(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置であって、
改質触媒部が配置される改質室および前記改質室に連通する燃焼室が一体に設けられる改質器を備え、
前記改質器は、前記燃焼室内で燃焼を行って、前記燃料改質装置の始動時に前記改質触媒部に加熱用燃焼ガスを直接供給するための始動用燃焼機構を設け、
前記始動用燃焼機構は、前記燃焼室に加熱用燃料を供給する燃料噴射手段と、
前記燃焼室に供給された前記加熱用燃料を着火させる着火用プラグと、
を備えることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料改質装置において、前記着火用プラグに付与される電圧値および／または電流値を検出する検出手段と、
前記燃焼室の温度または圧力を検出するセンサと、
前記検出手段による検出値が設定値に達した際に前記燃料噴射手段を駆動して前記燃焼室に前記加熱用燃料を噴射させるとともに、前記センサによる検出値が設定値に達した際に前記着火用プラグへの通電を停止させる制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項３】
請求項１記載の燃料改質装置において、前記燃焼室の温度を検出する温度センサと、
前記着火用プラグへの通電前後における前記燃焼室の温度差が設定値に達した際に前記燃料噴射手段を駆動して前記燃焼室に前記加熱用燃料を噴射させるとともに、前記温度センサによる検出温度が設定値に達した際に前記着火用プラグへの通電を停止させる制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項４】
請求項１記載の燃料改質装置において、前記燃焼室の温度を検出する温度センサと、
前記着火用プラグへの通電後にタイマを作動させ、前記タイマが所定の時間だけ計時した際に前記燃料噴射手段を駆動して前記燃焼室に前記加熱用燃料を噴射させるとともに、前記温度センサによる検出温度が設定値に達した際に前記着火用プラグへの通電を停止させる制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項５】
請求項１記載の燃料改質装置において、前記改質室で生成された前記改質ガスを燃料電池に供給する供給路の途上に弁を介して切り換え自在に設けられ、前記改質ガスを触媒燃焼器に供給するためのバイパス流路を備えることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項６】
炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置であって、
改質室に配置される改質触媒部の改質ガス出口温度を検出する温度検出手段と、
前記改質ガス出口温度と前記改質室に導入される前記改質用燃料の供給量とに基づいて、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度または残留炭化水素濃度を推定する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項７】
炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置の制御方法であって、
前記燃料改質装置の始動時に、改質室に配置された改質触媒部に加熱用燃焼ガスを直接供給して前記改質触媒部の温度を上昇させる工程と、
前記改質触媒部を所定温度に加熱するとともに、前記改質触媒部で生成される前記改質ガスを燃焼器に供給して蒸発器を加熱する工程と、
前記蒸発器が所定の温度に達した際、該蒸発器に前記改質用燃料および水を導入して前記改質触媒部に前記改質用燃料、水蒸気および酸素を供給することにより、酸化反応と改質反応とを同時に行わせて前記改質ガスを生成する工程と、
前記改質触媒部で生成される前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を検出する工程と、
前記検出された前記一酸化炭素濃度が所定値以下になった際、前記改質ガスを燃料電池に供給する工程と、
を有することを特徴とする燃料改質装置の制御方法。
【請求項８】
請求項７記載の制御方法において、前記改質室に連通する燃焼室内で燃焼を行って、始動時に前記改質触媒部に前記加熱用燃焼ガスを直接供給することを特徴とする燃料改質装置の制御方法。
【請求項９】
改質室に配置された改質触媒部に炭化水素を含む改質用燃料を供給し、この改質用燃料を改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置の制御方法であって、
前記燃料改質装置の始動信号に基づいて、前記改質室に連通する燃焼室に配置された着火用プラグに通電する工程と、
前記着火用プラグに付与される電圧値および／または電流値を検出する工程と、
前記燃焼室の温度または圧力を検出する工程と、
検出された前記電圧値および／または前記電流値が設定値に達した際、前記燃焼室に前記加熱用燃料を噴射させる工程と、
検出された前記温度または前記圧力が設定値に達した際、前記着火用プラグへの通電を停止させる工程と、
を有することを特徴とする燃料改質装置の制御方法。
【請求項１０】
改質室に配置された改質触媒部に炭化水素を含む改質用燃料を供給し、この改質用燃料を改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置の制御方法であって、
前記燃料改質装置の始動信号に基づいて、前記改質室に連通する燃焼室の温度を検出する工程と、
前記燃焼室に配置された着火用プラグに通電する工程と、
前記着火用プラグへの通電前後における前記燃焼室の温度差を検出する工程と、
前記燃焼室の温度差が設定値に達した際、前記燃焼室に加熱用燃料を噴射させる工程と、
前記燃焼室の温度が設定値に達した際、前記着火用プラグへの通電を停止させる工程と、
を有することを特徴とする燃料改質装置の制御方法。
【請求項１１】
改質室に配置された改質触媒部に炭化水素を含む改質用燃料を供給し、この改質用燃料を改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置の制御方法であって、
前記燃料改質装置の始動信号に基づいて、前記改質室に連通する燃焼室に配置された着火用プラグに通電する工程と、
前記燃焼室の温度を検出する工程と、
前記着火用プラグへの通電後にタイマを作動させる工程と、
前記タイマが所定の時間だけ計時した際、前記燃焼室に加熱用燃料を噴射させる工程と、
前記燃焼室の温度が設定値に達した際、前記着火用プラグへの通電を停止させる工程と、
を有することを特徴とする燃料改質装置の制御方法。
【請求項１２】
炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置の制御方法であって、
改質室に配置される改質触媒部の改質ガス出口温度を検出する工程と、
前記改質ガス出口温度と前記改質室に導入される前記改質用燃料の供給量とに基づいて、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度または残留炭化水素濃度を推定する工程と、
を有することを特徴とする燃料改質装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電解質、例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池セルを、セパレータによって挟持して複数積層することにより構成された燃料電池スタックが開発され、種々の用途に実用化されつつある。
【０００３】
この種の燃料電池スタックは、炭化水素、例えば、メタノール水溶液の水蒸気改質により生成された水素を含む改質ガス（燃料ガス）をアノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス（空気）をカソード側電極に供給することにより、前記水素ガスがイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、これにより燃料電池の外部に電気エネルギが得られるように構成されている。
【０００４】
ところで、メタノール水溶液を改質して改質ガスを生成する燃料改質装置では、始動時から暖気過程で生成される改質ガス成分中に、一酸化炭素（ＣＯ）および未反応炭化水素成分が混在している。このＣＯを混在した改質ガスが燃料電池スタックに供給されると、アノード側電極において触媒のＣＯ被毒を招いてしまう。
【０００５】
そこで、上記の不具合を解消するために、例えば、特開平８−２９３３１２号公報に開示されている燃料電池システムが知られている。この従来技術では、燃料電池が始動時にある場合、温度センサおよびＣＯセンサの検出温度と検出ＣＯ濃度のいずれかがこの燃料電池が定常状態にあるときの許容温度範囲または許容ＣＯ濃度を逸脱していれば、流路切り換えバルブにより、改質装置からの水素リッチガスの供給先を該燃料電池からバーナに切り換えて高濃度のＣＯを含有する水素リッチガスを燃料電池に供給しないように構成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の従来技術では、改質装置内にメタノールと水とが供給され、このメタノールを水蒸気改質することによって水素ガスを含む改質ガスを生成している。この水蒸気改質反応は吸熱反応であり、改質装置には、メタノールの改質反応に適した温度にこの改質装置を加熱するためのバーナが備えられている。
【０００７】
しかしながら、バーナにより改質装置を所定温度（例えば、約２５０℃〜３００℃）に加熱しているため、前記改質装置を改質反応に適した温度まで加熱する暖気運転に相当に長時間を要するという問題が指摘されている。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、暖気運転時間を一挙に短縮することが可能な燃料改質装置およびその制御方法を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、暖気運転を効率的かつ経済的に行うことが可能な燃料改質装置およびその制御方法を提供することを目的とする。
【００１０】
さらにまた、本発明は、簡単かつ安価な構成で、改質触媒部における反応状態を確実に検出することが可能な燃料改質装置およびその制御方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料改質装置では、始動用燃焼機構が、燃焼室に加熱用燃料を供給する燃料噴射手段と、この燃焼室に供給された前記加熱用燃料を着火させる着火用プラグとを備えており、前記燃焼室内で燃焼が行われて燃料改質装置の始動時に前記燃焼室に連通する改質室に配置されている改質触媒部に加熱用燃焼ガスが直接供給される。このため、改質触媒部の温度を改質用燃料の改質反応に適した温度に短時間で確実に加熱することができ、暖気運転時間が一挙に短縮化される。
【００１２】
また、本発明に係る燃料改質装置の制御方法では、燃料改質装置の始動後に改質室に配置された改質触媒部に加熱用燃焼ガスが直接供給され、この改質触媒部が所定温度に加熱される。その際、改質触媒部で生成される改質ガスが燃焼器に供給され、この燃焼器を介して蒸発器が加熱される。
【００１３】
蒸発器が所定の温度に達した際、この蒸発器に改質用燃料および水が供給されて改質触媒部に前記改質用燃料、水蒸気および酸素を含有するガス、例えば、空気が供給され、該改質触媒部で酸化反応と改質反応とが同時に行われる。いわゆる、オートサーマル方式であり、具体的には、ＣＨ3 ＯＨ＋３／２Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ（発熱反応）と、ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋３Ｈ2 （吸熱反応）とが同時に遂行され、改質器内に複雑な伝熱構造が不要になり、装置全体の構成が簡素化されるとともに、迅速な暖気工程が遂行される。
【００１４】
次いで、改質触媒部で生成される改質ガス中の一酸化炭素濃度が検出され、この一酸化炭素濃度が所定値以下になった際、改質ガスが燃料電池に供給される。従って、各種の改質ガス分析センサ等が不要になり、一酸化炭素濃度センサのみを用いて暖気運転が完了したことを正確に推定することができ、低コスト化および信頼性の向上が容易に図られる。ここで、改質室に連通する燃焼室内で燃焼を行って加熱用燃焼ガスを改質触媒部に直接供給することにより、構成の簡素化と暖気運転時間の短縮化が可能になる。
【００１５】
さらにまた、本発明に係る燃料改質装置およびその制御方法では、始動信号に基づいて改質室に連通する燃焼室に配置された着火用プラグに通電が開始され、このプラグに付与される電圧値および／または電流値が所定値に達した際、前記燃焼室に加熱用燃料を噴射させる。このため、プラグ温度が着火用の温度に到達した時点で加熱用燃料を噴射することができ、着火の確実性を確保することが可能になる。一方、燃焼室の温度または圧力が所定値に達した際、プラグへの通電を停止させる。これにより、電力消費量を有効に削減するとともに、プラグの耐久熱を有効に向上させることができる。
【００１６】
また、プラグへの通電前後における燃焼室の温度差を検出し、この温度差が設定値に達した際、前記燃焼室に加熱用燃料を噴射させる工程、あるいは、プラグへの通電後にタイマを作動させ、このタイマが所定の時間だけ計時した際、前記燃焼室に加熱用燃料を噴射させる工程を有する。このため、着火の確実性を確保するとともに、消費電力の削減が有効に可能になる。
【００１７】
さらにまた、本発明に係る燃料改質装置およびその制御方法では、改質室に配置される改質触媒部の改質ガス出口温度と、この改質室に導入される改質用燃料の供給量とに基づいて、前記改質触媒部で生成される改質ガス中の一酸化炭素濃度または残留炭化水素濃度が推定される。これにより、ＣＯ濃度検出部やメタノール濃度検出部が不要になり、簡単かつ安価な構成で、改質触媒部での反応状態が確実に把握され、所望の改質ガスを燃料電池に供給することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料改質装置１０を組み込む燃料電池システム１２の概略構成説明図である。燃料電池システム１２は、炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより水素ガスを生成する燃料改質装置１０と、この燃料改質装置１０から改質ガスが供給されるとともに、酸化剤ガスとしての空気が供給され、前記改質ガス中の水素ガスと前記空気中の酸素とにより発電を行う燃料電池スタック１４とを備える。炭化水素としては、メタノール、天然ガスまたはメタン等が使用可能である。
【００１９】
燃料改質装置１０は、炭化水素、例えば、メタノールを貯留するメタノールタンク１６と、燃料電池スタック１４から排出される生成水等を貯留する水タンク１８と、前記メタノールタンク１６および前記水タンク１８からそれぞれ所定量のメタノールおよび水が供給されてメタノール水溶液を混合する混合器２０と、前記混合器２０から供給されるメタノール水溶液を蒸発させるための蒸発器２２と、前記蒸発器２２に蒸発熱を供給する触媒燃焼器２４と、前記蒸発器２２から導入される水蒸気が混合されたメタノール（以下、改質用燃料ガスという）を改質して水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器２６と、この改質器２６から導出される改質ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器２８とを備える。
【００２０】
触媒燃焼器２４とＣＯ除去器２８とには、空気供給器３０からそれぞれ空気が供給されるとともに、改質器２６と前記ＣＯ除去器２８との間には、改質ガスの温度を低下させるための熱交換器３２が配置されている。蒸発器２２と改質器２６と熱交換器３２とＣＯ除去器２８と触媒燃焼器２４とは、管体３４を介して連結され、循環流路を構成している（図２参照）。
【００２１】
図３に示すように、改質器２６は、改質室３６に配置される第１および第２改質触媒層３８、４０と、前記改質室３６に改質用燃料ガスおよび酸素含有ガス、例えば、空気を供給して前記第１および第２改質触媒層３８、４０で酸化反応と改質反応とを同時に行わせるための供給機構４２と、前記第１および第２改質触媒層３８、４０の上流側に配置され、始動時に該第１および第２改質触媒層３８、４０に加熱用燃焼ガスを直接供給するための始動用燃焼機構４４とを備える。
【００２２】
図２および図３に示すように、燃焼機構４４は、改質器２６にガス流れ方向（矢印Ａ方向）の上流側に対応しかつ第１および第２改質触媒層３８、４０と同心的に設けられており、この燃焼機構４４は燃焼室４６に燃料、例えば、メタノールを供給するためのインジェクタ（燃料噴射手段）４８と、着火用プラグ、例えば、グロープラグ４９と、前記燃焼室４６内の温度（または圧力）を検出する温度センサ（または圧力センサ）５１とを備える。このインジェクタ４８は、燃料経路５０を介してメタノールタンク１６に接続されている（図１参照）。
【００２３】
インジェクタ４８の先端側周囲には、図３に示すように、空気ノズル５２が装着され、この空気ノズル５２は、燃焼室４６に向かって開口する複数の空気導出口５４を設けている。空気導出口５４は、燃焼室４６内で渦流を発生させるようにそれぞれの噴射方向および角度が設定されている。空気ノズル５２は、第１空気経路５６を介して空気供給器５８または空気供給器３０に接続されている（図１参照）。
【００２４】
供給機構４２は、図２および図３に示すように、燃焼機構４４の下流側に配置されており、インジェクタ４８の下流でかつ第１改質触媒層３８の上流に位置して改質用燃料ガスと酸化用および希釈用空気とが混合または独立して供給される供給口６０を設けている。供給口６０は、経路３４ａを介して蒸発器２２に連結されるとともに、この経路３４ａの途上に設けられたジョイント部６２は、例えば、空気供給器３０に第２空気経路６４を介して連通している。供給口６０は、二重壁内の室６０ａを介して複数の導入口６０ｂから流路室６６に連通する。
【００２５】
改質器２６は、燃焼室４６に連通する流路室６６から第１改質触媒層３８に向かって拡径する円錐形状のガス供給流路６８を形成するディフューザ部７０を備える。ディフューザ部７０の拡径する端部には、略円筒形状のケース７２がねじ止めされており、このケース７２内に第１および第２改質触媒層３８、４０が装着される。
【００２６】
第１および第２改質触媒層３８、４０は、銅または亜鉛系触媒で構成されており、ドーナツ形状のハニカム構造に設定されている。各ハニカム触媒のそれぞれの面方向は改質室３６内のガス流れ方向（矢印Ａ方向）に直交して並列されている。第１および第２改質触媒層３８、４０のガス流れ方向の上流側に第１および第２整流板７４ａ、７４ｂが固定される。
【００２７】
第１および第２改質触媒層３８、４０の間には、改質用燃料ガスがいずれか一方のみを通過するようにガス流路形成手段７６が配置される。ガス流路形成手段７６は、例えば、ＳＵＳ製の板材で構成されており、第１改質触媒層３８の中央空洞部分３８ａに挿入される筒状部７８と、この筒状部７８の端部からガス流れ方向に沿って拡径する円錐部８０と、この円錐部８０の端部に一体的に設けられ、第２改質触媒層４０の外周を覆うリング部８２とを有する。筒状部７８の先端は、ガス流れ方向とは逆方向に向かって縮径する絞り形状部８４がねじ止め固定されている。第２改質触媒層４０の中央空洞部分４０ａには、円錐形状のカバー部材８６が装着されている。
【００２８】
図２に示すように、管体３４を構成し触媒燃焼器２４とＣＯ除去器２８とにそれぞれ接続される経路３４ｂ、３４ｃのジョイント部８８には、三方弁９０が設けられており、この三方弁９０は、前記経路３４ｂと燃料電池スタック１４とを連通する位置と、該経路３４ｂと経路３４ｃとを連通する位置とに切り換え自在である。この経路３４ｃには、燃料電池スタック１４から排出される排出成分中の未反応水素ガス等のガスを導入するための切り換え弁９２が配置されている。
【００２９】
図４に示すように、燃料電池システム１２を制御するＥＣＵ等の制御手段１００には、グロープラグ４９に付与される電圧値および／または電流値を検出する電圧／電流モニタ（検出手段）１０２が接続される。制御手段１００には、グロープラグ４９への通電をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチ１０４が接続される。
【００３０】
図５に示すように、制御手段１００には、蒸発器２２に供給されるメタノール水溶液の供給量を調整するための燃料供給弁１０６と、供給機構４２に供給される酸化用空気の供給量を調整するための第１空気供給弁１０８と、ＣＯ除去器２８に供給される空気の供給量を調整するための第２空気供給弁１１０とが接続される。
【００３１】
流路室６６に第１温度センサ１１２が配置され、改質室３６内の第１および第２改質触媒層３８、４０の上流側（ガス入口側）の端面から所定距離Ｓだけ内方に位置して触媒ピーク温度検出用の第２温度センサ１１４が設けられる。この第１および第２改質触媒層３８、４０の下流側（改質ガス出口側）の端部には、改質ガス出口温度を検出する第３温度センサ１１６が設けられる。第１乃至第３温度センサ１１２、１１４および１１６は、制御手段１００にそれぞれの検出温度を入力している。制御手段１００には、蒸発器２２の温度を検出する第４温度センサ１１８と、ＣＯ除去器２８から導出される改質ガス中のＣＯ濃度を検出するＣＯセンサ１２０とが接続されている。
【００３２】
このように構成される燃料改質装置１０の動作について、本発明の第１の実施形態に係る制御方法との関連で、図６の（ａ）〜（ｃ）に示すタイムチャートおよび図７に示すフローチャートに基づいて、以下に説明する。
【００３３】
先ず、燃料改質装置１０の始動時には、始動暖気モード（ステップＳ１）として管体３４の経路３４ｂ、３４ｃが燃料電池スタック１４と遮断状態にある。そこで、燃焼機構４４を構成する第１空気経路５６から空気ノズル５２を介して燃焼室４６に空気（１次空気）が供給され、この燃焼室４６内に渦流が形成される。この状態で、グロープラグ４９に通電され（図８中、ステップＳ１１）、電圧／電流モニタ１０２によりこのグロープラグ４９の電流値がモニタされる（ステップＳ１２）。
【００３４】
ここで、モニタされた電流値が、供給された電圧に対して最大電流値の±５％〜±１０％に達したことが制御手段１００により演算されると（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、インジェクタ４８を介してメタノールタンク１６内のメタノールが燃焼室４６内に噴射される（ステップＳ１４）。メタノールは、インジェクタ４８を介して燃焼室４６内に噴霧されるとともに、このメタノールに空気による渦流が作用して、前記メタノールの微粒化および拡散化が図られる。このため、燃焼室４６内では、グロープラグ４９の加熱作用下にメタノールが燃焼し、この燃焼室４６内でのみ保炎がなされる。
【００３５】
次いで、第２空気経路６４から各導入口６０ｂを介して流路室６６に保炎用空気（２次空気）が導入される。従って、燃焼室４６で生成される高温の燃焼ガスに空気が混合され、この燃焼ガスの温度が調整された状態で、前記燃料ガスが改質室３６に配置されている第１および第２改質触媒層３８、４０に直接供給される。
【００３６】
一方、燃焼室４６の温度が温度センサ５１により検出されており、この燃焼室４６内の温度が設定値に達すると（ステップＳ１４中、ＹＥＳ）、ステップＳ１５に進んでスイッチ１０４が作動され、グロープラグ４９の通電が停止される。これにより、始動暖気ルーチンが終了する。
【００３７】
さらに、インジェクタ４８から燃焼室４６内に噴霧されるメタノールの量が増加されるとともに、前記燃焼室４６内での燃焼により発生した水とこのメタノールと第２空気経路６４から導入される空気とにより、第１および第２改質触媒層３８、４０で酸化反応と改質反応とが同時に行われる（ステップＳ２）。具体的には、ＣＨ3 ＯＨ＋３／２Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ（発熱反応）と、ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋３Ｈ2 （吸熱反応）とが同時に遂行され、水素を含む改質ガスが第１および第２改質触媒層３８、４０から生成される。
【００３８】
この改質ガスは、改質器２６からＣＯ除去器２８を通って触媒燃焼器２４に送られて燃料として利用され、蒸発器２２を加熱する（ステップＳ３）。次に、ステップＳ４に進んで、第４温度センサ１１８により蒸発器２２の温度が設定温度に達したことが検出されると、混合器２０を介してメタノールと水が所定の混合比で混合されたメタノール水溶液が蒸発器２２に供給される。
【００３９】
蒸発器２２では、触媒燃焼器２４を介してメタノール水溶液が蒸気化し、第２空気経路６４から送られる空気と混合されて供給機構４２を構成する各導入口６０ｂから改質器２６内に供給される一方、インジェクタ４８から燃焼室４６内へのメタノールの供給が停止される。ここで、第１空気経路５６から空気ノズル５２を介して燃焼室４６側に空気が継続して供給されており、インジェクタ４８自体の温度を有効に低減している。
【００４０】
蒸発器２２から経路３４ａに供給された改質用燃料ガスは、第２空気経路６４から噴射される空気と混合して改質器２６内に導入された後、ディフューザ部７０側に送られる。このディフューザ部７０では、メタノール水溶液、水蒸気および酸素を含む改質用燃料ガスがその一部をガス供給流路６８に沿って第１改質触媒層３８に送られる一方、他の部分がこの第１改質触媒層３８の中央空洞部分３８ａに嵌挿された円筒部７８の内部を通って第２改質触媒層４０に送られる（ステップＳ５）。
【００４１】
第１および第２改質触媒層３８、４０では、改質用燃料ガス中のメタノール、水蒸気および酸素によって発熱反応である酸化反応と吸熱反応である燃料改質反応とが同時に行われる。これにより、改質器２６内に複雑な伝熱構造を用いる必要がなく、この改質器２６全体の構造を一挙に簡素化することができる。しかも、改質器２６内の発熱反応によって改質反応に必要な熱が供給されるため、負荷変動に対する応答性がよく、水素ガスを含む改質ガスを効率的に生成することが可能になる。
【００４２】
第１改質触媒層３８を通って生成された改質ガスおよび第２改質触媒層４０を通って生成された改質ガスは、熱交換器３２に導入されて所定の温度に冷却される。次いで、改質ガスは、ＣＯ除去器２８に導入されてこの前記改質ガス中のＣＯが選択的に反応除去された後、ＣＯセンサ１２０を介して前記改質ガス中のＣＯ濃度が測定される。そして、測定されたＣＯ濃度が所定値以下であると判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで三方弁９０が入れ替えられて、前記改質ガスが燃料電池スタック１４に供給される。
【００４３】
この場合、第１の実施形態では、改質室３６に燃焼室４６が連通しており、この燃焼室４６に加熱用燃料としてメタノールが噴射されるとともに、グロープラグ４９に通電されて前記燃焼室４６内で前記メタノールが燃焼する。この燃焼により生成される燃焼ガスが、改質室３６内の第１および第２改質触媒層３８、４０に直接供給されるため、前記第１および第２改質触媒層３８、４０が迅速に加熱され、燃料改質装置１０の始動時における暖気運転が極めて短時間で遂行されるという効果が得られる。
【００４４】
さらに、第１の実施形態では、燃焼室４６で生成される燃焼ガスにより第１および第２改質触媒層３８、４０が所定温度に達した後、この第１および第２改質触媒層３８、４０から生成される改質ガスが触媒燃焼器２４に供給され、蒸発器２２を加熱する燃料として使用される。このため、燃料を効率的に使用するとともに、暖気運転が一層短時間で遂行されることになる。
【００４５】
また、第１および第２改質触媒層３８、４０および蒸発器２２が所定の温度に達した後、改質用燃料が供給されて改質ガスが生成される。そして、改質ガス中のＣＯ濃度が所定値以下となった際に、前記改質ガスが燃料電池スタック１４に供給される。従って、所望の改質ガスが生成されたことを、簡単な構成で確実に判断することができ、燃料改質装置１０全体の暖気運転を含む準備作業が一挙に効率的に遂行され、燃料電池スタック１４による発電作業が効率的に行われるという効果が得られる。
【００４６】
また、第１の実施形態では、始動暖気運転においてグロープラグ４９に通電された後、電圧／電流モニタ１０２を介して前記グロープラグ４９の電流値がモニタされる。そこで、グロープラグ４９が着火可能な温度に至った際、インジェクタ４８から燃焼室４６に燃料であるメタノールが噴射される。このため、燃焼室４６内における着火の確実性を確保することができるという利点がある。
【００４７】
しかも、温度センサ５１を介して燃焼室４６内の温度が自己保炎が可能な温度になったことが検出された際、グロープラグ４９の通電が停止される。これにより、着火後におけるグロープラグ４９の自己発熱を中止し、前記グロープラグ４９の耐久熱を有効に向上させて長期間にわたり使用することが可能になるという効果が得られる。
【００４８】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る制御方法を説明する始動暖気ルーチンのフローチャートである。
【００４９】
この第２の実施形態では、始動信号に基づいて温度センサ５１が燃焼室４６の温度を検出しながら（ステップＳ２１）、グロープラグ４９に通電が行われる（ステップＳ２２）。制御手段１００は、温度センサ５１による燃焼室４６内の温度をモニタし、グロープラグ４９への通電前後における前記燃焼室４６の温度差△Ｔを算出する。
【００５０】
この温度差△Ｔが所定温度以上、例えば、５０℃以上であると判断されると（ステップＳ２３中、ＹＥＳ）、ステップＳ２４に進んで、インジェクタ４８から燃焼室４６に燃料であるメタノールが噴射される。そして、燃焼室４６内の温度が設定温度に至る際（ステップＳ２５中、ＹＥＳ）、グロープラグ４９の通電が停止される（ステップＳ２６）。
【００５１】
このように、第２の実施形態では、グロープラグ４９の通電前後における燃焼室４６内の温度差△Ｔを演算し、この温度差△Ｔが設定温度以上となった際、すなわち、着火可能な温度になった際、インジェクタ４８から前記燃焼室４６にメタノールを噴射している。従って、燃焼室４６内での着火の確実性を確保することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５２】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る制御方法を実施する始動暖気ルーチンのフローチャートである。
【００５３】
この第３の実施形態では、グロープラグ４９に通電した後（ステップＳ３１）、制御手段１００のタイマの計時が開始される（ステップＳ３２）。そして、タイマが所定の時間だけ計時した後（ステップＳ３３中、ＹＥＳ）、燃焼室４６内にインジェクタ４８を介してメタノールが噴射される（ステップＳ３４）。さらに、燃焼室４６内の温度が設定温度以上となった際（ステップＳ３５中、ＹＥＳ）、ステップＳＴ３６に進んでグロープラグ４９の通電が停止される。
【００５４】
このように、第３の実施形態では、グロープラグ４９に通電された後、環境条件等に基づいて制御手段１００により演算して予め設定された時間が経過した後、燃料であるメタノールが燃焼室４６に噴射される。このため、第１および第２の実施形態と同様に、燃焼室４６内における着火の確実性が確保されるという効果が得られる。
【００５５】
次に、図５を参照して、本発明の第４の実施形態に係る制御方法について説明する。
【００５６】
この第４の実施形態では、ＣＯセンサ１２０を用いることがなく、改質器２６内の温度、特に第３温度センサ１１６により検出される触媒層の改質ガス出口温度と、この改質器２６に供給される改質用燃料ガスの供給量とから改質ガス中のＣＯ濃度または残留メタノール濃度を推定するものである。
【００５７】
ここで、制御手段１００には、予め、図１１、図１２および図１３に示す条件がマップとして記録されている。図１１では、改質用燃料ガスの供給量とメタノール反応率との関係が、改質ガス出口温度Ｔ１、Ｔ２およびＴ３（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３）について示されている。図１２には、改質用燃料ガスの供給量とＣＯ濃度との関係が、それぞれの改質ガス出口温度Ｔ１、Ｔ２およびＴ３毎に示されている。さらに、図１３には、改質用燃料ガスの供給量と残留メタノール濃度との関係が改質ガス出口温度Ｔ１、Ｔ２およびＴ３毎に示されている。
【００５８】
そこで、第４の実施形態では、図５に示すように、制御手段１００が燃料供給弁１０６を制御して蒸発器２２に供給されるメタノール水溶液の供給量が設定されるとともに、第１空気供給弁１０８を駆動して酸化用空気の供給量が設定される。これにより、改質器２６内には、それぞれ所定量の改質用燃料ガスおよび酸化用空気が導入され、第１および第２改質触媒層３８、４０を介して改質ガスが生成される。
【００５９】
第１および第２改質触媒層３８、４０では、メタノール水溶液、水蒸気および酸素が供給されることにより、酸化反応と改質反応とが同時に行われ、いわゆる、オートサーマルによる反応が遂行される。このため、制御手段１００には、第１温度センサ１１２を介して改質用燃料ガスの温度が入力され、第２温度センサ１１４を介して触媒ピーク温度が入力され、さらに、第３温度センサ１１６を介して改質ガス出口温度が入力される。
【００６０】
制御手段１００では、予め設定された改質用燃料ガスの供給量と、第３温度センサ１１６により検出される改質ガス出口温度とに基づいて、ＣＯ濃度（または残留メタノール濃度）が推定される。そして、このＣＯ濃度に基づいて、ＣＯ除去器２８に供給する空気量が第２空気供給弁１１０により調整される。
【００６１】
このように、第４の実施形態では、ＣＯセンサ等の各種センサを用いることがなく、改質器２６に供給される改質用燃料ガスの供給量と、この改質器２６内での改質ガス出口温度とに基づいて、改質ガス中のＣＯ濃度（または残留メタノール濃度）が推定される。これにより、高価なセンサ類を不要にし、改質反応の状態を経済的かつ正確に把握することができ、所望の改質ガスを燃料電池スタック１４に確実に供給することができるという効果が得られる。
【００６２】
ところで、第１および第２改質触媒層３８、４０は、継続的に使用することにより性能劣化が惹起される場合がある。このため、制御手段１００では、触媒精度が劣化した第１および第２改質触媒層３８、４０での改質ガス出口温度を補正する処理がなされる。すなわち、図１４に示すように、触媒層の入口温度を一定にし、基本の温度分布（イ）と触媒性能が劣化した場合の温度分布（ロ）とを比較すると、触媒性能の劣化に伴って反応量が減少するため、温度分布（ロ）では、吸熱量が減少して反応ガス出口温度が高くなっている。
【００６３】
従って、改質用燃料ガスの供給量、触媒入口温度、供給空気量および改質ガス出口温度に基づいて、劣化の程度が確実に推定され、この結果に基づいて第１および第２改質触媒層３８、４０の劣化量が判断される。これにより、劣化量と温度の関係に予め相関を取ることができ、改質ガス中のＣＯ濃度（または残留メタノール濃度）を劣化の程度に応じて正確に検出することができるという利点がある。
【００６４】
【発明の効果】
本発明に係る燃料改質装置では、始動用燃焼機構が、燃焼室に加熱用燃料を供給する燃料噴射手段と、この加熱用燃料を着火させる着火用プラグとを備え、前記燃焼室内で燃焼を行って、始動時に該燃焼室に連通する改質室に配置されている改質触媒部に燃焼ガスを直接供給する。このため、改質触媒部の加熱を迅速かつ容易に行うことができ、始動時の暖気運転が一挙に短時間で遂行される。
【００６５】
また、本発明に係る燃料改質装置の制御方法では、改質触媒部に加熱媒体を供給してこの改質触媒部を昇温させるとともに、生成された改質ガスを燃焼器に供給して蒸発器を加熱し、改質用燃料、水蒸気および酸素を介して酸化反応と改質反応とを同時に行わせる。次いで、改質触媒部で生成される改質ガス中の一酸化炭素濃度を検出し、この一酸化炭素濃度を所定値以下となった際に、前記改質ガスを燃料電池に供給する。このため、所望の改質ガスを効率的かつ確実に得ることができるとともに、始動時の暖気運転時間を有効に短縮することが可能になる。
【００６６】
さらにまた、本発明に係る燃料改質装置およびその制御方法では、始動時に燃焼室に配置された着火用プラグに通電した後、この着火用プラグが最適温度に至ったことを検出した時点で、この燃焼室に加熱用燃料を噴射する一方、前記燃焼室内が所定の温度に至ったことを検出した時点で、前記着火用プラグへの通電を停止させる。従って、燃焼室内での着火の確実性を確保するとともに、着火用プラグの耐久熱を有効に向上させることができる。
【００６７】
さらに、本発明に係る燃料改質装置の制御方法では、改質室に配置される改質触媒部の改質ガス出口温度と、前記改質室に導入される改質用燃料の供給量とに基づいて、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度または残留炭化水素濃度が推定される。これにより、各種センサが不要になって、簡単かつ経済的な構成で、改質ガス中の成分を確実に推定して所望の改質ガスを得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料改質装置を組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料改質装置の斜視説明図である。
【図３】前記燃料改質装置を構成する改質器の縦断面説明図である。
【図４】前記改質器に連結される燃焼機構の説明図である。
【図５】前記改質器に組み込まれる各種センサの説明図である。
【図６】第１の実施形態に係る制御方法を説明するタイミングチャートである。
【図７】前記第１の実施形態に係る制御方法を説明するフローチャートである。
【図８】図７中、始動暖気ルーチンのフローチャートである。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る制御方法を説明する始動暖気ルーチンのフローチャートである。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る制御方法を実施する始動暖気ルーチンのフローチャートである。
【図１１】改質用燃料ガスの供給量とメタノール反応率との関係を示す図である。
【図１２】改質用燃料ガスと使用濃度との関係を示す図である。
【図１３】改質用燃料ガスと残留メタノール濃度との関係を示す図である。
【図１４】触媒性能の劣化を説明する触媒層と温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０…燃料改質装置                  １２…燃料電池システム
１６…メタノール                    １８…水タンク
２０…混合器                        ２２…蒸発器
２４…触媒燃焼器                    ２６…改質器
２８…ＣＯ除去器                    ３４ｂ、３４ｃ…経路
３８、４０…改質触媒層              ４２…供給機構
４４…燃焼機構                      ４６…燃焼室
４８…インジェクタ                  ４９…グロープラグ
５１…温度センサ                    ５２…空気ノズル
６０…供給口                        ６６…流路室
９２…切り換え弁                    １００…制御手段
１０２…電圧／電流モニタ            １０４…スイッチ
１０６…燃料供給弁                  １０８、１１０…空気供給弁
１１２、１１４、１１６…温度センサ  １２０…ＣＯセンサ
【図１】
0003750970.tif 000002
【図２】
0003750970.tif 000003
【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】
0003750970.tif 000009
【図９】
0003750970.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
0003750970.tif 000012
【図１２】
0003750970.tif 000013
【図１３】
0003750970.tif 000014
【図１４】
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