JP5402197B2 - 改質装置および燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、改質装置および燃料電池システムに関する。

改質装置の一例としては、特許文献１に示されている改質装置が知られている。この改質装置において、特許文献１の図４に示されているように、制御部１６は、起動時に、原料供給部２から原料ガスを供給することで改質部１を原料ガスでパージし、改質部１を流通した原料ガスを切り替え弁１１を介して燃焼部７に供給することで燃焼部７を着火させるとともに水供給部４からの水供給を開始し（３Ｓ）、改質部温度検出手段１３により検出される温度が炭素析出反応が進行しない第１の所定温度（３５０℃）以下となるように燃焼部７を制御する（４Ｓ）。そして、制御部１６は、蒸発部温度検出手段１３によって検知される温度が、水蒸気の発生する温度（１００℃）以上になった後（５Ｓ）、改質部１の温度を改質反応が進行する第２の所定温度（６００〜７００℃）に上昇させるように燃焼部７を制御する（６Ｓ，７Ｓ）。

一方、起動時に、原料供給部２からの原料供給量の調節及び送風部８からの送風量の調節によって、改質部温度検出手段１３により検出される温度が第１の所定温度以下にならない場合、制御部１６は、原料供給部２からの原料供給を一旦停止することにより燃焼部７を失火させ（１５Ｓ）、改質部温度検出手段１３の温度が、第１の所定温度よりも低い第３の所定温度（３００℃）以下になった後に、原料供給部２を動作させることで燃焼部７が着火（再着火）し（１６Ｓ，１７Ｓ）、改質部温度検出手段１３の温度が炭素析出反応が進行しない第１の所定温度以下となるように燃焼部７を制御する（１８Ｓ）。

特開２００５−２０６３９５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、蒸発部３で水蒸気が発生（生成）したことは、蒸発部温度検知手段によって検知された温度に基づいて検知することはできるものの、その発生した（生成された）水蒸気が切り替え弁１１を通り最終的に燃焼部７に到達したか否かを検知していない。したがって、燃焼部７を再着火する際に、蒸発部３で発生した（生成された）水蒸気が燃焼部７に到達すると、燃焼部７では着火しない、着火してもエミッションの悪化が生じるおそれがあった。

本発明は、上述した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、蒸発部で生成された水蒸気が燃焼部に到達したことを確実に検知することで、燃焼部の着火性、燃焼性（エミッション性）を向上させ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、改質用燃料と水蒸気が供給されて改質ガスを生成する改質部と、改質水が供給され改質水を蒸発させて水蒸気を改質部に供給する蒸発部と、改質ガスが少なくとも供給され改質ガスを酸化剤ガスで燃焼するバーナと、バーナで発生した燃焼ガスが改質部および蒸発部を加熱しながら流通する燃焼ガス流路とを備えた燃焼部と、改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減してバーナに供給するＣＯシフト部と、を備えた改質装置であって、ＣＯシフト部は、改質部、蒸発部および燃焼部と熱の授受を直接行わないように改質部、蒸発部および燃焼部から離して設けられ、ＣＯシフト部の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段により検出された温度に基づいて、水蒸気が温度検出手段の設置位置に到達したことを検知する到達検知手段と、起動時において、バーナで燃焼用燃料を燃焼したのち消火し、バーナの消火中に到達検知手段が水蒸気を検知したのちにバーナで改質ガスを着火・燃焼するように制御する着火制御手段と、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、改質用燃料と水蒸気が供給されて改質ガスを生成する改質部と、改質水が供給され改質水を蒸発させて水蒸気を改質部に供給する蒸発部と、改質ガスが少なくとも供給され改質ガスを酸化剤ガスで燃焼するバーナと、バーナで発生した燃焼ガスが改質部および蒸発部を加熱しながら流通する燃焼ガス流路とを備えた燃焼部と、改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯシフト部と、ＣＯシフト部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バーナに供給するＣＯ浄化部と、ＣＯシフト部とＣＯ浄化部とを連通する連通管と、を備えた改質装置であって、ＣＯシフト部は、改質部、蒸発部および燃焼部と熱の授受を直接行わないように改質部、蒸発部および燃焼部から離して設けられ、ＣＯシフト部および連通管のいずれかの温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段により検出された温度に基づいて、水蒸気が温度検出手段の設置位置に到達したことを検知する到達検知手段と、起動時において、バーナで燃焼用燃料を燃焼したのち消火し、バーナの消火中に到達検知手段が水蒸気を検知したのちにバーナで改質ガスを着火・燃焼するように制御する着火制御手段と、を備えたことである。

また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、着火制御手段は、温度検出手段により検出される温度が所定温度よりも高くなった時点から第１所定時間が経過したのちにバーナで改質ガスに着火するように制御することである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、着火制御手段は、バーナを消火してから所定時間内に、到達検知手段が水蒸気の到達を検知しない場合、バーナで燃焼用燃料を再度燃焼したのち消火するように制御することである。

また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項３または請求項４において、着火制御手段は、第１所定時間が経過した時点において、改質部の温度が所定温度以下である場合には、バーナで燃焼用燃料を再度燃焼したのち消火し、改質部の温度が所定温度より高い場合には、バーナで改質ガスを着火・燃焼するように制御することである。

また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の改質装置と、改質装置から供給される一酸化炭素の低減された改質ガスと酸化剤ガスとから発電する燃料電池とを備えたことである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、到達検知手段は、改質部、蒸発部および燃焼部と熱の授受を直接行わないように改質部、蒸発部および燃焼部から離して設けられたＣＯシフト部の温度に基づいて、水蒸気が温度検出手段の設置位置すなわちＣＯシフト部に到達したことを検知する。このとき、起動運転中においては、停止直後に運転を再開するなどＣＯシフト部が高温である場合を除けば、ＣＯシフト部は、起動当初すぐに高温となる燃焼部、改質部、蒸発部から熱の授受が直接なされず、ＣＯシフト部を流通する流体のみにより加熱されるため、ＣＯシフト部の温度はほぼ雰囲気温度から徐々に上昇する。また、ＣＯシフト部内には触媒が充填されているが、水蒸気の到達前は触媒間の熱伝導率は小さいため温度上昇は小さい。一方、水蒸気の到達後は水蒸気により触媒間の熱伝導率が大きくなり温度上昇は大きくなる。このことから、水蒸気がＣＯシフト部に到達したことを、ＣＯシフト部の温度と所定温度（例えば、水の沸点）とを比較することで簡単かつ確実に検出できる。さらには、ＣＯシフト部からバーナまでには熱的な不安要因が少ないので、ＣＯシフト部に水蒸気が到達した旨の検知を利用してバーナに水蒸気が到達することを精度よくかつ確実に検知することが可能となる。ひいては、バーナ（燃焼部）の着火性、燃焼性（エミッション性）を向上させることが可能となる。
さらに、起動時において、バーナで燃焼用燃料を燃焼したのち消火し、バーナの消火中に到達検知手段が水蒸気を検知したのちにバーナで改質ガスを着火・燃焼するように制御する着火制御手段を備えた。これにより、一度着火し、消火したのち、バーナへの水蒸気到達を確認してから再着火することができる。ところで、一度目の燃焼の熱で水蒸気が発生するが、その水蒸気が、再着火しまだ燃焼不安定なときにバーナに到達するとエミッション（ＣＯ濃度増大）が悪化する。しかし、本発明のようにバーナへの水蒸気到達を確認したのちに再着火することにより、エミッション悪化を抑えることができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、到達検知手段は、改質部、蒸発部および燃焼部と熱の授受を直接行わないように改質部、蒸発部および燃焼部から離して設けられたＣＯシフト部、およびＣＯシフト部とＣＯ浄化部とを連通する連通管のいずれかの温度に基づいて、水蒸気が温度検出手段の設置位置すなわちＣＯシフト部または連通管に到達したことを検知する。このとき、ＣＯシフト部においては、請求項１と同様な作用効果を得ることができる。連通管においては、ＣＯシフト部の温度とほとんど同様に変動するため、水蒸気が連通管に到達したことを、連通管の温度と所定温度（例えば、水の沸点）とを比較することで簡単かつ確実に検出できる。さらには、連通管からバーナまでには熱的な不安要因が少ないので、連通管に水蒸気が到達した旨の検知を利用してバーナに水蒸気が到達することを精度よくかつ確実に検知することが可能となる。ひいては、バーナ（燃焼部）の着火性、燃焼性（エミッション性）を向上させることが可能となる。
さらに、起動時において、バーナで燃焼用燃料を燃焼したのち消火し、バーナの消火中に到達検知手段が水蒸気を検知したのちにバーナで改質ガスを着火・燃焼するように制御する着火制御手段を備えた。これにより、一度着火し、消火したのち、バーナへの水蒸気到達を確認してから再着火することができる。ところで、一度目の燃焼の熱で水蒸気が発生するが、その水蒸気が、再着火しまだ燃焼不安定なときにバーナに到達するとエミッション（ＣＯ濃度増大）が悪化する。しかし、本発明のようにバーナへの水蒸気到達を確認したのちに再着火することにより、エミッション悪化を抑えることができる。

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１または請求項２において、着火制御手段は、温度検出手段により検出される温度が所定温度よりも高くなった時点から第１所定時間が経過したのちにバーナで改質ガスに着火するように制御する。これにより、起動時において、バーナの消火中に温度検出手段により検出される温度が所定温度よりも高くなった時点（到達検知手段が水蒸気を検知した時点）から第１所定時間の経過をまって、バーナを再着火する。したがって、第１所定時間を水蒸気がＣＯシフト部または連通管に到達した後バーナまでにかかる時間に設定することにより、バーナ着火時に水蒸気が到達するのを確実に抑制することで、バーナ（燃焼部）の着火性、燃焼性（エミッション性）を向上させることができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、着火制御手段は、バーナを消火してから所定時間内に、到達検知手段が水蒸気の到達を検知しない場合、バーナで燃焼用燃料を再度燃焼したのち消火するように制御する。これにより、改質部、蒸発部の温度を必要以上に低下させないで（過冷却するのを抑制し）、起動時間の短縮化を図ることができる。ここで過冷却とは必要以上に温度低下することである。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項３または請求項４において、着火制御手段は、第１所定時間が経過した時点において、改質部の温度が所定温度以下である場合には、バーナで燃焼用燃料を再度燃焼したのち消火し、改質部の温度が所定温度より高い場合には、バーナで改質ガスを着火・燃焼するように制御する。これにより、燃焼部、改質部の熱を利用することでバーナ消火中においても下流の構成部材を加熱するのを確保しつつバーナ着火時に水蒸気が到達するのを確実に抑制することで、バーナ（燃焼部）の着火性、燃焼性（エミッション性）を向上させることができるのに加えて、改質部の温度が所定温度より高いことを条件に、バーナを改質ガスで着火・燃焼することで確実に再着火させることができる。

上記のように構成した請求項６に係る発明においては、請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の改質装置と、改質装置から供給される一酸化炭素の低減された改質ガスと酸化剤ガスとから発電する燃料電池とを備えた。これにより、燃料電池システムにおいても、上述した請求項１から請求項５の作用効果を得ることができる。

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。 図１に示す改質装置を示すブロック図である。 図２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。 比較例による改質装置の動作を示すタイムチャートである。

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、一酸化炭素浄化部（以下、ＣＯ浄化部という）２４、燃焼部２５、および蒸発部２６を備えている。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、改質用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、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５１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内には、改質部２１内の温度例えば改質ガスの導出口付近の温度（Ｔ２）を測定する温度センサ２１ｃが設けられている。温度センサ２１ｃの検出結果は制御装置３０に送信されている。

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、脱硫器４４、燃料ポンプ４３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、制御装置３０の指令に応じて改質部２１に改質用燃料を供給し（またはバーナ２５ａに燃焼用燃料を供給し）、その供給量を調整するものである。脱硫器４４は改質用燃料中および燃焼用燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。

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５１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。

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。また、ＣＯシフト部２３は、一酸化炭素が低減された改質ガスをＣＯ浄化部２４を介して最終的にバーナ２５ａに供給するようになっている。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浄化部２４に接続されている連通管９３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浄化部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。

さらに、ＣＯシフト部２３には、内筒２３ｂからの折り返し部位に、その部位の温度を検出する温度センサ２３ｅ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。また、連通管９３には、その部位の温度を検出する温度センサ９３ａ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。温度センサ９３ａは、連通管９３上であればどこでもよく、ＣＯシフト部２３との接続部からＣＯ浄化部２４との接続部までに設ければよい。本実施形態においては、ＣＯシフト部２３および連通管９３にそれぞれ温度センサ２３ｅおよび９３ａを設けたが何れか一つを設けるようにしてもよい。

温度センサ９３ａは、連通管９３のＣＯシフト部２３の接続部と連通管９３の酸化用空気供給管６１の接続部との間にあれば酸化用空気温度の影響を受けにくい。一方、温度センサ９３ａは、連通管９３の酸化用空気供給管６１の接続部と連通管９３のＣＯ浄化部２４の接続部との間にあればバーナ２５ａに近い位置で水蒸気の到達を判断できるため、温度センサ９３ａの部分からバーナ２５ａまで水蒸気が到達するまでの時間の偏差が小さくなり、より正確にバーナ２５ａへの水蒸気到達を判断できる。

このようなＣＯシフト部２３は、改質部２１、蒸発部２６および燃焼部２５と熱の授受を直接行わないように改質部２１、蒸発部２６および燃焼部２５から離して設けられている。

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８０を有しており、ヒータ８０はヒータ８０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。

改質ガス通路２９は、円筒状に形成された筐体２９ａを備えている。筐体２９ａの上部には改質ガスの入口部２９ａ１が形成され、筐体２９ａの下部には改質ガスの出口部２９ａ２が形成されている。ヒータ８０は、入口部２９ａ１と出口部２９ａ２との間であって改質ガスの流路に配設されている。これにより、入口部２９ａ１から流入した改質ガスがヒータ８０に当たって加熱されて出口部２９ａ２から流出する。

改質ガス通路２９は、改質部２１、冷却部２２、ＣＯシフト部２３、ＣＯ浄化部２４、蒸発部２６と同様に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８０は、制御装置３０の指示に従ってオン・オフされるものである。ヒータ８０は、改質水が投入されると同時にＯＮされる。また、この段階では改質用燃料は投入されていないので、ヒータ８０の熱によってＣＯシフト部２３はほとんど加熱しないこと、水蒸気が発生してから始めてＣＯシフト部２３がヒータ８０の熱によっても加熱される。ヒータ８０がオンされると、ヒータ８０の熱が収容部２９ｄ、筐体２９ａ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。さらに、改質ガス通路２９を流通する改質ガスが加熱される。

ＣＯ浄化部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る。ＣＯ浄化部２４は、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。ＣＯ浄化部２４の内部には、触媒２４ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されている。

このＣＯ浄化部２４の側壁面下部および側壁面上部には、ＣＯシフト部２３に接続された連通管９３および燃料電池１０の燃料極１１に接続された改質ガス供給管７１がそれぞれ接続されている。連通管９３には、大気に開放された酸化用空気供給管６１が接続されている。これにより、ＣＯ浄化部２４には、ＣＯシフト部２３からの改質ガスと大気からの酸化用空気が導入されるようになっている。なお、酸化用空気供給管６１には、上流から順番に酸化用空気ポンプ６２および酸化用空気バルブ６３が設けられている。酸化用空気ポンプ６２は酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ６３は酸化用空気供給管６１を開閉するものである。

したがって、ＣＯ浄化部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（酸化）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、改質ガスが少なくとも供給されその改質ガスを酸化剤ガスで燃焼するバーナ２５ａと、バーナ２５ａで発生した燃焼ガスが改質部２１および蒸発部２６を加熱しながら流通する燃焼ガス流路２５ｂとを備えている。

バーナ２５ａは、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。バーナ２５ａは、第１および第２噴出器２５ａ１，２５ａ２を備えている。第１噴出器２５ａ１は、予混合燃焼方式に適した噴出器であり、熱量の大きい可燃ガス（本実施形態では、燃焼用燃料（天然ガス））の燃焼に適合したものである。第２噴出器２５ａ２は、拡散燃焼方式に適した噴出器であり、予混合燃焼より熱量の小さい可燃ガス（本実施形態では、改質ガス、アノードオフガス）の燃焼に適したものである。

第１噴出器２５ａ１には、燃焼用空気供給管６４が接続されている。燃焼用空気供給管６４には燃焼用空気ポンプ６５が設けられている。燃焼用空気ポンプ６５は酸化剤ガスである燃焼用空気を供給しその供給量を調整する酸化剤ガス供給手段である。燃焼用空気供給管６４には、燃焼用燃料供給管４７が接続されている。燃焼用燃料供給管４７には、燃焼用燃料バルブ４８が設けられている。燃焼用燃料バルブ４８は、制御装置３０の指令によって燃焼用燃料供給管４７を開閉するものである。第１噴出器２５ａ１で燃焼用燃料が燃焼される場合には、その燃焼用燃料に予め燃焼用空気が混合されるようになっている。なお、燃焼用空気は大気から供給されるようになっている。

第２噴出器２５ａ２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いる。第２噴出器２５ａ２には、燃料電池１０からのアノードオフガス、または燃料電池１０を通らないで供給されるＣＯ浄化部２４からの改質ガスが供給されるようになっている。第２噴出器２５ａ２で改質ガスまたはアノードオフガスが燃焼される場合には、第１噴出器２５ａ１から供給された燃焼用空気で燃焼されるようになっている。

燃料電池システム（改質装置２０）の起動運転開始から改質開始条件が成立するまでの間であって、バーナ２５ａで燃焼が行われる場合には、予混合燃焼が行われる。具体的には、第２燃料バルブ４５が閉じられ燃焼用燃料バルブ４８が開かれ燃料ポンプ４３が駆動されて、燃焼用燃料がバーナ２５ａの第１噴出器２５ａ１に供給され燃焼される。改質開始条件は、水蒸気がＣＯシフト部２３まで到達し、かつ、改質部２１の温度が所定温度（本実施形態では３００℃）以上であることである。

改質開始条件が成立した以降で起動運転が終了するまでは、拡散燃焼が行われる。具体的には、第２燃料バルブ４５が開かれ燃焼用燃料バルブ４８が閉じられ燃料ポンプ４３が駆動されるとともに、第２改質ガスバルブ７６が開かれ第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５が閉じられて、ＣＯ浄化部２４からの改質ガスが燃焼部２５の第２噴出器２５ａ２に供給され燃焼される。

燃料電池１０の定常運転時には、拡散燃焼が行われる。具体的には、第２燃料バルブ４５が開かれ燃焼用燃料バルブ４８が閉じられ燃料ポンプ４３が駆動されるとともに、第２改質ガスバルブ７６が閉じられ第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５が開かれて、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）が燃焼部２５の第２噴出器２５ａ２に供給されて燃焼される。

このように構成された燃焼部２５は着火されると、供給されている燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスが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。この燃焼ガスは、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とともに蒸発部２６を加熱して水蒸気を発生させるためのものである。燃焼ガスは、燃焼ガス流路２５ｂを流通し、排気管９１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をこの順番で加熱する。燃焼ガス流路２５ｂは、改質部２１の内周壁に沿って当接して配設され、折り返されて改質部２１の外周壁と断熱部２８との間に当接して配設され、折り返されて断熱部２８と蒸発部２６の間に当接して配設された流路である。

なお、燃焼部２５には、燃焼部２５の温度Ｔ１を検出する温度センサ２５ｃが設けられている。温度センサ２５ｃの検出結果は制御装置３０に送信されている。具体的には、温度センサ２５ｃは、バーナ２５ａまたは燃焼ガス流路２５ｂに設けられている。バーナ２５ａに設ける場合、火炎が直接当らない部位に設けるのが好ましい。燃焼ガス流路２５ｂに設ける場合、バーナにできる限り近い部位が好ましい。

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る。蒸発部２６は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路２５ｂの最も外側の流路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の下部（例えば側壁面下部、底面）には改質水タンクＳｗに接続された給水管５２が接続されている。蒸発部２６の上部（例えば側壁面上部）には水蒸気供給管５１が接続されている。改質水タンクＳｗから導入された改質水は、蒸発部２６内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびＣＯ浄化部２４からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気供給管５１および冷却部２２を介して改質部２２へ導出するようになっている。なお、給水管５２には、上流から順番に改質水ポンプ５３および改質水バルブ５４が設けられている。改質水ポンプ５３は、蒸発部２６に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。改質水バルブ５４は給水管５２を開閉するものである。

また、蒸発部２６には、蒸発部２６の温度Ｔ４を検出する温度センサ２６ａが設けられている。温度センサ２６ａの検出結果は制御装置３０に送信されている。温度センサ２６ａは、蒸発部２６の水蒸気導出部（水蒸気供給管５１が接続されている部分）付近に設けるのが好ましい。

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浄化部２４が接続されるとともに、燃料極１１の導出口にはオフガス供給管７２を介してバーナ２５ａが接続されている。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。

起動運転中には、ＣＯ浄化部２４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を開いている。定常運転（発電運転）中には、ＣＯ浄化部２４からの一酸化炭素濃度の低い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、大気に開放されたカソード用空気供給管６７が接続されるとともに、空気極１２の導出口には、大気に開放されている排気管９２が接続されている。空気極１２に空気が供給され、オフガスが排気されるようになっている。なお、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はカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ６９はカソード用空気供給管６７を開閉するものである。

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，２３ｅ，２５ｃ，２６ａ，９３ａ、各ポンプ４３，５３，６２，６５，６８、各バルブ４２，４５，４８，５４，６３，６９，７４，７５，７６、燃焼部２５、ヒータ８０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，２３ｅ，２５ｃ，２６ａ，９３ａからの各温度を入力して、各ポンプ４３，５３，６２，６５，６８、各バルブ４２，４５，４８，５４，６３，６９，７４，７５，７６、燃焼部２５およびヒータ８０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３のフローチャートを参照して説明する。制御装置３０は、図示しない起動スイッチがオンされると、起動運転を開始する（ステップ１００）。

まず、制御装置３０は、ステップ１０２において、バーナ２５ａを予混合燃焼方式で着火する。具体的には、制御装置３０は、燃焼用空気ポンプ６５の駆動を開始して、バーナ２５ａに燃焼用空気を予め設定されている規定流量Ａ１で供給する。これにより、燃焼部２５内を燃焼用空気でパージする。

次に、制御装置３０は、バーナ２５ａに内蔵のイグナイタ（図示省略）を通電する（イグナイタの代わりにグロープラグでもよい。）。なお、制御装置３０は、着火検知または燃焼用燃料を投入した時点から所定時間経過後にイグナイタ通電を停止する。また、着火はイグナイタやグロープラグによる着火だけでなく触媒点火などでもよい。

そして、制御装置３０は、第１燃料バルブ４２および燃焼用燃料バルブ４８を開き、燃料ポンプ４３を駆動して、バーナ２５ａの第１噴出器２５ａ１に燃焼用燃料を予め設定されている規定流量Ｂ１で供給することにより、バーナ２５ａを着火する。燃焼用燃料は先に供給されている燃焼用空気と混合され、その混合された燃料が第１噴出器２５ａ１で噴出され燃焼されるようになっている（すなわち、予混合燃焼方式で燃焼される）。なお、このとき、第２燃料バルブ４５は閉じられ、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５は閉じられ、第２改質ガスバルブ７６は開かれている。

このように燃焼用燃料の燃焼（予混合燃焼）が開始されると、その燃焼ガスが燃焼ガス流路２５ｂを通る際に、燃焼ガスによって改質部２１、蒸発部２６がこの順番で加熱されて昇温する。なお、蒸発部２６と同時にＣＯ浄化部２４も加熱される。

ステップ１０２において、制御装置３０は、さらに、上述した予混合燃焼方式による燃焼着火と同時にタイマＴＭ４のカウントを開始する。タイマＴＭ４は第４所定時間（本実施形態では、３００秒）でカウントが終了するように設定されている。イグナイタへの通電が終了してから次の通電が開始されるまでの非通電時間を短くし過ぎると、イグナイタに熱負担をかけてしまう。したがって、第４所定時間は、これを抑制するのに必要な時間に設定されている。

次に、制御装置３０は、燃焼部２５の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１−ａ（本実施形態では３００℃）より高くなると、改質水の投入を開始する。具体的には、制御装置３０は、ステップ１０４において、温度センサ２５ｃによって燃焼部２５の温度Ｔ１を検出し、この検出した温度Ｔ１が所定温度Ｔ１−ａ（例えば３００℃）より高いか否かを判定する。制御装置３０は、燃焼部２５の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１−ａ以下である場合には、「ＮＯ」と判定しステップ１０４の処理を繰り返し実行し、燃焼部２５の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１−ａ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１０６に進めて改質水の投入を開始する。すなわち、制御装置３０は、ステップ１０６において、改質水バルブ５４を開き、改質水ポンプ５３を所定供給量Ｍｗ１となるように駆動させ、蒸発部２６への改質水の投入を開始する。これにより、蒸発部２６で水蒸気が生成され、その水蒸気が改質部２１へ供給（投入）される。

さらに、バーナ２５ａの燃焼により、燃焼部２５の温度Ｔ１が、所定温度Ｔ１−ａより高い所定温度Ｔ１−ｂ（本実施形態では５００℃）より高くなると、制御装置３０は、バーナ２５ａを消火する。改質部２１の局所的な加熱を抑制するためである。

具体的には、制御装置３０は、ステップ１０８において、温度センサ２５ｃによって燃焼部２５の温度Ｔ１を検出し、この検出した温度Ｔ１が所定温度Ｔ１−ｂ（例えば５００℃）より高いか否かを判定する。制御装置３０は、燃焼部２５の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１−ｂ以下である場合には、「ＮＯ」と判定しステップ１０８の処理を繰り返し実行し、燃焼部２５の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１−ｂ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１１０に進めてバーナ２５ａを消火する。具体的には、ステップ１１０において、制御装置３０は、燃料ポンプ４３の駆動を停止する。これにより、バーナ２５ａへの燃焼用燃料に供給が停止され、バーナ２５ａの燃焼は停止される。

制御装置３０は、ステップ１１２において、バーナ２５ａの消火と同時に、燃焼用空気で燃焼部２５をパージするとともにタイマＴＭ２のカウントを開始する。具体的には、制御装置３０は、燃焼用空気ポンプ６２の吐出量を増大させることで、燃焼用空気の供給量（流量）をＡ１からＡ２へ増量する。これにより、燃焼用空気で燃焼部２５をパージすることができる。また、制御装置３０は、タイマＴＭ２のカウントを開始する。タイマＴＭ２は第２所定時間（本実施形態では１８０秒）でカウントが終了するように設定されている。第２所定時間は、燃焼用空気で燃焼部２５をパージするにあたって、燃焼部２５（バーナ２５ａ、燃焼排ガス流路２５ｂ）に残存する可燃ガス（燃焼用燃料、改質ガスやアノードオフガス）および燃焼排ガスを燃焼部２５から追い出すのに必要な時間に設定されている。第２所定時間は、燃焼用空気の流量、燃焼部２５の流路長、流路容積などを考慮して設定される。

そして、制御装置３０は、タイマＴＭ２のカウントが終了するまで待機する。すなわち、制御装置３０は、バーナ２５ａの消火時点から第２所定時間が経過するまでは、ステップ１１４にて「ＮＯ」の判定を繰り返す。

タイマＴＭ２のカウントが終了すると（バーナ２５ａの消火時点から第２所定時間が経過すると）、制御装置３０は、ステップ１１４にて「ＹＥＳ」と判定し、続いてタイマＴＭ３のカウントを開始する（ステップ１１６）。タイマＴＭ３は第３所定時間（本実施形態では４００秒）でカウントが終了するように設定されている。第３所定時間は、バーナ２５ａを消火した時点から再着火するまでに、改質部２１、蒸発部２６が過冷却となるのを抑制するのに必要かつ十分な時間に設定されている。起動時間の短縮化、燃焼用燃料などの燃料消費量を抑制し省エネ性を向上させるためである。

以下、１）消火時点から第２所定時間と第３所定時間の合計時間が経過する前に、ＣＯシフト部２３の温度Ｔ３が所定温度Ｔ３−ａより高くなった場合と、２）消火時点から第２所定時間が経過した時点すなわち第３所定時間の開始時点には、既にＣＯシフト部２３の温度Ｔ３が所定温度Ｔ３−ａより高くなっていた場合と、３）ＣＯシフト部２３の温度Ｔ３が所定温度Ｔ３−ａより高くなる前に、消火時点から第２所定時間と第３所定時間の合計時間が経過してしまう場合と、３つに場合分けして説明する。

１）消火時点から第２所定時間と第３所定時間の合計時間が経過する前に、ＣＯシフト部２３の温度Ｔ３が所定温度Ｔ３−ａより高くなった場合について
タイマＴＭ３のカウントが終了するとともにタイマＴＭ４のカウントが終了する前に（消火時点から第２所定時間＋第３所定時間の合計時間が経過する前に）、ＣＯシフト部２３の温度Ｔ３が所定温度Ｔ３−ａ（本実施形態では、９０℃）より高くなった場合、制御装置３０は、ステップ１２０，１１８で「ＮＯ」，「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップ１２２に進める。

具体的には、ステップ１１８において、制御装置３０は、温度センサ２３ｅによってＣＯシフト部２３の温度Ｔ３を検出し、この検出した温度Ｔ３が所定温度Ｔ３−ａより高いか否かを判定（ＣＯシフト部の高温判定）することで、蒸発部２６で生成された水蒸気がＣＯシフト部２３に到達したことを検知することができる（到達検知手段）。この所定温度Ｔ３−ａは水の沸点または沸点より小さくかつ所定温度（例えば１０℃）以内に設定された値である。所定温度Ｔ３−ａは、温度センサ２３ｅが温度測定を行う対象部位の状態が、水が液体相から気体相に変化する変化直前状態であると推定できる値に設定される。

水蒸気がＣＯシフト部２３に到達したことを、ＣＯシフト部２３の温度と所定温度（例えば、水の沸点）とを比較することで簡単かつ確実に検出できるのは、以下の理由による。起動運転中においては、燃料電池システムの停止直後に運転を再開するなどＣＯシフト部２３が高温である場合を除けば、ＣＯシフト部２３は、起動当初に比較的早期に高温となる燃焼部２５、改質部２１、蒸発部２６から熱の授受が直接なされず、ＣＯシフト部２３を流通する流体のみにより加熱されるため、ＣＯシフト部２３の温度はほぼ雰囲気温度から徐々に上昇する。また、ＣＯシフト部２３内には触媒２３ｄが充填されているが、水蒸気の到達前は触媒間の熱伝導率は小さいため温度上昇は小さい。一方、水蒸気の到達後は水蒸気により触媒間の熱伝導率が大きくなり温度上昇は大きくなる。

また、ＣＯシフト部２３からバーナ２５ａまでには熱的な不安要因が少ないので、ＣＯシフト部２３に水蒸気が到達した旨の検知を利用してバーナ２５ａに水蒸気が到達することを精度よくかつ確実に検知（推定）することが可能となる。なお、起動運転中とは、起動運転開始から終了までの期間のことをいい、起動時と同義である。

仮にステップ１１８で「ＮＯ」の場合には、ステップ１２０において、制御装置３０は、タイマＴＭ３のカウントが終了するとともにタイマＴＭ４のカウントが終了したか否かを判定する。制御装置３０は、タイマＴＭ３とタイマＴＭ４両方のカウントが終了すれば、「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップ１２８に進め、タイマＴＭ３とタイマＴＭ４の何れかのカウントが終了していなければ、「ＮＯ」と判定し、プログラムをステップ１１８に戻す。

ステップ１２２において、制御装置３０は、ＣＯシフト部２３の温度Ｔ３が所定温度Ｔ３−ａより高くなったとの判定（ＣＯシフト部の高温判定）と同時に、タイマＴＭ１のカウントを開始する。タイマＴＭ１は第１所定時間（本実施形態では３０秒）でカウントが終了するように設定されている。第１所定時間は、水蒸気がＣＯシフト部２３（厳密には温度センサ２３ｅ）に到達してからバーナ２５ａ（厳密には第２噴出器２５ａ２の噴出口）に到達する時間を規定しており、ＣＯシフト部２３からバーナ２５ａまでの配管容積、安全率、蒸発が安定する待ち時間などを考慮して決定されるものである。

そして、制御装置３０は、ステップ１２４において、タイマＴＭ１のカウントが終了するとともにタイマＴＭ４のカウントが終了したか否かを判定する。制御装置３０は、タイマＴＭ１とタイマＴＭ４両方のカウントが終了すれば、「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップ１２６に進め、タイマＴＭ１とタイマＴＭ４の何れかのカウントが終了していなければ、「ＮＯ」と判定し、プログラムをステップ１２４に戻す。

そして、制御装置３０は、ＣＯシフト部の高温判定を行った時点からタイマＴＭ１のカウントが終了するとともにタイマＴＭ４のカウントが終了した時点において、改質部２１の温度Ｔ２が所定温度Ｔ２−ａ（本実施形態では３００℃）以下である場合、ステップ１２６で「ＮＯ」と判定し、バーナ２５ａを予混合燃焼方式で再着火する（ステップ１２８）。

なお、ステップ１２８は万が一の場合のフロー（処理）であり、このステップが実行されることはほとんどない。ステップ１２８が実行されてもステップ１０８やステップ１１４で「ＹＥＳ」となり、かつステップ１１８で「ＮＯ」、ステップ１２０で「ＹＥＳ」となる条件の下ではステップ１２８の燃料不安定時に水蒸気がバーナ２５ａに到達することはない。また、後述する比較例では燃焼用燃料の燃焼時（２回目に着火時）に水蒸気がバーナ２５ａに到達してエミッション悪化しているが、燃焼不安定時にバーナ２５ａに水蒸気が到達するとエミッション悪化に繋がることを証明するためのモデル試験である。

ステップ１２８において、制御装置３０は、ステップ１０２と同様にバーナ２５ａを予混合燃焼方式で着火するとともにタイマＴＭ４のカウントを開始する。その後、制御装置３０は、燃焼部２５の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１−ｃ（本実施形態では４９０℃）より高くなると、プログラムをステップ１１０に進めてバーナ２５ａを消火する。具体的には、制御装置３０は、ステップ１３０において、上述したステップ１０４の処理と同様に、温度センサ２５ｃによって燃焼部２５の温度Ｔ１を検出し、この検出した温度Ｔ１が所定温度Ｔ１−ｃより高いか否かを判定する。制御装置３０は、燃焼部２５の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１−ｃ以下である場合には、「ＮＯ」と判定しステップ１３０の処理を繰り返し実行し、燃焼部２５の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１−ｃ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１１０に進める。なお、所定温度Ｔ１−ｃは、所定温度Ｔ１−ａより高く、所定温度Ｔ１−ｂより低い温度に設定されている。

一方、制御装置３０は、ＣＯシフト部の高温判定を行った時点からタイマＴＭ１のカウントが終了するとともにタイマＴＭ４のカウントが終了した時点において、改質部２１の温度Ｔ２が所定温度Ｔ２−ａ（本実施形態では３００℃）より高い場合、ステップ１２６で「ＹＥＳ」と判定し、バーナ２５ａを拡散燃焼方式で再着火する（ステップ１３２）。

具体的には、制御装置３０は、燃焼用空気をＡ２から減量する。制御装置３０は、燃焼部２５に内蔵のイグナイタ（図示省略）を通電する。そして、制御装置３０は、第２燃料バルブ４５を開くとともに燃焼用燃料バルブ４８を閉じ、燃料ポンプ４３を駆動して、改質部２１に改質用燃料を規定流量Ｂ２で供給することにより、バーナ２５ａを着火する。すなわち、改質用燃料が改質部２１に供給され、改質部２１で改質が開始されることで、生成された改質ガスが第２噴出器２５ａ２に供給されて噴出され、また、燃焼用空気は第１噴出器２５ａ１から噴出される。それら改質ガスと燃焼用空気がバーナ２５ａで拡散燃焼方式で燃焼されるようになっている。このとき、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５は閉じられており、第２改質ガスバルブ７６は開かれている。また、酸化用空気は規定流量で供給されている。

そして、制御装置３０は、バーナ２５ａを拡散燃焼方式で再着火した後、改質装置２０の所定各部位（改質部２１、ＣＯシフト部２３、ＣＯ浄化部２４）の温度がそれぞれの所定温度以上に到達すると（ステップ１３４）、起動運転を終了し（ステップ１３６）、ＣＯ浄化部２４からの改質ガスを燃料電池１０に供給し、燃料電池１０の発電を開始する。すなわち発電運転（定常運転）が開始される。このとき、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５は開かれており、第２改質ガスバルブ７６は閉じられている。なお、発電開始は、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定値より低くなることによって判断するようにしてもよい。

２）消火時点から第２所定時間が経過した時点すなわち第３所定時間の開始時点には、既にＣＯシフト部２３の温度Ｔ３が所定温度Ｔ３−ａより高くなっていた場合について
消火時点から第２所定時間が経過した時点すなわち第３所定時間の開始時点には、既にＣＯシフト部２３の温度Ｔ３が所定温度Ｔ３−ａより高くなっていた場合には、制御装置３０は、ステップ１１８で「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップ１２２に進める。

制御装置３０は、上述したステップ１２２以降の処理と同様な処理を実行する。すなわち、消火時点から第２所定時間が経過した時点すなわち第３所定時間の開始時点からタイマＴＭ１のカウントを開始する（ステップ１２２）。

そして、制御装置３０は、消火時点から第２所定時間が経過した時点すなわち第３所定時間の開始時点からタイマＴＭ１のカウントが終了するとともにタイマＴＭ４のカウントが終了した時点において、改質部２１の温度Ｔ２が所定温度Ｔ２−ａ以下である場合、バーナ２５ａを予混合燃焼方式で再着火する（ステップ１２８）。

一方、制御装置３０は、消火時点から第２所定時間が経過した時点すなわち第３所定時間の開始時点からタイマＴＭ１のカウントが終了するとともにタイマＴＭ４のカウントが終了した時点において、改質部２１の温度Ｔ２が所定温度Ｔ２−ａより高い場合、バーナ２５ａを拡散燃焼方式で再着火する（ステップ１３２）。

３）ＣＯシフト部２３の温度Ｔ３が所定温度Ｔ３−ａより高くなる前に、消火時点から第２所定時間と第３所定時間の合計時間が経過してしまう場合について
ＣＯシフト部２３の温度Ｔ３が所定温度Ｔ３−ａより高くなる前に、消火時点から第２所定時間と第３所定時間の合計時間が経過した場合、制御装置３０は、ステップ１１８，１２０で「ＮＯ」，「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップ１２８に進めて、バーナ２５ａを予混合燃焼方式で再着火する。

さらに、上述した燃料電池システムの作動について図４のタイムチャートを参照して説明する。図４は、起動開始と同時に予混合燃焼方式で燃焼を開始し、１回目の再着火（予混合燃焼方式）は水蒸気の到達の後に行い、２回目の再着火（拡散燃焼方式）で改質を開始する場合を示すタイムチャートである。なお、燃焼部２５の温度Ｔ１および改質部２１の温度Ｔ２を細く薄い実線で示し、ＣＯシフト部２３の温度Ｔ３を太い濃い実線で示し、蒸発部２６の温度Ｔ４を太い濃い破線で示す。

この場合、時刻ｔ１に、起動運転が開始される。具体的には、燃焼用空気が規定量Ａ１で供給される。燃焼用燃料バルブ４８が開かれ、バーナ２５ａの第１噴出器２５ａ１に燃焼用燃料が予め設定されている規定流量Ｂ１で供給される。そして、バーナ２５ａで燃焼用燃料の着火・燃焼（予混合燃焼）が開始される（ステップ１０２）。同時にタイマＴＭ４のカウントが開始される。なお、タイマＴＭ４は時刻ｔ３（時刻ｔ１から第４所定時間経過時点）にカウントが終了する。そして、燃焼部２５の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１−ａ（３００℃）に到達すると（時刻ｔ２）、改質水の供給が開始される（ステップ１０６）。

燃焼部２５の温度Ｔ１が昇温し所定温度Ｔ１−ｂ（５００℃）に達すると（時刻ｔ４）、燃焼用燃料バルブ４８が閉じられ第２燃料バルブ４５が開かれ燃料ポンプ４３の駆動が停止され、バーナ２５ａが消火される、すなわち予混合燃焼が停止される（ステップ１１０）。同時に燃焼用空気の供給量がＡ２に増量され、燃焼部２５（燃焼空間）のパージが開始される（ステップ１１２）。また、同時にタイマＴＭ２のカウントが開始される（ステップ１１２）。

タイマＴＭ２のカウントが終了すると（時刻ｔ５）、続けてタイマＴＭ３のカウントが開始される（ステップ１１６）。タイマＴＭ３は時刻ｔ７（時刻ｔ５から第３所定時間経過時点）にカウントが終了する。

バーナ２５ａの消火中の所定時間帯内である時刻ｔ６に、水蒸気がＣＯシフト部２３に到達したことを検知すると（ステップ１１８，１２０）、タイマＴＭ１のカウントが開始される（ステップ１２２）。タイマＴＭ３のカウントが終了する前にＣＯシフト部２３の温度Ｔ３が所定温度Ｔ３−ａより高くなった、すなわち水蒸気がＣＯシフト部２３に到達したことを検出したからである。タイマＴＭ１のカウントが終了した時点（時刻ｔ８）において、改質部２１の温度Ｔ２が所定温度Ｔ２−ａ（３００℃）より低いので、バーナ２５ａが予混合燃焼方式で再着火される（ステップ１２８）。なお、時刻ｔ８は時刻ｔ６から第１所定時間経過した時点である。また、再着火と同時にタイマＴＭ４のカウントが開始される。なお、タイマＴＭ４は時刻ｔ９（時刻ｔ８から第４所定時間経過時点）にカウントが終了する。

燃焼部２５の温度Ｔ１が昇温し、時刻ｔ１０に所定温度Ｔ１−ｃ（４９０℃）に達すると（ステップ１３０）、バーナ２５ａが消火される（ステップ１１０）。同時に燃焼用空気の供給量がＡ２に増量され、燃焼部２５（燃焼空間）のパージが開始される（ステップ１１２）。また、同時にタイマＴＭ２のカウントが開始される（ステップ１１２）。

タイマＴＭ２のカウントが終了すると（時刻ｔ１１）、続けてタイマＴＭ３のカウントが開始される（ステップ１１６）。タイマＴＭ３は時刻ｔ１３（時刻ｔ１１から第３所定時間経過時点）にカウントが終了する。

しかし、タイマＴＭ３のカウントが開始された時刻ｔ１１において、すでにＣＯシフト部２３の温度Ｔ３は所定温度Ｔ３−ａより高くなっているので、すなわち、水蒸気がＣＯシフト部２３に到達したことをすでに検知しているので（ステップ１１８）、すぐにタイマＴＭ１のカウントが開始される（ステップ１２２）。そして、タイマＴＭ１のカウントが終了した時点（時刻ｔ１２）において、改質部２１の温度Ｔ２が所定温度Ｔ２−ａ（３００℃）より高いので、バーナ２５ａが拡散燃焼方式で再着火される（ステップ１３２）。

この場合、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）は、時刻ｔ１から時刻ｔ４まで、時刻ｔ８から時刻ｔ９まで、時刻ｔ１２から時刻ｔ１３まで、バーナ２５ａの着火（再着火）の直後にピークがあるものの、そのピーク値は６００ｐｐｍより小さく、その他の部分においては、ほとんど０ｐｐｍである。このように、低エミッションを達成することができる。

なお、比較例を図５のタイムチャートを参照して説明する。図５は、図４と同様に、起動開始と同時に予混合燃焼方式で燃焼を開始し、１回目の再着火（予混合燃焼方式）後に水蒸気が到達し、その後２回目の再着火（拡散燃焼方式）で改質を開始する場合を示すタイムチャートである。なお、燃焼部２５の温度Ｔ１および改質部２１の温度Ｔ２を細く薄い実線で示し、ＣＯシフト部２３の温度Ｔ３を太い濃い実線で示し、蒸発部２６の温度Ｔ４を太い濃い破線で示す。

この場合、時刻ｔ２１に、起動運転が開始される。具体的には、燃焼用空気が規定量Ａ１で供給される。燃焼用燃料バルブ４８が開かれ、バーナ２５ａの第１噴出器２５ａ１に燃焼用燃料が予め設定されている規定流量Ｂ１で供給される。そして、バーナ２５ａで燃焼用燃料の着火・燃焼（予混合燃焼）が開始される。

燃焼部２５の温度Ｔ１が昇温し所定温度Ｔ１−ｄ（５３０℃）に達すると（時刻ｔ２２）、燃焼用燃料バルブ４８が閉じられ第２燃料バルブ４５が開かれ燃料ポンプ４３の駆動が停止され、バーナ２５ａが消火される。

その後、時刻ｔ２３に、バーナ２５ａが予混合燃焼方式で再着火される。そして、時刻ｔ２４に、水蒸気がＣＯシフト部２３に到達した後、しばらくして時刻ｔ２５に、バーナ２５ａが消火される。その後、時刻ｔ２６に、バーナ２５ａが拡散燃焼方式で再着火される。

この場合、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）は、バーナ２５ａの着火（再着火）の直後にピークがあるものの、そのピーク値は６００ｐｐｍより小さいが、水蒸気がバーナ２５ａに到達したと思われる時刻（時刻ｔ２４より後の時点）以降には燃焼状態が悪くなり高エミッション（高ＣＯ濃度）となっている。

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、到達検知手段（制御装置３０、ステップ１１８）は、改質部２１、蒸発部２６および燃焼部２５と熱の授受を直接行わないように改質部２１、蒸発部２６および燃焼部２５から離して設けられたＣＯシフト部２３の温度に基づいて、水蒸気が温度検出手段（温度センサ２３ｅ）の設置位置すなわちＣＯシフト部２３に到達したことを検知する。このとき、起動運転中（起動時）においては、燃料電池システムの停止直後に運転を再開するなどＣＯシフト部２３が高温である場合を除けば、ＣＯシフト部２３は、起動当初すぐに高温となる燃焼部２５、改質部２１、蒸発部２６から熱の授受が直接なされず、ＣＯシフト部２３を流通する流体のみにより加熱されるため、ＣＯシフト部２３の温度はほぼ雰囲気温度から徐々に上昇する。また、ＣＯシフト部２３内には触媒２３ｄが充填されているが、水蒸気の到達前は触媒間の熱伝導率は小さいため温度上昇は小さい。一方、水蒸気の到達後は水蒸気により触媒間の熱伝導率が大きくなり温度上昇は大きくなる。このことから、水蒸気がＣＯシフト部２３に到達したことを、ＣＯシフト部２３の温度Ｔ３と所定温度Ｔ３−ａ（例えば、水の沸点）とを比較することで簡単かつ確実に検出できる。さらには、ＣＯシフト部２３からバーナ２５ａまでには熱的な不安要因が少ないので、ＣＯシフト部２３に水蒸気が到達した旨の検知を利用してバーナ２５ａに水蒸気が到達することを精度よくかつ確実に検知することが可能となる。ひいては、バーナ２５ａ（燃焼部２５）の着火性、燃焼性（エミッション性）を向上させることが可能となる。

また、到達検知手段（制御装置３０、ステップ１１８）は、改質部２１、蒸発部２６および燃焼部２５と熱の授受を直接行わないように改質部２１、蒸発部２６および燃焼部２５から離して設けられたＣＯシフト部２３、およびＣＯシフト部２３とＣＯ浄化部２４とを連通する連通管９３のいずれかの温度に基づいて、水蒸気が温度検出手段（温度センサ２３ｅまたは温度センサ９３ａ）の設置位置すなわちＣＯシフト部２３または連通管９３に到達したことを検知する。このとき、ＣＯシフト部においては、請求項１と同様な作用効果を得ることができる。連通管９３においては、ＣＯシフト部２３の温度とほとんど同様に変動するため、水蒸気が連通管９３に到達したことを、連通管９３の温度と所定温度（例えば、水の沸点）とを比較すること（ステップ１１８においてＣＯシフト部２３の温度に代えて連通管９３の温度を使用すればよい。）で簡単かつ確実に検出できる。さらには、連通管９３からバーナ２５ａまでには熱的な不安要因が少ないので、連通管９３に水蒸気が到達した旨の検知を利用してバーナ２５ａに水蒸気が到達することを精度よくかつ確実に検知することが可能となる。ひいては、バーナ２５ａ（燃焼部２５）の着火性、燃焼性（エミッション性）を向上させることが可能となる。

また、起動時において、バーナ２５ａで燃焼用燃料を燃焼したのち消火し、バーナ２５ａの消火中に到達検知手段（制御装置３０、ステップ１１８）が水蒸気を検知したのちにバーナ２５ａで改質ガスを着火・燃焼するように制御する着火制御手段（制御装置３０）を備えた。これにより、一度着火し、消火したのち、バーナ２５ａへの水蒸気到達を確認してから再着火することができる。ところで、一度目の燃焼の熱で水蒸気が発生するが、その水蒸気が、再着火しまだ燃焼不安定なときにバーナ２５ａに到達するとエミッション（ＣＯ濃度増大）が悪化する。しかし、本発明のようにバーナ２５ａへの水蒸気到達を確認したのちに再着火することにより、エミッション悪化を抑えることができる。

また、着火制御手段は、温度検出手段２３ｅにより検出される温度が所定温度よりも高くなった時点から第１所定時間（ＴＭ１）が経過したのちにバーナ２５ａで改質ガスに着火するように制御する。これにより、起動時において、バーナ２５ａの消火中に温度検出手段２３ｅにより検出される温度が所定温度よりも高くなった時点（到達検知手段が水蒸気を検知した時点）から第１所定時間の経過をまって、バーナ２５ａを再着火する。したがって、第１所定時間を水蒸気がＣＯシフト部２３または連通管９３に到達した後バーナ２５ａまでにかかる時間に設定することにより、バーナ着火時に水蒸気が到達するのを確実に抑制することで、バーナ２５ａ（燃焼部２５）の着火性、燃焼性（エミッション性）を向上させることができる。なお、バーナ着火時とは、着火手段が動作しているとき（実施形態ではイグナイタＯＮの間）、あるいは着火手段がＯＮされてから所定時間内であることである。

また、着火制御手段（制御装置３０、ステップ１２８）は、バーナ２５ａを消火してから所定時間（ＴＭ２＋ＴＭ３）内に、到達検知手段（制御装置３０、ステップ１１８）が水蒸気の到達を検知しない場合、バーナ２５ａで燃焼用燃料を再度燃焼したのち消火するように制御する。これにより、改質部２１、蒸発部２６の温度を必要以上に低下させないで（過冷却するのを抑制し）、起動時間の短縮化を図ることができる。

また、着火制御手段（制御装置３０、ステップ１３２，１２８）は、第１所定時間が経過した時点において、改質部２１の温度が所定温度以下である場合には、バーナ２５ａで燃焼用燃料を再度燃焼したのち消火し、改質部２１の温度が所定温度より高い場合には、バーナ２５ａで改質ガスを着火・燃焼するように制御する。これにより、燃焼部２５、改質部２１の熱を利用することでバーナ消火中においても下流の構成部材を加熱するのを確保しつつバーナ着火時に水蒸気が到達するのを確実に抑制することで、バーナ２５ａ（燃焼部２５）の着火性、燃焼性（エミッション性）を向上させることができるのに加えて、改質部２１の温度が所定温度より高いことを条件に、バーナを改質ガスで着火・燃焼することで確実に再着火させることができる。

また、燃料電池システムは、上述した改質装置２０と、改質装置２０から供給される一酸化炭素の低減された改質ガスと酸化剤ガスとから発電する燃料電池１０とを備えた。これにより、その燃料電池システムにおいても、上述した請求項１から請求項６の作用効果を得ることができる。

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）、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２３ｅ…温度センサ（温度検出手段）、２４…一酸化炭素浄化部（ＣＯ浄化部）、２５…燃焼部、２５ａ…バーナ、２５ａ１…第１噴出器、２５ａ２…第２噴出器、２５ｂ…燃焼ガス流路、２５ｃ…温度センサ、２６…蒸発部、２６ａ…温度センサ、２８…断熱部、３０…制御装置（到達検知手段、着火制御手段）、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…燃焼用燃料バルブ、５１…水蒸気供給管、５２…給水管、５３…改質水ポンプ、５４…改質水バルブ、６１…酸化用空気供給管、６２…酸化用空気ポンプ、６３…酸化用空気バルブ、６４…燃焼用空気供給管、６５…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、８０…ヒータ、９１，９２…排気管、９３…連通管、９３ａ…温度センサ（温度検出手段）、Ｓｆ…燃料供給源、Ｓｗ…水タンク。

Claims (6)

1. 改質用燃料と水蒸気が供給されて改質ガスを生成する改質部と、
   改質水が供給され前記改質水を蒸発させて前記水蒸気を前記改質部に供給する蒸発部と、
   前記改質ガスが少なくとも供給され前記改質ガスを酸化剤ガスで燃焼するバーナと、前記バーナで発生した燃焼ガスが前記改質部および前記蒸発部を加熱しながら流通する燃焼ガス流路とを備えた燃焼部と、
   前記改質部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素を低減して前記バーナに供給するＣＯシフト部と、を備えた改質装置であって、
   前記ＣＯシフト部は、前記改質部、前記蒸発部および前記燃焼部と熱の授受を直接行わないように前記改質部、前記蒸発部および前記燃焼部から離して設けられ、
   前記ＣＯシフト部の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段により検出された温度に基づいて、前記水蒸気が前記温度検出手段の設置位置に到達したことを検知する到達検知手段と、
   起動時において、前記バーナで燃焼用燃料を燃焼したのち消火し、前記バーナの消火中に前記到達検知手段が前記水蒸気を検知したのちに前記バーナで前記改質ガスを着火・燃焼するように制御する着火制御手段と、を備えたことを特徴とする改質装置。
2. 改質用燃料と水蒸気が供給されて改質ガスを生成する改質部と、
   改質水が供給され前記改質水を蒸発させて前記水蒸気を前記改質部に供給する蒸発部と、
   前記改質ガスが少なくとも供給され前記改質ガスを酸化剤ガスで燃焼するバーナと、前記バーナで発生した燃焼ガスが前記改質部および前記蒸発部を加熱しながら流通する燃焼ガス流路とを備えた燃焼部と、
   前記改質部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯシフト部と、
   前記ＣＯシフト部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して前記バーナに供給するＣＯ浄化部と、
   前記ＣＯシフト部と前記ＣＯ浄化部とを連通する連通管と、を備えた改質装置であって、
   前記ＣＯシフト部は、前記改質部、前記蒸発部および前記燃焼部と熱の授受を直接行わないように前記改質部、前記蒸発部および前記燃焼部から離して設けられ、
   前記ＣＯシフト部および前記連通管のいずれかの温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段により検出された温度に基づいて、前記水蒸気が前記温度検出手段の設置位置に到達したことを検知する到達検知手段と、
   起動時において、前記バーナで燃焼用燃料を燃焼したのち消火し、前記バーナの消火中に前記到達検知手段が前記水蒸気を検知したのちに前記バーナで前記改質ガスを着火・燃焼するように制御する着火制御手段と、を備えたことを特徴とする改質装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記着火制御手段は、前記温度検出手段により検出される温度が所定温度よりも高くなった時点から第１所定時間が経過したのちに前記バーナで前記改質ガスに着火するように制御することを特徴とする改質装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項において、前記着火制御手段は、前記バーナを消火してから所定時間内に、前記到達検知手段が前記水蒸気の到達を検知しない場合、前記バーナで燃焼用燃料を再度燃焼したのち消火するように制御することを特徴とする改質装置。
5. 請求項３または請求項４において、前記着火制御手段は、前記第１所定時間が経過した時点において、前記改質部の温度が所定温度以下である場合には、前記バーナで燃焼用燃料を再度燃焼したのち消火し、前記改質部の温度が所定温度より高い場合には、前記バーナで前記改質ガスを着火・燃焼するように制御することを特徴とする改質装置。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の改質装置と、前記改質装置から供給される一酸化炭素の低減された改質ガスと酸化剤ガスとから発電する燃料電池とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。

Images