(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料および水蒸気から改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器に原燃料を供給する燃料供給手段と、  
前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
前記燃料供給手段による原燃料の供給を制御する制御部と、
を備える燃料改質装置であって、
前記水蒸気供給手段は、
前記改質器に供給する水蒸気を生成する水蒸気供給部と、
前記水蒸気供給部内の水の温度を検知する第１温度検知手段と、
を備え、
前記制御部は、前記第１温度検知手段により検知される温度に応じて原燃料の供給を制御し、
前記水蒸気供給部は、
非過熱蒸気を生成する第１加熱部と、
前記第１加熱部により生成された非過熱蒸気から過熱蒸気を生成すると共に、生成された過熱蒸気を前記改質器へと供給する第２加熱部と、
を備え、
前記第１加熱部から前記第２加熱部へと供給される非過熱蒸気が流通する経路上に前記第１温度検知手段が設けられており、
前記改質器は、
触媒を含み、原燃料と水蒸気を反応させる反応部と、
前記反応部を加熱するための燃焼部と、
前記反応部の温度を検知する第２温度検知手段と、
を備え、
前記第２温度検知手段により検知された温度が、触媒反応時に未反応物質および副生成物の発生が抑制されるのに必要な温度を超え、かつ
前記第１温度検知手段により検知された温度が、水の沸点を超えて上昇を続け、前記第１温度検知手段により検知される温度の単位時間当たりの変化量が正から負または正からゼロに変化した後に、当該温度が改質水の突沸が生じない温度範囲に該当する場合、
前記制御部は、前記燃料供給手段による原燃料の供給を開始させることを特徴とする燃料
改質装置。
【請求項２】
前記第１温度検知手段により検知された温度が、改質水の突沸が生じない温度範囲を高温側に超えている場合、
前記制御部は、前記水蒸気供給手段により供給する改質水の流量を増加させることにより、当該温度を低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項３】
前記第１温度検知手段により検知された温度が、前記燃焼部の排熱で加熱された改質水の突沸が生じない温度範囲を高温側に超えている場合、
前記制御部は、前記燃焼部による加熱を抑制することにより、当該温度を低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項４】
前記改質器により生成された改質ガスに含まれる不要生成物を低減する不要生成物処理部と、
前記不要生成物処理部内の触媒を加熱するための第３加熱部と、
をさらに備え、
前記第１温度検知手段により検知された温度が、前記第３加熱部の熱で加熱された改質水の突沸が生じない温度範囲を高温側に超えている場合、
前記制御部は、前記第３加熱部による加熱を抑制することにより、当該温度を低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項５】
前記改質水の突沸が生じない温度範囲が９０℃以上１２０℃以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原燃料を、燃料電池において使用される改質ガスに改質する燃料電池用の燃料改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、水素が有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発生する。実用的には固体高分子形燃料電池の燃料となる水素は、比較的容易かつ安価に入手可能な天然ガス、ナフサ等の炭化水素系ガスまたはメタノール等のアルコール類の原燃料ガスと水蒸気とを混合して、燃料改質装置で改質することにより得られる。改質により得られた水素ガスは燃料電池の燃料極に供給され、発電に用いられる。
【０００３】
改質の過程では、まず、バーナーの加熱により改質用の触媒温度が４００〜６００℃に達してから、改質に必要な水蒸気となる改質水を供給する。更なる加熱により改質用触媒温度が６００〜７００℃に達した後、原燃料が供給され、改質が開始される。
【特許文献１】特開２００５−１５８４２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
改質を一旦停止させた後、改質を再度開始させる場合、燃料改質装置が十分に冷えていることが必要である。十分に冷えていない場合、供給される改質水が燃料改質装置内の余熱によって突沸を起こし、供給される水蒸気の量が不安定になる。こうした状態で改質を行うと、改質水と原燃料の比率を表すＳ／Ｃ（スチーム／カーボン）比が低下し、改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度が大幅に上昇する。一酸化炭素の濃度が高い改質ガスが燃料電池の燃料極に供給されると、一酸化炭素が燃料極の触媒粒子に付着し、触媒の機能を低下させる。
【０００５】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、改質開始後の改質水の突沸を抑制することで、改質ガス内の一酸化炭素濃度を低減できる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様は、燃料改質装置である。当該燃料改質装置は、原燃料および水蒸気から改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に原燃料を供給する燃料供給手段と、前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記燃料供給手段による原燃料の供給を制御する制御部と、を備える燃料改質装置であって、前記水蒸気供給手段は、前記改質器に供給する水蒸気を生成する水蒸気供給部と、前記水蒸気供給部内の水の温度を検知する第１温度検知手段と、を備え、前記制御部は、前記第１温度検知手段により検知される温度に応じて原燃料の供給を制御し、前記水蒸気供給部は、非過熱蒸気を生成する第１加熱部と、前記第１加熱部により生成された非過熱蒸気から過熱蒸気を生成すると共に、生成された過熱蒸気を前記改質器へと供給する第２加熱部と、を備え、前記第１加熱部から前記第２加熱部へと供給される非過熱蒸気が流通する経路上に前記第１温度検知手段が設けられており、前記改質器は、触媒を含み、原燃料と水蒸気を反応させる反応部と、前記反応部を加熱するための燃焼部と、前記反応部の温度を検知する第２温度検知手段と、を備え、前記第２温度検知手段により検知された温度が、触媒反応時に未反応物質および副生成物の発生が抑制されるのに必要な温度を超え、かつ前記第１温度検知手段により検知された温度が、水の沸点を超えて上昇を続け、前記第１温度検知手段により検知される温度の単位時間当たりの変化量が正から負または正からゼロに変化した後に、当該温度が改質水の突沸が生じない温度範囲に該当する場合、前記制御部は、前記燃料供給手段による原燃料の供給を開始させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、改質開始後の改質水の突沸を抑制することで、改質ガス内の一酸化炭素濃度を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【０００９】
図１は、燃料改質装置１００を模式的に示すブロック図である。当該燃料改質装置１００は、原燃料及び水蒸気から改質ガスを生成する改質器２００と、改質器２００に原燃料を供給する燃料供給手段と、改質器２００に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、制御部９００とを備える。制御部９００は、主に燃料供給手段による原燃料の供給を制御するが、燃料改質装置１００内のその他の部材をも制御することができる。
【００１０】
改質器２００は、供給された原燃料と水蒸気を反応させる反応部２２０と、反応部２２０を加熱するためのバーナー２３０と、反応部２２０の温度を測定するための温度計２１０とを備える。反応部２２０には原燃料と水蒸気を反応させる際の触媒が含まれる。バーナー２３０では、図示しない燃料電池で消費されなかった改質ガスが燃焼されてもよい。
【００１１】
燃料供給手段は、原燃料源３００と、脱硫器３１０とを備える。原燃料源３００は、改質される前の燃料である原燃料を改質器２００に供給する。原燃料源３００は、原燃料である炭化水素系ガス等を内部に含むガスボンベのような形態であってもよいし、都市ガスを供給源としてガス管と接続されることにより原燃料を供給してもよい。脱硫器３１０は、原燃料に含まれる硫黄化合物を除去するために使用される。原燃料は、脱硫器３１０を通過した後、絞り４２０を通過した水蒸気と混合されて、改質器２００に供給される。原燃料源３００と脱硫器３１０の間には、図示しないポンプ、流量計、弁等の制御部材が設けられている。なお、図１において、燃料の移動は二重線によって示される。
【００１２】
水蒸気供給手段は、改質器２００に供給する水蒸気を生成する水蒸気供給部と、当該水蒸気供給部内の水の温度を検知する温度計４３０と、水タンク８００から供給される水の流量を測定する流量計８２０とを備える。水蒸気供給部は水タンク８００、ポンプ８１０、蒸発器７００、蒸発器６１０、蒸発器５１０、過熱蒸気発生部４００、フィルタ４１０及び絞り４２０を備える。
【００１３】
水タンク８００には、図示しない燃料電池から回収された水が貯えられている。回収された水はイオン交換樹脂により濾過された上で水タンク８００に収容される。水タンク８００内の水が不足した場合には外部から供給される。ポンプ８１０は、水タンク８００内の水を蒸発器７００へと供給する。流量計８２０は、水タンク８００から供給される流量を調整するために使用される。制御部９００は、流量計８２０により測定された値を参照し、改質に必要な水量をポンプ８１０を制御することにより調整する。なお、図１において、水及び水蒸気の移動は破線によって示される。
【００１４】
流量計８２０を通過した水は蒸発器７００により約１００℃へと加熱され、気体と液体が併存する沸騰状態となる。蒸発器７００は熱交換器を含み、バーナー２３０により加熱された気体であって改質器２００から排出された気体の熱が当該熱交換器により水へと供給される。蒸発器７００を通過した気体は、燃料改質装置１００の外部へと排出される。なお、図１において、改質器２００から排出された気体の移動は三重線によって示される。
【００１５】
蒸発器７００を通過した沸騰状態の水は、蒸発器６１０によりさらに加熱される。蒸発器６１０も熱交換器を含み、ＣＯ除去器６００で発生する熱が当該熱交換器により沸騰状態の水へと供給される。蒸発器６１０を通過した沸騰状態の水は、蒸発器５１０によりさらに加熱される。蒸発器５１０も熱交換器を含み、ＣＯ変成器５００で発生する熱が当該熱交換器により沸騰状態の水へと供給される。蒸発器６１０と蒸発器５１０を通過した水はまだ沸騰状態であり、２つの蒸発器により供給される熱は潜熱として沸騰状態の水に吸収される。
【００１６】
蒸発器５１０を通過した沸騰状態の水は、過熱蒸気発生部４００によりさらに加熱される。過熱蒸気発生部４００による過熱によって気体と液体が併存する沸騰状態の水は、気体のみが存在する過熱蒸気となる。つまり、過熱蒸気は水の沸点を超える温度になった蒸気のことをいう。過熱蒸気発生部４００も熱交換器を含み、改質器２００により改質された改質ガスの熱が当該熱交換器により沸騰状態の水へと供給され、過熱蒸気が生成される。過熱蒸気発生部４００から送り出される過熱蒸気は１５０℃以上である。
【００１７】
蒸発器５１０と過熱蒸気発生部４００との間には温度計４３０が設けられている。温度計４３０は、蒸発器５１０から過熱蒸気発生部４００へと供給される沸騰状態の水の温度を測定する。水蒸気供給手段が改質器２００に安定的に水蒸気を供給するためには、図１に示すように複数の蒸発器及び過熱蒸気発生部４００により段階的に水を加熱することが好適である。極端な高温加熱によって水から加熱蒸気を急激に生成する場合、水は、突然激しく沸騰する突沸状態となり、改質器２００に供給される水蒸気の量が不安定となるためである。蒸発器７００、蒸発器６１０および蒸発器５１０（第１加熱部）では、過熱蒸気ではない非過熱蒸気が加熱により生成され、過熱蒸気発生部４００（第２加熱部）は、これらの蒸発器により生成された非過熱蒸気から過熱蒸気を加熱により生成する。
【００１８】
温度計４３０は、蒸発器５１０から供給される水が沸点を超えていないことを確認するべく水の温度を測定する。温度計４３０の位置は、蒸発器５１０と過熱蒸気発生部４００を結ぶ配管に設けられるのが望ましい。蒸発器５１０および過熱蒸気発生部４００の内部に含まれる熱交換器による影響を低減するためである。
【００１９】
過熱蒸気発生部４００により生成された過熱蒸気はフィルタ４１０を通過する。フィルタ４１０の内部にはメッシュ状のＳＵＳが三次元的に配置されている。完全に気化していない水蒸気が存在する場合、フィルタ４１０により捕捉される。フィルタ４１０を経由した過熱蒸気は絞り４２０を通過し、脱硫器３１０を通過した原燃料と共に改質器２００へと供給される。絞り４２０は、通過する過熱蒸気の抵抗として機能する。改質器２００に供給される過熱蒸気の供給量を絞り４２０によって安定させることができる。
【００２０】
反応部２２０で改質された改質ガスは改質器２００から過熱蒸気発生部４００へと向かう。なお、図１において、改質ガスの移動は実線によって示される。過熱蒸気発生部４００に達する改質ガスの温度は４００〜５００℃であり、過熱蒸気発生部４００内の熱交換器を通して熱が供給される。また、バーナー２３０により加熱された気体は改質器２００から排出される。排出された気体は蒸発器７００へと向かい、蒸発器７００内の熱交換器を通して熱を供給する。図１では改質器２００から排出された気体は直接蒸発器７００へと向かうが、過熱蒸気発生部４００を経由して熱を供給してから蒸発器７００へと向かってもよい。
【００２１】
過熱蒸気発生部４００を通過した改質ガスはＣＯ変成器５００へと向かう。ＣＯ変成器５００は、改質器２００により生成された改質ガスに含まれる不要生成物である一酸化炭素を低減する。ＣＯ変成器５００では改質ガス中の一酸化炭素濃度を低下させるため、一酸化炭素と水と反応させ二酸化炭素と水素を生成する。ＣＯ変成器５００で行われる反応は発熱反応であるが、反応を開始する際には熱が必要である。そのために必要な熱はヒーター５２０（第３加熱部）により供給され、ヒーター５２０はＣＯ変成器５００内の触媒を加熱する。ＣＯ変成器５００での反応熱とヒーター５２０からの熱は、蒸発器５１０内の熱交換器を通して沸騰状態の水に供給される。
【００２２】
ＣＯ変成器５００を通過した改質ガスはＣＯ除去器６００へと向かう。ＣＯ除去器６００も同様に、改質器２００により生成された改質ガスに含まれる不要生成物である一酸化炭素を低減する。つまり、ＣＯ変成器５００とＣＯ除去器６００は燃料改質装置１００内において不要生成物処理を担当する。改質ガス内の一酸化炭素濃度はＣＯ変成器５００により低減されるが、燃料電池で燃料として使用するには一酸化炭素の濃度をさらに低下させる必要がある。ＣＯ除去器６００では一酸化炭素と酸素とを反応させて二酸化炭素を生成することにより、使用可能な水準まで一酸化炭素濃度を低減する。ＣＯ除去器６００で行われる反応は発熱反応であるが、反応開始する際には熱が必要である。そのために必要な熱はヒーター６２０により供給され、ヒーター６２０はＣＯ除去器６００内の触媒を加熱する。ＣＯ除去器６００での反応熱とヒーター６２０からの熱は、蒸発器６１０内の熱交換器を通して沸騰状態の水に供給される。
【００２３】
ＣＯ除去器６００を通過した改質ガスは、燃料改質装置１００の外部にある燃料電池の燃料極へと供給される。
【００２４】
図２は、燃料改質装置１００の通常時の起動シーケンスを示すフローチャートである。燃料改質装置１００が起動されると、改質器２００内のバーナー２３０が反応部２２０の加熱を開始する。さらにＣＯ変成器５００内のヒーター５２０、ＣＯ除去器６００内のヒーター６２０も加熱を開始する。制御部９００は、反応部２２０の温度を測定する温度計２１０の測定値を監視する。測定値が５００℃未満の場合（Ｓ１０のＮ）、制御部９００は測定値の監視を続ける。温度計２１０の測定値が５００℃以上になると（Ｓ１０のＹ）、制御部９００はポンプ８１０を起動させ、水タンク８００から改質水の供給を開始させる（Ｓ１２）。
【００２５】
改質水の供給が開始された後も制御部９００は温度計２１０の測定値を監視する。測定値が６００℃未満の場合（Ｓ１４のＮ）、制御部９００は測定値の監視を続ける。温度計２１０の測定値が６００℃以上になると（Ｓ１４のＹ）、制御部９００は原燃料源３００から原燃料の供給を開始させる（Ｓ１６）。これにより、改質器２００では、原燃料と水蒸気による改質が行われる。
【００２６】
図３は、起動シーケンスにおける温度計２１０及び温度計４３０の温度変化を模式的に示すグラフである。図３を用いて図２の起動シーケンスを説明する。図２において説明した通常時の起動シーケンスは図３において破線で示される。
【００２７】
燃料改質装置１００が起動されるとバーナー２３０により反応部２２０の加熱が開始されるため、温度計２１０の測定値が上昇し始める。燃料改質装置１００の起動開始から時間ｔ３が経過した時点で温度計２１０の測定値は５００℃に達する。図２のＳ１２で示されるように水タンク８００から改質水の供給が開始される。
【００２８】
改質水の供給開始に伴い、時間ｔ３後、温度計４３０の測定値は約１００℃まで急速に上昇する。時間ｔ３以前の温度計４３０の測定値が低い値で推移しているのは、まだ改質水が供給されていないため、温度計４３０は過熱蒸気発生部４００と蒸発器５１０を繋ぐ配管の温度を測定しているにすぎないからである。
【００２９】
温度計２１０の測定値は時間ｔ３以後も上昇を続け、時間ｔ４に６００度に達する。図２のＳ１６で示されるように原燃料源３００から原燃料が供給され、改質器２００で改質が開始される。温度計２１０の測定値が時間ｔ４以後も６００℃を超えた状態で安定しているのは、６００℃を下回らないように制御部９００によりバーナー２３０の加熱が調整されているためである。６００℃を下回った状態で改質が行われると、反応部２２０内での触媒反応時に未反応物質および副生成物が発生するためである。ここでの未反応物質とは原燃料であり、副生成物には二酸化炭素、原燃料よりも炭素数が少ない炭化水素、炭素（カーボン）などが含まれる。
【００３０】
温度計４３０の測定値は、時間ｔ３以後、１００℃前後で安定している。時間ｔ３からｔ４まで供給される改質水は蒸発器７００による加熱、ヒーター６２０の熱による蒸発器６１０での加熱、ヒーター５２０の熱による蒸発器５１０での加熱を経て、温度計４３０の位置では沸騰状態の水となる。そのため、時間ｔ３からｔ４で温度計４３０の測定値は１００℃前後の値で推移する。
【００３１】
一方、時間ｔ４以後は改質が開始されるため、改質水は蒸発器７００による加熱、ＣＯ除去器６００での反応熱による蒸発器６１０での加熱、ＣＯ変成器５００での反応熱による蒸発器５１０での加熱を経て、温度計４３０の位置で沸騰状態の水となる。その結果、時間ｔ３からｔ４と同様に温度計４３０の測定値は１００℃前後で推移する。
【００３２】
次に、ホットスタート時の燃料改質装置１００の起動について説明する。ホットスタートとは、燃料改質装置１００を停止させた後、蒸発器７００、蒸発器６１０及び蒸発器５１０内に余熱が存在する状態で燃料改質装置１００を再度起動させることをいう。一方、図２で説明した通常時の起動とは、燃料改質装置１００の停止後、蒸発器７００、蒸発器６１０及び蒸発器５１０が十分に冷やされ、これらの蒸発器内に余熱が存在しない状態で燃料改質装置１００を起動させるこという。
【００３３】
ホットスタート時の起動は図３において実線で示される。ホットスタートの場合、反応部２２０内にも余熱が残っているため、起動の際の温度計２１０の測定値が通常時に比べて高い。その後、通常時の時間ｔ３よりも早い時間ｔ１において温度計２１０の測定値が５００℃に達する。制御部９００は改質水の供給を開始させる。これにより、温度計４３０の測定値も上昇し始める。
【００３４】
ホットスタートの場合、温度計２１０の測定値が５００℃を超えてから６００℃に達するまでの時間が短く、時間ｔ２で６００℃に達する。この時点で温度計４３０の測定値はまだ上昇を続けており、通常時のように１００℃前後の値で推移していない。これは蒸発器７００、蒸発器６１０及び蒸発器５１０内に存在する余熱によって、改質水が急激に加熱されるためである。そのため、時間ｔ２後も温度計４３０の測定値はしばらく上昇を続ける。
【００３５】
温度計４３０の測定値が１００℃前後で推移する前に１００℃を超えて上昇を続けるのは、通常時と異なり、供給される改質水が過熱蒸気発生部４００に達する前に加熱蒸気となっているからである。通常時であれば複数の蒸発器により改質水は段階的に加熱され、過熱蒸気発生部４００において過熱蒸気が生成されるが、ホットスタート時の起動では余熱により複数の蒸発器のいずれかにおいて過熱蒸気が発生している。そのため、温度計４３０が水の沸点を超えて上昇を続ける。
【００３６】
通常時のように改質水が徐々に加熱され、昇温される場合、改質水は改質器２００に安定的に供給される。しかし、ホットスタート時のように改質水が急激に加熱されると、改質水は突沸を起こし、改質器２００に供給される過熱蒸気の量が不安定になる。その結果、改質ガス内の一酸化炭素濃度が大幅に上昇する。よって、ホットスタート時の起動においても過熱蒸気を改質器２００に安定的に供給する必要がある。
【００３７】
図４は、ホットスタート時の問題を考慮した燃料改質装置１００の起動シーケンスを示すフローチャートである。燃料改質装置１００が起動されると、制御部９００は、温度計２１０の測定値を監視する。測定値が５００℃未満の場合（Ｓ１８のＮ）、制御部９００は測定値の監視を続ける。温度計２１０の測定値が５００℃以上になると（Ｓ１８のＹ）、制御部９００はポンプ８１０を起動させ、改質水の供給を開始させる（Ｓ２０）。ここまでは、通常時の起動シーケンスと同様である。
【００３８】
改質水の突沸が生じないためには、温度計４３０の測定値が９０℃以上１２０℃以下に該当すればよい。温度計４３０の測定値が１００℃前後で推移していれば、温度計４３０を通過する改質水は沸騰状態であり、複数の蒸発器のいずれにおいても改質水が過熱蒸気となるような急激な加熱が行われていないからである。１気圧下において水の沸点は１００℃であるが、燃料改質装置１００が使用される環境の変化を考慮して設定値に幅を持たせるために温度範囲を９０℃以上１２０℃以下に設定している。
【００３９】
しかし、ホットスタート時の起動では温度計２１０の測定値が５００℃を超えた後、温度計４３０の測定値が１００℃前後で推移する前に９０℃以上１２０℃以下の範囲に該当する場合がある。例えば、図３において時間ｔ１で温度計２１０の測定値が５００℃に達した後、温度計４３０の測定値は上昇を続け、時間ｔ２の手前で９０℃以上１２０℃以下の範囲に該当する。これは温度計４３０の測定値が１００℃前後で推移しているためではなく、蒸発器内の余熱により当該測定値が上昇を続けているためである。
【００４０】
こうした場合にも対応するため、温度計４３０の測定値の単位時間当たりの変化量（すなわち図３のグラフにおける傾き）が正から負または正からゼロへと変化（Ｓ２１のＹ）した後に、制御部９００は、温度計４３０の測定値が９０℃以上１２０℃以下の範囲に該当するか否かを判定する（Ｓ２２）。なお、当該変化量が正から負または正からゼロへと変化していない場合（Ｓ２１のＮ）、制御部９００は当該変化量の監視を続ける。
【００４１】
温度計４３０の測定値がその範囲に該当しない場合（Ｓ２２のＮ）、制御部９００は温度計４３０の測定値の監視を続ける。温度計４３０の測定値がその範囲に該当する場合（Ｓ２２のＹ）、制御部９００は温度計２１０の測定値が６００℃以上であることを確認し（Ｓ２４のＹ）、原燃料の供給を開始させる（Ｓ２６）。こうした手順により、温度計４３０の測定値が未だ１００℃前後で推移していない場合であって９０℃以上１２０℃以下の範囲に該当する場合であれば、改質水の突沸を抑制しつつ、改質を行うことができる。
【００４２】
［実施例１］
図４による起動シーケンスを実証するため、ホットスタートに対して通常時の起動シーケンスを行う場合と、ホットスタートに対して図４による起動シーケンスを行う場合の実験を行った。図５は、通常時の起動シーケンスを行った場合の温度計２１０の測定値、温度計４３０の測定値および改質ガス内に含まれる一酸化炭素濃度を示すグラフである。
【００４３】
通常時の起動シーケンスの場合、図２に示されるように制御部９００は温度計４３０の測定値を参照しない。つまり、温度計２１０の測定値が５００℃に達する時間ｔ５で改質水の供給が開始され、温度計２１０の測定値が６００℃に達する時間ｔ６で原燃料の供給が開始される。温度計４３０の測定値は、ｔ６以後に１２０℃を超える水準まで上昇しており、改質水は過熱蒸気発生部４００に達する前に過熱蒸気となっていることがわかる。
【００４４】
一酸化炭素濃度は、温度計４３０の測定値が１２０℃を超えた後に急激に上昇し、３０分前後では８００ｐｐｍを超える。燃料電池内の触媒の機能を保護するためには改質ガス内の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下に抑える必要がある。図５では、一酸化炭素濃度が８００ｐｐｍを超えていることから、ホットスタートに対して通常時の起動シーケンスを行った場合、生成される改質ガスは燃料電池での使用に適さない。
【００４５】
図６は、図４の起動シーケンスを行った場合の温度計２１０の測定値、温度計４３０の測定値および改質ガス内に含まれる一酸化炭素濃度を示すグラフである。時間ｔ７で温度計２１０の測定値は５００℃に達する。その後、１５分の手前で温度計２１０の測定値は６００℃に達するが、温度計４３０測定値の単位時間当たりの変化量は正である。当該変化量は１５分過ぎに正から負へと変化し、温度計４３０の測定値は２０分の手前で１２０℃以下となる。しかし、その時点では温度計２１０の測定値が６００℃を下回っているため、原燃料の供給は開始されない。時間ｔ８で温度計２１０の測定値が再度６００℃に達し、制御部９００は原燃料の供給を開始させる。
【００４６】
図４の起動シーケンスを行った場合、改質ガスに含まれる一酸化炭素濃度は、改質が開始される時間ｔ８以後もほとんど変化がない。実験データによれば時間ｔ８以後の一酸化炭素濃度は２〜３ｐｐｍで安定している。図４の起動シーケンスによれば、改質水の突沸が落ち着いた後に改質の開始することができ、燃料電池での使用に適合する改質ガスを生成できる。
【００４７】
［実施例２］
図７は、ホットスタートに対応する起動シーケンスであって時間に着目した起動シーケンスを示すフローチャートである。温度計２１０の測定値が５００℃に達すると（Ｓ２８のＹ）、制御部９００は改質水の供給を開始させる（Ｓ３０）。複数の蒸発器内に存在する余熱は、供給される改質水によって徐々に奪われる。改質水の供給後、ある程度の時間が経過した後であれば、余熱が十分に奪われ、これら蒸発器で改質水が突沸することはない。
【００４８】
改質水の供給後、制御部９００は、余熱が十分に奪われるまで所定の時間待機する（Ｓ３２）。その後は同様に、制御部９００は温度計４３０の測定値が９０℃以上１２０℃以下の範囲に該当するかを確認し（Ｓ３４）、温度計２１０の測定が６００℃に達した上で（Ｓ３６のＹ）原燃料の供給を開始させる（Ｓ３８）。
【００４９】
起動シーケンスを待機させる所定の時間について実験により確認したところ、改質水の供給後、５分以上待機させることにより、改質ガス内の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ未満に抑えることができた。
【００５０】
［実施例３］
図８は、ホットスタートに対応する起動シーケンスであって改質反応をより早く開始させるための起動シーケンスを示すフローチャートである。温度計２１０の測定値が５００℃に達すると（Ｓ４０のＹ）、制御部９００は改質水の供給を開始させる（Ｓ４２）。複数の蒸発器内に存在する余熱は、供給される改質水によって徐々に奪われる。
【００５１】
制御部９００は温度計４３０の測定値を監視する。温度計４３０の測定値が１００℃前後で推移するまでに１２０℃を超えない場合（Ｓ４４のＮ）、複数の蒸発器内のいずれにおいても改質水の突沸が生じていないため、制御部９００は、温度計２１０の測定値が６００℃に達した上で（Ｓ５０のＹ）原燃料の供給を開始させる（Ｓ５２）。
【００５２】
温度計４３０の測定値が１００℃前後で推移する前に１２０℃を超える場合（Ｓ４４のＹ）、複数の蒸発器内のいずれかで改質水の突沸が生じている。これらの蒸発器内には余熱がまだ十分に存在するため、制御部９００は改質水の流量を増量させることで（Ｓ４６）、蒸発器内の余熱をより早く奪うことができる。流量の増量後、温度計４３０測定値の単位時間当たりの変化量が正から負へと変化し、温度計４３０の測定値が１２０℃以下になれば（Ｓ４８のＹ）、制御部９００は改質水の流量を元に戻す（Ｓ４９）。制御部９００は、温度計２１０の測定が６００℃に達した上で（Ｓ５０のＹ）原燃料の供給を開始させる（Ｓ５２）。
【００５３】
図８の起動シーケンスを実際に行ったところ、流量を変化させない場合に比べより短時間で温度計４３０の測定値が１２０℃以下となり、改質反応をより早く開始させることができた。また、改質ガス内の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ未満に抑えることができた。
【００５４】
［実施例４］
図９は、ホットスタートに対応する起動シーケンスであって改質反応をより早く開始させるための起動シーケンスを示すフローチャートである。温度計２１０の測定値が５００℃に達すると（Ｓ５４のＹ）、制御部９００は改質水の供給を開始させる（Ｓ５６）。複数の蒸発器内に存在する余熱は、供給される改質水によって徐々に奪われる。
【００５５】
制御部９００は、温度計４３０の測定値を監視する。温度計４３０の測定値が１００℃前後で推移するまでに１２０℃を超えない場合（Ｓ５８のＮ）、複数の蒸発器内のいずれにおいても改質水の突沸が生じていないため、制御部９００は、温度計２１０の測定値が６００℃に達した上で（Ｓ６６のＹ）原燃料の供給を開始させる（Ｓ６８）。
【００５６】
温度計４３０の測定値が１００℃前後で推移する前に１２０℃を超える場合（Ｓ５８のＹ）、複数の蒸発器内のいずれかで改質水の突沸が生じている。よって、これらの蒸発器内にはまだ余熱が十分に存在する。
【００５７】
燃料改質装置１００で起動シーケンスが開始されると、改質器２００のバーナー２３０による加熱が開始される。バーナー２３０により加熱された気体は蒸発器７００へと送られ、余熱を奪う改質水に更に熱を供給する。そのため、制御部９００はバーナー２３０による加熱を停止させることで（Ｓ６０）、複数の蒸発器内の余熱をより早く奪うことができる。
【００５８】
バーナー２３０の停止後、温度計４３０測定値の単位時間当たりの変化量が正から負へと変化し、温度計４３０の測定値が１２０℃以下になれば（Ｓ６２のＹ）、制御部９００はバーナー２３０による加熱を再開させる（Ｓ６４）。制御部９００は、温度計２１０の測定値が６００℃に達した上で（Ｓ６６のＹ）原燃料の供給を開始させる（Ｓ６８）。
【００５９】
図９の起動シーケンスを実際に行ったところ、バーナー２３０を停止しない場合に比べより短時間で温度計４３０の測定値が１２０℃以下となり、改質反応をより早く開始させることができた。また、改質ガス内の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ未満に抑えることができた。
【００６０】
［実施例５］
図１０は、ホットスタートに対応する起動シーケンスであって改質反応をより早く開始させるための起動シーケンスを示すフローチャートである。温度計２１０の測定値が５００℃に達すると（Ｓ７０のＹ）、制御部９００は改質水の供給を開始させる（Ｓ７２）。複数の蒸発器内に存在する余熱は、供給される改質水によって徐々に奪われる。
【００６１】
制御部９００は、温度計４３０の測定値を監視する。温度計４３０の測定値が１００℃前後で推移するまでに１２０℃を超えない場合（Ｓ７４のＮ）、複数の蒸発器内のいずれにおいても改質水の突沸が生じていないため、制御部９００は、温度計２１０の測定が６００℃に達した上で（Ｓ８２のＹ）原燃料の供給を開始させる（Ｓ８４）。
【００６２】
温度計４３０の測定値が１００℃前後で推移する前に１２０℃を超える場合（Ｓ７４のＹ）、複数の蒸発器内のいずれかで改質水の突沸が生じている。よって、これらの蒸発器内にはまだ余熱が十分に存在する。
【００６３】
燃料改質装置１００で起動シーケンスが開始されると、ＣＯ変成器５００およびＣＯ除去器６００内の触媒を加熱するべくヒーター５２０およびヒーター６２０がそれぞれ加熱を開始する。これらヒーターからの熱の一部は、蒸発器５１０および蒸発器６１０内の熱交換器により、余熱を奪う改質水に更に供給される。そのため、制御部９００はこれらのヒーターによる加熱を停止させることで（Ｓ７６）、蒸発器内の余熱をより早く奪うことができる。
【００６４】
ヒーター５２０およびヒーター６２０の停止後、温度計４３０測定値の単位時間当たりの変化量が正から負へと変化し、温度計４３０の測定値が１２０℃以下になれば（Ｓ７８のＹ）、制御部９００はバーナー２３０による加熱を再開させる（Ｓ８０）。制御部９００は、温度計２１０の測定値が６００℃に達した上で（Ｓ８２のＹ）原燃料の供給を開始させる（Ｓ８４）。
【００６５】
図１０の起動シーケンスを実際に行ったところ、ヒーターを停止しない場合に比べより短時間で温度計４３０の測定値が１２０℃以下となり、改質反応をより早く開始させることができた。また、改質ガス内の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ未満に抑えることができた。
【００６６】
［実施例６］
図１１は、ホットスタートに対応する起動シーケンスを示すフローチャートである。温度計２１０の測定値が５００℃に達すると（Ｓ８６のＹ）、制御部９００は改質水の供給を開始させる（Ｓ８８）。
【００６７】
制御部９００は、温度計２１０の測定値を監視する。温度計２１０の測定値が６００℃未満の場合（Ｓ９０のＮ）、制御部９００は監視を続ける。温度計２１０の測定値が６００℃以上の場合（Ｓ９０のＹ）、制御部９００は温度計４３０の測定値を監視する。温度計４３０の測定値が９０℃以上１２０℃以下に該当しない場合（Ｓ９２のＮ）、制御部９００は監視を続ける。温度計４３０の測定値が９０℃以上１２０℃以下に該当する場合（Ｓ９２のＹ）、制御部９００は原燃料の供給を開始させる（Ｓ９４）。
【００６８】
図１０までの起動シーケンスは、温度計４３０の測定値が９０℃以上１２０℃以下に該当した後に、温度計２１０の測定値が６００℃以上であることを確認していた。しかし、図１１の起動シーケンスは、その判断の順序を入れ替えている。図１１の起動シーケンスを実際に行ったところ、改質ガス内の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ未満に抑えることができた。
【００６９】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えたり、実施の形態を組み合わせたりすることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】燃料改質装置を模式的に示すブロック図である。
【図２】燃料改質装置の通常時の起動シーケンスを示すフローチャートである。
【図３】起動シーケンスにおける２つの温度計の温度変化を模式的に示すグラフである。
【図４】ホットスタート時の問題を考慮した燃料改質装置の起動シーケンスを示すフローチャートである。
【図５】通常時の起動シーケンスを行った場合の２つの温度計の測定値および改質ガス内に含まれる一酸化炭素濃度を示すグラフである。
【図６】図４の起動シーケンスを行った場合の２つの温度計の測定値および改質ガス内に含まれる一酸化炭素濃度を示すグラフである。
【図７】ホットスタートに対応する起動シーケンスであって時間に着目した起動シーケンスを示すフローチャートである。
【図８】ホットスタートに対応する起動シーケンスであって改質反応をより早く開始させるための起動シーケンスを示すフローチャートである。
【図９】ホットスタートに対応する起動シーケンスであって改質反応をより早く開始させるための起動シーケンスを示すフローチャートである。
【図１０】ホットスタートに対応する起動シーケンスであって改質反応をより早く開始させるための起動シーケンスを示すフローチャートである。
【図１１】ホットスタートに対応する起動シーケンスを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７１】
１００  燃料改質装置、  ２００  改質器、  ２１０  温度計、  ２２０  反応部、  ２３０  バーナー、  ３００  原燃料源、  ３１０  脱硫器、  ４００  過熱蒸気発生部、  ４１０  フィルタ、  ４２０  絞り、  ４３０  温度計、  ５００  ＣＯ変成器、  ５１０  蒸発器、  ５２０  ヒーター、  ６００  ＣＯ除去器、  ６１０  蒸発器、  ６２０  ヒーター、  ７００  蒸発器、  ８００  水タンク、  ８１０  ポンプ、  ８２０  
【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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【図１１】
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