(57)【要約】【課題】改質器へのエア供給圧を低くした場合であっても、改質器への供給エアの流量を精度良く調整することを可能とした燃料改質装置を提供する。【解決手段】本発明の燃料改質装置は、水素を含む原燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質部(13)と、改質ガスを出口に導く改質ガス流路に沿って設けられる複数の反応部(15,17,18)と、各反応部にそれぞれ設けられる複数の熱交換器(14a,16a,18a)と、各熱交換器に伝熱媒体を供給する熱媒体供給手段と、複数の反応部のうち高温の第１の反応部の熱交換器(14a)からこれよりも相対的に低温である第２の反応部の熱交換器(18a,16a)に伝熱媒体を供給することを可能とするバイパス手段(BP)と、第２の反応部の内部温度が所定温度以下である場合にバイパス手段(BP)を動作させる制御手段(50)と、を備える。【選択図】    図１
2004196611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料と水とをガス化する蒸発部と、
ガス化した原燃料と水とを改質する改質ガス流路に沿って設けられる複数の反応部と、
各反応部にそれぞれ設けられる複数の熱交換器と、
各熱交換器に伝熱媒体を供給する熱媒体供給手段と、
前記複数の反応部のうち高温の第１の反応部の熱交換器からこれよりも相対的に低温である第２の反応部の熱交換器に伝熱媒体を供給することを可能とするバイパス手段と、
前記第２の反応部の内部温度が所定温度以下である場合に前記バイパス手段を動作させる制御手段と、
を備える燃料改質装置。
【請求項２】
原燃料と水とをガス化する蒸発部と、
ガス化した原燃料と水とを改質する改質ガス流路に沿って設けられる複数の反応部と、
各反応部にそれぞれ設けられる複数の熱交換器と、
各熱交換器に伝熱媒体を供給する熱媒体供給手段と、
前記改質ガスの流路の上流側に設けられた第１の反応部の熱交換器から下流側に設けられた第２の反応部の熱交換器に伝熱媒体を供給することを可能とするバイパス手段と、
前記第２の反応部の内部温度が所定温度以下である場合に前記バイパス手段を動作させる制御手段と、
を備える燃料改質装置。
【請求項３】
前記バイパス手段は、前記第１の反応部の熱交換器から少なくとも２つの第２の反応部の熱交換器に前記伝熱媒体を同時に又は個別的に供給する、請求項１又は２に記載の燃料改質装置。
【請求項４】
前記バイパス手段は、前記第１の反応部の熱交換器から前記第２の反応部の熱交換器に前記伝熱媒体を直接供給する、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料改質装置。
【請求項５】
前記複数の反応部のいずれかは前記ガス化した原燃料と水から水素リッチな改質ガスを生成する触媒を含み、前記熱交換器によって当該触媒の最適温度に設定される請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料改質装置。
【請求項６】
前記複数の反応部のいずれかは一酸化炭素を酸化する触媒を含み、前記熱交換器によって当該触媒の最適温度に設定される請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料改質装置。
【請求項７】
前記制御手段は、装置の起動時に前記バイパス手段を動作させる、請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料改質装置。
【請求項８】
前記伝熱媒体は水であり、前記熱交換器を経由して加熱された水が前記蒸発部に供給される、請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料改質装置。
【請求項９】
前記熱交換器を経由して加熱されて前記蒸発部に供給される水の流量と前記蒸発部が必要とする水の流量との差をバイパス水の供給で補う、請求項８に記載の燃料改質装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の燃料改質装置と、この燃料改質装置から改質ガスの供給を受けて電気を発生する燃料電池と、を含む燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を含む原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質して燃料電池に供給する燃料改質装置及びこれを含む燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料の有する化学エネルギを、機械エネルギや熱エネルギを経由することなく直接電気エネルギに変換する装置であり、高いエネルギ効率が実現可能である。よく知られた燃料電池の形態としては、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極（陽極側）に水素を含有する燃料ガスを供給すると共に他方の電極（陰極側）に酸素を含有する酸化ガスを供給するものであり、両電極で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る。以下に、燃料電池で起こる電気化学反応を表わす式を示す。（１）式はアノードにおける反応、（２）式はカソードにおける反応を表わし、燃料電池全体では（３）式に示す反応が進行する。
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ-                   …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ   …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ            …（３）
燃料電池は使用する電解質の種類や運転温度などにより分類されるが、これら燃料電池の中で、固体高分子型燃料電池、りん酸型燃料電池、溶融炭酸塩電解質型燃料電池等では、水素リッチガスを燃料ガスとして用いることができる。
【０００３】
そこで、燃料電池に改質器を組み合わせ、メタノール、エタノール、天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、軽油、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）などの炭化水素系の原燃料を改質して水素を高濃度で含むガスを生成し、これを燃料として燃料電池に供給して発電システムを構成する。このような構成によれば燃料の貯蔵や取り扱いが容易となり、次世代車両の駆動システムとして開発が進められている。
【０００４】
改質器は、例えば、メタノールを原燃料としてこれを改質する場合、その改質部でいわゆる水蒸気酸化法(Steam reforming)、部分酸化法(Partial oxidation reforming)及びこれらを併用したオートサーマル法(Autothermal reforming)等を使用して水素リッチな燃料ガスを生成する。この水素生成過程で一酸化炭素ＣＯが発生するため、改質部の後に更に反応部を設け、反応部内に各種の触媒を配置して一酸化酸化炭素ＣＯを二酸化炭素ＣＯ2にシフトして低減する。各種の触媒は、その触媒に対応した反応温度に保たれることによってその機能を十分果たすように考慮されている。更に、改質ガスに微量残留する一酸化炭素を改質器のＣＯ浄化部で選択酸化反応やシフト反応によって二酸化炭素に変換する。
【０００５】
例えば、特開平１０−３３４９３５号公報には、改質器で都市ガスから水素リッチガスを取り出して燃料とするようにした燃料電池発電システムが紹介されている。この例では、改質器の各反応部の温度を調整するために各反応部に熱交換コイルを配置し、各熱交換コイルに流れる水量を制御して各反応部の温度を適切に維持することによって燃料電池の運転効率を向上しようにしている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−３３４９３５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特に、車両などに搭載される燃料電池システムでは停車状態から直ちに発車することが出来るようにするために燃料電池システムの起動時間の短縮が不可欠である。燃料電池システムを起動するためには、まず、改質器を所定温度の定常運転状態として水素リッチガスを安定に生成し、これを燃料電池に供給しなければならない。この際に、改質器内部の触媒ユニット等からなる反応部を一定温度に保つための冷却ユニットに流れる冷媒は反応部（触媒）の昇温の妨げとなって起動に要する時間を長くし、起動エネルギを増大させる原因となる。
【０００８】
よって、本発明は、改質器の反応部が短時間で所定の動作温度に到達するようにして起動時間を短縮した燃料改質装置を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、改質器の反応部が短時間で所定の動作温度に到達するようにして起動時間を短縮した燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決する手段】
上記目的を達成するため本発明の燃料改質装置は、原燃料と水とをガス化する蒸発部と、ガス化した原燃料と水とを改質する改質ガス流路に沿って設けられる複数の反応部と、各反応部にそれぞれ設けられる複数の熱交換器と、各熱交換器に伝熱媒体を供給する熱媒体供給手段と、上記複数の反応部のうち高温の第１の反応部の熱交換器からこれよりも相対的に低温である第２の反応部の熱交換器に伝熱媒体を供給することを可能とするバイパス手段と、上記第２の反応部の内部温度が所定温度以下である場合に上記バイパス手段を動作させる制御手段と、を備える。
【００１１】
かかる構成とすることによって、低温の反応部の短時間の昇温が可能となって燃料電池システムの起動時間を短縮することが可能となる。
【００１２】
また、本発明の改質装置は、原燃料と水とをガス化する蒸発部と、ガス化した原燃料と水とを改質する改質ガス流路に沿って設けられる複数の反応部と、各反応部にそれぞれ設けられる複数の熱交換器と、各熱交換器に伝熱媒体を供給する熱媒体供給手段と、上記改質ガスの流路の上流側に設けられた第１の反応部の熱交換器から下流側に設けられた第２の反応部の熱交換器に伝熱媒体を供給することを可能とするバイパス手段と、上記第２の反応部の内部温度が所定温度以下である場合に上記バイパス手段を動作させる制御手段と、を備える。
【００１３】
かかる構成とすることによって、熱伝搬が遅れることによって温度上昇が遅れる傾向がある下流側の反応部の昇温を早めることが可能となり、燃料電池システムの起動時間を短縮することが可能となる。
【００１４】
好ましくは、上記バイパス手段は、上記第１の反応部の熱交換器から少なくとも２つの第２の反応部の熱交換器に上記伝熱媒体を同時に又は個別的に供給する。それにより、同時にあるいは選択的に低温の熱交換器の温度を上昇させることが可能となって具合がよい。
【００１５】
好ましくは、上記バイパス手段は、上記第１の反応部の熱交換器から上記第２の反応部の熱交換器に上記伝熱媒体を直接供給する。直結することによって熱伝搬時間が短縮される。
【００１６】
好ましくは、上記複数の反応部のいずれかは上記ガス化した原燃料と水から水素リッチな改質ガスを生成する触媒を含み、上記熱交換器によって当該触媒がその最適触媒温度に設定される。それにより、水素の生成効率を向上することが可能となる。
【００１７】
好ましくは、上記複数の反応部の他のいずれかは一酸化炭素ＣＯを酸化する各種触媒を含み、上記熱交換器によって当該触媒に最適な温度が設定される。それにより、各種の触媒がそれぞれの適温に短時間で設定される。
【００１８】
好ましくは、上記制御手段は、装置の起動時に上記バイパス手段を動作させる。それにより、起動時に温度が下がっている燃料電池システムの改質器を短時間で活性化させることが可能となる。
【００１９】
好ましくは、上記伝熱媒体は水であり、上記熱交換器を経由して加熱された水を上記蒸発部に供給する。それによって、熱効率を高める。
【００２０】
好ましくは、上記熱交換器を経由して加熱されて上記蒸発部に供給される水の流量と上記蒸発部が必要とする水の流量との差をバイパス水の供給で補う。それにより、温度制御のための適正な熱交換器への通水量と所要の改質水量の供給とを両立させることが可能となる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池システムは、上述した燃料改質装置とこの燃料改質装置から改質ガスの供給を受けて電気を発生する燃料電池とを含む。
【００２２】
かかる構成とすることによって、短時間で起動が可能な燃料電池システムを提供することが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２４】
改質器は、燃焼部、蒸発部、改質部、反応部、ＣＯ浄化部を備えている。燃焼部は、改質器で必要とする熱源を供給する。蒸発部は原燃料と水とをガス化する。改質部は水蒸気改質反応によって水素を多量に含む改質ガス（水素リッチガス）を生成する。反応部は、改質部で水素を生成した際に発生する一酸化炭素ＣＯを低減するために改質ガス流路の下流側に複数のシフト反応部を備えている。ＣＯ浄化部は改質ガスに残留する微量の一酸化炭素を選択酸化反応によって低減する。なお、各部における化学反応を促進するために複数種類の触媒が使用されている。ここで、改質部、反応部及びＣＯ浄化部は複数の反応部に相当する。燃焼部から改質部に供給された熱は、気化ガスなどによって改質部、反応部、ＣＯ浄化部へと伝搬し、各部に配置された触媒ユニットの温度を上昇していく。上述した反応部等には複数種類の触媒が設けられているが、これらの触媒にはそれぞれ適正温度があるため、温度設定と熱回収とを兼ねて水蒸気改質に用いる改質水を触媒ユニットの熱交換器に冷却媒体（伝熱媒体）として供給する。このため、各触媒が最適温度となって燃料電池に改質ガスを供給可能となるまでに時間を要する。
【００２５】
そこで、本発明の実施の形態では、燃料電池システムの起動の際に改質器内の複数の熱交換器のうち先に高温になる熱交換器で加熱された伝熱媒体（冷媒）を他の部分の熱交換器の加熱に活用する。また、起動中の改質器の各部の温度状態に応じて加熱された伝熱媒体の供給先となる熱交換器を変更することによって改質器各部（触媒ユニット）の昇温を全体的に促進する。
【００２６】
（第１の実施例）
図１は、本発明の燃料改質装置を概略的に説明する説明図である。同図においては、燃料改質装置１の改質器１０と冷却水供給系３０が示されている。改質器１０には、他に図示しない原燃料供給系から燃料が供給され、エア供給系から酸化エアが供給される。これ等の補助系統については後述する燃料電池システムで説明する。
【００２７】
改質器１０は、水素原子を含有する原燃料から水素リッチな改質ガスを生成するものであり、燃焼部１１、蒸発部１２、改質部１３、冷却部１４、高温シフト反応部１５、冷却部１６、低温シフト反応部１７、ＣＯ浄化部１８を含んで構成されている。水素原子を含む原燃料としては、メタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）、ガソリン、軽油、天然ガス、メタノール（ＣＨ3ＯＨ）、エタノール（Ｃ2Ｈ5ＯＨ）、ＤＭＥ（ＣＨ3ＯＣＨ3）、アセトン（ＣＨ3Ｃ(=Ｏ)ＣＨ3）等の種々のものが使用可能であるが、以下の例では、メタノールを使用した場合について説明する。
【００２８】
燃焼部１１は、メタノールや図示しない燃料電池からの余剰水素等を燃焼してメタノールの改質反応（吸熱反応）を行う際に必要な熱量を発生し、蒸発部１２、改質部１３に設けられた熱交換機に供給する。
【００２９】
蒸発部１２は燃焼部１１からの熱を熱交換器に受け、この熱を利用して後述のメタノールタンク及び水タンクから供給されるメタノール及び水を気化させる。
【００３０】
改質部１３は、蒸発部１２で気化した改質原料を改質するための触媒の他に内部を加熱する手段として電気式のヒータを備えて適切な反応温度を確保する。改質器１０が定常状態となったときにはこのヒータ及び改質反応の熱収支によって改質部１３内部を改質反応に適した温度に維持することも可能となっている。改質部１３には、例えば、改質反応を促進する触媒金属であるＣｕ−Ｚｎ触媒で形成されたペレットが充填されており、十分に昇温されたメタノール及び水の気化ガスの供給を受けて水蒸気改質反応及び部分酸化改質反応を進行させ、水素リッチな改質ガスを生成する。
【００３１】
水蒸気改質反応は、
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋３Ｈ2−１３１（kJ/mol）   …（４）
ＣＨ3ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ2                            …（５）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋Ｈ2                            …（６）
として示される。
【００３２】
更に、改質部１３では、残留した気化メタノールに外部から酸化エア（Ｏ2：２１％，Ｎ2：７９％）を供給して（図示せず）部分酸化改質反応によって水素を生成することができる。
【００３３】
部分酸化改質反応は、
ＣＨ3ＯＨ＋１／２Ｏ2＋１．９Ｎ2→２Ｈ2＋ＣＯ2＋１５５（kJ/mol）  …（７）
ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2＋５．７Ｎ2→＋ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ＋５．７Ｎ2    …（８）
２ＣＨ3ＯＨ＋２Ｈ2Ｏ→６Ｈ2＋２ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ                    …（９）
として示される。
【００３４】
改質部１３で生成された改質ガスは少量の一酸化炭素を含む。これは、燃料電池の電極で使用される白金触媒の機能を低下させるため、改質部１３の下流側に一酸化炭素をシフト反応によって二酸化炭素とするシフト反応部を設けている。シフト反応部では、種類の異なる触媒を用いることによって種々の運転状態において一酸化炭素の酸化を促進すべく複数の反応部を配置している。実施例では、高温で触媒機能がより発揮される高温シフト反応部１５と、低温でも触媒機能が発揮される低温シフト反応部１７とを配置している。また、選択酸化反応を使用する反応部として後述のＣＯ浄化部１８を配置している。
【００３５】
例えば、高温シフト反応部１５の触媒ユニットの使用温度は約３００℃（第１の目標温度）に、低温シフト反応部の１７の触媒ユニットの使用温度は約２００℃（第２の目標温度）に設定される。このような温度設定を行うために、高温シフト反応部１５及び低温シフト反応部１７にはそれぞれ冷却部１４及び１６が設けられる。また、高温シフト反応部１５及び低温シフト反応部１７にはそれぞれ触媒ユニットの温度を検出する温度センサ１５ａ及び１７ａが設けられる。冷却部１４及び１６は、例えば、改質ガス流路あるいは触媒ユニットに設けられる熱交換器１４ａ、１６ａにより構成される。各熱交換器には図示しない外部の冷媒供給源から冷却水が供給される。例えば、熱交換器１４ａには、外部から冷却水１が供給され、熱交換器１６ａには冷却水２が供給される。各冷却水の流量を調節することによって各反応部の温度センサによって検出される温度Ｔｎが所望の温度となるように制御することができる。これは後述の制御部５０によって行われる。
【００３６】
改質ガス中の一酸化炭素濃度は高温シフト反応部１５及び低温シフト反応部１７を経て減少するが、まだ、微量残存する。これをＣＯ浄化部１８にて選択酸化反応によって水素を減少させないようにして除去する。選択酸化反応は、
ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2
として示される。この際にも触媒が使用される。
【００３７】
ＣＯ浄化部１８では改質ガス中の水素に優先して一酸化炭素の酸化を行うべく、一酸化炭素の選択触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、これらを使用する合金触媒などを担持する担体が触媒ユニットに充填されている。そして、外部から酸化エアを供給し、選択酸化反応によって一酸化炭素を二酸化炭素に変えている。ＣＯ浄化部１８はこの触媒ユニットの温度Ｔ３を適当な温度、例えば、１５０℃（第３の目標温度）に保つために冷却水３が供給される熱交換器１８ａと触媒温度を検出する温度センサ１８ｂを備えている。冷却水３の流量を調整することによって、上記温度Ｔ３を適正温度に制御することができる。これは制御部５０によって行われる。高温シフト反応部１５、低温シフト反応部１７、ＣＯ浄化部１８を経て一酸化炭素が低減された改質ガスは後述する燃料電池に供給される。
【００３８】
次に、冷却水供給系３０について説明する。冷却水１は冷媒供給源から熱交換器１４ａを経て加熱され、開閉弁３１を経て蒸発部１２に供給される。また、冷却水１は開閉弁３２、バイパス流路ＢＰを経て冷却水３としてＣＯ浄化部１８の熱交換器１８ａに供給可能になされている。冷却水２は熱交換器１６ａを経て加熱されて蒸発部１２に供給される。冷却水３は熱交換器１６ａを経て加熱されて蒸発部１２に供給される。加熱された冷却水を蒸発部に供給される改質水として使用することによって熱効率が改善される。この他、起動時の改質水供給のために、蒸発部１１には水タンクからバイパス水が供給可能となされている。
【００３９】
次に、燃料電池システムの起動時における制御部５０の冷却水（伝熱媒体）の供給制御について図２を参照しつつ説明する。
【００４０】
制御部５０は、外部から起動が指令されると、
(a) 開閉弁３１を閉じ、開閉弁３２を開放状態とする。冷却水１乃至３の供給は停止のままとする。
(b) メタノール、酸化エア、燃料電池の余剰水素等の燃料を燃焼部１１に供給してバーナーに点火して起動し、高温の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスは蒸発部１２の熱交換器に供給され、空気などの高温ガスを生成する。この高温ガスは改質部１３の流路に沿って下流のＣＯ浄化部１８側に導かれ、流路の温度を上昇させる。なお、上記高温の燃焼ガスを排ガス管によって改質部のヒートパイプに導き、熱交換を行って改質部の触媒ユニットの温度を上昇させることができる。また、改質部１３等の触媒用電気ヒータを動作させ、触媒ユニットを所定温度に昇温することもできる。
(c) 制御部５０は、高温シフト部１５の触媒ユニットの温度センサ１５ａの出力温度Ｔ１を監視する。熱交換器１４ａに冷却水１が供給されないので、高温シフト部１５の触媒温度Ｔ１は急激に上昇する。
(d) 内部の伝熱によって高温シフト部１５の触媒ユニットの温度が、例えば、２７０℃になると、制御部５０は蒸発部１２にメタノール及びバイパス水を供給する。メタノール及びバイパス水は蒸発部１２の図示しない熱交換器で高温ガスとなって改質部１３に供給され、高温の改質ガスが発生する。改質部１３の温度が上昇し、また、発生した改質ガスが発生することによって高温シフト部１５の触媒温度Ｔ１はオーバーシュート気味に上昇する。
(e) 例えば、高温シフト部１５の触媒温度Ｔ１が３５０℃になると、制御部５０は、バイパス水の供給を停止し、同量の冷却水１を熱交換器１４ａに供給する。このとき、まだ開閉弁３１は閉じ、開閉弁３２は開放しているので、熱交換器１４ａで加熱された冷却水１は、開閉弁３２、バイパス流路ＢＰを通ってＣＯ浄化部１８の熱交換器１８ａに供給される。冷却水３は供給されていないので、熱交換器１４ａの冷却水１によって熱交換器１８ａが加熱される。
(f) 通水によって熱交換器１４ａの温度Ｔ１が約３００℃に低下すると、制御部５０は冷却水１の流量を加減（減少）して高温シフト部１５の触媒温度を３００℃に安定させ、減少した流量分をバイパス水を通水して補う。
(g) 制御部５０は、加熱された冷却水１の供給によってＣＯ浄化部１８の触媒温度Ｔ３が約１２０℃を越えると、開閉弁３１を開き、開閉弁３２を閉じて、冷却水１の供給先をＣＯ浄化部１８から蒸発部１２に切替える。
(h) また、制御部５０は、低温シフト部１７の温度が約１５０℃になると、冷却水２の供給を開始する。その供給量相当分のバイパス水の流量を減少する。
(i) 制御部５０は、低温シフト部１７の温度Ｔ２が約２００℃になると、冷却水２をこの温度を維持することができるの流量に設定（減少）し、その減少分をバイパス水で補う。
(j) 制御部５０は、ＣＯ浄化部１８の温度が約１５０℃に上昇すると、冷却水３の通水を開始し、この温度に維持する。この通水分をバイパス水から減ずる。
(k) 制御部５０は、上述したバイパス水、各冷却水の総量が改質部１３で必要とする改質水量となるように割り当てられる。別言すれば、所要改質水量と各冷却水量との差分をバイパス水で補っている。
【００４１】
このようにして、上流の高温部で加熱された冷却水によって最下流のＣＯ浄化部１８の温度上昇が促進されることによって、改質器の立ち上がりが早くなり、燃料電池システムの起動時間が短縮される。
【００４２】
（比較例）
図３は、比較例の改質器を示している。同図において図１に示した第１の実施例と対応する部分には、同一符号を付しかかる部分の説明は省略する。比較例では、上述した第１の実施例と同様に冷却水１乃至３を使用しているが、燃料電池システムの起動後に冷却水１乃至３をそれぞれ冷却部１４、１６及びＣＯ浄化部１８に供給する構成としている。
【００４３】
図４は、この場合の冷却水１乃至３の供給と冷却部１４、１６及びＣＯ浄化部１８の温度上昇特性を示している。図４に示す立ち上がり特性において図２に示す特性と対応する部分には同一符号を付している。
【００４４】
改質器上流で投入された改質ガスや改質水は加熱され、水蒸気を含む高温ガスとなり下流に運ばれる。しかしながら、起動時においては下流側の触媒温度は低いため、水蒸気は触媒を加熱した後、凝縮水となり、触媒に付着する。この凝縮水を水蒸気にするためには、更に上流からの高温ガスが必要となる。このため、下流側の触媒は起動時には１００℃付近で温度一定の状態が長く続き、適正温度になるまでに長時間を要する。この対策として、下流側の触媒に電気ヒータ等を用いることも多いが、電気エネルギを必要とするため、効率低下に繋がる。また、ヒータでは温度分布や外部への放熱も発生しやすい。
【００４５】
これに対し、第１の実施例では上流側の高温部で加熱された冷却水の流路を切替え可能とし、これによって下流側の低温の触媒を加熱するので下流側触媒の温度上昇が促進されて改質器の立ち上がりが早くなり、燃料電池システムの起動時間が短縮される。
【００４６】
（第２の実施例）
図５は、本発明の第２の実施例を示している。同図において図１と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００４７】
この実施例では、冷却水１乃至３を一つの冷却水供給源から供給する構成としている。冷却水供給源は冷却水（改質水）を貯留した水タンク４１とポンプ４２によって構成される。冷却水１はポンプ４２から流路Ｌ１、Ｌ２及び流量調整弁３５を経て冷却部１４に供給される。流量調整弁３５の開度を調整することによって冷却水１の供給量を設定することが出来る。冷却水２はポンプ４２から流路Ｌ１、Ｌ３及び流量調整弁３６を経て冷却部１６に供給される。流量調整弁３６の開度を調整することによって冷却水２の供給量を設定することが出来る。冷却水３はポンプ４２から流路Ｌ１、Ｌ４及び流量調整弁３７を経てＣＯ浄化部１４に供給される。流量調整弁３７の開度を調整することによって冷却水３の供給量を設定することが出来る。また、バイパス水はポンプ４２から流路Ｌ１、Ｌ９、流量調整弁３８及びＬ１０を経て蒸発部１２に供給される。流量調整弁３５の開度を調整することによってバイパス水の供給量を設定することが出来る。前述したように、バイパス水は加熱されて改質水として使用される冷却水の不足分を補って所要の改質水量を確保するために使用される。流量調整弁３５乃至３８は制御部５０によって制御される。
【００４８】
（第３の実施例）
図６は、本発明の第３の実施例を示している。同図において図１と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００４９】
この実施例では、改質器１０の上流側の熱交換器１４ａで加熱された冷却水１を下流側に配置された複数の熱交換器１６ａ及び１８ａに選択的にあるいは同時に供給可能として下流側反応部の昇温を早める構成としている。このため、加熱された冷却水１をバイパス流路ＢＰによって下流側に導出し、更に、バイパス流路ＢＰから分岐したバイパス流路ＢＰ１及びＢＰ２によって熱交換器１６ａ及び１８ａに加熱された冷却水１を供給する。バイパス流路ＢＰ１及びＢＰ２には、開閉弁３３及び３４がそれぞれ設けられており、これらの弁を制御することによって下流側の熱交換器１６ａ及び１８ａに同時にあるいは個別的に加熱冷却水を供給できる。このような構成によっても下流側触媒の温度上昇が促進されて改質器の立ち上がりが早くなり、燃料電池システムの起動時間が短縮される。
【００５０】
（第４の実施例）
図７は、本発明の第４の実施例を示している。同図において図１と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００５１】
この実施例では、改質器１０の改質部１３内に配置された熱交換器から下流側に配置されたより低温の熱交換器に加熱された冷却水を供給する構成としている。前述したように改質部１３は、酸化改質反応、水蒸気改質反応によって水素を生成しており、より高温の酸化改質反応を行う触媒ユニットを備えた第１の改質部（反応部）１３１と、相対的に低温の水蒸気改質反応を行う触媒ユニットを備えた第２の改質部（反応部）１３３とを含んでいる。第１の改質部１３１の触媒ユニットにはこの触媒の反応に最適な温度を保つための熱交換器１３２が設けられている。第２の改質部１３３の触媒ユニットにもこの触媒の反応に最適な温度を保つための熱交換器１３４が設けられている。第１の実施例と同様に、起動時に冷却水１が熱交換器１３２に供給され、加熱された冷却水１が開閉弁３２を介して下流側のＣＯ浄化部１８の触媒ユニットに設けられた熱交換器１８ａに供給されることによって改質ガス流路の下流側に配置されたＣＯ浄化部１８の触媒ユニットの温度上昇が促進され、改質器の立ち上がりが早くなり、燃料電池システムの起動時間が短縮される。
【００５２】
（燃料電池システム）
次に、上述した冷却水供給系を備える燃料改質装置１を使用した燃料電池システムの例について図８を参照して説明する。同図において、図６と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００５３】
図８に示すように、燃料改質装置の改質器１０には、燃料供給系６０から原燃料が供給され、エア供給系２０から酸化エアが供給され、冷却水供給系３０から冷媒（伝熱媒体）としての冷却水が供給される。加熱された冷却水は改質水として利用されている。
【００５４】
燃料供給系６０は、メタノールを貯留した燃料タンク６１、燃料ポンプ６３及び６４、燃料流路（配管）等によって構成され、改質器１０の燃焼部１１のバーナに燃料や蒸発部１２に改質燃料（原燃料）を供給する。各部への燃料供給は制御部５０によって制御される。
【００５５】
エア供給系２０は、エアフィルタ２１、モータ２２、エアポンプ２３、エアタンク２４、駆動回路２５、エア流路などによって構成され、燃焼部１１、改質部１３、ＣＯ浄化部１８、燃料電池７０等に酸化エアを供給する。モータ２２は、直流モータであり、制御部５０によって制御されるモータ駆動回路２５からＰＷＭ出力を受けて動作する。モータ駆動回路２５は二次電池（あるいはキャパシタ）８０から電源の供給を受ける。
【００５６】
冷却水供給系３０は、図５に示した構成と同様であり、開閉弁３１及び３２、流量調整弁３５〜３８、流路Ｌ１〜Ｌ１０、改質水タンク４１、ポンプ４２等によって構成されている。改質水タンク４１には、燃料電池７０で生じた水が回収される。各弁の動作は制御部５０によって制御される。
【００５７】
改質器１０の燃焼部１１には、エアタンク２４から燃焼用のエアが供給され、燃料タンク６１から燃焼用のメタノールがポンプ６３を介して供給される。また、燃料電池７０から使用されずに残った水素等の残留ガスも供給される。蒸発部１２には、改質の対象となる原燃料のメタノールと、改質反応に使用される水が冷却水供給３０を経由して供給される。改質水は各反応部の冷媒（伝熱媒体）として既述した改質器１０の各反応部の触媒ユニットなどを所定の温度に保つべく、当該反応部に配置された熱交換器にて改質ガスから熱の供給を受けて加熱されて蒸発部１２に供給される。それにより、熱効率の改善が図られる。
【００５８】
蒸発部で気化したメタノールと水は改質部１３で水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスとなり、各反応部（高温シフト部１５、低温シフト部１７、ＣＯ浄化部１８）一酸化炭素が低減される。この改質ガスが燃料電池７０の水素極に供給される。また、その酸素極にはエアタンク２４から酸化エアが供給される。それにより、燃料電池７０の出力端に電気が発生する。燃料電池７０が発生した電気出力は二次電池８０及び図示しない車両の駆動モータを駆動するインバータに供給される。上述したように、二次電池８０は、例えば、ニッケル水素二次電池を使用することできるが、大容量のキャパシタを使用しても良い。この場合には、軽量化出来る利点がある。二次電池８０によって燃料電池７０の補器類に必要な電源が供給される。
【００５９】
燃料電池システム１を運転する制御部５０は、ポンプ類や流量調整弁等を駆動し、外部から供給される各部の温度センサや圧力センサ等の出力をデジタル信号に変換する入出力ポート５２、制御プログラムに従って制御処理を実行するＣＰＵ５４、制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭ５６、データ処理に使用されるＲＡＭ５８等によって構成される。制御部５０には燃料電池システム１の各部に設けられた図示しない温度センサ、圧力センサ、ＣＯセンサ、出力電圧センサ、出力電流センサ、弁開度センサ、他のコンピュータからの車両運転情報等の燃料電池の運転制御に必要な情報信号が入力されている。制御部５０はこれらの情報を適切に処理して上述した開閉弁３１及び３２、流量調整弁３５〜３８、ポンプ２２、４２、６３及び６５、モータ駆動回路２５等を制御する。
【００６０】
このようにして、本発明の燃料改質装置及び燃料電池システムは、改質器における逆流を阻止する手段を設けたことによってポンプ２４を低圧力で使用することを可能とし、燃料電池システム自体の消費する電力を減らしたので、燃料使用の効率が向上して具合がよい。
【００６１】
なお、図８に示す実施例では、１つのエアタンク２４から燃焼部１１と燃料電池７０とに酸化エアを供給しているが、別々のポンプによって個別的に酸化エアを供給することとしても良い。
【００６２】
また、燃焼部１１への酸化エアの供給ルート及び燃料電池７０への酸化エア供給ルートにそれぞれ流量調整弁や逆止弁を設けこととしても良い。それにより、流量設定やエア圧変動を抑制することが可能となる。
【００６３】
また、タンク２４は必須のものではなく、タンク２４を設けないでポンプから直接本管２５にエアを供給するようにしても良い。
【００６４】
また、開閉弁３１及び３２は連続的に流量を調整することの出来る流量調整弁に置き換えることが出来る。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料改質装置及び燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動の際に改質器の改質ガス流路の上流側に配置された反応部の熱交換器あるいはより高温の熱交換器によって加熱された伝熱媒体を下流側に配置された反応部の熱交換器に選択的に供給可能とすることによって下流側反応部の昇温を促進するので、反応部の全体の温度上昇時間が短縮される。それにより、燃料電池システムの起動時間を短縮することが可能となって具合がよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の燃料改質装置を説明する説明図である。
【図２】図２は、本発明の燃料改質装置の冷却水系の動作を説明するグラフである。
【図３】図３は、比較例の燃料改質装置を示す説明図である。
【図４】図４は、比較例の燃料改質装置の冷却水系の動作を説明するグラフである。
【図５】図５は、本発明の燃料改質装置の第２の実施例を説明する説明図である。
【図６】図６は、本発明の燃料改質装置の第３の実施例を説明する説明図である。
【図７】図７は、本発明の燃料改質装置の第４の実施例を説明する説明図である。
【図８】図８は、本発明の燃料改質装置を使用した燃料電池システムの第３の実施例を説明する説明図である。
【符号の説明】
１…燃料改質装置、２…燃料電池システム、１０…改質器、２０…エア供給系、３０…冷却水供給系、６０…燃料供給系、３１，３２…開閉弁、３５〜３８…流量調整弁、ＢＰ，ＢＰ１，ＢＰ２…冷却水のバイパス流路
【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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【図８】
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