(57)【要約】【課題】改質装置において、昇温時における燃焼部からの排気ガスのエミッション性能を向上する。【解決手段】改質装置の制御装置は、当該改質装置の昇温時において改質部内の温度が第１所定温度より低温の第２所定温度に到達するまでは、燃焼部に燃焼用燃料と改質用燃料の両方の燃料を供給して燃焼し（ステップ１０２〜１１６）、第２所定温度に到達した場合に、燃焼用燃料の燃焼部への供給を停止して改質用燃料のみ燃焼部に供給して燃焼するように制御する（ステップ１２０，１２２）。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質用燃料供給手段によって供給される改質用燃料から改質ガスを生成する改質部と、
燃焼用燃料供給手段によって供給される燃焼用燃料および前記改質部から供給される前記改質ガスの少なくとも何れか一方を、燃焼用酸化剤ガス供給手段によって供給される燃焼用酸化剤ガスにより燃焼してその燃焼ガスによって前記改質部を加熱して第１所定温度まで昇温させる燃焼部と、
当該改質装置の昇温時において前記改質部内の温度が前記第１所定温度より低温の第２所定温度に到達するまでは、前記燃焼部に前記燃焼用燃料と前記改質用燃料の両方の燃料を供給して燃焼し、前記第２所定温度に到達した場合に、前記燃焼用燃料の前記燃焼部への供給を停止して前記改質用燃料のみ前記燃焼部に供給して燃焼するように制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする改質装置。
【請求項２】
請求項１において、前記制御装置は、前記燃焼用燃料の供給を一旦停止した後は、燃料電池への前記改質ガスの供給を開始するまでは、前記燃焼用燃料の供給停止を継続することを特徴とする改質装置。
【請求項３】
請求項２において、前記制御装置は、前記燃焼用燃料の供給停止中は、前記改質用燃料を供給停止することなく連続的に供給することを特徴とする改質装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項において、前記制御装置は、前記改質部内の温度が前記第２所定温度よりも低温の第３所定温度に到達するまでは、前記改質用燃料を供給することなく前記燃焼用燃料のみ前記燃焼部に供給して燃焼するように制御することを特徴とする改質装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一項において、前記第２所定温度は、前記燃焼部に供給される可燃ガスの供給量の減少を開始する温度であることを特徴とする改質装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか一項において、前記制御装置は、前記改質部内の温度が前記第２所定温度に到達した後で前記第１所定温度に到達するまでは、前記改質用燃料を減少しながら供給するように制御することを特徴とする改質装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れか一項において、前記制御装置は、前記改質部内の温度が前記第１所定温度に到達すると、前記燃焼用酸化剤ガスを増加しながら供給するように制御することを特徴とする改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
改質装置の一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、改質装置の起動時においては、まず、空気供給部１０から燃焼用空気をバーナ８に供給した状態で、点火装置（図示せず。）で点火動作を行いながら、燃料供給部９より燃料を供給してバーナ８に火炎を形成する。火炎の安定状態を確認した後、原料供給部１より原料を改質部３に供給することで、バーナ８では燃料供給部９から供給された燃料と、原料供給部１から供給された原料が、改質部３、変成部４および浄化部５と通過してきた起動時生成ガスとが燃焼する。その後、燃料供給部１からの燃料の供給量を減少させて停止することで、起動時生成ガスのみ、すなわち原料供給部１からの原料供給だけでバーナ８での火炎を維持する。そして、原料供給部１からの原料供給量を増加させ、その原料供給量にあわせて空気供給部１０からの空気供給量を増加させて各部の温度を上昇させることで、水素発生装置を起動させるようになっている。
【特許文献１】特開２００１−３５４４０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した特許文献１に記載の改質装置においては、燃料供給部１からの燃料の供給量を減少させて停止することで、原料供給部１からの原料供給だけでバーナ８での火炎を維持するようになっている。しかし、燃料供給部１からの燃料の供給量を減少させる際に、その燃料が低流量となった場合、燃料供給部１の脈動の影響を受けてバーナ８での燃焼が不安定となり、その結果バーナ８からの排気ガスのエミッション性能が悪化するという問題があった。
【０００４】
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、昇温時における燃焼部からの排気ガスのエミッション性能を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、改質用燃料供給手段によって供給される改質用燃料から改質ガスを生成する改質部と、燃焼用燃料供給手段によって供給される燃焼用燃料および改質部から供給される改質ガスの少なくとも何れか一方を、燃焼用酸化剤ガス供給手段によって供給される燃焼用酸化剤ガスにより燃焼してその燃焼ガスによって改質部を加熱して第１所定温度まで昇温させる燃焼部と、当該改質装置の昇温時において改質部内の温度が第１所定温度より低温の第２所定温度に到達するまでは、燃焼部に燃焼用燃料と改質用燃料の両方の燃料を供給して燃焼し、第２所定温度に到達した場合に、燃焼用燃料の燃焼部への供給を停止して改質用燃料のみ燃焼部に供給して燃焼するように制御する制御装置と、を備えたことである。
【０００６】
また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、制御装置は、燃焼用燃料の供給を一旦停止した後は、燃料電池への改質ガスの供給を開始するまでは、燃焼用燃料の供給停止を継続することである。
【０００７】
また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、制御装置は、燃焼用燃料の供給停止中は、改質用燃料を供給停止することなく連続的に供給することである。
【０００８】
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、制御装置は、改質部内の温度が第２所定温度よりも低温の第３所定温度に到達するまでは、改質用燃料を供給することなく燃焼用燃料のみ燃焼部に供給して燃焼するように制御することである。
【０００９】
また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項４の何れか一項において、第２所定温度は、燃焼部に供給される可燃ガスの供給量の減少を開始する温度であることである。
【００１０】
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の何れか一項において、制御装置は、改質部内の温度が第２所定温度に到達した後で第１所定温度に到達するまでは、改質用燃料を減少しながら供給するように制御することである。
【００１１】
また請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項６の何れか一項において、制御装置は、改質部内の温度が第１所定温度に到達すると、燃焼用酸化剤ガスを増加しながら供給するように制御することである。
【発明の効果】
【００１２】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、制御装置が、改質装置の昇温時において改質部内の温度が第１所定温度より低温の第２所定温度に到達するまでは、燃焼部に燃焼用燃料と改質用燃料の両方の燃料を供給して燃焼し、第２所定温度に到達した場合に、燃焼用燃料の燃焼部への供給を停止して改質用燃料のみ燃焼部に供給して燃焼するように制御する。これにより、改質部内の温度に基づいて燃焼用燃料供給手段を停止することが可能となるので、改質部内の温度が第１所定温度に近づいた場合に、燃焼用燃料供給手段を脈動の影響が発生する低流量域で駆動させることなく停止する。したがって、燃焼用燃料供給手段からの脈動の影響が排除されて燃焼部での燃焼が安定し、燃焼部からの排気ガスのエミッション性能を向上することができる。
【００１３】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、制御装置は、燃焼用燃料の供給を一旦停止した後は、燃料電池への改質ガスの供給を開始するまでは、燃焼用燃料の供給停止を継続するので、起動が開始されて完了するまでの間、燃焼用燃料供給手段からの脈動の影響を確実に排除して燃焼部での燃焼を安定させ、燃焼部からの排気ガスのエミッション性能を向上することができる。
【００１４】
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２に係る発明において、制御装置は、燃焼用燃料の供給停止中は、改質用燃料を供給停止することなく連続的に供給するので、燃焼部の燃焼を安定させることができる。
【００１５】
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の何れか一項に係る発明において、制御装置は、改質部内の温度が第２所定温度よりも低温の第３所定温度に到達するまでは、改質用燃料を供給することなく燃焼用燃料のみ燃焼部に供給して燃焼するように制御するので、燃焼部を確実に着火させ、燃焼開始当初の低温時の燃焼を安定させるとともに短時間で改質部を昇温することができる。
【００１６】
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１乃至請求項４の何れか一項に係る発明において、第２所定温度は、燃焼部に供給される可燃ガスの供給量の減少を開始する温度であるので、改質部内の温度が第２所定温度に到達した場合に、燃焼用燃料供給手段を脈動の影響が発生する低流量域で駆動させることなく確実に停止することができる。
【００１７】
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の何れか一項に係る発明において、制御装置は、改質部内の温度が第２所定温度に到達した後で第１所定温度に到達するまでは、改質用燃料を減少しながら供給するように制御するので、改質部内の温度を安定して第１所定温度に制御することができる。
【００１８】
上記のように構成した請求項７に係る発明においては、請求項１乃至請求項６の何れか一項に係る発明において、制御装置は、改質部内の温度が第１所定温度に到達すると、燃焼用酸化剤ガスを増加しながら供給するように制御するので、改質部内の温度を安定して第１所定温度に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４、燃焼部２５、および蒸発部２６から構成されている。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。
【００２２】
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。この改質部２１は、ステンレスで形成されている。
【００２３】
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。
【００２４】
また、改質部２１内には、改質部２１内の温度例えば燃焼部２５との間の壁付近の温度（ＴＲ）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。
【００２５】
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。
【００２６】
具体的には、冷却部２２には図示しない燃料供給源（例えば都市ガス管）に接続された改質用燃料供給管４１が接続されている。改質用燃料供給管４１には、上流から順番に改質用燃料ポンプ４２および改質用燃料バルブ４３が設けられている。改質用燃料バルブ４３は改質用燃料供給管４１を開閉するものである。改質用燃料ポンプ４２は改質用燃料を供給しその供給量を調整する改質用燃料供給手段である。また、改質用燃料供給管４１の改質用燃料バルブ４３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。
【００２７】
ＣＯシフト部２３は、改質部２１から冷却部２２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。ＣＯシフト部２３は、内部に上下方向に沿って延在する折り返し流路２３ａを備えている。折り返し流路２３ａ内には触媒２３ｂ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。ＣＯシフト部２３においては、冷却部２２から導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気は、触媒２３ｂ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。
【００２８】
ＣＯ選択酸化部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選択酸化部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選択酸化部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。
【００２９】
このＣＯ選択酸化部２４の側壁面下部および側壁面上部には、ＣＯシフト部２３に接続された接続管８９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。接続管８９には、酸化用空気供給管６１が接続されている。これにより、ＣＯ選択酸化部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。
【００３０】
したがって、ＣＯ選択酸化部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。
【００３１】
燃焼部２５は、燃焼用燃料ポンプ４５によって供給される燃焼用燃料および改質部２１から供給される改質ガスの少なくとも何れか一方を、燃焼用空気ポンプ６５によって供給される燃焼用空気により燃焼してその燃焼ガスによって改質部２１を加熱して制御目標温度である第１所定温度ＴＲ１（例えば８００℃）まで昇温させるものである。この燃焼部２５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ための燃焼ガスを生成するものであり、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。
【００３２】
燃焼部２５には、図示しない燃料供給源（例えば都市ガス管）に接続された燃焼用燃料供給管４４が接続されるとともに、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。燃料電池１０の起動当初、燃焼用燃料が燃焼部２５に供給され、燃料電池１０の起動運転中、ＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスが燃料電池１０を経由しないで燃焼部２５に供給され、燃料電池１０の定常運転中、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に供給されるようになっている。また、改質ガスやオフガスの不足分を燃焼用燃料で補っている。
【００３３】
また、燃焼部２５には、燃焼用空気供給管６４が接続されており、燃焼用燃料、アノードオフガス、改質ガスなどの可燃ガスを燃焼（酸化）させるための燃焼用空気が大気から供給されるようになっている。
【００３４】
なお、燃焼用燃料供給管４４には上流から順番に燃焼用燃料ポンプ４５および燃焼用燃料バルブ４６が設けられている。燃焼用燃料ポンプ４５は燃焼用燃料を供給しその供給量を調整する燃焼用燃料供給手段である。燃焼用燃料バルブ４６は燃焼用燃料供給管４４を開閉するものである。また、燃焼用空気供給管６４には上流から順番に燃焼用空気ポンプ６５および燃焼用空気バルブ６６が設けられている。燃焼用空気ポンプ６５は燃焼用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燃焼用酸化剤ガス供給手段である。燃焼用空気バルブ６６は燃焼用空気供給管６４を開閉するものである。
【００３５】
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、アノードオフガスの少なくとも何れか一つ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。燃焼ガスは、燃焼ガス流路２７を流通し、排気管８１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を加熱する。燃焼ガス流路２７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。
【００３６】
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２７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。
【００３７】
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（図示省略）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選択酸化部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２１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。
【００３８】
また、蒸発部２６には、蒸発部２６内の水蒸気の温度（ＴＳ）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。なお、水蒸気の温度が検出できれば、例えば冷却部２２の入口付近や、蒸発部２６と冷却部２２との間の水蒸気供給管に温度センサ２６ａを設けるようにしてもよい。
【００３９】
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選択酸化部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を介して燃焼部２５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。
【００４０】
起動運転中には、改質装置２０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を開き、定常運転（発電運転）中には、改質装置２０からの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。
【００４１】
また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、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、排気管８２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。
【００４２】
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、上述した温度センサ２１ｃ，２６ａ、各ポンプ４２，４５，５３，６２，６５，６８、各バルブ４３，４６，５４，６３，６６，６９，７４，７５，７６、および燃焼部２５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、温度センサ２１ｃ，２６ａからの温度に基づいて、各ポンプ４２，４５，５３，６２，６５，６８、各バルブ４３，４６，５４，６３，６６，６９，７４，７５，７６、および燃焼部２５を制御することにより、改質装置の起動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。
【００４３】
次に、上述した燃料電池システムの作動について図３〜図５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）。すなわち、制御装置３０は燃焼部２５を着火する（時刻ｔ０）。具体的には、制御装置３０は、燃焼用空気バルブ６６を開き燃焼用空気ポンプ６５を駆動して、燃焼部２５に燃焼用空気を予め設定されている規定流量Ｃ１で供給する（ステップ１０２。燃焼用空気の供給を開始する）。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（ステップ１０４。イグナイタの代わりにグロープラグでもよい。）なお、燃焼用空気の供給とイグナイタの通電の順番は逆でもよい。
【００４４】
そして、制御装置３０は、改質用燃料バルブ４３および第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を閉じたまま、燃焼用燃料バルブ４６および第２改質ガスバルブ７６を開き、燃焼用燃料ポンプ４５を駆動して、燃焼部２５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（ステップ１０６）。なお、第２改質ガスバルブ７６は、改質装置２０内が正圧になり次第開くようになっている。これにより、燃焼部２５は着火する。さらに、制御装置３０は、着火検知またはイグナイタ通電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（ステップ１０６）。
【００４５】
このように燃焼用燃料の燃焼が開始されると、その燃焼ガスが燃焼ガス用流路２７を通る際に、燃焼ガスによって改質部２１、蒸発部２６が加熱されて昇温する。
【００４６】
そして、制御装置３０は、蒸発部２６が加熱されて所定温度以上となると、改質水バルブ５４を開き改質水ポンプ５３を駆動して、改質水を蒸発部２６に供給する（ステップ１０８）。なお、改質水の供給開始は、蒸発部２６の温度とは関係なく、燃焼用燃料の供給開始と同時でもよい。
【００４７】
さらに、制御装置３０は、改質部２１が加熱されて改質部２１の壁面温度（すなわち温度センサ２１ｃで測定されている温度）が第４所定温度ＴＲ４（例えば、６００℃）に到達すると（時刻ｔ１）、ステップ１１０で「ＹＥＳ」と判定し、燃焼用燃料の供給の減少を開始する（ステップ１１２）。すなわち、制御装置３０は、燃焼用燃料ポンプ４５の供給量を減少させる。燃焼用燃料の供給減少の開始から燃焼用燃料の供給停止までの間においては、燃焼用燃料の供給量は、図４（ａ）に示す第１マップに基づいて改質部２１の壁面温度に応じて調整されている。
【００４８】
なお、第４所定温度ＴＲ４は、改質用燃料の供給開始温度である第３所定温度ＴＲ３より低温であり、燃焼用燃料の供給の減少を開始するために設定される温度である。また、第４所定温度ＴＲ４は、改質用燃料の供給開始温度である第３所定温度ＴＲ３より高温に設定するようにしてもよい。
【００４９】
第１マップは、燃焼用燃料の目標供給量と改質部２１の壁面温度との相関を示すものである。この第１マップにおいては、壁面温度が第２所定温度ＴＲ２以下である場合、壁面温度が上がるにしたがって目標供給量が小さくなるように設定され、壁面温度が第２所定温度ＴＲ２以上である場合、目標供給量が０となるように設定されている。この第１マップは、予め実機を使用して実験したデータに基づいて作成されるものであり、制御装置３０に記憶されている。第２所定温度ＴＲ２は、改質部２１の制御目標温度である第１所定温度ＴＲ１に非常に近い温度であり、改質部２１の温度を第１所定温度ＴＲ１にゆっくりかつ変動少なく近づけることを満足しつつ改質装置２０の起動運転の長時間化を抑制するのに必要かつ十分な時間を確保する温度に設定されている。
【００５０】
その後、改質部２１がさらに加熱されて改質部２１の壁面温度が、第４所定温度ＴＲ４より高温の第３所定温度ＴＲ３（例えば、６５０℃）に到達し、かつ蒸発部２６の水蒸気温度が所定温度（例えば８０℃）に達していれば（時刻ｔ２）、制御装置３０は、ステップ１１４で「ＹＥＳ」と判定し、改質用燃料の供給を開始する（ステップ１１６）。すなわち、制御装置３０は、改質用燃料バルブ４３を開き改質用燃料ポンプ４２を駆動して、改質用燃料を予め設定されている規定流量Ａ１で改質部２１に供給する。改質用燃料の供給量は、図４（ｂ）に示す第２マップに基づいて改質部２１の壁面温度に応じて調整されている。
【００５１】
第３所定温度ＴＲ３は、改質部２１に改質用燃料を供給開始するのに十分な温度に設定されている。改質部２１の触媒２１ａのコーキングを防止することができる温度に設定されている。
【００５２】
第２マップは、改質用燃料の目標供給量と改質部２１の壁面温度との相関を示すものである。この第２マップにおいては、壁面温度が第２所定温度ＴＲ２以下である場合、目標供給量が規定流量Ａ１となるように設定され、壁面温度が第２所定温度ＴＲ２から第２所定温度ＴＲ２より高温の第１所定温度ＴＲ１に上昇する場合、目標供給量が規定流量Ａ１から徐々に減少され規定流量Ａ２となるように設定され、壁面温度が第１所定温度ＴＲ１以上である場合、目標供給量が規定流量Ａ２となるように設定されている。この第２マップは、予め実機を使用して実験したデータに基づいて作成されるものであり、制御装置３０に記憶されている。
【００５３】
なお、この第２マップは、温度上昇用マップと温度下降用マップの両方のマップを有している。すなわち、改質用燃料の目標供給量にヒステリシスを持たせている。前述したマップは温度上昇用マップである。温度下降用のマップにおいては、壁面温度が第１所定温度ＴＲ１より低温の第５所定温度ＴＲ５以上である場合、目標供給量が規定流量Ａ２となるように設定され、壁面温度が第５所定温度ＴＲ５から第５所定温度ＴＲ５より低温の第６所定温度ＴＲ６に下降する場合、目標供給量が規定流量Ａ２から徐々に増大され規定流量Ａ１となるように設定され、壁面温度が第６所定温度ＴＲ６以下である場合、目標供給量が規定流量Ａ１となるように設定されている。
【００５４】
このように改質用燃料の投入が開始されると、改質部２１では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成され、ＣＯ選択酸化部２４から改質ガスが導出されるが、まだ一酸化炭素が多いので、燃料電池１０をバイパスして燃焼部２５に供給される。
【００５５】
その後、改質部２１がさらに加熱されて改質部２１の壁面温度が、第３所定温度ＴＲ３より高温の第２所定温度ＴＲ２（例えば、７８０℃）に到達すると（時刻ｔ３）、制御装置３０は、ステップ１１８で「ＹＥＳ」と判定し、燃焼用燃料の供給を停止するとともに（ステップ１２０）、改質用燃料の供給の減少を開始する（ステップ１２２）。すなわち、制御装置３０は、燃焼用燃料ポンプ４５の駆動を停止して燃焼用燃料バルブ４６を閉じるとともに、改質用燃料ポンプ４２の供給量を図４（ｂ）に示す第２のマップに基づいて改質部２１の壁面温度に応じて減少させる。
【００５６】
その後、改質部２１がさらに加熱されて改質部２１の壁面温度が、第２所定温度ＴＲ２より高温の第１所定温度ＴＲ１（例えば、８００℃）に到達すると（時刻ｔ４）、制御装置３０は、ステップ１２４で「ＹＥＳ」と判定し、燃焼用空気の供給の増大を開始するとともに（ステップ１２６）、改質用燃料の供給の減少を停止する（ステップ１２８）。すなわち、制御装置３０は、燃焼用空気ポンプ４５の供給量を図４（ｃ）に示す第３のマップに基づいて改質部２１の壁面温度に応じて増大させるとともに、改質用燃料ポンプ４２の供給量を規定流量Ａ２に維持する。これにより、改質部２１の加熱を抑制し降温することができる。
【００５７】
第３マップは、燃焼用空気の目標供給量と改質部２１の壁面温度との相関を示すものである。この第３マップにおいては、壁面温度が第１所定温度ＴＲ１以下である場合、目標供給量が規定流量Ｃ１となるように設定され、壁面温度が第１所定温度ＴＲ１から第７所定温度ＴＲ７までの間である場合、壁面温度が上がるにしたがって目標供給量が大きくなるように設定され、壁面温度が第７所定温度ＴＲ７以上である場合、目標供給量が規定流量Ｃ２となるように設定されている。この第３マップは、予め実機を使用して実験したデータに基づいて作成されるものであり、制御装置３０に記憶されている。
【００５８】
そして、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定値より低くなると、制御装置３０は、ステップ１３０で「ＹＥＳ」と判定し、起動運転を終了し（ステップ１３２）、ＣＯ選択酸化部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。なお、発電開始は改質装置２０の所定各部位（改質部２１、ＣＯシフト部２３、ＣＯ選択酸化部２４）の温度がそれぞれの所定温度以上に到達したことによって判断する。また、一酸化炭素濃度は、ＣＯセンサや、一酸化炭素濃度に関係する部分の温度（例えばＣＯシフト部２３の温度）で判断する。
【００５９】
なお、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定値以上であり、かつ、改質部２１の壁面温度が第１所定温度ＴＲ１まで降温していない場合には、制御装置３０は、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定値より低くなるまで、ステップ１３０，１３４でそれぞれ「ＮＯ」と判定し、燃焼用空気の供給の増大、および改質用燃料の供給の減少の停止を継続する。
【００６０】
また、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定値以上であり、かつ、改質部２１の壁面温度が第１所定温度ＴＲ１まで降温した場合には、制御装置３０は、ステップ１３０，１３４でそれぞれ「ＮＯ」、「ＹＥＳ」と判定し、燃焼用空気の供給の減少を開始するとともに（ステップ１３８）、改質用燃料の供給の増大を開始する（ステップ１３６）。すなわち、制御装置３０は、燃焼用空気ポンプ４５の供給量を図４（ｃ）に示す第３のマップに基づいて改質部２１の壁面温度に応じて減少させるとともに、改質用燃料ポンプ４２の供給量を図４（ｂ）に示す第２のマップ（温度下降用のマップ）に基づいて改質部２１の壁面温度に応じて増大させる。これにより、改質部２１の加熱を促進し昇温することができる。その後、制御装置３０はプログラムをステップ１２４に進めて、上述したステップ１２４以降の処理を再び実行する。
【００６１】
また、上述した本実施形態による実験の結果を図５を参照して説明する。図５において、改質部２１の壁面温度をＬ１（濃い太い実線）で示し、燃焼用空気の実際の供給量をＬ２（薄い太い実線）で示し、燃焼用燃料の実際の供給量をＬ３（薄い細い実線）で示し、改質用燃料の実際の供給量をＬ４（濃い細い実線）で示し、燃焼部２５からの排気ガス中のＣＯ濃度をＬ５（濃い太い実線）で示す。この図５から明らかなように、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間において、燃焼部２５からの排気ガス中のＣＯ濃度の平均値は約９ｐｐｍである。
【００６２】
一方、改質部２１の壁面温度が第２所定温度となっても、改質用燃料と燃焼用燃料の両方の燃料を燃焼部２５に供給する場合、燃焼用燃料ポンプ４５を低流量域で駆動させるため、図６に示すようになる。改質用燃料の供給量は一定に保ち、燃焼用燃料の供給量を徐々に減少させている。このとき、燃焼用燃料ポンプ４５は低流量であるため脈動の影響により燃焼部２５での燃焼が不安定となり、ＣＯが生じていた。図６において、改質部２１の壁面温度をＬ１１（濃い太い実線）で示し、燃焼用空気の実際の供給量をＬ１２（薄い太い実線）で示し、燃焼用燃料の実際の供給量をＬ１３（薄い細い実線）で示し、改質用燃料の実際の供給量をＬ１４（濃い細い実線）で示し、燃焼部２５からの排気ガス中のＣＯ濃度を１Ｌ５（濃い太い実線）で示す。この図６から明らかなように、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間において、燃焼部２５からの排気ガス中のＣＯ濃度の平均値は約１０３ｐｐｍである。
【００６３】
このように実験結果からも明らかなように、改質装置２０の昇温時において、改質部２１の温度が第２所定温度ＴＲ２に到達した場合に、燃焼用燃料ポンプ４５の供給を停止し改質用燃料ポンプ４２のみを使用して燃焼部２５に可燃ガス（改質用燃料）を供給するので、燃焼部２５に可燃ガスを供給するポンプを低流量で駆動することを排除することにより、燃焼部２５の燃焼を安定させ、燃焼部２５からの排気ガスのエミッション性能を向上することができる。なお、改質装置２０の昇温時は、改質装置２０の起動運転中すなわち暖機運転中（暖機時）のことを示している。
【００６４】
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、制御装置３０が、改質装置２０の昇温時において改質部２１内の温度が第１所定温度ＴＲ１より低温の第２所定温度ＴＲ２に到達するまでは、燃焼部２５に燃焼用燃料と改質用燃料の両方の燃料を供給して燃焼し、第２所定温度ＴＲ２に到達した場合に、燃焼用燃料の燃焼部２５への供給を停止して改質用燃料のみ燃焼部２５に供給して燃焼するように制御する。これにより、改質部２１内の温度に基づいて燃焼用燃料ポンプ４５を停止することが可能となるので、改質部２１内の温度が第１所定温度ＴＲ１に近づいた場合に、燃焼用燃料ポンプ４５を脈動の影響が発生する低流量域で駆動させることなく停止する。したがって、燃焼用燃料ポンプ４５からの脈動の影響が排除されて燃焼部２５での燃焼が安定し、燃焼部２５からの排気ガスのエミッション性能を向上することができる。
【００６５】
また、燃焼用燃料の投入を停止させるとともに改質用燃料を減少させるため、燃焼用空気は一定のままですばやく燃焼部２５への可燃ガスの切り替え（燃焼用燃料から改質用燃料へ）を行うことができる。
【００６６】
また、改質部２１の壁面温度に基づいて燃焼用燃料および改質用燃料の供給量を決定するので、改質部２１の壁面温度の制御のロバスト性を向上することができる。
【００６７】
また、可燃ガスのポンプ、すなわち燃焼用燃料ポンプ４５および改質用燃料ポンプ４２を低流量で動作させないので、ポンプの駆動・停止の繰り返しを低減し耐久性を向上することができる。
【００６８】
また、制御装置３０は、燃焼用燃料の供給を一旦停止した後は、燃料電池１０への改質ガスの供給を開始するまでは、燃焼用燃料の供給停止を継続するので、起動が開始されて完了するまでの間、燃焼用燃料ポンプ４５からの脈動の影響を確実に排除して燃焼部２５での燃焼を安定させ、燃焼部２５からの排気ガスのエミッション性能を向上することができる。
【００６９】
また、制御装置３０は、燃焼用燃料の供給停止中は、改質用燃料を供給停止することなく連続的に供給するので、燃焼部２５の燃焼を安定させることができる。
【００７０】
また、制御装置３０は、改質部２１内の温度が第２所定温度ＴＲ２よりも低温の第３所定温度ＴＲ３に到達するまでは、改質用燃料を供給することなく燃焼用燃料のみ燃焼部２５に供給して燃焼するように制御するので、燃焼部を確実に着火させ、燃焼開始当初の低温時の燃焼を安定させるとともに短時間で改質部２１を昇温することができる。
【００７１】
また、第２所定温度ＴＲ２は、燃焼部２５に供給される可燃ガス（すなわち、改質用燃料）の供給量の減少を開始する温度であるので、改質部２１内の温度が第２所定温度ＴＲ２に到達した場合に、燃焼用燃料ポンプ４５を脈動の影響が発生する低流量域で駆動させることなく確実に停止することができる。
【００７２】
また、制御装置３０は、改質部２１内の温度が第２所定温度ＴＲ２に到達した後で第１所定温度ＴＲ１に到達するまでは、改質用燃料を減少しながら供給するように制御するので、改質部２１内の温度を安定して第１所定温度ＴＲ２に制御することができる。
【００７３】
また、制御装置３０は、改質部２１内の温度が第１所定温度ＴＲ１に到達すると、燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気を増加しながら供給するように制御するので、改質部２１内の温度を安定して第１所定温度ＴＲ１に制御することができる。
【００７４】
なお、上述した実施形態において、気体を供給するポンプにおいてはポンプの代わりにブロアを使用するようにしてもよい。
【００７５】
また、第４所定温度ＴＲ４を改質用燃料の供給開始温度である第３所定温度ＴＲ３より高温に設定する場合、上述したステップ１１０、１１２の処理とステップ１１４，１１６の処理の順番を入れ替えればよい。第４所定温度ＴＲ４が第３所定温度ＴＲ３より高温であるからである。すなわち、改質用燃料の供給の開始を燃焼用燃料の減少の開始より早くしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】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の概要を示す概要図である。
【図２】図１に示す改質装置を示すブロック図である。
【図３】図２に示す制御装置で実行される制御プログラムのフローチャートである。
【図４】（ａ）は、燃焼用燃料の目標供給量と改質部の壁面温度との相関を示す第１マップであり、（ｂ）は、改質用燃料の目標供給量と改質部の壁面温度との相関を示す第２マップであり、（ｃ）は、燃焼用空気の目標供給量と改質部の壁面温度との相関を示す第３マップである。
【図５】本発明による改質装置の作用を説明するためのグラフである。
【図６】比較例による改質装置の作用を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
【００７７】
１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質装置、２１…改質部、２１ｃ…温度センサ、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）、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２５…燃焼部、２６…蒸発部、２６ａ…温度センサ、２７…燃焼ガス流路、２８…断熱部、４１…燃料供給管、４２…改質用燃料ポンプ（改質用燃料供給手段）、４３…改質用燃料バルブ、４４…燃焼用燃料供給管、４５…燃焼用燃料ポンプ（燃焼用燃料供給手段）、４６…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（燃焼用酸化剤ガス供給手段）、６６…燃焼用空気バルブ、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、８１，８２…排気管、８９…接続管。
【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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