JP4655464B2

JP4655464B2 - 燃料改質装置

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Publication number: JP4655464B2
Application number: JP2003332160A
Authority: JP
Inventors: 浩一山口; 尚志青山; 忠庄子
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2023-09-24
Also published as: WO2005029616A2; US7547333B2; EP1683221A2; WO2005029616A3; JP2005100772A; US20060225346A1

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、排気、起動・停止性、過渡応答性等を改善した燃料電池システムの燃料改質装置に関する。

従来から、水素リッチガスと、空気などの酸素含有ガスによる電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池が知られている。燃料電池には、通常、酸素含有ガスとして空気が用いられ、水素含有ガスとしては炭化水素燃料（たとえば、ガソリン）と水と酸素とを用いて、水素と二酸化炭素とを生成する改質反応により得られる改質ガスが用いられる。これらの改質反応を行う燃料改質装置は水蒸気反応や部分酸化反応のどちらか、あるいは両方を併用した燃料改質器、シフト反応により改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するシフト反応器、選択酸化反応により改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する選択酸化反応器、各反応器の中間に設けられた改質ガスの温度を適切に保つ熱交換器などの複数の要素により構成される。

燃料電池システムを車両用駆動電源に採用するには、起動時間の短縮が解決すべき課題の一つとなっている。特に、燃料改質装置の各要素を如何に早く反応に適した温度に昇温し水素リッチガスを生成できるかが課題となっている。

従来の燃料改質装置の昇温法として、起動時に燃焼器に燃料と空気を供給して燃焼させ、ここで得られた燃焼ガスを燃料改質装置内に流通させる事で燃料改質装置の各要素を加熱する技術がある。しかしながら、燃料にガソリンのような常温で液体である炭化水素燃料を用いる場合には、燃焼器において空気中に燃料を噴出させて燃焼させると拡散燃焼となるため、燃焼ガス中に高濃度の窒素酸化物（ＮＯｘ）が生成されるという問題点があった。同様な問題点に対し、燃焼器一般における排気低減技術として、液体燃料を予蒸発させ、空気と空気過剰の割合で予混合させ、燃焼器へ供給し予混合希薄燃焼を行う技術がある。

例えば、副燃焼部において理論混合比付近の混合比で燃焼を行った燃焼ガスと、希釈空気とを混合し、液体燃料の着火温度以下まで温度を低下させた高温ガス生成し、これに液体燃料を供給し予蒸発させ、後段の主燃焼部に供給し予混合希薄燃焼を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平４−１７７０１１号公報

上記特開平４−１７７０１１号公報に記載の技術では、副燃焼部での燃焼ガス温度が１２００〜２０００℃に設定されている。一般に、空気過剰率、燃焼（ガス）温度およびＮＯｘ生成量の間には図４に示すような関係があることが知られている。図４において、左矢印（←）のついたグラフは燃焼温度の特性を示し、右矢印（→）のついたグラフはＮＯｘ生成量の特性を示している。

特開平４−１７７０１１号公報に記載の技術では、主燃焼部では予混合希薄燃焼によるＮＯｘ低減が可能となるが、副燃焼部における空気と燃料の割合は理論混合比付近とされている。このため、副燃焼部において多量のＮＯｘが生成され、この結果、燃焼器から排出されるＮＯｘ量のほとんどが副燃焼部で生成されるＮＯｘが占めることになる。このように、特開平４−１７７０１１号公報に記載の排気低減技術では、副燃焼部でのＮＯｘ低減が難しいため、燃焼器全体で充分なＮＯｘ排出量低減効果が得られないという課題があった。

上記目的を達成するため、請求項１に係わる発明は、起電燃料となる水素含有ガスを生成する燃料改質器、および燃焼ガスを生成する燃焼器とを備えた燃料改質装置であって、システムの起動時には、前記燃焼器へ液体燃料と空気とを供給し、生成される燃焼ガスを装置本体内に流通する事で昇温を行う燃料改質装置において、前記燃焼器を主燃焼部と副燃焼部の２つの燃焼部、およびその間の燃料予蒸発部、それぞれの前記燃焼部に燃料を供給する主燃料噴射弁および副燃料噴射弁とから構成し、システムの起動時には、前記燃料予蒸発部で必要な熱量を発生するための所定量の燃料と空気とを前記副燃焼部において希薄燃焼させ、前記主燃焼部で燃焼される燃料を前記副燃料部からの燃焼ガスを用いて燃料予蒸発部において予蒸発させ、当該予蒸発で得られた予蒸発燃料と空気とを前記主燃焼部において予混合希薄燃焼させ、燃料と空気とを前記主燃焼部において予混合希薄燃焼させ、前記主燃焼部の下流に熱交換器を設け、前記主燃焼部の燃焼開始後に、前記副燃焼部における燃焼を停止し、前記熱交換器において燃焼ガスとの熱交換により予熱した空気を前記燃料予蒸発部に導入することにより前記主燃焼部で燃焼される燃料を予蒸発させることを特徴とするものである。

本発明においては、システムの起動時に、燃料予蒸発部で必要な熱量を発生する所定量の燃料と、燃料に対し所定の空気過剰率となる空気とを副燃焼部に供給して希薄燃焼させる際に、所定の燃料量としては、主燃焼部で燃焼される燃料を予蒸発させるのに必要な熱量であり、予蒸発される燃料量から比例関係をもって決定し、また所定の空気過剰率としてはＮＯｘ生成量、あるいはＮＯｘ生成量と関連付けられた燃焼温度が所定の許容範囲以下となる様に決定する。このように燃焼させることで、副燃焼部におけるＮＯｘ生成量を充分に低減することができる（一般的には燃焼温度９００℃以下でＮＯｘ生成量が極めて小さくなる）。そして、主燃焼部で燃焼される燃料を副燃焼部からの燃焼ガスを用いて燃料予蒸発部において予蒸発させ、予蒸発燃料と空気とを所定の空気過剰率の混合し、主燃焼部において予混合希薄燃焼させる。このように燃焼させることで主燃焼部においてはＮＯｘ生成量は極めて低くなる。この結果、副燃焼部および主燃焼部での生成量の合計として燃焼器からのＮＯｘ排出量を大幅に低減することができる。また、この様に生成された高温の燃焼ガスを燃料改質装置内に流通することで、燃料改質装置の速やかな起動を実現することができる。

以下、本発明に係わる燃料改質装置を実施するための最良の形態を示す実施例を図面を参照しながら説明する。

まず、実施例１に係わる燃料改質装置が適用される燃料電池システムの概要について説明する。図１は、実施例１における燃料電池システムの一例を示すブロック図である。

燃料電池システム１は、電気化学反応により起電力を得る燃料電池スタック２と、圧縮空気（酸素含有ガス）を供給するコンプレッサ５と、起動時において燃料改質装置に燃焼ガスを供給する燃焼器６と、改質反応により起電燃料となる水素含有ガスを生成する燃料改質装置３０と、その他、図示の各構成要素とを備えている。

改質原料としての炭化水素燃料（たとえば、ガソリン）と水とは、燃料タンク１０、水タンク（図示せず）に収容され、燃料ポンプ１１、水ポンプ（図示せず）によって燃料改質装置３０へ送られる（一部経路は図示せず）。

燃料改質装置３０は、改質器（燃料改質器）７、シフト反応器８、選択酸化反応器９から構成される。改質器７は、燃料および水と、コンプレッサ５から供給される空気とを混合して、燃料の水蒸気改質反応や酸化反応とによって水素リッチガスを生成する。本実施例では、吸熱反応である水蒸気反応で必要とされる熱量を、発熱反応である酸化反応により生じた熱量で賄うことで、別途の加熱器を省略あるいは小能力化できる、いわゆるオートサーマル型を採用している。改質器７から燃料電池スタック２の燃料極３側へ供給される改質ガス中に含まれる一酸化炭素による燃料電池スタック２の被毒を防ぐために、改質器７と燃料電池スタック２との間に、シフト反応により一酸化炭素濃度を低減するシフト反応器８、選択酸化反応により一酸化炭素を低減する選択酸化反応器９が配置される。

燃料電池スタック２の空気極４側にコンプレッサ５からの圧縮空気が供給されるとともに、燃料極３側には燃料改質装置３０からの改質ガスが供給されることにより、電気化学反応を利用して発電が行われる。

システム起動時には、燃料と空気が燃焼器６へ送られ、希薄燃焼が行われる。燃焼ガスは改質器７、シフト反応器８、選択酸化反応器９内を流通し、これらを昇温する。

まず、実施例１に係わる燃料改質装置について説明する。図２は、実施例１における燃焼器６の詳細な構成を示すブロック図である。燃焼器６は、副燃焼部１８と主燃焼部２０の２つの燃焼部、およびその間の燃料予蒸発部１９、それぞれの燃焼部に燃料を供給する副燃料噴射弁１５および主燃料噴射弁１６、それぞれの燃焼部に空気を供給する空気制御弁１３，１４、および熱交換器２１を備えている。ここで、副燃料噴射弁１５は主燃料噴射弁１６より低流量の噴射弁を用いて構成される。また、燃料器６の各部には、グロープラグ（あるいはスパークプラグ）２２，２４、燃焼ガス温度センサ２３，２５、熱交換器出口ガス温度センサ２６が接続されている。

なお、燃料改質装置３０の各部には、図１に示すように、改質器温度センサ２７、シフト反応器温度センサ２８、選択酸化反応器温度センサ２９（以下、これらを適宜に温度センサという）が接続されている。

また、燃料電池システム１の電子制御装置（図示せず）は、マイクロコンピュータを内蔵しており、これには、燃焼ガス温度センサ２３，２５、熱交換器出口ガス温度センサ２６、各温度センサ２７，２８，２９からの温度信号、図示しないスロットルセンサ、車速センサからの信号が入力される。電子制御装置は、これらの入力信号に基づいて、コンプレッサ５、燃料ポンプ１１、空気制御弁１３，１４、燃料噴射弁１５，１６およびグロープラグ２２，２４などの作動をマイクロコンピュータのプログラムを用いて制御する。

次に、実施例１における燃料改質装置について説明する。本実施例における燃料改質装置の運転状態に応じた燃焼器各部の動作を図３に示す。

図５は、燃料改質装置の起動初期における実施例１の動作を示すフローチャートである（なお、図５では本文の説明順とフローチャートの動作順が一部異なる）。

電子制御装置は、燃料電池システム１の起動信号を検出すると（ステップＳ１０１）、図２の温度センサ２７から改質器温度ＴＲを検出し（ステップＳ１０２）、この改質器温度ＴＲが所定の温度ＴＲ０より低いかどうかを判断する（ステップＳ１０３）。ここで、ＹＥＳであれば、以下の手順で燃焼を開始して、燃料改質装置の昇温を行う。まず、副燃焼部１８に空気制御弁１３、副燃料噴射弁１５で調量された空気、燃料を供給し、さらにグロープラグ２２，２４を通電して着火し希薄燃焼させる（ステップＳ１０４〜Ｓ１０６）。この際の燃料量は燃料予蒸発部１９で必要な熱量、すなわち主燃焼部２０で燃焼させる燃料を予蒸発させるために必要な熱量であり、予蒸発される燃料量から比例関係をもって決定される。また、空気量は図４に示すような空気過剰率、燃焼温度およびＮＯｘ生成量の関係から、ＮＯｘ生成量、あるいはＮＯｘ生成量と関連付けられた燃焼温度が所定の許容範囲以下となる空気過剰率から決定される。続いて、燃料予蒸発部１９に副燃焼部１８からの燃焼ガスを供給し、燃焼ガス中に主燃料噴射弁１６により調量された改質用燃料（以下、単に燃料という）を噴射し、燃料を予蒸発させ、空気制御弁１４により調量された空気を導入し、予混合気を生成する。この際の空気過剰率は副燃焼部１８における空気過剰率の決定と同様になされる。この様に形成された予混合希薄混合気を主燃焼部２０においてグロープラグ（図示せず）に通電して着火し予混合希薄燃焼させる（ステップＳ１０７〜Ｓ１０９）。この様に生成された燃焼ガスを燃料改質装置内に流通し、機器の昇温を行う。なお、ステップＳ１０３でＮＯであれば、ステップＳ１０８以降の処理を実行する。

上述したように、システム起動時においては、燃料予蒸発部１９で必要な熱量を発生する所定量の燃料と、この燃料に対し所定の空気過剰率となる空気とを副燃焼部１８に供給することにより、希薄燃焼させている。この際、所定の燃料量は、主燃焼部２０で燃焼される燃料を予蒸発させるのに必要な熱量であり、予蒸発される燃料量から比例関係をもって決定される。また、所定の空気過剰率はＮＯｘ生成量、あるいはＮＯｘ生成量と関連付けられた燃焼温度が所定の許容範囲以下となる様に決定される。一般的には、燃焼温度９００℃以下でＮＯｘ生成量が極めて小さくなる。このように燃焼させることで、副燃焼部１８におけるＮＯｘ生成量を充分に低減することができる。そして、主燃焼部２０で燃焼される燃料を副燃焼部１８からの燃焼ガスを用いて燃料予蒸発部１９において予蒸発させ、予蒸発燃料と空気とを所定の空気過剰率の混合し、主燃焼部２０において予混合希薄燃焼させる。このように燃焼させることで主燃焼部２０においてはＮＯｘ生成量は極めて低くなる。結果として、副燃焼部１８および主燃焼部２０での生成量の合計として、燃焼器６からのＮＯｘ排出量を大幅に低減することができる。また、この様に生成された高温の燃焼ガスを燃料改質装置内に流通することで、燃料改質装置３０の速やかな起動を実現することができる。

また、副燃料噴射弁１５は主燃料噴射弁１６より低流量の噴射弁を用いて構成しているため、以下のような効果がある。すなわち、副燃料噴射弁１５からの供給燃料量は主燃料噴射弁１６から供給する燃料を蒸発させるために必要な量であり、主燃料噴射弁１６からの供給量に比べ、非常に低く設定される。この際、主燃料噴射弁１６と副燃料噴射弁１５とを同流量の噴射弁で構成すると、負荷に応じた燃料流量制御として簡便な方法である間欠噴射デューティによる噴射量制御を適用した場合、副燃料噴射弁１５の作動が極端な低デューティとなり、副燃焼部１８における燃焼の間欠化を招き、好ましくない。このため、副燃料噴射弁１５を主燃料噴射弁１６より低流量に構成することにより、この問題を回避して、簡便なデューティ制御で燃料流量制御を行うことが可能となる。

次に、主燃焼部２０の燃焼開始後は、主燃焼部２０の下流に設けられた熱交換器２１により予熱された空気が燃料予蒸発部１９に導入される。図６は、主燃焼部２０の燃焼開始後における実施例１の動作を示すフローチャートである。

電子制御装置は、図２の熱交換器出口ガス温度センサ２６から熱交換器出口ガス温度ＴＨを検出し（ステップＳ２０１）、この熱交換器出口ガス温度ＴＨが所定の温度ＴＨ０より高いかどうかを判断する（ステップＳ２０２）。ここで、ＹＥＳであれば、副燃料噴射弁１５の動作を停止し（ステップＳ２０３）、空気制御弁１３を閉じ（ステップＳ２０４）、副燃焼部１８における燃焼を停止する。そして、副燃焼部１８からの燃焼ガスに代えて、熱交換器２１により予熱された高温空気を用いて予混合気を生成し、引き続き主燃焼部２０で予混合希薄燃焼を行う。

上述したように、主燃焼部２０の燃焼開始後においては、主燃焼部２０下流に設けられた熱交換器２１により予熱された高温空気を燃料予蒸発部１９に導入することで主燃焼部２０で燃焼される燃料を予蒸発させることができ、副燃焼部１８における燃焼を停止することが可能となる。すなわち、燃焼器６からのＮＯｘ排出量の大半が生成される副燃焼部１８において、主燃焼部２０での燃焼開始後のＮＯｘ生成を無くすることができ、大幅なＮＯｘ低減効果が得られる。

次に、燃料改質装置３０が昇温された後、主燃焼部２０での燃焼を停止し、以下のような燃料改質運転に移行する。本実施例では、主燃料噴射弁１６を改質器７へ燃料を供給する噴射弁として動作させ、また、熱交換器２１により予熱された空気を用いて燃料の予蒸発を行うように構成している。図７は、システム起動後の改質運転時における実施例１の動作を示すフローチャートである。

電子制御装置は、図２の温度センサ２７から改質器温度ＴＲを検出し（ステップＳ３０１）、この改質器温度ＴＲが所定の温度ＴＲ１より高いかどうかを判断する（ステップＳ３０２）。ここで、ＹＥＳであれば、主燃料噴射弁１６により調量された燃料を供給し（ステップＳ３０３）、また、空気制御弁１４により燃料過剰となる空気量を調量し、燃料予蒸発部１９へ供給する（ステップＳ３０４）。そして、形成された燃料過剰の混合気を改質器７へ導入する。ここで、シフト反応器８、選択酸化反応器９の温度を検出し、運転を切り替えるよう構成しても良い。

上述したように、燃料改質運転時に、主燃料噴射弁１６を改質器７へ燃料を供給する噴射弁として動作させることにより、両噴射弁を共用でき、部品数の削減が可能となる。

なお、副燃焼部１８からの燃焼ガスを用いて燃料予蒸発部１９において燃料を予蒸発させるように構成しても良い。すなわち、燃料に液体燃料を用いる場合、これを予蒸発させ改質器に供給することが望ましいが、上記のように構成した場合は、副燃焼部１８からの燃焼ガスを用いて燃料の予蒸発が可能となるため、改質運転用に別途燃料予蒸発器を設ける必要が無く、部品数の大幅な削減が可能となる。

次に、システム起動後に、一時的に燃料改質運転を停止して次回の燃料改質運転に備え燃料改質装置３０の保温を行う、アイドル運転時について説明する。図８は、アイドル運転時における実施例１の動作を示すフローチャートである（なお、図８では、本文の説明順とフローチャートの動作順が一部異なる）。

電子制御装置は、スロットル開度ＴＶＯおよび車速ＶＳを検出し（ステップＳ４０１，Ｓ４０２）、このスロットル開度ＴＶＯが０で、かつ車速ＶＳが所定の車速ＶＳ０より低いかどうかを判断する（ステップＳ４０３）、ここで、ＹＥＳであれば、主燃料噴射弁１６の動作を停止し（ステップＳ４０４）、空気制御弁１４を閉じ、主燃焼部２０における燃焼を停止する（ステップＳ４０５）。そして、副燃焼部１８に空気制御弁１３、副燃料噴射弁１５により調量された空気、燃料を供給し、グロープラグ２２，２４を用いて着火し希薄燃焼させる（ステップＳ４０６〜Ｓ４０８）。この際の燃料量は、燃料改質装置３０の保温に必要な熱量から決定される。また、空気量は起動時と同様所定の空気過剰率となる様、決定される。

上述したように、システム起動後に、一時的に燃料改質運転を停止して次回の燃料改質運転に備え燃料改質装置３０の保温を行う、アイドル運転時には、燃焼器６における必要発熱量が起動時より大幅に低く、主燃焼部２０における燃焼負荷範囲以下になる場合があるが、この場合に、副燃焼部１８のみで燃焼を行い、燃焼ガスを装置に流通する事で燃料改質装置３０の保温を行うことが可能となる。
次に、システム停止時には、以下のように燃焼器６において希薄燃焼を行い、生成された高温の燃焼ガスを用いて燃料改質装置３０内をパージする。図９は、システム停止時における実施例１の動作を示すフローチャートである（なお、図９では、本文の説明順とフローチャートの動作順が一部異なる）。

電子制御装置は、燃料電池システム１の停止信号を検出し（ステップＳ５０１）、停止動作に入る。停止開始後時間ｔ＝０とし（ステップＳ５０２）、主燃焼部下流に設けられた熱交換器２１により燃料予蒸発部１９に導入された高温空気中に、主燃料噴射弁１６により調量された燃料を噴射し（ステップＳ５０５，Ｓ５０６）、燃料を予蒸発させ予混合気を生成し、主燃焼部２０でグロープラグを用いて着火し予混合希薄燃焼を行う（ステップＳ５０３）。続いて、ｔ＝ｔ＋Δｔとして（ステップＳ５０７）、ｔが所定のパージ時間ｔ０に達するまでステップＳ５０５〜Ｓ５０７の動作を継続する。所定のパージ時間ｔ０経過後（ステップＳ５０４でＮＯ）は、主燃料噴射弁１６の動作を停止し（ステップＳ５０８）、空気制御弁１４を閉じ（ステップＳ５０９）、停止運転を完了する。この際、空気制御弁１４および主燃料噴射弁１６を停止運転開始からの時間に応じて、空気および燃料量が徐々に減ぜられる様に制御し、パージガス量を徐々に減ずるように制御しても良い。

上述のように、システム停止時には、液体燃料と空気とを燃焼器６へ供給し希薄燃焼させ、生成された高温の燃焼ガスを用いて燃料改質装置３０内をパージすることにより、残存する燃料を除去するため安全な停止が可能となる。また、残存する水蒸気を除去するためシステム停止後の水凝縮を防止でき、凝縮水による次回起動時の起動時間の遅延を防止することが可能となり、かつこの際のＮＯｘ排出量を大幅に低減できる。

次に、実施例２に係わる燃料改質装置について説明する。図１０は、実施例２に係わる燃料改質装置が適用される燃料電池システム１の一例を示すブロック図である。

本実施例では、燃焼器６ａが改質器（図１参照）を兼ねる点が実施例１と異なる。その他の構成要素は実施例１における図１と同じであり、同等部分を同一符号で示している。燃焼器６ａは、詳細な構成を図１１に示すように、主燃焼部２０ａを触媒燃焼部として構成し、改質運転時には燃料過剰の状態で改質器として動作するものである。その他の構成要素は実施例１における図２と同様であり、同等部分を同一符号で示している。本実施例における燃料改質装置の運転状態に応じた燃焼器各部の動作を図１２に示す。

以下、実施例２の説明として、実施例１とは異なる燃料改質運転時についてのみ説明する。

燃料改質運転時には、熱交換器２１により予熱された空気を空気制御弁１４により燃料過剰に空気量を調量し、燃料予蒸発部１９に導入する。また、主燃料噴射弁１６により調量された燃料を燃料予蒸発部１９に供給し、高温の空気を用いて燃料の予蒸発を行う。そして、形成された燃料過剰の混合気を起動時の触媒燃焼部を兼ねた主燃焼部２０ａへ導入し燃料改質を行う。

上述したように、主燃焼部２０ａを触媒燃焼部として構成し、燃料改質運転時には、これを燃料過剰の状態で改質器として動作させることにより、燃焼器６ａとして燃料改質装置中に設ける部品数の削減が可能となる。また、その結果、システム起動時に昇温が必要な部品数が削減されることから起動時間の短縮が可能となる。また、システム停止時にパージが必要な部品数が削減されることから、停止時間の短縮が可能となる。さらに、これら起動、停止時間の短縮に伴い、燃焼器運転時間が短縮するため、ＮＯｘ排出量の大幅な低減が可能となる。

また、主燃焼部２０ａ下流に設けた熱交換器２１により予熱した空気を用いて燃料を蒸発させるため、主燃焼部２０ａにおける燃焼を停止することが可能となる。したがって、改質運転中の燃焼器からのＮＯｘ生成を無くすることができる。

なお、副燃焼部１８からの燃焼ガスを用いて燃料予蒸発部１９において燃料を予蒸発させるように構成しても良い。すなわち、燃料に液体燃料を用いる場合、これを予蒸発させ改質器に供給することが望ましいが、上記構成によれば、副燃焼部１８からの燃焼ガスを用いて燃料の予蒸発が可能となるため、改質運転用に別途燃料予蒸発器を設ける必要が無く、部品数の大幅な削減が可能となる。

次に、燃料改質運転中の負荷急増時において、熱交換器２１の応答遅れにより燃料予蒸発部１９に導入される熱量が不足する場合には、以下のようにこれを補う。図１３は、燃料改質運転中の負荷急増時における実施例２の動作を示すフローチャートである（なお、図１３では、本文の説明順とフローチャートの動作順が一部異なる）。

電子制御装置は、スロットル開度変化量ΔＴＶＯを検出し（ステップＳ６０１）、このスロットル開度変化量ΔＴＶＯが所定の変化量ＴＶＯ１より大きいかどうかを判断する（ステップＳ６０２）。ここで、ＹＥＳであれば、空気制御弁１３、副燃料噴射弁１５を作動させ、調量された空気と燃料を副燃焼部１８に導入しグロープラグを用いて着火し燃焼させ（ステップＳ６０３〜Ｓ６０５）、この燃焼ガスと熱交換器２１により予熱された空気の両方を用いて、燃料予蒸発部１９において増加した燃料を蒸発させる。この様に形成された予混合希薄混合気を主燃焼部２０ａへ導入するとともに、主燃料噴射弁１６により調量された燃料、および空気制御弁１４により燃料過剰となる空気量を調量して、主燃焼部２０ａへ供給する（ステップＳ６０６，Ｓ６０７）。

上述したように、燃料改質運転中の負荷急増時に、熱交換器２１の応答遅れにより燃料予蒸発部１９で不足する熱量を、副燃焼部１８からの燃焼ガスにより補うことが可能となるため、増加した燃料を確実に蒸発させることができる。この結果、燃料改質装置の過渡応答性を向上することが可能となる。

また、図１４に示すように、熱交換器２１の特性を常用負荷域、例えば最大負荷の３０〜５０％負荷範囲において熱交換効率が最大となる様に設定し、これより負荷が増加した場合に、空気制御弁１３、副燃料噴射弁１５を作動させて空気と燃料を副燃焼部１８に導入し、グロープラグを用いて着火し燃焼させ、この燃焼ガスと熱交換器２１により予熱された空気の両方を用いて、燃料予蒸発部１９において増加した燃料を蒸発させる構成としても良い。

上述したように、熱交換器２１を常用負荷域において熱交換効率が最大となる様設定することにより、常用負荷域における熱効率の向上が図れる。また、負荷増加時には、燃料予蒸発部１９で不足する熱量を副燃焼部１８からの燃焼ガスにより補うことができるので、増加する燃料を確実に蒸発させることができる。

以上説明したように、本実施例に係わる燃料改質装置によれば、燃焼器６において、燃料電池システムの起動時に燃料予蒸発部１９で必要な熱量を発生する所定量の燃料と空気とを副燃焼部１８において希薄燃焼させ、主燃焼部２０で燃焼される燃料を副燃焼部１８からの燃焼ガスを用いて燃料予蒸発部１９において予蒸発させ、予蒸発燃料と空気とを主燃焼部２０において予混合希薄燃焼させる様構成することで、特に燃料改質装置３０の排気、ならびに、起動・停止性、過渡応答性を改善することが可能となる。

なお、上記実施例においては、本発明に係わる燃料改質装置が、改質器、シフト反応器、選択酸化反応器とから構成される例について説明したが、その他の、起動時に反応に適した温度への昇温が必要な燃料改質装置から構成される燃料改質装置にも適用できる。

実施例１における燃料電池システムの一例を示すブロック図。実施例１における燃焼器の詳細な構成を示すブロック図。実施例１における燃料改質装置の運転状態に応じた燃焼器各部の動作を示す説明図。燃焼器における空気過剰率、燃焼温度と窒素酸化物生成量との関係を示す特性図。燃料改質装置の起動初期における実施例１の動作を示すフローチャート。主燃焼部の燃焼開始後における実施例１の動作を示すフローチャート。システム起動後の改質運転時における実施例１の動作を示すフローチャート。アイドル運転時における実施例１の動作を示すフローチャート。システム停止時における実施例１の動作を示すフローチャート。実施例２における燃料電池システムの一例を示すブロック図。実施例２における燃焼器の詳細な構成を示すブロック図。実施例２における燃料改質装置の運転状態に応じた燃焼器各部の動作を示す説明図。燃料改質運転中の負荷急増時における実施例２の動作を示すフローチャート。改質器負荷と空気量、熱交換器効率とを示す特性図。

符号の説明

１…燃料電池システム
２…燃料電池スタック
３…燃料極
４…空気極
５…コンプレッサ
６…燃焼器
６ａ…燃焼器（〜改質器）
７…改質器（燃料改質器）
８…シフト反応器
９…選択酸化反応器
１０…燃料タンク
１１…燃料ポンプ
１３，１４…空気制御弁
１５…副燃料噴射弁
１６…主燃料噴射弁
１８…副燃焼部
１９…燃料予蒸発部
２０…主燃焼部
２０ａ…主燃焼部（〜触媒燃焼部）
２１…熱交換器
２２，２４…グロープラグ
２３，２５…燃焼ガス温度センサ
２６…熱交換器出口ガス温度センサ
２７…改質器温度センサ
２８…シフト反応器温度センサ
２９…選択酸化反応器温度センサ
３０…燃料改質装置

Claims

起電燃料となる水素含有ガスを生成する燃料改質器、および燃焼ガスを生成する燃焼器とを備え、システムの起動時には、前記燃焼器へ液体燃料と空気とを供給し、生成される燃焼ガスを装置本体内に流通する事で昇温を行う燃料電池システムの燃料改質装置において、
前記燃焼器を主燃焼部と副燃焼部の２つの燃焼部、およびその間の燃料予蒸発部、それぞれの前記燃焼部に燃料を供給する主燃料噴射弁および副燃料噴射弁とから構成し、システムの起動時には、前記燃料予蒸発部で必要な熱量を発生するための所定量の燃料と空気とを前記副燃焼部において希薄燃焼させ、前記主燃焼部で燃焼される燃料を前記副燃料部からの燃焼ガスを用いて燃料予蒸発部において予蒸発させ、当該予蒸発で得られた予蒸発燃料と空気とを前記主燃焼部において予混合希薄燃焼させ、前記主燃焼部の下流に熱交換器を設け、前記主燃焼部の燃焼開始後に、前記副燃焼部における燃焼を停止し、前記熱交換器において燃焼ガスとの熱交換により予熱した空気を前記燃料予蒸発部に導入することにより前記主燃焼部で燃焼される燃料を予蒸発させることを特徴とする燃料改質装置。
前記副燃料噴射弁が前記主燃料噴射弁より低流量の噴射弁で構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
システム起動後の改質装置アイドル運転時には、前記副燃焼部のみで燃焼を行い、当該燃焼で得られた燃焼ガスを装置内に流通する事で燃料改質装置の保温を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質装置。
システム停止時には、前記燃焼器へ液体燃料と空気とを供給し、生成される燃焼ガスを装置内に流通する事で、燃料改質装置内をパージすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料改質装置。
システム起動後の改質運転時には、前記主燃料噴射弁を前記燃料改質器へ改質用燃料を供給する噴射弁として動作させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料改質装置。
前記主燃焼部を、空気過剰の状態で燃料を燃焼させうる触媒を有する触媒燃焼部として構成し、システム起動後の改質運転時には、前記主燃焼部における燃焼を停止し、前記主燃焼部に供給する燃料と空気との割合を燃料過剰の割合とし、前記触媒燃焼部を燃料改質器として動作させることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料改質装置。
システム起動後の改質運転時には、前記改質用燃料を、前記副燃焼部からの燃焼ガスを用いて前記燃料予蒸発部において予蒸発させることを特徴とする請求項５または６項に記載の燃料改質装置。
システム起動後の改質運転時には、前記燃焼器における燃焼を停止し、前記熱交換器において改質ガスとの熱交換により予熱した空気を前記燃料予蒸発部に導入することにより改質用燃料を予蒸発させることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか一項に記載の燃料改質装置。
改質運転中の負荷急増時には、前記副燃焼部において燃焼を行うことで、前記燃料予蒸発部に導入される高温ガス量を増加し、増加する改質用燃料を予蒸発させることを特徴とする請求項８に記載の燃料改質装置。
前記熱交換器を常用負荷域において熱交換効率が最大となる様設定し、常用負荷域以上への負荷増加時には、前記副燃焼部において燃焼を行うことで、前記燃料予蒸発部に導入される高温ガス量を増加し、増加する改質用燃料を予蒸発させることを特徴とする請求項８または９に記載の燃料改質装置。