をより確実に防止
することが可能である。ここで、「改質器３０が過熱す
る」とは、改質器３０内の特定の構成要素の温度（例え
ば改質触媒の温度Ｔ36）が、所定の上限温度を超えるこ
とを意味する。このような固定ベース流量ＦＢＦの値
は、実験的に決定される。

【００６１】第３実施例のような間欠投入パターンを採
用すれば、非ピーク期間においてベース流量ＦＢＦがゼ
ロである第１実施例（図３（Ａ））に比べて、空気の投
入量の変動を小さく抑えることができる。この結果、改
質触媒の温度変動を小さくすることができるので、改質
触媒の局所的な過熱をさらに効率的に防止しつつ、より
短時間で改質器３０の暖機を行うことが可能である。

【００６２】図６は、第４実施例における部分酸化用空
気ＡＲ３６の投入パターンを示すグラフである。この第
４実施例は、第３実施例で採用した投入パターンに対し
て、図４に示した第２実施例の制御方法を適用したもの
である。すなわち、第４実施例における空気投入量は、
ピーク部分ＰＦの高さを一定に維持するとともに、ピー
ク期間の長さを変化させる方法に従って制御されてい
る。この第４実施例の投入パターンによっても、第３実
施例と同様な効果が得られる。

【００６３】なお、図３（Ａ）の第１実施例と図４の第
２実施例は、図５の第３実施例および図６の第４実施例
のそれぞれ特別なケースであると考えることができる。
すなわち、図３（Ａ）の第１実施例の投入パターンは、
図５の第３実施例の投入パターンにおける非ピーク期間
の流量をゼロとしたものである。また、図４の第２実施
例の投入パターンは、図６の第４実施例の投入パターン
における非ピーク期間の流量をゼロとしたものである。
すなわち、これらの４つの実施例は、いずれもピーク期
間と非ピーク期間を有する間欠投入パターンに従って部
分酸化用空気３６が投入されている、という点で共通し
ている。この説明から理解できるように、本明細書にお
いて、「間欠投入」という用語は、非ピーク期間におい
て投入量がゼロになる場合と、ゼロにならない場合との
両方を含む広い意味を有している。

【００６４】図７および図８は、第５実施例および第６
実施例における部分酸化用空気ＡＲ３６の投入パターン
を示すグラフである。これらの実施例は、第３実施例
（図５）および第４実施例（図６）における固定的なベ
ース流量ＦＢＦの代わりに、可変に制御されるベース流
量ＶＢＦを用いたものである。以下では、このように可
変制御されるベース流量ＶＢＦを「可変ベース流量」と
呼ぶ。この可変ベース流量ＶＢＦも、例えば改質触媒の
温度Ｔ36に応じて制御される。第５および第６実施例の
投入パターンによっても、第３および第４実施例と同様
な効果が得られる。

【００６５】なお、可変ベース流量ＶＢＦも、固定ベー
ス流量ＦＢＦと同様に、仮に可変ベース流量ＶＢＦだけ
の空気ＡＲ３６を改質器３０に継続的に投入しても、改
質器３０が過熱することが無いような範囲の量に制限し
ておくことが好ましい。

【００６６】第５、第６実施例においては、可変ベース
流量ＶＢＦが非ピーク期間において連続的に変化するよ
うに制御を行っていたが、可変ベース流量ＶＢＦがステ
ップ状に変化するように制御を行ってもよい。具体的に
は、例えば、改質触媒の温度Ｔ36を予め複数の範囲に区
分しておき、これらの各範囲に対して可変ベース流量Ｖ
ＢＦの値をそれぞれ１つずつ割り当てるようにしておい
てもよい。こうすれば、空気投入量の制御がより容易で
あるという利点がある。

【００６７】なお、第３ないし第６実施例の投入パター
ンは、改質器３０内の改質部３６以外の部分（例えば加
熱部３４や選択酸化部３８）への空気の投入量制御にも
適用可能である。

【００６８】以上のように、第１ないし第６実施例にお
いては、間欠的な投入量ピークを有する間欠投入パター
ンに従って改質器３０に空気を投入しているので、改質
器３０の局所的な過熱を防止しつつ、改質触媒の温度を
より均一に上昇させてゆくことが可能である。

【００６９】Ｄ．第７実施例（天然ガス改質）：図９
は、本発明の第７実施例としての燃料電池システムの構
成を示す説明図である。この燃料電池システム２１０の
原燃料タンク１２は、メタノールでは無く、天然ガスを
貯蔵している。原燃料供給路１０２の第１の分岐流路１
０４には、電動弁１３２と脱硫器１３６が設けられてい
る。また、第２の分岐流路１０６にも電動弁１３２が設
けられている。第７実施例の改質器３０ａは、改質部３
６と選択酸化部３８との間にシフト部３７を有してい
る。また、シフト部３７の上流側の混合室３７ａに空気
ＡＲ３７を供給するための空気供給部６７が追加されて
いる。第７実施例のその他の構成は、図１に示した第１
実施例の構成とほぼ同じである。

【００７０】脱硫器１３６は、天然ガス中に付臭剤とし
て添加されているメルカプタン等の硫黄分の除去を行う
ためのものである。硫黄分を除去する理由は、硫黄分が
改質器３０内の触媒の活性を低下させてしまうからであ
る。

【００７１】この改質器３０ａ内の各部において利用さ
れている主な化学反応は、以下の通りである。まず、改
質部３６では、主として下記（６）式の水蒸気改質反応
と、（７）式のシフト反応（変性反応）とが発生する。

【００７２】ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ₂−２０６．２（kJ/mol） …（６）ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋Ｈ₂＋４０．５（kJ/mol） …（７）

【００７３】メタンの水蒸気改質反応の触媒としては、
例えばニッケル触媒を用いることが可能である。改質部
３６の上流側にある混合室３６ａに空気ＡＲ３６が投入
されると、改質部３６内において、下記（８）式の部分
酸化反応や、（９）式および（１０）式の酸化反応が発
生する。

【００７４】ＣＨ₄＋（１／２）Ｏ₂ → ＣＯ＋２Ｈ₂＋４４（kJ/mol）…（８）ＣＯ＋（１／２）Ｏ₂ → ＣＯ₂＋２７９．５（kJ/mol） …（９）Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ＋２４０（kJ/mol） …（１０）

【００７５】改質器３０の定常運転時には、（６）式の
吸熱反応と、（８）式の発熱反応を適度な比率で行わせ
ることによって、改質部３６の温度を適切な温度に維持
することが可能である。

【００７６】ところで、上記（６）式の改質反応で発生
した一酸化炭素は、（７）式や（９）式の反応で全部酸
化されることは無く、その一部はそのまま改質部３６か
ら出力される。特に、メタンの水蒸気改質反応（（６）
式）では多量の一酸化炭素が発生するので、選択酸化部
３８だけでは一酸化炭素濃度を十分に低いレベルにまで
低下させることが困難である。そこで、メタンの改質を
行う改質器３０ａにおいては、改質部３６と選択酸化部
３８との間にシフト部３７が設けられている。シフト部
３７は、上記（７）式のシフト反応によって一酸化炭素
濃度を低下させるとともに、水素ガス濃度を増加させ
る。

【００７７】なお、シフト部３７と選択酸化部３８は、
いずれも改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するための
装置なので、これらを合わせて「一酸化炭素低減部」と
呼ぶことも可能である。図１に示した第１実施例の場合
には、選択酸化部３８だけが一酸化炭素低減部に相当す
る。

【００７８】シフト部３７の触媒としては、白金触媒な
どの貴金属触媒を利用することができる。シフト部３７
は、改質器３０ａ内の中でも熱容量が比較的大きいとい
う特徴がある。従って、改質器３０ａの暖機時には、シ
フト部３７内でシフト反応以外の発熱反応を生起させる
ことによって、シフト部３７内の触媒温度を早く上昇さ
せたい。そこで、暖機時には、シフト部３７に空気ＡＲ
３７を投入することにより、シフト部３７内においてメ
タンの酸化反応を発生させ、この酸化反応に伴う熱によ
って、シフト部３７の温度を素早く上昇させる。

【００７９】第７実施例においては、シフト部３７の暖
機時において、シフト部３７に空気ＡＲ３７を間欠的な
投入量ピークを有する間欠パターンに従って投入する。
この間欠投入制御は、前述した図２（Ａ）や図３ないし
図８で説明したものとほぼ同じものを利用することがで
きる。この結果、シフト部３７内の触媒に関して、その
触媒全体を、従来に比べてより均一な温度で上昇させる
ことができるという効果が得られる。また、これに伴っ
て、触媒の温度上昇に使用されるエネルギを低減するこ
とができるという効果がある。

【００８０】なお、第７実施例においても、改質部３６
と選択酸化部３８と加熱部３４に関して空気の間欠投入
制御を行うことが可能である。

【００８１】Ｅ．変形例：なお、この発明は上記の実施
例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱
しない範囲において種々の態様において実施することが
可能であり、例えば次のような変形も可能である。

【００８２】Ｅ１．変形例１：暖機時においては、改質
部３６と加熱部３４と一酸化炭素低減部３７，３８との
うちの少なくとも一箇所において空気の間欠投入制御を
行うこと可能である。但し、これらのうちの複数箇所に
おいて空気の間欠投入制御を行うようにすれば、触媒の
均一な温度上昇や、暖機用のエネルギの節約などの効果
を高めること可能である。

【００８３】Ｅ２．変形例２：上記各実施例では、改質
器に空気を間欠的に投入していたが、空気の代わりに可
燃性ガス（例えば原燃料ガス）を間欠的に投入すること
も可能である。具体的には、例えば図９に示した燃料電
池システム２１０において、暖機時に、原燃料タンク１
２から気化部３２に投入される天然ガスを間欠的に投入
するようにしても良い。また、空気と原燃料ガスの両方
を間欠的に投入してもよい。暖機時においては、上述し
た空気ＡＲ３４，ＡＲ３６〜ＡＲ３８も、天然ガスも、
いずれも改質器内での発熱反応に利用される。一般に
は、暖機時において、改質器内での発熱反応に利用され
る昇温用ガスを、改質器に間欠的に投入するようにすれ
ばよい。

【００８４】Ｅ３．変形例３：本発明は、原燃料として
ガソリンを用いた改質装置にも適用可能である。すなわ
ち、本発明は、一般に、炭化水素を含む改質原料から水
素リッチな燃料ガスを生成するための改質装置に適用可
能である。

【００８５】Ｅ４．変形例４：上記実施例では、改質器
３０，３０ａは、それぞれ一体として構成されていた
が、改質器は必ずしも一体として構成されていなくても
よい。例えば、加熱部３４と気化部３２は、他の部分と
は別個に構成されていてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム
の構成を示す説明図。

【図２】改質器３０の暖機制御の流れを示すフローチャ
ート。

【図３】第１実施例と比較例における部分酸化用空気Ａ
Ｒ３６の投入量制御を示すグラフ。

【図４】第２実施例における部分酸化用空気ＡＲ３６の
投入量制御を示すグラフ。

【図５】第３実施例における部分酸化用空気ＡＲ３６の
投入量制御を示すグラフ。

【図６】第４実施例における部分酸化用空気ＡＲ３６の
投入量制御を示すグラフ。

【図７】第５実施例における部分酸化用空気ＡＲ３６の
投入量制御を示すグラフ。

【図８】第６実施例における部分酸化用空気ＡＲ３６の
投入量制御を示すグラフ。

【図９】本発明の第７実施例としての燃料電池システム
の構成を示す説明図。

【符号の説明】

１０…原燃料タンク１２…原燃料タンク２０…水タンク３０，３０ａ…改質器３２…気化部３４…加熱部３６…改質部３６ａ…混合室３７…シフト部（一酸化炭素低減部）３７ａ…混合室３８…選択酸化部（一酸化炭素低減部）３８ａ…混合室４０…燃料電池４２…燃料ガス通路４４…空気通路４６…エアーポンプ５０…コントローラ５２，５４，５６…ポンプ６４，６６，６７，６８…空気供給部６４ａ，６６ａ…エアーポンプ６４ｂ，６６ｂ…圧力計６４ｃ，６６ｃ…電動弁９２…温度センサ９４…酸素濃度センサ９６…一酸化炭素濃度センサ１０２…原燃料供給路１０４，１０６…分岐流路１０８…水供給路１１０…流路１１２…燃料ガス流路１１４…排出路１３２…電動弁１３６…脱硫器２００…燃料電池システム２１０…燃料電池システムＡＲ３４…加熱用空気ＡＲ３６…部分酸化用空気ＡＲ３８…選択酸化用空気ＨＲＧ…燃料ガス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素を含む改質原料から水素リッチ
な燃料ガスを生成するための燃料改質装置であって、改質触媒を少なくとも含む改質器と、前記改質器の暖機時において、前記改質器内での発熱反
応に利用される昇温用ガスを、間欠的な投入量ピークを
示すピーク期間と前記ピーク期間以外の非ピーク期間と
を有する間欠投入パターンに従って、前記改質器に投入
するガス間欠投入部と、を備えることを特徴とする燃料
改質装置。
【請求項２】請求項１記載の燃料改質装置であって、前記ガス間欠投入部は、前記昇温用ガスを、前記非ピー
ク期間におけるベース流量と、前記ピーク期間において
前記ベース流量に追加されるピーク部流量と、の和の流
量で前記改質器に投入する、燃料改質装置。
【請求項３】請求項２記載の燃料改質装置であって、前記ベース流量は、前記昇温用ガスを前記ベース流量だ
け継続的に前記改質器に投入した場合にも前記改質器が
過熱しない量の範囲に制限されている、燃料改質装置。
【請求項４】請求項２または３記載の燃料改質装置で
あって、前記ベース流量は一定量に維持される、燃料改質装置。
【請求項５】請求項２または３記載の燃料改質装置で
あって、前記ベース流量は可変に制御される、燃料改質装置。
【請求項６】請求項１ないし５のいずれかに記載の燃
料改質装置であって、前記改質器は、前記改質器内に導入される前記改質原料
を加熱するための加熱部と、前記改質触媒を用いて前記
加熱された改質原料を改質することによって改質ガスを
生成する改質部と、前記改質ガス中の一酸化炭素を低減
するための一酸化炭素低減部と、を有しており、前記昇温用ガスは、前記加熱部と、前記改質部と、前記
一酸化炭素低減部と、のうちの少なくともいずれかに投
入されるガスである、燃料改質装置。
【請求項７】請求項１ないし６のいずれかに記載の燃
料改質装置であって、前記発熱反応は、前記改質器内に収納された触媒によっ
て促進され、これによって前記触媒を加熱する、燃料改
質装置。
【請求項８】請求項１ないし７のいずれかに記載の燃
料改質装置であって、前記昇温用ガスは空気を含む、燃料改質装置。
【請求項９】請求項１ないし８のいずれかに記載の燃
料改質装置であって、前記昇温用ガスは前記改質原料のガスを含む、燃料改質
装置。
【請求項１０】請求項１ないし９のいずれかに記載の
燃料改質装置であって、前記ガス間欠投入部は、前記ピーク期間と前記非ピーク
期間との繰り返しの周期を一定に保つとともに、前記昇
温用ガスの単位時間当たりの投入量を各ピーク期間毎に
変化させる、燃料改質装置。
【請求項１１】請求項１ないし９のいずれかに記載の
燃料改質装置であって、前記ガス間欠投入部は、前記ピーク期間における前記昇
温用ガスの投入量のピーク部分の高さをほぼ一定に保つ
とともに、前記ピーク期間の長さを変化させる、燃料改
質装置。
【請求項１２】炭化水素を含む改質原料から水素リッ
チな燃料ガスを生成するための改質器の制御方法であっ
て、前記改質器の暖機時において、前記改質器内での発熱反
応に利用される昇温用ガスを、間欠的な投入量ピークを
示すピーク期間と前記ピーク期間以外の非ピーク期間と
を有する間欠投入パターンに従って、前記改質器に投入
することを特徴とする制御方法。