JP2010052965A - 改質装置および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ホットスタート時においても安定して起動させることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】改質用燃料および改質水から水素を含む改質ガスを生成する改質部２１と、改質水を蒸発させて水蒸気を生成し改質部２１に供給する蒸発部２６と、蒸発部２６の温度を検出する温度センサ２６ａと、改質部２１を加熱する燃焼部２５と、改質部２５、蒸発部２６および燃焼部２５を制御する制御装置１とを有し、少なくとも起動運転時には改質部２１から導出されたガスが燃焼部２５に導入される改質装置２０である。制御装置１は、起動運転開始指示時における温度センサ２６ａに基づく蒸発部２６の温度θが第１閾値θ１より高いとき、蒸発部２６の温度θが第１閾値θ１以下である第２閾値θ２以下になるまで、蒸発部２６に所定流量Ｗの改質水を供給する第１動作を行わせた後、燃焼部２５での着火動作を開始させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、改質装置および、この改質装置を用いた燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムとして特許文献１および特許文献２に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された燃料電池システムは、蒸発部から改質部に供給される水蒸気の温度を測定する温度センサを有しており、この温度センサに基づく水蒸気の温度が設定温度範囲内にないとき、制御装置は改質反応が異常であると判定している。そして、制御装置は、水蒸気の温度が設定温度範囲よりも大きいときには蒸発部への改質水の量を増大させて改質部に供給される水蒸気量を増大させ、水蒸気の温度が設定温度範囲よりも小さいときには蒸発部への改質水の量を減少させて改質部に供給される水蒸気量を減少させている。この燃料電池システムによれば、改質部の水蒸気比を適正に維持しやすく、改質反応の状態を良好に維持することができると考えられる。

また、特許文献２に記載された燃料電池システムは、蒸発部の温度を測定する温度センサを有しており、起動開始時に温度センサに基づく蒸発部の温度により、蒸発部が水蒸気生成可能な温度であるか否かを判定している。そして、制御装置は、蒸発部の温度が水蒸気生成可能な基準温度を超えている場合には蒸発部への改質水の供給を開始し、蒸発部の温度が基準温度以下である場合には蒸発部の温度が基準温度を超えてから蒸発部への改質水の供給を開始する。この燃料電池システムによれば、起動開始時において蒸発部の温度が基準温度を超えている場合には蒸発部への改質水の供給が開始されるため、起動時間の短縮を図ることができる。
特開２００５−２２５７２５号公報 特開２００５−１７０７８４号公報

しかし、上記従来の燃料電池システムでは、安定して起動させることができない場合が起こり得る。すなわち、これらの燃料電池システムでは、燃料電池を停止した直後に再起動させる場合（ホットスタート）には、蒸発部が高温になっていることから蒸発部に改質水を供給した直後に水蒸気が瞬時に多量に発生し、発生した水蒸気および改質部や配管内のガスが燃焼部に流入する。そのため、ホットスタート時に燃焼部に着火してから蒸発部に改質水を供給したのでは、水蒸気および改質部や配管内のガスにより燃焼部における安定燃焼が妨げられる。

本発明は係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、ホットスタート時においても安定して起動させることができる改質装置および燃料電池システムを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に係る改質装置の特徴は、改質用燃料および改質水から水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質水を蒸発させて水蒸気を生成し前記改質部に供給する蒸発部と、前記蒸発部の温度を検出する温度検出手段と、前記改質部を加熱する燃焼部と、前記改質部、蒸発部および燃焼部を制御する制御装置とを有し、少なくとも起動運転時には前記改質部から導出されたガスが前記燃焼部に導入される改質装置であって、前記制御装置は、前記起動運転開始指示時における前記温度検出手段に基づく前記蒸発部の温度が第１閾値より高いとき、前記蒸発部の温度が前記第１閾値以下である第２閾値以下になるまで、前記蒸発部に所定流量の前記改質水を供給する第１動作を行わせた後、前記燃焼部での着火動作を開始させることである。

請求項２に係る改質装置の特徴は、請求項１において、前記制御装置は、前記第１動作とともに、前記燃焼部に所定流量の燃焼用空気を供給する第２動作を行わせることである。

請求項３に係る改質装置の特徴は、請求項２において、前記燃焼部から排出されたガスと前記蒸発部との間で熱交換することである。

請求項４に係る改質装置の特徴は、請求項１乃至３のいずれか一項において、前記制御装置は、前記第１動作を開始してから前記蒸発部の温度が第２閾値以下になるまでの時間が所定時間以上であるとき、改質水供給不良と判定することである。

請求項５に係る燃料電池システムの特徴は、燃料ガスが燃料極に供給され、酸化剤ガスが酸化剤極に供給されて発電する燃料電池システムにおいて、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の改質装置により生成された改質ガスを前記燃料ガスとして使用することである。

請求項１に係る改質装置においては、起動運転開始指示時における蒸発部の温度が第１閾値より高いとき、すなわち、ホットスタート時には、燃焼部での着火がされることなく蒸発部に所定流量の改質水が供給される第１動作が行われる。

起動運転開始指示時における蒸発部の温度が第１閾値より高いときに蒸発部に改質水を供給すれば、改質水は瞬時に蒸発して水蒸気が生成され、この水蒸気に押されて改質部や配管内に残留するガスが燃焼部から押し出される。そして、蒸発部の温度が第２閾値以下になってから燃焼部での着火動作を開始することにより、改質部や配管内の過剰な残留ガスあるいは過剰な水蒸気が燃焼部に流入することを抑制できる。したがって、この改質装置によれば、ホットスタート時においても安定して起動させることができる。

請求項２に係る改質装置においては、第１動作とともに、燃焼部に所定流量の燃焼用空気を供給する第２動作が行われるため、燃焼部内に流入した水蒸気を速やかに排気できる。そのため、燃焼部内での水の凝縮を抑制でき、しいては、凝縮水付着による着火部（スパークプラグ）の絶縁低下による着火・燃焼不良を抑制できる。また、燃焼部内の可燃ガス等を希釈して排出できる。

請求項３に係る改質装置においては、燃焼部から排出されたガスと蒸発部との間で熱交換するため、温度検出手段による蒸発部の温度の検出精度を向上させることができる。すなわち、ホットスタート時において蒸発部に供給された改質水は突沸しやすく、突沸して液体の水が温度検出手段に付着した場合には、蒸発部の温度の誤検知が生じるおそれがある。ここで、燃焼部から排出されたガスは改質部の熱で加熱されており、このガスが温度検出手段に付着した水の蒸発を加速するため、温度検出手段による蒸発部の温度の検出精度を向上させることができる。

請求項４に係る改質装置においては、第１動作を開始してから蒸発部の温度が第２閾値未満になるまでの時間が所定時間以上であるとき、制御装置が改質水供給不良と判定することで、改質水過少による運転での改質触媒の劣化（コーキング）を抑制することが可能となる。ここで、蒸発部に改質水が正常に供給可能であれば、蒸発部には液面ができて蒸発部の温度が低下する。しかし、改質水ポンプの故障等により、改質水が流れなかったり、規定流量に達しない場合には、所定時間を経過しても蒸発部の温度が所定値にまで下がらない。そのため、このような場合には、改質水供給不良と判定することができる。

請求項５に係る燃料電池システムにおいては、請求項１乃至４のいずれか一項に記載された改質装置により生成された改質ガスを燃料ガスとして使用するので、ホットスタート時において燃焼部での着火動作が開始されるときには、改質部や配管内の過剰な残留ガスあるいは過剰な水蒸気が燃焼部に流入することを抑制でき、安定して起動させることができる。

以下、本発明に係る改質装置および燃料電池システムの実施形態１，２について説明する。図１は実施形態１の燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池１０、この燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガス（燃料ガス）を生成する改質装置２０、および燃料電池システムを制御する制御装置１を備えている。

燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介在された電解質１３を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。

改質装置２０は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、改質部２１、冷却部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素浄化部（以下、ＣＯ浄化部という）２４、燃焼部（燃焼装置）２５、および蒸発部２６から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

改質部２１は、改質用燃料に改質水が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部２１は有底円筒状に形成されており、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路２１ａを備えている。

改質部２１の折り返し流路２１ａ内には、触媒２１ｂ（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、冷却部２２から導入された改質用燃料と水蒸気供給管５１から導入された水蒸気との混合ガスが触媒２１ｂによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は冷却部（熱交換部）２２に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

冷却部２２は、改質部２１から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水（水蒸気）との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器（熱交換部）であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してＣＯシフト部２３に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部２１に導出するようになっている。

具体的には、冷却部２２には図示しない燃料供給源（例えば都市ガス管）に接続された改質用燃料供給管４１が接続されている。改質用燃料供給管４１には、上流から順番に燃料ポンプ４２、脱硫器４６および改質用燃料バルブ４３が設けられている。改質用燃料バルブ４３は改質用燃料供給管４１を開閉するものである。燃料ポンプ４２は改質用燃料を供給しその供給量を調整する改質用燃料供給手段である。脱硫器４６は燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を低減するものである。燃料供給源から供給される燃料のうち改質部２１に供給されて改質されるものを改質用燃料といい、燃焼部２５に供給されて燃焼されるものを燃焼用燃料という。

また、改質用燃料供給管４１の脱硫器４６と改質用燃料バルブ４３との間には燃焼部２５に接続された燃焼用空気供給管６４に接続された燃焼用燃料供給管４４が接続されている。燃焼用燃料供給管４４には燃焼用燃料バルブ４５が設けられている。燃焼用燃料バルブ４５は燃焼用燃料供給管４４を開閉するものである。燃料ポンプ４２が駆動され改質用燃料バルブ４３が閉じられ燃焼用燃料バルブ４５が開かれている場合、燃焼部２５に燃焼用燃料が供給され、また、燃料ポンプ４２が駆動され改質用燃料バルブ４３が開かれ燃焼用燃料バルブ４５が閉じられている場合、改質部２１に改質用燃料が供給される。

さらに、改質用燃料供給管４１の改質用燃料バルブ４３と冷却部２２との間には蒸発部２６に接続された水蒸気供給管５１が接続されている。蒸発部２６から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部２２を通って改質部２１に供給されている。また、蒸発部２６の出口付近には、蒸発部２６の温度を検出する温度センサ２６ａが配設されている。なお、この温度センサ２６ａは、蒸発部２６の出口付近の水蒸気供給管５１内に設けてもよい。この温度センサ２６ａが「温度検出手段」である。

ＣＯシフト部２３は、改質部２１から冷却部２２を通って供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯシフト部２３は、内部に上下方向に沿って延在する折り返し流路２３ａを備えている。折り返し流路２３ａ内には触媒２３ｂ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。ＣＯシフト部２３においては、冷却部２２から導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気は、触媒２３ｂにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

ＣＯ浄化部２４は、ＣＯシフト部２３から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池１０に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯ浄化部２４は、円筒状に形成されて、蒸発部２６の外周壁を覆って当接して設けられている。ＣＯ浄化部２４の内部には、触媒２４ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されている。

このＣＯ浄化部２４の側壁面下部および側壁面上部には、ＣＯシフト部２３に接続された接続管８９および燃料電池１０の燃料極１１に接続された改質ガス供給管７１がそれぞれ接続されている。接続管８９には、酸化用空気供給管６１が接続されている。これにより、ＣＯ浄化部２４には、ＣＯシフト部２３からの改質ガスと大気からの酸化用空気が導入されるようになっている。なお、酸化用空気供給管６１には、上流から順番に酸化用空気ポンプ６２および酸化用空気バルブ６３が設けられている。酸化用空気ポンプ６２は酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ６３は酸化用空気供給管６１を開閉するものである。

したがって、ＣＯ浄化部２４内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応（酸化）して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒２４ａによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出され、燃料電池１０の燃料極１１に供給されるようになっている。

燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管７１を介してＣＯ浄化部２４が接続されるとともに、燃料極１１の導出口にはオフガス供給管７２を介して燃焼部２５が接続されている。バイパス管７３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管７１およびオフガス供給管７２を直結するものである。改質ガス供給管７１にはバイパス管７３との分岐点と燃料電池１０との間に第１改質ガスバルブ７４が設けられている。オフガス供給管７２にはバイパス管７３との合流点と燃料電池１０との間にオフガスバルブ７５が設けられている。バイパス管７３には第２改質ガスバルブ７６が設けられている。

起動運転時には、改質装置２０から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を閉じ第２改質ガスバルブ７６を開き、定常運転（発電運転）時には、改質装置２０からの改質ガスを燃料電池１０に供給するため、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開き第２改質ガスバルブ７６を閉じている。

また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、カソード用空気供給管６７が接続されるとともに、空気極１２の導出口には、排気管８２が接続されている。空気極１２に空気が供給され、オフガスが排気されるようになっている。なお、カソード用空気供給管６７には上流から順にカソード用空気ポンプ６８およびカソード用空気バルブ６９が設けられている。カソード用空気ポンプ６８はカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ６９はカソード用空気供給管６７を開閉するものである。

燃焼部２５は、改質部２１を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部２１の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。燃焼部２５においては、燃焼部２５に供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガス（これらは可燃ガスである。）が燃焼部２５に供給された燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、改質部２１と断熱部２８との間および断熱部２８と蒸発部２６との間に形成されて改質部２１や蒸発部２６を加熱するように配設された燃焼ガス流路２７を流通し、排気管８１を通って燃焼排ガスとして外部に排出される。燃焼ガスは改質部２１の改質触媒２１ａを活性温度域となるように加熱し、蒸発部２２を水蒸気生成するために加熱する。

燃焼用空気供給管６４には、燃焼用空気ポンプ（燃焼用酸化剤ガス供給手段）６５および燃焼用空気バルブ６６が設けられている。燃焼用空気ポンプ６５は大気から燃焼用空気を吸い込み燃焼部２５に吐出するものであり、制御装置１の指令に応じて燃焼部２５に供給する燃焼用空気供給量を調整するものである。燃焼用空気バルブ６６は、制御装置１の指令に応じて燃焼用空気供給管６４を開閉するものである。

蒸発部２６は、改質水を蒸発させて水蒸気を生成して冷却部２２を介して改質部２１に供給するものである。蒸発部２６は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路２７の外周壁を覆って当接して設けられている。

この蒸発部２６の下部（例えば側壁面下部、底面）には改質水タンク（図示省略）に接続された給水管５２が接続されている。蒸発部２６の上部（例えば側壁面上部）には水蒸気供給管５１が接続されている。改質水タンクから導入された改質水は、蒸発部２６内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびＣＯ浄化部２４からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気供給管５１および冷却部２２を介して改質部２１へ導出するようになっている。なお、給水管５２には、上流から順番に改質水ポンプ５３および改質水バルブ５４が設けられている。改質水ポンプ５３は、蒸発部２６に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。改質水バルブ５４は給水管５２を開閉するものである。

制御装置１には、温度センサ５１ａ、各ポンプ４２，５３，６５，６２，６８、各バルブ４３，４５，５４，６３，６６，６９，７４，７５，７６および燃焼部２５等が電気的に接続されている。制御装置１により燃料電池システムが制御される。

上記の構成の燃料電池システムの作動について図２および図３を参照して説明する。図２は制御プログラムのフローチャートである。また、図３はホットスタートである場合の蒸発部２６の温度θと、改質水バルブ５４，燃焼用空気バルブ６６，第２改質ガスバルブ７６の状態とを示すタイムチャートである。

燃料電池システムに対する起動指示が出されると（ステップＳ１０）、温度センサ２６ａから蒸発部２６の温度θが制御装置１に入力される。蒸発部２６の温度θが１２０℃（第１閾値θ１）以下であるとき、ステップＳ１７が実行される。すなわち、この場合はコールドスタートであり、ステップＳ１２からＳ１６までの処理がなされることはなく、通常通りに燃料電池システムの起動動作が開始される。コールドスタートの場合は、起動開始段階では低温であり、起動開始後の燃焼ガスとの熱交換により蒸発部２６が暖機され安定して水蒸気を発生させることができるからである。また、蒸発部２６の温度θが１２０℃（第１閾値θ１）より高いとき、ホットスタートであり、燃料電池システムの起動動作が開始される前にステップＳ１２からＳ１６までの処理が行われる（ステップＳ１１）。ここで、「第１閾値θ１」は、蒸発部２６に改質水を供給すると、その改質水が瞬時に蒸発して直ちに多量の水蒸気が発生する温度である。

ホットスタートの場合は、蒸発部２６に改質水が供給されると、その改質水が瞬時に蒸発して水蒸気が多量に発生する。そのため、ホットスタート時に燃焼部２５に着火してから蒸発部２６に改質水を供給したのでは、多量の水蒸気および改質部２１や配管内に残留するガスが燃焼部２５に流入して安定燃焼が妨げられる。これを抑制するため、ステップＳ１２において、改質水バルブ５４，燃焼用空気バルブ６６，第２改質ガスバルブ７６が開けられる。また、改質水ポンプ５３、燃焼用空気ポンプ６５が駆動され、蒸発部２６に所定流量Ｗの改質水が供給される第１動作が行われるとともに、燃焼部２５に所定流量Ａの燃焼用空気が供給される第２動作が行われる。この状態が図３における時刻Ｔ０の状態である。なお、その他のバルブ４３，４５，６３，６９，７４，７５は閉じられている。また、ＣＯ浄化部２４と燃焼部２５とがバイパス管７３を介して直接接続される。蒸発部２６に改質水が供給されると、水蒸気が急激に発生する。その水蒸気および水蒸気に押された改質部２１や配管内に残留するガスは、バイパス管７３を経由して燃焼部２５に流入するが、燃焼部２５に供給された多量の燃焼用空気により燃焼ガス流路２７を通って排気管８１から排出される。

燃焼中に、過剰な残留ガスあるいは過剰な水蒸気が燃焼部２５に流入すると、排気エミッション悪化や吹き消え等の不具合が発生する。すなわち、残留ガスが可燃ガスの場合、規定燃焼空気比λに対して異常に低いλ（例えば、λ＜１.０）となりエミッション悪化・吹き消えに至る。また、残留ガスが不活性ガスの場合、規定燃焼空気比に対して異常に高いλ（例えば、λ＞２.０）となりエミッション悪化・吹き消えに至る。着火・燃焼前に第１動作を実施することにより、これらの不具合を解消できる。ここで、空気比λとは、燃焼に際して必要な空気量に対する実際に使用した空気量の比、すなわち、（燃焼に使用した空気量）／（理論的に必要な空気量）である。

また、第１動作とともに、燃焼部２５に所定流量Ａの燃焼用空気を供給する第２動作が行われるため、燃焼部２５内に流入した水蒸気を速やかに排気できる。そのため、燃焼部２５内での水の凝縮を抑制でき、しいては、凝縮水付着による着火部（スパークプラグ）の絶縁低下による着火・燃焼不良を抑制できる。また、燃焼部２５内の可燃ガス等を希釈して排出できる。

さらに、このようにして燃焼部２５から排出されたガスと蒸発部２６との間で熱交換するため、温度センサ２６ａによる蒸発部２６の温度の検出精度を向上させることができる。すなわち、ホットスタート時において蒸発部２６に供給された改質水は突沸しやすく、突沸して液体の水が温度センサ２６ａに付着した場合には、蒸発部２６の温度の誤検知が生じるおそれがある。燃焼部２５から排出されたガスは改質部２１の熱で加熱されており、このガスが温度センサ２６ａに付着した水の蒸発を加速するため、温度センサ２６ａによる蒸発部２６の温度の検出精度を向上させることができる。なお、燃焼部２５への燃焼用空気の供給は、蒸発部２６への改質水の供給と同時であっても、蒸発部２６への改質水の供給の前であってもよい。

改質水バルブ５４が開けられ蒸発部２６に改質水が供給されてからの時間が所定時間Ｔｍを経過したか否かが調べられる（ステップＳ１３）。所定時間Ｔｍ以下である場合、温度センサ２６ａから蒸発部２６の温度θが入力され、この温度θが１００℃（第２閾値θ２）以下になったか否かが調べられる。温度θが１００℃（第２閾値θ２）より高い場合、蒸発部２６に供給された改質水は瞬時に蒸発する恐れが残っており、水蒸気の安定した発生が可能でない恐れがあると判断され、ステップＳ１３に戻される。温度θが１００℃（第２閾値θ２）以下である場合、蒸発部２６に供給された改質水は瞬時に蒸発することはない。この場合、蒸発部２６には液面が存在して、水蒸気の安定した発生が可能であると判断され、ステップＳ１６が実行される（ステップＳ１４）。ここで、「第２閾値θ２」は、蒸発部２６に改質水を供給しても瞬時に水蒸気が生成されることがなく、水蒸気の安定した発生が可能な温度である。ここで、第１閾値θ１と第２閾値θ２は、改質装置の構造により異なり、第１閾値θ１として１００℃、１１０℃、１２０℃が例示でき、第２閾値θ２として１００℃、９５℃が例示できる。また、第１閾値θ１と第２閾値θ２とを同じ値にしてもよいが、温度センサの精度や制御性を考慮すると、第１閾値θ１が第２閾値θ２より大きい値であることが望ましい。なお、「所定時間Ｔｍ」は、制御装置１が蒸発部２６への供給を指示する改質水の所定流量Ｗに基づいて決定される。この際、制御装置１が燃焼部２５への供給を指示する燃焼用空気の所定流量Ａも考慮される。

また、ステップＳ１３において、所定時間Ｔｍを経過した場合、改質水供給不良として異常判定し、その旨が通知されるとともに燃料電池システムが停止される（ステップＳ１５）。ステップＳ１５が実行される場合は、所定時間Ｔｍを経過しても蒸発部２６の温度θが１００℃（第２閾値θ２）以下にならない場合であり、改質水ポンプ５３の異常等により蒸発部２６に所定量の改質水が供給されない場合である。このような場合に、ステップＳ１５において燃料電池システムが停止されることにより、改質水過少による運転での改質触媒２１ｂの劣化（コーキング）を抑制することができる。

所定時間Ｔｍ内に蒸発部２６の温度θが１００℃（第２閾値θ２）以下になった場合、改質水バルブ５４，燃焼用空気バルブ６６，第２改質ガスバルブ７６が閉じられる（ステップＳ１６）。この状態が図３における時刻Ｔ１の状態である。ステップＳ１６が実行された後、通常の燃料電池システムの起動動作が開始され、暖機運転を経て定常運転が行われる（ステップＳ１７）。

以下、ステップＳ１７における処理を概説する。まず、燃料電池システムの起動動作の開始から改質部２１に改質用燃料の供給が開始されるまでの間の処理について説明する。最初に、燃焼用空気バルブ６６が開かれ、燃焼用空気ポンプ６５が駆動されるとともに、改質用燃料バルブ４３、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５が閉じられ、燃焼用燃料バルブ４５が開かれ、燃料ポンプ４２が駆動されて、燃焼部２５に着火される。この際、燃焼用燃料は改質部２１を通らないで燃焼用燃料供給管４４を通って燃焼用空気供給管６４で燃焼用空気に合流して混合され、その予混合ガスが燃焼用空気供給管６４を通って燃焼部２５に供給される。そして、蒸発部２６で水蒸気が生成され、かつ、改質部２１が所定温度以上となった後、改質部２１に改質用燃料の供給が開始される。

また、改質部２１への改質用燃料の供給開始以降から定常運転（発電）開始までの間は、改質用燃料バルブ４３および第２改質ガスバルブ７６が開かれ、燃焼用燃料バルブ４５が閉じられ、燃料ポンプ４２が駆動される。第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５は閉じられたままである。これにより、ＣＯ浄化部２４から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、燃焼部２５にはＣＯ浄化部２４からの改質ガスが燃料電池１０を通らないで直接供給される。燃焼用空気は上記と同様に供給されている。すなわち、燃焼部２５には、オフガス供給管７２を通って改質ガスが供給されるとともに、燃焼用空気供給管６４を通って燃焼用空気が供給される。

そして、定常運転（発電）中においては、改質用燃料バルブ４３、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５が開かれ、燃焼用燃料バルブ４５および第２改質ガスバルブ７６が閉じられ、燃料ポンプ４２が駆動される。これにより、燃焼部２５には燃料電池１０の燃料極１１からのアノードオフガス（燃料電池１０の燃料極１１に供給され消費されずに排出された水素や未改質の改質用燃料を含んだ改質ガス）が供給される。燃焼用空気は上記と同様に供給されている。すなわち、燃焼部２５には、オフガス供給管７２を通ってアノードオフガスが供給されるとともに、燃焼用空気供給管６４を通って燃焼用空気が供給される。このとき、燃焼部２５では燃焼用燃料などの可燃ガスを別途追加して燃焼する追い焚きは行われていない。いわゆる追い焚きレスシステムである。

実施形態１の改質装置および燃料電池システムにおいては、起動運転開始指示時における蒸発部２６の温度が第１閾値θ１より高いとき、すなわち、ホットスタート時には、燃焼部２５での着火がされることなく蒸発部２６に所定流量Ｗの改質水が供給される第１動作が行われる。起動運転開始指示時における蒸発部２６の温度θが第１閾値θ１より高いときに蒸発部２６に改質水を供給すれば、改質水は瞬時に蒸発して水蒸気が生成され、この水蒸気に押されて改質部２１や配管内に残留するガスが燃焼部２５から押し出される。そして、蒸発部２６の温度θが第２閾値θ２以下になってから燃焼部２５での着火動作を開始することにより、改質部２１や配管内の過剰な残留ガスあるいは過剰な水蒸気が燃焼部２５に流入することを抑制できる。したがって、この改質装置および燃料電池システムによれば、ホットスタート時においても安定して起動させることができる。

実施形態２の燃料電池システムの構成は、図１に示す実施形態１の構成と同一である。この燃料電池システムの作動について、図４に示す制御プログラムのフローチャートを用いて説明する。ただし、図５に示す制御プログラムのフローチャートも、図２に示す実施形態１のものと略同様であり、同一の処理については同一の符号を用いるものとし、その説明を省略する。

実施形態１においては、蒸発部２６の温度θが第２閾値θ２以下になるまで、蒸発部２６に所定流量Ｗの改質水が供給される第１動作、および燃焼部２５に所定流量Ａの燃焼用空気が供給される第２動作が行われる（ステップＳ１４）。しかし、実施形態２においては、ステップＳ２４において、所定時間Ｔｎが経過するまで第１動作および第２動作が行われる。図５に示すテーブルより、ステップＳ１１で測定された蒸発部２６の温度θ（ａ１〜ａｎ）に対応して所定時間Ｔｎ（ｂ１〜ｂｎ）が求められる。この所定時間Ｔｎ（ｂ１〜ｂｎ）は、蒸発部２６の温度θが第２閾値θ２以下になるまでの時間であり、改質部２１の大きさ毎に実験により予め求めておく。また、実施形態２においては、実施形態１のステップＳ１３，Ｓ１５に対応した処理はされない。

実施形態２の改質装置および燃料電池システムにおいては、起動運転開始指示時における蒸発部２６の温度が第１閾値θ１より高いとき、すなわち、ホットスタート時には、燃焼部２５での着火がされることなく蒸発部２６に所定流量Ｗの改質水が供給される第１動作が行われる。起動運転開始指示時における蒸発部２６の温度θが第１閾値θ１より高いときに蒸発部２６に改質水を供給すれば、改質水は瞬時に蒸発して水蒸気が生成され、この水蒸気に押されて改質部２１や配管内に残留するガスが燃焼部２５から押し出される。そして、所定時間Ｔｎが経過して、第１動作が終了されて燃焼部２５での着火動作が開始されるときには、蒸発部２６の温度θが第２閾値θ２以下になっていると考えられる。そのため、燃焼部２５での着火動作が開始されるときには、改質部２１や配管内の過剰な残留ガスあるいは過剰な水蒸気が燃焼部２５に流入することを抑制できる。したがって、この改質装置および燃料電池システムによれば、ホットスタート時においても安定して起動させることができる。

また、この改質装置および燃料電池システムにおいては、実施形態１と同様、第１動作とともに、燃焼部２５に所定流量Ａの燃焼用空気を供給する第２動作が行われるため、第１動作とともに、燃焼部２５に所定流量Ａの燃焼用空気を供給する第２動作が行われるため、燃焼部２５内に流入した水蒸気を速やかに排気できる。そのため、実施形態１と同様、燃焼部２５内での水の凝縮を抑制でき、しいては、凝縮水付着による着火部（スパークプラグ）の絶縁低下による着火・燃焼不良を抑制できる。また、燃焼部２５内の可燃ガス等を希釈して排出できる。

また、このようにして燃焼部２５から排出されたガスと蒸発部２６との間で熱交換するため、実施形態１と同様の理由により、温度センサ２６ａによる蒸発部２６の温度の検出精度を向上させることができる。

なお、改質装置として、実施形態１，２のように着火時に燃焼用燃料を燃焼部２５に供給するものほか、燃焼用燃料専用ラインを設けないで、改質部２１に送られた改質用燃料をバイパス管７３を介して燃焼部２５に供給するもの（この場合、コールドスタート時には改質用燃料が未改質のまま燃焼部２５に供給される）がある。

以上において、本発明の燃料電池システムを実施形態１，２に即して説明したが、本発明はこれらに制限されるものではなく、本発明の技術的思想に反しない限り、適宜変更して適用できることはいうまでもない。

実施形態１，２に係り、燃料電池システムの形態の概要を示す概要図である。 実施形態１に係り、制御プログラムのフローチャートである。 実施形態１に係り、ホットスタート時の蒸発部温度と、各バルブの状態を示すタイムチャートである。 実施形態２に係り、制御プログラムのフローチャートである。 実施形態２に係り、蒸発部の温度に対応した所定時間を示すテーブルである。

符号の説明

１…制御装置、１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質装置、２１…改質部、２２…冷却部（熱交換部）、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２４…一酸化炭素浄化部（ＣＯ浄化部）、２５…燃焼部、２６…蒸発部、２６ａ…温度検出手段（温度センサ）、２７…燃焼ガス流路、２８…断熱部、４１…燃料供給管、４２…燃料ポンプ、４３…改質用燃料バルブ、４４…燃焼用燃料供給管、４５…燃焼用燃料バルブ、４６…脱硫器、５１…水蒸気供給管、５２…給水管、５３…改質水ポンプ、５４…改質水バルブ、６１…酸化用空気供給管、６２…酸化用空気ポンプ、６３…酸化用空気バルブ、６４…燃焼用空気供給管、６５…燃焼用空気ポンプ、６６…燃焼用空気バルブ、６７…カソード用空気供給管、６８…カソード用空気ポンプ、６９…カソード用空気バルブ、７１…改質ガス供給管、７２…オフガス供給管、７３…バイパス管、７４…第１改質ガスバルブ、７５…オフガスバルブ、７６…第２改質ガスバルブ、８１，８２…排気管、８９…接続管、θ１…第１閾値、θ２…第２閾値、Ａ，Ｗ…所定流量。

Claims (5)

1. 改質用燃料および改質水から水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質水を蒸発させて水蒸気を生成し前記改質部に供給する蒸発部と、前記蒸発部の温度を検出する温度検出手段と、前記改質部を加熱する燃焼部と、前記改質部、蒸発部および燃焼部を制御する制御装置とを有し、
   少なくとも起動運転時には前記改質部から導出されたガスが前記燃焼部に導入される改質装置であって、
   前記制御装置は、前記起動運転開始指示時における前記温度検出手段に基づく前記蒸発部の温度が第１閾値より高いとき、前記蒸発部の温度が前記第１閾値以下である第２閾値以下になるまで、前記蒸発部に所定流量の前記改質水を供給する第１動作を行わせた後、前記燃焼部での着火動作を開始させることを特徴とする改質装置。
2. 請求項１において、
   前記制御装置は、前記第１動作とともに、前記燃焼部に所定流量の燃焼用空気を供給する第２動作を行わせることを特徴とする改質装置。
3. 請求項２において、
   前記燃焼部から排出されたガスと前記蒸発部との間で熱交換することを特徴とする改質装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項において、
   前記制御装置は、前記第１動作を開始してから前記蒸発部の温度が第２閾値以下になるまでの時間が所定時間以上であるとき、改質水供給不良と判定することを特徴とする改質装置。
5. 燃料ガスが燃料極に供給され、酸化剤ガスが酸化剤極に供給されて発電する燃料電池システムにおいて、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の改質装置により生成された改質ガスを前記燃料ガスとして使用することを特徴とする燃料電池システム。

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