JP3890875B2 - 燃料改質装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原燃料から改質燃料を生成して燃料電池に供給する燃料電池用改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池においては、改質燃料（例えば水素ガス）をアノード側電極に供給し、酸化剤（例えば空気）をカソード側電極に供給することにより、これらの電気化学的な反応で発電を行う。この場合、改質燃料は、燃料改質装置において、原燃料（メタノール、天然ガス等）から生成される。
【０００３】
このような燃料改質装置としては、例えば、特開２０００−６３１０４号公報に提案されたものがある。この特開２０００−６３１０４号公報の燃料改質装置は、原燃料の改質を行う改質室に連通する燃焼室を備え、燃焼室で生成された起動用の燃焼ガスを改質室に送り込むことにより、装置を起動する。また、装置の起動時には、改質室からの改質ガスを触媒燃焼器で燃焼し、この燃焼排ガスによる熱を、蒸発器において原燃料を気化させるために用いている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料改質装置においては、装置の起動直後から、燃焼ガスが直接改質室に送り込まれるため、始動直後の比較的低温の燃焼室壁面に生成されるすすが改質室内に送り込まれてしまい、改質室内の改質触媒が目詰まりする可能性があった。また、改質室に起動直後のガス組成が安定しない燃焼ガスが送り込まれることにより、改質触媒の温度が局所的に上昇して、改質触媒が失活してしまう可能性があった。
【０００５】
また、改質室で生成された改質ガスは所定温度となるよう調整されるため、装置の起動時には、比較的低温の改質ガスが燃焼触媒に供給されることになり、起動時における燃焼触媒の迅速な活性化を図れない。特に、極低温時に燃焼触媒において水分の氷結がある場合には、燃焼触媒の活性化までに要する時間が極めて長くなるという問題点があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、原燃料から改質燃料を生成して燃料電池に供給する燃料改質装置において、改質室の改質触媒の目詰まりや失活を防止しうるとともに、迅速な起動を行いうるものを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明では、原燃料から水素を含む改質燃料を生成して燃料電池に供給する改質部と、起動用燃焼ガスを生成して前記改質部に送り込む起動用燃焼器とを備えた燃料改質装置において、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を、起動運転開始後、前記起動用燃焼ガスの温度が前記起動用燃焼器で発生するすすによって前記改質部の目詰まりを起こさない温度となるまで、前記改質部側に接続されないように切り換える燃焼ガス流路切換手段を備えた。
【０００８】
第２の発明では、原燃料を気化させて原燃料ガスを生成して前記改質部に供給する原燃料蒸発器と、燃料電池からの排ガスを燃焼させて前記原燃料蒸発器に原燃料を気化させるための熱を与える排ガス燃焼器とを備え、前記燃焼ガス流路切換手段は、前記改質部側から切り換えられた前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記排ガス燃焼器側に接続するようにした。
【０００９】
第３の発明では、前記燃焼ガス流路切換手段は、起動運転開始時に、前記排ガス燃焼器に備えられた燃焼触媒の温度が、流路切換開始の基準温度以下の場合には、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記改質部側から切り換え、前記排ガス燃焼器に備えられた燃焼触媒の温度が、流路切換開始の基準温度以下でない場合には、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記改質部側から切り換えないようにした。
【００１０】
第４の発明では、前記燃焼ガス流路切換手段は、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記改質部側に接続されないように切り換えた後、前記排ガス燃焼器に備えられた燃焼触媒の温度が、流路切換終了の基準温度以上となった時点で、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記改質部側に接続するようにした。
【００１１】
第５の発明では、前記燃焼ガス流路切換手段は、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記改質部側に接続されないように切り換えた後、基準時間が経過した時点で、この流路を再び前記改質部側に接続するようにした。
【００１２】
第６の発明では、前記起動用燃焼器から前記改質部に供給される起動用燃焼ガスの組成および温度を調整する燃焼ガス調整手段を備えた。
【００１３】
【発明の作用および効果】
第１の発明では、燃料改質装置の起動運転時に、あらかじめ定められた条件が成立するまでは、起動用燃焼器からの流路は改質部側に接続されないので、起動運転開始初期において、起動用燃焼器で生成された起動用燃焼ガスを改質部に送り込むのが不適切と考えられる場合に、起動用燃焼ガスが改質部に送り込まれることはなく、改質部の品質劣化を防止できる。具体的に、起動初期において、比較的低温の起動用燃焼器の内壁面に発生したすすは、改質部に送り込まれてしまうことはなく、改質部に備えられた改質触媒が、このすすによって目詰まりしてしまうことを防止できる。また、起動初期でガス組成が安定していない起動用燃焼ガスの異常燃焼で、改質触媒の温度が局所的に上昇して、改質触媒が失活してしまうことを防止できる。
【００１４】
第２の発明では、改質部側から切り換えられた起動用燃焼ガスの流路は、排ガス燃焼器（例えば実施の形態における触媒燃焼器２８）側に接続され、起動初期に、高温の起動用燃焼ガスが排ガス燃焼器側に直接送り込まれるので、排ガス燃焼器に備えられた燃焼触媒温度は迅速に上昇し、燃焼触媒を早期に活性化することができ、排気エミッションを低減することができる。また、極低温時に燃焼触媒で水分が氷結している場合でも、高温の起動用燃焼ガスにより水分を融解、気化させることができるので、燃焼触媒の早期活性化を達成できる。
【００１５】
第３の発明では、起動開始時に、燃焼触媒温度が既に基準温度（例えば実施の形態のバイパスＯＮ基準温度）を超えている場合には、起動用燃焼ガスを改質部側に直ちに送り込んでも問題ないと考えられるので、起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を改質部側から切り換えないで、起動運転を直ちに次の段階に進行させる。したがって、繰り返し起動の場合等に、起動時間を短縮して、迅速に定常運転に移行できる。
【００１６】
第４の発明では、起動用燃焼ガスの流路を排ガス燃焼器側に切り換えた後に、排ガス燃焼器に備えられた燃焼触媒の温度が、流路切換開始の基準温度（例えば実施の形態のバイパスＯＦＦ基準温度）以上となった時点で、起動用燃焼ガスの流路を改質部側に戻すので、流路の切り換えを適切なタイミングで行うことができ、起動時間を短縮できる。
【００１７】
第５の発明では、起動用燃焼ガスの流路を切り換えてから、流路切換終了の基準時間（例えば実施の形態のバイパス作動時間）が経過した時点で、起動用燃焼ガスの流路を改質部側に戻すので、構成および制御を簡素化することができ、コスト削減できる。例えば、流路切り換えタイミング決定のために燃焼触媒温度を逐時正確に測定する必要がないので、燃焼触媒温度を測定するセンサを、応答性の比較的遅い安価なものとしてもよく、コスト削減を図れる。
【００１８】
第６の発明では、起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスは、起動用燃焼ガス調整手段により組成および温度を調整されるので、起動用燃焼ガスは適切な状態で改質部に送り込まれる。具体的に、起動用燃焼ガスは、改質部の改質触媒が失活しない程度の温度まで冷却されて供給されることになり、改質部で発熱反応である部分酸化反応をともなう改質を積極的に行わせることが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
図１には、以下の各実施の形態に共通の燃料電池システムの全体構成図を示す。
【００２１】
図示されるように、燃料電池システムは、コンプレッサー１、水タンク２、水ポンプ３、メタノールタンク４、メタノールポンプ５、燃料電池スタック１０、燃料改質装置２０等から構成される。
【００２２】
燃料電池スタック１０は、カソード電極（酸化剤極）１１とアノード電極（燃料極）１２を備え、カソード電極１１にはコンプレッサー１からの空気が、アノード電極１２には燃料改質装置２０からの改質燃料が、それぞれ供給される。このように供給された空気と改質燃料の化学反応により、燃料電池スタック１０は発電する。なお、コンプレッサー１と燃料電池スタック１０との間には遮断弁６が設けられ、コンプレッサー１からの空気の供給が遮断可能となっている。
【００２３】
燃料改質装置２０は、起動用燃焼器２１、バイパス弁２２、組成調整用ミキサー２３、改質部２４、ＣＯ除去部２５、改質ガス流路切換弁２６、ミキサー２７、触媒燃焼器２８、蒸発器２９等から構成される。
【００２４】
起動用燃焼器２１は、燃料電池システムの起動時に、燃焼ガスを発生させる装置である。この起動用燃焼器２１には、メタノールタンク４からの着火用メタノールが、メタノールポンプ５および着火用メタノール供給弁３１を介して導入される。また、起動用燃焼器２１には、コンプレッサー１から流量調整弁７を介して燃焼用空気が供給される。着火用メタノールと燃焼用空気は起動用燃焼器２１内で混合され、この混合気に、グロープラグ３２による着火がなされることにより、高温の燃焼ガスが生成される。燃焼ガスの温度は、温度センサ３３により検出される。
【００２５】
バイパス弁２２は、起動用燃焼器２１を、組成調整用ミキサー２３またはミキサー２７に選択的に接続する弁である。具体的な構成としては、例えば、バイパス弁２２をソレノイドバルブとし、ソレノイドへの通電ＯＮによって起動用燃焼器２１をミキサー２７に連通し、ソレノイドへの通電ＯＦＦによって起動用燃焼器２１を組成調整用ミキサー２３に連通させるようにする。これにより、燃料電池システム起動時の初期には、起動用燃焼器２１からの燃焼ガスを、改質部２４側をバイパスして、ミキサー２７に直接供給できるようになっている（詳しくは後述する）。
【００２６】
組成調整用ミキサー２３は、起動用燃焼器２１からの燃焼ガスを、改質部２４に供給するのに適した組成および温度に調整する装置である。この組成調整用ミキサー２３には、メタノールタンク４からの組成調整用メタノールが、メタノールポンプ５およびメタノール供給弁３４を介して供給されるとともに、コンプレッサー１からの組成調整用空気が、流量調整弁８を介して供給される。起動用燃焼器２１からの燃焼ガスは、この組成調整用メタノールおよび組成調整用空気と混合されることにより、改質部２４における改質反応に適した組成および温度に調整され、改質部２４に供給される。改質部２４に供給される組成調整済みの燃焼ガスの温度は、燃焼ガス温度センサ３５により検出される。
【００２７】
改質部２４は、改質反応を行わせるための改質触媒を備えた装置であり、組成調整用ミキサー２３からの組成調整済みの燃焼ガス、および蒸発器２９からの原材料ガスが導入される。これらのガスの改質反応により改質ガスが生成され、この改質ガスがＣＯ除去部２５に排出される。ＣＯ除去部２５に排出される改質ガスの温度は、改質ガス温度センサ３６により検出される。
【００２８】
ＣＯ除去部２５は、改質ガス中の一酸化炭素を酸化反応により除去し、改質ガス流路切換弁２６側に向けて排出する装置である。ＣＯ除去部２５を通過した改質ガスの一酸化炭素濃度は、ＣＯ濃度センサ３７により検出される。
【００２９】
改質ガス流路切換弁２６は、ＣＯ除去部２５を、ミキサー２７または燃料電池スタックのアノード電極１２に、選択的に連通させる弁である。ＣＯ除去部２５からの改質ガスは、ＣＯ濃度センサ３７により検出される一酸化炭素濃度が基準値以上である間は、改質ガス流路切換弁２６によりミキサー２７に供給され、ＣＯ濃度センサ３７により検出される一酸化炭素濃度が基準値以下となったところで、改質ガス流路切換弁２６の切り換えにより、燃料電池スタック１０に供給されることになる。
【００３０】
ミキサー２７は、触媒燃焼器２８での燃焼のための混合を行う装置で、燃料電池システムの起動運転時にはバイパス弁２２からの燃焼ガスまたは改質ガス流路切換弁２６からの改質ガスが、また燃料電池システムの定常運転時には燃料電池スタック１０のカソード電極１１からのカソード排ガスおよびアノード電極１２からのアノード排ガスが、それぞれ供給される。これらのガスは、メタノールタンク４からの燃焼用メタノール、およびコンプレッサー１から流量調整弁９を介して供給された燃焼用空気と混合され、この混合気が触媒燃焼器２８に導入される。
【００３１】
触媒燃焼器２８は、ミキサー２７からの混合気を燃焼触媒で燃焼させる装置である。燃焼触媒の温度は、燃焼触媒温度センサ３９により検知される。
【００３２】
触媒燃焼器２８において生成された燃焼排ガスは、蒸発器２９に送られる。この燃焼排ガスの熱により、蒸発器２９が昇温される。蒸発器２９から排気された燃焼排ガスの温度は、燃焼排ガス温度センサ４０により検出される。
【００３３】
蒸発器２９は、原燃料水および原燃料メタノールを蒸発させ、原燃料ガスとして、改質部２４に供給する装置である。原燃料水は、水タンク２から、水ポンプ３および蒸発器用水供給弁４２を介して供給される。また、原燃料メタノールは、メタノールタンク４から、メタノールタンク５および蒸発器用メタノール供給弁４３を介して導入される。
【００３４】
蒸発器２９の温度は蒸発器温度センサ４４により検知される。後述するように、原燃料水および原燃料メタノールの供給は、蒸発器２９の温度が所定の原燃料供給基準温度以上となったところで開始される。
【００３５】
蒸発器２９からの原燃料ガスの流路には、原燃料ガス温度センサ４５、原燃料ガス圧力センサ４６が配設され、それぞれ原燃料ガスの温度、圧力が検知される。後述するように、この原燃料ガスの温度または圧力が、所定の起動完了基準値（主燃料停止基準値）となったところで、起動燃焼器２１への着火用空気および着火用メタノールの供給が停止されるようになっている。
【００３６】
なお、上記燃料電池システムは、図示されない制御装置を備え、各構成の動作は制御装置により制御される。
【００３７】
図２〜図３は、燃料電池システムの定常運転前の起動運転時に実行される起動時制御の処理手順を示すフローチャートである。
【００３８】
燃料電池システムが起動されると、まずステップＳ１で、起動用燃焼器２１のグロープラグ３２への通電がＯＮされる。
【００３９】
ステップＳ２では、燃焼触媒温度センサ３９により検知される燃焼触媒温度が、あらかじめ定められたバイパスＯＮ基準温度以下であるか否かの判定がなされ、バイパスＯＮ基準温度以下であればステップＳ３に進む。
【００４０】
ステップＳ３では、バイパス弁開信号をＯＮとし、バイパス弁２２を切り換えて、起動用燃焼器２１からの流路を、改質部２４側をバイパスして、触媒燃焼器２８側（ミキサー２７）に連通させる。
【００４１】
ステップＳ４では、起動用燃焼器２１への着火用メタノールおよび着火用空気の供給を開始する。これにより、起動用燃焼器２１に供給された着火用メタノールと着火用空気の混合気は、グロープラグ３２が所定時間の通電によりメタノール着火温度以上に昇温されていることで着火して、高温の燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスは、改質部２４側をバイパスして、触媒燃焼器２８側（ミキサー２７）に供給される。
【００４２】
ステップＳ５では、燃焼触媒温度が、あらかじめ定められたバイパスＯＦＦ基準温度以上であるか否かの判定がなされ、燃焼触媒温度がバイパスＯＦＦ基準温度以上となったところで、ステップＳ６に進む。
【００４３】
ステップＳ６では、改質ガス流路切換弁開信号をＯＮとして、改質ガス流路切換弁２６を、ＣＯ除去器２５からの流路をミキサー２７（触媒燃焼器２８側）に連通させる側に切り換える。
【００４４】
ステップＳ７では、バイパス弁開信号をＯＦＦにして、起動用燃焼器２１を改質部２４側の組成調整用ミキサー２３に連通させるように、バイパス弁２２を切り換える。続くステップＳ８では、組成調整用ミキサー２３への組成調整用メタノールおよび補助空気の供給を開始する。これにより、起動燃焼器２１からの燃焼ガスは、組成調整用ミキサー２３において組成および温度を調整され、改質部２４に供給される。改質部２４における改質反応により生成された改質ガスは、ＣＯ除去部２５において一酸化炭素の除去がなされた後、改質ガス流路切換弁２６によりミキサー２７へと導かれる。
【００４５】
一方、ステップＳ２の判定において、燃焼触媒温度がバイパスＯＮ基準温度を超えていた場合には、ステップＳ９に進む。ステップＳ９では、改質ガス流路切換弁２６の切換信号がＯＮとされる。ステップＳ１０では、起動燃焼器２１への着火用メタノールおよび着火用空気の供給が開始される。ステップＳ１１では、組成調整用ミキサー２３への組成調整用メタノールおよび補助空気の供給が開始され、ステップＳ１２に進む。このように、繰り返し起動の場合等、起動初期に既に燃焼触媒温度がバイパスＯＮ基準温度に達していた場合には、燃焼ガスを直ちに改質部２４側に供給したとしても上記のような問題が生じないので、ステップＳ３、ステップＳ５、ステップＳ７の処理が省略される。これにより、起動開始直後から燃焼ガスが改質部２４側に供給され、起動時間が短縮化される。
【００４６】
ステップＳ１２では、蒸発器温度センサ４４で検出される蒸発器２９の温度が、あらかじめ定められた原燃料供給基準温度以上となったか否かの判定がなされ、原燃料供給基準温度以上となったところで、ステップＳ１３に進む。
【００４７】
ステップＳ１３では、蒸発器２９への原燃料水および原燃料メタノールの供給が開始される。蒸発器２９内に導入された原燃料水および原燃料メタノールは、触媒燃焼器２８からの燃焼排ガスの熱で蒸発して、原燃料ガスとなり、改質部２４に供給される。
【００４８】
ステップＳ１４では、原燃料ガス圧力センサ４６により検出される原燃料ガスの圧力が、所定の起動完了基準値（主燃料停止基準値）以上となったか否かの判定がなされ、起動完了基準値以上となったところで、ステップＳ１５に進む。なお、この判定は、原燃料ガス温度センサ４５により検出される原燃料ガスの温度が、所定の起動完了基準値以上となったか否かにより行うようにしてもよい。
【００４９】
ステップＳ１５では、起動燃焼器２１への着火用メタノールおよび着火用空気の供給を停止する。ステップＳ１６では、蒸発器２９への原燃料水および原燃料メタノールの供給流量を調整する。
【００５０】
ステップＳ１７では、ＣＯ濃度センサ３７により検出される改質ガスの一酸化炭素濃度が、所定のＣＯ基準濃度以下となったか否かの判定がなされ、基準濃度以下となったところで、ステップＳ１８に進む。
【００５１】
ステップＳ１８では、改質ガス流路切換弁開信号をＯＦＦとして、改質ガス流路切換弁２６を、ＣＯ除去器２５からの流路を燃料電池スタック１０側に連通させる側に切り換えて、ルーチンを終了する。これにより、起動運転が終了し、燃料電池システムは、改質部２４からの改質燃料を燃料電池スタック１０に供給して発電を行う定常運転へと移行する。
【００５２】
なお、上記制御におけるバイパスＯＮ基準温度、バイパスＯＦＦ基準温度、原燃料供給基準温度、起動完了基準値、ＣＯ基準濃度には、設計事項として、適切な値があらかじめ設定されている。
【００５３】
つぎに、図４、図５のタイミングチャートおよび図６〜図８の説明図を用いて、全体的な作用および効果を説明する。
【００５４】
なお、図４のタイミングチャートには、起動初期にバイパス弁２２により燃焼ガスをバイパスさせる制御を行う場合の動作（図２のフローチャートのステップ３〜ステップＳ８の処理を行う場合の動作）を、また図５のタイミングチャートには、起動初期にバイパス弁２２により燃焼ガスをバイパスさせる制御を行わない場合の動作（図２のフローチャートのステップ９〜ステップＳ１１の処理を行う場合の動作）を、それぞれ示している。また、図６の説明図は起動運転初期（燃焼ガスをバイパスさせる制御を行う場合）におけるガスの流れを、図７の説明図は起動運転中期におけるガスの流れを、図８の説明図は起動運転後期におけるガスの流れを、それぞれ示す。
【００５５】
燃料電池システムが起動されると、グロープラグ３２への通電が開始され、続いて、燃焼触媒温度がバイパスＯＮ基準温度以下であるか否かの判定が行われる（図２のステップＳ１〜ステップＳ２）。
【００５６】
図４に示すように、燃焼触媒温度がバイパスＯＮ基準温度以下であれば、バイパス弁開信号、着火用空気供給信号、着火用メタノール供給信号をＯＮする。これにより、図６に示すように、起動用燃焼器２１に対して着火用空気５１、着火用メタノール５２の供給が開始される。これらの主燃料にグロープラグ３２による着火がなされることにより、起動用燃焼器２１において高温の燃焼ガス５３が生成され、この燃焼ガス５３は、改質部２４側をバイパスして、ミキサー２７に供給される（図２のステップＳ３〜ステップＳ４）。ミキサー２７では、燃焼ガス５３が燃焼用空気５４および燃焼用メタノール５５と混合され、この混合気が触媒燃焼器２８において燃焼触媒により燃焼される。この燃焼排ガス２８は、蒸発器２９に供給され、蒸発器２９の温度上昇に利用された後、排気される。
【００５７】
このように、起動運転の初期段階では、起動用燃焼器２１からの燃焼ガス５３は、改質部２４側をバイパスして、触媒燃焼器２８側に直接供給される。したがって、起動初期における比較的低温の起動燃焼器２１の内壁面に発生したすすは、改質部２４、ＣＯ除去部２５に送り込まれることはなく、このすすによるセル目詰まりが発生することを防止できる。また、起動初期のガス組成が安定していない燃焼ガスによる異常燃焼で、改質触媒が失活してしまうことを防止できる。また、燃焼ガス５３が触媒燃焼器２８側に直接送り込まれ、高温の燃焼ガス５３により燃焼触媒が昇温されるので、燃焼触媒を早期に活性化することができ、排気エミッションを低減できる。さらに、極低温時に燃焼触媒で水分が氷結している場合でも、高温の燃焼ガス５３により水分を融解、気化させることができるので、燃焼触媒の早期活性化を達成できる。
【００５８】
このような初期段階の起動運転により、燃焼触媒温度がバイパスＯＦＦ基準温度以上に高まると、バイパス弁開信号がＯＦＦされ、バイパス弁２２の切り換えにより、起動用燃焼器２１が改質部２４側の組成調整用ミキサー２３に接続される。また、改質ガス流路切換弁開信号がＯＮされ、改質ガス流路切換弁２６の切り換えにより、ＣＯ除去器２５からの流路が、燃料電池スタック１０ではなく、ミキサー２７に接続されるようにする。また、組成調整用空気供給信号および組成用メタノール供給信号がＯＮされ、組成調整用ミキサー２３への組成調整用空気５７および組成調整用メタノール５８（図７参照）の供給が開始される（図２のステップＳ５〜ステップＳ８）。このようにして、起動運転の初期段階が終了し、起動運転は中期段階に入る。
【００５９】
一方、図５に示すように、起動運転開始時に燃焼触媒温度が既にバイパスＯＮ基準温度以上となっている場合（例えば、繰り返し起動の場合等）には、バイパス弁開信号をＯＮする制御は行われず、起動運転の初期段階から、図４における起動運転の中期段階と同様の制御が行われる。すなわち、起動運転開始直後から、改質ガス流路切換弁開信号、着火用空気供給信号、着火用メタノール供給信号、組成調整用空気供給信号、組成調整用メタノール供給信号が、それぞれＯＮされる（図２のステップＳ９〜ステップＳ１１）。このように、繰り返し起動の場合等、燃焼ガス５３を直ちに改質部２４側に供給し始めたとしても問題ない場合には、バイパス弁２２により燃焼ガス５３を改質部２４側をバイパスして触媒燃焼器２８側に導入する処理を省略することにより、起動時間を短縮することができる。
【００６０】
起動運転の中期段階では、図７に示すように、起動用燃焼器２１において着火用空気５１および着火用メタノール５２から生成された燃焼ガス５３は、バイパス弁２２により組成調整用ミキサー２３に導入され、組成調整用空気５７、組成調整用メタノール５８により組成および温度を調整され、改質部２４に導入される。これにより、改質部２４に供給される燃焼ガス５３は、改質触媒が失活しない程度の温度まで冷却され、改質部２４で発熱反応である部分酸化反応をともなう改質を積極的に行わせることが可能なものとすることができる。なお、組成調整用空気５７および組成調整用メタノール５８は、必要に応じて、いずれか一方のみを与えるようにしてもよい。
【００６１】
改質部２４では、改質触媒による改質反応によって、改質ガス５９が生成されこの改質ガス５９は、ＣＯ除去器２５において一酸化炭素の除去がなされた後、ミキサー２７に供給される。改質ガス２９は、ミキサー２７において燃焼用空気５４、燃焼用メタノール５５と混合され、触媒燃焼器２８において燃焼触媒により燃焼される。これにより生成された燃焼排ガスは、蒸発器２９の温度上昇に利用された後、排気される。
【００６２】
このような起動運転中期の制御によって、蒸発器温度が原燃料供給基準温度以上に高まると、起動運転は後期段階に移行し、蒸発器２９への原燃料水供給信号および原燃料メタノール供給信号がＯＮされ、図８に示すように、原燃料水６１および原燃料メタノール６２の蒸発器２９内への供給が開始される（図２のステップＳ１２〜ステップＳ１３）。
【００６３】
原燃料水６１および原燃料メタノール６２は蒸発して原燃料ガス６３となり、改質部２４に導入される。改質部２４に導入された原燃料ガス６３は、改質触媒による改質反応により改質ガス５９となり、ＣＯ除去器２５で一酸化炭素を除去された後、改質ガス流路切換弁２６によってミキサー２７に導かれ、触媒燃焼器２８において燃焼されて、蒸発器２９の昇温のために利用される。なお、起動用燃焼器２１への着火用空気５１および着火用メタノール５２の供給は、原燃料ガス６３の圧力（または温度）が起動完了判定基準値（主燃料停止基準値）に達するまで継続され、原燃料ガス６３の圧力（または温度）が起動完了判定基準値に達したところで、着火用空気供給信号および着火用メタノール供給信号がＯＦＦされる（図２のステップＳ１４〜ステップＳ１６）。
【００６４】
このような起動運転によって、改質ガス５９中の一酸化炭素濃度は低下していく。この一酸化炭素濃度がＣＯ基準値以下となったところで、改質ガス流路切換弁開信号がＯＦＦされ、ＣＯ除去器２５からの流路が燃料電池スタック１０側に切り換えられる。これにより、起動運転が終了し、燃料電池システムは定常運転へと移行する（図２のステップＳ１７〜ステップＳ１８）。
【００６５】
図９、図１０には、本発明の第２の実施の形態を示す。
【００６６】
本実施の形態は、上記第１の実施の形態と比較して、起動運転初期におけるバイパス弁２２の切換制御（バイパス弁開信号のＯＦＦ）を、バイパス弁開信号のＯＮからの所定時間経過に基づいて行う点でのみ異なるもので、その他の点では、構成、制御手順ともに共通するものである。
【００６７】
図９には、本実施の形態における起動時制御の一部をフローチャートで示す。この図９のフローチャートは、上記第１の実施の形態における図２のフローチャートと比較して、図２のステップＳ５がステップＳ５．１に入れ替わった以外は、全く同じものである。また、図９のステップＳ８またはステップＳ１１に引き続いては、図３のフローチャートと全く同様の処理が実行される（したがって図示および説明は省略する）。
【００６８】
上記図２のフローチャートとの相違点を中心に説明すると、ステップＳ２の判定で燃焼触媒温度がバイパスＯＮ基準温度以下であったならば、ステップＳ３でバイパス弁開信号がＯＮされ、ステップＳ４で着火用メタノールおよび着火用空気の供給が開始される。続くステップＳ５．１では、バイパス弁開信号がＯＮされてからの経過時間（あるいは起動開始からの経過時間）が、バイパス作動時間に達したか否かの判定がなされ、基準時間経過したところでステップＳ６以下の処理に進む。すなわち、本実施の形態では、図１０に示すように、バイパス弁開信号のＯＮ（起動開始）からバイパス作動時間経過により、起動運転は初期段階から中期段階に移行する。なお、バイパス作動時間には、設計事項として、あらかじめ適切な一定値が設定されている。
【００６９】
このように、本実施の形態によれば、バイパス弁２２の切換タイミングを、燃焼触媒温度の測定ではなく、バイパス弁２２切り換え後の経過時間に基づいて決定する。したがって、触媒燃焼器２８に設置される燃焼触媒温度センサ３９として応答性の比較的遅い安価なセンサを用いたとしても、起動初期におけるバイパス弁２２の切り換え制御を適切に行うことができ、また制御も簡素化される（バイパスＯＦＦ基準温度との比較が必要なくなる）ので、コスト削減できる。
【００７０】
また、本実施の形態では、起動開始時における燃焼触媒温度を、直接測定するのではなく、推定により算出するようにして、ステップＳ２における燃焼触媒温度がバイパスＯＮ基準温度以下であるか否かの判定を、この推定された燃焼触媒温度をバイパスＯＮ基準温度と比較することにより行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】同じく起動時制御の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】同じく起動時制御の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】同じく燃料電池システムの制御動作（バイパス弁が作動する場合）を示すタイミングチャートである。
【図５】同じく燃料電池システムの制御動作（バイパス弁が作動しない場合）を示すタイミングチャートである。
【図６】同じく起動運転の初期段階におけるガスの流れを示す説明図である。
【図７】同じく起動運転の中期段階におけるガスの流れを示す説明図である。
【図８】同じく起動運転の後期段階におけるガスの流れを示す説明図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態における起動時制御の処理手順を示すフローチャートである。
【図１０】同じく燃料電池システムの制御動作（バイパス弁が作動する場合）を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ コンプレッサー
２ 水タンク
３ メタノールタンク
１０ 燃料電池スタック
１１ カソード電極
１２ アノード電極
２１ 起動用燃焼器
２２ バイパス弁
２３ 組成調整用ミキサー
２４ 改質部
２５ ＣＯ除去器
２６ 改質ガス流路切換弁
２７ ミキサー
２８ 触媒燃焼器
２９ 蒸発器
３３ 燃焼ガス温度センサ
３７ ＣＯ濃度センサ
３９ 燃焼触媒温度センサ
４４ 蒸発器温度センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、原燃料から改質燃料を生成して燃料電池に供給する燃料電池用改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池においては、改質燃料（例えば水素ガス）をアノード側電極に供給し、酸化剤（例えば空気）をカソード側電極に供給することにより、これらの電気化学的な反応で発電を行う。この場合、改質燃料は、燃料改質装置において、原燃料（メタノール、天然ガス等）から生成される。
【０００３】
このような燃料改質装置としては、例えば、特開２０００−６３１０４号公報に提案されたものがある。この特開２０００−６３１０４号公報の燃料改質装置は、原燃料の改質を行う改質室に連通する燃焼室を備え、燃焼室で生成された起動用の燃焼ガスを改質室に送り込むことにより、装置を起動する。また、装置の起動時には、改質室からの改質ガスを触媒燃焼器で燃焼し、この燃焼排ガスによる熱を、蒸発器において原燃料を気化させるために用いている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料改質装置においては、装置の起動直後から、燃焼ガスが直接改質室に送り込まれるため、始動直後の比較的低温の燃焼室壁面に生成されるすすが改質室内に送り込まれてしまい、改質室内の改質触媒が目詰まりする可能性があった。また、改質室に起動直後のガス組成が安定しない燃焼ガスが送り込まれることにより、改質触媒の温度が局所的に上昇して、改質触媒が失活してしまう可能性があった。
【０００５】
また、改質室で生成された改質ガスは所定温度となるよう調整されるため、装置の起動時には、比較的低温の改質ガスが燃焼触媒に供給されることになり、起動時における燃焼触媒の迅速な活性化を図れない。特に、極低温時に燃焼触媒において水分の氷結がある場合には、燃焼触媒の活性化までに要する時間が極めて長くなるという問題点があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、原燃料から改質燃料を生成して燃料電池に供給する燃料改質装置において、改質室の改質触媒の目詰まりや失活を防止しうるとともに、迅速な起動を行いうるものを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明では、原燃料から水素を含む改質燃料を生成して燃料電池に供給する改質部と、起動用燃焼ガスを生成して前記改質部に送り込む起動用燃焼器とを備えた燃料改質装置において、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を、起動運転開始後、前記起動用燃焼ガスの温度が前記起動用燃焼器で発生するすすによって前記改質部の目詰まりを起こさない温度となるまで、前記改質部側に接続されないように切り換える燃焼ガス流路切換手段を備えた。
【０００８】
第２の発明では、原燃料を気化させて原燃料ガスを生成して前記改質部に供給する原燃料蒸発器と、燃料電池からの排ガスを燃焼させて前記原燃料蒸発器に原燃料を気化させるための熱を与える排ガス燃焼器とを備え、前記燃焼ガス流路切換手段は、前記改質部側から切り換えられた前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記排ガス燃焼器側に接続するようにした。
【０００９】
第３の発明では、前記燃焼ガス流路切換手段は、起動運転開始時に、前記排ガス燃焼器に備えられた燃焼触媒の温度が、流路切換開始の基準温度以下の場合には、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記改質部側から切り換え、前記排ガス燃焼器に備えられた燃焼触媒の温度が、流路切換開始の基準温度以下でない場合には、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記改質部側から切り換えないようにした。
【００１０】
第４の発明では、前記燃焼ガス流路切換手段は、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記改質部側に接続されないように切り換えた後、前記排ガス燃焼器に備えられた燃焼触媒の温度が、流路切換終了の基準温度以上となった時点で、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記改質部側に接続するようにした。
【００１１】
第５の発明では、前記燃焼ガス流路切換手段は、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記改質部側に接続されないように切り換えた後、基準時間が経過した時点で、この流路を再び前記改質部側に接続するようにした。
【００１２】
第６の発明では、前記起動用燃焼器から前記改質部に供給される起動用燃焼ガスの組成および温度を調整する燃焼ガス調整手段を備えた。
【００１３】
【発明の作用および効果】
第１の発明では、燃料改質装置の起動運転時に、あらかじめ定められた条件が成立するまでは、起動用燃焼器からの流路は改質部側に接続されないので、起動運転開始初期において、起動用燃焼器で生成された起動用燃焼ガスを改質部に送り込むのが不適切と考えられる場合に、起動用燃焼ガスが改質部に送り込まれることはなく、改質部の品質劣化を防止できる。具体的に、起動初期において、比較的低温の起動用燃焼器の内壁面に発生したすすは、改質部に送り込まれてしまうことはなく、改質部に備えられた改質触媒が、このすすによって目詰まりしてしまうことを防止できる。また、起動初期でガス組成が安定していない起動用燃焼ガスの異常燃焼で、改質触媒の温度が局所的に上昇して、改質触媒が失活してしまうことを防止できる。
【００１４】
第２の発明では、改質部側から切り換えられた起動用燃焼ガスの流路は、排ガス燃焼器（例えば実施の形態における触媒燃焼器２８）側に接続され、起動初期に、高温の起動用燃焼ガスが排ガス燃焼器側に直接送り込まれるので、排ガス燃焼器に備えられた燃焼触媒温度は迅速に上昇し、燃焼触媒を早期に活性化することができ、排気エミッションを低減することができる。また、極低温時に燃焼触媒で水分が氷結している場合でも、高温の起動用燃焼ガスにより水分を融解、気化させることができるので、燃焼触媒の早期活性化を達成できる。
【００１５】
第３の発明では、起動開始時に、燃焼触媒温度が既に基準温度（例えば実施の形態のバイパスＯＮ基準温度）を超えている場合には、起動用燃焼ガスを改質部側に直ちに送り込んでも問題ないと考えられるので、起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を改質部側から切り換えないで、起動運転を直ちに次の段階に進行させる。したがって、繰り返し起動の場合等に、起動時間を短縮して、迅速に定常運転に移行できる。
【００１６】
第４の発明では、起動用燃焼ガスの流路を排ガス燃焼器側に切り換えた後に、排ガス燃焼器に備えられた燃焼触媒の温度が、流路切換開始の基準温度（例えば実施の形態のバイパスＯＦＦ基準温度）以上となった時点で、起動用燃焼ガスの流路を改質部側に戻すので、流路の切り換えを適切なタイミングで行うことができ、起動時間を短縮できる。
【００１７】
第５の発明では、起動用燃焼ガスの流路を切り換えてから、流路切換終了の基準時間（例えば実施の形態のバイパス作動時間）が経過した時点で、起動用燃焼ガスの流路を改質部側に戻すので、構成および制御を簡素化することができ、コスト削減できる。例えば、流路切り換えタイミング決定のために燃焼触媒温度を逐時正確に測定する必要がないので、燃焼触媒温度を測定するセンサを、応答性の比較的遅い安価なものとしてもよく、コスト削減を図れる。
【００１８】
第６の発明では、起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスは、起動用燃焼ガス調整手段により組成および温度を調整されるので、起動用燃焼ガスは適切な状態で改質部に送り込まれる。具体的に、起動用燃焼ガスは、改質部の改質触媒が失活しない程度の温度まで冷却されて供給されることになり、改質部で発熱反応である部分酸化反応をともなう改質を積極的に行わせることが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
図１には、以下の各実施の形態に共通の燃料電池システムの全体構成図を示す。
【００２１】
図示されるように、燃料電池システムは、コンプレッサー１、水タンク２、水ポンプ３、メタノールタンク４、メタノールポンプ５、燃料電池スタック１０、燃料改質装置２０等から構成される。
【００２２】
燃料電池スタック１０は、カソード電極（酸化剤極）１１とアノード電極（燃料極）１２を備え、カソード電極１１にはコンプレッサー１からの空気が、アノード電極１２には燃料改質装置２０からの改質燃料が、それぞれ供給される。このように供給された空気と改質燃料の化学反応により、燃料電池スタック１０は発電する。なお、コンプレッサー１と燃料電池スタック１０との間には遮断弁６が設けられ、コンプレッサー１からの空気の供給が遮断可能となっている。
【００２３】
燃料改質装置２０は、起動用燃焼器２１、バイパス弁２２、組成調整用ミキサー２３、改質部２４、ＣＯ除去部２５、改質ガス流路切換弁２６、ミキサー２７、触媒燃焼器２８、蒸発器２９等から構成される。
【００２４】
起動用燃焼器２１は、燃料電池システムの起動時に、燃焼ガスを発生させる装置である。この起動用燃焼器２１には、メタノールタンク４からの着火用メタノールが、メタノールポンプ５および着火用メタノール供給弁３１を介して導入される。また、起動用燃焼器２１には、コンプレッサー１から流量調整弁７を介して燃焼用空気が供給される。着火用メタノールと燃焼用空気は起動用燃焼器２１内で混合され、この混合気に、グロープラグ３２による着火がなされることにより、高温の燃焼ガスが生成される。燃焼ガスの温度は、温度センサ３３により検出される。
【００２５】
バイパス弁２２は、起動用燃焼器２１を、組成調整用ミキサー２３またはミキサー２７に選択的に接続する弁である。具体的な構成としては、例えば、バイパス弁２２をソレノイドバルブとし、ソレノイドへの通電ＯＮによって起動用燃焼器２１をミキサー２７に連通し、ソレノイドへの通電ＯＦＦによって起動用燃焼器２１を組成調整用ミキサー２３に連通させるようにする。これにより、燃料電池システム起動時の初期には、起動用燃焼器２１からの燃焼ガスを、改質部２４側をバイパスして、ミキサー２７に直接供給できるようになっている（詳しくは後述する）。
【００２６】
組成調整用ミキサー２３は、起動用燃焼器２１からの燃焼ガスを、改質部２４に供給するのに適した組成および温度に調整する装置である。この組成調整用ミキサー２３には、メタノールタンク４からの組成調整用メタノールが、メタノールポンプ５およびメタノール供給弁３４を介して供給されるとともに、コンプレッサー１からの組成調整用空気が、流量調整弁８を介して供給される。起動用燃焼器２１からの燃焼ガスは、この組成調整用メタノールおよび組成調整用空気と混合されることにより、改質部２４における改質反応に適した組成および温度に調整され、改質部２４に供給される。改質部２４に供給される組成調整済みの燃焼ガスの温度は、燃焼ガス温度センサ３５により検出される。
【００２７】
改質部２４は、改質反応を行わせるための改質触媒を備えた装置であり、組成調整用ミキサー２３からの組成調整済みの燃焼ガス、および蒸発器２９からの原材料ガスが導入される。これらのガスの改質反応により改質ガスが生成され、この改質ガスがＣＯ除去部２５に排出される。ＣＯ除去部２５に排出される改質ガスの温度は、改質ガス温度センサ３６により検出される。
【００２８】
ＣＯ除去部２５は、改質ガス中の一酸化炭素を酸化反応により除去し、改質ガス流路切換弁２６側に向けて排出する装置である。ＣＯ除去部２５を通過した改質ガスの一酸化炭素濃度は、ＣＯ濃度センサ３７により検出される。
【００２９】
改質ガス流路切換弁２６は、ＣＯ除去部２５を、ミキサー２７または燃料電池スタックのアノード電極１２に、選択的に連通させる弁である。ＣＯ除去部２５からの改質ガスは、ＣＯ濃度センサ３７により検出される一酸化炭素濃度が基準値以上である間は、改質ガス流路切換弁２６によりミキサー２７に供給され、ＣＯ濃度センサ３７により検出される一酸化炭素濃度が基準値以下となったところで、改質ガス流路切換弁２６の切り換えにより、燃料電池スタック１０に供給されることになる。
【００３０】
ミキサー２７は、触媒燃焼器２８での燃焼のための混合を行う装置で、燃料電池システムの起動運転時にはバイパス弁２２からの燃焼ガスまたは改質ガス流路切換弁２６からの改質ガスが、また燃料電池システムの定常運転時には燃料電池スタック１０のカソード電極１１からのカソード排ガスおよびアノード電極１２からのアノード排ガスが、それぞれ供給される。これらのガスは、メタノールタンク４からの燃焼用メタノール、およびコンプレッサー１から流量調整弁９を介して供給された燃焼用空気と混合され、この混合気が触媒燃焼器２８に導入される。
【００３１】
触媒燃焼器２８は、ミキサー２７からの混合気を燃焼触媒で燃焼させる装置である。燃焼触媒の温度は、燃焼触媒温度センサ３９により検知される。
【００３２】
触媒燃焼器２８において生成された燃焼排ガスは、蒸発器２９に送られる。この燃焼排ガスの熱により、蒸発器２９が昇温される。蒸発器２９から排気された燃焼排ガスの温度は、燃焼排ガス温度センサ４０により検出される。
【００３３】
蒸発器２９は、原燃料水および原燃料メタノールを蒸発させ、原燃料ガスとして、改質部２４に供給する装置である。原燃料水は、水タンク２から、水ポンプ３および蒸発器用水供給弁４２を介して供給される。また、原燃料メタノールは、メタノールタンク４から、メタノールタンク５および蒸発器用メタノール供給弁４３を介して導入される。
【００３４】
蒸発器２９の温度は蒸発器温度センサ４４により検知される。後述するように、原燃料水および原燃料メタノールの供給は、蒸発器２９の温度が所定の原燃料供給基準温度以上となったところで開始される。
【００３５】
蒸発器２９からの原燃料ガスの流路には、原燃料ガス温度センサ４５、原燃料ガス圧力センサ４６が配設され、それぞれ原燃料ガスの温度、圧力が検知される。後述するように、この原燃料ガスの温度または圧力が、所定の起動完了基準値（主燃料停止基準値）となったところで、起動燃焼器２１への着火用空気および着火用メタノールの供給が停止されるようになっている。
【００３６】
なお、上記燃料電池システムは、図示されない制御装置を備え、各構成の動作は制御装置により制御される。
【００３７】
図２〜図３は、燃料電池システムの定常運転前の起動運転時に実行される起動時制御の処理手順を示すフローチャートである。
【００３８】
燃料電池システムが起動されると、まずステップＳ１で、起動用燃焼器２１のグロープラグ３２への通電がＯＮされる。
【００３９】
ステップＳ２では、燃焼触媒温度センサ３９により検知される燃焼触媒温度が、あらかじめ定められたバイパスＯＮ基準温度以下であるか否かの判定がなされ、バイパスＯＮ基準温度以下であればステップＳ３に進む。
【００４０】
ステップＳ３では、バイパス弁開信号をＯＮとし、バイパス弁２２を切り換えて、起動用燃焼器２１からの流路を、改質部２４側をバイパスして、触媒燃焼器２８側（ミキサー２７）に連通させる。
【００４１】
ステップＳ４では、起動用燃焼器２１への着火用メタノールおよび着火用空気の供給を開始する。これにより、起動用燃焼器２１に供給された着火用メタノールと着火用空気の混合気は、グロープラグ３２が所定時間の通電によりメタノール着火温度以上に昇温されていることで着火して、高温の燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスは、改質部２４側をバイパスして、触媒燃焼器２８側（ミキサー２７）に供給される。
【００４２】
ステップＳ５では、燃焼触媒温度が、あらかじめ定められたバイパスＯＦＦ基準温度以上であるか否かの判定がなされ、燃焼触媒温度がバイパスＯＦＦ基準温度以上となったところで、ステップＳ６に進む。
【００４３】
ステップＳ６では、改質ガス流路切換弁開信号をＯＮとして、改質ガス流路切換弁２６を、ＣＯ除去器２５からの流路をミキサー２７（触媒燃焼器２８側）に連通させる側に切り換える。
【００４４】
ステップＳ７では、バイパス弁開信号をＯＦＦにして、起動用燃焼器２１を改質部２４側の組成調整用ミキサー２３に連通させるように、バイパス弁２２を切り換える。続くステップＳ８では、組成調整用ミキサー２３への組成調整用メタノールおよび補助空気の供給を開始する。これにより、起動燃焼器２１からの燃焼ガスは、組成調整用ミキサー２３において組成および温度を調整され、改質部２４に供給される。改質部２４における改質反応により生成された改質ガスは、ＣＯ除去部２５において一酸化炭素の除去がなされた後、改質ガス流路切換弁２６によりミキサー２７へと導かれる。
【００４５】
一方、ステップＳ２の判定において、燃焼触媒温度がバイパスＯＮ基準温度を超えていた場合には、ステップＳ９に進む。ステップＳ９では、改質ガス流路切換弁２６の切換信号がＯＮとされる。ステップＳ１０では、起動燃焼器２１への着火用メタノールおよび着火用空気の供給が開始される。ステップＳ１１では、組成調整用ミキサー２３への組成調整用メタノールおよび補助空気の供給が開始され、ステップＳ１２に進む。このように、繰り返し起動の場合等、起動初期に既に燃焼触媒温度がバイパスＯＮ基準温度に達していた場合には、燃焼ガスを直ちに改質部２４側に供給したとしても上記のような問題が生じないので、ステップＳ３、ステップＳ５、ステップＳ７の処理が省略される。これにより、起動開始直後から燃焼ガスが改質部２４側に供給され、起動時間が短縮化される。
【００４６】
ステップＳ１２では、蒸発器温度センサ４４で検出される蒸発器２９の温度が、あらかじめ定められた原燃料供給基準温度以上となったか否かの判定がなされ、原燃料供給基準温度以上となったところで、ステップＳ１３に進む。
【００４７】
ステップＳ１３では、蒸発器２９への原燃料水および原燃料メタノールの供給が開始される。蒸発器２９内に導入された原燃料水および原燃料メタノールは、触媒燃焼器２８からの燃焼排ガスの熱で蒸発して、原燃料ガスとなり、改質部２４に供給される。
【００４８】
ステップＳ１４では、原燃料ガス圧力センサ４６により検出される原燃料ガスの圧力が、所定の起動完了基準値（主燃料停止基準値）以上となったか否かの判定がなされ、起動完了基準値以上となったところで、ステップＳ１５に進む。なお、この判定は、原燃料ガス温度センサ４５により検出される原燃料ガスの温度が、所定の起動完了基準値以上となったか否かにより行うようにしてもよい。
【００４９】
ステップＳ１５では、起動燃焼器２１への着火用メタノールおよび着火用空気の供給を停止する。ステップＳ１６では、蒸発器２９への原燃料水および原燃料メタノールの供給流量を調整する。
【００５０】
ステップＳ１７では、ＣＯ濃度センサ３７により検出される改質ガスの一酸化炭素濃度が、所定のＣＯ基準濃度以下となったか否かの判定がなされ、基準濃度以下となったところで、ステップＳ１８に進む。
【００５１】
ステップＳ１８では、改質ガス流路切換弁開信号をＯＦＦとして、改質ガス流路切換弁２６を、ＣＯ除去器２５からの流路を燃料電池スタック１０側に連通させる側に切り換えて、ルーチンを終了する。これにより、起動運転が終了し、燃料電池システムは、改質部２４からの改質燃料を燃料電池スタック１０に供給して発電を行う定常運転へと移行する。
【００５２】
なお、上記制御におけるバイパスＯＮ基準温度、バイパスＯＦＦ基準温度、原燃料供給基準温度、起動完了基準値、ＣＯ基準濃度には、設計事項として、適切な値があらかじめ設定されている。
【００５３】
つぎに、図４、図５のタイミングチャートおよび図６〜図８の説明図を用いて、全体的な作用および効果を説明する。
【００５４】
なお、図４のタイミングチャートには、起動初期にバイパス弁２２により燃焼ガスをバイパスさせる制御を行う場合の動作（図２のフローチャートのステップ３〜ステップＳ８の処理を行う場合の動作）を、また図５のタイミングチャートには、起動初期にバイパス弁２２により燃焼ガスをバイパスさせる制御を行わない場合の動作（図２のフローチャートのステップ９〜ステップＳ１１の処理を行う場合の動作）を、それぞれ示している。また、図６の説明図は起動運転初期（燃焼ガスをバイパスさせる制御を行う場合）におけるガスの流れを、図７の説明図は起動運転中期におけるガスの流れを、図８の説明図は起動運転後期におけるガスの流れを、それぞれ示す。
【００５５】
燃料電池システムが起動されると、グロープラグ３２への通電が開始され、続いて、燃焼触媒温度がバイパスＯＮ基準温度以下であるか否かの判定が行われる（図２のステップＳ１〜ステップＳ２）。
【００５６】
図４に示すように、燃焼触媒温度がバイパスＯＮ基準温度以下であれば、バイパス弁開信号、着火用空気供給信号、着火用メタノール供給信号をＯＮする。これにより、図６に示すように、起動用燃焼器２１に対して着火用空気５１、着火用メタノール５２の供給が開始される。これらの主燃料にグロープラグ３２による着火がなされることにより、起動用燃焼器２１において高温の燃焼ガス５３が生成され、この燃焼ガス５３は、改質部２４側をバイパスして、ミキサー２７に供給される（図２のステップＳ３〜ステップＳ４）。ミキサー２７では、燃焼ガス５３が燃焼用空気５４および燃焼用メタノール５５と混合され、この混合気が触媒燃焼器２８において燃焼触媒により燃焼される。この燃焼排ガス２８は、蒸発器２９に供給され、蒸発器２９の温度上昇に利用された後、排気される。
【００５７】
このように、起動運転の初期段階では、起動用燃焼器２１からの燃焼ガス５３は、改質部２４側をバイパスして、触媒燃焼器２８側に直接供給される。したがって、起動初期における比較的低温の起動燃焼器２１の内壁面に発生したすすは、改質部２４、ＣＯ除去部２５に送り込まれることはなく、このすすによるセル目詰まりが発生することを防止できる。また、起動初期のガス組成が安定していない燃焼ガスによる異常燃焼で、改質触媒が失活してしまうことを防止できる。また、燃焼ガス５３が触媒燃焼器２８側に直接送り込まれ、高温の燃焼ガス５３により燃焼触媒が昇温されるので、燃焼触媒を早期に活性化することができ、排気エミッションを低減できる。さらに、極低温時に燃焼触媒で水分が氷結している場合でも、高温の燃焼ガス５３により水分を融解、気化させることができるので、燃焼触媒の早期活性化を達成できる。
【００５８】
このような初期段階の起動運転により、燃焼触媒温度がバイパスＯＦＦ基準温度以上に高まると、バイパス弁開信号がＯＦＦされ、バイパス弁２２の切り換えにより、起動用燃焼器２１が改質部２４側の組成調整用ミキサー２３に接続される。また、改質ガス流路切換弁開信号がＯＮされ、改質ガス流路切換弁２６の切り換えにより、ＣＯ除去器２５からの流路が、燃料電池スタック１０ではなく、ミキサー２７に接続されるようにする。また、組成調整用空気供給信号および組成用メタノール供給信号がＯＮされ、組成調整用ミキサー２３への組成調整用空気５７および組成調整用メタノール５８（図７参照）の供給が開始される（図２のステップＳ５〜ステップＳ８）。このようにして、起動運転の初期段階が終了し、起動運転は中期段階に入る。
【００５９】
一方、図５に示すように、起動運転開始時に燃焼触媒温度が既にバイパスＯＮ基準温度以上となっている場合（例えば、繰り返し起動の場合等）には、バイパス弁開信号をＯＮする制御は行われず、起動運転の初期段階から、図４における起動運転の中期段階と同様の制御が行われる。すなわち、起動運転開始直後から、改質ガス流路切換弁開信号、着火用空気供給信号、着火用メタノール供給信号、組成調整用空気供給信号、組成調整用メタノール供給信号が、それぞれＯＮされる（図２のステップＳ９〜ステップＳ１１）。このように、繰り返し起動の場合等、燃焼ガス５３を直ちに改質部２４側に供給し始めたとしても問題ない場合には、バイパス弁２２により燃焼ガス５３を改質部２４側をバイパスして触媒燃焼器２８側に導入する処理を省略することにより、起動時間を短縮することができる。
【００６０】
起動運転の中期段階では、図７に示すように、起動用燃焼器２１において着火用空気５１および着火用メタノール５２から生成された燃焼ガス５３は、バイパス弁２２により組成調整用ミキサー２３に導入され、組成調整用空気５７、組成調整用メタノール５８により組成および温度を調整され、改質部２４に導入される。これにより、改質部２４に供給される燃焼ガス５３は、改質触媒が失活しない程度の温度まで冷却され、改質部２４で発熱反応である部分酸化反応をともなう改質を積極的に行わせることが可能なものとすることができる。なお、組成調整用空気５７および組成調整用メタノール５８は、必要に応じて、いずれか一方のみを与えるようにしてもよい。
【００６１】
改質部２４では、改質触媒による改質反応によって、改質ガス５９が生成されこの改質ガス５９は、ＣＯ除去器２５において一酸化炭素の除去がなされた後、ミキサー２７に供給される。改質ガス２９は、ミキサー２７において燃焼用空気５４、燃焼用メタノール５５と混合され、触媒燃焼器２８において燃焼触媒により燃焼される。これにより生成された燃焼排ガスは、蒸発器２９の温度上昇に利用された後、排気される。
【００６２】
このような起動運転中期の制御によって、蒸発器温度が原燃料供給基準温度以上に高まると、起動運転は後期段階に移行し、蒸発器２９への原燃料水供給信号および原燃料メタノール供給信号がＯＮされ、図８に示すように、原燃料水６１および原燃料メタノール６２の蒸発器２９内への供給が開始される（図２のステップＳ１２〜ステップＳ１３）。
【００６３】
原燃料水６１および原燃料メタノール６２は蒸発して原燃料ガス６３となり、改質部２４に導入される。改質部２４に導入された原燃料ガス６３は、改質触媒による改質反応により改質ガス５９となり、ＣＯ除去器２５で一酸化炭素を除去された後、改質ガス流路切換弁２６によってミキサー２７に導かれ、触媒燃焼器２８において燃焼されて、蒸発器２９の昇温のために利用される。なお、起動用燃焼器２１への着火用空気５１および着火用メタノール５２の供給は、原燃料ガス６３の圧力（または温度）が起動完了判定基準値（主燃料停止基準値）に達するまで継続され、原燃料ガス６３の圧力（または温度）が起動完了判定基準値に達したところで、着火用空気供給信号および着火用メタノール供給信号がＯＦＦされる（図２のステップＳ１４〜ステップＳ１６）。
【００６４】
このような起動運転によって、改質ガス５９中の一酸化炭素濃度は低下していく。この一酸化炭素濃度がＣＯ基準値以下となったところで、改質ガス流路切換弁開信号がＯＦＦされ、ＣＯ除去器２５からの流路が燃料電池スタック１０側に切り換えられる。これにより、起動運転が終了し、燃料電池システムは定常運転へと移行する（図２のステップＳ１７〜ステップＳ１８）。
【００６５】
図９、図１０には、本発明の第２の実施の形態を示す。
【００６６】
本実施の形態は、上記第１の実施の形態と比較して、起動運転初期におけるバイパス弁２２の切換制御（バイパス弁開信号のＯＦＦ）を、バイパス弁開信号のＯＮからの所定時間経過に基づいて行う点でのみ異なるもので、その他の点では、構成、制御手順ともに共通するものである。
【００６７】
図９には、本実施の形態における起動時制御の一部をフローチャートで示す。この図９のフローチャートは、上記第１の実施の形態における図２のフローチャートと比較して、図２のステップＳ５がステップＳ５．１に入れ替わった以外は、全く同じものである。また、図９のステップＳ８またはステップＳ１１に引き続いては、図３のフローチャートと全く同様の処理が実行される（したがって図示および説明は省略する）。
【００６８】
上記図２のフローチャートとの相違点を中心に説明すると、ステップＳ２の判定で燃焼触媒温度がバイパスＯＮ基準温度以下であったならば、ステップＳ３でバイパス弁開信号がＯＮされ、ステップＳ４で着火用メタノールおよび着火用空気の供給が開始される。続くステップＳ５．１では、バイパス弁開信号がＯＮされてからの経過時間（あるいは起動開始からの経過時間）が、バイパス作動時間に達したか否かの判定がなされ、基準時間経過したところでステップＳ６以下の処理に進む。すなわち、本実施の形態では、図１０に示すように、バイパス弁開信号のＯＮ（起動開始）からバイパス作動時間経過により、起動運転は初期段階から中期段階に移行する。なお、バイパス作動時間には、設計事項として、あらかじめ適切な一定値が設定されている。
【００６９】
このように、本実施の形態によれば、バイパス弁２２の切換タイミングを、燃焼触媒温度の測定ではなく、バイパス弁２２切り換え後の経過時間に基づいて決定する。したがって、触媒燃焼器２８に設置される燃焼触媒温度センサ３９として応答性の比較的遅い安価なセンサを用いたとしても、起動初期におけるバイパス弁２２の切り換え制御を適切に行うことができ、また制御も簡素化される（バイパスＯＦＦ基準温度との比較が必要なくなる）ので、コスト削減できる。
【００７０】
また、本実施の形態では、起動開始時における燃焼触媒温度を、直接測定するのではなく、推定により算出するようにして、ステップＳ２における燃焼触媒温度がバイパスＯＮ基準温度以下であるか否かの判定を、この推定された燃焼触媒温度をバイパスＯＮ基準温度と比較することにより行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】同じく起動時制御の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】同じく起動時制御の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】同じく燃料電池システムの制御動作（バイパス弁が作動する場合）を示すタイミングチャートである。
【図５】同じく燃料電池システムの制御動作（バイパス弁が作動しない場合）を示すタイミングチャートである。
【図６】同じく起動運転の初期段階におけるガスの流れを示す説明図である。
【図７】同じく起動運転の中期段階におけるガスの流れを示す説明図である。
【図８】同じく起動運転の後期段階におけるガスの流れを示す説明図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態における起動時制御の処理手順を示すフローチャートである。
【図１０】同じく燃料電池システムの制御動作（バイパス弁が作動する場合）を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ コンプレッサー
２ 水タンク
３ メタノールタンク
１０ 燃料電池スタック
１１ カソード電極
１２ アノード電極
２１ 起動用燃焼器
２２ バイパス弁
２３ 組成調整用ミキサー
２４ 改質部
２５ ＣＯ除去器
２６ 改質ガス流路切換弁
２７ ミキサー
２８ 触媒燃焼器
２９ 蒸発器
３３ 燃焼ガス温度センサ
３７ ＣＯ濃度センサ
３９ 燃焼触媒温度センサ
４４ 蒸発器温度センサ
Claims (6)
- 原燃料から水素を含む改質燃料を生成して燃料電池に供給する改質部と、
起動用燃焼ガスを生成して前記改質部に送り込む起動用燃焼器と、
を備えた燃料改質装置において、
前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を、起動運転開始後、前記起動用燃焼ガスの温度が前記起動用燃焼器で発生するすすによって前記改質部の目詰まりを起こさない温度となるまで、前記改質部側に接続されないように切り換える燃焼ガス流路切換手段を備えたことを特徴とする燃料改質装置。 - 原燃料を気化させて原燃料ガスを生成して前記改質部に供給する原燃料蒸発器と、燃料電池からの排ガスを燃焼させて前記原燃料蒸発器に原燃料を気化させるための熱を与える排ガス燃焼器とを備え、前記燃焼ガス流路切換手段は、前記改質部側から切り換えられた前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記排ガス燃焼器側に接続するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
- 前記燃焼ガス流路切換手段は、起動運転開始時に、前記排ガス燃焼器に備えられた燃焼触媒の温度が、流路切換開始の基準温度以下の場合には、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記改質部側から切り換え、前記排ガス燃焼器に備えられた燃焼触媒の温度が、流路切換開始の基準温度以下でない場合には、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記改質部側から切り換えないようにしたことを特徴とする請求項２に記載の燃料改質装置。
- 前記燃焼ガス流路切換手段は、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記改質部側に接続されないように切り換えた後、前記排ガス燃焼器に備えられた燃焼触媒の温度が、流路切換終了の基準温度以上となった時点で、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記改質部側に接続するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の燃料改質装置。
- 前記燃焼ガス流路切換手段は、前記起動用燃焼器からの起動用燃焼ガスの流路を前記改質部側に接続されないように切り換えた後、基準時間が経過した時点で、この流路を再び前記改質部側に接続するようにしたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の燃料改質装置。
- 前記起動用燃焼器から前記改質部に供給される起動用燃焼ガスの組成および温度を調整する燃焼ガス調整手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の燃料改質装置。
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