(57)【要約】【課題】安価に起動時と通常運転時の流量を選択的に切り替えることができる改質装置、燃料電池システム天然ガスポンプ制御方法等の提供【解決手段】改質部２１と、燃焼部２０と、燃料供給部１３と、燃焼用燃料ポンプ１１と、改質用燃料ポンプ１２と、第２燃料ライン１８中に第１遮断弁１６とを備える燃料電池システム天然ガスポンプ制御方法において、第１燃料ライン１７と第２燃料ライン１８とを接続するバイパスライン１９を備える。【選択図】 図５
2006342047.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された燃料を改質して水素を生成する改質部と、
供給された燃料を燃焼させて前記改質部を加熱する燃焼部と、
前記燃焼部に燃料を供給する第１燃料ラインに、燃料を圧縮して供給する第１燃料ポンプと、
前記改質部に燃料を供給する第２燃料ラインに、燃料を圧縮して供給する第２燃料ポンプと、
前記第１燃料ラインと前記第２燃料ラインとを連通させるバイパスラインとを有することを特徴とする改質装置。
【請求項２】
請求項１に記載する改質装置において、
前記第１燃料ポンプの供給容量が前記第２燃料ポンプの供給容量よりも少ないことを特徴とする改質装置。
【請求項３】
請求項２に記載する改質装置において、
前記バイパスラインに第２遮断弁を設けたことを特徴とする改質装置。
【請求項４】
請求項３に記載する改質装置において、
前記第１燃料ポンプが、前記改質部で燃料を改質する際に、前記燃焼部で必要とされる、最低限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給能力を持ち、
前記第２燃料ポンプが、前記改質部で燃料を改質する際に、前記改質部で必要とされる、最大限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給能力を持つことを特徴とする改質装置。
【請求項５】
燃料から水素を作り出すための改質部と、
前記改質部を過熱するための燃焼部と、
前記燃焼部に第１燃料ラインを介して接続され、前記燃料を前記燃焼部に供給するために用いる第１燃料ポンプと、
前記改質部に第２燃料ラインを介して接続され、前記燃料を前記改質部に供給するために用いる第２燃料ポンプと、
前記第２燃料ライン中であって、前記改質部と、前記第２燃料ポンプの間に接続される第１遮断弁とを備える燃料電池システムポンプ制御方法において、
前記第１遮断弁と前記第２燃料ポンプとの間の前記第２燃料ライン中と、前記第１燃料ラインを接続するバイパスラインを備え、
前記第１燃料ポンプの供給容量が、前記第２燃料ポンプの供給容量よりも少なく、
システム起動時には、前記第１遮断弁を閉じ、前記第２燃料ポンプから、前記バイパスラインを通じて、前記燃焼部へ燃料を供給するシステム起動工程を行い、
システム運転時には、第１遮断弁を開けるシステム運転工程を行うことを特徴とする燃料電池システムポンプ制御方法。
【請求項６】
請求項５に記載する燃料電池システムポンプ制御方法において、
前記バイパスラインに第２遮断弁を設け、
前記システム起動工程においては、前記第２遮断弁を開け、前記システム運転時には、前記第２遮断弁を閉じることを特徴とする燃料電池システムポンプ制御方法。
【請求項７】
請求項５に記載する燃料電池システムポンプ制御方法において、
前記第１燃料ポンプが、前記改質部で燃料を改質する際に、前記燃焼部で必要とされる、最低限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給能力を持ち、
前記第２燃料ポンプが、前記改質部で燃料を改質する際に、前記改質部で必要とされる、最大限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給能力を持つことを特徴とする燃料電池システムポンプ制御方法。
【請求項８】
燃料から水素を作り出すための改質部と、
前記改質部を過熱するための燃焼部と、
前記燃焼部に第１燃料ラインを介して接続され、前記燃料を前記燃焼部に供給するために用いる第１燃料ポンプと、
前記改質部に第２燃料ラインを介して接続され、前記燃料を前記改質部に供給するために用いる第２燃料ポンプと、
前記第２燃料ライン中であって、前記改質部と、前記第２燃料ポンプの間に接続される第１遮断弁とを備える燃料電池システムポンプ制御装置において、
前記第１遮断弁と前記第２燃料ポンプとの間の前記第２燃料ライン中と、前記第１燃料ラインを接続するバイパスラインを備え、
前記第１燃料ポンプの供給容量が前記第２燃料ポンプの供給容量よりも少ないことを特徴とする燃料電池システムポンプ制御装置。
【請求項９】
請求項８に記載する燃料電池システムポンプ制御装置において、
前記バイパスラインに第２遮断弁を設けたことを特徴とする燃料電池システムポンプ制御装置。
【請求項１０】
請求項８に記載する燃料電池システムポンプ制御装置において、
前記第１燃料ポンプが、前記改質部で燃料を改質する際に、前記燃焼部で必要とされる、最低限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給能力を持ち、
前記第２燃料ポンプが、前記改質部で燃料を改質する際に、前記改質部で必要とされる、最大限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給能力を持つことを特徴とする燃料電池システムポンプ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば天然ガス、プロパンガス等の燃料を改質して水素を発生させる燃料電池システムの制御方法、及び制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学的電池の１つとして水素酸素型燃料電池があり、クリーンで効率の良い発電が可能であるため、将来の有力な電源の候補であるとして、現在盛んに研究されている。この水素酸素型燃料電池では、燃料として水素を使用するが、この水素を得る手段として、天然ガス等の燃料を改質して水素を発生させる、燃料電池システムがある。
この燃料電池システムは、例えば天然ガスと水を原料とし、改質前にイオウ化合物を除去し、改質触媒と接触させることによって起こる改質反応により水素を生成するが、改質反応は吸熱反応であるため、運転時には改質触媒を加熱する必要がある。また、運転開始時には、反応を始めるために、一定の熱量を確保する必要もある。
【０００３】
ここで改質触媒を効率よく加熱する方式として例えば、特許文献１にその方法が開示されている。
図６には、特許文献１のメタノール等の燃料を改質して水素を発生する燃料改質装置を燃料電池発電システムに適用したシステム構成図である。
メタノール等の燃料を改質して水素を発生する燃料改質装置を有する燃料電池発電システムは、天然ガス等の燃料を改質して水素を発生する燃料改質装置を有する燃料電池発電システムと構成が良く似ている。
図６に示す燃料電池発電システムは、燃料電池１４０と、この燃料電池１４０に供給する気体燃料としての水素を発生する燃料改質装置１１０とを備えている。燃料改質装置１１０は、液体燃料を気化する気化部１１１及び気化部１１１から気体燃料を改質する燃料改質部１０９より構成される。
【０００４】
燃料電池１４０には、電解質１４１を挟んで燃料極１４２と空気極１４３とが設けられ、また、この燃料電池１４０を冷却するために熱交換器１４４が設けられている。燃料極１４２には気体燃料を供給する改質ガスライン１０３と、燃料極１４２から発生する排気ガスを排出するオフガスライン１０５とが接続されている。一方、空気極１４３には、酸化剤としての酵素を含む空気の供給ライン（図示しない）が接続されている。改質ガスライン１０３及びオフガスライン１０５は、燃料改質部１０９の各接続口にそれぞれ接続されている。燃料改質部１０９は、詳細を後述するが、多数の熱交換器を具備しており、各熱交換器の排気ガス通路側の面に燃焼触媒層が、当該熱交換器の気体燃料通路側の面に改質触媒層がそれぞれ設けられている。
【０００５】
また、当該燃料電池発電システムは、気化部１１１とバーナ１１２をそなえている。そして、燃料改質部１０９は、気化部１１１からの気体燃料を、気体燃料通路側に取り込むと共に、オフガスライン１０５を経由して供給された燃焼熱ガスを、燃焼熱ガス通路側に取り込む。そして、燃焼触媒層で発生した熱と改質触媒層の作用によって気体燃料を改質し、改質ガスライン１０３に送り出すようになっている。
気化部１１１には、ポンプ１１３を介して燃料タンク１１５が接続されている。そして、燃料タンク１１５に貯蔵されている燃料は、ポンプ１１３（ｂ）によって、気化部１１１に供給され、気化部１１１は、バーナ１１２の燃焼熱によって、気体燃料として燃料改質部１０９に供給するようになっている。
燃料改質部１０９は、気化部１１１からの気体燃料を各改質触媒層に取り込むと共にオフガスライン１０５を経由して供給された燃焼熱ガスに、気体燃料（メタノール）と空気
を流入させ、燃焼ガスとして各燃料触媒層に導入するようになっている。
【０００６】
このように、燃料タンク１１５からポンプ１１３（ａ）を介して燃料を供給するバーナ１１２で燃料改質部１０９と気化部１１１を暖めることにより、改質反応に必要な熱量の確保を行っている。
特許文献１では燃料改質部１０９にさらに工夫が有り、燃料改質部１０９内部の燃焼触媒の濃度を調整することで、燃料改質部１０９内部での発熱の均一性を調整している。
【０００７】
また、特許文献２では燃料電池の制御装置について開示され、燃料電池に供給される燃料の圧力流量特性を精度良く制御する方法を示している。
図７には、特許文献２の燃料電池の制御装置の構成図を示している。
特許文献２の形態による燃料電池の制御装置２１０は、燃料電池２１１と、例えばメタノールと水の混合液等からなる液体燃料を供給する燃料供給部２１２と、液体燃料を蒸発させて燃料蒸気を生成する蒸気発生部２１３と、蒸気発生部２１３の暖気及び液体燃料の蒸発に利用される燃焼ガスを生成する燃焼部２１４と、燃料蒸気から水素リッチな改質燃料を生成する改質部２１５と、改質燃料中の一酸化炭素を選択的に酸化して除去するＣＯ低減部２１６と、燃料電池２１１へ例えば空気等の酸化剤を供給する酸化剤供給部２１７と、制御部２１８と、排出燃料流量制御部２１９と、改質燃料圧力検出器２２１と、改質燃料流量検出器２２２と、排出燃料圧力検出器２２３と、発電電流検出器２２４と、補助燃料供給部２２５と、出力制御部２２６と、排出燃料流量制御部２１９に具備された小流量バルブ２２７および大流量バルブ２２８と、目標発電量入力部２２９を備えて構成されている。
【０００８】
そして、小流量バルブ２２７及び、大流量バルブ２２８にフィードフォワード制御及びフィードバック制御することで、燃焼部２１４に供給する燃料を精度良く供給できる装置になっている。
このような、圧力流量特性の異なる２つの小流量バルブ２２７及び大流量バルブ２２８を備えることで、高い応答性を維持しつつ、低出力側から高出力側までの全域で高精度の制御を行うことができ、発電効率を向上させることが可能となる。
【特許文献１】特開平７−１２６００２号公報
【特許文献２】特開２００１−３３８６７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の改質装置においては、複数のポンプが設置されているときに、個々のポンプの能力を最大限生かしきれていなかった。このため、ポンプを大きくしなければならず、装置全体の大型化を招く第１の問題があった。
次に、第２の問題点について説明する。
近年これらの燃料電池装置を家庭用の発電装置に用いようという試みがなされ、実際に各メーカーによって、家庭用の発電機として燃料電池装置の試験的導入が始まっており、特許文献１や特許文献２の方法では、解決し得ない問題も考えられる。
特に家庭用の発電装置として考える場合、様々なユーザーの使用態様に合わせた使い方ができることが必要であり、かつ、コスト的に抑える必要がある。
引用文献１及び引用文献２では、何れもメタノール等のアルコール系の燃料を使用の前提としているが、家庭で発電機として運用する場合は、アルコール系の液体よりも、既にインフラとして整備されている天然ガス等の都市ガスやプロパンガスなどの炭化水素系ガスを用いて発電できた方が、利便性が高い。
【００１０】
ところが、炭化水素系ガスの燃料を用いた燃料電池装置を家庭用に使用することを考えた場合には、燃料電池装置が発電可能になるまでに必要な時間が問題となってくる。
炭化水素系ガスの燃料の場合、改質には長時間停止した炭化水素系ガスの燃料を用いた燃料電池装置の場合、システム起動から通常運転に入ることのできる状態になるまでには、約１時間程度の暖機運転が必要となる。この際、通常運転中とは異なり、燃焼部が必要とする燃料は、システム連続運転時に比べて約２０〜４０倍程度と多い。
これは、燃料電池の発電が化学反応によって行われるものであり、特許文献１及び特許文献２のアルコール系の燃料（例えばメタノール）の場合、２００〜３００度で蒸気改質が可能であるが、特に炭化水素ガスに含まれるメタン等を改質する場合には６００度以上の温度が必要となるからである。しかし、いったん改質反応が起これば、トータルで見て発生熱量がマイナスにはなるが、ある程度の熱を発生するので、反応が起きている状況では必要熱量は少なくて済む。
【００１１】
すなわち、システム起動時には６００度以上に加熱してやる必要があり多くの燃料が必要だが、通常運転時では反応によって熱が補えるため、燃焼部で使用する燃料は少なくて済む。
さらに、運転状態によっても燃焼部での必要熱エネルギーは異なる。
具体的な事例を考えると、例えば、共働きの夫婦が一軒家に燃料電池装置を用いた発電を用いたいと考えた場合、日中は働きに出ているため、電気を使うことはほとんど無く、また、就寝後も電気はほとんど使用しないと考えられるので、電気を使用するのは朝と夜だけということになる。
このように、ほとんど使用をしない時間帯があれば、常に熱を供給し続ける場合にも発電量が少なければ、反応を維持するための最低限の熱の供給だけで良いことになる。
【００１２】
ところが、一般的に用いられる燃料ポンプには、燃料供給量の使用帯域がそのシステムの構成上決まってきてしまい、例えば燃焼部起動時に必要な流量を確保するために最大流量が３Ｌ／ｍｉｎのポンプを採用した場合、保証される最小流量は０．３Ｌ／ｍｉｎ程度であり、それ以下の流量では安定して供給することができなくなってしまう。
しかし、上記のような条件を満足するためには、この最低流量では不十分であり、省エネルギーを求めるのであれば、最低流量は０．１Ｌ／ｍｉｎ以下に抑えたいという要求がある。
【００１３】
すなわち、天然ガス系の燃料を用いた燃料電池装置を家庭用に使用する場合において、想定される運転状態によって燃焼部で必要とされる燃料の流量が大きく異なるので、一般的なポンプでは１台で最大必要量と、最小必要量をカバーすることが難しいという問題点があった。
引用文献１のようなシステムでは、燃焼部に燃料を供するための燃料ポンプが１つしかないので、この条件を満たすことはできない。また、引用文献２の方法は有効であるが、このような燃料を送るための燃料ポンプは特殊性が高く、一般家庭への普及という点を踏まえると、コスト面から見て１つの燃料供給路に２つの燃料ポンプを並列に使用することは好ましくない。
【００１４】
本発明は、そうした問題点を解決するためになされたものであり、より簡易な構成で精度よく燃料を供給することが可能な改質装置、燃料電池システムポンプ制御方法、及び制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る改質装置は、次のような構成を有している。
（１）供給された燃料を改質して水素を生成する改質部と、供給された燃料を燃焼させて前記改質部を加熱する燃焼部と、燃焼部に燃料を供給する第１燃料ラインに、燃料を圧縮して供給する第１燃料ポンプと、改質部に燃料を供給する第２燃料ラインに、燃料を圧縮して供給する第２燃料ポンプと、第１燃料ラインと前記第２燃料ラインとを連通させるバイパスラインとを有する。
（２）（１）に記載する改質装置において、前記第１燃料ポンプの供給容量が前記第２燃料ポンプの供給容量よりも少ないことを特徴とする。
（３）（２）請求項２に記載する改質装置において、前記バイパスラインに第２遮断弁を設けたことを特徴とする。
（４）（３）に記載する改質装置において、前記第１燃料ポンプが、前記改質部で燃料を改質する際に、前記燃焼部で必要とされる、最低限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給能力を持ち、前記第２燃料ポンプが、前記改質部で燃料を改質する際に、前記改質部で必要とされる、最大限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給能力を持つことを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る燃料電池システムポンプ制御方法は、次のような構成を有している。
（５）燃料から水素を作り出すための改質部と、改質部を過熱するための燃焼部と、燃焼部に第１燃料ラインを介して接続され、燃料を燃焼部に供給するために用いる第１燃料ポンプと、改質部に第２燃料ラインを介して接続され、燃料を改質部に供給するために用いる第２燃料ポンプと、第２燃料ライン中であって、改質部と、第２燃料ポンプの間に接続される第１遮断弁とを備える燃料電池システムポンプ制御方法であって、第１遮断弁と第２燃料ポンプとの間の第２燃料ライン中と、第１燃料ラインを接続するバイパスラインを備え、第１燃料ポンプの供給容量が、第２燃料ポンプの供給容量よりも少なく、システム起動時には、第１遮断弁を閉じ、第２燃料ポンプから、バイパスラインを通じて、燃焼部へ燃料を供給するシステム起動工程を行い、システム運転時には、第１遮断弁を開けるシステム運転工程を行う。
（６）（５）に記載する燃料電池システムポンプ制御方法において、前記バイパスラインに第２遮断弁を設け、前記システム起動工程においては、前記第２遮断弁を開け、前記システム運転時には、前記第２遮断弁を閉じることを特徴とする。
（７）（５）に記載する燃料電池システムポンプ制御方法において、前記第１燃料ポンプが、前記改質部で燃料を改質する際に、前記燃焼部で必要とされる、最低限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給能力を持ち、前記第２燃料ポンプが、前記改質部で燃料を改質する際に、前記改質部で必要とされる、最大限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給能力を持つことを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る燃料電池システムポンプ制御装置は、次のような構成を有している。
（８）燃料から水素を作り出すための改質部と、改質部を過熱するための燃焼部と、燃焼部に第１燃料ラインを介して接続され、燃料を燃焼部に供給するために用いる第１燃料ポンプと、改質部に第２燃料ラインを介して接続され、燃料を前記改質部に供給するために用いる第２燃料ポンプと、第２燃料ライン中であって、改質部と、第２燃料ポンプの間に接続される第１遮断弁とを備える燃料電池システムポンプ制御装置であって、第１遮断弁と第２燃料ポンプとの間の第２燃料ライン中と、第１燃料ラインを接続するバイパスラインを備え、第１燃料ポンプの供給容量が第２燃料ポンプの供給容量よりも少ないことを特徴とする。
（９）（８）に記載する燃料電池システムポンプ制御装置において、前記バイパスラインに第２遮断弁を設けたことを特徴とする。
（１０）（８）に記載する燃料電池システムポンプ制御装置において、前記第１燃料ポンプが、前記改質部で燃料を改質する際に、前記燃焼部で必要とされる、最低限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給能力を持ち、前記第２燃料ポンプが、前記改質部で燃料を改質する際に、前記改質部で必要とされる、最大限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給能力を持つことを特徴とする。
【００１８】
次に、上記構成を有する改質装置、燃料電池システムポンプ制御方法、及び制御装置の作用効果について説明する。
第１燃料ラインと第２燃料ラインとを連通させるバイパスラインを設けているので、一方のポンプに余力がある場合に、余力のあるポンプの出力を上げることにより、他方ポンプの能力不足を補完することができる。すなわち、システム起動時には、第２燃料ポンプから多くの燃料を供給することが可能であり、通常運転時には第１燃料ポンプから少量の燃料を供給することが可能である。
これによって、２台のポンプの各々の供給容量従来より小さくした条件において、をポンプの燃焼部へ常に必要なだけの燃料を供給することができるという優れた効果を奏する。
また、第２燃料ポンプはもともと燃料改質部に燃料を供給するために用いられているので、バイパスラインを追加するだけで、ポンプを新たに追加するほどのコストをかけずに、必要な燃料の供給を行うことが可能となる。
【００１９】
さらに、第１燃料ポンプの供給容量が第２燃料ポンプの供給容量よりも少ないことにより、各別に稼動させる場合と比較して、第１燃料ポンプの供給容量をより小さくすることができる。ここで、ポンプの供給能力の代わりに、圧縮能力で管理しても同様である。すなわち、第１燃料ポンプの最大圧縮能力を、第２燃料ポンプの最大圧縮能力よりも小さくすれば良い。
【００２０】
さらに、バイパスラインに第２遮断弁を設けたことにより、第１燃料ラインと第２燃料ラインとを遮断できるため、運転時には、他のポンプの影響を受けずに各ポンプを制御することができる。
システム起動時には、第１遮断弁を閉じ、第２遮断弁を開けて、第２燃料ポンプから、バイパスラインを通じて、燃焼部へ燃料を供給する第１流路と、運転時には第１遮断弁を開け、第２遮断弁を閉じてバイパスラインを遮断し、燃焼部には、第１燃料ポンプによって燃料を供給し、改質部には、第２燃料ポンプによって燃料を供給する第２流路を切り替えるため、システム起動時には、第２燃料ポンプから多くの燃料を供給することが可能であり、通常運転時には第１燃料ポンプから少量の燃料を供給することが可能である。
これによって、燃焼部へ常に必要なだけの燃料を供給することができるという優れた効果を奏する。
【００２１】
さらに、第１燃料ポンプが、改質部で燃料を改質する際に、燃焼部で必要とされる、最低限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給能力を持ち、第２燃料ポンプが、改質部で燃料を改質する際に、改質部で必要とされる、最大限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給能力を持つので、第１ポンプの供給容量を、改質部で燃料を改質する際に燃焼部で必要とされる最低限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給レベルまで下げることができる。
また、システム起動時においては、改質部には、燃料の供給を必要としないので、第１燃料ポンプを使用して、初期の燃焼に必要な燃料を供給し、通所運転時には第２ポンプを使用して、継続運転に必要な燃料を供給し、安定的にシステムを稼動することが可能となる。また、最適な量の燃料を、安定的に改質部と燃焼部に供給することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明に係る燃料電池システムポンプ制御方法、及び装置について、具体化した形態をあげ、図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態では、燃料として天然ガスを使用している。
図１には、本実施例における、燃料電池システム天然ガスポンプ制御方法、又は装置の改質部の構成について示した図である。
燃料改質システム１０は、燃料供給部１３と、燃焼部２０と、改質部２１とからなり、それぞれが配管で接続されている。
燃料供給部１３の先には燃料ガス遮断弁１４（２連弁）が設けられており、その先に燃焼用燃料ポンプ１１及び改質用燃料ポンプ１２が接続されている。
燃焼部２０には、燃料供給部１３から、燃焼用燃料ポンプ１１で第１燃料ライン１７を介して燃料を供給し、改質部２１には、燃料供給部１３から、改質用燃料ポンプ１２で、第２燃料ライン１８を介して燃料を供給している。この第２燃料ライン１８には、第１遮断弁１６が設けられている。
第１遮断弁１６と改質用燃料ポンプ１２との間の第２燃料ライン中と、第１燃料ライン１７とを接続するバイパスライン１９と、バイパスライン１９に設けられた第２遮断弁１５が設けられている。
第１燃料ライン１７は、燃焼部２０と、燃料を供給する燃料供給口（例えば、建物に設けられた燃料供給口や、燃料を貯蔵する貯蔵容器の供給口）とを連通するラインである。燃料供給口から供給された燃料は、第１燃料ライン１７を介して燃焼部２０に供給される。また、第２燃料ライン１８は、改質部２１と、燃料供給口とを連通するラインであり、供給口から供給された燃料は、第２燃料ライン１８を介して改質部２１に供給される。
【００２３】
この燃焼用燃料ポンプ１１には、最大１Ｌ／ｍｉｎの吐出容量を持つポンプが選定されている。燃焼用燃料ポンプ１１には逆流防止弁が設けられており、また、最小は０．１Ｌ／ｍｉｎ程度の流量まで対応可能である。
一方、改質用燃料ポンプ１２には、最大５Ｌ／ｍｉｎの吐出容量を持つポンプが選定されている。改質用燃料ポンプ１２には逆流防止弁が設けられており、また、最小は０．５Ｌ／ｍｉｎ程度の流量まで対応可能である。
燃焼部２０には、他に空気取入部２２と、排気管２３が接続されており、燃料供給部１３から送られてきた燃料を、空気取入部２２から取り入れた空気と混合して燃焼させ、排気管２３で排気をおこなう。
改質部２１では、スタックライン２４が接続されており、燃料から改質して生成した燃料ガスを、スタックライン２４を通じて図示しない燃料電池部へと送り出す。
なお、図示しないが、改質部２１とスタックライン２４の間には、改質部２１で生成された燃料ガス中の一酸化炭素をシフト反応させるシフト反応部、シフト反応部から排出される燃料ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部が設けられている。シフト反応部、一酸化炭素低減部によって燃料電池の電極触媒を被毒させる燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる。一酸化炭素低減部には、わずかな空気を供給し一酸化炭素を選択的に酸化して除去する一酸化炭素選択酸化部を使用しても、一酸化炭素と水を反応させてメタンを生成するメタネーション反応部としてもよい。
【００２４】
これらの構成は、天然ガスを用いた燃料電池システムの一部である燃料改質システム１０を表したもので、この他、スタックライン２４の先に繋がる図示しない燃料電池部、回収水タンク、蒸発器、凝縮器等から構成される、燃料電池システムが１つのパッケージに収められて、一般家庭や小規模な店舗等に設置できるようになっている。
前述のように燃料に天然ガス等を燃料に使用するので、プロパンガスや都市ガス等のインフラが整っている環境では利用し易いというメリットがある。
【００２５】
次に流路構成について説明する。
図２に示す第１流路構成は、システム起動時の流路である。
システム起動時は、第１遮断弁１６が閉じられて第２遮断弁１５が開放されている。また、燃焼用燃料ポンプ１１は作動させず、改質用燃料ポンプ１２を作動させている。また、燃料ガス遮断弁１４は開放されている。
従って、燃料供給部１３から改質用燃料ポンプ１２によって燃料は運び出され、第２燃料ライン１８を通過し、途中分岐するバイパスライン１９を通って、第１燃料ライン１７に接続され、燃焼部２０に供給されることになる。
【００２６】
図３に示す第２流路構成は、通常運転時の流路である。
通常運転時は、第１遮断弁１６が開放されて、第２遮断弁１５が閉じられている。また、燃焼用燃料ポンプ１１及び改質用燃料ポンプ１２は作動しており、燃料ガス遮断弁１４
は開放されている。
従って、燃料供給部１３から燃焼用燃料ポンプ１１によって、第１燃料ライン１７を通過し、燃焼部２０に燃料が供給される。また燃料供給部１３から改質用燃料ポンプ１２によって、第２燃料ライン１８を通過し改質部２１に燃料が供給される。この時、第２遮断弁１５は閉じられているので、第１燃料ライン１７と第２燃料ライン１８の間を燃料が行き来することはない。
【００２７】
燃料改質システム１０はこのような構成をしており、燃料改質することで燃料電池に水素を供給することが出来る。
次に、起動時のシステムフローを図４に示して、本実施例の燃料電池システム天然ガスポンプ制御方法、及び制御装置の起動時の動作を説明する。
Ｓ１０でシステムが起動されると、Ｓ１１で燃料ガス遮断弁１４の開放指令が出され、燃料ガス遮断弁１４が開放されて、燃料を供給できるようになる。Ｓ１２では、第２遮断弁１５の開放指令が出され、第２遮断弁１５が開放されて、バイパスライン１９を燃料が通過できるようになる。この状態で図２の第１流路構成になっており、第１遮断弁１６は閉じているので、改質部２１には燃料は供給されない。
Ｓ１３では、改質用燃料ポンプ１２の駆動指令が出され、燃焼部への燃料供給が開始される。前述のように、起動時には改質部２１での反応が開始できるようにするため、燃焼部２０に多くの燃料を必要とする。したがって吐出能力の大きい改質用燃料ポンプ１２によって燃焼部２０に燃料が送られる。
【００２８】
Ｓ１４では、燃焼部２０へ着火指令を行う。ここで燃焼部２０での燃焼が始まり、空気取入部２２から空気を取り入れ、燃焼によって発生したガスを排気管２３から排気する。
Ｓ１５では、改質用燃料ポンプ１２に、流量減少指令を出す。燃焼部２０で燃焼が開始されると、必要なエネルギーが蓄えられるので、次第に改質用燃料ポンプ１２の出力を絞り、燃焼を調整してゆく。
そしてＳ１６で、改質用燃料ポンプ１２での流量が１Ｌ／ｍｉｎになるまで待機し（Ｓ１６：Ｎｏ）、１Ｌ／ｍｉｎ未満になった時点で（Ｓ１６：Ｙｅｓ）、Ｓ１７へ進み、燃焼用燃料ポンプ１１へ駆動指令を出し、Ｓ１８で改質用燃料ポンプ１２の停止指令を出して、Ｓ１９にて第２遮断弁１５を閉める指令を出し、Ｓ２０にて第１遮断弁１６を開放する指令を出して、Ｓ２１にて再び改質用燃料ポンプ１２を起動して、改質部２１への燃料の供給を開始する。この後、Ｓ２２の発電シーケンスへ移行する。
この状態で図３の第２流路状態になり、燃焼部２０、改質部２１各々に、燃焼用燃料ポンプ１１、改質用燃料ポンプ１２から燃料が供給されることになる。
【００２９】
このような構成からなるので、本実施例による燃料電池システムポンプ制御方法、及び制御装置は以下のような作用効果を示す。
システム起動時と、通常運転時にてバイパスライン１９によって、流路を切り替え、使用するポンプを選択することができるので、システム起動時には吐出容量の大きい、改質用燃料ポンプ１２を使用して燃焼部２０に燃料を送り、通常運転時には吐出容量の小さい燃焼用燃料ポンプ１１を使用して燃焼部２０に燃料を送り、必要な量の燃料を安定的に供給することができる。
これによって従来問題であった、通常運転時において発電量が小さい場合に、対応して燃料を安定的に送ることができ、燃料効率を向上させると共に、エミッションを低減させることができるようになった。
【００３０】
本発明の別の第２の実施の形態について図５に基づいて説明する。図５の実施の形態は、図１のものとほとんど同じ構成であるので、同じ構成部分については、同じ番号を付して説明を割愛し、相違点のみ説明する。図１と比較して、バイパスライン１９に、第２遮断弁１５が設けられていない点が相違している。
すなわち、第２遮断弁１５を設けないでバイパスライン１９のみ設けた場合でも、第１燃料ライン１７及び第２燃料ライン１８に図示しない圧力センサを設けて、各ラインにおける圧力値をフィードバックすることにより、第２燃料ライン１８から第１燃料ライン１７に対して任意の量の燃料を供給することが可能である。一般に、流体の流速は、ベルヌーイの定理により、差圧により決まるので、バイパスライン１９に所定面積のオリフィスを設けておけば、第２燃料ライン１８と第１燃料ライン１７との差圧により流速を求め、オリフィスの面積とを乗算することで、第２燃料ラインから第１燃料ラインへ供給する燃料の量をコントロールできるのである。
第２の実施の形態によれば、第２遮断弁１５を無くすことができる利点がある。
【００３１】
また、圧力センサを設けなくても、バイパスライン１９に所定の開口面積のオリフィスを設けておけば、起動時には、第１遮断弁１６を閉じた状態で第１燃料ポンプ及び第２燃料ポンプを共に駆動して、大容量の燃料を供給し、運転時には、第１遮断弁１６を開くことで第２燃料ポンプからの燃料を改質部２１に供給すると共に、第１燃料ラインへも所定量の燃料を供給することが可能である。
【００３２】
上述したように、第１及び第２の実施例の改質装置によれば、以下の効果を奏する。
（１）供給された燃料を改質して水素を生成する改質部２１と、供給された燃料を燃焼させて改質部２１を加熱する燃焼部２０と、燃焼部２０に燃料を搬送する第１燃料ライン１７に、燃料を圧縮して供給する第１燃料ポンプ１１と、改質部２１に燃料を供給する第２燃料ライン１８に、燃料を圧縮して供給する第２燃料ポンプ１２と、第１燃料ライン１７と第２燃料ライン１８とを連通させるバイパスライン１９とを有するので、一方のポンプに余力がある場合に、余力のあるポンプの出力を上げることにより、他方ポンプの能力不足を補完することができる。すなわち、システム起動時には、第２燃料ポンプから多くの燃料を供給することが可能であり、通常運転時には第１燃料ポンプから少量の燃料を供給することが可能である。
これによって、燃焼部へ常に必要なだけの燃料を供給することができるという優れた効果を奏する。
また、第２燃料ポンプはもともと燃料改質部に燃料を供給するために用いられているので、バイパスラインを追加するだけで、ポンプを新たに追加するほどのコストをかけずに、必要な燃料の供給を行うことが可能となる。
【００３３】
（２）さらに、第１燃料ポンプ１１の供給容量が第２燃料ポンプ１２の供給容量よりも少ないので、これにより、第１燃料ポンプの供給容量を小さくすることができる。
（３）さらに、バイパスライン１９に第２遮断弁１５を設けたので、第１燃料ラインと第２燃料ラインとを遮断できるため、運転時には、他のポンプの影響を受けずに各ポンプを制御することができる。また、第１燃料ポンプ１１及び第２燃料ポンプ１２を精確にコントロールする必要がなくなり、制御装置を簡略化できる。
（４）さらに、第１燃料ポンプ１１が、改質部２１で燃料を改質する際に、燃焼部２０で必要とされる、最低限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給能力を持ち、第２燃料ポンプ１２が、改質部２１で燃料を改質する際に、改質部２１で必要とされる、最大限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給能力を持つので、第１ポンプの供給容量を、改質部で燃料を改質する際に燃焼部で必要とされる最低限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給レベルまで下げることができる。
また、システム起動時においては、改質部には、燃料の供給を必要としないので、第１燃料ポンプを使用して、初期の燃焼に必要な燃料を供給し、通所運転時には第２ポンプを使用して、継続運転に必要な燃料を供給し、安定的にシステムを稼動することが可能となる。また、最適な量の燃料を、安定的に改質部と燃焼部に供給することが可能となる。
【００３４】
また、上述したように、本実施の形態による燃料電池システムポンプ制御方法、及び制御装置によれば、以下の優れた効果を奏する。
（５）燃料から水素を作り出すための改質部２１と、改質部２１を過熱するための燃焼部２０と、燃焼部２０に第１燃料ライン１７を介して接続され、燃料を燃焼部２０に供給するために用いる第１燃料ポンプ１１と、改質部２１に第２燃料ライン１８を介して接続され、燃料を改質部２１に供給するために用いる第２燃料ポンプ１２と、第２燃料ライン１８中であって、改質部２１と、第２燃料ポンプ１２の間に接続される第１遮断弁１６とを備える燃料電池システムポンプ制御方法であって、第１遮断弁１６と第２燃料ポンプ１２との間の第２燃料ライン１８中と、第１燃料ライン１７を接続するバイパスライン１９を備え、第１燃料ポンプ１２の供給容量が、第２燃料ポンプ１１の供給容量よりも少なく、システム起動時には、第１遮断弁１６を閉じ、第２燃料ポンプ１２から、バイパスライン１９を通じて、燃焼部２０へ燃料を供給するシステム起動工程を行い、システム運転時には、第１遮断弁を開けるシステム運転工程を行うので、システム起動時には、改質用燃料ポンプ１２から多くの燃料を供給することが可能であり、通常運転時には燃焼用燃料ポンプ１１から少量の燃料を供給することが可能である。
【００３５】
（６）さらに、バイパスライン１９に第２遮断弁１５を設け、システム起動工程においては、第２遮断弁１５を開け、システム運転時には、第２遮断弁１５を閉じるので、簡単な制御で全体を最適にコントロールすることが可能である。また、燃焼用燃料ポンプ１１を使用して、初期の燃焼に必要な燃料を燃焼部２０に供給し、通常運転時には改質用燃料ポンプ１２して、継続運転に必要な燃料を燃焼部２０に供給し、安定的にシステムを稼動することが可能となる。
（７）さらに、第１燃料ポンプ１１が、改質部２１で燃料を改質する際に、燃焼部２０で必要とされる、最低限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給能力を持ち、第２燃料ポンプ１２が、改質部２１で燃料を改質する際に、改質部２１で必要とされる、最大限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給能力を持つので、第１ポンプの供給容量を、改質部で燃料を改質する際に燃焼部で必要とされる最低限度の燃料を安定的に供給可能な燃料供給レベルまで下げることができる。
また、システム起動時においては、改質部２１には、燃料の供給を必要としないので、第１燃料ポンプ１１を使用して、初期の燃焼に必要な燃料を供給し、通所運転時には第２ポンプ１２を使用して、継続運転に必要な燃料を供給し、安定的にシステムを稼動することが可能となる。また、最適な量の燃料を、安定的に改質部と燃焼部に供給することが可能となる。
【００３６】
以上、本発明の改質装置、燃料電池システムガスポンプ制御方法における実施の形態を例示したが、この実施の形態に限られることなく発明の趣旨を逸脱しない範囲で変形することを妨げない。
例えば、実施例の燃焼用燃料ポンプ１１のポンプ能力を１Ｌ／ｍｉｎ、及び改質用燃料ポンプ１２のポンプ能力をと５Ｌ／ｍｉｎとしたが、この容量は燃料電池の能力に応じて変更するものであり、燃焼部２０及び改質部２１に安定的に燃料を供給できる組み合わせのポンプ能力を変更することを妨げない。
また、天然ガスを対象として説明したが、プロパンガスにも利用できるし、バイパスライン１９を設ける発明については、メタノール等の炭化水素系燃料全般を対象としても利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施例における、燃料電池システム天然ガスポンプ制御方法、又は装置の改質部の構成について示した模式図である。
【図２】本実施例における、システム起動時の流路である第１流路構成を示した図である。
【図３】本実施例における、通常運転時の流路である第２流路構成を示した図である。
【図４】本実施例における、起動時のシステムフローを示した図である。
【図５】本発明の第２の実施例の構成示す模式図である。
【図６】特許文献１の、燃料電池発電システムのシステム構成図を示している。
【図７】特許文献２の、燃料電池の制御装置の構成図を示している。
【符号の説明】
【００３８】
１０      燃料改質システム
１１      燃焼用燃料ポンプ
１２      改質用燃料ポンプ
１３      燃料供給部
１４      燃料ガス遮断弁
１５      第２遮断弁
１６      第１遮断弁
１７      第１燃料ライン
１８      第２燃料ライン
１９      バイパスライン
２０      燃焼部
２１      改質部
２２      空気取入部
２３      排気管
２４      スタックライン
【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】
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