JP3532458B2 - 固体電解質型燃料電池用の燃料改質装置 - Google Patents

固体電解質型燃料電池用の燃料改質装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質型燃料
電池用の燃料改質装置に関するものであり、特に、暖機
時間を短かくできる固体電解質型燃料電池用の燃料改質
装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子型の燃料電池は、アノード及
びカソードで高分子電解質膜を挟んでなるスタックセル
を具備してなるもので、アノードに燃料である水素、カ
ソードに酸素をそれぞれ供給して電気化学反応を起こし
て発電するようになっている。アノードで発生した水素
イオンは、高分子電解質膜を通過してカソードに移動す
るので、高分子電解質膜のイオン導伝性を保つために高
分子電解質膜に水を供給する必要がある。
【０００３】ところで、従来から燃料電池の水素供給源
としては、燃料改質装置が用いられている。この燃料改
質装置は、炭化水素系化合物またはアルコール系化合物
等の原燃料と水とを気化して水燃料混合ガスを形成し、
これを改質触媒を用いて改質することにより、水素（燃
料）を含む改質ガスを生成するものである。そして、こ
の燃料改質装置は、燃料電池の高分子電解質膜に水を供
給するために、改質ガスに過剰の水蒸気を含ませるよう
になっている。
【０００４】この従来の燃料電池用燃料改質装置を図面
を参照して説明する。図３には従来の燃料改質装置１０
１の構成図を示す。この燃料改質装置１０１は、燃焼ガ
スを発生させる燃焼部１０２と、前記燃焼ガスの熱によ
り原燃料と水の混合液を気化して水燃料混合ガスを生成
する気化部１０３と、改質触媒を備えて前記水燃料混合
ガスをこの改質触媒により改質して水素を含む改質ガス
を生成する改質部１０４と、選択酸化触媒を備えて、前
記改質ガス中に副成した一酸化炭素をこの選択酸化触媒
により酸化除去する一酸化炭素除去部１０５（以下、Ｃ
Ｏ除去部と記載する）と、始動燃焼部１０６とを主体と
して構成されている。
【０００５】燃焼部１０２には、燃焼用触媒が備えられ
ると共に燃焼用燃料タンク１０７が取り付けられてい
る。また、気化部１０３には、噴射装置１０９が取り付
けられ、この噴射装置１０９には、配管１１０を介して
混合液タンク１０８が取り付けられている。混合液タン
ク１０８には、原燃料と水の混合液が充填されている。
原燃料としては、例えばメタノール等のアルコール系化
合物、メタン、エタン、ガソリン等の炭化水素系化合物
が用いられる。また、始動燃焼部１０６には、燃焼用触
媒が備えられると共に始動燃焼用燃料と空気とを供給す
る図示しない供給装置が取り付けられている。また、Ｃ
Ｏ除去部１０５には、配管１１１を介して固体高分子型
の燃料電池５１が接続されている。
【０００６】次に、燃料電池用燃料改質装置１０１を始
動して定常運転状態に至るまでの動作を説明する。ま
ず、始動燃焼部１０６にて始動用燃料を燃焼し、発生し
た始動燃焼ガスを配管１１２を介して改質部１０４に送
り、改質部１０４及びＣＯ除去部１０５を暖機する。同
時に、燃焼部１０２にて燃焼用燃料を燃焼し、発生した
燃焼ガスを配管１１３を介して気化部１０３に送り、気
化部１０３を暖機する。
【０００７】そして、改質部１０４の改質触媒の温度が
約２００℃に達すると共に気化部１０３の温度が水燃料
混合ガスを気化させ得る温度（約２００℃）に達した時
点で、始動燃焼部１０６への始動燃料の供給を停止する
と共に、混合液を混合液タンク１０８から噴射装置１０
９に供給して混合液を気化部１０３内に噴射し、燃焼部
１０２から供給された燃焼ガスの熱によって混合液を気
化して水燃料混合ガスを生成する。
【０００８】そして配管１１４を介してこの水燃料混合
ガスを改質部１０４に送る。改質部１０４では水燃料混
合ガスが送られると同時に始動燃焼部１０６から空気が
供給され、改質部１０４に備えられた改質触媒によっ
て、水蒸気と酸素の存在下で原燃料が改質されて水素を
含む改質ガスが生成する。改質ガスは、配管１１３を介
してＣＯ除去部１０５に送られ、ＣＯ除去部１０５にお
いて改質ガス中に副成した一酸化炭素を選択酸化触媒に
て酸化除去する。そして、配管１１１を介して改質ガス
を燃料電池５１に供給する。
【０００９】この燃料改質装置１０１においては、水燃
料混合ガスの原燃料に対する水のモル比（以下、Ｓ／Ｃ
比と記載する）を１．５〜２．５の範囲に設定して、水
燃料混合ガス中の水蒸気のモル量を、改質反応における
水の理論反応モル量（モル比で、原燃料（メタノー
ル）：水＝１：１）より過剰とすることにより、改質反
応後においてこの過剰分の水蒸気を改質ガス中に残存さ
せ、この過剰分の水蒸気を含む改質ガスを燃料電池５１
に供給することにより、燃料電池５１の高分子電解質膜
に水を供給できるようになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の燃料電
池用燃料改質装置１０１においては、水燃料混合ガスの
Ｓ／Ｃ比を高くするために気化部１０３内に噴射する水
の量が多くなり、水の気化熱が原燃料であるメタノール
の気化熱より高いため、水燃料混合ガスを生成するため
により多くの熱量が必要となり、これにより気化部１０
３を暖機するための熱量が少なくなって、燃料改質装置
１０１の暖機に長時間を要するという課題があった。
【００１１】また、従来の燃料電池用燃料改質装置１０
１においては、改質部１０４及びＣＯ除去部１０５の暖
機を始動燃焼部１０６により行うが、ＣＯ除去部１０５
が改質部１０４よりも下流側に設けられているため、改
質部１０４が暖機されて燃料改質装置１０１が運転状態
に達した時点においても、ＣＯ除去部１０５及びその下
流側にある配管１１１が十分に暖機されず、例えばこれ
らの温度が８０℃以下である場合がある。この状態で水
蒸気を含む改質ガスがＣＯ除去部１０５及び配管１１１
を通過すると、ＣＯ除去部１０５及び配管１１１にて水
蒸気が結露して水が滞留し、この水により選択酸化触媒
の触媒能が低下して一酸化炭素の除去効率が低下した
り、改質ガスの流路が閉塞されてしまうという課題があ
った。
【００１２】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであって、暖機運転時間が短く、暖機運転状
態において改質ガス中の水蒸気が装置内で結露すること
がない燃料電池用燃料改質装置を提供することを目的と
する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は以下の構成を採用した。本発明の固体電
解質型燃料電池用の燃料改質装置は、水及び炭化水素を
含む原燃料を気化させて水燃料混合ガスを生成する気化
部（実施形態では気化部３）と、前記水燃料混合ガスを
改質して水素を含む改質ガスを生成する改質部（実施形
態では改質部４）を具備してなる固体電解質型燃料電池
用の燃料改質装置であって、前記改質部において、前記
水燃料混合ガスの改質反応が吸熱反応であり、原燃料の
酸化反応に伴う発熱が前記吸熱反応に利用され、前記気
化部に前記原燃料と前記水を供給すると共に前記水燃料
混合ガス中の原燃料に対する水のモル比（以下，Ｓ／Ｃ
比と記載する）を調整する調整供給手段（実施形態では
第１、第２噴射装置１２、１３）と、前記改質部の下流
側の導出流路（実施形態では導出配管４１）または機器
に設けられて、該導出流路または機器の温度を検出する
温度検出手段（実施形態では第３温度計２４）と、該温
度検知手段の検出温度に基づいて、前記調整供給手段を
制御する制御手段（実施形態では制御部２５）とを備
え、前記制御手段は、前記検知温度が定常運転温度以下
の暖機運転状態の時に（実施形態ではステップＳ２
０）、前記水燃料混合ガス中の原燃料に対する水のモル
比を、結露防止のために定常運転状態におけるモル比よ
り低くし（実施形態ではステップＳ２１、Ｓ２２）、前
記検出温度が定常運転温度を越えた定常運転状態になっ
たときに（実施形態ではステップＳ１７）、前記水燃料
混合ガス中の原燃料に対する水のモル比を、前記燃料電
池の高分子膜を加湿するために前記暖機運転状態におけ
るモル比より高くする（実施形態ではステップＳ１８、
Ｓ１９）ようにモル比を切り換えるものであることを特
徴とする。ここで、「前記改質部の下流側の機器」と
は、改質部の下流側に設けられる熱交換器、一酸化炭素
除去部（以下、ＣＯ除去部と記載する）、補助燃焼装
置、その他必要に応じて設けられる機器をいう。 更
に、原燃料としては、例えばメタノール等のアルコール
系化合物、メタン、エタン、ガソリン等の炭化水素系化
合物等を挙げることができる。
【００１４】かかる燃料改質装置によれば、温度検出手
段の検出温度に基づいて、制御手段が、燃料改質装置が
暖機運転状態であるか定常運転状態であるかを判断し、
燃料改質装置が暖機運転状態のときには、水燃料混合ガ
スのＳ／Ｃ比を、定常運転状態におけるＳ／Ｃ比より低
くする。すると、気化部への水の供給量が少なくなって
水燃料混合ガスの生成に要する熱量が少なくて済み、そ
のため気化部の暖機のための熱量をより大きくでき、燃
料改質装置の暖機時間を短縮することが可能になる。ま
た、暖機運転状態の時に、水燃料混合ガスのＳ／Ｃ比
を、定常運転状態におけるＳ／Ｃ比より低くすると、こ
の水燃料混合ガスが改質されて改質ガスが生成しても、
この改質ガス中に過剰な水蒸気が残存することがないの
で、暖機運転中に燃料改質装置内部、特に改質部の下流
側の導出流路または機器において、結露が発生すること
がない。
【００１５】また本発明の固体電解質型燃料電池用の燃
料改質装置は、先に記載の固体電解質型燃料電池用の燃
料改質装置であり、前記調整供給手段は、原燃料を前記
気化部に供給する第１供給部（実施形態では第１噴射装
置１２）と、原燃料と水の混合液を前記気化部に供給す
る第２供給部（実施形態では第２噴射装置１３）とから
なり、前記制御手段は、前記検出温度が定常運転可能温
度以下の時に、前記第１供給部及び前記第２供給部から
前記原燃料及び前記混合液を前記気化部に供給させ、前
記検出温度が定常運転可能温度を越えたときに、前記第
１供給部による原燃料の供給を停止させることを特徴と
する。
【００１６】なお、燃料改質装置の暖機運転状態におけ
る前記水燃料混合ガスの原燃料に対する水蒸気のモル比
（以下、Ｓ／Ｃ比と記載する）は、０．７〜１．２の範
囲であることが好ましく、定常運転状態における水燃料
混合ガスのＳ／Ｃ比は、１．５〜２．５の範囲であるこ
とが好ましい。
【００１７】上記の「定常運転可能温度」とは、改質ガ
スに含まれる水蒸気が、改質部の下流側の導出通路また
は機器にて結露しない温度とされ、具体的には７０℃〜
８０℃とされる。制御手段は、前記検出温度が定常運転
可能温度以下の時は、燃料改質装置が暖機運転状態にあ
ると判断し、定常運転可能温度を越えた時は、燃料改質
装置が定常運転状態であると判断する。
【００１８】本発明の固体電解質型燃料電池用の燃料改
質装置の調整供給手段は、制御手段によって制御されて
いて、燃料改質装置が暖機運転状態のときには原燃料と
混合液とを気化部に供給し、燃料改質装置が定常運転状
態のときには混合液のみを気化部に供給することによ
り、暖機運転状態における水燃料混合ガスのＳ／Ｃ比
を、定常運転状態におけるＳ／Ｃ比より低くし、定常運
転状態における水燃料混合ガスのＳ／Ｃ比を、暖機運転
状態におけるＳ／Ｃ比より高くする。このようにして、
気化部に供給される原燃料と水の割合を容易に変更で
き、水燃料混合ガスのＳ／Ｃ比を容易に調整することが
可能になる。
【００１９】更に本発明の固体電解質型燃料電池用の燃
料改質装置は、前記気化部の熱源となる燃焼ガスを生成
する燃焼部（実施形態では燃焼部２）と、前記導出流路
の途中から分岐して、前記燃焼部に前記改質ガスを供給
するバイパス通路（実施形態ではバイパス配管３７）
と、この導出通路とバイパス通路の分岐部分に配置され
た流路切替弁（実施形態では三方コック２１）とを備え
ている。そして、前記検出温度が定常運転可能温度以下
の時に、前記改質ガスを前記バイパス通路を経て前記燃
焼部に供給するように構成されている。かかる燃料改質
装置によれば、暖機運転状態の時に、改質ガスを燃焼部
に供給して燃焼するので、燃焼部及び気化部を更に暖機
することが可能となる。また、暖機運転時に生成される
改質ガスは、水蒸気量が少ないので、燃焼される際に発
生する熱量が高くなり、燃焼部及び気化部を更に暖機す
ることが可能となる。
【００２０】本発明の固体電解質型燃料電池用の燃料改
質装置は、前記暖気運転時に前記改質部（実施形態では
改質部４）および前記改質部より下流側に配置された機
器を暖気するための始動燃焼部（実施形態では始動燃焼
部８）が前記改質部に備えられていることを特徴とす
る。また本発明の固体電解質型燃料電池用の燃料改質装
置は、前記改質部の温度を検出するとともにこの検出し
た温度を前記制御部（実施形態では制御部２５）に送る
別の温度検出手段（実施形態では第２温度計２３）が前
記改質部に設けられ、前記改質部の温度が改質開始温度
（実施形態では改質開始温度Ｔ ｙ）以下のときに、前記
制御手段が、前記始動燃焼部を作動させて前記改質部を
暖気させる（実施形態ではステップＳ５、Ｓ７）ことを
特徴とする。
【００２１】
【００２２】また、本発明の固体電解質型燃料電池用の
燃料改質装置は、前記水燃料混合ガスを生成するに際し
て、前記暖機運転状態では、該水燃料混合ガスを生成す
る気化部に対し、原燃料を供給する一方、原燃料と水の
混合液を供給し（実施形態ではステップＳ２１、Ｓ２
２）、前記定常運転状態では、前記暖機運転時の原燃料
の供給を停止して、前記混合液を供給する（実施形態で
はステップＳ１８、Ｓ１９）ように構成されたことを特
徴とする。
【００２３】かかる燃料改質装置によれば、暖機運転状
態のときに、原燃料と混合液とを気化部に供給し、定常
運転状態になったときに、混合液のみを気化部に供給す
るので、暖機運転状態における水燃料混合ガスのＳ／Ｃ
比を、定常運転状態におけるＳ／Ｃ比より低くし、定常
運転状態における水燃料混合ガスのＳ／Ｃ比を、暖機運
転状態におけるＳ／Ｃ比より高くする。このようにし
て、気化部に供給される原燃料と水の割合を容易に変更
でき、水燃料混合ガスのＳ／Ｃ比を容易に調整すること
が可能になる。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態である固
体電解質型燃料電池用の燃料改質装置を図面を参照して
説明する。図１には本発明の固体電解質型燃料電池用の
燃料改質装置１の構成図を示す。この燃料改質装置１
は、燃焼ガスを発生させる燃焼部２と、前記燃焼ガスの
熱により原燃料と水の混合液を気化して水燃料混合ガス
を生成する気化部３と、前記水燃料混合ガスを改質して
水素を含む改質ガスを生成する改質部４と、前記改質ガ
ス中に副成した一酸化炭素を酸化除去するＣＯ除去部６
と、始動燃焼部８とを主体として構成されている。
【００２５】燃焼部２には図示しない燃焼用触媒が備え
られると共に燃焼用燃料タンク９が取り付けられてい
る。燃焼用燃料タンク９から燃焼部２に供給された燃焼
用燃料が、燃焼用触媒上にて燃焼され、このとき発生す
る燃焼ガスが気化部３に供給される。
【００２６】気化部３には、第１供給部である第１噴射
装置１２と、第２供給部である第２噴射装置１３とが取
り付けられ、第１噴射装置１２には配管３９を介して燃
料タンク１０が取り付けられ、第２噴射装置１３には配
管４０を介して混合液タンク１１が取り付けられてい
る。これら第１噴射装置１２（第１供給部）及び第２噴
射装置１３（第２供給部）により調整供給手段が構成さ
れている。この調整供給手段は、気化部３に原燃料と水
を供給すると共に水燃料混合ガス中の原燃料に対する水
のモル比（以下、Ｓ／Ｃ比と記載する）を調整するもの
である。燃料タンク１０には原燃料が充填され、混合液
タンク１１には原燃料と水の混合液が充填されている。
原燃料としては、例えばメタノール等のアルコール系化
合物、メタン、エタン、ガソリン等の炭化水素系化合物
等を挙げることができる。
【００２７】改質部４には、改質触媒が備えられてお
り、この改質触媒は２００℃以上に加熱されていて、水
燃料混合ガスが空気中の酸素と共にこの改質部４に供給
されると、改質触媒上にて以下の反応式（１）〜（３）
に示される反応が進行して、改質ガスが生成する。な
お、この反応式（１）〜（３）では、原燃料としてメタ
ノールを用いた場合の反応を示している。
【００２８】 ＣＨ3ＯＨ ＋ Ｈ2Ｏ → ３Ｈ2 ＋ ＣＯ2 …（１） ＣＨ3ＯＨ ＋ ２Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ＋ ＣＯ2 …（２） ＣＨ3ＯＨ → ２Ｈ2 ＋ ＣＯ …（３）
【００２９】反応式（１）は、原燃料であるメタノール
と水による改質反応であって水素（Ｈ2）が生成し、反
応式（２）は、メタノールの酸化反応であって水（Ｈ2
Ｏ）が生成し、反応式（３）は、メタノールの分解反応
であり、微量の一酸化炭素（ＣＯ）が生成する。改質反
応（反応式（１））は吸熱反応であって外部からの熱の
供給が必要とされ、メタノールの酸化（反応式（２））
により発生する酸化熱によりこれを補う。このようにし
て、水素（燃料）、水蒸気（水）及び一酸化炭素を含む
改質ガスが生成する。
【００３０】この燃料改質装置１は、定常運転時には、
水燃料混合ガスの原燃料と水のモル比（以下、Ｓ／Ｃ比
と記載する）を１．５〜２．５の範囲に設定することに
より、水燃料混合ガス中の水蒸気量を、改質反応におけ
る水の理論反応モル量（モル比で、原燃料（メタノー
ル）：水＝１：１）より過剰として、改質反応後におい
てこの過剰分の水蒸気を改質ガス中に残存させ、この過
剰分の水蒸気を含む改質ガスを燃料電池５１に供給する
ことにより、燃料電池５１の高分子電解質膜に水を供給
できるようになっている。
【００３１】始動燃焼部８には、図示しない燃焼用触媒
が備えられると共に始動燃焼用燃料と空気とを供給する
図示しない供給装置が取り付けられている。また、改質
部４とＣＯ除去部６の間、即ち改質部４の下流側には、
配管３４を介して熱交換器５が取り付けられ、ＣＯ除去
部６の下流側には、配管３６を介して熱交換器７が取り
付けられている。さらに熱交換器７の下流側には導出配
管４１を介して固体高分子型の燃料電池５１が接続され
ている。
【００３２】熱交換器５は、改質部４から供給された改
質ガスを冷却する。熱交換器５を設けた理由は、改質部
４から出た改質ガスは２００℃以上に加熱されており、
後段のＣＯ除去部６の作動温度が１００〜１５０℃程度
であるために、改質ガスを１００℃程度に冷却する必要
があるからである。ＣＯ除去部６には、図示しない選択
酸化触媒が備えられており、この選択酸化触媒は１００
℃程度に加熱されていて、改質ガス中の一酸化炭素がこ
の選択酸化触媒により酸化されて二酸化炭素が生成する
ことにより、改質ガス中の一酸化炭素が除去される。熱
交換器７は、ＣＯ除去部６から供給された改質ガスを冷
却する。熱交換器７を設けた理由は、改質ガスはＣＯ除
去部６を出た時点で１５０〜２００℃に加熱されてお
り、後段の燃料電池５１の作動温度が８０〜１３０℃程
度であるために、改質ガスを８０℃程度に冷却する必要
があるからである。
【００３３】熱交換器７を通過した改質ガスは、導出配
管４１を介して燃料電池５１に供給され、改質ガス中の
水素（燃料）と、別途供給された酸素とが電気化学反応
を起こして発電が行われる。また、燃料電池５１から燃
焼部２に至る配管４２が設けられていて、燃料電池５１
から排出された未反応ガスを含む排出ガスを燃焼部２に
供給し、燃焼部２にて未反応ガスを燃焼できるようにな
っている。
【００３４】また、気化部３には第１温度計２２が、改
質部４には第２温度計２３が、導出配管４１には温度検
知手段である第３温度計２４がそれぞれ取り付けられて
いて、これら第１、２、３温度計２２、２３、２４は制
御部２５に接続されている。また、制御部２５には、第
１、２供給部である第１、２噴射装置１２、１３が接続
されている。この制御部２５は、第３温度計２４の検出
温度に基づいて、調整供給手段である第１、２噴射装置
１２、１３を制御するものであり、検出温度が定常運転
可能温度以下の時に、第１、２噴射装置１２、１３から
原燃料及び混合液を気化部３に供給させ、検出温度が定
常運転可能温度を越えたときに、第１噴射装置１２によ
る原燃料の供給を停止させるものである。ここで定常運
転可能温度とは、改質ガスに含まれる水蒸気が、改質部
４の下流側の導出通路４１にて結露しない温度とされ、
具体的には７０℃〜８０℃とされる。
【００３５】また、導出配管４１には、バイバス管３７
が分岐して取り付けられている。このバイパス管３７は
燃焼部２に接続されている。そして、配管４１とバイパ
ス配管３７の分岐部分には、三方バルブ２１が取り付け
られている。この三方バルブ２１は制御部２５に接続さ
れている。
【００３６】次に、燃料電池用燃料改質装置１の制御部
２５の動作を説明するために、図１及び図２を参照し
て、燃料改質装置１の始動から定常運転状態に至るまで
の動作を説明する。まず、ステップＳ１において、制御
部２５内にあるメモリがイニシャル値にセットされ、三
方バルブ２１により導出配管４１とバイパス配管３７と
が連結される。次にステップＳ２において、第１、第
２、第３温度計２２、２３、２４の各検出温度Ｔ1、
Ｔ2、Ｔ3が読み込まれる。
【００３７】次にステップＳ３において、改質部４の温
度を検出する第２温度計２３の検出温度Ｔ2が改質開始
温度Ｔyを越えたか否かを、制御部２５内の改質開始温
度判定部において判定する。改質開始温度Ｔyは、改質
触媒にて改質反応が進行する活性化温度とされ、１８０
〜２５０℃の範囲で設定される。検出温度Ｔ2が改質開
始温度Ｔyを越えた場合には、ステップＳ４において、
改質開始温度判定フラグＦ２に「１」が入力され、検出
温度Ｔ2が改質開始温度Ｔy以下である場合には、ステッ
プＳ６において、改質開始温度判定フラグＦ２に「０」
が入力される。
【００３８】改質開始温度判定フラグＦ２が「０」であ
る場合、ステップＳ７において、始動燃焼部８に始動用
燃料と空気が供給されて始動用燃料が燃焼され、発生し
た始動燃焼ガスが配管３８を介して改質部４及びその下
流側に送られ、改質部４、熱交換器５、７、ＣＯ除去部
６、配管３４、３５、３６及び導出配管４１が暖機され
る。
【００３９】次にステップＳ８において、気化部３の温
度を検出する第１温度計２２の検出温度Ｔ1が気化開始
温度Ｔxを越えたか否かを、制御部２５内の気化開始温
度判定部において判定する。気化開始温度Ｔxは、水及
び原燃料を瞬時に気化させることが可能な温度とされ、
１５０〜２５０℃の範囲で設定される。検出温度Ｔ1が
気化開始温度Ｔxを越えた場合には、ステップＳ９にお
いて、気化開始温度判定フラグＦ１に「１」が入力さ
れ、検出温度Ｔ1が気化開始温度Ｔy以下である場合に
は、ステップＳ１１において、気化開始温度判定フラグ
Ｆ１に「０」が入力される。
【００４０】気化開始温度判定フラグＦ１が「０」であ
る場合、ステップＳ１２において、燃焼部２にて燃焼用
燃料が燃焼されて燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが配
管３２を介して気化部３及びその下流側に送られ、気化
部３、改質部４、熱交換器５、７、ＣＯ除去部６、配管
３４、３５、３６及び導出配管４１が暖機される。
【００４１】次にステップＳ１３において、導出配管４
１の温度を検出する第３温度計２４の検出温度Ｔ3が定
常運転開始温度Ｔzを越えたか否かを、制御部２５内の
定常運転開始温度判定部において判定する。定常運転可
能温度Ｔzは、改質ガスに含まれる水蒸気が、導出通路
４１にて結露しない温度とされ、具体的には７０℃〜８
０℃とされる。検出温度Ｔ3が定常運転開始温度Ｔzを越
えた場合には、ステップＳ１４において、定常運転開始
温度判定フラグＦ３に「１」が入力され、検出温度Ｔ3
が定常運転開始温度Ｔz以下である場合には、ステップ
Ｓ１５において、定常運転開始温度判定フラグＦ３に
「０」が入力される。
【００４２】次に、ステップＳ１６において、気化開始
温度判定フラグＦ１、改質開始温度判定フラグＦ２、定
常運転開始温度判定フラグＦ３の各入力値を、制御部２
５の定常運転判定部において判定する。気化開始温度判
定フラグＦ１、改質開始温度判定フラグＦ２、定常運転
開始温度判定フラグＦ３のいずれか１つの入力値が
「０」である場合（Ｆ１＊Ｆ２＊Ｆ３＝０の場合）、燃
料改質装置１が暖機運転状態であると判断し、ステップ
Ｓ２０に進む。
【００４３】ステップＳ２０において、暖機運転モード
が選択され、暖機運転が継続される。 具体的には、制
御部２５から第１、２噴射装置１２、１３に動作信号が
送られ、ステップＳ２１において第１噴射装置１２から
原燃料が気化部３に供給される共にステップＳ２２にお
いて第２噴射装置１３から混合液が供給されて、水燃料
混合ガスが生成し、改質部４、熱交換器５、７、ＣＯ除
去部６、配管３４、３５、３６及び導出配管４１の暖機
が継続される。また、水燃料混合ガスが三方コック２１
を経てバイパス配管３７から燃焼部２に送られ、水燃料
混合ガス中の水素が燃焼されて燃焼部２が暖機される。
【００４４】このとき生成された水燃料混合ガスのＳ／
Ｃ比は、０．７〜１．２の範囲とされる。そして、改質
部４には、この水燃料混合ガスが改質部４に送られると
共に、始動燃焼部８から空気（酸素）が送られ、改質触
媒上にて前述の反応式（１）〜（３）に示した反応が進
行し、水素を含む改質ガスが生成する。
【００４５】このとき生成する改質ガスは、水燃料混合
ガスのＳ／Ｃ比が０．７〜１．２の範囲とされていて、
改質部４に供給される水蒸気のモル量が、改質反応にお
ける水の理論反応モル量（モル比で、原燃料（メタノー
ル）：水＝１：１）とほぼ等しくなるために、改質反応
後において水蒸気が改質ガス中に残存することがなく、
改質部の下流側にある熱交換器５、７、ＣＯ除去部６、
配管３４、３５、３６及び導出配管４１の温度が低くて
も、これらの配管若しくは機器内部で水蒸気の結露が発
生することがない。
【００４６】このようにして暖機運転が継続され、第
１、第２、第３温度計２２、２３、２４の各検出温度Ｔ
1、Ｔ2、Ｔ3が次第に上昇する。
【００４７】次に、再びステップＳ２に戻り、第１、第
２、第３温度計２２、２３、２４の各検出温度Ｔ1、
Ｔ2、Ｔ3が読み込まれる。次にステップＳ３において、
第２温度計２３の検出温度Ｔ2が改質開始温度Ｔyを越え
たか否かを、制御部２５内の改質開始温度判定部におい
て再度判定する。
【００４８】第２温度計２３の検出温度Ｔ2が改質開始
温度Ｔyを越えて、改質開始温度判定フラグＦ２が
「１」とされると（ステップＳ４）、ステップＳ５にお
いて、始動燃焼部８への始動用燃料の供給が停止され
る。これにより、始動燃焼部８の燃焼が停止するが、空
気のみが供給されており、この空気は配管３８を介して
改質部４に送られる。
【００４９】次にステップＳ８において、第１温度計２
２の検出温度Ｔ1が気化開始温度Ｔxを越えたか否かを、
制御部２５内の気化開始温度判定部において再度判定す
る。第１温度計２２の検出温度Ｔ1が気化開始温度Ｔxを
越えて、気化開始温度判定フラグＦ１が「１」とされる
と（ステップＳ９）、ステップＳ１０において、燃焼部
２への燃焼用燃料の供給が停止される。
【００５０】次にステップＳ１３において、第３温度計
２４の検出温度Ｔ3が定常運転開始温度Ｔzを越えたか否
かを、制御部２５内の定常運転開始温度判定部において
再度判定する。第３温度計２４の検出温度Ｔ3が定常運
転開始温度Ｔzを越えると、定常運転開始温度判定フラ
グＦ３が「１」とされ（ステップＳ１４）、ステップＳ
１６に進む。
【００５１】ステップＳ１６において、気化開始温度判
定フラグＦ１、改質開始温度判定フラグＦ２、定常運転
開始温度判定フラグＦ３の各入力値を、制御部２５の定
常運転判定部において再度判定する。気化開始温度判定
フラグＦ１、改質開始温度判定フラグＦ２、定常運転開
始温度判定フラグＦ３の全ての入力値が「１」である場
合（Ｆ１＊Ｆ２＊Ｆ３＝１の場合）、燃料改質装置１が
暖機運転状態から定常運転状態に至ったと判断され、ス
テップＳ１７に進む。
【００５２】ステップＳ１７において、定常運転モード
が選択され、定常運転が開始される。 具体的には、制
御部２５から第１噴射装置１２に停止信号が送られ、第
１噴射装置１２からの原燃料の気化部３への供給が停止
させる一方（ステップＳ１８）、第２噴射装置１３から
の混合液の供給を継続させ（ステップＳ１９）て水燃料
混合ガスを生成させる。また、三方バルブ２１が切り替
えられて、導出配管４１が燃料電池５１に連結される。
このとき生成された水燃料混合ガスのＳ／Ｃ比は、１．
５〜２．５の範囲とされる。そして、改質部４には、こ
の水燃料混合ガスが改質部４に送られると共に、始動燃
焼部８から空気（酸素）が送られ、改質触媒上にて前述
の反応式（１）〜（３）に示した反応が進行し、水素を
含む改質ガスが生成する。このとき生成する改質ガス
は、水燃料混合ガスのＳ／Ｃ比が１．５〜２．５の範囲
とされているために、改質部４に供給される水蒸気のモ
ル量が、改質反応における水の理論反応モル量（モル比
で、原燃料（メタノール）：水＝１：１）より過剰とな
り、改質反応後においてこの過剰分の水蒸気が改質ガス
中に残存することになる。この過剰分の水蒸気を含む改
質ガスがＣＯ除去部６及び三方バルブ２１を経て燃料電
池５１に供給されて、燃料電池５１の高分子電解質膜に
水が供給される。
【００５３】なお、このとき（定常運転状態）の水燃料
混合ガスのＳ／Ｃ比が１．５以下であると、水蒸気量が
低下し、改質ガス中に残存する水蒸気量が減少して、燃
料電池５１の高分子電解質膜に十分な水を供給できなく
なるので好ましくなく、Ｓ／Ｃ比が２．５を越えると、
水蒸気量が多くなって、改質ガス中に必要以上の水蒸気
が残存し、改質部４の下流側の配管または機器若しくは
燃料電池５１に水が滞留してしまうので好ましくない。
【００５４】また、導出配管４１の温度は、既に水蒸気
が結露しない温度（定常運転可能温度）まで上昇してい
るので、導出配管４１の内部で水蒸気が結露することが
ない。また、導出配管４１の温度が定常運転可能温度ま
で上昇していれば、その上流側にある熱交換器５、７、
ＣＯ除去部６、配管３４、３５、３６の温度は、当然に
導出配管４１よりも高い温度まで上昇しているので、こ
れらの配管若しくは機器の内部にて水蒸気が結露するこ
とがない。
【００５５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
用燃料改質装置は、気化部に原燃料と水を供給すると共
に水燃料混合ガスのＳ／Ｃ比を調整する調整供給手段
と、導出流路または機器の温度を検出する温度検出手段
と、該温度検出手段の検出温度に基づいて、前記調整供
給手段を制御する制御手段とが備えられており、制御手
段が、燃料改質装置が暖機運転状態であるか定常運転状
態であるかを判断し、燃料改質装置が暖機運転状態のと
きには、水燃料混合ガスのＳ／Ｃ比を、定常運転状態に
おけるＳ／Ｃ比より低くするので、気化部への水の供給
量が少なくなって水燃料混合ガスの生成に要する熱量が
少なくて済み、そのため気化部の暖機のための熱量をよ
り大きくでき、燃料改質装置の暖機時間を短縮すること
ができる。また、暖機運転状態の時に、水燃料混合ガス
のＳ／Ｃ比を、定常運転状態におけるＳ／Ｃ比より低く
すると、この水燃料混合ガスが改質されて改質ガスが生
成しても、この改質ガス中に過剰な水蒸気が残存するこ
とがないので、暖機運転中に燃料改質装置内部、特に改
質部の下流側の導出流路または機器において、結露の発
生を防止することができる。
【００５６】また、この燃料電池用燃料改質装置の調整
供給手段は、制御手段によって制御されていて、燃料改
質装置が暖機運転状態のときには原燃料と混合液とを気
化部に供給し、燃料改質装置が常運転状態のときには混
合液のみを気化部に供給することにより、暖機運転状態
における水燃料混合ガスのＳ／Ｃ比を、定常運転状態に
おけるＳ／Ｃ比より低くし、定常運転状態における水燃
料混合ガスのＳ／Ｃ比を、暖機運転状態におけるＳ／Ｃ
比より高くするので、気化部に供給される原燃料と水の
割合を容易に変更でき、水燃料混合ガスのＳ／Ｃ比を容
易に調整することができる。
【００５７】更に、本発明の燃料電池用燃料改質装置
は、前記導出流路の途中から分岐して、前記燃焼部に前
記改質ガスを供給するバイパス通路が備えられ、前記検
出温度が定常運転可能温度以下の時に、前記改質ガスを
前記バイパス通路を経て前記燃焼部に供給するように構
成されているので、暖機運転状態の時に、改質ガスを燃
焼部に供給して燃焼することができ、燃焼部及び気化部
を更に暖機することが可能となって、暖機運転時間をよ
り短縮できる。また、暖機運転時に生成される改質ガス
は、水蒸気量が少ないので、燃焼される際に発生する熱
量が高くなり、燃焼部及び気化部を更に暖機することが
可能となる。
【００５８】本発明の燃料電池用燃料改質装置は、改質
ガスが供給される導出流路または機器の温度を検出し、
この検出温度が定常運転温度以下の暖機運転状態の時
に、前記水燃料混合ガスのＳ／Ｃ比を、定常運転状態に
おけるＳ／Ｃ比より低くさせるので、気化部への水の供
給量が少なくなって水燃料混合ガスの生成に要する熱量
が少なくて済み、そのため燃料改質装置の暖機のための
熱量をより大きくでき、燃料改質装置の暖機時間を短縮
させることができる。また、この水燃料混合ガスが改質
されて改質ガスが生成しても、この改質ガス中に過剰な
水蒸気が残存することがなく、燃料改質装置内部、特に
改質部の下流側の導出流路または機器において、結露の
発生を防止できる。
【００５９】更に、検出温度が定常運転温度を越えた定
常運転状態になったときに、前記水燃料混合ガスのＳ／
Ｃ比を、前記暖機運転状態におけるＳ／Ｃ比より高く制
御するので、改質ガス中に過剰の水蒸気を残存させるこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態である燃料電池用燃料改質
装置の構成を示す構成図である。
【図２】 本発明の実施形態である燃料電池用燃料改質
装置の制御部の動作を説明するためのフローチャートで
ある。
【図３】 従来の燃料電池用燃料改質装置の構成を示す
構成図である。
【符号の説明】
１…燃料電池用燃料改質装置、２…燃焼部、３…気化
部、４…改質部、５、７…熱交換器、６…ＣＯ除去部、
８…始動燃焼部、１２…第１噴射装置（第１供給部）、
１３…第２噴射装置（第２供給部）、２１…三方コック
（流路切替弁）、２２…第１温度計、２３…第２温度
計、２４…第３温度計（温度検出手段）、２５…制御部
（制御手段）、３７…バイパス配管（バイパス通路）、
４１…導出配管（導出通路）、５１…燃料電池
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川崎 暢之 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式 会社本田技術研究所内 (56)参考文献 特開 平２−158061（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/06 H01M 8/04 H01M 8/10

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 水及び炭化水素を含む原燃料を気化させ
    て水燃料混合ガスを生成する気化部と、 前記水燃料混合ガスを改質して水素を含む改質ガスを生
    成する改質部を具備してなる固体電解質型燃料電池用の
    燃料改質装置であって、前記改質部において、前記水燃料混合ガスの改質反応が
    吸熱反応であり、原燃料の酸化反応に伴う発熱が前記吸
    熱反応に利用され、 前記気化部に前記原燃料と前記水を供給すると共に前記
    水燃料混合ガス中の原燃料に対する水のモル比を調整す
    る調整供給手段と、 前記改質部の下流側の導出流路または機器に設けられ
    て、該導出流路または機器の温度を検出する温度検出手
    段と、 該温度検知手段の検出温度に基づいて、前記調整供給手
    段を制御する制御手段とを備え、 前記制御手段は、前記検知温度が定常運転温度以下の暖
    機運転状態の時に、前記水燃料混合ガス中の原燃料に対
    する水のモル比を、結露防止のために定常運転状態にお
    けるモル比より低くし、前記検出温度が定常運転温度を
    越えた定常運転状態になったときに、前記水燃料混合ガ
    ス中の原燃料に対する水のモル比を、前記燃料電池の高
    分子膜を加湿するために前記暖機運転状態におけるモル
    比より高くするようにモル比を切り換えるものである こ
    とを特徴とする固体電解質型燃料電池用の燃料改質装
    置。
  2. 【請求項２】 前記調整供給手段は、原燃料を前記気化
    部に供給する第１供給部と、原燃料と水の混合液を前記
    気化部に供給する第２供給部とからなり、 前記制御手段は、前記検出温度が定常運転可能温度以下
    の時に、前記第１供給部及び前記第２供給部から前記原
    燃料及び前記混合液を前記気化部に供給させ、 前記検出温度が定常運転可能温度を越えたときに、前記
    第１供給部による原燃料の供給を停止させるものである
    ことを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電
    池用の燃料改質装置。
  3. 【請求項３】 前記暖気運転時の前記水燃料混合ガスの
    原燃料と水のモル比が０．７以上１．２以下の範囲であ
    り、前記定常運転時の前記水燃料混合ガスの原燃料と水
    のモル比が１．５以上２．５以下の範囲であることを特
    徴とする請求項１または請求項２に記載の固体電解質型
    燃料電池用の燃料改質装置。
  4. 【請求項４】 前記気化部の熱源となる燃焼ガスを生成
    する燃焼部と、前記導出流路の途中から分岐して、前記
    燃焼部に前記改質ガスを供給するバイパス通路と、この
    導出通路とバイパス通路の分岐部分に配置された流路切
    替弁とを備え、 前記検出温度が定常運転可能温度以下の時に、前記改質
    ガスを前記バイパス通路を経て前記燃焼部に供給するよ
    うに構成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項
    ３のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池用の燃料改
    質装置。
  5. 【請求項５】 前記暖気運転時に前記改質部および前記
    改質部より下流側に配置された機器を暖気するための始
    動燃焼部が前記改質部に備えられていることを特徴とす
    る請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の固体電解
    質型燃料電池用の燃料改質装置。
  6. 【請求項６】 前記改質部の温度を検出するとともにこ
    の検出した温度を前記制御部に送る別の温度検出手段が
    前記改質部に設けられ、前記改質部の温度が改質開始温
    度以下のときに、前記制御手段が、前記始動燃焼部を作
    動させて前記改質部を暖気させることを特徴とする請求
    項５に記載の固体電解質型燃料電池用の燃料改質装置。
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