(57)【要約】【課題】触媒燃焼部の着火性、燃焼性の向上に有利な燃料ガス処理装置を提供する。【解決手段】燃料ガス処理装置は、一酸化炭素を含み得る燃料ガスを供給するガス供給部２と、触媒５ｃを有し燃料ガスを触媒５ｃで酸化反応させる触媒燃焼部５とを備えている。触媒燃焼部５に供給される前の燃料ガスに含まれている一酸化炭素を低減させて燃料ガスを浄化させ、触媒燃焼部５における着火性を高める一酸化炭素低減部を備えている。【選択図】図２
2006233011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一酸化炭素を含み得る燃料ガスを供給するガス供給部と、
触媒を有し燃料ガスを触媒で酸化反応させる触媒燃焼部とを具備している燃料ガス処理装置において、
前記触媒燃焼部に供給される前の燃料ガスに含まれている一酸化炭素を低減させて、前記触媒燃焼部における着火性を高める一酸化炭素低減部を具備することを特徴とする燃料ガス処理装置。
【請求項２】
請求項１において、起動時において前記一酸化炭素低減部の温度がこれの活性化温度領域に到達する時間を促進させる活性化促進手段が設けられていることを特徴とする燃料ガス処理装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記ガス供給部は、改質原料を改質させて改質ガスを燃料ガスとして生成する改質部本体と、燃焼により前記改質部本体を加熱する燃焼部とを有しており、且つ、
前記一酸化炭素低減部は、前記改質部本体および／または前記燃焼部からの熱が伝達される位置に伝熱可能に配設されていることを特徴とする燃料ガス処理装置。
【請求項４】
請求項２または３において、前記活性化促進手段は、前記改質部の前記燃焼部から燃焼排ガスを前記一酸化炭素低減部に供給し燃焼排ガスの熱により前記一酸化炭素低減部を加熱する燃焼排ガス通路を有していることを特徴とする燃料ガス処理装置。
【請求項５】
請求項２〜４のうちのいずれか一項において、前記活性化促進手段は、前記一酸化炭素低減部を加熱する加熱部であることを特徴とする燃料ガス処理装置。
【請求項６】
請求項２〜５のうちのいずれか一項において、前記活性化促進手段は、起動時に前記一酸化炭素低減部に酸素を供給することを特徴とする燃料ガス処理装置。
【請求項７】
請求項２〜請求項６のうちのいずれか一項において、前記活性化促進手段は、水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスを前記触媒燃焼部に導入する導入手段と、水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスを前記導入手段により前記触媒燃焼部に導入する前に、酸素を主成分とするガスを前記触媒燃焼部に供給する酸素供給手段とを具備していることを特徴とする燃料ガス処理装置。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のうちのいずれか一項において、燃料ガスは水素を含有することを特徴とする燃料ガス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料ガスを触媒で酸化反応させる触媒を有する触媒燃焼部を備える燃料ガス処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料ガス処理装置として、燃料ガスを供給するガス供給部と、触媒を有し燃料ガスを触媒で酸化反応させる触媒燃焼部とを有するものが知られている。また特許文献１には、メタノールとＨ2Ｏとを反応させ、水素及び一酸化炭素（以下、ＣＯともいう）を含む改質ガスを生成する技術が開示されている。このものでは、改質部の上流に設けた熱交換器において、ＣＯを含む可燃性ガスを触媒成分により触媒燃焼させる技術が開示されている。このものでは、触媒成分としてＰｄＯ及びＰｔが有効であることが記載されている。
【特許文献１】特開２００３−０８１６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記した燃料ガス処理装置では、燃料ガスにＣＯガスが含まれていることがある。この場合ＣＯガスの濃度が高くなると、触媒燃焼部の触媒にＣＯが吸着するため、着火性、燃焼性が阻害される。触媒燃焼部の温度を高くしたとしても、触媒燃焼部の着火性、燃焼性が阻害される。触媒燃焼部が着火しないまま、ＣＯガスを含む燃料ガスが触媒燃焼部に供給されると、ＣＯガスが触媒燃焼部に過剰に吸着するため、触媒燃焼部がますます着火しにくくなる不具合がある。
【０００４】
また、上記した特許文献１では、触媒燃焼させる触媒燃焼部としての機能を有する熱交換器を備えた改質装置が開示されている。しかしながら上記した特許文献１では、ＣＯガスを含む燃料ガスに対しては、触媒成分としてＰｄＯ及びＰｔが有効である旨が記載されているものの、ＣＯガスを低減させることにより触媒燃焼部における着火性、燃焼の安定性を図る方策については、言及されていない。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、ＣＯガスを低減させることにより触媒燃焼部の着火性、燃焼性の向上に有利な燃料ガス処理装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
様相１に係る燃料ガス処理装置は、一酸化炭素を含み得る燃料ガスを供給するガス供給部と、触媒を有し燃料ガスを触媒で酸化反応させる触媒燃焼部とを具備している燃料ガス処理装置において、触媒燃焼部に供給される前の燃料ガスに含まれている一酸化炭素を低減させて、触媒燃焼部における着火性を高める一酸化炭素低減部を具備することを特徴とするものである。
【０００７】
本発明に係る燃料ガス処理装置によれば、触媒燃焼部に供給される前の燃料ガスに含まれている一酸化炭素を一酸化炭素低減部により低減させ、触媒燃焼部に供給される前の燃料ガスを浄化させる。このため一酸化炭素が触媒燃焼部に過剰に吸着することが抑制され、触媒燃焼部における着火性、燃焼性を高めことができる。
【０００８】
様相２に係る燃料ガス処理装置によれば、起動時において一酸化炭素低減部の温度がこれの活性化温度領域に到達する時間を促進させる活性化促進手段が設けられていることを特徴とする。起動時においても、一酸化炭素低減部の温度がこれの活性化温度領域に到達する時間を活性化促進手段により促進させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料ガス処理装置によれば、触媒燃焼部に供給される前の燃料ガスに含まれている一酸化炭素を一酸化炭素低減部により低減させ、触媒燃焼部に供給される前の燃料ガスを浄化させる。このため一酸化炭素が触媒燃焼部の触媒に過剰に吸着することが抑制され、触媒燃焼部の温度が低いときであっても、触媒燃焼部における着火性、燃焼性を高めことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
燃料ガス処理装置は、一酸化炭素を含み得る燃料ガスを供給するガス供給部と、燃料ガスを触媒で酸化反応させる触媒を有する触媒燃焼部と、一酸化炭素低減部を備えている。燃料ガスは水素を主要成分とする（例えば１０モル％以上）と共に一酸化炭素を含み得るガスである形態を例示することができる。水素は比重及び粘性が小さく、拡散係数が高く、更に低温着火性、低温燃焼性に優れ、更に、燃焼速度が速く、燃焼により水分が生成されるという性質を有する。一酸化炭素低減部は、触媒燃焼部に供給される前の燃料ガスに含まれている一酸化炭素を低減させて燃料ガスを浄化させる。これにより触媒燃焼部における着火性を高める。
【００１１】
一酸化炭素低減部としては、燃料ガス中のＣＯの濃度を低減させるものである。一酸化炭素低減部は、燃料ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させるＣＯ第１低減部と、燃料ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を更に低減させるＣＯ第２低減部とを有することができる。ＣＯ第１低減部及びＣＯ第２低減部のうちの一方は、ＣＯとＨ2Ｏとを反応させてＣＯを低減させる方式を例示することができる。ＣＯ第１低減部及びＣＯ第２低減部のうちの他方は、ＣＯとＯ2とを反応させてＣＯを低減させる方式を例示することができる。
【００１２】
触媒燃焼部としては、一酸化炭素低減部を暖機するように一酸化炭素低減部の上流側に配設されている形態を例示することができる。起動時に一酸化炭素低減部を暖機するため、一酸化炭素低減部を早期に活性温度領域に到達されるのに有利である。触媒燃焼部は、ガス供給部に連通して配設されており、燃料ガスを触媒で酸化反応させる触媒を担持する。触媒燃焼は、燃料ガスの成分と酸素とを触媒の存在下で酸化反応させる燃焼であり、多くの場合には無炎燃焼の形態（場合によっては有炎燃焼）で燃焼し、触媒を用いない通常の燃焼に比較して燃焼開始温度及び燃焼温度が低い。またガスの組成が変動するときであっても、着火性、燃焼性を安定化させ得る。なお、無炎燃焼は目視で炎が実質的に視認できない酸化燃焼の形態をいう。用いられる触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム等の白金属金属、あるいは、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、クロム、銀等を含む金属酸化物のうちの少なくとも１種を例示できる。触媒は担体に担持されていてもよい。担体としてはペレット担体でも、モノリス担体でもよい。触媒燃焼部は一酸化炭素低減部を暖機させるものでもよい。
【００１３】
上記したガス供給部は、改質原料を改質させて改質ガスを燃料ガスとして生成する改質部本体と、燃焼により改質部本体を加熱する燃焼部とを有する形態を例示することができる。この場合、一酸化炭素低減部としては、改質部本体および／または燃焼部からの熱が伝達される位置に伝熱可能に配設されている形態を例示することができる。この場合、起動時においても、一酸化炭素低減部は早期に活性温度領域に到達できるため、燃料ガスのＣＯ濃度を低減させるのに貢献できる。
【００１４】
本発明によれば、起動時において一酸化炭素低減部の温度が活性化温度領域に到達する時間を促進させる活性化促進手段が設けられている形態を例示することができる。活性化促進手段としては、一酸化炭素低減部を直接的又は間接的に加熱する電気ヒータ等の加熱部である形態を採用することができる。電気ヒータであれば、制御性が良好である。
【００１５】
また活性化促進手段は、改質部の燃焼部から燃焼排ガスを一酸化炭素低減部に供給し燃焼排ガスの熱により一酸化炭素低減部を加熱する燃焼排ガス通路を有している形態を例示することができる。起動時には改質部の燃焼部から高温の燃焼排ガスが燃焼排ガス通路に排出されるため、一酸化炭素低減部を短時間に加熱できる。この場合、起動時においても、一酸化炭素低減部を早期に活性温度領域に到達できるため、改質ガスのＣＯ濃度を低減させるのに貢献できる。また活性化促進手段は、起動時に一酸化炭素低減部に酸素を供給する形態を例示することができる。これにより一酸化炭素と酸素とを反応させ、起動時におけるＣＯ濃度を低減させるのに貢献できる。
【００１６】
本発明によれば、活性化促進手段は、水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスを触媒燃焼部に導入する導入手段と、水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスを導入手段により触媒燃焼部に導入する前に、酸素を主成分とするガス（一般的には空気）を触媒燃焼部に供給する酸素供給手段とを備えている形態を例示することができる。このように酸素を主成分とするガスが触媒燃焼部に供給された状態で、水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスが触媒燃焼部に供給されると、燃料ガスが一酸化炭素を含むときであっても、触媒燃焼部の着火性が確保され易い。一酸化炭素は触媒燃焼部の触媒に吸着されて触媒活性を低下させる傾向をもつ。しかしながら燃焼しやすい水素が存在すれば、水素の燃焼容易性のため、触媒燃焼部は着火し易くなる。ここで、水素分子は軽量で粘性が小さく、一酸化炭素の分子よりも流速が速いため、一酸化炭素の分子よりも水素の分子が触媒燃焼部に到達し易く、水素リッチの雰囲気を一時的に触媒燃焼部に生成し易いことも起因していると推察される。
【００１７】
本発明によれば、触媒燃焼部の触媒燃焼を制御する触媒燃焼制御部が設けられている形態を例示することができる。触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部の着火の際に、燃料ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域において触媒燃焼部を着火させる着火操作と、着火後に、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作とを実行することができる。着火は、酸化燃焼反応が開始され、持続するようになる現象をいう。着火の有無については、例えば、触媒燃焼部の温度がある温度上昇することにより着火と判定することができる。触媒燃焼における燃焼性は良好であるため、可燃範囲から外れる領域においても触媒燃焼部を着火させることができる。着火後に、触媒燃焼部に供給する空気の流量を増加すれば、触媒燃焼部における酸化反応の安定性も向上し、更に、触媒燃焼部における発熱量、昇温性も確保される。従って、燃焼性を阻害するＣＯが燃料ガスに含まれているときであっても、燃料ガスの可燃成分と空気との比である空燃比が変動するときであっても、あるいは、触媒の温度が低い、燃料ガスに水蒸気や水滴などの湿分が存在しているとき等であっても、触媒燃焼部の燃焼の制御に容易となる。
【実施例１】
【００１８】
以下、本発明の実施例１を図面を参照して具体的に説明する。本実施例に係る改質装置は燃料電池発電システムに適用したものである。図１は改質装置のシステム図である。図２は改質装置の要部を模式的に示す図である。図３及び図４は触媒燃焼部を示す。図１に示すように、燃料電池のスタック１が設けられている。スタック１は燃料電池の複数のセルを積層したものである。セルは、改質ガス（燃料ガス）が供給される燃料極１０と、酸化剤としての酸素を含む酸素含有ガスが供給される酸化剤極１１と、燃料極１０及び酸化剤極１１で挟持された電解質膜１２とを有する。
【００１９】
燃料ガス処理装置は、改質原料を水蒸気改質させることにより水素を主要成分とする改質ガス（燃料ガス）を生成する改質部（ガス供給部）２と、改質部２で生成された改質ガスに含まれている不純物としての一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部３Ａとを備えている。改質原料は燃料系原料及び水系原料である。燃料系原料は例えば都市ガス、ＬＰＧ、灯油、ジエチルエーテル等の炭化水素系燃料、メタノール等のアルコール系燃料等が例示される。
【００２０】
図２に示すように、改質部２は、改質反応を促進させる改質触媒２０ｃを有する改質部本体２０と、燃料系原料及び空気が供給されるバーナ２１と、燃料系原料が燃焼するリング状断面を有する円筒状の燃焼帯２２と、燃焼帯２２から伝達された熱により水系原料を蒸発させるリング状断面を有する円筒状の蒸発部２３とを有する。バーナ２１と燃焼帯２０で燃焼部２００を形成している。燃焼帯２２の熱は改質部本体２０及び蒸発部２３に伝達される。改質部本体２０に設けられている改質触媒２０ｃの活性温度領域は、一般的には５００〜８００℃であるが、これに限られるものではない。
【００２１】
図２に示すようにシフト部３には、シフト部３を加熱するための加熱部として機能する電気ヒータ５９（活性化促進手段）が取り付けられている。殊に電気ヒータ５９はシフト部３の外周側にリング状断面を有する円筒状に取り付けられている。
【００２２】
図２に示すように、バーナ２１には燃料系原料と燃焼用の空気とが供給され、燃料系原料の燃焼により改質部本体２０が高温領域に加熱される。改質部本体２０は、下記の式（１）に基づいて、改質原料（燃料系原料と水系原料）とを反応させて水蒸気改質を行い、水素を主要成分とする改質ガスを燃料ガスとして生成する。改質部本体２０で生成された改質ガスにはＣＯが副生成物として生じる。この場合、ＣＯの濃度は一般的には５〜１５％であるが、これに限られるものではない。なおＣＯの濃度はモル％を基準とする。
【００２３】
図１に示すように、一酸化炭素低減部３Ａは、改質部２からの熱が伝達される位置に伝熱可能に、改質部２の下流に配設されており、ＣＯ第１低減部としてのシフト部３と、ＣＯ第２低減部としてのＣＯ浄化部４とで形成されている。シフト部３は、下記の式（２）に基づいてシフト反応を促進させるシフト触媒３ｃを有する。シフト触媒３ｃの活性温度領域は一般的には２００〜３００℃であるが、これに限られるものではない。シフト触媒３ｃは例えば銅−亜鉛系の触媒を主要成分とするが、これに限定されるものではない。
【００２４】
ＣＯ浄化部４は、下記の式（３）に基づいてＣＯを二酸化炭素に酸化させて低減させる反応を促進させる浄化触媒４ｃ（例えばルテニウム系）を有しており、更に、浄化触媒４ｃを担持したセラミックス製の担体（例えばアルミナ系）を有する。浄化触媒４ｃの活性温度領域は一般的には１００〜２００℃であるが、これに限られるものではない。シフト部３で浄化された改質ガスに含まれているＣＯの濃度は、一般的には０．２〜１％であるが、これに限られるものではない。ＣＯ浄化部４で浄化された改質ガスに含まれているＣＯの濃度は一般的には１０ｐｐｍ以下であるが、これに限られるものではない。
式（１）…ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ
式（２）…ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2
式（３）…ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2
図１に示すように、触媒で酸化反応させる触媒燃焼部５はシフト部３と改質部２との間に介在しており、改質部２に連通する入口５ｓと、シフト部３に連通する出口５ｅとを有する。触媒燃焼部５は、シフト部３を昇温させやすいように、改質部２の下流で且つシフト部３の上流側に配設され、殊に、シフト部３に隣接して配設されている。つまり、起動時に改質部２で生成された改質ガスがシフト部３に向けて流れる流路において、改質部２の下流で且つシフト部３の上流に触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０を配置することにより構成されている。これが触媒燃焼部本体昇温促進手段を構成する。
【００２５】
起動時には、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の暖機用導入口５ｉに、改質部２で生成された改質ガス（燃料ガス）が導入される。よって触媒燃焼部本体５０は、改質ガスを燃焼させて燃焼熱を用いてシフト部３（暖機対象物）を起動時に暖機するものである。暖機により、改質ガス中の一酸化炭素をシフト部３において低減させる反応を促進させる。
【００２６】
図３及び図４は上記した触媒燃焼部５の概念を示す。触媒燃焼部５は触媒燃焼機能を有するものであり、触媒燃焼させる触媒５ｃ（例えばＰｔ−Ｐｄ系）を有する。具体的には、触媒燃焼部５は、触媒５ｃを担持したセラミックス製の担体（例えばアルミナ）を備えた複数の触媒燃焼部本体５０と、複数の改質ガス通路５１と、改質ガス通路５１を遮蔽する遮蔽部５２とを有する。触媒燃焼部本体５０は通気性を有しており、改質ガス（改質環流ガス）を燃焼させつつ透過させることができる。触媒５ｃを担持する担体はペレット状でも、モノリス状でも良い。前述したように、触媒燃焼は、燃料ガスと酸素とを酸化反応させる触媒であり、一般的には無炎燃焼であり（場合によっては有炎燃焼）、燃焼触媒を用いない通常の燃焼に比較して燃焼が安定していると共に燃焼温度が低い。
【００２７】
図３に示すように、触媒燃焼部５の改質ガス通路５１の一端部側の入口５ｓは改質部本体２０に連通している。改質ガス通路５１の他端部側の出口５ｅはシフト部３に連通している。従って、改質部本体２０で生成された改質ガスは、触媒燃焼部５において、入口５ｓ→改質ガス通路５１→出口５ｅを通過し、シフト部３に向かう。図４に示すように、触媒燃焼部５において、触媒燃焼部本体５０と改質ガス通路５１とは互いに対面している。これにより改質ガス通路５１を通過する高温の改質ガスにより、起動時における触媒燃焼部本体５０の昇温速度は高められている。
【００２８】
本実施例によれば、図１に示すように、改質部２と触媒燃焼部５との間に冷却部６が設けられている。冷却部６は、改質部２で改質された改質ガスが触媒燃焼部５に供給される前に高温の改質ガスを冷却するためのものである。ここで、図２に示すように、冷却部６は、改質部本体２０で改質された改質ガスを触媒燃焼部５の改質ガス通路５１に向けて供給するガス通路６０と、改質部本体２０に供給される前の改質原料（燃料系原料及び水系原料）を通過させる原料通路６１を有する。この結果、ガス通路６０を通過する改質ガスを冷却すると共に、原料通路６１を通過する改質原料を加熱する。このため冷却部６は、改質部２に供給される前であり温度が相対的に低い改質原料と、改質部２から吐出された後であり温度が相対的に高い改質ガスとを熱交換させる熱交換部として機能することができる。
【００２９】
図１を参照して配管系について更に説明を加える。燃料系原料を改質原料としてバーナ２１または改質部本体２０に供給する第１通路７１が設けられている。第１通路７１には、燃料系原料を搬送するポンプ等の搬送要素７１ｍ，７１ｎが設けられている。更に、水系原料を改質原料として改質部本体２０に供給する第２通路７２が設けられている。第２通路７２には水系原料を改質部２に搬送するポンプ等の搬送要素７２ｍが設けられている。空気（酸素含有ガス）を第１バルブ８１（第１開閉手段）を介して触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉ側に供給する第３通路７３が設けられている。第３通路７３には空気を搬送するファン、コンプレッサ、ブロア、ポンプ等の搬送要素７３ｍが設けられている。更に、空気をバーナ２１に供給する空気通路７６が第３通路７３に連通するように設けられている。空気通路７６には搬送要素７３ｘが設けられている。空気をスタック１の酸化剤極１１に供給する酸化剤通路１１ｋが第３通路７３に連通するように設けられている。酸化剤通路１１ｋには搬送要素７３ｗが設けられている。
【００３０】
図１に示すように、ＣＯ浄化用の空気を第２バルブ８２（第２開閉手段）を介してＣＯ浄化部４に供給する第４通路７４が設けられている。シフト部３とＣＯ浄化部４とを繋ぐ接続通路７７が設けられている。ＣＯ浄化部４の出口４ｐ側とスタック１の燃料極１０の入口１０ｉ側とを第３バルブ８３（第３開閉手段）及び凝縮器８７’を介して繋ぐ第５通路７５が設けられている。燃料電池のスタック１の燃料極１０の出口１０ｐ側と改質部２のバーナ２１とを繋ぐ第１リターン通路７８が設けられている。第１リターン通路７８には、第４バルブ８４（第４開閉手段）、凝縮器８７、第５バルブ８５（第５開閉手段）が直列にスタック１からバーナ２１に向かうにつれて順に設けられている。
【００３１】
図１に示すように、スタック１を迂回するように、ＣＯ浄化部４の出口４ｐ側と凝縮器８７の入口８７ｉ側とを迂回用のバルブ７９ｖを介して繋ぐ第１迂回通路７９が設けられている。更に、凝縮器８７の出口８７ｐ側と触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉ側とを第６バルブ８６（第６開閉手段）を介して繋ぐ第２迂回通路８０が設けられている。改質ガスを流す第２迂回通路８０は、空気用を流す第３通路７３と合流部８０ｘで合流する。触媒燃焼部５の暖機用導出口５ｐ側とバーナ２１とを繋ぐ第２リターン通路７０が設けられている。
【００３２】
更に、図２を参照して説明を加える。図２に示すように、改質部本体２０は内側部２０ｉと外側部２０ｐと折り返し部２０ｍとを有する。そして燃料電池システムの起動時、つまり、改質部２の起動時には、燃料系原料と燃焼用の空気とをバーナ２１に供給しつつバーナ２１を着火させ、燃料系原料を改質部２において燃焼させる。これにより改質部本体２０及び蒸発部２３が次第に加熱される。改質部２の熱はシフト部３及びＣＯ浄化部４にゆっくりと伝達されるので、起動時には、シフト部３及びＣＯ浄化部４はそれぞれの活性温度領域に長時間（例えば３０〜９０分）かかって到達する。なお、図２に示すように、水蒸気を生成する蒸発部２３がＣＯ浄化部４と燃焼帯２２との間に介在しており、蒸発部２３は水蒸気化のために多量の熱を消費するため、ＣＯ浄化部４、触媒４ｃの過熱は抑制される。
【００３３】
このように改質部２が高温とされた状態で、燃料系原料と水系原料とが改質部本体２０に供給される。この場合、水系原料は蒸発部２３を通過するときに水蒸気化される。水蒸気と燃料系原料とは合流域７１ｓで合流し、冷却部６の原料通路６１を介して矢印Ｂ２,Ｂ３方向に流れ、改質部本体２０の外側部２０ｐに供給される。このように改質原料が冷却部６の原料通路６１を通過するとき予熱される。
【００３４】
図２において、上記した改質原料は、改質部本体２０の外側部２０ｐに流入し、外側部２０ｐにおいて矢印Ｂ４方向に進み、更に、改質部本体２０の折り返し部２０ｍにおいて矢印Ｂ５方向に折り返し、更に、改質部本体２０の内側部２０ｉを矢印Ｂ６方向に進む。このように改質原料が改質部本体２０の内部を通過するときに水蒸気改質され、改質ガスが生成される。生成された改質ガスは冷却部６のガス通路６０を矢印Ｃ１方向に進み、触媒燃焼部５の改質ガス通路５１を経てシフト部３に至る。
【００３５】
ここで本実施例によれば、上記した式（１）に基づいて水蒸気改質が行われ、ＣＯを含む水素リッチな改質ガスが生成される。シフト部３においては、上記した式（２）のシフト反応に基づいて改質ガス中のＣＯが低減される。ＣＯ浄化部４においては、上記した式（３）に基づいて改質ガス中のＣＯが更に低減される。これによりスタック１での発電反応に適するように、改質ガス中のＣＯが低減される。
【００３６】
ところで、起動時においては、改質部本体２０の温度が低く、改質部本体２０で生成される改質ガスのＣＯ濃度が高く、しかも、シフト部３の温度は低いためこれの活性温度領域には到達していない。故にシフト部３によるＣＯ低減効果には限界があり、改質ガスをスタック１での発電に用いるには必ずしも充分ではない。そこで本実施例によれば、起動時においては、改質ガスをスタック１に供給することなく、スタック１を迂回させ、バーナ２１に帰還させ、バーナ２１で燃焼させる。即ち、図１に示すように、ＣＯ浄化部４を経た改質ガスを迂回用のバルブ７９ｖ、第１迂回通路７９を介して凝縮器８７の入口８７ｉに供給し、凝縮器８７において改質ガスを冷却させて、改質ガスに含まれている湿分を凝縮させて、改質ガスに含まれている湿分を低減させる。その後、開放している第５バルブ８５及び第１リターン通路７８を介してバーナ２１に帰還させる。
【００３７】
さて本実施例によれば、起動時においては電気ヒータ５９が発熱するため、シフト部３は早期に加熱され、シフト部３のシフト触媒３ｃがこれの活性温度領域に到達する時間が短縮される。起動時から定常運転に移行すれば、電気ヒータ５９をオフとすることができる。
【００３８】
このようにシフト部３のシフト触媒３ｃがこれの活性温度領域に到達する時間が早くなるため、起動時において改質ガスはシフト部３により浄化され、ＣＯ濃度が早期に低減される。このように改質ガスの浄化が進行して、改質ガスのＣＯ濃度が低減された（例えばモル％で０．０１〜０．１％以下）後には、第６バルブ８６を開放させる。この場合、第５バルブ８５は閉鎖する。
【００３９】
そして、凝縮器８７で湿分を低減させた改質ガスを、凝縮器８７の出口８７ｐ、第６バルブ８６、第２迂回通路８０を経て触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに導入する。このとき、第１バルブ８１を開放させ、触媒燃焼用の空気を第１バルブ８１を介して触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに導入する。触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに導入された改質ガス（低温燃焼性に優れる水素を主成分とする）は、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに導入された空気と共に、触媒燃焼部本体５０の内部を矢印Ｅ１方向（図４参照）に通過し、触媒燃焼部本体５０において触媒５ｃにより触媒燃焼される。このため、起動時において触媒燃焼部５によりシフト部３を昇温させることができる。シフト部３が昇温すれば、または、触媒燃焼部５の着火確認後は電気ヒータ５９をオフとすることができる。
【００４０】
触媒燃焼部５で触媒燃焼された後のオフガスは、触媒燃焼部５の暖機用導出口５ｐから下流に至り、第２リターン通路７０、第１リターン通路７８を経てバーナ２１に戻される。このオフガスには燃焼成分として水素が含まれている可能性があるが、この燃焼成分はバーナ２１で燃焼され、その後、排気される。
【００４１】
上記したように触媒燃焼部５を触媒燃焼で加熱する暖機運転時には、第３バルブ８３、第４バルブ８４は閉鎖されているものの、迂回用のバルブ７９ｖ、第１バルブ８１、第６バルブ８６は開放されている。なお、上記したように暖機運転時には、一般的には第２バルブ８２を閉鎖しておくが、必要に応じて第２バルブ８２を開放し、空気をＣＯ浄化部４に供給しても良い。
【００４２】
起動時から所定時間が経過すれば、改質部本体２０が加熱され、シフト部３の少なくとも一部が加熱され、シフト部３におけるＣＯ低減効果がかなり向上するため、暖機運転から定常運転に移行することができる。定常運転では、第３バルブ８３、第４バルブ８４、第５バルブ８５、第２バルブ８２を開放すると共に、迂回用のバルブ７９ｖ、第６バルブ８６、第１バルブ８１を閉鎖する。これにより第１迂回通路７９、第２迂回通路８０を遮断する。このため定常運転時においては、改質部本体２０で水蒸気改質された改質ガスは、冷却部６、触媒燃焼部５の改質ガス通路５１、シフト部３、接続通路７７、ＣＯ浄化部４、第３バルブ８３、第５通路７５を順に経て、スタック１の燃料極１０の入口１０ｉに供給される。更に、定常運転では酸化剤ガスである空気が酸化剤通路１１ｋのバルブ１１ｖを介してスタック１の酸化剤極１１に供給される。これによりスタック１において発電反応が発生し、電気エネルギが生成される。発電に使用された改質ガスのオフガスは、スタック１の燃料極１０の出口１０ｐ側から、第１リターン通路７８、凝縮器８７、第５バルブ８５を経てバーナ２１に供給される。発電に使用された改質ガスのオフガスには燃焼成分として水素が含まれ得るため、この燃焼成分はバーナ２１で燃焼された後、排気される。
【００４３】
本実施例によれば、昇温した触媒燃焼部５の熱を、触媒燃焼部５よりも下流に位置するシフト部３およびＣＯ浄化部４に効果的に伝達させることができる。この結果、起動時においても、シフト部３およびＣＯ浄化部４の昇温速度を早め、シフト部３およびＣＯ浄化部４をこれらの触媒３ｃ，４ｃの活性温度領域に早期に到達させることができ、改質ガスの浄化効率を早期に高めることができる。
【００４４】
また、上記したように触媒燃焼部５を昇温させるときにおいて、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給される改質ガスは湿分を有することが多い。改質ガスは水蒸気改質を経ているためである。このため  改質ガスは飽和蒸気圧相当の湿分を有する可能性がある。更に、凝縮器８７から触媒燃焼部５に向かう第２迂回通路８０において改質ガスが冷却されるため、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給される改質ガスには湿分が水滴として含まれていることがある。
【００４５】
そこで本実施例によれば、図３及び図４に示すように、触媒燃焼部５において触媒燃焼部本体５０の暖機用導入口５ｉ側には、第１ガス接触部材９が設けられている。ここで、触媒燃焼部本体５０の暖機用導入口５ｉは、起動時において改質ガスが第１ガス接触部材９（湿分低減手段）を介して流れる流路のうち、触媒燃焼部本体５０よりも上流に位置している。また触媒燃焼部本体５０の暖機用導出口５ｐは、起動時において改質ガスが第１ガス接触部材９（湿分低減手段）を介して流れる流路のうち、触媒燃焼部本体５０よりも下流に位置している。
【００４６】
図３および図４に示すように、第１ガス接触部材９は、暖機運転時において、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０に供給される改質ガスが衝突して接触する接触部９０をもつ邪魔板機能を奏するように板状をなしている。第１ガス接触部材９は、凝縮器８７の出口８７ｐから第２迂回通路８０を経て供給された改質ガスが流れる通路部分８０ａに対向している。具体的には、図４に示すように、第１ガス接触部材９は、第２迂回通路８０のうち触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに繋がる通路部分８０ａの軸線Ｐ１に対して交差する方向に指向している。つまり、第１ガス接触部材９は第２迂回通路８０のうち触媒燃焼部５に繋がる通路部分８０ａの軸線Ｐ１に対して直交する方向に指向している。
【００４７】
従って、上記したように改質装置の起動時において、つまり、触媒燃焼部５を昇温させる暖機運転時において、改質ガスが触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに導入するとき、その改質ガスは第１ガス接触部材９の接触部９０に衝突する。従って、改質ガスに含まれている湿分（水蒸気、水滴等）は、第１ガス接触部材９の接触部９０に捕獲され、改質ガスから除去される。殊に本実施例によれば、改質ガスが第１ガス接触部材９の接触部９０に衝突する衝突角度θ１及びθ２は９０度または９０度に近いため、衝突性が高く、改質ガスに含まれている水滴の捕獲に有利である。改質ガスが飽和状態の水蒸気を含むときには、衝突時の衝撃により液化が進行しやすい。本実施例では、第１ガス接触部材９は、起動時において改質ガスの湿分が触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０に付着することを抑制する湿分抑制手段として機能することができる。
【００４８】
このような本実施例によれば、起動時に、改質ガスに含まれている湿分（水蒸気、水滴等）が触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０、殊に、触媒燃焼部本体５０の構成要素である触媒５ｃの反応サイトに付着することは抑制される。故に、起動時において、触媒燃焼を行う触媒燃焼部本体５０における着火性、燃焼性、昇温性を一層高めることができる。つまり、触媒燃焼部本体５０による触媒燃焼を早期に立ち上げ、触媒燃焼部本体５０を早期に昇温させることができる。ひいてはシフト部３を早期に昇温させて立ち上げることができる。更に第１ガス接触部材９は、触媒燃焼部５において複数の改質ガス通路５１に改質ガスを分散させる機能も奏する。
【００４９】
更に本実施例によれば、図３に示すように、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の上流である暖機用導入口５ｉ側には、上流側湿分貯留部５３が設けられている。上流側湿分貯留部５３は、触媒燃焼部本体５０に供給される改質ガスから捕獲した湿分を貯留する空間５３ｒをもつ。上流側湿分貯留部５３の底面５３ｄには第１ガス接触部材９が立設されている。上流側湿分貯留部５３の底面５３ｄは、触媒燃焼部本体５０の底面５０ｄよりも低い位置に設定されている。従って、第１ガス接触部材９の接触部９０に付着した湿分が水滴として流下したとしても、上流側湿分貯留部５３の底面５３ｄに溜まるものの、触媒燃焼部本体５０に進入することは抑えられる。この意味においても、触媒燃焼部本体５０を早期に昇温させて、触媒燃焼部本体５０による暖機作用を早期に立ち上げることができ、シフト部３を早期に昇温させて立ち上げることができる。
【００５０】
また第２リターン通路７０で凝縮した水滴が流下して触媒燃焼部５の下流側に進入するおそれがある。この点について本実施例によれば、図３に示すように、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の下流側である暖機用導出口５ｐ側には、湿分を貯留する空間５５ｒをもつ下流側湿分貯留部５５が設けられている。下流側湿分貯留部５５の底面５５ｄは、触媒燃焼部本体５０の底面５０ｄよりも低い位置に設定されている。このため下流側湿分貯留部５５に湿分が液体として貯留されたとしても、その湿分が触媒燃焼部本体５０に進入することを抑えることができる。この意味においても、触媒燃焼部本体５０を早期に昇温させて、触媒燃焼部本体５０による暖機作用を早期に立ち上げることができ、シフト部３を早期に昇温させて立ち上げることができる。
【００５１】
なお、湿分が上流側湿分貯留部５３の底面５３ｄ、下流側湿分貯留部５５の底面５５ｄに液体として溜まるとしても、多量ではない。起動時から燃料電池発電システムの定常運転に移行すれば、触媒燃焼部５の上流側湿分貯留部５３及び下流側湿分貯留部５５は、かなり昇温される。例えば１００〜３００℃程度に昇温される。このため、起動時に上流側湿分貯留部５３の底面５３ｄ、下流側湿分貯留部５５の底面５５ｄに湿分が溜まったとしても、その湿分は、定常運転時において蒸気化して消失する。故に、湿分が触媒燃焼部本体５０に進入することを抑えるのに一層有利となる。
【００５２】
図３及び図４に示すように、触媒燃焼部本体５０の下流に設けられている下流側湿分貯留部５５には板状の第２ガス接触部材９５が立設されている。第２ガス接触部材９５は、第２リターン通路７０から流下した水が触媒燃焼部本体５０に進入することを抑制する。
【００５３】
ところで、図５は可燃限界と断熱火炎温度との関係を示すグラフを示す。断熱火炎温度は、燃料ガスである改質ガスを断熱状態で完全燃焼させたときにおける火炎の理論温度である。図５の横軸は改質原料としての原料ガス（天然ガス１３Ａ）が改質部２に単位時間当たり供給される流量を示す。図５の一方の縦軸は改質ガスの断熱火炎温度を示す。図５の他方の縦軸は可燃限界において単位時間当たり供給される空気流量を示す。ここで、可燃範囲は、酸化燃焼による火炎が伝播して持続できる条件の範囲をいう。可燃限界は可燃範囲の限界をいう。図５の特性線Ｗ１は、可燃限界において単位時間当たり供給される空気流量を示す。図５において特性線Ｗ１よりも上の領域は、火炎の伝搬が持続する可燃範囲に相当する。特性線Ｗ１よりも下の領域は可燃範囲外に相当する。特性線Ｓ１〜Ｓ６は、触媒燃焼部５に導入される温度に対応する空気流量（飽和蒸気）を示す。またＴＣは触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの耐熱温度を示し、本実施例では７５０℃に設定されている。なお触媒の耐熱温度は、触媒の劣化を抑えつつ常用される温度の上限をいう。
【００５４】
本実施例では、触媒燃焼部５における触媒燃焼を制御する触媒燃焼制御部１００が設けられている。触媒燃焼制御部１００により触媒燃焼部５の触媒燃焼本体部５０に対する着火制御が実行される。着火制御によれば、触媒燃焼部５の燃焼開始時において、燃料ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域となるように、開放状態の第１バルブ８１から空気を、開放状態の第６バルブ８６から改質ガスを触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに導入し、この結果、領域Ｋ１内の条件において触媒燃焼部本体５０を着火させる。ここで、領域Ｋ１は、改質ガスが燃焼しても火炎が発生しない無炎領域に相当ものであり、触媒５ｃの耐熱温度を示す特性線Ｗ１よりも下方の領域に相当する。領域Ｋ１は線Ｋ２〜Ｋ６で区画されている。触媒燃焼の燃焼性は良好であるため、可燃範囲から外れる領域Ｋ１であっても、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０を着火させることができる。
【００５５】
本実施例によれば、触媒燃焼部本体５０が着火したと判定された後に、触媒燃焼制御部１００は、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する単位時間当たりの空気量を、着火操作時よりも増加させる増量操作を実行する。この場合、当該空気量を、可燃範囲限を示す特性線Ｗ１を越えて可燃範囲内となるようにしても良いし、しなくても良い。ここで、触媒燃焼部本体５０の着火の判定としては、触媒燃焼部本体５０の温度が着火操作前の温度Ｔ１よりもΔＴａ（例えば８０℃）以上昇温したら、触媒燃焼部本体５０が着火したと判定することができる。ΔＴａは改質ガスの基本組成、触媒５ｃ等の種類に応じて適宜設定できる。
【００５６】
上記した増量操作時には、第６バルブ８６の開度は一定であり、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する燃料ガスの単位時間当たりの流量は、基本的には変化しない。例えば、図５の部位Ｒ１で着火し、図５の矢印Ｍ１方向に向けて空気を増量させ、部位Ｒ２とする。また図５の部位Ｒ３で着火し、図５の矢印Ｍ２方向に向けて空気を増量させ、部位Ｒ４とする。
【００５７】
上記した増量操作においては、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の温度が、触媒燃焼部本体５０に担持されている触媒５ｃの耐熱温度ＴＣを越えないように、あるいは、触媒５ｃの耐熱温度ＴＣを一時的に越えることがあるとしても、越える頻度が過剰になり過ぎないように設定されている。この結果、触媒燃焼部本体５０に担持されている触媒５ｃの熱劣化が抑制されるため、触媒５ｃの長寿命化に有利である。
【００５８】
上記したように本実施例によれば、改質ガスに含まれている可燃成分と空気との比である空燃比が変動するときであっても、あるいは、触媒５ｃの温度が低い、燃料ガスにＣＯガスが存在しているときであっても、更には水蒸気及び水滴などの湿分が存在しているとき等であっても、触媒燃焼部本体５０の着火を良好に行うことができる。故に着火時において、触媒燃焼部５よりも下流配管で火炎が発生するといったことを回避でき、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の燃焼の制御に容易となる。更に、着火した後、空気を増加させて触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の燃焼を良好に行うことができるため、触媒燃焼部５における発熱量を確保するのに有利となる。
【００５９】
図６は触媒燃焼制御部１００が実行する制御のフローチャートの一例を示す。制御はこのフローチャートに限定されるものではない。まず、改質原料である燃料系原料、水系原料を改質部２に搬入する（ステップＳ１０２）。これにより改質部２により改質ガスが生成される。更に電気ヒータ５９を所定時間オンしてシフト部３を加熱する（ステップＳ１０３）。これによりシフト部３の少なくとも一部は早期に活性温度領域に到達でき、シフト部３によるＣＯ浄化能を高めることができ、改質ガスのＣＯ濃度を低減させる。このようにＣＯ濃度を低減させた改質ガスが触媒燃焼部５の改質ガス通路５１を通過するため、触媒５ｃの反応サイトにＣＯが吸着することが抑制される。なお電気ヒータ５９は所定時間経過すれば、オフとされる。
【００６０】
次に、触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの温度が第１設定温度Ｔ１（Ｔ１：例えば９０℃）以上か否か判定する（ステップＳ１０４）。なお触媒５ｃが低温すぎるときには、改質ガスのＣＯ濃度が低減されているといえども、燃焼触媒の着火は起こりにくい。このため、触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの温度が第１設定温度Ｔ１に到達していなければ、温度が低すぎるため、第１設定温度Ｔ１に到達するまで待機する（ステップＳ１０４）。従って、ステップＳ１０４は、触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの温度が着火に適する温度であるか否かを判定する着火適温判定手段を構成する。
【００６１】
触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの温度が第１設定温度Ｔ１以上であれば、第６バルブ８６を開放させ、改質ガスを第２迂回通路８０を介して触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する（ステップＳ１０６）。一定時間経過した後（ステップＳ１０８）、第１バルブ８１を開放させ、空気を触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給し（ステップＳ１１０）、触媒燃焼部５を着火させる着火操作を行う。このように着火時において、空気量は通常の可燃範囲よりも少ないものであるが、前記したようにシフト部３の少なくとも一部が電気ヒータ５９により加熱されて早期に活性化されており、改質ガスのＣＯ濃度がかなり低減されており、更に、改質ガスは水素を主成分とするため、触媒燃焼部５における着火性は確保される。
【００６２】
なお、改質ガスを暖機用導入口５ｉに供給した後に、暖機用導入口５ｉに空気を供給するのは、無用な着火防止のためである。従って、ステップ１０６，Ｓ１０８，Ｓ１１０は、燃料ガスを空気よりも優先して触媒燃焼部５に供給する燃料ガス優先手段を構成する。
【００６３】
そして、シフト部３の測温場所が第２設定温度Ｔ２（Ｔ２：例えば１７０℃）以下であるか否か判定する（ステップＳ１１２）。第２設定温度Ｔ２以上であれば、シフト部３の活性化が充分であり、シフト部３の暖機が必要でないと判定されるため、メインルーチンにリターンする。シフト部３の測温場所が第２設定温度Ｔ２未満であれば、シフト部３の活性化が充分ではなく、シフト部３を暖機させる必要があり、ひいては触媒燃焼部５の昇温が必要であると判定される。従ってステップＳ１１２は、触媒燃焼部５を昇温させてシフト部３を暖機させる必要性があるか否かを判定する暖機必要性判定手段を構成する。
【００６４】
そして、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの温度が第１設定温度Ｔ１よりもΔＴａ（ΔＴａ：例えば８０℃）上昇したか否か判定する（ステップＳ１１４）。第１設定温度Ｔ１よりもΔＴａ上昇していれば、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃが着火したと判定し、着火判定信号を出力する（ステップＳ１１６）。従ってステップＳ１１４は、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０における着火の有無を判定する着火判定手段を構成する。その後、第１バルブ８１の開放度を増加するか、搬送要素７３ｍの空気搬送量を増加させることにより、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する単位時間当たりの空気の流量を増加させ（ステップＳ１１８）、増量操作を行う。これにより触媒燃焼部５における触媒燃焼性が進み、発熱量が確保され、触媒燃焼部５がシフト部３を暖機する暖機性能が確保される。
【００６５】
次に、触媒燃焼部５に装備されている温度センサ５０ｘ（温度検知手段）により、触媒燃焼部５の温度が触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの耐熱温度ＴＣ以下であるか否か判定する（ステップＳ１２０）。触媒燃焼部５の温度が触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの耐熱温度ＴＣを越えていれば、触媒５ｃを過熱から保護するため、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉへの空気の供給を停止させ（ステップＳ１２６）、触媒燃焼部５による暖機運転を停止させる。従って、ステップＳ１２０，Ｓ１２６は、触媒燃焼部５の触媒５ｃを熱的に保護する触媒保護手段を構成する。
【００６６】
また、シフト部３の暖機が終了したか否か判定する（ステップＳ１２４）。つまり、シフト部３の測温場所が第２設定温度Ｔ２以上であるか否か判定する。第２設定温度Ｔ２以上であれば（ＹＥＳ）、シフト部３の暖機が終了したと判定されるため、暖機用導入口５ｉへの空気の供給を停止させ（ステップＳ１２６）、触媒燃焼部５による暖機運転を停止させ、メインルーチンにリターンする。シフト部３の測温場所が第２設定温度Ｔ２未満であれば（ＮＯ）、シフト部３の暖機がまだ終了していないため、ステップＳ１２０にリターンし、暖機用導入口５ｉへの空気の供給を継続させ、増量操作を継続させる。従ってステップＳ１２４は、触媒燃焼部５による暖機運転を終了する時期を判定する暖機終了判定手段を構成する。
【００６７】
ステップＳ１１４において、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの温度が第１設定温度Ｔ１よりもΔＴａ上昇していないときには、触媒燃焼部本体５０が着火していないと推定されるので、上記した着火操作時から一定時間経過したか判定し（ステップＳ１３０）、一定時間経過していなければ、ステップＳ１１４に戻り、着火の有無の判定を継続する。一定時間経過しても着火していなければ、燃料電池発電システムが異常であると判定し（ステップＳ１３２）、当該システムを停止させる（ステップＳ１３４）。従ってステップＳ１１４，Ｓ１３０は触媒燃焼部５の着火不良を判定する着火不良判定手段を構成する。
【実施例２】
【００６８】
図７は実施例２を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。従って図１、図３、図４、図５を準用することができる。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。本実施例においては、図７に示すように、一酸化炭素低減部の一部として機能するシフト部３には、シフト部３の昇温を促進させて活性化促進手段としての燃焼排ガス通路２００が設けられている。燃焼排ガス通路２００は、シフト部３にこれの外周側に取り付けられ入口２０１ｉ及び出口２０１ｐをもつリング状の加熱通路２０１と、加熱通路２０１の入口２０１ｉと改質部２の燃焼帯２２の出口２２ｐとを繋ぐ加熱通路２０３と、流路切替手段としての切替バルブ２０４と、加熱通路２０１を迂回する迂回排気通路２０５とを有する。
【００６９】
改質部２の運転時に、改質部２の燃焼帯２２の出口２２ｐから排出された燃焼排ガスは、通路２０３，加熱通路２０１を流れ、シフト部３を加熱する。このため起動時においても、シフト部３のシフト触媒３ｃをこれの活性化温度領域に短時間に到達させることができる。この結果、起動時においても、改質ガスのＣＯ濃度を低減させることができる。このように浄化された改質ガスを触媒燃焼部５の導入口５ｉに導入するため、ＣＯが触媒燃焼部５の触媒５ｃに吸着することが抑制される。よって起動時においても、触媒燃焼部５における着火性、燃焼性を向上させることができる。着火した後には、実施例１のように触媒燃焼部５に供給する空気の流量を増加させることができる。
【００７０】
定常運転時等において、シフト部３の温度が高くなりすぎたら、切替バルブ２０４により、加熱通路２０１に向かう燃焼排ガスの流量を減少させるか０にすると共に、燃焼排ガスを迂回排気通路２０５から排出させる。これによりシフト部３の過熱が抑制され、シフト触媒３ｃの保護性を高めることができる。切替バルブ２０４および迂回排気通路２０５は、シフト部３シフト触媒３ｃの保護する触媒保護手段として機能できる。
【実施例３】
【００７１】
図８及び図９は実施例３を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。従って図１、図３、図４、図５を準用することができる。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。本実施例においても、図８に示すように、ＣＯ浄化部４は改質部２からの熱が伝達される位置に伝熱可能に設けられており、具体的には改質部２の外周部にリング状断面を有する一体的に円筒状に設けられている。起動時においては改質部２が早く高温になるため、ＣＯ浄化部４をこれの活性化温度領域に短時間に到達させることができ、故に、改質ガス中のＣＯが触媒燃焼部５の触媒５ｃに吸着することが抑制され、触媒燃焼部５における着火性、燃焼性を高めるのに有利である。
【００７２】
更に、起動時には、触媒燃焼制御部１００が第２バルブ８２を開放し、第２バルブ８２および第４通路７４を介して空気（酸素）をＣＯ浄化部４に導入する。これにより前記した式（３）の反応式に基づいて、改質ガスのＣＯガスと酸素とを反応させて二酸化炭素を生成し、改質ガスのＣＯガスの濃度を低減させる。この反応は発熱反応であり、ＣＯ浄化部４の昇温、活性化に有効であり、触媒燃焼部５における着火性、燃焼性を高めるのに一層有利である。
【００７３】
図９は触媒燃焼制御部１００が実行する制御のフローチャートの一例を示す。制御はこのフローチャートに限定されるものではない。まず、改質原料である燃料系原料、水系原料を改質部２に搬入する（ステップＳ２０２）。これにより改質部２により改質ガスが生成される。ＣＯ浄化部４が昇温して設定温度ＴＥ（例えば８０℃）を越えているか判定する（ステップＳ２０４）。設定温度ＴＥはＣＯ浄化部４の活性温度領域よりもやや低い温度に相当する。ＣＯ浄化部４が設定温度ＴＥを越えていなければ、越えるまで待機する（ステップＳ２０４）。ＣＯ浄化部４が設定温度ＴＥを越えていれば、第２バルブ８２（第２開閉手段）を開放して第４通路７４を介して浄化用の空気（酸素）をＣＯ浄化部４に供給し（ステップＳ２０６）、改質ガスのＣＯガスと酸素とを反応させて二酸化炭素を生成し、ＣＯ浄化部４において浄化反応を進め、改質ガスのＣＯ濃度を低減する。更に、一定時間待機する（ステップＳ２０８）。この間に触媒燃焼部本体５０及びＣＯ浄化部４は次第に昇温される。ステップＳ２０６は、起動時に、一酸化炭素低減部であるＣＯ浄化部４に酸素を供給する活性化促進手段として機能することができる。ステップＳ２０６、Ｓ２０８，Ｓ２１０は、起動時に、一酸化炭素低減部であるＣＯ浄化部４に酸素を供給してＣＯ浄化部４を活性化させた後に、ＣＯ濃度が低減された燃料ガスを触媒燃焼部５に供給する活性化促進手段として機能することができる。
【００７４】
次に、第６バルブ８６を開放させ、ＣＯ濃度が低減された改質ガスを凝縮器８７，第６バルブ８６及び第２迂回通路８０を介して触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する（ステップＳ２１０）。そして一定時間待機する（ステップＳ２１２）。この間に、改質ガスが触媒燃焼部５に装填される。その後、バルブ流路変更指令を出力し（ステップＳ２１４）、第１バルブ８１を開放させ、空気を触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給し（ステップＳ２１６）、触媒燃焼部５を着火させる着火操作を行う。この場合、第２バルブ８２の開放量を小さくしても良いし、あるいは、閉鎖させても良い。上記したように改質ガスを暖機用導入口５ｉに供給した後に、暖機用導入口５ｉに空気を供給するのは、無用な着火防止のためである。ステップ２１０，Ｓ２１２，Ｓ２１４、Ｓ２１６は、燃料ガスを空気よりも優先して触媒燃焼部５に供給する燃料ガス優先手段を構成する。
【００７５】
そして、シフト部３の測温場所が第２設定温度Ｔ２（Ｔ２：例えば１７０℃）以下であるか否か判定する（ステップＳ２１８）。以上であれば、シフト部３の活性化が充分であり、シフト部３の暖機が必要でないと判定されるため、空気の供給を停止し（ステップＳ２３０）、メインルーチンにリターンする。これに対して、シフト部３の測温場所が第２設定温度Ｔ２未満であれば、シフト部３の活性化が充分ではなく、シフト部３を暖機させる必要があり、ひいては触媒燃焼部５の更なる昇温が必要であると判定される。従ってステップＳ２１８は、触媒燃焼部５を昇温させてシフト部３を暖機させる必要性があるか否かを判定する暖機必要性判定手段を構成する。
【００７６】
そして、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃが着火したか否かを判定する（ステップＳ２２０）。即ち、触媒燃焼部５の温度が初期温度である第１設定温度Ｔ１よりもΔＴａ（ΔＴａ：例えば８０℃）上昇したか否か判定する。触媒燃焼部５の温度が第１設定温度Ｔ１よりもΔＴａ上昇していれば、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃが着火したと判定し、着火判定信号を出力する（ステップＳ２２０）。従ってステップＳ２２０は、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０における着火の有無を判定する着火判定手段を構成する。
【００７７】
その後、第１バルブ８１の開放度を増加するか、搬送要素７３ｍの空気搬送量を増加させることにより、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する単位時間当たりの空気の流量を増加させ（ステップＳ２２４）、酸素の増量操作を行う。これにより触媒燃焼部５における触媒燃焼性が更に進み、触媒燃焼部５の発熱量、暖機性能が確保される。
【００７８】
次に、触媒燃焼部５に装備されている温度センサ５０ｘ（温度検知手段）により、触媒燃焼部５の温度が触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの耐熱温度ＴＣ以下であるか否か判定する（ステップＳ２２６）。触媒燃焼部５の温度が触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの耐熱温度ＴＣを越えていれば、触媒５ｃを過熱から保護するため、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉへの空気の供給を停止させ（ステップＳ２３０）、触媒燃焼部５による暖機運転を停止させる。従って、ステップＳ２２６，Ｓ２３０は、触媒燃焼部５の触媒５ｃを熱的に保護する触媒保護手段を構成する。
【００７９】
また、シフト部３の暖機が終了したか否か判定する（ステップＳ２２８）。つまり、シフト部３の測温場所が第２設定温度Ｔ２以上であるか否か判定する。第２設定温度Ｔ２以上であれば（ＹＥＳ）、シフト部３の暖機が終了したと判定されるため、暖機用導入口５ｉへの空気の供給を停止させ（ステップＳ２３０）、触媒燃焼部５による暖機運転を停止させ、メインルーチンにリターンする。シフト部３の測温場所が第２設定温度Ｔ２未満であれば、シフト部３の暖機がまだ終了していないため（ＮＯ）、ステップＳ２２６にリターンし、暖機用導入口５ｉへの空気の供給を継続させ、増量操作を継続させる。従ってステップＳ２２８は、触媒燃焼部５による暖機運転を終了する時期を判定する暖機終了判定手段を構成する。
【００８０】
ステップＳ２２０において、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの温度が初期温度である第１設定温度Ｔ１よりもΔＴａ上昇していないときには、触媒燃焼部本体５０が着火していないと推定されるので、上記した着火操作時から一定時間経過したか判定し（ステップＳ２３４）、一定時間経過していなければ、ステップＳ２２０に戻り、着火の有無の判定を継続する。一定時間経過しても着火していなければ、燃料電池発電システムが異常であると判定し（ステップＳ２３６）、当該システムを停止させる（ステップＳ２３８）。従ってステップＳ２２０，Ｓ２３４は触媒燃焼部５の着火不良を判定する着火不良判定手段を構成する。
【実施例４】
【００８１】
図１０は実施例４に係るフローチャートを示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。従って図１、図２、図３、図４、図５を準用することができる。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。本実施例においては、活性化促進手段は、水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスを触媒燃焼部に導入する導入手段と、水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスを導入手段により触媒燃焼部に導入する前に、空気（酸素）を触媒燃焼部５に供給する酸素供給手段とを備えている。
【００８２】
図１０は触媒燃焼制御部１００が実行する制御のフローチャートの一例を示す。制御はこのフローチャートに限定されるものではない。まず、改質原料である燃料系原料、水系原料を改質部２に搬入する（ステップＳ３０２）。これにより改質部２により改質ガスが生成される。一定時間の経過を待つ（ステップＳ３０４）。一定時間経過すれば、ＣＯ浄化部４が昇温する。次に、第６バルブ８６を閉鎖した状態で第１バルブ８１を開放し、空気を触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する。更に一定時間待機する（ステップＳ３０８）。これにより空気は触媒燃焼部５の内部に流れる。次に、第６バルブ８６を開放させ、改質ガスを第６バルブ８６及び第２迂回通路８０を介して触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する（ステップＳ３１０）。これにより触媒燃焼部５を着火させる着火操作を行う。この場合、第２バルブ８２は開放していても良いし、あるいは、閉鎖していても良い。
【００８３】
上記したように触媒燃焼部５に空気が供給された状態で、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスが触媒燃焼部５に供給されると、一酸化炭素を改質ガスが含むときであっても、触媒燃焼部５の着火性が確保され易い。ここで、一酸化炭素は触媒燃焼部５の触媒５ｃに吸着されて触媒活性を低下させる傾向をもつ。しかし、ＣＯ分子が存在したとしても、燃焼しやすい水素が存在すれば、触媒燃焼部５の触媒５ｃは着火し易くなる。水素の燃焼容易性によるものと推察される。更に、水素分子は軽量で粘性が小さいため、拡散性が高く、一酸化炭素の分子よりも移動速度が速いことも起因していると推察される。
【００８４】
ここで、閉鎖している第６バルブ８６が開放すると、改質ガスに含まれている水素分子及びＣＯ分子が第６バルブ８６から暖機用導入口５ｉを経て触媒燃焼部５に向かう。この場合、仮に第６バルブ８６の位置が暖機用導入口５ｉに接近していたしても、水素は着火容易性、低温着火性を有するため、触媒燃焼部５における着火性を確保できる。また、第６バルブ８６（燃料ガス供給バルブ）と暖機用導入口５ｉとの間の距離が長い場合には、着火阻害性を有するＣＯ分子よりも、着火容易性をもつ水素分子が速く進む度合を大きくでき、ひいては水素リッチでＣＯ濃度が少ない状態を触媒燃焼部５付近に一時的に形成でき、触媒燃焼部５における着火性及び燃焼性を改善できるものと考えられる。従って第６バルブ８６と暖機用導入口５ｉとの間の距離をある程度設定することができる。しかし当該距離が長いと、サイズの大型化を招く。従って、当該距離としては、燃料電池発電システムのサイズにもよるが、例えば３〜１００センチメートル程度に設定することができるが、これに限定されるものではない。従って、ステップ３０６，Ｓ３０８，Ｓ３１０は、ＣＯよりも水素を優先して触媒燃焼部５に到達させて触媒燃焼部５の着火性を促進させる促進手段を構成する。ここで、水素は低温でも燃焼できる低温燃焼性に優れているため、触媒燃焼部５が一旦着火してしまえば、改質ガスのＣＯ濃度が仮に高い場合（例えば１０〜１５％程度）であっても、触媒燃焼部５における燃焼性は維持される。
【００８５】
本実施例によれば、ステップＳ３１０は、水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスを触媒燃焼部５に導入する導入手段として機能できる。ステップＳ３０６は、水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスを導入手段により触媒燃焼部５に導入する前に、酸素（空気）を触媒燃焼部５に供給する酸素供給手段として機能できる。
【００８６】
そして、シフト部３の測温場所が第２設定温度Ｔ２（Ｔ２：例えば１７０℃）
以下であるか否か判定する（ステップＳ３１２）。以上であれば、シフト部３の活性化が充分であり、シフト部３の暖機が必要でないと判定されるため、空気の供給を停止し（ステップＳ３２４）、メインルーチンにリターンする。シフト部３の測温場所が第２設定温度Ｔ２未満であれば、シフト部３の活性化が充分ではなく、シフト部３を暖機させる必要があり、ひいては触媒燃焼部５の更なる昇温が必要であると判定される。従ってステップＳ３１２は、触媒燃焼部５を昇温させてシフト部３を暖機させる必要性があるか否かを判定する暖機必要性判定手段を構成する。
【００８７】
そして、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの温度が第１設定温度Ｔ１よりもΔＴａ（ΔＴａ：例えば８０℃）上昇したか否か、つまり、触媒燃焼部５が着火したか否かを判定する（ステップＳ３１４）。第１設定温度Ｔ１よりもΔＴａ上昇していれば、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃが着火したと判定し、着火判定信号を出力する（ステップＳ３１６）。従ってステップＳ３１４は、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０における着火の有無を判定する着火判定手段を構成する。その後、第１バルブ８１の開放度を増加するか、搬送要素７３ｍの空気搬送量を増加させることにより、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉに供給する単位時間当たりの空気の流量を増加させ（ステップＳ３１８）、増量操作を行う。これにより触媒燃焼部５における触媒燃焼性が更に進み、発熱量が確保され、触媒燃焼部５がシフト部３を暖機する暖機性能が確保される。
【００８８】
次に、触媒燃焼部５に装備されている温度センサ５０ｘ（温度検知手段）により、触媒燃焼部５の温度が触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの耐熱温度ＴＣ以下であるか否か判定する（ステップＳ３２０）。触媒燃焼部５の温度が触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの耐熱温度ＴＣを越えていれば、触媒５ｃを保護するため、触媒燃焼部５の暖機用導入口５ｉへの空気の供給を停止させ（ステップＳ３２４）、触媒燃焼部５による暖機運転を停止させる。従って、ステップＳ３２０，Ｓ３２４は、触媒燃焼部５の触媒５ｃを熱的に保護する触媒保護手段を構成する。
【００８９】
また、シフト部３の暖機が終了したか否か判定する（ステップＳ３２２）。つまり、シフト部３の測温場所が第２設定温度Ｔ２以上であるか否か判定する。シフト部３の暖機が終了したと判定されると（ＹＥＳ）、暖機用導入口５ｉへの空気の供給を停止させるべく第１バルブ８１を閉鎖し（ステップＳ３２４）、触媒燃焼部５による暖機運転を停止させ、メインルーチンにリターンする。シフト部３の測温場所が第２設定温度Ｔ２未満であれば（ＮＯ）、シフト部３の暖機がまだ終了していないため、ステップＳ３２０にリターンし、暖機用導入口５ｉへの空気の供給を継続させ、増量操作を継続させる。従ってステップＳ３２２は、触媒燃焼部５による暖機運転を終了する時期を判定する暖機終了判定手段を構成する。
【００９０】
ステップＳ３１４において、触媒燃焼部５の触媒燃焼部本体５０の触媒５ｃの温度が第１設定温度Ｔ１よりもΔＴａ上昇していないときには、触媒燃焼部本体５０が着火していないと推定されるので、上記した着火操作時から一定時間経過したか判定し（ステップＳ３３０）、一定時間経過していなければ、ステップＳ３１４に戻り、着火の有無の判定を継続する。一定時間経過しても着火していなければ、燃料電池発電システムが異常であると判定し（ステップＳ３３２）、当該システムを停止させる（ステップＳ３３４）。従ってステップＳ３１４，Ｓ３３０は触媒燃焼部５の着火不良を判定する着火不良判定手段を構成する。
【００９１】
（その他）
上記した燃料電池発電システムは定置用でも車載用でも、それ以外の用途でも良い。上記した実施例は改質装置は燃料電池発電システムに適用したものであるが、これに限らず、水素製造システム等の他のシステムに適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は燃料ガス処理装置に利用することができる。例えば、燃料ガス処理装置を有する水素製造システム、燃料ガス処理装置を有する燃料電池発電システムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】燃料電池発電システムを示す概念図である。
【図２】改質装置付近を模式的に示す構成図である。
【図３】触媒燃焼部を模式的に示す構成図である。
【図４】触媒燃焼部を異なる方向から模式的に示す構成図である。
【図５】可燃範囲と断熱燃焼温度との関係を示すと共に、着火操作から増量操作に移行させる形態を示すグラフである。
【図６】触媒燃焼制御部が実行するフローチャートの一例である。
【図７】実施例２に係り、改質装置付近を模式的に示す構成図である。
【図８】実施例２に係り、改質装置付近を模式的に示す構成図である。
【図９】実施例３に係り、触媒燃焼制御部が実行するフローチャートの一例である。
【図１０】実施例４に係り、触媒燃焼制御部が実行するフローチャートの一例である。
【符号の説明】
【００９４】
１はスタック、１０は燃料極、１１は酸化剤極、２は改質部（ガス供給部）、２０は改質部本体、３はシフト部（一酸化炭素低減部）、４はＣＯ浄化部（一酸化炭素低減部）、５は触媒燃焼部、５ｃは触媒、５０は触媒燃焼部本体、５９は電気ヒータ（活性化促進手段）、８７は凝縮器、１００は触媒燃焼制御部、２００は燃焼排ガス通路（活性化促進手段）を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006233011.tif 000009
【図８】
2006233011.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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