JP5166829B2 - 改質器及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は改質器、燃料電池システム及び改質器の起動方法に関し、特に改質用水流路の温度が高すぎる場合に適切な処理をして適正流量の改質用水を改質部に供給することを可能にする改質器、燃料電池システム及び改質器の起動方法に関する。

水素と酸素とを使用して、これらの電気化学的反応により発電する燃料電池は、環境に優しい発電装置として注目されている。燃料電池は発電に水素を必要とするが、水素自体を供給するインフラが普及していないことから入手が比較的困難であるため、都市ガスや灯油等の原料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器を燃料電池に併設した燃料電池システムを構築することが多い。改質器は、改質ガスを生成する改質反応を促進させる触媒を有しているのが一般的である。水蒸気改質が行なわれる改質部における改質反応は吸熱反応であるため、改質器はバーナーを有し、バーナーにおける燃焼で発生した熱を改質熱として利用することが多い。

燃料電池システム停止後に改質器をそのまま放置すると、運転中の温度から低下して改質器内に残存する水蒸気が凝縮したり、改質器の内部圧力が減少することとなる。凝縮した水蒸気が再蒸発し、又は減圧した改質器内に外気が混入した場合は改質器内の触媒が劣化するため、燃料電池システム停止後に改質器内に改質ガス又は原料ガスを封入して改質器の内部圧力を保ち、水蒸気の凝縮や改質器内への外気の侵入を防ぐ技術がある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−２８８９３０号公報

燃料電池システムを再起動する際には改質器に封入されていた改質ガス又は原料ガスが改質器内から排出されることになるが、安全上の観点からそのまま外部に排出せずにバーナーに導いて燃焼処理をすることが好ましい。ところが、燃料電池システム停止後に再起動するまでの時間が短いと、上記の燃焼処理によって改質器の温度が適正な温度を超えて上昇することがあり、これに伴い水蒸気改質のための改質用水を改質部に導く改質用水流路の温度も適正範囲を超えて上昇することがある。改質用水流路の温度が高すぎると、内部を流れる改質用水が液体から蒸気になった後も膨張を続けて流動抵抗が大きくなり、適正流量の改質用水（水蒸気）を改質部に供給することができない場合がある。

本発明は上述の課題に鑑み、改質用水流路の温度が高すぎる場合に適切な処理をして適正流量の改質用水を改質部に供給することを可能にする改質器、燃料電池システム、及び改質器の起動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る改質器は、例えば図１に示すように、炭化水素系原料ｒと改質用水ｓとを導入し、水素を主成分とする改質ガスｇを生成する改質ガス生成部２０と；改質ガス生成部２０に改質用水ｓを供給する改質用水流路２５と；改質用水流路２５を流れる改質用水ｓを改質ガス生成部２０に導入させずに外部へと導く排出流路５３であって、改質用水ｓの流通を遮断可能な遮断弁４３が配設された排出流路５３とを備える。

このように構成すると、改質用水流路を流れる改質用水を改質ガス生成部に導入させずに外部へと導く排出流路を備えるので、改質用水流路の温度が高すぎて内部を流れる改質用水の流動抵抗が増大し適正流量の改質用水を改質ガス生成部に供給することができない場合に、改質用水を改質用水流路に流して適正流量の改質用水を改質ガス生成部に供給可能な程度に改質用水流路を冷却することが可能になり、改質用水流路の冷却に用いた、適正流量となっていない改質用水を外部へと排出することができる。

また、本発明の第２の態様に係る改質器は、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様に係る改質器１０において、改質用水流路２５が、内部を流れる改質用水ｓが改質ガス生成部２０から受熱する位置を通過するように配設され；排出流路５３が、前記受熱する位置を通過した改質用水ｓを受け入れるように配設されている。

このように構成すると、内部を流れる改質用水が改質ガス生成部から受熱する位置を通過するように改質用水流路が配設されているので、定常運転時に液体の改質用水を蒸気にするための熱を改質ガス生成部から受けることができ、また、受熱する位置を通過した改質用水を受け入れるように排出流路が配設されているので、改質用水流路が高温になる要因の改質ガス生成部から熱を奪った改質用水を排出流路に導くことができる。

また、本発明の第３の態様に係る改質器は、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様又は第２の態様に係る改質器１０において、改質ガス生成部２０から受熱した改質用水ｓの温度と相関関係を有する温度を検出する温度検出器４２Ｂ（４２Ｃ）と；改質ガス生成部２０から受熱した改質用水ｓの温度が第１の所定の温度以上のときに遮断弁４３を開にして改質用水ｓを改質ガス生成部２０に導入させずに外部へと導く第１の制御装置４０とを備える。「第１の所定の温度」は、典型的には、適正流量の改質用水を改質ガス生成部に供給することができないほど高い改質用水の温度である。

このように構成すると、改質ガス生成部から受熱した改質用水の温度が第１の所定の温度以上のときに遮断弁を開にして改質用水を改質ガス生成部に導入させずに外部へと導くので、適正流量とならない改質用水が改質ガス生成部に供給されることを回避することができる。

また、本発明の第４の態様に係る改質器は、例えば図１に示すように、上記本発明の第３の態様に係る改質器１０において、第１の制御装置４０が、遮断弁４３を開にした後、改質ガス生成部２０から受熱した改質用水ｓの温度が第２の所定の温度以下となったときに遮断弁４３を閉にして改質用水ｓを改質ガス生成部２０に導くように構成されている。「第２の所定の温度」は、典型的には、適正流量の改質用水を改質ガス生成部に供給することができる程度に低い改質用水の温度である。

このように構成すると、適正流量となった改質用水を改質ガス生成部に供給することができる。

また、本発明の第５の態様に係る改質器は、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様乃至第４の態様のいずれか１つの態様に係る改質器１０において、改質用水流路２５内に改質用水ｓを流す改質用水ポンプ３４と；改質用水ポンプ３４の吐出圧力を所定の圧力に制御する第２の制御装置４０とを備える。「所定の圧力」は、典型的には、改質用水ポンプの許容吐出圧力以下の圧力である。本発明の第５の態様に係る改質器は、典型的には、改質用水ポンプ３４の吐出圧力を検出する圧力検出手段４５を備え、圧力検出手段４５で検出された圧力が信号として第２の制御装置に送信される。なお、「所定の圧力に制御する」手段として、例えば、改質用水ポンプ３４の回転速度の調節、あるいは圧力が高すぎる場合に遮断弁４３を開にして改質用水流路２５の流動抵抗を低減する等が挙げられる。

このように構成すると、改質用水ポンプの吐出圧力を所定の圧力に制御するので、改質用水流路の温度が高すぎる場合に増大した流動抵抗に抗するように改質用水ポンプの吐出圧力を上昇させることを防ぐことができ、改質用水ポンプを保護することができる。

また、本発明の第６の態様に係る燃料電池システムは、例えば図２に示すように、上記本発明の第１の態様乃至第５の態様のいずれか１つの態様に係る改質器１０と；改質ガスｇと酸素を含有する酸化剤ガスｔとを導入して発電する燃料電池６０とを備える。

このように構成すると、改質器が、改質用水流路の温度が高すぎる場合に適切な処理をして適正流量の改質用水を改質ガス生成部に供給することが可能なので、安定した起動が可能な燃料電池システムとなる。

上記目的を達成するために、本発明の第７の態様に係る改質器の起動方法は、例えば図１及び図３に示すように、炭化水素系原料ｒと改質用水ｓとを導入して水素を主成分とする改質ガスｇを生成する改質ガス生成部２０と、改質ガス生成部２０に改質用水ｓを供給する改質用水流路２５とを有する改質器１０を起動する方法であって；改質用水流路２５に改質用水ｓを流す工程（Ｓ７）と；改質用水流路２５を流れた改質用水ｓを、改質ガス生成部２０に導入せずに改質器１０外に排出する改質用水排出工程（Ｓ７、Ｓ８）と；改質用水流路２５を流れた改質用水ｓを改質ガス生成部２０に導入する改質用水導入工程（Ｓ１１）と；炭化水素系原料ｒを改質ガス生成部２０に導入する原料導入工程（Ｓ１２）とを備える。

このように構成すると、改質用水流路を流れた改質用水を改質ガス生成部に導入せずに改質器外に排出する改質用水排出工程と、改質用水流路を流れた改質用水を改質ガス生成部に導入する改質用水導入工程とを備えるので、適正流量となっていない改質用水を外部へと排出し、適正流量となった改質用水を改質ガス生成部に供給することが可能となる。

また、本発明の第８の態様に係る改質器の起動方法は、例えば図１及び図３に示すように、上記本発明の第７の態様に係る改質器の起動方法において、改質ガス生成部２０から受熱した改質用水ｓの温度が第１の所定の温度以上のときに前記改質用水排出工程を開始し（Ｓ６、Ｓ７）；前記改質用水排出工程の後、改質ガス生成部２０から受熱した改質用水ｓの温度が第２の所定の温度以下となったときに前記改質用水導入工程に移行し（Ｓ８〜Ｓ１１）；前記改質用水導入工程に移行後に前記原料導入工程（Ｓ１２）を開始する。

このように構成すると、適正流量とならない改質用水が改質ガス生成部に供給されることを回避することができ、適正流量となった改質用水を改質ガス生成部に供給することができる。

本発明によれば、改質用水流路の温度が高すぎて内部を流れる改質用水の流動抵抗が増大し適正流量の改質用水を改質ガス生成部に供給することができない場合に、改質用水を改質用水流路に流して適正流量の改質用水を改質ガス生成部に供給可能な程度に改質用水流路を冷却することが可能になり、改質用水流路の冷却に用いた適正流量となっていない改質用水を外部へと排出することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

まず図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る改質器１０を説明する。図１は、改質器１０の縦断面図である。改質器１０は、炭化水素系原料としての原料ガスｒの水蒸気改質に用いる改質熱を発生させる燃焼部１１と、原料ガスｒを改質ガスｇに改質する改質ガス生成部２０と、燃焼部１１で生じた排ガスｅを外部に排出する排ガス流路１６と、原料ガスｒの水蒸気改質に用いる改質用水ｓを流す改質用水流路としての改質用水管２５と、改質用水管２５を流れてきた改質用水ｓ及び原料ガスｒを改質ガス生成部２０に導く原料ガス導入管２６と、改質用水管２５を流れてきた改質用水ｓを改質ガス生成部２０に供給せずに外部に排出する排出流路としての水排出管５３と、改質器１０の運転を制御する制御装置４０とを備えている。

改質ガス生成部２０は、原料ガスｒを水蒸気改質して準改質ガスｊを生成する改質部２１と、準改質ガスｊから一酸化炭素濃度を低減した改質ガスｇを生成する一酸化炭素低減部２２とを有している。さらに一酸化炭素低減部２２は、準改質ガスｊ中の一酸化炭素を変成して準改質ガスｊから一酸化炭素が低減した変成ガスｈとする変成部２３と、変成ガスｈ中の一酸化炭素を選択酸化して変成ガスｈからさらに一酸化炭素が低減した改質ガスｇを生成する選択酸化部２４とを有している。上記の炭化水素系原料（本実施の形態では原料ガスｒとして説明している）は、炭化水素あるいは炭化水素を主成分とする混合物の総称であり、典型的には、メタン、エタン等の鎖式炭化水素（天然ガスも含む）、あるいはメタノール、石油製品（灯油、ガソリン、ナフサ、ＬＰＧ等）等の炭化水素を主成分とする炭化水素系の燃料である。また、準改質ガスｊは、水素を主成分とするガスであり、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んでいる。準改質ガスｊの水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池６０（図２参照）に供給したときに酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。準改質ガスｊには、典型的には、一酸化炭素が１０体積％程度含まれている。

燃焼部１１は、燃焼用燃料としての燃焼燃料ｆを燃焼させるバーナー１２と、燃焼によって生じる炎を収容する燃焼室１３とを含んでいる。燃焼室１３は、筒状部材である内筒１４の内側に形成されている。本実施の形態では、バーナー１２が内筒１４の内部に収容され、バーナー１２の先端の空間が内筒１４に囲まれることによって燃焼室１３が形成されている。本実施の形態では、内筒１４は、その軸が鉛直方向に対して略平行になるように配設されている。内筒１４の長さは、後述する改質部２１の鉛直方向の長さ以上となっている。バーナー１２は、火炎が下向きに形成されるように内筒１４内に配設されている。内筒１４の下端は開口になっている。他方、内筒１４の上端１４ａは閉塞されている。バーナー１２の、火炎が形成されるのと反対側は、内筒１４の上端１４ａを貫通して空気燃料導入管２９に接続されている。空気燃料導入管２９は、燃焼燃料ｆを流す流路を形成している。空気燃料導入管２９にはチーズ２９Ｔが取り付けられている。

内筒１４は、自身より一回り大きい筒状部材である外筒１５によって覆われている。外筒１５の下端１５ｂは閉塞されている。外筒１５は、その軸が内筒１４の軸と略一致するように配設されている。これにより、内筒１４の外側と外筒１５の内側との間に、バーナー１２で燃焼燃料ｆを燃焼させた後の排ガスｅを流す排ガス流路１６が形成されている。バーナー１２に向けて燃焼燃料ｆを供給せずに燃焼空気ａを冷却流体として送気することにより、燃焼空気ａが排ガス流路１６を流れるようにすることもできる。すなわち、本実施の形態の排ガス流路１６は、冷却流体流路を兼ねている。内筒１４よりも一回り大きい外筒１５のサイズは、排ガス流路１６を流れる排ガスｅ及び燃焼空気ａの流量を勘案して適宜決定すればよい。排ガス流路１６は排ガス管５４に接続され、排ガスｅを系外に排出することができるように構成されている。

改質部２１は、外筒１５の両端及び上部を除く外周に、改質触媒が設けられることにより構成されている。改質触媒は、内筒１４や外筒１５と同軸の筒状部材である改質触媒保持筒１７によって保持されている。言い換えると、外筒１５と改質触媒保持筒１７との間に改質触媒が充填されている。改質触媒は、原料ガスｒの水蒸気改質反応を促進させる触媒であり、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。また、改質触媒の形状は、水蒸気改質反応を効率的に行うため、粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状とするとよい。水蒸気改質反応は吸熱反応である。それゆえ、燃焼部１１において燃焼燃料ｆを燃焼させて改質熱を発生させている。改質部２１とバーナー１２との位置関係は、改質部２１の鉛直方向の略中央にバーナー１２の火炎が位置するように構成されている。このような位置関係とすると、改質部２１全体を加熱することができる。

改質触媒保持筒１７の下端は開口になっている。この開口により改質部２１は変成部２３と連通している。他方、改質触媒保持筒１７の上端は閉塞しており、この上端の一部に原料ガスｒを改質部２１に導入する原料ガス導入管２６が接続されている。改質部２１の上部には、原料ガス導入管２６を介して導入した原料ガスｒが改質触媒保持筒１７の上部全体に行き渡るように改質触媒が充填されていない空間が形成されている。原料ガス導入管２６は、燃焼部１１と反対方向に（すなわち外側に）向かって延びている。原料ガス導入管２６には、原料ガスｒの流れを遮断する原料ガス遮断弁３６が配設されている。原料ガス遮断弁３６より下流の原料ガス導入管２６には、後に詳説する改質用水管２５及び水排出管５３が接続されている。

変成部２３は、外筒１５の上部を残して、改質部２１より上方の外筒１５の外周に変成触媒が設けられることにより構成されている。変成触媒は、改質触媒保持筒１７の上部をも覆っている。この変成触媒が改質触媒保持筒１７を覆っている部分は、改質触媒保持筒１７で区画されているため改質部２１とは連通していない。上述のように、変成部２３は改質触媒保持筒１７の下端の開口により改質部２１と連通している。変成触媒は、改質部２１における水蒸気改質反応によって生成された準改質ガスｊに含まれる一酸化炭素を水と反応させる変成反応を促進させる触媒であり、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。また、変成触媒の形状は、変成反応を効率的に行うため、粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状とするとよい。変成反応は、一酸化炭素を二酸化炭素にシフトする。変成反応は発熱反応である。

選択酸化部２４は、変成部２３より上方の外筒１５の外周に選択酸化触媒が設けられることにより構成されている。選択酸化部２４と変成部２３との境界は、パンチングメタル等で区画されていてもよいが、選択酸化部２４と変成部２３とは連通するように構成される。選択酸化触媒は、変成部２３における変成反応によって生成された変成ガスｈに含まれる一酸化炭素を酸素と反応させる選択酸化反応を促進させる触媒であり、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。また、選択酸化触媒の形状は、選択酸化反応を効率的に行うため、粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状とするとよい。選択酸化反応は発熱反応である。

変成触媒及び選択酸化触媒は、内筒１４等と同軸の筒状部材であるＣＯ低減触媒保持筒１８によって保持されている。言い換えると、外筒１５及び改質触媒保持筒１７の一部とＣＯ低減触媒保持筒１８との間に変成触媒が充填されており、外筒１５の上部とＣＯ低減触媒保持筒１８との間に選択酸化触媒が充填されている。ＣＯ低減触媒保持筒１８は、変成部２３の下方にも延びており、改質部２１の下部を覆っている。変成部２３より下方のＣＯ低減触媒保持筒１８は、改質触媒保持筒１７より一回り大きく形成されている。ＣＯ低減触媒保持筒１８の下端１８ｂは閉塞されている。改質触媒保持筒１７の下端はＣＯ低減触媒保持筒１８の下端１８ｂに接触しないように配設される。これにより改質部２１と変成部２３とが連通する。変成部２３より下方の、改質触媒保持筒１７の外側とＣＯ低減触媒保持筒１８の内側との間には、準改質ガスｊを流す準改質ガス流路１９が形成されている。準改質ガス流路１９は、変成触媒の直下で、変成触媒の下面全体に準改質ガスｊが行き渡るように、外側に向けて放射状に広がっている。改質触媒保持筒１７よりも一回り大きいＣＯ低減触媒保持筒１８のサイズは、準改質ガス流路１９を流れる準改質ガスｊの流量を勘案して適宜決定すればよい。

ＣＯ低減触媒保持筒１８には、変成部２３直近の選択酸化部２４で、選択酸化空気ｃを選択酸化部２４に導入する選択酸化空気導入管２７が接続されている。選択酸化空気導入管２７は、外側に向かって延びている。選択酸化空気導入管２７には、選択酸化空気ｃの流れを遮断する選択酸化空気遮断弁３７が配設されている。また、ＣＯ低減触媒保持筒１８には、変成部２３に隣接する側とは反対側の選択酸化部２４で、改質ガスｇを導出する改質ガス管２８が接続されている。改質ガス管２８は、外側に向かって延びている。改質ガス管２８には、改質ガスｇの流れを遮断する改質ガス遮断弁３８が配設されている。

改質用水管２５は、以下のように配設されている。選択酸化部２４の上方からＣＯ低減触媒保持筒１８の外側に接触し、選択酸化部２４の上部からＣＯ低減触媒保持筒１８の外側を螺旋状に下方に巻いていく。螺旋状に下方に巻いていって変成部２３の上から２／３程度の位置に至ったところでＣＯ低減触媒保持筒１８から外側に離れ、さらに上方に向きを変えて原料ガス導入管２６に接続する。改質用水管２５が原料ガス導入管２６に接続されることで改質用水管２５は改質部２１に連通している。このように、改質用水管２５は、選択酸化部２４及び変成部２３に隣接する位置に、改質ガス生成部２０の一酸化炭素低減部２２から受熱するように配設されている。改質用水管２５をこのように配設すると、改質用水ｓは選択酸化部２４の傍らから変成部２３の傍らを流れ、原料ガス導入管２６に流入するまでに選択酸化部２４及び変成部２３から受熱して液体から気体となる。なお、図１に示すように、改質用水管２５の一部が選択酸化部２４及び／又は変成部２３の内部を通り、外筒１５に接触するように配設されることとすると、受熱量が増加するので好ましい。改質用水管２５には、ＣＯ低減触媒保持筒１８に接触するよりも上流に、改質用水ｓの流れを遮断する改質用水遮断弁３５が配設されている。

水排出管５３は、一端が前述のように原料ガス遮断弁３６より下流側の原料ガス導入管２６に接続されており、他端は排ガス管５４に接続されている。このように構成されていることにより、改質用水管２５を流れてきた排出しようとする改質用水ｓを、水排出管５３及び排ガス管５４を介して系外（改質器１０外）に排出することができる。水排出管５３には、排出しようとする改質用水ｓの流れを遮断する水排出遮断弁４３が配設されている。

準改質ガス流路１９には、改質部２１の圧力を検出する圧力センサ４１が配設されている。改質部２１は、原料ガス導入管２６及び改質用水管２５と連通しているので、改質部２１の圧力を検出することで改質用水管２５内の圧力も検出することができる。また、改質触媒保持筒１７及びＣＯ低減触媒保持筒１８には、改質部２１、変成部２３、選択酸化部２４の温度をそれぞれ検出する温度検出手段としての温度センサ４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃがそれぞれ取り付けられている。一酸化炭素低減部２２から受熱するように改質用水管２５が配設されているので、変成部２３又は選択酸化部２４の温度を検出することにより一酸化炭素低減部２０から受熱した改質用水ｓの温度を検出することができる。温度センサ４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃの個数は、各部２１、２３、２４の大きさ等に応じて適宜決定するとよい。圧力センサ４１及び温度センサ４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃは、それぞれ信号ケーブルを介して第１及び第２の制御装置としての制御装置４０に接続されており、検出した圧力あるいは温度を信号として制御装置４０に送信することができるように構成されている。本実施の形態では、第１の制御装置と第２の制御装置とが一体の制御装置４０として構成されているが、別々に構成されていてもよい。

改質用水管２５の最下部（本実施の形態では変成部２３の上から２／３程度の位置）より下方の変成部２３及び改質部２１の外周は、断熱材４６で覆われている。断熱材４６よりも上方の変成部２３及び選択酸化部２４の外周は、断熱材４７で覆われている。各部２１、２３、２４が断熱材４６、４７で覆われていることにより、各部２１、２３、２４を運転時における反応に適した温度に維持することができると共に、改質器１０外周の温度を各部２１、２３、２４の温度よりも低くすることができて火傷防止等に寄与する。断熱材４６は、典型的には、珪石原料、石灰原料及び水を含有する原料スラリーと熱線反射材、耐熱性繊維等を配合した混合物を約５００ｋｇ／ｍ³以下の密度でプレス脱水成型させて成型した無機質多孔体である。断熱材４７は、典型的には、シリカ・アルミナ系微粒子粉末、アルカリ金属珪酸塩、過酸化水素、及び熱線反射材を配合した混合物を約５００ｋｇ／ｍ³以下の密度で発泡、硬化させて成型した無機質発泡体である。断熱材４６、４７は、表面材４８で覆われており、改質器１０の外観は概ね円筒状に形成されている。表面材４８は、典型的には無機質短繊維をフェルト状に成型した無機質短繊維フェルトである。

上述した各弁３５、３６、３７、３８、４３及び空気燃料導入管２９に取り付けられたチーズ２９Ｔは、表面材４８の外側に配設されている。原料ガス遮断弁３６には原料ガス管５６が接続されている。原料ガス管５６には原料ガスｒを圧送する原料ガスブロワ３１が配設されている。原料ガスブロワ３１を起動したときと同等の圧力で原料ガスｒが系外から圧送されてくる場合は、原料ガスブロワ３１を備えていなくてもよい。選択酸化空気遮断弁３７には選択酸化空気管５７が接続されている。選択酸化空気管５７には選択酸化空気ｃを圧送する選択酸化ブロワ３３が配設されている。改質ガス遮断弁３８には改質ガス管６８が接続されている。また、改質用水遮断弁３５には水供給管５５が接続されている。水供給管５５には、改質用水ｓを圧送する改質用水ポンプ３４と、改質用水ポンプ３４の吐出圧力を検出する圧力検出手段としての圧力センサ４５と、改質用水ポンプ３４の下流側に改質用水ｓ中の不純物を除去するイオン交換樹脂塔８５とが配設されている。圧力センサ４５は信号ケーブルを介して制御装置４０に接続されており、検出した圧力を信号として制御装置４０に送信することができるように構成されている。また、空気燃料導入管２９に取り付けられたチーズ２９Ｔの残りの接続口の１つには燃焼燃料ｆを流す燃焼燃料管５９が接続されており、他の残りの接続口には燃焼空気管５２が接続されている。燃焼空気管５２には燃焼空気ａを圧送する燃焼空気ブロワ３２が配設されている。燃焼燃料管５９の他端は原料ガス管５６に接続されている。

制御装置４０は表面材４８の外側に配設されており、改質器１０の運転を制御する。制御装置４０は、圧力センサ４１及び圧力センサ４５から圧力信号を受信し、温度センサ４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃから温度信号を受信する。また、制御装置４０は、各弁３５、３６、３７、３８、４３のそれぞれに開閉信号を送信し、各弁３５、３６、３７、３８、４３の開閉動作を制御する。また、制御装置４０は、各ブロワ３１、３２、３３、及び改質用水ポンプ３４に接続された動力系統（不図示）を介して供給される電力を調節することにより、各ブロワ３１、３２、３３、及び改質用水ポンプ３４の発停や流体の吐出量を制御する。

次に図２を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システム１００を説明する。図２は燃料電池システム１００の模式的系統図である。燃料電池システム１００は、これまで説明した改質器１０と、水素と酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池６０と、制御装置７０とを備えている。

燃料電池６０は、典型的には固体高分子形燃料電池である。燃料電池６０は、改質ガスｇを導入するアノード６１と、酸化剤ガスｔを導入するカソード６２と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部（不図示）とを含んで構成されている。酸化剤ガスｔは、典型的には所定の加湿度に加湿された空気である。燃料電池６０は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜をアノード６１とカソード６２とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池６０では、アノード６１に供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過してカソード６２に移動すると共に電子がアノード６１とカソード６２とを結ぶ導線（不図示）を通ってカソード６２に移動して、カソード６２に供給された酸化剤ガスｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池６０は、典型的には、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ（不図示）と電気的に接続される。

燃料電池６０のアノード６１では、導入された改質ガスｇ中の水素のすべてが上述の電気化学的反応（燃料電池６０における発電）に利用される訳ではなく、一部の水素が利用される。アノード６１からは、燃料電池６０での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスｐが排出される。アノードオフガスｐには、水素、二酸化炭素、窒素等が含まれている。燃料電池６０のカソード６２では、導入された酸化剤ガスｔ中の酸素のすべてが上述の電気化学的反応（燃料電池６０における発電）に利用される訳ではなく、一部の酸素が利用される。カソード６２からは、燃料電池６０での電気化学的反応に利用されなかった酸素を含むカソードオフガスｑが排出される。

アノード６１には、改質ガスｇをアノード６１に供給する改質ガス管６８と、アノードオフガスｐを排出するアノードオフガス管６９とが接続されている。改質ガス管６８は改質ガス遮断弁３８に接続されている。改質ガス管６８には、改質ガス遮断弁８８が配設されている。アノードオフガス管６９は、燃焼用原料遮断弁３９よりも下流の燃焼燃料管５９に接続されている。燃焼燃料管５９は、原料ガスブロワ３１と原料ガス遮断弁３６との間の原料ガス管５６から分岐した管となっている。燃焼燃料管５９を原料ガス管５６から分岐することにより、原料ガスｒを燃焼燃料ｆとしてバーナー１２に導くことが可能となる。アノードオフガス管６９には、アノードオフガス遮断弁８９が配設されている。改質ガス遮断弁８８より上流の改質ガス管６８とアノードオフガス遮断弁８９より下流のアノードオフガス管６９とはバイパス管６７で接続されている。バイパス管６７にはバイパス遮断弁８７が配設されている。カソード６２には、酸化剤ガスｔをカソード６２に供給する酸化剤ガス管６５と、カソードオフガスｑを排出するカソードオフガス管６６とが接続されている。酸化剤ガス管６５には、酸化剤ガスｔを圧送する酸化剤ガスブロワ６４が配設されている。なお、酸化剤ガスブロワ６４は、燃焼空気ブロワ３２及び／又は選択酸化空気ブロワ３３を兼ねていてもよい。

制御装置７０は、燃料電池システム１００を制御する。制御装置７０は、燃焼用原料遮断弁３９、バイパス遮断弁８７、改質ガス遮断弁８８、アノードオフガス遮断弁８９に各々信号を送信し、各弁の開閉動作をさせることができるように構成されている。また、制御装置７０は、酸化剤ガスブロワ６４を制御する。また、制御装置７０は、改質器１０の制御装置４０（図１参照）と連係して改質器１０を制御する。なお、制御装置７０は、制御装置４０（図１参照）と一体に構成されていてもよい。

引き続き図１及び図２を参照して、改質器１０及び燃料電池システム１００の作用を説明する。ここで、改質器１０の作用は、燃料電池システム１００の作用の一環として説明する。

燃料電池システム１００の停止時は、弁３５、３６、３７、３８、４３、８８、８９が閉になっている。また、停止時の改質器１０内の触媒の劣化防止のため、改質ガス生成部２０内には原料ガスｒが封入されている。なお、原料ガスｒは約４００℃以上の高温に曝されると炭素が析出して触媒に悪影響を及ぼすため、燃料電池システム１００の停止直後の改質器１０の温度が比較的高いときは改質ガス生成部２０内に準改質ガスｊ等（改質器１０で原料ガスｒが改質されて生成されたガスであり、準改質ガスｊ、変成ガスｈ、改質ガスｇのいずれか、又はこれらの混合ガス）が封入され、改質器１０の温度が約４００℃未満に低下したところで準改質ガスｊ等が原料ガスｒに置換される。

燃料電池システム１００を停止中の状態から起動すると、制御装置７０は、燃焼用原料遮断弁３９を開にして、原料ガスブロワ３１及び燃焼空気ブロワ３２を起動する。すると、原料ガスｒが燃焼燃料ｆとして改質器１０内のバーナー１２に供給されると共に、燃焼空気ａもバーナー１２に供給される。燃焼燃料ｆ及び燃焼空気ａがバーナー１２に供給されたらバーナー１２を点火して改質部２１を昇温する。燃焼によって生じた排ガスｅは、排ガス流路１６を流れて排ガス管５４に流入し、系外に排出される。また、改質用水遮断弁３５を開にし改質用水ポンプ３４を起動して改質用水ｓを改質用水管２５に送水する。

改質用水ｓは、改質用水管２５を流れて原料ガス導入管２６に至るまでに改質ガス生成部２０の一酸化炭素低減部２２から受熱して水蒸気（この水蒸気も改質用水であるため、以下、水蒸気となった改質用水ｓを「水蒸気ｓ」ということもある。）となる。原料ガス導入管２６を介して水蒸気ｓが改質部２１に導入されることにより、燃料電池システム１００の停止時に封入されていた準改質ガスｊ等又は原料ガスｒが改質ガス生成部２０から押し出される。このとき制御装置７０は、改質ガス遮断弁３８及びバイパス遮断弁８７を開にし、改質ガス生成部２０に封入されていた準改質ガスｊ等又は原料ガスｒをバーナー１２に供給する。バーナー１２に供給された準改質ガスｊ等又は原料ガスｒは、燃焼させられることにより改質器２１の昇温に用いられる。

水蒸気ｓが改質部２１に供給され、改質部２１内が水蒸気雰囲気になったら、制御装置７０は原料ガス遮断弁３６を開にして原料ガスｒを原料ガス導入管２６に供給する。原料ガス導入管２６に導入された水蒸気ｓと原料ガスｒとは、原料ガス導入管２６内で混合されて改質部２１に到達する。改質部２１では、原料ガスｒ中の炭化水素と改質用水ｓが気化した水蒸気ｓとが燃焼部１１から改質熱を得て反応し（水蒸気改質反応）、水素と一酸化炭素とを含む準改質ガスｊが生成される。許容量を超えた一酸化炭素含むガスを燃料電池６０のアノード６１に供給すると燃料電池６０の電極触媒（不図示）が被毒するので、準改質ガスｊ中の一酸化炭素濃度を低減するために改質部２１で生成された準改質ガスｊは変成部２３に送られる。

変成部２３に送られた準改質ガスｊでは、生成された一酸化炭素と残存していた水蒸気とが反応して（変成反応）、水素と二酸化炭素とになる。つまり、変成部２３で生成される変成ガスｈは、準改質ガスｊに比べて、一酸化炭素が減少し、水素と二酸化炭素が増加している。変成ガスｈは、準改質ガスｊに比べて一酸化炭素濃度が低減しているものの、通常、定常運転時で５０００〜１００００ｐｐｍ程度の一酸化炭素を含んでおり、この一酸化炭素濃度では燃料電池６０の電極触媒が被毒するおそれがある。このため、変成ガスｈ中の一酸化炭素濃度を低減するために変成部２３で生成された変成ガスｈは選択酸化部２４に送られる。

選択酸化部２４に変成ガスｈが送られるとき、制御装置７０は選択酸化空気遮断弁３７及び改質ガス遮断弁３８を開にし選択酸化空気ブロワ３３を起動して、選択酸化空気ｃを選択酸化部２４に供給する。なお、選択酸化空気遮断弁３７及び改質ガス遮断弁３８の開並びに選択酸化空気ブロワ３３の起動は、原料ガス遮断弁３６開等の動作と同時に行ってもよく、あるいは原料ガス遮断弁３６を開いてから所定の時間が経過した後に行ってもよい。また、選択酸化空気遮断弁３７及び改質ガス遮断弁３８の動作は異なるタイミングで行ってもよい。

選択酸化部２４に送られた変成ガスｈは、残存している一酸化炭素が、供給された選択酸化空気ｃ中の酸素と反応して（選択酸化反応）二酸化炭素となる。選択酸化反応により生成された改質ガスｇは、含有する一酸化炭素が、定常運転時で１０ｐｐｍ以下程度となる。この程度の一酸化炭素濃度とすると、燃料電池６０の電極触媒が被毒することを回避することができる。

なお、改質器１０の定常運転時とは、改質部２１、変成部２３、選択酸化部２４の各部が、それぞれの部における反応に適した温度となっている状態である。定常運転時の各部の温度は、改質部２１が約５５０℃〜８００℃、変成部２３が約１６０℃〜２８０℃、選択酸化部が約１００℃〜２５０℃である。改質器１０の起動初期で、各部２１、２３、２４が定常運転時の温度に達していないときは、改質ガス管２８に導出される改質ガスｇは組成が安定しておらず、燃料電池６０の電極触媒が被毒するおそれのある濃度の一酸化炭素を含んでいる。したがって、組成が安定していない改質ガスｇは、燃料電池６０のアノード６１に供給せずに燃焼部１１に導いて、燃焼燃料ｆとして燃焼することとしている。

制御装置７０は、バイパス遮断弁８７を開のままとし、燃焼用原料遮断弁３９を閉にして、組成が安定していない改質ガスｇを、改質ガス管６８、バイパス管６７、アノードオフガス管６９、燃焼燃料管５９を経由して空気燃料導入管２９からバーナー１２に供給する。このとき、制御装置４０は、温度センサ４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃにより各部２１、２３、２４の温度を検出している。各部の温度が定常運転時の温度になったら、制御装置７０は、改質ガス遮断弁８８及びアノードオフガス遮断弁８９を開にし、バイパス遮断弁８７を閉にする。この弁の動作により、改質ガスｇが燃料電池６０のアノード６１に供給される。改質ガスｇがアノード６１に供給されるようになると、制御装置７０は酸化剤ガスブロワ６４を起動して酸化剤ガスｔをカソード６２に供給する。

燃料電池６０ではアノード６１に導入された改質ガスｇ中の水素と、カソード６２に導入された酸化剤ガスｔ中の酸素とによる電気化学的反応が行なわれる。電気化学的反応は、アノード６１では以下の（１）式に示す反応が行なわれ、カソード６２では以下の（２）式に示す反応が行なわれる。
２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ ・・・（１）
Ｏ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
この電気化学的反応によって発電し、発熱すると共に水分が生成される。さらに説明を加えると、アノード６１の電子が外部電気回路（不図示）を通ってカソード６２に移動する際に電力を得ることができる。アノード６１の水素イオンは固体高分子膜を通過してカソード６２に移動し、酸素と結合して水分が発生する。上述のように、この電気化学的反応は発熱反応である。

燃料電池６０によって得られる電力は直流電力であり、必要に応じてパワーコンディショナ（不図示）で交流電力に変換されて電力負荷（不図示）に送電される。他方、燃料電池６０で発生する熱は、燃料電池６０を冷却する冷却水（不図示）を媒体として、例えば貯湯タンク（不図示）に蓄えられ、必要に応じて給湯や暖房等の熱負荷において消費される。給湯や暖房等に供給される熱媒体としての温水を流す温水供給管（不図示）には、貯湯タンク（不図示）に蓄えられている温水の再加熱（炊き上げ）を行う加熱装置（不図示）が設けられていてもよい。燃料電池６０で発生した熱を有効利用することにより、燃料電池システム１００の効率が向上することとなる。

燃料電池６０の作動中、アノード６１からはアノードオフガスｐが排出される。排出されたアノードオフガスｐは、改質器１０の燃焼部１１に導かれ、燃焼燃料ｆとして燃焼させられる。つまり、アノード６１から排出されたアノードオフガスｐは、アノードオフガス管６９、燃焼燃料管５９を経由して空気燃料導入管２９からバーナー１２に流入する。燃焼部１１におけるアノードオフガスｐの燃焼により、改質部２１における改質に用いる改質熱を発生させることができる。以上で説明した燃料電池システム１００の起動の手順を「通常の起動手順」ということとする。

次に、燃料電池システム１００を運転状態から停止させる際には、制御装置７０は、アノードオフガス遮断弁８９を閉にして（燃焼燃料ｆとして原料ガスｒがバーナー１２に供給されている場合は燃焼用原料遮断弁３９を併せて閉にして）バーナー１２への燃焼燃料ｆの供給を停止し、バーナー１２の燃焼を停止する。併せて、酸化剤ガスブロワ６４を停止すると共に遮断弁（不図示）を閉にすることにより、酸化剤ガスｔがカソード６２に供給されないようにする。これにより、燃料電池６０の固体高分子膜の乾燥を防ぐと共に触媒の酸化を防いで、燃料電池６０の性能低下を防いでいる。また、各ブロワ３１、３２、３３及び改質用水ポンプ３４を停止すると共に改質用水遮断弁３５、原料ガス遮断弁３６、選択酸化空気遮断弁３７、改質ガス遮断弁３８、水排出遮断弁４３を閉にして、改質器１０への改質用水ｓ、原料ガスｒ、選択酸化空気ｃの供給を停止する。これにより、改質器１０の改質ガス生成部２０が準改質ガスｊ等で密封される。改質ガス生成部２０内に準改質ガスｊが封入されている状態で改質器１０の温度が低下すると準改質ガスｊ等に含まれる水蒸気が凝縮して改質ガス生成部２０内の触媒に付着し、次に改質器１０が運転状態になったときに凝縮水が再蒸発することにより触媒の粉化劣化を招くおそれがあるため、原料ガスｒの炭素が析出しない４００℃未満に改質部２１の温度が低下したら、改質ガス生成部２０内に封入されている準改質ガスｊ等を原料ガスｒに置換する。改質ガス生成部２０を、準改質ガスｊ等又は原料ガスｒで封入してその外部よりも正圧にすることにより、改質ガス生成部２０への外気の侵入を防ぎ、改質触媒、変成触媒、選択酸化触媒が酸素に触れることに起因して劣化することを防いでいる。なお、燃料電池システム１００の停止時は、改質ガス遮断弁８８も閉にする。

ところで、燃料電池システム１００が、運転状態から一旦停止して次に起動するまでの時間が短いと、改質部２１の温度が低下する前に改質ガス生成部２０に封入されていた準改質ガスｊ等がバーナー１２に導かれて燃焼処理されることにより改質部２１の温度が定常運転時の温度を超えた高温になる場合がある。改質部２１の温度が改質触媒の許容温度（例えば約８００℃）を超えると改質触媒が劣化するため、このような不都合を回避すべく、燃料電池システム１００は以下のような制御を行う。

図３は、燃料電池システム１００を起動する場合の動作を説明するフローチャートである。制御装置７０は、燃料電池システム１００を起動する指令を受けると（Ｓ１）、温度センサ４２Ａから温度信号を受信し、改質部２１の温度が、改質ガス生成部２０に封入されている準改質ガスｊ等がバーナー１２に導かれて燃焼処理されることにより許容温度を超えてしまうほど高温であるか否かを判断する（Ｓ２）。改質部２１の温度が高温でなければ、前述した「通常の起動手順」に従い、燃焼用原料遮断弁３９を開にして、原料ガスブロワ３１及び燃焼空気ブロワ３２を起動し、以下、燃料電池システム１００を起動するための動作を順次行う。他方、改質部２１の温度が高温である場合は、燃焼用原料遮断弁３９を開にせず、原料ガスブロワ３１を起動せず、燃焼空気ブロワ３２を起動して燃焼室１３に燃焼空気ａを供給する（Ｓ３）。このとき、バーナー１２への燃焼燃料ｆの供給が停止されているので、燃焼室１３に供給された燃焼空気ａはそのまま排ガス流路１６を流れて改質器１０外へ排出される。燃焼空気ａは典型的には外気であるので、停止直後の改質部２１の温度（約６００℃前後）に比べて著しく温度が低い。したがって、燃焼空気ａを排ガス流路１６に流すことにより燃焼空気ａが冷却媒体の役割をなし、改質器２１の温度を低下させることができる。

その後、制御装置７０は、改質部２１の温度が、改質ガス生成部２０に封入されている準改質ガスｊ等がバーナー１２に導かれて燃焼処理されても許容温度を超えないような温度に低下したか否かを判断する（Ｓ４）。低下していなければ再び改質部２１の温度が低下したか否かを判断する工程（Ｓ４）に戻る。他方、改質部２１の温度が低下した場合、制御装置７０は燃焼空気ブロワ３２を停止して燃焼室１３への燃焼空気ａの供給を停止する（Ｓ５）。次に、制御装置７０は、温度センサ４２Ｂ又は温度センサ４２Ｃから温度信号を受信し、一酸化炭素低減部２２から受熱した改質用水ｓが第１の所定の温度以上か否かを判断する（Ｓ６）。ここで「第１の所定の温度」は、典型的には、適正流量の改質用水ｓを改質部２１に供給することができないほどの高さの改質用水ｓの温度である。

一酸化炭素低減部２２から受熱した改質用水ｓが第１の所定の温度以上か否かを判断する（Ｓ６）背景には以下のような事情がある。燃焼室１３に燃焼空気ａを供給し（Ｓ３）、燃焼空気ａが冷却媒体として排ガス流路１６を流れると、燃焼空気ａは改質部２１から熱を奪うが、熱を奪った燃焼空気ａはその後一酸化炭素低減部２２の隣を流れる際に一酸化炭素低減部２２に熱を放出して一酸化炭素低減部２２の温度を上昇させる。一酸化炭素低減部２２の温度が上昇するとこれに隣接して配置されている改質用水管２５の温度も上昇し、改質用水管２５内を流れる改質用水ｓの温度も上昇することとなる。他方、改質用水ｓを改質部２１に向けて圧送する改質用水ポンプ３４は、改質用水ポンプ３４自身及びイオン交換樹脂塔８５の故障防止のために許容圧力を超えないように圧力センサ４５で検出した圧力に基づいて吐出圧力を許容圧力未満に制限した運転が行なわれる。改質用水管２５内を流れる改質用水ｓの温度が上昇して水蒸気ｓの体積が増加すると水蒸気ｓが改質用水管２５を流れる際の流動抵抗が増加し、吐出圧力が制限された改質用水ポンプ３４の運転において適正流量の水蒸気ｓを改質部２１に供給することができなくなる。改質部２１に供給する水蒸気ｓの流量が不足すると、原料ガスｒの改質が適正に行なわれずに炭化して、改質部２１内の触媒が劣化することとなる。したがって、改質用水管２５内を流れる改質用水ｓの温度が、改質部２１に適正流量の水蒸気ｓを供給することができる温度に低下した後に、改質部２１に原料ガスｒを供給することが好ましいのである。

一酸化炭素低減部２２から受熱した改質用水ｓが第１の所定の温度以上か否かを判断する工程（Ｓ６）において第１の所定の温度以上のとき、制御装置７０は、改質用水遮断弁３５及び水排出遮断弁４３を開にすると共に改質用水ポンプ３４を吐出圧力制御にて起動して、改質用水管２５に改質用水ｓを供給する（Ｓ７）。改質用水ポンプ３４の吐出圧力制御は、圧力センサ４５で検出した圧力が所定の圧力（許容圧力以下の圧力）を超えないようにすることにより行なわれる。改質用水管２５に改質用水ｓを流すことによって改質用水管２５及び一酸化炭素低減部２２を冷却することができる。また、改質用水管２５の温度が高いために適正流量の改質用水ｓを改質部２１に供給することが難しいので、改質用水管２５を流れた改質用水ｓを改質部２１に導かずに水排出管５３及び排ガス管５４を介して改質器１０外へと排出している。そして、制御装置７０は、温度センサ４２Ｂ又は温度センサ４２Ｃから温度信号を受信し、一酸化炭素低減部２２から受熱した改質用水ｓが第２の所定の温度以下か否かを判断する（Ｓ８）。ここで「第２の所定の温度」は、典型的には、適正流量の改質用水ｓを改質部２１に供給することができる程度に改質用水ｓの膨張が抑制されるときの改質用水ｓの温度である。一酸化炭素低減部２２から受熱した改質用水ｓが第２の所定の温度以下でなければ、再び一酸化炭素低減部２２から受熱した改質用水ｓが第２の所定の温度以下か否かを判断する工程（Ｓ８）に戻る。他方、第２の所定の温度以下であれば、本実施の形態では適正流量（設計流量）で改質用水ｓが吐出されれば許容圧力を超えることがないので、制御装置７０は、改質用水ポンプ３４の運転を、適正流量の改質用水ｓを改質部２１に供給するための流量制御に、吐出圧制御から切り換える（Ｓ９）。

一酸化炭素低減部２２から受熱した改質用水ｓが第１の所定の温度以上か否かを判断する工程（Ｓ６）において第１の所定の温度以上でないときも、改質用水ポンプ３４の運転を、適正流量の改質用水ｓを改質部２１に供給するための流量制御とする（Ｓ９）。改質用水ポンプ３４の運転を流量制御運転としたら、制御装置７０は、燃焼用原料遮断弁３９を開にし、原料ガスブロワ３１及び燃焼空気ブロワ３２を起動して、原料ガスｒをバーナー１２で燃焼させる（Ｓ１０）。その後制御装置７０は、水排水遮断弁４３を閉にし、改質ガス遮断弁３８及びバイパス遮断弁８７を開にして、水蒸気の改質用水ｓを改質部２１に供給する（Ｓ１１）。水蒸気ｓが改質部２１に導入されることにより、改質ガス生成部２０に封入されていた準改質ガスｊ等は、改質ガス生成部２０から押し出されバーナー１２に導かれて燃焼させられる。改質部２１内に水蒸気ｓが行きわたったら、制御装置７０は、原料ガス遮断弁３６を開にして原料ガスｒを改質部２１に供給し、原料ガスｒの水蒸気改質を開始する（Ｓ１２）。以降は前述の「通常の起動手順」と同様に、改質器１０で生成される改質ガスｇの組成が安定するのを待って改質ガスｇを燃料電池６０に供給し、発電を行う。なお、水排出遮断弁４３が閉じて水蒸気ｓを改質部２１に供給している状態において、圧力センサ４５で検出した圧力が所定の圧力を超えた場合は、水排出遮断弁４３を開けて改質用水管２５内の圧力を低下させ改質用水ポンプ３４及びイオン交換樹脂塔８５の保護を図ると共に、改質部２１内への原料ガスｒの供給を停止して改質部２１内の触媒の炭化を防ぐようにしてもよい。

以上の説明では、炭化水素系原料が原料ガスｒであるとしたが、液体の炭化水素系原料を用いてもよい。この場合、改質効率の観点から、気化器を備えて液体の炭化水素系原料を改質部２１に導入する前に気化することが好ましい。

以上の説明では、変成部２３の温度を検出する温度センサ４２Ｂ又は選択酸化部２４の温度を検出する温度センサ４２Ｃにより間接的に受熱した改質用水管２５を流れる改質用水ｓの温度を検出することとしたが、改質用水ｓの温度を直接検出する温度センサを設けてもよい。また、改質部２１、変成部２３、選択酸化部２４の温度を検出するためそれぞれ個別に温度センサ４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを設けることとしたが、改質器１０の特性によって、いずれか１箇所の温度から他の部分の温度が算出（推定）することができる等の場合は、算出可能な部位の温度を検出する温度センサを省略してもよい。

以上の説明では、改質用水ｓの温度が第１の所定の温度以上のときに水排出遮断弁４３を開にして改質用水ｓを改質部２１に導かずに改質器１０外へ排出することとしたが、改質用水管２５内の圧力が予め定められた圧力以上のときに水排出遮断弁４３を開にして改質用水ｓを改質部２１に導かずに改質器１０外へ排出することとしてもよい。「予め定められた圧力」は、典型的には、適正流量の改質用水ｓを改質部２１に供給することができないほど高い改質用水管２５内の圧力である。改質用水管２５内の圧力の検出は、改質用水管２５内の圧力と相関関係を有する圧力を検出する圧力検出器（例えば圧力センサ４１あるいは圧力センサ４５）により検出されることとしてもよい。

以上の説明では、燃料電池６０が固体高分子型燃料電池であるとして説明したが、りん酸型燃料電池等の固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子型燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。

本発明の第１の実施の形態に係る改質器の縦断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの模式的系統図である。 改質器起動時の制御を説明するフローチャートである。

符号の説明

１０ 改質器
２０ 改質ガス生成部
２１ 改質部
２５ 改質用水流路
３４ 改質用水ポンプ
４０ 制御装置
４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ 温度検出器
４３ 水排出遮断弁
５３ 排出流路
６０ 燃料電池
７０ 制御装置
１００ 燃料電池システム
ｇ 改質ガス
ｒ 炭化水素系原料
ｓ 改質用水
ｔ 酸化剤ガス

Claims (4)

1. 炭化水素系原料と改質用水とを導入し、水素を主成分とする準改質ガスを生成する改質部と、前記準改質ガスから一酸化炭素濃度を低減した改質ガスを生成する一酸化炭素低減部とを有する改質ガス生成部と；
   前記改質ガス生成部に前記改質用水を供給する改質用水流路と；
   前記改質用水流路を流れる前記改質用水を前記改質ガス生成部に導入させずに外部へと導く排出流路であって、前記改質用水の流通を遮断可能な遮断弁が配設された排出流路とを備える改質器であって；
   前記改質用水流路が、内部を流れる前記改質用水が前記改質ガス生成部から受熱する位置を通過するように配設され；
   前記排出流路が、前記受熱する位置を通過した前記改質用水を受け入れるように配設され；
   前記改質ガス生成部から受熱した前記改質用水の温度と相関関係を有する温度を検出する温度検出器と；
   燃焼用燃料と燃焼空気とを導入して前記燃焼用燃料を燃焼させ、前記炭化水素系原料の改質に用いられる改質熱を発生させる燃焼部と；
   前記燃焼部に前記燃焼空気を圧送する燃焼空気ブロワと；
   前記燃焼部で前記燃焼用燃料を燃焼させることにより生じた排ガスを外部に排出する排ガス流路であって、内部を流れる流体が前記改質部及び前記一酸化炭素低減部と熱交換するように配設された排ガス流路と；
   前記改質部の温度を検出する温度検出手段と；
   前記改質器の起動時に、前記温度検出手段で検出された前記改質部の温度が、前記燃焼部での燃焼が行われた場合に許容範囲を超えてしまうほど高温であるときに、前記燃焼部に前記燃焼用燃料を供給せずに前記燃焼空気ブロワを起動して前記燃焼空気を前記排ガス流路に流して前記改質部の温度を低下させ、その後、前記改質ガス生成部から受熱した前記改質用水の温度が第１の所定の温度以上のときに前記遮断弁を開にして前記改質用水を前記改質ガス生成部に導入させずに前記外部へと導く第１の制御装置とをさらに備える；
   改質器。
2. 前記第１の制御装置が、前記遮断弁を開にした後、前記改質ガス生成部から受熱した前記改質用水の温度が第２の所定の温度以下となったときに前記遮断弁を閉にして前記改質用水を前記改質ガス生成部に導くように構成された；
   請求項１に記載の改質器。
3. 前記改質用水流路内に前記改質用水を流す改質用水ポンプと；
   前記改質用水ポンプの吐出圧力を所定の圧力に制御する第２の制御装置とを備える；
   請求項１又は請求項２に記載の改質器。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の改質器と；
   前記改質ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとを導入して発電する燃料電池とを備える；
   燃料電池システム。

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