JP4964368B2 - 燃料電池用燃料ガス生成装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化水素系燃料を水素リッチガスに改質して燃料電池用燃料ガスを生成する燃料電池用燃料ガス生成装置に関し、特に、始動性に優れた燃料電池用燃料ガス生成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
メタノールやガソリンなどの炭化水素系燃料をオートサーマル改質器を備えた燃料ガス生成装置によって水素リッチな燃料ガスに改質し、この燃料ガスと酸化剤ガス（例えば、空気）を燃料電池に供給し発電を行う燃料電池システムは従来から知られている（特開２０００−３０２４０８号公報等）。
【０００３】
従来の燃料電池システムは、図６に示すように、蒸発器７０と、改質反応器７１と、熱交換器７２と、燃料電池スタック７３を備えている。蒸発器７０は、メタノール等の原燃料と水とを混合してなる液体原燃料（以下、改質燃料という）を蒸気化させるとともに改質空気を加熱してこれらを改質反応器７１に供給する。改質反応器７１は、蒸発器７０で生成した燃料蒸気と改質空気とを反応させて水素リッチな改質ガスを生成するオートサーマル式の改質器７４と、改質器７４で生成された改質ガスの温度を下げる熱交換器７５と、熱交換器７５で温度低下させた改質ガスにＣＯ除去空気を加えて改質ガス中の一酸化炭素を除去し燃料ガスを生成するＣＯ除去器７６と、を備え、ＣＯ除去器７６にはＣＯ除去触媒を冷却するための冷却水回路が設けられている。熱交換器７２は、改質反応器７１によって生成された燃料ガスを燃料電池スタック７３に供給可能な温度まで冷却する。なお、熱交換器７２，７５とＣＯ除去器７６の冷却水回路にはラジエターポンプ７８を介して冷却水が循環するようになっている。
【０００４】
燃料電池スタック７３は、熱交換器７２によって温度調節されてアノード電極に供給される燃料ガスと、スーパーチャージャ７７からカソード電極に供給される空気（酸化剤ガス）との電気化学反応により発電を行う。燃料ガスと空気は発電に供された後、蒸発器７０に内蔵の触媒燃焼器に導かれ、この触媒燃焼器で燃焼させられ、その燃焼熱で、蒸発器７０に供給される改質燃料と改質空気を加熱した後、排気される。
【０００５】
この燃料電池システムでは、始動後に燃料ガス組成が安定し、且つ、燃料ガス温度が燃料電池スタック７３に供給可能な温度に安定するまで、システム全体を暖機する必要がある。そのために、蒸発器７０の上流には蒸発器用始動燃焼器８０が設けられている。また、システムの暖機完了まで燃料電池スタック７３をバイパスしてガスを蒸発器７０に流せるように、熱交換器７２と燃料電池スタック７３との間に三方切替弁７９が設けられている。
【０００６】
従来の燃料電池システムの暖機方法を図７に示すフローチャートを参照して説明すると、始動スタートにより三方切替弁７９をバイパス側に接続し燃料ガスが燃料電池スタック７３に流入しないようにし（ステップＳ２０１）、ラジエターポンプ７８を起動して冷却水を循環させ（ステップＳ２０２）、蒸発器用始動燃焼器８０に原燃料を供給して起動し（ステップＳ２０３）、始動用改質空気を蒸発器７０に供給する（ステップＳ２０４）。これにより、蒸発器用始動燃焼器８０の燃焼ガスで始動用改質空気を加熱し、加熱された始動用改質空気を改質反応器７１→熱交換器７２→三方切替弁７９→蒸発器７０に流通させて、改質器７１の改質触媒を暖機する。
【０００７】
そして、蒸発器７０から排出される排気の温度が所定温度（以下、これを蒸発器暖機終了温度Ｔvstという）よりも高くなり、且つ、改質触媒の温度が所定温度（以下、これを改質器暖機終了温度Ｔrfstという）よりも高くなったら（ステップＳ２０５で肯定判定）、蒸発器７０に所定流量で改質燃料の供給を開始し（ステップＳ２０６）、図８に示す改質空気量マップを参照して改質燃料量に対応する改質空気量を算出し、その空気量で蒸発器７０に改質空気の供給を開始し（ステップＳ２０７）、さらに、図９に示すＣＯ除去空気量マップを参照して前記改質燃料量に対応するＣＯ除去空気量を算出し、その空気量でＣＯ除去器７６にＣＯ除去空気を供給する（ステップＳ２０８）。これにより、蒸発器７０に供給された改質燃料は燃料蒸気となって改質空気とともに改質反応器７１に供給され、改質反応器７１で改質ガスが生成され、この改質ガスが改質反応器７１→熱交換器７２→三方切替弁７９→蒸発器７０に流通し、改質ガスは蒸発器７０に内蔵の触媒燃焼器で燃焼して、改質燃料を蒸発させるための熱源となる。そして、改質ガスが蒸発器７０に供給されるようになったら、蒸発器用始動燃焼器８０への原燃料の供給をストップする（ステップＳ２０９）。
【０００８】
このようにしてシステムの暖機を行っている間に、改質器７４の改質触媒やＣＯ除去器７６のＣＯ除去触媒における反応熱によって、熱交換器７２，７５およびＣＯ除去器７６とラジエターポンプ７８との間を循環する冷却水の暖機が行われることとなる。
そして、改質ガス組成が燃料電池スタック７３へ供給可能なガス組成に安定し（ステップＳ２１０で肯定判定）、冷却水温度が所定温度（以下、これを冷却水暖機終了温度Ｔcstという）より高くなったら（ステップＳ２１１で肯定判定）、燃料電池システムは暖機完了であるので、三方切替弁７９を燃料電池スタック７３側に接続して（ステップＳ２１２）、改質ガスを燃料ガスとして燃料電池スタック７３に供給し、燃料電池スタック７３は発電可能となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおける暖機方法では、改質器７４の改質触媒やＣＯ除去器７６のＣＯ除去触媒における反応熱によって冷却水を暖機しているため、冷却水の暖機に長時間を要した。また、ＣＯ除去器７６はこれに供給される冷却水の温度が所定温度に達しないと性能を十分に発揮できないため、改質ガス組成が燃料電池スタック７３へ供給可能な所定のガス組成に安定するまでの時間も長くなる。その結果、この冷却水の暖機時間が燃料電池システム全体の暖機時間を大きく左右することとなり、システム全体の暖機に長時間を要するという問題が生じた。
【００１０】
そこで、この発明は、効率よく且つ迅速に冷却水を暖機することができ、燃料電池システム全体の早期暖機を達成することができる燃料電池用燃料ガス生成装置を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、改質器（例えば、後述する実施の形態における改質器１１）とＣＯ除去器（例えば、後述する実施の形態におけるＣＯ除去器１３）とを有し原燃料を改質して燃料電池用燃料ガスを生成する改質反応器（例えば、後述する実施の形態における改質反応器１０）と、前記改質反応器により生成された燃料ガスを燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池スタック２１）に供給可能にする燃料ガス供給路（例えば、後述する実施の形態における燃料ガス供給管３４，３６，３７）と、前記燃料ガス供給路に設けられ該燃料ガス供給路を流れるガスと熱媒体（例えば、後述する実施の形態における冷却水）との間で熱交換を行う熱交換器（例えば、後述する実施の形態における熱交換器２０）と、前記改質反応器および前記熱交換器に前記熱媒体を循環させる熱媒体循環路（例えば、後述する実施の形態における冷却水管３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂ，４６ａ，４６ｂ）と、を備えた燃料電池用燃料ガス生成装置（例えば、後述する実施の形態における燃料ガス生成装置１）において、前記燃料ガス供給路における前記熱交換器の上流に燃焼ガスを供給可能にする燃焼器（例えば、後述する実施の形態における冷却水用始動燃焼器２５）を備えることを特徴とする。
【００１２】
このように構成することにより、燃焼器の燃焼ガスを熱交換器に直接流して熱交換器の能力を最大限利用して熱媒体を迅速に加熱することが可能となり、さらに、この加熱された熱媒体が改質反応器にも循環するので改質反応器も迅速に暖機することが可能となる。
また、燃焼ガスは改質反応器の下流であって熱交換器の上流に供給されることから、改質反応器には燃焼ガスが流れないので、改質反応器内の触媒に対する過熱防止が可能となる。また、燃焼ガスがガス流路を流れることにより、ガス流路も暖機される。
【００１３】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記熱媒体循環路の一部が、前記燃焼器と熱交換可能な熱交換路（例えば、後述する実施の形態におけるジャケット２５ｃ）を構成することを特徴とする。
このように構成することにより、燃焼器から放熱される熱を熱媒体循環路を流れる熱媒体に回収することができ、エネルギの有効利用を図ることが可能となる。
【００１４】
請求項３に記載した発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記熱媒体の温度が所定温度以下のときに前記燃焼器が運転されることを特徴とする。
このように構成することにより、熱媒体の温度が所定温度以下のときだけ燃焼器が運転されるので、燃料の浪費を防止することができるとともに、冷却水の過熱を防止することが可能となる。
【００１５】
請求項４に記載した発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の発明において、前記熱交換器の下流における前記燃料ガス供給路に、前記燃料電池をバイパスしてガスを流通させるバイパス通路（例えば、後述する実施の形態におけるバイパス管４３）が接続されていることを特徴とする。
このように構成することにより、ガス組成の不安定なガスはバイパス通路に流し、燃料電池には流れないようにすることが可能となる。
【００１６】
請求項５に記載した発明は、請求項２から請求項４のいずれかに記載の発明において、前記熱媒体の温度が前記所定温度よりも大きいときに前記熱媒体の前記熱交換路への流通を阻止する流通阻止手段（例えば、後述する実施の形態における冷却水バルブ４７）を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、熱媒体の温度が前記所定温度よりも大きいときには流通阻止手段によって熱媒体の熱交換路への流通を阻止することでき、その結果、熱媒体循環路を循環する熱媒体量を減少させることが可能となる。
なお、流通阻止手段は、熱媒体が熱交換器に流通するのを遮断するバルブで構成してもよいし、あるいは、熱媒体が熱交換器をバイパスして流れるようにするバイパス通路で構成してもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池用燃料ガス生成装置の一実施の形態を図１から図５の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、燃料電池自動車に搭載された燃料電池用燃料ガス生成装置の態様である。
【００１８】
図１は燃料電池用燃料ガス生成装置（以下、燃料ガス生成装置と略す）１の概略構成図であり、燃料ガス生成装置１は、改質反応器１０、熱交換器２０、燃料電池スタック（燃料電池）２１、蒸発器２２、蒸発器用始動燃焼器２３、スーパーチャージャ２４，冷却水用始動燃焼器２５、ラジエターポンプ２６を主要構成としており、改質反応器１０は、改質器１１、熱交換器１２、ＣＯ除去器１３を備えている。
【００１９】
燃料電池スタック２１は固体高分子型の燃料電池であり、アノード電極に供給される燃料ガス中の水素と、カソード電極に供給される酸化剤ガスとしての空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う。
燃料電池スタック２１のアノード電極に供給される燃料ガスは、液体原燃料を蒸発器２２で燃料蒸気にし、更に改質反応器１０によって水素リッチな燃料ガスに改質したものが用いられる。
【００２０】
すなわち、蒸発器２２には、炭化水素系燃料（例えば、メタノール）と水とを所定の割合で混合してなる改質用の液体原燃料（以下、改質燃料という）と改質用の空気（以下、改質空気という）とが供給されるようになっていて、蒸発器２２内において改質燃料および改質空気は加熱され、改質燃料は蒸気化されて燃料蒸気となり、加熱された改質空気と混合した状態で、蒸発器２２から燃料供給管３１を介して改質反応器１０の改質器１１に供給される。
【００２１】
改質反応器１０の改質器１１は、内部に改質触媒を備えたオートサーマル式の改質器であり、蒸発器２２で生成した燃料蒸気を改質空気によって部分酸化させた原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する。改質器１１で生成された改質ガスは熱交換器１２によって冷却された後、ＣＯ除去器１３に供給される。ＣＯ除去器１３は内部にＣＯ除去触媒を備えるとともに、ＣＯ除去用の空気（以下、ＣＯ除去空気という）が供給可能になっていて、ＣＯ除去器１３内において改質ガス中のＣＯは酸化されてＣＯ₂になり、すなわち、改質ガス中のＣＯが除去されて燃料ガスが生成される。また、熱交換器１２には、ラジエターポンプ２６と冷却水管３２ａ，３２ｂによって、燃料ガスを冷却するための冷却水が循環可能になっており、ＣＯ除去器１３には、ラジエターポンプ２６と冷却水管３３ａ，３３ｂによって、前記ＣＯ除去触媒を冷却するための冷却水が循環可能になっている。
【００２２】
改質反応器１０により改質された燃料ガスは、燃料ガス供給管３４を介して熱交換器２０に供給される。熱交換器２０には、ラジエターポンプ２６と冷却水管３５ａ，３５ｂによって、燃料ガスを燃料電池スタック２１に供給可能な所定温度まで冷却するための冷却水が循環可能になっている。熱交換器２０によって冷却された燃料ガスは、燃料ガス供給管３６，３７および三方切替弁３８を介して燃料電池スタック２１のアノード電極に供給される。燃料電池スタック２１のカソード電極には、スーパーチャージャ２４から空気供給管３８を介して酸化剤ガスとして空気が供給可能になっている。
【００２３】
燃料電池スタック２１のアノード電極に供給された燃料ガスは発電に供された後、燃料オフガスとしてアノードオフガスバルブ３９、燃料オフガス管４０を介して蒸発器２２に供給され、また、カソード電極に供給された空気は発電に供された後、空気オフガスとしてカソードオフガスバルブ４１、空気オフガス管４２を介して蒸発器２２に供給される。なお、通常運転時はアノードオフガスバルブ３９とカソードオフガスバルブ４１はそれぞれアノード電極に供給される燃料ガスの圧力、カソード電極に供給される酸化剤ガスの圧力を制御する。また、三方切替弁３８は燃料電池スタック２１を迂回するバイパス管４３によって燃料オフガス管４０に接続されており、三方切替弁３８は、燃料ガス供給管３６を、燃料ガス供給管３７とバイパス管４３のいずれか一方と選択的に接続可能にする。三方切替弁３８が燃料ガス供給管３６と燃料ガス供給管３７とを接続したときに熱交換器３６を通過した燃料ガスは燃料電池スタック２１に供給され、三方切替弁３８が燃料ガス供給管３６とバイパス管４３とを接続したときに熱交換器３６を通過した燃料ガスは燃料電池スタック２１を迂回しバイパス管４３を流れることになる。
【００２４】
燃料電池スタック２１から排出された前記燃料オフガスと前記空気オフガスは蒸発器２２に内蔵された触媒燃焼器に導かれ、この触媒燃焼器で燃焼させられ、その燃焼熱で、蒸発器２２に供給される改質燃料と改質空気を加熱する。なお、蒸発器２２において加熱源とされた燃料オフガスと空気オフガスの燃焼ガスは、排気管４４を介して大気に排気される。
【００２５】
蒸発器用始動燃焼器２３は蒸発器２２に付設されており、蒸発器用始動燃焼器２３には原燃料と空気が供給可能になっている。蒸発器用始動燃焼器２３は始動時に限って燃焼され、その燃焼ガスが蒸発器２２に導入され、蒸発器２２に供給される始動用改質空気を加熱する。
【００２６】
冷却水用始動燃焼器２５は改質反応器１０と熱交換器２０の間に配置されている。図２は冷却水用始動燃焼器２５を一部破断して示す概略斜視図である。冷却水用始動燃焼器２５は内部に燃焼室（図示せず）を有し、この燃焼室に原燃料と空気が供給可能になっていて、この燃焼室に供給された原燃料をグロープラグ２５ａで着火して燃焼し、その燃焼ガスがガス出口２５ｂから排出されるようになっている。この冷却水用始動燃焼器２５は暖機時に所定条件が満たされたときにだけ運転されるようになっていて、ガス出口２５ｂから排出される燃焼ガスは、図１に示すようにガス供給管４５を通り、改質反応器１０と熱交換器２０とを接続する燃料ガス供給管３４に導入される。
【００２７】
また、冷却水用始動燃焼器２５の前記燃焼室の周囲には冷却水ジャケット（熱交換路）２５ｃが形成されており、このジャケット２５ｃには、ラジエターポンプ２６と冷却水管４６ａ，４６ｂによって冷却水が循環可能になっていて、冷却水管４６ａには冷却水バルブ４７が設けられている。冷却水用始動燃焼器２５の運転時にジャケット２５ｃに冷却水を流すと、冷却水用始動燃焼器２５から放熱される熱がジャケット２５ｃ内を流れる冷却水に回収されて、冷却水が加熱される。
【００２８】
この実施の形態においては、１台のラジエターポンプ２６によって、熱交換器１２とＣＯ除去器１３と熱交換器２０と冷却水用始動燃焼器２５のジャケット２５ｃに、冷却水を循環させており、これらと冷却水管３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂ，４６ａ，４６ｂは熱媒体循環路を構成し、熱媒体循環路の一部であるジャケット２５ｃと熱交換器２０において、冷却水用始動燃焼器２５の燃焼ガスと冷却水が熱交換をすることになる。
【００２９】
次に、この燃料ガス生成装置１の作用について説明する。この燃料ガス生成装置１では、早期暖機を図るために、システム起動時に冷却水の温度が冷却水暖機終了温度Ｔcst以下のときには、冷却水用始動燃焼器２５を運転してその燃焼ガスを熱交換器２０に流通させるとともに、冷却水用始動燃焼器２５のジャケット２５ｃに冷却水を流通させることによって、冷却水を予備加熱して迅速に昇温するようにしている。
ただし、暖機は例えば起動時に系内温度が低いときに行われるものであり、再起動時など系内が十分に暖まっているときには行われない。
【００３０】
次に、この実施の形態における燃料ガス生成装置１の暖機処理手順を図３のフローチャートを参照して説明する。
まず、燃料電池始動スイッチがＯＮされて始動スタートになると、燃料電池制御用コントロールユニット（以下、ＦＣＥＣＵと略す）は、アノードオフガスバルブ３９、および、冷却水バルブ４７を閉じ、三方切替弁３８を燃料ガス供給管３６とバイパス管４３とを接続するように切り替える（ステップＳ１０１）。なお、この実施の形態では、この時点でカソードオフガスバルブ４１はカソード電極に空気を供給するために開いているものとするが、空気が燃料電池を通らないように、図示しないバイパス通路に流すようにしてもよい。このようにすると、始動時はアノード電極には何も供給されないので、カソード電極側だけに圧力がかかるのを防止することができ、極間差圧を保つことができる。
【００３１】
次に、ステップＳ１０２に進み、ラジエターポンプ２６を起動して冷却水を熱交換器１２とＣＯ除去器１３と熱交換器２０に循環させ、さらにステップＳ１０３に進んで、冷却水温度が冷却水暖機終了温度Ｔcst（例えば、約６０゜Ｃ）を越えているか否か判定する。なお、冷却水温度の検出位置は、熱交換器２０の入口側である燃料ガス供給管３５ａとするのが好ましい。
【００３２】
ステップＳ１０３において肯定判定した場合には、すなわち、冷却水温度が冷却水暖機終了温度Ｔcstを越えているときには、冷却水を予備加熱する必要がないのでステップＳ１０４に進み、ステップＳ１０３において否定判定した場合には、すなわち、冷却水温度が冷却水暖機終了温度Ｔcst以下であるときには、冷却水を予備加熱する必要があるのでステップＳ１１１に進む。
【００３３】
初めに、ステップＳ１０３で肯定判定した場合の処理について説明する。この場合には、冷却水の予備加熱を実行する必要がないので、ステップＳ１０４において蒸発器用始動燃焼器２３に原燃料を供給して起動スタートした後、ステップＳ１０５に進んで蒸発器２２に始動用改質空気を供給する。これにより蒸発器用始動燃焼器２３で原燃料が燃焼され、これにより生じた燃焼ガスが蒸発器２２に供給され、始動用改質空気を加熱する。そして、加熱された始動用改質空気（以下、加熱空気という）は、改質反応器１０→燃料ガス供給管３４→熱交換器２０→燃料ガス供給管３６→三方切替弁３８→バイパス管４３→燃料オフガス管４０を通って蒸発器２２導入され、この間に、加熱空気はこの経路内の各機器の筐体や配管を加熱するだけでなく、改質器１１の改質触媒やＣＯ除去器１３のＣＯ除去触媒を加熱する。
【００３４】
なお、このときには冷却水バルブ４７が閉じているので、冷却水用始動燃焼器２５のジャケット２５ｃには冷却水は循環していない。したがって、冷却水の予備加熱を実行しないときには、冷却水の循環量を減少させることができるので、ラジエターポンプ２６の動力（例えば、モータの消費電力）を低減することができる。また、改質反応器１０の温度制御性が向上する。
また、冷却水用始動燃焼器２５は燃焼していないので、冷却水用始動燃焼器２５内の温度は冷却水温度よりも低いが、冷却水を冷却水用始動燃焼器２５のジャケット２５ｃに通さないので、冷却水温度が低下するのを防止することもできる。
【００３５】
そして、ステップＳ１０６において、改質触媒温度が改質器暖機終了温度Ｔrfstよりも高く、且つ、蒸発器２２から排出される排気の温度が蒸発器暖機終了温度Ｔvstよりも高く、且つ、冷却水温度が冷却水暖機終了温度Ｔcstよりも高いか否か判定する。ステップＳ１０６において否定判定した場合には、加熱空気による加熱処理を継続する。
【００３６】
これに対して、ステップＳ１０６において肯定判定した場合には、ステップＳ１０７に進んで、蒸発器２２に改質燃料と改質空気を供給すると共に、ＣＯ除去器１３にＣＯ除去空気を供給する。なお、この時の改質燃料量、改質空気量、ＣＯ除去空気量の決定方法は従来と同じであるので説明を省略する。
これにより、蒸発器２２に供給された改質燃料は加熱されて燃料蒸気となり、蒸発器２２において加熱された改質空気とともに改質反応器１０に供給され、改質反応器１０において燃料蒸気は改質されて改質ガスが生成され、この改質ガスが改質反応器１０→燃料ガス供給管３４→熱交換器２０→燃料ガス供給管３６→三方切替弁３８→バイパス管４３→燃料オフガス管４０を通って蒸発器２２に導入され、蒸発器２２に内蔵の触媒燃焼器で燃焼されて、改質燃料および改質空気を加熱するための熱源となる。
【００３７】
このように、改質ガスが蒸発器２２に供給されるようになったらステップＳ１０８に進んで、蒸発器用始動燃焼器２３への燃料供給をストップして、加熱空気による加熱処理を終了する。
【００３８】
次に、ステップＳ１０９に進んで、熱交換器２０から流出する改質ガスの組成（例えば、ＴＨＣやＣＯ）が、燃料電池スタック２１に供給可能な許容濃度範囲に安定して収まっているか否か判定する。ステップＳ１０９で否定判定した場合、すなわち改質ガス組成が安定していないときには、システム全体としての暖機がまだ不十分であるので、改質ガスをバイパス管４３に流通させるバイパス運転を継続する。
【００３９】
ステップＳ１０９で肯定判定した場合、すなわち、改質ガス組成が安定しているときには、システム全体としての暖機は完了であるので、ステップＳ１１０に進み、アノードオフガスバルブ３９を開くとともに、三方切替弁３８を燃料ガス供給管３６と燃料ガス供給管３７とを接続するように切り替えて、改質ガスを燃料ガスとして燃料電池スタック２１のアノード電極に供給するとともに、空気をカソード電極に供給し、燃料電池スタック２１を発電可能な状態にする。
このように、ガス組成が不安定で燃料電池スタック２１に供給するのに適さない間は、改質ガスをバイパス管４３に流し、燃料電池スタック２１に供給しないようにしているので、燃料電池スタック２１が保護される。
以上が冷却水の予備加熱の実行を必要としない場合の処理である。
【００４０】
次に、ステップＳ１０３において否定判定して場合の処理について説明する。前述したように、この場合には冷却水の予備加熱を実行する必要があるので、ステップＳ１１１に進んで冷却水バルブ４７を開き、さらにステップＳ１１２に進んで冷却水用始動燃焼器２５を起動スタートし原燃料を供給する。冷却水バルブ４７を開き、冷却水用始動燃焼器２５を起動することにより、冷却水用始動燃焼器２５で原燃料が燃焼され、その燃焼ガスが、ガス供給管４５および燃料ガス供給管３４を介して熱交換器２０に直接供給される。その結果、熱交換器２０の能力を最大限利用して前記燃焼ガスと冷却水との間で熱交換を行うことができ、冷却水を迅速に加熱することができる。
【００４１】
また、これと同時に、冷却水が冷却水用始動燃焼器２５のジャケット２５ｃを通過する間に、冷却水用始動燃焼器２５から放熱される熱がジャケット２５ｃを流れる冷却水に回収されて、冷却水は加熱される。
熱交換器２０において加熱された冷却水は冷却水管３５ｂを通ってラジエターポンプ２６に戻り、ジャケット２５ｃにおいて加熱された冷却水は冷却水管４６ｂを通ってラジエターポンプ２６に戻り、これら加熱された冷却水は再びラジエターポンプ２６から各冷却水管３２ａ，３３ａ，３５ａ，４６ａに送出されので、冷却水系全体が加熱されることになる。なお、熱交換器２０において冷却水と熱交換した後の燃焼ガスは、燃料ガス供給管３６→三方切替弁３８→バイパス管４３→燃料オフガス管４０→蒸発器２２→排気管４４を通って排気される。
【００４２】
このようにして冷却水の予備加熱をスタートした後、ステップＳ１１３に進んで蒸発器用始動燃焼器２３に原燃料を供給して起動スタートし、ステップＳ１１４に進んで蒸発器２２に始動用改質空気を供給する。これにより蒸発器用始動燃焼器２３で原燃料が燃焼され、その燃焼ガスが蒸発器２２に供給され、始動用改質空気を加熱する。そして、加熱された始動用改質空気、すなわち加熱空気は、改質反応器１０→燃料ガス供給管３４→熱交換器２０→燃料ガス供給管３６→三方切替弁３８→バイパス管４３→燃料オフガス管４０を通って蒸発器２２導入され、この間に、加熱空気はこの経路内の各機器の筐体や配管を加熱するだけでなく、改質器１１の改質触媒やＣＯ除去器１３のＣＯ除去触媒を加熱するとともに、熱交換器１２，２０とＣＯ除去器１３と冷却水用始動燃焼器２５のジャケット２５ｃを循環する冷却水を加熱する。
【００４３】
すなわち、この場合には、冷却水は、加熱空気および燃焼ガスと熱交換することで加熱されると同時に、冷却水用始動燃焼器２５から放熱される燃焼熱を回収することでも加熱されることとなる。したがって、冷却水の温度が冷却水暖機終了温度Ｔcstに達するまでの所要時間が、冷却水用始動燃焼器２５の燃焼ガスの熱を利用しないときよりも、大幅に短縮される。
【００４４】
そして、ステップＳ１１５に進み、改質触媒温度が改質器暖機終了温度Ｔrfstよりも高く、且つ、蒸発器２２から排出される排気の温度が蒸発器暖機終了温度Ｔvstよりも高く、且つ、冷却水温度が冷却水暖機終了温度Ｔcstよりも高いか否か判定する。ステップＳ１１５において否定判定した場合には、冷却水用始動燃焼器２５による冷却水の予備加熱処理、および、加熱空気による加熱処理を継続する。
【００４５】
一方、ステップＳ１１５において肯定判定した場合には、ステップＳ１１６に進んで、冷却水用始動燃焼器２５をストップするとともに、冷却水バルブ４７を閉じて、冷却水用始動燃焼器２５による冷却水の予備加熱処理を終了する。
【００４６】
そして、ステップＳ１１６からステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７以降の処理については、前述した冷却水の予備加熱を実行しない場合と同じであるので簡単に説明する。ステップＳ１０７において蒸発器２２に改質燃料と改質空気を供給すると共に、ＣＯ除去器１３にＣＯ除去空気を供給する。これにより、蒸発器２２で生成した燃料蒸気を改質空気とともに改質反応器１０に供給し、改質反応器１０において燃料蒸気を改質して改質ガスを生成し、この改質ガスを熱交換器２０、バイパス管４３等を介して蒸発器２２に導入し、蒸発器２２に内蔵の触媒燃焼器で燃焼して、改質燃料および改質空気を加熱するための熱源とする。このように、改質ガスが蒸発器２２に供給されるようになったらステップＳ１０８に進んで、蒸発器用始動燃焼器２３への燃料供給をストップして、加熱空気による加熱処理を終了する。なお、このように改質ガスを生成する前に、ステップＳ１０７において冷却水用始動燃焼器２５をストップしているので、水素リッチな改質ガス中に冷却水用始動燃焼器２５から酸素リッチな燃焼ガスが混入するのを防止することができる。
【００４７】
次に、ステップＳ１０９において、熱交換器２０から流出する改質ガスの組成が、燃料電池スタック２１に供給可能な許容濃度範囲に安定して収まっているか否か判定し、ステップＳ１０９で否定判定した場合には、システム全体としての暖機がまだ不十分であるので、改質ガスをバイパス管４３に流通させるバイパス運転を継続し、燃料電池スタック２１を保護する。
【００４８】
ステップＳ１０９で肯定判定した場合には、システム全体としての暖機は完了であるので、ステップＳ１１０に進み、アノードオフガスバルブ３９を開くとともに、三方切替弁３８を燃料ガス供給管３６と燃料ガス供給管３７とを接続するように切り替えて、改質ガスを燃料ガスとして燃料電池スタック２１のアノード電極に供給するとともに、空気をカソード電極に供給し、燃料電池スタック２１を発電可能な状態にする。
以上が冷却水の予備加熱の実行を必要とする場合の処理である。
【００４９】
このように、この実施の形態の燃料ガス生成装置１では、始動時に冷却水温度が冷却水暖機終了温度Ｔcst以下のときには冷却水用始動燃焼器２５を運転して冷却水の予備加熱処理を実行するので、冷却水を迅速に暖機することができ、しかも、加熱された冷却水が改質反応器１０の熱交換器１２およびＣＯ除去器１３にも循環するので、改質反応器１０をも迅速に暖機することができる。その結果、燃料ガス生成装置の暖機時間を大幅に短縮して早期暖機が可能になり、始動性が向上する。
【００５０】
図４は、燃料ガス生成装置を始動してから暖機終了までの所要時間（すなわち、暖機時間）について、この実施の形態における暖機方法と、冷却水の予備加熱を行わない従来の暖機方法とを比較した図であり、この実施の形態の暖機方法が従来よりも格段に暖機時間が短縮されることを確認することができる。
【００５１】
また、この実施の形態の燃料ガス生成装置１の場合には、冷却水用始動燃焼器２５の燃焼ガスを改質反応器１０の下流であって熱交換器２０の上流に位置する燃料ガス供給管３４に導入しているので、燃焼ガスが改質反応器１０に流れないので、改質器１１の改質触媒やＣＯ除去器１３のＣＯ除去触媒が燃焼ガスの高熱に晒されることがなく、したがって、これら触媒を過熱するのを防止することができ、熱劣化を防止することができる。
【００５２】
また、冷却水用始動燃焼器２５による冷却水の予備加熱は、始動時の冷却水温度が冷却水暖機終了温度Ｔcstを越えるときだけ実行され、冷却水暖機終了温度Ｔcst以下のときには冷却水用始動燃焼器２５を運転せず予備暖機を実行しないようにしているので、燃料の浪費を防止することができ、燃費向上を図ることができるとともに、冷却水の過熱を防止することができ、熱交換器２０の性能を適正に維持することができる。
【００５３】
なお、図５は、冷却水の早期暖機にかかる消費電力について、冷却水用始動燃焼器２５を用いた本実施の形態の場合と、電気ヒータを用いて冷却水を加熱した場合とを比較した図である。本実施の形態のように冷却水用始動燃焼器２５を用いて冷却水を加熱する場合にも、各デバイス（例えば、燃料供給装置、グロープラグ、空気供給のためのスーパーチャージャ２４）を動かすための消費電力が必要になるが、その量は電気ヒータの消費電力よりも格段に少ないことが、この図から明らかである。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載した発明によれば、燃焼器の燃焼ガスを熱交換器に直接流して熱交換器の能力を最大限利用して熱媒体を迅速に加熱することが可能となり、さらに、この加熱された熱媒体が改質反応器にも循環するので改質反応器も迅速に暖機することが可能となるので、燃料電池用燃料ガス生成装置の早期暖機が可能になり、その結果、始動性が向上するという優れた効果が奏される。
また、改質反応器に燃焼ガスが流れず、改質反応器内の触媒に対する過熱防止を図ることができるので、改質反応器を保護することができるという効果もある。
【００５５】
請求項２に記載した発明によれば、燃焼器から放熱される熱を熱媒体循環路を流れる熱媒体に回収することができ、エネルギの有効利用を図ることが可能となるので、燃費が向上するとともに、燃料電池用燃料ガス生成装置の暖機をさらに速めることができるという効果がある。
請求項３に記載した発明によれば、燃料の浪費を防止することができるので燃費が向上するとともに、冷却水の過熱を防止することができるので熱交換器の性能を適正に維持することができるという効果がある。
【００５６】
請求項４に記載した発明によれば、ガス組成の不安定なガスはバイパス通路に流し、燃料電池には流れないようにすることができるので、燃料電池を保護することができるという効果がある。
請求項５に記載した発明によれば、熱媒体循環路を循環する熱媒体量を減少させることができるので、改質反応器の温度制御性が向上し、熱媒体を循環させるのに必要な動力を低減することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る燃料電池用燃料ガス生成装置の一実施の形態における概略構成図である。
【図２】 前記実施の形態における燃料ガス生成装置に使用される冷却水用始動燃焼器を一部破断して示す斜視図である。
【図３】 前記実施の形態における燃焼ガス生成装置の暖機処理を示すフローチャートである。
【図４】 燃料ガス生成装置を始動してから暖機終了までの暖機時間について、従来の暖機方法と本発明の暖機方法とを比較した図である。
【図５】 冷却水の早期暖機にかかる消費電力について、電気ヒータを用いた場合と本発明の冷却水用始動燃焼器を用いた場合とを比較した図である。
【図６】 従来の燃料ガス生成装置の一例を示す概略構成図である。
【図７】 従来の燃料ガス生成装置の暖機方法の一例を示す暖機処理フローチャートである。
【図８】 改質空気量マップの一例である。
【図９】 ＣＯ除去空気量マップの一例である。
【符号の説明】
１ 燃料電池用燃料ガス生成装置
１０ 改質反応器
２０ 熱交換器
２１ 燃料電池スタック（燃料電池）
２５ 冷却水用始動燃焼器（燃焼器）
２５ｃ ジャケット（熱交換路）
３４，３６，３７ 燃料ガス供給管（燃料ガス供給路）
３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂ，４６ａ，４６ｂ 冷却水管（熱媒体循環路）
４３ バイパス管（バイパス通路）
４７ 冷却水バルブ（流通阻止手段）

Claims (5)

1. 改質器とＣＯ除去器とを有し原燃料を改質して燃料電池用燃料ガスを生成する改質反応器と、前記改質反応器により生成された燃料ガスを燃料電池に供給可能にする燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路に設けられ該燃料ガス供給路を流れるガスと熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、前記改質反応器および前記熱交換器に前記熱媒体を循環させる熱媒体循環路と、を備えた燃料電池用燃料ガス生成装置において、前記燃料ガス供給路における前記熱交換器の上流に燃焼ガスを供給可能にする燃焼器を備えることを特徴とする燃料電池用燃料ガス生成装置。
2. 前記熱媒体循環路の一部が、前記燃焼器と熱交換可能な熱交換路を構成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用燃料ガス生成装置。
3. 前記熱媒体の温度が所定温度以下のときに前記燃焼器が運転されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池用燃料ガス生成装置。
4. 前記熱交換器の下流における前記燃料ガス供給路に、前記燃料電池をバイパスしてガスを流通させるバイパス通路が接続されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池用燃料ガス生成装置。
5. 前記熱媒体の温度が前記所定温度よりも大きいときに前記熱媒体の前記熱交換路への流通を阻止する流通阻止手段を備えることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれかに記載の燃料電池用燃料ガス生成装置。

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