JP2010160928A - 燃料改質装置の起動方法、燃料改質装置、及び燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器のバーナ火炎の状態を安定させ、燃焼器での燃焼状態を安定化できる燃料改質装置を備えた燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】改質器２１と燃焼器２４とを備える燃料改質装置２０と、燃料電池本体４０と、第１開閉弁Ｖ２が配置された水素含有ガス供給流路Ｌ２と、第２開閉弁Ｖ２及びオリフィス２５が配置された第１バイパス流路Ｌ３と、第３開閉弁Ｖ４が配置された第２バイパス流路Ｌ４と、燃焼器２４の燃焼開始から燃料電池本体４０に水素含有ガスを供給開始するまでの起動工程において、改質器２１の触媒層の温度があらかじめ定めた温度未満の時、第２開閉弁Ｖ３を開き、第１開閉弁Ｖ２及び第３開閉弁Ｖ４を閉じ、改質器２１の触媒層の温度があらかじめ定めた温度を超えたら、第３開閉弁Ｖ４を開き、第１開閉弁Ｖ２及び第２開閉弁Ｖ４を閉じるように制御する制御装置５０を備えた燃料電池発電装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料改質装置の起動方法及び燃料改質装置、並びに該燃料改質装置を備えた燃料電池発電装置に関する。

燃料電池発電装置は、水素と酸素との結合エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。かかる燃料電池発電装置には、電解質層と、これを挟持するアノード電極及びカソード電極からなる単位電池を複数積層した燃料電池本体が使用されている。そして、水素含有ガスをアノード電極に供給すると共に、空気などの酸素含有ガスをカソード電極に供給し、両極間で起きる電気化学反応を利用して発電している。
通常これらの燃料電池発電装置では、天然ガス等の炭化水素を水蒸気改質して得られる水素を含むガスを燃料ガスとして用いている。そのため、燃料電池発電装置には、燃料改質装置が設けられており、天然ガス等の炭化水素を水蒸気改質して、水素を主成分とした改質ガスを得ている。

以下の（１）式は、原燃料がメタンである場合の水蒸気改質反応である。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２ ΔＨ＝＋２０６．１４ＫＪ／ｍｏｌ・・・（１）

式（１）に示されるように、水蒸気改質反応は吸熱反応である。このため、燃料改質装置には、改質器を加熱するバーナ等の燃焼器が設置されている。

また、改質反応により得られる改質ガスには、水素のほかに、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）などが含まれている。動作温度が比較的低いりん酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池では、電極触媒がＣＯにより被毒されて、発電効率が低下することから、りん酸形燃料電池の場合には、改質器で生成した改質ガスをＣＯ変成触媒が充填されたＣＯ変成器で処理し、ＣＯ濃度を１％以下にまで低減した後、燃料電池に供給している。また、動作温度が更に低い６０〜８０℃の固体高分子形燃料電池の場合は、ＣＯ変成器にてＣＯ濃度を１％以下に低減した後、更にＣＯ選択酸化触媒を充填したＣＯ除去器で処理してＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下まで低減した後、燃料電池に供給している。

一方、燃料電池発電装置の停止時は、触媒劣化を防止するため、燃料改質装置のプロセス系内に滞留した改質ガス、水蒸気、原燃料ガスを、窒素をはじめとする不活性ガス等を用いて置換処理して封止することが行われている。

しかしながら、窒素などの不活性ガスを用いて燃料改質装置内の雰囲気ガスを置換処理する方法では、別途不活性ガスボンベなどの付帯設備が必要となるので、設置スペースが大きくなり、また、ガス残量の管理やボンベの交換作業に手間やコストがかかり経済的でなかった。

ボンベ等を使用せずに雰囲気ガスの置換処理を行う手段としては、原燃料ガスを用いて封止する方法がある。しかしながら、燃料改質装置内が原燃料ガスで封止されている状態で燃料改質装置の起動昇温を行うと、改質触媒において原燃料である炭化水素が熱分解して炭素が析出してしまい、改質触媒が被毒する恐れがあった。

改質触媒の劣化を抑制するにあたり、例えば下記特許文献１には、停止動作において燃料改質装置内部を原燃料ガスで封止し、起動動作において改質触媒の温度が１００℃を超えた後に、原燃料及び水蒸気を改質触媒に供給して改質反応を開始すると共に、該改質反応により発生する改質ガスの全量を燃焼器に供給して燃焼させ、改質触媒の温度が定常改質運転を行う上で必要な所定温度に達した際に、原燃料供給量を定格流量とし、改質ガスの全量を燃料電池本体へ供給開始することが開示されている。

また、下記特許文献２には、改質触媒としてルテニウム系触媒を用い、起動動作において、改質部内に原燃料が充填された状態で、改質部を加熱昇温し、改質部の温度が４００℃以上になると、原燃料及び水を改質部に供給開始することが開示されている。

この種の起動工程を可能とした一般的な燃料改質装置を備えた燃料電池発電装置としては、例えば図５に示すようなものがあり、図６に示す弁操作チャート図のように電磁弁を開閉することにより、燃料改質装置の起動工程が行われる。

すなわち、燃料改質装置２０の起動工程開始時（図６のＡ点）において、まず燃焼器２４内のバーナ炎を点火し、燃焼器２４に燃焼用燃料と燃焼用空気とを供給してこれらを燃焼する。このとき、電磁弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ４は閉じており、燃料改質装置２０のプロセス系統内は原燃料が充填されて封止された状態となっている。
次いで、燃焼器２４で燃焼用燃料を燃焼して改質器２１を加熱し、改質器２１に充填されている改質触媒層のうち最も高温となる出口側の計測温度が改質水供給温度Ｔ０に達したら（図６のＢ点）、電磁弁Ｖ１，Ｖ４を開放して改質器２１に原燃料と改質水、あるいは改質水を一定量供給し、電磁弁Ｖ１を一旦閉止した後も電磁弁Ｖ４を開放する。
そして、前記計測温度が改質開始温度Ｔ１に達したら（図６のＣ点）、電磁弁Ｖ１を再度開放して、改質器２１に原燃料と改質水を供給して改質反応を行いながら改質器２１を昇温させ、前記計測温度が定常改質運転開始温度Ｔ２に達したら（図６のＤ点）、起動工程は終了となり、電磁弁Ｖ２を開放して燃料電池本体４０へ改質ガスを導入して、燃料電池本体４０の発電を開始する。

特開２００５−２０９６４２号公報 特開２００７−２１０８３５号公報

上記特許文献１，２のように、改質器の触媒層の温度が定常運転を行う温度未満で、かつ、所定の値に達した際に、改質器に改質水を供給すると、供給された改質水が蒸発部にて水蒸気となり、燃料改質装置内部の圧力が大きく上昇することなる。
このため、図５に示す従来の燃料改質装置では、改質器２１に投入された改質水が蒸発することによる生じる圧力上昇を抑制するため、図６の弁操作チャート図のＢ点において、電磁弁Ｖ１を開弁すると共に電磁弁Ｖ４を開弁して第２バイパス配管Ｌ４を通じて、燃料改質装置内のガスを燃焼器２４に導入し、電磁弁Ｖ１を一旦閉止した後も電磁弁Ｖ４を開放していた。

しかしながら、改質器２１に改質水を供給し始めた時点では、改質触媒温度は安定しておらず、電磁弁Ｖ４を開放すると、改質水が蒸発と凝縮を繰り返すことにより生じる圧力変動によって燃焼器２４の燃焼中のバーナ火炎が吹き消されたり、バーナ火炎の状態が不安定になり易かった。更には、燃焼器２４に供給される燃焼用空気流量や燃焼用燃料ガス流量を一定に保てなくなり、不完全燃焼に陥って、大量の一酸化炭素が燃焼排ガス中に生じる恐れがあった。

したがって、本発明の目的は、起動工程時における燃焼器のバーナ火炎の状態を安定させ、燃焼器での燃焼用燃料の燃焼状態を安定化できる燃料改質装置の起動方法及び燃料改質装置、並びに、該燃料改質装置を備えた燃料電池発電装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の燃料改質装置の起動方法の第１は、原燃料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質器を少なくとも有する反応器と前記改質器に燃焼熱を供給する燃焼器とを備える燃料改質装置の起動方法であって、
前記燃焼器の燃焼開始から前記燃料改質装置外へ前記水素含有ガスを供給開始するまでの起動工程において、前記改質器に改質水を導入後、前記改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度未満の期間は、前記燃料改質装置の反応器から吐出されるガスをオリフィスを設けた流路を通して前記燃焼器に導入することを特徴とする。

本発明の燃料改質装置の起動方法の第１によれば、燃料改質装置内の圧力が突発的に変動しても、燃料改質装置の反応器から吐出されるガスの流速がオリフィスによって低減され、ほぼ一定の流速で燃焼器に導入される。このため、燃焼器内のバーナ炎が不安定になりにくく、燃焼用燃料の燃焼状態が安定して不完全燃焼による一酸化炭素の発生量を低減できるので、安全に起動操作を継続できる。

本発明の燃料改質装置の運転方法の第１は、前記起動工程において、前記改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度を超えたら、前記燃料改質装置の反応器から吐出されるガスを、オリフィスを設けていない流路に切り替えて前記燃焼器に導入することが好ましい。改質器の触媒層の温度が高まると燃料改質装置内の圧力が安定するので圧力変動が小さくなるので、オリフィスにより流速を低減させなくとも、燃料改質装置の反応器から吐出されるガスがほぼ一定の流速で燃焼器に導入できる。このため、改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度を超えたら、燃料改質装置の反応器から吐出されるガスを、オリフィスを設けていない流路に切り替えて燃焼器に導入することで、前記ガスを燃焼器に導入する時の圧損抵抗を低減でき、ポンプなどの送出能力を抑えることができるので、運転コストをより低減できる。

また、本発明の燃料改質装置の起動方法の第２は、原燃料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質器を少なくとも有する反応器と前記改質器に燃焼熱を供給する燃焼器とを備える燃料改質装置の起動方法であって、
前記燃焼器の燃焼開始から前記燃料改質装置外へ前記水素含有ガスを供給開始するまでの起動工程において、前記燃料改質装置の反応器から吐出されるガスを、流量調整弁を設けた流路を通して前記燃焼器に導入すると共に、前記改質器に改質水を導入後、前記改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度未満の期間は、前記流量調整弁の開度を小さくし、前記改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度を超えたら、前記流量調整弁の開度を大きくすることを特徴とする。

本発明の燃料改質装置の起動方法の第２によれば、起動工程において、改質器の触媒層の温度が前記のあらかじめ定めた温度未満の期間は、燃料改質装置の反応器から吐出されるガスを、開度を小さくした流量調整弁を通じて緩やかに燃焼器に導入されるので、燃料改質装置内の圧力が突発的に変動しても、ほぼ一定の流速で緩やかに前記ガスを燃焼器に導入できる。このため、燃焼器内のバーナ炎が不安定になりにくく、燃焼用燃料の燃焼状態が安定して不完全燃焼による一酸化炭素の発生量を低減できるので、安全に起動操作を継続できる。また、燃料改質装置の触媒層の温度が高まると燃料改質装置内の圧力が安定するので、改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度を超えたら流量調整弁の開度を大きくすることで、前記ガスを燃焼器に導入する時の圧損抵抗を低減でき、ポンプなどの送出能力を抑えることができるので、運転コストを低減できる。

一方、本発明の燃料改質装置の第１は、原燃料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質器を少なくとも有する反応器と、前記改質器に燃焼熱を供給する燃焼器とを備える燃料改質装置であって、
前記燃料改質装置の水素含有ガス出口と前記水素含有ガスが供給される設備とを接続する、第１開閉弁が配置された水素含有ガス供給流路と、
前記燃料改質装置の水素含有ガス出口と前記燃焼器とを接続する、第２開閉弁及びオリフィスが配置された第１バイパス流路と、
前記燃料改質装置の水素含有ガス出口と前記燃焼器とを接続する、第３開閉弁が配置された第２バイパス流路と、
前記第１開閉弁及び第２開閉弁、第３開閉弁の開閉を少なくとも制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記燃焼器の燃焼開始後、前記第１開閉弁を開いて前記設備へ前記水素含有ガスを供給開始するまでの起動工程において、前記改質器に改質水を導入後、前記改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度未満の期間は、前記第２開閉弁を開き、かつ、前記第３開閉弁を閉じ、前記改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度を超えたら、前記第３開閉弁を開き、かつ、第２開閉弁を閉じるように制御することを特徴とする。

本発明の燃料改質装置の第１によれば、起動工程時に燃料改質装置内の圧力が突発的に変動しても、燃料改質装置の反応器から吐出されるガスの流速がオリフィスによって低減されるので、ほぼ一定の流速で燃焼器に導入される。このため、起動工程時に燃焼器内のバーナ炎が不安定になりにくく、燃焼用燃料の燃焼状態が安定して不完全燃焼による一酸化炭素の発生量を低減できるので、安全に起動操作を継続できる。

本発明の燃料改質装置の第１は、前記オリフィスのオリフィス径が、設置流路の配管内径の１０％以下であることが好ましい。この態様によれば、起動工程時に燃料改質装置内の圧力が突発的に変動しても、燃料改質装置の反応器から吐出されるガスの流速がオリフィスによって十分低減されるので、燃料改質装置から吐出されるガスをほぼ一定の流速で燃焼器に導入し続けることができ、燃焼器のバーナ火炎の状態を安定させて、燃焼器での燃焼用燃料の燃焼状態をより安定化できる。

また、本発明の燃料改質装置の第２は、原燃料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質器を少なくとも有する反応器と、前記改質器に燃焼熱を供給する燃焼器とを備える燃料改質装置であって、
前記燃料改質装置の水素含有ガス出口と前記水素含有ガスが供給される設備とを接続する、第１開閉弁が配置された水素含有ガス供給流路と、
前記燃料改質装置の水素含有ガス出口と前記燃焼器とを接続する、第２開閉弁及び流量調整弁が配置されたバイパス流路と、
前記第１開閉弁及び第２開閉弁の開閉、前記流量調整弁の開度を少なくとも制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記燃焼器の燃焼開始後、前記第１開閉弁を開いて前記設備へ前記水素含有ガスを供給開始するまでの起動工程において、前記第２開閉弁を開くように制御すると共に、前記改質器に改質水を導入後、前記改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度未満の期間は、前記流量調整弁の開度を小さくし、前記改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度を超えたら、前記流量調整弁の開度を大きくするように制御することを特徴とする。

この態様によっても、第１の燃料改質装置と同様に、起動工程時に燃料改質装置内の圧力が突発的に変動しても、燃料改質装置の反応器から吐出されるガスの流速を流量調整弁によって低減させてほぼ一定速度で燃焼器に導入できるので、燃焼器内のバーナ炎が不安定になりにくく、燃焼用燃料の燃焼状態が安定して不完全燃焼による一酸化炭素の発生量を低減でき、安全に起動操作を継続できる。また、この態様では、第１の燃料改質装置に比べて弁体や配管などの部品点数を低減できるので、装置コストをより低減できる。

本発明の燃料改質装置の第２は、前記改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度未満の時、前記流量調整弁の開度が、設置流路の配管内径の１０%以下となるように制御することが好ましい。この態様によれば、起動工程時に燃料改質装置内の圧力が突発的に変動しても、燃料改質装置の反応器から吐出されるガスの流速を流量調整弁によって十分低減できるので、燃料改質装置から吐出される改質ガスを、ほぼ一定の流速で燃焼器に導入し続けることができ、より安全に起動操作を継続できる。

一方、本発明の燃料電池発電装置は、上記燃料改質装置と、燃料電池本体とを備え、前記燃料改質装置の水素含有ガス出口と、前記燃料電池本体とが、前記燃料改質装置の第１開閉弁が配置された水素含有ガス供給流路によって接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、燃料改質装置の起動工程時において、燃料改質装置内が突発的に圧力変動しても、燃料改質装置の反応器から吐出されるガスをほぼ一定の流速で燃焼器に導入できるので、燃焼器での燃焼用燃料の不完全燃焼を抑制でき、一酸化炭素の発生量を低減して、安全に起動操作を継続できる。

本発明の燃料電池発電装置の第１の実施形態の概略構成図である。 同燃料電池発電装置の制御装置による弁操作チャート図である。 本発明の燃料電池発電装置の第２の実施形態の概略構成図である。 同燃料電池発電装置の制御装置による弁操作チャート図である。 比較例の燃料電池発電装置の概略構成図である。 同燃料電池発電装置の制御装置による弁操作チャート図である。 実施例の起動操作を行った時の、燃焼排ガスのＣＯ濃度、改質器２１の改質触媒温度、燃焼器２４の火炎温度の経時変化を記す図表である。 比較例の起動操作を行った時の、燃焼排ガスのＣＯ濃度、改質器２１の改質触媒温度、燃焼器２４の火炎温度の経時変化を記す図表である。

以下、本発明について、図面を参照して更に詳細に説明する。図１には、本発明の燃料改質装置を備えた、燃料電池発電装置の第１の実施形態が示されている。

この燃料電池発電装置１０は、燃料改質装置２０と、燃料電池本体４０とで主に構成されている。

この実施形態において燃料改質装置２０は、改質器２１と、ＣＯ変成器２２と、ＣＯ除去器２３と、燃焼器２４とで主に構成されており、改質器２１と、ＣＯ変成器２２と、ＣＯ除去器２３が本発明における反応器を構成している。

改質器２１は、ナフサ、天然ガス、石炭ガス、アルコール類等の炭化水素類の原燃料から、水蒸気改質反応により、水素を主体とした改質ガスを生成させる反応器である。この改質器２１には、改質触媒の充填された改質触媒層を加熱して、改質反応を行うための熱を供給する燃焼器２４が連設されている。

改質器２１の改質原料の投入側は、改質原料源から伸びた配管Ｌ１が接続しており、改質器２１に炭化水素などの原燃料と、改質水とを供給できるように構成されている。配管Ｌ１には電磁弁Ｖ１が配置されている。

改質器２１の下流側には、ＣＯ変成器２２及びＣＯ除去器２３が配置されている。ＣＯ変成器２２は、改質ガスに含まれるＣＯを水蒸気と反応させて、水素とＣＯ_２に変成（水性ガスシフト反応；発熱反応）し、改質ガス中の不純物濃度を低減して精製処理する反応器である。また、ＣＯ除去器２３は、改質ガスに含まれるＣＯを選択的に酸化（選択酸化反応；発熱反応）させてＣＯ_２とする反応器である。

本発明の燃料改質装置２０は、反応器として少なくとも改質器２１を備えていれば良く、適用される燃料電池本体４０の種類や、改質器２１に供給される原燃料の種類や、改質器２１に充填された触媒の種類や、要求される精製改質ガスの純度等に応じて、改質器２１以外の反応器は適宜選択できる。また、この実施形態では、ＣＯ変成器２２とＣＯ除去器２３とを併用しているが、ＣＯ変成器２２のみであってもよい場合がある。また、ＣＯ変成器２２、ＣＯ除去器２３以外の反応器を用いてもよく、ＣＯ変成器２２及び／又はＣＯ除去器２３と、それ以外の反応器とを組み合わせて用いてもよい。また、ＣＯ除去器２３は、ＣＯと空気中の酸素を選択的に反応させてＣＯ濃度を低減する選択酸化反応を用いる反応器以外に、ＣＯと水素を反応させてメタン化させることでＣＯ濃度を低減するメタネーション反応を用いる反応器であってもよい。

燃料改質装置２０の下流には、燃料電池本体４０が配置されている。燃料電池本体４０は、電解質層４１と、この両側に配置されたアノード電極４２及びカソード電極４３とで主に構成されている。

燃料電池本体４０の改質ガス供給側は、ＣＯ除去器２３から伸びた配管Ｌ２が接続している。この配管Ｌ２には、電磁弁Ｖ２が途中に配置されている。また、配管Ｌ２の電磁弁Ｖ２より上流側は分岐し、電磁弁Ｖ３及びオリフィス２５が配置された、燃焼器２４に接続する第１バイパス配管Ｌ３と、電磁弁Ｖ４が配置された、燃焼器２４に接続する第２バイパス配管Ｌ４に接続している。オリフィス２５のオリフィス径は、設計流路の配管内径（この実施形態では、第１バイパス配管Ｌ３および第２バイパス配管Ｌ４の配管内径）の１０％以下であることが好ましい。
さらに燃料電池本体４０の改質ガス排出側と燃焼器２４とは、アノードオフガス供給配管Ｌ５により接続されている。
上記電磁弁Ｖ１〜Ｖ４の開閉は、制御装置５０により制御される。

次に、この燃料電池発電装置の運転方法について説明する。

この燃料電池発電装置１０は、電力需要量に応じて起動・停止が繰り返される。運転中は、カソード電極４３に空気などの酸素を含む酸化剤ガスを供給する。また、燃焼器２４のバーナ炎を点火状態とし、配管Ｌ１から改質器２１に都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素と、改質水とを供給する。

改質器２１では、改質原料である炭化水素を水蒸気改質して、水素に富む改質ガスを生成させる。なお、改質反応は吸熱反応であることから、点火状態の燃焼器２４に、炭化水素や、改質ガスや、アノードオフガスなどの燃焼用燃料を供給し、これらを燃焼して改質器２１を加熱する。そして、改質器２１で生成された改質ガスは、ＣＯ変成器２２にてＣＯ濃度を１％以下程度まで低減し、次いでＣＯ除去器２３にてＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下まで低減したのち、配管Ｌ２から、アノード電極４２へと供給される。

燃料電池本体４０では、アノード電極４２に供給された改質ガス中の水素と、カソード電極４３に供給された酸化剤ガス中の酸素とを、電解質層４１の界面で電気化学反応させて発電し、図示しないインバータユニットなどで所定電圧の交流電力に変換して電力系統に供給する。アノード電極４２から吐出されるアノードオフガスは、アノードオフガス供給配管Ｌ５を通って燃焼器２４に供給され、燃焼用燃料として利用される。

次に、燃料電池発電装置１０の燃料電池本体４０の発電開始に先立って行われる燃料改質装置の起動工程について、図２の制御装置５０による弁操作のチャート図を併せて参照して説明する。

図２に示すように、燃料改質装置２０の停止中は、電磁弁Ｖ１〜Ｖ４が閉じられており、燃料改質装置２０のプロセス系統内（改質器２１、ＣＯ変成器２２、ＣＯ除去器２３及びこれらを接続する配管内）は、原燃料ガスで封止されている。

燃料改質装置２０の起動工程開始時（図２のＡ点）には、まず燃焼器２４内のバーナ炎を点火し、燃焼器２４に燃焼用燃料と燃焼用空気とを供給してこれらを燃焼して、改質器２１、ＣＯ変成器２２及びＣＯ除去器２３を加熱する。このとき、電磁弁Ｖ１〜Ｖ４は閉じており、燃料改質装置２０のプロセス系統内は原燃料が充填されて封止された状態となっている。

燃焼器２４で燃焼用燃料を燃焼して改質器２１を加熱し、改質器２１に充填されている改質触媒層のうち最も高温となる出口側の計測温度（以下、改質触媒温度という）が改質水供給温度Ｔ０に達したら（図２のＢ点）、電磁弁Ｖ１を開放し、改質器２１に原燃料と改質水、あるいは改質水を供給する。そして、炭素析出を抑制できる量の改質水を改質器２１に供給した後、電磁弁Ｖ１を閉止する。改質水供給温度Ｔ０は、改質器２１の改質触媒層において、水蒸気が無い状態で炭化水素が熱分解して炭素を析出させる温度未満となるように設定する必要があり、好ましくは３００〜４００℃である。

ここで、改質器２１に改質水を供給すると、改質器２１に投入された改質水が温度上昇により蒸発し圧力が高まるのでこの圧力を逃す必要がある。しかし、この時点では燃料改質装置２０内の温度が安定していないため、電磁弁Ｖ４を開放すると、改質水が蒸発と凝縮を繰り返すことにより生じる圧力変動が、燃焼器２４に悪影響を及ぼす。

そこで、これらの高まった圧力を開放するとともに、プロセス系内に生じる圧力変動の悪影響を低減するため、本実施例では、電磁弁Ｖ１の開放と同時に電磁弁Ｖ３を開放して、オリフィス２５の配置された第１バイパス配管Ｌ３を通じて反応器内のガスを燃焼器２４に導入し、電磁弁Ｖ１を一旦閉止した後も電磁弁Ｖ３を開放したままで、改質器２１の改質触媒層温度が改質開始温度Ｔ１（Ｔ１は好ましくは５５０〜６５０℃）に到達するまで昇温を続行させる。上記操作を行うことで、反応器内のガスは、オリフィス２５のオリフィス孔を通じて緩やかに燃焼器２４へ逃がされるともに、突発的な圧力変動による衝撃流がオリフィス２５により阻止されるため、燃焼器２４内のバーナ炎が不安定になりにくく安定な状態を維持できるので、一酸化炭素の発生量を低減でき、安全に起動操作を継続できる。

そして、改質触媒温度が改質開始温度Ｔ１に達したら（図２のＣ点）電磁弁Ｖ３を閉止し、電磁弁Ｖ１，Ｖ４を開放して、改質器２１に原燃料と改質水を供給して改質反応を行いながら改質器２１を昇温させる。改質触媒温度が改質開始温度Ｔ１に達すれば、燃料改質装置の反応器内の温度がほぼ安定するので、圧力変動はほとんど生じなくなり、オリフィスを通じなくても、ほぼ一定の流速で燃焼器２４に改質ガスを供給できる。このため、改質触媒温度が改質開始温度Ｔ１に達したら、オリフィス２５の配置されていない第１バイパス配管Ｌ３よりも圧損抵抗が小さい第２バイパス配管Ｌ４から燃焼器２４に改質ガスを導入する。

そして、改質触媒温度が定常改質運転開始温度Ｔ２（Ｔ２は好ましくは６００〜７００℃。ただし、Ｔ２＞Ｔ１＞Ｔ０である）に達したら（図２のＤ点）、本起動工程は終了となる。そして、電磁弁Ｖ２を開放して燃料電池本体４０へ改質ガスを導入して、燃料電池本体４０の発電を開始する。燃料電池本体４０のアノード電極４２で発電に寄与せずに排出される未利用のアノードオフガスはアノードオフガス供給配管Ｌ５から燃焼器２４に導入して燃焼用燃料として用いる。ただし、燃料電池本体４０への改質ガス供給開始から、未利用のアノードオフガスが燃焼器２４に到達するまでには時間遅れがあり、電磁弁Ｖ２を開くと同時に電磁弁Ｖ４を閉止すると燃焼器２４が失火する恐れがあるため、電磁弁Ｖ２を開いた後、前記の時間遅れを見込んだ時間の経過後、電磁弁Ｖ４を閉止する。

本発明の燃料改質装置を備えた燃料電池発電装置の第２の実施形態について、図３，４を参照して説明する。図３は、本発明の燃料電池発電装置の第２の実施形態の概略構成図であり、図４は、同燃料電池発電装置の制御装置５０’による弁操作チャート図である。

この実施形態では、第２バイパス配管Ｌ４がなく、第１バイパス配管Ｌ３に流量調整弁２６が配置されている点で、上記第一の実施形態と相違する。そして、電磁弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉制御、及び流量調整弁２６の開度制御は、制御装置５０’で行われる。流量調整弁２６としては、特に限定はなく、オリフィス孔の孔径が変動可能な流量可変型オリフィス等が一例として挙げられる。

この実施形態では、燃料改質装置２０の起動工程開始時（図４のＡ点）には、まず燃焼器２４内のバーナ炎を点火し、燃焼器２４に燃焼用燃料と燃焼用空気とを供給してこれらを燃焼して、改質器２１、ＣＯ変成器２２及びＣＯ除去器２３を加熱する。このとき、電磁弁Ｖ１〜Ｖ３は閉じており、燃料改質装置２０のプロセス系統内は、原燃料が充填された状態で封止されている。

改質器２１の改質触媒温度が改質水供給温度Ｔ０（Ｔ０は好ましくは３００〜４００℃）に達したら（図４のＢ点）、電磁弁Ｖ１を開放し、改質器２１に原燃料と改質水、あるいは改質水を供給する。そして、炭素析出を抑制できる量の改質水を改質器２１に供給した後、電磁弁Ｖ１を閉止する。

ここで、上述したように、改質器２１に改質水を供給することにより生じる圧力の開放と、プロセス系内に生じる圧力変動の悪影響を低減するため、本実施例では、電磁弁Ｖ１を開放と同時に、流量調整弁２６の開度を小さくした状態で電磁弁Ｖ３を開放し、電磁弁Ｖ１を閉止した後も、流量調整弁２６の開度および電磁弁Ｖ３はこの状態を維持したままで、改質器２１の改質触媒層温度が改質開始温度Ｔ１（Ｔ１は好ましくは５５０〜６５０℃。）に到達するまで昇温を続行させる。上記操作を行うことで、反応器内のガスを、開度を小さくした流量調整弁２６を通じて緩やかに燃焼器２４へ逃がして、突発的な圧力変動による衝撃流の発生を抑制させる。この工程における流量調整弁２６の開度は、設計流路の配管内径（この実施形態では、第１バイパス配管Ｌ３の配管内径）の１０％以下であることが好ましい。

そして、改質触媒温度が改質開始温度Ｔ１に達したら（図４のＣ点）、流量調整弁２６の開度を大きくすると共に、電磁弁Ｖ１を開放して改質器２１に原燃料と改質水を供給して改質反応を行いながら改質器２１を昇温させる。改質触媒温度が改質開始温度Ｔ１に達すれば、反応器内の温度が安定するので、圧力変動が生じなくなり、流量調整弁２６により圧力変動を吸収しなくてもほぼ一定の流速で燃焼器２４に改質ガスを供給できる。このため、燃焼器２４に改質ガスを供給する際における圧損抵抗をより小さくでき、送出エネルギーを低減できる。改質昇温工程時における流量調整弁２６の開度は、起動昇温工程時における流量調整弁２６の開度の１０倍以上となるように制御することが好ましい。

そして、改質触媒温度が定常改質運転開始温度Ｔ２（Ｔ２は好ましくは６００〜７００℃。ただし、Ｔ２＞Ｔ１＞Ｔ０である）に達したら（図４のＤ点）、本起起動工程は終了となり、電磁弁Ｖ２を開放して燃料電池本体４０へ改質ガスを導入して、燃料電池本体４０の発電を開始する。燃料電池本体４０のアノード電極４２で発電に寄与せずに排出される未利用のアノードオフガスはアノードオフガス供給配管Ｌ５から燃焼器２４に導入して燃焼用燃料として用いる。ただし、燃料電池本体への改質ガス供給開始から、未利用のアノードオフガスが燃焼器２４に到達するまでには時間遅れがあり、電磁弁Ｖ２を開くと同時に電磁弁Ｖ３を閉止すると燃焼器２４が失火する恐れがあるため、電磁弁Ｖ２を開いた後、前記の時間遅れを見込んだ時間の経過後、電磁弁Ｖ３を閉止する。

また、この実施形態では、配管や電磁弁の部品点数を削減できるので、より小型化が可能で、かつ、装置コストをより低減できる。

なお、以上の実施形態では、燃料改質装置で生成された改質ガスの供給設備として、燃料電池本体を用いた燃料電池発電装置を例にあげて説明したが、本発明の燃料改質装置で生成された改質ガスの供給設備としては、燃料電池本体以外の設備を採用することもできる。

（実施例）
図１に示す燃料電池発電装置を用いて起動操作を行った。オフィリス２５としては、オフィリス径０．３ｍｍのものを使用した。第１バイパス配管Ｌ３、第２バイパス配管Ｌ４は、内径が４ｍｍのものを使用した。
まず燃焼器２４内のバーナ炎を点火し、燃焼器２４に燃焼用燃料と燃焼用空気とを供給してこれらを燃焼して、改質器２１、ＣＯ変成器２２及びＣＯ除去器２３を加熱した。そして、改質器２１に充填されている改質触媒層のうち最も高温となる出口側の計測温度が３００℃を超えたら、電磁弁Ｖ１，Ｖ３を開放し、改質器２１に改質水と原燃料を供給した。電磁弁Ｖ１は、改質器２１に改質水と原燃料を一定量導入したら閉止し、電磁弁Ｖ３は電磁弁Ｖ１を閉止した後も開放し続け、オリフィス２５の配置された第１バイパス配管Ｌ３を通じて、燃料改質装置内のガスを燃焼器２４に導入して、燃料改質装置２０内のガスを逃しながら改質器２１の改質触媒層温度が５９０℃に到達するまでこの状態で起動昇温工程を続行させた。そして、改質触媒温度が５９０℃に達したら、電磁弁Ｖ３を閉止し、電磁弁Ｖ１，Ｖ４を開放して、改質器２１に原燃料と改質水を供給して改質昇温工程を行い、改質触媒温度が６５０℃に達したら起動操作を終了した。

図７に、このようにして起動操作を行った時の、燃焼排ガスのＣＯ濃度、改質器２１の改質触媒温度、燃焼器２４の火炎温度の経時変化を記す。
図７に示すように、改質器２１に原燃料と改質水とを供給した後も燃焼器の火炎温度が安定しており、燃焼器２４では燃焼用燃料がほぼ完全燃焼していて、一酸化炭素がほとんど発生しなかった。このため、燃焼排ガス中のＣＯ濃度は極めて低かった。

（比較例）
図５に示す燃料電池発電装置を用い、実施例において電磁弁Ｖ３を開放する期間も、電磁弁Ｖ４を開放する以外は、実施例と同様の操作にて起動操作を行った。第１バイパス配管Ｌ３、第２バイパス配管Ｌ４は、内径が４ｍｍのものを使用した。

図８に、このようにして起動操作を行った時の、燃焼排ガスのＣＯ濃度、改質器２１の改質触媒温度、燃焼器２４の火炎温度の経時変化を記す。
図８に示すように、改質器２１に原燃料と改質水とを供給した後は、燃焼器の火炎温度が安定せず、燃焼用燃料の不完全燃焼が生じ、多量の一酸化炭素が発生した。また、改質器２１の改質触媒温度の昇温効率が悪く、起動操作に時間を要した。

１０：燃料電池発電装置
２０：燃料改質装置
２１：改質器
２２：ＣＯ変成器
２３：ＣＯ除去器
２４：燃焼器
２５：オリフィス
２６：流量調整弁
３０：燃焼器
４０：燃料電池本体
４１：電解質層
４２：アノード電極
４３：カソード電極
５０，５０’，５０''：制御装置

Claims (8)

1. 原燃料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質器を少なくとも有する反応器と前記改質器に燃焼熱を供給する燃焼器とを備える燃料改質装置の起動方法であって、
   前記燃焼器の燃焼開始から前記燃料改質装置外へ前記水素含有ガスを供給開始するまでの起動工程において、前記改質器に改質水を導入後、前記改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度未満の期間は、前記燃料改質装置の反応器から吐出されるガスをオリフィスを設けた流路を通して前記燃焼器に導入することを特徴とする燃料改質装置の起動方法。
2. 前記起動工程において、前記改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度を超えたら、前記燃料改質装置の反応器から吐出されるガスを、オリフィスを設けていない流路に切り替えて前記燃焼器に導入する、請求項１に記載の燃料改質装置の起動方法。
3. 原燃料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質器を少なくとも有する反応器と前記改質器に燃焼熱を供給する燃焼器とを備える燃料改質装置の起動方法であって、
   前記燃焼器の燃焼開始から前記燃料改質装置外へ前記水素含有ガスを供給開始するまでの起動工程において、前記燃料改質装置の反応器から吐出されるガスを、流量調整弁を設けた流路を通して前記燃焼器に導入すると共に、前記改質器に改質水を導入後、前記改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度未満の期間は、前記流量調整弁の開度を小さくし、前記改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度を超えたら、前記流量調整弁の開度を大きくすることを特徴とする燃料改質装置の起動方法。
4. 原燃料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質器を少なくとも有する反応器と、前記改質器に燃焼熱を供給する燃焼器とを備える燃料改質装置であって、
   前記燃料改質装置の水素含有ガス出口と前記水素含有ガスが供給される設備とを接続する、第１開閉弁が配置された水素含有ガス供給流路と、
   前記燃料改質装置の水素含有ガス出口と前記燃焼器とを接続する、第２開閉弁及びオリフィスが配置された第１バイパス流路と、
   前記燃料改質装置の水素含有ガス出口と前記燃焼器とを接続する、第３開閉弁が配置された第２バイパス流路と、
   前記第１開閉弁及び第２開閉弁、第３開閉弁の開閉を少なくとも制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記燃焼器の燃焼開始後、前記第１開閉弁を開いて前記設備へ前記水素含有ガスを供給開始するまでの起動工程において、前記改質器に改質水を導入後、前記改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度未満の期間は、前記第２開閉弁を開き、かつ、前記第３開閉弁を閉じ、前記改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度を超えたら、前記第３開閉弁を開き、かつ、第２開閉弁を閉じるように制御することを特徴とする燃料改質装置。
5. 前記オリフィスのオリフィス径が、設置流路の配管内径の１０％以下である、請求項４に記載の燃料改質装置。
6. 原燃料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質器を少なくとも有する反応器と、前記改質器に燃焼熱を供給する燃焼器とを備える燃料改質装置であって、
   前記燃料改質装置の水素含有ガス出口と前記水素含有ガスが供給される設備とを接続する、第１開閉弁が配置された水素含有ガス供給流路と、
   前記燃料改質装置の水素含有ガス出口と前記燃焼器とを接続する、第２開閉弁及び流量調整弁が配置されたバイパス流路と、
   前記第１開閉弁及び第２開閉弁の開閉、前記流量調整弁の開度を少なくとも制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記燃焼器の燃焼開始後、前記第１開閉弁を開いて前記設備へ前記水素含有ガスを供給開始するまでの起動工程において、前記第２開閉弁を開くように制御すると共に、前記改質器に改質水を導入後、前記改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度未満の期間は、前記流量調整弁の開度を小さくし、前記改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度を超えたら、前記流量調整弁の開度を大きくするように制御することを特徴とする燃料改質装置。
7. 前記改質器の触媒層の温度があらかじめ定めた温度未満の時、前記流量調整弁の開度が、設置流路の配管内径の１０%以下となるように制御する、請求項６に記載の燃料改質装置。
8. 請求項４から７のいずれかに記載の燃料改質装置と、燃料電池本体とを備え、
   前記燃料改質装置の水素含有ガス出口と、前記燃料電池本体とが、前記燃料改質装置の第１開閉弁が配置された水素含有ガス供給流路によって接続されていることを特徴とする燃料電池発電装置。