JP4669408B2

JP4669408B2 - 改質装置

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Publication number: JP4669408B2
Application number: JP2006046932A
Authority: JP
Inventors: 裕記大河原
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2006-02-23
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2026-02-23
Also published as: JP2007223847A

Description

本発明は、改質装置に関する。

改質装置の一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１および図２に示されているように、改質装置は、都市ガス（またはＬＰＧまたは炭化水素系燃料）を原料として燃料電池発電装置に供給する水素を生成する水素生成器（改質部）１と、供給される燃焼用燃料（都市ガス６（天然ガス））を燃焼用酸化剤ガス供給手段（送風手段、空気供給手段）２０によって供給される燃焼用酸化剤ガス（空気）１１により燃焼してその燃焼ガスによって水素生成器（改質部）１を加熱する燃焼装置（燃焼部）５と、火炎中のイオン電流を検知する炎検知手段２９と、送風手段２０のコントロールなどを行う制御部２１と、を備えている。

制御部２１は、制御部２１に記憶されている所定のデータと火炎検知手段２９の検知データ（電圧値（電流値））を比較して、空気供給手段２０を可変して燃料に対する空気比を調節して所定の電圧値（電流値）に戻す動作を行うので、燃焼状態を常に安定した状態に保つことができるようになっていた。
特開２００５−０９０８５６号公報特開２００１−２０１０４６号公報特開２００３−１８７８４８号公報特開２００４−１７８９６２号公報特開２００４−２１０５７６号公報

上述した特許文献１に記載の改質装置においては、燃焼装置（燃焼部）５の燃焼状態に基づいて燃焼装置５の吹き消えを防止することはできるが、水素生成器（改質部）１内の温度を考慮していないので、水素生成器１における改質反応（吸熱反応）に必要な熱量が不足したり、過剰に熱量が供給されたりして改質ガスの生成が不安定かつ低効率となるおそれがあった。

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、改質装置において、燃焼部の吹き消えの抑制と安定かつ高効率の改質ガスの生成の両立を可能とすることを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、供給された改質用燃料から改質ガスを生成する改質部と、改質部内の温度を検出する改質部温度検出手段と、燃焼用燃料供給手段によって供給される燃焼用燃料を燃焼用酸化剤ガス供給手段によって供給される燃焼用酸化剤ガスにより燃焼してその燃焼ガスによって改質部を加熱する燃焼部と、燃焼部の燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼制御を実施する燃焼制御手段と、燃焼制御手段による燃焼制御を実施した上で、改質部温度検出手段によって検出された改質部内温度が目標温度となるように燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御することにより燃焼部の燃焼量を制御する改質部温度制御を実施する改質部温度制御手段と、を備えたことである。

また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、燃焼部の燃焼状態と相関関係のある物理量を検出する物理量検出手段と、燃焼状態と物理量との相関関係を示す特性を記憶する記憶手段と、をさらに備え、燃焼制御手段は、特性と、物理量検出手段によって検出された物理量とに基づいて、燃焼部の燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼制御を実施することである。

また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、記憶手段は、燃焼用酸化剤ガスの供給量ごとの特性を記憶し、燃焼制御手段は、記憶手段に記憶されている複数の特性のなかから燃焼用酸化剤ガスの供給量に応じて選択された特性、および物理量検出手段によって検出された物理量に基づいて、燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼制御を実施し、改質部温度制御は、改質部温度検出手段によって検出された改質部内温度が目標温度となるように燃焼制御にて選択された特性を基準にして他の異なる特性を選択して、その選択された特性に基づいて燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御することにより燃焼部の燃焼量を制御する改質部温度制御を実施することである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、燃焼制御手段が、燃焼部の燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼制御を実施するので、燃焼部を安定的に燃焼させ、すなわち低エミッション燃焼が可能となるとともに燃焼部の吹き消えを抑制することができる。そして、このように燃焼部の吹き消えを抑制した上で、改質部温度制御手段が、改質部温度検出手段によって検出された改質部内温度が目標温度となるように燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御することにより燃焼部の燃焼量を制御する改質部温度制御を実施する。このように、燃焼制御と改質部温度制御を独立して制御するので、低エミッション燃焼が可能となるとともに燃焼部の吹き消えの抑制と安定かつ高効率の改質ガスの生成の両立が可能となる。例えば、燃料電池の発電負荷が変動する場合であって改質部温度を改質反応に必要な温度に調整する場合、改質部温度の応答性遅れがあっても燃焼状態を独立に制御するので、燃焼部の吹き消えを抑制することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、燃焼部の燃焼状態と相関関係のある物理量を検出する物理量検出手段と、燃焼状態と物理量との相関関係を示す特性を記憶する記憶手段と、をさらに備え、燃焼制御手段は、特性と、物理量検出手段によって検出された物理量とに基づいて、燃焼部の燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼制御を実施するので、簡単な構成で容易かつ確実に燃焼部の燃焼状態を所定状態内に収めることができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項２において、記憶手段は、燃焼用酸化剤ガスの供給量ごとの特性を記憶し、燃焼制御手段は、記憶手段に記憶されている複数の特性のなかから燃焼用酸化剤ガスの供給量に応じて選択された特性、および物理量検出手段によって検出された物理量に基づいて、燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼制御を実施し、改質部温度制御は、改質部温度検出手段によって検出された改質部内温度が目標温度となるように燃焼制御にて選択された特性を基準にして他の異なる特性を選択して、その選択された特性に基づいて燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御することにより燃焼部の燃焼量を制御する改質部温度制御を実施する。これにより、簡単な構成で容易かつ確実に燃焼制御と改質部温度制御を独立して制御することができる。

以下、本発明による改質装置を適用した燃料電池システムの一実施形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池１０とこの燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガス（燃料ガス）を生成する改質装置２０を備えている。

燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介在された電解質１３を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。

改質装置２０は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、改質部２１、冷却部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４、燃焼部２５、および蒸発部２６から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

改質部２１は、燃料供給源Ｓｆから供給された燃料に水蒸気が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部２１は有底円筒状に形成されており、それぞれ環状に形成された外側流路２１ａ１と内側流路２１ａ２から構成される、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路２１ａを備えている。

改質部２１の折り返し流路２１ａ内には、触媒２１ｂ（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、冷却部２２から導入された改質用燃料と水蒸気供給管５２から導入された水蒸気との混合ガスが触媒２１ｂによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は冷却部（熱交換部）２２に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。また、改質部２１の内部には、改質部２１内の温度を検出する温度センサ（改質部温度検出手段）２１ｃが配設されている。温度センサ２１ｃの検出結果は、制御装置３０に出力されるようになっている。

冷却部２２は、改質部２１から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水（水蒸気）との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器（熱交換部）であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してＣＯシフト部２３に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部２１に導出するようになっている。具体的には、冷却部２２には燃料供給源Ｓf（例えば都市ガス管）に接続された燃料供給管４１が接続されており、燃料供給源Ｓｆから改質用燃料が供給されている。燃料供給管４１には、上流から順番に第１燃料バルブ４２、燃料ポンプ４３、脱硫器４４および第２燃料バルブ４５が設けられている。第１および第２燃料バルブ４２，４５は制御装置３０の指令によって燃料供給管４１を開閉するものである。燃料ポンプ４３は燃料供給源Ｓｆから供給される改質用燃料を吸い込み冷却部２２を介して改質部２１に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて改質用燃料供給量を調整するものである。脱硫器４４は改質用燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。これにより、改質用燃料は硫黄分が除去されて改質部２１に供給される。

また、燃料供給管４１の第２燃料バルブ４５と冷却部２２との間には蒸発部２６に接続された水蒸気供給管５２が接続されている。蒸発部２６から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部２２を通って改質部２１に供給されている。蒸発部２６には改質水供給源である水タンクＳｗに接続された給水管５１が接続されている。給水管５１には、上流から順番に水ポンプ５３および水バルブ５４が設けられている。水ポンプ５３は水タンクＳｗから供給される改質水を吸い込み蒸発部２６に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて改質水供給量を調整するものである。水バルブ５４は制御装置３０の指令によって給水管５１を開閉するものである。

蒸発部２６は、改質水を加熱して沸騰させて水蒸気を生成して冷却部２２を介して改質部２１に供給するものであり、円筒状に形成されて燃焼ガス流路２７の第２外周流路２７ｃの外周壁を覆って当接して設けられている。この蒸発部２６は、側壁面下部および側壁面上部に給水管５１および水蒸気供給管５２がそれぞれ接続されており、給水管５１から導入された水が蒸発部２６内を流通し加熱されて水蒸気となって水蒸気供給管５２に導出するようになっている。

ＣＯシフト部２３は、改質部２１から冷却部２２を通って供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯシフト部２３は、上面および下面を有する筒状の筐体２３ａと、筐体２３ａ内に同軸に配置された内筒２３ｂを備えている。内筒２３ｂは、外周端を筐体２３ａ内周面に接続された環状の支持部材２３ｃの内周端に上端が接続されている。筐体２３ａの上面には改質ガス導入口２３ａ１が設けられ、筐体２３ａの側面には一端がＣＯ選択酸化部２４に接続されている接続管８９の他端が接続されている。ＣＯシフト部２３の内筒２３ｂ内および内筒２３ｂと筐体２３ａとの間には触媒２３ｄ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。

このように構成されたＣＯシフト部２３においては、冷却部２２から導出された改質ガスは、改質ガス導入口２３ａ１を通って内筒２３ｂ内の触媒２３ｄを通り、折り返して内筒２３ｂと筐体２３ａとの間の触媒２３ｄを通ってＣＯ選択酸化部２４に導出される。このとき、導入した改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が触媒２３ｄにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

ＣＯ選択酸化部２４は、ＣＯシフト部２３から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池１０に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部であり、円筒状に形成されて、蒸発部２６の外周壁を覆って当接して設けられている。このＣＯ選択酸化部２４は、側壁面下部および側壁面上部に接続管８９および改質ガス供給管７１がそれぞれ接続され、内部に触媒２４ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されており、接続管８９を通って導入された改質ガスがＣＯ選択酸化部２４内を流通し改質ガス供給管７１から導出するようになっている。

また、ＣＯ選択酸化部２４に供給される改質ガスには、酸化用空気が混合されるようになっている。すなわち、接続管８９には、大気に開放された酸化用空気供給管６１が接続されており、大気から酸化用空気が供給されている。酸化用空気供給管６１には、上流から順番に空気ポンプ６３および空気バルブ６４が設けられている。空気ポンプ６３は大気から空気を吸い込みＣＯ選択酸化部２４に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて空気供給量を調整するものである。空気バルブ６４は制御装置３０の指令によって酸化用空気供給管６１を開閉するものである。これにより、酸化用空気がＣＯシフト部２３からの改質ガスに混合されてＣＯ選択酸化部２４に供給される。

したがって、ＣＯ選択酸化部２４内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒２４ａによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出され、燃料電池１０の燃料極１１に供給されるようになっている。

燃焼部２５は、改質部２１を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部２１の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。この燃焼部２５は、図２に示すように、本体２５ａと、本体２５ａに立設されて本体２５ａと連通する筒状の燃焼筒２５ｂと、図示しない電極を備えている。燃焼部２５は、制御装置３０の指令に応じて着火されるものである。

本体２５ａは、燃焼用燃料、アノードオフガス、改質ガスなどの可燃ガス、および可燃ガスを燃焼（酸化）させるための燃焼用空気などの酸化剤ガスが供給されるようになっている。燃焼筒２５ｂの基端は本体２５ａの噴射口２５ａ１の内周縁部から立設されている。燃焼筒２５ｂは本体２５ａ内に連通しており、本体２５ａから導出された可燃ガスと燃焼用空気が、燃焼筒２５ｂの基端開口２５ｂ１を通って燃焼筒２５ｂ内に投入される。

具体的には、図１に示すように、本体２５ａには、燃料ポンプ４３の上流にて燃料供給管４１から分岐した燃焼用燃料供給管４７が接続されており、燃焼用燃料が供給されるようになっている。燃焼用燃料供給管４７には燃焼用燃料ポンプ（燃焼用燃料供給手段）４８が設けられている。燃焼用燃料ポンプ４８は燃料供給源Ｓｆから供給される燃焼用燃料を吸い込み燃焼部２５に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて燃焼用燃料供給量を調整するものである。また、本体２５ａには燃料極１１の導出口に一端が接続されているオフガス供給管７２の他端が接続されており、燃料電池１０の起動運転時に改質装置２０からの改質ガスが改質ガス供給管７１、バイパス管７３およびオフガス供給管７２を通って供給され、燃料電池１０の定常運転時に燃料電池１０から排出されるアノードオフガス（燃料極１１にて未使用な水素を含んだ改質ガス）が供給されるようになっている。

さらに、本体２５ａには、大気に開放された燃焼用空気供給管６５が接続されており、燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスを燃焼させるための燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気が供給されるようになっている。燃焼用空気供給管６５には燃焼用空気ポンプ（燃焼用酸化剤ガス供給手段）６６が設けられている。燃焼用空気ポンプ６６は大気から燃焼用空気を吸い込み燃焼部２５に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて燃焼部２５に供給する燃焼用空気供給量を調整するものである。

このように構成された燃焼部２５においては、制御装置３０の指令によって着火されると、燃焼部２５に供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスは、燃焼部２５に供給された燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは、改質部２１の内周壁に沿う内周流路２７ａと、内周流路２７ａから折り返されて改質部２１の外周壁に沿う第１外周流路２７ｂと、第１外周流路２７ｂから折り返されて断熱部２８と蒸発部２６の間に形成された第２外周流路２７ｃから構成される燃焼ガス流路２７を流通し、排気管８１を通って燃焼排ガスとして排気される。これにより、燃焼ガスは改質部２１および蒸発部２６を加熱する。

燃焼部２５は、燃焼部２５の燃焼状態と相関関係のある物理量であるイオン電流値を検出する物理量検出手段であるイオン電流検出装置９０を備えている。イオン電流検出装置９０は、炎に電気伝導性があることを利用して、炎２５ｃのすぐ側に電極９１（フレームロッド）を設置して炎２５ｃの中を流れるイオン電流を検知するものである。このイオン電流検出装置９０は、電極９１と、電極９１と燃焼筒２５ｂ（または本体２５ａ）との間に電圧を印加する電源９２と、電極９１と電源９２との間に配列された電流検出用抵抗９３と、電流検出用抵抗９３の両端間電圧を入力し電流を検出してその検出結果を制御装置３０に送信する電流検出回路９４とから構成されている。

燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管７１を介してＣＯ選択酸化部２４が接続されており、燃料極１１に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極１１の導出口にはオフガス供給管７２を介して燃焼部２５が接続されており、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスを燃焼部２５に供給するようになっている。バイパス管７３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管７１およびオフガス供給管７２を直結するものである。改質ガス供給管７１にはバイパス管７３との分岐点と燃料電池１０との間に第１改質ガスバルブ７４が設けられている。オフガス供給管７２にはバイパス管７３との合流点と燃料電池１０との間にオフガスバルブ７５が設けられている。バイパス管７３には第２改質ガスバルブ７６が設けられている。第１および第２改質ガスバルブ７４，７６およびオフガスバルブ７５はそれぞれの管を開閉するものであり、制御装置３０により制御されている。起動運転時には、改質装置２０から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を閉じ第２改質ガスバルブ７６を開き、定常運転（発電運転）時には、改質装置２０からの改質ガスを燃料電池１０に供給するため、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開き第２改質ガスバルブ７６を閉じている。

また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、基端が大気に開放されたカソード用空気供給管６７の先端が接続されており、空気極１２内に空気が供給されるようになっている。カソード用空気供給管６７には上流から順にカソード用空気ポンプ６８およびカソード用空気バルブ６９が設けられている。カソード用空気ポンプ６８は大気から空気を吸い込み燃料電池１０の空気極１２に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じてカソード用空気供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ６９は制御装置３０の指令によってカソード用空気供給管６７を開閉するものである。さらに、燃料電池１０の空気極１２の導出口には、他端が外部に開放されている排気管８２の一端が接続されている。

また、改質装置は制御装置３０を備えており、この制御装置３０には、上述した温度センサ２１ｃ、電流検出回路９４、各ポンプ４３，４８，５３，６３，６６，６８、各バルブ４２，４５，５４，６４，６９，７４，７５，７６、および燃焼部２５が接続されている（図３参照）。制御装置３０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、図５に示すフローチャートに対応したプログラムを実行して、温度センサ２１ｃから温度を入力するとともに電流検出回路９４からイオン電流を入力して、各ポンプ４３，４８，５３，６３，６６，６８、各バルブ４２，４５，５４，６４，６９，７４，７５，７６、および燃焼部２５を制御することにより、燃料電池システムの燃焼制御および改質部温度制御を独立して実施している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。

また、制御装置３０には、記憶装置３１が接続されている。記憶装置３１は、図４に示すように、燃焼用空気の供給量ごとの、燃焼状態λと物理量であるイオン電流値との相関関係を示す特性を記憶するものである。λは空気比であり、実際の燃料用空気の投入量／理想の燃料用空気の投入量で表される。同一形状のバーナの場合、λにより燃焼特性（吹き消え範囲、低エミッション）が決定されるため、燃焼状態をλにて表記する。

この特性は、実機を使用して測定したデータに基づいて作成することができる。例えば、燃焼用空気を規定量Ａ０で一定供給した場合、燃焼状態λを変化させて、すなわち燃焼用燃料の供給量を変化させて、イオン電流値を測定することにより特性曲線ｆ０を作成する。同様にして、燃焼用空気を規定量…，Ａ−１，Ａ１，…で一定供給した場合、燃焼状態λを変化させて、すなわち燃焼用燃料の供給量を変化させて、イオン電流値を測定することにより、燃焼用空気の各規定量…，Ａ−１，Ａ０，Ａ１，…における特性曲線…，ｆ−１，ｆ０，ｆ１，…を作成する。なお、各規定量…，Ａ−１，Ａ０，Ａ１，…は、所定値刻みに設定されている。

上述した燃料電池システムの作動について図５および図６のフローチャートを参照して説明する。制御装置３０は、燃焼部２５の燃焼状態を所定状態内に収める燃焼制御（図５参照）を実施した上で、改質部内温度を目標温度とするように燃焼部の燃焼量を制御する改質部温度制御（図６参照）を実施する。

制御装置３０は、図示しない起動スイッチがオンされると、予め設定されている流量で燃焼用燃料と燃焼用空気を燃焼部２５に供給し、着火する。制御装置３０は、燃焼を開始したら、図５に示すプログラムを第１の所定時間毎に実行する。

制御装置３０は、ステップ１０２において、予め設定されている流量を燃焼用空気供給量として決定する。そして、ステップ１０３において、図４に示すマップの特性曲線のなかから、決定された燃焼用空気供給量を示す特性曲線を選択する。本実施形態においては、特性曲線ｆ０を選択したとする。このとき、燃焼用空気の規定量と相関のある燃焼用燃料の規定量を燃焼用燃料の供給量として決定する。

制御装置３０は、ステップ１０４において、イオン電流検出装置（物理量検出手段）９０によってイオン電流値（物理量）を検出する。制御装置３０は、ステップ１０４にて検出したイオン電流値と、先に選択した特性曲線ｆ０に基づいて、燃焼部２５の燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料供給手段である燃焼用燃料ポンプ４８を制御する燃焼制御を実施する（ステップ１０６，１０８）。特性曲線ｆ０においては、燃焼状態の所定状態（λａからλｂ）内に対応するイオン電流値の範囲が、所定電流値Ｉ−１ａ以上であり所定電流値Ｉ−１ｂ以下の範囲である。

すなわち、制御装置３０は、検出したイオン電流値が所定範囲（所定電流値Ｉ−１ａ以上であり所定電流値Ｉ−１ｂ以下の範囲）より小さい場合には、燃焼用燃料の供給量を増大するように燃焼用燃料ポンプ４８を制御して、該所定範囲内に検出したイオン電流値が入るようにする。また、制御装置３０は、検出したイオン電流値が所定範囲（所定電流値Ｉ−１ａ以上であり所定電流値Ｉ−１ｂ以下の範囲）より大きい場合には、燃焼用燃料の供給量を減少するように燃焼用燃料ポンプ４８を制御して、該所定範囲内に検出したイオン電流値が入るようにする。

このように図５のフローチャートに沿って燃焼部２５の燃焼状態を所定状態内に収める燃焼制御が実施されているなかで、蒸発部２６が加熱されて蒸発部２６が所定温度以上となると、蒸発部２６に改質水を投入する。蒸発部２６から水蒸気が改質部２１に供給され始めたら（蒸発部２６の出口温度によって判断する。例えば、その温度が１００℃になったとき）、改質部２１に予め設定されている流量で改質用燃料を投入する。

改質用燃料が投入されると、ＣＯ選択酸化部２４から改質ガスが導出されるが、まだ一酸化炭素が多いので、燃料電池１０をバイパスして燃焼部２５に供給される。改質ガスまたは燃料電池１０からのアノードオフガスが燃焼部２５に供給されているときは、改質用燃料に供給量に応じて燃焼部２５に供給される燃焼用空気に供給量が決定される（ステップ１０２）。また、改質ガスが導出された後には、燃焼用燃料の供給を減少し、改質ガスまたはアノードオフガスが主な可燃ガスとして燃焼部２５に供給され、それらの供給量に応じて燃焼部２５に供給される燃焼用空気に供給量が決定される（ステップ１０２）。この場合にも、図５のプログラムは燃焼用燃料を供給量を制御することによって燃焼部２５の燃焼状態が所定状態内に収まるように制御する（ステップ１０４〜１０８）。

すなわち、記憶手段に記憶されている複数の特性の中から先に決定された燃焼用空気の供給量に応じた特性が選択される（ステップ１０３）。そして、選択された特性に基づきステップ１０４〜１０８の処理が実行されることにより、燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料が供給される。

また、制御装置３０は、図６に示すプログラムを第１の所定時間より長い第２の所定時間毎に実行する。制御装置３０は、ステップ２０２において、消費水素量（燃料電池システムが必要とする水素量、燃料電池運転前には予め決められた量、燃料電池運転開始後は必要な発電量のために必要な水素量）、転化率（改質用燃料から水素に転換する比率）などを考慮して改質反応に必要な温度を改質部内温度の目標温度として設定する。

制御装置３０は、ステップ２０４において、温度センサ２１ｃによって改質部内温度Ｔ１を検出する。制御装置３０は、ステップ２０４にて検出した改質部内温度Ｔ１が先に導出された目標温度となるように燃焼制御にて選択された特性を基準にして他の異なる特性を選択して、その選択された特性に基づいて燃焼用酸化剤ガス供給手段である燃焼用空気ポンプ６６を制御することにより燃焼部２５の燃焼量を制御する改質部温度制御を実施する（ステップ２０６，２０８）。他の異なる特性とは、記憶装置３１に記憶されている複数の特性のうちの異なる特性のことを言っており、特性曲線ｆ０の異なる特性は、例えば、特性曲線ｆ１で示されるものであり、特性曲線ｆ−１で示されるものである。

例えば、本改質部温度制御を開始する時点にて、燃焼制御において特性曲線ｆ０が選択されている場合について説明する。制御装置３０は、ステップ２０６において、ステップ２０４にて検出した改質部内温度Ｔ１が目標温度（または目標温度範囲内）であれば、「ＹＥＳ」と判定して現在の燃焼用燃料の供給量、燃焼用空気の供給量、および改質用燃料の供給量を変更することなく維持し、本プログラムをステップ２１０に進めて一旦終了する。

一方、制御装置３０は、ステップ２０４にて検出した改質部内温度Ｔ１が目標温度（または目標温度範囲内）でなければ、「ＮＯ」と判定して、ステップ２０８において、燃焼用空気の供給量を調整する。具体的には、改質部内温度Ｔ１が目標温度より低い場合には、本改質部温度制御を開始する時点の特性曲線より燃焼用空気供給量の多い特性曲線を選択し、改質部内温度Ｔ１が目標温度より高い場合には、本改質部温度制御を開始する時点の特性曲線より燃焼用空気供給量の少ない特性曲線を選択する。例えば、燃焼制御において特性曲線ｆ０が選択されており、かつ、改質部内温度Ｔ１が目標温度より低い場合には、燃焼量を増大させるために燃焼用空気をＡ０からＡ１へ増量する。それに伴い、特性曲線ｆ０に変えて特性曲線ｆ１を選択する。そして、制御装置３０は、その選択された特性の燃焼用空気の規定量Ａ１を燃焼用空気の供給量として設定する。制御装置３０は、これら設定された供給量となるように、燃焼用空気ポンプ６６および燃焼用燃料ポンプ４８を制御する。

第２の所定時間ごとに図６に示すプログラムを行っている間も図５に示すプログラムは短い周期で行われているため、図６に示すプログラムで燃焼用空気の供給量がＡ１に変わり、図４に示す特性曲線がｆ１に移ることで、規定イオン電流量も変化する。それに伴い、図５に示すプログラムで燃焼用燃料は制御され最適な流量になる。

なお、上述したステップ１０２から１０８の処理が燃焼制御を実施する燃焼制御手段であり、上述したステップ２０２から２０８の処理が改質部温度制御を実施する改質部温度制御手段である。

上述の説明から明らかなように、この実施形態においては、燃焼制御手段が、燃焼部２５の燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料ポンプ４８を制御する燃焼制御を実施するので、燃焼部２５を安定的に燃焼させ、すなわち低エミッション燃焼が可能となるとともに燃焼部２５の吹き消えを抑制することができる。そして、このように燃焼部２５の吹き消えを抑制した上で、改質部温度制御手段が、温度センサ２１ｃによって検出された改質部内温度Ｔ１が目標温度（目標温度範囲内）となるように燃焼用空気ポンプ６６を制御することにより燃焼部２５の燃焼量を制御する改質部温度制御を実施する。このように、燃焼制御と改質部温度制御を独立して制御するので、低エミッション燃焼が可能となるとともに燃焼部２５の吹き消えの抑制と安定かつ高効率の改質ガスの生成の両立が可能となる。例えば、燃料電池１０の発電負荷が変動する場合であって改質部内温度を改質反応に必要な温度に調整する場合、改質部温度の応答性遅れがあっても燃焼状態を独立に制御しているので、燃焼部２５の吹き消えを抑制することができる。

また、燃焼部２５の燃焼状態と相関関係のある物理量（イオン電流値）を検出する物理量検出手段（イオン電流検出装置９０）と、燃焼状態と物理量との相関関係を示す特性を記憶する記憶装置３１と、をさらに備え、燃焼制御手段は、特性と、物理量検出手段によって検出された物理量とに基づいて、燃焼部２５の燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料ポンプ４８を制御する燃焼制御を実施するので、簡単な構成で容易かつ確実に燃焼部２５の燃焼状態を所定状態内に収めることができる。

また、記憶装置３１は、燃焼用酸化剤ガスの供給量ごとの特性を記憶し、燃焼制御手段は、記憶装置３１に記憶されている複数の特性のなかから燃焼用酸化剤ガスの供給量に応じて選択された特性、および物理量検出手段（イオン電流検出装置９０）によって検出された物理量（イオン電流値）に基づいて、燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料ポンプ４８を制御する燃焼制御を実施し、改質部温度制御は、温度センサ２１ｃによって検出された改質部内温度Ｔ１が目標温度となるように燃焼制御にて選択された特性を基準にして他の異なる特性を選択して、その選択された特性に基づいて燃焼用空気ポンプ６６を制御することにより燃焼部２５の燃焼量を制御する改質部温度制御を実施する。これにより、簡単な構成で容易かつ確実に燃焼制御と改質部温度制御を独立して制御することができる。

なお、上述した実施形態においては、物理量として、イオン電流以外に、火炎の紫外線量（ＵＶセンサで検知する）などがあり、燃焼状態がわかるものであれば他の物理量でもよい。

また、上述した実施形態において、気体を供給するポンプにおいてはポンプの代わりにブロアを使用するようにしてもよい。

本発明による改質装置を適用した燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。図１に示す燃焼部の断面とイオン電流検出装置を示す概要図である。図１に示す改質装置を示すブロック図である。図３に示した記憶装置に記憶されている燃焼用空気の供給量ごとの、イオン電流値と燃焼状態の特性曲線を示すマップである。図３に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。図３に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質装置、２１…改質部、２１ｃ…温度センサ（改質部温度検出手段）、２２…冷却部（熱交換部）、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２５…燃焼部、２５ａ…本体、２５ｂ…燃焼筒、２６…蒸発部、２７…燃焼ガス流路、２８…断熱部、３０…制御装置（燃焼制御手段、改質部温度制御手段）、４１…燃料供給管、４２…第１燃料バルブ、４３…燃料ポンプ、４４…脱硫器、４５…第２燃料バルブ、４７…燃焼用燃料供給管、４８…燃焼用燃料ポンプ（燃焼用燃料供給手段）、５１…給水管、５２…水蒸気供給管、５３…水ポンプ、５４…水バルブ、６１…酸化用空気供給管、６３…空気ポンプ、６４…空気バルブ、６５…燃焼用空気供給管、６６…燃焼用空気ポンプ（燃焼用酸化剤ガス供給手段）、６７…カソード用空気供給管、６８…カソード用空気ポンプ、６９…カソード用空気バルブ、７１…改質ガス供給管、７２…オフガス供給管、７３…バイパス管、７４…第１改質ガスバルブ、７５…オフガスバルブ、７６…第２改質ガスバルブ、８１，８２…排気管、８９…接続管、９０…イオン電流検出装置（物理量検出手段）、Ｓｆ…燃料供給源、Ｓｗ…水タンク。

Claims

供給された改質用燃料から改質ガスを生成する改質部と、
前記改質部内の温度を検出する改質部温度検出手段と、
燃焼用燃料供給手段によって供給される燃焼用燃料を燃焼用酸化剤ガス供給手段によって供給される燃焼用酸化剤ガスにより燃焼してその燃焼ガスによって前記改質部を加熱する燃焼部と、
前記燃焼部の燃焼状態が所定状態内に収まるように前記燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼制御を実施する燃焼制御手段と、
前記燃焼制御手段による燃焼制御を実施した上で、前記改質部温度検出手段によって検出された改質部内温度が目標温度となるように前記燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御することにより前記燃焼部の燃焼量を制御する改質部温度制御を実施する改質部温度制御手段と、を備えたことを特徴とする改質装置。
請求項１において、前記燃焼部の燃焼状態と相関関係のある物理量を検出する物理量検出手段と、
前記燃焼状態と前記物理量との相関関係を示す特性を記憶する記憶手段と、をさらに備え、
前記燃焼制御手段は、前記特性と、前記物理量検出手段によって検出された物理量とに基づいて、前記燃焼部の燃焼状態が所定状態内に収まるように前記燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼制御を実施することを特徴とする改質装置。
請求項２において、前記記憶手段は、前記燃焼用酸化剤ガスの供給量ごとの前記特性を記憶し、
前記燃焼制御手段は、前記記憶手段に記憶されている複数の特性のなかから前記燃焼用酸化剤ガスの供給量に応じて選択された特性、および前記物理量検出手段によって検出された物理量に基づいて、前記燃焼状態が所定状態内に収まるように前記燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼制御を実施し、
前記改質部温度制御は、前記改質部温度検出手段によって検出された改質部内温度が前記目標温度となるように前記燃焼制御にて選択された特性を基準にして他の異なる特性を選択して、その選択された特性に基づいて前記燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御することにより前記燃焼部の燃焼量を制御する改質部温度制御を実施することを特徴とする改質装置。