(57)【要約】【課題】改質反応の生じる部分の温度勾配を抑制し、効率のよい改質器を提供する。【解決手段】燃料ガスの改質を行う改質器３において、改質触媒が塗付され、燃料ガスが流通することにより改質反応を生じる改質部３ａと、改質部３ａに熱を供給する加熱ガス流路１８とを備える。さらに、加熱ガス流路１８から改質部３ａに供給する熱量と、改質部３ａの加熱ガス流路１８により加熱される範囲と、を運転条件に応じて制御する。ここでは、加熱ガス流路１８の流路断面を制御弁１３、１４や燃料噴射弁２４、２５により変更することで加熱される改質部３ａの範囲を変更する。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスの改質を行う改質反応器において、
改質触媒が塗付され、燃料ガスが流通することにより改質反応を生じる燃料ガス流路と、
前記燃料ガス流路に熱を供給する加熱部と、
前記加熱部から前記燃料ガス流路に供給する熱量と、前記燃料ガス流路の前記加熱部により加熱される範囲と、を運転条件に応じて制御する加熱状態制御手段と、を備えたことを特徴とする改質反応器。
【請求項２】
前記加熱部を燃焼触媒を塗付した加熱ガス流路とし、
前記加熱状態制御手段は、運転条件に応じて、前記加熱ガス流路に供給する燃料と空気よりなる混合ガスの流量と、前記混合ガスの供給範囲とを制御する請求項１に記載の改質反応器。
【請求項３】
前記加熱ガス流路の前記混合ガスを供給する範囲を増大したときに、前記混合ガス流量を増大する請求項２に記載の改質反応器。
【請求項４】
前記燃料ガス流路に供給する燃料ガス流量を増大したときに、前記加熱ガス流路の前記混合ガスを供給する範囲を増大する請求項３に記載の改質反応器。
【請求項５】
前記燃料ガス流路または前記加熱部の少なくとも一部の温度を検出または推測する温度検知手段を備え、
冷間また起動時には、前記燃料ガス流路の前記加熱部により加熱される範囲を最小とし、前記温度検知手段により検出または推定した温度が上昇するにしたがって、前記加熱される範囲を増大する請求項１に記載の改質反応器。
【請求項６】
前記燃焼触媒の温度を検出または推測する触媒温度検知手段を備え、
前記加熱部を燃焼触媒を塗付した加熱ガス流路とし、
冷間または起動時に、前記燃焼触媒が活性温度より低い場合には高温ガスを前記加熱ガス流路に供給し、前記加熱ガス流路のうち活性温度に達した部分から、燃料と空気とからなる混合ガスを供給する請求項１に記載の改質反応器。
【請求項７】
冷間または起動時に前記加熱ガス流路に供給する混合ガスの燃料と空気の混合比をリッチとし、暖機完了後にはリーンとする請求項６に記載の改質反応器。
【請求項８】
前記燃料ガス流路または前記加熱部の少なくとも一部の温度を検出または推測する温度検知手段を備え、
前記温度検知手段により検出または推測した温度が、所定の温度より高い場合には前記加熱部により前記燃料ガス流路に供給する熱量を低減し、または、前記燃料ガス流路に供給する燃料ガスの温度を低下させ、所定の温度より低い場合には前記加熱部により前記燃料ガス流路に供給する熱量を増加し、または、前記燃料ガス流路に供給する燃料ガスの温度を上昇させる請求項１に記載の改質反応器。
【請求項９】
改質する燃料ガスを、前記燃料ガス流路に均一に流入させる請求項１から８のいずれか一つに記載の改質反応器。
【請求項１０】
燃料ガスから改質ガスを生成する改質反応器において、
前記燃料ガスを改質する改質触媒を担持する燃料ガス流路と、
前記燃料ガス流路に熱を供給するための加熱ガスを流通する加熱ガス流路と、
加熱ガスの前記加熱ガス流路を流れる範囲を変更する流路面積変更手段と、
運転条件に応じて前記流路面積変更手段を制御する流路面積制御手段と、を備えたことを特徴とする改質反応器。
【請求項１１】
前記加熱ガス流路内を、加熱ガスが一通方向に流れるように構成し、
前記流路面積変更手段を、前記加熱ガス流路に供給される際の加熱ガスの流路断面を制限する制御弁により構成する請求項１０に記載の改質反応器。
【請求項１２】
前記加熱ガス流路内を、加熱ガスが一通方向に流れるように構成し、
前記流路面積変更手段を、前記加熱ガス流路に供給される際に加熱ガス流路断面の一部に燃料を噴射する燃料噴射弁を複数備えることにより構成し、
前記燃料噴射弁によって、または、前記燃料噴射弁の組み合わせによって前記加熱ガス流路に燃料が供給される範囲を調整する請求項１０に記載の改質反応器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、改質反応器に関する、特に、改質反応器の温度を適切に制御することができ、これによりシステム効率を向上することができる構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の改質反応器としては、特開平９−３０６５３３号公報のようなものが知られている。これは、外筒部材を内筒部材が貫通するように配置し、外筒部材に燃焼ガスを供給して通過させ、内筒部材内部には熱量を供給可能な熱交換型の改質反応器を組み込んでいる。外筒部材の内部に配置した内筒部材の壁材を中空に形成し、この中空部分にメタノール改質の場合には、２００〜３００℃の反応温度帯に融点を持つＬｉＮＯ３などの蓄熱材を収容する。この蓄熱材には、予め十分な熱量を供給して溶解させ、液相としておく。
【０００３】
これにより、急激に改質燃料ガスを増加させる必要が生じたときに外筒部材から供給する燃焼ガスによる熱量供給が遅れても、蓄熱材が固相に相転移する際に潜熱を発散するため、改質に必要な熱量を十分に賄うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、特開平９−３０６５３３号公報のような改質反応器においては、燃料ガスと加熱ガスとの熱交換により燃料ガスを改質ガスに変換する改質反応部に対して、加熱ガスが適切に供給されないことがある。例えば、燃料ガス量の増減に伴って加熱ガス流量が増減するが、供給される改質反応器の容積には変化がないために加熱ガスにより供給される熱に不均一さが生じる。これにより、改質反応部に温度勾配が生じ、局所的に低温や高温となる領域が生じてしまう。
【０００５】
原燃料としてメタノールを用いて水蒸気改質を行うような場合には、低温となる領域で改質効率の低下により転化率が悪化する恐れがある。また、改質反応により生成されたＨ２、ＣＯ、ＣＯ２を含む改質ガスが局所的に高温となる領域に晒されることにより、Ｈ２とＣＯ２とからＣＯが生成される逆シフト反応が促進され、改質ガス中のＣＯが増加して燃料電池の許容範囲を超えてしまう可能性がある。また、過剰な加熱により熱損失が増加し、システム効率が悪化するという問題も発生する。
【０００６】
そこで本発明は、改質反応を生じる部分の温度を均一化して効率のよい反応を生じることのできる改質反応器を供給することを目的としている。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、燃料ガスの改質を行う改質反応器において、改質触媒が塗付され、燃料ガスが流通することにより改質反応を生じる燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路に選択的に熱を供給する加熱部とを備える。さらに、前記加熱部から前記燃料ガス流路に供給する熱量と、前記燃料ガス流路の前記加熱部により加熱される範囲と、を運転条件に応じて制御する加熱状態制御手段を備える。
【０００８】
または、前記燃料ガスを改質する改質触媒を担持する燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路に熱を供給するための加熱ガスを流通する加熱ガス流路と、を備える。さらに、加熱ガスの前記加熱ガス流路を流れる範囲を変更する流路面積変更手段と、運転条件に応じて前記流路面積変更手段を制御する流路面積制御手段と、を備える。
【０００９】
【作用及び効果】
加熱部から燃料ガス流路に供給する熱量と、燃料ガス流路の加熱部により加熱される範囲と、を運転条件に応じて制御する。これにより、改質反応を生じる範囲およびそこに供給する熱量を運転条件に応じて調整することができ、改質反応を生じる部分の温度勾配を低減することができるので、効率のよい反応を生じることができる。
【００１０】
また、燃料ガス流路の加熱源となる加熱ガスの流れる範囲を制御することで、加熱ガスから熱が供給される範囲を制御でき、改質反応を生じる範囲を制御できるとともに、その範囲に供給する熱量を調整することができる。これにより、改質反応を生じる範囲の温度を制御できるので、効率のよい反応を生じることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図１に示す。
【００１２】
本実施形態は燃料改質型の燃料電池システムとする。燃料ガスとしては、炭化水素系燃料であるメタノール、ガソリン、天然ガス等を用いることができるが、ここではメタノールを用いる水蒸気改質反応により改質ガスを生成する。
【００１３】
改質器３は燃料ガスと空気より水素リッチな改質ガスを生成する改質触媒を担持した改質部３ａを有した反応器である。ここで生じる反応を以下の式に示す。
【００１４】
【化式１】
ＣＨ３ＯＨ　→　ＣＯ＋２Ｈ２−９０．０（ｋｊ／ｍｏｌ）　・・・　（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ　→　ＣＯ２＋Ｈ２＋４０．５（ｋｊ／ｍｏｌ）　・・・　（２）
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ　→　ＣＯ２＋３Ｈ２―４９．５（ｋｊ／ｍｏｌ）　・・・（３）
メタノールを水蒸気改質する際には、式（１）のメタノール分解反応と、式（２）のシフト反応が同時に進行し、全体としては式（３）のような吸熱反応が進行する。このように、改質反応全体としては吸熱反応であるから、外部から反応に必要な熱を供給する必要がある。
【００１５】
そこで、改質器３に加熱ガス流路１８を備えた燃焼部２を構成し、この加熱ガス流路１８に燃焼触媒を担持させる。また燃焼部２に供給する混合ガス中の空気の流量を調整する燃焼用空気弁３０、不足する燃料を補う燃料噴射弁２ａを備える。加熱ガス流路１８に後述するスタック５からの排出ガスや、燃焼用空気弁３０により流量を調整した空気、燃料噴射弁２から噴出される燃料よりなる混合ガスを供給する。これにより加熱ガス流路１８で燃焼反応を生じ、これに伴う熱を改質触媒に供給することにより改質反応を生じる。
【００１６】
また、燃料電池システムには蒸発器１を備え、燃焼部２から排出された燃焼ガスを用いて、改質反応に用いる燃料ガスの原料であるメタノールと水を蒸発して燃料ガスを生成する。この燃料ガスを改質部３ａに供給して、燃焼部２から供給された熱を用いて改質反応を生じる。
【００１７】
このように生成された改質ガス中には、後述するスタック５の劣化原因となるＣＯが含まれている。そこで、ＣＯを低減するためのＣＯ除去器４を備え、改質ガス中のＣＯを数十ｐｐｍ程度まで低減してからスタック５に供給する。
【００１８】
スタック５は、燃料の化学エネルギを機械エネルギや熱エネルギを経ることなく直接電気エネルギに変換する装置である。ここではスタック５を、電解質膜を燃料極と空気極により狭持した固体高分子型燃料電池とし、燃料極には改質器３において生成した改質ガスを、空気極には酸化剤としての外気を供給して以下のような電気化学反応を生じる。
【００１９】
【化式２】
燃料極：Ｈ２　→　２Ｈ＋＋２ｅ−　・・・　（４）
空気極：（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−　→　Ｈ２Ｏ　・・・　（５）
電池全体：Ｈ２＋（１／２）Ｏ２　→　Ｈ２Ｏ　・・・　（６）
このような反応を促進させるために、スタック５の電極には白金触媒が担持されている。ここで、燃料極に供給される改質ガス中にＣＯが含まれていると、この白金触媒にＣＯが吸着し、触媒機能を低下させてしまう。そこで前述したようにＣＯ除去器４を備え、改質ガス中のＣＯ濃度をスタック５の被毒を回避できる数十ｐｐｍ程度まで低減させてからスタック５に供給する。
【００２０】
また、燃料電池システムには、起動時の暖機を行うための高温ガスを生成する起動用燃焼器７を備える。起動時には起動燃焼器７で生成した高温ガスを燃焼部２に供給して、燃焼反応を生じることができる温度にまで燃焼触媒を暖機する。
【００２１】
さらに、燃料電池システムを構成する各要素を制御するためにコントロールユニット６を備える。改質器３には内部温度を測定する温度センサ２６、２７を備え、その出力をコントローラ６に供給する。ここで、起動燃焼器７、蒸発器１、改質器３には、必要に応じてコントローラ６から出力される指令に基づいて燃料を噴射する燃料噴射弁を設ける。
【００２２】
このような燃料電池システムにおいて、燃焼部２から改質部３ａに供給される熱量が過剰であったり、改質部３ａが局所的に高温になったりすると、式（３）で生成した改質ガスがその高温雰囲気に晒される。この結果、式（２）の逆反応である逆シフト反応が生じてＣＯが生成され、スタック５が劣化する可能性がある。また、過剰な加熱により熱損失が増大し、システム効率が悪化する可能性も生じる。逆に改質部３ａに局所的に低温の領域があると式（３）の反応が進行しないため、メタノールの改質効率が低下してしまう。
【００２３】
そこで本実施形態では改質器３を図２に示すように構成する。
【００２４】
改質部３ａを、第一改質触媒１５、第二改質触媒１６、第３改質触媒１７（以下、改質触媒１５〜１７）から構成し、これらの触媒を第一ダクト部１９、第二ダクト部２０（以下、ダクト部、１９、２０）により直列に連結させる。改質触媒１５、１６、１７は壁を隔てて一列に並ぶように配置し、ダクト部１９、２０により燃料ガスの流れが反転するように構成する。
【００２５】
ここでは、図２のような断面において、第三改質触媒１７の断面を第一、第二改質触媒１５、１６の断面の半分とする。改質触媒１５〜１７を壁を介して一列に並べる際に、一端部、ここでは下方側を揃えて配置するので、図２に示すように、第一、第二改質触媒１５、１６に対して第三改質触媒１７の断面は上方側半分が欠けた形状となる。
【００２６】
また、燃料ガスの供給口である燃料ガス入口部８と、燃料ガス入口部８で取り入れた燃料ガスを第一改質触媒１５に導入する燃料ガス導入通路９を備える。燃料ガス入口部８は、燃料ガス導入通路９の端部に配置し、燃料ガス導入通路９内に旋回流を生成するように構成する。これにより、第一改質触媒１５に燃料ガスを導入する際に燃料ガスを均一化することができる。さらに、第三改質触媒１７から改質ガスを回収する改質ガス出口通路２１と、改質ガス出口通路２１の改質ガスを改質器３の外部に排出する改質ガス出口部２２を備える。
【００２７】
このように構成することで、燃料ガスは、燃料ガス入口部８から供給され、燃料ガス導入通路９を介して第一改質触媒１５に供給される。その後、後述する燃焼部２との間で熱交換を行いながら改質反応を生じ、第一改質触媒１５、第一ダクト部１９、第二改質触媒１６、第二ダクト部２０、第三改質触媒１７という順番で改質器３内を蛇行して流れる。改質反応により生成された改質ガスは、第三改質触媒１７から改質ガス出口通路２１を通って改質ガス出口部２２から排出される。
【００２８】
さらに改質器３には、改質器３を改質触媒１５〜１７が並ぶ方向に貫通する断面が円形状の燃焼部２を備える。燃焼部２には改質触媒を加熱する加熱ガスとして高温ガスまたは混合ガスを流通するが、ここでは混合ガスを流通させる場合について説明する。
【００２９】
燃焼部２を軸方向に沿って加熱ガス入口部１０、加熱ガス流路１８、加熱ガス出口部２３により構成し、加熱ガス流路１８には燃焼触媒を担持する。加熱ガス流路１８は改質触媒１５〜１７に隣接する領域であり、加熱ガス入口部１０から取り込まれた混合ガスは、加熱ガス流路１８内を第一改質触媒１５から第三改質触媒１７に向かって一方向に流れ、加熱ガス出口部２３から排出される。このとき、加熱ガス流路１８では発熱反応である燃焼反応を進行し、隣接する改質触媒１５〜１７における改質反応に必要な熱を供給する。
【００３０】
また、加熱ガス入口部１０には、混合ガスの取り入れ口となっている加熱ガス入口端部１１の断面を既定の割合で分割する加熱ガス仕切り板１２を配置する。ここで図２に示すように、改質触媒１５〜１７の加熱ガスの流れ方向に沿った体積を上方側と下方側で２：３となるように構成したので、同様に加熱ガス入口端部１１の断面を加熱ガス仕切り板１２により上方側と下方側で２：３に分割するように構成する。また、加熱ガス仕切り板１２は、第一改質触媒１５に重なる部分で、燃焼部２の断面を上下方向に１：１に分割するように形成する。これにより形成した上方側の通路を上方加熱ガス流路１８ａ、下方側の通路を下方加熱通路１８ｂとすると、加熱ガス入り口端部１１が開口している際には、加熱ガスの２／５が上方加熱ガス流路１８ａに供給されて、隣接する改質触媒（全改質触媒の２／５）に熱を供給する。一方加熱ガスの３／５が下方加熱ガス流路１８ｂに供給されて、隣接する改質触媒（全改質触媒の３／４）に熱を供給する。
【００３１】
さらに、加熱ガス入口端部１１には、加熱ガス仕切り板１２により仕切られている上方加熱ガス流路１８ａを開閉可能とする第一開閉弁１３と、下方加熱ガス流路１８ｂを開閉可能とする第二開閉弁１４を設ける。ここでは第一開閉弁１３と第二開閉弁１４の断面積の比は２：３となる。第一開閉弁１３が開いている場合には、上方加熱ガス流路１８ｂで燃焼反応が生じて全体の２／５の体積の改質触媒が加熱される。これに対して第二開閉弁１４が開いている場合には、下方加熱ガス流路１８ｂで燃焼反応が生じて、全体の３／５の体積の改質触媒が加熱される。
【００３２】
また、改質器３の内部温度を測定する温度センサとして、上方加熱ガス流路１８ａに隣接する改質部３ａに上方温度センサ２６を、下方加熱ガス流路１８ｂに隣接する改質部３ａに下方温度センサ２７を配置する。
【００３３】
このような改質器３を有する燃料電池システムにおいて、システムの運転条件に応じて燃焼部２の燃焼領域を変更する。ここでは、燃焼領域の変更を第一開閉弁１３と第二開閉弁１４の開閉を制御して、図３に示すように改質する燃料ガス量に応じた三パターンの燃焼領域に変更する。改質触媒１５〜１７全体を用いて改質を行う場合に供給される燃料ガス量を１とすると、燃料ガス量に応じて以下のように燃焼領域を設定することができる。
【００３４】
まず、改質する燃料ガス量が「小」である場合、ここでは燃料ガス量が０より大きく２／５以下の場合には、図３（ａ）に示すように第一開閉弁１３を開き、第二開閉弁１４を閉じる。これにより、スタック５からの排出ガス、空気、燃料からなる混合ガスは上方加熱ガス流路１８ａのみに供給され、改質触媒全体の２／５の領域で改質反応が生じる。
【００３５】
また、このときスタック５からの排出ガスに燃焼用空気弁３０を介して空気を、燃料噴射弁２ａから燃料を混合してリーン混合ガスを生成するが、このときのスタック５からの排出ガスは少ないので、燃焼部２に供給されるリーン混合ガスの流量も抑制することができる。よって、熱を供給する範囲が小さいときには、熱を生じるための混合ガスの流量を小さくすることで、無駄な加熱を抑制することができる。
【００３６】
次に、改質する燃料ガス量が「中」の場合、ここでは燃料ガス量が２／５により大きく３／５以下の場合には、図３（ｂ）に示すように第二開閉弁１４を開き、第一開閉弁１３を閉じる。これにより、混合ガスは下方加熱流路１８ｂのみに供給され、改質触媒全体の３／５の領域で改質反応が生じる。
【００３７】
このとき燃料ガスが「小」である場合よりも、スタック５から排出される排出ガスの流量は多くなるので、生成されるリーン混合ガス流量も多くなる。これにより、リーン混合ガスの供給範囲が広くなるに応じて、供給するリーン混合ガスの流量も多くすることができる。
【００３８】
最後に、改質する燃料ガスの量が「大」である場合、ここでは燃料ガス量が３／５より大きい場合には、図３（ｃ）に示すように第一開閉弁１３、第二開閉弁１４を開く。これにより、混合ガスは加熱ガス流路１８全体に供給されるので、改質触媒全体で改質反応が生じる。
【００３９】
このときスタック５からの排出ガスはさらに多くなるので、生成されるリーン混合ガス流量はさらに多くなり、リーン混合ガスの供給範囲に応じてその流量を増加することができ、加熱不足を避けることができる。
【００４０】
このように制御する際に、各燃料ガス流量に応じて改質触媒で要求される熱量は決まるので、それに応じて燃料用空気弁３０により調整される混合ガスの空気量と、燃焼噴射弁２ａにより混入される燃料量を調整し、混合ガス流量を調整する。混合ガスを、制御される燃焼領域に応じた流量に調整することにより、過剰に加熱したり、熱が不足するのを防ぐことができる。
【００４１】
次に、このような燃料電池システムにおける起動時または冷間時の加熱ガス流路１８の使用領域の制御について図５を用いて説明する。ここでは、使用領域の制御に合わせて、加熱ガス流路１８に供給する混合ガスの燃料と空気の混合比も制御する。これらの制御はコントロールユニット６により行う。
【００４２】
起動時には、空気及び燃料を起動燃焼器７に供給し、燃焼ガスを生成する。生成した高温の燃焼ガスを改質器３の燃焼部２に供給し、加熱ガス流路１８を加熱することにより燃焼触媒を活性温度にまで上昇させる。このとき、第二開閉弁１４を閉塞し、第一開閉弁１３のみを開放して図３（ａ）の状態に設定する。燃焼ガスは上方加熱ガス流路１８ａのみに供給され、暖機される燃焼触媒ひいては改質触媒が最小、ここでは全体の２／５の体積となる。このように、加熱の対象となる領域の熱容量を小さくすることができるので、短時間で昇温することができる。
【００４３】
その後、加熱ガス流路１８の温度、ここでは上方温度センサ２６の検出値が所定値Ｔ１になるまで上記の状態を継続し、所定値Ｔ１に達したら、燃料および空気の混合ガスを加熱ガス流路１８に供給する。ここで、例えば所定値Ｔ１を燃焼触媒の活性温度の下限値とする。つまり、上方加熱ガス流路１８ａの燃焼触媒が活性温度に達したら混合ガスを供給するので、速やかに着火することができ、加熱を円滑に行うことができる。このとき、下方加熱ガス流路１８ｂに担持した燃焼触媒は活性温度に達していない可能性があるので、第二開閉弁１４は閉塞し、第１開閉弁１３のみを開放して、上方加熱ガス流路１８ａのみに混合ガスを供給する。ここでは、Ｔ１を燃焼触媒の活性温度の下限値としたが、燃焼触媒が活性温度に達した際の改質触媒の温度を予め実験等で測定し、その温度を所定値Ｔ１としてもよい。
【００４４】
このように上方加熱ガス流路１８ａにおける燃焼反応による改質部３ａの暖機を継続し、上方温度センサ２６の検出値が所定値Ｔ２に達したら、第一開閉弁１３、第二開閉弁１４を開放する。ここで、所定値Ｔ２は加熱ガス流路１８に担持した燃焼触媒全体が活性温度に達する際に上方温度センサ２６により検出される温度であり、予め実験等で求めておく。ここでは上方温度センサ２６の出力により判断したが、下方温度センサ２７の出力が燃焼触媒の活性温度に達したかどうかで判断することもできる。
【００４５】
このように混合ガスを加熱流路１８全体に流通させ、活性状態にまで昇温された燃焼触媒において燃焼反応を生じることにより、改質触媒の暖機を速やかに行う。改質部３ａに設置した温度センサ、ここで上方温度センサ２６の出力が所定値Ｔ３、ここでは改質触媒の活性温度に達したら暖機運転を終了する。その後、改質反応を開始するとともに、改質する燃料ガス量に応じて燃焼反応を生じる領域を制御する。
【００４６】
ここで、起動または冷間時には、供給する混合ガスを燃料リッチにすることで、加熱ガス流路１８で燃焼温度を上昇し、昇温をより速やかに行う。反対に、暖機終了後には、混合ガスを燃料リーンにすることで、燃料の消費量を抑制する。しかしながら、改質が要求される燃料ガス量が最大であるような状態が続くなど、改質触媒の加熱が不足するような場合にはその限りではない。
【００４７】
次に、コントロールユニット６による改質領域の制御方法を、図６に示すフローチャートを用いて説明する。
【００４８】
以下、ステップＳ６０１〜６０８においては起動または冷間時の暖機運転の制御方法を説明する。
【００４９】
ステップＳ６０１において、燃料電池システムの運転条件を入力する。次にステップＳ６０２に進み、上方温度センサ２６により検出した改質触媒の温度が所定値Ｔ１より小さいかどうかを判断する。Ｔ１より小さければ、起動初期または冷間時であると判断してステップＳ６０３に進み、起動燃焼器７へ燃料および空気を供給する。ステップＳ６０４において、起動燃焼器７で生成した燃焼ガスを燃焼部２の加熱ガス流路１８に供給し、燃焼触媒および改質触媒の暖機を開始する。このときは図３（ａ）に示すように、第一開閉弁１３は開き、第二開閉弁１４は閉じておく。
【００５０】
ステップＳ６０２に戻り、再び上方温度センサ２６の出力と所定値Ｔ１とを比較する。燃焼ガスを用いた暖機により、ステップＳ６０２において、上方温度センサ２６の出力がＴ１に達したと判断されたら、ステップ６０５に進む。
【００５１】
ステップＳ６０５において、上方温度センサ２６の出力が、所定温度Ｔ２より小さいかどうかを判断する。改質器３の温度がＴ２に達していなければ、ステップＳ６０６に進み、図３（ａ）のように第一開閉弁１３のみを開いて、上方加熱ガス流路１８ａに燃料と空気のリッチ混合ガスを供給する。これにより、燃焼反応に伴う熱を用いて燃焼触媒、ひいては改質触媒の暖機を行う。
【００５２】
ステップＳ６０５に戻り、上方温度センサ２６の出力がＴ２以上であると判断されたらステップＳ６０７に進む。ステップＳ６０７においては、上方温度センサ２６の出力が所定温度Ｔ３より小さいかどうかを判断する。上方温度センサ２６による出力がＴ３より小さければ、全体の暖機が不足しているということなので、ステップＳ６０８に進む。ステップＳ６０８において、第二開閉弁１４を開いて加熱ガス流路１８全体へリッチ混合ガスを供給し、燃焼触媒全体で燃焼反応を生じて、改質器３全体の昇温を行う。
【００５３】
ステップＳ６０７において、改質器３の温度がＴ３に達したと判断されたら暖機を終了する。
【００５４】
次に、ステップＳ６０９〜６１３にかけては、燃焼部２の燃焼反応を生じる領域を燃料ガス量に応じて設定する。
【００５５】
ステップＳ６０９において、燃料ガス量が「小」であるかどうかを判断する。燃料ガス量が「小」であると判断されたらステップＳ６１０に進み、第一開閉弁１３を開き、第二開閉弁１４を閉じる。これにより、図３（ａ）に示すように上方加熱ガス流路１８ａのみにリーン混合ガスを供給して改質触媒全体の２／５の領域に熱を供給し、その領域で改質反応を生じる。
【００５６】
一方、ステップＳ６０９において、燃料ガス量が「小」であると判断されなかったら、ステップＳ６１１に進み、燃料ガス量が「中」であるかどうかを判断する。燃料ガス量が「中」であると判断した場合には、第一開閉弁１３を閉じ、第二開閉弁１４を開く。これにより、図３（ｂ）に示すように下方燃料ガス流路１８ｂにリーン混合ガスを供給して改質触媒全体の３／５の領域に熱を供給し、その領域で改質反応を生じる。
【００５７】
一方、ステップＳ６１１において燃料ガス量が「中」であると判断されなかったら、燃料ガス量が「大」であると判断してステップＳ６１３に進む。ステップＳ６１３では、第一開閉弁１３、第二開閉弁１４を開き、加熱ガス流路１８全体にリーン混合ガスを供給し、改質触媒全体に熱を供給して改質反応を生じる。
【００５８】
このように、ステップＳ６０９〜Ｓ６１３にかけては、燃料ガス量に応じて加熱ガス流路１８内の燃焼領域を設定し、加熱する改質触媒の範囲を制御する。
【００５９】
次にステップＳ６１４において、改質器３内の温度、ここでは上方温度センサ２６または下方温度センサ２７のうち改質反応を生じている改質触媒に設置した方の温度センサにより改質触媒の温度を検出する。ステップＳ６１５において、検出した改質器３の温度が、運転条件に見合った温度であるかどうかを判断する。ここで、この判断は、予め実験等で運転条件に応じた改質器３の温度を求めておき、検出した温度が許容範囲内であるかどうかにより行う。
【００６０】
改質器３の温度が運転条件に見合っていなければ、ステップＳ６１６に進み、その温度差を、改質用燃料ガスの温度、加熱ガス流路１８へ供給する混合ガスの温度、混合比を変更することにより是正する。その後、再びステップＳ６１４に戻り、改質器３の温度が運転条件に見合っていると判断されたら、本制御を終了する。
【００６１】
燃料電池システムにおいて要求される改質ガスの流量が、変化するような場合には、上述したような制御を定期的に繰り返すことにより、改質器３で要求される熱量に応じて燃焼部２で燃焼反応を生じることができる。または、運転条件が変化する毎に上記制御を行ってもよい。
【００６２】
次に本実施形態の効果を説明する。
【００６３】
本実施形態の効果の一例を図４に示す。従来は、改質反応部で温度勾配が生じ、燃料ガス流量が小さい時には逆シフト反応によるＣＯの増加、燃料ガス流量が増大した場合には未反応燃料の増加、即ち改質効率の悪化が見られる。これに対して本実施形態は、燃料ガス流量にかかわらず、改質反応を生じる部分の単位体積当たりに供給される熱量と、単位体積当たりに生じる反応率を平均化することができるので、ＣＯの増加や改質効率の悪化を抑制することができる。
【００６４】
改質触媒を塗付し、燃料ガスを用いて改質反応を生じる改質部３ａと、改質部３ａに選択的に熱を供給する加熱ガス流路１８と、加熱ガス流路１８から改質部３ａに供給する熱量と、改質部３ａの加熱ガス流路１８により加熱される範囲と、を運転条件に応じて制御する。これにより、改質部３ａを改質反応に必要な容量分だけ、必要な熱量で加熱することができるので、改質部３ａが過剰に加熱されたり、熱が不足するのを防ぐことができる。
【００６５】
また、加熱ガス流路１８に燃焼触媒を塗付し、運転条件に応じて、加熱ガス流路１８に供給する燃料と空気よりなる混合ガスの流量と、供給範囲とを制御する。混合ガスの流量を制御することで、燃焼反応を制御することができ、ひいてはそれに伴って発生する熱量を制御することができる。これにより改質部３ａに供給する熱量を簡単に制御することができる。
【００６６】
加熱ガス流路１８の混合ガスが供給される範囲が増大したときに、混合ガス流量を増大する。これにより、燃焼触媒の単位体積当たりに生じる熱量を平均化することができ、ひいては、改質反応を生じる範囲の単位体積当たりに供給される熱量を運転条件にかかわらず一定化することができる。これにより改質反応が生じる際の条件を一定化することができる。これにより、改質触媒の過剰な加熱や、加熱不足を避けることができ、効率のよい改質反応を生じることができる。
【００６７】
改質部３ａに供給される燃料ガス流量が増大したときに、加熱ガス流路１８の混合ガスが供給される範囲を増大する。これにより、供給される燃料ガスに応じて改質反応を生じる範囲を変更することができるので、改質触媒の単位体積当たりに生じる改質反応を、供給される燃料ガス量に関係なく一定化することができる。これにより、改質触媒の過剰な加熱や、加熱不足を避けることができ、効率のよい改質反応を生じることができる。
【００６８】
特に、供給される燃料ガス量に応じて、混合ガスの供給範囲を設定し、さらに混合ガス流量を設定することで、単位体積当たりの改質触媒に供給される熱量および改質触媒で生じる改質反応を、運転条件、ここでは運転負荷にかかわらず一定化することができる。これにより、単位体積当たりに供給される熱量と消費する熱量を均一化することができるので、局所的な温度勾配を抑制することができる。これにより、燃料ガスの加熱不足による改質効果の悪化や、過剰な加熱による改質ガスの逆シフト反応に起因するＣＯ増加を回避し、同時に熱損失の増加を抑制してシステム効率の低下を避けることが可能となる。
【００６９】
改質部３ａまたは加熱ガス流路１８の少なくとも一部の温度を検出または推測する温度検知手段、ここでは上方温度センサ２６を備え、冷間また起動時には、改質部３ａの加熱ガス流路１８により加熱される範囲を最小とする。これにより、効率のよい暖機を行い、暖機時間を短縮することができるので、例えば起動性を向上することができる。また、改質器３の温度が上昇するに伴って加熱される範囲を増大して、改質部３ａ全体の暖機を効率良く行うことができる。
【００７０】
燃焼触媒の温度を検出または推測する触媒温度検知手段、ここでは上方温度センサ２６を備え、冷間または起動時に、燃焼触媒が活性温度より低い場合には高温ガス、ここでは起動燃焼器７により生成した高温ガスを加熱ガス流路１８に供給する。その後、加熱ガス流路のうち活性温度に達した部分から混合ガスを供給することで、燃焼触媒の着火性を向上することができ、円滑な昇温により起動性をより確実に向上させることができる。
【００７１】
また、冷間または起動時に加熱ガス流路１８に供給する混合ガスの燃料と空気の混合比をリッチとすることで、燃焼触媒における燃焼温度を高めて昇温を速やかに行うことができる。また、暖機完了後にはリーンにすることで消費燃料を抑制することができ、起動性およびシステム効率を向上することができる。
【００７２】
改質部３ａまたは加熱ガス流路１８の少なくとも一部の温度を検出または推測する温度検知手段、ここでは温度センサ２６および２７を備え、温度センサ２６または２７により検知した温度が、所定の温度より高い場合には改質部３ａに供給する熱量を低減し、または、燃料ガスの温度を低下させる。所定の温度より低い場合には改質部３ａに供給する熱量を増加し、または、燃料ガスの温度を上昇させる。これにより、改質部３ａの改質を行っている部分の温度制御を確実に行うことができるので、過剰な加熱や加熱不足によるシステム効率の低下を抑制することができる。
【００７３】
また、燃料ガスを、改質部３ａに均一に流入させる。ここでは、燃料ガス入口部８を燃料ガス導入通路９の端部に配置し、燃料ガス導入通路９内に旋回流を生成するように構成することにより、改質部３ａに燃料ガスを均一化して供給する。このような燃料ガスの導入の均一に行うことと、加熱ガス流路１８の使用領域変更を組み合わせることで、改質反応部における温度勾配の発生がより抑制されることから、温度低下による改質効率の悪化や、温度上昇時の逆シフト反応によるＣＯの増加を回避するという効果をより確実に得ることができる。
【００７４】
さらに、加熱ガス、ここでは混合ガスまたは高温ガスの加熱ガス流路１８を流れる範囲を変更する流路面積変更手段、ここでは第一、第二制御弁１３、１４を備え、運転条件に応じて加熱ガス流路の流路面積を変更する。これにより、加熱ガスにより熱が供給される改質部３ａの範囲を変更することができるので、改質反応を生じる範囲を変更することができ、運転条件の変化にかかわらず改質反応の生じる環境を一定化することができる。そのため、適切な改質反応を行うことができシステム効率を向上することができる。
【００７５】
ここでは加熱ガス流路１８内を加熱ガスが一通方向に流れるように構成し、第一、第二制御弁１３、１４の開閉により流路断面積を変更する。これにより、設定した領域のみに混合ガスを供給し、燃焼反応を生じることができる。
【００７６】
次に、第２の実施形態について説明する。燃料電池システムの概要は、第１の実施形態の図１と同様とし、改質器３の構成を図７に示す。
【００７７】
本実施形態では、加熱ガス流路１８において燃焼反応を生じる領域を、第一燃料噴射弁２４、第二燃料噴射弁２５を用いて制御する。
【００７８】
蒸発器１により生成された燃料ガスは、燃料ガス入口部８から燃料ガス導入通路９を経て改質触媒に供給される。一方、スタック５からの排出ガスおよび添加された空気は加熱ガス入口部１０から燃焼部２に導入される。
【００７９】
加熱ガス入口部１０には、第一燃料噴射弁２４と第二燃料噴射弁２５とを備える。第一燃料噴射弁２４は、図７において、第一改質触媒１５と第二改質触媒１６の上方側に隣接する上方加熱ガス流路１８ａに燃料を噴射するように配置する。つまり、第一燃料噴射弁２３から燃料が供給されることにより、上方加熱ガス流路１８ａで燃焼反応が生じ、全改質触媒の体積の２／５に相当する領域に熱を供給する。一方、第二燃料噴射弁２５は、図７において第一改質触媒１５、第二改質触媒１６の下方側および第三改質触媒１７に隣接する下方加熱ガス流路１８ｂに燃料を噴射する。つまり、第二燃料噴射弁２５から燃料が供給されることにより、下方加熱ガス流路１８ｂで燃焼反応が生じ、全改質触媒の３／５に相当する領域に熱を供給する。ここで、第一燃料噴射量２４と第二燃料噴射量２５の既定噴射量の比は、それぞれの下流側に位置する改質触媒の体積比と同様に２：３とする。
【００８０】
加熱ガス入口部１０に供給された排出ガスおよび空気に、第一または第二燃料噴射弁２４、２５を用いて燃料を混入して生成した混合ガスを加熱ガス流路１８に流通させる。このとき加熱ガス流路１８には燃焼触媒が担持されており、燃焼反応に伴って生じる熱を隣接する改質触媒に供給することにより改質反応に必要な熱を補う。
【００８１】
ここでは、燃料電池システムの運転条件に応じて加熱ガス流路１８の燃焼反応が生じる領域を変更する。ここでは改質器３に供給される燃料ガス量に応じて以下のように燃焼領域に設定する。ただし、第一および第二燃料噴射弁２４、２５の両方から燃料を噴射させた場合の燃料ガス量を１とし、０より大きく２／５以下の場合を燃料ガス量が「小」、２／５より大きく３／５以下の場合を燃料ガス量が「中」、３／５より大きい場合を燃料ガス量が「大」とする。
【００８２】
まず、改質する燃料ガス量が「小」であると判断できるとき、図８（ａ）に示すように、第一燃料噴射弁２４からのみ燃料を噴射させる。これにより、全触媒の２／５の領域で改質触媒が生じる。次に、改質する燃料ガス量が「中」であると判断できる時、図８（ｂ）に示すように、第二燃料噴射弁２５からのみ燃料を噴射させる。これにより、全触媒の３／５の領域で改質触媒が生じる。さらに、改質する燃料量が「大」であると判断できるとき、図８（ｃ）に示すように、第一および第二燃料噴射弁２４、２５の両方から燃料を噴射させる。これにより、全触媒領域で改質反応を生じることができる。
【００８３】
次に、起動または冷間時の説明をする。ここでは、改質器３の温度変化とそれに対して設定される燃焼領域、混合ガスの混合比を図５と同様とする。以下、第１の実施形態と異なる部分のみを説明する。
【００８４】
起動時には、起動燃焼器７において生成された燃焼ガスを用いて加熱ガス流路１８を昇温する。このとき、上方加熱ガス流路１８ａ、下方加熱ガス流路１８ｂに同量の燃焼ガスが供給されるが、昇温する体積が上方加熱ガス流路１８ａ側のほうが小さいので、速い段階で全体を暖機することができる。そこで、上方加熱ガス流路１８ａに隣接する改質触媒に設置した上方温度センサ２６の出力が所定値Ｔ１、ここでは燃焼触媒が活性化する温度まで上昇したら、起動燃焼器７の運転を停止するとともに、図８（ａ）に示すように第一燃料噴射弁２４により燃料を噴射する。このとき、空気と燃料の混合ガスが燃料リッチとなるように各流量を設定する。これにより、上方加熱ガス流路１８ａで燃焼反応を生じ、下方側の燃焼触媒および改質触媒の暖機を行う。
【００８５】
このように、燃焼触媒が活性化した時点で混合気を供給することにより、速やかに着火することができ、また、昇温の対象となる体積が小さく熱容量が小さいので、昇温を速やかに行うことで加熱を円滑に行うことができる。
【００８６】
さらに温度が上昇し、所定温度Ｔ２に達した時点で第一燃料噴射弁２４と第二燃料噴射弁２５にて噴射を行う。ここで、所定温度Ｔ２は、第１の実施形態と同様に燃焼触媒全体が活性温度に達する時点で、上方温度センサ２６で測定される温度とし、予め実験等により求めておく。これにより、改質器３が図８（ｃ）の状態となり、燃料ガス流路１８全体で燃焼触媒を生じる。このように、加熱ガス流路１８がある程度昇温してから混合ガスを供給することで、燃焼触媒全体を使用した加熱を円滑に行うことが可能となる。
【００８７】
その後、温度がさらに上昇して所定温度Ｔ３となったら暖機が終了したと判断して改質反応を開始する。改質反応を行う際には、改質する燃料ガス量に応じて加熱ガス流路１８の使用領域を制限する。また、起動時には第１の実施形態と同様に混合ガスを燃料リッチに混合し、暖機終了後には燃料リーンとする。
【００８８】
次に、本実施形態の制御方法を図９のフローチャートを用いて説明する。
【００８９】
ステップＳ９０１において燃料電池システムの運転条件を検出した後、ステップＳ９０２において改質器３内の温度がＴ１以下であるかどうかを判断する。Ｔ１以下であれば、起動または冷機状態であると判断してステップＳ９０３において起動燃焼機７へ燃料、空気を供給して燃焼ガスを生成する。ステップＳ９０４において起動燃焼器７で生成した燃焼ガスを加熱ガス流路１８へ供給し加熱ガス流路１８の昇温を行い、改質器３の温度がＴ１より大きくなるまでこの状態で昇温を継続する。
【００９０】
ステップＳ９０２において、改質器３の内部温度がＴ１より大きいと判断されたら、ステップＳ９０５に進み、改質器３温度がＴ２以下であるかどうかを判断する。Ｔ２以下であればステップＳ９０６において、第一燃料噴射弁２４から燃料を噴射して図８（ａ）の状態で暖機を行う。即ち、加熱ガス流路１８の上方側に燃料と空気の混合ガスが供給し、この領域において燃焼反応を行う。このような状態で暖機を行い、ステップＳ９０５において改質器３の内部温度がＴ２より大きいと判断されたらステップＳ９０７に進む。
【００９１】
ステップＳ９０７においては、改質器３の温度を検出し、その出力がＴ３以下であるかどうかを判断する。改質器３温度がＴ３以下であればステップＳ９０８において第一、第二燃料噴射弁２４、２５から燃料を噴射して（図８（ｃ）の状態）加熱ガス流路１８全体に混合ガスを供給し、燃焼反応を生じることにより改質器３をＴ３まで昇温する。ステップＳ９０７において、改質器３の内部温度がＴ３より大きければ暖機を終了したと判断して改質反応を開始する。
【００９２】
次にステップＳ９０９〜Ｓ９１３にかけては、改質反応に応じて燃焼反応の生じる範囲を設定する。
【００９３】
ステップＳ９０９では、ステップＳ６０９と同様に、改質反応に用いる燃料ガス量が「小」であるかどうかを判断し、「小」である場合にはステップＳ９１０に進み、リーン混合ガスとなるように第一燃焼噴射弁２４から燃料を噴射する（図８（ａ））。これにより、改質触媒全体の体積の約２／５の範囲で燃焼反応により生じた熱を受け取り、改質反応を生じる。
【００９４】
一方、ステップＳ９０９で燃料ガス量が「小」であると判断されなかった場合には、ステップＳ９１０に進む。ステップＳ９１０ではステップＳ６１０と同様に、燃料ガス量が「中」であるかどうかを判断し、「中」であると判断された場合にはステップＳ９１２に進み、リーン混合ガスとなるように第二燃料噴射弁２５から燃料を噴出する（図８（ｂ））。これにより、改質触媒全体の体積の３／５の範囲で燃焼反応により生じた熱を受け取り、改質反応を生じる。
【００９５】
ステップＳ９１０において燃料ガス量が「中」であると判断されなかった場合には「大」であると判断し、ステップＳ９１３に進み、リーン混合ガスとなるように第一、第二燃料噴射弁２４、２５から燃料を噴射する（図８（ｃ））。これにより改質触媒全体に燃焼反応により生じた熱を供給し、改質反応を生じる。
【００９６】
その後、ステップＳ９１４〜Ｓ９１６にかけては、ステップＳ６１４〜６１６と同様に、反応器３内部の温度を所定温度に調整する。
【００９７】
次に、本実施形態の効果を説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる部分のみを説明する。
【００９８】
加熱ガス流路１８内を加熱ガスが一通方向に流れるように構成し、加熱ガス流路１８に供給される際に加熱ガス流路断面の一部に燃料を噴射する燃料噴射弁を複数、ここでは第一燃料噴射弁２４と第二燃料噴射弁２５備える。燃料噴射弁によって、または、燃料噴射弁の組み合わせによって加熱ガス流路１８に燃料が供給される範囲を調整する。このように燃料噴射により加熱ガス流路１８に燃料を供給する構成とすることで、混合ガスの配管への付着等の影響を排除できる。
【００９９】
なお、ここでは改質触媒や加熱ガス流路１８の体積を上方側と下方側で２：３としたが、この限りではない。
【０１００】
このように、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲以内で、様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態における改質器の構成を示す図である。
【図３】第１の実施形態における制御弁の動作図である。
【図４】第１の実施形態の効果を示す図である。
【図５】第１の実施形態における起動・冷間時の温度に対する反応容積の関係図である。
【図６】第１の実施形態における制御方法を示すフローチャートである。
【図７】第２の実施形態における改質器の構成を示す図である。
【図８】第２の実施形態における燃料噴射弁の動作図である。
【図９】第２の実施形態における制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
３　　改質器（改質反応器）
３ａ　　改質部
６　　コントロールユニット
８　　燃料ガス入り口部
１２　加熱ガス仕切り板
１３　第一制御弁（制御弁）
１４　第二制御弁（制御弁）
１８　加熱ガス流路
２４　第一燃料噴射弁（燃料噴射弁）
２５　第二燃料噴射弁（燃料噴射弁）
２６　上方温度センサ（温度検知手段、触媒温度検知手段）
２７　下方温度センサ（温度検知手段、触媒温度検知手段）
加熱状態制御弁・・・Ｓ６０２〜Ｓ６１３、Ｓ９０２〜Ｓ９１３
【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】
2004067407.tif 000008
【図７】
2004067407.tif 000009
【図８】
2004067407.tif 000010
【図９】
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