(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、
前記炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質部と、
前記改質ガスを熱交換により冷却すると共に該冷却に伴って生じる凝縮水を回収可能な熱交換手段であって、燃料を燃焼して得られる燃焼ガスと水との熱交換により該水を蒸気化する第１熱交換手段と、前記第１熱交換手段からの水蒸気と前記改質ガスとの熱交換により該改質ガスを冷却する第２熱交換手段と、前記第２熱交換手段からの改質ガスと冷却媒体との熱交換により該改質ガスを冷却する第３熱交換手段とを備える熱交換手段と、
該冷却された改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト反応部と
を備え、
前記熱交換手段は、前記第１熱交換手段における熱交換により生じる燃料ガスからの凝縮水を回収する第１凝縮水回収手段と、前記第２熱交換手段における熱交換により生じる改質ガスからの凝縮水を回収する第２凝縮水回収手段と、前記第３熱交換手段における熱交換により生じる改質ガスからの凝縮水を回収する第３凝縮水回収手段とを備える手段である燃料改質装置。
【請求項２】
前記第１凝縮水回収手段，前記第２凝縮水回収手段，前記第３凝縮水回収手段は、いずれもドレンポートを備える手段である請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項３】
前記第１凝縮水回収手段，前記第２凝縮水回収手段，前記第３凝縮水回収手段のうちの少なくとも一つの凝縮水回収手段は、凝縮水を溜める水溜部と、該水溜部から水を排水する排水手段と、該水溜部の水位を検出する水位検出手段と、該水位検出手段により検出された水位に基づいて前記排出手段による水の排出を制御する排水制御手段とを備える請求項１または２記載の燃料改質装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記シフト反応部の温度を検出するシフト温度検出手段と、
該検出されたシフト反応部の温度に基づいて前記第３熱交換手段の冷却媒体の流路に供給される前記冷却媒体の流量を制御する冷却媒体流量制御手段と
を備える燃料改質装置。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記第１熱交換手段からの燃焼ガスを前記第３熱交換手段の改質ガスの流路に供給可能な第１燃焼ガス供給手段と、
始動時に、前記第１熱交換手段からの燃焼ガスが前記第３熱交換手段の改質ガスの流路に供給されるよう燃焼ガス供給手段を制御する第１始動時制御手段と
を備える燃料改質装置。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記第２熱交換手段の改質ガスの流路に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記第２熱交換手段の改質ガスの流路の入口近傍に取り付けられた着火手段と、
始動時に、前記第２熱交換手段の改質ガスの流路に燃料が供給されるよう前記燃料供給手段を制御すると共に該供給された燃料が燃焼されるよう前記着火手段を制御する第２始動時制御手段と
を備える燃料改質装置。
【請求項７】
前記燃料供給手段は、前記炭化水素系の燃料を供給する手段である請求項６記載の燃料改質装置。
【請求項８】
前記第１熱交換手段で燃焼する燃料は、前記炭化水素系の燃料である請求項１ないし７いずれか記載の燃料改質装置。
【請求項９】
請求項１ないし８いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記シフト反応部は、前記シフト反応している改質ガスの流路と熱交換可能なシフト反応部熱交換流路を有し、
前記第１熱交換手段からの燃焼ガスを前記シフト反応部熱交換流路に供給可能な第２燃焼ガス供給手段を備える
燃料改質装置。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料改質装置であって、
前記シフト反応部の温度を検出する第１温度検出手段とを備え、
前記第２燃焼ガス供給手段は、前記第１温度検出手段により検出された温度に基づいて燃焼ガスの前記シフト反応部熱交換流路への供給量を制御する手段である
燃料改質装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記シフト反応部の後段に配置され、該シフト反応部からのガス中の一酸化炭素濃度を低減し、該一酸化炭素濃度を低減しているガスと熱交換可能な低減部熱交換流路を有する一酸化炭素濃度低減部と、
前記第１熱交換手段からの燃焼ガスを前記低減部熱交換流路に供給可能な第３燃焼ガス供給手段と
を備える燃料改質装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の燃料改質装置であって、
前記一酸化炭素濃度低減部の温度を検出する第２温度検出手段とを備え、
前記第３燃焼ガス供給手段は、前記第２温度検出手段により検出された温度に基づいて燃焼ガスの前記低減部熱交換流路への供給量を制御する手段である
燃料改質装置。
【請求項１３】
請求項１ないし１２いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記熱交換手段は、水蒸気を用いて前記改質ガスを冷却する手段であり、
前記熱交換手段により加熱された水蒸気と前記炭化水素系の燃料と混合して前記改質部に供給する混合部を備える
燃料改質装置。
【請求項１４】
前記熱交換手段は、該熱交換手段から回収された水を前記水蒸気として用いる手段である請求項１３記載の燃料改質装置。
【請求項１５】
前記炭化水素系の燃料は、天然ガスまたはガソリンである請求項１ないし１３いずれか記載の燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質装置に関し、詳しくは、炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料改質装置としては、改質部からの改質ガスを改質部へ供給する改質原料との熱交換により冷却してシフト反応部に供給するものが提案されている（例えば、特開平９−２２７１０３号公報など）。この装置では、改質部とシフト反応部との間に設けられた熱交換器で改質部からの改質ガスを改質部に供給する改質原料により冷却すると共に改質部に供給する改質原料を加熱している。こうした熱交換により、装置の熱効率の向上を図っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料改質装置では、シフト反応部やその後段に設けられる一酸化炭素濃度低減部を所望の性能として機能させない場合を生じる。改質ガスは、熱交換器による冷却に伴って熱交換器の下流側、即ちシフト反応部や一酸化炭素濃度低減部で凝縮水を生じる場合がある。凝縮水は、シフト反応部や一酸化炭素濃度低減部における触媒活性を低下させるから、所望の燃料ガスを得ることができなくなってしまう。
【０００４】
本発明の燃料改質装置は、シフト反応部や一酸化炭素濃度低減部で凝縮水を生じさせないようにすることを目的の一つとする。また、本発明の燃料改質装置は、装置の効率を向上させることを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料改質装置は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の燃料改質装置は、炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、前記炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質部と、前記改質ガスを熱交換により冷却すると共に該冷却に伴って生じる凝縮水を回収可能な熱交換手段であって、燃料を燃焼して得られる燃焼ガスと水との熱交換により該水を蒸気化する第１熱交換手段と、前記第１熱交換手段からの水蒸気と前記改質ガスとの熱交換により該改質ガスを冷却する第２熱交換手段と、前記第２熱交換手段からの改質ガスと冷却媒体との熱交換により該改質ガスを冷却する第３熱交換手段とを備える熱交換手段と、該冷却された改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト反応部とを備え、前記熱交換手段は、前記第１熱交換手段における熱交換により生じる燃料ガスからの凝縮水を回収する第１凝縮水回収手段と、前記第２熱交換手段における熱交換により生じる改質ガスからの凝縮水を回収する第２凝縮水回収手段と、前記第３熱交換手段における熱交換により生じる改質ガスからの凝縮水を回収する第３凝縮水回収手段とを備える手段であることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の燃料改質装置では、熱交換手段が、改質ガスを冷却すると共にこの冷却に伴って生じる凝縮水を回収するから、冷却による凝縮水がシフト反応部で生じるのを抑制することができる。この結果、凝縮水によるシフト反応部の触媒活性の低下を防止することができる。また、この本発明の燃料改質装置では、より適正に改質ガスを冷却することができる。さらに、この本発明の燃料改質装置では、より確実に凝縮水を回収することができる。
【０００８】
なお、第１凝縮水回収手段や第２凝縮水回収手段，第３凝縮水回収手段は、いずれもドレンポートを備える手段であるものとすることもできる。こうすれば凝縮水をドレンポートから回収することができる。
【０００９】
熱交換手段が第１〜第３凝縮水回収手段を備える態様の本発明の燃料改質装置において、前記第１凝縮水回収手段，前記第２凝縮水回収手段，前記第３凝縮水回収手段のうちの少なくとも一つの凝縮水回収手段は、凝縮水を溜める水溜部と、該水溜部から水を排水する排水手段と、該水溜部の水位を検出する水位検出手段と、該水位検出手段により検出された水位に基づいて前記排出手段による水の排出を制御する排水制御手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、より適切に凝縮水を回収することができる。
【００１０】
熱交換手段が第１〜第３熱交換手段を備える態様の本発明の燃料改質装置において、前記シフト反応部の温度を検出するシフト温度検出手段と、該検出されたシフト反応部の温度に基づいて前記第３熱交換手段の冷却媒体の流路に供給される前記冷却媒体の流量を制御する冷却媒体流量制御手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、シフト反応部の温度をより適正な温度に保つことができる。
【００１１】
また、熱交換手段が第１〜第３熱交換手段を備える態様の本発明の燃料改質装置において、前記第１熱交換手段からの燃焼ガスを前記第３熱交換手段の改質ガスの流路に供給可能な第１燃焼ガス供給手段と、始動時に、前記第１熱交換手段からの燃焼ガスが前記第３熱交換手段の改質ガスの流路に供給されるよう燃焼ガス供給手段を制御する第１始動時制御手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、始動時の暖機を迅速に行なうことができる。
【００１２】
更に、熱交換手段が第１〜第３熱交換手段を備える態様の本発明の燃料改質装置において、前記第２熱交換手段の改質ガスの流路に燃料を供給する燃料供給手段と、前記第２熱交換手段の改質ガスの流路の入口近傍に取り付けられた着火手段と、始動時に、前記第２熱交換手段の改質ガスの流路に燃料が供給されるよう前記燃料供給手段を制御すると共に該供給された燃料が燃焼されるよう前記着火手段を制御する第２始動時制御手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、始動時の暖機を迅速に行なうことができる。この態様の本発明の燃料改質装置において、前記燃料供給手段は、前記炭化水素系の燃料を供給する手段であるものとすることもできる。こうすれば、別の燃料を用意する必要がない。
【００１３】
あるいは、熱交換手段が第１〜第３熱交換手段を備える態様の本発明の燃料改質装置において、前記第１熱交換手段で燃焼する燃料は、前記炭化水素系の燃料であるものとすることもできる。こうすれば、別の燃料を用意する必要がない。
【００１４】
熱交換手段が第１〜第３熱交換手段を備える態様の本発明の燃料改質装置において、前記シフト反応部は前記シフト反応している改質ガスの流路と熱交換可能なシフト反応部熱交換流路を有し、前記第１熱交換手段からの燃焼ガスを前記シフト反応部熱交換流路に供給可能な第２燃焼ガス供給手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、第１熱交換手段からの燃焼ガスを用いてシフト反応部を加温することができる。この態様の本発明の燃料改質装置において、前記シフト反応部の温度を検出する第１温度検出手段とを備え、前記第２燃焼ガス供給手段は、前記第１温度検出手段により検出された温度に基づいて燃焼ガスの前記シフト反応部熱交換流路への供給量を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、シフト反応部の温度を調節することができる。したがって、シフト反応部をより適正な温度に調節することができる。
【００１５】
熱交換手段が第１〜第３熱交換手段を備える態様の本発明の燃料改質装置において、前記シフト反応部の後段に配置され、該シフト反応部からのガス中の一酸化炭素濃度を低減し、該一酸化炭素濃度を低減しているガスと熱交換可能な低減部熱交換流路を有する一酸化炭素濃度低減部と、前記第１熱交換手段からの燃焼ガスを前記低減部熱交換流路に供給可能な第３燃焼ガス供給手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、第１熱交換手段からの燃焼ガスを用いて一酸化炭素濃度低減部を加温することができる。この態様の本発明の燃料改質装置において、前記一酸化炭素濃度低減部の温度を検出する第２温度検出手段とを備え、前記第３燃焼ガス供給手段は、前記第２温度検出手段により検出された温度に基づいて燃焼ガスの前記低減部熱交換流路への供給量を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、一酸化炭素濃度低減部の温度を調節することができる。したがって、一酸化炭素濃度低減部をより適正な温度に調節することができる。
【００１６】
本発明の燃料改質装置において、前記熱交換手段は、水蒸気を用いて前記改質ガスを冷却する手段であり、前記熱交換手段により加熱された水蒸気と前記炭化水素系の燃料と混合して前記改質部に供給する混合部を備えるものとすることもできる。こうすれば、熱交換手段により加熱された水蒸気を改質反応やシフト反応に用いることができ、装置の効率を向上させることができる。この態様の本発明の燃料改質装置において、前記熱交換手段は、該熱交換手段から回収された水を前記水蒸気として用いる手段であるものとすることもできる。こうすれば、資源の利用効率を向上させることができる。
【００１７】
また、本発明の燃料改質装置において、前記炭化水素系の燃料は、天然ガスまたはガソリンであるものとすることもできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料改質装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料改質装置２０は、図示するように、ガソリンなどの炭化水素系の燃料と水蒸気と空気とを混合して改質原料とする混合部３０と、混合部３０からの改質原料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質反応部３２と、改質反応部３２からの改質ガスを冷却すると共に混合部３０に供給する水を蒸気化する熱交換部３６と、熱交換部３６により冷却された改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素にシフトして水素リッチガスとするシフト反応部７０と、ブロア７６により導入される空気を用いてシフト反応部７０からの水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減するＣＯ低減部７４と、装置全体をコントロールする電子制御ユニット８０とを備える。
【００１９】
混合部３０は、燃料ポンプ２５により燃料タンク２４から炭化水素系の燃料が供給され、水ポンプ２３により水タンク２２から水が熱交換部３６を介して水蒸気として供給され、ブロア２６により空気が供給されるようになっている。
【００２０】
改質反応部３２は、改質原料中の炭化水素系の燃料を次式（１）に示す改質反応により一酸化炭素と水素とを含む改質ガスに改質する改質触媒（例えば白金など）を備え、電子制御ユニット８０により改質触媒が活性化する６００℃程度の温度に保持されるよう制御される。
【００２１】
ＣｎＨ2n+2＋（ｎ／２）Ｏ2→ｎＣＯ＋（ｎ＋１）Ｈ2        （１）
【００２２】
熱交換部３６は、水ポンプ２３により水タンク２２から供給される水を燃料タンク２４からの炭化水素系の燃料をブロア４１からの空気を用いて燃焼した燃焼ガスとの熱交換により水蒸気とする第１熱交換部４０と、改質反応部３２からの改質ガスと水蒸気との熱交換により改質反応部３２からの改質ガスを冷却すると共に水蒸気を加熱する第２熱交換部５０と、第２熱交換部５０からの改質ガスとブロア６１からの空気との熱交換により改質ガスを更に冷却すると共に改質ガス中の水を凝縮する凝縮器として機能する第３熱交換部６０とを備える。
【００２３】
第１熱交換部４０の燃焼ガスの流路や第２熱交換部５０の改質ガスの流路，第３熱交換部６０の改質ガスの流路の鉛直下方には、いずれも凝縮した水を溜める水溜部４２，５２，６２が設けられている。水溜部４２，５２，６２のドレンポート４３，５３，６３には、排水バルブ４４，５４，６４が取り付けられており、凝縮水は回収管６８を介して水タンク２２に回収されるようになっている。
【００２４】
第１熱交換部４０の燃焼ガスの流路の入口には、供給された炭化水素系の燃料を燃焼するための点火装置４５が取り付けられている。実施例では、点火装置４５としては触媒燃焼装置（例えば、ＥＨＣなど）を用いた。また、第１熱交換部４０の燃焼ガスの排ガスは、排ガス管４６により第３熱交換部６０の改質ガスの流路やシフト反応部７０およびＣＯ低減部７４に設けられた熱交換流路に供給できるようになっている。
【００２５】
第２熱交換部５０の改質ガスの流路には、燃料タンク２４からの炭化水素系の燃料とブロア５１からの空気とが導入できるようになっており、その入口には点火装置５５が取り付けられている。実施例では、この点火装置５５も触媒燃焼装置（例えば、ＥＨＣなど）を用いた。
【００２６】
シフト反応部７０は、熱交換部３６で冷却された改質ガス中の一酸化炭素を次式（２）のシフト反応により二酸化炭素と水素とにシフトするシフト触媒（例えば、銅−亜鉛系の触媒など）を備え、電子制御ユニット８０によりシフト触媒が活性化する２５０℃程度の温度に保持されるよう制御される。ここで、シフト反応部７０の温度を改質反応部３２に比して低い温度に制御するのは、平衡反応であるシフト反応を右側に進めるためである。
【００２７】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2       （２）
【００２８】
ＣＯ低減部７４は、水素の存在下で一酸化炭素を水素に対して優先的に酸化する優先酸化触媒（例えば、白金やルテニウムなど）を備え、電子制御ユニット８０により優先酸化触媒が活性化する１４０℃程度の温度に保持されるよう制御される。
【００２９】
電子制御ユニット８０は、ＣＰＵ８２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ８４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ８６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。この電子制御ユニット８０には、改質反応部３２に設けられた温度センサ３４からの改質部反応部温度や第１熱交換部４０や第２熱交換部５０，第３熱交換部６０の水溜部４２，５２，６２に取り付けられたレベルセンサ４９，５９，６９からの水位レベル信号，シフト反応部７０に設けられた温度センサ７２からのシフト反応部温度Ｔｓ，ＣＯ低減部７４に設けられた温度センサ７８からのＣＯ低減部温度Ｔｃなどが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット８０からは、水ポンプ２３や燃料ポンプ２５への駆動信号や混合部３０に空気を供給するブロア２６への駆動信号，混合部３０や第１熱交換部４０や第２熱交換部５０へ炭化水素系の燃料の供給を規制する燃料供給バルブ２７，２８，２９のアクチュエータ２７ａ，２８ａ，２９ａへの駆動信号，第１熱交換部４０や第２熱交換部５０に空気を供給するブロア４１，５１への駆動信号，第１熱交換部４０や第２熱交換部５０の点火装置４５，５５への点火信号，第１熱交換部４０や第２熱交換部５０や第３熱交換部６０のドレンポート４３，５３，６３に取り付けられた排水バルブ４４，５４，６４のアクチュエータ４４ａ，５４ａ，６４ａへの駆動信号，第１熱交換部４０からの排ガスの第３熱交換部６０やシフト反応部７０やＣＯ低減部７４への供給を規制する排ガスバルブ６６，７３，７９のアクチュエータ６６ａ，７３ａ，７９ａへの駆動信号，第１熱交換部４０からの排ガスの大気開放を規制する排ガス開放バルブ４７のアクチュエータ４７ａへの駆動信号，第３熱交換部６０へ空気を供給するブロア６１への駆動信号，ＣＯ低減部７４に空気を導入するブロア７６への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００３０】
次に、こうして構成された実施例の燃料改質装置２０の動作について説明する。図２は、実施例の燃料改質装置２０が始動される際に電子制御ユニット８０により実行される始動時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【００３１】
始動時処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット８０のＣＰＵ８２は、まず、始動時用バルブ操作処理を実行する（ステップＳ１００）。始動時用バルブ操作は、燃料供給バルブ２７を閉、燃料供給バルブ２８，２９を開、排ガスバルブ６６を開、排ガスバルブ７３，７９を閉、排ガス開放バルブ４７を閉とする操作である。そして、熱交換部３６の第１熱交換部４０と第２熱交換部５０による暖機処理を開始する（ステップＳ１０２）。暖機処理は、燃料ポンプ２５を駆動して燃料タンク２４の炭化水素系の燃料を第１熱交換部４０の燃焼ガスの流路と第２熱交換部５０の改質ガスの流路に供給すると共にブロア４１，５１を駆動して空気を第１熱交換部４０の燃焼ガスの流路と第２熱交換部５０の改質ガスの流路に供給し、供給された炭化水素系の燃料が燃焼されるよう点火装置４５，５５により点火することにより行なわれる。第１熱交換部４０からの燃焼ガスと第２熱交換部５０からの燃焼ガスは、第３熱交換部６０の改質ガスの流路に供給され、更に後段のシフト反応部７０やＣＯ低減部７４に供給されて第３熱交換部６０やシフト反応部７０，ＣＯ低減部７４を暖機する。暖機処理時に機能する部分を中心とした実施例の燃料改質装置２０の構成の概略を図３に示す。なお、図３では電子制御ユニット８０の入出力ポートに入出力される信号についての表示は省略した。このように第１熱交換部４０や第２熱交換部５０で炭化水素系の燃料を燃焼すると共にその燃焼ガスを第３熱交換部６０，シフト反応部７０，ＣＯ低減部７４に供給することにより、熱容量の大きな第１熱交換部４０や第２熱交換部５０，第３熱交換部６０，シフト反応部７０，ＣＯ低減部７４を迅速に暖機することができる。
【００３２】
こうした暖機処理が開始されると、次に温度センサ７２および温度センサ７８からのシフト反応部温度ＴｓおよびＣＯ低減部温度Ｔｃを読み込み（ステップＳ１０４）、シフト反応部温度Ｔｓが閾値Ｔｓｒより大きくなると共にＣＯ低減部温度Ｔｃが閾値Ｔｃｒより大きくなるのを待つ（ステップＳ１０６）。ここで、閾値Ｔｓｒと閾値Ｔｃｒは、暖機処理の終了を判定するために用いられるものであり、閾値Ｔｓｒはシフト反応部７０のシフト触媒が活性化する温度範囲の下限値より大きな値として設定され、閾値ＴｃｒはＣＯ低減部７４の優先酸化触媒が活性化する温度範囲の下限値より大きな値として設定される。
【００３３】
暖機処理が終了するのを待っている間、実施例の燃料改質装置２０では、図４に例示する第１水回収処理ルーチンにより第１熱交換部４０や第２熱交換部５０で生成した凝縮水を回収する処理や図５に例示する第２水回収処理ルーチンにより第３熱交換部６０で生成した凝縮水を回収する処理が行なわれる。以下に簡単にこれらの水回収処理を説明する。なお、第１水回収処理ルーチンおよび第２水回収処理ルーチンは、所定時間毎（例えば、１００ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。
【００３４】
図４の第１水回収処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット８０のＣＰＵ８２は、まずレベルセンサ４９，５９からの信号を入力し（ステップＳ２００）、オン信号か否かを判定する（ステップＳ２０２）。共にオフ信号のときには、水溜部４２，５２には凝縮水が溜まっていないと判断して本ルーチンを終了する。レベルセンサ４９，５９のうちのいずれかのセンサからの信号がオン信号のときには、対応する熱交換部への炭化水素系の燃料の供給と空気の供給を停止し（ステップＳ２０４）、対応する排水バルブを開成する（ステップＳ２０６）。即ち、レベルセンサ４９からの信号がオン信号のときには、燃料供給バルブ２８を閉成すると共にブロア４１，５１を停止して第１熱交換部４０への燃料と空気の供給を停止し、排水バルブ４４を開成するのである。こうした処理により凝縮水は、水タンク２２に回収される。
【００３５】
そして、対応するレベルセンサからの信号がオフとなるのを待って（ステップＳ２０８，Ｓ２１０）、開成した排水バルブを閉じ（ステップＳ２１２）、炭化水素系の燃料と空気との供給を再び開始すると共に（ステップＳ２１４）、点火装置により点火して（ステップＳ２１６）、本ルーチンを終了する。ここで、排水バルブを開成している間に炭化水素系の燃料と空気の供給を停止するのは、炭化水素系の燃料や空気が勢いよくドレンポート４３，５３を介して排出されるのを防ぐためである。
【００３６】
図５の第２水回収処理ルーチンでは、レベルセンサからの信号がオン信号となったときに炭化水素系の燃料や空気の供給の停止処理やレベルセンサからの信号がオフ信号となったときに炭化水素系の燃料や空気の供給開始処理などを行なわない点を除いて第１水回収処理ルーチンと同一である。したがって、第２水回収処理ルーチンについてのこれ以上の説明は省略する。なお、実施例では、第１熱交換部４０と第２熱交換部５０における凝縮水の回収処理については第１水回収処理ルーチンによるものとしたが、第２水回収処理ルーチンにより凝縮水の回収を行なうものとしてもよい。このように、暖機処理中に第１熱交換部４０や第２熱交換部５０や第３熱交換部６０に生じる凝縮水が回収されるから、凝縮水がシフト反応部７０やＣＯ低減部７４に送られてシフト触媒や優先酸化触媒を濡らしてしまうことによる弊害、即ち触媒機能の低下を防止することができる。
【００３７】
図２の始動時処理ルーチンに戻って、ステップＳ１０６でシフト反応部温度Ｔｓが閾値Ｔｓｒより大きいと共にＣＯ低減部温度Ｔｃが閾値Ｔｃｒより大きいと判定されると、暖機が終了したと判断して定常運転時用バルブ操作処理を行なうと共に（ステップＳ１０８）、定常運転処理を開始して（ステップＳ１１０）、本ルーチンを終了する。定常運転時用バルブ操作は、第２熱交換部５０へ炭化水素系の燃料を供給する燃料供給バルブ２９を閉、第３熱交換部６０に第１熱交換部４０からの燃焼ガスを供給する排ガスバルブ６６を閉、混合部３０に炭化水素系の燃料を供給する燃料供給バルブ２７を開、第１熱交換部４０からの燃焼ガスを大気開放する排ガス開放バルブ４７を開とする操作である。なお、定常運転では、第１熱交換部４０へ炭化水素系の燃料を供給する燃料供給バルブ２８も開であるが、暖機処理のときに既に開成されているから、ここでは開成する必要がない。定常運転処理は、ブロア５１を停止すると共に水ポンプ２３や燃料ポンプ２５，ブロア２６，６１，７６を必要に応じて駆動する処理である。定常運転では、第１熱交換部４０に空気を供給するブロア４１も駆動されるが、暖機処理のときに既に駆動されているから、ここでの処理では改めて駆動する必要がない。定常運転時に機能する部分を中心とした実施例の燃料改質装置２０の構成の概略を図６に示す。なお、図６でも電子制御ユニット８０の入出力ポートに入出力される信号についての表示は省略した。
【００３８】
定常運転処理が開始されると、水タンク２２の水は、水ポンプ２３により第１熱交換部４０に供給されて蒸気化され、第２熱交換部５０により加熱されて混合部３０に供給される。混合部３０では、こうして供給された水蒸気と燃料ポンプ２５により燃料タンク２４から供給される炭化水素系の燃料とブロア２６により供給される空気とが混合されて改質原料として改質反応部３２に供給される。改質反応部３２における改質反応は発熱反応で比較的迅速に進行するから、改質反応部３２は予め暖機されていなくても短時間で定常運転状態となる。そして、改質反応部３２からの改質ガスは、第２熱交換部５０と第３熱交換部６０とにより冷却されてシフト反応部７０に供給される。こうした冷却により改質ガス中の水蒸気が凝縮することがあるが、この凝縮水は水溜部５２，６２に溜められ、ドレンポート５３，６３を介して回収されるから、シフト反応部７０やＣＯ低減部７４に凝縮水が送られることがない。この結果、シフト反応部７０のシフト触媒やＣＯ低減部７４の優先酸化触媒が濡れてその機能を低下させることを防止することができる。なお、第２熱交換部５０や第３熱交換部６０における凝縮水の回収制御やブロア６１により第３熱交換部６０に供給される空気量の制御については後述する。
【００３９】
次に、定常運転状態にある実施例の燃料改質装置２０の制御、特に、第３熱交換部６０における供給空気量の制御や第１熱交換部４０や第２熱交換部５０，第３熱交換部６０における凝縮水の回収処理の制御，シフト反応部７０やＣＯ低減部７４の温度制御について説明する。
【００４０】
第３熱交換部６０における供給空気量の制御は、図７に例示する供給空気量制御ルーチンにより行なわれる。このルーチンは、所定時間毎（例えば、１０秒毎）に繰り返し実行される。このルーチンが実行されると、電子制御ユニット８０のＣＰＵ８２は、まず、温度センサ７２により検出されるシフト反応部温度Ｔｓを読み込み（ステップＳ４００）、読み込んだシフト反応部温度Ｔｓが閾値Ｔ１と閾値Ｔ２とにより設定される温度範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ４０２）。ここで、閾値Ｔ１と閾値Ｔ２とにより設定される範囲は、シフト反応部７０に供給される改質ガスの温度を制御するために用いられ、シフト触媒が活性化する温度範囲内で設定される。シフト反応部温度Ｔｓが閾値Ｔ１と閾値Ｔ２とにより設定される温度範囲内にあるときには、改質ガスは適正な温度範囲にあると判断して本ルーチンを終了する。シフト反応部温度Ｔｓが閾値Ｔ１未満のときには、改質ガスの温度が低いと判断し、ブロア６１を駆動制御して第３熱交換部６０に供給する冷却用の空気の供給量を所定量だけ減少して（ステップＳ４０４）、本ルーチンを終了する。また、シフト反応部温度Ｔｓが閾値Ｔ２より大きいときには、改質ガスの温度が高いと判断し、ブロア６１を駆動制御して第３熱交換部６０に供給する冷却用の空気の供給量を所定量だけ増加して（ステップＳ４０６）、本ルーチンを終了する。こうしたブロア６１により第３熱交換部６０に供給される空気量を制御することにより、シフト反応部７０に適正な温度範囲の改質ガスを供給することができる。なお、実施例では、シフト反応部温度Ｔｓに基づいてブロア６１により第３熱交換部６０に供給される空気量を制御するものとしたが、シフト反応部７０に供給される改質ガスの温度を直接検出し、この改質ガスの温度に基づいて空気量を制御するものとしてもよい。
【００４１】
第１熱交換部４０や第２熱交換部５０，第３熱交換部６０における各凝縮水の回収処理は、図５に例示する第２水回収処理ルーチンによって行なわれる。この処理については上述したから、これ以上の説明は省略する。このように、第１熱交換部４０や第２熱交換部５０や第３熱交換部６０で生じ得る凝縮水を回収するから、凝縮水がシフト反応部７０やＣＯ低減部７４に送られてシフト触媒や優先酸化触媒を濡らしてしまうことによる弊害、即ち触媒機能の低下を防止することができる。
【００４２】
シフト反応部７０やＣＯ低減部７４の温度制御は、図８に例示するシフト反応部温度制御ルーチンや図９に例示するＣＯ低減部温度制御ルーチンにより行なわれる。これらのルーチンは、所定時間毎（例えば、１０秒毎）に繰り返し実行される。
【００４３】
図８のシフト反応部温度制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット８０のＣＰＵ８２は、まず、温度センサ７２により検出されるシフト反応部温度Ｔｓを読み込み（ステップＳ５００）、読み込んだシフト反応部温度Ｔｓが閾値Ｔｒ１未満であるかを判定する処理を実行する（ステップＳ５０２）。ここで、閾値Ｔｒ１は、シフト反応部７０のシフト触媒が活性化する温度範囲の下限値より高い値として設定されるものである。シフト反応部温度Ｔｓが閾値Ｔｒ１以上のときには、シフト反応部７０の加熱は必要ないと判断して本ルーチンを終了する。一方、シフト反応部温度Ｔｓが閾値Ｔｒ１未満のときには、シフト反応部７０の加熱が必要と判断し、第１熱交換部４０からの燃焼ガスを所定時間だけ供給して（ステップＳ５０４）、本ルーチンを終了する。第１熱交換部４０からの燃焼ガスの所定時間の供給は、排ガス開放バルブ４７を閉成すると共に排ガスバルブ７３を開成し、所定時間経過後に排ガス開放バルブ４７を開成すると共に排ガスバルブ７３を閉成することにより行なわれる。この結果、第１熱交換部４０からの排ガスとしての燃焼ガスがシフト反応部７０の熱交換流路に供給され、シフト反応部７０を加熱することができる。
【００４４】
図９のＣＯ低減部温度制御ルーチンは、シフト反応部温度Ｔｓに代えてＣＯ低減部温度Ｔｃを用いる点と、閾値Ｔｒ１に代えてＣＯ低減部７４の優先酸化触媒が活性化する温度範囲の下限値より大きな値に設定された閾値Ｔｒ２を用いる点を除いて図８のシフト反応部温度制御ルーチンと同様である。したがって、重複する説明となるから、これ以上の説明は省略する。
【００４５】
以上説明した実施例の燃料改質装置２０によれば、改質反応部３２からの改質ガスを冷却する熱交換部３６を第１熱交換部４０と第２熱交換部５０と第３熱交換部６０とにより構成すると共に各々で生じ得る凝縮水を回収するから、凝縮水がシフト反応部７０やＣＯ低減部７４に送られてシフト触媒や優先酸化触媒を濡らしてしまうことによる弊害、即ち触媒機能の低下を防止することができる。しかも、シフト反応部７０に供給される改質ガスは第２熱交換部５０と第３熱交換部６０とにより冷却されるから、適正な温度範囲の改質ガスをシフト反応部７０に供給することができる。また、回収した水を改質原料として用いるから、効率よく資源を用いることができる。
【００４６】
また、実施例の燃料改質装置２０によれば、始動時に炭化水素系の燃料と空気とを第２熱交換部５０の改質ガスの流路に供給すると共に燃焼し、その燃焼ガスを第３熱交換部６０やシフト反応部７０，ＣＯ低減部７４に供給するから、迅速に第２熱交換部５０や第３熱交換部６０，シフト反応部７０を暖機することができる。しかも、第１熱交換部４０からの燃焼ガスも第３熱交換部６０の改質ガスの流路に供給されるから、より迅速に暖機することができる。また、第１熱交換部４０や第２熱交換部５０に供給する燃料を改質原料として用いる炭化水素系の燃料としたから、別に燃料を貯蔵する必要がなく、装置を簡易にすることができる。
【００４７】
さらに、実施例の燃料改質装置２０によれば、第１熱交換部４０の排ガスをシフト反応部７０やＣＯ低減部７４の温度制御に用いるから、装置全体としての熱効率を向上させることができる。
【００４８】
こうした実施例の燃料改質装置２０が奏する各効果等により、実施例の燃料改質装置２０では、効率よく炭化水素系の燃料を改質すると共に一酸化炭素濃度が極めて低い水素リッチな燃料ガスを得ることができる。
【００４９】
実施例の燃料改質装置２０では、熱交換部３６を第１熱交換部４０と第２熱交換部５０と第３熱交換部６０とにより構成したが、第２熱交換部５０と第３熱交換部６０とにより構成し、第２熱交換部５０に水タンク２２からの水を直接供給するものとしてもよい。また、熱交換部３６を第１熱交換部４０と第２熱交換部５０とにより構成しても差し支えない。
【００５０】
実施例の燃料改質装置２０では、始動時に第１熱交換部４０と第２熱交換部５０とに炭化水素系の燃料と空気とを供給すると共に燃料を燃焼し、両燃焼ガスを第３熱交換部６０，シフト反応部７０，ＣＯ低減部７４に供給して暖機したが、第２熱交換部５０にだけ炭化水素系の燃料と空気とを供給し燃焼して、燃焼ガスを第３熱交換部６０以降に供給して暖機するものとしてもよい。また、第１熱交換部４０からの燃焼ガスを第２熱交換部５０の改質ガスの流路に供給して、第２熱交換部５０，第３熱交換部６０，シフト反応部７０，ＣＯ低減部７４を暖機するものとしても差し支えない。
【００５１】
実施例の燃料改質装置２０では、第１熱交換部４０と第２熱交換部５０と第３熱交換部６０に水溜部４２，５２，６２やドレンポート４３，５３，６３を設けたが、第３熱交換部６０にだけ水溜部とドレンポートを設けるものとしても差し支えない。
【００５２】
実施例の燃料改質装置２０では、第１熱交換部４０からの排ガスをシフト反応部７０やＣＯ低減部７４の温度制御に用いるものとしたが、第１熱交換部４０からの排ガスをシフト反応部７０やＣＯ低減部７４の温度制御に用いないものとしてもかまわない。
【００５３】
実施例の燃料改質装置２０では、第１熱交換部４０や第２熱交換部５０に供給する燃料を改質原料として用いる炭化水素系の燃料としたが、異なる燃料を供給するものとしても差し支えない。
【００５４】
実施例の燃料改質装置２０では、炭化水素系の燃料として天然ガスやガソリンを用いるものとしたが、この他の飽和炭化水素や不飽和炭化水素，メタノールなどのアルコール類など種々の炭化水素系の燃料を用いるものとすることもできる。
【００５５】
実施例の燃料改質装置２０では、ＣＯ低減部７４を備えるものとしたが、一酸化炭素の濃度があまり問題にならない機器に水素リッチガスを供給する場合には、ＣＯ低減部７４を備えないものとしてもかまわない。
【００５６】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例である燃料改質装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】  実施例の燃料改質装置２０の電子制御ユニット８０により実行される始動時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図３】  暖機処理時に機能する部分を中心とした実施例の燃料改質装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図４】  暖機処理中に実施例の燃料改質装置２０の電子制御ユニット８０により実行される第１水回収処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図５】  暖機処理中に実施例の燃料改質装置２０の電子制御ユニット８０により実行される第２水回収処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図６】  定常運転時に機能する部分を中心とした実施例の燃料改質装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図７】  定常運転時に実施例の燃料改質装置２０の電子制御ユニット８０により実行される空気量制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図８】  定常運転時に実施例の燃料改質装置２０の電子制御ユニット８０により実行されるシフト反応部温度制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図９】  定常運転時に実施例の燃料改質装置２０の電子制御ユニット８０により実行されるＣＯ低減部温度制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
２０  燃料改質装置、２２  水タンク、２３  水ポンプ、２４  燃料タンク、２５  燃料ポンプ、２６  ブロア、３０  混合部、３２  改質反応部、３４  温度センサ、３６  熱交換部、４０  第１熱交換部、４１，５１，６１  ブロア、４２，５２，６２  水溜部、４３，５３，６３  ドレンポート、４４，５４，６４  排水バルブ、４４ａ，５４ａ，６４ａ  アクチュエータ、４５，５５  点火装置、４６  排ガス管、４７  排ガス開放バルブ、４７ａ  アクチュエータ、４９，５９，６９  レベルセンサ、５０  第２熱交換部、６０  第３熱交換部、６６，７３，７９  排ガスバルブ、６６ａ，７３ａ，７９ａ  アクチュエータ、６８  回収管、７０  シフト反応部、７２，７８  温度センサ、７４  ＣＯ低減部、７６  ブロア、８０  電子制御ユニット、８２  ＣＰＵ、８４  ＲＯＭ、８６ＲＡＭ。
【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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