JP4375252B2 - 触媒燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料ガスを触媒燃焼させる触媒を担持する触媒燃焼部を備える触媒燃焼装置に関する。

従来、特許文献１には、メタノールとＨ_２Ｏとを反応させ、Ｈ_２及びＣＯを含む改質ガスを生成する技術が開示されている。このものでは、改質部の上流に設けた熱交換器において、ＣＯを含む可燃性ガスを触媒燃焼させる技術が開示されている。このものでは、触媒成分としてＰｄＯ及びＰｔが用いられている。
特開２００３−０８１６８７号公報

ところで、近年、改質原料から改質部により燃料ガスである改質ガスを生成し、起動時において改質ガスを触媒燃焼させる暖機部として機能する触媒燃焼部を設け、暖機部によりＣＯ低減部を暖機させる改質装置が本出願人により開発されている（本出願時に未公知）。このものによれば、起動時において、改質部で生成された改質ガスを触媒燃焼部に導入し、触媒燃焼部で改質ガスを触媒燃焼させて燃焼熱により触媒燃焼部を昇温させ、これによりＣＯ低減部を暖機することにしている。このものによれば、起動時において改質ガスを触媒燃焼させることによりＣＯ低減部を暖機させることができる利点を有する。

しかしながら実際の運転では、改質ガスに含まれている可燃成分と空気との比である空燃比が常に適切な範囲にあるのではなく、空燃比が大きすぎたり、小さすぎたりすることがある。この場合、触媒燃焼部における燃焼の制御が必ずしも容易ではない。更に、起動時において触媒の温度が低い、改質ガスには水蒸気や水滴などの湿分が存在していることが多い等の事情があるため、燃焼性の安定性も必ずしも充分ではなく、この意味においても触媒燃焼部における燃焼の制御が必ずしも容易ではない。この場合、燃焼により得られる発熱量も減少することから、暖機部として機能する触媒燃焼部における暖機性能の向上には限界がある。

また、上記した特許文献１では、触媒燃焼させる触媒燃焼部としての機能を有する熱交換器としての機能を有する改質装置が開示されているが、触媒燃焼部における着火性、燃焼の安定性を図る制御形態については、言及されていない。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、改質ガス等の燃料ガスと空気との比である空燃比が変動するときであっても、あるいは、触媒の温度が低い、燃料ガスに水蒸気や水滴などの湿分が存在しているとき等であっても、触媒燃焼部における燃焼の制御に容易な触媒燃焼装置を提供することを課題とする。

（１）様相１の本発明に係る触媒燃焼装置は、燃料ガスを供給するガス供給部と、ガス供給部に連通して配設され燃料ガスを触媒燃焼させる触媒を担持する触媒燃焼部とを具備する触媒燃焼装置において、触媒燃焼部における触媒燃焼を制御する触媒燃焼制御部と、触媒燃焼部により暖機される暖機対象物とを具備しており、触媒燃焼制御部は、燃料ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域において触媒燃焼部を着火させる着火操作と、着火操作後に、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作とを実行し、且つ、増量操作において、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの燃料ガスの流量を増量操作前に対して変化させず、
暖機対象物が設定温度以上に到達したら、触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部への空気の供給を停止又は減少させることを特徴とするものである。

触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部を着火させるときには、燃料ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域において触媒燃焼部を着火させる着火操作を行う。ここで、可燃範囲は火炎が伝播する範囲をいう。触媒燃焼は燃焼性が良好であるため、可燃範囲から外れる領域においても着火できる。このため触媒燃焼部の着火時において、触媒燃焼されずに触媒燃焼部をすり抜けた燃料ガスが触媒燃焼部よりも下流配管において着火することが抑えられる。

更に、着火操作後に、触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作を実行する。このように空気の流量を増量させれば、触媒燃焼部における触媒燃焼の安定性も向上し、更に、触媒燃焼部における発熱量、昇温性も確保される。従って、燃料ガスに含まれている可燃成分と空気との比である空燃比が変動するときであっても、あるいは、触媒の温度が低い、燃料ガスに水蒸気や水滴などの湿分が存在しているとき等であっても、触媒燃焼部の燃焼の制御に容易となる。上記した増量操作において、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの燃料ガスの流量を増量操作前に対して変化を抑える。

本発明に係る触媒燃焼装置によれば、浄化部等の暖機対象物が設定温度以上に到達したら、触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部への空気の供給を停止又は減少させる。暖機対象物が設定温度以上に到達したら、暖機対象物に対する暖機の必要性が解消されるため、触媒燃焼部で燃焼を継続させなくても良いためである。

（２）様相２の本発明に係る触媒燃焼装置は、燃料ガスを供給するガス供給部と、ガス供給部に連通して配設され燃料ガスを触媒燃焼させる触媒を担持する触媒燃焼部とを具備する触媒燃焼装置において、触媒燃焼部における触媒燃焼を制御する触媒燃焼制御部と、触媒燃焼部により暖機される暖機対象物とを具備しており、触媒燃焼制御部は、燃料ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域において触媒燃焼部を着火させる着火操作と、着火判定後に、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作とを実行し、且つ、増量操作において、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの燃料ガスの流量を増量操作前に対して変化させず、
暖機対象物が設定温度以上に到達したら、触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部への空気の供給を停止又は減少させることを特徴とするものである。

触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部を着火させるときには、燃料ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域において触媒燃焼部を着火させる着火操作を行う。触媒燃焼は燃焼性が良好であるため、可燃範囲から外れる領域においても着火できる。このため触媒燃焼部の着火時において、触媒燃焼されずに触媒燃焼部をすり抜けた燃料ガスが触媒燃焼部よりも下流配管において着火することが抑えられる。

更に、着火判定後に、触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作を実行する。このように空気の流量を増量させれば、触媒燃焼部における触媒燃焼の安定性も向上し、更に、触媒燃焼部における発熱量、昇温性も確保される。従って、燃料ガスに含まれている可燃成分と空気との比である空燃比が変動するときであっても、あるいは、触媒の温度が低い、燃料ガスに水蒸気や水滴などの湿分が存在しているとき等であっても、触媒燃焼部の燃焼の制御に容易となる。上記した増量操作において、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの燃料ガスの流量を増量操作前に対して変化を抑える。

本発明に係る触媒燃焼装置によれば、浄化部等の暖機対象物が設定温度以上に到達したら、触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部への空気の供給を停止又は減少させる。暖機対象物が設定温度以上に到達したら、暖機対象物に対する暖機の必要性が解消されるため、触媒燃焼部で燃焼を継続させなくても良いためである。

本発明に係る触媒燃焼装置によれば、改質ガス等の燃料ガスと空気との比である空燃比が変動するときであっても、あるいは、触媒の温度が低い、燃料ガスに水蒸気や水滴などの湿分が存在しているとき等であっても、触媒燃焼部における燃焼の制御に容易となる。
本発明に係る触媒燃焼装置によれば、着火操作後または着火判定後に、触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作を実行する。このように空気の流量を増量させれば、触媒燃焼部における触媒燃焼の安定性も向上し、更に、触媒燃焼部における発熱量、昇温性も確保される。従って、燃料ガスに含まれている可燃成分と空気との比である空燃比が変動するときであっても、あるいは、触媒の温度が低い、燃料ガスに水蒸気や水滴などの湿分が存在しているとき等であっても、触媒燃焼部の燃焼の制御に容易となる。上記した増量操作において、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの燃料ガスの流量を増量操作前に対して変化を抑える。このため増量操作は簡素化され、制御が容易となる。

本発明に係る触媒燃焼装置によれば、浄化部等の暖機対象物が設定温度以上に到達したら、触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部への空気の供給を停止又は減少させる。暖機対象物が設定温度以上に到達したら、暖機対象物に対する暖機の必要性が解消されるため、触媒燃焼部で燃焼を継続させなくても良いためである。

本発明に係る触媒燃焼装置によれば、燃料ガスを供給するガス供給部と、ガス供給部に連通して配設され燃料ガスを触媒燃焼させる触媒を担持する触媒燃焼部とを備える。ガス供給部としては、改質原料を改質させて改質ガスを燃料ガスとして生成する改質部とすることができる。改質ガスは、燃料ガスは水素を主要成分とするガスである形態を例示することができる。水素は比重及び粘性が小さく、比熱及び拡散係数が高く、更に燃焼速度が速く、燃焼により水分が生成されるという性質を有する。

触媒燃焼部は、ガス供給部に連通して配設されており、燃料ガスを触媒燃焼させる触媒を担持する。触媒燃焼は、燃料ガスと酸素とを触媒の存在下で酸化反応させる燃焼であり、多くの場合には無炎燃焼の形態（場合によっては有炎燃焼）で燃焼し、触媒を用いない通常の燃焼に比較して燃焼開始温度及び燃焼温度が低く、高温燃焼領域を発生させることなく燃焼させ得る。またガスの組成が変動するときであっても、着火性、燃焼性を安定化させ得る。なお、無炎燃焼は目視で炎が実質的に視認できない酸化燃焼の形態をいう。用いられる触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム等の白金属金属、あるいは、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、クロム、銀等を含む金属酸化物のうちの少なくとも１種を例示できる。触媒は担体に担持されていてもよい。担体としてはペレット担体でも、モノリス担体でもよい。

触媒燃焼部の触媒燃焼を制御する触媒燃焼制御部が設けられている。触媒燃焼制御部は、燃料ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域において触媒燃焼部を着火させる着火操作と、着火操作後あるいは着火判定後に、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作とを実行する。着火は、酸化燃焼反応が開始され、持続するようになる現象をいう。着火の有無については、例えば、触媒燃焼部の温度がある温度上昇することにより着火と判定することができる。その温度は触媒、燃料ガス等の種類によって変わり得る。

触媒燃焼における燃焼性は良好であるため、可燃範囲から外れる領域においても触媒燃焼部を着火させることができる。着火操作においては、可燃範囲から外れる領域であるものの、可燃限界に近い領域で着火させることができる。着火を良好に行うためである。この場合、可燃限界で規定される単位時間当たりの空気流量［Ｎｌ／ｍｉｎ］を相対比で１００としたとき、改質用燃料（天然ガス１３Ａ）の流量として例えば４０〜９８、殊に５０〜９０に設定することができる。

触媒燃焼制御部の増量操作は、着火操作後あるいは着火判定後に、触媒燃焼部に供給する燃料ガスの単位時間当たりの流量の変化を抑えつつ、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させることにより実行する形態を例示することができる。この場合、増量操作において、触媒燃焼部に供給する燃料ガスの流量の変化が抑えられているため、燃料ガスの制御が容易である。

また、触媒燃焼制御部の増量操作は、触媒燃焼部に供給する燃料ガスの単位時間当たりの流量を減少させつつ、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火時よりも増加させることにより実行する形態を例示することができる。この場合、触媒燃焼部に供給する燃料ガスの流量が減少されるため、触媒燃焼部に供給する空気量の割合を効率よく増加させることができる。

増量操作において、触媒燃焼部に担持されている触媒の耐熱温度域に触媒燃焼部の温度が長い時間（例えば３０分以上）保持されないように設定されている形態を例示することができる。この場合、触媒燃焼部に担持されている触媒の熱劣化が抑制され、触媒の長寿命化を図り得る。殊に、増量操作において、触媒燃焼部に担持されている触媒の耐熱温度域よりも触媒燃焼部の温度が低くなるように設定されている形態を例示することができる。

なお、着火操作時において、空燃比λは例えば０．１０〜０．１３に設定することができるが、これに限定されるものではない。増量操作において、空燃比λは例えば０．１０〜０．３０、０．１３〜０．２５に設定することができるが、これに限定されるものではない。空燃比λは、可燃性の燃料流量に対する空気流量の比である。また水素は着火エネルギが小さいため、触媒燃焼として水素を使用すれば、低温でも着火できる（着火性良好）。

触媒燃焼部の温度を検知する温度センサ等の温度検知手段が設けられており、温度検知手段で検知される触媒燃焼部の温度が着火操作前よりも設定温度以上越えたとき、触媒燃焼制御部は触媒燃焼部が着火したと判定する形態を例示することができる。この場合、温度センサ等の温度検知手段により着火を確認できる。触媒燃焼部が着火したと判定されないときには、触媒燃焼制御部は異常と判定することができる。

本発明によれば、触媒燃焼部により暖機される暖機対象物が設けられている。暖機対象物は、ガス供給部から供給された燃料ガスを浄化させる浄化部とすることができる。この場合、触媒燃焼部は、燃料ガスが流れる流路においてガス供給部と浄化部との間に配設されており、且つ、浄化部を暖機する形態を例示することができる。浄化部としては、燃料ガスに含まれている不純物（例えば一酸化炭素）を低減させる不純物低減部を例示することができる。また、不純物低減部としては、燃料ガスに含まれている一酸化炭素と燃料ガスとを分離させる分離膜を例示することができる。また、不純物低減部としては、燃料ガス中のＣＯを低減させるＣＯ低減部を例示できる。ＣＯ低減部は、燃料ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる機能を有するものであればよい。ＣＯ低減部は、燃料ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させるＣＯ第１低減部と、燃料ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を更に低減させるＣＯ第２低減部とを有することができる。ＣＯ第１低減部及びＣＯ第２低減部のうちの一方は、ＣＯとＨ_２Ｏとを反応させてＣＯを低減させる方式を例示することができる。ＣＯ第１低減部及びＣＯ第２低減部のうちの他方は、ＣＯとＯ_２とを反応させてＣＯを低減させる方式、ＣＯとＨ_２とを反応させてＣＨ_４とＨ_２Ｏを生成しＣＯを低減させる方式を例示することができる。

本発明に係る触媒燃焼装置によれば、浄化部等の暖機対象物が設定温度以上に到達したら、触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部への空気の供給を停止又は減少させる。暖機対象物が設定温度以上に到達したら、浄化部に対する暖機の必要性が解消されるため、触媒燃焼部で燃焼を継続させなくても良いためである。

更にまた、改質部と触媒燃焼部との間に冷却部が設けられている形態を例示することができる。冷却部は、改質部で改質された改質ガスが触媒燃焼部に供給される前に高温の改質ガスを冷却する。ここで、冷却部は、改質部で改質され触媒燃焼部に供給される改質ガスの温度を冷却すると共に、改質部に供給される前の改質原料を加熱する熱交換機能を有する形態を例示することができる。

また、燃料ガスに含まれている湿分を低減させる湿分低減手段が触媒燃焼部の上流に設けられている形態を例示することができる。この場合、触媒燃焼の着火性、燃焼性を一層高めることができる。

以下、本発明の実施例１を図１〜図４を参照して具体的に説明する。本実施例に係る改質装置は燃料電池発電システムに適用したものである。図１は改質装置のシステム図である。図２は改質装置の要部を模式的に示す図である。図３及び図４は触媒燃焼部を示す。

図１に示すように、燃料電池のスタック１が設けられている。スタック１は燃料電池の複数のセルを積層したものである。セルは、改質ガス（燃料ガス）が供給される燃料極１０と、酸化剤としての酸素を含む酸素含有ガスが供給される酸化剤極１１と、燃料極１０及び酸化剤極１１で挟持された電解質膜１２とを有する。

ガス供給装置として機能できる改質装置２は、改質原料を水蒸気改質させることにより水素を主要成分とする改質ガス（燃料ガス）を生成する改質装置（ガス供給部）２と、改質装置２で生成された改質ガスに含まれている不純物としての一酸化炭素を低減させるＣＯ低減部３Ａ（浄化部）とを備えている。改質原料は燃料系原料及び水系原料である。燃料系原料は例えば都市ガス、ＬＰＧ、灯油、メタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類等の炭化水素系燃料が例示される。

図２に示すように、改質装置２は、改質反応を促進させる改質触媒２０ｃを有する改質部２０と、燃料系原料及び空気が供給されるバーナ２１と、燃料系原料が燃焼する燃焼帯２２と、燃焼帯２２から伝達された熱により水系原料を蒸発させる蒸発部２３とを有する。燃焼帯２２の熱は改質部２０及び蒸発部２３に伝達される。改質部２０に設けられている改質触媒２０ｃの活性温度域は、一般的には５００〜８００℃であるが、これに限られるものではない。

図２に示すように、バーナ２１には燃料系原料と燃焼用の空気とが供給され、燃料系原料の燃焼により改質部２０が高温領域に加熱される。改質部２０は、下記の式（１）に基づいて、改質原料（燃料系原料と水系原料）とを反応させて水蒸気改質を行い、水素を主要成分とする改質ガスを生成する。改質部２０で生成された改質ガスにはＣＯが副生成物として生じることがある。この場合、ＣＯの濃度は一般的には５〜１５％であるが、これに限られるものではない。なおＣＯの濃度はモル％を基準とする。

図１に示すように、ＣＯ低減部３Ａは改質装置２の下流に配設されており、ＣＯ第１低減部としてのシフト部３と、ＣＯ第２低減部としてのＣＯ浄化部４とで形成されている。シフト部３は、下記の式（２）に基づいてシフト反応を促進させるシフト触媒３ｃを有する。シフト触媒３ｃの活性温度域は一般的には２００〜３００℃であるが、これに限られるものではない。シフト触媒３ｃは例えば銅−亜鉛系の触媒を主要成分とするが、これに限定されるものではない。

ＣＯ浄化部４は、下記の式（３）に基づいてＣＯを二酸化炭素に酸化させて低減させる反応を促進させる浄化触媒４ｃ（例えばルテニウム系）を有しており、更に、浄化触媒４ｃを担持したセラミックス製の担体（例えばアルミナ系）を有する。浄化触媒４ｃの活性温度域は一般的には１００〜２００℃であるが、これに限られるものではない。

シフト部３で浄化された改質ガスに含まれているＣＯの濃度は、一般的には０．２〜１％であるが、これに限られるものではない。ＣＯ浄化部４で浄化された改質ガスに含まれているＣＯの濃度は一般的には１０ｐｐｍ以下であるが、これに限られるものではない。
式（１）…ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
式（２）…ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２
式（３）…ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２
図１に示すように、触媒燃焼させる触媒燃焼部として機能する触媒燃焼部５は、ＣＯ低減部としてのシフト部３と改質装置２との間に介在しており、シフト部３を暖機させる暖機部として機能できる。触媒燃焼部５は、改質装置２に連通する入口５ｓと、シフト部３に連通する出口５ｅとを有する。触媒燃焼部５は、シフト部３を昇温させやすいように、改質装置２の下流で且つシフト部３の上流側において、シフト部３に隣接して配設されている。つまり、起動時に改質装置２で生成された改質ガスがシフト部３（浄化部）に向けて流れる流路において、改質装置２の下流で且つシフト部３の上流に触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０を配置することにより構成されている。これが触媒燃焼部本体昇温促進手段を構成する。

起動時には、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の暖機用導入口５ｉに、改質装置２で生成された改質ガス（燃料ガス）が導入される。よって触媒燃焼部本体５０は、改質ガスを燃焼させて燃焼熱を用いてシフト部３（暖機対象物）を起動時に暖機するものである。暖機により、改質ガス中の一酸化炭素をシフト部３において低減させる反応を促進させる。

図３及び図４は上記した触媒燃焼部５の概念を示す。触媒燃焼部５は触媒燃焼機能を有するものであり、触媒燃焼させる触媒５ｃ（例えばＰｔ−Ｐｄ系）を有する。具体的には、触媒燃焼部５は、触媒燃焼用の触媒５ｃを担持したセラミックス製の担体（例えばアルミナ）を備えた複数の触媒燃焼部本体５０と、複数の改質ガス通路５１と、改質ガス通路５１を遮蔽する遮蔽部５２とを有する。触媒燃焼部本体５０は通気性を有しており、改質ガスを燃焼させつつ透過させることができる。触媒５ｃを担持する担体はペレット状でも、モノリス状でも良い。前述したように、触媒燃焼は、燃料ガスと酸素とを酸化反応させる触媒であり、一般的には無炎燃焼であり（場合によっては有炎燃焼）、燃焼触媒を用いない通常の燃焼に比較して燃焼が安定していると共に燃焼温度が低い。

図３に示すように、触媒燃焼部５の改質ガス通路５１の一端部側の入口５ｓは改質部２０に連通している。改質ガス通路５１の他端部側の出口５ｅはシフト部３に連通している。従って、改質部２０で生成された改質ガスは、触媒燃焼部５において、入口５ｓ→改質ガス通路５１→出口５ｅを通過し、シフト部３に向かう。図４に示すように、触媒燃焼部５において、触媒燃焼部本体５０と改質ガス通路５１とは互いに対面している。これにより改質ガス通路５１を通過する高温の改質ガスにより、起動時における触媒燃焼部本体５０の昇温速度は高められている。

本実施例によれば、図１に示すように、改質装置２と触媒燃焼部５との間に冷却部６が設けられている。冷却部６は、改質装置２で改質された改質ガスが触媒燃焼部５に供給される前に高温の改質ガスを冷却するためのものである。ここで、図２に示すように、冷却部６は、改質部２０で改質された改質ガスを触媒燃焼部５の改質ガス通路５１に向けて供給するガス通路６０と、改質部２０に供給される前の改質原料（燃料系原料及び水系原料）を通過させる原料通路６１を有する。この結果、ガス通路６０を通過する改質ガスを冷却すると共に、原料通路６１を通過する改質原料を加熱する。このため冷却部６は、改質装置２に供給される前であり温度が相対的に低い改質原料と、改質装置２から吐出された後であり温度が相対的に高い改質ガスとを熱交換させる熱交換部として機能することができる。

図１を参照して配管系について更に説明を加える。燃料系原料を改質原料としてバーナ２１または改質部２０に供給する第１通路７１が設けられている。第１通路７１には、燃料系原料をバーナ２１に搬送するポンプ等の搬送要素７１ｍが設けられ、燃料系原料を改質部２０に搬送するポンプ等の搬送要素７１ｎが設けられている。更に、水系原料を改質原料として改質部２０に供給する第２通路７２が設けられている。第２通路７２には水系原料を搬送するポンプ等の搬送要素７２ｍが設けられている。空気（酸素含有ガス）を第１バルブ８１を介して触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉ側に供給する第３通路７３が設けられている。第３通路７３には空気を搬送するファン、コンプレッサ、ブロア、ポンプ等の搬送要素７３ｍが設けられている。更に、空気をバーナ２１に供給する空気通路７６が第３通路７３に連通するように搬送要素７３ｘと共に設けられている。空気をスタック１の酸化剤極１１に供給する酸化剤通路１１ｋが第３通路７３に連通するように搬送要素７３ｗと共に設けられている。

図１に示すように、ＣＯ浄化用の空気を第２バルブ８２を介してＣＯ浄化部４に供給する第４通路７４が設けられている。シフト部３とＣＯ浄化部４とを繋ぐ接続通路７７が設けられている。ＣＯ浄化部４の出口４ｐ側とスタック１の燃料極１０の入口１０ｉ側とを第３バルブ８３を介して繋ぐ第５通路７５が凝縮器８７’と共に設けられている。燃料電池のスタック１の燃料極１０の出口１０ｐ側と改質装置２のバーナ２１とを繋ぐ第１リターン通路７８が設けられている。第１リターン通路７８には、第４バルブ８４、凝縮器８７、第５バルブ８５が直列にスタック１からバーナ２１に向かうにつれて順に設けられている。

図１に示すように、スタック１を迂回するように、ＣＯ浄化部４の出口４ｐ側と凝縮器８７の入口８７ｉ側とを迂回用のバルブ７９ｖを介して繋ぐ第１迂回通路７９が設けられている。更に、凝縮器８７の出口８７ｐ側と触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉ側とを第６バルブ８６を介して繋ぐ第２迂回通路８０が設けられている。改質ガスを流す第２迂回通路８０は、空気用を流す第３通路７３と合流部８０ｘで合流する。触媒燃焼部５の暖機用導出口５ｐ側とバーナ２１とを繋ぐ第２リターン通路７０が設けられている。

更に、図２を参照して説明を加える。図２に示すように、改質部２０は内側部２０ｉと外側部２０ｐと折り返し部２０ｍとを有する。そして燃料電池システムの起動時、つまり、改質装置の起動時には、燃料系原料と燃焼用の空気とをバーナ２１に供給しつつバーナ２１を着火させ、燃料系原料を改質装置２において燃焼させる。これにより改質部２０及び蒸発部２３が次第に加熱される。この状態で、燃料系原料と水系原料とが改質部２０に供給される。この場合、水系原料は蒸発部２３を通過するときに水蒸気化される。水蒸気と燃料系原料とは合流域７１ｓで合流し、冷却部６の原料通路６１を介して矢印Ｂ２,Ｂ３方向に流れ、改質部２０の外側部２０ｐに供給される。このように改質原料が冷却部６の原料通路６１を通過するとき予熱される。

図２において、上記した改質原料は、改質部２０の外側部２０ｐに流入し、外側部２０ｐにおいて矢印Ｂ４方向に進み、更に、改質部２０の折り返し部２０ｍにおいて矢印Ｂ５方向に折り返し、更に、改質部２０の内側部２０ｉを矢印Ｂ６方向に進む。このように改質原料が改質部２０の内部を通過するときに水蒸気改質され、改質ガスが生成される。生成された改質ガスは冷却部６のガス通路６０を矢印Ｃ１方向に進み、触媒燃焼部５の改質ガス通路５１を経てシフト部３に至る。

ここで本実施例によれば、上記した式（１）に基づいて水蒸気改質が行われ、ＣＯを含む水素リッチな改質ガスが生成される。シフト部３においては、上記した式（２）のシフト反応に基づいて改質ガス中のＣＯが低減される。ＣＯ浄化部４においては、上記した式（３）に基づいて改質ガス中のＣＯが更に低減される。これによりスタック１での発電反応に適するように、改質ガス中のＣＯが低減される。

ところで、起動時においては、改質部２０の温度が低く、改質部２０で生成される改質ガスのＣＯ濃度が高く、しかも、シフト部３の温度は低いためこれの活性温度域には到達していない。故にシフト部３によるＣＯ低減効果には限界があり、改質ガスをスタック１での発電に用いるには必ずしも充分ではない。このため起動時においては、改質部２０で生成された改質ガスをスタック１に供給することなく、スタック１を迂回させる。つまり、図１に示すように、ＣＯ浄化部４を経た改質ガスを迂回用のバルブ７９ｖ、第１迂回通路７９を介して凝縮器８７の入口８７ｉに供給し、凝縮器８７において改質ガスを冷却させて、改質ガスに含まれている湿分を凝縮させて、改質ガスに含まれている湿分を低減させる。

そして、凝縮器８７で湿分を低減させた改質ガスを、凝縮器８７の出口８７ｐ、第６バルブ８６、第２迂回通路８０を経て触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに導入する。このとき、第１バルブ８１を開放させ、空気を第１バルブ８１を介して触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに導入する。なお本実施例において、改質ガスと空気とは合流域８０ｘで、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに導入される前に合流するが、この形態に限られるものではない。

触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに導入された改質ガスは、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに導入された空気と共に、触媒燃焼部本体５０の内部を矢印Ｅ１方向（図４参照）に通過し、触媒燃焼部本体５０において触媒５ｃにより触媒燃焼される。このため触媒燃焼部本体５０で燃焼させない方式に比較して、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０を早期に昇温させることができる。この結果、起動時において触媒燃焼部５によりシフト部３を早期に昇温することができる。

触媒燃焼部５で触媒燃焼された後のオフガスは、触媒燃焼部５の暖機用導出口５ｐから下流に至り、第２リターン通路７０、第１リターン通路７８を経てバーナ２１に戻される。このオフガスには燃焼成分が含まれている可能性があるが、この燃焼成分はバーナ２１で燃焼され、その後、排気される。

上記したように触媒燃焼部５を触媒燃焼で加熱する暖機運転時には、第３バルブ８３、第４バルブ８４、第５バルブ８５は閉鎖されているものの、迂回用のバルブ７９ｖ、第１バルブ８１、第６バルブ８６は開放されている。なお、上記したように暖機運転時には、一般的には第２バルブ８２を閉鎖しておくが、必要に応じて第２バルブ８２を開放し、空気をＣＯ浄化部４に供給しても良い。

起動時から所定時間が経過すれば、改質部２０およびシフト部３が次第に加熱され、シフト部３におけるＣＯ低減効果が向上するため、暖機運転から定常運転に移行することができる。定常運転では、第３バルブ８３、第４バルブ８４、第５バルブ８５、第２バルブ８２を開放すると共に、迂回用のバルブ７９ｖ、第６バルブ８６、第１バルブ８１を閉鎖する。これにより第１迂回通路７９、第２迂回通路８０を遮断する。このため定常運転時においては、改質部２０で水蒸気改質された改質ガスは、冷却部６、触媒燃焼部５の改質ガス通路５１、シフト部３、接続通路７７、ＣＯ浄化部４、第３バルブ８３、第５通路７５を順に経て、スタック１の燃料極１０の入口１０ｉに供給される。更に、定常運転では酸化剤ガスである空気が酸化剤通路１１ｋのバルブ１１ｖを介してスタック１の酸化剤極１１に供給される。これによりスタック１において発電反応が発生し、電気エネルギが生成される。発電に使用された改質ガスのオフガスは、スタック１の燃料極１０の出口１０ｐ側から、第１リターン通路７８、凝縮器８７、第５バルブ８５を経てバーナ２１に供給される。発電に使用された改質ガスのオフガスには燃焼成分が含まれ得るため、この燃焼成分はバーナ２１で燃焼された後、排気される。

上記した改質装置の起動時においては、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の温度は低く、触媒燃焼部５がシフト部３を暖機させる機能も必ずしも充分ではない。そこで起動時においては改質ガスを触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０に供給して燃焼触媒により燃焼させて触媒燃焼部５を早期に昇温させるものである。

本実施例によれば、前述したように、改質装置２で生成された改質ガスがシフト部３（浄化部）に向けて流れる流路において、改質装置２の下流で且つシフト部３およびＣＯ浄化部４の上流に、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０を配置することにより、触媒燃焼部本体昇温促進手段が構成されている。このため改質装置２で生成された改質ガスを用いて触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０において燃焼を発生させ、触媒燃焼部本体５０を早期に昇温させることができる。

しかも、昇温した触媒燃焼部５の熱を、触媒燃焼部５よりも下流に位置するシフト部３およびＣＯ浄化部４に効果的に伝達させることができる。この結果、起動時においても、シフト部３およびＣＯ浄化部４の昇温速度を早め、シフト部３およびＣＯ浄化部４をこれらの触媒３ｃ，４ｃの活性温度域に早期に到達させることができ、改質ガスの浄化効率を早期に高めることができる。

また、上記したように触媒燃焼部５を昇温させるときにおいて、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給される改質ガスは湿分を有することが多い。改質ガスは水蒸気改質を経ているためである。このため 改質ガスは飽和蒸気圧相当の湿分を有する可能性がある。更に、凝縮器８７から触媒燃焼部５に向かう第２迂回通路８０において改質ガスが冷却されるため、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給される改質ガスには湿分が水滴として含まれていることがある。

そこで本実施例によれば、図３及び図４に示すように、触媒燃焼部５において触媒燃焼部本体５０の暖機用導入口５ｉ側には、第１ガス接触部材９が設けられている。ここで、触媒燃焼部本体５０の暖機用導入口５ｉは、起動時において改質ガスが第１ガス接触部材９（湿分低減手段）を介して流れる流路のうち、触媒燃焼部本体５０よりも上流に位置している。また触媒燃焼部本体５０の暖機用導出口５ｐは、起動時において改質ガスが第１ガス接触部材９（湿分低減手段）を介して流れる流路のうち、触媒燃焼部本体５０よりも下流に位置している。

図３および図４に示すように、第１ガス接触部材９は、暖機運転時において、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０に供給される改質ガスが衝突して接触する接触部９０をもつ邪魔板機能を奏するように板状をなしている。第１ガス接触部材９は、凝縮器８７の出口８７ｐから第２迂回通路８０を経て供給された改質ガスが流れる通路部分８０ａに対向している。具体的には、図４に示すように、第１ガス接触部材９は、第２迂回通路８０のうち触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに繋がる通路部分８０ａの軸線Ｐ１に対して交差する方向に指向している。つまり、第１ガス接触部材９は第２迂回通路８０のうち触媒燃焼部５に繋がる通路部分８０ａの軸線Ｐ１に対して直交する方向に指向している。

従って、上記したように改質装置の起動時において、つまり、触媒燃焼部５を昇温させる暖機運転時において、改質ガスが触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに導入するとき、その改質ガスは第１ガス接触部材９の接触部９０に衝突する。従って、改質ガスに含まれている湿分（水蒸気、水滴等）は、第１ガス接触部材９の接触部９０に捕獲され、改質ガスから除去される。殊に本実施例によれば、改質ガスが第１ガス接触部材９の接触部９０に衝突する衝突角度θ１及びθ２は９０度または９０度に近いため、衝突性が高く、改質ガスに含まれている水滴の捕獲に有利である。改質ガスが過飽和状態の水蒸気を含むときには、衝突時の衝撃により液化が進行しやすい。本実施例では、第１ガス接触部材９は、起動時において改質ガスの湿分が触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０に付着することを抑制する湿分抑制手段として機能することができる。

このような本実施例によれば、起動時に、改質ガスに含まれている湿分（水蒸気、水滴等）が触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０、殊に、触媒燃焼部本体５０の構成要素である触媒５ｃの反応サイトに付着することは抑制される。故に、起動時において、触媒燃焼を行う触媒燃焼部本体５０における着火性、燃焼性、昇温性を高めることができる。つまり、触媒燃焼部本体５０による触媒燃焼を早期に立ち上げ、触媒燃焼部本体５０を早期に昇温させることができる。ひいてはシフト部３を早期に昇温させて立ち上げることができる。更に第１ガス接触部材９は、触媒燃焼部５において複数の改質ガス通路５１に改質ガスを分散させる機能も奏する。

更に本実施例によれば、図３に示すように、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の上流である暖機用導入口５ｉ側には、上流側湿分貯留部５３が設けられている。上流側湿分貯留部５３は、触媒燃焼部本体５０に供給される改質ガスから捕獲した湿分を貯留する空間５３ｒをもつ。上流側湿分貯留部５３の底面５３ｄには第１ガス接触部材９が立設されている。上流側湿分貯留部５３の底面５３ｄは、触媒燃焼部本体５０の底面５０ｄよりも低い位置に設定されている。従って、第１ガス接触部材９の接触部９０に付着した湿分が水滴として流下したとしても、上流側湿分貯留部５３の底面５３ｄに溜まるものの、触媒燃焼部本体５０に進入することは抑えられる。この意味においても、触媒燃焼部本体５０を早期に昇温させて、触媒燃焼部本体５０による暖機作用を早期に立ち上げることができ、シフト部３を早期に昇温させて立ち上げることができる。

また第２リターン通路７０で凝縮した水滴が流下して触媒燃焼部５の下流側に進入するおそれがある。この点について本実施例によれば、図３に示すように、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の下流側である暖機用導出口５ｐ側には、湿分を貯留する空間５５ｒをもつ下流側湿分貯留部５５が設けられている。下流側湿分貯留部５５の底面５５ｄは、触媒燃焼部本体５０の底面５０ｄよりも低い位置に設定されている。このため下流側湿分貯留部５５に湿分が液体として貯留されたとしても、その湿分が触媒燃焼部本体５０に進入することを抑えることができる。この意味においても、触媒燃焼部本体５０を早期に昇温させて、触媒燃焼部本体５０による暖機作用を早期に立ち上げることができ、シフト部３を早期に昇温させて立ち上げることができる。暖機用導出口５ｐは、起動時において改質ガスが第１ガス接触部材９を介して流れる流路において触媒燃焼部本体５０よりも上流に位置している。

なお、湿分が上流側湿分貯留部５３の底面５３ｄ、下流側湿分貯留部５５の底面５５ｄに液体として溜まるとしても、例えば１００ｃｃ程度であり、多量ではない。起動時から燃料電池発電システムの定常運転に移行すれば、触媒燃焼部５の上流側湿分貯留部５３及び下流側湿分貯留部５５は、かなり昇温される。例えば１００〜３００℃程度に昇温される。このため、起動時に上流側湿分貯留部５３の底面５３ｄ、下流側湿分貯留部５５の底面５５ｄに湿分が溜まったとしても、その湿分は、定常運転時において蒸気化して消失する。故に、湿分が触媒燃焼部本体５０に進入することを抑えるのに一層有利となる。

なお、図３及び図４に示すように、触媒燃焼部本体５０の下流に設けられている下流側湿分貯留部５５には板状の第２ガス接触部材９５が立設されている。第２ガス接触部材９５は、第２リターン通路７０から流下した水が触媒燃焼部本体５０に進入することを抑制する。

さて本実施例の要部について説明を加える。図５は可燃限界と断熱火炎温度との関係を示すグラフを示す。断熱火炎温度は、燃料ガスである改質ガスを断熱状態で完全燃焼させたときにおける火炎の理論温度である。図５の横軸は改質原料としての原料ガス（天然ガス１３Ａ）が改質装置２に単位時間当たり供給される流量を示す。図５の一方の縦軸は改質ガスの断熱火炎温度を示す。図５の他方の縦軸は可燃限界において単位時間当たり供給される空気流量を示す。ここで、可燃範囲は、酸化燃焼による火炎が伝播して持続できる条件の範囲をいう。可燃限界は可燃範囲の限界をいう。特性線Ｗ１は、可燃限界において単位時間当たり供給される空気流量を示す。図５において特性線Ｗ１よりも上の領域は、火炎の伝搬が持続する可燃範囲に相当する。特性線Ｗ１よりも下の領域は可燃範囲外に相当する。特性線Ｓ１〜Ｓ６は、触媒燃焼部５に導入される温度に対応する空気流量（飽和蒸気）を示す。図５において、Ｓ１は空気（４０℃飽和蒸気）が２ＮＬ／ｍｉｎを示す。Ｓ２は空気（６０℃飽和蒸気）が２ＮＬ／ｍｉｎを示す。Ｓ３は空気（４０℃飽和蒸気）が１．５ＮＬ／ｍｉｎを示す。Ｓ４は空気（６０℃飽和蒸気）が１．５ＮＬ／ｍｉｎを示す。Ｓ５は空気（４０℃飽和蒸気）が１ＮＬ／ｍｉｎを示す。Ｓ６は空気（６０℃飽和蒸気）が１ＮＬ／ｍｉｎを示す。またＴＣは触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの耐熱温度を示し、本実施例では７５０℃に設定されている。なお触媒の耐熱温度は、触媒の劣化を抑えつつ常用される温度の上限をいい、具体的には、その温度において所定時間（例えば１万時間）保持したとき触媒の反応サイトの数が半分低下となる温度をいう。触媒の耐熱温度は触媒の種類によって相違する。

本実施例では、触媒燃焼部５における触媒燃焼を制御する触媒燃焼制御部１００が設けられている。触媒燃焼制御部１００により触媒燃焼部５の触媒燃焼本体部５０に対する着火操作および増量操作が実行される。着火操作によれば、触媒燃焼部５の燃焼開始時において、燃料ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域Ｋ１（図５）となるように、開放状態の第１バルブ８１から空気を、開放状態の第６バルブ８６から改質ガスを触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに導入し、この結果、領域Ｋ１内の条件において触媒燃焼部本体５０を着火させる。ここで、領域Ｋ１は、改質ガスが燃焼しても火炎が発生しない無炎領域に相当ものであり、触媒５ｃの耐熱温度を示す特性線Ｗ１よりも下方の領域に相当する。領域Ｋ１は線Ｋ２〜Ｋ６で区画されている。触媒燃焼の燃焼性は良好であるため、可燃範囲から外れる領域Ｋ１であっても、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０を着火させることができる。

本実施例によれば、触媒燃焼部本体５０が着火したと判定された後に、触媒燃焼制御部１００は、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する単位時間当たりの空気量を、着火操作時よりも増加させる増量操作を実行する。この場合、当該空気量を、可燃範囲限を示す特性線Ｗ１を越えて可燃範囲内となるようにする。ここで、触媒燃焼部本体５０の着火の判定としては、触媒燃焼部本体５０の温度が着火操作前の温度Ｔ１よりもΔＴａ（例えば８０℃）以上昇温したら、触媒燃焼部本体５０が着火したと判定することができる。ΔＴａは改質ガスの基本組成、触媒５ｃ等の種類に応じて適宜設定できる。

上記した増量操作時には、第６バルブ８６の開度は一定であり、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する燃料ガスの単位時間当たりの流量は、基本的には変化しない。即ち、増量操作では、図５の矢印Ｍ１方向に向けて空気を増量させる。このように暖機用導入口５ｉに供給する改質ガスの単位時間当たりの流量は基本的には変化しないため、増量操作は簡素化され、制御が容易となる。

上記した増量操作においては、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の温度が、触媒燃焼部本体５０に担持されている触媒５ｃの耐熱温度ＴＣを越えないように、あるいは、触媒５ｃの耐熱温度ＴＣを一時的に越えることがあるとしても、越える頻度が過剰になり過ぎないように設定されている。この結果、触媒燃焼部本体５０に担持されている触媒５ｃの熱劣化が抑制されるため、触媒５ｃの長寿命化に有利である。なお、触媒燃焼部本体５０の温度が触媒５ｃの耐熱温度ＴＣに到達または接近すると、暖機用導入口５ｉに供給される空気量を低減させることができる。また、触媒燃焼部５０の温度が触媒５ｃの耐熱温度ＴＣを越えると、暖機用導入口５ｉに供給される空気量の供給を停止させることができる。

上記したように本実施例によれば、改質ガスに含まれている可燃成分と空気との比である空燃比が変動するときであっても、あるいは、触媒５ｃの温度が低い、燃料ガスに水蒸気や水滴などの湿分が存在しているとき等であっても、触媒燃焼部本体５０の着火を良好に行うことができる。故に着火時において、触媒燃焼部５よりも下流配管で火炎が発生するといったことを回避でき、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の燃焼の制御に容易となる。更に、着火した後、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の燃焼を良好に行うことができるため、触媒燃焼部５における発熱量を確保するのに有利となる。

図６は触媒燃焼制御部１００が実行する制御のフローチャートの一例を示す。制御はこのフローチャートに限定されるものではない。まず、改質原料である燃料系原料、水系原料を改質装置２に供給する（ステップＳ１０２）。これにより改質装置２により改質ガスが生成される。改質ガスが触媒燃焼部５の改質ガス通路５１を通過するため、触媒燃焼部本体５０は次第に昇温される。次に、触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの温度が第１設定温度Ｔ１（Ｔ１：例えば９０℃）以上か否か判定する（ステップＳ１０４）。なお触媒５ｃが低温すぎるときには、燃焼触媒の着火は起こりにくいため、触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの温度が第１設定温度Ｔ１に到達していなければ、温度が低すぎるため、第１設定温度Ｔ１に到達するまで待機する。従って、ステップＳ１０４は、触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの温度が着火に適する温度であるか否かを判定する着火適温判定手段を構成する。

触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの温度が第１設定温度Ｔ１以上であれば、第６バルブ８６を開放させ、改質ガスを第２迂回通路８０を介して触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する（ステップＳ１０６）。一定時間経過した後（ステップＳ１０８）、第１バルブ８１を開放させ、空気を触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給し（ステップＳ１１０）、触媒燃焼部５を着火させる着火操作を行う。なお、改質ガスを暖機用導入口５ｉに供給した後に、暖機用導入口５ｉに空気を供給するのは、無用な着火防止のためである。従って、ステップ１０６，Ｓ１０８，Ｓ１１０は、燃料ガスを空気よりも優先して触媒燃焼部５に供給する燃料ガス優先手段を構成する。

そして、シフト部３の測温場所が第２設定温度Ｔ２（Ｔ２：例えば１７０℃）以下であるか否か判定する（ステップＳ１１２）。以上であれば、シフト部３の活性化が充分であり、シフト部３の暖機が必要でないと判定されるため、メインルーチンにリターンする。シフト部３の測温場所が第２設定温度Ｔ２未満であれば、シフト部３の活性化が充分ではなく、シフト部３を暖機させる必要があり、ひいては触媒燃焼部５の昇温が必要であると判定される。従ってステップＳ１１２は、触媒燃焼部５を昇温させてシフト部３を暖機させる必要性があるか否かを判定する暖機必要性判定手段を構成する。

そして、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの温度が第１設定温度Ｔ１よりもΔＴａ（ΔＴａ：例えば８０℃）上昇したか否か判定する（ステップＳ１１４）。第１設定温度Ｔ１よりもΔＴａ上昇していれば、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃが着火したと判定し、着火判定信号を出力する（ステップＳ１１６）。従ってステップＳ１１４は、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０における着火の有無を判定する着火判定手段を構成する。その後、第１バルブ８１の開放度を増加するか、搬送要素７３ｍの空気搬送量を増加させることにより、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する単位時間当たりの空気の流量を増加させ（ステップＳ１１８）、増量操作を行う。これにより触媒燃焼部５における触媒燃焼性が進み、発熱量が確保される。

次に、触媒燃焼部５に装備されている温度センサ５０ｘ（温度検知手段）により、触媒燃焼部５の温度が触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの耐熱温度ＴＣ以下であるか否か判定する（ステップＳ１２０）。触媒燃焼部５の温度が触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの耐熱温度ＴＣを越えていれば、触媒５ｃを保護するため、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉへの空気の供給を停止させ（ステップＳ１２６）、触媒燃焼部５による暖機運転を停止させる。従って、ステップＳ１２０，Ｓ１２６は、触媒燃焼部５の触媒５ｃを熱的に保護する触媒保護手段を構成する。

また、シフト部３の暖機が終了したか否か判定する（ステップＳ１２４）。つまり、シフト部３の測温場所が第２設定温度Ｔ２以上であるか否か判定する。第２設定温度Ｔ２以上であれば（ＹＥＳ）、シフト部３の暖機が終了したと判定されるため、暖機用導入口５ｉへの空気の供給を停止させ（ステップＳ１２６）、触媒燃焼部５による暖機運転を停止させ、メインルーチンにリターンする。シフト部３の測温場所が第２設定温度Ｔ２未満であれば（ＮＯ）、シフト部３の暖機がまだ終了していないため、ステップＳ１２０にリターンし、暖機用導入口５ｉへの空気の供給を継続させ、増量操作を継続させる。従ってステップＳ１２４は、触媒燃焼部５による暖機運転を終了する時期を判定する暖機終了判定手段を構成する。

ステップＳ１１４において、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの温度が第１設定温度Ｔ１よりもΔＴａ上昇していないときには、触媒燃焼部本体５０が着火していないと推定されるので、上記した着火操作時から一定時間経過したか判定し（ステップＳ１３０）、一定時間経過していなければ、ステップＳ１１４に戻り、着火の有無の判定を継続する。一定時間経過しても着火していなければ、燃料電池発電システムが異常であると判定し（ステップＳ１３２）、当該システムを停止させる（ステップＳ１３４）。従ってステップＳ１１４，Ｓ１３０は触媒燃焼部５の着火不良を判定する着火不良判定手段を構成する。
（試験例）
この試験例では、バーナ２１に供給される改質原料の天然ガス（１３Ａ）を０．８ＮＬ／ｍｉｎに設定し、第１バルブ８１を経て暖機用導入口５ｉに供給される空気を１．０ＮＬ／ｍｉｎに設定した。この条件は図５において点Ｒ１として示される。点Ｒ１は、可燃範囲から外れる領域Ｋ１内であるものの、可燃限界を示す特性線Ｗ１の近くに設定されている。そして着火（触媒燃焼部本体５０の温度がΔＴａ以上上昇したこと）を確認した後、第１バルブ８１を経て暖機用導入口５ｉに供給される空気を１．５ＮＬ／ｍｉｎ（図５において点Ｒ２）に増量させる増量操作を行なった。これにより触媒燃焼部５における発熱量を確保した。このようにすれば、安全性と着火性との両立に有利である。

実施例２は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。従って図１〜図５を準用することができる。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、触媒燃焼制御部１００は、触媒燃焼部５の燃焼開始時において、改質ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域Ｋ１内における点Ｒ３の条件となるように、開放状態の第１バルブ８１から空気を、開放状態の第６バルブ８６から改質ガスを触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに導入し、触媒燃焼部本体５０を着火させる。

そして触媒燃焼制御部１００は、触媒燃焼部本体５０の着火を判定した後に、図５の矢印Ｍ２に示すように、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作を実行し、図５における点Ｒ４に移行させる。この場合、点Ｒ４で規定される当該空気量は、可燃範囲限を示す特性線Ｗ１を越えて可燃範囲内に設定されている。

本実施例では、図５の矢印Ｍ２に示すように、空気の増量と共に、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する改質ガスの単位時間当たりの流量を減少させる。この場合、触媒燃焼部５に供給する改質ガスの流量が減少されるため、触媒燃焼部５に供給する空気量の割合を効率よく増加させることができる。但し、実施例１と同様に、上記した増量操作において、増量操作前に対して、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する改質ガスの単位時間当たりの流量を変化させないこともできる。

実施例３は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。従って図１〜図４を準用することができる。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。本実施例においては、図７に示すように、触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの耐熱温度ＴＣは９５０℃に設定されている。触媒燃焼制御部１００は、触媒燃焼部５の燃焼開始時において、火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域Ｋ１内における点Ｒ５の条件となるように、空気および改質ガスを触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに導入し、領域Ｋ１内における点Ｒ５の条件で触媒燃焼部本体５０を着火させる。

そして触媒燃焼制御部１００は、触媒燃焼部本体５０の着火を判定した後に、図７の矢印Ｍ３に示すように、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する単位時間当たりの空気量を着火時よりも増加させる増量操作を実行し、図７における点Ｒ６に移行させる。する。この場合、当該空気量は、可燃範囲限を示す特性線Ｗ１を越えて可燃範囲内となるように維持される。着火時よりも空気量が増量されているため、触媒燃焼部５における発熱量は確保される。

また他の制御形態として、改質ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域Ｋ１内における点Ｒ７の条件となるように、空気および改質ガスを触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに導入し、触媒燃焼部本体５０を着火させる。そして、触媒燃焼部本体５０の着火を判定した後に、図７の矢印Ｍ４に示すように、空気量を着火時よりも増加させる増量操作を実行し、図７における点Ｒ８に移行させる。この場合、点Ｒ８で規定される当該空気量は、可燃範囲限を示す特性線Ｗ１を越えて可燃範囲内に設定されている。但し、実施例１と同様に、上記した増量操作において、増量操作前に対して、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する改質ガスの単位時間当たりの流量を変化させないこともできる。

また他の制御形態として、可燃範囲から外れる領域Ｋ１内における点Ｒ９の条件となるように、空気および改質ガスを触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに導入し、触媒燃焼部本体５０を着火させる。そして、触媒燃焼部本体５０の着火を判定した後に、図７の矢印Ｍ５に示すように空気量を着火時よりも増加させる増量操作を実行し、図７における点Ｒ１０に移行させる。この場合、点Ｒ９、点Ｒ１０で規定される当該空気量は特性線Ｗ１を越えず、可燃範囲から外れる領域Ｋ１内に設定されている。

図８及び図９は実施例４を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様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。本実施例では、図８及び図９に示すように、ヒータ５９は点火機能をもつグロープラグであり、触媒燃焼部本体５０から露出している本体５９ａと、触媒燃焼部本体５０の内部に埋設されている埋設加熱部５９ｂとを有する。埋設加熱部５９ｂは耐食性が良好な材料で形成されていることが好ましい。ヒータ５９の埋設加熱部５９ｂは、給電により発熱して着火を行う。グロープラグは着火時に定格以上の電圧を印加してもよいし、定格以内の電圧を印加してもよい。

ヒータ５９の埋設加熱部５９ｂは、暖機運転時に改質ガスが流れる流路において、触媒燃焼部本体５０の上流域５０ｕに局部的に配設されている。従ってヒータ５９が作動すれば、埋設加熱部５９ｂにより触媒燃焼部本体５０のうちの上流域５０ｕがピンポイント的、つまり局部的に集中して加熱される。この結果、改質ガスに含まれているＣＯ等の不純物の濃度が高いときであっても、または、改質ガスに含まれている湿分（水蒸気、水滴）が多いときであっても、触媒燃焼の着火源を形成し易い利点が得られる。水素リッチな改質ガスは触媒燃焼部本体５０の上流域５０ｕから下流域５０ｄに向けて流れるため、着火後に、触媒燃焼を触媒燃焼部本体５０の上流域５０ｕから下流域５０ｄに向けて効率よく伝播させることができる。故に、着火性を高めつつ、触媒燃焼部本体５０の全体を触媒燃焼させるのに有利である。定常運転に移行すれば、ヒータ５９はオフとされる。

なお、図１０に示すように触媒燃焼部５には複数個の触媒燃焼部本体５０が設けられており、各触媒燃焼部本体５０の着火性を確保すべく、各触媒燃焼部本体５０の上流５０ｕにヒータ５９が取り付けられている。但し、全部の触媒燃焼部本体５０にヒータ５９を取り付けるのではなく、一部の触媒燃焼部本体５０のみにヒータ５９を取り付けることにしてもよい。更に、図８に示すように、触媒燃焼部５に導入される改質ガスに含まれている水滴等の湿分を捕獲する第１ガス接触部材９がヒータ５９の上流に配置されているため、ヒータ５９の保護性が高まる。

本実施例によれば、グロープラグで形成されているヒータ５９を点火させることにより、触媒燃焼部本体５０を着火させることができる。本実施例においても、触媒燃焼制御部１００により触媒燃焼部５の触媒燃焼本体部５０に対する着火操作および増量操作が実行される。着火操作によれば、触媒燃焼部５の燃焼開始時において、火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域Ｋ１となるように、開放状態の第１バルブ８１から空気を、開放状態の第６バルブ８６から改質ガスを触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに導入する。そして、領域Ｋ１内の条件においてヒータ５９を点火させることにより、触媒燃焼部本体５０を着火させる。触媒燃焼部本体５０が着火したと判定された後に、触媒燃焼制御部１００は、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作を実行する。

図１０は実施例５を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様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。本実施例では、触媒燃焼部本体昇温促進手段は、図１０に示すように、触媒燃焼用の触媒燃焼部本体５０を加熱する電気式のヒータ９７（カートリッジヒータ）で構成されている。ヒータ９７は触媒燃焼部本体５０を間接的に加熱するように触媒燃焼部本体５０の近傍に位置して触媒燃焼部本体５０の外側において、触媒燃焼部本体５０の上方となるように配置されている。必要に応じて、ヒータ９７を触媒燃焼部本体５０の横方または下方となるように配置してもよい。ヒータ９７は、触媒燃焼部本体５０を流れる水素リッチな改質ガスの流れ方向（矢印Ｅ１方向）に沿って延設された長さＬＡを有しており、触媒燃焼部本体５０の上流５０ｕから下流５０ｄにかけて延設されている。長さＬＡは触媒燃焼部本体５０の長さのうちの５０〜１２０％、６０〜１００％を占める形態を例示することができる。本実施例では、触媒燃焼部本体５０が間接加熱されるため、触媒燃焼部本体５０の局所的な過剰加熱を抑えるのに有利であり、触媒燃焼部本体５０の全体を均一的に加熱するのに有利であり、触媒燃焼部本体５０における無炎燃焼に貢献できる。

本実施例においても、触媒燃焼制御部１００により触媒燃焼部５の触媒燃焼本体部５０に対する着火操作および増量操作が実行される。即ち、前記した領域Ｋ１となるように、改質ガスを触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに導入する。そして、領域Ｋ１内の条件においてヒータ９７の発熱により触媒燃焼部本体５０を着火させる。触媒燃焼部本体５０が着火したと判定された後に、触媒燃焼制御部１００は、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作を実行する。

（その他）
上記した燃料電池発電システムは定置用でも車載用でも、それ以外の用途でも良い。上記した実施例は改質装置は燃料電池発電システムに適用したものであるが、これに限らず、水素製造システム等の他のシステムに適用してもよい。

上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
（付記項１）改質原料を改質させて改質ガスを生成する改質部と、改質部に連通して配設され改質部で生成された改質ガスを浄化する改質ガス浄化部とを具備する改質装置において、改質部の起動時に改質ガス浄化部を暖機する触媒燃焼部本体を有する触媒燃焼部と、触媒燃焼部本体の触媒燃焼を制御する触媒燃焼制御部とを具備しており、触媒燃焼制御部は、改質ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域において触媒燃焼部本体を着火させる着火操作と、着火操作後あるいは着火判定後に、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作とを実行することを特徴とする燃料電池発電システム。
（付記項２）改質原料を改質させて改質ガスを生成する改質部と、改質部に連通して配設され改質部で生成された改質ガスを浄化する改質ガス浄化部と、改質ガス浄化部を経た改質ガスが供給される燃料電池とを具備する燃料電池発電システムにおいて、改質部の起動時に改質ガス浄化部を暖機する触媒燃焼部本体を有する触媒燃焼部と、触媒燃焼部本体の触媒燃焼を制御する触媒燃焼制御部とを具備しており、
触媒燃焼制御部は、改質ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域において触媒燃焼部本体を着火させる着火操作と、着火操作後あるいは着火判定後に、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作とを実行することを特徴とする燃料電池発電システム。

本発明は触媒燃焼装置に利用することができる。例えば、触媒燃焼装置を有する水素製造システム、触媒燃焼装置を有する燃料電池発電システムに利用することができる。

燃料電池発電システムを示す概念図である。 改質装置を模式的に示す構成図である。 触媒燃焼部を模式的に示す構成図である。 触媒燃焼部を異なる方向から模式的に示す構成図である。 可燃範囲と断熱燃焼温度との関係を示すと共に、着火操作から増量操作に移行させる形態を示すグラフである。 触媒燃焼制御部が実行するフローチャートの一例である。 実施例３に係り、可燃範囲と断熱燃焼温度との関係を示すと共に、着火操作から増量操作に移行させる形態を示すグラフである。 実施例４に係り、ヒータが装備されている触媒燃焼部付近を示す構成図である。 実施例４に係り、ヒータが装備されている触媒燃焼部本体を示す構成図である。 実施例４に係り、ヒータが装備されている触媒燃焼部本体を示す構成図である。

１はスタック、１０は燃料極、１１は酸化剤極、２は改質装置、２０は改質部、３はシフト部（浄化部，暖機対象物）、４はＣＯ浄化部（浄化部）、５は触媒燃焼部、５ｃは触媒、５０は触媒燃焼部本体、５０ｘは温度センサ（温度検知手段）、５１は改質ガス通路、５７は暖機通路、５９はヒータ、５９ｂは埋設加熱部、６は冷却部、６０はガス通路、６１は原料通路、７９は第１迂回通路、８７は凝縮器、１００は触媒燃焼制御部を示す。

Claims (7)

1. 燃料ガスを供給するガス供給部と、
   前記ガス供給部に連通して配設され前記燃料ガスを触媒燃焼させる触媒を担持する触媒燃焼部とを具備する触媒燃焼装置において、
   前記触媒燃焼部における触媒燃焼を制御する触媒燃焼制御部と、前記触媒燃焼部により暖機される暖機対象物とを具備しており、
   前記触媒燃焼制御部は、
   燃料ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域において前記触媒燃焼部を着火させる着火操作と、
   着火操作後に、前記触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作とを実行し、且つ、前記増量操作において、前記触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの前記燃料ガスの流量を前記増量操作前に対して変化させず、
   前記暖機対象物が設定温度以上に到達したら、前記触媒燃焼制御部は、前記触媒燃焼部への空気の供給を停止又は減少させることを特徴とする触媒燃焼装置。
2. 燃料ガスを供給するガス供給部と、
   前記ガス供給部に連通して配設され前記燃料ガスを触媒燃焼させる触媒を担持する触媒燃焼部とを具備する触媒燃焼装置において、
   前記触媒燃焼部における触媒燃焼を制御する触媒燃焼制御部と、前記触媒燃焼部により暖機される暖機対象物とを具備しており、
   前記触媒燃焼制御部は、
   燃料ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域において前記触媒燃焼部を着火させる着火操作と、
   着火判定後に、前記触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作とを実行し、且つ、前記増量操作において、前記触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの前記燃料ガスの流量を前記増量操作前に対して変化させず、
   前記暖機対象物が設定温度以上に到達したら、前記触媒燃焼制御部は、前記触媒燃焼部への空気の供給を停止又は減少させることを特徴とする触媒燃焼装置。
3. 請求項１または２において、前記触媒燃焼部の温度を検知する温度検知手段が設けられており、前記温度検知手段で検知される前記触媒燃焼部の温度が前記着火操作の前よりも設定温度以上越えたとき、前記触媒燃焼制御部は前記触媒燃焼部が着火していると判定することを特徴とする触媒燃焼装置。
4. 請求項１〜３のうちの一項において、前記暖機対象物は、前記ガス供給部から供給された燃料ガスを浄化させる浄化部であり、前記触媒燃焼部は、燃料ガスが流れる流路において前記ガス供給部と前記浄化部との間に配設されていることを特徴とする触媒燃焼装置。
5. 請求項１〜４のうちのいずれか一項において、前記燃料ガスは水素を主要成分とするガスであることを特徴とする触媒燃焼装置。
6. 請求項１〜５のうちのいずれか一項において、燃料ガスに含まれている湿分を低減させる湿分低減手段が前記触媒燃焼部の上流に設けられていることを特徴とする触媒燃焼装置。
7. 請求項１〜６のうちのいずれか一項において、前記触媒燃焼部にはこれの着火性を高めるヒータが設けられていることを特徴とする触媒燃焼装置。

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