JP2004196586A

JP2004196586A - 燃料改質システム

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Publication number: JP2004196586A
Application number: JP2002366736A
Authority: JP
Inventors: Akira Oi; 亮大井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】起動運転から通常改質運転に移行する際に、改質装置内部温度の過度の上昇を抑制する。
【解決手段】少なくとも燃料ガスと酸化剤ガスを用いた触媒反応により改質ガスを生成する改質装置３０と、燃料を燃焼することにより燃焼ガスを生成する起動燃焼器９と、改質装置３０内の少なくとも酸素を低減する酸素低減手段（コンプレッサ５）を備える。また、暖機時には、起動燃焼器９におけるリーンガスを用いた燃焼により生成した燃焼ガスを改質装置３０に流通させることにより暖機運転を行い、暖機運転から通常運転に移行する際に改質装置３０内の酸素を低減してから、リッチガスを改質する通常運転を行う。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料改質システムに関する。特に炭化水素系燃料と水を加熱蒸発させて生成した改質燃料蒸気の改質反応によって、水素などの可燃性のガスを主成分とする改質ガスを生成する改質システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムとして、炭化水素系燃料等の水素含有燃料を改質することにより生成した水素を燃料電池スタックに用いる改質型燃料電池システムが知られている。このような改質反応を行うために、触媒が充填された改質装置が用いられている。例えばメタノールのATR(オートサーマルリフォーミング)反応では、改質触媒において吸熱反応である水蒸気反応（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋３Ｈ₂ ）と、発熱反応である部分酸化反応（ＣＨ₃ＯＨ＋1／２Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂）が行われる。改質触媒にはこのような反応を生じるための最適温度範囲（活性温度）が存在し、メタノールを用いる場合には４００℃付近、ガソリンを用いる場合には７００℃付近である。
【０００３】
また、２００℃以下で作動する燃料電池においては、電極の白金などの触媒がＣＯにより被毒されるため、供給される水素含有ガス中のＣＯ濃度を１％以下にする必要がある。また、特に１００℃以下で作動する固体高分子型燃料電池に供給する水素含有ガス中のＣＯは少なくとも数十ｐｐｍ以下、好ましくは数ｐｐｍ以下にする必要がある。そこで、改質ガス中のＣＯ濃度を低減するために、シフト反応（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂）とＰＲＯＸ反応（２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂）が行われる。これらの反応にも触媒が用いられ、シフト反応触媒の活性温度は約２５０℃〜４００℃、ＰＲＯＸ反応触媒の活性温度適温は２００℃付近である。
【０００４】
このような改質型燃料電池システムには、起動時に触媒を活性温度まで短時間で加熱するための起動用燃料器を備えたものがある。起動用燃焼器は、燃焼室に加熱用燃料を供給する燃料噴射手段と、この燃焼室に供給された加熱用燃料を点火させる点火用プラグとが備えられている。燃料改質システム起動時に前記燃焼室で燃焼が行われて、前記燃焼室に連通する改質装置に直接燃焼ガスが供給される（例えば特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−６３１０４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとしている問題点】
ここで、図１に、空燃比λと断熱火炎温度の関係を示す。
【０００７】
起動時にはＮＯＸや未燃焼燃料の発生を防ぐと同時に、暖機用燃焼ガスの温度を暖機用ガス温度Ｔｗ程度に調整するため、λ＞１、ここではλ＝３程度のリーン燃焼にすることが望ましい。また、通常の改質運転時には、ATR反応を用いる場合には、水蒸気、空気、燃料蒸気の混合ガスを改質部に供給するが、そのときの空燃比はλ≦１となる。このことから、起動運転から通常改質運転に移行する際に、上記リーン燃焼ガスと改質用リッチ燃料ガスの境界にλ＝１の領域が生じ、そこで改質装置内部温度が一時的に上昇するので、改質触媒やＣＯ除去触媒が破損するという問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、起動運転から通常改質運転に移行する際に、改質装置内部温度の過度の上昇を抑制することのできる燃料改質システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【問題点を解決するための手段】
少なくとも燃料ガスと酸化剤ガスを用いた触媒反応により改質ガスを生成する改質装置と、燃料を燃焼することにより燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記改質装置内の少なくとも酸素を低減する酸素低減手段と、暖機時には、前記燃焼器におけるリーンガスを用いた燃焼により生成した燃焼ガスを前記改質装置に流通させることにより暖機運転を行い、暖機運転から通常運転に移行する際に前記改質装置内の酸素を低減してから、リッチガスを改質する通常運転を行う制御手段と、を備えた。
【００１０】
【作用及び効果】
暖機時には、燃焼器におけるリーンガスを用いた燃焼により生成した燃焼ガスを改質装置に流通させることにより暖機運転を行い、暖機運転から通常運転に移行する際に改質装置内の酸素を低減してから、リッチガスを改質する通常運転を行う。これにより、起動運転から定常改質運転への切り替え時、触媒内部で理想空燃比となって触媒が過度に昇温することを抑制することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池システムを備えたパワープラントシステムを、図２の概略構成図を用いて説明する。ここでは燃料電池システムを車輌の動力源として車載した場合について説明する。
【００１２】
パワープラントシステムは、燃料から水素を生成する燃料改質システム１０１、水素を含有する改質ガスと空気との電気化学反応から電力を生じる燃料電池１０２、電気エネルギを運動エネルギに変換するモータ１０３を備える。また、燃料電池１０２で応答しきれない負荷変動に応えるバッテリ１０４、これらの装置を制御するコントロールユニット１０５を備える。
【００１３】
コントローラユニット１０５において、図示しないアクセルペダルの開度等から燃料電池１０２に要求される発電量を求める。その発電量を賄うための水素を生じるために必要な燃料、水、空気の流量を用いて燃料改質システム１０１で水素リッチな改質ガスを生成する。これを燃料電池１０２に供給して、電気化学反応を生じることにより、車輌の走行等に必要な電力を生じる。この電力をモータ１０３において運動エネルギに変換し、図示しないファイナルギアを介して車輪に伝達する。このとき、燃料電池１０２で過剰に電力が発生した場合には、その過剰分をバッテリ１０４に蓄電し、モータ１０３において電力が不足する場合には、バッテリ１０４に蓄えられた電力をモータ１０３に給電する。
【００１４】
次に、パワープラントシステム中の燃料改質システム１０１の概略構成を図３を用いて説明する。燃料改質システム１０１の改質燃料としては水素含有燃料、例えば炭化水素系燃料であるガソリンを用いる。
【００１５】
ガソリンを貯蔵する燃料タンク１、改質用の水を貯蔵する水タンク２、燃料タンク１から供給されたガソリンを蒸発させて燃料蒸気を生じるガソリン蒸発器３、水タンク２から供給された水を水蒸させる水蒸発器４を備える。また、後述する改質装置３０や起動燃焼器９への空気の供給や、改質装置３０内圧力の低減を行うコンプレッサ５を備える。
【００１６】
改質装置３０として、燃料蒸気・水蒸気・空気を用いたATR反応により水素リッチな改質ガスを生成する改質反応器６、改質反応器６で生成された水素リッチな改質ガス中のＣＯ濃度を低減するシフト反応器７、ＰＲＯＸ反応器８を備える。ここでは、コンプレッサ５から供給される空気に、ガソリン蒸発器３からの燃料蒸気や水蒸発器４からの水蒸気を混入し、これを改質反応器６に供給することにいよりATR反応を生じる。ATR反応により生じた改質ガスをシフト反応器７に導入し、水タンク２から供給される水を用いたシフト反応によりＣＯ濃度を低減する。さらに、ＰＲＯＸ反応器８で、コンプレッサ５により圧送された空気の一部を用いてＰＲＯＸ反応を生じ、シフト反応により低減された改質ガス中のＣＯ濃度をさらに数十ｐｐｍまで低減する。
【００１７】
また、起動暖機時に、燃料タンク１から供給されたガソリンと、コンプレッサ５により導入された空気を用いて燃焼室内でガソリン燃焼を行う起動燃焼器９を備える。起動燃焼器９は、燃焼室に加熱用燃料を供給するインジェクタと、この燃焼室に供給された加熱用燃料を点火させる点火用プラグとが備えられている。暖機運転時には、インジェクタによりリーン燃焼を行うように燃料が噴射される。起動燃焼器９におけるガソリン燃焼により生じたリーン燃焼ガスは、改質装置３０に直接供給され、改質反応器６、シフト反応器７、ＰＲＯＸ反応器８内を流通する際に触媒を加熱してから燃料改質システム１０１外部に排出される。
【００１８】
さらに、コンプレッサ５により外気を圧送する（ポートａ側）か、改質装置３０内の空気を吸引する（ポートｂ側）か、を選択する三方弁１０を備える。また、コンプレッサ５から圧送された空気を改質装置３０に供給する（ポートｄ側）か、または後述する三方弁１２側に供給する（ポートｃ側）か、を選択する三方弁１１を備える。また、三方弁１１により選択的に供給された空気を起動燃焼器９に供給する（ポートｆ側）か、外部に排出する（ポートｅ側）か、を選択する三方弁１２を備える。また、改質装置３０から排出された改質ガスを燃料電池１０２に供給する（ポートｇ側）か、改質装置３０内の空気を下流側から吸引する（ポートｈ側）か、を選択する三方弁１３を備える。なお、ここでは「空気」を、外気のほかに起動燃焼器９で生成したリーン燃焼ガス等の酸素を含むガスとする。
【００１９】
また、改質装置３０と外部との物質移動を遮断するために、シャットバルブ１４〜１６を備える。シャットバルブ１４をコンプレッサ５から改質装置３０に空気を供給する配管に設ける。ここでは特に、コンプレッサ５からの空気への燃料蒸気や水蒸気の混入部分、またリーン燃焼ガスの導入部分より下流側、かつ改質反応器６の上流側に配置する。これにより、改質反応器６に空気等を導入する流路を介して、外部から改質装置３０に物質が移動するのを遮断する。また、シャットバルブ１５を改質装置３０の下流側に配置する。ここでは、三方弁１３のさらに下流側に配置する。これにより、選択的に燃料改質システム１０１下流部と改質装置３０との間の物質移動を遮断することができる。さらにシャットバルブ１６をコンプレッサ５からＰＲＯＸ反応器８に空気を供給する流路に配置する。これにより、ＰＲＯＸ反応器８への空気供給配管を介して、外部と改質装置３との間の物質移動を遮断することができる。シャットバルブ１４、１６を全て閉じ、三方弁１０をポートｂ側、三方弁１３をポートｈ側に設定し、さらにコンプレッサ５を稼動することで、改質装置３０内の空気を吸引して改質装置３０内の圧力を低減することができる。
【００２０】
さらに、コンプレッサ５からＰＲＯＸ反応器８に空気を供給する流路に空気流量調整バルブ１７を備える。ここでは、コンプレッサ５とシャットバルブ１６との間に配置する。この空気流量調整バルブ１７により、コンプレッサ５により圧送された空気を改質反応器６とＰＲＯＸ反応器８に分配する。
【００２１】
改質装置３０、ここでは改質反応器６に圧力センサ１８を備える。また、燃料改質システム１０１から燃料電池１０２に供給される水素リッチ改質ガス中のＣＯ濃度を検出するために、シャットバルブ１５の下流側にＣＯセンサ１９を備える。また、改質反応器６の触媒温度Ｔ_REFを検出する改質温度センサ２１、シフト反応器７の触媒温度Ｔ_WGSを検出するシフト温度センサ２２、ＰＲＯＸ反応器８の触媒温度Ｔ_PROXを検出するＰＲＯＸ温度センサ２３を備える。起動燃焼器９にも熱電対等の燃焼温度センサ２４を備える。また、ガソリン蒸発器３の温度を検出する燃料蒸発器温度センサ２５と、水蒸発器４の温度を検出する水蒸発器温度センサ２６を備える。さらにコントローラユニット２０を備え、各部センサの出力に応じて、各三方弁１０〜１３、シャットバルブ１４〜１６等を制御する。コントローラユニット２０は、前述したコントローラユニット１０５の一部でもよいが、ここでは燃料改質システム１０１を制御するためのものとする。
【００２２】
次に、このような燃料改質システム１０１の暖機時の制御方法を説明する。本制御のメインルーチンを図４に示す。燃料電池１０２で発電を始めるまでの間、運転者からの出力要求に対してはバッテリ１０４からの電力で応答する。
【００２３】
ステップＳ１において、起動イグニッションがＯＮとなったのを検知したら、ステップＳ２において、ガソリン蒸発器３、水蒸発器４の暖機を開始する。ここでは、図示しないヒータ等により暖機を行う。ステップＳ３において触媒反応器起動暖機を開始する。ここで、触媒反応器起動暖機のサブルーチンを図５に示す。
【００２４】
ステップＳ１１において三方弁１０〜１３を設定する。三方弁１０を、コンプレッサ５により外気を供給するようにポートａ側に設定する。また、三方弁１１をコンプレッサ５から供給された空気を三方弁１２側に流通させるようにポートｃ側に設定する。三方弁１２を、供給された空気をさらに起動燃焼器９側に供給するようにポートｆ側に設定する。さらに、三方弁１３を、改質装置３０から排出されたガス（リーン燃焼ガス）を燃料改質システム１０１から排出するようにポートｇ側に設定する。
【００２５】
次に、ステップＳ１２において、シャットバルブ１４〜１６を開として改質装置３０と外部とを連通させる。ステップＳ１３において、コンプレッサ５をＯＮにする。これにより、外気が三方弁１０を介してコンプレッサ５により圧送され、三方弁１１、三方弁１２を介して起動燃焼器９に供給される。ここで、コンプレッサ５により圧送する空気量は、起動燃焼器の点火時にあまりに多大な流量を流すと、点火が困難となる可能性があるので、起動燃焼器９の点火プラグにて点火できる比較的小流量の流量範囲とする。
【００２６】
ステップＳ１４において、ガソリンを図示しない燃料ポンプにより加圧して、インジェクタを用いて微粒子状にて起動燃焼器９へ供給する。このとき供給されるガソリン量は、空燃比が理想空燃比よりも燃料希薄側にあるリーン燃焼が行われる量とする。例えばここでは、空燃比λ＝３となるように供給する。ガソリン流量、空気流量が安定したところでグロープラグやパークプラグなどの点火プラグにより、起動燃焼を開始する。
【００２７】
ステップＳ１５において、起動燃焼器内部９に設置した燃焼温度センサ２４によりガソリンの点火を確認する。ここで、ガソリンが起動燃焼器９で燃焼していると推定できる最低温度を温度閾値Ｔ_S.C.0として予め設定しておく。燃焼温度センサ２４により検出した温度Ｔ_S.C.がこの温度閾値Ｔ_S.C.0以上となった場合に、ガソリンに点火したと判断する。
【００２８】
このようにガソリンの点火を確認できたら、ステップＳ１６において点火プラグをＯＦＦにする。次にステップＳ１７に進み、空燃比が理想空燃比よりも燃料希薄側にあるリーンガス（例えば、空燃比をλ＝３）に維持しながら起動燃焼器９へ供給されるガソリン量と空気量を増加させる。これにより、起動燃焼器９で生成された燃焼ガスは改質装置３０に供給される。燃焼ガスは約８００℃であり、その熱を用いて改質反応器６、シフト反応器７、ＰＲＯＸ反応器８の触媒をそれぞれの触媒活性温度まで昇温させる。ここでは、改質反応器６を７００℃程度、シフト反応器７を４００℃程度、ＰＲＯＸ反応器８を２００℃程度まで昇温する。この際に、シフト反応器７の温度を調整するために水タンク２から図示しない水ポンプ等により水をシフト反応器７に供給してもよい。また、ＰＲＯＸ反応器８の温度を調整するために、コンプレッサ５から供給される常温の空気を空気流量調整バルブ１７で流量調整を行ってＰＲＯＸ反応器８に供給してもよい。
【００２９】
次にステップＳ１８において、改質装置３０の各触媒温度Ｔ_REF、Ｔ_WGS、Ｔ_PROXを検出する。このとき各触媒温度Ｔ_REF、Ｔ_WGS、Ｔ_PROXが、ある温度閾値Ｔ_REF0、Ｔ_WGS0、Ｔ_PROX0に達したと判断されたら、ステップＳ１９に進む。ここで、温度閾値Ｔ_REF0、Ｔ_WCS0、Ｔ_PROX0は通常運転を開始できると判断される温度、例えば、各触媒の触媒活性温度とすることができる。または、シフト反応、ＰＲＯＸ反応が発熱反応であることを考えて触媒活性温度より少し低い値とすることもでき、このような場合には、起動運転時間を短縮することができる。
【００３０】
ステップＳ１９において、起動燃焼器９をＯＦＦにする。つまり起動燃焼器９への燃料噴射をＯＦＦにする。これにより、燃焼ガスの生成を終了し、改質器３０に備えた触媒の起動暖機運転を終了する。
【００３１】
次に、図４のステップＳ４において、起動運転から通常運転に切り換える際の起動切換サブルーチンを行う。起動切換サブルーチンを図６に示したフローチャートを用いて説明する。
【００３２】
ステップＳ２１において、三方弁１０〜１３を設定して、改質装置３０内に滞留している空気（リーン燃焼ガス）をコンプレッサ５で吸引して排出する。ここでは、三方弁１３を排出側（ポートｇ側）から三方弁１０側（ポートｈ側）に切り換える。また三方弁１０を、三方弁１３とコンプレッサ５とを連通するポートｂ側に切り換える。また、三方弁１１を三方弁１２側（ポートｃ側）、三方弁１２を排出側（ポートｅ側）に設定する。
【００３３】
次に、ステップＳ２２においてシャットバルブ１４〜１６を閉じる。シャットバルブ１４を閉じることにより改質装置３０の上流側を閉じる。また、シャットバルブ１６を閉じることによりＰＲＯＸ反応器８への酸素供給側を閉じる。これにより、改質装置３０内の酸素を含むリーン燃焼ガスが三方弁１３、１０を介してコンプレッサ５により吸引され、改質装置３０内の圧力が低減される。吸引されたリーン燃焼ガスは三方弁１１、１２を介して外部に排出される。この結果、改質器３０内部の圧力が低減され、ひいては存在する酸素量が低減される。また、シャットバルブ１５を閉じることで、後述する通常改質運転移行サブルーチンにおいて、三方弁１３をポートｇ側に設定したとき（ステップＳ３３）に、改質装置３０内にガスが逆流するのを防ぐことができる。なお、シャットバルブ１５を閉じるのは必ずしもステップＳ２２で行う必要はなく、後述するステップＳ３３より前に行えばよい。
【００３４】
次にステップＳ２３において、起動運転から通常運転に切り換える瞬間に改質反応器６が要求されている出力を求める。ここで、起動運転から通常運転に切り換える瞬間を、改質装置３０にリッチ燃料ガスが供給される瞬間とする。これは例えば、アクセル開度、エアコンの運転状態、ナビゲーションシステムなどの経路予測手段等の情報から要求される電力を推定し、この電力を得るために改質反応器６に供給されるガソリン流量、空気流量を予測する。
【００３５】
ステップＳ２４において、ステップＳ２３の結果と、ガソリンの空燃比λに対する火炎温度を示すマップから、リーン燃焼ガスとリッチ改質原料ガスとの境界での断熱火炎温度が触媒破損温度以下となるような改質反応器６内の残存酸素量Ｑ_O20を予測する。ここで、コントロールユニット２０に予め読み込んでおくガソリンの空燃比λに対する火炎温度を示すマップ図１に示す。なお、通常改質運転を開始する際に要求される出力が高いほど多くのリッチガスが必要となる。（それにより、リッチガスがリーン燃焼ガスと混合して、局所的に過昇温するおそれがある。そのため、要求出力が高いほど酸素量Ｑ_O20を小さく設定する。）
【００３６】
ステップＳ２５において、改質反応器６内に設置された圧力センサ１８と改質反応器６の内部容積から計算される酸素量Ｑ_O2が、ステップＳ２３で予測された酸素量閾値Ｑ_O20以下となったかどうかを判断する。なお、ここでは酸素量閾値をＱ_O20としたが、予測結果より低い値としてもよい。また、改質反応器６内に酸素量Ｑ_O2を測定する手段として酸素センサを配置し、改質反応器６内の酸素量Ｑ_O2を酸素センサの検出結果に基づいて求めることで、より正確に計測することができる。酸素量Ｑ_O2が酸素量閾値Ｑ_O20以下となったら、起動切り換えを終了して、改質装置３０が通常運転を開始できる状態であると判断する。つまり、起動切り換えを終了して通常運転への移行を開始する。
【００３７】
このように、起動切り換えサブルーチンを行ったら、図５のステップＳ５に進み、ガソリン蒸発器３と水蒸発器４の暖機を判断する。つまり、燃料蒸発器温度センサ２５により検出したガソリン蒸発器３の温度Ｔ_CVAPが温度閾値Ｔ_CVAP0に達しているか、および、水蒸発器温度センサ２６により検出した水蒸発器４の温度Ｔ_WVAPが温度閾値Ｔ_WVA0に達しているかどうかを判断する。ここで、温度閾値Ｔ_CVAP0、Ｔ_WVAP0をガソリン、水の蒸発に十分な温度とする。
【００３８】
ガソリン蒸発器３および水蒸発器４が暖機されたと判断されるまで待機し、暖機されたと判断されたらステップＳ６に進む。ステップＳ６では図７に示す通常改質運転移行サブルーチンを行うことにより定常運転への移行を行う。以下、通常改質運転サブルーチンについて説明する。
【００３９】
ステップＳ３１において、通常改質運転に切り換えた時点で、改質装置３０に要求される出力から改質装置３０に供給する空気量を調整する。ここでは、改質反応器６およびＰＲＯＸ反応器８に空気を供給できるようにコンプレッサ５、空気流量調整バルブ１７を調整する。次に、ステップＳ３２において、改質装置３０に供給される出力情報から適切な流量のガソリン、水を暖機されたガソリン蒸発器３、水蒸発器４に供給する。また、シフト反応器７に、図示しない水ポンプ等により水タンク２から水を供給する。なお、通常改質運転時には、空気と燃料蒸気と水蒸気を混合することにより空燃比が理論空燃比よりも燃料過剰側にあるリッチガスを生成して改質装置３０に供給する。
【００４０】
ステップＳ３３において、三方弁１０、１１、１３を切り換える。ここでは、三方弁１０をポートａ側に切り換えることにより、コンプレッサ５を介して燃料改質システム１０１に外気を供給する。また、三方弁１１をポートｄ側に切り換えて、コンプレッサ５により圧送される空気を改質反応器６に供給する。さらに、三方弁１３をポートｇ側に切り換えることにより、燃料改質システム１０１を燃料電池１０２に連通する。このとき、三方弁１３を排出側に切り換えても、ステップＳ２２に示したようにシャットバルブ１５が閉じられているので、改質装置３０内は低圧力に維持される。
【００４１】
次に、ステップＳ３４において、シャットバルブ１４、１６を開くことにより、改質装置３０へ空気、ガソリン蒸気、水蒸気が供給される。このとき、改質装置３０内の圧力は低いので、改質装置３０内には短時間でリッチ改質原料が供給される。ステップＳ３５において、シャットバルブ１５を開いて気体の逆流を防ぐ。これにより、改質反応部６にガソリン、水、空気が供給されて、ATR反応により水素リッチな改質ガスが生成される。改質ガス中の余剰ＣＯは、シフト反応器３、ＰＲＯＸ反応器４で低減される。次に、ステップＳ３６において、改質ガス中のＣＯ濃度が数十ｐｐｍオーダーになっていることを、ＰＲＯＸ反応器８の下流から燃料電池１０２に連通する配管内に設けたＣＯセンサ１９により確認する。ここではＣＯセンサ１９により検出したＣＯ濃度Ｃ_COが、濃度閾値Ｃ_CO0以下となったのを確認する。
【００４２】
このように、ＣＯセンサ１９により検出されるＣＯ濃度Ｃ_COが燃料電池１０２の被毒原因とならない程度に低減されていることを確認できたら、通常改質運転移行サブルーチンを終了する。図５のメインルーチンにおいて、ステップＳ７に進み、燃料電池１０２へ改質ガスの供給して、燃料電池１０２における発電を開始する。
【００４３】
これらの起動暖機（Ｓ３）、起動切り換え（Ｓ４）、定常改質運転移行（Ｓ６）の三ステップを経ることにより、リーン燃焼ガスとリッチ改質原料ガスが混じって空燃比λ＝１領域を通過して触媒が過昇温するのを妨げることができる。
【００４４】
次に、改質反応器６の温度、改質器３０内の圧力、酸素濃度、燃料改質システム１０１に導入された燃料、空気の経時変化を図８に示したタイミングチャートを用いて説明する。
【００４５】
起動暖機のステップ（Ｓ３）を行っている間は、高温燃焼ガスを生成して改質装置３０に流通させることにより、改質装置３０に充填した触媒の温度を上昇させる。触媒温度が温度閾値に達したら、起動暖機を終了して起動切り換えを行う。起動切り換えのステップ（Ｓ４）では、改質装置３０内の酸素量を低減して、通常運転開始時にリーン燃焼ガスとリッチ改質原料が混合してλ＝１となるのを抑制する。このときには、改質装置３０内の酸素量は低減するが、改質装置３０内の圧力も低下するので、酸素濃度は一定となる。さらに、通常改質運転移行のステップ（Ｓ６）においては、低圧状態の改質装置３０内にリッチ改質原料を供給するので、改質装置３０内は短時間でリッチ改質原料に充填される。ここでは、改質装置３０内の酸素と空気中の酸素とが混じっても空燃比λ＜１となるように、起動切り換えステップにおいて改質装置３０中の空気を低減しておくので、改質装置３０内の温度が過度に上昇するのを防ぐことができる。
【００４６】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００４７】
少なくとも燃料ガスと酸化剤ガスを用いた触媒反応により改質ガスを生成する改質装置３０と、燃料を燃焼することにより燃焼ガスを生成する起動燃焼器９と、改質装置３０内の少なくとも酸素を低減する酸素低減手段（コンプレッサ５）を備える。また、暖機時には、起動燃焼器９におけるリーンガスを用いた燃焼により生成した燃焼ガスを改質装置３０に流通させることにより暖機運転を行い、暖機運転から通常運転に移行する際に改質装置３０内の酸素を低減してから、リッチガスを改質する通常運転を行う。これにより、起動運転から定常改質運転への切り替え時、触媒内部で理想空燃比となって触媒が過度に昇温することを抑制することができる。
【００４８】
また、酸素低減手段を、改質装置３０内部の圧力を低減する圧力低減手段とする。改質装置３０内の圧力を低下することで、改質装置３０内の残存酸素量を簡単に低減することができる。
【００４９】
また、圧力低減手段として起動燃焼器９および改質装置３０の少なくとも一方に酸化剤ガスを供給するコンプレッサ５を用い、暖機運転から通常運転に移行する際に、コンプレッサ５により改質装置３０内の圧力を一時的に低減する。これにより、改質装置３０内部の圧力を低下させるためのデバイスを新たに追加する必要がなく、燃料改質システムを簡便な構成とすることができる。
【００５０】
改質装置３０内の酸素量を測定または推定する酸素量検出手段（圧力センサ１８）を備え、改質装置３０内の残存酸素量に基づいて、改質装置３０が通常運転を開始できる状態かどうかを判断する。これにより、通常改質運転に切り換える際に、改質装置３０内部で理論空燃比にならない酸素量まで改質装置３０内部の圧力を低下させることができる。
【００５１】
酸素量検出手段として、圧力センサ１８を用いる。これにより、改質装置３０内圧、反応容器内部体積、予想される酸素濃度から改質装置３０内部の酸素量を算出することができる。
【００５２】
または、酸素量検出手段として、酸素センサを備える。これにより、より正確に改質装置３０内の残存酸素量を算出することができる。
【００５３】
通常運転開始時に、改質装置３０に要求される出力を求める出力推定手段（Ｓ２３）と、出力推定手段により推定される要求出力に基づいて、暖機運転から通常運転に移行する際に改質装置３０内に残存できる酸素量閾値Ｑ_O20を設定する酸素量閾値設定手段（Ｓ２４）を備える。さらに、酸素量検出手段により測定または推定さえた改質装置３０内の酸素量Ｑ_O2と、酸素量閾値Ｑ_O20を比較する酸素量比較手段（Ｓ２５）を備える。酸素量比較手段において、改質装置３０内の酸素量Ｑ_O2が酸素量閾値Ｑ_O20以下となったら改質装置３０が通常運転を開始できる状態であると判断する。これにより、通常運転開始時に供給されるリッチ改質原料に応じて改質装置３０内の残存酸素量を低減することができるので、改質装置３０内で理想空燃比となるのをさらに抑制することができる。
【００５４】
このとき、酸素量閾値設定手段において、通常運転開始時に改質装置３０に要求される出力が高いほど酸素量閾値Ｑ_O20を小さく設定する。これにより、改質装置３０に供給される改質原料ガス流量に関わらず、触媒が過昇温するのを防ぐことができる。
【００５５】
なお、図示しないヒータの替わりに、ガソリン蒸発器３、水蒸発器４の暖機を起動燃焼器９の排気ガスとの熱交換により行うこともできる。この場合には、ステップＳ１４において起動燃焼器９がＯＮになったら燃料改質システム１０１から排出される燃焼ガスを図示しないガソリン蒸発器３や水蒸発器４との熱交換部に流通させることで、消費燃料を低減した起動を行うことができる。また、このときにはガソリン蒸発器３と水蒸発器４の暖機判断（Ｓ５）は、ステップＳ１９で起動燃焼器９をＯＦＦとする前に行う。
【００５６】
また、暖機運転時の燃焼に関する空燃比を一定（λ＝３等）とする場合には、暖機運転時に改質反応器６に供給するリーン燃焼ガスの酸素含有濃度は一定であり、また、改質反応器６の容積は予め測定しておくことができる。よって、暖機運転を終了してから通常運転を開始するかどうかは、改質装置３の圧力により判断することができる。つまり、ステップＳ２４において酸素量閾値Ｑ_O20を設定する替わりに、酸素量閾値Ｑ_O20に相当する圧力閾値を設定する（Ｓ２４▲２▼）。また、ステップＳ２５において酸素量閾値Ｑ_O20と残存酸素量Ｑ_O2を比較する替わりに、酸素量閾値Ｑ_O20に相当する改質装置３０の圧力閾値を求めて、圧力センサ１８で検出した圧力と比較することによっても通常運転を開始できるかどうかを判断する（Ｓ２５▲２▼）ことができる。ここで、通常改質運転を開始する際に要求される出力が高いほど、多くのリッチガスが必要となる。それにより、起動燃焼のリーンガスと混合して昇温する割合が高くなってしまう。そのため、要求出力が高いほど酸素量、つまり圧力閾値を小さくすることで、過昇温を防ぐことができる。
【００５７】
このように、改質装置３０内の圧力を測定する圧力測定手段と、通常改質運転開始時に改質装置３０に要求される出力を求める出力推定手段（Ｓ２３）を備える。また、出力推定手段により推定される要求出力に基づいて、暖機運転から通常運転に移行する際に改質装置３０に許容される圧力閾値を設定する圧力閾値設定手段（Ｓ２４▲２▼）を備える。さらに、圧力測定手段により測定された改質装置内の圧力と、前記圧力閾値とを比較する圧力比較手段（Ｓ２５▲２▼）を備える。圧力比較手段において、改質装置３０内の圧力が圧力閾値以下であると判断されたら、改質装置３０が通常運転を開始できる状態であると判断する。これにより、圧力センサを用いて、通常運転開始時に改質装置３０内で理想空燃比とならないように、改質装置３０内の残存酸素量を低減することができる。
【００５８】
また、圧力閾値設定手段において、通常運転開始時に改質装置３０に要求される出力が高いほど圧力閾値を小さく設定する。これにより、改質装置３０に供給される改質原料ガス流量に関わらず、触媒が過昇温することを防ぐことができる。
【００５９】
次に、第２の実施形態について説明する。パワープラントシステムの構成は第１の実施形態と同様とし、以下、第１の実施形態と異なる部分を主に説明する。燃料改質システム１０１の構成を図９に示す。
【００６０】
第１の実施形態と同様に燃料タンク１、水タンク２、ガソリン蒸発器３、水蒸発器４、起動燃焼器９を備える。また、改質装置３０として改質反応器６、シフト反応器７、ＰＲＯＸ反応器８を備える。さらに、圧力センサ１８、ＣＯセンサ１９、温度センサ２１〜２６を備える。
【００６１】
さらに、起動燃焼器９、および、その下流側に備えた改質反応器６に空気を供給する第１コンプレッサ３１、ＰＲＯＸ反応器８に空気を供給する第２コンプレッサ３２を備える。また、後述する三方弁３４を介して、ＰＲＯＸ反応器８の下流側から改質装置３０内部の空気を吸引する真空ポンプ３３を備える。さらに、ＰＲＯＸ反応器８を燃料改質システム１０１の排出側（ポートｉ側）と連通させるか、真空ポンプ３３側（ポートｊ側）に連通させるかを選択する三方弁３４を備える。
【００６２】
このように構成し、シャットバルブ１４を改質装置３０の上流側、シャットバルブ１５を三方弁３４のポートｉ側、シャットバルブ１６を第２コンプレッサ３２とＰＲＯＸ反応器８との間に配置する。シャットバルブ１４、１６を閉じて三方弁３４をポートｊ側に設定し、真空ポンプ３３を駆動させることにより改質装置３０内の空気を吸引し、改質装置３０内の圧力を低減することができる。
【００６３】
次に、本実施形態の起動時の制御方法を説明する。ここでは、メインルーチンを第１実施形態（図４）と同様とする。ステップＳ３、Ｓ４、Ｓ６の各サブルーチンについては、図１０〜図１２を用いて以下のように行う。なお、各サブルーチンについての第１実施形態との違いは、燃料改質システム１０１の構成の違いにより生じるものであり、制御内容は第１実施形態とほぼ同じとする。
【００６４】
まず、図１０を用いて触媒反応器暖機サブルーチン（ステップＳ３）について説明する。
【００６５】
ステップＳ４１において、三方弁３４を排出側（ポートｉ側）に切り換える。ステップＳ４２において、シャットバルブ１４、１５を開いて、改質装置３０の供給側と排出側を開放する。ステップＳ４３において、第１コンプレッサ３１をＯＮにする。これにより起動燃焼器９に外気が供給される。このとき、第１コンプレッサ３１の流量は小流量とする。ただし、起動燃焼器９においてガソリンの点火を行える範囲の流量とする。
【００６６】
次に、ステップＳ４４〜Ｓ４９にかけては、ステップＳ１４〜Ｓ１９と同様に、起動燃焼器９にガソリンを供給し点火することによりリーン燃焼ガスを生成し、このリーン燃焼ガスを改質装置３０に流通することにより触媒の暖機を行う。触媒温度（Ｔ_REF、Ｔ_WGS、Ｔ_PROX）が所定の温度閾値（Ｔ_REF0、Ｔ_WGS0、Ｔ_PROX0）に達したら、起動燃焼器９における燃焼を終了し暖機運転を終了する。
【００６７】
次に、図１１を用いて起動切り換えサブルーチン（ステップＳ４）について説明する。
【００６８】
ステップＳ５１において、シャットバルブ１４〜１６を閉じる。これにより改質装置３０内と外部とが遮断された状態となる。ステップＳ５２において、三方弁３４をポートｊ側に設定する。ステップＳ５３において、真空ポンプ３３をＯＮにする。これにより、改質装置３０内の圧力が低下し、改質装置３０内部の酸素量を低減することができる。次に、ステップＳ５４、５５において、ステップＳ２３、２４と同様に酸素量閾値Ｑ_O20を求め、ステップＳ５６において、ステップＳ２５と同様に改質装置３０内の酸素量Ｑ_O2が酸素量閾値Ｑ_O20以下であるかどうかを判断する。酸素量Ｑ_O2が酸素量閾値Ｑ_O20以下となったら、ステップＳ５７に進み、三方弁３４をポートｉ側に設定する。このとき、ステップＳ５１においてシャットバルブ１５は閉じられているので、改質装置３０内の圧力は低圧に維持される。ステップＳ５８において真空ポンプ３３をＯＦＦにすることにより、切り換えサブルーチンを終了する。
【００６９】
次に、図１２を用いて通常改質運転移行サブルーチン（ステップＳ６）について説明する。
【００７０】
ステップＳ６１において、改質装置３０が要求されている出力情報から、改質反応器６に供給する空気流量を求め、改質反応器６に起動燃焼器９を介して要求される空気流量が供給されるように第１コンプレッサ３１を調整する。また、ＰＲＯＸ反応器８に要求される空気流量を供給するように、第２コンプレッサ３２を調整する。次にステップＳ６２において、ステップＳ３２と同様に、改質反応器６に供給するリッチ改質原料を生成するように、ガソリン蒸発器３と水蒸発器４にガソリンおよび水を供給する。また、シフト反応器７にシフト反応を行うのに必要な水を供給する。
【００７１】
次に、ステップＳ６３において、ステップＳ３４と同様にシャットバルブ１４、１６を開く。これにより改質装置３０にリッチ改質原料が供給される。ステップＳ６４において、ステップＳ３５と同様にシャットバルブ１５を開くことにより逆流を防ぎ、改質装置３０内のガスの流通を開始する。ステップＳ６５において、ステップＳ３６と同様の改質ガス中のＣＯ濃度を判定し、ＣＯ濃度Ｃ_COが濃度閾値Ｃ_CO0以下となったら通常改質運転移行サブルーチンを終了する。
【００７２】
その後、ステップＳ７において水素リッチ改質ガスの燃料電池１０２への供給を開始したら、燃料改質システム１０１の起動を終了して、通常改質運転を行う。なお、タイミングチャートは、第１実施形態と同様に図８に示したようになる。
【００７３】
次に、本実施形態における効果を説明する。ここでは、第１実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００７４】
圧力低減手段として真空ポンプ３３を備え、暖機運転から通常運転に移行する際に、真空ポンプ３３により改質装置３０内の圧力を一時的に低減する。これにより、起動切り替え時に改質装置内部の圧力、ひいては残存酸素量を真空ポンプ３３により低下させることができる。
【００７５】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。例えば、実施の形態においては、システム起動時の触媒暖機方法について述べているが、移動体用燃料電池システムにおいてアイドルストップ後の再暖機の場合にも同様のシークエンスを用いることができる。また、ＡＴＲ改質反応器６、シフト反応器７、ＰＲＯＸ反応器８を用いた燃料改質システムを例としているが、本発明はメンブレンリアクタ等のその他の燃料電池システムでも、触媒暖機が必要なものであれば適用可能である。また、本実施形態では移動体用パワープラントシステムについて述べているが、本発明の趣旨は固定式燃料電池システムでも適用できることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】空燃比に対する断熱火炎温度の特徴を示す図である。
【図２】第１の実施形態に用いるパワープラントシステムの概略構成図である。
【図３】第１の実施形態に用いる燃料改質システムの概略構成図である。
【図４】第１の実施形態における起動制御のメインルーチンである。
【図５】第１の実施形態における触媒反応器起動暖機サブルーチンである。
【図６】第１の実施形態における起動切り換えサブルーチンである。
【図７】第１の実施形態における通常改質運転移行サブルーチンである。
【図８】第１の実施形態におけるタイミングチャートである。
【図９】第２の実施形態における燃料改質システムの概略構成図である。
【図１０】第２の実施形態における触媒反応器起動暖機サブルーチンである。
【図１１】第２の実施形態における起動切り換えサブルーチンである。
【図１２】第２の実施形態における通常改質運転移行サブルーチンである。
【符号の説明】
８コンプレッサ（酸素低減手段、圧力低減手段）
９起動燃焼器（燃焼器）
１８圧力センサ（酸素量検出手段）
２０コントローラユニット（制御手段）
３０改質装置
３３真空ポンプ（酸素低減手段、圧力低減手段）
Ｓ２３・・・出力推定手段（Ｓ２３）
Ｓ２４・・・酸素量閾値設定手段（Ｓ２４▲２▼・・・圧力閾値設定手段）
Ｓ２５・・・酸素量比較手段（Ｓ２５▲２▼・・・圧力比較手段）

Claims

少なくとも燃料ガスと酸化剤ガスを用いた触媒反応により改質ガスを生成する改質装置と、
燃料を燃焼することにより燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記改質装置内の少なくとも酸素を低減する酸素低減手段と、
暖機時には、前記燃焼器におけるリーンガスを用いた燃焼により生成した燃焼ガスを前記改質装置に流通させることにより暖機運転を行い、暖機運転から通常運転に移行する際に前記改質装置内の酸素を低減してから、リッチガスを改質する通常運転を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料改質システム。
前記酸素低減手段を、前記改質装置内部の圧力を低減する圧力低減手段とする請求項１に記載の燃料改質システム。
前記圧力低減手段として前記燃焼器および前記改質装置の少なくとも一方に酸化剤ガスを供給するコンプレッサを用い、
暖機運転から通常運転に移行する際に、前記コンプレッサにより前記改質装置内の圧力を一時的に低減する請求項２に記載の燃料改質システム。
前記圧力低減手段として真空ポンプを備え、
暖機運転から通常運転に移行する際に、前記真空ポンプにより前記改質装置内の圧力を一時的に低減する請求項２に記載の燃料改質システム。
前記改質装置内の酸素量を測定または推定する酸素量検出手段を備え、
前記改質装置内の残存酸素量に基づいて、前記改質装置が通常運転を開始できる状態かどうかを判断する請求項１に記載の燃料改質システム。
酸素量検出手段として、圧力センサ、または、酸素センサを用いる請求項５に記載の燃料改質システム。
通常運転開始時に前記改質装置に要求される出力を求める出力推定手段と、
前記出力推定手段により推定される要求出力に基づいて、暖機運転から通常運転に移行する際に前記改質装置内に残存できる酸素量閾値を設定する酸素量閾値設定手段と、
前記酸素量検出手段により測定または推定された前記改質装置内の酸素量と、前記酸素量閾値を比較する酸素量比較手段と、を備え、
前記酸素量比較手段において前記改質装置内の酸素量が前記酸素量閾値以下となったら、前記改質装置が通常運転を開始できる状態であると判断する請求項５に記載の燃料改質システム。
前記酸素量閾値設定手段において、通常運転開始時に前記改質装置に要求される出力が高いほど前記酸素量閾値を小さく設定する請求項７に記載の燃料改質システム。
前記改質装置内の圧力を測定する圧力検出手段と、
前記改質運転開始時に前記改質装置に要求される出力を求める出力推定手段と、
前記出力検出手段により推定される要求出力に基づいて、暖機運転から通常運転に移行する際に前記改質装置に許容される圧力閾値を設定する圧力閾値設定手段と、
前記圧力測定手段により測定された改質装置内の圧力と、前記圧力閾値とを比較する圧力比較手段を備え、
前記圧力比較手段において前記改質装置内の圧力が前記圧力閾値以下であると判断されたら、前記改質装置が通常運転を開始できる状態であると判断する請求項１に記載の燃料改質システム。
前記圧力閾値設定手段において、通常運転開始時に前記改質装置に要求される出力が高いほど前記圧力閾値を小さく設定する請求項１０に記載の燃料改質システム。