(57)【要約】【課題】水素透過性能ならびにシステムの始動性の双方を向上させて、システムの動作効率を高めることを課題とする。【解決手段】燃料の改質を行なう改質器５と、改質器５で生成された改質ガス中の水素を選択的に透過する水素分離膜１２を有する水素分離膜ユニット１０との間に設けられ、改質器５得られた改質ガスを受けて、改質ガス中に含まれる未改質の炭化水素を保持する保持装置８を備えて構成される【選択図】      図１
2004292217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料の改質を行なう改質器と、
前記改質器で生成された改質ガス中の水素を選択的に透過する水素分離膜を有する水素分離膜ユニットを備えた燃料改質システムにおいて、
前記改質器と前記水素分離膜ユニットとの間に設けられ、前記改質器で得られた改質ガスを受けて、改質ガス中に含まれる未改質の炭化水素を保持する保持装置
を有することを特徴とする燃料改質システム。
【請求項２】
前記保持装置は、保持した未改質の炭化水素を所望の時期に燃焼させ、燃焼時の燃焼ガスが前記システム内の構成要素で使用される
ことを特徴とする請求項１記載の燃料改質システム。
【請求項３】
前記所望の時期は、前記システムの停止前であり、前記システムの構成要素は、前記水素分離膜ユニットであることを特徴とする請求項２記載の燃料改質システム。
【請求項４】
前記所望の時期は、前記システムの暖機後であり、前記システムの構成要素は、前記改質器であることを特徴とする請求項２記載の燃料改質システム。
【請求項５】
前記保持装置は、炭化水素吸着触媒と燃焼触媒を備えた
ことを特徴とする請求項１記載の燃料改質システム。
【請求項６】
前記改質器と前記水素分離膜ユニットとの間に、前記保持装置を迂回する迂回経路を設け、
前記システムの始動時には、前記保持装置を介して前記改質器で得られた改質ガスが前記水素分離膜ユニットに与えられ、前記システムの暖機後には、前記迂回経路を介して前記改質器で得られた改質ガスが前記水素分離膜ユニットに与えられることを特徴とする請求項１記載の燃料改質システム。
【請求項７】
前記水素分離膜は、Ｐｄ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒの単体、もしくは複合体、あるいはＡｇ、Ｃｕの少なくともいずれか一つを含む合金であることを特徴とする請求項６記載の燃料改質システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質反応により炭化水素化合物から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料ガスとなる水素ガスと酸素との電気化学反応により発電する燃料電池では、改質反応によりアルコールや炭化水素化合物等から生成された水素を燃料ガスとして利用する方法がある。このように、改質反応により燃料ガスの水素を生成する従来の燃料改質システムでは、改質反応を行う改質器と、改質反応で得られた生成物から水素を分離して取り出す水素分離膜を備えたものがある。
【０００３】
このようなシステムにおいては、例えば炭化水素化合物を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する際に、高温下で部分酸化を行ない、その後、改質器で水蒸気改質を行ない、改質時における炭素析出を回避している。改質反応で生じた水素は、水素分離膜を利用して分離される。その際、透過側にパージガスとして水蒸気を供給することにより水素分圧を下げ、水素の分離効率を向上させている。改質用水蒸気、パージ用水蒸気は、部分酸化で排出される高温の生成ガスと水との熱交換によって生成される。あるいは、その他の高温部との熱交換、排気されるべき可燃性ガスの燃焼熱を利用して水蒸気を生成する。以上のような方法により、廃熱、廃棄物を有効活用して効率的に改質およびパージ用水蒸気を生成するという技術は、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２２３０１７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、改質器と水素分離膜を備えた従来の燃料改質システムにおいては、システムの始動性を高めるために低温で改質を開始する場合に、改質ガス中に多量に発生する未改質の炭化水素が水素分離膜に固着し、水素分離膜の水素透過性能を低下させる問題があった。
【０００６】
また、このような未改質の炭化水素による水素透過性能の低下は、システムの通常運転時にも経時的に発生するという問題があった。
【０００７】
さらに、水蒸気改質反応に加えて部分酸化反応を含む改質反応を行うオートサーマルリアクタを改質器に適用した場合に、システムの始動時に自己発熱割合を増加させると、水素の発生量が低下して、改質器の効率が悪化するという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水素透過性能ならびにシステムの始動性の双方を向上させて、システムの動作効率を高めた燃料改質システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、水素を含む燃料の改質を行なう改質器と、前記改質器で生成された改質ガス中の水素を選択的に透過する水素分離膜を有する水素分離膜ユニットを備えた燃料改質システムにおいて、前記改質器と前記水素分離膜ユニットとの間に設けられ、前記改質器で得られた改質ガスを受けて、改質ガス中に含まれる未改質の炭化水素を保持する保持装置を有することを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、未改質の炭化水素を含んだ改質ガスを水素分離膜に供給することが回避され、水素分離膜の性能低下を防ぐことが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００１２】
図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料改質システムを含む燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す第１の実施形態の燃料電池システムは、燃料電池システムの動作を制御する制御中枢となり、改質ガスの生成ならびに燃料電池の発電を含むシステム全体の動作を制御するコントロールユニット１、燃料ガスとの熱交換により炭化水素系燃料と水とを気化する蒸発器４、蒸発器４で気化された炭化水素系燃料と水とからなる燃料ガスの改質反応を行う改質器５、改質器５と一体に形成されて、燃焼ガスを蒸発器４に供給する燃焼器６、低温時にアルコールや炭化水素類を吸着保持し、高温時に吸着保持した物質を脱離する保持装置８、水素分離膜１２により改質器５で生成された改質ガスから水素を分離する水素分離膜ユニット１０、水素分離膜ユニット１０で分離された水素を燃料ガスとして発電する燃料電池１４、ならびにシステム始動時に水素分離膜１２を昇温する燃焼ガスを生成する始動用燃焼器１５を備えて構成されている。
【００１３】
改質ガスを生成するための炭化水素系燃料と水は、コントロールユニット１の信号に基づいて制御される第一燃料噴射弁２ａと水噴射弁３により蒸発器４に供給され、改質器５と一体に成形された燃焼器６から供給される燃焼ガスとの熱交換により、蒸発器４において気化が行われる。気化された炭化水素系燃料と水は、燃料ガスとして改質器５に導入され、燃焼器６との熱交換を行なうことで燃料ガスの改質反応が行われる。燃焼器６には、第二燃料噴射弁２ｂが設けられており、熱量が不足した場合には、コントロールユニット１の信号により第二燃料噴射弁２ｂが制御されて燃料が追加供給される。
【００１４】
ここで、改質器５で行われるＣｎＨｍの炭化水素系燃料と水の改質反応について説明する。燃料の水蒸気改質反応は、下記の式（１）で示す反応式で表わされる。下記に示す式（２）の反応は、シフト反応と呼ばれ、一般的に低温では水素が生成される方向、高温ではＣＯが生成される方向に進行する。
【００１５】
【化１】
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ  →  ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ２    …（１）
【化２】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  ←→  ＣＯ２＋Ｈ２      …（２）
改質器５の下流には、第一改質ガス制御バルブ７ａと、炭化水素を保持する保持装置８を備えた通路と、保持装置８に空気を供給する第一空気制御バルブ９ａと、保持装置８を迂回する第二改質ガス制御バルブ７ｂを備えた通路が設けられている。改質器５で生成された改質ガスは、いずれかの通路を経て水素分離膜ユニット１０の一次側通路１１に供給される。その後、改質ガスは水素分離膜ユニット１０内の水素分離膜１２によって水素が選択透過され、二次側通路１３を経て燃料電池１４へ供給され、電気化学反応により起電力を得る。燃料電池１４で生じる電気化学反応の反応式を以下に示す。
【００１６】
【化３】
Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−    …（３）
【化４】
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ    …（４）
【化５】
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ    …（５）
ここで、上記式（３）は陰極側における反応、式（４）は陽極側における反応を表し、陽極側には、コントロールユニット１の信号に基づいて制御される第二空気制御バルブ９ｂの動作により、空気が供給される。概して、燃料電池１４の全体としては、上記式（５）に示す反応が進行することとなる。
【００１７】
このような電気化学反応により起電力を得ている燃料電池１４は、固体高分子型の燃料電池であり、電池反応を促進する白金等の触媒を備えている。燃料電池１４に供給されたガス中にＣＯが含まれている場合には、このＣＯが白金触媒に吸着して触媒としての機能を低下させ、上記式（４）に示したアノードにおける反応を阻害して、燃料電池１４の性能を低下させてしまう。そのため、燃料電池１４のような固体高分子型の燃料電池で発電を行なう場合には、ＣＯ除去器や水素分離膜１２等のＣＯ除去手段を用いて供給するガス中のＣＯを所定値以下に低減して、電池性能の低下を防ぐことが必要となる。
【００１８】
水素分離膜１２は、Ｐｄ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒの単体若しくは複合体、あるいはＡｇ、Ｃｕの少なくともいずれか一つを含む合金であると、水素分離膜の高い透過性能を確保することができる一方、ＣＯや未燃燃料成分を吸着する性質がある。なお、このような固体高分子型の燃料電池１４では、供給されるガス中のＣＯ濃度の許容値は、通常数十ｐｐｍ程度である。
【００１９】
水素分離膜１２により透過されなかった排気ガスの一部、および燃料電池１４から排出される余剰水素は、改質器５で必要とされる熱量に応じて燃焼器６に供給され、改質器５の加熱に供される。加えてシステムの始動時には、コントロールユニット１の信号に基づいて制御される第三空気制御バルブ９ｃと第三燃料噴射弁２ｃを介して、始動用燃焼器１５に空気と燃料が供給される。始動用燃焼器１５で生成された燃焼ガスを水素分離膜ユニット１０の一次側通路１１に供給することで、水素分離膜１２や改質器５の加熱を行なう。
【００２０】
ここで、改質器５と水素分離膜ユニット１０の間に設けられた保持装置８の構成について説明する。保持装置８は、一例として排気の通流が可能なハニカム担体に保持触媒としてのゼオライト層を担持させた構造である。ゼオライト層は、Ｐｔ、Ｐｂ、Ｒｈから選ばれた少なくとも一種を含み、且つゼオライトを含んでいる。このゼオライト層は、低温時にアルコールや炭化水素（ＨＣ）類を吸着して保持する一方、高温で脱離する性質を有する。また、ゼオライト層の直後に、Ｐｔ系の燃焼触媒を担持することで、保持した炭化水素等を脱離した際に、同時に空気を供給することで炭化水素等を燃焼させ、燃焼ガスを生成することが可能となる。
【００２１】
次に、このような燃料電池システムにおいて実施されるシステムの始動時および停止時の動作を説明する。図２にこの第１の実施形態の改質器５および水素分離膜１２の温度と、改質ガス中のＨＣ量の経時変化を示す。
【００２２】
システムの始動時には、始動用燃焼器１５で得られた燃焼ガスを水素分離膜ユニット１０に供給し、水素分離膜１２の昇温を行う。水素分離膜ユニット１０の昇温に使用され、温度が低下した燃焼ガスは燃焼器６に供給され、隣接する改質器５を加熱する。なお、水素分離膜１２の昇温に比べて、改質器５では温度低下により昇温速度が低下する。
【００２３】
その後、水素分離膜１２の温度が規定値に達すると、コントロールユニット１の信号に基づいて第一燃料噴射弁２ａと水噴射弁３から所定の割合と量の燃料と水を蒸発器４に供給し、改質器５に燃料蒸気を供給し、改質反応を開始する。次に、改質器５の温度が規定値を超えると、通常の運転状態に移行する。このように、改質を開始してから通常運転に移行する際に、改質を開始した時点から、改質器５の温度が規定値を超えるまでは、改質器５の温度が低温から高温の過渡状態にあるため、図２に示すように、改質ガス中のＨＣ量は当初大幅に増加するが、通常運転時の最小量まで順次低下していく。一方、システムの停止時には、水素分離膜１２の温度を一時的に上昇させ、その後低下させるようにしている。
【００２４】
次に、上述したシステムの始動時（図２の（１）に対応する）の詳細な制御手順を、図３に示すフローチャートを参照して説明する。
【００２５】
まず、ステップＳ３０１では、システムの運転状態をルックアップし、ステップＳ３０２では、システムが始動の状態であるか否かを判定する。始動途中であれば、ステップＳ３０３で始動用燃焼器１５により水素分離膜ユニット１０を昇温する。
【００２６】
次に、ステップＳ３０４では、水素分離膜１２の温度を判定し、水素分離膜１２の温度が規定値を超えていれば、ステップＳ３０５で始動用燃焼器１５の運転を停止し、ステップＳ３０６で改質器５に燃料を供給して改質ガスの生成を開始する。続いて、ステップＳ３０７では、改質器５の温度を判定し、改質器５の温度が規定値に達していない場合には、ステップＳ３０８で第一改質ガス制御バルブ７ａを開放し、かつ第二改質ガス制御バルブ７ｂを閉塞して、保持装置８に改質ガスを供給する。
【００２７】
保持装置８は、低温で炭化水素等を吸着する性質があり、この状態では改質器５の温度が低温から高温の過渡状態にあることから、改質ガス中に発生するＨＣ量は、図２に示すように、全体として増加する。そこで、保持装置８により改質ガス中のＨＣを吸着保持し、水素分離膜１２に供給する改質ガス中のＨＣを低減する。これにより、水素分離膜１２へのＨＣの吸着が回避され、水素分離膜１２の水素透過性能の低下を抑制することが可能となる。
【００２８】
一方、ステップＳ３０７の判定結果において、改質器５の温度が規定値に達した場合には、ステップＳ３０９で第一改質ガス制御バルブ７ａを閉塞し、かつ第二改質ガス制御バルブ７ｂを開放して、保持装置８を迂回する通路が使用される。
【００２９】
次に、システムの停止時（図２の（２）に対応する）の詳細な制御手順を、図４に示すフローチャートを参照して説明する。
【００３０】
まず、ステップＳ４０１では、システムの運転状態をルックアップし、ステップＳ４０２では、システムが停止の状態であるか否かを判定する。停止状態であれば、ステップＳ４０３で保持装置８を加熱する。保持装置８は、例えば図示しない加熱ヒータにより加熱され、もしくは保持装置８に高温のガスを供給して加熱される。
【００３１】
次に、ステップＳ４０４では、保持装置８の温度がＨＣの脱離温度を超えたか否かを判定し、脱離温度を超えている場合には、第一空気制御バルブ９ａを開放し、保持装置８に空気を供給する。ここでは、酸素雰囲気下で脱離したＨＣを保持装置８の燃焼触媒に供給することによりＨＣを燃焼し、燃焼ガスが生成される。
【００３２】
通常運転時にも、ＨＣは改質ガス中に微量に含まれ、かつＣＯも含まれるため、保持装置８で生成された燃焼ガスを水素分離膜ユニット１０に供給することにより、水素分離膜１２に吸着したＨＣやＣＯを除去することが可能となる。これにより、水素分離膜１２の透過性能を完全に回復することができる。
【００３３】
次に、ステップＳ４０６では、保持装置８の温度が脱離温度より低いか否かを判定し、保持装置８に保持したＨＣが完全に燃焼し、保持装置８の温度が脱離温度より低下した場合には、ステップＳ４０７で第一空気制御バルブ９ａを閉塞する。
【００３４】
以上説明したように、上記第１の実施形態においては、上述したシステムの始動時および停止時の制御を行うことにより、通常は改質器５の温度が十分に上がった時点で改質を開始するものの、改質開始時期を早めることでシステムの始動性を向上させることが可能となる。また、改質開始時期を早めた場合に発生する改質ガス中の多量のＨＣを保持装置８で吸着して保持するので、水素分離膜１２へのＨＣ吸着が回避され、水素分離膜１２の水素透過性能の悪化を抑制することができる。
【００３５】
さらに、改質器５と水素分離膜１２の温度が上がった後の通常運転時は、保持装置８を迂回する経路を使用して改質ガスが水素分離膜ユニット１０に供給されるため、保持装置８で保持したＨＣの水素分離膜１２への供給が確実に回避され、保持装置８を通過することによる圧損の上昇が抑えられ、システムの効率を維持することができる。
【００３６】
また、通常運転時にも、改質ガス中に微量に含まれるＨＣが水素分離膜１２に吸着して、水素分離膜１２の水素透過性能は若干低下するが、システム停止時に保持装置８のＨＣを燃やした燃焼ガスを水素分離膜ユニット１０に供給するため、水素分離膜１２に吸着したＨＣやＣＯを完全に除去し、水素分離膜１２の水素透過性能を回復することが可能となる。この時、余剰に使用する燃料は不要であり、システム効率の向上にも寄与することができる。
【００３７】
図５は本発明の第２の実施形態に係る燃料改質システムを含む燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す第１の実施形態の特徴は、先の第１の実施形態に比べて、改質器５に水蒸気改質反応に加え、部分酸化反応を含む改質反応を行うオートサーマルリアクタを採用したことにある。この第２の実施形態は、部分酸化反応を実施するために、図１に示す第１の実施形態の構成に加えて、第四空気制御バルブ９ｄを介して改質器５に空気を供給する空気ポンプ１６と、保持装置８の出口側に設けられた切換バルブ１７と、切換バルブ１７と改質器５との間に設けられた燃焼触媒１８を備えて構成される。
【００３８】
改質ガスを生成するための炭化水素系燃料と水は、コントロールユニット１の信号に基づいて制御される第一燃料噴射弁２ａと水噴射弁３を介して蒸発器４に供給され、燃焼器６から供給される燃焼ガスとの熱交換により、蒸発器４において気化が行われる。気化された炭化水素系燃料と水は、燃料ガスとして改質器５に導入され、燃料ガスの改質反応が行われる。
【００３９】
加えてここでは、空気ポンプ１６から圧送される空気が第四空気制御バルブ９ｄを経て改質器５に供給される。また、燃焼器６には、第二燃料噴射弁２ｂが設けられており、蒸発器４にて必要とされる熱量が不足した場合には、コントロールユニット１の信号により制御された第二燃料噴射弁２ｂを介して燃料が追加供給される。
【００４０】
ここで、改質器５で行われるＣｎＨｍの炭化水素系燃料と水の改質反応について説明する。燃料の水蒸気改質反応とシフト反応は、前述した式（１）ならびに式（２）に示すように、先の第１の実施形態と同様である。
【００４１】
一方、下記に示す式（６）は、部分酸化反応を示す反応式であり、空気（酸素）が供給された場合に発生する発熱を伴う改質反応である。
【００４２】
【化６】
ＣｎＨｍ＋ｎＯ２  →  ｎＣＯ２＋（ｍ／２）Ｈ２      …（６）
このような部分酸化反応を適用することで、発生熱量を式（１）の水蒸気改質反応に供し、両者の熱量をバランスさせながら改質反応を行うことが可能である。また、部分酸化反応に対して水蒸気改質反応の水素収率は高いため、両者を同時に行う場合には、部分酸化反応の割合（部分酸化率）を減らし、水蒸気改質反応の比率を上げることがシステムの効率を向上させる上で重要なファクタとなる。
【００４３】
改質器５の下流には、第一改質ガス制御バルブ７ａと、炭化水素を保持する保持装置８を備えた通路と、保持装置８に空気を供給する第一空気制御バルブ９ａと、保持装置８を迂回する第二改質ガス制御バルブ７ｂを備えた通路が設けられている。改質器５で生成された改質ガスは、いずれかの通路を経て水素分離膜ユニット１０の一次側通路１１に供給される。
【００４４】
保持装置８には、先の第１の実施形態で説明した、ゼオライト層のみが設けられている。加えて保持装置８の直後には、改質器５と水素分離膜ユニット１０に接続する経路を切り換える切換バルブ１７が備えられいる。切換バルブ１７と改質器５の間には、燃焼触媒１８が設けられている。改質ガスは、水素分離膜ユニット１０内の水素分離膜１２によって水素が選択透過され、二次側通路１３を経て燃料電池１４へ供給され、電気化学反応により起電力を得ることは、先の第１の実施形態と同様である。
【００４５】
さらに、水素分離膜１２により透過されなかった排気ガスの一部、および燃料電池１４から排出される余剰水素は燃焼器６に供給され、蒸発器４に熱量が供される。加えて、システムの始動時には、始動用燃焼器１５にコントロールユニット１の信号に基づいて制御される第三空気制御バルブ９ｃと第三燃料噴射弁２ｃにより空気と燃料が供給される。始動用燃焼器１５で生成された燃焼ガスは、水素分離膜ユニット１０の一次側通路１１に供給され、水素分離膜１２の加熱を行なう。
【００４６】
次に、このような燃料電池システムにおいて実施されるシステムの始動時および通常運転初期の動作を説明する。図６に本第２の実施形態の改質器５、保持装置８および水素分離膜１２の温度と、改質ガス中のＨＣ量ならびに部分酸化率の経時変化を示す。
【００４７】
システムの始動時には、始動用燃焼器１５で得られた燃焼ガスを水素分離膜ユニット１０に供給し、水素分離膜１２の昇温を行う。水素分離膜ユニット１０の昇温に使用され、温度が低下した燃焼ガスは燃焼器６に供給され、隣接する改質器５を加熱する。なお、水素分離膜１２の昇温に比べて、改質器５では温度低下により昇温速度が低下する。
【００４８】
その後、水素分離膜１２の温度が規定値に達すると、コントロールユニット１の信号に基づいて第一燃料噴射弁２ａと水噴射弁３から所定の割合と量の燃料と水を蒸発器４に供給し、改質器５に燃料蒸気を供給し、改質反応を開始する。次に、改質器５の温度が規定値を超えると、通常の運転状態に移行する。このように、改質を開始してから通常運転に移行する際に、改質を開始した時点から、改質器５の温度が規定値を超えるまでは、改質器５の温度が低温から高温の過渡状態にあるため、図６に示すように、改質ガス中のＨＣ量は当初大幅に増加するが、通常運転時の最小量まで順次低下していく。通常の運転状態に移行した直後は、保持装置８の温度が一旦上昇した後、他の温度と同じになるまで低下する。一方、部分酸化率は、始動時に最も高く、通常の運転状態に移行した直後から次第に低下する。
【００４９】
次に、上述したシステムの始動時（図６の（１）に対応する）の詳細な制御手順を、図７に示すフローチャートを参照して説明する。
【００５０】
まず、ステップＳ７０１では、システムの運転状態をルックアップし、ステップＳ７０２では、システムが始動の状態であるか否かを判定する。始動途中であれば、ステップＳ７０３で始動用燃焼器１５により水素分離膜ユニット１０を昇温する。
【００５１】
次に、ステップＳ７０４では、水素分離膜１２の温度を判定し、水素分離膜１２の温度が規定値を超えていれば、ステップＳ７０５で始動用燃焼器１５の運転を停止し、ステップＳ７０６で改質器５に燃料を供給して改質ガスの生成を開始する。続いて、ステップＳ７０７では、改質器５の温度を判定し、改質器５の温度が規定値に達していない場合には、ステップＳ７０８で第一改質ガス制御バルブ７ａを開放し、かつ第二改質ガス制御バルブ７ｂを閉塞して、保持装置８に改質ガスを供給する。
【００５２】
保持装置８は、低温で炭化水素等を吸着する性質があり、この状態では改質器５の温度が低温から高温の過渡状態にあることから、改質ガス中に発生するＨＣ量は、図６に示すように、全体として増加する。そこで、保持装置８により改質ガス中のＨＣを吸着保持し、水素分離膜１２に供給する改質ガス中のＨＣを低減する。これにより、水素分離膜１２へのＨＣの吸着が回避され、水素分離膜１２の水素透過性能の低下を抑制することが可能となる。
【００５３】
一方、ステップＳ７０７の判定結果において、改質器５の温度が規定値に達した場合には、ステップＳ７０９で第一改質ガス制御バルブ７ａを閉塞し、かつ第二改質ガス制御バルブ７ｂを開放して、保持装置８を迂回する通路が使用される。
【００５４】
次に、システムの通常運転直後（図６の（３）に対応する）の詳細な制御手順を、図８に示すフローチャートを参照して説明する。
【００５５】
まず、ステップＳ８０１では、システムの運転状態をルックアップし、ステップ８０２では、通常運転移行直後であるか否かを判定する。通常運転移行直後であれば、ステップＳ８０３で保持装置８を加熱する。保持装置８は、例えば図示しない加熱ヒータにより加熱され、もしくは保持装置８に高温のガスを供給して加熱される。
【００５６】
次に、ステップＳ８０４では、保持装置８の温度がＨＣの脱離温度を超えたか否かを判定し、脱離温度を超えている場合には、切換バルブ１７を作動して改質器５の入口に至る通路に切り換える。これにより、酸素雰囲気下で脱離したＨＣを燃焼触媒１８に供給してＨＣを燃焼し、燃焼ガスが生成し、生成した燃焼ガスを改質器５に供給する。これにより、改質器５に熱量が付与されることになり、改質器５の部分酸化率を低減し、水素収率を上げることで改質器５の効率を向上させることが可能となる。
【００５７】
次に、ステップＳ８０６では、保持装置８の温度が脱離温度より低いか否かを判定し、保持装置８に保持したＨＣが完全に燃焼し、保持装置８の温度が脱離温度より低下した場合には、ステップＳ８０７で切換バルブ１７を再び作動させ、水素分離膜ユニット１０に至る通路に切り換える。
【００５８】
以上説明したように、上記第２の実施形態においては、上述したシステムの始動および通常運転移行直後の制御を行うことにより、通常は改質器５の温度が十分に上がった時点で改質を開始するものの、改質開始時期を早めることでシステムの始動性を向上させることが可能となる。また、改質開始時期を早めた場合に発生する改質ガス中の多量のＨＣを保持装置８で吸着して保持するので、水素分離膜１２へのＨＣ吸着が回避され、水素分離膜１２の水素透過性能の悪化を抑制することができる。
【００５９】
さらに、改質器５と水素分離膜１２の温度が上がった後の通常運転時は、保持装置８を迂回する経路を使用して改質ガスが水素分離膜ユニット１０に供給されるため、保持装置８で保持したＨＣの水素分離膜１２への供給が確実に回避され、保持装置８を通過することによる圧損の上昇が抑えられ、システムの効率を維持することができる。
【００６０】
また、通常運転移行直後に、保持装置８のＨＣを燃焼した燃焼ガスを改質器５に供給し、熱量を付与することで改質反応の部分酸化率を低下させることが可能となる。すなわち、部分酸化率の変化は、図６の点線に対して実線で示すように低下する。さらに、水蒸気改質の割合を増加させることにより、水素収率が向上し、改質器５およびシステム効率を向上させることが可能となる。
【００６１】
なお、本第２の実施形態のようにオートサーマルリアクタを適用した場合であっても、先の第１の実施形態で示したシステム停止時の制御を適用することは可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料改質システムを含む燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態ににおける改質ガス中のＨＣ濃度、改質器温度、分離膜温度の変化を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態におけるシステム始動時の動作手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第１の実施形態におけるシステム停止時の動作手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料改質システムを含む燃料電池システムの構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態ににおける改質ガス中のＨＣ濃度、改質器温度、分離膜温度の変化を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態におけるシステム始動時の動作手順を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第１の実施形態におけるシステム通常運転移行直後の動作手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…コントロールユニット
２ａ…第一燃料噴射弁
２ｂ…第二燃料噴射弁
２ｃ…第三燃料噴射弁
３…水噴射弁
４…蒸発器
５…改質器
６…燃焼器
７ａ…第一改質ガス制御バルブ
７ｂ…第二改質ガス制御バルブ
８…保持装置
９ａ…第一空気制御バルブ
９ｂ…第二空気制御バルブ
９ｃ…第三空気制御バルブ
９ｄ…第四空気制御バルブ
１０…水素分離膜ユニット
１１…一次側通路
１２…水素分離膜
１３…二次側通路
１４…燃料電池
１５…始動用燃焼器
１６…空気ポンプ
１７…切換バルブ
１８…燃焼触媒
【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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