(57)【要約】【課題】燃焼触媒に対する液体燃料および空気のそれぞれの供給量を適切に設定し、燃焼触媒としての機能低下を防止する。【解決手段】燃焼触媒１３と、この燃焼触媒１３の上流側に一体化した気化器１１とをそれぞれ備えるとともに、燃焼触媒１３および気化器１１に、それぞれの温度を検出する触媒温度センサ２５および気化器温度センサ２７を設ける。この各温度センサ２５，２７の検出値に基づいて、制御回路装置２３が、気化器１１上流側の混合器９に供給する、液体燃料噴射弁１９からの液体燃料および空気導入口１７からの空気の量を制御し、燃料を改質して得た水素を燃料電池に供給する燃料改質器を暖機する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を改質して得た水素を燃料電池に供給する燃料改質器を備え、この燃料改質器を暖機するための熱量を供給する燃料改質器起動装置において、燃焼触媒と、この燃焼触媒の上流側に燃焼触媒と一体化した気化器とをそれぞれ備えるとともに、前記燃焼触媒および気化器に、それぞれの温度を検出する温度検出手段を設け、この各温度検出手段の検出値に基づいて、前記気化器に供給する液体燃料および空気の量を制御する制御手段を設けたことを特徴とする燃料改質器起動装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記燃焼触媒の温度が、設定下限値未満のときに、前記空気の供給量を減少させることを特徴とする請求項１記載の燃料改質器起動装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記燃焼触媒の温度が、設定上限値を超えかつ前記気化器の温度が設定下限値以上のときに、前記空気の供給量を増加させることを特徴とする請求項１記載の燃料改質器起動装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記燃焼触媒の温度が、設定上限値を超えかつ前記気化器の温度が設定下限値未満のときに、前記液体燃料の供給量を減少させることを特徴とする請求項１記載の燃料改質器起動装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記燃焼触媒の温度が、設定下限値以上でかつ設定上限値以下の範囲にあるとともに、前記気化器の温度が、設定下限値未満のときに、前記空気の供給量と前記燃料の供給量の両方を減少させることを特徴とする請求項１記載の燃料改質器起動装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記燃焼触媒の温度が、設定下限値以上でかつ設定上限値以下の範囲にあるとともに、前記気化器の温度が、設定下限値以上のときに、前記空気の供給量と前記燃料の供給量の両方を増加させることを特徴とする請求項１記載の燃料改質器起動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料を改質して得た水素を燃料電池に供給する燃料改質器を備え、この燃料改質器を暖機するための熱量を供給する燃料改質器起動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池に使用する水素は、炭化水素を部分酸化反応や水蒸気改質反応を利用して生成した水素として利用することができる。炭化水素の種類としては、天然ガスやプロパンガスなどの気体炭化水素のほかに、メタノールやガソリンのような液体炭化水素も利用可能である。
【０００３】
炭化水素の改質は、一般に前述の部分酸化反応・水蒸気改質反応を行う改質反応器と、改質反応によって生成される一酸化炭素を選択酸化反応やシフト反応で処理する一酸化炭素処理装置を用いて行う。いずれの反応も触媒反応であるため、各反応器が所定の温度まで昇温しなければ、反応を進行させることができない。
【０００４】
例えば、特許文献１には、液体燃料を使用した場合に、燃焼触媒と蒸発器とを一体型にすることによって、燃焼熱を液体燃料の気化に有効に利用することを可能とする例が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２４７３０１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した燃焼触媒は、液体燃料および空気のそれぞれの供給量を適切に設定しなければ、高温になって劣化したり、あるいは液体燃料が燃焼触媒表面を被覆することになり、燃焼触媒としての機能が低下するという問題がある。
【０００７】
そこで、この発明は、燃焼触媒に対する液体燃料および空気のそれぞれの供給量を適切に設定し、燃焼触媒としての機能低下を防止することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、燃料を改質して得た水素を燃料電池に供給する燃料改質器を備え、この燃料改質器を暖機するための熱量を供給する燃料改質器起動装置において、燃焼触媒と、この燃焼触媒の上流側に燃焼触媒と一体化した気化器とをそれぞれ備えるとともに、前記燃焼触媒および気化器に、それぞれの温度を検出する温度検出手段を設け、この各温度検出手段の検出値に基づいて、前記気化器に供給する液体燃料および空気の量を制御する制御手段を設けた構成としてある。
【０００９】
【発明の効果】
この発明によれば、燃焼触媒および気化器それぞれに設けた温度検出手段の検出値に基づいて、気化器に供給する液体燃料および空気の量を制御するようにしたので、燃焼触媒を適正な温度で燃焼させることができ、燃焼触媒の機能低下を防止することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１１】
図１は、この発明の第１の実施形態を示す燃料改質器起動装置の全体構成図、図２は、図１の燃料改質器起動装置を備えた燃料電池システムの全体構成図である。
【００１２】
燃料改質器起動装置１は、燃料および空気の供給を受け、本燃料電池システムの起動時に、燃料改質器起動装置１で発生した燃量を燃料改質器３に供給し、燃料改質器３を暖機する。燃料改質器３は、燃料電池システムの定常運転時に、燃料，空気および水蒸気の供給を受け、部分酸化反応および水蒸気改質反応を行う。一酸化炭素処理装置５は、燃料改質器３で発生する改質ガス中の一酸化炭素を、選択酸化反応やシフト反応によって処理する。燃料電池７は、一酸化炭素処理装置５で一酸化炭素を除去して得た水素の供給を燃料極で受け、一方空気極では空気の供給を受けて、発電を行う。
【００１３】
ここで、上記した燃料は、メタノールやガソリンのような液体炭化水素である。
【００１４】
上記した燃料改質器起動装置１は、図１に示すように、上流側から順に混合器９，気化器１１および燃焼触媒１３をそれぞれ配置して、これらを一体化した構成としている。すなわち、この燃料改質器起動装置１は、燃焼触媒１３の上流側に一体化した気化器１１を備える。
【００１５】
混合器９には、液体燃料噴射弁１５，空気導入口１７および点火源１９をそれぞれ備える。空気導入口１７の上流側には、空気流量制御弁２１を設け、この空気流量制御弁２１および前記した液体燃料噴射弁１５を、制御手段としての制御回路装置２３が制御することで、混合器９に供給する液体燃料および空気の供給量を制御する。
【００１６】
また、気化器１１および燃焼触媒１３には、温度検出手段としての気化器温度センサ２５および触媒温度センサ２７をそれぞれ設置してある。これら各温度センサ２５，２７の検出値は、上記した制御回路装置２３が取り込み、制御回路装置２３は、これら取り込んだ各検出値に基づいて、燃料供給量と空気供給量を演算し、この演算結果から液体燃料噴射弁１５および空気流量制御弁２１の開度を調整する。
【００１７】
なお、燃焼触媒１３としては、白金やパラジウムの粒子をセラミック担体に分散させた構造である。この燃焼触媒１３には、反応が可能となる下限温度（ライトオフ点）がある。この下限温度未満では充分な燃焼を行うことができないため、温度を上昇させる必要がある。
【００１８】
よって、起動運転を開始する前の燃焼触媒１３の温度が、上記したライトオフ点に達していなければ、何らかの手段により燃焼触媒１３の温度を上昇させる必要がある。そこで、点火源１９によって、燃焼触媒１３の上流で燃焼させることで、燃焼触媒１３を所定温度まで昇温する。また、この昇温は、燃焼触媒１３に電極を取り付け通電加熱することにより行ってもよい。
【００１９】
次に、図３のフローチャートおよび図４のタイムチャートに基づき、この発明の第１の実施形態の動作を説明する。なお、ここでは、液体燃料としてガソリンを用いている。また、燃焼触媒１３のライトオフ点が２２０℃（燃焼触媒１３の下限温度は４００℃に設定）であり、燃焼触媒１３の上限温度（劣化の進行が遅延な上限温度）は９００℃、使用するガソリンは２００℃で９９％以上留出する性状のものである。また、気化器９の設定下限温度は２００℃、目標燃焼負荷は２００ＫＷとした。
【００２０】
制御回路装置２３が、運転操作開始の指令を受けたときに、燃料改質器起動操作を開始する。まず、空気と燃料（ガソリン）を混合器９へ供給し（ステップ１０１）、点火源１９により着火させて（ステップ１０３）混合器９内で燃焼させる（ステップ１０５）。そして、この混合器９内での燃焼を、燃焼触媒１３の温度が下限値である４００℃以上になるまで継続する（ステップ１０７）。
【００２１】
燃焼触媒１３の温度が４００℃以上になったら、空気と燃料の供給を一旦停止し（ステップ１０９）、混合器９内での燃焼を停止する（ステップ１１１）。その後、空気と燃料の供給を再開し（ステップ１１３）、燃焼触媒１３での燃焼を開始する。
【００２２】
次に、燃焼触媒１３の温度が、４００℃以上か否かを判断する（ステップ１１５）。ここで燃焼触媒１３の温度が、設定下限値である４００℃未満の場合は、空気流量制御弁１７の開度を小さくして空気の供給量を減少させる（ステップ１１７）。
【００２３】
空気流量を減少させて、空気／燃料比を小さくすることで、起動後希薄燃焼とした場合であっても、燃焼温度を上昇させることができ、燃焼触媒１３を活性化させることができる。
【００２４】
前記ステップ１１５で、燃焼触媒１３の温度が４００℃以上の場合は、燃焼触媒１３の温度が９００℃以下か否かを判断し（ステップ１１９）、９００℃を超える場合には、気化器１１の温度が２００℃以上か否かを判断する（ステップ１２１）。ここで、気化器１１の温度が２００℃以上の場合は、空気流量制御弁１７の開度を大きくして燃料の供給量を増加させる（ステップ１２３）。
【００２５】
燃焼触媒１３に使用する白金やパラジウムの粒子は、ある温度以上になると焼結反応を起こし、粒子が粗大化して異形状となった後、表面エネルギが小さい球状に変化する傾向がある。その結果、触媒機能をもつ白金やパラジウムの反応表面積が小さくなり、燃焼反応機能が低下してしまう。
【００２６】
よって、上記したように、燃焼触媒１３の温度が９００℃を超えるほど高いときには、その温度を下げる制御が必要となる。
【００２７】
一方、気化器１１の温度は設定下限値（２００℃）以上であれば、燃料は充分に気化できていることを示しており、したがってこのとき（ステップ１２１でＹＥＳ）、空気供給量を増加させて空気／燃料比を大きくする。これにより、燃焼触媒１３の温度を低下させて、触媒機能の低下を抑制することができる。
【００２８】
前記ステップ１２１で、気化器１１の温度が２００℃未満の場合には、燃料の気化が不充分であるとして、液体燃料制御弁１５の開度を小さくして燃料の供給量を減少させ（ステップ１２５）、空気／燃料比を大きくする。これにより、液体燃料の気化を促進させる。
【００２９】
前記ステップ１１９で、燃焼触媒１３の温度が９００℃以下の場合には、気化器１１の温度が２００℃以上か否かを判断し（ステップ１２７）、２００℃未満の場合には、液体燃料制御弁１５および空気流量制御弁１７の開度を共に小さくして燃料および空気の各供給量を共に減少させる（ステップ１２９）。
【００３０】
ここで、燃焼触媒１３の温度が適正な温度範囲（４００℃以上かつ９００℃以下）で、気化器１１の温度が設定下限値（２００℃）未満の状態は、空気／燃料比が適切であるものの、燃焼触媒１３から供給されるエネルギで気化できる燃料量よりも、供給する液体燃料の方が多いことを示している。
【００３１】
このような場合は、上記したように燃料供給量と空気供給量を共に減少させることで、燃焼温度を維持しつつ、供給燃料量を気化可能な燃料量へ適正化する。これにより、燃焼触媒１３へ液体燃料が付着することを防ぐことができ、燃焼触媒１３はその機能を所望に維持することができる。
【００３２】
前記ステップ１２７で、気化器１１の温度が２００℃以上の場合は、燃焼負荷が２０ＫＷ以上か否かを判断する（ステップ１３１）。ここで燃焼負荷が２０ＫＷ未満の場合は、液体燃料制御弁１５および空気流量制御弁１７の開度を共に大きくして燃料および空気の各供給量を共に増加させる（ステップ１３３）。これにより、空気／燃料比を保ったうえで、燃焼負荷を目標とする２０ＫＷまで増加させることができる。
【００３３】
なお、燃焼負荷の検出は、液体燃料の供給量によって判断する。
【００３４】
前記ステップ１３１で、燃焼負荷が２０ＫＷ以上の場合は、燃料と空気の各供給量をそのまま維持し、起動運転を継続するか否かの判断を、燃料改質器３が起動可能な温度に達したかどうかで判断する（ステップ１３５）。そして、燃料改質器３が起動可能な温度に達している場合には、燃料と空気の供給を停止し（ステップ１３７）、本燃料電池システムの定常運転に移行する（ステップ１３９）。逆に、燃料改質器３が起動可能な温度に達していない場合には、前記ステップ１１５に戻って以後の動作を繰り返す。
【００３５】
上記した第１の実施形態によれば、気化器１１および燃焼触媒１３に、温度センサ２５および２７をそれぞれ設置し、この各温度センサ２５および２７の検出値から燃料供給量および空気供給量を制御することによって、適正温度で触媒燃焼を行うことができ、燃焼触媒１３の劣化を抑制できるとともに、液体燃料が触媒表面を被覆することを防止でき、燃焼触媒１３の機能を所望に確保することができる。
【００３６】
また、燃焼触媒１３の温度が設定下限値（４００℃）未満の場合には、空気供給量を減らすことで、空気／燃料比を小さくして燃焼温度を上昇させ、燃焼触媒１３を活性化させることができる。
【００３７】
また、触媒燃焼１３の温度が設定上限値（９００℃）を超え、気化器１１の温度が設定下限値（２００℃）以上の場合に、空気供給量を増加させて、空気／燃料比を大きくすることで、燃焼触媒１３の温度を低下させてその劣化を抑制し、触媒反応機能の低下を抑制することができる。
【００３８】
また、燃焼触媒１３の燃焼温度が設定上限値（９００℃）を超え、気化器１１の温度が設定下限値（２００℃）未満であれば、燃料供給量を減少させて、空気／燃料比を大きくすることで、燃料の気化が不充分であっても、燃焼触媒１３へ液体燃料が付着することを防ぐことができ、触媒反応機能の低下を抑制することができる。
【００３９】
また、燃焼触媒１３の温度が適正な温度範囲（４００℃以上かつ９００℃以下）で、気化器１１の温度が設定下限値（２００℃）未満の場合に、空気供給量と燃料供給量の両方を減少させることによって、燃焼温度を維持しつつ、供給燃料量を気化可能な燃料量へ適正化して、燃焼触媒１３へ液体燃料が付着することを防ぐことができ、触媒反応機能の低下を抑制することができる。
【００４０】
また、燃焼触媒１３の温度が設定温度範囲（４００℃以上かつ９００℃以下）で、気化器１１の温度が設定下限値（２００℃）以上、燃焼負荷が目標設定値（２０ＫＷ）未満（液体燃料供給量が設定上限値未満）の場合に、空気供給量と燃料供給量の両方を増加させることによって、空気／燃料比を保ったうえで、燃焼負荷を目標値まで増加させることができる。
【００４１】
図５は、この発明の第２の実施形態を示す燃料改質器起動装置の全体構成図である。この実施形態は、液体燃料噴射弁１５の上流に燃料圧力制御器２９を設けるとともに、空気導入口１７の上流に空気送風機３１を設けた点が、第１の実施形態と異なっている。
【００４２】
燃料圧力制御器２９により、燃料圧力を制御して混合器９に供給する燃料供給量を制御するとともに、空気送風機３１の運転負荷を制御して混合器９に供給する空気供給量を制御する。
【００４３】
このような構成としても、第１の実施形態を同様な作用効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す燃料改質器起動装置の全体構成図である。
【図２】図１の燃料改質器起動装置を備えた燃料電池システムの全体構成図である。
【図３】図１の燃料改質器起動装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】図１の燃料改質器起動装置における触媒温度および気化器温度変化を示すタイムチャートである。
【図５】この発明の第２の実施形態を示す燃料改質器起動装置の全体構成図である。
【符号の説明】
１　燃料改質器起動装置
３　燃料改質器
７　燃料電池
１１　気化器
１３　燃焼触媒
２３　制御回路装置（制御手段）
２５　気化器温度センサ（温度検出手段）
２７　触媒温度センサ（温度検出手段）
【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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