JP4153958B2 - 燃料電池用改質装置およびその起動方法 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池用改質装置に関し、特に燃料電池システム停止に伴い改質器の内部が負圧化する燃料電池用改質装置およびその起動方法に関する。

特許文献１には、燃料電池システムの停止時に、燃料電池は封止された状態にあるため、燃料電池の内部の圧力を燃料電池の外部の圧力以上に設定する燃料電池システムが開示されている。これにより燃料電池の内部に担持されている触媒を、大気に含まれる被毒物質から保護することにしている。

特許文献２には、燃料電池システムで用いられている改質装置が開示されている。この改質装置は、原料ガスと水蒸気とを反応させて燃料ガスを生成する改質器と、原料ガスを改質器に供給する燃料原料供給通路と、水系原料として水蒸気を改質器に供給する水系原料供給経路とを備えている。燃料電池システム停止時において、改質器は密閉状態のまま高温状態から冷却されるため、改質器の内部が負圧化する。

特許文献２によれば、改質器の負圧化を抑制すべく、燃料電池システムを停止させるとき、燃料ガスを改質器の内部に封入しておく。これにより燃料電池システムの停止時において改質器が密閉状態のまま冷却されるときであっても、改質器の内部の負圧化が抑えられる。そして停止している改質装置を起動させるにあたり、原料水から蒸発器により水蒸気を生成し、その水蒸気を改質器の内部に供給し、改質器の内部に封入されている原料ガスを追い出す。これにより改質器の内部を原料ガスから水蒸気に置換させる。改質器の温度が上昇して改質処理開始温度に到達するまで、改質器の内部に、水蒸気を封入しておく。

その理由としては、原料ガスが改質器の内部に封入されたままの状態で、改質器が改質処理開始温度まで加熱されると、その間に原料ガスが熱分解して炭素成分が改質器の改質触媒に付着し、改質触媒の機能を低下させるおそれがあるからである。ここで、水蒸気は、炭化水素系の原料ガスと異なり、加熱されても炭素を生成しないので、改質器の改質触媒に対して保護作用を果たす保護流体として機能することができる。そして、改質器の温度が上昇して改質処理開始温度に到達すると、原料ガスを改質器の内部に供給すると共に、水蒸気を改質器の内部に供給し、水蒸気を利用して原料ガスを改質反応させ、水素リッチな燃料ガスを生成する。
特開２００５−２６７９１０号公報 特開２００２−３５６３０５号公報 特開２００５−７１９３４号公報

ところで、上記した特許文献２に係る改質器装置によれば、燃料電池システム停止に伴い改質器の温度が高温状態（例えば３００〜８００℃程度）から常温域まで低下する。改質器の温度低下は長時間にわたる。このように改質器の温度が長時間にわたり次第に低下するため、改質器の内部に燃料原料を供給する制御を、改質器の温度が常温域付近に到達するまで、長時間にわたり実行する必要がある。即ち、燃料電池システムの停止後に、改質器の温度の監視、燃料原料を開放するバルブの制御を長時間にわたり実行する必要があり、制御が複雑化する不具合がある。

そこで、燃料電池システム停止に伴い改質器の内部が負圧化され、システムの起動時まで負圧化が継続する方式の改質装置が近年開発されている。このものによれば、燃料電池システムの運転が停止されると、改質器が密閉状態とされた状態で、加熱状態から冷却されるため、改質器の内部が負圧化され、改質器の内部の負圧状態がシステムの起動時まで継続する。

このものによれば、改質器を起動させるとき、水系原料供給経路から、水蒸気を改質器に供給し、改質器の負圧を解除する方式が採用されている。水蒸気は原料ガスと異なり、改質器の改質触媒に与える影響が少ないため、保護流体として機能する。

しかしながら、負圧化されている改質器に水蒸気を供給することにしているものの、負圧による吸引力がかなり強いため、保護流体として機能する水蒸気の流量の制御が容易ではなく、水蒸気が過剰に改質器に供給される不具合が発生するおそれがある。場合によっては、負圧による吸引力が強いため、水蒸気になる前の液体としての原料水が改質器に過剰に供給されてしまうおそれがある。このような場合、改質器内部の触媒の活性度が水により低下するおそれがあり、改質器の円滑な立ち上がりを確保するには限界がある。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、起動時において、負圧によって水蒸気が改質器に過剰に供給される不具合を抑えるのに有利な燃料電池用改質装置およびその起動方法を提供することを課題とする。

（ｉ）様相１に係る燃料電池用改質装置は、運転時にガス状の燃料原料と、水系原料とを反応させて燃料ガスを生成すると共に、運転停止に伴い内部が負圧化される改質器と、改質器に繋がるように設けられ運転時に燃料原料を改質器に供給する燃料原料供給通路と、改質器に繋がるように設けられ運転時に加熱により水蒸気を生成する水系原料を改質器に供給する水系原料供給経路とを具備する改質装置において、
改質装置の起動時に、改質器に設けられている改質触媒を保護する水蒸気を改質器に供給して改質器の内部のガスを水蒸気でパージして置換する保護操作を実行し、且つ、保護操作を実行する前に、ガス状の燃料原料および不活性ガスのうちの少なくとも一つを改質器に供給することにより、改質器の内部の負圧度を低減し改質器への水蒸気の過剰供給を抑制する負圧度低減操作を実行する制御部が設けられていることを特徴とする。

（ｉｉ）様相２に係る燃料電池用改質装置の起動方法は、運転時にガス状の燃料原料と水系原料とを反応させて燃料ガスを生成すると共に、運転停止に伴い内部が負圧化される改質器と、改質器に繋がるように設けられ運転時に燃料原料を改質器に供給する燃料原料供給通路と、改質器に繋がるように設けられ運転時に加熱により水蒸気を生成する水系原料を改質器に供給する水系原料供給経路とを具備する燃料電池用改質装置の起動方法において、
改質装置の起動時に、改質器に設けられている改質触媒を保護する水蒸気を改質器に供給すると共に改質器の内部のガスを水蒸気でパージして置換する保護操作を実行し、
保護操作を実行する前に、ガス状の燃料原料および不活性ガスのうちの少なくとも一つを改質器に供給することにより、改質器の内部の負圧度を低減し改質器への水蒸気の過剰供給を抑制する負圧度低減操作を実行することを特徴とする。

（ｉｉｉ）各様相によれば、改質装置の起動時において、改質器を保護する水蒸気（保護流体）を改質器の内部に供給する保護操作を実行する。これにより改質器の内部が改質開始温度まで昇温されるとき、改質器の内部は、炭素を生成しない水蒸気（保護流体）により保護される。特に、改質器に担持されている改質触媒と燃料原料との長時間にわたる接触が回避されるため、改質器の改質触媒は、炭素を生成しない水蒸気（保護流体）により保護される。

ここで、各様相によれば、保護操作に先だって、改質装置の内部の負圧度を低減または解消する負圧度低減操作を実行する。このため、水蒸気（保護流体）を改質器に供給するときには、改質装置の内部の負圧度は低減または解消されている。このため水蒸気（保護流体）が改質装置に短時間のうちに過剰に引き込まれる不具合が改善される。

本発明によれば、水蒸気（保護流体）が改質装置に短時間のうちに多量に引き込まれる不具合が改善される。

改質装置は、改質器と、燃料原料供給通路と、水系原料供給経路とを備えている。改質器は、運転時に燃料原料と水系原料とを反応させて燃料ガスを生成すると共に、運転停止に伴い内部が負圧化される。ここで、改質器の上流には入口バルブが設けられており、改質器の下流には出口バルブが設けられている形態が例示される。燃料電池システムの停止時に入口バルブおよび出口バルブが閉鎖すれば、改質器の密閉化が図られる。これにより改質器の内部に対する外気の進入が防止され、燃料電池システムの停止中において外気と改質器の内部とが長時間にわたり接触することが抑制される。

燃料原料供給通路は、改質器に繋がるように設けられており、運転時に改質のために燃料原料を改質器に供給する。水系原料供給経路は、改質器に繋がるように設けられており、運転時に改質のために水系原料を改質器に供給する。制御部は、燃料原料供給通路および水系原料供給経路を制御する。

水系原料としては水または水蒸気が採用される。燃料原料としてはガス状とする。燃料原料としては炭化水素系の原料ガスが例示される。このように燃料原料としては炭化水素系が例示され、天然ガス、都市ガス等でも良い。例えば燃料原料がメタンガスであるときには、改質器では次の（１）の改質反応により、水素ガスを含む燃料ガスが生成される。
（１）…ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ _２

制御部は、改質装置の起動時において、水蒸気（保護流体）を改質器に供給する保護操作を実行し、且つ、保護操作に先だって、改質装置の内部の負圧度を低減または解消する負圧度低減操作を実行する。このように水蒸気（保護流体）を改質器に供給するに先だって、改質装置の内部の負圧度を低減する負圧度低減操作が実行される。このため、水蒸気（保護流体）を改質器に供給するときには、改質装置の内部の負圧度は既に低減または解消されている。このため水蒸気（保護流体）が改質装置に短時間のうちに過剰に引き込まれる不具合が改善される。

保護流体は改質器を保護する流体を意味する。保護流体としては、起動時に改質器が加熱されるとき、燃料原料よりも炭素を発生させないか少ない流体を意味する。殊に、保護流体としては、改質器に担持されている改質触媒を保護する流体が好ましい。保護流体としては水蒸気が採用される。

保護流体が水蒸気であるため、保護操作にあたり、水蒸気を改質器に供給する。水蒸気を改質器に供給するに先立って、改質装置の内部の負圧度を低減または解消する負圧度低減操作が実行される。このため、水蒸気が改質器の内部に短時間のうちに過剰に引き込まれる不具合が改善される。これにより改質器の内部が水蒸気により過剰に濡れる不具合が改善される。

負圧度低減操作としては、燃料原料がガス状である場合には、ガス状の燃料原料および不活性ガスのうちの少なくとも一つを改質器に供給して改質装置の内部の負圧度を低減する形態が採用される。

ここで、燃料原料がガス状の場合、負圧低減操作用の流体として、ガス状の燃料原料や不活性ガスなどを使用することができる。

改質装置の定常運転の前に起動運転が行われるため、起動運転の時間は定常運転の時間に比較して短い。そして起動運転は改質器を保護流体で保護する保護操作を主としており、負圧度低減操作の時間は更に短い。このため負圧度低減操作において、燃料原料を用いたとしても、改質器に与える影響は少ない。このため燃料原料を改質器の内部に供給することにより改質器の負圧を低減または解消させても良い。

また、負圧度低減操作は、燃料原料供給通路のバルブを開放することにより、燃料原料供給通路を介して燃料原料を改質器の内部に自然に吸入させることにより行い得る。自然吸入であるため、ブロア、ファン、コンプレッサ等の搬送要素を駆動させずとも良い。

また、燃料原料供給通路は、定常運転時に燃料原料を改質器に供給するために使用するとともに圧損発生機器を有する主経路と、主経路に対して並列に配置され開閉可能なバルブを有する起動時用のバイパス経路とを備えており、バイパス経路は主経路よりも圧損が少ない形態が例示される。バイパス経路については、主経路に比較して圧損が少ないため、バイパス経路を利用してガス状の燃料原料を改質器の内部に自然吸入させるのに適する。

以下、本発明の実施例１について図１〜図４を参照して説明する。本実施例に係る改質装置は、燃料原料に対して改質反応を行って燃料ガスを生成する改質器２と、改質器２の入口２ｉに繋がるように設けられた燃料原料供給通路３と、改質器２の入口２ｒに繋がるように設けられた水系原料供給経路５と、制御部６とを備える。制御部６は、燃料原料供給通路３および水系原料供給経路５を制御する。よって制御部６は、燃料原料供給通路３に装備されている機器、水系原料供給経路５に装備されている機器を制御する。

図２は改質器２の内部構造を模式的に示す。図２に示すように、改質器２は、燃焼部２０と、燃焼部２０を包囲する筒形状の改質部２１と、燃焼部２０で燃焼した排ガスを通過させる燃焼排ガス通路２２と、燃焼排ガス通路２２の外側に配置され燃焼排ガスで加熱される蒸発器２３と、蒸発器２３の外側に配置されたＣＯ浄化部２４と、改質部２１の温度を検知する温度センサ２９とをもつ。

改質部２１は、改質反応を生成させる改質通路２６と、燃料原料を改質通路２６に供給する入口２ｉとをもつ。改質通路２６は内側通路２６１と外側通路２６２とで形成されている。改質部２１には改質反応を促進させる改質触媒２５が担持されている。改質触媒２５としては、銅系、亜鉛系、ニッケル系等の金属系、あるいは、ルテニウム、白金、ロジウム系の貴金属系が例示されるが、これらに限定されるものではない。

燃料原料供給通路３は、運転時に改質のために燃料原料源３８からガス状の燃料原料（炭化水素系の原料ガス）を改質器２に供給するものである。燃料原料供給通路３は、燃料原料源３８と改質器２の入口２ｉとを繋ぐ主経路３０と、主経路３０に並列に設けられた燃焼経路４０とを備えている。燃焼経路４０は燃料原料源３８および燃焼部２０の入口２０ｉに連通する。主経路３０には、これの上流から下流にかけて、燃料原料源３８、元栓バルブ３３と、脱硫器３４と、原料ガスポンプ３５と、流量計３６と、入口バルブ３７とが順に設けられている。元栓バルブ３３は２個直列に配置されたバルブ３３ａ，３３ｃで形成されている。燃焼経路４０にはこれの上流から下流にかけて燃焼ガスポンプ４２、流量計４３が順に設けられている。

改質器２の出口２ｐと燃料電池のスタック７０の入口７０ｉとを繋ぐ燃料ガス経路７が設けられている。燃料ガス経路７は、改質部２１で改質された燃料ガスを燃料電池のスタック７０に供給する。燃料電池のスタック７０には酸化剤ガス通路７１から酸化剤ガスが供給され、発電反応により電気エネルギが生成される。燃料ガス経路７は、改質器２の出口２ｐ側を開閉する出口バルブ７２と、改質器２の内圧Ｐ１を検知する圧力センサ７３とを備えている。

水系原料供給経路５は、運転時に改質反応のために水系原料を改質器２に供給するものである。水系原料供給経路５には、これの上流から下流にかけて、原料水源５０、原料水ポンプ５１、流量計５２、給水バルブ５３、蒸発器２３の順に配置されている。図２に示すように、蒸発器２３は改質部２１と一体的に接近して設けられており、蒸発器２３と改質部２１との間にバルブ等を設けるスペースはない。

改質器２のＣＯ浄化部２４に繋がるＣＯ浄化経路８が設けられている。ＣＯ浄化経路８には、これの上流から下流にかけて、空気ポンプ８０と、流量計８１と、空気バルブ８２とが設けられている。ＣＯ浄化経路８から改質器２のＣＯ浄化部２４に供給される空気に含まれている酸素によりＣＯを酸化させて二酸化炭素（ＣＯ２） とする。これにより改質器２で改質された改質ガスに含まれているＣＯ成分が除去される。

燃料電池のスタック７０の定常運転時には、元栓バルブ３３が開放している状態で、燃焼ガスポンプ４２が作動し、燃料原料源３８からガス状の燃料原料が燃焼部２０に供給される。これにより燃焼部２０で燃焼反応が発生し、改質器２の改質部２１および蒸発器２３が高温に加熱されている。更に、入口バルブ３７および出口バルブ７２が開放している状態で、原料ガスポンプ３５が作動する。この結果、燃料原料源３８からガス状の燃料原料が改質器２の改質部２１に供給される。更に、水系原料供給経路５において、給水バルブ５３が開放している状態で、原料水ポンプ５１が作動するため、液体としての水系原料が給水バルブ５３を介して蒸発器２３に供給される。蒸発器２３は高温に加熱されているため、液体としての水系原料は蒸発器２３において加熱されて水蒸気となり、水蒸気として改質部２１に供給される。この結果、改質部２１では、水蒸気を利用した改質反応が燃料原料に対して行われ、水素リッチな燃料ガスとなる。

水素リッチな改質ガスはＣＯ浄化部２４に送られる。ＣＯ浄化部２４では、改質ガスに含まれているＣＯを酸化させて除去する。ＣＯ除去された改質ガス（燃料ガス）は、改質器２の出口２ｐから燃料ガス経路７を介して燃料電池のスタック７０に供給され、酸化剤ガスと共にスタック７０において発電反応に使用される。

燃料電池のスタック７０の発電運転を停止させると、改質装置１も停止する。この場合、元栓バルブ３３、入口バルブ３７、出口バルブ７２、給水バルブ５３、ＣＯ浄化バルブ８２が閉鎖される。これにより改質部２１の内部は密閉状態に閉鎖される。改質装置１を停止させるとき、改質部２１の内部を密閉状態とする理由としては、外気が改質部２１の内部に進入することを防止し、改質部２１に担持されている改質触媒２５と外気との長時間にわたる接触を避け、改質部２１の改質触媒２５を保護するためである。

このように燃料電池システムの運転停止に伴い、密閉状態のまま暖かい改質器２が放置されて冷却される。このため、改質器２が停止されると、改質器２の内部は次第に低圧となり、負圧化される。例えば、改質器２の内圧は、改質器２の周辺環境の圧力（大気圧）に対してマイナス数１０ｋＰａ程度の負圧とされる。

さて、燃料電池システムを起動させるときについて説明を加える。燃料電池システムの起動時には、制御部６は、負圧化されていた改質装置１を起動させる。以下、制御部６による制御を説明する。負圧化されていた改質装置１の起動時において、元栓バルブ３３および入口バルブ３７が開放する。これにより燃料原料供給通路３の主経路３０を介して燃料原料源３８と改質部２１とが連通する。このため、ガス状の燃料原料が燃料原料源３８から主経路３０を介して入口２ｉから改質部２１に自然吸入される。自然吸入される燃料原料は脱硫器３４（燃料原料の浄化器）で脱硫されているため、改質部２１に悪影響を与えない。この場合、改質部２１の内部は既に負圧化されているため、改質部２１の内部と元栓バルブ３３側との差圧により、ガス状の燃料原料は改質部２１に良好に自然吸入される。差圧が大きいほど、燃料原料は改質部２１に良好に自然吸入される。この結果、改質部２１の内部の負圧の度合が低減または解消される。これが本実施例で実行される負圧度低減操作である。この場合、燃焼ガスポンプ４２は作動していない。また、上記した負圧度低減操作では出口バルブ７２が閉鎖されている。また、給水バルブ５３，ＣＯ浄化バルブ８２も閉鎖されている。

改質部２１の内部と元栓バルブ３３側との差圧がなくなれば、ガス状の燃料原料が改質部２１に自然吸入されることが停止される。自然吸入であるため、原料ガスポンプ３５は駆動しておらず、停止状態であり、省エネルギ化に有利である。この場合、改質部２１の内圧は、基本的には、燃料原料の元栓バルブ３３側の圧力に対応するものと推察される。このようにガス状の燃料原料が改質部２１に自然吸入されることにより、改質部２１の内部の負圧の度合が低減または解消される。負圧度低減操作が終了すると、入口バルブ３７を閉鎖し、負圧度低減操作を終了する。

ここで、負圧度低減操作において負圧の度合が低減または解消されると、蒸発器２３から液状の水が改質部２１にほとんど供給されない負圧の度合となることを意味する。改質装置の構造にもよるが、例えば、改質部２１内の圧力を、−１０ｋＰａゲージ圧以上、−３ｋＰａゲージ圧以上、大気圧以上とすることが望ましい。

上記したように制御部６は負圧度低減操作を終了すると、改質装置１の通常の起動操作を行う。即ち、燃焼ガスポンプ４２が作動し、ガス状の燃料原料を燃焼経路４０から燃焼部２０に供給し、燃焼部２０を着火させ、燃料原料を燃焼ガスとして燃焼部２０で燃焼させる。これにより燃焼部２０により改質部２１および蒸発器２３が加熱され、次第に高温とされる。

その後、蒸発器２３が所定温度以上になった頃、改質部２１の負圧は解除されているため、水系原料供給操作を実行する。この場合、制御部６は給水バルブ５３を開放し、原料水源から水系原料供給経路５を介して液体としての水系原料を蒸発器２３に供給する。これにより蒸発器２３で水蒸気が形成され、その水蒸気は改質部２１に供給される。このため、水蒸気により改質部２１内がパージされる。

図３は起動時におけるタイミングチャートの一例を示す。図３の横軸は時間を示す。左側の縦軸は改質部２１の内圧Ｐ１、改質部に流れるガス状の燃料原料の流量を示す。右側の縦軸はバルブ作動の開閉を示す。時刻ｔ１〜ｔ２において、元栓バルブ３３および入口バルブ３７が閉鎖している。時刻ｔ２において元栓バルブ３３および入口バルブ３７が開放される。この時点では、出口バルブ７２は閉鎖されている。このように元栓バルブ３３および入口バルブ３７が開放されると、特性線Ａ１に示すように、ガス状の燃料原料が改質部２１に自然吸入される。このように燃料原料が自然吸入されると、特性線Ａ２に示すように、負圧化されていた改質部２１の内圧は次第に増加し、改質部２１の負圧度が次第に低減される。このように改質部２１の負圧度が次第に低減されるので、元栓バルブ３３側と改質部２１の内部との差圧が低下するため、特性線Ａ１に示すように、燃料原料源３８から改質部２１へと流れる単位時間あたりのガス状の燃料原料の流量は、次第に低下する。その後、時刻ｔ５において元栓バルブ３３を開放させたまま、入口バルブ３７を閉鎖する。

その後、給水バルブ５３を開放させて水系原料供給操作を実行し、水蒸気を改質部２１の内部に供給する。

図４は、改質装置１の起動時において制御部６が実行するフローチャートの一例を示す。フローチャートはこれに限定されるものではない。図４に示すように、元栓バルブ３３および入口バルブ３７を開放する（ステップＳ２）。所定時間待機している間に（ステップＳ４）、燃料原料を改質部２１の内部に自然吸入させる。その後、入口バルブ３７を閉鎖して自然吸入を停止させる（ステップＳ６）。次に、燃焼ガスポンプ４２を作動させる（ステップＳ８）。次に燃焼部２０を着火させる（ステップＳ１０）。燃焼部２０の着火を確認した後（ステップＳ１０）、改質部２１の現在温度Ｔを読み込む（ステップＳ１４）。着火操作後の改質部２１の現在温度Ｔが上昇してしきい値温度Ｔｍに到達していなければ、読み込みを継続する。改質部２１の現在温度Ｔがしきい値温度Ｔｍに到達していれば、燃料原料から炭素がかなりの頻度で生成する現象が近づいているので、原料水を供給するバルブ５３を開放する（ステップＳ１８）。これにより蒸発器２３で水蒸気を生成し、その水蒸気を改質部２１の内部に供給し、改質部２１の内部を燃料原料から水蒸気に置換させる。

ここで、しきい値温度Ｔｍは、炭化水素系の燃料原料の熱分解により炭素成分がかなりの確率で発生し、その炭素成分が改質部２１の改質触媒２５に付着する炭素発生温度よりも、所定温度ΔＴ低い温度に設定されている。この結果、起動時には、炭素生成可能なガス状の燃料原料が改質部２１の内部に供給されるものの、改質部２１の温度が燃料原料の炭素発生温度に到達するまでの間に、つまり、改質部２１の温度が上昇してしきい値温度Ｔｍに到達すれば、改質部２１の内部は燃料原料から水蒸気に置換される。このため、改質部２１の内部に残留していた燃料原料から発生した炭素により改質触媒２５の機能低下が発生することが防止される。

以上説明したように本実施例によれば、燃料電池発電運転システムの停止に伴い、改質器２の内部は負圧化されている。このため改質装置１が常温領域付近まで冷却されるまでの間、改質部２１を内圧を高める操作を長時間にわたり継続せずとも良く、システム停止時における制御が簡素化される。

更に、改質装置１の起動時には改質器２の内部が負圧化されているものの、制御部６は、改質器２に対して水系原料供給操作（保護操作）を実行するに先だって、負圧度低減操作を実行し、改質器２の改質部２１の内部の負圧度を低減または解消する。このため改質部２１に対して水系原料供給操作（保護操作）を実行する段階では、改質部２１の負圧の度合は低減または解消されている。故に、改質部２１の負圧の影響で、水蒸気（保護流体）が改質部２１に過剰に供給されることが抑制または防止される。このため改質装置１の起動時に、改質部２１が過剰に濡れることが防止される。

蒸発器２３が充分に暖まっていれば、水系原料は蒸発器２３で速やかに水蒸気となる。このため、水蒸気で改質部２１が過剰に濡れることが防止される。また、蒸発器２３が充分に暖まっていない場合においても、改質部２１の内部の負圧は低減または解消されているため、液体としての水系原料が蒸発器２３を介して改質部２１に過剰に供給されることが抑制または防止される。このため、改質装置１の起動時に、改質部２１が過剰に濡れることが防止される。この結果、本実施例によれば、改質装置１の立ち上がりを良好に行うことができる。

上記した負圧度低減操作を実行するにあたり、燃料電池システムに供給される燃料ガスとなるガス状の燃料原料を用いる。このため、不活性ガスを貯蔵する貯蔵タンクなどを改質装置１に別途搭載せずとも良く、改質装置１の小型化に貢献できる。

また、万一、改質部２１の昇温過程において、負圧度低減操作において改質部２１に供給したガス状の燃料原料が高温状態の改質部２１の内部に長時間にわたり残留していると、燃料原料の熱分解により発生した炭素成分が改質部２１の改質触媒２５に付着することがある。この場合、改質部２１に担持されている改質触媒２５の機能が充分に発揮されないおそれがある。この点本実施例によれば、負圧度低減操作により燃料原料を改質部２１の内部に自然吸入させて改質部２１の負圧を低減または解除するものの、改質部２１の負圧が低減または解除された後には、制御部６は、速やかに水系原料供給操作（保護操作）を実行する。従って、ガス状の燃料原料が封入されている改質部２１に水蒸気を速やかに供給し、負圧低減操作で改質部２１に供給されていたガス状の燃料原料を改質部２１から追い出して、改質部２１の内部を水蒸気に置換させる。具体的には、改質装置１の起動にあたり、改質部２１を昇温させる過程において、ガス状の燃料原料から炭素成分が発生する炭素発生温度に改質部２１の温度が到達するまでに、水蒸気を改質部２１に供給することにより、改質部２１の内部の燃料原料を水蒸気に置換させる。このため、ガス状の燃料原料の熱分解により発生した炭素成分が改質部２１の改質触媒２５に付着することが抑制または防止される。この結果、改質部２１に担持されている改質触媒２５の機能を長期にわたり良好に維持することができる。

なお、ガス状の燃料原料から炭素が発生する炭素発生温度（炭素析出温度）は、燃料原料の組成や触媒などによって異なる。燃料として天然ガス１３Ａを用い、水蒸気改質触媒を用いた場合における炭素発生温度（触媒温度）は約２００〜４００℃にある。

燃焼部２０の燃焼は、改質部２１の炭素発生温度に到達する前に、蒸発器２３で水蒸気を発生させ、その水蒸気で改質部２１内がパージされるように制御される。これらは負圧度低減操作において燃料原料を使用した場合であり、不活性ガスを使用する場合には考慮する必要がない。なお、上記した負圧低減操作で供給された燃料原料を水蒸気により改質部２１から追い出すにあたり、改質部２１の出口側の出口バルブ７２を開放させる。

図５は実施例２を示す。本実施例は実施例１と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。本実施例においても、燃料電池システムの発電運転の停止後の放置により、改質器２の改質部２１は密閉されたまま高温状態から冷却されるため、改質部２１の内部は負圧化されている。改質装置１を起動させるにあたり、制御部６は、まず、改質器２の改質部２１の内部の負圧度を低減または解消する負圧度低減操作を実行する。負圧度低減操作を実行するにあたり、原料ガスポンプ３５、流量計３６、入口バルブ３７の構造によっては、原料ガスポンプ３５、流量計３６、入口バルブ３７のガス流過抵抗が高く、圧損が大きいことがある。原料ガスポンプ３５、流量計３６、入口バルブ３７は、圧損発生機器として機能する。この場合、元栓バルブ３３および入口バルブ３７が開放しても、ガス状の燃料原料が改質部２１の入口２ｉに良好に自然吸入されないおそれがある。

そこで本実施例によれば、燃料原料供給経路３は、主経路３０に対して並列に設けられたパイパス経路９０を備えている。パイパス経路９０はバイパスバルブ９１をもつ。パイパス経路９０の上流端９０ｕは、主経路３０のうち原料ガスポンプ３５の上流で脱硫器３４の下流に繋がれている。パイパス経路９０の下流端９０ｄは、主経路３０のうち入口バルブ３７の下流に繋がれている。よって図４に示すように、パイパス経路９０は、上記した圧損発生機器としての原料ガスポンプ３５、流量計３６、入口バルブ３７を迂回している。故にパイパス経路９０の圧損は主経路３０の圧損よりも小さくされている。

本実施例によれば、負圧度低減操作を実行するにあたり、バイパスバルブ９１を開放させる。この結果、原料ガスポンプ３５、流量計３６、入口バルブ３７の圧損が大きいとしても、パイパス経路９０によりガス状の燃料原料が良好に改質部２１に自然吸入される。負圧度低減操作を終えて通常の操作に移行したら、バイパスバルブ９１を閉鎖する。そして、制御部６は、速やかに水系原料供給操作（保護操作）を実行する。従って、ガス状の燃料原料が封入されている改質部２１に水蒸気を速やかに供給し、負圧低減操作で改質部２１に供給されていたガス状の燃料原料を改質部２１から追い出して、改質部２１の内部を水蒸気に置換させる。

図６は実施例３を示す。本実施例は実施例１と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。図６に示すように、燃料原料供給経路の主経路３０において、原料ガスポンプ３５に代えて、ガス流量調整弁９４が設けられている。起動時における負圧度低減操作において、ガス流量調整弁９４が開放される。定常運転においても、ガス流量調整弁９４が開放される。

本実施例においても、燃料電池発電運転システムの停止に伴い、改質器２の内部は負圧化されているものの、実施例１と同様に、制御部６は、改質器２に対して水系原料供給操作（保護操作）を実行するに先だって、負圧度低減操作を実行し、改質器２の改質部２１の内部の負圧度を低減または解消する。このため水系原料供給操作（保護操作）を実行する段階では、改質部２１の負圧の度合は低減または解消されている。故に、改質部２１の負圧の影響で、水蒸気（保護流体）が改質部２１に過剰に供給されることが抑制または防止される。このため改質装置１の起動時に、改質部２１が過剰に濡れることが防止される。

図７は実施例４を示す。本実施例は実施例１と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。本実施例は、燃料原料供給経路３の燃料原料の元圧が高い場合に対処する。燃料原料供給経路３の主経路３０において、元栓バルブ３３の下流には、燃料原料の元圧を低下させるための減圧機能をもつ圧力調整弁９７が設けられている。圧力調整弁９７と並列に第２バイパス経路９０Ｂが設けられている。燃料電池の定常運転時には、第２バイパスバルブ９１Ｂを開放させ、第２バイパス経路９０Ｂを介して高圧のガス状の燃料原料を改質器２に供給する。なお、３５Ｘ、４２Ｘは流量制御バルブである。

改質装置１の起動時において、負圧度低減操作を実行するにあたり、改質器２の内部が負圧であるため、ガス状の燃料原料が急激に改質器２の内部に流入するおそれがある。この場合、ガス状の燃料原料が改質器２の耐圧限界以上に改質器２の内部に流入するおそれがある。そこで、改質装置１の起動時において、負圧度低減操作を実行するにあたり、第２バイパスバルブ９１Ｂを閉鎖させ、圧力調整弁９７を開放させる。圧力調整弁９７によりガス状の燃料原料の圧力を低下させる。そして低下させたガス状の燃料原料を改質部２１に供給し、改質部２１の内部の負圧化を低減または回避させる。このように起動時には、圧力調整弁９７により圧力を低下させたガス状の燃料原料を改質部２１に供給するため、燃料原料が改質器２の耐圧限界以上に改質器２の内部に流入することが防止される。

その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。

本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用等の燃料電池システムに利用できる。

実施例１に係り、燃料電池用改質装置を模式的に示す配管図である。 改質器の内部を模式的に示す断面図である。 改質装置の起動時のタイミングチャートである。 制御部が起動時に実行するフローチャートである。 実施例２に係り、燃料電池用改質装置を模式的に示す配管図である。 実施例３に係り、燃料電池用改質装置を模式的に示す配管図である。 実施例４に係り、燃料電池用改質装置を模式的に示す配管図である。

符号の説明

１は改質装置、２は改質器、２０は燃焼部、２１は改質部、３は燃料原料供給通路、３０は主経路、３５は原料ガスポンプ（圧損発生機器）、３６は流量計（圧損発生機器）、３７は入口バルブ（圧損発生機器）、４０は燃焼経路、３３は元栓バルブ、５は水系原料供給経路、５１は原料水ポンプ、５３は給水バルブ、６は制御部を示す。

Claims (6)

1. 運転時にガス状の燃料原料と、水系原料とを反応させて燃料ガスを生成すると共に、運転停止に伴い内部が負圧化される改質器と、前記改質器に繋がるように設けられ運転時に前記燃料原料を前記改質器に供給する燃料原料供給通路と、前記改質器に繋がるように設けられ運転時に加熱により水蒸気を生成する前記水系原料を前記改質器に供給する水系原料供給経路とを具備する燃料電池用改質装置において、
   前記改質装置の起動時に、前記改質器に設けられている改質触媒を保護する水蒸気を前記改質器に供給すると共に前記改質器の内部のガスを水蒸気でパージして置換する保護操作を実行し、且つ、
   前記保護操作を実行する前に、ガス状の前記燃料原料および不活性ガスのうちの少なくとも一つを前記改質器に供給することにより、前記改質器の内部の負圧度を低減し前記改質器への前記水蒸気の過剰供給を抑制する負圧度低減操作を実行する制御部が設けられていることを特徴とする燃料電池用改質装置。
2. 請求項１において、前記負圧度低減操作は、前記燃料原料供給通路のバルブを開放することにより、前記燃料原料供給通路を介して前記燃料原料を前記改質器の内部に自然に吸入させることを特徴とする燃料電池用改質装置。
3. 請求項１または２において、前記燃料原料供給通路は、定常運転時に前記燃料原料を前記改質器に供給するために使用されるとともにガスポンプ、流量計、バルブのうちの少なくとも一つからなる圧損発生機器を有する主経路と、前記主経路に対して並列に配置され開閉可能なバルブを有する起動時用のバイパス経路とを備えており、
   前記バイパス経路は前記主経路よりも圧損が少ないことを特徴とする燃料電池用改質装置。
4. 請求項１〜３のうちのいずれか一項において、前記改質器の上流には入口バルブが設けられており、前記改質器の下流には出口バルブが設けられていることを特徴とする燃料電池用改質装置。
5. 請求項１〜４のうちのいずれか一項において、前記改質装置の起動時に前記改質器に供給された前記燃料原料の熱分解により炭素成分が発生するめやすとなるしきい値温度が設定されており、
   前記制御部は、前記改質装置の起動時に前記改質器の現在温度が上昇して前記しきい値温度に到達するとき、前記水蒸気を前記改質器の内部に供給すると共に前記改質器の内部のガスを前記水蒸気でパージして置換する前記保護操作を実施することを特徴とする燃料電池用改質装置。
6. 運転時にガス状の燃料原料と、水系原料とを反応させて燃料ガスを生成すると共に、運転停止に伴い内部が負圧化される改質器と、前記改質器に繋がるように設けられ運転時に前記燃料原料を前記改質器に供給する燃料原料供給通路と、前記改質器に繋がるように設けられ運転時に加熱により水蒸気を生成する前記水系原料を前記改質器に供給する水系原料供給経路とを具備する燃料電池用改質装置の起動方法において、
   前記改質装置の起動時に、前記改質器に設けられている改質触媒を保護する水蒸気を前記改質器に供給すると共に前記改質器の内部のガスを水蒸気でパージして置換する保護操作を実行し、且つ、
   前記保護操作を実行する前に、ガス状の前記燃料原料および不活性ガスのうちの少なくとも一つを前記改質器に供給することにより、前記改質器の内部の負圧度を低減し前記改質器への前記水蒸気の過剰供給を抑制する負圧度低減操作を実行することを特徴とする燃料電池用改質装置の起動方法。

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