JP2002110212A

JP2002110212A - 燃料改質装置

Info

Publication number: JP2002110212A
Application number: JP2000299378A
Authority: JP
Inventors: Masashi Matoba; 雅司的場
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2002-04-12
Anticipated expiration: 2020-09-29
Also published as: JP3890875B2

Abstract

(57)【要約】【課題】原燃料から改質燃料を生成して燃料電池に供
給する燃料改質装置において、改質室の改質触媒の目詰
まりや失活を防止しうるとともに、迅速な起動を行いう
るものを提供する。【解決手段】起動用燃焼器２１からの燃焼ガスの流路
を改質部２４側または触媒燃焼器２８側に選択的に切り
換えるバイパス弁２２を備え、起動運転開始時に、触媒
燃焼器２８の燃焼触媒温度がバイパスＯＮ基準温度以下
であれば、バイパス弁２２を触媒燃焼器２８側に切り換
えて、燃焼触媒温度がバイパスＯＮ基準温度以上となる
まで（あるいはバイパス作動時間が経過するまで）、起
動用燃焼器２１からの燃焼ガスを、改質部２４側をバイ
パスして、触媒燃焼器２８側に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原燃料から改質燃
料を生成して燃料電池に供給する燃料電池用改質装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池においては、改質燃料（例えば
水素ガス）をアノード側電極に供給し、酸化剤（例えば
空気）をカソード側電極に供給することにより、これら
の電気化学的な反応で発電を行う。この場合、改質燃料
は、燃料改質装置において、原燃料（メタノール、天然
ガス等）から生成される。

【０００３】このような燃料改質装置としては、例え
ば、特開２０００−６３１０４号公報に提案されたもの
がある。この特開２０００−６３１０４号公報の燃料改
質装置は、原燃料の改質を行う改質室に連通する燃焼室
を備え、燃焼室で生成された起動用の燃焼ガスを改質室
に送り込むことにより、装置を起動する。また、装置の
起動時には、改質室からの改質ガスを触媒燃焼器で燃焼
し、この燃焼排ガスによる熱を、蒸発器において原燃料
を気化させるために用いている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の燃料改質装置においては、装置の起動直後か
ら、燃焼ガスが直接改質室に送り込まれるため、始動直
後の比較的低温の燃焼室壁面に生成されるすすが改質室
内に送り込まれてしまい、改質室内の改質触媒が目詰ま
りする可能性があった。また、改質室に起動直後のガス
組成が安定しない燃焼ガスが送り込まれることにより、
改質触媒の温度が局所的に上昇して、改質触媒が失活し
てしまう可能性があった。

【０００５】また、改質室で生成された改質ガスは所定
温度となるよう調整されるため、装置の起動時には、比
較的低温の改質ガスが燃焼触媒に供給されることにな
り、起動時における燃焼触媒の迅速な活性化を図れな
い。特に、極低温時に燃焼触媒において水分の氷結があ
る場合には、燃焼触媒の活性化までに要する時間が極め
て長くなるという問題点があった。

【０００６】本発明は、このような問題点に着目してな
されたもので、原燃料から改質燃料を生成して燃料電池
に供給する燃料改質装置において、改質室の改質触媒の
目詰まりや失活を防止しうるとともに、迅速な起動を行
いうるもの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】第１の発明では、原燃料
から水素を含む改質燃料を生成して燃料電池に供給する
改質部と、起動用燃焼ガスを生成して前記改質部に送り
込む起動用燃焼器とを備えた燃料改質装置において、前
記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を、起動運
転開始後、あらかじめ定められた条件が成立するまで、
前記改質部側に接続されないように切り換える燃焼ガス
流路切換手段を備えた。

【０００８】第２の発明では、原燃料を気化させて原燃
料ガスを生成して前記改質部に供給する原燃料蒸発器
と、燃料電池からの排ガスを燃焼させて前記原燃料蒸発
器に原燃料を気化させるための熱を与える排ガス燃焼器
とを備え、前記燃焼ガス流路切換手段は、前記改質部側
から切り換えられた前記起動用燃焼器からの起動用燃焼
ガスの流路を前記排ガス燃焼器側に接続するようにし
た。

【０００９】第３の発明では、前記燃焼ガス流路切換手
段は、起動運転開始時に、前記排ガス燃焼器に備えられ
た燃焼触媒の温度が、流路切換開始の基準温度以下でな
い場合には、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの
流路を前記改質部側から切り換えないようにした。

【００１０】第４の発明では、前記燃焼ガス流路切換手
段は、前記排ガス燃焼器に備えられた燃焼触媒の温度
が、流路切換終了の基準温度以上となった時点で、前記
起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記改質部
側に接続するようにした。

【００１１】第５の発明では、前記燃焼ガス流路切換手
段は、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を
前記改質部側に接続されないように切り換えた後、基準
時間が経過した時点で、この流路を再び前記改質部側に
接続するようにした。

【００１２】第６の発明では、前記起動用燃焼器から前
記改質部に供給される起動用燃焼ガスの組成および温度
を調整する燃焼ガス調整手段を備えた。

【００１３】

【発明の作用および効果】第１の発明では、燃料改質装
置の起動運転時に、あらかじめ定められた条件が成立す
るまでは、起動用燃焼器からの流路は改質部側に接続さ
れないので、起動運転開始初期において、起動用燃焼器
で生成された起動用燃焼ガスを改質部に送り込むのが不
適切と考えられる場合に、起動用燃焼ガスが改質部に送
り込まれることはなく、改質部の品質劣化を防止でき
る。具体的に、起動初期において、比較的低温の起動用
燃焼器の内壁面に発生したすすは、改質部に送り込まれ
てしまうことはなく、改質部に備えられた改質触媒が、
このすすによって目詰まりしてしまうことを防止でき
る。また、起動初期でガス組成が安定していない起動用
燃焼ガスの異常燃焼で、改質触媒の温度が局所的に上昇
して、改質触媒が失活してしまうことを防止できる。

【００１４】第２の発明では、改質部側から切り換えら
れた起動用燃焼ガスの流路は、排ガス燃焼器（例えば実
施の形態における触媒燃焼器２８）側に接続され、起動
初期に、高温の起動用燃焼ガスが排ガス燃焼器側に直接
送り込まれるので、排ガス燃焼器に備えられた燃焼触媒
温度は迅速に上昇し、燃焼触媒を早期に活性化すること
ができ、排気エミッションを低減することができる。ま
た、極低温時に燃焼触媒で水分が氷結している場合で
も、高温の起動用燃焼ガスにより水分を融解、気化させ
ることができるので、燃焼触媒の早期活性化を達成でき
る。

【００１５】第３の発明では、起動開始時に、燃焼触媒
温度が既に基準温度（例えば実施の形態のバイパスＯＮ
基準温度）を超えている場合には、起動用燃焼ガスを改
質部側に直ちに送り込んでも問題ないと考えられるの
で、起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を改質部
側から切り換えないで、起動運転を直ちに次の段階に進
行させる。したがって、繰り返し起動の場合等に、起動
時間を短縮して、迅速に定常運転に移行できる。

【００１６】第４の発明では、排ガス燃焼器に備えられ
た燃焼触媒の温度が、流路切換開始の基準温度（例えば
実施の形態のバイパスＯＦＦ基準温度）以上となった時
点で、起動用燃焼ガスの流路を改質部側に戻すので、流
路の切り換えを適切なタイミングで行うことができ、起
動時間を短縮できる。

【００１７】第５の発明では、起動用燃焼ガスの流路を
切り換えてから、流路切換終了の基準時間（例えば実施
の形態のバイパス作動時間）が経過した時点で、起動用
燃焼ガスの流路を改質部側に戻すので、構成および制御
を簡素化することができ、コスト削減できる。例えば、
流路切り換えタイミング決定のために燃焼触媒温度を逐
時正確に測定する必要がないので、燃焼触媒温度を測定
するセンサを、応答性の比較的遅い安価なものとしても
よく、コスト削減を図れる。

【００１８】第６の発明では、起動用燃焼器からの起動
用燃焼ガスは、起動用燃焼ガス調整手段により組成およ
び温度を調整されるので、起動用燃焼ガスは適切な状態
で改質部に送り込まれる。具体的に、起動用燃焼ガス
は、改質部の改質触媒が失活しない程度の温度まで冷却
されて供給されることになり、改質部で発熱反応である
部分酸化反応をともなう改質を積極的に行わせることが
可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて、本発
明の実施の形態について説明する。

【００２０】図１には、以下の各実施の形態に共通の燃
料電池システムの全体構成図を示す。

【００２１】図示されるように、燃料電池システムは、
コンプレッサー１、水タンク２、水ポンプ３、メタノー
ルタンク４、メタノールポンプ５、燃料電池スタック１
０、燃料改質装置２０等から構成される。

【００２２】燃料電池スタック１０は、カソード電極
（酸化剤極）１１とアノード電極（燃料極）１２を備
え、カソード電極１１にはコンプレッサー１からの空気
が、アノード電極１２には燃料改質装置２０からの改質
燃料が、それぞれ供給される。このように供給された空
気と改質燃料の化学反応により、燃料電池スタック１０
は発電する。なお、コンプレッサー１と燃料電池スタッ
ク１０との間には遮断弁６が設けられ、コンプレッサー
１からの空気の供給が遮断可能となっている。

【００２３】燃料改質装置２０は、起動用燃焼器２１、
バイパス弁２２、組成調整用ミキサー２３、改質部２
４、ＣＯ除去部２５、改質ガス流路切換弁２６、ミキサ
ー２７、触媒燃焼器２８、蒸発器２９等から構成され
る。

【００２４】起動用燃焼器２１は、燃料電池システムの
起動時に、燃焼ガスを発生させる装置である。この起動
用燃焼器２１には、メタノールタンク４からの着火用メ
タノールが、メタノールポンプ５および着火用メタノー
ル供給弁３１を介して導入される。また、起動用燃焼器
２１には、コンプレッサー１から流量調整弁７を介して
燃焼用空気が供給される。着火用メタノールと燃焼用空
気は起動用燃焼器２１内で混合され、この混合気に、グ
ロープラグ３２による着火がなされることにより、高温
の燃焼ガスが生成される。燃焼ガスの温度は、温度セン
サ３３により検出される。

【００２５】バイパス弁２２は、起動用燃焼器２１を、
組成調整用ミキサー２３またはミキサー２７に選択的に
接続する弁である。具体的な構成としては、例えば、バ
イパス弁２２をソレノイドバルブとし、ソレノイドへの
通電ＯＮによって起動用燃焼器２１をミキサー２７に連
通し、ソレノイドへの通電ＯＦＦによって起動用燃焼器
２１を組成調整用ミキサー２３に連通させるようにす
る。これにより、燃料電池システム起動時の初期には、
起動用燃焼器２１からの燃焼ガスを、改質部２４側をバ
イパスして、ミキサー２７に直接供給できるようになっ
ている（詳しくは後述する）。

【００２６】組成調整用ミキサー２３は、起動用燃焼器
２１からの燃焼ガスを、改質部２４に供給するのに適し
た組成および温度に調整する装置である。この組成調整
用ミキサー２３には、メタノールタンク４からの組成調
整用メタノールが、メタノールポンプ５およびメタノー
ル供給弁３４を介して供給されるとともに、コンプレッ
サー１からの組成調整用空気が、流量調整弁８を介して
供給される。起動用燃焼器２１からの燃焼ガスは、この
組成調整用メタノールおよび組成調整用空気と混合され
ることにより、改質部２４における改質反応に適した組
成および温度に調整され、改質部２４に供給される。改
質部２４に供給される組成調整済みの燃焼ガスの温度
は、燃焼ガス温度センサ３５により検出される。

【００２７】改質部２４は、改質反応を行わせるための
改質触媒を備えた装置であり、組成調整用ミキサー２３
からの組成調整済みの燃焼ガス、および蒸発器２９から
の原材料ガスが導入される。これらのガスの改質反応に
より改質ガスが生成され、この改質ガスがＣＯ除去部２
５に排出される。ＣＯ除去部２５に排出される改質ガス
の温度は、改質ガス温度センサ３６により検出される。

【００２８】ＣＯ除去部２５は、改質ガス中の一酸化炭
素を酸化反応により除去し、改質ガス流路切換弁２６側
に向けて排出する装置である。ＣＯ除去部２５を通過し
た改質ガスの一酸化炭素濃度は、ＣＯ濃度センサ３７に
より検出される。

【００２９】改質ガス流路切換弁２６は、ＣＯ除去部２
５を、ミキサー２７または燃料電池スタックのアノード
電極１２に、選択的に連通させる弁である。ＣＯ除去部
２５からの改質ガスは、ＣＯ濃度センサ３７により検出
される一酸化炭素濃度が基準値以上である間は、改質ガ
ス流路切換弁２６によりミキサー２７に供給され、ＣＯ
濃度センサ３７により検出される一酸化炭素濃度が基準
値以下となったところで、改質ガス流路切換弁２６の切
り換えにより、燃料電池スタック１０に供給されること
になる。

【００３０】ミキサー２７は、触媒燃焼器２８での燃焼
のための混合を行う装置で、燃料電池システムの起動運
転時にはバイパス弁２２からの燃焼ガスまたは改質ガス
流路切換弁２６からの改質ガスが、また燃料電池システ
ムの定常運転時には燃料電池スタック１０のカソード電
極１１からのカソード排ガスおよびアノード電極１２か
らのアノード排ガスが、それぞれ供給される。これらの
ガスは、メタノールタンク４からの燃焼用メタノール、
およびコンプレッサー１から流量調整弁９を介して供給
された燃焼用空気と混合され、この混合気が触媒燃焼器
２８に導入される。

【００３１】触媒燃焼器２８は、ミキサー２７からの混
合気を燃焼触媒で燃焼させる装置である。燃焼触媒の温
度は、燃焼触媒温度センサ３９により検知される。

【００３２】触媒燃焼器２８において生成された燃焼排
ガスは、蒸発器２９に送られる。この燃焼排ガスの熱に
より、蒸発器２９が昇温される。蒸発器２９から排気さ
れた燃焼排ガスの温度は、燃焼排ガス温度センサ４０に
より検出される。

【００３３】蒸発器２９は、原燃料水および原燃料メタ
ノールを蒸発させ、原燃料ガスとして、改質部２４に供
給する装置である。原燃料水は、水タンク２から、水ポ
ンプ３および蒸発器用水供給弁４２を介して供給され
る。また、原燃料メタノールは、メタノールタンク４か
ら、メタノールタンク５および蒸発器用メタノール供給
弁４３を介して導入される。

【００３４】蒸発器２９の温度は蒸発器温度センサ４４
により検知される。後述するように、原燃料水および原
燃料メタノールの供給は、蒸発器２９の温度が所定の原
燃料供給基準温度以上となったところで開始される。

【００３５】蒸発器２９からの原燃料ガスの流路には、
原燃料ガス温度センサ４５、原燃料ガス圧力センサ４６
が配設され、それぞれ原燃料ガスの温度、圧力が検知さ
れる。後述するように、この原燃料ガスの温度または圧
力が、所定の起動完了基準値（主燃料停止基準値）とな
ったところで、起動燃焼器２１への着火用空気および着
火用メタノールの供給が停止されるようになっている。

【００３６】なお、上記燃料電池システムは、図示され
ない制御装置を備え、各構成の動作は制御装置により制
御される。

【００３７】図２〜図３は、燃料電池システムの定常運
転前の起動運転時に実行される起動時制御の処理手順を
示すフローチャートである。

【００３８】燃料電池システムが起動されると、まずス
テップＳ１で、起動用燃焼器２１のグロープラグ３２へ
の通電がＯＮされる。

【００３９】ステップＳ２では、燃焼触媒温度センサ３
９により検知される燃焼触媒温度が、あらかじめ定めら
れたバイパスＯＮ基準温度以下であるか否かの判定がな
され、バイパスＯＮ基準温度以下であればステップＳ３
に進む。

【００４０】ステップＳ３では、バイパス弁開信号をＯ
Ｎとし、バイパス弁２２を切り換えて、起動用燃焼器２
１からの流路を、改質部２４側をバイパスして、触媒燃
焼器２８側（ミキサー２７）に連通させる。

【００４１】ステップＳ４では、起動用燃焼器２１への
着火用メタノールおよび着火用空気の供給を開始する。
これにより、起動用燃焼器２１に供給された着火用メタ
ノールと着火用空気の混合気は、グロープラグ３２が所
定時間の通電によりメタノール着火温度以上に昇温され
ていることで着火して、高温の燃焼ガスが生成される。
この燃焼ガスは、改質部２４側をバイパスして、触媒燃
焼器２８側（ミキサー２７）に供給される。

【００４２】ステップＳ５では、燃焼触媒温度が、あら
かじめ定められたバイパスＯＦＦ基準温度以上であるか
否かの判定がなされ、燃焼触媒温度がバイパスＯＦＦ基
準温度以上となったところで、ステップＳ６に進む。

【００４３】ステップＳ６では、改質ガス流路切換弁開
信号をＯＮとして、改質ガス流路切換弁２６を、ＣＯ除
去器２５からの流路をミキサー２７（触媒燃焼器２８
側）に連通させる側に切り換える。

【００４４】ステップＳ７では、バイパス弁開信号をＯ
ＦＦにして、起動用燃焼器２１を改質部２４側の組成調
整用ミキサー２３に連通させるように、バイパス弁２２
を切り換える。続くステップＳ８では、組成調整用ミキ
サー２３への組成調整用メタノールおよび補助空気の供
給を開始する。これにより、起動燃焼器２１からの燃焼
ガスは、組成調整用ミキサー２３において組成および温
度を調整され、改質部２４に供給される。改質部２４に
おける改質反応により生成された改質ガスは、ＣＯ除去
部２５において一酸化炭素の除去がなされた後、改質ガ
ス流路切換弁２６によりミキサー２７へと導かれる。

【００４５】一方、ステップＳ２の判定において、燃焼
触媒温度がバイパスＯＮ基準温度を超えていた場合に
は、ステップＳ９に進む。ステップＳ９では、改質ガス
流路切換弁２６の切換信号がＯＮとされる。ステップＳ
１０では、起動燃焼器２１への着火用メタノールおよび
着火用空気の供給が開始される。ステップＳ１１では、
組成調整用ミキサー２３への組成調整用メタノールおよ
び補助空気の供給が開始され、ステップＳ１２に進む。
このように、繰り返し起動の場合等、起動初期に既に燃
焼触媒温度がバイパスＯＮ基準温度に達していた場合に
は、燃焼ガスを直ちに改質部２４側に供給したとしても
上記のような問題が生じないので、ステップＳ３、ステ
ップＳ５、ステップＳ７の処理が省略される。これによ
り、起動開始直後から燃焼ガスが改質部２４側に供給さ
れ、起動時間が短縮化される。

【００４６】ステップＳ１２では、蒸発器温度センサ４
４で検出される蒸発器２９の温度が、あらかじめ定めら
れた原燃料供給基準温度以上となったか否かの判定がな
され、原燃料供給基準温度以上となったところで、ステ
ップＳ１３に進む。

【００４７】ステップＳ１３では、蒸発器２９への原燃
料水および原燃料メタノールの供給が開始される。蒸発
器２９内に導入された原燃料水および原燃料メタノール
は、触媒燃焼器２８からの燃焼排ガスの熱で蒸発して、
原燃料ガスとなり、改質部２４に供給される。

【００４８】ステップＳ１４では、原燃料ガス圧力セン
サ４６により検出される原燃料ガスの圧力が、所定の起
動完了基準値（主燃料停止基準値）以上となったか否か
の判定がなされ、起動完了基準値以上となったところ
で、ステップＳ１５に進む。なお、この判定は、原燃料
ガス温度センサ４５により検出される原燃料ガスの温度
が、所定の起動完了基準値以上となったか否かにより行
うようにしてもよい。

【００４９】ステップＳ１５では、起動燃焼器２１への
着火用メタノールおよび着火用空気の供給を停止する。
ステップＳ１６では、蒸発器２９への原燃料水および原
燃料メタノールの供給流量を調整する。

【００５０】ステップＳ１７では、ＣＯ濃度センサ３７
により検出される改質ガスの一酸化炭素濃度が、所定の
ＣＯ基準濃度以下となったか否かの判定がなされ、基準
濃度以下となったところで、ステップＳ１８に進む。

【００５１】ステップＳ１８では、改質ガス流路切換弁
開信号をＯＦＦとして、改質ガス流路切換弁２６を、Ｃ
Ｏ除去器２５からの流路を燃料電池スタック１０側に連
通させる側に切り換えて、ルーチンを終了する。これに
より、起動運転が終了し、燃料電池システムは、改質部
２４からの改質燃料を燃料電池スタック１０に供給して
発電を行う定常運転へと移行する。

【００５２】なお、上記制御におけるバイパスＯＮ基準
温度、バイパスＯＦＦ基準温度、原燃料供給基準温度、
起動完了基準値、ＣＯ基準濃度には、設計事項として、
適切な値があらかじめ設定されている。

【００５３】つぎに、図４、図５のタイミングチャート
および図６〜図８の説明図を用いて、全体的な作用およ
び効果を説明する。

【００５４】なお、図４のタイミングチャートには、起
動初期にバイパス弁２２により燃焼ガスをバイパスさせ
る制御を行う場合の動作（図２のフローチャートのステ
ップ３〜ステップＳ８の処理を行う場合の動作）を、ま
た図５のタイミングチャートには、起動初期にバイパス
弁２２により燃焼ガスをバイパスさせる制御を行わない
場合の動作（図２のフローチャートのステップ９〜ステ
ップＳ１１の処理を行う場合の動作）を、それぞれ示し
ている。また、図６の説明図は起動運転初期（燃焼ガス
をバイパスさせる制御を行う場合）におけるガスの流れ
を、図７の説明図は起動運転中期におけるガスの流れ
を、図８の説明図は起動運転後期におけるガスの流れ
を、それぞれ示す。

【００５５】燃料電池システムが起動されると、グロー
プラグ３２への通電が開始され、続いて、燃焼触媒温度
がバイパスＯＮ基準温度以下であるか否かの判定が行わ
れる（図２のステップＳ１〜ステップＳ２）。

【００５６】図４に示すように、燃焼触媒温度がバイパ
スＯＮ基準温度以下であれば、バイパス弁開信号、着火
用空気供給信号、着火用メタノール供給信号をＯＮす
る。これにより、図６に示すように、起動用燃焼器２１
に対して着火用空気５１、着火用メタノール５２の供給
が開始される。これらの主燃料にグロープラグ３２によ
る着火がなされることにより、起動用燃焼器２１におい
て高温の燃焼ガス５３が生成され、この燃焼ガス５３
は、改質部２４側をバイパスして、ミキサー２７に供給
される（図２のステップＳ３〜ステップＳ４）。ミキサ
ー２７では、燃焼ガス５３が燃焼用空気５４および燃焼
用メタノール５５と混合され、この混合気が触媒燃焼器
２８において燃焼触媒により燃焼される。この燃焼排ガ
ス２８は、蒸発器２９に供給され、蒸発器２９の温度上
昇に利用された後、排気される。

【００５７】このように、起動運転の初期段階では、起
動用燃焼器２１からの燃焼ガス５３は、改質部２４側を
バイパスして、触媒燃焼器２８側に直接供給される。し
たがって、起動初期における比較的低温の起動燃焼器２
１の内壁面に発生したすすは、改質部２４、ＣＯ除去部
２５に送り込まれることはなく、このすすによるセル目
詰まりが発生することを防止できる。また、起動初期の
ガス組成が安定していない燃焼ガスによる異常燃焼で、
改質触媒が失活してしまうことを防止できる。また、燃
焼ガス５３が触媒燃焼器２８側に直接送り込まれ、高温
の燃焼ガス５３により燃焼触媒が昇温されるので、燃焼
触媒を早期に活性化することができ、排気エミッション
を低減できる。さらに、極低温時に燃焼触媒で水分が氷
結している場合でも、高温の燃焼ガス５３により水分を
融解、気化させることができるので、燃焼触媒の早期活
性化を達成できる。

【００５８】このような初期段階の起動運転により、燃
焼触媒温度がバイパスＯＦＦ基準温度以上に高まると、
バイパス弁開信号がＯＦＦされ、バイパス弁２２の切り
換えにより、起動用燃焼器２１が改質部２４側の組成調
整用ミキサー２３に接続される。また、改質ガス流路切
換弁開信号がＯＮされ、改質ガス流路切換弁２６の切り
換えにより、ＣＯ除去器２５からの流路が、燃料電池ス
タック１０ではなく、ミキサー２７に接続されるように
する。また、組成調整用空気供給信号および組成用メタ
ノール供給信号がＯＮされ、組成調整用ミキサー２３へ
の組成調整用空気５７および組成調整用メタノール５８
（図７参照）の供給が開始される（図２のステップＳ５
〜ステップＳ８）。このようにして、起動運転の初期段
階が終了し、起動運転は中期段階に入る。

【００５９】一方、図５に示すように、起動運転開始時
に燃焼触媒温度が既にバイパスＯＮ基準温度以上となっ
ている場合（例えば、繰り返し起動の場合等）には、バ
イパス弁開信号をＯＮする制御は行われず、起動運転の
初期段階から、図４における起動運転の中期段階と同様
の制御が行われる。すなわち、起動運転開始直後から、
改質ガス流路切換弁開信号、着火用空気供給信号、着火
用メタノール供給信号、組成調整用空気供給信号、組成
調整用メタノール供給信号が、それぞれＯＮされる（図
２のステップＳ９〜ステップＳ１１）。このように、繰
り返し起動の場合等、燃焼ガス５３を直ちに改質部２４
側に供給し始めたとしても問題ない場合には、バイパス
弁２２により燃焼ガス５３を改質部２４側をバイパスし
て触媒燃焼器２８側に導入する処理を省略することによ
り、起動時間を短縮することができる。

【００６０】起動運転の中期段階では、図７に示すよう
に、起動用燃焼器２１において着火用空気５１および着
火用メタノール５２から生成された燃焼ガス５３は、バ
イパス弁２２により組成調整用ミキサー２３に導入さ
れ、組成調整用空気５７、組成調整用メタノール５８に
より組成および温度を調整され、改質部２４に導入され
る。これにより、改質部２４に供給される燃焼ガス５３
は、改質触媒が失活しない程度の温度まで冷却され、改
質部２４で発熱反応である部分酸化反応をともなう改質
を積極的に行わせることが可能なものとすることができ
る。なお、組成調整用空気５７および組成調整用メタノ
ール５８は、必要に応じて、いずれか一方のみを与える
ようにしてもよい。

【００６１】改質部２４では、改質触媒による改質反応
によって、改質ガス５９が生成されこの改質ガス５９
は、ＣＯ除去器２５において一酸化炭素の除去がなされ
た後、ミキサー２７に供給される。改質ガス２９は、ミ
キサー２７において燃焼用空気５４、燃焼用メタノール
５５と混合され、触媒燃焼器２８において燃焼触媒によ
り燃焼される。これにより生成された燃焼排ガスは、蒸
発器２９の温度上昇に利用された後、排気される。

【００６２】このような起動運転中期の制御によって、
蒸発器温度が原燃料供給基準温度以上に高まると、起動
運転は後期段階に移行し、蒸発器２９への原燃料水供給
信号および原燃料メタノール供給信号がＯＮされ、図８
に示すように、原燃料水６１および原燃料メタノール６
２の蒸発器２９内への供給が開始される（図２のステッ
プＳ１２〜ステップＳ１３）。

【００６３】原燃料水６１および原燃料メタノール６２
は蒸発して原燃料ガス６３となり、改質部２４に導入さ
れる。改質部２４に導入された原燃料ガス６３は、改質
触媒による改質反応により改質ガス５９となり、ＣＯ除
去器２５で一酸化炭素を除去された後、改質ガス流路切
換弁２６によってミキサー２７に導かれ、触媒燃焼器２
８において燃焼されて、蒸発器２９の昇温のために利用
される。なお、起動用燃焼器２１への着火用空気５１お
よび着火用メタノール５２の供給は、原燃料ガス６３の
圧力（または温度）が起動完了判定基準値（主燃料停止
基準値）に達するまで継続され、原燃料ガス６３の圧力
（または温度）が起動完了判定基準値に達したところ
で、着火用空気供給信号および着火用メタノール供給信
号がＯＦＦされる（図２のステップＳ１４〜ステップＳ
１６）。

【００６４】このような起動運転によって、改質ガス５
９中の一酸化炭素濃度は低下していく。この一酸化炭素
濃度がＣＯ基準値以下となったところで、改質ガス流路
切換弁開信号がＯＦＦされ、ＣＯ除去器２５からの流路
が燃料電池スタック１０側に切り換えられる。これによ
り、起動運転が終了し、燃料電池システムは定常運転へ
と移行する（図２のステップＳ１７〜ステップＳ１
８）。

【００６５】図９、図１０には、本発明の第２の実施の
形態を示す。

【００６６】本実施の形態は、上記第１の実施の形態と
比較して、起動運転初期におけるバイパス弁２２の切換
制御（バイパス弁開信号のＯＦＦ）を、バイパス弁開信
号のＯＮからの所定時間経過に基づいて行う点でのみ異
なるもので、その他の点では、構成、制御手順ともに共
通するものである。

【００６７】図９には、本実施の形態における起動時制
御の一部をフローチャートで示す。この図９のフローチ
ャートは、上記第１の実施の形態における図２のフロー
チャートと比較して、図２のステップＳ５がステップＳ
５．１に入れ替わった以外は、全く同じものである。ま
た、図９のステップＳ８またはステップＳ１１に引き続
いては、図３のフローチャートと全く同様の処理が実行
される（したがって図示および説明は省略する）。

【００６８】上記図２のフローチャートとの相違点を中
心に説明すると、ステップＳ２の判定で燃焼触媒温度が
バイパスＯＮ基準温度以下であったならば、ステップＳ
３でバイパス弁開信号がＯＮされ、ステップＳ４で着火
用メタノールおよび着火用空気の供給が開始される。続
くステップＳ５．１では、バイパス弁開信号がＯＮされ
てからの経過時間（あるいは起動開始からの経過時間）
が、バイパス作動時間に達したか否かの判定がなされ、
基準時間経過したところでステップＳ６以下の処理に進
む。すなわち、本実施の形態では、図１０に示すよう
に、バイパス弁開信号のＯＮ（起動開始）からバイパス
作動時間経過により、起動運転は初期段階から中期段階
に移行する。なお、バイパス作動時間には、設計事項と
して、あらかじめ適切な一定値が設定されている。

【００６９】このように、本実施の形態によれば、バイ
パス弁２２の切換タイミングを、燃焼触媒温度の測定で
はなく、バイパス弁２２切り換え後の経過時間に基づい
て決定する。したがって、触媒燃焼器２８に設置される
燃焼触媒温度センサ３９として応答性の比較的遅い安価
なセンサを用いたとしても、起動初期におけるバイパス
弁２２の切り換え制御を適切に行うことができ、また制
御も簡素化される（バイパスＯＦＦ基準温度との比較が
必要なくなる）ので、コスト削減できる。

【００７０】また、本実施の形態では、起動開始時にお
ける燃焼触媒温度を、直接測定するのではなく、推定に
より算出するようにして、ステップＳ２における燃焼触
媒温度がバイパスＯＮ基準温度以下であるか否かの判定
を、この推定された燃焼触媒温度をバイパスＯＮ基準温
度と比較することにより行うようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池シ
ステムを示す構成図である。

【図２】同じく起動時制御の処理手順を示すフローチャ
ートである。

【図３】同じく起動時制御の処理手順を示すフローチャ
ートである。

【図４】同じく燃料電池システムの制御動作（バイパス
弁が作動する場合）を示すタイミングチャートである。

【図５】同じく燃料電池システムの制御動作（バイパス
弁が作動しない場合）を示すタイミングチャートであ
る。

【図６】同じく起動運転の初期段階におけるガスの流れ
を示す説明図である。

【図７】同じく起動運転の中期段階におけるガスの流れ
を示す説明図である。

【図８】同じく起動運転の後期段階におけるガスの流れ
を示す説明図である。

【図９】本発明の第２の実施の形態における起動時制御
の処理手順を示すフローチャートである。

【図１０】同じく燃料電池システムの制御動作（バイパ
ス弁が作動する場合）を示すタイミングチャートであ
る。

【符号の説明】

１コンプレッサー２水タンク３メタノールタンク１０燃料電池スタック１１カソード電極１２アノード電極２１起動用燃焼器２２バイパス弁２３組成調整用ミキサー２４改質部２５ＣＯ除去器２６改質ガス流路切換弁２７ミキサー２８触媒燃焼器２９蒸発器３３燃焼ガス温度センサ３７ＣＯ濃度センサ３９燃焼触媒温度センサ４４蒸発器温度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｇ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原燃料から水素を含む改質燃料を生成して
燃料電池に供給する改質部と、起動用燃焼ガスを生成して前記改質部に送り込む起動用
燃焼器と、を備えた燃料改質装置において、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を、起動
運転開始後、あらかじめ定められた条件が成立するま
で、前記改質部側に接続されないように切り換える燃焼
ガス流路切換手段を備えたことを特徴とする燃料改質装
置。
【請求項２】原燃料を気化させて原燃料ガスを生成して
前記改質部に供給する原燃料蒸発器と、燃料電池からの
排ガスを燃焼させて前記原燃料蒸発器に原燃料を気化さ
せるための熱を与える排ガス燃焼器とを備え、前記燃焼
ガス流路切換手段は、前記改質部側から切り換えられた
前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記排
ガス燃焼器側に接続するようにしたことを特徴とする請
求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項３】前記燃焼ガス流路切換手段は、起動運転開
始時に、前記排ガス燃焼器に備えられた燃焼触媒の温度
が、流路切換開始の基準温度以下でない場合には、前記
起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記改質部
側から切り換えないようにしたことを特徴とする請求項
２に記載の燃料改質装置。
【請求項４】前記燃焼ガス流路切換手段は、前記排ガス
燃焼器に備えられた燃焼触媒の温度が、流路切換終了の
基準温度以上となった時点で、前記起動用燃焼器からの
起動用燃焼ガスの流路を前記改質部側に接続するように
したことを特徴とする請求項３に記載の燃料改質装置。
【請求項５】前記燃焼ガス流路切換手段は、前記起動用
燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記改質部側に接
続されないように切り換えた後、基準時間が経過した時
点で、この流路を再び前記改質部側に接続するようにし
たことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一
つに記載の燃料改質装置。
【請求項６】前記起動用燃焼器から前記改質部に供給さ
れる起動用燃焼ガスの組成および温度を調整する燃焼ガ
ス調整手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求
項５のいずれか一つに記載の燃料改質装置。