JP2011032133A - 燃料製造装置及びその始動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、始動運転を短時間で行うことができ、しかも改質ガスに含まれる不純物ガスの割合を低減することができる燃料製造装置の始動方法を提供することにある。
【解決手段】本発明の燃料製造装置の始動方法は、改質器２３を暖機する第１始動バーナと、燃焼処理器２１を暖機する第２始動バーナと、第１始動バーナ及び第２始動バーナに始動用燃料を供給する一つの供給器と、を備える改質ガス製造装置の始動方法であって、供給器から始動用燃料を供給して第１始動バーナ及び第２始動バーナを始動する第１工程と、供給器からの始動用燃料の供給を停止する第２工程と、供給器からの始動用燃料の供給を再開する第３工程と、供給器からの始動用燃料の供給を停止すると共に、改質器２３に炭化水素系の原燃料を供給する第４工程と、を有することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料製造装置及びその始動方法に関する。

改質ガスは、例えばガソリンやメタノール等の炭化水素系の原燃料を改質器で水素リッチな燃料に改質したものであり、従来、燃料電池の燃料ガスとして使用されている。ところで、改質ガスを燃料ガスとして直接使用すると、改質ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）が燃料電池の電極の触媒毒となる。そのため、この改質利用の燃料製造装置は、改質ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）を除去するための反応器を、改質器の下流側に複数備えている。そして、これらの反応器は、燃料電池でその燃料ガスを利用する際には、既に各反応器温度が正常である必要がある。したがって、改質器を正常に機能する温度とする暖機は極めて重要である。
従来、反応器を予め暖機する方法としては、改質器にバーナを付設すると共に、このバーナに供給した改質ガスの燃焼熱で改質器を暖機することによりその下流側の反応器を間接的に暖機する方法が知られている。しかしながら、この方法で燃料製造装置を始動すると、反応器の暖機が完了するまでに長時間を要すると共に、暖機に長時間を要することでバーナで燃焼消費される改質ガス量が多くなる問題がある。
そこで、改質ラインに複数の始動用燃焼器を備える燃料製造装置（例えば、特許文献１参照）や、始動用電気ヒータを備える燃料製造装置（例えば、特許文献２及び３参照）が提案されている。
特許文献１の燃料製造装置は、改質器の前段に設けた始動用燃焼器で予熱した原燃料を改質器の後段に設けた中間燃焼器に噴霧する共に、始動用燃焼器から改質器を通って送られてきた燃焼ガス中の余剰空気で、噴霧した原燃料を燃焼し、この燃焼ガスによって更に後段に配置された機器を暖機するようになっている。
特許文献２の燃料製造装置は、ＣＯ除去触媒を含む触媒体の前段に配置した始動用電気ヒータに通電することでこの触媒体を暖機するようになっている。また、特許文献３の燃料製造装置は、始動用電気ヒータに通電することで、改質触媒部及び熱交換器を暖機するようになっている。
その結果、特許文献１乃至３の燃料製造装置によれば、複数設けられた始動用燃焼器や、通電で発熱する始動用電気ヒータで暖機することによって、始動運転時間を短縮することができる。

特開２０００−３２３１６３号公報 特開平１１−１３０４０５号公報 特開２００３−１９２３０６号公報

しかしながら、特許文献１の燃料製造装置は、始動用燃焼器を複数備えているので、燃焼に使用される原燃料が多く消費される。つまり、この燃料製造装置は、改質器にバーナを付設した前記燃料製造装置と同様に、暖機のための燃焼消費（消費エネルギ）が大きい点について改善されていない。
また、特許文献２及び３の燃料製造装置は、始動運転時間を短縮するために多くの電力を消費するので、消費エネルギが大きい点は改善されていない。
したがって、始動運転終了までの所要時間が短く、始動運転終了までの所要エネルギの低減を図ることができる燃料製造装置及びその始動方法が望まれている。

本発明の課題は、始動運転終了までの所要時間が短く、始動運転終了までの所要エネルギの低減を図ることができ、かつ暖機手段を極力小型で簡単なものにできる燃料製造装置及びその始動方法を提供することにある。

前記課題を解決した本発明は、炭化水素系の原燃料を改質反応させることで水素リッチな燃料とする改質部と、始動用燃料を供給されその反応熱により前記改質部を暖機する第１暖機部と、水素リッチな前記燃料を燃焼処理する燃焼処理部と、前記始動用燃料を供給されその反応熱により前記燃焼処理部を暖機する第２暖機部と、前記第１暖機部及び前記第２暖機部に前記始動用燃料を供給する一つの供給部と、を備える燃料製造装置の始動方法であって、前記供給部から前記始動用燃料を供給して前記第１暖機部及び前記第２暖機部を始動する第１工程と、前記供給部からの前記始動用燃料の供給を停止する第２工程と、前記供給部からの前記始動用燃料の供給を再開する第３工程と、前記供給部からの前記始動用燃料の供給を停止すると共に、前記改質部に前記原燃料を供給する第４工程と、を有することを特徴とする燃料製造装置の始動方法である。
この始動方法によれば、一つの供給部により始動用燃料が供給された第１暖機部と第２暖機部のそれぞれで燃焼処理部と改質部とが暖機され、次いで、原燃料を供給された改質部が原燃料の改質反応による発熱で暖機されるので、小型で簡単な暖機手段により始動運転を短時間で行うことができる。
また、この始動方法では、第１暖機部と第２暖機部のそれぞれで燃焼処理部と改質部とが暖機される第１工程に続いて、第２工程では供給部からの始動用燃料の供給を停止し、またその間に改質部の特に後段まで熱伝達を行っておくことができるので、始動用燃料を消費せずに始動運転までの所要エネルギの低減を図ることができると共に、短時間の始動を図ることができる。

また、このような始動方法においては、前記第１工程は、前記第１暖機部が前記始動用燃料を燃焼させた燃焼ガスを前記改質部に送出することで前記改質部を暖機し、前記改質部を通流した前記燃焼ガスを前記燃焼処理部に供給する構成であってもよい。
この始動方法によれば、改質部を通流した燃焼ガスに未燃焼の始動用燃料が含まれる場合に、燃焼処理部が未燃焼の始動用燃料を燃焼処理することができるので、上記に加え未燃焼の始動用燃料がそのまま大気中に放出されるのを防止することができる。

また、このような始動方法においては、前記改質部は、上流側から順に、改質器及びＣＯ除去器を備え、前記第２工程を、前記改質器の温度が予め設定した第１の所定値となった際に実施し、前記第３工程を、前記ＣＯ除去器の関連温度が予め設定した第２の所定値となった際に実施する構成であってもよい。
この始動方法によれば、改質部及びＣＯ除去器が効率よく動作する温度に第１の所定値及び第２の所定値を設定することで、より速やかで効率のよい始動運転を実現することができる。

また、このような始動方法においては、前記供給部は、前記始動用燃料に代えて掃気ガスを供給できるように構成されており、前記第２工程は、前記供給部からの前記始動用燃料の供給を止めた後に、前記供給部から前記掃気ガスを、前記第１暖機部を介して前記改質部に通流させる掃気工程を更に有し、前記掃気工程後に前記第３工程における前記供給部からの前記始動用燃料の供給を再開する工程を実施する構成であってもよい。
この始動方法によれば、掃気工程の実施が第１工程の実施後に行われることで、第１暖機部で暖機された改質部の上流側の熱が、掃気ガスによって改質部の下流側に送り込まれる。その結果、より速やかに暖機が行われて始動運転時間をより短縮することができる。

また、前記課題を解決した本発明は、改質ガスを生成する複数の触媒反応器からなる改質部を備える改質ガス製造装置の始動方法であって、暖機部により前記改質部の前段に位置する前記触媒反応器を暖機する暖機工程と、前記暖機工程後に前段の前記触媒反応器の熱を、前記改質部の後段の前記触媒反応器に送り込む掃気工程と、前記掃気工程後に前記暖機部により前段の前記触媒反応器を暖機する再暖機工程と、を有するように構成することができる。

また、以上のような始動方法を実現する改質ガス製造装置は、炭化水素系の原燃料を改質反応させることで水素リッチな燃料とする改質部と、始動用燃料を供給されその反応熱により前記改質部を暖機する第１暖機部と、水素リッチな前記燃料を燃焼処理する燃焼処理部と、前記始動用燃料が供給されその反応熱により前記燃焼処理部を暖機する第２暖機部と、前記第１暖機部及び前記第２暖機部に前記始動用燃料を供給する一つの供給部と、前記供給部から前記始動用燃料を供給して前記第１暖機部及び前記第２暖機部を始動する第１工程と、前記供給部からの前記始動用燃料の供給を停止する第２工程と、前記供給部からの前記始動用燃料の供給を再開する第３工程と、前記供給部からの前記始動用燃料の供給を停止すると共に、前記改質部に前記原燃料を供給する第４工程と、を順番に実行する制御部と、を備えるように構成することができる。

本発明によれば、始動運転終了までの所要時間が短く、始動運転終了までの所要エネルギの低減を図ることができ、かつ暖機手段を極力小型で簡単なものにできる燃料製造装置及びその始動方法を提供することができる。

本実施形態に係る改質ガス製造装置の構成説明図である。 本実施形態に係る改質ガス製造装置を制御する際のタイムチャートである。 本実施形態に係る改質ガス製造装置における動作を示すフローチャートである。 本実施形態に係る改質ガス製造装置の始動運転中における改質器、燃焼処理器及び第２ＣＯ選択酸化器の温度変化と、改質ガス製造装置で製造される改質ガス中の一酸化炭素濃度の変化とを示すタイムチャートである。 参考例の改質ガス製造装置における動作を示すフローチャートである。 参考例の改質ガス製造装置の始動運転中における改質器、燃焼処理器及び第２ＣＯ選択酸化器の温度変化と、改質ガス製造装置で製造される改質ガス中の一酸化炭素濃度の変化とを示すタイムチャートである。 （ａ）は、始動運転終了までの所要時間について参考例の改質ガス製造装置と本実施形態に係る改質ガス製造装置（実施例）とを比較して示すグラフ、（ｂ）は、始動運転終了までの所要エネルギについて参考例の改質ガス製造装置と本実施形態に係る改質ガス製造装置（実施例）とを比較して示すグラフである。

以下、本発明に係る実施形態について適宜図を参照して説明する。本実施形態に係る燃料製造装置は、水素の供給を必要とする様々なシステムに使用することができ、特に燃料電池の燃料ガス供給源として好適に使用することができる。なお、燃料電池としては、例えば定置式の燃料電池、自動車、船舶、航空機等の乗物用の燃料電池等が挙げられる。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料製造装置としての改質ガス製造装置１は、改質部２２、燃焼処理器２１、第１始動バーナ１１ａ、第２始動バーナ１１ｂ、供給器１０、及び制御部５０を備えている。
なお、燃焼処理器２１は、特許請求の範囲にいう「燃焼処理部」に相当し、第１始動バーナ１１ａは、特許請求の範囲にいう「第１暖機部」に相当し、第２始動バーナ１１ｂは、特許請求の範囲にいう「第２暖機部」に相当し、供給器１０は、特許請求の範囲にいう「供給部」に相当する。

改質部２２は、複数の触媒反応器で構成されており、燃料電池ＦＣに供給する改質ガスを生成する。改質部２２を構成する触媒反応器は、後記する蒸発器２１ｂを介して供給される炭化水素系の原燃料等の供給側（上流側）から、改質器２３、ＣＯ変成器２４、第１ＣＯ選択酸化器２５、第２ＣＯ選択酸化器２６の順番に並んで配置されている。
なお、ＣＯ変成器２４、第１ＣＯ選択酸化器２５、及び第２ＣＯ選択酸化器２６は、特許請求の範囲にいう「ＣＯ除去器」に相当する。

改質器２３は、ハニカム担体に改質触媒を担持して構成されており、この改質触媒の触媒作用により改質器２３内で炭化水素系の原燃料の部分酸化改質反応と水蒸気改質反応とが行われる。その結果、原燃料が水素リッチなガスに改質される。
炭化水素系の原燃料としては、例えば天然ガス、プロパン、ＬＰＧ、灯油、バイオエタノール、メタノール、ガソリン等が挙げられる。

部分酸化改質反応と水蒸気改質反応は、炭化水素系の原燃料、空気及び水が改質器２３内に導入されて行われる。
部分酸化改質反応は、例えば炭化水素系の原燃料としてメタン（ＣＨ_４）を使用した場合には（１）式のように進行し、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）を使用した場合には（２）式のように進行する。
ＣＨ_４＋Ｏ_２→２Ｈ_２＋ＣＯ_２（−３１９ｋＪ／ｍｏｌ）・・・（１）
ＣＨ_３ＯＨ＋１／２Ｏ_２→２Ｈ_２＋ＣＯ_２（−１９３ｋＪ／ｍｏｌ）・・・（２）

水蒸気改質反応は、例えば炭化水素系の原燃料としてメタン（ＣＨ_４）を使用した場合には（３）式のように進行し、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）を使用した場合には（４）式のように進行する。
ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２（＋１６５ｋＪ／ｍｏｌ）・・・（３）
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ_２（＋４９ｋＪ／ｍｏｌ）・・・（４）
なお、この改質ガスには、副反応により生じたＣＯ（一酸化炭素）が数％程度含まれている。この改質ガスは、次に説明するＣＯ変成器２４に導入される。

ＣＯ変成器２４は、例えばハニカム担体に白金系のＣＯ変成触媒を担持させて構成されており、このＣＯ変成触媒の作用によりＣＯ変成器２４の内部で（５）式に示すようなシフト反応が行われ、改質ガス中のＣＯが水素（Ｈ_２）と二酸化炭素（ＣＯ_２）に変成される。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２・・・（５）
このＣＯ変成器２４を通流した改質ガスは、第１ＣＯ選択酸化器２５、そして第２ＣＯ選択酸化器２６の順番に流通する。

第１ＣＯ選択酸化器２５は、例えばハニカム担体にＣＯを選択酸化する白金系のＣＯ除去触媒を備えて構成されており、第１ＣＯ選択酸化器２５には、図示しない供給ラインからＣＯ酸化用空気が供給される。第１ＣＯ選択酸化器２５では、ＣＯ除去触媒の触媒作用により、（６）式に示すような酸化反応が行われ、改質ガス中に微量に残留するＣＯがＣＯ_２に酸化される。
ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２・・・（６）

第２ＣＯ選択酸化器２６は、第１ＣＯ選択酸化器２５と同様に構成されており、導入するＣＯ濃度及び送出するＣＯ濃度の目標値のみが第１ＣＯ選択酸化器２５と異なっている。

第２ＣＯ選択酸化器２６から送出される改質ガスは、始動運転終了後には燃料電池ＦＣとの間に設けられた配管Ｐ１を介して燃料電池ＦＣのアノードに供給される。そして、燃料電池ＦＣは、アノードに供給された改質ガスに含まれる水素と、カソードに供給される空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。ちなみに、燃料電池ＦＣから排出される燃料オフガス（改質ガス）は、配管Ｐ２を介して後記する燃焼処理器２１に導入される。

また、始動運転終了前に第２ＣＯ選択酸化器２６から送出される改質ガスは、ＣＯや炭化水素系の原燃料を含む恐れがある不安定な組成となるので本実施形態では改質部２２の始動運転に必要な熱源として利用される。つまり、この改質ガスは、配管Ｐ１の途中に設けられた切替弁３３及びバイパス配管Ｐ３を介して次に説明する燃焼処理器２１に導入される。

燃焼処理器２１は、内部に触媒燃焼部２１ａと蒸発器２１ｂとを備えている。
触媒燃焼部２１ａは、組成が不安定な前記改質ガスや、燃料電池ＦＣから排出される燃料オフガス（改質ガス）等が導入された際にこれらを触媒の存在下に燃焼処理するように構成されている。また、触媒燃焼部２１ａは、後記するように、改質部２２の暖機に使用された第１始動バーナ１１ａからの燃焼ガス、及び燃焼処理器２１の暖機に使用された第２始動バーナ１１ｂからの燃焼ガスが導入された際に、この燃焼ガスに含まれる未燃焼の始動用燃料を燃焼処理するように構成されている。なお、触媒燃焼部２１ａで燃焼処理された改質ガス等は二酸化炭素及び水となって大気中へ放出される。

蒸発器２１ｂは、弁３２を介して供給される炭化水素系の原燃料、空気及び水を加熱することによってこれらを混合ガス化し、この混合ガスを改質器２３に送出するように構成されている。蒸発器２１ｂでの加熱には、触媒燃焼部２１ａにおける燃焼熱が使用される。

第１始動バーナ１１ａは、始動用燃料を燃焼させた燃焼ガスを、改質部２２に通流させることで改質部２２を暖機するものである。この第１始動バーナ１１ａは、後記するタイミングで始動用燃料が供給されると自動着火するようになっている。

第２始動バーナ１１ｂは、始動用燃料を燃焼させた燃焼ガスを、燃焼処理器２１の触媒燃焼部２１ａに通流させることで、燃焼処理器２１を暖機するものである。この第２始動バーナ１１ｂは、第１始動バーナ１１ａと同期したタイミングで始動用燃料が供給されて自動着火するようになっている。

供給器１０は、第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂに始動用燃料を供給するものであり、一つの供給器１０が弁３１ａを介して第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂの両方に始動用燃料を供給するようになっている。
始動用燃料としては、公知の可燃性燃料であれば特に制限はなく、例えば、Ｈ_２、天然ガス、プロパン、ＬＰＧ等が挙げられる。

また、供給器１０は、第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂに掃気用の空気を供給できるようにもなっており、一つの供給器１０が弁３１ｂを介して第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂの両方に掃気用の空気を供給できるようになっている。なお、ここでの掃気用の空気は、特許請求の範囲にいう「掃気ガス」に相当する。そして、本実施形態では、空気を供給する供給器１０としてブロア等の掃気手段を想定しているが、本発明での掃気ガスは、第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂが送り込んだ前記の始動用燃料を含むガスを掃気するガスであればよい。つまり、本実施形態での掃気ガス（パージガスともいう）は、現在のガスを下流に排出させて替わりに入れるガスであれば、空気に限定されずに、窒素等の不活性ガスであってもよい。また、掃気ガスの供給器１０は、掃気ガスを充填したボンベであってもよい。

制御部５０は、第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂのオンオフのタイミング、弁３１ａ，３１ｂ，３２の開閉のタイミング等を後記する手順で制御するものであり、この制御によって燃焼処理器２１及び改質部２２を効率よく暖機するようになっている。この制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成されている。
なお、図１中、符号Ｔ１、Ｔ２及びＴ３は、後記する温度センサを示している。

次に、改質ガス製造装置１の動作について説明すると共に、改質ガス製造装置１の始動方法について説明する。ここで参照する図２は、制御部が改質ガス製造装置を制御する際のタイムチャートである。なお、図２中、切替弁３３の「Ａ−Ｂ」及び「Ａ−Ｃ」は、図１の切替弁３３の流路がＡ−Ｂ方向及びＡ−Ｃ方向のそれぞれに設定されていることを示している。

改質ガス製造装置１は、図２に示すように、バーナ暖機工程と、掃気工程と、バーナ再暖機工程と、改質暖機工程を含む始動運転を行うことで、燃焼処理器２１及び改質部２２（図１参照）を暖機し、この始動運転の終了後に燃料電池ＦＣ（図１参照）のアノードに対して改質ガスを供給する改質ガス供給工程を行うことで燃料電池ＦＣに発電を開始させる。ここでのバーナ暖機工程は、特許請求の範囲にいう「第１工程」に対応し、掃気工程は、特許請求の範囲にいう「第２工程」に対応し、バーナ再暖機工程は、特許請求の範囲にいう「第３工程」に対応し、改質暖機工程は、特許請求の範囲にいう「第４工程」に対応する。なお、図２に示す始動運転は、掃気工程と、バーナ再暖機工程と、改質暖機工程を含んでいるが、本発明の始動方法はこれに限定されず、後記するように改質器２３及び第２ＣＯ選択酸化器２６が所定の温度条件を満たした場合には、これらの掃気工程と、バーナ再暖機工程と、改質暖機工程とを省略することもできる（図３のステップＳ３のＹｅｓからステップＳ８へのフロー参照）。

本実施形態に係る始動運転のバーナ暖機工程では、図１に示す改質ガス製造装置１が起動することでオンとなった制御部５０が弁３１ａを開くと、供給器１０の始動用燃料が第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂに供給されることで着火し、第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂは、図２に示すように、共にオンとなる。このとき、弁３１ｂ及び弁３２は、「閉」となっている。そして、切替弁３３はＡ−Ｂ方向（図１参照）に流路が設定されている。つまり、バーナ暖機工程では、図１に示す改質器２３に第１始動バーナ１１ａの燃焼ガスが導入されると共に、図１に示す燃焼処理器２１の触媒燃焼部２１ａに第２始動バーナ１１ｂの燃焼ガスが導入される。その結果、改質器２３及び触媒燃焼部２１ａは昇温していく。この際、図１に示す制御部５０は、改質器２３の温度、触媒燃焼部２１ａの温度、及び第２ＣＯ選択酸化器２６の温度を、それぞれに設けられた温度センサＴ１，Ｔ２，Ｔ３からの検出信号に基づいて監視している。
なお、このバーナ暖機工程では、切替弁３３はＡ−Ｂ方向（図１参照）に流路が設定されているので、第１始動バーナ１１ａの燃焼ガスは、改質部２２を通流した後に、バイパス配管Ｐ３を介して燃焼処理器２１の触媒燃焼部２１ａに向かって送出される。つまり、第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂからの燃焼ガスに含まれる未燃焼の始動用燃料は、前記したように、触媒燃焼部２１ａで燃焼処理される。
ちなみに、本実施形態では、ＣＯ除去器としての第２ＣＯ選択酸化器２６の温度を、温度センサＴ３で検出しているが、本発明は温度センサＴ３で直接検出される温度に限定されず、例えば、予め改質ガス製造装置１の使用を想定したシミュレーション試験等の実験を行って、第２ＣＯ選択酸化器２６の温度との関係性が把握できる箇所（例えば、改質器２３や、ＣＯ変成器２４、周囲の配管等）での温度と、第２ＣＯ選択酸化器２６の温度との関数、マップ等を求めておき、この関数やマップ等に基づいて第２ＣＯ選択酸化器２６の温度を間接的に検出してもよい。なお、これらの第２ＣＯ選択酸化器２６の温度を間接的に求める前記箇所での温度は、特許請求の範囲にいう「ＣＯ除去器の関連温度」に相当する。そして、詳しくは後記するが、本実施形態では制御部５０が温度センサＴ３の温度を参照すると共に、この温度と所定の閾値（図４中のＴｃ参照）とを比較する工程を有している（図３のステップＳ３及びＳ５参照）。この際、制御部５０は、温度センサＴ３の温度に代えて、前記したように間接的に求めた（推定した）第２ＣＯ選択酸化器２６の温度に基づいて所定の閾値との比較を行ってもよいし、前記箇所での温度を直接参照すると共に閾値Ｔｃに対応するように設定した所定の閾値と、前記箇所での温度との比較を行ってもよい。

次に、制御部５０は、改質器２３及び燃焼処理器２１（触媒燃焼部２１ａ）の温度のいずれもが後記する所定の温度（図４の閾値Ｔａ及び閾値Ｔｂ参照）に達した際に、改質ガス製造装置１を次の掃気工程に移行させる。つまり、図２に示すように、制御部５０は、弁３１ａを閉じることで第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂをオフにすると共に、弁３１ｂを開くことで空気を、図１に示すように、第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂを介して改質器２３及び燃焼処理器２１の触媒燃焼部２１ａに導入する。その結果、バーナ暖機工程で昇温した改質器２３の熱は、導入された空気の流れによって、改質部２２の後段に位置する第２ＣＯ選択酸化器２６に伝えられる。つまり、第２ＣＯ選択酸化器２６は空気の流れによって迅速に昇温される。ちなみに、この空気の流れによって、改質器２３及び触媒燃焼部２１ａの温度は若干低下することとなる。
なお、図２に示すように、この掃気工程においては、弁３２は「閉」状態が維持され、切替弁３３は、流路がＡ−Ｂ方向に維持されている。

次に、制御部５０は、第２ＣＯ選択酸化器２６の温度が後記する所定の温度（図４の閾値Ｔｃ参照）に達した際に、改質ガス製造装置１を次のバーナ再暖機工程に移行させる。つまり、図２に示すように、制御部５０は、弁３１ａを開くことで第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂをオンにすると共に、弁３１ｂを閉じて第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂへの空気の供給を止める。その結果、前記した掃気工程で温度が低下した図１に示す改質器２３及び触媒燃焼部２１ａは再び昇温することとなる。
なお、図２に示すように、このバーナ再暖機工程においては、弁３２は「閉」状態が維持され、切替弁３３は、流路がＡ−Ｂ方向に維持されている。

次に、図１に示す制御部５０は、改質器２３の温度、及び触媒燃焼部２１ａの温度のいずれもが、後記する所定の温度（図４の閾値Ｔａ及び閾値Ｔｂ参照）に達した際に、改質ガス製造装置１を次の改質暖機工程に移行させる。つまり、図２に示すように、制御部５０は、弁３１ａを閉じることで第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂをオフにすると共に、弁３２を開くことで、図１に示す蒸発器２１ｂに炭化水素系の原燃料、空気及び水を供給する。そして、蒸発器２１ｂで炭化水素系の原燃料、空気及び水はガス化すると共にこの混合ガスが改質器２３に導入されると、改質が開始する。その結果、この改質暖機工程では、この改質によって改質器２３で発生するガスが後段に位置するＣＯ変成器２４、第１ＣＯ選択酸化器２５、及び第２ＣＯ選択酸化器２６の反応安定化を行う。
なお、図２に示すように、この改質暖機工程においては、弁３１ｂは「閉」状態が維持され、切替弁３３は、流路がＡ−Ｂ方向に維持されている。

そして、制御部５０は、図１の温度センサＴ１，Ｔ２，Ｔ３からの検出信号、並びにＣＯ変成器２４及び第１ＣＯ選択酸化器２５に設けられた図示しない温度センサからの検出信号に基づいて、改質部２２の暖機が十分であると判断した際に始動運転を終了する。つまり、図２に示すように、制御部５０は、弁３１ａ，３１ｂ及び弁３２を改質暖機工程における状態と同じに維持したままで、切替弁３３の流路をＡ−Ｃ方向に設定することで、改質ガス製造装置１を改質ガス供給工程に移行させる。その結果、前記したように、燃料電池ＦＣが発電を開始することとなる。

次に、制御部５０が前記した始動運転時に実施する手順を図３のフローチャートを参照しながら更に具体的に説明する。
制御部５０は、図３に示すように、第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂをオンにすることで（ステップＳ１）、前記したバーナ暖機工程を実行する。そして、制御部５０は、改質器２３及び燃焼処理器２１の暖機が十分であるか否かを判断する（ステップＳ２）。この判断は、改質器２３及び触媒燃焼部２１ａの温度と、予め設定した閾値（図４の閾値Ｔａ及び閾値Ｔｂ参照）とを比較することで行われる。この閾値は、例えば改質器２３及び触媒燃焼部２１ａにおける触媒が十分な活性を示す温度の範囲内で適宜に設定することができる。

次に、制御部５０は、改質器２３及び燃焼処理器２１の暖機が十分であると判断した場合（ステップＳ２のＹｅｓ）に、ステップＳ３に進み、暖機が十分でない場合（ステップＳ２のＮｏ）は、ステップＳ２の判断を繰り返す。ステップＳ３では、制御部５０は、第２ＣＯ選択酸化器２６の暖機が十分であるか否かを判断する。この判断は、第２ＣＯ選択酸化器２６の温度と、予め設定した閾値（図４の閾値Ｔｃ参照）とを比較することで行われる。この閾値は、例えば第２ＣＯ選択酸化器２６における触媒が十分な活性を示す温度の範囲内で適宜に設定することができる。

第２ＣＯ選択酸化器２６の暖機が十分でないと判断した場合（ステップＳ３のＮｏ）には、制御部５０は、第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂをオフにすると共に、掃気を開始する（ステップＳ４）。つまり、制御部５０は、前記した掃気工程を実行する。この掃気工程が行われることによって、第２ＣＯ選択酸化器２６は前記したように効率よく暖機される。一方、第２ＣＯ選択酸化器２６の暖機が十分と判断した場合（ステップＳ３のＹｅｓ）には、制御部５０は、後記するステップＳ８を実行する。

掃気工程を行った制御部５０は、第２ＣＯ選択酸化器２６の暖機が十分か否かを判断する（ステップＳ５）。この判断は、前記したステップＳ３と同様にして行われる。そして、第２ＣＯ選択酸化器２６の暖機が十分と判断された場合（ステップＳ５のＹｅｓ）には、制御部５０は、第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂをオンにすることで（ステップＳ６）、前記したバーナ再暖機工程を実行する。その後、制御部５０は、改質器２３及び燃焼処理器２１の暖機が十分であるか否かを判断する（ステップＳ７）。この判断は、ステップＳ２と同様にして行われる。

このステップＳ７で改質器２３及び燃焼処理器２１の暖機が十分であると判断した場合（Ｙｅｓ）、及び前記したステップＳ３で第２ＣＯ選択酸化器２６の暖機が十分であると判断した場合（Ｙｅｓ）には、制御部５０は、第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂをオフにすると共に、改質を開始する（ステップＳ８）。つまり、制御部５０は、前記した改質暖機工程を実行する。この改質暖機工程が行われることによって、改質器２３で発生するガスが後段に位置するＣＯ変成器２４、第１ＣＯ選択酸化器２５、及び第２ＣＯ選択酸化器２６の反応安定化を行う。

次に、制御部５０は、改質部２２の暖機が十分であるか否かを判断し（ステップＳ９）、暖機が十分でない場合（ステップＳ９のＮｏ）は、ステップＳ９の判断を繰り返す。そして、改質部２２の暖機が十分であると判断した場合（ステップＳ９のＹｅｓ）には、燃料電池ＦＣに改質ガスを供給する準備（図２に示す改質ガス供給工程への移行準備）が完了したとして、制御部５０は改質ガス製造装置１の始動運転を終了する。

次に、改質ガス製造装置１及びその始動方法の作用効果について説明する。ここで参照する図４は、始動運転中における改質器、燃焼処理器及び第２ＣＯ選択酸化器の温度変化と、改質ガス製造装置で製造される改質ガス中の一酸化炭素濃度の変化とを示すタイムチャートである。

図４に示すように、改質ガス製造装置１は、バーナ暖機工程を実行することによって、改質器２３の温度が閾値Ｔａに達し、かつ燃焼処理器２１の温度が閾値Ｔｂに達した際に、改質器２３及び燃焼処理器２１の暖機が十分であるとして掃気工程に移行する。

掃気工程を実行する改質ガス製造装置１は、第２ＣＯ選択酸化器２６の温度が閾値Ｔｃに達した際に、バーナ再暖機工程に移行する。

バーナ再暖機工程を実行する改質ガス製造装置１は、掃気工程で低下した改質器２３及び燃焼処理器２１の温度を上昇させる。そして、改質器２３の温度が閾値Ｔａに達し、かつ燃焼処理器２１の温度が閾値Ｔｂに達した際に、改質ガス製造装置１は改質暖機工程に移行する。

改質暖機工程に移行した改質ガス製造装置１は、改質反応による発熱で改質器２３が昇温すると共に、第２ＣＯ選択酸化器２６から廃棄された改質ガスの燃焼処理による燃焼熱で燃焼処理器２１が昇温する。また、第２ＣＯ選択酸化器２６は、ＣＯの反応熱によって昇温する。図示しないが、第２ＣＯ選択酸化器２６よりも上流側に配置されたＣＯ変成器２４及び第１ＣＯ選択酸化器２５の温度は、第２ＣＯ選択酸化器２６の温度よりも高い温度となる。

そして、改質暖機工程を実行する改質ガス製造装置１は、改質部２２（図１参照）を十分に暖機して、改質器２３が効率よく改質ガスを生成すると共に、ＣＯ変成器２４、第１ＣＯ選択酸化器２５、及び第２ＣＯ選択酸化器２６がＣＯを効率よく除去する。

以上のような改質ガス製造装置１及び始動方法によれば、一つの供給器１０により始動用燃料が供給された第１始動バーナ１１ａと第２始動バーナ１１ｂのそれぞれで燃焼処理器２１と改質部２２とが暖機され、次いで、原燃料を供給された改質部２２が原燃料の改質反応による発熱で暖機されるので、始動運転を短時間で行うことができる。
また、この始動方法では、第１始動バーナ１１ａと第２始動バーナ１１ｂのそれぞれで燃焼処理部２１と改質部２２とが暖機されるバーナ暖機工程に続いて、掃気工程では供給器１０からの始動用燃料の供給を停止し、またその間に改質部２２の特に後段（例えば、第２ＣＯ選択酸化器２６等）まで熱伝達を行っておくことができるので、始動用燃料を消費せずに始動運転までの所要エネルギの低減を図ることができると共に、短時間の始動を図ることができる。
また、この始動方法では、一つの供給器１０で第１始動バーナ１１ａと第２始動バーナ１１ｂとに始動用燃料を供給するので、改質ガス製造装置１の小型化を図ることができる。

また、改質ガス製造装置１及び始動方法によれば、組成が不安定で廃棄される改質ガスや、燃料電池ＦＣから排出される燃料オフガス（改質ガス）、第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂの燃焼ガスに含まれる未燃焼の始動用燃料を、触媒燃焼部２１ａが燃焼処理するので、これらが大気中に放出されるのを防止することができる。

また、改質ガス製造装置１及び始動方法によれば、改質器２３及びＣＯ除去器としての第２ＣＯ選択酸化器２６が効率よく動作する温度（触媒活性温度）に、閾値Ｔａ及び閾値Ｔｂを設定することで、より速やかで効率のよい始動運転を実現することができる。

また、改質ガス製造装置１及び始動方法によれば、例えば改質部２２を構成する複数の触媒反応器ごとにヒータ等の加熱手段を設けたものと比較して、デバイス削減を図ることができるので製造コストを低減することができる。

また、改質ガス製造装置１及び始動方法によれば、掃気工程の実施が第１工程の実施後に行われることで、第１始動バーナ１１ａで暖機された改質部２２の上流側の熱が、空気によって改質部２２の下流側に送り込まれる。その結果、より速やかに暖機が行われて始動運転時間をより短縮することができる。

このことを参考例と比較して更に詳しく説明する。図５は、参考例の改質ガス製造装置における動作を示すフローチャートである。図６は、参考例の改質ガス製造装置の始動運転中における改質器、燃焼処理器及び第２ＣＯ選択酸化器の温度変化と、改質ガス製造装置で製造される改質ガス中の一酸化炭素濃度の変化とを示すタイムチャートである。図７（ａ）は、始動運転終了までの所要時間について参考例の改質ガス製造装置と本実施形態に係る改質ガス製造装置（実施例）とを比較して示すグラフ、図７（ｂ）は、始動運転終了までの所要エネルギについて参考例の改質ガス製造装置と本実施形態に係る改質ガス製造装置（実施例）とを比較して示すグラフである。

図５に示すように、参考例に係る改質ガス製造装置は、本実施形態に係る改質ガス製造装置１でのステップＳ１及びステップＳ２（図３参照）に相当するステップＳ１１及びステップＳ１２を実行した後、本実施形態に係る改質ガス製造装置１でのステップＳ３からステップＳ７（図３参照）を実行せずに、ステップＳ８に相当するステップＳ１３に進む。つまり、掃気工程及びバーナ再暖機工程を行わずに、バーナ暖機工程を行った後にはそのまま改質暖機工程に進む。そして、参考例に係る改質ガス製造装置は、第２ＣＯ選択酸化器２６の暖機が十分であるか否かを判断し（ステップＳ１４）、第２ＣＯ選択酸化器２６の暖機が十分である場合（ステップＳ１４のＹｅｓ）に、改質ガスの供給を開始する（ステップＳ１５）。

したがって、参考例に係る改質ガス製造装置は、図６に示すように、バーナ暖機工程で改質器２３及び燃焼処理器２１が暖機されてから、改質暖機工程に入る。この改質暖機工程で第２ＣＯ選択酸化器２６が暖機され始めるが、与えられるのは改質器２３における改質反応の発熱のみの熱量であり昇温が進まず、本実施形態に係る改質ガス製造装置１とは異なって、十分にＣＯを反応させられない状態が長時間続く。そして、第２ＣＯ選択酸化器２６の閾値温度Ｔｃよりもいくぶん低い所定の温度にまで第２ＣＯ選択酸化器２６が至ると、ようやくそれ自体で反応が安定化するようになるので、発熱反応である一酸化炭素（ＣＯ）の酸化反応が開始される。この後、閾値Ｔｃまで第２ＣＯ選択酸化器２６が到達して始動暖機を終え、改質ガスの供給が開始される。このようにして、参考例に係る改質ガス製造装置は、第２ＣＯ選択酸化器２６から送出される改質ガス中の一酸化炭素濃度が燃料電池ＦＣの許容値未満になるまで、長時間を要することとなる。

これに対して、本実施形態に係る改質ガス製造装置１では、前記したように、バーナ暖機工程によって改質部２２の前段に位置する改質器２３が暖機されてから掃気工程が実行されることによって、改質部２２の熱が、空気によって改質部２２の後段に位置する第２ＣＯ選択酸化器２６に送り込まれる。この時点で第２ＣＯ選択酸化器２６は自己発熱可能な温度となる。そして、バーナ再暖機工程によって改質器２３が再び暖機されると共に、この改質器２３からの改質ガス供給に基づく自己発熱可能な状況の第２ＣＯ選択酸化器２６が更に暖機されるので、始動運転を短時間で行うことができる。

そして、図７（ａ）に示すように、本実施形態に係る改質ガス製造装置１の始動運転時間は、始動運転終了までの所要時間の比で、参考例を１００％とすると、本実施形態に係る改質ガス製造装置１は６０％程度であった。また、図７（ｂ）に示すように、本実施形態に係る改質ガス製造装置１の始動運転時間に費やしたエネルギは、始動運転終了までの所要エネルギの比で、参考例を１００％とすると、本実施形態に係る改質ガス製造装置１は４０％程度であった。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。

前記実施形態では、第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂの燃焼は、始動用燃料に着火して行っているが、本発明は触媒燃焼の第１始動バーナ１１ａ及び第２始動バーナ１１ｂを使用するものであってもよい。更には、改質部２２に供給される炭化水素系の原燃料と供給器１０の始動用燃料は別のものとして記載したが、始動用燃料は原燃料と同じ燃料としてもよい。

また、前記実施形態では、ＣＯ除去器として、ＣＯ変成器２４、第１ＣＯ選択酸化器２５、及び第２ＣＯ選択酸化器２６を備えているが、ＣＯ除去器の種類及び数は特に制限はなく、例えばＣＯ選択酸化器は一つであってもよいし、三つ以上であってもよい。更には、ＣＯ選択酸化器の無い構成（例えば、ＣＯ除去器としてＣＯ変成器のみの構成）であってもよい。
また、前記実施形態では、ＣＯ除去器としての第２ＣＯ選択酸化器２６の前記関連温度に基づいて制御部５０はステップＳ３及びＳ５の判断を行っているが、本発明はＣＯ除去器としてのＣＯ変成器２４、第１ＣＯ選択酸化器２５、及び第２ＣＯ選択酸化器２６のうちの少なくとも一つの関連温度に基づいて制御部５０がステップＳ３及びＳ５の判断を行うように構成してもよい。

また、前記実施形態では、弁３１ａ，３１ｂ，３２として開閉弁の使用を想定しているが、これらは流量調整弁であってもよい。

１ 改質ガス製造装置（燃料製造装置）
１０ 供給器（供給部）
１１ａ 第１始動バーナ（第１暖機部）
１１ｂ 第２始動バーナ（第２暖機部）
２１ 燃焼処理器（燃焼処理部）
２１ａ 触媒燃焼部
２１ｂ 蒸発器
２２ 改質部
２３ 改質器
２４ ＣＯ変成器（ＣＯ除去器）
２５ 第１ＣＯ選択酸化器（ＣＯ除去器）
２６ 第２ＣＯ選択酸化器（ＣＯ除去器）
３１ａ 弁
３１ｂ 弁
３２ 弁
３３ 切替弁
５０ 制御部
ＦＣ 燃料電池
Ｔａ 閾値
Ｔｂ 閾値
Ｔｃ 閾値

Claims (6)

1. 炭化水素系の原燃料を改質反応させることで水素リッチな燃料とする改質部と、
   始動用燃料を供給されその反応熱により前記改質部を暖機する第１暖機部と、
   水素リッチな前記燃料を燃焼処理する燃焼処理部と、
   前記始動用燃料を供給されその反応熱により前記燃焼処理部を暖機する第２暖機部と、
   前記第１暖機部及び前記第２暖機部に前記始動用燃料を供給する一つの供給部と、
   を備える燃料製造装置の始動方法であって、
   前記供給部から前記始動用燃料を供給して前記第１暖機部及び前記第２暖機部を始動する第１工程と、
   前記供給部からの前記始動用燃料の供給を停止する第２工程と、
   前記供給部からの前記始動用燃料の供給を再開する第３工程と、
   前記供給部からの前記始動用燃料の供給を停止すると共に、前記改質部に前記原燃料を供給する第４工程と、
   を有することを特徴とする燃料製造装置の始動方法。
2. 前記第１工程は、前記第１暖機部が前記始動用燃料を燃焼させた燃焼ガスを前記改質部に送出することで前記改質部を暖機し、前記改質部を通流した前記燃焼ガスを前記燃焼処理部に供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料製造装置の始動方法。
3. 前記改質部は、上流側から順に、改質器及びＣＯ除去器を備え、
   前記第２工程を、前記改質器の温度が予め設定した第１の所定値となった際に実施し、前記第３工程を、前記ＣＯ除去器の関連温度が予め設定した第２の所定値となった際に実施することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料製造装置の始動方法。
4. 前記供給部は、前記始動用燃料に代えて掃気ガスを供給できるように構成されており、
   前記第２工程は、前記供給部からの前記始動用燃料の供給を止めた後に、前記供給部から前記掃気ガスを、前記第１暖機部を介して前記改質部に通流させる掃気工程を更に有し、
   前記掃気工程後に前記第３工程における前記供給部からの前記始動用燃料の供給を再開する工程を実施することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料製造装置の始動方法。
5. 改質ガスを生成する複数の触媒反応器からなる改質部を備える燃料製造装置の始動方法であって、
   暖機部により前記改質部の前段に位置する前記触媒反応器を暖機する暖機工程と、
   前記暖機工程後に前段の前記触媒反応器の熱を、前記改質部の後段の前記触媒反応器に送り込む掃気工程と、
   前記掃気工程後に前記暖機部により前段の前記触媒反応器を暖機する再暖機工程と、
   を有することを特徴とする燃料製造装置の始動方法。
6. 炭化水素系の原燃料を改質反応させることで水素リッチな燃料とする改質部と、
   始動用燃料を供給されその反応熱により前記改質部を暖機する第１暖機部と、
   水素リッチな前記燃料を燃焼処理する燃焼処理部と、
   前記始動用燃料が供給されその反応熱により前記燃焼処理部を暖機する第２暖機部と、
   前記第１暖機部及び前記第２暖機部に前記始動用燃料を供給する一つの供給部と、
   前記供給部から前記始動用燃料を供給して前記第１暖機部及び前記第２暖機部を始動する第１工程と、
   前記供給部からの前記始動用燃料の供給を停止する第２工程と、
   前記供給部からの前記始動用燃料の供給を再開する第３工程と、
   前記供給部からの前記始動用燃料の供給を停止すると共に、前記改質部に前記原燃料を供給する第４工程と、
   を順番に実行する制御部と、
   を備えることを特徴とする燃料製造装置。

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