(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と水蒸気を改質触媒で反応させて水素を含有した改質ガスを生成し、前記生成された改質ガスを燃料電池の燃料極に供給するようにした燃料電池の改質装置において、前記改質触媒の上流側に配置されて前記燃料を部分酸化させる部分酸化触媒と、前記改質触媒を加熱する燃焼器と、前記改質触媒に近接して配置されて前記燃焼器から流入される排ガスを排出する排ガス管とを備えると共に、始動時に、前記部分酸化によって発生したガスを前記改質触媒に供給した後、前記燃焼器に還流させて前記燃焼器で燃焼させると共に、前記燃焼によって発生した排ガスを前記排ガス管に流入させるように構成したことを特徴とする燃料電池の改質装置。
【請求項２】
さらに、前記改質触媒の温度を検出する温度検出手段と、前記検出された改質触媒の温度が所定値を超えたとき、前記部分酸化によって発生したガスの供給を停止する停止手段とを備えるように構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池の改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料（例えば、メタンを主成分とする都市ガスなど）と水蒸気を改質触媒で反応させて水素を含有した改質ガス（アノードガス）を生成し、その改質ガスを燃料電池のアノード極（燃料極）に供給するようにした燃料電池の改質装置が種々提案されている。
【０００３】
ところで、上記した改質触媒は、その温度が所定値（約７００［℃］）まで上昇したとき、改質反応が開始される。そのため、改質装置の始動時においては、改質触媒を速やかに昇温させることが望ましい。そこで、例えば特許文献１に記載される技術にあっては、改質触媒の近傍に燃焼バーナを配置し、その燃焼バーナの燃焼によって発生した排ガスで改質触媒を昇温させるようにしている。また、改質触媒をさらに早く昇温させる場合は、改質触媒の近傍にヒータを取り付けていた。
【特許文献１】特開２００２−２０１０４号公報（段落００１５，００１６、図１など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した如く、改質装置に燃焼バーナを取り付けると共に、ヒータも取り付けると、構成が複雑になってしまうという不具合があった。また、特許文献１記載の技術のように、燃焼バーナの排ガスで加熱する場合、改質触媒は外側から加熱されるため、改質触媒の外側部分から徐々に昇温することとなる。従って、複数種の触媒を備え、複雑な構造を呈する改質触媒にあっては、その温度が所定値まで上昇させられるのに時間がかかってしまい、改質装置の始動性の向上という点で改善の余地を残していた。
【０００５】
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、ヒータなどを用いない簡易な構成でありながら、改質触媒を改質反応が可能な所定温度まで速やかに昇温させ、始動性を向上させるようにした燃料電池の改質装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、燃料と水蒸気を改質触媒で反応させて水素を含有した改質ガスを生成し、前記生成された改質ガスを燃料電池の燃料極に供給するようにした燃料電池の改質装置において、前記改質触媒の上流側に配置されて前記燃料を部分酸化させる部分酸化触媒と、前記改質触媒を加熱する燃焼器と、前記改質触媒に近接して配置されて前記燃焼器から流入される排ガスを排出する排ガス管とを備えると共に、始動時に、前記部分酸化によって発生したガスを前記改質触媒に供給した後、前記燃焼器に還流させて前記燃焼器で燃焼させると共に、前記燃焼によって発生した排ガスを前記排ガス管に流入させるように構成した。
【０００７】
また、請求項２にあっては、さらに、前記改質触媒の温度を検出する温度検出手段と、前記検出された改質触媒の温度が所定値を超えたとき、前記部分酸化によって発生したガスの供給を停止する停止手段とを備えるように構成した。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に係る燃料電池の改質装置にあっては、燃料と水蒸気を反応させて水素を含有した改質ガスを生成する改質触媒の上流側に配置され、燃料を部分酸化させる部分酸化触媒と、改質触媒を加熱する燃焼器と、改質触媒に近接して配置されて燃焼器から流入される排ガスを排出する排ガス管とを備えると共に、始動時に、部分酸化によって発生したガスを改質触媒に供給した後、燃焼器に還流させて燃焼器で燃焼させると共に、燃焼によって発生した排ガスを排ガス管に流入させる、即ち、従来技術の如く、燃焼バーナの排ガスで改質触媒の外側から加熱するのではなく、発熱反応である部分酸化によって発生する比較的高温のガスを、改質触媒に直接供給して改質触媒の中を通過させることで加熱するように構成したので、ヒータなどを用いない簡易な構成でありながら、複雑な構造の改質触媒を所定値、正確には、改質反応が開始可能な温度まで速やかに昇温させて暖気することができ、よって改質装置の始動性を向上させることができる。さらに、改質触媒は酸化雰囲気に晒されると酸化してしまうが、部分酸化によって発生するガスは還元性ガスであるため、酸化することがない。
【０００９】
また、請求項２に係る燃料電池の改質装置にあっては、さらに、改質触媒の温度を検出する温度検出手段と、検出された改質触媒の温度が所定値（正確には、改質反応が開始される値）を超えたとき、部分酸化によって発生したガスの供給を停止する停止手段とを備える、即ち、改質触媒を昇温させるときに前記したガスを供給する一方、改質触媒が昇温して改質反応が開始されるとき、部分酸化によって発生したガスの供給を停止するように構成したので、上記した効果に加え、改質触媒における改質反応に影響を与えることなく、改質触媒を昇温させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池の改質装置の最良の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、この発明の第１実施例に係る燃料電池の改質装置を説明するための概略図である。
【００１２】
図１において、符号１０は燃料電池（スタック）を示す。燃料電池１０は、電解質膜（固体高分子膜）と、それを挟持するカソード極（空気極）とアノード極（燃料極）と、各電極の外側に配置されるセパレータ（いずれも図示せず）とから構成される単電池を複数個積層して形成された、公知の固体高分子型燃料電池である。
【００１３】
燃料電池１０には、カソード極にカソードガス（反応空気）を供給するカソードガス供給系１２が接続される。カソードガス供給系１２は、大気（空気）の粉塵を除去するエアクリーナ１４と、エアクリーナ１４の下流側に配置されてエアクリーナ１４を通過した空気をカソードガスとして燃料電池１０に圧送するカソードガスポンプ１６と、カソードガスポンプ１６を燃料電池１０のカソード極の入口（図示せず）に接続するカソードガス流路１８とを備える。カソードガスポンプ１６は、その吸入口（図示せず）がエアクリーナ１４を介して大気と連通されると共に、吐出口（図示せず）がカソードガス流路１８を介して燃料電池１０のカソード極の入口に接続される。
【００１４】
また、燃料電池１０には、アノード極にアノードガス（水素ガス）を供給するアノードガス供給系２０が接続される。アノードガス供給系２０は、改質装置２２と、改質装置２２を燃料電池１０のアノード極の入口（図示せず）に接続するアノードガス流路２４とを備える。
【００１５】
改質装置２２は、燃料（例えば、都市ガス）の付臭剤、具体的には、メルカプタンなどの有機硫黄化合物を除去する脱硫器２８と、脱硫器２８を通過した燃料が流入されて水素を含有した改質ガス（即ち、アノードガス）を生成する改質器３０と、脱硫器２８を改質器３０に接続する燃料流路３２とを備える。
【００１６】
燃料流路３２は、図１に示す如く、第１の燃料流路３２ａと、それから分岐された第２の燃料流路３２ｂとからなる。第１の燃料流路３２ａは、改質器３０の暖気用燃料管（後述。図１で図示せず）に接続されると共に、その途中には第１の電磁バルブ３４ａが配置される。また、第２の燃料流路３２ｂは、改質器３０の改質用燃料管（後述。図１で図示せず）に接続されると共に、その途中には第２の電磁バルブ３４ｂが配置される。尚、第１および第２の電磁バルブ３４ａ，３４ｂは、いずれもノーマル・クローズ型の電磁バルブ（非通電時に閉弁し、通電時に開弁する電磁バルブ）であり、燃料電池１０の非運転時は全て閉弁されているものとする。
【００１７】
改質装置２２はさらに、改質に使用される水（以下「改質用水」という）を改質器３０に圧送する送水ポンプ３６と、送水ポンプ３６を改質器３０の改質用水管（図１で図示せず）に接続する改質用水流路３８と、大気（空気）の粉塵を除去するエアクリーナ４０と、エアクリーナ４０の下流側に配置されてエアクリーナ４０を通過した空気を暖気用燃料（後述）を燃焼させるための空気（以下「暖気用空気」という）として改質器３０に圧送する暖気用空気ポンプ４２と、暖気用空気ポンプ４２を改質器３０の暖気用空気管（後述。図１で図示せず）に接続する暖気用空気流路４４と、改質器３０の排ガス管（後述。図１で図示せず）に接続され、燃焼によって発生した排ガスなどを大気中に排出する排ガス流路４６とを備える。
【００１８】
また、燃料電池１０は、燃料電池１０が発生した電力を出力する出力端子５０を備え、出力端子５０には、その電力を制御する電力制御系５２が接続される。電力制御系５２は、マイクロコンピュータからなる電子制御ユニット（Electronic Control Unit。以下「ＥＣＵ」という）５４と、燃料電池１０が発生した電力（直流電流）を所定の周波数の交流電流に変換するインバータ５６とからなる。
【００１９】
ＥＣＵ５４は、前記したカソードガスポンプ１６、送水ポンプ３６、暖気用空気ポンプ４２、およびインバータ５６などと信号線５８を介して接続され、それらの動作を制御する。さらにＥＣＵ５４は、第１および第２の電磁バルブ３４ａ，３４ｂの駆動回路（図示せず）に信号線５８を介して接続されると共に、第１および第２の電磁バルブ３４ａ，３４ｂを励磁・非励磁することで開閉弁し、その動作を制御する。また、ＥＣＵ５４には、燃料電池１０が電力を発生させる前の動作電源としてバッテリなどの蓄電装置６０が接続される。
【００２０】
燃料電池１０には、燃料電池１０から排出されたカソードガス（以下「カソードオフガス」という）を排気する排気系６２が接続される。排気系６２は排気流路６４からなり、その排気流路６４には、図示しないマフラーなどが接続される。排気流路６４の一端は燃料電池１０のカソードガス排出口（図示せず）に接続される一方、他端は大気に開放される。従って、燃料電池１０から排出されたカソードオフガスは、排気流路６４を介して大気中に排出される。
【００２１】
また、燃料電池１０には、燃料電池１０から排出されたアノードガス（未反応ガス。以下「アノードオフガス」という）などを燃料電池１０や改質装置２２に還流させる還流系６８が接続される。還流系６８は、燃料電池１０のアノードガス排出口（図示せず）を前記したアノードガス流路２４に接続する第１のアノードオフガス流路７０と、第１のアノードオフガス流路７０の途中に接続され、第１のアノードオフガス流路７０を後述する改質装置２２の改質器（正確には、改質器の流入口（図１で図示せず））に接続する第２のアノードオフガス流路７２とを備える。さらに、還流系６８は、アノードガス流路２４の途中に接続され、アノードガス流路２４を改質装置２２の改質器（正確には、改質器の流入口）に接続するアノードガス還流路７４を備える。
【００２２】
尚、燃料電池１０には、上記したカソードガス供給系１２などの構成要素の他に、燃料電池１０を冷却する冷却系やカソードガスを加湿する加湿器なども接続されるが、それらは本願の要旨と直接の関係を有しないので、いずれも図示および説明を省略する。
【００２３】
次いで、燃料電池１０の動作について概説する。
【００２４】
カソードガスポンプ１６で吸引されたカソードガス（大気）は、エアクリーナ１４で粉塵が除去される。粉塵が除去されたカソードガスは、燃料電池１０のカソード極にカソードガス流路１８を介して供給される。また、改質装置２２の改質器３０で生成された改質ガス（アノードガス）は、アノードガス流路２４を介してアノード極に供給される。
【００２５】
このようにして燃料電池１０のカソード極に供給されたカソードガスは、アノード極に供給されたアノードガスと電気化学反応を生じる。カソード極およびアノード極で生じる電極反応は、具体的には下記の通りである。
アノード極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード極：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
従って、全体の反応は下記となる。
全体：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
【００２６】
上記の反応によって燃料電池１０が発生した電力（直流電流）は、出力端子５０から取り出され、その一部がＥＣＵ５４やカソードガスポンプ１６などの補機類の電源として使用されると共に、残部がインバータ５６によって所定の周波数の交流電流に変換された後、電気負荷（例えば、照明器具などの交流電気機器）７６に供給される。
【００２７】
燃料電池１０から排出されたカソードオフガスは、排気流路６４を介して大気中に排出される。また、燃料電池１０から排出されたアノードオフガス（未反応ガス）は、第１のアノードオフガス流路７０を介してアノードガス流路２４に還流され、再度燃料電池１０に供給される。尚、アノードオフガスの内、燃料電池１０に供給されなかったアノードオフガスは、第２のアノードオフガス流路７２を介して改質装置２２の改質器３０に供給される。
【００２８】
次いで、この発明の特徴部である改質装置２２の改質器３０について詳説する。
【００２９】
図２は、改質装置２２の改質器３０の断面を模式的に示す模式断面図である。
【００３０】
改質器３０は外観視において略円筒状を呈するケース部８０を備え、ケース部８０には、改質用燃料と改質用水を改質触媒によって改質反応させる改質部８２と、改質触媒を加熱するための加熱部８４が収容される。
【００３１】
改質部８２は、前記した第２の燃料流路３２ｂに接続され、燃料が改質用燃料として供給される改質用燃料管８６と、改質用水流路３８に接続される改質用水管８８と、複数種の触媒からなると共に、ポーラス状を呈する改質触媒９０と、改質触媒９０が充填される改質反応器９２と、改質反応器９２に接続される改質ガス管９４と、改質ガス管９４の途中に配置されると共に、一酸化炭素（ＣＯ）を反応によって除去する一酸化炭素除去触媒（以下「ＣＯ除去触媒」という）９６が充填されたＣＯ除去部９８とからなる。
【００３２】
加熱部８４は、上記した第１の燃料流路３２ａに接続され、燃料が暖気用燃料として供給される暖気用燃料管１００と、暖気用空気流路４４に接続される暖気用空気管１０２と、改質触媒９０が充填された改質反応器９２の上流側に配置されて暖気用燃料を部分酸化させる部分酸化触媒１０４と、部分酸化触媒１０４が充填される部分酸化反応器１０６と、改質触媒９０の付近に配置され、改質触媒９０の温度に応じた信号をＥＣＵ５４へ出力する改質触媒温度センサ１０８と、ＣＯ除去触媒９６の付近に配置され、ＣＯ除去触媒９６の温度に応じた信号をＥＣＵ５４へ出力するＣＯ除去触媒温度センサ１１０とを備える。尚、部分酸化触媒１０４は、例えば白金パラジウムアルミナ（Ｐｔ−Ｐｄ／Ａｌ２Ｏ３）を使用する。
【００３３】
改質触媒温度センサ１０８は、図に示すように、改質触媒９０の上流側（換言すれば、改質反応器９２の上部付近）に配置される第１の改質触媒温度センサ１０８ａと、下流側（改質反応器９２の下部付近）に配置される第２の改質触媒温度センサ１０８ｂからなる。また、ＣＯ除去触媒温度センサ１１０は、ＣＯ除去触媒９６の上流側（別言すれば、ＣＯ除去部９８の下部付近）に配置される第１のＣＯ除去触媒温度センサ１１０ａと、その下流側、正確にはＣＯ除去部９８の略中央部付近に配置される第２のＣＯ除去触媒温度センサ１１０ｂとからなる。尚、この明細書において、上部、下部、あるいは上端や下端などの上下関係を示す記載は、全て重力方向における上下関係を表すものとする。
【００３４】
加熱部８４はさらに、ケース部８０の上端８０ａの近傍に配置されると共に、後述する燃焼触媒を有する触媒燃焼器１１２と、触媒燃焼器１１２に接続される燃焼室１１４と、燃焼室１１４に接続され、燃焼室１１４での燃焼によって発生した排ガスなどを排出する排ガス管１１６とを備える。
【００３５】
図２に示すように、燃焼室１１４は触媒燃焼器１１２の下方の位置に配置される。燃焼室１１４は、その上部１１４ａがケース部８０の上端８０ａから突出する一方、下部１１４ｂがケース部８０の下端８０ｂ付近となるようにして配置される。燃焼室１１４は、下部１１４ｂにおいて排ガス管１１６と連通されると共に、排ガス管１１６は、燃焼室１１４の外壁１１４ｃに沿うようにして上方に延設された後、ケース部８０の上端８０ａ付近で屈曲し、その後前記した排ガス流路４６に接続される。
【００３６】
改質部８２の改質用水管８８は、燃焼室１１４と排ガス管１１６などを取り囲むようにして配置されたリング状のＣＯ除去部９８の外周９８ａを、複数回周回するようにして配置され、その後排ガス管１１６の内部１１６ａに配置される。排ガス管１１６の内部１１６ａに配置された改質用水管８８は、燃焼室１１４の外壁１１４ｃに接触させられつつ、その周りを複数回周回するようにして配置される。
【００３７】
次いで、改質用水管８８には、改質用燃料管８６が接続部１１８を介して接続される。以下、改質用水管８８の改質用水の流れにおいて接続部１１８より下流側の改質用水管８８を「改質用燃料・水管」と呼び、符号１２０で示す。改質用燃料・水管１２０はさらに、燃焼室１１４の外壁１１４ｃを複数回周回するように配置された後、改質反応器９２に接続される。
【００３８】
改質反応器９２の外壁９２ａは、燃焼室１１４の外壁１１４ｃに沿って配置された排ガス管１１６に接触させられつつ、下方に向けて延設される。また改質反応器９２は、下端９２ｂにおいて改質ガス管９４と連通される。
【００３９】
改質ガス管９４は、改質反応器９２の外壁９２ａに沿うようにして上方に延設された後、ケース部８０の上端８０ａ付近で屈曲し、その後前記したアノードガス流路２４に接続される。また、改質ガス管９４の途中には、改質反応器９２で生成された改質ガスに残存するＣＯを除去するＣＯ除去部９８が配置される。尚、改質器３０のケース部８０の内部において、上記した燃焼室１１４や改質反応器９２などの各構成要素以外の空間には、断熱材１２２が配置（充填）される。即ち、燃焼室１１４や改質反応器９２などは、断熱材１２２によって被覆される。
【００４０】
また、図２に示す如く、加熱部８４の暖気用燃料管１００の途中には、エゼクタ１２６が配置され、そのエゼクタ１２６には暖気用空気管１０２が接続される。これにより、暖気用燃料管１００を流動する暖気用燃料と暖気用空気管１０２を流動する暖気用空気は、エゼクタ１２６で混合される。
【００４１】
暖気用燃料管１００であって、暖気用燃料の流れにおいてエゼクタ１２６の下流側には、部分酸化反応器１０６が接続される。部分酸化反応器１０６は、前述した如く、改質反応器９２の上流側に配置されると共に、部分酸化反応器１０６と改質反応器９２の間には、拡散リング１２８が介挿される。拡散リング１２８は円管１２８ａからなり、その円管１２８ａには複数個の孔１２８ｂが穿設される。即ち、部分酸化反応器１０６と改質反応器９２は、拡散リング１２８の孔１２８ｂを介して連通される。
【００４２】
触媒燃焼器１１２は、燃焼バーナ１３０と、燃焼バーナ１３０の上部に形成されると共に、前記した第２のアノードオフガス流路７２およびアノードガス還流路７４が接続され、アノードオフガスなどが流入する流入口１３２と、燃焼バーナ１３０の下流側に配置されて燃焼バーナ１３０で燃焼させられた混合ガス（後述）などを反応によって燃焼させる燃焼触媒１３４とを備える。燃焼触媒１３４は、略円筒状を呈し、燃焼室１１４の上部１１４ａ付近に配置される。尚、燃焼触媒１３４は、例えば白金（Ｐｔ）系のものを使用する。
【００４３】
さらに、触媒燃焼器１１２であって、燃焼バーナ１３０と燃焼触媒１３４の間には、排ガス処理触媒１３６が配置される。排ガス処理触媒１３６は、燃焼バーナ１３０での燃焼によって発生した排ガスに含まれる有害物質などを反応によって処理する触媒からなる。
【００４４】
次いで、上記の如く構成された改質装置２２を前提に、燃料電池１０の始動時にＥＣＵ５４で実行される、改質装置２２の暖気および改質の動作の制御について、図３を参照して説明する。
【００４５】
図３は、その処理を表すフローチャートである。
【００４６】
先ずＳ１０において、燃料電池１０の始動指示がなされたか否か、具体的には、オペレータによって始動スイッチ（図示せず）がオンされたか否か判断する。Ｓ１０で否定されるときは以降の処理をスキップする一方、Ｓ１０で肯定されるときはＳ１２に進み、第１の燃料流路３２ａに配置された第１の電磁バルブ３４ａを励磁して開弁する。
【００４７】
第１の電磁バルブ３４ａが開弁されると、都市ガス供給源（図示せず）から供給される都市ガスは、図１に示した脱硫器２８で付臭剤などの有機硫黄化合物が除去される。これにより、都市ガスの流れにおいて下流側に配置される改質触媒９０などが、硫黄によって被毒するのを防ぐことができる。次いで、有機硫黄化合物が除去された都市ガス（燃料）は、第１の燃料流路３２ａを介して改質器３０の暖気用燃料管１００に暖気用燃料として供給される。
【００４８】
暖気用燃料管１００に供給された暖気用燃料は、図２に矢印で示すように、エゼクタ１２６、部分酸化反応器１０６、拡散リング１２８、改質反応器９２、改質ガス管９４、ＣＯ除去部９８を介してアノードガス流路２４に流入する。アノードガス流路２４に流入した暖気用燃料は、アノードガス還流路７４を介して触媒燃焼器１１２の燃焼バーナ１３０の流入口１３２に供給される。暖気用燃料は燃焼バーナ１３０で燃焼させられ、よって排ガスが発生する。排ガスは排ガス処理触媒１３６に供給され、排ガスに含まれる有害物質が反応によって処理される。
【００４９】
有害物質が処理された排ガスは、燃焼触媒１３４に向けて流動して燃焼触媒１３４を昇温させつつ、燃焼室１１４の内部を通過して排ガス管１１６に流入される。排ガスは、排ガス管１１６の内部１１６ａや壁面も昇温させつつ図２において上方へ流動する。このとき、改質反応器９２やＣＯ除去部９８は、前記したように、その外壁９２ａや内周９８ｂが排ガス管１１６に接触するようにして配置されるため、排ガス管１１６の熱が伝達されて加熱され、よって改質反応器９２の内部に充填された改質触媒９０やＣＯ除去部９８のＣＯ除去触媒９６も加熱されて昇温させられる。尚、排ガス管１１６の排ガスはその後、排ガス流路４６へ流動して大気中に排出される。
【００５０】
図３の説明に戻ると、次いでＳ１４に進み、第１および第２の改質触媒温度センサ１０８ａ，１０８ｂと、第１および第２のＣＯ除去触媒温度センサ１１０ａ，１１０ｂの出力を読み込み、改質触媒９０の上流側、下流側とＣＯ除去触媒９６の上流側、下流側の温度を検出する。次いでＳ１６に進み、検出された改質触媒９０とＣＯ除去触媒９６の温度が全て所定値（具体的には、約４００［℃］）を超えたか否か判断する。Ｓ１６で否定されるときは、Ｓ１４，Ｓ１６の処理を再度実行する一方、Ｓ１６で肯定されるときはＳ１８に進み、暖気用空気ポンプ４２を駆動させる。
【００５１】
暖気用空気ポンプ４２が駆動されると、大気（空気）は、暖気用空気ポンプ４２によって吸引されてエアクリーナ４０に流入し、そこで粉塵が除去される。粉塵が除去された空気、即ち、暖気用空気は、暖気用空気流路４４を介して暖気用空気管１０２に供給される。
【００５２】
暖気用空気管１０２に供給された暖気用空気は、図２に示すエゼクタ１２６によって暖気用燃料管１００を流動する暖気用燃料と混合される。混合された暖気用燃料と暖気用空気は、部分酸化反応器１０６に供給され、部分酸化触媒１０４によって反応が生じ、混合ガス（ガス）が生成される（発生する）。その反応は、具体的には下記の通りである。
ＣＨ４＋１／２Ｏ２→ＣＯ＋２Ｈ２
【００５３】
上記した部分酸化反応は発熱反応であるため、発生した混合ガスは比較的高温となる。高温の混合ガスは、拡散リング１２８の孔１２８ｂを通過することで拡散させられつつ改質触媒９０に直接供給される。混合ガスは、ポーラス状を呈した改質触媒９０の中を通過して改質触媒９０をさらに昇温させた後、改質ガス管９４を通過してＣＯ除去部９８に流入し、ＣＯ除去触媒９６も昇温させる。尚、この混合ガスは一酸化炭素と、水素と、暖気用空気に含まれる窒素とからなる還元性ガスであるため、改質触媒９０およびＣＯ除去触媒９６を酸化させることがない。
【００５４】
次いで、混合ガスは改質ガス管９４からアノードガス流路２４に流入した後、アノードガス還流路７４を介して触媒燃焼器１１２の燃焼バーナ１３０の流入口１３２に供給される。混合ガスは燃焼バーナ１３０で燃焼させられた後、排ガス処理触媒１３６に供給され、混合ガスに含まれる有害物質が反応によって処理される。
【００５５】
有害物質が処理された混合ガスは、燃焼触媒１３４に向けて流動する。この燃焼触媒１３４は、前述した排ガスによって燃焼反応が開始可能な温度まで昇温させられているため、混合ガスは燃焼触媒１３４と接触酸化して燃焼させられる。その後、混合ガスは燃焼室１１４、排ガス管１１６を昇温させつつ流動し、排ガス流路４６を介して大気中に排出される。
【００５６】
図３の説明に戻ると、次いでＳ２０に進み、第１および第２の改質触媒温度センサ１０８ａ，１０８ｂと、第１および第２のＣＯ除去触媒温度センサ１１０ａ，１１０ｂの出力を再度読み込み、改質触媒９０の上流側、下流側とＣＯ除去触媒９６の上流側、下流側の温度を検出する。次いでＳ２２に進み、検出された改質触媒９０とＣＯ除去触媒９６の温度が全て所定値（具体的には、約７００［℃］）を超えたか否か、別言すれば、改質触媒９０において改質反応が開始可能な温度になると共に、ＣＯ除去触媒９６において一酸化炭素除去反応が開始可能な温度になったか否か判断する。
【００５７】
Ｓ２２で否定されるときは、Ｓ２０およびＳ２２の処理を再度実行する。Ｓ２２で肯定されるときはＳ２４に進み、第１の電磁バルブ３４ａを非励磁にして閉弁する一方、第２の燃料流路３２ｂに配置された第２の電磁バルブ３４ｂを励磁して開弁する。
【００５８】
これにより、燃料は、暖気用燃料管１００に供給されなくなると共に、第２の燃料流路３２ｂを介して改質器３０の改質用燃料管８６に改質用燃料として供給される。次いで、Ｓ２６に進み、暖気用空気ポンプ４２の駆動を停止させ、暖気用空気の暖気用空気管１０２への供給も停止する。
【００５９】
このように、改質触媒９０が所定温度に達して改質反応可能な状態になったとき、部分酸化触媒１０４の部分酸化によって発生した混合ガスの改質触媒９０への供給を停止するようにした。尚、この明細書において、上記したような、改質装置２２を改質可能な状態にする暖気動作（暖気運転）が行われるときを「改質装置の始動時」といい、後述するような、改質装置２２において改質動作が行われるときを「改質装置の通常運転時」という。
【００６０】
Ｓ２４およびＳ２６の処理によって改質装置２２の暖気動作が終了すると、次いでＳ２８に進み、送水ポンプ３６を駆動させる。送水ポンプ３６が駆動されると、改質装置２２において改質動作が開始される。具体的には、送水ポンプ３６で吸引された水供給源（図示せず）の改質用水が、図示しないイオンフィルタなどを通過した後、改質用水流路３８を介して改質用水管８８に流入される。
【００６１】
改質用水管８８は、比較的高温となっているＣＯ除去部９８の外周９８ａを周回するように配置されると共に、排ガスや混合ガスによって昇温された排ガス管１１６の内部１１６ａに配置されているため、それらによって加熱されることとなる。これにより、改質用水管８８に流入された改質用水は蒸発して水蒸気となり、その水蒸気は、接続部１１８において、第２の燃料流路３２ｂを介して改質用燃料管８６に流入された改質用燃料と合流して混合される。
【００６２】
混合された改質用燃料と水蒸気は、改質用燃料・水管１２０を通過した後、改質反応器９２に流入される。改質反応器９２の改質触媒９０は、前述したように改質可能な温度（約７００［℃］）まで昇温させられているため、水蒸気改質反応が起こる、即ち、混合された改質用燃料と水蒸気から水素を含有する改質ガスが生成される。
【００６３】
この水蒸気改質反応は、具体的には下記の通りである。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
このとき生成される一酸化炭素の一部は、さらに水蒸気と反応して水素と二酸化炭素が生成される（即ち、シフト反応が起こる）。具体的には下記の通りである。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
【００６４】
次いで、改質ガスは改質反応器９２から改質ガス管９４へ流入された後、ＣＯ除去部９８に供給される。ここで、改質ガスは、ＣＯ除去触媒９６が一酸化炭素除去可能な温度（約７００［℃］）まで昇温させられているため、残存するＣＯが反応によって除去され、その後アノードガス流路２４に流入される。
【００６５】
このように、燃料電池１０の始動時におけるＥＣＵ５４は、改質装置２２の暖気動作および改質動作を制御することで、改質器３０において改質用燃料と水蒸気を改質触媒９０で反応させて改質ガス（アノードガス）を生成させる。
【００６６】
また、ＥＣＵ５４は、上記した改質装置２２の暖気動作および改質動作の制御が終了すると、次いでカソードガスポンプ１６を駆動させて前述した燃料電池１０の動作の制御を開始する。
【００６７】
尚、改質触媒９０での水蒸気反応は吸熱反応であるため、改質触媒９０を連続的に加熱する必要がある。そこで、改質装置２２が通常運転になり、改質ガスが生成されると、触媒燃焼器１１２の燃焼バーナ１３０の流入口１３２には、その改質ガス（より具体的には、改質装置２２から排出され、アノードガス還流路７４を介して流入されるアノードガス、および第２のアノードオフガス流路７２を介して流入されるアノードオフガス）が流入される。これにより、改質ガスは燃焼バーナ１３０で燃焼させられた後、排ガス処理触媒１３６に供給されて改質ガスに含まれた有害物質が処理される。次いで改質ガスは、燃焼触媒１３４に供給されてさらに燃焼させられた後、排ガス管１１６を流動することで改質触媒９０を連続的に加熱し続ける。
【００６８】
このように、この発明に係る燃料電池の改質装置２２にあっては、改質用燃料と水蒸気を反応させて水素を含有した改質ガスを生成する改質触媒９０の上流側に配置され、燃料を部分酸化させる部分酸化触媒１０４を備えると共に、始動時に、部分酸化によって発生した混合ガスを改質触媒９０に供給する、即ち、従来技術の如く、燃焼バーナの排ガスで改質触媒の外側から加熱するだけではなく、発熱反応である部分酸化によって発生する比較的高温の混合ガスを、改質触媒９０に直接供給してポーラス状の改質触媒９０の中を通過させることで加熱するように構成したので、ヒータなどを用いない簡易な構成でありながら、改質触媒９０を所定値、正確には、改質反応が開始可能な温度（具体的には、約７００［℃］）まで速やかに昇温させることができ、よって改質装置２２の始動性を向上させることができる。さらに、改質触媒９０やＣＯ除去触媒９６は酸化雰囲気に晒されると酸化してしまうが、部分酸化によって発生する混合ガスは還元性ガスであるため、酸化することがない。
【００６９】
また、改質触媒９０の温度に応じた信号を出力する改質触媒温度センサ１０８（第１および第２の改質触媒温度センサ１０８ａ，１０８ｂ）を備え、改質触媒９０の温度が所定値（正確には、改質反応が開始される値（約７００［℃］））を超えたとき、部分酸化によって発生した混合ガスの供給を停止する、即ち、改質触媒９０を昇温させるときに前記した混合ガスを供給する一方、改質触媒９０が昇温して改質反応が開始されるとき、混合ガスの供給を停止するように構成したので、改質触媒９０における改質反応に影響を与えることなく、改質触媒９０を昇温させることができる。
【００７０】
また、部分酸化によって発生した混合ガスは、改質触媒９０やＣＯ除去触媒９６を昇温させた後、触媒燃焼器１１２の燃焼バーナ１３０および燃焼触媒１３４で燃焼され、燃焼室１１４、排ガス管１１６に流入してそれらを昇温させるように構成したので、改質触媒９０やＣＯ除去触媒９６は、さらに昇温させられることとなり、よって燃料を効率よく使用することができる。
【００７１】
以上のように、この発明の第１実施例にあっては、燃料と水蒸気を改質触媒（９０）で反応させて水素を含有した改質ガスを生成し、前記生成された改質ガスを燃料電池（１０）の燃料極（アノード極）に供給するようにした燃料電池の改質装置（２２）において、前記改質触媒の上流側に配置されて前記燃料を部分酸化させる部分酸化触媒（１０４）と、前記改質触媒を加熱する燃焼器（１１２）と、前記改質触媒に近接して配置されて前記燃焼器から流入される排ガスを排出する排ガス管（１１６）とを備えると共に、始動時に、前記部分酸化によって発生したガス（混合ガス）を前記改質触媒に供給した後、前記燃焼器に還流させて前記燃焼器で燃焼させると共に、前記燃焼によって発生した排ガスを前記排ガス管に流入させるように構成した。
【００７２】
また、さらに、前記改質触媒（９０）の温度を検出する温度検出手段（ＥＣＵ５４。第１および第２の改質触媒温度センサ１０８ａ，１０８ｂ。図３フローチャートのＳ２０）と、前記検出された改質触媒の温度が所定値（約７００［℃］）を超えたとき、前記部分酸化によって発生したガスの供給を停止する停止手段（ＥＣＵ５４。第１の電磁バルブ３４ａ。図３フローチャートのＳ２２，Ｓ２４，Ｓ２６）とを備えるように構成した。
【００７３】
尚、上記において、部分酸化触媒１０４の材質や改質触媒９０の改質可能な温度などを具体的に示したが、それら材質や数値は例示であって限定されるものではない。
【００７４】
また、燃料電池１０を固体高分子型としたが、それに限られるものではなく、他の形式であってもよい。
【００７５】
また、改質用燃料として都市ガスを使用するよう構成したが、ＬＰガス、灯油、メタノール、ナフサ、バイオマス、ガソリンなどであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】この発明の第１実施例に係る燃料電池の改質装置を説明するための概略図である。
【図２】図１に示す改質装置の改質器の断面を模式的に示す模式断面図である。
【図３】図１に示す電子制御ユニット（ＥＣＵ）で実行される、改質装置の暖気動作および改質動作の制御の処理を表すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７７】
１０  燃料電池、２２  改質装置、３４ａ  第１の電磁バルブ（停止手段）、５４  電子制御ユニット（ＥＣＵ。温度検出手段。停止手段）、９０  改質触媒、１０４  部分酸化触媒、１０８ａ  第１の改質触媒温度センサ（温度検出手段）、１０８ｂ  第２の改質触媒温度センサ（温度検出手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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