JP5116997B2

JP5116997B2 - 燃料電池の改質装置

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Publication number: JP5116997B2
Application number: JP2006170154A
Authority: JP
Inventors: 晴男中村
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-06-27
Filing date: 2006-06-20
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2026-06-20
Also published as: JP2007042610A

Description

この発明は燃料電池の改質装置に関し、より詳しくは、燃料電池の改質装置において改質触媒を加熱する加熱部に関する。

従来より、改質用燃料（例えば、メタンを主成分とする都市ガスなど）を改質させて燃料電池のアノード極（燃料極）に供給されるべき水素を含有した改質ガス（アノードガス）を生成する燃料電池の改質装置が種々提案されている。上記した改質装置の多くは、改質用燃料と水蒸気が供給されると、改質用燃料が改質装置内に配置された改質触媒によって水蒸気と反応し、改質ガスが生成されるように構成される。このような改質触媒による反応、即ち、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質触媒を外部から連続的に加熱する必要がある。そこで、例えば特許文献１に記載される技術にあっては、加熱用燃料を燃焼バーナで燃焼させて改質触媒を加熱するようにしている。
特開２００４−２５３１８１号公報（段落０００７、図１など）

しかしながら、上記のように構成すると、改質触媒が低温時にあるとき（例えば、燃料電池の始動時など）でも改質触媒を急速に昇温させることはできるものの、燃焼によって発生した燃焼排ガス中に未燃成分、即ち、一酸化炭素や窒素酸化物などの有害物質が生じてしまうという不都合があった。

また、特許文献１の図２に示される技術にあっては、改質装置の始動時には、改質用燃料が加熱用燃料として燃焼バーナに供給される一方、改質装置において改質ガスが生成された後は、燃料電池に供給された改質ガスの内、使用されなかった改質ガス、即ち、未反応ガスが加熱用燃料として燃焼バーナに供給される。このように、加熱用燃料の種類が改質装置の運転状況によって相違すると、加熱用燃料と空気の空燃比を精密に制御しつつ燃焼バーナを良好に燃焼させることが困難になるという不具合が生じていた。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、改質触媒が低温時にあるときでも改質触媒を急速に昇温させることができると共に、改質触媒を加熱する際に発生する有害物質を低減でき、さらに改質触媒を加熱するための加熱用燃料と空気の空燃比の精密な制御を不要にすることができるようにした燃料電池の改質装置を提供することにある。

上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、改質用燃料と水蒸気を改質触媒で反応させ、燃料電池の燃料極に供給されるべき水素を含有した改質ガスを生成する燃料電池の改質装置において、前記改質触媒を加熱する加熱部を備えると共に、前記加熱部は、第１の加熱用燃料を燃焼室で燃焼させる燃焼バーナと、前記燃焼によって発生した燃焼排ガスの流れにおいて前記燃焼バーナの下流側に配置されて前記燃焼排ガス中の未燃成分を除去する酸化還元触媒と、前記酸化還元触媒の下流側に配置されて第２の加熱用燃料を前記燃焼室に供給する加熱用燃料供給部と、前記加熱用燃料供給部の下流側に配置されて前記加熱用燃料供給部から供給された前記第２の加熱用燃料を反応によって燃焼させる燃焼触媒と、前記燃焼触媒の温度を検出する燃焼触媒温度検出部とからなり、前記燃焼室への前記第１、第２の加熱用燃料の供給を制御する制御ユニットを備えると共に、前記制御ユニットは、前記検出された温度が所定温度未満のときは前記第１の加熱用燃料を前記燃焼バーナに供給する一方、前記検出された温度が所定温度以上のときは前記第２の加熱用燃料として前記改質用燃料を前記加熱用燃料供給部に供給し、次いで前記改質用燃料の供給量を減少させつつ前記改質ガスを供給するように構成した。

また、請求項２にあっては、前記燃焼バーナは、前記第１の加熱用燃料と前記第１の加熱用燃料を燃焼させるための空気を流入口を介して流入させて集合させる集合部と、前記集合部に配置されて前記第１の加熱用燃料と前記空気を混合させるスパイラルフィンと、前記集合部の流出口付近に配置される点火部とを備えるように構成した。

請求項１に係る燃料電池の改質装置にあっては、改質触媒を加熱する加熱部を備えると共に、加熱部は、第１の加熱用燃料を燃焼室で燃焼させる燃焼バーナと、燃焼によって発生した燃焼排ガスの流れにおいて燃焼バーナの下流側に配置されて燃焼排ガス中の未燃成分を除去する酸化還元触媒とを備えるように構成したので、第１の加熱用燃料を燃焼バーナで燃焼させることで低温の改質触媒を急速に昇温させることができると共に、その燃焼によって発生した燃焼排ガス中の未燃成分（具体的には、窒素酸化物などの有害物質）は、酸化還元触媒によって除去（低減）することができる。また、加熱部はさらに、酸化還元触媒の下流側に配置されて第２の加熱用燃料を燃焼室に供給する加熱用燃料供給部と、加熱用燃料供給部の下流側に配置されて加熱用燃料供給部から供給された第２の加熱用燃料を反応によって燃焼させる燃焼触媒とを備える、即ち、窒素酸化物などの有害物質の発生が比較的少ない燃焼触媒による燃焼によって改質触媒を加熱するように構成したので、燃焼に伴って発生する有害物質の量を低減させることができる。さらに、加熱用燃料供給部から供給された第２の加熱用燃料は燃焼触媒による接触酸化によって燃焼される、即ち、第２の加熱用燃料はその燃焼域内（加熱用燃料が、例えばメタンのとき５〜１０vol％）であれば燃焼可能となるように構成したので、第１の加熱用燃料を燃焼バーナで燃焼させるときに比して空燃比を広くとることができ、よって空燃比の精密な制御を不要にすることができる。

また、燃焼室への第１、第２の加熱用燃料の供給を制御する制御ユニットを備えると共に、制御ユニットは、検出された燃焼触媒の温度が所定温度未満のときは第１の加熱用燃料を燃焼バーナに供給する一方、検出された燃焼触媒の温度が所定温度以上のときは第２の加熱用燃料として改質用燃料を加熱用燃料供給部に供給し、次いで改質用燃料の供給量を減少させつつ改質ガス（具体的には、改質装置で生成されて排出される改質ガス、および改質装置から排出されて燃料電池に供給される改質ガスの内、燃料電池で使用されなかった改質ガス（未反応ガス））を供給するように構成したので、上記した効果に加え、加熱用燃料を改質装置の運転状況に応じた最適なものにすることができ、よって改質触媒を効率よく加熱することができる。

また、請求項２に係る燃料電池の改質装置にあっては、燃焼バーナが、第１の加熱用燃料と第１の加熱用燃料を燃焼させるための空気を流入口を介して流入させて集合させる集合部と、集合部に配置されて第１の加熱用燃料と空気を混合させるスパイラルフィンと、集合部の流出口付近に配置される点火部とを備えるように構成したので、上記した効果に加え、第１の加熱用燃料とそれを燃焼させるための空気とを集合部のスパイラルフィンによって十分に混合させることができると共に、その混合気を点火部によって着火させることで、低温の改質触媒を燃焼バーナによってより急速に昇温させることができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池の改質装置の最良の実施の形態について説明する。

図１は、この発明の実施例に係る燃料電池の改質装置を説明するための概略図である。

図１において、符号１０は燃料電池（スタック）を示す。燃料電池１０は、電解質膜（固体高分子膜）と、それを挟持するカソード極（空気極）とアノード極（燃料極）と、各電極の外側に配置されるセパレータとから構成される単電池を複数個積層して形成された、公知の固体高分子型燃料電池である。

燃料電池１０には、カソード極にカソードガス（反応空気）を供給するカソードガス供給系１２が接続される。カソードガス供給系１２は、大気（空気）の粉塵を除去するエアクリーナ１４と、エアクリーナ１４を通過した空気をカソードガスとして燃料電池１０に圧送するカソードガスポンプ１６と、カソードガスポンプ１６を燃料電池１０のカソード極の入口（図１で図示せず）に接続するカソードガス流路１８とを備える。即ち、カソードガスポンプ１６は、その吸入口（図１で図示せず）がエアクリーナ１４を介して大気と連通されると共に、吐出口（図１で図示せず）がカソードガス流路１８を介して燃料電池１０のカソード極の入口に接続される。

また、燃料電池１０には、アノード極にアノードガス（水素ガス）を供給するアノードガス供給系２０が接続される。アノードガス供給系２０は、改質用燃料（例えば、脱硫された都市ガス）と水蒸気を改質触媒（図１で図示せず）で反応させ、燃料電池１０のアノード極に供給されるべき水素を含有した改質ガス（即ち、アノードガス）を生成する改質装置２２と、改質装置２２を燃料電池１０のアノード極の入口（図１で図示せず）に接続するアノードガス流路２４とを備える。尚、この改質装置２２については、後に詳説する。

燃料電池１０は、燃料電池１０で発生した電力を出力する出力端子２８を備え、出力端子２８には、電力制御系３０が接続される。電力制御系３０は、マイクロコンピュータからなる電子制御ユニット（制御ユニット。Electronic Control Unit。以下「ＥＣＵ」という）３２やインバータ３４などを備える。ＥＣＵ３２は、カソードガスポンプ１６やインバータ３４、後述する電磁弁などの補機類の動作を制御する。

また、燃料電池１０には、燃料電池１０から排出されたカソードガス（以下「カソードオフガス」という）を排気する排気系３６が接続される。排気系３６は排気流路３８を備え、その排気流路３８には、図示しないマフラーなどが接続される。排気流路３８の一端は燃料電池１０のカソードガス排出口（図１で図示せず）に接続される一方、他端は大気に開放される。従って、排気流路３８は、燃料電池１０から排出されたカソードオフガスを大気中に排出する。

また、燃料電池１０には、燃料電池１０から排出されたアノードガス（未反応ガス。以下「アノードオフガス」という）などを燃料電池１０や改質装置２２に還流させる還流系４０が接続される。還流系４０は、燃料電池１０のアノードガス排出口（図示せず）を前記したアノードガス流路２４に接続する第１のアノードオフガス流路４２と、第１のアノードオフガス流路４２の途中に接続され、第１のアノードオフガス流路４２を後述する改質装置２２の改質器（正確には、改質器の改質ガス流入口（図１で図示せず））に接続する第２のアノードオフガス流路４４とを備える。

さらに、還流系４０は、図１に示すように、アノードガス流路２４の途中に接続され、アノードガス流路２４を第２のアノードオフガス流路４４に接続するアノードガス還流路４６を備える。また、第２のアノードオフガス流路４４において、アノード還流路４６の接続部と改質装置２２との間には、第２のアノードオフガス流路４４を開閉する第１の電磁弁（開閉弁）４７が配置される。

尚、燃料電池１０には、上記した各構成要素の他に、燃料電池１０を冷却する冷却系やカソードガスを加湿する加湿器なども接続されるが、それらは本願の要旨と直接の関係を有しないので、いずれも図示および説明を省略する。

次いで、燃料電池１０の動作について概説する。

カソードガスポンプ１６で吸引されたカソードガス（大気）は、エアクリーナ１４で粉塵が除去される。粉塵が除去されたカソードガスは、燃料電池１０のカソード極にカソードガス流路１８を介して供給される。

このようにして燃料電池１０のカソード極に供給されたカソードガスは、改質装置２２によって生成されてアノードガス流路２４を介してアノード極に供給されたアノードガスと電気化学反応を生じる。カソード極およびアノード極で生じる電極反応は、具体的には下記の通りである。
アノード極：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード極：１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
従って、全体の反応は下記となる。
全体：Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ

上記の反応によって燃料電池１０が発生した電力（直流電流）は、出力端子２８から取り出され、その一部がＥＣＵ３２やカソードガスポンプ１６などの補機類の電源として使用されると共に、残部がインバータ３４によって所定の周波数の交流電流に変換された後、電気負荷（交流電源機器）４８に供給される。

燃料電池１０から排出されたカソードオフガスは、排気流路３８を介して大気中に排出される。また、燃料電池１０で使用されずに排出されたアノードオフガスは、第１のアノードオフガス流路４２を介してアノードガス流路２４に還流され、再度燃料電池１０に供給される。アノードオフガスはさらに、第１および第２のアノードオフガス流路４２，４４、第１の電磁弁４７を介して改質装置２２の改質器（後述）に供給される。尚、改質装置２２において生成されたアノードガスの一部も、アノードガス流路２４、アノードガス還流路４６、第２のアノードオフガス流路４４および第１の電磁弁４７を介して改質装置２２の改質器に供給される。

次いで、燃料電池１０の改質装置２２について詳説する。

改質装置２２は、都市ガスの付臭剤（具体的には、メルカプタンなどの有機硫黄化合物）を除去する脱硫器５０と、脱硫器５０を通過した都市ガス（以下「改質用燃料」という）が流入させられる改質器５２と、脱硫器５０を改質器５２に接続する改質用燃料流路５４とを備える。改質用燃料流路５４は途中で、図１に示す如く、第１から第３の改質用燃料流路５４ａ，５４ｂ，５４ｃに分岐される。

第１の改質用燃料流路５４ａは改質器５２の加熱用燃料流入口に、第２の改質用燃料流路５４ｂは改質器５２の改質用燃料流入口に、第３の改質用燃料流路５４ｃは改質器５２の改質用燃料管（いずれも図１で図示せず。後述）にそれぞれ接続される。また、第１の改質用燃料流路５４ａと第２の改質用燃料流路５４ｂの分岐部分には、第２の電磁弁（３方弁）５５が配置されると共に、第３の改質用燃料流路５４ｃの途中には、第３の改質用燃料流路５４ｃを開閉する第３の電磁弁（開閉弁）５６が配置される。尚、上記した第１から第３の電磁弁４７，５５，５６は、ＥＣＵ３２によってその動作が制御されると共に、燃料電池１０の始動時には全て閉弁されているものとする。

改質装置２２はさらに、改質に使用される水（以下「改質用水」という）を改質器５２に圧送する送水ポンプ５７と、送水ポンプ５７を改質器５２の改質用水管（図１で図示せず）に接続する改質用水流路５８と、大気（空気）の粉塵を除去するエアクリーナ６０と、エアクリーナ６０を通過した空気を加熱用燃料（後述）を燃焼させるための空気（以下「燃焼空気」という）として改質器５２に圧送する燃焼空気ポンプ６２と、燃焼空気ポンプ６２を改質器５２の燃焼空気流入口（図１で図示せず）に接続する燃焼空気流路６４と、改質器５２の燃焼排ガス管（図１で図示せず）に接続され、燃焼によって発生した燃焼排ガスを大気中に排出する燃焼排ガス流路６６とを備える。

図２は、改質装置２２の改質器５２の断面を模式的に示す模式断面図である。

改質器５２は略円筒状を呈するケース部７０を備え、ケース部７０には、図２示す如く、改質用燃料と改質用水を改質触媒によって反応させる改質部７２と、改質触媒を加熱するための加熱部７４が収容される。

改質部７２は、前記した第３の改質用燃料流路５４ｃに接続される改質用燃料管７６と、改質用水流路５８に接続される改質用水管７８と、改質触媒８０が充填される改質管８２と、改質管８２に接続される改質ガス管８４と、改質ガス管８４の途中に配置されると共に、一酸化炭素（ＣＯ）を除去するＣＯ除去部８６とを備える。

また、加熱部７４は、ケース部７０の上端７０ａの近傍に配置される燃焼器９０と、燃焼器９０に接続される燃焼室９２と、燃焼室９２に接続され、燃焼室９２での燃焼によって発生した燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス管９４とを備える。

図２に示すように、燃焼器９０の下方の位置に燃焼室９２が配置される。燃焼室９２は、その上部９２ａがケース部７０の上端７０ａから突出する一方、下部９２ｂがケース部７０の下端７０ｂ付近となるようにして配置される。燃焼室９２は、下部９２ｂにおいて燃焼排ガス管９４と連通されると共に、燃焼排ガス管９４は、燃焼室９２の外壁９２ｃに沿うようにして上方に延設された後、ケース部７０の上端７０ａ付近で屈曲し、その後前記した燃焼排ガス流路６６に接続される。

改質部７２の改質用水管７８は、燃焼室９２と燃焼排ガス管９４などを取り囲むようにして配置されたリング状のＣＯ除去部８６の外周８６ａを、複数回（４回）周回するようにして配置され、その後燃焼排ガス管９４の内部９４ａに配置される。燃焼排ガス管９４の内部９４ａに配置された改質用水管７８は、燃焼室９２の外壁９２ｃに接触させられつつ、その周りを複数回（４回）周回するようにして配置される。

改質用水管７８には、改質用燃料管７６が接続部９８を介して接続される。以下、改質用水管７８の改質用水の流れにおいて接続部９８より下流側の改質用水管７８を「改質用燃料・水管」と呼び、符号１００で示す。改質用燃料・水管１００はさらに、燃焼室９２の外壁９２ｃを複数回（４回）周回するように配置された後、改質管８２に接続される。

改質管８２は、その内部に改質触媒８０が充填されると共に、外壁８２ａが燃焼室９２の外壁９２ａに沿って配置された燃焼排ガス管９４に接触させられつつ、下方に向けて延設される。また改質管８２は、下端８２ｂにおいて改質ガス管８４と連通される。

改質ガス管８４は、改質管８２の外壁８２ａに沿うようにして上方に延設された後、ケース部７０の上端７０ａ付近で屈曲し、その後前記したアノードガス流路２４に接続される。また、改質ガス管８４の途中には、改質管８２で生成された改質ガスに残存するＣＯを除去するＣＯ除去部８６が配置される。尚、改質器５２のケース部７０の内部において、上記した燃焼室９２や改質管８２などの各構成要素以外の空間には、断熱材１０２が配置（充填）される。即ち、燃焼室９２や改質管８２などは、断熱材１０２によって被覆される。

次いで、加熱部７４の燃焼器９０について説明する。

図３は、加熱部７４の燃焼器９０付近の断面を模式的に示す模式断面図である。

加熱部７４の燃焼器９０は、燃焼室９２の上部９２ａ近傍に取り付けられると共に、加熱用燃料（後述）を燃焼室９２で燃焼させる燃焼バーナ１０４と、燃焼によって発生した燃焼排ガスの流れにおいて燃焼バーナ１０４の下流側に配置されて燃焼排ガス中の未燃成分を除去する三元触媒（酸化還元触媒）１０６と、三元触媒１０６の下流側に配置されて加熱用燃料を燃焼室９２に供給する加熱用燃料供給ノズル（加熱用燃料供給部）１１０と、加熱用燃料供給ノズル１１０の下流側に配置されて加熱用燃料供給ノズル１１０から供給された加熱用燃料を反応によって燃焼させる燃焼触媒１１２と、燃焼触媒１１２の付近に配置されて燃焼触媒１１２の温度に応じた信号をＥＣＵ３２へ出力する燃焼触媒温度センサ１１４とを備える。

燃焼バーナ１０４は、加熱用燃料が流入させられる加熱用燃料流入口（流入口）１１６と、加熱用燃料を燃焼させるための空気が流入させられる燃焼空気流入口（流入口）１１８と、加熱用燃料流入口１１６から流入させられた加熱用燃料と燃焼空気流入口１１８から流入させられた燃焼空気とを集合させる始動燃焼用ノズル（集合部）１２０と、始動燃焼用ノズル１２０の内部に配置されるスパイラルフィン１２２と、始動燃焼用ノズル１２０の流出口１２４付近に配置される点火電極（点火部）１２６とを備える。

加熱用燃料流入口１１６には、前記した第１の改質用燃料流路５４ａが接続されると共に、燃焼空気流入口１１８には、燃焼空気流路６４が接続される。

スパイラルフィン１２２は、加熱用燃料流入口１１６から流入させられた加熱用燃料と燃焼空気流入口１１８から流入させられた燃焼空気とを混合させるような形状、具体的には、螺旋形状を呈する。スパイラルフィン１２２は、その端部１２２ａが流出口１２４付近となるようにして配置される。従って、スパイラルフィン１２２によって混合された加熱用燃料と燃焼空気は流出口１２４を介して燃焼室９２に流出される。

三元触媒１０６は、円筒ハニカム形状を呈し、燃焼室９２の内部に配置される。尚、三元触媒１０６は、例えば白金（Ｐｔ）−ロジウム（Ｒｈ）系のものを使用する。

加熱用燃料供給ノズル１１０は、略リング状を呈し、紙面において三元触媒１０６より下方の位置において、燃焼室９２の上部９２ａを取り囲むようにして配置される。加熱用燃料供給ノズル１１０の内周側であって、燃焼室９２を臨む位置には、図示しない噴出口が形成されると共に、外周側には、上記した第２の改質用燃料流路５４ｂに接続されて改質用燃料が加熱用燃料として流入させられる改質用燃料流入口１３０と、第２のアノードオフガス流路４４が接続され、アノードガスとアノードオフガス（即ち、改質ガス）が加熱用燃料として流入させられる改質ガス流入口１３２とが形成される。これら噴出口、改質用燃料流入口１３０および改質ガス流入口１３２は、それぞれ連通するように形成される。

燃焼触媒１１２は、円筒状を呈し、燃焼室９２の内部、具体的には、燃焼室９２のケース７０に埋設された部位の内部であって、図３において加熱用燃料供給ノズル１１０より下方の位置に配置される。尚、燃焼触媒１１２は、例えば白金（Ｐｔ）系のものを使用する。

また、燃焼室９２のケース７０に埋設された部位の上端付近、別言すれば、加熱用燃料供給ノズル１１０と燃焼触媒１１２の間には、拡散リング１３６が配置される。拡散リング１３６は円管１３６ａからなり、その円管１３６ａには複数個の孔１３６ｂが穿設される。これにより、加熱用燃料供給ノズル１１０から噴出された加熱用燃料は、孔１３６ｂを介して燃焼室９２の内部に拡散するようにして供給される。

次いで、上記の如く構成された改質装置２２の動作を、図１から図４を参照して説明する。

図４は、ＥＣＵ３２によって制御される改質装置２２の動作の内、燃焼バーナなどに供給される加熱用燃料に関する処理を表すフローチャートである。図示のプログラムは、ＥＣＵ３２において所定の周期（この実施例では１００［ｍｓｅｃ］毎とする）で実行される。

以下説明すると、Ｓ１０において燃焼触媒温度センサ１１４から出力される燃焼触媒１１２の温度Ｔを読み込む。次いで、Ｓ１２に進み、Ｓ１０で読み込んだ燃焼触媒１１２の温度Ｔが所定温度（具体的には、４００［℃］）以上か否かを判断する。改質装置２２の始動時における温度Ｔは、通常、所定温度未満であるため、ここでの判断は否定される。Ｓ１２で否定されるときはＳ１４に進み、改質用燃料が第１の改質用燃料流路５４ａを介して燃焼バーナ１０４に、加熱用燃料として供給されるように第２の電磁弁５５を開弁する。

具体的な改質用燃料の流れなどを図１から３を参照して説明すると、第２の電磁弁５５が開弁することで都市ガス供給源（図示せず）から供給される都市ガスは脱硫器５０に流入させられ、そこで付臭剤などの有機硫黄化合物が除去される。これにより、都市ガスの流れにおいて下流側に配置される改質触媒８０などが、硫黄によって被毒するのを防ぐことができる。次いで、付臭剤などの有機硫黄化合物が除去された都市ガス（即ち、改質用燃料）は、第２の電磁弁５５、第１の改質用燃料流路５４ａを介して改質器５２の燃焼バーナ１０４の加熱用燃料流入口１１６に、加熱用燃料として流入させられる。

また、燃焼空気ポンプ６２が作動させられ、それによって吸引された燃焼空気（大気）は、エアクリーナ６０で粉塵が除去される。粉塵が除去された燃焼空気は、燃焼空気流路６４を介して燃焼バーナ１０４の燃焼空気流入口１１８に供給される。

加熱用燃料流入口１１６に供給された改質用燃料と燃焼空気流入口１１８を介して供給された燃焼空気は、スパイラルフィン１２２を通過し、そのときに生じる旋回流によって予混合される。改質用燃料と燃焼空気の混合気は、始動燃焼用ノズル１２０の流出口１２４から燃焼室９２に向けて流出（吐出）される。

燃焼室９２に流出された混合気は、点火電極１２６によって着火されて燃焼し、その燃焼によって発生した燃焼排ガスは、図３に矢印で示すように、紙面下方に向けて流れる。燃焼バーナ１０４の下方には、前記した三元触媒１０６が配置されているため、燃焼排ガス中の未燃成分、即ち、一酸化炭素や窒素酸化物などの有害物質が除去される。

有害物質が除去された燃焼排ガスは、拡散リング１３６を通過した後、燃焼室９２の内部に配置された燃焼触媒１１２を昇温させると共に、図２に矢印で示すように、燃焼室９２の内部を通過して燃焼排ガス管９４に流入させられる。燃焼排ガス管９４に流入させられた燃焼排ガスは、燃焼排ガス管９４の内部９４ａや壁面を昇温させつつ図２において上方へ流れる。このとき、改質管８２は、前記したように、その外壁８２ａが燃焼排ガス管９４に接触するようにして配置されるため、燃焼排ガス管９４の熱が伝達されて加熱され、よって改質管８２の内部に充填された改質触媒８０も加熱されて昇温される。尚、燃焼排ガス管９４の燃焼排ガスはその後、燃焼排ガス管９４に接続された燃焼排ガス流路６６へ流入させられて大気中に排出される。

このように、燃焼バーナ１０４の燃焼排ガスによって燃焼触媒１１２は加熱され、その温度Ｔが所定温度以上になると、図４のＳ１２において肯定され、Ｓ１６に進む。Ｓ１６においては、改質用燃料が第２の改質用燃料流路５４ｂを介して加熱用燃料供給ノズル１１０に、加熱用燃料として供給されるように第２の電磁弁５５を一旦開弁させた後、徐々に閉弁する。即ち、加熱用燃料ノズルには、加熱用燃料として改質用燃料が供給され、次いで改質用燃料の供給量は徐々に減少させられる。尚、第１の改質用燃料流路５４ａから燃焼バーナ１０４への改質用燃料の供給は、このとき停止される。

具体的な改質用燃料の流れについて説明すると、加熱用燃料供給ノズル１１０の改質用燃料流入口１３０に供給された改質用燃料は、図示しない噴出口から燃焼室９２へ噴出される。噴出された改質用燃料は、図３に示す如く、拡散リング１３６によって燃焼室９２の内部に拡散するように供給された後、燃焼触媒１１２で接触酸化して燃焼させられる。その燃焼によって発生した燃焼排ガスは、燃焼バーナ１０４の燃焼排ガス同様、燃焼排ガス管９４に流入されせらた後、燃焼排ガス流路６６へ流入させられて大気中に排出される。

このように、燃焼触媒１１２の温度Ｔが所定温度に達すると、加熱用燃料の燃焼バーナ１０４への供給が停止されてその燃焼動作が停止する一方、加熱用燃料が燃焼触媒１１２に供給されてその燃焼動作が開始される。

改質装置２２は、前記した燃焼触媒１１２における燃焼動作が開始されると、改質動作も開始される。具体的には、送水ポンプ５７が作動させられ、それによって吸引された水供給源（図示せず）の改質用水が、図示しないイオンフィルタなどを通過した後、改質用水流路５８を介して改質用水管７８に流入させられる。

改質用水管７８は、改質装置２２が改質動作中に比較的高温となるＣＯ除去部８６の外周８６ａを周回するように配置されると共に、前述した燃焼排ガスによって昇温された燃焼排ガス管９４の内部９４ａに配置されているため、それらによって加熱されることとなる。これにより、改質用水管７８に流入させられた改質用水は蒸発して水蒸気となる。

また、第３の電磁弁５６が開弁され、改質用燃料が第３の改質用燃料流路５４ｃを介して改質用燃料管７６に供給される。改質用燃料管７６の改質用燃料は、改質用水管７８の水蒸気と接続部９８において合流して混合される。

混合された改質用燃料と水蒸気は、改質用燃料・水管１００を通過した後、改質管８２に流入させられる。改質管８２の改質触媒８０は、燃焼排ガス管９４よって加熱されて改質可能な温度まで昇温されているため、水蒸気改質反応が起こる、即ち、混合された改質用燃料と水蒸気から水素を含有する改質ガスが生成される。

この水蒸気改質反応は、具体的には下記の通りである。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２
このとき生成される一酸化炭素の一部は、さらに水蒸気と反応して水素と二酸化炭素が生成される（即ち、シフト反応が起こる）。具体的には下記の通りである。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２

改質ガスは、改質管８２に接続された改質ガス管８４に流入させられた後、その途中に配置されたＣＯ除去部８６に流入させられる。ここで、改質ガスは、改質ガスに残存するＣＯが除去された後、改質ガス管８４に接続されたアノードガス流路２４に流入させられる。このように、改質器５２によって改質動作が行われて改質ガス（アノードガス）が生成される。

図４の説明に戻ると、次いでＳ１８に進み、改質ガス（より具体的には、第２のアノードオフガス流路４４を介して流入させられるアノードガスあるいはアノードオフガス）が、加熱用燃料供給ノズル１１０の改質ガス流入口１３２に、加熱用燃料として供給されるように第１の電磁弁４７を徐々に開弁する。

即ち、Ｓ１６およびＳ１８に示す如く、改質用燃料流入口１３０に改質用燃料が流入させられて燃焼触媒１１２による燃焼動作が開始され、次いで改質用燃料の供給量が徐々に減少させられつつ、改質ガス流入口１３２に流入させられる改質ガス（アノードガスおよびアノードオフガス）は、所定量に達するまで徐々に増加させられる。従って、加熱用燃料供給ノズル１１０から燃焼室９２に供給される、即ち、加熱用燃料供給ノズル１１０の噴出口から噴出される加熱用燃料は、改質用燃料から改質ガスに徐々に切り替えられ、最終的には改質ガスのみからなる。

尚、加熱用燃料が改質用燃料から改質ガスに切り替えられた場合であっても、燃焼触媒１１２による燃焼、燃焼排ガスの流れなどは前述と同じであるため、その説明を省略する。

このように、この発明に係る燃料電池の改質装置２２にあっては、改質触媒８０を加熱する加熱部７４を備えると共に、加熱部７４は、第１の加熱用燃料（加熱用燃料流入口１１６から流入させられる加熱用燃料。具体的には、改質用燃料）を燃焼室９２で燃焼させる燃焼バーナ１０４と、燃焼によって発生した燃焼排ガスの流れにおいて燃焼バーナ１０４の下流側に配置されて燃焼排ガス中の未燃成分を除去する三元触媒１０６とを備えるように構成したので、第１の加熱用燃料を燃焼バーナ１０４で燃焼させることで低温時にある改質触媒８０（例えば、改質装置２２が始動時にあるときの改質触媒８０）を急速に昇温させることができると共に、その燃焼によって発生した燃焼排ガス中の未燃成分（具体的には、窒素酸化物などの有害物質）は、三元触媒１０６によって除去（低減）することができる。

また、加熱部７４はさらに、三元触媒１０６の下流側に配置されて第２の加熱用燃料（改質用燃料流入口１３０または改質ガス流入口１３２から流入させられる加熱用燃料）を燃焼室９２に供給する加熱用燃料供給ノズル１１０と、加熱用燃料供給ノズル１１０の下流側に配置されて加熱用燃料供給ノズル１１０の噴出口から供給された第２の加熱用燃料を反応によって燃焼させる燃焼触媒１１２とを備える、即ち、窒素酸化物などの有害物質の発生が比較的少ない燃焼触媒１１２による燃焼によって改質触媒８０を加熱するように構成したので、燃焼に伴って発生する有害物質の量を低減させることができる。

さらに、加熱用燃料供給ノズル１１０から供給された第２の加熱用燃料は燃焼触媒１１２による接触酸化によって燃焼される、即ち、第２の加熱用燃料はその燃焼域内（第２の加熱用燃料が、例えばメタンのとき５〜１０vol％）であれば燃焼可能となるように構成したので、第１の加熱用燃料を燃焼バーナ１０４で燃焼させるときに比して空燃比を広くとることができ、よって空燃比の精密な制御を不要にすることができる。

また、燃焼室９２への第１、第２の加熱用燃料の供給を制御するＥＣＵ３２を備えると共に、ＥＣＵ３２は、燃焼触媒温度センサ１１４により検出された燃焼触媒１１２の温度が所定温度（具体的には、４００［℃］）未満のときは第１の加熱用燃料を燃焼バーナ１０４に供給する一方、検出された燃焼触媒１１２の温度が所定温度以上のときは第２の加熱用燃料として改質用燃料を加熱用燃料供給ノズル１１０に供給し、次いで改質用燃料の供給量を減少させつつ改質ガス（具体的には、改質装置２２で生成されて排出されるアノードガス、および改質装置２２から排出されて燃料電池１０に供給されるアノードガスの内、燃料電池１０で使用されなかったアノードオフガス）を供給するように構成したので、上記した効果に加え、加熱用燃料を改質装置２２の運転状況に応じた最適なものにすることができ、よって改質触媒８０を効率よく加熱することができる。

また、燃焼バーナ１０４が、第１の加熱用燃料と第１の加熱用燃料を燃焼させるための空気を流入口、具体的には、加熱用燃料流入口１１６と燃焼空気流入口１１８を介して流入させて集合させる始動燃焼用ノズル１２０と、始動燃焼用ノズル１２０に配置されて第１の加熱用燃料と空気を混合させるスパイラルフィン１２２と、始動燃焼用ノズル１２０の流出口１２４付近に配置される点火電極１２６とを備えるように構成したので、第１の加熱用燃料とそれを燃焼させるための空気とを始動燃焼用ノズル１２０のスパイラルフィン１２２によって十分に混合させることができると共に、その混合気を点火電極１２６によって着火させることで、低温時にある改質触媒８０を燃焼バーナ１０４によってより急速に昇温させることができる。

以上のように、この発明の実施例にあっては、改質用燃料と水蒸気を改質触媒（８０）で反応させ、燃料電池（１０）の燃料極（アノード極）に供給されるべき水素を含有した改質ガスを生成する燃料電池の改質装置（２２）において、前記改質触媒を加熱する加熱部（７４）を備えると共に、前記加熱部は、第１の加熱用燃料を燃焼室（９２）で燃焼させる燃焼バーナ（１０４）と、前記燃焼によって発生した燃焼排ガスの流れにおいて前記燃焼バーナの下流側に配置されて前記燃焼排ガス中の未燃成分を除去する酸化還元触媒（三元触媒１０６）と、前記酸化還元触媒の下流側に配置されて第２の加熱用燃料を前記燃焼室に供給する加熱用燃料供給部（加熱用燃料供給ノズル１１０）と、前記加熱用燃料供給部の下流側に配置されて前記加熱用燃料供給部から供給された前記第２の加熱用燃料を反応によって燃焼させる燃焼触媒（１１２）と、前記燃焼触媒の温度を検出する燃焼触媒温度検出部（燃焼触媒温度センサ１１４）とからなり、前記燃焼室への前記第１、第２の加熱用燃料の供給を制御する制御ユニット（ＥＣＵ３２）を備えると共に、前記制御ユニットは、前記検出された温度が所定温度未満のときは前記第１の加熱用燃料を前記燃焼バーナに供給する（図４フローチャートのＳ１４）一方、前記検出された温度が所定温度以上のときは前記第２の加熱用燃料として前記改質用燃料を前記加熱用燃料供給部に供給し、次いで前記改質用燃料の供給量を減少させつつ（図４フローチャートのＳ１６）前記改質ガスを供給する（図４フローチャートのＳ１８）ように構成した。

また、前記燃焼バーナ（１０４）は、前記第１の加熱用燃料と前記第１の加熱用燃料を燃焼させるための空気を流入口（加熱用燃料流入口１１６、燃焼空気流入口１１８）を介して流入させて集合させる集合部（始動燃焼用ノズル１２０）と、前記集合部に配置されて前記第１の加熱用燃料と前記空気を混合させるスパイラルフィン（１２２）と、前記集合部の流出口（１２４）付近に配置される点火部（点火電極１２６）とを備えるように構成した。

尚、上記において、燃料電池１０を固体高分子型としたが、それに限られるものではなく、他の形式であってもよい。

また、改質用燃料として都市ガスを使用するよう構成したが、ＬＰガス、灯油、メタノール、ナフサ、バイオマス、ガソリンなどであってもよい。

この発明の実施例に係る燃料電池の改質装置を説明するための概略図である。図１に示す改質装置の改質器の断面を模式的に示す模式断面図である。図２に示す加熱部の燃焼器付近の断面を模式的に示す模式断面図である。図１に示すＥＣＵによって制御される改質装置の動作の内、燃焼バーナなどに供給される加熱用燃料に関する処理を表すフローチャートである。

符号の説明

１０燃料電池、２２改質装置、３２ＥＣＵ（制御ユニット）、７４加熱部、８０改質触媒、９２燃焼室、１０４燃焼バーナ、１０６三元触媒（酸化還元触媒）、１１０加熱用燃料供給ノズル（加熱用燃料供給部）、１１２燃焼触媒、１１６加熱用燃料流入口（流入口）、１１８燃焼空気流入口（流入口）、１２０始動燃焼用ノズル（集合部）、１２２スパイラルフィン、１２４流出口、１２６点火電極（点火部）

Claims

改質用燃料と水蒸気を改質触媒で反応させ、燃料電池の燃料極に供給されるべき水素を含有した改質ガスを生成する燃料電池の改質装置において、前記改質触媒を加熱する加熱部を備えると共に、前記加熱部は、第１の加熱用燃料を燃焼室で燃焼させる燃焼バーナと、前記燃焼によって発生した燃焼排ガスの流れにおいて前記燃焼バーナの下流側に配置されて前記燃焼排ガス中の未燃成分を除去する酸化還元触媒と、前記酸化還元触媒の下流側に配置されて第２の加熱用燃料を前記燃焼室に供給する加熱用燃料供給部と、前記加熱用燃料供給部の下流側に配置されて前記加熱用燃料供給部から供給された前記第２の加熱用燃料を反応によって燃焼させる燃焼触媒と、前記燃焼触媒の温度を検出する燃焼触媒温度検出部とからなり、前記燃焼室への前記第１、第２の加熱用燃料の供給を制御する制御ユニットを備えると共に、前記制御ユニットは、前記検出された温度が所定温度未満のときは前記第１の加熱用燃料を前記燃焼バーナに供給する一方、前記検出された温度が所定温度以上のときは前記第２の加熱用燃料として前記改質用燃料を前記加熱用燃料供給部に供給し、次いで前記改質用燃料の供給量を減少させつつ前記改質ガスを供給することを特徴とする燃料電池の改質装置。
前記燃焼バーナは、前記第１の加熱用燃料と前記第１の加熱用燃料を燃焼させるための空気を流入口を介して流入させて集合させる集合部と、前記集合部に配置されて前記第１の加熱用燃料と前記空気を混合させるスパイラルフィンと、前記集合部の流出口付近に配置される点火部とを備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の改質装置。