(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
起動時に燃料と空気を供給して着火燃焼させる起動燃焼器と、前記起動燃焼器からの燃焼ガス中に空気と共に燃料を混合して改質器に供給する混合器とを備えた改質装置において、
前記起動燃焼器に水を供給する水供給装置と、
前記空気、燃料、水の供給を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、起動燃焼器にリッチ空燃比による燃焼を行わせるときに水を供給するように構成したことを特徴とする改質装置。
【請求項２】
前記制御装置は、起動燃焼器に供給する空気または燃料または水の量を、混合器への空気または燃料の供給状態に応じて変更するように構成した請求項１に記載の改質装置。
【請求項３】
前記制御装置は、混合器への燃料供給を、起動燃焼器への空気供給量を増加させた後に、開始するように構成した請求項１に記載の改質装置。
【請求項４】
前記制御装置は、起動燃焼器への燃料および水の供給量を、起動燃焼器への空気供給量を増加させた後に、変更するように構成した請求項１に記載の改質装置。
【請求項５】
前記制御装置は、起動燃焼器内の温度を検出する温度検出手段を備え、起動燃焼器への空気供給量を増加させ、前記起動燃焼器内温度が設定値以上に達した後に、混合器への燃料供給を開始するように構成した請求項１に記載の改質装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記起動燃焼器への空気供給量を増加させ、一定時間経過した後に、混合器への燃料供給を開始するように構成した請求項１に記載の改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムに用いる改質装置に関し、特にその起動時間を短縮するための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
燃料電池システムの改質装置として、システムの起動を早めるために起動燃焼器を設け、起動燃焼器による高温ガス中に空気と燃料を混合して改質器に供給するようにしたものが提案されている（例えば本出願人による特願2000-343569号参照）。起動燃焼器では、起動を促すためには理論空燃比付近もしくはややリッチな空燃比での燃焼を行わせる必要がある。しかしながら、理論空燃比付近の燃焼では高温雰囲気中でＮＯｘの生成量が増えるという問題が生じる。これに対して、リッチ空燃比による燃焼を行わせるとＣＯ量が増加傾向となる。起動燃焼器ないし混合器の下流側に位置する改質器や排水素燃焼器等の触媒にＣＯが付着すると活性が低下し、触媒が十分な性能を発揮できなくなるおそれを生じる。
【０００３】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、燃焼ガス組成を悪化させることなく改質装置および燃料電池システムの起動時間を短縮することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、起動時に燃料と空気を供給して着火燃焼させる起動燃焼器と、前記起動燃焼器からの燃焼ガス中に空気と共に燃料を混合して改質器に供給する混合器とを備えた改質装置において、前記起動燃焼器に水を供給する水供給装置と、前記空気、燃料、水の供給を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、起動燃焼器にリッチ空燃比による燃焼を行わせるときに水を供給するように構成した。
【０００５】
第２の発明は、前記第１の発明の制御装置を、起動燃焼器に供給する空気または燃料または水の量を、混合器への空気または燃料の供給状態に応じて変更するように構成した。
【０００６】
第３の発明は、前記第１の発明の制御装置を、混合器への燃料供給を、起動燃焼器への空気供給量を増加させた後に、開始するように構成した。
【０００７】
第４の発明は、前記第１の発明の制御装置を、起動燃焼器への燃料および水の供給量を、起動燃焼器への空気供給量を増加させた後に、変更するように構成した。
【０００８】
第５の発明は、前記第１の発明の制御装置を、起動燃焼器内の温度を検出する温度検出手段を備え、起動燃焼器への空気供給量を増加させ、前記起動燃焼器内温度が設定値以上に達した後に、混合器への燃料供給を開始するように構成した。
【０００９】
第６の発明は、前記第１の発明の制御装置を、前記起動燃焼器への空気供給量を増加させ、一定時間経過した後に、混合器への燃料供給を開始するように構成した。
【００１０】
【作用・効果】
第１の発明によれば、起動燃焼器にメタノールあるいはガソリン等の燃料とともに空気を供給してリッチ空燃比域で燃焼させるとき、水を供給することにより燃焼ガス温度が低下するためＮＯｘの発生を抑制でき、したがってＣＯの発生が少ない、より理論空燃比に近い空燃比域で燃焼を行わせることができる。また、仮に燃焼によりＣＯが発生したとしても、水蒸気とのあいだのシフト反応（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2）と水蒸気による希釈効果とにより燃焼ガス中のＣＯ濃度は大幅に低減する。これにより、改質器や排水素燃焼器等（以下「下流ユニット」という。）が備える触媒にCOが吸着して活性化を妨げるという不具合を効果的に解消することができる。
【００１１】
第２の発明によれば、下流ユニットの起動を促すのにより効果的なガス組成とガス温度が得られる。すなわち、下流ユニット内触媒の活性化を促進するために混合器に燃料と空気を追加的に供給する場合、起動燃焼器に供給する原料(燃料、水、空気等)の量を変化させないまま混合器に燃料と空気を追加すると、下流ユニットへ流入するガス温度や組成が急変してシステム起動がかえって阻害されるおそれがある。これに対して本発明によれば、前記混合器への燃料と空気の追加時に、例えばまず起動燃焼器への空気供給量を増やしてガス温度を維持または高めた状態で燃料を減らし、その後水を供給するという操作を行うことにより、下流ユニット起動に効果的なガス組成とガス温度を得ることが可能になる。
【００１２】
第３の発明によれば、混合器への燃料の供給開始を、起動燃焼器への空気供給量を増加させた後に行なうようにしたことにより、下流ユニットへ流入するガス温度の急低下を抑制して下流ユニットの起動をさらに促すことができる。
【００１３】
第４の発明によれば、起動燃焼器に供給する空気を除く原料の供給量変更を、起動燃焼器への空気供給量を増加させた後に行なうようにしたので、下流ユニットへ流入するガス温度の急低下を抑制して下流ユニットの起動をさらに促すことができる。
【００１４】
第５の発明によれば、混合器への原燃料の供給開始を、起動燃焼器への空気供給量を増加させたうえで、起動燃焼器内温度が設定値に達した後に行なうこととしたので、下流ユニットへ流入するガスの温度と組成をより精度良く制御することができる。
【００１５】
第６の発明によれば、混合器への燃料の供給開始を、起動燃焼器への空気供給量を増加させたうえで、一定時間経過した後に行なうようにしたので、より簡潔な制御系にて下流ユニットへ流入するガスの温度と組成を制御することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明による改質装置の一実施形態を示している。図において、２２は燃料、たとえばメタノールおよび水を含有する燃料をオートサーマル条件で改質する改質器（ＡＴＲ）、２３はその下流にて改質器２２が発生した改質ガス中のＣＯ成分を図外の燃料電池（燃料電池スタック。図では符号２６のみを示す。）が許容する濃度まで低減するＣＯ除去部である。改質器２２の入口側には、起動時に前記燃料を燃焼させる起動用燃焼器２０と、そこで発生した燃焼ガスと改質器２２を起動するために必要な燃料と空気とを混合し気化させる混合器（以下「プリミキサ」と呼称する。）２１とが接続されている。前記のプリミキサ２１には燃料としてこの場合燃料としてメタノールが供給される構成であるが、炭化水素成分を含有する他の液体燃料を独立した燃料系統から供給するようにしてもよい。前記起動用燃焼器２０には燃料ポンプ３２からの燃料と水ポンプ３９からの水とが噴射弁２９により供給されるとともに、コンプレッサ３４から供給される空気が供給弁３５により導入される。また起動用燃焼器２０には、前記燃料に着火するためのグロープラグ４０が備えられている。同様に、プリミキサ２１にも燃料、空気がそれぞれガス組成調整用の噴射弁３０、供給弁３６から供給される。
【００１７】
一方、ＣＯ除去部２３の下流には改質装置起動時に発生した改質ガスの全量を排水素燃焼器２７に供給する切替バルブ２４と、同時に燃料電池２６への改質ガスの流入を遮断する切替バルブ２５が設けられている。排水素燃焼器２７ではコンプレッサ３４から供給される空気を供給弁３８にて流量調整し、排水素燃焼器２７で混合後、触媒燃焼により高温の燃焼ガスを発生させる。その後、燃焼ガスは下流の蒸発器２８に流入し蒸発器２８を昇温させたのち外部へ排出される。また、ＣＯ除去部２３、排水素燃焼器２７の燃焼に必要な空気は、それぞれ供給弁３７、３８から供給される。
【００１８】
前述した起動燃焼器２０またはプリミキサ２１に供給する燃料、空気または水の量は、図示しない制御装置が各ポンプ３２，３９の吐出圧または噴射弁２９，３０、供給弁３５，３６の開度を調整することで制御する。制御装置はその他の各部についても制御を行う機能を担っており、起動時についてその詳細を説明すると次の通りである。
【００１９】
すなわち、改質器ないし燃料電池システムの起動時には、まず燃料電池２６への改質ガスの流入を切替弁２５により遮断するとともに、全量を排水素燃焼器２７へ供給する切替弁２４を開く。次に燃料ポンプ３２、水ポンプ３９、コンプレッサ３４を起動し、それぞれの吐出圧を所定圧に調圧する。起動用燃焼器２０のグロープラグ４０に通電し、排水素燃焼器２７への空気も供給弁３８により流量調整して供給する。これに引き続き燃料および純水と空気をそれぞれ噴射弁２９、供給弁３５から供給、混合させ、グロープラグ４０により着火燃焼させて燃焼ガスを発生させる。このとき、温度検出器５０での温度検出結果に基づき、燃料、水または空気の量を調整して所定のガス温度に調整する。
【００２０】
起動燃焼器２０からの燃焼ガスはプリミキサ２１に入るとともに燃料噴射弁３０、供給弁３６からそれぞれ供給する燃料と空気を混合し燃料を気化させる。このとき供給される燃料と空気の量により後流の改質器２２で改質反応を開始する組成に調整される。改質器２２に流入した高温ガスは改質反応により改質器を昇温させながらＣＯ除去部２３へ流入する。
【００２１】
改質ガスは、ＣＯ除去部２３入口で供給弁３７から供給した空気により所定の温度、組成に調整された後、ＣＯ除去部に供給されるため、反応による自己発熱によりＣＯ除去部２３を昇温したのち、排水素燃焼器２７に流入する。排水素燃焼器で改質ガスは空気と混合し、触媒反応により改質ガスの燃焼が行われるとともに、発熱により昇温した燃焼ガスを蒸発器２８へ送る。蒸発器２８はこの燃焼ガスにより加熱、昇温するが、燃焼ガスは蒸発器との熱交換により温度が低下するため初めは蒸発器２８の出口温度（温度検出器５２で検出）は低いが、改質装置の暖機が進むとともに上昇する。
【００２２】
前記温度検出器５２の値が所定値を超えた場合、蒸発器２８に燃料と水を供給弁３１、３３から供給するとともに起動用燃焼器２０への燃料、空気の供給を停止し、プリミキサ２１への燃料の供給も停止する。同時に、燃料電池２６への改質ガスの供給を切替弁２５を開放することにより行う。このとき切替弁２４は遮断し、排水素燃焼器２７側への改質ガスの流入を遮断する。以後、改質器２２には蒸発器２８で気化した原料蒸気が供給され、改質反応を持続する。また蒸発器の加熱は燃料電池２６にて余った改質ガスを図示しない流路より流入し排水素燃焼器２７で触媒燃焼することにより行い、定常運転状態を持続する。
【００２３】
本発明の特徴は、前述した起動過程において起動燃焼器２０にて理論空燃比よりもリッチな燃焼を行わせるとともに起動燃焼器２０の燃焼ガス中に水を供給する点にある。このときのより詳細な制御内容を図２〜図４を参照しながら説明する。なお図２は前記制御装置によって起動の間に実行される起動制御の制御ルーチンを示したフローチャート、図３は起動制御の間の各部の状態変化を示したタイミングチャートであり、以下の説明中で符号Ｓを付して示した数字は図２のステップ番号を表している。
【００２４】
この起動制御では、まずグローブラグ４０を加熱後、起動燃焼器２０に燃料と空気および純水を第一の所定量供給し、CO、ＮＯｘの発生が少なく、下流ユニットの暖機に適した温度領域で燃焼させる（Ｓ１〜Ｓ２）。図４に示したように、このときの空燃比（図４では空気過剰率λで示してある。）は、例えば水供給を行わない場合（ａ点）と同程度としても、燃焼温度は水供給により前述したように暖機に適した温度（ｂ点）にまで抑えられる。
【００２５】
この状態を継続して下流ユニットを暖機し、第１の所定時間が経過したところ（図３の▲１▼点）で起動燃焼器２０に供給する空気量を第二の所定量まで増加させる（同▲２▼点）。図２のＳ３からＳ５がこの処理に相当し、前記第１の所定時間に対応する設定値ａを計測するためのカウンタ値ｔ１をリセットし、カウンタ値ｔ１が設定値ａに達するまでカウントアップしたのち空気量を増加させる。このようにして空気量を増加させると、供給する燃料−空気の空燃比がリーン側にシフトし、起動燃焼器２０内の温度が上昇し始め、その下流のプリミキサ２１および改質器２２へ流入するガス温度も上昇し始める。同時に、起動燃焼器２０内で発生するCO濃度や改質器入口ガスのCO濃度も若干上がり始める。このとき起動燃焼器２０内の温度は、図４に示したように空燃比からはｃ点に向かって上昇しようとするが、水供給により温度低下するため実際にはｄ点の付近に保たれる。なお、起動の当初から図４のｄ点での燃焼を行わせようとすると、起動燃焼器２０の着火を判断してプリミキサ２１に燃料および空気を供給する前にＣＯの多い燃焼ガスが下流ユニットへと流れ込んでしまうおそれがある。また、大量の水供給が必要となるので、下流ユニットにて水凝縮が発生する等の不具合を起こすおそれもある。
【００２６】
次に起動燃焼器２０へ供給する空気流量を変更し始めてから第２の所定時間が経過した後（図３の▲３▼点）にプリミキサ２１へ改質用の燃料および空気を供給する。図２のＳ６〜Ｓ８がこの処理に相当し、前記第２の所定時間に対応する設定値ｂを計測するためのカウンタ値ｔ２をリセットし、カウンタ値ｔ２が設定値ｂに達するまでカウントアップしたのちプリミキサ２１への燃料、空気の供給を開始する。
さらに、起動燃焼器２０に供給している燃料や純水の供給量も変化させる（Ｓ９）。すると、プリミキサ２１内のガス温度は追加された燃料の気化潜熱によって低下し始め、最終的に改質器２２の入口ガス温度は適正値に安定することとなる（図３の▲４▼点）。このとき、起動燃焼器２０内のCO濃度は当初は必ずしも十分に低下するわけではないが、改質器入口部で上昇しかけたCO濃度は追加燃料により希釈されるので、結果的には下流ユニットに対して全く問題がない濃度にまで低下する。なお前記Ｓ９の処理はＳ５の動作の後に行えばよく、必ずしもＳ８の動作の後でなくともよい。
【００２７】
図５に、本発明に係る起動制御の第２の実施形態を示す。この制御では図の▲１▼〜▲２▼の間の制御は図２と同様であるが、起動燃焼器２０の温度を温度検出器５０（図１参照）により検出し、この検出結果に基づいてプリミキサ２１への燃料および空気の供給を開始するようにした点で異なる。
【００２８】
すなわち、この制御では起動燃焼器２０に供給する空気量を第二の所定量まで増加させたのち、起動燃焼器２０の温度が所定値（Δｔ）だけ上昇したことを検出したときにプリミキサ２１に燃料および空気を供給すると共に、起動燃焼器２０に供給している燃料や純水の供給量も変化させる。
【００２９】
この実施形態によれば、起動燃焼器２０の実際の温度を検出しているので、第１の実施形態による制御に比較してより確実かつ制度の高い温度制御が可能である。さらに、改質器入口ガス温度あるいは改質器内温度を検出して、プリミキサ２１に追加供給する燃料や空気の量を、前記改質器入口ガス温度や改質器内温度が所定の値になるように制御してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による改質装置の一実施形態の概略構成図。
【図２】本発明による起動制御の第１の実施形態の作動内容を示す流れ図。
【図３】本発明による起動制御の第１の実施形態によるタイミング図。
【図４】空気過剰率と燃焼火炎温度の関係を示す特性線図。
【図５】本発明による起動制御の第２の実施形態によるタイミング図。ァ
【符号の説明】
２０    起動燃焼器
２１    プリミキサ（混合器）
２２    改質器（ＡＴＲ）
２３    ＣＯ除去部
２４    切替バルブ
２５    切替バルブ
２６    燃料電池（スタック）
２７    排水素燃焼器
２８    蒸発器
２９    噴射弁
３０    噴射弁
３１    供給弁
３２    燃料ポンプ
３４    コンプレッサ
３５    供給弁
３６    供給弁
３７    供給弁
３８    供給弁
３９    水ポンプ
４０    グロープラグ
【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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