(57)【要約】      （修正有）【課題】起動期間中，炭化水素燃料の不完全燃焼により煤が生じ，触媒その他の構成部を劣化させ，システムの動作に悪影響を与える煤を燃焼させる事により、フィルタを再生する燃焼器を提供する。【解決手段】燃料改質器の前段に設けられ且つ燃焼時に生成された煤を集塵するフィルタを備えた起動用燃焼器を設け，起動期間中、後段の構成部を継続して加熱しつつ、希薄混合気で集塵された煤を燃焼させることにより、フィルタを再生する。またフィルターには蓄積した煤量を検出する差圧計を設け、燃焼器の作動履歴から煤量を判断する。制御部は過剰空気比率を１．５〜２．８の間に維持し，フィルターに蓄積した煤量からフィルター排気ガス温度を推定し，排気燃焼ガスの温度を下げる制御を行う。【選択図】図１
2005235737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料改質器を暖気するため、起動時に用いられる燃焼器であって、
燃料を燃焼させるチャンバと、
前記チャンバに接続され、燃料を導入する燃料口と、
前記チャンバに接続され、空気を導入する空気口と、
前記チャンバに接続され、導入された空気と燃料の混合気に点火する点火源と、
前記チャンバ内に設けられ、前記空気もしくは前記燃料に混入している煤または前記点火源での燃料燃焼により生成された煤を集塵するフィルタと、
前記チャンバに導入される空気量と燃料量を調整し、所定の過剰空気比率を維持し、前記フィルタを再生させる制御部
とを備えることを特徴とする起動用燃焼器。
【請求項２】
フィルタに蓄積した煤量を検出する検出手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の起動用燃焼器。
【請求項３】
前記検出手段は、差圧計を備えることを特徴とする請求項２に記載の起動用燃焼器。
【請求項４】
前記検出手段は、前記燃焼器の動作履歴から前記煤量を判断することを特徴とする請求項２に記載の起動用燃焼器。
【請求項５】
前記制御部は、過剰空気比率を１．５から２．８の間に維持すること特徴とする請求項１に記載の起動用燃焼器。
【請求項６】
前記制御部は、前記フィルタに蓄積した煤の量からフィルタ排気ガス温度を推定し、フィルタから排気される燃焼ガスの温度を下げる制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の起動用燃焼器。
【請求項７】
前記フィルタの後段及び改質器の前段に設けられ、水を導入し、燃焼ガスを前記改質器の吸入口温度まで冷却する吸入口を更に備えることを特徴とする請求項６に記載の起動用燃焼器。
【請求項８】
前記フィルタは、前記点火源の後段に連続して設置された２段以上のフィルタであることを特徴とする請求項１に記載の起動用燃焼器。
【請求項９】
フィルタを再生させる起動用燃焼器を作動させる処理であって、
空気と炭化水素燃料を混合した混合気を生成するステップと、
前記混合気を燃焼させ、煤を含む燃焼ガスを生成するステップと、
前記燃焼ガスをフィルタに通過させ、フィルタで前記煤を集塵するステップと、
前記フィルタに集塵される煤の量を予め推定し、１．５から２．８の過剰空気比率で所定時間、前記フィルタに集塵された前記煤を酸化させることにより、前記フィルタを再生するステップ
とを備えることを特徴とする起動用燃焼器の作動処理。
【請求項１０】
前記フィルタに蓄積する煤のレベルを推定するステップを更に備えることを特徴とする請求項９に記載の起動用燃焼器の作動処理。
【請求項１１】
前記煤のレベルは、差圧計により推定されることを特徴とする請求項１０に記載の起動用燃焼器の作動処理。
【請求項１２】
前記煤のレベルは、前記起動用燃焼器の動作履歴により推定されることを特徴とする請求項１０に記載の起動用燃焼器の作動処理。
【請求項１３】
前記煤のレベルに基づき前記フィルタの排気ガス温度を決定するステップと、
前記フィルタから排出される排気ガスの前記排気ガス温度を下げるステップ
とを更に備えることを特徴とする請求項９に記載の起動用燃焼器の作動処理。
【請求項１４】
前記燃焼ガスに水を導入することにより、前記排気ガス温度を下げることを特徴とする請求項１３に記載の起動用燃焼器の作動処理。
【請求項１５】
前記燃焼ガスを更に１つ以上の増設フィルタに通過させ、前記煤を集塵するステップを更に備えることを特徴とする請求項９に記載の起動用燃焼器の作動処理。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料改質システムに用いられる起動用燃焼器、特に改質水素ガスを生成する燃料改質器を暖機するための燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気自動車（電気車両）等に使用される次世代電源として開発されている。燃料電池は、負荷に応じて燃料電池を作動させるデマンド型電源システムである。典型的なものとして、ガソリン、メタノール、軽油、及びナフサ等のような炭化水素燃料が、燃料電池用の燃料として供給される。燃料電池の作動時には、燃料は水素を含むガスに改質される。通常、改質は、燃料が燃料改質器を通過し、炭化水素が水素ガスに変化することにより、行われる。そして、かかる水素ガスを用いて、燃料電池は、車両に給電するための電気を発電する。
【０００３】
ガソリンの改質処理では、噴出ガス、空気、及びガソリンが、２つのセクションにより構成される燃料処理器で反応する。第1のセクションは、主に部分酸化反応器であり、第２のセクションは、主に改質器である。
【０００４】
燃料処理器は、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、及び水を生成する。水性ガスシフト（ＷＧＳ）及び選択酸化（ＰＲＯＸ）反応器のような後段の反応器で、空気の酸素により一酸化炭素が二酸化炭素に酸化される。
【０００５】
一旦、燃料電池が作動すると、燃料電池は最適な温度及び効率で順調に作動する。しかし、燃料処理システムの改質器が起動し、効率的に作動するためには、外気より高い所定の温度が必要となる。典型的には、燃料処理システムの改質器は、効率的に作動するための温度まで暖められる。これは、起動用燃焼器により行われる。起動用燃焼器は、改質器の前段で燃料を燃焼させ、この燃焼ガスにより間接的に改質器を加熱する。
【０００６】
このような燃料改質システムにおいて、代表的な問題は、炭化水素燃料の不完全燃焼によって、かかるシステムで生じる煤（すす）である。煤は、触媒及びその他の構成部を劣化させ、システムの動作に悪影響を与える。
【０００７】
特開２００２−０１２４０６号公報には、改質器の後段のフィルタで煤を回収し、定められた間隔で空気量を増やすことによって回収した煤を燃焼させる燃料処理装置が開示されている。
【０００８】
しかし、煤による悪影響を最小限にし、且つ起動時の効率的な加熱を実現する燃料電池システムを、引き続き開発する必要性がある。
【特許文献１】特開２００２−０１２４０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
問題点は、炭化水素燃料の不完全燃焼によって、かかるシステムで生じる煤である。煤は、触媒及びその他の構成部を劣化させ、システムの動作に悪影響を与える。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の特徴は、起動用燃焼器が、燃料改質器の前段に設けられ、起動時に生成される煤を吸着するフィルタを備えることである。起動中、起動用燃焼器は、燃料と空気の希薄混合気を燃焼器で燃焼させることにより、吸着した煤を燃焼すなわち酸化させ、フィルタを再生するように作用する。これにより、後段のシステム構成部を熱すると同時に、フィルタが再生される。
【００１１】
これら及び他の特徴は、少なくとも、フィルタが設けられた起動用燃焼器を備える燃料処理システムにより、充足される。本発明の実施の形態では、起動用燃焼器は、燃料を燃焼させるチャンバと、チャンバに接続され、チャンバへ空気を導入する空気口と、チャンバに接続され、チャンバへ燃料を導入する燃料口と、チャンバに接続され、チャンバに導入された燃料と空気に点火する点火源と、チャンバと接続されるか、または点火源の後段に設けられチャンバの一部を成す、煤等の非ガス成分を吸着するフィルタとを備える。フィルタは、少なくとも、チャンバの点火源で燃料を燃焼させるときに生じる非ガス粒子の一部を、通過させないようにすることができる。また、フィルタは、少なくとも、チャンバに導入された空気や燃料に含まれる非ガス粒子の一部を、通過させないようにすることもできる。
【００１２】
更に有利なことに、起動用燃焼器は、希薄混合気を燃焼させることにより、吸着した煤を燃焼・除去し、フィルタを再生する作用を有する。起動用燃焼器は、燃料比率に対して過剰な空気を導入することができる。例えば、フィルタの再生において、空気圧縮機により、燃焼器に導入される空気量が制御される。また、燃料噴射器により、燃焼器に導入される燃料量が制御される。更に、コンピュータのプログラムにより、作動状況に応じて、空気圧縮機の回転速度と燃料噴射器のパルス幅が制御される。各々の制御に関するパラメータは、予め設定される。
【００１３】
本発明の実施の形態は、燃焼器の内部に設けられるか、または燃焼器に接続された一連のフィルタを備える。燃焼器は、点火源の後段に設けられ、燃焼器で燃焼が行われる。本発明の実施の形態は、更に、１以上のフィルタから排出されるガスを冷却する冷却源を導入する導入口と、所定の時間に１以上のフィルタの圧力を検出する圧力ゲージと、フィルタの後段に設けられ、炭化水素燃料を改質する改質器と、改質器の後段に設けられ、更に炭化水素燃料を改質する水性ガスシフト反応器と、水性ガスシフト反応器の後段に設けられ、改質された燃料に含まれる様々な成分を酸化する選択触媒とを備える。
【００１４】
本発明の他の特徴は、燃焼器内の、煤等のような非ガス成分を除去する処理を備える。非ガス成分は、燃焼器の後段に設けられたフィルタにより回収される。本発明における処理は、フィルタを通過する燃焼ガスを生成するために、炭化水素燃料を燃焼させるステップを備える。ここで、燃焼ガスとは、燃焼器で炭化水素燃料を燃焼させた結果生じる燃焼ガスをいう。燃焼ガスは、炭素、水素、酸素を主成分とするが、かかる成分に限定されない。ときには、燃焼ガスは、炭素を主成分とする固形粒子を含むこともある。本発明の特徴における燃焼は、ガスが改質器に到達する前に行われる。燃焼ガスは、煤のような燃焼ガスに含まれる固形粒子を回収したり吸着させたりするフィルタを通過する。空気と燃料の希薄混合気によって、燃焼器で燃料を燃焼させることで、煤がフィルタから低減または除去される。従って、本発明の有利な点は、燃焼ガスが継続的に燃料処理システムの後段の構成部を加熱しつつ、燃焼器と共に用いられるフィルタが再生されることである。
【００１５】
本発明の実施の形態における処理は、フィルタから排出されるガスの温度、すなわちフィルタ排気ガス温度を検出し、改質器または燃焼器の後段に設けられた他の構成部及びフィルタの吸入口温度が、性能を低下させる温度を超えないように、冷却源によってフィルタ排気ガス温度を調整する。
【００１６】
本発明には、当業者であれば下記の実施の形態から想到し得る有利な点が更に含まれる。実施の形態は、本発明の好例を示しているにすぎず、単に、本発明を実施するための最良の形態を示しているにすぎない。すなわち、本発明には、下記の実施の形態と異なる実施の形態が含まれ、詳細な部分については、本発明から逸脱しない限り、あらゆる改変が可能である。従って、図面及び明細書は実施の形態を説明するためのものであり、本発明は、これらに限定されない。
【発明の効果】
【００１７】
起動中、起動用燃焼器は、燃料と空気の希薄混合気を燃焼器で燃焼させることにより、吸着した煤を燃焼すなわち酸化させ、フィルタを再生するように作用する。これにより、後段のシステム構成部を熱すると同時に、フィルタが再生される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明にかかる燃料電池システムは、改質器を加熱ための燃焼器を備える。改質器は、燃料電池スタックで使用される水素リッチガスを生成する。起動時の燃焼中、すなわち加熱されていない状態または通常に稼動していない状態での燃焼中、燃焼器では、煤が効率的に吸着され除去されることが知られている。本発明の燃料処理システムは、小型化が可能であり、自動車のような車両の発電装置に用いられる燃料電池として最適である。
【００１９】
燃料電池システムでは、改質器は、炭化水素燃料を、燃料電池に導入する水素リッチ燃料に改質するために用いられる。代表的なものとして、改質器は、更に改質させるための水性ガスシフト反応を起こすシフト反応器のセクションと一体化している。水性ガスシフト反応では、改質器から放出される水素リッチガスが水と反応し、ガス中の一酸化炭素が、水素と二酸化炭素に変化する。これにより、水素リッチガスの水素含有量が増加する。
【００２０】
通常動作時の温度に達する前に、改質器は、正常に動作するために加熱される必要がある。燃焼器は、加熱システム（例えば、改質器）として用いられ、改質器の温度が最適作動温度より低い場合に、炭化水素燃料を燃焼させるように動作する。起動するとき、または温度が通常動作時温度より低いときは、燃焼器内で、炭化水素燃料と空気が反応し燃焼することで、後段のシステムの構成部を加熱する。燃焼は改質器の前段で行われるため、燃焼した燃料は、相当の水素を含まない燃焼ガスになる。しかし、燃料の燃焼によって、改質器及び他の後段の構成部が加熱され、燃料処理器が所望の温度に達し、その温度が維持された後、通常、燃焼器は使用されない。そして、燃料システムは、安定した水素リッチガスを燃料電池に供給し、発電のために使用される。一般的に、本発明の燃焼器は、燃料を燃焼させるチャンバと、チャンバに接続され、空気と燃料をチャンバに導入する空気燃料口と、チャンバに接続され、導入された燃料に点火する点火源とを備える。また、フィルタは、燃焼器内に設けられるか、燃焼器と接続される。燃焼器は、点火源の後段に設けられる。フィルタは、少なくとも、空気や燃料に含まれたり、点火源による燃焼の結果生じたりする非ガス粒子、すなわち固形粒子の一部を、通過させないようにすることができる。起動時の燃焼動作中、煤、すなわち炭化水素が不燃または不完全燃焼の結果生じた、炭素を主成分とする粒子が生成される。本発明にかかる装置は、燃焼器の作動によって燃焼器内で生じる煤の、大部分または全てを、燃焼器の後段に設けられたフィルタで吸着させる。起動用燃焼器が作動している間、起動用燃焼器は、空気と燃料の希薄混合気を導入することによって煤を効率的に燃焼させ、吸着した煤を減少させ、または除去する。ここで、「希薄混合気」または「過剰空気比率」は、燃料を完全燃焼させるために必要な空気量よりも多い空気量を有する混合気、またはこの混合気の燃料に対する空気の比率（対燃料空気比率）をいう。本実施の形態を実施するために適当な過剰空気比率は、約１．５〜約２．８である。これは、特定の炭化水素を完全燃焼させるために必要とされる空気量を超えた量である。フィルタ再生のために希薄混合気を用いることにより、起動用燃焼器は、フィルタ再生中でも、継続してシステムを加熱することができる。フィルタの再生は、in-situ処理により行われる。本発明の特徴の１つとして、フィルタが再生される。すなわち、燃料電池の起動時において、空気と燃料の希薄混合気を燃焼させることによって、フィルタで回収された煤が低減され除去される。煤の蓄積、及び煤除去の必要性は、起動用燃焼器の動作履歴、または、燃料量を示す、フィルタにおける圧力差の測定によって、間接的に定められる。本実施の形態では、起動用燃焼器は、燃焼器の燃焼空間の後段に連続して設けられた、１以上の連続するフィルタを備える。この一連のフィルタは、煤の回収性能に優れており、熱をより効率的に煤の燃焼に利用することができる。
【００２１】
本実施の形態の他の特徴として、上記システムによれば、燃焼器に吸気されるガスの対燃料空気比率、及び煤量の推定値または計測値等の値に基づいて、再生処理中にフィルタ後段の排気温度を予測することができる。フィルタ後段の排気温度が高すぎる場合、かかるシステムは、例えば排気に水分または空気を混ぜることによって、改質器の吸入口でのガス温度を下げることができる。好ましくは、改質器の温度は、改質器の触媒や改質器の他の構成部を劣化させる温度（例えば、約１０００℃）より低い方が良く、水性ガスシフト反応器（ＷＧＳ）の吸入口付近の温度は、反応器の性能を低下させる温度（例えば、約７００℃）より低い方が良い。
【００２２】
図１は、燃料電池システム（図示せず）に用いられるような起動用燃焼器の一例を示す。燃料電池は、車両推進用の電源として、車両（図示せず）に用いられる。燃料電池システムでは、炭化水素は、例えば改質処理及び選択酸化処理によって、燃料処理器内で処理され、体積またはモル単位で、比較的に高い水素含有量を有する改質ガスとなる。本発明の実施において、メタノール、エタノール、ガソリン、アルケンなどの脂肪族炭化水素または芳香族炭化水素（液体または気体）のような、改質可能な炭化水素燃料及び含水素燃料を含むあらゆる原料から水素を生成する手法が適用可能である。
【００２３】
本発明の１つの特徴は、燃料と空気の供給源と、空気と燃料の混合気に点火する機構と、燃料燃焼部の後段に設けられたフィルタと、混合気の調整を行う制御部とを備える起動用燃焼器であることを要旨とする。図１に示すように、起動用燃焼器１００は、燃料供給源１１０と、空気供給源１２０と、燃料の燃焼に用いられる点火源としてのグロープラグ１３０と、空気と燃料の混合気と燃料点火を調整する制御部１６０とを備える。燃焼は、グロープラグ１３０付近で行われる。燃焼空間の後段には、フィルタ１４０が設けられ、燃料空気供給源から導入されたり、燃料燃焼の結果生じたりする非気体（非ガス）成分を吸着または回収する。グロープラグ１３０（付近）にある燃焼空間と改質器１５０の間に、フィルタ１４０を設けることによって、本実施の形態では、有効に改質器に混入する煤を防止することができる。
【００２４】
本実施の形態では、燃料処理システムにおいて煤を集塵するあらゆるフィルタが採用され得る。フィルタは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、コーディエライト、及びセラミック繊維を含む材料及び構造のような良く知られた材料及び構造によって構成されても良い。好ましくは、フィルタは、有効直径が約１０〜１００μmの孔を有し、１０００度以上の耐熱性があると良い。１つの実施の形態として、図２は、本実施の形態に用いられるハニカムフィルタの構成を示している。起動時に、煤はフィルタ２００のハニカム壁に蓄積する。セラミック繊維製で不可逆熱膨張性を有するマット２６０は、燃焼チャンバ内のフィルタ芯を支持する。フィルタ芯は、例えばＳｉＣフィルタ芯である。円柱型のＳｉＣフィルタは、マット２６０で包まれている。マット２６０で覆われたＳｉＣフィルタは、燃焼チャンバ内に備え付けられ、最初の燃焼後に膨張したマット２６０によって支持される。この例では、ハニカムフィルタ２００は、多数の孔からなる多孔質材で構成されている。燃焼ガスは、連続する通路を通過する。吸気側通路は、交互に並ぶ２つのセルごとに１つ配置され、通路の後段端部はストッパ２２０で封止されている。フィルタを通過したガスは、通路２３０を通過する。排気側通路２３０は、交互に並ぶ２つのセルごとに、吸気側通路と異なるセルに１つ配置され、前段端部がストッパ２４０で封止されている。パーティション２５０の表面は、排気側通路２３０の側面に設けられた改質触媒を備えても良い。
【００２５】
炭化水素及び炭素を主成分とする粒子を含む燃焼ガスが、改質器に供給され、ハニカムフィルタ２００を通過するとき、ガスに含まれる煤が孔に集塵される。希薄混合気と接触することにより、回収された煤は、フィルタで燃焼し消失する。
【００２６】
本発明にかかる他の実施の形態では、図３に示すように、燃焼器に冷却器を備える。図３に示すように、燃料供給源３１０、空気供給源３２０、及びグロープラグ３３０は、フィルタ３４０の前段に設けられている。制御部３８０は、空気と燃料の混合気を調整し、点火を制御する。作動中、フィルタ３４０は、非ガス成分を回収する。非ガス成分は、燃料または空気の供給により吸入されたり、燃料の燃焼によって生成されたりする。また、フィルタ３４０は、後段に設けられた構成部（例えば、改質器３７０）に影響を与える煤を防止する。
【００２７】
所定の時間で、フィルタ３４０により回収された煤が減少または消失し、フィルタ３４０は再生される。一般的に、かかる処理は、発熱処理によって行われる。この発熱処理は、フィルタの排出口から排気される排気ガスを、改質器３７０内の触媒を劣化させ得る温度まで順次加熱することによって行われる。改質器に流入するガス流の温度を下げるために、フィルタを通過したガス流に、空気口３６０から空気を導入し、ガス流と混合させる。
【００２８】
他の実施の形態では、燃料システムは、フィルタの後段に設けられ、フィルタを通過したガス温度及び/または改質器の吸入口温度を検出する温度センサ（図示せず）を備える。
【００２９】
また、他の実施の形態では、図４に示すように、起動用燃焼器は、改質器に流入するガスの吸入口温度を下げるために、吸入口を通じて、水分を吸気ガスに導入する。図４に示すように、起動用燃焼器４００は、燃料を導入し、フィルタ４４０の前段で燃料を燃焼させるために、燃料源４１０と、空気源４２０と、グロープラグ４３０とを備える。制御部４８０は、混合気を調整し、点火装置の点火を制御する。かかる作動中、フィルタ４４０は、改質器４６０のような後段構成部に影響を与える煤を防止するために、燃料または空気の供給部から導入され、または燃料の燃焼により生成された非ガス成分を回収する。所定の時間で、フィルタ４４０に回収された煤などの非ガス成分は、低減もしくは消失し、フィルタ４４０が再生される。一般に、かかる処理は、発熱処理によって行われる。この発熱処理は、フィルタの排出口から排気される排気ガスを、改質器４６０内の触媒を劣化させ得る温度まで順次加熱することによって行われる。改質器に流入するガス流の温度を下げるために、水噴射器４５０によって水分を改質器４６０前段の燃焼ガスに導入する。
【００３０】
他の実施の形態では、図５に示すように、起動用燃焼器は、連続するフィルタを備える。図５に示すように、起動用燃焼器５００は、燃料を導入し、フィルタ５４０、５４２の前段で燃料を燃焼させるために、燃料源５１０と、空気源５２０と、グロープラグ５３０とを備える。制御部５８０は、混合気を調整し、点火装置の点火を制御する。かかる作動中、フィルタ５４０、５４２は、改質器５６０のような後段構成部に影響を与える煤を防止するために、燃料または空気の供給部から導入され、または燃料の燃焼により生成された非ガス成分を回収する。所定の時間で、フィルタ５４０、５４２に回収された煤などの非ガス成分は、低減もしくは消失し、フィルタ５４０、５４２が再生される。一般に、かかる処理は、発熱処理によって行われる。この発熱処理は、フィルタの排出口から排気される排気ガスを、改質器５６０内の触媒を劣化させ得る温度まで順次加熱することによって行われる。改質器に流入するガス流の温度を下げるために、水噴射器５５０によって水分を改質器５６０前段の燃焼ガスに導入する。
【００３１】
他の実施形態では、図６に示すように、起動用燃焼器は、他の構成部も含むフィルタ全域の圧力差を計測する圧力計（差圧計）を備える。図６に示すように、起動用燃焼器６００は、燃料を導入し、フィルタ６４０の前段で燃料を燃焼させるために、燃料源６１０と、空気源６２０と、グロープラグ６３０とを備える。制御部６９０は、混合気を調整し、点火装置の点火を制御する。かかる作動中、フィルタ６４０は、改質器６８０のような後段構成部に影響を与える煤を防止するために、燃料または空気の供給部から導入され、または燃料の燃焼により生成された非ガス成分を回収する。フィルタ６４０から流出するガスを冷却するために、空気口６６０及び冷却チャンバ６７０が、必要に応じて備えられる。かかる実施の形態では、圧力計６５０により、生成される煤量及びフィルタが劣化するまでの時間が計測される。圧力計６５０は、フィルタ６４０の前後での圧力差を算出する。図７に示すように、フィルタに蓄積する煤量は、フィルタでの圧力損失が大きいほど、増加する傾向にある。また、フィルタに蓄積する煤に応じて、圧力差が指数関数的に増加することが分る。このグラフは、圧力損失とフィルタに蓄積する煤レベルの相関関係を実験結果に基づき表したものであり、かかるグラフを用いて、フィルタを劣化させるのに必要とされる所定の圧力損失値が決定される。
【００３２】
圧力の計測と交互に、または同時に、フィルタに蓄積する煤の推定量が決定される。煤の推定量は、空気流量及び/または燃料流量、起動燃焼時間、起動燃焼動作数などの変数を予めテストすることにより、決定される。例として、図８に空気流量と燃料流量に基づいた、煤のディスチャージマップを示す。
【００３３】
燃焼器の作動位置及び作動時間に基づいて、燃料処理システムを制御するコンピュータが、燃焼器から生成しフィルタに集塵される煤の量を算出する。算出された煤量が所定値を超える場合に、フィルタの再生処理が行われる。煤量がこの所定値に達すると、フィルタ６４０に回収された煤が減少または消失し、フィルタ６４０は再生される。かかる処理では、過剰空気を燃焼器に導入することにより、燃料が燃焼し、回収された煤が酸化（燃焼）する。空気と燃料の希薄混合気が煤の燃焼に用いられるため、燃焼器は、フィルタを再生するとともに、フィルタ再生中に後段の構成部を暖機することもできる。起動用燃焼器は、集塵された煤を希薄燃料の燃焼により燃焼または消失させることで、フィルタを再生させるように作用する。例えば、フィルタ再生の際、空気圧縮機は燃焼器に導入される空気の量を制御し、燃料噴出器は燃焼器に導入される燃料の量を制御し、コンピュータは、空気圧縮機の回転速度及び燃料噴出器のパルス幅を、作動条件に応じて制御するようにプログラムされている。それぞれの制御変数は、予めの実験によって設定され、再生動作中にフィルタを再生する過剰空気比率が導かれる。
【００３４】
本実施の形態では、約１．５〜約２．５の過剰空気比率が用いられている。燃料量に対して空気量が３倍を超えると、フィルタの吸入口でのガス温度は約９００℃になるといわれており、この温度は本例の通常動作に必要とされる温度である。約２．５の空気比率では、フィルタの吸入口でのガス温度は約１０００℃になり、約２．０の空気比率では、フィルタの吸入口でのガス温度は約１２００℃になり、約１．５の空気比率では、フィルタの吸入口でのガス温度は約１５００℃になる。過剰空気比率は、式λa/λ0で表される。ここで、λ0は完全燃焼状態における空気と燃料の質量比（空気の質量/燃料の質量）であり、λaは実際の燃焼状態における空気と燃料の質量比である。フィルタ温度を上げることにより、煤除去の効果が向上することが知られている。一般に、フィルタの再生は、蓄積した煤を燃焼させることにより行われる。フィルタの再生は、発熱による処理で行われ、更には、フィルタの排出口から排気される排気ガスを、改質器６８０内の触媒を劣化させ得る温度まで加熱することによって行われる。上昇温度は、蓄積された煤の量の関数で表され、テストによって推定できる。図９は、所定の過剰空気比率に応じて、所定の煤量に起因する期待温度が増加する様子を示したチャート図である。図９によると、空気比率が高くなれば、燃焼ガスの温度が全体的に下がることが分る。このように、空気流、ガス流、蓄積煤量、及びフィルタ排気ガス温度の関係は、所定の燃焼器の雛型をテストすることにより、予測できる。これらの入力変数は、フィルタの再生に必要とされる、または改質器に吸気されるフィルタ排気ガスの冷却に必要とされる閾値を決定するために、燃焼動作の際に用いられる。
【００３５】
フィルタを備える燃焼器の動作は、図１０に示すフロー図に表される。当業者によれば、かかる動作を、最適結果を得るためにコンピュータ制御することができる。
【００３６】
図１０に示すように、起動動作は、ステップＳ１から開始する。ステップＳ２で、燃料と空気が起動用燃焼器に供給され、起動用燃焼器で燃料が燃焼することにより、システムが暖機され、フィルタに集塵される煤が生成される。ステップＳ３で、回収された煤の量が推定され、またはモニタリングされる。これらの値は、圧力計を使用することによって、及び/またはシステムへの入力変数の値を求めることによって、決定される。フィルタに蓄積した煤が所定の耐用レベル（例えば、約５グラム）に達し、または超えると、フィルタは再生される。ステップＳ４では、フィルタの再生が必要か否かを決定するために、変数が判断される。所定の値は、予め設定される。例えば、フィルタ全域の圧力損失をモニタリングすることにより所定の値が設定され、設定された値に達した場合に、再生が適切に行われる。耐用レベルは、プロトタイプをテストすることにより決定される。プロトタイプでは、フィルタ内の煤量が、適切に設置された圧力計からの信号に対して相対的に計測される。
【００３７】
ステップＳ４において、フィルタ再生が必要であると判断された場合、フィルタは、過剰空気比率での燃焼により、再生される。過剰空気比率では、フィルタ排気ガス温度が順次上昇する傾向にある。かかる温度上昇をオフセットするために、ステップＳ５ａ，ｂにおいて、フィルタ排気ガスの温度を推定する。これは、排気ガス温度を直接測定してもよいし、燃焼器に導入される空気と燃料の比率のような、空気システムに対する入力変数に基づいて推定してもよい。システムは、ステップＳ５ａにおいて、フィルタ排気ガス温度を適切なレベルまで下げるために必要とされる冷却源の流量を決定し、ステップＳ６ａにおいて、冷却源を調節する。
【００３８】
本発明の実施の形態では、システムは、フィルタ再生中の燃焼器に導入される空気と燃料の比率に基づいて、冷却源の必要流量を決定する。例えば、図９は、過剰空気比率と、煤の蓄積量と、期待フィルタ排気ガス温度の関係を示す。プロトタイプをテストすることにより、かかる関係が精緻化され、期待フィルタ排気ガス温度及び必要とされる冷却流量が算出される。ステップＳ４で、フィルタ再生が不要と判断された場合、システムは、適切なフィルタ排気ガス温度までガス温度を下げたり、適切なフィルタ排気ガス温度を維持したりするために、ステップＳ５ｂにおいて冷却源の流量を推定し、ステップＳ６ｂにおいて必要な調整を行う。本発明の実施の形態において、通常の起動時燃焼、すなわちフィルタ再生が不要な場合は、システムは、改質器前段のフィルタからの排気ガスに空気を導入することにより、適切な排気ガス温度を約９００℃付近で維持する。
【００３９】
ステップＳ５ａ，Ｓ６ａにおける冷却源流量の決定及び調整に加え、ステップＳ７において、システムは、フィルタ再生の際、フィルタに蓄積した煤を燃焼させ減少させるために、過剰空気比率を調整する。例えば、通常動作の際には、燃焼器を過剰空気比率が約３で動作させ、  フィルタを再生させる際には、煤を燃焼させ消失させるために、過剰空気比率を２に低下させればよい。この処理によれば、燃焼器の加熱作用を妨げることなく、フィルタが再生される。つまり、燃焼器がシステムに熱源を継続して供給しつつ、フィルタを再生することができる。
【００４０】
ステップＳ８において、システムが暖機されるために必要な時間が経過したか否かが判断される。本実施の形態では、暖機に必要な時間は、試験所での試験などにより予め設定され、定期の期間が測定される。燃焼ガスや後段の構成部（例えば、選択酸化反応器のような燃料処理システムの構成部）の温度をモニタリングすることにより、システムが所定の温度に達したか否かを判断してもよい。所定の時間が経過していない場合は、ステップＳ２へ進む。
【００４１】
所定の時間が経過した場合は、ステップＳ９において、ステップＳ３で決定された値を記録し、ステップＳ１０において、通常動作へ移行する。ステップＳ３での値の記録すれば、燃焼動作中に生成される煤量を測定でき、記録された値をコンピュータに入力することにより、異常動作を検出してユーザに警告したり、非常時に動作を停止させたりすることもできる。
【００４２】
以下の実施例で、実例について言及する。
【００４３】
（実施例１）
本実施例では、ガソリンが炭化水素燃料として用いられる。燃料処理触媒システムは、改質器、水性ガスシフト反応器（ＷＧＳ）、及び選択一酸化炭素（ＣＯ）除去反応器（選択酸素反応器）を備える。起動時に燃料処理システムを暖機するために、燃料と空気が、起動用燃焼器のミキサに導入され、混合され、グロープラグにより燃料が燃焼する。このため、空気と燃料の噴射比率は、過剰空気比率が３となり、改質器前段のガス温度が概ね９００℃になるように設定される。
【００４４】
この後、燃料の燃焼中に少量の煤が生成される。しかし、燃焼空間の最後段にフィルタが設けられているため、起動時の燃焼ガスに含まれる煤は吸着され除去される。起動時の燃焼ガスは、改質器の温度を上昇させるために供給されるものである。
【００４５】
フィルタは、１０００℃以上の耐熱性を有する素材（例えば、ＳｉＣ，コーディエライト，セラミック繊維）により構成され、好ましくは、有効直径が約１０〜１００μmの孔を有する。本実施例では、ＳｉＣフィルタ（０．５Ｌ）が用いられ、このフィルタは、約２．５μmの孔を備えた、モノリシックＳｉＣのハニカム構造により構成されており、交互に端部が塞がれた通路を備える。
【００４６】
起動時には、起動用燃焼器側のＳｉＣハニカム壁に煤が蓄積し、同時に、起動用の燃焼ガスに含まれる酸素によって、煤が燃焼する。一時的な煤の燃焼量は、このときのＳｉＣハニカム壁の煤量によって決定される。燃焼ガスの流量が一定である場合、蓄積した煤量が増加すればするほど、燃焼する煤量も増加し、フィルタ排気ガス温度も上昇する。反対に、ＳｉＣハニカム壁の煤量が少量であれば、煤の燃焼量は少なく、フィルタ排気ガス温度の上昇も最小限にとどまる。
【００４７】
この結果、フィルタ排気ガス温度が９００℃の燃焼ガス温度を超えることがある。本実施例では、改質器の耐熱限界温度は、９５０℃である。このような場合、フィルタ排気ガス温度が改質器の限界温度を超えるおそれがあると、後段でガスが第２空気と混合される。第２空気は、噴霧器から導入され、燃焼器壁に沿った旋回流となって、燃焼ガスと混合される。第２空気の流量は、フィルタ排気ガス温度とガス流量に従って調整され、改質器の吸入口でのガス温度が概ね９００℃に維持されるようにする。
【００４８】
更に、煤の増加によりフィルタ孔が詰まるので、煤の蓄積量が所定量に達した場合、フィルタの煤を燃焼させ消失させる。この場合、フィルタ排気ガス温度が上昇するため、第２空気の流量をフィルタ排気ガス温度とガス流量に従って調整し、改質器の吸入口でのガス温度が約９００℃になるようにする。
【００４９】
（実施例２）
単位時間あたりの煤生成量に基づいて、煤の蓄積量が算出されることを除けば、実施例２は実施例１と同様である。前回の起動時における煤蓄積量をベースラインとしたテストにより、煤の蓄積量が設定される。
【００５０】
（実施例３）
水噴射で冷却することにより、フィルタ排気ガスのガス温度を調整することを除けば、実施例３は実施例１と同様である。
【００５１】
（実施例４）
２段フィルタが燃焼器とともに用いられていることを除けば、実施例４は実施例１と同様である。
【００５２】
好ましい実施の形態に関して本発明を説明したが、本発明は、これらの実施の形態から当業者が明らかに想到し得る形態の全てを含む。すなわち、本発明は上述の実施の形態または実施例に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に関する起動用燃焼器の一例を示した図である。
【図２】本発明に関するフィルタの一例を示した図である。
【図３】本発明に関する起動用燃焼器の他の一例を示した図である。
【図４】本発明に関する起動用燃焼器の更に他の一例を示した図である。
【図５】本発明に関する起動用燃焼器の更に他の一例を示した図である。
【図６】本発明に関する起動用燃焼器の更に他の一例を示した図である。
【図７】燃焼器後段のフィルタにおける圧力損失とフィルタに蓄積される煤量との関係を示したチャートである。
【図８】燃料流量と、空気流量と、燃焼時に生成される煤の期待レベルとの関係を示したチャートである。
【図９】期待フィルタ排気ガス温度と所定の過剰空気比率での煤量との関係を示したチャートである。
【図１０】燃焼器内での燃料燃焼中に、フィルタに蓄積する煤を回収し除去する動作を示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００５４】
１００，４００，５００，６００  起動用燃焼器
１１０，３１０  燃料供給源
１２０，３２０  空気供給源
１３０，３３０，４３０，５３０，６３０  グロープラグ
１４０，２００，３４０，４４０，５４０，６４０  フィルタ
１５０，３７０，４６０，５６０，６８０  改質器
１６０，３８０，４８０，５８０，６９０  制御部
２２０，２４０  ストッパ
２５０  パーティション
２６０  マット  
４１０，５１０，６１０  燃料源
４２０，５２０，６２０  空気源
４５０，５５０  水噴射器  
６５０  圧力計
６７０  冷却チャンバ
【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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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
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