JP4130302B2 - 燃料電池用燃料ガス生成装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化水素系燃料を水素リッチガスに改質するオートサーマル改質器を備えた燃料電池用燃料ガス生成装置に関し、特に、始動性に優れた燃料電池用燃料ガス生成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
メタノールやメタンなどの炭化水素系燃料をオートサーマル改質器を備えた燃料ガス生成装置によって水素リッチな燃料ガスに改質し、この燃料ガスと酸化剤ガス（例えば、空気）を燃料電池に供給し発電を行う燃料電池システムは従来から知られている（特開２０００−１５４００２号公報、特開２０００−５３４０３号公報等）。
【０００３】
前記燃料ガス生成装置は、一般に、メタノール等の原燃料と水とを混合してなる液体原燃料を蒸気化させて燃料蒸気を生成する蒸発器と、蒸発器で生成した燃料蒸気に改質空気を加えて部分酸化させた原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するオートサーマル改質器（以下、改質器と略す）と、改質器で生成された改質ガスの温度を下げる熱交換器と、熱交換器で温度低下させた改質ガスにＣＯ除去空気を加えて改質ガス中の一酸化炭素を除去し燃料ガスを生成するＣＯ除去器と、アノード電極に供給される前記燃料ガスとカソード電極に供給される空気（酸化剤ガス）との電気化学反応により発電する燃料電池、とを備えて構成されている。
【０００４】
この燃料ガス生成装置では、始動後に燃料ガスのガス組成が安定し、且つ、燃料ガス温度が燃料電池に供給可能な温度に安定するまで、システム全体を暖機する必要がある。
従来の暖機方法は、例えば、改質器に始動用バーナを付設したり、改質器にヒータを設けたり、ヒータで加熱した熱媒体（空気等）を熱交換器やＣＯ除去器に流通可能にして、初めに、これら熱源を利用して外部熱を供給することにより熱交換器の冷却水やＣＯ除去器の触媒温調用冷却水を暖機し、改質器内の触媒やＣＯ除去器内の触媒を活性温度以上に暖機し、系内を燃料ガス露点温度以上に暖機するとともに、蒸発器を暖機する。蒸発器の暖機完了後、蒸発器で生成された燃料蒸気と改質空気をどちらも暖機完了後のアイドル運転時の供給量で改質器に供給して改質反応を開始させ、前段である改質器から暖機を行い、徐々に後段へと暖機を進めていく方法を採っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この暖機方法では、後段のＣＯ除去器の触媒が活性温度に達するまでに長い時間がかかり、また、ＣＯ除去器の触媒温調用冷却水や系内ガス流路の暖機に長い時間がかかり、その結果、システム全体の暖機に数十分かかり、さらに燃料ガスの組成が安定するまでに数分を要した。
【０００６】
これでは、早期始動が要求される産業分野、特に、燃料電池自動車に搭載する場合においては、燃料ガスの組成が安定するまでの間も走行可能にするために、大型の蓄電池を搭載しなければならなくなり、システムが大型化するという問題があった。
そこで、この発明は、改質器、ＣＯ除去器、系内ガス流路等の早期暖機が可能で、燃料ガス組成の早期安定化が可能な燃料電池用燃料ガス生成装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、液体原燃料を蒸気化して燃料蒸気を生成する蒸発器（例えば、後述する実施の形態における蒸発器２２）と、前記蒸発器により生成された燃料蒸気に改質用の空気を加えて部分酸化させた原燃料ガスから水素を含んだ改質ガスを生成するオートサーマル改質器（例えば、後述する実施の形態における改質器１１）と、前記オートサーマル改質器への前記改質用の空気の供給量を制御する改質空気量制御手段（例えば、後述する実施の形態におけるステップＳ１１２，Ｓ１１６）と、前記オートサーマル改質器により生成された前記改質ガスにＣＯ除去用の空気を加えることにより一酸化炭素が除去された燃料ガスを生成するＣＯ除去器（例えば、後述する実施の形態におけるＣＯ除去器１３）と、を備えた燃料電池用燃料ガス生成装置（例えば、後述する実施の形態における燃料電池用燃料ガス生成装置１）において、前記改質空気量制御手段は、前記オートサーマル改質器の暖機時における前記改質用の空気の供給量を、暖機完了後のアイドル運転時における改質用の空気の供給量よりも増大するように制御し、前記オートサーマル改質器の改質触媒の温度が前記改質触媒の再生温度以上であって該改質触媒が熱劣化しない温度である第１の所定温度（例えば、後述する実施の形態における閾値Ｔ3）よりも高くなったときに、前記オートサーマル改質器の暖機時に増大した改質用の空気の供給量を減少させるように制御し、その減少制御は、前記改質触媒の温度が前記第１の所定温度より低いアイドル運転時における改質触媒の目標温度となるように、前記改質触媒の温度に応じて減少させることを特徴とする。
【０００８】
このように構成することにより、暖機時に改質器に過剰供給された空気中の酸素が改質器内の触媒により燃焼し、その燃焼熱が改質器および改質ガスを加熱する。また、このようにして加熱された改質ガスが下流に流れることにより、ＣＯ除去器や系内のガス流路を加熱する。さらに、改質触媒の過熱を防止することが可能になる。また、改質触媒の温度を徐々にアイドル運転時の目標温度に収束させることが可能になる。
【０００９】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記蒸発器への前記液体原燃料の供給量を制御する燃料量制御手段（例えば、後述する実施の形態におけるステップＳ１１２，Ｓ１１６）を備え、前記燃料量制御手段は、前記オートサーマル改質器の暖機時における前記液体原燃料の供給量を、暖機完了後のアイドル運転時における液体原燃料供給量よりも増大するように制御し、前記オートサーマル改質器の改質触媒の温度が前記第１の所定温度よりも高くなったときに、前記オートサーマル改質器の暖機時に増大した液体原燃料の供給量を減少させるように制御することを特徴とする。
このように構成することにより、暖機時の改質器における発熱量がさらに増大するとともに、暖機時に改質器から流出する水素、ＣＯ、未反応の炭化水素の量を増大させることができる。
【００１０】
請求項３に記載した発明は、請求項２に記載の発明において、前記改質空気量制御手段による改質用の空気の供給量増大の割合は、前記燃料量制御手段による液体原燃料の供給量増大の割合よりも大きく設定されていることを特徴とする。このように構成することにより、改質器内の触媒において燃焼せしめられる酸素量を確保することができる。
【００１２】
請求項４に記載した発明は、請求項２または請求項３に記載の発明において、前記液体原燃料の供給量の減少制御は、前記改質触媒の温度が前記アイドル運転時における改質触媒の目標温度となるように、前記改質触媒の温度に応じて減少させることを特徴とする。このように構成することにより、改質器の暖機状態を徐々に安定させることが可能になる。
【００１４】
請求項５に記載した発明は、液体原燃料を蒸気化して燃料蒸気を生成する蒸発器（例えば、後述する実施の形態における蒸発器２２）と、前記蒸発器により生成された燃料蒸気に改質用の空気を加えて部分酸化させた原燃料ガスから水素を含んだ改質ガスを生成するオートサーマル改質器（例えば、後述する実施の形態における改質器１１）と、前記オートサーマル改質器により生成された前記改質ガスにＣＯ除去用の空気を加えることにより一酸化炭素が除去された燃料ガスを生成するＣＯ除去器（例えば、後述する実施の形態におけるＣＯ除去器１３）と、前記ＣＯ除去器への前記ＣＯ除去用の空気の供給量を制御するＣＯ除去空気量制御手段（例えば、後述する実施の形態におけるステップＳ１１２，Ｓ１２３）と、を備えた燃料電池用燃料ガス生成装置（例えば、後述する実施の形態における燃料電池用燃料ガス生成装置１）において、前記ＣＯ除去空気量制御手段は、前記ＣＯ除去器の暖機時における前記ＣＯ除去用の空気の供給量を、暖機完了後のアイドル運転時におけるＣＯ除去用の空気の供給量よりも増大するように制御し、前記ＣＯ除去器のＣＯ除去触媒の温度が前記ＣＯ除去触媒の再生温度以上であって該ＣＯ除去触媒が熱劣化しない温度である第３の所定温度（例えば、後述する実施の形態における閾値Ｔ4）よりも高くなったときに、前記ＣＯ除去器の暖機時に増大したＣＯ除去用の空気の供給量を減少させるように制御し、その減少制御は、前記ＣＯ除去触媒の温度が前記第３の所定温度より低いアイドル運転時におけるＣＯ除去触媒の目標温度となるように、前記ＣＯ除去触媒の温度に応じて減少させることを特徴とする。
【００１５】
このように構成することにより、暖機時に改質器から流出する水素、一酸化炭素、および未反応の炭化水素を、過剰供給したＣＯ除去用の空気中の酸素とともに、ＣＯ除去器内の触媒によって十分に燃焼させることができ、この燃焼熱によってＣＯ除去器を加熱することができる。さらに、この燃焼ガスが下流に流れることにより系内のガス流路を加熱することができる。また、ＣＯ除去触媒の過熱を防止することが可能になる。また、ＣＯ除去触媒の温度を徐々にアイドル運転時の目標温度に収束させることが可能になる。
【００１６】
請求項６に記載した発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の発明において、前記オートサーマル改質器およびＣＯ除去器が暖機完了と判定された後に燃料ガスを燃料電池へ供給することを特徴とする。このように構成することにより、所定のガス組成およびガス温度に制御された燃料ガスを燃料電池に供給することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池用燃料ガス生成装置の一実施の形態を図１から図１１の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、燃料電池自動車に搭載された燃料電池用燃料ガス生成装置の態様である。
図１は燃料電池用燃料ガス生成装置（以下、燃料ガス生成装置と略す）１の概略構成図であり、燃料ガス生成装置１は、改質反応器１０、燃料電池スタック（燃料電池）２１、蒸発器２２を主要構成としており、改質反応器１０は、改質器１１、熱交換器１２、ＣＯ除去器１３、始動用バーナ１４を備えている。
【００１８】
燃料電池スタック２１は固体高分子型の燃料電池であり、アノード電極に供給される燃料ガス中の水素と、カソード電極に供給される酸化剤ガスとしての空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
燃料電池スタック２１のアノード電極に供給される燃料ガスは、液体原燃料を蒸発器２２で燃料蒸気にし、更に改質反応器１０によって水素リッチな燃料ガスに改質したものが用いられる。
【００１９】
すなわち、蒸発器２２には、炭化水素系燃料（例えば、メタノール）と水とを所定の割合で混合してなる改質用の液体原燃料と改質用の空気（以下、改質空気という）とが供給されるようになっていて、蒸発器２２内において液体原燃料および改質空気は加熱され、液体原燃料は蒸気化されて燃料蒸気となり、加熱された改質空気と混合した状態で、蒸発器２２から燃料供給管３１を介して改質反応器１０の改質器１１に供給される。
【００２０】
改質反応器１０の改質器１１は、内部に改質触媒としてパラジウム（Ｐｄ）系の貴金属触媒を備えたオートサーマル式の改質器であり、蒸発器２２で生成した燃料蒸気を改質空気によって部分酸化させた原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する。改質器１１で生成された改質ガスは熱交換器１２によって冷却された後、ＣＯ除去器１３に供給される。ＣＯ除去器１３は内部に低温活性可能な白金（Ｐｔ）系の触媒を備えるとともに、ＣＯ除去用の空気（以下、ＣＯ除去空気という）が供給可能になっていて、ＣＯ除去器１３内において改質ガス中のＣＯは酸化されてＣＯ2になり、すなわち、改質ガス中のＣＯが除去されて燃料ガスが生成される。また、ＣＯ除去器１３には、燃料ガスを冷却するための冷却水が流通可能にされている。始動用バーナ１４には液体原燃料と空気を供給することができるようになっていて、暖機時に限ってこのバーナ１４に原燃料と空気が供給され着火されるようになっている。
【００２１】
改質反応器１０により改質された燃料ガスは、燃料ガス供給管３２，３３および三方切替弁３４を介して燃料電池スタック２１のアノード電極に供給される。燃料電池スタック２１のカソード電極には、図示しないスーパーチャージャから空気供給管３５を介して酸化剤ガスとして空気が供給可能になっている。
【００２２】
燃料電池スタック２１のアノード電極に供給された燃料ガスは発電に供された後、燃料オフガスとして燃料オフガス管３６を介して蒸発器２２に供給され、また、カソード電極に供給された空気は発電に供された後、空気オフガスとして空気オフガス管３７を介して蒸発器２２に供給される。また、三方切替弁３４は燃料電池スタック２１を迂回するバイパス管３８によって燃料オフガス管３６に接続されており、三方切替弁３４は、燃料ガス供給管３２を、燃料ガス供給管３３とバイパス管３８のいずれか一方と選択的に接続可能にする。三方切替弁３４が燃料ガス供給管３２と燃料ガス供給管３３とを接続したときに改質反応器１０から流出した燃料ガスは燃料電池スタック２１に供給され、三方切替弁３４が燃料ガス供給管３２とバイパス管３８とを接続したときに改質反応器１０から流出した燃料ガスは燃料電池スタック２１を迂回しバイパス管３８を流れることになる。
【００２３】
燃料電池スタック２１から排出された燃料オフガスと空気オフガスは蒸発器２２に内蔵された触媒燃焼器に導かれ、この触媒燃焼器で燃焼させられ、その燃焼熱で、蒸発器２２に供給される改質用液体原燃料と改質空気を加熱する。なお、蒸発器２２において加熱源とされた燃料オフガスと空気オフガスの燃焼ガスは、排気管３９を介して大気に排気される。
【００２４】
次に、この燃料ガス生成装置１の作用について説明する。この燃料ガス生成装置１では、早期暖機を図るため、暖機時における液体原燃料と改質空気とＣＯ除去空気の供給量を、暖機完了後の各供給量よりも増量している。なお、原燃料量は改質ガス量および燃料ガス量と比例関係にある。
ただし、暖機は例えば起動時に系内温度が低いときに行われるものであり、再起動時など系内が十分に暖まっているときには行われない。
燃料ガス生成装置１の暖機時（すなわち、改質器１１の暖機時）に改質空気の供給量を増大して過剰の改質空気を改質器１１に供給すると、過剰供給された空気中の酸素が改質用触媒によって燃焼し、その燃焼熱が改質器１１の筐体や改質触媒や改質ガスを加熱する。したがって、改質器１１の暖機が促進される。
【００２５】
また、燃料ガス生成装置１の暖機時（すなわち、改質器１１の暖機時）に液体原燃料の供給量を増大して過剰の燃料蒸気を改質器１１に供給すると、改質器１１において燃焼する燃料蒸気も増大して改質器１１における発熱量が増大するので、これによっても改質器１１の暖機が促進される。
しかも、このようにして迅速に加熱された改質ガスが下流に流れることにより、ＣＯ除去器やガス流路も暖められるので、これらの暖機も促進される。
【００２６】
また、燃料ガス生成装置１の暖機時には、改質器１１からは水素や一酸化炭素だけでなく未反応の炭化水素も多く流出するが、燃料ガス生成装置１の暖機時（すなわち、ＣＯ除去器１３の暖機時）にＣＯ除去空気の供給量を増大させると、前記水素や一酸化炭素や未反応の炭化水素をＣＯ除去触媒において十分に燃焼させることができ、その燃焼熱がＣＯ除去器１３の筐体やＣＯ除去触媒や燃料ガスを加熱するので、ＣＯ除去器１３の暖機が促進される。さらに、迅速に加熱された燃料ガスが下流に流れることにより、下流のガス流路が加熱されるので、系内ガス流路の暖機も促進されることになる。
その結果、燃料ガス生成装置１全体の早期暖機が可能になり、改質反応器１０により生成される燃料ガスの組成の早期安定化が達成されて、燃料電池スタック２１を早期に発電可能な状態にすることができる。
【００２７】
次に、この実施の形態における燃料ガス生成装置１の暖機時の暖機処理手順を図２および図３のフローチャートを参照して説明する。なお、このフローチャートは処理手順を示したものであり、電気信号の流れを示したものではない。
まず、燃料電池始動スイッチがＯＮされると（ステップＳ１０１）、ステップＳ１０２に進み、三方切替弁３４を燃料ガス供給管３２とバイパス管３８とを接続するように切り替える。
【００２８】
次に、ステップＳ１０３に進み、蒸発器２２の暖機を開始するとともに、改質器１１の改質触媒温度（検出温度）を検出する。さらに、ステップＳ１０４に進み、改質触媒温度が閾値Ｔ1よりも低いか否か判定する。ステップＳ１０４において肯定判定した場合、すなわち、改質触媒温度が閾値Ｔ1よりも低い場合には、改質触媒に対して予備暖機が必要であるのでステップＳ１０５に進み、ステップＳ１０４において否定判定した場合には改質触媒に対する予備暖機が不要であるのでステップＳ１１０へ進む。
【００２９】
ステップＳ１０５では、始動用バーナ１４に供給すべき液体原燃料と空気の供給量を算出する。すなわち、ステップＳ１０３で検出した改質触媒温度に基づき、図４（Ａ）に示すマップＩを参照して必要な燃料量を算出し、この燃料量の燃料を燃焼させるのに必要な空気量を図４（Ｂ）に示すマップIIを参照して算出し、さらに、この空気量を図４（Ｃ）に示すマップIIIを参照して気圧補正する。空気量を気圧補正するのは、実際に必要なのは空気量ではなく酸素量だからである。
【００３０】
次に、ステップＳ１０６に進み、ステップＳ１０５で算出した燃料量の燃料と空気量の空気を始動用バーナ１４に供給し、着火して、始動用バーナ１４を起動する。これにより、改質器１１の改質触媒に対する予備暖機が開始される。
【００３１】
次に、ステップＳ１０７に進み、改質器１１の改質触媒温度を検出し、ステップＳ１０８において改質触媒温度が閾値Ｔ2以上か否か判定する。閾値Ｔ2は閾値Ｔ1よりも高い温度に設定されており、ステップＳ１０８において否定判定した場合には、改質触媒に対する予備暖機が未だ不十分であるので、始動用バーナ１４による予備暖機を続行する。
【００３２】
ステップＳ１０８において肯定判定した場合には、ステップＳ１０９に進み、始動用バーナ１４を停止して予備暖機を終了し、さらにステップＳ１１０に進んで蒸発器２２の暖機が完了したか否か判定する。ステップＳ１１０で否定判定した場合には、蒸発器２２に対する暖機を続行する。
【００３３】
ステップＳ１１０で肯定判定した場合には、ステップＳ１１１に進んで、改質器１１の改質触媒温度およびＣＯ除去器１３のＣＯ除去触媒温度を検出し、さらにステップＳ１１２に進んで、蒸発器２２に供給する液体原燃料および改質空気の初期供給量と、ＣＯ除去器１３に供給するＣＯ除去空気の初期供給量を算出する。
【００３４】
詳述すると、まず、ステップＳ１１１で検出した改質触媒温度に基づき、図５（Ａ）に示すマップIVを参照して必要な原燃料の初期供給量を算出する。マップIVにおいて実線はアイドル運転時における原燃料量を算出する際に使用するものであり、破線は初期供給量を算出する際に使用するものであり、改質触媒温度が同じ場合で比較すると初期供給量の方がアイドル運転時の供給量よりも多くなるように設定されている。ここで、アイドル運転とは、燃料ガス生成装置１の温度を維持するための最小限の運転状態をいう。
【００３５】
次に、改質触媒温度に基づき図５（Ｂ）に示すマップＶを参照して改質空気量を算出する。マップＶにおいて実線はアイドル運転時における改質空気量を算出する際に使用するものであり、破線は暖機開始時における改質空気量を算出する際に使用するものであり、改質触媒温度が同じ場合で比較すると暖機開始時の供給量の方がアイドル運転時の供給量よりも多くなるように設定されている。
【００３６】
次に、改質触媒温度に応じた改質空気増量係数を図５（Ｃ）に示すマップVIを参照して算出し、マップＶで算出した改質空気量にマップVIで算出した増量係数を乗じて改質空気の初期供給量を算出する。さらに、この改質空気の初期供給量を図５（Ｆ）に示すマップIＸを参照して気圧補正する。
なお、アイドル運転時の改質空気供給量に対する暖機開始時の改質空気初期供給量の増大割合は、５倍未満に設定されている。
また、アイドル運転時の改質空気供給量に対する暖機開始時の改質空気初期供給量の増大割合は、アイドル運転時の原燃料供給量に対する暖機開始時の原燃料初期供給量の増大割合よりも大きく設定されている。例えば、原燃料初期供給量はアイドル運転時の原燃料供給量の２倍とし、改質空気初期供給量はアイドル運転時の改質空気供給量の３倍とする。
【００３７】
つぎに、初期改質ガス量に対応するＣＯ除去空気量を図５（Ｄ）に示すマップVIIを参照して算出する。マップVIIにおいて実線はアイドル運転時におけるＣＯ除去空気量を算出する際に使用するものであり、破線は暖機開始時におけるＣＯ除去空気量を算出する際に使用するものであり、改質ガス量が同じ場合で比較すると暖機開始時の供給量の方がアイドル運転時の供給量よりも多くなるように設定されている。
【００３８】
次に、ステップＳ１１１で検出したＣＯ除去触媒温度に応じたＣＯ除去空気増量係数を図５（Ｅ）に示すマップVIIIを参照して算出し、マップVIIで算出したＣＯ除去空気量にマップVIIIで算出した増量係数を乗じてＣＯ除去空気の初期供給量を算出する。さらに、このＣＯ除去空気の初期供給量を図５（Ｆ）に示すマップIＸを参照して気圧補正する。
改質空気およびＣＯ除去空気の初期供給量を気圧補正するのは、実際に必要なのは空気量ではなく酸素量だからである。
【００３９】
次に、ステップＳ１１３に進み、ステップＳ１１２で算出した初期供給量の原燃料と改質空気を蒸発器２２に供給するとともに、ステップＳ１１２で算出した初期供給量のＣＯ除去空気をＣＯ除去器１３に供給する。
このようにして、改質空気の初期供給量をアイドル運転時の供給量よりも多くすることにより、過剰供給された改質空気中の酸素が改質触媒により燃焼し、その燃焼熱が改質器１１の筐体、改質触媒、改質ガスを加熱する。その結果、改質器１１を迅速に暖機することができる。また、このようにして加熱された改質ガスが下流に流れることにより、熱交換器１２の筐体、冷却水、および、ＣＯ除去器１３の筐体、ＣＯ除去触媒、系内のガス流路を加熱する。
【００４０】
また、原燃料の初期供給量をアイドル運転時の供給量よりも多くすることにより、改質器１１における発熱量がさらに増大するので、改質器１１の暖機がさらに早くなり、改質器１１よりも下流に設置された各機器の暖機をさらに早めることとなる。また、改質器１１から流出する水素、ＣＯ、未反応の炭化水素の量を増大させることができる。
【００４１】
なお、アイドル運転時の改質空気供給量に対する暖機開始時の改質空気初期供給量の増大割合を、アイドル運転時の原燃料供給量に対する暖機開始時の原燃料初期供給量の増大割合よりも大きく設定しているので、原燃料の供給量増大による早期暖機と改質空気の供給量増大による早期暖機を共に実効あるものにすることができる。
【００４２】
また、ＣＯ除去空気の初期供給量をアイドル運転時の供給量よりも多くすることにより、改質器１１から流出する水素、一酸化炭素、および未反応の炭化水素を、過剰供給したＣＯ除去空気中の酸素とともに、ＣＯ除去触媒によって十分に燃焼させることができ、この燃焼熱がＣＯ除去器１３の筐体、ＣＯ除去触媒、ＣＯ除去触媒温調用冷却水を加熱する。その結果、ＣＯ除去器１３を迅速に暖機することができる。
さらに、この燃焼ガスが下流に流れることにより系内のガス流路を加熱する。したがって、系内のガス流路の暖機も早くなる。
【００４３】
次に、ステップＳ１１３からステップＳ１１４およびステップＳ１２１に進む。改質器１１の処理ラインであるステップＳ１１４に進むと、ステップＳ１１４において改質器１１の改質触媒温度を検出し、さらに、ステップＳ１１５に進んで改質触媒温度が閾値Ｔ3（第１の設定温度）よりも大きいか否か判定する。ここで閾値Ｔ3は改質触媒の再生温度以上に設定しておく。ステップＳ１１５において否定判定した場合、すなわち、改質触媒温度が閾値Ｔ3よりも低い場合には、蒸発器２２への原燃料および改質空気の供給量を前記初期供給量のままにして蒸発器２２および改質器１１の運転を続行する。なお、再生温度とは触媒の劣化を一時的に抑えたり、または多少触媒の能力を上げる温度であり、触媒によって異なる。
【００４４】
一方、ステップＳ１１５において肯定判定した場合、すなわち、改質触媒温度が閾値Ｔ3よりも高い場合には、ステップＳ１１６に進み、改質器触媒の目標温度をアイドル運転時における目標温度（第２の設定温度）に設定して、改質触媒温度のフィードバック制御（以下、Ｆ／Ｂ制御と略す）を開始する。なお、アイドル運転時の改質触媒の目標温度は閾値Ｔ3よりも低い。このように、改質触媒温度を一度、再生温度以上に上昇させることにより、改質触媒を再生することができる。
【００４５】
改質触媒温度のＦ／Ｂ制御につおいて詳述すると、改質触媒温度に基づき図６（Ａ）に示すマップＸを参照して改質空気量を算出する。マップＸにおいて実線はこの改質触媒温度のＦ／Ｂ制御時における改質空気量を算出する際に使用するものであり、破線は前述した暖機開始時における改質空気量を算出する際に使用するものであり、改質触媒温度が同じ場合で比較すると本Ｆ／Ｂ制御時の供給量の方が暖機開始時の供給量よりも少なくなるように設定されている。すなわち、本Ｆ／Ｂ制御では改質空気量を減少する方向に制御することになる。
【００４６】
次に、マップＸで算出した改質空気量を、図６（Ｂ）に示すマップXIを参照して気圧補正し、さらに、気圧補正した改質空気量に基づき、図６（Ｃ）に示すマップXIIを参照して、原燃料量を算出する。マップXIIにおいて実線はこの改質触媒温度のＦ／Ｂ制御時における原燃料量を算出する際に使用するものであり、破線は前述した暖機開始時における原燃料量を算出する際に使用するものであり、改質空気量が同じ場合で比較すると暖機開始時の供給量の方が本Ｆ／Ｂ制御時の供給量よりも多くなるように設定されている。すなわち、本Ｆ／Ｂ制御では原燃料量を減少する方向に制御することになる。
【００４７】
そして、このようにして算出した供給量で蒸発器２２への原燃料と改質空気の供給を実行する。これにより、改質触媒温度は徐々に低下してアイドル運転時の前記目標温度に収束していくことになり、その結果、改質触媒が無用に高温に晒されて熱劣化するのを防止することができる。
【００４８】
次に、ステップＳ１１７に進み、改質器１１の筐体温度、改質触媒温度、改質ガス温度、改質ガス流量を検出する。さらに、ステップＳ１１８に進んで、ステップＳ１１７で検出した各検出値に基づき、改質器１１の暖機が完了したか否か判定する。すなわち、ステップＳ１１７で検出した改質器１１の筐体温度、改質触媒温度、改質ガス温度、改質ガス流量が、各検出項目について予め設定されているアイドル運転時の設定範囲（以下、アイドル設定範囲という）に収まっているか否か判定する。これら総ての検出値がアイドル設定範囲に収まっていれば改質器１１は暖機完了と判定され、検出値のうちのどれか一つでも設定範囲から外れている場合には暖機未了と判定される。このように、複数の検出値に基づいて改質器１１の暖機完了を判定しているので、暖機完了判定が正確に行われることになる。
【００４９】
ステップＳ１１８で否定判定した場合にはステップＳ１１６に戻り、改質触媒温度のＦ／Ｂ制御を継続する。ステップＳ１１８で肯定判定した場合にはステップＳ１１９に進み、蒸発器２２および改質器１１をアイドル運転条件の下で運転する。そして、ステップＳ１２０に進み、ＣＯ除去器１３が暖機完了しているか否か判定する。ステップＳ１２０で否定判定した場合には、ステップＳ１１９に戻って蒸発器２２および改質器１１のアイドル運転条件での運転を継続する。
【００５０】
一方、ステップＳ１１３からＣＯ除去器１３の処理ラインであるステップＳ１２１に進むと、ステップＳ１２１においてＣＯ除去器１３のＣＯ除去触媒温度を検出し、さらに、ステップＳ１２２に進んでＣＯ除去触媒温度が閾値Ｔ4（第３の所定温度）よりも大きいか否か判定する。ここで閾値Ｔ4はＣＯ除去触媒の再生温度以上に設定しておくことが好ましい。ステップＳ１２２において否定判定した場合、すなわち、ＣＯ除去触媒温度が閾値Ｔ4よりも低い場合には、ＣＯ除去器１３へのＣＯ除去空気の供給量を前記初期供給量のままにしてＣＯ除去器１３の運転を続行する。このように、ＣＯ除去触媒温度を一度、再生温度以上に上昇させることにより、ＣＯ除去触媒を再生することができるので、触媒の寿命が延びる。
【００５１】
一方、ステップＳ１２２において肯定判定した場合、すなわち、ＣＯ除去触媒温度が閾値Ｔ4よりも高い場合には、ステップＳ１２３に進み、ＣＯ除去触媒の目標温度をアイドル運転時における目標温度（第４の所定温度）に設定して、ＣＯ除去触媒温度のＦ／Ｂ制御を開始する。なお、アイドル運転時のＣＯ除去触媒の目標温度は閾値Ｔ4よりも低い。
【００５２】
ＣＯ除去触媒温度のＦ／Ｂ制御につおいて詳述すると、まず、改質ガス量に基づき図７（Ａ）に示すマップXIIIを参照してＣＯ除去空気量を算出する。なお、マップXIIIは図５（Ｄ）のマップVIIと実質的に同じマップである。マップXIIIにおいて実線はこのＣＯ除去触媒温度のＦ／Ｂ制御時におけるＣＯ除去空気量を算出する際に使用するものであり、破線は前述した暖機開始時におけるＣＯ除去空気量を算出する際に使用するものであり、改質ガス量が同じ場合で比較すると本Ｆ／Ｂ制御時の供給量の方が暖機開始時の供給量よりも少なくなるように設定されている。すなわち、本Ｆ／Ｂ制御ではＣＯ除去空気量を減少する方向に制御することになる。
【００５３】
次に、ＣＯ除去触媒温度に基づき図７（Ｂ）に示すマップXIVを参照してＣＯ除去空気増量係数を算出し、マップXIIIで算出したＣＯ除去空気量にマップXIVで算出した増量係数を乗じてＣＯ除去空気量を算出する。さらに、このＣＯ除去空気量を図７（Ｃ）に示すマップXVを参照して気圧補正する。
そして、このようにして算出した供給量でＣＯ除去器１３へのＣＯ除去空気の供給を実行する。これにより、ＣＯ除去触媒温度は徐々に低下してアイドル運転時の前記目標温度に収束していくことになり、その結果、ＣＯ除去触媒が無用に高温に晒されて熱劣化するのを防止することができる。また、同時に、ＣＯ除去器１３に供給されるＣＯ除去空気量も減少していく。
【００５４】
次に、ステップＳ１２４に進み、ＣＯ除去器１３の筐体温度、ＣＯ除去触媒温度、ＣＯ除去器１３から流出する燃料ガス温度、燃料ガス流量、三方切替弁３４の筐体温度を検出する。さらに、ステップＳ１２５に進んで、ステップＳ１２４で検出した各検出値に基づき、ＣＯ除去器１３の暖機が完了したか否か判定する。すなわち、ステップＳ１２４で検出したＣＯ除去器１３の筐体温度、ＣＯ除去触媒温度、燃料ガス温度、燃料ガス流量、ＣＯ除去空気量、三方切替弁３４の筐体温度が、各検出項目について予め設定されているアイドル運転時の設定範囲（以下、アイドル設定範囲という）に収まっているか否か判定する。これら総ての検出値がアイドル設定範囲に収まっていればＣＯ除去器１３は暖機完了と判定され、検出値のうちのどれか一つでも設定範囲から外れている場合には暖機未了と判定される。このように、複数の検出値に基づいてＣＯ除去器１３の暖機完了を判定しているので、暖機完了判定が正確に行われることになる。
【００５５】
ステップＳ１２５で否定判定した場合にはステップＳ１２３に戻り、ＣＯ除去触媒温度のＦ／Ｂ制御を継続する。ステップＳ１２５で肯定判定した場合にはステップＳ１２６に進み、ＣＯ除去器１３をアイドル運転条件の下で運転する。そして、ステップＳ１２７に進み、改質器１１が暖機完了しているか否か判定する。ステップＳ１２７で否定判定した場合には、ステップＳ１２６に戻ってＣＯ除去器１３のアイドル運転条件での運転を継続する。
【００５６】
そして、改質器１１およびＣＯ除去器１３が両方とも暖機完了した場合に、ステップＳ１２０およびステップＳ１２７からステップＳ１２８に進み、ＣＯ除去器１３から流出する燃料ガスのＣＯ濃度およびＴＨＣ濃度を検出し、これら検出値に基づいて燃料ガス組成が安定したか否か判定する。すなわち、燃料ガスのＣＯ濃度およびＴＨＣ濃度が予め設定した上限値よりも大きい場合には燃料ガス組成は不安定と判定され、前記上限値よりも小さい場合には燃料ガス組成が安定したと判定される。
なお、改質器１１とＣＯ除去器１３の両方が暖機完了と判定されてからタイマ等で所定時間待機することで、ガス組成が安定したと判定することも可能である。このようにすると、システム構成の簡易化、コストダウンを図ることができる。
【００５７】
ステップＳ１２９において否定判定した場合には、ステップＳ１２８に戻って従前の運転状態を継続し、ステップＳ１２９において肯定判定した場合には、ステップＳ１３０に進み、三方切替弁３４を燃料ガス供給管３３に接続して、燃料ガスを燃料電池スタック２１に流れるようにし、発電可能にする。
【００５８】
図８は、燃料電池始動スイッチをＯＮしてからの時間経過に伴う改質空気供給量および燃料蒸気供給量の変化を、本発明の場合と従来の場合で比較した図である。従来は蒸発器の暖機完了後すぐに、暖機完了後アイドル運転時の改質空気量および燃料蒸気量を供給しているが、本発明では蒸発器の暖機完了後は従来よりも過剰の燃料蒸気および改質空気を供給しており、改質器１１の暖機の進行に伴って徐々に減量していき、最終的に暖機完了後アイドル運転時の供給量に収束していく。
【００５９】
図９は、燃料電池始動スイッチをＯＮしてからの時間経過に伴う改質反応器１０における発生熱量の変化を、本発明の場合と従来の場合で比較した図である。従来は蒸発器の暖機完了後から燃料ガス生成装置全体の暖機完了まで、改質反応器における発生熱量は一定であるが、本発明では蒸発器の暖機完了後における改質反応器１０での発生熱量が従来よりも非常に大きくなり、改質反応器１０の暖機の進行に伴って徐々に減少していき、最終的に暖機完了後アイドル運転時の発生熱量に収束していく。
【００６０】
図１０は、燃料電池始動スイッチをＯＮしてからの時間経過に伴うＣＯ除去空気供給量と、未反応ＨＣとＣＯを燃焼させるための空気当量の変化を、本発明の場合と従来の場合で比較した図である。従来は蒸発器の暖機完了後すぐに、暖機完了後アイドル運転時のＣＯ除去空気量を供給しているが、本発明では蒸発器の暖機完了後は従来よりも過剰のＣＯ除去空気を供給しており、ＣＯ除去器１３の暖機の進行に伴って徐々に減量していき、最終的に暖機完了後アイドル運転時の供給量に収束していく。未反応ＨＣとＣＯを燃焼させるための空気当量についても同様な傾向になっている。
【００６１】
図１１（Ａ）は燃料電池始動スイッチをＯＮしてからの時間経過に伴う改質触媒温度の変化を本発明の場合と従来の場合で比較した図であり、図１１（Ｂ）は燃料電池始動スイッチをＯＮしてからの時間経過に伴うＣＯ除去触媒温度の変化を本発明の場合と従来の場合で比較した図であり、図１１（Ｃ）は燃料電池始動スイッチをＯＮしてからの時間経過に伴う三方切替弁３４の壁面温度の変化を本発明の場合と従来の場合で比較した図であり、図１１（Ｄ）は燃料電池始動スイッチをＯＮしてからの時間経過に伴う燃料ガスのＣＯ濃度およびＴＨＣ濃度の変化を本発明の場合と従来の場合で比較した図である。
この図１１からも、改質器１１の暖機、ＣＯ除去器１３の暖機、系内のガス流路の暖機、燃焼ガス組成の安定が、従来よりも早くなることが明らかである。
【００６２】
なお、この実施の形態の燃料ガス生成装置１では、空気量を算出する際に気圧補正を行っているので、低地から高地までいかなる場所で起動する場合にも早期暖機を実行することができる。
【００６３】
このように、この燃料ガス生成装置１においては、改質器１１、ＣＯ除去器１３、系内ガス流路の総ての暖機が従来よりも迅速に行うことができ、また、燃料ガス組成も従来よりも早く安定させることができる。したがって、燃料電池スタック２１を運転開始してから発電可能になるまでにかかる時間を従来よりも短縮することができる。
【００６４】
なお、上述した実施の形態では、ＣＯ除去空気量の減少制御をＦ／Ｂ制御で行っているが、このような制御方法に限定されるものではない。例えば、ＣＯ除去空気量を所定時間に一定勾配で減少するように制御するようにしてもよい。この場合には、ＣＯ除去空気がアイドル運転時の供給量に達したときに減少制御を止めるようにする。このようにすることにより、制御を簡易化することができるとともに、ＣＯ除去に最も重要なＣＯ除去空気量で減少制御を停止することができるので、より正確な制御が可能になる。
【００６５】
前述の実施の形態においては、アイドル運転を燃料ガス生成装置の温度を維持するための最小限の運転状態としたが、アイドル運転は、燃料電池を運転するための最小限の運転状態をいう場合もあり、改質器の温度を維持するための最小限の運転状態をいう場合もあり、ＣＯ除去器の温度を維持するための最小限の運転状態をいう場合もある。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１に記載した発明によれば、暖機時に改質器に過剰供給された空気中の酸素が改質器内の触媒により燃焼し、改質器および改質ガスを加熱するので、改質器の早期暖機が可能になる。さらに、加熱された改質ガスが下流に流れることによりＣＯ除去器や系内のガス流路を加熱するので、ＣＯ除去器、系内ガス流路の早期暖機が可能となる。その結果、燃料ガス組成の早期安定化を図ることが可能となって、ひいては燃料電池の早期発電が可能になるという優れた効果が奏される。また、改質触媒の過熱を防止することが可能になるので、過熱による改質触媒の熱劣化を防止することができる。また、改質触媒の温度を徐々にアイドル運転時の目標温度に収束させることが可能になる。
【００６７】
請求項２に記載した発明によれば、暖機時に改質器における発熱量がさらに増大するので改質器の暖機が早まるとともに、暖機時に改質器から流出する水素、ＣＯ、未反応の炭化水素の量が増大するので、ＣＯ除去器における発熱量も増大し、ＣＯ除去器の暖機も早まるという効果がある。
【００６８】
請求項３に記載した発明によれば、改質器内の触媒において燃焼せしめられる酸素量を確保することができるので、液体原燃料の供給量増大による早期暖機と改質用の空気の供給量増大による早期暖機を共に実効あるものとすることができる。
【００６９】
請求項４に記載した発明によれば、改質器の暖機状態を徐々に安定させることが可能になるので、改質器を確実に暖機完了に導くことができ、改質触媒の温度を徐々にアイドル運転時の目標温度に収束させることが可能になる。
【００７０】
請求項５に記載した発明によれば、暖機時に改質器から流出する水素、一酸化炭素、および未反応の炭化水素を、過剰供給したＣＯ除去用の空気中の酸素とともに、ＣＯ除去器内の触媒によって十分に燃焼させることができ、この燃焼熱によってＣＯ除去器を加熱することができ、さらに、この燃焼ガスが下流に流れることにより系内のガス流路を加熱することができるので、ＣＯ除去器、系内ガス流路の早期暖機が可能となる。その結果、燃料ガス組成の早期安定化を図ることが可能となって、ひいては燃料電池の早期発電が可能になるという優れた効果が奏される。また、ＣＯ除去触媒の過熱を防止することが可能になるので、過熱によるＣＯ除去触媒の熱劣化を防止することができる。また、ＣＯ除去触媒の温度を徐々にアイドル運転時の目標温度に収束させることが可能になる。
【００７１】
請求項６に記載した発明によれば、所定のガス組成およびガス温度に制御された燃料ガスを燃料電池に供給することができるので、燃料電池の発電状態を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る燃料電池用燃料ガス生成装置の一実施の形態における概略構成を示す図である。
【図２】 前記燃料ガス生成装置における暖機処理のフローチャート（その１）である。
【図３】 前記燃料ガス生成装置における暖機処理のフローチャート（その２）である。
【図４】 前記燃料ガス生成装置において始動用バーナの燃料供給量と空気量を算出するためのマップである。
【図５】 前記燃料ガス生成装置において原燃料と改質空気とＣＯ除去空気の初期供給量を算出するためのマップである。
【図６】 前記燃料ガス生成装置において改質触媒温度をＦ／Ｂ制御する際に原燃料と改質空気の供給量を算出するためのマップである。
【図７】 前記燃料ガス生成装置においてＣＯ除去触媒温度をＦ／Ｂ制御する際にＣＯ除去空気の供給量を算出するためのマップである。
【図８】 運転開始からの時間経過に伴う改質空気供給量および燃料蒸気供給量の変化を示す図である。
【図９】 運転開始からの時間経過に伴う改質反応器での発生熱量の変化を示す図である。
【図１０】 運転開始からの時間経過に伴うＣＯ除去空気供給量の変化を示す図である。
【図１１】 運転開始からの時間経過に伴う改質触媒温度とＣＯ除去触媒温度と壁面温度と燃料ガス組成の変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池用燃料ガス生成装置
１１ 改質器（オートサーマル改質器）
１３ ＣＯ除去器
２１ 燃料電池スタック（燃料電池）
２２ 蒸発器
Ｓ１１２，Ｓ１１６ 改質空気量制御手段、燃料量制御手段
Ｓ１１２，Ｓ１２３ ＣＯ除去空気量制御手段
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化水素系燃料を水素リッチガスに改質するオートサーマル改質器を備えた燃料電池用燃料ガス生成装置に関し、特に、始動性に優れた燃料電池用燃料ガス生成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
メタノールやメタンなどの炭化水素系燃料をオートサーマル改質器を備えた燃料ガス生成装置によって水素リッチな燃料ガスに改質し、この燃料ガスと酸化剤ガス（例えば、空気）を燃料電池に供給し発電を行う燃料電池システムは従来から知られている（特開２０００−１５４００２号公報、特開２０００−５３４０３号公報等）。
【０００３】
前記燃料ガス生成装置は、一般に、メタノール等の原燃料と水とを混合してなる液体原燃料を蒸気化させて燃料蒸気を生成する蒸発器と、蒸発器で生成した燃料蒸気に改質空気を加えて部分酸化させた原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するオートサーマル改質器（以下、改質器と略す）と、改質器で生成された改質ガスの温度を下げる熱交換器と、熱交換器で温度低下させた改質ガスにＣＯ除去空気を加えて改質ガス中の一酸化炭素を除去し燃料ガスを生成するＣＯ除去器と、アノード電極に供給される前記燃料ガスとカソード電極に供給される空気（酸化剤ガス）との電気化学反応により発電する燃料電池、とを備えて構成されている。
【０００４】
この燃料ガス生成装置では、始動後に燃料ガスのガス組成が安定し、且つ、燃料ガス温度が燃料電池に供給可能な温度に安定するまで、システム全体を暖機する必要がある。
従来の暖機方法は、例えば、改質器に始動用バーナを付設したり、改質器にヒータを設けたり、ヒータで加熱した熱媒体（空気等）を熱交換器やＣＯ除去器に流通可能にして、初めに、これら熱源を利用して外部熱を供給することにより熱交換器の冷却水やＣＯ除去器の触媒温調用冷却水を暖機し、改質器内の触媒やＣＯ除去器内の触媒を活性温度以上に暖機し、系内を燃料ガス露点温度以上に暖機するとともに、蒸発器を暖機する。蒸発器の暖機完了後、蒸発器で生成された燃料蒸気と改質空気をどちらも暖機完了後のアイドル運転時の供給量で改質器に供給して改質反応を開始させ、前段である改質器から暖機を行い、徐々に後段へと暖機を進めていく方法を採っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この暖機方法では、後段のＣＯ除去器の触媒が活性温度に達するまでに長い時間がかかり、また、ＣＯ除去器の触媒温調用冷却水や系内ガス流路の暖機に長い時間がかかり、その結果、システム全体の暖機に数十分かかり、さらに燃料ガスの組成が安定するまでに数分を要した。
【０００６】
これでは、早期始動が要求される産業分野、特に、燃料電池自動車に搭載する場合においては、燃料ガスの組成が安定するまでの間も走行可能にするために、大型の蓄電池を搭載しなければならなくなり、システムが大型化するという問題があった。
そこで、この発明は、改質器、ＣＯ除去器、系内ガス流路等の早期暖機が可能で、燃料ガス組成の早期安定化が可能な燃料電池用燃料ガス生成装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、液体原燃料を蒸気化して燃料蒸気を生成する蒸発器（例えば、後述する実施の形態における蒸発器２２）と、前記蒸発器により生成された燃料蒸気に改質用の空気を加えて部分酸化させた原燃料ガスから水素を含んだ改質ガスを生成するオートサーマル改質器（例えば、後述する実施の形態における改質器１１）と、前記オートサーマル改質器への前記改質用の空気の供給量を制御する改質空気量制御手段（例えば、後述する実施の形態におけるステップＳ１１２，Ｓ１１６）と、前記オートサーマル改質器により生成された前記改質ガスにＣＯ除去用の空気を加えることにより一酸化炭素が除去された燃料ガスを生成するＣＯ除去器（例えば、後述する実施の形態におけるＣＯ除去器１３）と、を備えた燃料電池用燃料ガス生成装置（例えば、後述する実施の形態における燃料電池用燃料ガス生成装置１）において、前記改質空気量制御手段は、前記オートサーマル改質器の暖機時における前記改質用の空気の供給量を、暖機完了後のアイドル運転時における改質用の空気の供給量よりも増大するように制御し、前記オートサーマル改質器の改質触媒の温度が前記改質触媒の再生温度以上であって該改質触媒が熱劣化しない温度である第１の所定温度（例えば、後述する実施の形態における閾値Ｔ3）よりも高くなったときに、前記オートサーマル改質器の暖機時に増大した改質用の空気の供給量を減少させるように制御し、その減少制御は、前記改質触媒の温度が前記第１の所定温度より低いアイドル運転時における改質触媒の目標温度となるように、前記改質触媒の温度に応じて減少させることを特徴とする。
【０００８】
このように構成することにより、暖機時に改質器に過剰供給された空気中の酸素が改質器内の触媒により燃焼し、その燃焼熱が改質器および改質ガスを加熱する。また、このようにして加熱された改質ガスが下流に流れることにより、ＣＯ除去器や系内のガス流路を加熱する。さらに、改質触媒の過熱を防止することが可能になる。また、改質触媒の温度を徐々にアイドル運転時の目標温度に収束させることが可能になる。
【０００９】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記蒸発器への前記液体原燃料の供給量を制御する燃料量制御手段（例えば、後述する実施の形態におけるステップＳ１１２，Ｓ１１６）を備え、前記燃料量制御手段は、前記オートサーマル改質器の暖機時における前記液体原燃料の供給量を、暖機完了後のアイドル運転時における液体原燃料供給量よりも増大するように制御し、前記オートサーマル改質器の改質触媒の温度が前記第１の所定温度よりも高くなったときに、前記オートサーマル改質器の暖機時に増大した液体原燃料の供給量を減少させるように制御することを特徴とする。
このように構成することにより、暖機時の改質器における発熱量がさらに増大するとともに、暖機時に改質器から流出する水素、ＣＯ、未反応の炭化水素の量を増大させることができる。
【００１０】
請求項３に記載した発明は、請求項２に記載の発明において、前記改質空気量制御手段による改質用の空気の供給量増大の割合は、前記燃料量制御手段による液体原燃料の供給量増大の割合よりも大きく設定されていることを特徴とする。このように構成することにより、改質器内の触媒において燃焼せしめられる酸素量を確保することができる。
【００１２】
請求項４に記載した発明は、請求項２または請求項３に記載の発明において、前記液体原燃料の供給量の減少制御は、前記改質触媒の温度が前記アイドル運転時における改質触媒の目標温度となるように、前記改質触媒の温度に応じて減少させることを特徴とする。このように構成することにより、改質器の暖機状態を徐々に安定させることが可能になる。
【００１４】
請求項５に記載した発明は、液体原燃料を蒸気化して燃料蒸気を生成する蒸発器（例えば、後述する実施の形態における蒸発器２２）と、前記蒸発器により生成された燃料蒸気に改質用の空気を加えて部分酸化させた原燃料ガスから水素を含んだ改質ガスを生成するオートサーマル改質器（例えば、後述する実施の形態における改質器１１）と、前記オートサーマル改質器により生成された前記改質ガスにＣＯ除去用の空気を加えることにより一酸化炭素が除去された燃料ガスを生成するＣＯ除去器（例えば、後述する実施の形態におけるＣＯ除去器１３）と、前記ＣＯ除去器への前記ＣＯ除去用の空気の供給量を制御するＣＯ除去空気量制御手段（例えば、後述する実施の形態におけるステップＳ１１２，Ｓ１２３）と、を備えた燃料電池用燃料ガス生成装置（例えば、後述する実施の形態における燃料電池用燃料ガス生成装置１）において、前記ＣＯ除去空気量制御手段は、前記ＣＯ除去器の暖機時における前記ＣＯ除去用の空気の供給量を、暖機完了後のアイドル運転時におけるＣＯ除去用の空気の供給量よりも増大するように制御し、前記ＣＯ除去器のＣＯ除去触媒の温度が前記ＣＯ除去触媒の再生温度以上であって該ＣＯ除去触媒が熱劣化しない温度である第３の所定温度（例えば、後述する実施の形態における閾値Ｔ4）よりも高くなったときに、前記ＣＯ除去器の暖機時に増大したＣＯ除去用の空気の供給量を減少させるように制御し、その減少制御は、前記ＣＯ除去触媒の温度が前記第３の所定温度より低いアイドル運転時におけるＣＯ除去触媒の目標温度となるように、前記ＣＯ除去触媒の温度に応じて減少させることを特徴とする。
【００１５】
このように構成することにより、暖機時に改質器から流出する水素、一酸化炭素、および未反応の炭化水素を、過剰供給したＣＯ除去用の空気中の酸素とともに、ＣＯ除去器内の触媒によって十分に燃焼させることができ、この燃焼熱によってＣＯ除去器を加熱することができる。さらに、この燃焼ガスが下流に流れることにより系内のガス流路を加熱することができる。また、ＣＯ除去触媒の過熱を防止することが可能になる。また、ＣＯ除去触媒の温度を徐々にアイドル運転時の目標温度に収束させることが可能になる。
【００１６】
請求項６に記載した発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の発明において、前記オートサーマル改質器およびＣＯ除去器が暖機完了と判定された後に燃料ガスを燃料電池へ供給することを特徴とする。このように構成することにより、所定のガス組成およびガス温度に制御された燃料ガスを燃料電池に供給することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池用燃料ガス生成装置の一実施の形態を図１から図１１の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、燃料電池自動車に搭載された燃料電池用燃料ガス生成装置の態様である。
図１は燃料電池用燃料ガス生成装置（以下、燃料ガス生成装置と略す）１の概略構成図であり、燃料ガス生成装置１は、改質反応器１０、燃料電池スタック（燃料電池）２１、蒸発器２２を主要構成としており、改質反応器１０は、改質器１１、熱交換器１２、ＣＯ除去器１３、始動用バーナ１４を備えている。
【００１８】
燃料電池スタック２１は固体高分子型の燃料電池であり、アノード電極に供給される燃料ガス中の水素と、カソード電極に供給される酸化剤ガスとしての空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
燃料電池スタック２１のアノード電極に供給される燃料ガスは、液体原燃料を蒸発器２２で燃料蒸気にし、更に改質反応器１０によって水素リッチな燃料ガスに改質したものが用いられる。
【００１９】
すなわち、蒸発器２２には、炭化水素系燃料（例えば、メタノール）と水とを所定の割合で混合してなる改質用の液体原燃料と改質用の空気（以下、改質空気という）とが供給されるようになっていて、蒸発器２２内において液体原燃料および改質空気は加熱され、液体原燃料は蒸気化されて燃料蒸気となり、加熱された改質空気と混合した状態で、蒸発器２２から燃料供給管３１を介して改質反応器１０の改質器１１に供給される。
【００２０】
改質反応器１０の改質器１１は、内部に改質触媒としてパラジウム（Ｐｄ）系の貴金属触媒を備えたオートサーマル式の改質器であり、蒸発器２２で生成した燃料蒸気を改質空気によって部分酸化させた原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する。改質器１１で生成された改質ガスは熱交換器１２によって冷却された後、ＣＯ除去器１３に供給される。ＣＯ除去器１３は内部に低温活性可能な白金（Ｐｔ）系の触媒を備えるとともに、ＣＯ除去用の空気（以下、ＣＯ除去空気という）が供給可能になっていて、ＣＯ除去器１３内において改質ガス中のＣＯは酸化されてＣＯ2になり、すなわち、改質ガス中のＣＯが除去されて燃料ガスが生成される。また、ＣＯ除去器１３には、燃料ガスを冷却するための冷却水が流通可能にされている。始動用バーナ１４には液体原燃料と空気を供給することができるようになっていて、暖機時に限ってこのバーナ１４に原燃料と空気が供給され着火されるようになっている。
【００２１】
改質反応器１０により改質された燃料ガスは、燃料ガス供給管３２，３３および三方切替弁３４を介して燃料電池スタック２１のアノード電極に供給される。燃料電池スタック２１のカソード電極には、図示しないスーパーチャージャから空気供給管３５を介して酸化剤ガスとして空気が供給可能になっている。
【００２２】
燃料電池スタック２１のアノード電極に供給された燃料ガスは発電に供された後、燃料オフガスとして燃料オフガス管３６を介して蒸発器２２に供給され、また、カソード電極に供給された空気は発電に供された後、空気オフガスとして空気オフガス管３７を介して蒸発器２２に供給される。また、三方切替弁３４は燃料電池スタック２１を迂回するバイパス管３８によって燃料オフガス管３６に接続されており、三方切替弁３４は、燃料ガス供給管３２を、燃料ガス供給管３３とバイパス管３８のいずれか一方と選択的に接続可能にする。三方切替弁３４が燃料ガス供給管３２と燃料ガス供給管３３とを接続したときに改質反応器１０から流出した燃料ガスは燃料電池スタック２１に供給され、三方切替弁３４が燃料ガス供給管３２とバイパス管３８とを接続したときに改質反応器１０から流出した燃料ガスは燃料電池スタック２１を迂回しバイパス管３８を流れることになる。
【００２３】
燃料電池スタック２１から排出された燃料オフガスと空気オフガスは蒸発器２２に内蔵された触媒燃焼器に導かれ、この触媒燃焼器で燃焼させられ、その燃焼熱で、蒸発器２２に供給される改質用液体原燃料と改質空気を加熱する。なお、蒸発器２２において加熱源とされた燃料オフガスと空気オフガスの燃焼ガスは、排気管３９を介して大気に排気される。
【００２４】
次に、この燃料ガス生成装置１の作用について説明する。この燃料ガス生成装置１では、早期暖機を図るため、暖機時における液体原燃料と改質空気とＣＯ除去空気の供給量を、暖機完了後の各供給量よりも増量している。なお、原燃料量は改質ガス量および燃料ガス量と比例関係にある。
ただし、暖機は例えば起動時に系内温度が低いときに行われるものであり、再起動時など系内が十分に暖まっているときには行われない。
燃料ガス生成装置１の暖機時（すなわち、改質器１１の暖機時）に改質空気の供給量を増大して過剰の改質空気を改質器１１に供給すると、過剰供給された空気中の酸素が改質用触媒によって燃焼し、その燃焼熱が改質器１１の筐体や改質触媒や改質ガスを加熱する。したがって、改質器１１の暖機が促進される。
【００２５】
また、燃料ガス生成装置１の暖機時（すなわち、改質器１１の暖機時）に液体原燃料の供給量を増大して過剰の燃料蒸気を改質器１１に供給すると、改質器１１において燃焼する燃料蒸気も増大して改質器１１における発熱量が増大するので、これによっても改質器１１の暖機が促進される。
しかも、このようにして迅速に加熱された改質ガスが下流に流れることにより、ＣＯ除去器やガス流路も暖められるので、これらの暖機も促進される。
【００２６】
また、燃料ガス生成装置１の暖機時には、改質器１１からは水素や一酸化炭素だけでなく未反応の炭化水素も多く流出するが、燃料ガス生成装置１の暖機時（すなわち、ＣＯ除去器１３の暖機時）にＣＯ除去空気の供給量を増大させると、前記水素や一酸化炭素や未反応の炭化水素をＣＯ除去触媒において十分に燃焼させることができ、その燃焼熱がＣＯ除去器１３の筐体やＣＯ除去触媒や燃料ガスを加熱するので、ＣＯ除去器１３の暖機が促進される。さらに、迅速に加熱された燃料ガスが下流に流れることにより、下流のガス流路が加熱されるので、系内ガス流路の暖機も促進されることになる。
その結果、燃料ガス生成装置１全体の早期暖機が可能になり、改質反応器１０により生成される燃料ガスの組成の早期安定化が達成されて、燃料電池スタック２１を早期に発電可能な状態にすることができる。
【００２７】
次に、この実施の形態における燃料ガス生成装置１の暖機時の暖機処理手順を図２および図３のフローチャートを参照して説明する。なお、このフローチャートは処理手順を示したものであり、電気信号の流れを示したものではない。
まず、燃料電池始動スイッチがＯＮされると（ステップＳ１０１）、ステップＳ１０２に進み、三方切替弁３４を燃料ガス供給管３２とバイパス管３８とを接続するように切り替える。
【００２８】
次に、ステップＳ１０３に進み、蒸発器２２の暖機を開始するとともに、改質器１１の改質触媒温度（検出温度）を検出する。さらに、ステップＳ１０４に進み、改質触媒温度が閾値Ｔ1よりも低いか否か判定する。ステップＳ１０４において肯定判定した場合、すなわち、改質触媒温度が閾値Ｔ1よりも低い場合には、改質触媒に対して予備暖機が必要であるのでステップＳ１０５に進み、ステップＳ１０４において否定判定した場合には改質触媒に対する予備暖機が不要であるのでステップＳ１１０へ進む。
【００２９】
ステップＳ１０５では、始動用バーナ１４に供給すべき液体原燃料と空気の供給量を算出する。すなわち、ステップＳ１０３で検出した改質触媒温度に基づき、図４（Ａ）に示すマップＩを参照して必要な燃料量を算出し、この燃料量の燃料を燃焼させるのに必要な空気量を図４（Ｂ）に示すマップIIを参照して算出し、さらに、この空気量を図４（Ｃ）に示すマップIIIを参照して気圧補正する。空気量を気圧補正するのは、実際に必要なのは空気量ではなく酸素量だからである。
【００３０】
次に、ステップＳ１０６に進み、ステップＳ１０５で算出した燃料量の燃料と空気量の空気を始動用バーナ１４に供給し、着火して、始動用バーナ１４を起動する。これにより、改質器１１の改質触媒に対する予備暖機が開始される。
【００３１】
次に、ステップＳ１０７に進み、改質器１１の改質触媒温度を検出し、ステップＳ１０８において改質触媒温度が閾値Ｔ2以上か否か判定する。閾値Ｔ2は閾値Ｔ1よりも高い温度に設定されており、ステップＳ１０８において否定判定した場合には、改質触媒に対する予備暖機が未だ不十分であるので、始動用バーナ１４による予備暖機を続行する。
【００３２】
ステップＳ１０８において肯定判定した場合には、ステップＳ１０９に進み、始動用バーナ１４を停止して予備暖機を終了し、さらにステップＳ１１０に進んで蒸発器２２の暖機が完了したか否か判定する。ステップＳ１１０で否定判定した場合には、蒸発器２２に対する暖機を続行する。
【００３３】
ステップＳ１１０で肯定判定した場合には、ステップＳ１１１に進んで、改質器１１の改質触媒温度およびＣＯ除去器１３のＣＯ除去触媒温度を検出し、さらにステップＳ１１２に進んで、蒸発器２２に供給する液体原燃料および改質空気の初期供給量と、ＣＯ除去器１３に供給するＣＯ除去空気の初期供給量を算出する。
【００３４】
詳述すると、まず、ステップＳ１１１で検出した改質触媒温度に基づき、図５（Ａ）に示すマップIVを参照して必要な原燃料の初期供給量を算出する。マップIVにおいて実線はアイドル運転時における原燃料量を算出する際に使用するものであり、破線は初期供給量を算出する際に使用するものであり、改質触媒温度が同じ場合で比較すると初期供給量の方がアイドル運転時の供給量よりも多くなるように設定されている。ここで、アイドル運転とは、燃料ガス生成装置１の温度を維持するための最小限の運転状態をいう。
【００３５】
次に、改質触媒温度に基づき図５（Ｂ）に示すマップＶを参照して改質空気量を算出する。マップＶにおいて実線はアイドル運転時における改質空気量を算出する際に使用するものであり、破線は暖機開始時における改質空気量を算出する際に使用するものであり、改質触媒温度が同じ場合で比較すると暖機開始時の供給量の方がアイドル運転時の供給量よりも多くなるように設定されている。
【００３６】
次に、改質触媒温度に応じた改質空気増量係数を図５（Ｃ）に示すマップVIを参照して算出し、マップＶで算出した改質空気量にマップVIで算出した増量係数を乗じて改質空気の初期供給量を算出する。さらに、この改質空気の初期供給量を図５（Ｆ）に示すマップIＸを参照して気圧補正する。
なお、アイドル運転時の改質空気供給量に対する暖機開始時の改質空気初期供給量の増大割合は、５倍未満に設定されている。
また、アイドル運転時の改質空気供給量に対する暖機開始時の改質空気初期供給量の増大割合は、アイドル運転時の原燃料供給量に対する暖機開始時の原燃料初期供給量の増大割合よりも大きく設定されている。例えば、原燃料初期供給量はアイドル運転時の原燃料供給量の２倍とし、改質空気初期供給量はアイドル運転時の改質空気供給量の３倍とする。
【００３７】
つぎに、初期改質ガス量に対応するＣＯ除去空気量を図５（Ｄ）に示すマップVIIを参照して算出する。マップVIIにおいて実線はアイドル運転時におけるＣＯ除去空気量を算出する際に使用するものであり、破線は暖機開始時におけるＣＯ除去空気量を算出する際に使用するものであり、改質ガス量が同じ場合で比較すると暖機開始時の供給量の方がアイドル運転時の供給量よりも多くなるように設定されている。
【００３８】
次に、ステップＳ１１１で検出したＣＯ除去触媒温度に応じたＣＯ除去空気増量係数を図５（Ｅ）に示すマップVIIIを参照して算出し、マップVIIで算出したＣＯ除去空気量にマップVIIIで算出した増量係数を乗じてＣＯ除去空気の初期供給量を算出する。さらに、このＣＯ除去空気の初期供給量を図５（Ｆ）に示すマップIＸを参照して気圧補正する。
改質空気およびＣＯ除去空気の初期供給量を気圧補正するのは、実際に必要なのは空気量ではなく酸素量だからである。
【００３９】
次に、ステップＳ１１３に進み、ステップＳ１１２で算出した初期供給量の原燃料と改質空気を蒸発器２２に供給するとともに、ステップＳ１１２で算出した初期供給量のＣＯ除去空気をＣＯ除去器１３に供給する。
このようにして、改質空気の初期供給量をアイドル運転時の供給量よりも多くすることにより、過剰供給された改質空気中の酸素が改質触媒により燃焼し、その燃焼熱が改質器１１の筐体、改質触媒、改質ガスを加熱する。その結果、改質器１１を迅速に暖機することができる。また、このようにして加熱された改質ガスが下流に流れることにより、熱交換器１２の筐体、冷却水、および、ＣＯ除去器１３の筐体、ＣＯ除去触媒、系内のガス流路を加熱する。
【００４０】
また、原燃料の初期供給量をアイドル運転時の供給量よりも多くすることにより、改質器１１における発熱量がさらに増大するので、改質器１１の暖機がさらに早くなり、改質器１１よりも下流に設置された各機器の暖機をさらに早めることとなる。また、改質器１１から流出する水素、ＣＯ、未反応の炭化水素の量を増大させることができる。
【００４１】
なお、アイドル運転時の改質空気供給量に対する暖機開始時の改質空気初期供給量の増大割合を、アイドル運転時の原燃料供給量に対する暖機開始時の原燃料初期供給量の増大割合よりも大きく設定しているので、原燃料の供給量増大による早期暖機と改質空気の供給量増大による早期暖機を共に実効あるものにすることができる。
【００４２】
また、ＣＯ除去空気の初期供給量をアイドル運転時の供給量よりも多くすることにより、改質器１１から流出する水素、一酸化炭素、および未反応の炭化水素を、過剰供給したＣＯ除去空気中の酸素とともに、ＣＯ除去触媒によって十分に燃焼させることができ、この燃焼熱がＣＯ除去器１３の筐体、ＣＯ除去触媒、ＣＯ除去触媒温調用冷却水を加熱する。その結果、ＣＯ除去器１３を迅速に暖機することができる。
さらに、この燃焼ガスが下流に流れることにより系内のガス流路を加熱する。したがって、系内のガス流路の暖機も早くなる。
【００４３】
次に、ステップＳ１１３からステップＳ１１４およびステップＳ１２１に進む。改質器１１の処理ラインであるステップＳ１１４に進むと、ステップＳ１１４において改質器１１の改質触媒温度を検出し、さらに、ステップＳ１１５に進んで改質触媒温度が閾値Ｔ3（第１の設定温度）よりも大きいか否か判定する。ここで閾値Ｔ3は改質触媒の再生温度以上に設定しておく。ステップＳ１１５において否定判定した場合、すなわち、改質触媒温度が閾値Ｔ3よりも低い場合には、蒸発器２２への原燃料および改質空気の供給量を前記初期供給量のままにして蒸発器２２および改質器１１の運転を続行する。なお、再生温度とは触媒の劣化を一時的に抑えたり、または多少触媒の能力を上げる温度であり、触媒によって異なる。
【００４４】
一方、ステップＳ１１５において肯定判定した場合、すなわち、改質触媒温度が閾値Ｔ3よりも高い場合には、ステップＳ１１６に進み、改質器触媒の目標温度をアイドル運転時における目標温度（第２の設定温度）に設定して、改質触媒温度のフィードバック制御（以下、Ｆ／Ｂ制御と略す）を開始する。なお、アイドル運転時の改質触媒の目標温度は閾値Ｔ3よりも低い。このように、改質触媒温度を一度、再生温度以上に上昇させることにより、改質触媒を再生することができる。
【００４５】
改質触媒温度のＦ／Ｂ制御につおいて詳述すると、改質触媒温度に基づき図６（Ａ）に示すマップＸを参照して改質空気量を算出する。マップＸにおいて実線はこの改質触媒温度のＦ／Ｂ制御時における改質空気量を算出する際に使用するものであり、破線は前述した暖機開始時における改質空気量を算出する際に使用するものであり、改質触媒温度が同じ場合で比較すると本Ｆ／Ｂ制御時の供給量の方が暖機開始時の供給量よりも少なくなるように設定されている。すなわち、本Ｆ／Ｂ制御では改質空気量を減少する方向に制御することになる。
【００４６】
次に、マップＸで算出した改質空気量を、図６（Ｂ）に示すマップXIを参照して気圧補正し、さらに、気圧補正した改質空気量に基づき、図６（Ｃ）に示すマップXIIを参照して、原燃料量を算出する。マップXIIにおいて実線はこの改質触媒温度のＦ／Ｂ制御時における原燃料量を算出する際に使用するものであり、破線は前述した暖機開始時における原燃料量を算出する際に使用するものであり、改質空気量が同じ場合で比較すると暖機開始時の供給量の方が本Ｆ／Ｂ制御時の供給量よりも多くなるように設定されている。すなわち、本Ｆ／Ｂ制御では原燃料量を減少する方向に制御することになる。
【００４７】
そして、このようにして算出した供給量で蒸発器２２への原燃料と改質空気の供給を実行する。これにより、改質触媒温度は徐々に低下してアイドル運転時の前記目標温度に収束していくことになり、その結果、改質触媒が無用に高温に晒されて熱劣化するのを防止することができる。
【００４８】
次に、ステップＳ１１７に進み、改質器１１の筐体温度、改質触媒温度、改質ガス温度、改質ガス流量を検出する。さらに、ステップＳ１１８に進んで、ステップＳ１１７で検出した各検出値に基づき、改質器１１の暖機が完了したか否か判定する。すなわち、ステップＳ１１７で検出した改質器１１の筐体温度、改質触媒温度、改質ガス温度、改質ガス流量が、各検出項目について予め設定されているアイドル運転時の設定範囲（以下、アイドル設定範囲という）に収まっているか否か判定する。これら総ての検出値がアイドル設定範囲に収まっていれば改質器１１は暖機完了と判定され、検出値のうちのどれか一つでも設定範囲から外れている場合には暖機未了と判定される。このように、複数の検出値に基づいて改質器１１の暖機完了を判定しているので、暖機完了判定が正確に行われることになる。
【００４９】
ステップＳ１１８で否定判定した場合にはステップＳ１１６に戻り、改質触媒温度のＦ／Ｂ制御を継続する。ステップＳ１１８で肯定判定した場合にはステップＳ１１９に進み、蒸発器２２および改質器１１をアイドル運転条件の下で運転する。そして、ステップＳ１２０に進み、ＣＯ除去器１３が暖機完了しているか否か判定する。ステップＳ１２０で否定判定した場合には、ステップＳ１１９に戻って蒸発器２２および改質器１１のアイドル運転条件での運転を継続する。
【００５０】
一方、ステップＳ１１３からＣＯ除去器１３の処理ラインであるステップＳ１２１に進むと、ステップＳ１２１においてＣＯ除去器１３のＣＯ除去触媒温度を検出し、さらに、ステップＳ１２２に進んでＣＯ除去触媒温度が閾値Ｔ4（第３の所定温度）よりも大きいか否か判定する。ここで閾値Ｔ4はＣＯ除去触媒の再生温度以上に設定しておくことが好ましい。ステップＳ１２２において否定判定した場合、すなわち、ＣＯ除去触媒温度が閾値Ｔ4よりも低い場合には、ＣＯ除去器１３へのＣＯ除去空気の供給量を前記初期供給量のままにしてＣＯ除去器１３の運転を続行する。このように、ＣＯ除去触媒温度を一度、再生温度以上に上昇させることにより、ＣＯ除去触媒を再生することができるので、触媒の寿命が延びる。
【００５１】
一方、ステップＳ１２２において肯定判定した場合、すなわち、ＣＯ除去触媒温度が閾値Ｔ4よりも高い場合には、ステップＳ１２３に進み、ＣＯ除去触媒の目標温度をアイドル運転時における目標温度（第４の所定温度）に設定して、ＣＯ除去触媒温度のＦ／Ｂ制御を開始する。なお、アイドル運転時のＣＯ除去触媒の目標温度は閾値Ｔ4よりも低い。
【００５２】
ＣＯ除去触媒温度のＦ／Ｂ制御につおいて詳述すると、まず、改質ガス量に基づき図７（Ａ）に示すマップXIIIを参照してＣＯ除去空気量を算出する。なお、マップXIIIは図５（Ｄ）のマップVIIと実質的に同じマップである。マップXIIIにおいて実線はこのＣＯ除去触媒温度のＦ／Ｂ制御時におけるＣＯ除去空気量を算出する際に使用するものであり、破線は前述した暖機開始時におけるＣＯ除去空気量を算出する際に使用するものであり、改質ガス量が同じ場合で比較すると本Ｆ／Ｂ制御時の供給量の方が暖機開始時の供給量よりも少なくなるように設定されている。すなわち、本Ｆ／Ｂ制御ではＣＯ除去空気量を減少する方向に制御することになる。
【００５３】
次に、ＣＯ除去触媒温度に基づき図７（Ｂ）に示すマップXIVを参照してＣＯ除去空気増量係数を算出し、マップXIIIで算出したＣＯ除去空気量にマップXIVで算出した増量係数を乗じてＣＯ除去空気量を算出する。さらに、このＣＯ除去空気量を図７（Ｃ）に示すマップXVを参照して気圧補正する。
そして、このようにして算出した供給量でＣＯ除去器１３へのＣＯ除去空気の供給を実行する。これにより、ＣＯ除去触媒温度は徐々に低下してアイドル運転時の前記目標温度に収束していくことになり、その結果、ＣＯ除去触媒が無用に高温に晒されて熱劣化するのを防止することができる。また、同時に、ＣＯ除去器１３に供給されるＣＯ除去空気量も減少していく。
【００５４】
次に、ステップＳ１２４に進み、ＣＯ除去器１３の筐体温度、ＣＯ除去触媒温度、ＣＯ除去器１３から流出する燃料ガス温度、燃料ガス流量、三方切替弁３４の筐体温度を検出する。さらに、ステップＳ１２５に進んで、ステップＳ１２４で検出した各検出値に基づき、ＣＯ除去器１３の暖機が完了したか否か判定する。すなわち、ステップＳ１２４で検出したＣＯ除去器１３の筐体温度、ＣＯ除去触媒温度、燃料ガス温度、燃料ガス流量、ＣＯ除去空気量、三方切替弁３４の筐体温度が、各検出項目について予め設定されているアイドル運転時の設定範囲（以下、アイドル設定範囲という）に収まっているか否か判定する。これら総ての検出値がアイドル設定範囲に収まっていればＣＯ除去器１３は暖機完了と判定され、検出値のうちのどれか一つでも設定範囲から外れている場合には暖機未了と判定される。このように、複数の検出値に基づいてＣＯ除去器１３の暖機完了を判定しているので、暖機完了判定が正確に行われることになる。
【００５５】
ステップＳ１２５で否定判定した場合にはステップＳ１２３に戻り、ＣＯ除去触媒温度のＦ／Ｂ制御を継続する。ステップＳ１２５で肯定判定した場合にはステップＳ１２６に進み、ＣＯ除去器１３をアイドル運転条件の下で運転する。そして、ステップＳ１２７に進み、改質器１１が暖機完了しているか否か判定する。ステップＳ１２７で否定判定した場合には、ステップＳ１２６に戻ってＣＯ除去器１３のアイドル運転条件での運転を継続する。
【００５６】
そして、改質器１１およびＣＯ除去器１３が両方とも暖機完了した場合に、ステップＳ１２０およびステップＳ１２７からステップＳ１２８に進み、ＣＯ除去器１３から流出する燃料ガスのＣＯ濃度およびＴＨＣ濃度を検出し、これら検出値に基づいて燃料ガス組成が安定したか否か判定する。すなわち、燃料ガスのＣＯ濃度およびＴＨＣ濃度が予め設定した上限値よりも大きい場合には燃料ガス組成は不安定と判定され、前記上限値よりも小さい場合には燃料ガス組成が安定したと判定される。
なお、改質器１１とＣＯ除去器１３の両方が暖機完了と判定されてからタイマ等で所定時間待機することで、ガス組成が安定したと判定することも可能である。このようにすると、システム構成の簡易化、コストダウンを図ることができる。
【００５７】
ステップＳ１２９において否定判定した場合には、ステップＳ１２８に戻って従前の運転状態を継続し、ステップＳ１２９において肯定判定した場合には、ステップＳ１３０に進み、三方切替弁３４を燃料ガス供給管３３に接続して、燃料ガスを燃料電池スタック２１に流れるようにし、発電可能にする。
【００５８】
図８は、燃料電池始動スイッチをＯＮしてからの時間経過に伴う改質空気供給量および燃料蒸気供給量の変化を、本発明の場合と従来の場合で比較した図である。従来は蒸発器の暖機完了後すぐに、暖機完了後アイドル運転時の改質空気量および燃料蒸気量を供給しているが、本発明では蒸発器の暖機完了後は従来よりも過剰の燃料蒸気および改質空気を供給しており、改質器１１の暖機の進行に伴って徐々に減量していき、最終的に暖機完了後アイドル運転時の供給量に収束していく。
【００５９】
図９は、燃料電池始動スイッチをＯＮしてからの時間経過に伴う改質反応器１０における発生熱量の変化を、本発明の場合と従来の場合で比較した図である。従来は蒸発器の暖機完了後から燃料ガス生成装置全体の暖機完了まで、改質反応器における発生熱量は一定であるが、本発明では蒸発器の暖機完了後における改質反応器１０での発生熱量が従来よりも非常に大きくなり、改質反応器１０の暖機の進行に伴って徐々に減少していき、最終的に暖機完了後アイドル運転時の発生熱量に収束していく。
【００６０】
図１０は、燃料電池始動スイッチをＯＮしてからの時間経過に伴うＣＯ除去空気供給量と、未反応ＨＣとＣＯを燃焼させるための空気当量の変化を、本発明の場合と従来の場合で比較した図である。従来は蒸発器の暖機完了後すぐに、暖機完了後アイドル運転時のＣＯ除去空気量を供給しているが、本発明では蒸発器の暖機完了後は従来よりも過剰のＣＯ除去空気を供給しており、ＣＯ除去器１３の暖機の進行に伴って徐々に減量していき、最終的に暖機完了後アイドル運転時の供給量に収束していく。未反応ＨＣとＣＯを燃焼させるための空気当量についても同様な傾向になっている。
【００６１】
図１１（Ａ）は燃料電池始動スイッチをＯＮしてからの時間経過に伴う改質触媒温度の変化を本発明の場合と従来の場合で比較した図であり、図１１（Ｂ）は燃料電池始動スイッチをＯＮしてからの時間経過に伴うＣＯ除去触媒温度の変化を本発明の場合と従来の場合で比較した図であり、図１１（Ｃ）は燃料電池始動スイッチをＯＮしてからの時間経過に伴う三方切替弁３４の壁面温度の変化を本発明の場合と従来の場合で比較した図であり、図１１（Ｄ）は燃料電池始動スイッチをＯＮしてからの時間経過に伴う燃料ガスのＣＯ濃度およびＴＨＣ濃度の変化を本発明の場合と従来の場合で比較した図である。
この図１１からも、改質器１１の暖機、ＣＯ除去器１３の暖機、系内のガス流路の暖機、燃焼ガス組成の安定が、従来よりも早くなることが明らかである。
【００６２】
なお、この実施の形態の燃料ガス生成装置１では、空気量を算出する際に気圧補正を行っているので、低地から高地までいかなる場所で起動する場合にも早期暖機を実行することができる。
【００６３】
このように、この燃料ガス生成装置１においては、改質器１１、ＣＯ除去器１３、系内ガス流路の総ての暖機が従来よりも迅速に行うことができ、また、燃料ガス組成も従来よりも早く安定させることができる。したがって、燃料電池スタック２１を運転開始してから発電可能になるまでにかかる時間を従来よりも短縮することができる。
【００６４】
なお、上述した実施の形態では、ＣＯ除去空気量の減少制御をＦ／Ｂ制御で行っているが、このような制御方法に限定されるものではない。例えば、ＣＯ除去空気量を所定時間に一定勾配で減少するように制御するようにしてもよい。この場合には、ＣＯ除去空気がアイドル運転時の供給量に達したときに減少制御を止めるようにする。このようにすることにより、制御を簡易化することができるとともに、ＣＯ除去に最も重要なＣＯ除去空気量で減少制御を停止することができるので、より正確な制御が可能になる。
【００６５】
前述の実施の形態においては、アイドル運転を燃料ガス生成装置の温度を維持するための最小限の運転状態としたが、アイドル運転は、燃料電池を運転するための最小限の運転状態をいう場合もあり、改質器の温度を維持するための最小限の運転状態をいう場合もあり、ＣＯ除去器の温度を維持するための最小限の運転状態をいう場合もある。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１に記載した発明によれば、暖機時に改質器に過剰供給された空気中の酸素が改質器内の触媒により燃焼し、改質器および改質ガスを加熱するので、改質器の早期暖機が可能になる。さらに、加熱された改質ガスが下流に流れることによりＣＯ除去器や系内のガス流路を加熱するので、ＣＯ除去器、系内ガス流路の早期暖機が可能となる。その結果、燃料ガス組成の早期安定化を図ることが可能となって、ひいては燃料電池の早期発電が可能になるという優れた効果が奏される。また、改質触媒の過熱を防止することが可能になるので、過熱による改質触媒の熱劣化を防止することができる。また、改質触媒の温度を徐々にアイドル運転時の目標温度に収束させることが可能になる。
【００６７】
請求項２に記載した発明によれば、暖機時に改質器における発熱量がさらに増大するので改質器の暖機が早まるとともに、暖機時に改質器から流出する水素、ＣＯ、未反応の炭化水素の量が増大するので、ＣＯ除去器における発熱量も増大し、ＣＯ除去器の暖機も早まるという効果がある。
【００６８】
請求項３に記載した発明によれば、改質器内の触媒において燃焼せしめられる酸素量を確保することができるので、液体原燃料の供給量増大による早期暖機と改質用の空気の供給量増大による早期暖機を共に実効あるものとすることができる。
【００６９】
請求項４に記載した発明によれば、改質器の暖機状態を徐々に安定させることが可能になるので、改質器を確実に暖機完了に導くことができ、改質触媒の温度を徐々にアイドル運転時の目標温度に収束させることが可能になる。
【００７０】
請求項５に記載した発明によれば、暖機時に改質器から流出する水素、一酸化炭素、および未反応の炭化水素を、過剰供給したＣＯ除去用の空気中の酸素とともに、ＣＯ除去器内の触媒によって十分に燃焼させることができ、この燃焼熱によってＣＯ除去器を加熱することができ、さらに、この燃焼ガスが下流に流れることにより系内のガス流路を加熱することができるので、ＣＯ除去器、系内ガス流路の早期暖機が可能となる。その結果、燃料ガス組成の早期安定化を図ることが可能となって、ひいては燃料電池の早期発電が可能になるという優れた効果が奏される。また、ＣＯ除去触媒の過熱を防止することが可能になるので、過熱によるＣＯ除去触媒の熱劣化を防止することができる。また、ＣＯ除去触媒の温度を徐々にアイドル運転時の目標温度に収束させることが可能になる。
【００７１】
請求項６に記載した発明によれば、所定のガス組成およびガス温度に制御された燃料ガスを燃料電池に供給することができるので、燃料電池の発電状態を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る燃料電池用燃料ガス生成装置の一実施の形態における概略構成を示す図である。
【図２】 前記燃料ガス生成装置における暖機処理のフローチャート（その１）である。
【図３】 前記燃料ガス生成装置における暖機処理のフローチャート（その２）である。
【図４】 前記燃料ガス生成装置において始動用バーナの燃料供給量と空気量を算出するためのマップである。
【図５】 前記燃料ガス生成装置において原燃料と改質空気とＣＯ除去空気の初期供給量を算出するためのマップである。
【図６】 前記燃料ガス生成装置において改質触媒温度をＦ／Ｂ制御する際に原燃料と改質空気の供給量を算出するためのマップである。
【図７】 前記燃料ガス生成装置においてＣＯ除去触媒温度をＦ／Ｂ制御する際にＣＯ除去空気の供給量を算出するためのマップである。
【図８】 運転開始からの時間経過に伴う改質空気供給量および燃料蒸気供給量の変化を示す図である。
【図９】 運転開始からの時間経過に伴う改質反応器での発生熱量の変化を示す図である。
【図１０】 運転開始からの時間経過に伴うＣＯ除去空気供給量の変化を示す図である。
【図１１】 運転開始からの時間経過に伴う改質触媒温度とＣＯ除去触媒温度と壁面温度と燃料ガス組成の変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池用燃料ガス生成装置
１１ 改質器（オートサーマル改質器）
１３ ＣＯ除去器
２１ 燃料電池スタック（燃料電池）
２２ 蒸発器
Ｓ１１２，Ｓ１１６ 改質空気量制御手段、燃料量制御手段
Ｓ１１２，Ｓ１２３ ＣＯ除去空気量制御手段
Claims (6)
- 液体原燃料を蒸気化して燃料蒸気を生成する蒸発器と、
前記蒸発器により生成された燃料蒸気に改質用の空気を加えて部分酸化させた原燃料ガスから水素を含んだ改質ガスを生成するオートサーマル改質器と、
前記オートサーマル改質器への前記改質用の空気の供給量を制御する改質空気量制御手段と、
前記オートサーマル改質器により生成された前記改質ガスにＣＯ除去用の空気を加えることにより一酸化炭素が除去された燃料ガスを生成するＣＯ除去器と、
を備えた燃料電池用燃料ガス生成装置において、
前記改質空気量制御手段は、前記オートサーマル改質器の暖機時における前記改質用の空気の供給量を、暖機完了後のアイドル運転時における改質用の空気の供給量よりも増大するように制御し、前記オートサーマル改質器の改質触媒の温度が前記改質触媒の再生温度以上であって該改質触媒が熱劣化しない温度である第１の所定温度よりも高くなったときに、前記オートサーマル改質器の暖機時に増大した改質用の空気の供給量を減少させるように制御し、その減少制御は、前記改質触媒の温度が前記第１の所定温度より低いアイドル運転時における改質触媒の目標温度となるように、前記改質触媒の温度に応じて減少させることを特徴とする燃料電池用燃料ガス生成装置。 - 前記蒸発器への前記液体原燃料の供給量を制御する燃料量制御手段を備え、
前記燃料量制御手段は、前記オートサーマル改質器の暖機時における前記液体原燃料の供給量を、暖機完了後のアイドル運転時における液体原燃料供給量よりも増大するように制御し、前記オートサーマル改質器の改質触媒の温度が前記第１の所定温度よりも高くなったときに、前記オートサーマル改質器の暖機時に増大した液体原燃料の供給量を減少させるように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用燃料ガス生成装置。 - 前記改質空気量制御手段による改質用の空気の供給量増大の割合は、前記燃料量制御手段による液体原燃料の供給量増大の割合よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用燃料ガス生成装置。
- 前記液体原燃料の供給量の減少制御は、前記改質触媒の温度が前記アイドル運転時における改質触媒の目標温度となるように、前記改質触媒の温度に応じて減少させることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池用燃料ガス生成装置。
- 液体原燃料を蒸気化して燃料蒸気を生成する蒸発器と、
前記蒸発器により生成された燃料蒸気に改質用の空気を加えて部分酸化させた原燃料ガスから水素を含んだ改質ガスを生成するオートサーマル改質器と、
前記オートサーマル改質器により生成された前記改質ガスにＣＯ除去用の空気を加えることにより一酸化炭素が除去された燃料ガスを生成するＣＯ除去器と、
前記ＣＯ除去器への前記ＣＯ除去用の空気の供給量を制御するＣＯ除去空気量制御手段と、
を備えた燃料電池用燃料ガス生成装置において、
前記ＣＯ除去空気量制御手段は、前記ＣＯ除去器の暖機時における前記ＣＯ除去用の空気の供給量を、暖機完了後のアイドル運転時におけるＣＯ除去用の空気の供給量よりも増大するように制御し、前記ＣＯ除去器のＣＯ除去触媒の温度が前記ＣＯ除去触媒の再生温度以上であって該ＣＯ除去触媒が熱劣化しない温度である第３の所定温度よりも高くなったときに、前記ＣＯ除去器の暖機時に増大したＣＯ除去用の空気の供給量を減少させるように制御し、その減少制御は、前記ＣＯ除去触媒の温度が前記第３の所定温度より低いアイドル運転時におけるＣＯ除去触媒の目標温度となるように、前記ＣＯ除去触媒の温度に応じて減少させることを特徴とする燃料電池用燃料ガス生成装置。 - 前記オートサーマル改質器およびＣＯ除去器が暖機完了と判定された後に燃料ガスを燃料電池へ供給することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池用燃料ガス生成装置。
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