(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質反応により水素リッチな改質ガスを生成するとともに、生成された改質ガス中の一酸化炭素を低減させる改質手段を備えた燃料電池システムにおいて、
前記改質手段は、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する第１の反応器と、生成された改質ガス中の一酸化炭素を低減させる第２の反応器とによって構成され、
システム暖機時に、前記改質手段を暖機する燃焼ガスを希薄燃焼により生成する燃焼器と、
前記燃焼器により生成した燃焼ガスを前記第１の反応器及び前記第２の反応器に分配する燃焼ガス分配管を備えたことを特徴とする改質型燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１の反応器及び前記第２の反応器が運転温度に同時に達するように燃焼ガスを分配する請求項１に記載の改質型燃料電池システム。
【請求項３】
前記改質手段の暖機運転終了直後における改質ガスの発生量を設定するガス発生量設定手段と、
設定されたガス発生量が、前記改質手段の最大ガス発生量に占める割合を演算する割合演算手段と、
を備え、
システム暖機時に、前記第１の反応器及び前記第２の反応器に分配される燃焼ガスの量に前記割合を乗算した量だけ、燃焼ガスを前記第１の反応器及び前記第２の反応器に分配する請求項２に記載の改質型燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃焼ガス分配管の少なくとも一つに空気を追加流入する空気配管を備えた請求項１から３のいずれか一つに記載の改質型燃料電池システム。
【請求項５】
前記空気配管に、空気の流量を制御する流量制御弁を備えた請求項４に記載の改質型燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１の反応器及び前記第２の反応器の温度を推定する温度推定手段と、
前記温度推定手段により推定された温度が、前記第１の反応器及び前記第２の反応器の運転温度以下の場合に、前記温度から、加熱に必要な熱量を演算する演算手段を備え、
前記演算手段の演算結果に基づき、前記空気配管から前記燃焼ガス分配管に空気を流入する請求項５に記載の改質型燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃焼ガス分配管の少なくとも一つに配置した燃焼ガス流量調整弁と、
前記第１の反応器及び前記第２の反応器の温度を推定する温度推定手段と、
前記温度推定手段により推定された温度が前記第１の反応器及び前記第２の反応器の運転温度以下の場合に、前記温度から、加熱に必要な熱量を演算する演算手段と、を備え、
前記演算手段の演算結果に基づいて前記燃焼ガス流量調整弁を制御することにより、前記燃焼ガス分配管に分配する燃焼ガスの分配割合を調整する請求項１または２に記載の改質型燃料電池システム。
【請求項８】
前記改質手段を、改質反応器と、シフト反応器、ＣＯ除去器を直列に配置することにより形成し、少なくとも前記改質反応器と前記ＣＯ除去器に燃焼ガス分配管から燃焼ガスを供給する請求項１から７のいずれか一つに記載の改質型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、改質型燃料電池システム、特に改質器の暖機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の改質型燃料電池システムにおける起動時の暖機装置としては、特開平５−３０３９７０号公報のようなものが知られている。これは、バーナで改質反応器を暖機するとともに、バーナからの排出ガスを一酸化炭素変成器の加熱ガスとして供給することで、燃料電池システムの起動時に改質反応器および一酸化炭素変成器の暖機を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、このような従来技術においては、一酸化炭素変成器に供給される加熱ガスの温度が低く、暖機時間が長時間になるという問題がある。これは、改質反応器を加熱した後に一酸化炭素変成器に供給されて暖機を行うので、改質反応器の暖機が終了するまでは一酸化炭素変成器に供給される加熱ガスの温度が低いためである。これにより、改質反応器の暖機が終了してから一酸化炭素変成器の暖機が行われるので暖機時間が長時間必要となる。
【０００４】
そこで本発明は、一酸化炭素変成器も含めてすばやく暖機することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成するとともに、生成された改質ガス中の一酸化炭素を低減させる改質手段を備えた燃料電池システムにおいて、前記改質手段は、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する第１の反応器と、生成された改質ガス中の一酸化炭素を低減させる第２の反応器とによって構成され、システム暖機時に、前記改質手段を暖機する燃焼ガスを希薄燃焼により生成する燃焼器と、前記燃焼器により生成した燃焼ガスを前記第１の反応器及び前記第２の反応器に分配する燃焼ガス分配管を備えたことを特徴とする。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明において、前記第１の反応器及び前記第２の反応器が運転温度に同時に達するように燃焼ガスを分配する。
【０００７】
第３の発明は、第２の発明において、前記改質手段の暖機運転終了直後における改質ガスの発生量を設定するガス発生量設定手段と、設定されたガス発生量が、前記改質手段の最大ガス発生量に占める割合を演算する割合演算手段と、を備え、システム暖機時に、前記第１の反応器及び前記第２の反応器に分配される燃焼ガスの量に前記割合を乗算した量だけ、燃焼ガスを前記第１の反応器及び前記第２の反応器に分配する。
【０００８】
第４の発明は、第１から３のいずれか一つの発明において、前記燃焼ガス分配管の少なくとも一つに空気を追加流入する空気配管を備えた。
【０００９】
第５の発明は、第４の発明において、前記空気配管に、空気の流量を制御する流量制御弁を備えた。
【００１０】
第６の発明は、第５の発明において、前記第１の反応器及び前記第２の反応器の温度を推定する温度推定手段と、前記温度推定手段により推定された温度が前記反応器の運転温度以下の場合に、前記温度から、加熱に必要な熱量を演算する演算手段を備え、前記演算手段の演算結果に基づき、前記空気配管から前記燃焼ガス分配管に空気を流入する。
【００１１】
第７の発明は、第１または２の発明において、前記燃焼ガス分配管の少なくとも一つに配置した燃焼ガス流量調整弁と、前記第１の反応器及び前記第２の反応器の温度を推定する温度推定手段と、前記温度推定手段により推定された温度が前記第１の反応器及び前記第２の反応器の運転温度以下の場合に、前記温度から、加熱に必要な熱量を演算する演算手段と、を備え、前記演算手段の演算結果に基づいて前記燃焼ガス流量調整弁を制御することにより、前記燃焼ガス分配管に分配する燃焼ガスの分配割合を調整する。
【００１２】
第８の発明は、第１から７のいずれか一つの発明において、前記改質手段を、改質反応器と、シフト反応器、ＣＯ除去器を直列に配置することにより形成し、少なくとも前記改質反応器と前記ＣＯ除去器に燃焼ガス分配管から燃焼ガスを供給する。
【００１３】
【作用及び効果】
第１の発明によれば、システム暖機時に、燃焼器により生成した希薄燃焼ガスを、第１の反応器及び第２の反応器に分配する燃焼ガス分配管を備えたことで、第１の反応器及び第２の反応器の内、下流側の反応器にもはじめから耐熱温度の範囲内の高温の加熱ガスで加熱することができ、下流の反応器の暖機時間を短くすることができる。
【００１４】
第２の発明によれば、第１の反応器及び第２の反応器が運転温度に同時に達するように燃焼ガスを分配することで、各反応器を必要以上の高温にまで加熱することなく、効率的に暖機することができる。
【００１５】
第３の発明によれば、改質手段の暖機運転終了直後における改質ガスの発生量を設定し、設定されたガス発生量が、改質手段の最大ガス発生量に占める割合を演算し、システム暖機時に、第１の反応器及び第２の反応器に分配される燃焼ガスの量に前記割合を乗算した量だけ、燃焼ガスを前記第１の反応器及び前記第２の反応器に分配することで、設定負荷が所定より小さい場合、暖機に用いる熱量を反応器全体を暖機する場合に比べて小さくし、燃料消費を低減することができる。
【００１６】
第４の発明によれば、燃焼ガス分配管の少なくとも一つに空気を追加流入する空気配管を備えることで、各反応器に分配する燃焼ガス温度を各反応器の耐熱温度以下に維持できるため、各反応器の性能劣化を確実に防止できる。
【００１７】
第５の発明によれば、空気配管に、空気の流量を制御する流量制御弁を備えることで、燃焼ガス分配管に流入する空気量を制御することができ、ひいては、各反応器に導入する燃焼ガス流量を制御することができるので、燃焼ガスを適当に分配することができる。
【００１８】
第６の発明によれば、加熱に必要な熱量を演算する演算手段の演算結果に基づき、空気配管から燃焼ガス分配管に空気を流入することで、冷却状況および暖機開始時の反応器温度に応じて、過剰な加熱を避けつつ暖機開始時の反応器間に生じた温度分布に適した昇温を行うことができる。
【００１９】
第７の発明によれば、加熱に必要な熱量を演算する演算手段の演算結果に基づいて、燃焼ガス流量調整弁を制御することにより、燃焼ガス分配管に分配する燃焼ガスの分配割合を調整することで、加熱に用いる熱量を節約することが可能となる。
【００２０】
第８の発明によれば、改質手段を、改質反応器と、シフト反応器、ＣＯ除去器を直列に配置することにより形成し、少なくとも改質反応器とＣＯ除去器に燃焼ガス分配管から燃焼ガスを供給することで、暖機時に下流側のＣＯ除去器に高温の燃焼ガスを暖機開始時から供給することができるので、少ない追加構成要素により暖機時間を短縮することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態における燃料電池システムの構成を図１に示す。ここでは、炭化水素燃料を原料として水素リッチな燃料ガスを生成する改質器を直列に配置された改質反応器３、シフト反応器４、ＣＯ除去器５から構成する。以下、これらを単に反応器という。また、燃料電池システムの運転制御は図示しないコントローラにより行う。
【００２２】
燃料電池２において発電を行う際には、燃料タンク１０内の炭化水素系燃料をポンプ１１を介して改質器に供給する。ここでは、改質器の最も上流側に位置する改質反応器３に備えたインジェクタ１３から改質反応器３内に供給する。同時に、改質反応器３には、コンプレッサ１から空気配管６１を通り、調整弁２１において流量を調整した空気を供給する。
【００２３】
改質反応器３では、供給された燃料と空気とを原料として改質反応を生じることにより水素リッチガスを生成する。この水素リッチガスには燃料電池２の劣化原因となる一酸化炭素が含まれているので、改質反応器３の下流に配置したシフト反応器４およびＣＯ除去器５によって一酸化炭素を除去する。
【００２４】
シフト反応器４においては、水素リッチガスを触媒に供給してシフト反応を促進させることにより一酸化炭素を低減する。さらにＣＯ除去器５では、コンプレッサ１から空気配管６２を通って供給される空気中の酸素を用いた触媒酸化反応により、さらに一酸化炭素を低減する。このとき、ＣＯ除去器５に供給される空気の流量は空気配管６２に設置した調整弁２３により調整する。
【００２５】
燃料電池２では、上記のように一酸化炭素濃度を低減させた水素リッチガスと、コンプレッサ１から空気配管６３を通り、調整弁２４によって流量を調整された空気と、を用いて発電を行う。
【００２６】
このような燃料電池システムにおいて、起動時には改質器を構成する反応器３、４、５に充填した触媒を活性状態とするために以下のような暖機運転を行う。
【００２７】
燃料タンク１０からポンプ１１により取り出した燃料を、燃料配管１４およびインジェクタ１５を介して燃焼器６に供給する。燃焼器６では、供給された燃料と、コンプレッサ１から空気配管６０を通り供給された空気により燃焼を行う。ここでは、生成ガス温度が低く、また、生成される一酸化炭素量の少ない希薄燃焼により希薄燃焼ガス（以下、燃焼ガス）を生成する。燃焼ガスは燃焼ガス分配管７１、７２、７３に分割され、改質反応器３、シフト反応器４、ＣＯ除去器５に供給される。
【００２８】
燃焼ガス分配管７１を通り改質反応器３に供給された燃焼ガスは、改質反応器３の加熱ガスとして改質反応器３を暖機後、燃焼ガス分配管７２を通って供給される燃焼ガスとガスミキサ３１において混合される。これにより生成された燃焼ガスより低温の加熱ガスをシフト反応器４に供給して、シフト反応器４の暖機を行う。シフト反応器４の暖機終了後、暖機に使用した加熱ガスと、燃焼ガス分配管７３から供給される燃焼ガスとをガスミキサ３２において混合する。これにより生成されたさらに低温の加熱ガスによりＣＯ除去器５を加熱する。
【００２９】
ＣＯ除去器５の暖機後の加熱ガスは燃料電池システム外に排出される。ここでは希薄燃焼により生成したＣＯ濃度の低い燃焼ガスを用いているので、改質器の暖機終了後には燃料電池２を介して燃料電池システム外に排出することができる。
【００３０】
ここで、暖機完了後の改質運転時には反応器３、４、５等で生じる圧力損失のために、改質器内の上流側のほうが下流側よりも圧力が高くなる。これにより、燃焼ガス分配管７１、７２を通じて、上流側の反応器から下流側の反応器へ改質ガスが流出する可能性がある。そこで、燃焼ガス分配管７１、７２に逆止弁４１、４２を設けることで、未反応ガスが下流側に流出するのを防ぐことができる。
【００３１】
次に、上記のような暖機運転により、各反応器３、４、５が所定の転換率を示す温度にまで加熱するのに必要な熱量を求める。
【００３２】
まず所定の転換率を示すように、各反応器３、４、５の目標暖機温度を設定する。これは、充填した触媒が所定の活性を示す時の運転温度である。この運転温度にまで各反応器を加熱することで、所定の転換率を得ることができ、つまりは所定量の水素リッチガスを生成することができる。発電運転時の改質反応器３の運転温度をＴｒｐ、シフト反応器４の運転温度をＴｓｐ、ＣＯ除去器５の運転温度をＴｃｐとすると、一般的にはＴｒｐ＞Ｔｓｐ＞Ｔｃｐが成立する。このとき、各反応器３、４、５の目標暖機温度も同様の大小関係を示す。
【００３３】
図３に目標暖機温度を求める際に用いるマップを示す。単位触媒体積あたりの反応ガスの体積流量を一定としたときの、触媒温度に対する転換率を示す曲線をＳＶ曲線とする。このとき、暖機直後の改質器の状態を転換率がα以上を示す活性状態を得るためには、暖機目標温度をＴ1〜Ｔ2の範囲で設定する。
【００３４】
このように暖機目標温度を設定したら、この暖機目標温度に達するために必要な熱量（必要熱量）を求める。ここでは、暖機目標温度と暖機開始時の各反応器の温度との差と、各反応器の熱容量の積で表すことができる。
【００３５】
【式１】
0004000888.tif 000002
【００３６】
各反応器３、４、５を必要な転換率を示すように暖機するためには、上記の必要熱量を加熱ガスにより供給される必要がある。そこで、加熱ガスにより暖機時間Ｔｉ内に各反応器に与えられる熱量を求める。
【００３７】
【式２】
0004000888.tif 000003
【００３８】
このように表される暖機時間Ｔｉ内に各反応器３、４、５に供給される熱量が、各反応器３、４、５の必要熱量を満たすとき、各反応器３、４、５を目標暖機温度にまでほぼ同時に暖機することができる。
【００３９】
ここで、加熱ガスの流量および温度または組成は、燃焼器６で生成される燃焼ガスによって決定する。燃焼ガスの流量および温度、組成は燃焼器６に供給する空気と燃料の流量によって定まる。空気流量はコンプレッサ１の回転数で定めるか、図示しない空気流量計により測定することで目標値に制御する。一方、燃料流量はインジェクタ１５の負荷もしくは、図示していない燃料流量計により測定することで目標値に制御する。ここでは、燃焼器６に供給する空気量および燃料量は一定とする。
【００４０】
次に、上記のような加熱ガスを供給するために、各反応器に供給する燃焼ガスの分配割合を求める。ここで、流量で示される分配割合は時間によらず一定とし、各反器３、４、５の暖機がほぼ同時に終わるように設定する。また、供給する燃焼ガスの温度をＴ、各反応器３、４、５を暖機する時間を暖機時間Ｔｉと設定する。
【００４１】
最も上流側の改質反応器３においては、加熱ガスは燃焼ガス分配管７１から供給される燃焼ガスとなる。そのため、式（２）における加熱ガスの反応器入口温度は燃焼ガス温度Ｔとなる。
【００４２】
一方、改質反応器３の伝熱面積と熱伝達率から伝熱量を計算し、伝熱量に基づき反応気入口と出口の温度差を算出する。あるいは、実験的に、改質反応器３の下流に設けられた温度センサ５１により測定した温度を加熱ガスの出口温度Ｔａ（ｔ）として、式（２）における加熱ガスの反応器入口と出口の温度差を時間の関数（Ｔ−Ｔａ（ｔ））として表すこともできる。
【００４３】
このとき、式（２）でもとめる熱量が必要熱量を賄うように、燃焼ガスの流量を設定することで、改質反応機３を暖機時間Ｔｉで暖機することのできる燃焼ガスの供給量Ｑａを設定することができる。
【００４４】
改質反応器３の下流に位置するシフト反応器４においては、加熱ガスは、改質反応器３で暖機に利用した後の低温ガスと、燃焼ガス分配管７２から供給される燃焼ガスとをミキサ３１において混合することにより生成した混合ガスとなる。
【００４５】
ここでは下流のシフト反応器４に流入する改質反応器３からのガスの温度を、算出した温度または温度センサ５１により測定される温度Ｔａ（ｔ）とすることができる。シフト反応器４に供給される加熱ガスの温度は、燃焼ガス分配管７２からの燃焼ガスの温度Ｔおよび流量Ｑｂと、改質反応器３からのガスの流量Ｑａ、温度Ｔａ（ｔ）の関数として与えられる温度となる。ここで、燃焼器６からの燃焼ガス流量と各反応器３、４、５への燃焼ガス分配割合を一定とするので、改質反応器３から供給されるガス流量Ｑａおよびシフト反応器４に供給される燃焼ガス流量Ｑｂは一定であり、加熱ガス温度は時間の関数として与えられる。
【００４６】
この加熱ガスの温度と温度センサ５２で測定されるシフト反応器４の出口温度Ｔｂ（ｔ）との差から暖機時間Ｔｉ内にシフト反応器４の加熱に利用した熱量を求める。出口温度は、伝熱面積と熱伝達率から伝熱量を算出し、算出された伝熱量に基づき求めることができるが、実験的に求めることもできる。例えば、反応器の仕様が定まったもので事前に実験することにより、時間の関数としてシフト反応器４の出口温度データを取得し、このガス出口温度をもとにシフト反応器４が加熱に利用した熱量を求める。この熱量が、シフト反応器４の必要熱量を満足するように燃焼ガス供給量Ｑｂを設定することで、シフト反応器４の暖機時間をＴｉに設定することができる。
【００４７】
さらに下流に位置するＣＯ除去器５についても、シフト反応器４の出口温度を元に演算または実験することにより供給される熱量を求めることができ、これからＣＯ除去器５に供給する燃焼ガス流量Ｑｃを決定する。
【００４８】
このように、各反応器３、４、５の暖機に必要な熱量を算出し、各反応器３、４、５に供給される加熱ガスが供給する熱量が、その必要熱量を満足するように加熱ガスを供給することで、反応器３、４、５を暖機することができる。このとき所定時間Ｔｉでそれぞれの反応器３、４、５の暖機が終了するように燃焼ガスの供給割合Ｑａ、Ｑｂ、Ｑｃと設定することで、全体の暖機時間を短縮することができる。また過剰に暖機するのを防ぐことができるので、燃料消費を低減することができる。
【００４９】
この燃焼ガスの供給割合により、各燃焼ガス分配管７１、７２、７３の断面積を決定することで、各反応器の暖機を同時に終了することのできる燃料電池システムを構成することができる。このとき、各燃焼ガス分配管７１、７２、７３の断面積は各配管の形状によって決定してもよいが、バルブ等を設けて燃焼ガスの分配割合を調節可能な構造としてもよい。
【００５０】
このように、燃焼ガスを分配した場合の各反応器の温度変化を図５に示す。これは、改質反応器３、シフト反応器４、ＣＯ除去器５に燃焼ガスを４：１：１で分配した場合の反応器の温度上昇を示す。図４には、従来例として、燃焼ガスを分配しない場合を示す。
【００５１】
図４に示されるように、燃焼ガスを分配しない場合、改質反応器３の温度は上昇が早く、改質反応器３の暖機目標温度に短時間で到達する（点Ａ1）。一方、ＣＯ除去器５が目標暖機温度に到達するまでには時間がかかる（点Ｃ1）。ここで、燃料電池２でのＣＯ被毒を防止するため、燃料電池２が許容するＣＯ濃度にまでＣＯ除去した後でしか改質ガスを燃料電池２に供給することができない。そのため、ＣＯ除去器５が充分に性能を発揮できる温度にまで昇温されなければ暖機が終了したことにならない。よって、ＣＯ除去器５の暖機が終了する（点Ｃ1）まで改質反応器３の暖機が継続されるので、改質反応器３が過剰に暖機されることになる。これにより、燃料を余分に消費することになるので燃料効率を低下させる。
【００５２】
これに対して図５では、各反応器の暖機をほぼ同時に終了することができ、暖機時間を短縮することができるとともに、燃料消費量を低減することができる。
【００５３】
このように、改質器を構成する反応器の特に下流側の反応器にも燃焼ガスを供給することで、下流側の反応器も暖機運転の最初から高温ガスを用いた加熱を行うことができる。さらに、各反応器がほぼ同時に目標暖機温度に達するように燃焼ガスを分配することで、さらに効率的な加熱を行うことができ、暖機時間を短縮することができる。
【００５４】
次に、暖機終了後に必要となる負荷が必ずしも１００％ではないものについて説明する。これは例えば、車輌等にこの燃料電池システムを用いた場合であり、走行状態毎に燃料電池が発生すべき設定負荷が決まる。そのため、改質器も全体が１００％負荷に相当する水素を必ずしも発生する必要はなく、設定に応じた転換性能が得られる体積分の触媒だけ運転温度に昇温すればよい。
【００５５】
例えば、暖機直後の設定負荷が５０％であれば、供給される反応ガスの流量は５０％となるため、設定負荷が１００％に相当する水素を生成する触媒体積の５０％だけ目標暖機温度に達すればよい。これは、目標暖機温度に達していない触媒も実際には反応を生じることから、負荷が５０％の場合には触媒体積の５０％だけを暖機することで充分な転換性能を得ることができる。そのため、図２に示したように、各反応器が負荷に応じた割合分だけ暖機されるように加熱することで、暖機後設定負荷相当の水素を発生することができる。このとき、各反応器３、４、５の出口温度は、加熱開始前の低温の状態で維持し、各反応器３、４、５の出入温度差が大きくなるように加熱する。このように、各反応器３、４、５を部分的に加熱して、残りの部分をできるだけ加熱しないことで、加熱に必要な熱量を節約することができる。
【００５６】
この場合、各反応器３、４、５で供給された熱量を充分に吸熱した後に、下流の反応器にガスが流出するので、供給される熱量の配分は単純に、以下のような関係となる。
【００５７】
【式３】
0004000888.tif 000004
【００５８】
改質運転開始時の負荷が小さいほど暖機する体積が小さく、局所的に加熱する必要があるため、供給ガスは反応ガスの耐熱温度以下のできるだけ高温で、小流量であるほうが有効である。
【００５９】
このように燃焼ガスを各反応器に分配して供給するので、暖機終了後に要求される改質ガス発生量に応じて、各反応器３、４、５の暖機対象となる容積を設定し、それに応じて燃焼ガスを供給することができ、燃料消費を低減することができる。
【００６０】
ここで、改質反応器の触媒の耐熱温度をＴｒ、シフト反応器４の触媒の耐熱温度をＴｓ、ＣＯ除去器５の触媒の耐熱温度をＴｃとすると、Ｔｒ、ＴｓＴｃは異なる。反応器の耐熱温度の間には、一般的にＴｒ＞Ｔｓ＞Ｔｃが成立する。各反応器はそれぞれの耐熱温度以下の加熱ガスでしか加熱することができない。これは、耐熱温度以上の加熱ガスを供給すると、シンタリング等の発生により触媒の寿命が低下してしまうためである。
【００６１】
本実施形態では上流の反応器を暖機したために低温となった低温燃焼ガスと、燃焼器６から直接供給される高温燃焼ガスをガスミキサ３１、３２により混合してから下流に供給する。このため、燃焼ガス温度ＴｇをＴｒ＞Ｔｇ＞Ｔｓとした場合でも、シフト反応器４およびＣＯ除去器５には温度が低下した混合ガスを供給するため、触媒の寿命低下を抑えることができる。
【００６２】
このように、暖機終了直後の燃料電池システムの負荷に応じた割合の体積を暖機することで、暖機に用いる燃料を節約することができ燃料電池システムの実用燃費を小さくすることができる。
【００６３】
また、以下のような理由から、本実施形態では燃焼ガス分配管７２を省略することができる。
【００６４】
改質器においては、通常、改質器は上流にある反応器ほど運転温度が高いために、最も上流の改質器への加熱が優先される。しかし、燃料電池２に改質ガスを導入するためには、最下流のＣＯ除去器５が運転可能温度に達していなければ導入できない。また、ＣＯ除去器５は低温で活性がよく、その代わり高温の耐熱性は低い触媒を使用する場合があるため、ＣＯ除去器５と加熱ガスの温度差を大きくつけることができず、加熱に時間がかかる。よって、シフト反応器４に比べてＣＯ除去器５に優先的に加熱ガスを分配するため、本実施例の構成に対して、シフト反応器４には燃焼ガス分配管７２を備えず、ＣＯ除去器５にのみ燃焼ガスの燃焼ガス分配管７３を備えることにより、システムの簡略化を図ることができる。
【００６５】
次に、第２の実施形態について説明する。ここで用いる燃料電池システムの構成を図６に示す。
【００６６】
シフト反応器４およびＣＯ除去器５への燃焼ガス分配管７２、７３の途中にコンプレッサ１から空気を供給する空気配管６４、６５を接続し、この空気配管６４、６５に空気流量調整弁２２、２３を設ける。
【００６７】
各反応器３、４、５の下流側には温度センサ５１、５２、５３を配置し、またこれらの測定値により各反応器３、４、５へ供給する燃焼ガスに混入する空気流量を算出する演算手段８２を備える。この温度センサ５１、５２、５３により測定した燃料電池システム停止中の温度もしくは起動開始直後の温度を、各温度センサ５１、５２、５３の上流側にある各反応器３、４、５の暖機開始出口温度とする。予め実験等により各反応器３、４、５内の初期温度分布の傾向を求めておき、これと前述の暖機開始出口温度とから各反応器３、４、５の暖機初期温度を得る。
【００６８】
周辺に熱容量の大きな機器が配置されている、または、冷却風の流量が多い、反応器が外部から熱容量の大きな液体で冷却されている等の各反応器周辺の冷却状況により、各反応器の暖機初期温度が完全に冷機された冷機状態とことなる場合、各反応器の暖機初期温度からの暖機に必要な熱量は、各反応器の冷機状態からの暖機に必要な熱量と異なる。
【００６９】
例えば、シフト反応器４の暖機初期温度からの暖機に必要な熱量が、シフト反応器４の冷機時からの暖機に必要な熱量より小さい場合には、空気配管６４からシフト反応器４へ供給する空気流量を増加する。これにより、燃焼ガス温度をシフト反応器４の運転時の温度程度まで低下させることができ、シフト反応器４と加熱ガスの温度差を小さくすることができる。その結果、燃焼ガスからシフト反応器４に供給される熱量を低減することができるので、下流側のＣＯ除去器５への熱供給量を増加することができる。
【００７０】
また、ＣＯ除去器５の暖機初期温度からの暖機に必要な熱量が、ＣＯ除去器５の冷機時からの暖機に必要な熱量より小さい場合には、シフト反応気４へ空気配管６４から供給する空気流量を少なくする。これと同時に、ＣＯ除去器５へ空気配管６５から供給する空気流量を増加する。空気配管６５からの空気供給量を大きくすることにより、ＣＯ除去器５に接続する燃焼ガス分配管７３の圧力損失を他の燃焼ガス分配管７１、７２に対して比較的大きくすることができる。これにより、改質反応器３およびシフト反応器４に供給される燃焼ガスの流量割合を大きくして、ＣＯ除去器５に供給する燃焼ガスの流量割合を小さくすることができる。その結果、通常の冷機状態からの暖機に比べてＣＯ除去器５へ与えられる熱量を低減して、その他の反応器へ与えられる熱量を増加することができるので暖機時間を短縮することができる。
【００７１】
上述のように空気流量を制御するために、各燃焼ガス分配管７１、７２、７３の圧力損失の釣り合いを考える。燃焼器６から各反応器３、４、５への燃焼ガス分配管７１、７２、７３の圧力は以下のような式を満たすように、燃焼ガスは分配される。
【００７２】
【式４】
0004000888.tif 000005
【００７３】
上式の各圧力損失は、以下のような式により求めることができる。
【００７４】
【式５】
0004000888.tif 000006
【００７５】
各反応器３、４、５および燃焼ガス分配管７１、７２、７３の圧力損失係数は理論または実験で得られた値を採用する。式（５）で示される圧力損失が式（４）の関係を満たすように燃焼ガス分配管７１、７２、７３から供給されるガス流量を設定することで、各反応器へのガス分配割合および空気流量調整弁２２、２３を制御することができる。
【００７６】
例えばＣＯ除去器５をまったく暖機しなくて良い場合には、ＣＯ除去器５への燃焼ガス分配管７３において、燃焼ガスと空気の混合ガスがＣＯ除去器の運転温度と等しくなるように空気流量を設定する。これにより、ＣＯ除去器５を運転温度に保ちながら、上流の改質反応器３およびシフト反応器４に流れる燃焼ガスの流量割合を最大にすることができ、燃焼ガスの熱量を有効に利用することができる。
【００７７】
このように、空気流量調整弁２２、２３により燃焼ガスを希釈する空気流量を調整することにより、暖機に必要な熱量に応じて各反応器３、４、５に供給する熱量の配分を制御できる。その結果、暖機初期温度が冷機時と異なり、各反応器３、４、５の暖機に必要な熱量割合が冷機状態からの暖機と異なった場合でも、効率良く燃焼ガスの熱を暖機に用いることができ、燃料の利用効率を向上することができる。
【００７８】
また、燃焼ガス温度を改質反応器３に充填した触媒の耐熱温度以下とし、燃焼ガス分配管７２、７３からシフト反応器４およびＣＯ除去器５に供給するガスがそれぞれに充填した触媒の耐熱温度以下となるように空気配管６４、６５からの供給空気量を調整する。これにより、上流の反応器３または４から流入する低温ガスと燃焼ガス分配管７２または７３から流入する燃焼ガスとの混合が充分でない場合にも、反応器４、５に供給されるガス温度を触媒の耐熱温度以下に抑えることができ、触媒の性能劣化を低減することができる。
【００７９】
これにより、ミキサ３１、３２を省略することができ、このミキサによる圧力損失を低減できるため、起動させる際に空気を改質器に供給する圧力を低くすることができる。これにより、空気供給装置１の起動時の消費電力を低減することができる。
【００８０】
次に、第３の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を図７に示す。
【００８１】
ＣＯ除去器５への燃焼ガス分配管７３と空気配管６５との合流部の下流側に燃焼ガス流量調整弁８０を配置する。
【００８２】
この燃焼ガス流量調整弁８０により、ＣＯ除去器５への燃焼ガス流路の圧力損失とＣＯ除去器５以外の反応器３、４への合計圧力損失の割合を変更することで、ＣＯ除去器５とＣＯ除去器以外の反応器への燃焼ガスの割合を変更する。
【００８３】
このように、燃焼ガス流量調整弁８０を燃焼ガスと空気の混合部より下流に配置することで、燃焼ガス流量調整弁８０を耐熱温度の低い材料により形成することができる。また、改質器の中で最も運転温度が低く、暖機の際の加熱ガス温度が低くて済むＣＯ除去器５のみに燃焼ガス流量調整弁８０を設けることで、耐熱性の高い、高価な弁を用いずに燃焼ガスの流量調整をすることができる。
【００８４】
このようなシステムにおいて、起動時には温度センサ５１、５２、５３により各反応器３、４、５の温度を測定し、ＣＯ除去器５とＣＯ除去器５以外の加熱に必要な熱量を演算手段８３において演算する。これにより得られたＣＯ除去器５とＣＯ除去器５以外の反応器３、４の必要熱量の割合に合わせて、燃焼ガスがＣＯ除去器５とそれ以外に分配されるように燃焼ガス流量調整弁８０の開度を制御する。
【００８５】
冷機状態からの起動時には、燃焼ガス流量調整弁８０の開度を大きくして、ＣＯ除去器５への燃焼ガスの分配量が冷機状態からの暖機で必要な熱量割合となるように設定する。
【００８６】
一方、改質器全体が完全に冷えていない場合には、熱容量が大きく反応温度の低い反応器ほど再度加熱するのに必要な熱量は少なくて済む。運転温度の高い上流側の反応器は、大気との温度差が大きいためにシステム停止時に反応器からの放熱量が大きくなり、運転停止後しばらくの間は、下流側の反応器に比べて運転温度と反応器温度との差が大きくなる。
【００８７】
この様な場合、ＣＯ除去器５のような下流の運転温度が低温の反応器は、再起動の際に与える熱量が小さくてすみ、上流の運転温度が高温の反応器には、大きな熱量を与える必要がある。このため、改質器全体が完全に冷えていない再起動時には、燃焼ガス流量調整弁８０の開度を小さくし、通常の冷機状態からの起動と比べてＣＯ除去器５への燃焼ガス流量を小さく、改質反応器３とシフト反応器４への燃焼ガス流量を大きくすることで、改質器全体の加熱終了までの時間を短縮することができる。
【００８８】
これらの分配割合を決定する場合には、第１の実施形態で分配割合を演算した方法を応用して、その時刻における分配割合を算出しても良いし、あるいは、反応器温度分布と必要熱量の相関テーブルを予め実験的に求めておいて、これを利用してもよい。
【００８９】
なお、本実施形態においては、さらに正確に制御するために、空気配管６４に空気調整弁を設けても良い。
【００９０】
このように、本発明は上記の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した技術的思想の範囲内で様々な変更が成し得ることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における改質型燃料電池システムの構成図である。
【図２】第１の実施形態において定格運転より小さい出力が要求される時の反応器内で暖機対象となる容積を示した説明図である。
【図３】要求される転換率に対する反応器の暖機目標温度を示す図である。
【図４】燃焼ガスを分配しない場合の各反応器の暖機時間と反応器温度を示す図である。
【図５】燃焼ガスを分配した場合の各反応器の暖機時間と反応器温度を示す図である。
【図６】第２の実施形態における改質型燃料電池システムの構成図である。
【図７】第３の実施形態における改質型燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
２    燃料電池
３    改質反応器
４    シフト反応器
５    ＣＯ除去器
６    燃焼器
６１〜６５  空気配管
７１〜７３  燃焼ガス分配管
８０  燃焼ガス調整弁
【図１】
0004000888.tif 000007
【図２】
0004000888.tif 000008
【図３】
0004000888.tif 000009
【図４】
0004000888.tif 000010
【図５】
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【図６】
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【図７】
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