(57)【要約】【課題】運転条件が変化するときであっても、あるいは、定常運転のときであっても、有害成分浄化部の温度を安定化させるのに有利な改質装置を提供する。【解決手段】改質装置２は、改質ガスを生成する改質部３４と；改質ガスの有害成分を低減させる有害成分浄化部５Ａと；第１通路４ａを流れる水と、第２通路４ｃを流れて改質部３４から有害成分浄化部５Ａに向かう改質ガスとを熱交換させる熱交換部４と；熱交換部４の第１通路４ａに水を供給する給水部３６，２７ｍと；熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水の気液混合状態を直接または間接的に検知し、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能および／または有害成分浄化部５Ａの温度を制御する制御部５００とをもつ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料原料から改質反応により改質ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成された前記改質ガスの有害成分を低減させる有害成分浄化部と、
互いに熱交換可能な第１通路と第２通路とをもち、前記第１通路を流れる水と、前記第２通路を流れて前記改質部から前記有害成分浄化部に向かう前記改質ガスとを熱交換させることにより、前記改質ガスを冷却して前記有害成分浄化部に供給する熱交換部と、
前記熱交換部の前記第１通路に水通路を介して水を供給する給水部と、
前記熱交換部の前記第１通路に流入する前の水の状態に関する物理量を直接的または間接的に検知し、検知された物理量に応じて、前記熱交換部の前記第１通路の冷却能および／または前記有害成分浄化部の温度を制御する制御部とを具備することを特徴とする改質装置。
【請求項２】
請求項１において、前記制御部は、前記熱交換部の前記第１通路に流入する前の水の状態を制御することにより、前記第１通路の冷却能および／または前記有害成分浄化部の温度を制御することを特徴とする改質装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記制御部は、前記第１通路に流入する前の水の状態を直接的または間接的に検知する検知部をもつことを特徴とする改質装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの一項において、前記制御部は、前記熱交換部の前記第１通路に流入する前の水の状態に関する物理量について降温微分値を求め、前記降温微分値に基づいて、前記熱交換部の前記第１通路の冷却能および／または前記有害成分浄化部の温度を制御することを特徴とする改質装置。
【請求項５】
請求項１〜４のうちの一項において、前記給水部は、原料水を加熱して液相の水および気相の水を含む気液混合流体を発生させると共に前記水通路に繋がる気液混合流体発生部と、前記原料水を前記気液混合流体発生部に供給する原料水供給部とを備えており、
前記熱交換部の前記第１通路で熱交換により暖められ前記第１通路から流出した水は、前記改質部に前記改質反応を実行するために供給されることを特徴とする改質装置。
【請求項６】
請求項５のうち一項において、前記熱交換部の前記第１通路の冷却能が所定値よりも過剰であるとき、前記制御部は、前記気液混合流体発生部に供給する原料水の単位時間あたりの流量を低減させることを特徴とする改質装置。
【請求項７】
請求項１〜６のうち一項において、前記水通路には加熱要素が設けられており、前記熱交換部の前記第１通路の冷却能が所定値よりも過剰であるとき、前記制御部は、前記加熱要素の作動させる操作または前記加熱要素の発熱量を増加させる操作を行うことを特徴とする改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料原料から改質反応により改質ガスを生成する改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料原料から改質反応により改質ガスを生成する改質装置が提供されている（特許文献１）。この改質装置は、燃料原料から改質反応により改質ガスを生成する改質部と、改質部で生成された改質ガスの有害成分としての一酸化炭素をシフト反応により低減させるＣＯシフト部と、ＣＯシフト部を経て改質ガスに含まれる一酸化炭素を酸素と結合させて二酸化炭素として低減させるＣＯ酸化除去部と、熱交換部と、熱交換部に水蒸気化された水を供給する給水部とを備えている。熱交換部は、互いに熱交換可能な第１通路と第２通路とをもつ。第１通路を流れる相対的に低温の水と、改質部から第２通路を流れて有害成分浄化部に向かう相対的に高温の改質ガスとを熱交換させる。これにより改質ガスを冷却して有害成分浄化部に供給する。このようにすれば有害成分浄化部に流入される改質ガスの温度が適温域となるため、有害成分浄化部における浄化性能が確保される。
【０００３】
また、特許文献２では、ＣＯシフト部（変性触媒部）を流れる改質ガスと、改質反応に使用される原料水とをＣＯシフト部（変性触媒部）において熱交換させる燃料処理装置が開示されている。このものによれば、ＣＯシフト部（変性触媒部）の温度を検知する温度センサを設け、ＣＯシフト部（変性触媒部）の温度に基づいて、原料水の供給量を制御している。
【特許文献１】特開２００４−１１５３２１号公報
【特許文献２】特開２００４−６０９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した改質装置においては、負荷変動などで改質装置の運転条件が変化するとき、あるいは、定常運転であっても外乱等の影響で、有害成分浄化部の温度の安定性が損なわれるおそれがある。この場合、有害成分を浄化する性能の安定性が損なわれるおそれがある。
【０００５】
そこで、特許文献２によれば、ＣＯシフト部（変性触媒部）の温度を検知する温度センサを設け、この温度信号に基づいて、給水部に供給する水の供給量を調節する方式を採用することにより、ＣＯシフト部（変性触媒部）の安定化を図っている。しかしながら、上記した方式ではＣＯシフト部（変性触媒部）の温度の安定化には必ずしも充分ではない。
【０００６】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、負荷変動などで運転条件が変化するときであっても、あるいは、定常運転のときであっても、ＣＯシフト部やＣＯ酸化除去部等といった有害成分浄化部の温度を安定化させるのに有利な改質装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、ＣＯシフト部やＣＯ酸化除去部等といった有害成分浄化部の温度を安定化させるためには、有害成分浄化部に供給される改質ガスの流れ経路において、有害成分浄化部の上流に位置する熱交換部の温度を制御することが重要であること、更に、熱交換部の温度を制御するためには、熱交換部に流入する前の熱交換用の水の状態を検知することが重要であることを知見し、試験で確認し、本発明を完成した。
【０００８】
本発明に係る改質装置は、（ｉ）燃料原料から改質反応により改質ガスを生成する改質部と、（ｉｉ）改質部で生成された改質ガスの有害成分を低減させる有害成分浄化部と、（ｉｉｉ）互いに熱交換可能な第１通路と第２通路とをもち、第１通路を流れる水と、第２通路を流れて改質部から有害成分浄化部に向かう改質ガスとを熱交換させることにより、改質ガスを冷却して有害成分浄化部に供給する熱交換部と、（ｉｖ）熱交換部の第１通路に水通路を介して水を供給する給水部と、（ｖ）熱交換部の第１通路に流入する前の水の状態に関する物理量を直接的または間接的に検知し、検知された物理量に応じて、熱交換部の第１通路の冷却能および／または有害成分浄化部の温度を制御する制御部とを具備することを特徴とする。
【０００９】
有害成分浄化部は、改質部で生成された改質ガスの有害成分を低減させるものである。有害成分としては一酸化炭素が例示される。従って、有害成分浄化部は、一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により一酸化炭素を酸化させて二酸化炭素に変化させる形態、および／または、一酸化炭素を酸素と反応させて二酸化炭素に変化させる形態が例示される。一般的には、有害成分浄化部の活性温度域は、改質部で生成された改質ガスの温度よりも低い。従って、改質部で生成された改質ガスを有害成分浄化部に供給するにあたり、改質ガスを冷却することが好ましい。そこで、熱交換部の第１通路を流れる水（液相および／または気相）と、熱交換部の第２通路を流れる高温の改質ガスとを熱交換させ、第２通路を介して有害成分浄化部に向けて流れる改質ガスを冷却させることにしている。
【００１０】
ここで、熱交換部の第１通路の水の状態において、液相が過剰であり、水の冷却能が高すぎると、熱交換部の第１通路の冷却能が高すぎ、有害成分浄化部に流れる改質ガスの温度が過剰に低温化し、有害成分浄化部の温度が活性温度域に対して低めとなるおそれがある。この場合、有害成分浄化部が有する本来の浄化性能が発揮できなくなるおそれがある。
【００１１】
そこで、制御部は、熱交換部の第１通路に流入する前の水の状態に関する物理量を直接的または間接的に検知する。直接的検知とは、熱交換部の第１通路に流入する前の水の状態に関する物理量（温度、圧力等）を直接検知することをいう。間接的検知は、（ｉ）熱交換部の第１通路を流れている水の物理量（温度、圧力等）から、第１通路に流入する前の水の状態に関する物理量（温度、圧力等）を推測する形態と、（ｉｉ）熱交換部の第１通路から流出する水の物理量（温度、圧力等）から、第１通路に流入する前の水の状態に関する物理量（温度、圧力等）を推測する形態とを含む。
【００１２】
熱交換部の第１通路に流入する前の『水』は、液相状でも良いし、気相状でも良いし、気相と液相とが混合した気液混合流体でも良い。従って、水の状態に関する物理量としては、液相の水の温度、気相の水の温度、気相の水の圧力、気液混合流体の圧力が挙げられる。水の温度が高いと、水は液相から気相に変化するため、気相の比率が高くなり、水の圧力が増加する。このため水の圧力は水の温度、ひいては水の状態（気液混合状態）を間接的に示すパラメータとなり得る。液相の水の蒸発潜熱（気化熱）は大きいため、液相と気相との比率は水の冷却能に影響を与える。
【００１３】
従って、第１通路に流入する前の水の状態に関する物理量は、第１通路に流入する前の液相の水の状態に関する物理量、気相の水の状態に関する物理量、気液混合の状態の水に関する物理量に相当することができる。
【００１４】
そして、制御部は、検知された物理量に応じて、熱交換部の第１通路の冷却能および／または有害成分浄化部の温度を制御する。即ち、検知された物理量（温度、圧力等）に基づいて熱交換部の第１通路の水の液相の比率が高く、水の冷却能が過剰に高いと判断されるときには、有害成分浄化部が過剰に降温するおそれがある。このため、制御部は、熱交換部の第１通路の冷却能を低減させ、有害成分浄化部の温度を昇温させる制御を行うことができる。ここで、第１通路の冷却能を低減させるためには、給水部に供給する水（液相）の単位時間あたりの流量を減少させる手段が例示される。
【００１５】
また、検知された物理量（温度、圧力等）に基づいて熱交換部の第１通路の水の気相の比率が過剰であり、冷却能が過剰に低いと判断されるときには、有害成分浄化部が過剰に昇温するおそれがある。このため、制御部は、熱交換部の第１通路の冷却能を高め、有害成分浄化部の温度を降温させる制御を行うことができる。第１通路の冷却能を高めるためには、給水部に供給する水（液相）の流量を増加させる手段、および／または、水通路の水を加熱要素で加熱する手段が例示される。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように本発明によれば、有害成分浄化部に供給される改質ガスの流れ経路において、有害成分浄化部の上流に位置する熱交換部の第１通路に流入する前の水の状態に関する物理量を直接または間接的に検知し、検知された物理量に応じて、熱交換部の第１通路の冷却能および／または有害成分浄化部の温度を制御することにしている。このため負荷変動などで改質装置の運転条件が変化するときであっても、あるいは、定常運転において外乱が発生するようなときであっても、改質ガスの有害成分を低減させる有害成分浄化部の温度を安定化させるのに有利となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
制御部は、熱交換部の第１通路に流入する前の水の状態に関する物理量として、当該水の温度および／または圧力を検知し、検知結果に応じて、熱交換部の第１通路の冷却能および／または有害成分浄化部の温度を制御する形態が例示される。熱交換部の第１通路に流入する前の水の温度は、第１通路の冷却能に直接影響を与え、ひいては有害成分浄化部の温度に大きな影響を与える。第１通路に流入する前の水の温度および／または圧力は、水の状態に関する物理量として使用できる。
【００１８】
給水部は、水を加熱して液相の水および気相の水を含む気液混合流体を発生させると共に水通路に繋がる気液混合流体発生部（蒸発部等）と、原料水を気液混合流体発生部に供給する原料水供給部（ポンプ等）とを備えている形態が例示される。熱交換部の第１通路で暖められ第１通路から流出した水は、改質部に改質反応を実行するために供給される形態が例示される。場合によっては、熱交換部の第１通路から流出した水は、他の用途に使用しても良い。
【００１９】
第１通路の冷却能が所定値よりも過剰であるとき、制御部は、気液混合流体発生部に供給する原料水の単位時間あたりの流量を低減させる形態が例示される。原料水の流量が低減されると、第１通路を流れる液相の水の量が低減されるため、第１通路の冷却能が低減される。所定値は、有害成分浄化部の材質、改質装置の使用環境等に応じて適宜設定される。
【００２０】
また、制御部は、第１通路に流入する前の水の状態に関する物理量を直接的または間接的に検知する検知部をもつ形態が例示される。水の状態に関する物理量としては、水の温度そのもの、水の温度を間接的に示すパラメータ（気相状の水または気液混合流体が示す圧力等）が挙げられる。
【００２１】
また、制御部は、第１通路に流入する前の水の温度に関する物理量の降温微分値を求め、降温微分値に基づいて、第１通路の冷却能および／または有害成分浄化部の温度を制御する形態が例示される。例えば、降温の降温微分値が大きいときには、第１通路に流入する前の水の降温量が大きいため、給水部に供給する水（液相）の流量を低減させること、および／または、水通路の水を加熱することが好ましい。
【００２２】
また水通路には加熱要素が設けられている形態が例示される。この場合、第１通路の冷却能が所定値よりも過剰であるとき、制御部は、加熱要素の作動させる操作または加熱要素の発熱量を増加させる操作を行うことが好ましい。
この場合、第１通路の冷却能が過剰に高くなることが抑制される。
【実施例１】
【００２３】
以下、本発明の実施例１について図１を参照して具体的に説明する。本実施例に係る改質装置は燃料電池システムに適用したものである。図１に示すように、
改質装置２は、改質用燃料（燃料原料）と水（水蒸気）との改質反応により改質ガスを生成する改質部３４と、改質部３４で生成された改質ガスの有害成分を低減させる有害成分浄化部５Ａ（一酸化炭素浄化部）と、互いに熱交換可能な第１通路４ａと第２通路４ｃとをもつ熱交換部４とを備えている。改質部３４は、改質反応を促進させる改質触媒を有する。
【００２４】
給水部は、原料水を燃焼部３０で加熱して液相の水および気相の水を含む気液混合流体を発生させる気液混合流体発生部として機能する蒸発部３６と、原料水を蒸発部３６に供給する原料水供給部としてのポンプ２７ｍ（原料水搬送源）とを備えている。蒸発部３６で生成された気液混合流体（水）は、水蒸気通路３００（水通路）を介して熱交換部４に向かう。
【００２５】
燃焼部３０は、蒸発部３６および改質部３４に隣設しており、蒸発部３６を加熱すると共に改質部３４を加熱する。蒸発部３６に供給された原料水は蒸発部３６において水蒸気化される。水蒸気化した水は、蒸発部３６と熱交換部４とを繋ぐ水蒸気通路３００（水搬送通路）を介して、熱交換部４の第１通路４ａに流れる。水蒸気通路３００には、燃料通路６２を流れる燃料原料と合流する合流域Ｍ１が設けられている。従って水蒸気通路３００において合流域Ｍ１よりも上流では、一般的には、液相の水と気相の水とが混合した気液混合流体が流れる。水蒸気通路３００において合流域Ｍ１よりも下流では、液相の水と気相の水と改質用の燃料原料（ガス）とが混合した気液混合流体が熱交換部４の第１通路４ａを流れる。改質部３４で生成された改質ガスは、熱交換部４の第２通路４ｃを流れて有害成分浄化部５Ａに向かう。
【００２６】
熱交換部４は、第１通路４ａを流れる相対的に低温（例えば７０〜１２０℃）の気液混合流体と、第２通路４ｃを流れて改質部３４から有害成分浄化部５Ａに向かう相対的に高温の改質ガス（例えば３００〜９００℃）とを熱交換させる。これにより改質部３４で生成された直後の高温の改質ガスを、熱交換部４における熱交換により冷却し、有害成分浄化部５Ａに供給する。
【００２７】
有害成分浄化部５Ａは、改質部３４で生成された改質ガスの有害成分（一酸化炭素）を低減させるものである。有害成分が低減された改質ガスはアノードガスとして燃料電池に供給され、カソードガスと共に発電反応に使用される。有害成分浄化部５Ａは、一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により一酸化炭素を酸化させて二酸化炭素に変化させるＣＯシフト部５と、一酸化炭素を酸素と反応させて二酸化炭素に変化させるＣＯ酸化除去部３７とを備えている。ＣＯシフト部５は一般的には、シフト反応を促進させる触媒を有する。ＣＯ酸化除去部３７は、一般的には、酸化反応を促進させる触媒を有する。
【００２８】
有害成分浄化部５Ａにおける温度Ｔ２は温度センサ５５で検知される。温度センサ５５の検知信号は制御部５００に入力される。ここで、有害成分浄化部５Ａの活性温度域は、改質部３４で生成された直後の改質ガスの温度（例えば３００超〜９００℃の範囲内）よりも低い。例えば、ＣＯシフト部５の活性温度域は２００〜３００℃の範囲内であり、ＣＯ酸化除去部３７の活性温度域は８０〜３００℃の範囲内である。但し、活性温度域はこれに限定されるものではない。
【００２９】
改質部３４で生成された高温の改質ガスを有害成分浄化部５Ａに供給するにあたり、改質ガスを適温域に冷却し、その改質ガスを有害成分浄化部５Ａに供給することが好ましい。改質ガスが適温域とされていないと、有害成分浄化部５Ａにおける一酸化酸素浄化能力が充分に発揮されないおそれがある。
【００３０】
そこで本実施例によれば、熱交換部４の第１通路４ａを流れる水（液相および／または気相，改質ガスよりも低温）と、熱交換部４の第２通路４ｃを流れる相対的に高温の改質ガスとを積極的に熱交換させる。これにより熱交換部４の第２通路４ｃを介して有害成分浄化部５Ａに向けて流れる改質ガスは、有害成分浄化部５Ａに流入する前の段階で冷却される。
【００３１】
ここで、仮に熱交換部４の第１通路４ａに流れる水において気相の比率が過剰に高いと、液相が過少であるため、水の水蒸気化による蒸発潜熱（気化熱）が期待できず、ひいては水の冷却能が低下し、熱交換部４の第１通路４ａによる冷却能（熱交換能）が低下するおそれがあり、有害成分浄化部５Ａに供給される改質ガスが過剰に昇温化するおそれがある。
【００３２】
その反面、熱交換部４の第１通路４ａを流れる水の液相の比率が過剰に高いと、水による蒸発潜熱（気化熱）が過剰に増加し、第１通路４ａによる冷却能が過剰となり、結果として、有害成分浄化部５Ａに流れる改質ガスの温度が低温化し、有害成分浄化部５Ａが活性温度域に対して相対的に低めとなるおそれがある。この場合、有害成分浄化部５Ａの浄化性能が損なわれるおそれがある。
【００３３】
そこで本実施例によれば、制御部５００は、制御則１として、有害成分浄化部５Ａにおける温度Ｔ２を温度センサ５５により検知し、温度Ｔ２が活性温度域となるように、燃焼部３０に供給される燃焼用燃料および燃焼用空気の単位時間当たりの流量、更にはポンプ２７ｍの単位時間あたりの回転数（単位時間あたりの水搬送量）のうちの少なくとも一つを制御している。これにより燃焼部３０の燃焼を制御し、蒸発部３６で発生する気液混合流体における液相／気相の比率を適度に設定し、温度Ｔ２が有害成分浄化部５Ａの活性温度域となるようにしている。このように熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水の気液混合状態（液相／気相の比率）を適度に設定し、その気液混合流体を熱交換部４の第１通路４ａに供給することにしている。これにより熱交換部４の第１通路４ａによる冷却能（熱交換能）が良好に維持され、ひいては熱交換部４の熱交換量が良好に維持され、これにより有害成分浄化部５Ａの浄化性能が充分に発揮できる。
【００３４】
しかしながら燃料電池等の負荷変動が発生し、改質装置２の運転条件が変化する場合、あるいは、定常運転であっても外乱の影響が大きい場合には、熱交換部４等の熱バランスが崩れるおそれがある。この場合、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水の状態が大きく変化するおそれがある。即ち、水の液相／気相の比率が大きく変化するおそれがある。この結果、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能が過剰に変動し、ひいては有害成分浄化部５Ａにおける温度Ｔ２の安定性が損なわれるおそれがある。
【００３５】
そこで本実施例によれば、制御部５００は、制御則１の他に制御則２を採用し、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水の状態（水蒸気通路３００における水の状態）に応じて、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能を制御し、ひいては有害成分浄化部５Ａの温度Ｔ２の安定化を図ることにしている。
【００３６】
以下、更に説明を加える。すなわち、制御部５００は、水蒸気通路３００の合流域Ｍ１の水の状態（水の温度Ｔ１）を検知する検知部としての温度センサ６５をもつ。温度センサ６５の検知信号は制御部５００に入力される。これにより制御部５００は、水蒸気通路３００の合流域Ｍ１における水の温度を検知することができる。つまり、制御部５００は、温度Ｔ１に基づいて、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水の冷却能、即ち、水の状態（液相の比率および／または気相の比率）を検知することができる。
【００３７】
ここで、第１通路４ａに流入する前の水の温度Ｔ１が相対的に低いと、水蒸気通路３００の合流域Ｍ１を流れる水の状態において液相状の水の比率が多いことになり、熱交換部４の第１通路４ａを流れる水（気液混合流体）の冷却能が高いことになる。また、温度Ｔ１が相対的に高いと、水蒸気通路３００の合流域Ｍ１を流れる水の状態において液相状の水の比率が少なく、気相状の水の比率が高くなり、熱交換部４の第１通路４ａを流れる水（気液混合流体）の冷却能が小さいことになる。ここで、液相状の水の比率が過剰であると、液相状の水が気化するときの蒸発潜熱（気化熱）が大きいため、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能が所定値よりも過剰であり、このとき、有害成分浄化部５Ａに向かう改質ガスの温度が過剰に降温し、有害成分浄化部５Ａの温度Ｔ２も過剰に降温するおそれがある。
【００３８】
そこで、第１通路４ａに流入する前の水の温度Ｔ１が相対的に低いとき、制御部５００は、ポンプ２７ｍの単位時間あたりの回転数（原料水搬送量）を低減させる指令をポンプ２７ｍに出力する。よって、蒸発部３６に供給される原料水の単位時間あたりの流量が低減される。これにより燃焼部３０の燃焼を維持しつつ、水蒸気通路３００を流れる気液混合流体において液相の水の比率が相対的に低下すると共に、気相の水の比率が相対的に増加する。この結果、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能が抑えられて適性化される。ひいては熱交換部４の第１通路４ａと第２通路４ｃとの熱交換量が適性化される。従って、第２通路４ｃを流れる改質ガスの過剰低温化が抑制され、有害成分浄化部５Ａの温度Ｔ２が活性温度域に良好に維持される。このようにして制御部５００は、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能を制御し、有害成分浄化部５Ａの温度を活性温度域に制御する。このため上記したように負荷変動が発生し改質装置２の運転条件が変化するときであっても、あるいは、定常運転において外乱の影響が大きいときであっても、有害成分浄化部５Ａによる浄化性能が維持される。なおポンプ２７ｍの回転数について、制御則１による指令値と制御則２による指令値とが異なる場合には、制御則２を優先させる。
【００３９】
ところで、図２は実際の改質装置２を用いて改質運転を実施しつつ測定した実機データ（制御則１を実施するものの、制御則２を実施していない場合）を示す。図２において横軸は時間を示す。縦軸は、温度センサ６５の温度Ｔ１（特性線Ｗ１）および温度センサ５５の温度Ｔ２（特性線Ｗ２）を示すと共に、蒸発部３６に供給される原料水の単位時間あたりの流量（特性線ＷＡ）を示す。
【００４０】
燃料電池の負荷が変動するときには、それに応じて改質装置２の運転条件を変化させる。例えば、燃料電池の負荷が増加し発電電流を増加させるときには、蒸発部３６に供給される原料水の流量を増加させる。図２において、原料水の流量を上昇させる時刻をｔ１とする。図２の特性線Ｗ１に示すように、水蒸気通路３００の合流域Ｍ１の温度Ｔ１が時刻ｔ２において、降温し始める。時刻ｔ２は時刻ｔ１の直後である（ｔ２＞ｔ１）。また、図２の特性線Ｗ２に示すように、時刻ｔ１から所定時間が経過した時刻ｔ３（ｔ３＞ｔ２＞ｔ１）において、原料水の増加の影響で有害成分浄化部５Ａの温度Ｔ２が降温し始める。時刻ｔ３は時刻ｔ２に対して時間差Δｔ遅延している。上記したように有害成分浄化部５Ａが過剰に降温すると、有害成分浄化部５Ａの浄化性能が損なわれるおそれがある。
【００４１】
ところで、有害成分浄化部５Ａの温度Ｔ２を安定化させる制御においては、水蒸気通路３００の合流域Ｍ１の温度Ｔ１に基づくのではなく、有害成分浄化部５Ａの温度Ｔ２をフィードバック制御し、温度Ｔ２が降温したらポンプ８２の回転数を低下させる制御も考えられる。
【００４２】
この場合においても、ポンプ８２の回転数を低下させ蒸発部３６に供給する原料水の流量を低下させれば、有害成分浄化部５Ａの温度Ｔ２の過剰の降温が抑制される。しかしながら図２の特性線Ｗ２から理解できるように、有害成分浄化部５Ａの温度Ｔ２が降温を開始する時刻ｔ３は、合流域Ｍ１の温度Ｔ１が降温を開始する時刻ｔ２よりもΔｔ遅延している。このため有害成分浄化部５Ａの温度Ｔ２の降温を回復させる制御応答が遅延し、有害成分浄化部５Ａにおける浄化性能が損なわれるおそれがある。従って上記した本実施例のように、改質ガスの流れ流路において有害成分浄化部５Ａよりも上流に位置する熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水の温度、即ち、水蒸気通路３００の合流域Ｍ１の温度Ｔ１を検知し、温度Ｔ１に基づいてポンプ２７ｍによる単位時間あたりの給水量（回転数）を制御すれば、外乱に対して応答性を早くでき、有害成分浄化部５Ａの温度Ｔ２を活性温度域に良好に維持することができる。
【実施例２】
【００４３】
図３は実施例２を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有するため、図１および図２を準用する。以下、実施例１と相違する部分を中心として説明する。図３は制御部５００が実行する制御のフローチャートを示す。図３に示すように、まず燃料電池が発電中か否か判定する（ステップＳ１０４）。発電中でなければ（ステップＳ１０４のＮｏ）、ステップＳ１２２に進む。発電中であれば（ステップＳ１０４のＹｅｓ）、センサ６５，５５の信号を読み込み、温度Ｔ１，温度Ｔ２を計測する（ステップＳ１０６）。温度Ｔ１，温度Ｔ２をフィルタ処理してノイズを除去する（ステップＳ１０８）。有害成分浄化部５Ａの温度Ｔ２の目標値を演算で求める（ステップＳ１１０）。有害成分浄化部５Ａの温度Ｔ２が目標値となるように、温度Ｔ２に対してＰＩＤ制御を行い（ステップＳ１１２）、ポンプ２７ｍの単位時間あたりの回転数、燃焼部３０に供給される燃焼用燃料および燃焼用空気の単位時間あたりの流量を制御する。ＰＩＤ制御に限らず、Ｐ制御またはＰＩ制御としても良い。
【００４４】
水蒸気通路３００の合流域Ｍ１における温度Ｔ１が所定温度ＴＸ（例えば１１０℃）未満か否か判定する（ステップＳ１１４）。
【００４５】
ここで、ステップＳ１１４は、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水（水蒸気通路３００の合流域Ｍ１）の状態を判定する手段として機能できる。即ち、ステップＳ１１４は、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水において、気相および／または液相の比率を判定する手段として機能できる。換言すると、ステップＳ１１４は、熱交換部４の第１通路４ａに供給させる直前の水（水蒸気通路３００の合流域Ｍ１を流れる水）の冷却能が、有害成分浄化部５Ａを過剰に降温させる程、過剰であるか否かを判定する手段として機能できる。
【００４６】
温度Ｔ１が所定温度ＴＸ（例えば１１０℃）以上であれば、熱交換部４の第１通路４ａを流れる前の水（水蒸気通路３００の合流域Ｍ１）が気相となっている比率はかなり高く、液相となっている比率はかなり低いため、当該水の冷却能はあまり高くなく、有害成分浄化部５Ａを過剰に降温させる確率が低いと考えられる。また温度Ｔ１が所定温度ＴＸ（例えば１１０℃）以下であれば、熱交換部４の第１通路４ａを流れる前の水（水蒸気通路３００の合流域Ｍ１）が液相となっている比率が高く、気相となっている比率は低いため、当該水の冷却能は高く、有害成分浄化部５Ａを過剰に降温させる確率が高いと考えられる。
【００４７】
なお、上記した所定温度ＴＸは例えば１１０℃に設定されているが、これに限らず、場合によっては、使用環境等に応じて、９５℃、１００℃、１１５℃、１２０℃としても良い。制御部５００は、夏期モードおよび／または冬季モードにおいて所定温度ＴＸを変化させても良い。
【００４８】
ステップＳ１１４の判定結果、水蒸気通路３００の合流域Ｍ１における水の温度Ｔ１が所定温度（例えば１１０℃）未満であれば（ステップＳ１１４のＮｏ）、当該水の冷却能は過剰ではなく、従って、有害成分浄化部５Ａが過剰に降温する確率が低く、このため蒸発部３６に供給する原料水の単位時間あたりの流量を減少させる必要がないため、ステップＳ１２２に進む。
【００４９】
これに対して、ステップＳ１１４の判定の結果、水蒸気通路３００の合流域Ｍ１における温度Ｔ１が所定温度（１１０℃）未満であれば（ステップＳ１１４のＹｅｓ）であれば、当該水の冷却能はかなり高く、従って、有害成分浄化部５Ａが過剰に降温する確率が高く、このため蒸発部３６に供給する原料水の単位時間あたりの流量を減少させる必要が高い。
【００５０】
そこで、制御部５００は、温度Ｔ１の降温微分値（基準時間（例えば１０ｓｅｃ）における温度変化量）を求める（ステップＳ１１６）。温度Ｔ１の降温微分値が所定微分値γ（例えば１０℃）を超えていれば（ステップＳ１１８のＹｅｓ）、水蒸気通路３００を流れる水の液相の比率が過剰に高く、温度Ｔ１が急激に低温化しており、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能が過剰となり、有害成分浄化部５Ａの温度Ｔ２を過剰に低温化させるおそれが高いと考えられる。
【００５１】
そこで、制御部５００は、原料水減算処理を実行し、蒸発部３６に供給する原料水を減算させる単位時間あたりの流量を求める（ステップＳ１２０）。この場合、温度Ｔ１および温度Ｔ２等に応じて減算流量を求める。更に、合流域Ｍ１に供給されるガス状の改質用燃料の単位時間あたりの流量を考慮し、蒸発部３６に供給する原料水の単位時間あたりの目標流量を演算で求める（ステップＳ１２２）。これにより蒸発部３６に供給される水の単位時間あたりの流量が低下することになる。演算にあたり、合流域Ｍ１に供給されるガス状の改質用燃料の流量、温度Ｔ１，Ｔ２等の関係は、制御装置５００のメモリの所定のエリアにマップとして予め格納されている。
【００５２】
更に、改質運転時において改質部３４でコーキングを発生させないコーキング防止用のＳ／Ｃとして、最低基準値αが制御部５００のメモリの所定のエリアに設定されている。Ｓ／Ｃは、Steam／Carbonの比率を意味し、改質部３４に供給されるＨ２Ｏのモル数と、改質部３４に供給される燃料原料に含まれるＣのモル数との比率に相当する。Ｓ／Ｃ比が過剰に低いときには、燃料原料量に対して水蒸気量が過少であり、改質部３４において炭素が生成してコーキングが発生するおそれがあり、好ましくない。
【００５３】
制御部５００は、上記したように演算で求められた原料水の目標流量に相当するＳ／Ｃ比としてα１を求める（ステップＳ１２４）。最低基準値αとα１とを比較する（ステップＳ１２６）。最低基準値α（＝Ｓ／Ｃ）よりもα１（＝Ｓ／Ｃ）が小さいときには（α＞α１）、水蒸気が過少となり、改質運転時において改質部３４においてコーキングが発生するおそれがあると考えられる。このため、演算で求めた水の目標流量に補正流量βを加算する（ステップＳ１２８）。補正流量βを加算した目標流量に対応する回転数指令をポンプ２７ｍに出力する（ステップＳ１３０）。
【００５４】
また、ステップＳ１２６の判定の結果、αよりもα１が大きいときには（α≦α１）、蒸発部３６に供給される原料水の流量を低減させたとしても、改質部３４においてコーキングが発生するおそれが少ないか無いと考えられるため、目標流量に対応する回転数指令（ポンプ２７ｍが搬送する水の単位時間あたり流量を減少させる指令）をポンプ２７ｍに出力し（ステップＳ１３０）、メインルーチンにリターンする。
【００５５】
これにより改質部３４におけるコーキングを防止しつつ、蒸発部３６に供給される原料水の単位時間あたりの流量を低下させる。これにより熱交換部４の第１通路４ａを流れる水の状態（液相および気相の比率）を適性化し、ひいては熱交換部４の第１通路４ａを流れる水の気液混合状態を適性化させる。この結果、熱交換部４における冷却能の過剰化が抑制される。ひいては有害成分浄化部５Ａの温度Ｔ２は活性温度域に維持される。この結果、有害成分浄化部５Ａの温度Ｔ２における一酸化炭素低減効果が良好に得られ、改質ガスが良好に浄化される。このように本実施例によれば、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水の気液混合状態（水の液相／気相の比率）に応じて、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能および／または有害成分浄化部５Ａの温度を制御することにしている。
【実施例３】
【００５６】
本実施例は実施例１，２と基本的には同様の構成、作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。前記した実施例１，２では、制御部５００は、制御則１として、有害成分浄化部５Ａにおける温度Ｔ２を温度センサ５５により検知し、温度Ｔ２が活性温度域となるように、燃焼部３０に供給される燃焼用燃料および燃焼用空気の単位時間当たりの流量、ポンプ２７ｍの単位時間あたり回転数を制御している。更に実施例１，２では、制御部５００は、制御則２として、水蒸気通路３００の合流域Ｍ１の水の状態（水の温度Ｔ１）を温度センサ６５で検知し、温度Ｔ１に基づいて、ポンプ２７ｍの単位時間あたり回転数（搬送水量に相当）を制御している。
【００５７】
しかし本実施例によれば、制御則１を実施せず、制御則２を実施している。
【実施例４】
【００５８】
図４は実施例４を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、実施例１と相違する部分を中心として説明する。本実施例によれば、蒸発部３６から熱交換部４に向かう水蒸気通路３００に圧力センサ６５ｐが設けられている。圧力センサ６５ｐの検知信号は制御部５００に入力される。圧力センサ６５ｐは、水蒸気通路３００を流れる水（液相の水と気相の水とが混合した気液混合流体）の圧力を検知する。圧力が高いことは、水の気相の比率が高いことを意味し、水蒸気通路３００の水の温度Ｔ１が高いことを意味し、水蒸気通路３００の水の気相の比率が高いことを意味する。ここで、圧力センサ６５ｐが計測する圧力値と温度Ｔ１と気相の比率は、実験等により求められ、制御部５００のメモリに予め格納されている。
【００５９】
制御部５００は、圧力センサ６５ｐの信号に基づいて、水蒸気通路３００の水の温度Ｔ１を求め、当該水の状態（気相および／または液相の比率）を検知する。このように制御部５００は、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水の状態を間接的に検知し、ポンプ２７ｍの単位時間あたりの回転数を調整する指令を出力する。これにより、前記した実施例と同様に、制御部５００は、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能および／または有害成分浄化部５Ａの温度を制御する。
【実施例５】
【００６０】
図５は実施例５を示す。本実施例は前記した実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、実施例１と相違する部分を中心として説明する。本実施例によれば、蒸発部３６から熱交換部４の第１通路４ａに向かう水蒸気通路３００には、加熱要素３３０が設けられている。加熱要素３３０は水蒸気通路３００を流れる水を加熱するものであり、電気的ヒータおよび／またはガス燃焼ヒータが例示される。
【００６１】
第１通路４ａに流入する前（水蒸気通路３００）の水の温度Ｔ１が過剰に低いときには、制御部５００は、加熱要素３３０をオンさせたり、オンしている加熱要素３３０の発熱量を増加させたりする指令を出力する。この結果、水蒸気通路３００の合流域Ｍ１を流れる水の状態において、気相状の水の比率が高くなり、熱交換部４の第１通路４ａを流れる水（気液混合流体）の冷却能が小さくなる。このため、有害成分浄化部５Ａに向かう改質ガスの温度が過剰に降温することが抑制され、有害成分浄化部５Ａの温度Ｔ２も過剰に降温するおそれが抑制される。
【実施例６】
【００６２】
図６は実施例６を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用硬化を有する。以下、実施例１と相違する部分を中心として説明する。本実施例によれば、熱交換部４の第１通路４ａから流出した後の水の状態（水の液相／気相の比率）に応じて、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能および／または有害成分浄化部５Ａの温度を制御することにしている。以下、更に説明を加える。すなわち、制御部５００は、水の温度Ｔ１ａを検知する検知部としての温度センサ６５ａをもつ。温度Ｔ１ａは、熱交換部４の第１通路４ａから流出し、且つ、改質部３４に流入する前の温度である。
【００６３】
温度センサ６５ａの検知信号は制御部５００に入力される。これにより制御部５００は、温度Ｔ１ａに基づいて、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水の温度（第１通路４ａに流入する前の水の状態）を間接的に検知することができる。つまり、制御部５００は、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水の状態（液相の比率または気相の比率）を間接的に検知することができる。
【００６４】
ここで、温度Ｔ１ａが相対的に低いと、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水において、液相状の水の比率が高く、水の冷却能が相対的に高いことになる。また、温度Ｔ１ａが相対的に高いと、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水において、気相状の水の比率が高く、水の冷却能が相対的に低いことになる。
【００６５】
従って、液相状の水の比率が過剰であると、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能が所定値よりも過剰であり、このとき、有害成分浄化部５Ａの温度が過剰に降温し、これの活性温度域よりも低くなる。そこで、制御部５００は、ポンプ２７ｍの単位時間あたりの回転数（原料水搬送量）を低減させる指令をポンプ２７ｍに出力する。よって、蒸発部３６に供給される原料水の単位時間あたりの流量を低減させる。これにより水蒸気通路３００を流れる気液混合流体において液相の水の比率が相対的に低下すると共に、気相の水の比率が相対的に増加する。この結果、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能が適性化される。ひいては熱交換部４の第１通路４ａと第２通路４ｃとの熱交換量が適性化される。従って、第２通路４ｃを流れる改質ガスの過剰低温化が抑制され、有害成分浄化部５Ａの温度Ｔ２が良好に維持される。
【実施例７】
【００６６】
図７は実施例７を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用硬化を有する。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、実施例１と相違する部分を中心として説明する。本実施例によれば、図７に示すように、制御部５００は、熱交換部４の内部において、第１通路４ａを流れる水の温度Ｔ１ｂを検知する検知部としての温度センサ６５ｂをもつ。温度Ｔ１ｂが相対的に低いと、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水において、液相状の水の比率が多いことになる。液相状の水の比率が過剰であると、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能が所定値よりも過剰であり、このとき、有害成分浄化部５Ａの温度Ｔ２が過剰に降温し、所定温度よりも低くなるおそれがある。そこで、制御部５００は、ポンプ２７ｍの単位時間あたりの回転数（原料水搬送量）を低減させる指令をポンプ２７ｍに出力する。これにより前述同様に、水蒸気通路３００を流れる気液混合流体において液相の水の比率が相対的に低下すると共に、気相の水の比率が相対的に増加する。この結果、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能（熱交換量）が適性化される。従って、第２通路４ｃを流れる改質ガスの過剰低温化が抑制され、有害成分浄化部５Ａの温度Ｔ２が良好に維持される。このため上記したように運転条件が変化するときであっても、有害成分浄化部５Ａによる浄化性能が維持される。
【実施例８】
【００６７】
図８は実施例８を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。図８に示すように、燃料電池１は、プロトン伝導性をもつ固体高分子膜１０を燃料極１１と酸化剤極１２とで厚み方向に挟持する膜電極接合体１３を複数組み付けて形成されている。固体高分子膜１０の材質としては、炭化フッ素系樹脂（例えばパーフルオロスルホン酸樹脂）または炭化水素系樹脂が例示される。燃料電池１としては、シート状の膜電極接合体１３を厚み方向に複数積層する方式でも良いし、チューブ状の膜電極接合体１３を複数配置する方式でも良い。
【００６８】
図８に示すように、改質装置２は、燃焼バーナで形成された燃焼部３０と、燃焼部３０により加熱される改質部３４と、燃焼部３０に対面する燃焼通路３２と、燃焼通路３２に連通する燃焼通路３３と、燃焼通路３３に連通する燃焼通路３５と、原料水を蒸発させる蒸発部３６と、ＣＯ酸化除去部３７（ＣＯ選択酸化部ともいう）とを備えている。
【００６９】
改質部３４は燃焼通路３２と燃焼通路３３との間に配置されており、内通路３４ｉと外通路３４ｐと折返部３４ｍとをもつ。改質部３４の回りを包囲するように、筒状の燃焼通路３３が配置されている。燃焼通路３５は、燃焼通路３３から折り返した筒状通路である。燃焼通路３３，３５の間には、筒状の断熱部３１が配置されている。燃焼通路３５の回りを包囲するように、筒状の蒸発部３６が同軸的に配置されている。燃焼通路３５は蒸発部３６の内周側に同軸的に配置されている。蒸発部３６は、燃焼通路３５を通過する燃焼ガスにより加熱される。蒸発部３６の回りを包囲するように、通常のＣＯ酸化除去部３７が配置されている。従って、蒸発部３６とＣＯ酸化除去部３７とは互いに熱交換される。
【００７０】
ＣＯ酸化除去部３７の外周には、保温用の筒状の断熱層３９が配置されている。
【００７１】
改質部３４は、改質反応を促進させる改質触媒３４ｅを担持する担体を有する。改質触媒３４ｅの活性温度域は一般的には５００〜８００℃であるが、これに限定されるものではない。改質部３４は下記の式（１）に基づいて、改質用燃料と水蒸気とに基づいて水蒸気改質を行い、水素を主要成分とする改質ガスを生成する。改質ガスは一酸化炭素を含む。
【００７２】
更に、図８に示すように、改質装置２は、改質部３４の下方に配置された熱交換部４と、熱交換部４の下方に配置されたＣＯシフト部５（有害成分浄化部）と、ＣＯシフト部５と熱交換部４との間に配置された暖機部４７（ヒータ）とを備えている。ここで、蒸発部３６の下流に熱交換部４が設けられ、熱交換部４の下流にＣＯシフト部５が設けられている。
【００７３】
ＣＯシフト部５は、下記の（２）式に基づいて、水蒸気を利用して一酸化酸素を低減させるシフト反応を促進させ、改質ガスに含まれているＣＯを低減させる。ＣＯシフト部５はシフト触媒５ｅ（例えば銅−亜鉛系触媒）を担持する担体を有する。シフト触媒５ｅの活性温度域は一般的には２００〜３００℃であるが、これに限定されるものではない。ＣＯシフト部５の温度がこれの活性温度域から大きく外れると、ＣＯシフト部５のシフト反応が損なわれ、一酸化炭素が充分に浄化されないおそれがある。ＣＯシフト部５で浄化された改質ガスに含まれているＣＯの濃度は、改質用燃料にもよるが、一般的にはモル比で０．２〜１％である。但しこれに限られるものではない。ＣＯシフト部５は通路５ｉと通路５ｖと折返部５ｍとをもつ。ＣＯシフト部５の出口５ｐと酸化用空気通路７５とは、第２合流域Ｍ２を介して浄化通路４００により接続されている。
【００７４】
ＣＯ酸化除去部３７（有害成分浄化部）は、ＣＯシフト部５の下流に配置されており、ＣＯシフト部５を通過した改質ガスに含まれているＣＯを二酸化炭素に下記の式（３）に基づいて、酸化させて低減させる酸化反応を促進させるものである。ＣＯ酸化除去部３７は、選択酸化触媒３７ｅ（例えばルテニウム系）を担持する担体を有する。選択酸化触媒３７ｅの活性温度域は一般的には１００〜２００℃である。但しこれに限られるものではない。ＣＯ酸化除去部３７の温度がこれの活性温度域から大きく外れると、ＣＯ酸化除去部３７における酸化反応が損なわれるおそれがある。ＣＯ酸化除去部３７で浄化された改質ガスに含まれているＣＯの濃度は一般的には１０ｐｐｍ以下である。但しこれに限られるものではない。
式（１）…ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ（吸熱反応）
式（２）…ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２（発熱反応）
式（３）…ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２（発熱反応）
本実施例によれば、ＣＯシフト部５はＣＯ酸化除去部３７の上流に配置されているため、式（２）→式（３）の順に実行される。
【００７５】
次に通路系について説明する。図８に示すように、燃料通路６２が設けられている。燃料通路６２を流れる燃焼供給源６１の燃料としては気体燃料でも、液体燃料でも、粉化燃料でも良い。具体的には、炭化水素系燃料、例えば都市ガス、ＬＰＧ、灯油、メタノール、ジメチルエーテル、バイオガス、アルコール系燃料（例えばメタノール、エタノール等）が例示される。燃料通路６２は、弁２５ａ，ポンプ３７ａを介して改質部３４の燃焼部３０に繋がる燃焼用燃料通路６２ｘと、熱交換部４の入口４ｉにポンプ３７ｂおよび弁２５ｂを介して繋がる改質用燃料通路６２ｙ（改質用燃料供給部）とをもつ。空気供給源７１に繋がる空気通路７２（酸素供給部）が設けられている。空気通路７２は、ポンプ３７ｃを介して改質部３４の燃焼部３０に繋がる燃焼用空気通路７３と、ポンプ３７ｄおよび弁２５ｄを介してＣＯ酸化除去部３７の入口３７ｉに繋がる酸化用空気通路７５とをもつ。
【００７６】
図８に示すように、水タンク８１と蒸発部３６の入口３６ｉとをポンプ２７ｍおよび弁２５ｍを介して繋ぐ改質水通路８２が設けられている。ＣＯ酸化除去部３７の出口３７ｐと燃料電池１の燃料極１１の入口１１ｉとを弁２５ｅを介して繋ぐアノードガス通路１００が設けられている。燃料電池１の燃料極１１の出口１１ｐと燃焼部３０とを弁２５ｆを介して繋ぐオフガス通路１１０が設けられている。オフガス通路１１０は発電反応後のアノードオフガスを排出させる。オフガス通路１１０とアノードガス通路１００とを弁２５ｈを介して繋ぐバイパス通路１５０が設けられている。
【００７７】
図８に示すように、空気供給源７１と燃料電池１の酸化剤極１２の入口１２ｉにポンプ３７ｋおよび弁２５ｋを介して連通するカソードガス通路２００が設けられている。改質部３４で燃焼された燃焼排ガスを外部に放出させる燃焼排ガス通路２５０が設けられている。蒸発部３６の出口３６ｐと改質用燃料通路６２とを第１合流域Ｍ１を介して繋ぐ水蒸気通路３００が設けられている。水蒸気通路３００の上端部３００ｅは出口３６ｐに繋がる。水蒸気通路３００の下端部３００ｆは合流域Ｍ１に繋がる。
【００７８】
図８に示すように、ＣＯシフト部５の出口５ｐとＣＯ酸化除去部３７の入口３７ｉとは、浄化通路４００で接続されている。ＣＯシフト部５の出口５ｐから吐出された改質ガス（水素および一酸化炭素を含有）は、浄化通路４００を上向きに矢印Ｗ２方向に流れ、第２合流域Ｍ２を経てＣＯ酸化除去部３７の入口３７ｉに供給される。
【００７９】
次に改質装置２を起動させるときについて説明する。この場合、ポンプ３７ｃにより燃焼用空気通路７３を介して燃焼用空気を燃焼部３０に供給する。また、弁２５ａおよびポンプ３７ａにより燃焼用燃料通路６２ｘを介して燃焼用燃料を燃焼部３０に供給する。これにより燃焼部３０が着火されて加熱され、ひいては改質部３４が改質反応に適するように加熱される。改質部３４と共に蒸発部３６も高温に加熱される。
【００８０】
その後、水タンク８１および改質水通路８２からポンプ２７ｍおよび弁２５ｍを介して、改質水（液相，原料水）が蒸発部３６の入口３６ｉに供給される。改質水は蒸発部３６において水蒸気化される。生成された水蒸気は、蒸発部３６の出口３６ｐから水蒸気通路３００を経て第１合流域Ｍ１に到達する。第１合流域Ｍ１は、水蒸気通路３００を流れる水蒸気または凝縮水と、改質用燃料通路６２ｙを流れる改質用燃料とが合流する領域である。これに対して、改質用燃料は弁２５ａ,ポンプ３７ｂ,弁２５ｂにより、改質用燃料通路６２ｙおよび第１合流域Ｍ１を経て熱交換部４の入口４ｉに供給される。第１合流域Ｍ１において、改質用燃料通路６２ｙの改質用燃料と水蒸気通路３００の水（液相＋気相）とが合流して混合される。合流した混合流体が熱交換部４の入口４ｉに供給される。混合流体は熱交換部４の低温側の第１通路４ａを通過する。このとき熱交換部４の高温側の第２通路４ｃを流れる高温の改質ガスと熱交換する。このため、改質反応前の混合流体が加熱される。混合流体は改質部３４の外通路３４ｐに流入し、矢印Ａ１方向に流れ、折返部３４ｍを経て内通路３４ｉに流入し、矢印Ａ２方向に流れる。このとき水蒸気（または凝縮水）および改質用燃料が混合した混合流体は、上記した（１）に示す改質反応により、水素リッチな改質ガスとなる。この改質ガスは一酸化炭素を含む。
【００８１】
更に、改質反応を経た高温の改質ガスは、改質部３４から熱交換部４の高温側の第２通路４ｃを通過することにより、低温側の第１通路４ａの混合流体（液相＋気相）を加熱する。すなわち熱交換が行われる。更に、熱交換部４で冷却された改質ガスは、暖機部４７を経て、ＣＯシフト部５の入口５ｉからＣＯシフト部５の内部に流入する。ＣＯシフト部５においては、上記した式（２）に示すように、水蒸気を利用したシフト反応が行われる。これにより改質ガスに含まれている一酸化炭素が低減されて、改質ガスは浄化される。
【００８２】
更に、ＣＯシフト部５において浄化された改質ガスは、ＣＯシフト部５の出口５ｐから浄化通路４００を経て矢印Ｗ２方向に流れ、第２合流域Ｍ２に至る。更に改質ガスは、酸化用空気通路７５（酸素供給部）の酸化用空気（酸素成分，ＣＯ酸化除去部３７における選択反応に使用される選択酸化用空気）と第２合流域Ｍ２において合流する。第２合流域Ｍ２は、浄化通路４００を流れる改質ガスと、酸化用空気通路７５を流れる酸化用空気とが合流する領域である。そして、合流した改質ガスは、入口３７ｉからＣＯ酸化除去部３７に流入する。ＣＯ酸化除去部３７においては、上記した式（３）に示すように、酸素を利用した酸化反応（ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２）が行われる。この結果、改質ガスに含まれているＣＯが浄化されて更に低減される。酸化反応は発熱を伴う。
【００８３】
このように浄化された改質ガスは、ＣＯ酸化除去部３７の出口３７ｐからアノードガスとして、アノードガス通路１００,弁２５ｅを経て燃料電池１の燃料極１１の入口１１ｉに供給される。カソードガスとして機能する空気は、ポンプ３７ｋ,弁２５ｋによりカソ−ドガス通路２００を経て燃料電池１の酸化剤極１２の入口１２ｉに供給される。これにより燃料電池１において発電反応が発生し、電気エネルギが生成される。アノードガスの発電反応後のオフガスは、発電反応が行われなかった水素を含むことがある。このためオフガスはオフガス通路１１０を経て改質部３４の燃焼部３０に供給されて燃焼され、燃焼部３０の熱源となる。
【００８４】
なお、改質装置２の起動開始時では、改質ガスの組成の安定性が必ずしも充分でないときがある。このため、起動開始時では、弁２５ｅ，弁２５ｆが閉鎖されている。この状態で、ＣＯ酸化除去部３７から吐出される改質ガスは、弁２５ｈを通過しバイパス通路１５０およびオフガス通路１１０を介して燃焼部３０に送られ、燃焼部３０の熱源となる。改質装置２の起動開始から時間が経過すると、改質ガスの組成が安定する。この場合、弁２５ｈが閉鎖され、弁２５ｅ，弁２５ｈが開放される。このため、ＣＯ酸化除去部３７から吐出される改質ガスは、アノードガスとして、アノードガス通路１００,弁２５ｅを経て燃料電池１の燃料極１１の入口１１ｉに供給され、発電反応に使用される。  
【００８５】
図８に示すように、ＣＯシフト部５のうち上流側（通路５ｉの入口側）の温度Ｔ２を検知する温度センサ５５が設けられている。ＣＯ酸化除去部３７のうち上流側の温度Ｔ３を検知する温度センサ３８が設けられている。更に、改質部３４の内側部３４の出口側の温度Ｔ４を検知する改質部温度センサ３１ｔが設けられている。水蒸気と改質用燃料とが合流する第１合流域Ｍ１の温度Ｔ１を検知する温度センサ６５が設けられている。
【００８６】
本実施例においても、負荷変動などで改質装置２の運転条件が変化するときであっても、あるいは、定常運転において外乱が発生するようなときであっても、改質ガスの有害成分を低減させるＣＯシフト部５の温度Ｔ２を安定化させるのに有利となる。ＣＯシフト部５の温度Ｔ２が安定化すれば、ＣＯ酸化除去部３７の温度Ｔ３を安定化させるのにも有利である。
【００８７】
（その他）
本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更可能である。有害成分浄化部５Ａは、一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により一酸化炭素を酸化させて二酸化炭素に変化させるＣＯシフト部５と、一酸化炭素を酸素と反応させて二酸化炭素に変化させるＣＯ酸化除去部３７とを備えている。これに限らず、ＣＯシフト部５およびＣＯ酸化除去部３７のうちのいずれか一方のみを有するタイプでも良い。
【００８８】
図８に示す実施例では、蒸発部３６およびＣＯ酸化除去部３７は改質部３４と一体化されているが、これに限らず、改質部３４から距離的に分離されていても良く、更に、ＣＯシフト部５は改質部３４から距離的に分離されていても良い。図８に示す実施例では、改質部３４の下方に熱交換部４およびＣＯシフト部５が設けられているが、改質部３４の上方に熱交換部４およびＣＯシフト部５が設けられていても良い。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は燃料電池システム等に使用される改質装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】実施例１に係り、改質装置の基本構成を示すシステム図である。
【図２】実施例１に係り、温度Ｔ１，Ｔ２、改質水の流量についての時間変化を示すグラフ。
【図３】実施例２に係り、制御部が実行するフローチャートである。
【図４】実施例４に係り、改質装置の基本構成を示すシステム図である。
【図５】実施例５に係り、改質装置の基本構成を示すシステム図である。
【図６】実施例６に係り、改質装置の基本構成を示すシステム図である。
【図７】実施例７に係り、改質装置の基本構成を示すシステム図である。
【図８】実施例８に係り、改質装置の基本構成を示すシステム図である。
【符号の説明】
【００９１】
１は燃料電池、２は改質装置、３０は燃焼部、２７ｍはポンプ（原料水供給部）、３００は水蒸気通路（水通路）、３４は改質部、３６は蒸発部（気液混合流体発生部）、３７はＣＯ酸化除去部、４は熱交換部、４ａは第１通路、４ｃは第２通路、５Ａは有害成分浄化部、５はＣＯシフト部、８１は水タンク、８２は改質水通路（改質水供給部）５００は制御部、５５は温度センサ、６５は温度センサ（検知部）、３３０は加熱要素を示す。
【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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