(57)【要約】【課題】燃料改質装置において、暖機運転から改質運転への移行時における改質用触媒の著しい高温化を防止し、改質用触媒の損傷を防止すること。【解決手段】制御ユニット５０は、改質器１１の暖機運転が完了すると、燃料供給弁３０による改質器１１に対する改質用燃料の供給を停止する。制御ユニット５０は、改質時における空気供給流量である改質時供給空気流量を空気ポンプ２０によって改質器１１に対して供給する。制御ユニット５０は、所定時間が経過した後、改質運転に必要な改質時供給燃料流量を設定し、設定した燃料流量を燃料供給弁３０によって改質器１１に対して供給する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質用空気および改質用燃料を用いて水素リッチガスを生成するオートサーマル型の燃料改質装置であって、
改質用触媒を有する改質器と、
前記改質器を暖機させる暖機制御手段と、
前記水素リッチガスを生成させるために前記改質器を改質運転させる改質運転制御手段と、
前記改質器の暖機が完了したか否かを判定する暖機完了判定手段と、
前記改質器の暖機が完了したと判定された場合には、前記改質器に対する前記改質用空気の供給流量を変更すると共に、前記改質器に対する前記改質用燃料の供給を停止する移行時運転制御手段とを備える燃料改質装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料改質装置において、
前記改質運転制御手段による前記改質用空気の供給流量の変更は、前記改質器に対する前記改質用空気の供給流量を前記暖機時よりも少ない改質運転時空気流量へと変更することにより実行され、
前記改質運転制御手段はさらに、前記改質器に供給される空気流量が前記改質運転時空気流量まで低減されたと判定した場合には、改質用燃料の供給を開始する燃料改質装置。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料改質装置において、
前記改質運転制御手段は、前記改質器に供給される空気流量が前記改質運転時空気流量まで低減されるために要する時間を考慮して、前記改質用燃料の供給流量を決定し、前記改質用燃料の供給を開始する燃料改質装置。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料改質装置はさらに、
前記改質器を暖機するための燃焼ガスを生成する燃焼器を備え、
前記暖機制御手段による前記改質器の暖機は、前記燃焼器を用いて実行され、
前記改質運転制御手段による前記改質用空気の供給流量の変更は、前記改質器に対して前記改質用空気の供給を開始し、前記改質器に供給される空気流量を改質運転時空気流量まで増加させることにより実行され、
前記改質運転制御手段はさらに、前記改質器に供給される空気流量が前記改質運転時空気流量まで増加されたと判定した場合には、改質用燃料の供給を開始する燃料改質装置。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料改質装置において、
前記改質運転制御手段は、前記改質器に供給される空気流量が前記改質運転時空気流量まで増加されるために要する時間を考慮して、前記改質用燃料の供給流量を決定し、前記改質用燃料の供給を開始する燃料改質装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料改質装置において、
前記暖機運転制御手段による暖機運転は酸化反応を進行させるための運転であり、
前記改質運転制御手段による改質運転は水蒸気改質反応および部分酸化反応により前記水素リッチガスを生成するための運転である燃料改質装置。
【請求項７】
オートサーマル型の燃料改質装置であって、
改質用触媒を有する改質器と、
前記改質器に対して改質用空気を供給する空気供給器と、
前記改質器に対して改質用燃料を供給する燃料供給器と、
前記改質器に対して水蒸気を供給する水蒸気供給器と、
前記空気供給器および燃料供給器を制御して酸化反応により前記改質用触媒を暖機させる暖機運転制御手段と、
前記空気供給器、燃料供給器および水蒸気供給器を制御して暖機運転時よりも少ない改質運転時空気流量にて、前記改質器において水蒸気改質反応および部分酸化反応により前記水素リッチガスを生成させる改質運転制御手段と、
暖機運転から改質運転へ移行する際には、前記空気供給器による供給空気流量を前記改質運転時空気流量まで低減すると共に前記燃料供給器による改質用燃料の供給を所定時間停止させる移行時運転制御手段とを備える燃料改質装置。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料改質装置であって、
前記所定時間は、前記空気供給器による供給空気流量が前記改質運転時空気流量まで低減されるために要する時間である燃料改質装置。
【請求項９】
オートサーマル型の燃料改質装置であって、
改質用触媒を有する改質器と、
理論混合比よりも大きな暖機運転時混合比にて前記改質器を暖機運転させる暖機運転制御手段と、
理論混合比よりも小さな改質運転時混合比にて前記改質器を改質運転させる改質運転制御手段と、
暖機運転から改質運転へ移行する際に、混合比が理論混合比と一致しないように前記暖機運転時混合比から前記改質運転時混合比へと不連続に変更する移行時混合比変更手段とを備える燃料改質装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料改質装置において、
前記移行時混合比変更手段は、前記改質器に対する改質用燃料および改質用空気の少なくともいずれか一方の供給を停止することによって前記暖機運転時混合比から前記改質運転時混合比へと混合比を不連続に変更する燃料改質装置。
【請求項１１】
請求項９または請求項１０に記載の燃料改質装置において、
前記暖機運転時混合比は酸化反応を進行させるための混合比であり、
前記改質運転時混合比は水蒸気改質反応および部分酸化反応を進行させて水素リッチガスを生成するための混合比である燃料改質装置。
【請求項１２】
オートサーマル型の燃料改質装置の運転制御方法であって、
改質用触媒を有する改質器の温度が所定温度よりも低い場合には、改質器に対して改質用空気および改質用燃料を供給して改質器を暖機し、
改質器の暖機の完了に伴い、前記改質器に対する改質用空気の供給流量を低減すると共に前記改質器に対する改質用燃料の供給を停止し、
前記改質器に対する改質用空気の供給流量が所定の供給流量まで低減された後、前記改質器に対する改質用燃料の供給を開始して、水素リッチガスを生成する燃料改質装置の運転制御方法。
【請求項１３】
オートサーマル型の燃料改質装置の運転制御方法であって、
改質用触媒を有する改質器の温度が所定温度よりも低い場合には、理論混合比よりも大きな暖機運転時混合比にて前記改質器を暖機運転させ、
改質器の暖機運転が完了すると、混合比が理論混合比と一致しないよう前記暖機運転時混合比から理論混合比よりも小さな改質運転時混合比へと不連続に変更し、
前記改質運転時混合比にて前記改質器を改質運転させる燃料改質装置の運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オートサーマル型の燃料改質装置およびその運転制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、改質反応は４００℃以上の温度で進行するため、燃料改質装置を常温から起動する際には、改質器（改質触媒）の暖機が要求される。改質器の暖機方法としては、例えば、改質器に対して改質用燃料および改質用空気を供給して、酸化反応を進行させることにより改質器を暖機する方法が知られている。この暖機方法では、暖機運転が完了すると改質器に対して水蒸気が供給されると共に改質用空気の供給流量が低減されて、改質運転が開始される。また、燃焼器において生成された高温の燃焼ガスを改質器に供給することで改質器を暖機する方法（特許文献１参照）が知られている。この暖機方法では、改質器の暖機が完了すると、改質器に対する改質用燃料、改質用空気および水蒸気が供給されて、改質運転が開始される。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３２１９０１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、暖機運転から改質運転へと移行する際に、改質器温度が著しく上昇してしまい、改質触媒の機能喪失、改質触媒の損傷、改質触媒の溶損、改質触媒の寿命低下を引き起こすおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料改質装置において、暖機運転から改質運転への移行時における改質用触媒の著しい高温化を防止し、改質用触媒の損傷を防止することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、改質用空気および改質用燃料を用いて水素リッチガスを生成するオートサーマル型の燃料改質装置を提供する。本発明の第１の態様に係る燃料改質装置は、改質用触媒を有する改質器と、前記改質器を暖機させる暖機制御手段と、前記水素リッチガスを生成させるために前記改質器を改質運転させる改質運転制御手段と、前記改質器の暖機が完了したか否かを判定する暖機完了判定手段と、前記改質器の暖機が完了したと判定された場合には、前記改質器に対する前記改質用空気の供給流量を変更すると共に、前記改質器に対する前記改質用燃料の供給を停止する移行時運転制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の第１の態様に係る燃料改質装置によれば、改質器の暖機が完了したと判定された場合には、改質器に対する前記改質用空気の供給流量を変更すると共に、改質器に対する改質用燃料の供給を停止するので、暖機運転から改質運転への移行時における改質用触媒の著しい高温化を防止し、改質用触媒の損傷を防止することができる。
【０００８】
本発明の第１の態様に係る燃料改質装置において、前記改質運転制御手段による前記改質用空気の供給流量の変更は、前記改質器に対する前記改質用空気の供給流量を前記暖機時よりも少ない改質運転時空気流量へと変更することにより実行され、前記改質運転制御手段はさらに、前記改質器に供給される空気流量が前記改質運転時空気流量まで低減されたと判定した場合には、改質用燃料の供給を開始しても良い。かかる場合には、改質器に供給される空気流量が改質運転時空気流量まで低減されたと判定した場合に改質用燃料の供給を開始するので、改質運転時空気流量を前提として決定された改質用燃料流量を適切な値とすることが可能となり、改質用空気流量に対して適切な改質用燃料流量を供給することができる。
【０００９】
本発明の第１の態様に係る燃料改質装置において、前記改質運転制御手段は、前記改質器に供給される空気流量が前記改質運転時空気流量まで低減されるために要する時間を考慮して、前記改質用燃料の供給流量を決定し、前記改質用燃料の供給を開始しても良い。かかる場合には、空気流量の過渡的な低減変化流量に適合する流量の改質用燃料流量を供給することができるので、改質用空気流量に対する改質用燃料流量を適切な値とすることができる。
【００１０】
本発明の第１の態様に係る燃料改質装置はさらに、前記改質器を暖機するための燃焼ガスを生成する燃焼器を備え、前記暖機制御手段による前記改質器の暖機は、前記燃焼器を用いて実行され、前記改質運転制御手段による前記改質用空気の供給流量の変更は、前記改質器に対して前記改質用空気の供給を開始し、前記改質器に供給される空気流量を改質運転時空気流量まで増加させることにより実行され、前記改質運転制御手段はさらに、前記改質器に供給される空気流量が前記改質運転時空気流量まで増加されたと判定した場合には、改質用燃料の供給を開始しても良い。かかる場合には、改質器に供給される空気流量が改質運転時空気流量まで増加されたと判定した場合に改質用燃料の供給を開始するので、改質運転時空気流量を前提として決定された改質用燃料流量を適切な値とすることが可能となり、改質用空気流量に対して適切な改質用燃料流量を供給することができる。
【００１１】
本発明の第１の態様に係る燃料改質装置において、前記改質運転制御手段は、前記改質器に供給される空気流量が前記改質運転時空気流量まで増加されるために要する時間を考慮して、前記改質用燃料の供給流量を決定し、前記改質用燃料の供給を開始しても良い。かかる場合には、空気流量の過渡的な増加変化流量に適合する流量の改質用燃料流量を供給することができるので、改質用空気流量に対する改質用燃料流量を適切な値とすることができる。
【００１２】
本発明の第１の態様に係る燃料改質装置において、前記暖機運転制御手段による暖機運転は酸化反応を進行させるための運転であり、前記改質運転制御手段による改質運転は水蒸気改質反応および部分酸化反応により前記水素リッチガスを生成するための運転であっても良い。かかる場合には酸化反応により効率よく暖機運転を実行することができると共に、水蒸気改質反応および部分酸化反応によって改質運転を実行することができる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、オートサーマル型の燃料改質装置を提供する。本発明の第２の態様に係る燃料改質装置は、改質用触媒を有する改質器と、前記改質器に対して改質用空気を供給する空気供給器と、前記改質器に対して改質用燃料を供給する燃料供給器と、前記改質器に対して水蒸気を供給する水蒸気供給器と、前記空気供給器および燃料供給器を制御して酸化反応により前記改質用触媒を暖機させる暖機運転制御手段と、前記空気供給器、燃料供給器および水蒸気供給器を制御して暖機運転時よりも少ない改質運転時空気流量にて、前記改質器において水蒸気改質反応および部分酸化反応により前記水素リッチガスを生成させる改質運転制御手段と、暖機運転から改質運転へ移行する際には、前記空気供給器による供給空気流量を前記改質運転時空気流量まで低減すると共に前記燃料供給器による改質用燃料の供給を所定時間停止させる移行時運転制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第２の態様に係る燃料改質装置によれば、暖機運転から改質運転へ移行する際には、空気供給器による供給空気流量を改質運転時空気流量まで低減すると共に燃料供給器による改質用燃料の供給を所定時間停止させるので、暖機運転から改質運転への移行時における改質用触媒の著しい高温化を防止し、改質用触媒の損傷を防止することができる。
【００１５】
本発明の第２の態様に係るオートサーマル燃料改質装置において、前記所定時間は、前記空気供給器による供給空気流量が前記改質運転時空気流量まで低減されるために要する時間であっても良い。かかる場合には、改質運転時空気流量を前提として決定された改質用燃料流量を適切な値とすることが可能となり、改質用空気流量に対して適切な改質用燃料流量を供給することができる。
【００１６】
本発明の第３の態様は、オートサーマル型の燃料改質装置を提供する。本発明の第３の態様に係る燃料改質装置は、改質用触媒を有する改質器と、理論混合比よりも大きな暖機運転時混合比にて前記改質器を暖機運転させる暖機運転制御手段と、理論混合比よりも小さな改質運転時混合比にて前記改質器を改質運転させる改質運転制御手段と、暖機運転から改質運転へ移行する際に、混合比が理論混合比と一致しないように前記暖機運転時混合比から前記改質運転時混合比へと不連続に変更する移行時混合比変更手段とを備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第３の態様に係る燃料改質装置によれば、暖機運転から改質運転へ移行する際に、混合比が理論混合比と一致しないように暖機運転時混合比から改質運転時混合比へと不連続に変更する。したがって、理論混合比の場合に問題となる改質用触媒の著しい温度上昇を避けることが可能となり、暖機運転から改質運転への移行時における改質用触媒の著しい高温化を防止し、改質用触媒の損傷を防止することができる。
【００１８】
本発明の第３の態様に係る燃料改質装置において、前記移行時混合比変更手段は、前記改質器に対する改質用燃料および改質用空気の少なくともいずれか一方の供給を停止することによって前記暖機運転時混合比から前記改質運転時混合比へと混合比を不連続に変更しても良い。かかる場合には、理論混合比を回避しつつ改質器における混合比を適切な値とすることができる。したがって、理論混合比の際に問題となる著しい温度上昇を回避することができる。
【００１９】
本発明の第３の態様に係る燃料改質装置において、前記暖機運転時混合比は酸化反応を進行させるための混合比であり、前記改質運転時混合比は水蒸気改質反応および部分酸化反応を進行させて水素リッチガスを生成するための混合比であっても良い。かかる場合には理論混合比を回避しつつ、酸化反応による暖機運転および水蒸気改質反応および部分酸化反応による改質運転を実行することができる。
【００２０】
本発明の第４の態様は、オートサーマル型の燃料改質装置の運転制御方法を提供する。本発明の第４の態様に係る燃料改質装置の運転制御方法は、改質用触媒を有する改質器の温度が所定温度よりも低い場合には、改質器に対して改質用空気および改質用燃料を供給して改質器を暖機し、改質器の暖機の完了に伴い、前記改質器に対する改質用空気の供給流量を低減すると共に前記改質器に対する改質用燃料の供給を停止し、前記改質器に対する改質用空気の供給流量が所定の供給流量まで低減された後、前記改質器に対する改質用燃料の供給を開始して、水素リッチガスを生成することを特徴とする。
【００２１】
本発明の第４の態様に係る燃料改質装置の運転制御方法によれば、本発明の第２の態様に係る燃料改質装置と同様の作用効果を得ることができる。また、本発明の第４の態様に係る燃料改質装置の運転制御方法は、本発明の第２の態様に係る燃料改質装置と同様にして種々の態様によって実現され得る。
【００２２】
本発明の第５の態様は、オートサーマル型の燃料改質装置の運転制御方法を提供する。本発明の第５の態様に係る燃料改質装置の運転制御方法は、改質用触媒を有する改質器の温度が所定温度よりも低い場合には、理論混合比よりも大きな暖機運転時混合比にて前記改質器を暖機運転させ、改質器の暖機運転が完了すると、混合比が理論混合比と一致しないよう前記暖機運転時混合比から理論混合比よりも小さな改質運転時混合比へと不連続に変更し、前記改質運転時混合比にて前記改質器を改質運転させることを特徴とする。
【００２３】
本発明の第５の態様に係る燃料改質装置の運転制御方法によれば、本発明の第３の態様に係る燃料改質装置と同様の作用効果を得ることができる。また、本発明の第５の態様に係る燃料改質装置の運転制御方法は、本発明の第３の態様に係る燃料改質装置と同様にして種々の態様によって実現され得る。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつついくつかの実施例に基づいて、本発明に係る燃料改質装置およびその運転制御方法について説明する。
【００２５】
第１の実施例：
図１〜図４を参照して第１の実施例に係る燃料改質装置について説明する。図１は第１の実施例に係る燃料改質装置の概略構成を模式的に示す説明図である。図２は第１の実施例に係る燃料改質装置において実行される暖機運転から改質運転への移行処理に際して実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図３は改質器内における混合比と反応ガス温度との関係を示す説明図である。図４は流量指令信号に対する空気流量変化の応答遅れを例示する説明図である。
【００２６】
第１の実施例に係る燃料改質装置１０は、水蒸気改質反応および部分酸化改質反応により水素リッチガスを生成するオートサーマル型の燃料改質装置である。燃料改質装置１０は、改質器１１と、改質器１１に対して改質用空気を供給する空気ポンプ２０、改質器１１に対して改質用燃料（炭化水素系燃料）を供給する燃料供給弁３０、および改質器１１に対して水蒸気（スチーム）を供給する水蒸気供給弁４０を備えている。燃料改質装置１０はまた、空気ポンプ２０、燃料供給弁３０および水蒸気供給弁４０を駆動制御する制御ユニット５０を備えている。
【００２７】
第１の実施例に係る燃料改質装置１０の改質器１１は、内部に改質用触媒１１０を備え、暖機運転時には改質用空気と改質用燃料とによって酸化反応（燃焼反応）を進行させて主に改質用触媒１１０の暖機を行い、改質運転時には、改質用空気、改質用燃料および水蒸気とによって水素リッチガスを生成する改質反応を進行させる。生成された水素リッチガスは水素リッチガス排出管１１１を介して燃料電池等の水素消費装置に対して供給される。
【００２８】
改質反応は、一般的に４００℃以上の温度で進行し、以下の式（１）〜（４）で示される各反応が改質用触媒１１０上で錯綜して進行する。
水蒸気改質反応：Ｃ８Ｈ１８＋８Ｈ２Ｏ→１７Ｈ２＋８ＣＯ−Ｑ１  式（１）
部分酸化改質反応：Ｃ８Ｈ１８＋４Ｏ２→９Ｈ２＋８ＣＯ＋Ｑ２    式（２）
シフト反応：ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２＋Ｑ３                式（３）
メタン化反応：３Ｈ２＋ＣＯ→ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＋Ｑ４            式（４）
ここで、例えば、Ｑ１＝１２７４．２４ｋＪ／ｍｏｌ、Ｑ２＝６６０．２３ｋＪ／ｍｏｌ、Ｑ３＝４１．２ｋＪ／ｍｏｌ、Ｑ４＝２０５．８ｋＪ／ｍｏｌであり、常温から燃料改質装置１０を起動時させる際には改質用触媒１１０（改質器１１）の暖機（暖機運転）が必要となる。
【００２９】
改質運転において重要なことは、燃料電池等の水素消費装置に対して供給すべき水素の生成量が最大になるよう上記各反応を制御することである。具体的には、式（１）を制御するためのパラメータであるスチーム・カーボン比（Ｓ／Ｃ）、式（２）を制御するためのパラメータである酸素・カーボン比（Ｏ／Ｃ）が制御される。
【００３０】
式（２）で示す反応は、反応速度が速く、Ｏ／Ｃを大きくすると水素の収率は低下し、改質用触媒１１０の熱暴走を招くおそれがある。一方、Ｏ／Ｃを過度に抑制すると式（１）の吸熱反応が優位になり改質用触媒１１０の温度は失活温度に向かってしまう。以上の点を鑑み、Ｏ／Ｃは０．５〜１．０の範囲で制御されることが好ましい。一方、Ｓ／Ｃは約２の制御値が一般的に用いられる。
【００３１】
本実施例における改質器１０の暖機運転は、次式（５）で示される酸化反応を用いた燃料暖機によって実行される。
酸化反応：Ｃ８Ｈ１８＋１２．５Ｏ２→９Ｈ２Ｏ＋８ＣＯ２＋Ｑ５    式（５）
ここで、例えば、Ｑ５＝５０６５．３ｋＪ／ｍｏｌである。
【００３２】
式（５）から理解されるように、改質用燃料に対して当量の酸素を供給すると（理論混合比：λ＝１）、反応熱（約２５００℃）によって改質用触媒１１０は溶損してしまうおそれがある。そこで、通常は供給酸素量の理論値に対して過剰な空気を供給することによって混合比λを４〜５程度に制御し、発熱量を抑制しつつ改質用触媒１１０の温度を所定温度まで上昇させる。
【００３３】
空気ポンプ２０は、空気供給管２１を介して改質器１１内に改質用空気を供給する。空気ポンプ２０には制御ユニット５０からの制御信号線が接続されており、空気ポンプ２０は制御ユニット５０からの制御信号にしたがって改質器１１に対する改質用空気の供給を開始、停止し、あるいは改質用空気の供給流量を変更する。
【００３４】
燃料供給弁３０は、噴射孔を有する先端が改質器１１内部に露出するように改質器１１に備えられており、また、燃料管３１を介して燃料タンク３２と接続されている。燃料供給弁３０には制御ユニット５０からの制御信号線が接続されており、燃料供給弁３０は制御ユニット５０からの制御信号にしたがって改質器１１に対する改質用燃料の供給を開始、停止、あるいは改質用燃料の供給流量を変更する。燃料供給弁３０は、例えば、電磁式のアクチュエータが作動することによって開弁する電磁弁であり、燃料管３１の途中に備えられた昇圧ポンプによって所定の燃料圧力まで昇圧された改質燃料が開弁動作と共に改質器１１内に供給される。
【００３５】
水蒸気供給弁４０は、供給口を有する先端が改質器１１内部に露出するように改質器１１に備えられており、また、水蒸気供給管４１を介して水蒸気発生器４２と接続されている。水蒸気供給弁４０には制御ユニット５０からの制御信号線が接続されており、水蒸気供給弁４０は制御ユニット５０からの制御信号にしたがって改質器１１に対する水蒸気の供給を開始、停止、あるいは水蒸気の供給流量を変更する。
【００３６】
制御ユニット５０は、図示しない中央処理装置（ＣＰＵ）、記憶装置（ＲＡＭ、ＲＯＭ）等を備え、燃料改質装置１０の運転状態、外部から入力される要求出力に応じて燃料改質装置１０の動作を制御する。制御ユニット５０には、改質器１１（改質用触媒１１０）の温度を検出するために改質器１１に備えられた温度センサ５１が接続されており、検出された温度値が入力される。制御ユニット５０は、既述の通り制御信号線を介して空気ポンプ２０、燃料供給弁３０、および水蒸気供給弁４０と接続されており、これら各機器に対して制御信号を出力して、燃料改質装置１０の運転状態を制御する。
【００３７】
図２を参照して第１の実施例に係る燃料改質装置１０における暖機運転から改質運転への移行処理について説明する。なお、図２に示す処理ルーチンは、例えば、５０ｍｓ毎に繰り返し実行される。
【００３８】
本処理ルーチンを開始すると、制御ユニット５０は、改質器１１（改質用触媒１１０）の暖機（暖機運転）が完了したか否かを判定する（ステップＳ１００）。改質器１１の暖機運転は既述の通り実行される。改質器１１の暖機運転が完了したか否かは、例えば、温度センサ５１によって検出された改質器１１の温度を用いて判定され、検出された温度が所定値以上、例えば、４００℃以上である場合には改質器１１の暖機運転が完了したと判定される。制御ユニット５０は、改質器１１の暖機運転が完了していないと判定した場合には（ステップＳ１００：Ｎｏ）、改質運転へ移行することができないので本処理ルーチンを終了し、暖機運転を継続する。
【００３９】
制御ユニット５０は、改質器１１の暖機運転が完了していると判定した場合には（ステップＳ１００：Ｙｅｓ）、移行完了フラグがオンされているか否かを判定する（ステップＳ１１０）。移行完了フラグは、既に暖機運転から改質運転への移行処理が実行されたことを示すフラグである。制御ユニット５０は、移行完了フラグがオンされていると判定した場合には（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）、移行処理を重ねて実行する必要はないので本処理ルーチンを終了する。
【００４０】
制御ユニット５０は、移行完了フラグがオンされていないと判定した場合には（ステップＳ１１０：Ｎｏ）、燃料供給弁３０に対して閉弁信号を送信して改質器１１に対する改質用燃料の供給を停止させる（ステップＳ１２０）。制御ユニット５０は、改質時における空気供給流量である改質時供給空気流量を設定し、設定した空気流量を実現するための制御信号を空気ポンプ２０に対して送信する（ステップＳ１３０）。
【００４１】
ここで、改質器１１の暖機運転時における混合比と改質運転時における混合比について図３を参照して説明する。図３において縦軸は改質器１１内における反応ガス温度（℃）を示し、横軸は改質器１１における改質用燃料流量に対する改質用空気流量の混合比（空気過剰率：λ）を示す。既述の通り、改質器１１（改質用触媒１１０）を暖機する暖機運転時には、酸化反応を進行させるためにλ＞１とされる必要があり、また、酸化反応に伴う発熱量を抑制するためにλ＝４〜５程度とされる。一方、改質運転時には、部分酸化反応を進行させるためにλ＜１とされる必要があり、また部分酸化反応に伴う発熱量を抑制するためにλ＜０．５程度とされる。図３から明らかなように、いずれの運転時にも設定された混合比を維持する限り、改質器１１の温度が触媒性能を劣化または触媒機能を喪失させる温度領域に到達することはない。
【００４２】
以上のように、暖機運転時には理論混合比に対して過剰な空気が供給されているので、ここで制御ユニット５０により設定される改質時供給空気流量は、一般的に暖機時供給空気流量よりも少ない。したがって、制御ユニット５０は、空気ポンプ２０に対して空気供給流量を低減させるための制御信号を送信する。
【００４３】
制御ユニット５０は、所定時間経過するまで待機し（ステップＳ１４０：Ｎｏ）、所定時間が経過したと判定すると（ステップ１４０：Ｙｅｓ）、改質運転に必要な改質時供給燃料流量を設定し、設定した燃料流量を実行するための開弁信号を燃料供給弁３０に対して送信する（ステップＳ１５０）。
【００４４】
ここで、所定時間経過するまで改質用燃料の供給を遅らせる（待機させる）のは、図４に見られる、空気流量の変動の応答遅れの影響を回避するためである。図４に示されるように、改質用空気は、制御流量が多いため、流量を０とする流量指令信号Ｓ１が出力されても空気流量Ｆ１が概ね所望流量となるまでに２秒程度の遅れが存在し、瞬時に流量を所望の流量に切り換えることは困難である。また、改質用空気の供給流量は、一般的に、本実施例においても用いられているように空気ポンプによって制御されるため、空気ポンプの惰性回転によるテーリングのために空気流量Ｆ１はなかなか所望流量まで低減されない。
【００４５】
以上の説明から理解されるように、空気ポンプ２０に対する供給流量の低減指令と同時に燃料供給弁３０による改質用燃料の供給を再開してしまうと、改質運転時における適切な混合比を実現することができず、場合によっては混合比が理論混合比と一致してしまうおそれがある。そこで、本実施例では、空気流量が所望の流量に低減されるまで待機した後に、改質用燃料の供給を再開する。したがって、所定時間とは、空気ポンプ２０に対して流量指令信号Ｓ１が送信されてから実際の空気流量が所望の空気流量まで低減されるまでに要する時間であるということができる。この所定時間は、例えば、予め流量指令信号と空気流量変化とを対応付けておくことにより決定される。
【００４６】
最後に、制御ユニット５０は、暖機運転から改質運転への移行処理が完了されたことを示すために移行完了フラグをオンして本処理ルーチンを終了する。以降は、別の処理ルーチンによって、要求出力に応じた燃料改質装置１０の運転制御が実行される。
【００４７】
以上説明したように、第１の実施例に係る燃料改質装置１０によれば、改質器１１の暖機運転から水素リッチガスを生成する改質運転へ移行する際には、改質器１１に対する改質用燃料の供給を所定時間停止するので、改質器１１における混合比λを、λ＜１およびλ＞１、好ましくは、λ＜０．４およびλ＞４とすることができる。すなわち、空気流量変動の応答遅れを考慮し、改質用空気の供給流量が改質運転時供給空気流量にまで低減された後に改質用燃料の供給を再開するので、改質器１１における混合比を確実に所望の値に制御することができる。したがって、暖機運転から改質運転へと移行する際に、改質器１１における混合比λを、理論混合比（λ＝１）と一致（経由）させることなく、λ＞１からλ＜１へと不連続に切り換えることができる。
【００４８】
したがって、図３に示すように、改質器１１の温度を改質用触媒１１０の溶損温度未満、あるいは、触媒性能劣化温度未満、触媒機能喪失温度未満に抑制することができる。この結果、暖機運転から改質運転への移行が繰り返し実行されても、改質用触媒１１０における損傷を防止することが可能となり、改質用触媒１１０の性能を長期にわたって維持することができる。
【００４９】
第２の実施例：
図５を参照して第２の実施例に係る燃料改質装置１２について説明する。図５は第２の実施例に係る燃料改質装置１２の概略構成を模式的に示す説明図である。なお、第２の実施例に係る燃料改質装置１２の構成要素のうち第１の実施例に係る燃料改質装置１０における構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５０】
第２の実施例に係る燃料改質装置１２は、改質器１１とは別に暖機運転用の燃焼器１３を備えている。燃焼器１３は内部に酸化反応により高温ガスを生成するための燃焼触媒（図示せず）が備えられている。燃焼器１３には、改質用燃料（高温燃焼ガス生成用燃料）を供給する燃焼器用燃料供給弁３３が備えられている。燃焼器用燃料供給弁３３には、燃料供給管３１から分岐した燃料供給分岐管３１１を介して所定の燃料圧力を有する改質用燃料が供給される。
【００５１】
第２の実施例に係る燃料改質装置１２においては、空気ポンプは燃焼器用空気ポンプ２２そして、改質器１１ではなく燃焼器１３に対して改質用空気を供給する構成とされており、改質器１１に対しては燃焼器１３を介して改質用空気が供給される。
【００５２】
第２の実施例に係る燃料改質装置１２では、改質器１１（改質用触媒１１０）の暖機運転時には、燃焼器１３に対して改質用空気および改質用燃料が供給され、燃焼器１３において改質器１１（改質用触媒１１０）を暖機する高温ガスが生成される。一方、改質運転時には、燃焼器１３に対する燃焼器用燃料供給弁３３からの改質用燃料の供給は停止され、代わって改質器１１に対して燃料供給弁３０から改質用燃料が供給される。改質用空気は依然として燃焼器１３を介して改質器１１に対して供給され、水蒸気は水蒸気供給弁４０を介して改質器１１に対して供給される。
【００５３】
暖機運転から改質運転への移行時処理は、図２を参照して第１の実施例において説明したとおりであるが、図２中のステップＳ１２０における改質用燃料の供給停止は、燃焼器１３に対する燃焼器用燃料供給弁３３からの燃料供給の停止となり、同ステップＳ１５０における改質時供給燃料流量の設定、供給開始は、改質器１１に対する燃料供給弁３０からの燃料供給の開始となる。
【００５４】
第２の実施例に係る燃料改質装置１２においても第１の実施例に係る燃料改質装置１０と同様の作用効果を得ることができる。
【００５５】
第３の実施例：
図６〜図８を参照して第３の実施例に係る燃料改質装置１４について説明する。図６は第３の実施例に係る燃料改質装置１４の概略構成を模式的に示す説明図である。図７は第３の実施例に係る燃料改質装置において実行される暖機運転から改質運転への移行処理に際して実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図８は流量指令信号に対する空気流量変化の応答遅れを例示する説明図である。なお、第３の実施例に係る燃料改質装置１４の構成要素のうち第１の実施例に係る燃料改質装置１０および第２の実施例に係る燃料改質装置１２における構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５６】
第３の実施例に係る燃料改質装置１４は、第２の実施例に係る燃料改質装置１２と同様にして改質器１１とは別に暖機運転用の燃焼器１３を備えている。第３の実施例に係る燃料改質装置１４は、改質器１１および燃料器１３に対してそれぞれ改質用燃料および改質用空気が直接供給される構成を備えている。すなわち、改質器１１に対しては、燃料供給弁３０を介して改質用燃料が、空気ポンプ２０を介して改質用空気がそれぞれ供給される。また、燃焼器１３に対しては、燃焼器用燃料供給弁３３を介して改質用燃料が、燃焼器用空気ポンプ２２を介して改質用空気がそれぞれ供給される。
【００５７】
第３の実施例に係る燃料改質装置１４では、改質器１１（改質用触媒１１０）の暖機運転時には、燃焼器１３に対して、燃焼器用空気ポンプ２２および燃焼器用燃料供給弁３３を介して改質用空気および改質用燃料がそれぞれ供給され、燃焼器１３において改質器１１（改質用触媒１１０）を暖機する高温ガスが生成される。一方、改質運転時には、燃焼器１３に対する燃焼器用空気ポンプ２２および燃焼器用燃料供給弁３３を介した改質用空気および改質用燃料の供給がそれぞれ停止され、代わって改質器１１に対して空気ポンプ２０および燃料供給弁３０を介して改質用空気および改質用燃料がそれぞれ供給される。水蒸気は水蒸気供給弁４０を介して改質器１１に対して供給される。
【００５８】
暖機運転から改質運転への移行時処理について図７を参照して説明する。なお、図７に示す各ステップのうち第１の実施例における移行時処理におけるステップと同一または実質的に同一なステップについては同一のステップ番号を付して詳細な説明を省略する。また、図７に示す処理ルーチンは、例えば、５０ｍｓ毎に繰り返し実行される。
【００５９】
本処理ルーチンを開始すると、制御ユニット５０は、改質器１１（改質用触媒１１０）の暖機（暖機運転）が完了したか否かを判定し（ステップＳ１００）、改質器１１の暖機運転が完了していないと判定した場合には（ステップＳ１００：Ｎｏ）、改質運転へ移行することができないので本処理ルーチンを終了し、暖機運転を継続する。
【００６０】
制御ユニット５０は、改質器１１の暖機運転が完了していると判定した場合には（ステップＳ１００：Ｙｅｓ）、移行完了フラグがオンされているか否かを判定し（ステップＳ１１０、移行完了フラグがオンされていると判定した場合には（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）、移行処理を重ねて実行する必要はないので本処理ルーチンを終了する。
【００６１】
制御ユニット５０は、移行完了フラグがオンされていないと判定した場合には（ステップＳ１１０：Ｎｏ）、燃焼器用空気ポンプ２２に対して停止信号を、燃焼器用燃料供給弁３３に対して閉弁信号をそれぞれ送信して燃焼器１３に対する改質用空気および改質用燃料の供給を停止させる（ステップＳ１２２）。
【００６２】
制御ユニット５０は、改質時における空気供給流量である改質時供給空気流量を設定し、設定した空気流量を実現するための制御信号を空気ポンプ２０に対して送信する（ステップＳ１３２）。本実施例では、改質器１１の暖機運転が完了すると、燃焼器用空気ポンプ２２の運転が停止されるので、改質器１１に対する空気供給流量は一時的に０となる。したがって、空気ポンプ２０に対する制御信号は、空気供給流量を設定された流量まで増量させるための制御信号となる。
【００６３】
制御ユニット５０は、所定時間経過するまで待機し（ステップＳ１４２：Ｎｏ）、所定時間が経過したと判定すると（ステップ１４２：Ｙｅｓ）、改質運転に必要な改質時供給燃料流量を設定し、設定した燃料流量を実行するための開弁信号を燃料供給弁３０に対して送信する（ステップＳ１５０）。
【００６４】
ここで、所定時間経過するまで改質用燃料の供給を遅らせる（待機させる）のは、図８に見られる、空気流量の変動の応答遅れの影響を回避するためである。図８に示されるように、改質用空気は、制御流量が多いため、流量を設定された流量とする流量指令信号Ｓ２が出力されても空気流量Ｆ２が概ね所望流量となるまでに２秒程度の遅れが存在し、瞬時に流量を所望の流量に切り換えることは困難である。また、改質用空気の供給流量を増量（増加）させる場合には、他の制御対象も動作しているため背圧が変動し、流量指令信号Ｓ２に対する実際の空気流量Ｆ２は変動しながら増加する。
【００６５】
以上の説明から理解されるように、空気ポンプ２０に対する設定流量の供給開始指令と同時に燃料供給弁３０による改質用燃料の供給を再開してしまうと、応答性の良い改質用燃料が先に改質器１１内に供給されるので、改質用触媒１１０上に改質用燃料が付着してしまうことがある。かかる場合には、改質用空気が設定流量まで増量される過程において、改質用触媒１１０上の混合比が局所的に理論混合比（λ＝１）となる場合がある。そこで、本実施例では、空気流量が設定流量に増大されるまで待機した後に、燃料供給弁３０による改質器１１への改質用燃料の供給を開始する。したがって、所定時間とは、空気ポンプ２０に対して流量指令信号Ｓ２が送信されてから実際の空気流量Ｆ２が所望の空気流量まで増大されるまでに要する時間であるということができる。この所定時間は、例えば、予め流量指令信号と空気流量変化とを対応付けておくことにより決定される。
【００６６】
最後に、制御ユニット５０は、暖機運転から改質運転への移行処理が完了されたことを示すために移行完了フラグをオンして本処理ルーチンを終了する。以降は、別の処理ルーチンによって、要求出力に応じた燃料改質装置１０の運転制御が実行される。
【００６７】
以上説明したように、第３の実施例に係る燃料改質装置１０によれば、改質器１１の暖機運転から水素リッチガスを生成する改質運転へ移行する際には、燃焼器１３に対する改質用空気および改質用燃料の供給を停止し、改質器１１に対する改質用燃料の供給を、改質用空気の供給開始時期に対して所定時間遅延させるので、改質器１１における混合比λを、λ＜１およびλ＞１、好ましくは、λ＜０．４およびλ＞４とすることができる。すなわち、空気流量変動の応答遅れを考慮し、改質用空気の供給流量が改質運転時供給空気流量にまで増量された後に改質用燃料の供給を開始するので、改質器１１における混合比を確実に所望の値に制御することができる。したがって、暖機運転から改質運転へと移行する際に、改質器１１における混合比λを、理論混合比（λ＝１）と一致（経由）させることなく、λ＞１からλ＜１へと不連続に切り換えることができる。
【００６８】
したがって、暖機運転から改質運転への移行が繰り返し実行されても、改質用触媒１１０における損傷を防止することが可能となり、改質用触媒１１０の性能を長期にわたって維持することができる。
【００６９】
・その他の実施例：
（１）上記第１および第２の実施例では、暖機運転から改質運転への移行時には、燃料供給弁３０からの改質用燃料の供給を停止することで、混合比λを不連続に変更しているが、改質用燃料の供給と共に改質用空気の供給を停止しても良い。かかる場合には、第３の実施例において説明したように、空気流量が設定された改質運転時供給空気流量に到達するまでに要する時間、改質用燃料の供給再開が遅延される。
【００７０】
（２）上記各実施例においては、空気流量変動の応答遅れに対して、燃料供給弁３０からの改質用燃料の供給再開または開始時期を遅延させることで対応しているが、燃料供給弁３０からの改質用燃料の供給流量を変動させることによって対応しても良い。かかる場合には、改質器１１における混合比λが１とならないように、あるいは所望の値となるように、空気流量変動時における過渡的な空気流量と燃料供給流量とを予め対応付けておき、燃料供給弁３０からの燃料供給流量を正確に制御する。燃料供給弁３０による燃料供給流量制御は、空気流量制御と比較して応答遅れを生じることなく瞬時に制御することができるので、現実の供給空気流量を正確に見積もることで、改質器１１における混合比λを所望の値とすることができる。改質器１１における混合比λを所望の値に制御することができれば、改質器１１の温度を改質用触媒１１０の溶損温度以下とすることが可能となり、改質用触媒１１０の寿命を長期化することができる。
【００７１】
（３）上記各実施例では、改質器１１の温度によって暖機運転の完了を判定しているが、改質用触媒１１０の温度、改質器１１に水素分離膜が備えられている場合には水素分離膜の温度を用いて暖機運転の完了を判定しても良い。
【００７２】
（４）上記各実施例では、暖機運転から改質運転への移行時に改質用空気流量が所定流量に至ったとする判断は、予め流量変化と対応付けられた時間をパラメータとして行われているが、空気流量計を備え、実測値に基づいて判断しても良い。かかる場合には、空気流量判断をより適切に行うことができると共に、条件変化を考慮したマージンを採る必要が無くなるので、暖機運転から改質運転への移行時間を短縮することができる。
【００７３】
（５）上記実施例に係る装置、方法は、コンピュータプログラムまたはコンピュータプログラムを記録した記録媒体（電気的、磁気的、光学的記録媒体）としても実現され得る。
【００７４】
以上、いくつかの実施例に基づき本発明に係る燃料改質装置およびその運転制御方法について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例に係る燃料改質装置の概略構成を模式的に示す説明図である。
【図２】第１の実施例に係る燃料改質装置において実行される暖機運転から改質運転への移行処理に際して実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】改質器内における混合比と反応ガス温度との関係を示す説明図である。
【図４】流量指令信号に対する空気流量変化の応答遅れを例示する説明図である。
【図５】第２の実施例に係る燃料改質装置の概略構成を模式的に示す説明図である。
【図６】第３の実施例に係る燃料改質装置の概略構成を模式的に示す説明図である。
【図７】第３の実施例に係る燃料改質装置において実行される暖機運転から改質運転への移行処理に際して実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】流量指令信号に対する空気流量変化の応答遅れを例示する説明図である。
【符号の説明】
１０、１２、１４…燃料改質装置
１１…改質器
１１０…改質用触媒
１１１…水素リッチガス排出管
１２…燃焼器
２０…空気ポンプ
２１…空気供給管
２２…燃焼器用空気ポンプ
３０…燃料供給弁
３１…燃料管
３２…燃料タンク
３３…燃焼器用燃料供給弁
４０…水蒸気供給弁
４１…水蒸気供給管
４２…水蒸気発生器
５０…制御ユニット
５１…温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004339033.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004339033.tif 000007
【図６】
2004339033.tif 000008
【図７】
2004339033.tif 000009
【図８】
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