JP4751734B2 - 改質装置 - Google Patents

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「温度制御装置及びその温度制御方法並びに温度制御装置を備えた電源システム」に示されているものが知られている。特許文献１の図３および図４に示されているように、電源システムの燃料改質部２１においては、燃料改質部２１を構成する燃料気化器２１ａ、燃料改質器２１ｂ、ＣＯ除去器２１ｃの各部には、ヒータ（発熱手段）Ｈａ、Ｈｂ、Ｈｃが個別に付設され、各ヒータＨａ、Ｈｂ、Ｈｃにおける発熱量（熱エネルギー）を制御することにより、各部における温度状態が個別に調整される。各ヒータＨａ、Ｈｂ、Ｈｃの温度は、各ヒータＨａ、Ｈｂ、Ｈｃに供給されるヒータ用電力の電圧成分（すなわち、ヒータ端子電圧）に基づいて算出される。このようにヒータを温度計測素子として兼用していた。

また、他の改質装置として、特許文献２「燃料改質装置」に示されているものが知られている。特許文献２の図１に示されているように、燃料改質装置においては、改質部１８には、改質部内温度を検出するための改質部温度センサ４０が設けられる。また、改質部１８内を昇温させるための通電加熱体としてヒータ４２が設けられる。変成部２０には、起動時に変成部を活性温度（１５０〜３００℃）にまで昇温させるための加熱源としてヒータ４４が設けられる。また、変成部２０にはその内部温度を検出するための変成部温度センサ４５が設けられる。コントローラ５０が、変成部温度センサ４５からの入力信号を受けて変成部２０をその活性温度域（１５０℃以上）に維持するようヒータ４４に対する電源スイッチ（図示せず）をＯＮ／ＯＦＦ制御している。また、触媒燃焼部１２には、液体メタノールがタンク２２からポンプ２４により導入されると共に、エアポンプ２６からの空気が助燃剤ガスとして調整ポンプ２７により導入され、該触媒燃焼部１２に充填される燃焼触媒上で液体メタノールを燃焼することによって熱源ガスを生成する。ヒータ１４は、該燃焼触媒を活性温度まで加熱するために設けられている。
特開２００４−１３４３２６号公報 特開平８−１１９６０２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、ヒータを温度計測素子として兼用しているので、電気回路が複雑となり、また温度を測定するための専用の制御が必要となるため、システムが複雑かつ高コストとなる。また、ヒータの温度は触媒の活性温度より高い温度となるので、熱の上げ下げの繰り返しなどによる断線によって信頼性を落とさないためにもヒータの耐久性を高く維持する必要がありすなわち高コストにつながる。

上述した特許文献２に記載の改質装置においては、改質装置を構成する各構成要素（改質部１８、変成部２０、ＣＯ除去部３０）内にそれぞれ温度センサ４０，４５，４７およびヒータ４２，４４，４６が離されて別体として配設されており、各温度センサ４０，４５，４７の検出温度に応じて各ヒータ４２，４４，４６がそれぞれ制御されるようになっている。これによれば、前述した特許文献１の課題である信頼性・耐久性を低下させることなく改質装置の複雑化・高コスト化を解決することができる。しかし、各ヒータ４２，４４，４６が改質部１８、変成部２０、ＣＯ除去部３０内すなわち触媒内に配設されているので、ヒータの周りの触媒は、触媒の活性温度より高温となるヒータからの熱によって劣化するおそれがあった。そのため、ヒータの通電時間を短くせざるをえず、起動時間が長くなる問題があった。また、同時にヒータのオン・オフ回数が増え、ヒータ線の耐久性が低下する可能性があった。

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、燃料電池システムを構成する改質装置において、触媒を劣化させることなく、かつ信頼性・耐久性を低下させることなく、改質装置全体を小型化・低コスト化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、触媒を内蔵し第1流体が流入する入口部を有する構成要素と、構成要素の入口部に連結され該入口部に第１流体を流入するための第１流体通路と、第１流体通路内に設けられ構成要素を加熱する加熱手段と、加熱手段とは別体で構成され、該加熱手段より下流であって構成要素の入口部までの何れかの部位の温度である第１温度を検出する第１温度検出手段と、起動運転において第１温度に基づいて加熱手段の作動を制御する制御手段と、第１流体通路の上流に配置され、第１流体と異なる第２流体と該第１流体との間で熱交換が行われる熱交換部と、熱交換部の第２流体の入口部の温度である第２温度を検出する第２温度検出手段と、を備え、制御手段は、起動運転において第１温度および第２温度に基づいて加熱手段の作動を制御することである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、触媒を内蔵し第1流体が流入する入口部を有し改質装置を構成する構成要素の入口部に第１流体通路が連結され、第１流体通路内に構成要素を加熱する加熱手段が設けられている。また、加熱手段とは別体で構成された第１温度検出手段が、該加熱手段より下流であって構成要素の入口部までの何れかの部位の温度である第１温度を検出する。そして、制御手段が、起動運転において第１温度に基づいて加熱手段の作動を制御する。したがって、加熱手段からの熱が第１流体通路や構成要素のケースを介して触媒に伝導するので、構成要素に内蔵されている触媒を直接加熱するのを防止し触媒の劣化を防止する。また、加熱手段と第１温度検出手段とは別体であるので、従来のようにヒータを温度計測素子として兼用することなく、複雑な電気回路が不要となり、また温度を測定するための専用の制御が不要となるため、信頼性・耐久性を低下させることなく、改質装置全体を小型化・低コスト化することができる。
さらに、加熱手段は、第１流体と異なる第２流体と該第１流体との間で熱交換が行われる熱交換部と構成要素との間に配設されて該構成要素と該熱交換部を加熱する。第２温度検出手段が、熱交換部の第２流体の入口部の温度である第２温度を検出する。そして、制御手段が、起動運転において第１温度および第２温度に基づいて加熱手段の作動を制御する。したがって、熱交換部の第２流体の入口部の温度および加熱手段より下流であって構成要素の入口部までの何れかの部位の温度に応じて適切に加熱手段を制御することができるので、起動運転を適切に実施することができる。

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、蒸発部２６、および改質ガス通路（第１流体通路）２９から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノール、ジメチルエーテルなどがあり、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には、燃焼部２５から噴出する燃焼ガスが直接当たる内壁の内側に温度センサ２１ｃが配設されている。この温度センサ２１ｃは、燃焼部２５の燃焼温度を検出する燃焼部温度検出手段であり、また燃焼温度から燃焼状態も認識することができるので、燃焼部２５の燃焼状態を検出する燃焼部燃焼状態検出手段である。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（第２流体）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改質ガス通路２９を介して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。

なお、冷却部２２には、冷却部２２の改質用原料入口部の温度（第２温度）を検出する温度センサ２２ａ（第２温度検出手段）が設けられている。例えば、温度センサ２２ａは燃料供給管４１の接続箇所から冷却部２２内に入った部分、または燃料供給管４１の冷却部２２の入口付近に設けられている。温度センサ２２ａが検出した検出信号は制御装置３０に出力されるようになっている。

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および改質ガス通路２９を通って供給された改質ガス（第１流体）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、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。

また、ＣＯシフト部２３の入口部にはＣＯシフト部２３の入口部の温度を検出する温度センサ２３ｅ（第１温度検出手段）が設けられており、その検出信号が制御装置３０に出力されるようになっている。この温度センサ２３ｅは、シース熱電対または管状部内蔵サーミスタで構成されており、後述するヒータ２９ａとは別体で構成されるものである。また、この温度センサ２３ｅは、ヒータ２９ａより下流（改質ガスの流れに対して下流）であってＣＯシフト部２３の入口部までの何れかの部位の温度を検出するものである。したがって、温度センサ２３ｅの設置位置は、ヒータ２９ａからＣＯシフト部２３側に所定距離（温度センサ２３ｅがヒータ２９ａの熱の影響を受けない距離、例えば５ｍｍ）離れた位置からＣＯシフト部２３の支持部材２３ｃから触媒２３ｄ内に所定距離（触媒の断熱性に妨げられずに的確に温度を把握できる距離、例えば１０ｍｍ）までの範囲である。本実施形態においては、温度センサ２３ｅは支持部材２３ｅから触媒内に５ｍｍの位置に設置してある。さらに、内筒２３ｂからの折り返し部位にも、その部位の温度を検出する温度センサ２３ｆが設けられており、その検出信号が制御装置３０に出力されるようになっている。

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。

上述した冷却部２２とＣＯシフト部２３との間には、改質ガス通路２９が冷却部２２とＣＯシフト部２３に一体的に配設されている。改質ガス通路２９は加熱手段であるヒータ２９ａを有しており、ヒータ２９ａの熱によって冷却部２２とＣＯシフト部２３を加熱するものである。ヒータ２９ａは制御装置３０からの指令に応じてオン・オフされるものである。ヒータ２９ａの制御はオン・オフ制御ではなく、ＰＷＭ制御やＰＩＤ制御などや、これらの制御とオン・オフ制御とを組み合わせた制御でもよい。

改質ガス通路２９は、図２に示すように、円筒状に形成された筐体２９ｂと、筐体２９ｂの上端に外周が接続された環状円板２９ｃとを備えている。環状円板２９ｃの上面および筐体２９ｂの下端部は、冷却部２２の下端部およびＣＯシフト部の筐体２３ａの上端部にそれぞれ当接固定されている。環状円板２９ｃの開口および筐体２９ｂの下端開口が改質ガスの入口部２９ｃ１および出口部２９ｂ１である。入口部２９ｃ１と出口部２９ｂ１の間には、ヒータ２９ａが収容されている収容部２９ｄが筐体２９ｂの径方向に延設されている。収容部２９ｄは、図２に示すように出口部２９ｂ１側から見て入口部２９ｃ１を遮るように配設されている。これにより、入口部２９ｃ１から流入した改質ガスが収容部２９ｄに当たって加熱されて出口部２９ｂ１から流出する。

このように構成された改質ガス通路２９は、上述した改質部２１、冷却部２２、ＣＯシフト部２３、ＣＯ選択酸化部２４、蒸発部２６と同様な熱伝導性がよい部材（例えば金属材（特に耐食性の優れたステンレス材がよい））で形成されている。ヒータ２９ａがオンされると、ヒータ２９ａの熱が収容部２９ｄ、筐体２９ｂを介して冷却部２２の筐体およびＣＯシフト部２３の筐体２３ａに伝わって冷却部２２およびＣＯシフト部２３を加熱する。

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、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は大気中の空気を吸い込み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に沿う第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。なお、燃焼ガス流路２７は断熱部２８によって覆われており、内周流路２７ａおよび第１外周流路２７ｂを流れる燃焼ガスの熱は断熱部２８によって外部への放熱が抑制されるので改質部２１の加熱に有効利用され、第２外周流路２７ｃを流れる燃焼ガスの熱は断熱部２８によって第１外周流路２７ｂへの放熱が抑制されるので蒸発部２６の加熱に有効利用される。

この燃焼部２５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、燃焼部２５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。

さらに燃焼部２５には燃焼用空気供給管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６６が設けられており、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用空気供給量を調整するものである。燃焼部２５が制御装置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されて高温の燃焼ガスが発生する。

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、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、燃料電池システムは制御装置３０を備えており、この制御装置３０には、上述した各温度センサ２１ｃ，２２ａ，２３ｅ，２３ｆ、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、各温度センサ２１ｃ，２２ａ，２３ｅ，２３ｆからの各温度を入力して、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起動運転、発電運転および停止運転を実施している。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。

上述した燃料電池システムの作動について図４のフローチャートと図５のタイムチャートを参照して説明する。制御装置３０は、時刻ｔ０にて図示しない起動スイッチがオンされると、燃料電池システムを暖機する暖機運転（起動運転）を開始する。

制御装置３０は、ステップ１０２において、燃焼用空気ポンプ６６を所定供給量Ｍａ１となるように駆動させる。所定供給量Ｍａ１は燃料の所定供給量Ｍｆ１に応じた値に設定されている。これにより、所定供給量Ｍａ１の燃焼用空気が、燃焼用空気供給管６５を介して燃焼部２５に供給される。また、制御装置３０は、第１燃料バルブ４２を開き第２燃料バルブ４５を閉じ燃料供給源Ｓｆを燃焼部２５のみに接続する。また、制御装置３０は、燃焼用燃料ポンプ４８を所定供給量Ｍｆ１となるように駆動させる。これにより、所定供給量Ｍｆ１の燃焼用燃料が、燃料供給源Ｓｆから燃焼用燃料供給管４７を介して燃焼部２５に供給される。さらに、制御装置３０は、燃焼部２５を着火するので、上述のように供給されている燃焼用燃料の燃焼が開始される。この燃焼が開始されると、その燃焼ガスによって改質部２１、蒸発部２６が直接加熱されて昇温され始める。

なお、制御装置３０は、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を開いてＣＯ選択酸化部２４を燃焼部２５に直接接続している。

制御装置３０は、ステップ１０４において、暖機が開始されたか否かすなわち実際に着火したか否かを判定する。具体的には、制御装置３０は、温度センサ２１ｃにより燃焼部２５の燃焼温度Ｔ４を検出する。制御装置３０は、その検出した燃焼温度Ｔ４が所定温度Ｔ４ａ以上であれば実際に着火したと判定してプログラムをステップ１０６に進め、そうでなければ着火していないと判定してステップ１０４の処理を繰り返し実行する。

制御装置３０は、ステップ１０６において、ヒータ２９ａをオンする（時刻ｔ１）。次に、制御装置３０は、ステップ１０８において、時刻ｔ１からタイマＴｍ１（例えば３秒）が経過するのを待ってプログラムをステップ１１０に進める。制御装置３０は、ステップ１１０において、時刻ｔ１からタイマＴｍ１に相当する時間が経過した時点（時刻ｔ２）から、水バルブ５４を開き、水ポンプ５３を所定供給量Ｍｗ１となるように駆動させ、蒸発部２６経由の改質部２１への水（改質水）の投入を開始する。

制御装置３０は、ステップ１１２において、温度センサ２２ａによって冷却部２２の改質用原料入口部の温度Ｔ２（第２温度）を検出し、この検出した温度Ｔ２が所定温度ｙ℃（例えば６０℃）より高いか否かを判定する。制御装置３０は、改質用原料入口部の温度Ｔ２が所定温度ｙ℃以下である場合には、「ＮＯ」と判定しステップ１１２の処理を繰り返し実行し、ヒータ２９ａの熱および水蒸気によって改質用原料入口部の温度Ｔ２が所定温度ｙ℃より高くなった場合には、「ＹＥＳ」と判定しプログラムをステップ１１４に進めてヒータ２９ａをオフする（時刻ｔ３）。

そして、制御装置３０は、ステップ１１６において、温度センサ２２ａによって冷却部２２の改質用原料入口部の温度Ｔ２（第２温度）を検出し、この検出した温度Ｔ２が所定温度ｙ＋１０℃（例えば７０℃）より高いか否かを判定する。この判定を実施する理由は以下の通りである。ヒータ２９ａをオフしても温度Ｔ２が所定温度ｙ＋１０℃より高くなれば、高温の水蒸気が蒸発部２６で正常に生成されて冷却部２２に供給されているということであり、燃焼部２５が正常に燃焼していることを確認することができる。制御装置３０は、改質用原料入口部の温度Ｔ２が所定温度ｙ＋１０℃以下である場合には、「ＮＯ」と判定しステップ１１６の処理を繰り返し実行し、水蒸気によって改質用原料入口部の温度Ｔ２が所定温度ｙ＋１０℃より高くなった場合（時刻ｔ４）には、「ＹＥＳ」と判定しプログラムをステップ１１８に進める。なお、図５において、時刻ｔ４，ｔ５、タイマＴｍ２，Ｔｍ３を省略している。

制御装置３０は、ステップ１１８において、時刻ｔ４からタイマＴｍ２（例えば６０秒）が経過するのを待ってプログラムをステップ１２０に進める。制御装置３０は、ステップ１２０において、時刻ｔ４からタイマＴｍ２に相当する時間が経過した時点（時刻ｔ５）から、第２燃料バルブ４５を開き、燃料ポンプ４３を所定供給量Ｍｆ２となるように駆動させ、改質部２１への改質用燃料の投入を開始する。さらに、空気バルブ６４を開いて空気ポンプ６３を駆動させ空気を所定流量（所定供給量）だけＣＯ選択酸化部２４に供給する。これにより、改質部２１に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、改質部２１では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部２１から導出された改質ガスはＣＯシフト部２３およびＣＯ選択酸化部２４により一酸化炭素ガスを低減されてＣＯ選択酸化部２４から導出され、燃料電池１０を経由しないでバイパス管７３を介して燃焼部２５に直接供給され燃焼される。

このように改質ガスの生成中において、制御装置３０は、ステップ１２２において、時刻ｔ５からタイマＴｍ３（例えば３０秒）が経過するのを待ってプログラムをステップ１２４に進める。制御装置３０は、ステップ１２４において、暖機運転を終了するか否かを判定する。具体的には、制御装置３０は、温度センサ２３ｅによってＣＯシフト部２３の入口部の温度Ｔ１（第１温度）を検出するとともに、温度センサ２３ｆによってＣＯシフト部２３の折り返し部の温度Ｔ３を検出する。これら検出した両温度Ｔ１，Ｔ３がそれぞれ所定温度Ｔ１ａ（例えば１８０℃），Ｔ３ａ（例えば１７０℃）より高ければ、暖機運転を終了すると判定しプログラムをステップ１４０に進めて暖機運転を終了させ、そうでなければ暖機運転を終了しないと判定しプログラムをステップ１２６に進める。

燃料電池システムを起動させて間もないのでＣＯシフト部２３は暖機途中にあるため、制御装置３０は、ステップ１２４において、暖機運転を終了しないと判定し、ステップ１２６において、ヒータ２９ａをオンする（時刻ｔ６）。このヒータ２９ａのオン制御は、ＰＩＤ制御またはＰＷＭ制御により実施されている。したがって、ヒータ温度は、図５に示すように、時刻ｔ６から一旦上昇するが所定温度に達すると降温し、その後一定の温度となるように制御されている。なお、ステップ１０６もステップ１２６と同様な処理が実施される。

制御装置３０は、ステップ１２８において、上述したステップ１２４と同様に暖機運転を終了するか否かを判定する。すなわち、両温度Ｔ１，Ｔ３がそれぞれ所定温度Ｔ１ａ（例えば１８０℃），Ｔ３ａ（例えば１７０℃）より高ければ、暖機運転を終了すると判定しプログラムをステップ１３８にてヒータ２９ａをオフしてステップ１４０に進めて暖機運転を終了させ、そうでなければ暖機運転を終了しないと判定しプログラムをステップ１３０に進める。

制御装置３０は、ステップ１３０において、温度センサ２３ｅによってＣＯシフト部２３の入口部の温度Ｔ１（第１温度）を検出し、この検出した温度Ｔ１が所定温度ｘ℃（例えば２９０℃）より高いか否かを判定する。制御装置３０は、ＣＯシフト部２３の入口部の温度Ｔ１が所定温度ｘ℃以下である場合には、「ＮＯ」と判定しプログラムをステップ１２８に戻し、ＣＯシフト部２３の入口部の温度Ｔ１が所定温度ｘ℃より高くなった場合には、「ＹＥＳ」と判定しプログラムをステップ１３２に進めてヒータ２９ａをオフする。

これにより、時刻ｔ６に再びオンされたヒータ２９ａの熱と、改質部２１からの改質ガスの熱によって、ＣＯシフト部２３の入口部の温度Ｔ１は時間の経過に伴って昇温しているので、制御装置３０は、ＣＯシフト部２３の入口部の温度Ｔ１が所定温度ｘ℃より高くなった場合には、ヒータ２９ａをオフする（時刻ｔ７）。

制御装置３０は、ステップ１３４において、上述したステップ１２４と同様に暖機運転を終了するか否かを判定する。すなわち、両温度Ｔ１，Ｔ３がそれぞれ所定温度Ｔ１ａ（例えば１８０℃），Ｔ３ａ（例えば１７０℃）より高ければ、暖機運転を終了すると判定しプログラムをステップ１４０に進めて暖機運転を終了させ、そうでなければ暖機運転を終了しないと判定しプログラムをステップ１３６に進める。

制御装置３０は、ステップ１３６において、温度センサ２３ｅによってＣＯシフト部２３の入口部の温度Ｔ１（第１温度）を検出し、この検出した温度Ｔ１が所定温度ｘ−１０℃（例えば２８０℃）より高いか否かを判定する。制御装置３０は、ＣＯシフト部２３の入口部の温度Ｔ１が所定温度ｘ−１０℃以上である場合には、「ＮＯ」と判定しプログラムをステップ１３４に戻し、ＣＯシフト部２３の入口部の温度Ｔ１が所定温度ｘ−１０℃より低くなった場合には、「ＹＥＳ」と判定しプログラムをステップ１２４に戻す。

これにより、時刻ｔ７以降であって暖機運転を終了すると判定する（時刻ｔ８）までの間において、制御装置３０は、ＣＯシフト部２３の入口部の温度Ｔ１に基づいてヒータ２９ａのオン・オフ制御を実施している。すなわち、ＣＯシフト部２３の入口部の温度Ｔ１が第１目標温度範囲となるようにヒータ２９ａがオン・オフ制御されている。第１目標温度範囲は触媒２３ｄに熱ダメージを与えない最高温度範囲に設定されている。上述した所定温度ｘ℃，ｘ−１０℃は第１温度Ｔ１がこの第１目標温度範囲に収まるように設定されている。なお、ｘ℃は、触媒の耐熱温度（触媒性能を維持できる上限温度）から所定温度（本実施形態では１０℃）低い温度に設定する。ｘ−１０℃の１０℃はヒータ２９ａのオン・オフの特性に起因する制御性を考慮して設定する。

また、ヒータ２９ａのオン・オフ制御を実施している間、ＣＯシフト部２３の温度は、改質ガスによって加熱されて昇温し、ＣＯシフト部２３の両温度Ｔ１，Ｔ３がそれぞれ所定温度Ｔ１ａ（例えば１８０℃），Ｔ３ａ（例えば１７０℃）より高くなれば、制御装置３０は、暖機運転を終了すると判定するととともにヒータ２９ａをオフする（時刻ｔ８）。暖機運転の終了判定とヒータ２９ａのオフの順番は前後する場合があるがほぼ同時に実施される。

定常運転中は、改質水ポンプ５３の制御流量は、主に第１温度（温度センサ２３ｅ）および第２温度（温度センサ２２ａ）で行う。そのためヒータ２９ａの有無に関わらず設定されている温度センサ２３ｅおよび２２ａを用いて、ヒータ２９ａの制御を行うため別途新たな温度センサを設けることなくヒータ２９ａの制御を行い低コスト化している。

制御装置３０は、ステップ１４０において、暖機終了処理を実施する。具体的には、制御装置３０は、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ＣＯ選択酸化部２４を燃料電池１０の燃料極１１の導入口に接続するとともに燃料極１１の導出口を燃焼部２５に接続する。これにより、ＣＯ選択酸化部２４から導出された一酸化炭素が低減された改質ガスは燃料極１１に供給され発電に使用される。燃料極１１からのアノードオフガスは燃焼部２５に供給されて燃焼される。すなわち、起動運転が終了され、引き続いて定常運転（発電運転）が開始される。

制御装置３０は、ステップ１４２において、発電運転（定常運転）を実施する。制御装置３０は、定常運転中において、改質装置２０で生成される水素量が所定量となるようにすなわち燃料電池システムの出力電流が電力使用場所で消費される電流・電力に基づいて決定される所望の出力電流となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気、酸化用空気、カソード用空気および改質水を供給するようになっている。

制御装置３０は、停止スイッチが押されるなど運転停止指示があるまでは、ステップ１４４にて「ＮＯ」と判定し続けて定常運転を継続する。運転停止指示があると、ステップ１４４にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップ１４６に進めて燃料電池システムの運転を停止すべく停止運転を実施する。

制御装置３０は、ステップ１４４において、システムの停止処理を行う。このとき、水素濃度を低くするかゼロにするため燃料電池１０の燃料極側にパージ処理を行う。

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、一酸化炭素低減部であるＣＯシフト部２３の入口部に改質ガス通路２９が連結され、改質ガス通路２９内にＣＯシフト部２３を加熱する加熱手段であるヒータ２９ａが設けられている。また、ヒータ２９ａとは別体で構成された第１温度検出手段である温度センサ２３ｅが、該ヒータ２９ａより下流であってＣＯシフト部２３の入口部までの何れかの部位の温度である第１温度を検出する。そして、制御手段である制御装置３０が、起動運転において第１温度に基づいてヒータ２９ａの作動を制御する。したがって、ヒータ２９ａからの熱が改質ガス通路２９やＣＯシフト部２３のケース（筐体２９ｂ、２３ａ）を介して該ＣＯシフト部２３内の触媒２３ｄに伝導するので、ＣＯシフト部２３内の触媒２３ｄを直接加熱するのを防止し触媒２３ｄの劣化を防止する。また、ヒータ２９ａと温度センサ２３ｅとは別体であるので、従来のようにヒータを温度計測素子として兼用することなく、複雑な電気回路が不要となり、また温度を測定するための専用の制御が不要となるため、信頼性・耐久性を低下させることなく、改質装置全体を小型化・低コスト化することができる。

また、ヒータ２９ａは、改質ガスと改質用原料との間で熱交換が行われる熱交換部である冷却部２２と一酸化炭素低減部であるＣＯシフト部２３との間に配設されて該ＣＯシフト部２３と該冷却部２２を加熱する。第２温度検出手段である温度センサ２２ａが、冷却部２２の改質用原料の入口部の温度である第２温度を検出する。そして、制御手段である制御装置３０が、起動運転において第１温度および第２温度に基づいてヒータ２９ａの作動を制御する。したがって、冷却部２２の改質用原料の入口部の温度およびヒータ２９ａより下流であってＣＯシフト部２３の入口部までの何れかの部位の温度に応じて適切にヒータ２９ａを制御することができるので、起動運転を適切に実施することができる。

また、制御手段である制御装置３０は、起動運転の開始時点から改質部２１への改質用燃料の投入開始まで第２温度に基づいてヒータ２９ａの作動を制御し（ステップ１０６から１２０）、改質用燃料の投入開始以降では第１温度が第１目標温度範囲に収まるようにヒータ２９ａの作動を制御する（ステップ１２４から１３８）。これにより、ヒータ２９ａを起動運転の各段階に応じて適切に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、ステップ１０６からステップ１２２の処理を省略して、起動するようにしてもよい。この場合、ステップ１２４から１３８の処理が、起動運転において温度センサ２３ｅによって検出された第１温度に基づいてヒータ２９ａの作動を制御する制御手段となる。

また、上述した実施形態においては、加熱手段として、ヒータ２９ａ以外に燃焼触媒を使用するようにしてもよい。

また、上述した実施形態においては、各ポンプ６３，６６，６８はブロアで構成するようにしてもよい。

また、上述した実施形態においては、触媒を内蔵し第１流体である改質ガスが流入する入口部を有する改質装置２０を構成する構成要素としてＣＯシフト部２３を挙げて説明したが、触媒を内蔵し第１流体が流入する入口部を有する改質装置２０を構成する他の構成要素（例えば、改質部２１、ＣＯ選択酸化部２４）に対して上記実施形態と同様な構造としてもよい。

この場合においても、触媒を内蔵し第1流体が流入する入口部を有し改質装置２０を構成する構成要素の入口部に第１流体通路が連結され、第１流体通路内に構成要素を加熱する加熱手段が設けられている。また、加熱手段とは別体で構成された第１温度検出手段が、該加熱手段より下流であって構成要素の入口部までの何れかの部位の温度である第１温度を検出する。そして、制御手段が、起動運転において第１温度に基づいて加熱手段の作動を制御する。したがって、加熱手段からの熱が第１流体通路や構成要素のケースを介して触媒に伝導するので、構成要素に内蔵されている触媒を直接加熱するのを防止し触媒の劣化を防止する。また、加熱手段と第１温度検出手段とは別体であるので、従来のようにヒータを温度計測素子として兼用することなく、複雑な電気回路が不要となり、また温度を測定するための専用の制御が不要となるため、信頼性・耐久性を低下させることなく、改質装置全体を小型化・低コスト化することができる。

さらに、加熱手段は、第１流体と異なる第２流体と該第１流体との間で熱交換が行われる熱交換部と構成要素との間に配設されて該構成要素と該熱交換部を加熱する。第２温度検出手段が、熱交換部の第２流体の入口部の温度である第２温度を検出する。そして、制御手段が、起動運転において第１温度および第２温度に基づいて加熱手段の作動を制御する。したがって、熱交換部の第２流体の入口部の温度および加熱手段より下流であって構成要素の入口部までの何れかの部位の温度に応じて適切に加熱手段を制御することができるので、起動運転を適切に実施することができる。

なお、上述した加熱手段を熱交換部の後段に設ける場合がある。この場合、加熱手段を熱交換部内の改質用燃料通路より一酸化炭素低減部側に設ける。改質用燃料通路が実質的な熱交換部であり、それより一酸化炭素低減部側の部分が実質的な第１流体通路となる。したがって、このように熱交換部内に第１流体通路が含まれている場合にも本発明を適用することができる。

本発明による改質装置を適用した燃料電池システムの概要を示す概要図である。 （ａ）は、図１に示す改質ガス通路の内部を出口側から入口側を見た図であり、（ｂ）は、図２（ａ）の２ｂ−２ｂ線に沿った断面図である。 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。 本発明による改質装置の動作を示すタイムチャートである。

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、２２…冷却部（熱交換部）、２２ａ…温度センサ（第２温度検出手段）、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２３ｅ…温度センサ（第１温度検出手段）、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２５…燃焼部、２６…蒸発部、２７…燃焼ガス流路、２８…断熱部、２９…改質ガス通路（第１流体通路）、２９ａ…ヒータ（加熱手段）、３０…制御装置（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、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、６２…フィルタ、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、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、Ｓａ…空気供給源、Ｓｆ…燃料供給源、Ｓｗ…水タンク。

Claims (1)

1. 触媒を内蔵し第１流体が流入する入口部を有する構成要素と、
   前記構成要素の入口部に連結され該入口部に前記第１流体を流入するための第１流体通路と、
   前記第１流体通路内に設けられ前記構成要素を加熱する加熱手段と、
   前記加熱手段とは別体で構成され、該加熱手段より下流であって前記構成要素の入口部までの何れかの部位の温度である第１温度を検出する第１温度検出手段と、
   起動運転において前記第１温度に基づいて前記加熱手段の作動を制御する制御手段と、
   前記第１流体通路の上流に配置され、前記第１流体と異なる第２流体と該第１流体との間で熱交換が行われる熱交換部と、
   前記熱交換部の前記第２流体の入口部の温度である第２温度を検出する第２温度検出手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、起動運転において前記第１温度および第２温度に基づいて前記加熱手段の作動を制御することを特徴とする改質装置。

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