(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を気化させる蒸発器と、前記蒸発器を加熱する触媒燃焼器と、前記蒸発器からの原料蒸気と空気とを反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質器と、改質器の後流に設けられるＣＯ除去器と、起動時に前記改質器に高温の原料蒸気を供給する起動用燃焼器とを備えた燃料電池の改質装置において、
前記触媒燃焼器を熱源として空気を加熱する熱交換器を設けると共に、
起動時に前記熱交換器に空気を導入して高温化した空気を蒸発器下流側の蒸気配管および改質器に供給する空気ブロアと、該空気ブロアを駆動する二次電池とを備え、前記高温化した空気により蒸気配管および改質器を昇温させた後に、蒸発器に原料を供給する起動制御手段を設けたことを特徴とする燃料電池の改質装置。
【請求項２】
前記起動制御手段は、起動燃焼器および改質器に供給される空気ブロアからの空気を熱交換器に導入する第１の空気導入通路と、ＣＯ除去器と燃料電池スタックとを連通する改質ガス通路を触媒燃焼器に連通する第２の空気導入通路と、前記各空気導入通路を開閉するバルブとを備え、起動時に前記バルブを開いて空気ブロアからの空気を熱交換器、改質器、触媒燃焼器に供給するように構成した請求項１に記載の燃料電池の改質装置。
【請求項３】
前記起動制御手段は、ＣＯ除去器に熱交換器からの空気を導入する第３の空気導入通路と、起動時にこの空気導入通路を開く弁手段とを備える請求項２に記載の燃料電池の改質装置。
【請求項４】
前記熱交換器は、前記蒸発器を兼ねる構成である請求項１から請求項３の何れかに記載の燃料電池の改質装置。
【請求項５】
前記蒸気配管に、蒸発器からの排ガスが導入される外側通路部を有する二重管構造である請求項１に記載の燃料電池の改質装置。
【請求項６】
前記起動制御手段は、蒸気配管の温度を検出する配管温度検出手段と熱交換器からの排ガス温度を検出するガス温度検出手段とを備え、前記配管温度およびガス温度がそれぞれの規定値を超えた後に蒸発器に原料を供給するように構成されている請求項１に記載の燃料電池の改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に水素を主成分とする改質ガスを供給する改質装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
燃料改質装置を搭載した燃料電池車両においては、燃料改質装置の起動時間が長いことや負荷変動に対する追従が遅いことなどの理由によりこれを補う動力原として二次電池を搭載したものが多い。しかしながら二次電池を搭載することは車両重量やコストの点で不利となるため、二次電池はできるだけ小型化することが望ましい。このためには、改質器の起動時間を短縮して起動に要する電力消費を少なくし、あるいは改質器に速やかに適切な原料蒸気を供給する等の工夫が必要である。
【０００３】
これに対して、特開２０００−１２０６０号公報には、起動時に空気ブロアの出口部分を絞って圧力比を上げたり空気ブロアの吐出路と吸入路を連結する循環流路を設けて空気圧縮機の吐出空気温度を高温に制御しておいて切り換えバルブにより高温空気を直接改質器へ流して改質器の温度上昇を促すようにしたものが開示されている。また、特開平５−２９０８６５号公報には、空気ブロアより送られた空気を改質器の燃焼部から排出される燃焼排ガスおよび燃料電池の空気極から排出される空気排ガスの熱を回収して予熱して改質器や燃料電池へ供給するものが提案されている。なお、このように改質器あるいはその周辺のＣＯ除去装置などを運転可能な温度にまで温度上昇させることを、以後の説明の便宜のため「暖機」と称することとする。
【０００４】
しかしながら、前者のように空気ブロアで高温空気を作り改質器を暖機する構成は、起動時の電力消費が多く二次電池の容量を大きくする必要があるので、前述の理由から燃料電池車両に適用するには問題がある。また、後者のように改質器の燃焼排ガスの熱で改質器の燃焼部へ供給する空気を暖機する構成では、熱回収して原料を減ずることは可能であるが燃焼部の温度は変らず燃焼部で改質器を間接的に暖機するので速やかな起動は困難である。また、起動時は蒸発器で原料蒸気が発生し始めても蒸気配管が冷えているため燃料蒸気が再度凝縮してしまい、改質器への蒸気供給が不安定となり起動時間が延びるという問題も生じる。
【０００５】
本発明はこれら従来の問題点に着目してなされたもので、二次電池の小型化と起動時間の短縮が可能な改質装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、原料を気化させる蒸発器と、前記蒸発器を加熱する触媒燃焼器と、前記蒸発器からの原料蒸気と空気とを反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質器と、改質器の後流に設けられるＣＯ除去器と、起動時に前記改質器に高温の原料蒸気を供給する起動用燃焼器とを備えた燃料電池の改質装置において、前記触媒燃焼器を熱源として空気を加熱する熱交換器を設けると共に、起動時に前記熱交換器に空気を導入して高温化した空気を蒸発器下流側の蒸気配管および改質器に供給する空気ブロアと、該空気ブロアを駆動する二次電池とを備え、前記高温化した空気により蒸気配管および改質器を昇温させた後に、蒸発器に原料を供給する起動制御手段を設けた。
【０００７】
第２の発明は、前記起動制御手段を、起動燃焼器および改質器に供給される空気ブロアからの空気を熱交換器に導入する第１の空気導入通路と、ＣＯ除去器と燃料電池スタックとを連通する改質ガス通路を触媒燃焼器に連通する第２の空気導入通路と、前記各空気導入通路を開閉するバルブとを備え、起動時に前記バルブを開いて空気ブロアからの空気を熱交換器、改質器、触媒燃焼器に供給するように構成した。
【０００８】
第３の発明は、前記第２の発明の起動制御手段を、改質器からの改質ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器に熱交換器からの空気を導入する第３の空気導入通路と、起動時にこの空気導入通路を開く弁手段とを備えるものとした。
【０００９】
第４の発明は、前記各発明において、その熱交換器を、前記蒸発器を兼ねるものとした。
【００１０】
第５の発明は、前記第１の発明において、その蒸気配管を二重管構造とし、外側通路部に蒸発器からの排ガスを導入するようにした。
【００１１】
第６の発明は、前記第１の発明の起動制御手段を、蒸気配管の温度を検出する配管温度検出手段と熱交換器からの出口ガス温度を検出するガス温度検出手段とを備え、前記配管温度およびガス温度がそれぞれの規定値を超えた後に蒸発器に原料を供給するように構成した。
【００１２】
【作用・効果】
第１の発明によれば、起動時に蒸発器に原料（メタノールまたはガソリン等の炭化水素系燃料またはこれと水との混合燃料）を供給する前に、熱交換器に空気を導入して触媒燃料器からの燃焼ガスと熱交換して高温化した空気を蒸気配管および改質器に導入するようにしたことから、その後の蒸発器への原料の投入に伴い発生した原料蒸気が凝縮することなく改質器に導入され、また改質器の反応を安定かつ速やかに行わせることができる。蒸気配管および改質器への空気導入には大きな動力は必要としないので、そのための二次電池の容量も小さなもので済む。
【００１３】
また、起動時にあらかじめ加熱した空気を導入しながら蒸発器に原料を投入することにより、原料投入開始時の蒸発器の内部応力変化を軽減でき蒸発器の寿命を延ばす効果も期待できる。さらに、低負荷運転時に起動用燃焼器に着火し、蒸発器の原料を遮断し空気を導入してアイドル運転するものとすれば、再度高負荷運転へ移行するとき原料蒸気が蒸気配管内で凝縮するのを防止し、それだけアイドル時の原料供給量を低減することもできる。
【００１４】
第２の発明によれば、熱交換器に空気を導入する手段として起動燃焼器および改質器に燃焼用または改質用の空気を供給する空気ブロアを用いることができるので、装置の構成を複雑化することなく蒸気配管および改質器等の暖機促進を図ることができる。
【００１５】
第３の発明によれば、前述した熱交換器からの加熱空気でＣＯ除去器を暖機するようにしたので、ＣＯ除去器を備えた燃料電池装置においてその一酸化炭素選択触媒を速やかに活性温度に到達させられる。
【００１６】
第４の発明によれば、熱交換器と蒸発器とを兼ねるようにしたことから装置構成をより簡潔にすることができる。
【００１７】
第５の発明によれば、蒸気配管の暖機をより促進することができ、それだけ効率よく改質器を暖機し、または応答よく反応を行わせることができる。
【００１８】
第６の発明によれば、蒸発器への原料の投入を適切なタイミングで行い、改質器への燃料蒸気供給をより的確に行うことができる。
【００１９】
【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は第１の実施形態の概略構成を示している。図において、１は原料蒸気と空気とから水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器、２は改質ガス中の一酸化炭素をＣＯ除去触媒による部分酸化反応により除去するＣＯ除去器、３は液状の原料を熱交換により気化させる蒸発器、４は前記蒸発器３の熱源となる燃焼ガスを触媒反応により発生させる触媒燃焼器、５は起動時に高温の起動用ガスを改質器１に供給する起動燃焼器、６は燃焼および改質反応等に必要な空気を空気供給通路Ｐ０を介して改質器１および燃焼器４，５等に加圧供給する空気ブロア、７は改質器１により生成された改質ガスと空気とを反応させて発電を行う燃料電池スタックである。
【００２０】
８はＣＯ除去器２からの改質ガス通路Ｐｒを燃料電池スタック７または触媒燃焼器４への空気導入通路（本発明の第２の空気導入通路に相当）Ｐ２に選択的に連通させる三方弁構造の改質ガス切換バルブ、９は空気供給通路Ｐ０の加圧空気の改質器１への供給または停止を切り換える空気制御バルブ、１０は同じくＰ０の加圧空気のＣＯ除去器２への供給または停止を切り換える空気制御バルブ、１１は同じくＰ０の加圧空気の触媒燃焼器４への供給と停止を切り換える空気制御バルブである。１２は起動時に空気供給通路Ｐ０の加圧空気を起動用燃焼器５に供給する空気制御バルブである。１３は蒸発器３からの暖機用加熱空気または原料蒸気が導入される蒸気配管、１４は空気供給通路Ｐ０から分岐して蒸発器３に加圧空気を供給する空気導入通路（本発明の第１の空気導入通路に相当）Ｐ１を開閉する空気制御バルブである。
【００２１】
１９〜２２は温度検出器であり、それぞれ１９は蒸発器３の出口ガス温度を、２０は蒸発配管Ｐ４の温度を、２１は改質器１の例えば上流端から１／４程度の位置の改質器温度を、２２はＣＯ除去器２出口での改質ガス温度を、それぞれ検出する。これらの温度検出結果に基づき、図示しない起動制御手段が前記の各バルブ類を開閉制御して、最小の起動時間で改質器および燃料電池が起動するように起動制御を行う。
【００２２】
次に、前記起動制御手段を構成するマイクロコンピュータが実行する制御ルーチンにつき、図２に示した流れ図に基づいて説明する。この処理は周期的に繰り返し実行される。なお、以下の説明および流れ図中で符号Ｓを付して示した数字は処理ステップ番号を表している。
【００２３】
この起動制御では、まず改質ガス切換バルブ８を触媒燃焼器４側に切り換え、次に空気ブロア６を起動する（Ｓ１〜Ｓ２）。なお、この時点では改質器１への空気制御バルブ９とＣＯ除去器２への空気制御バルブ１０はそれぞれ閉ざされている。次に空気制御バルブ１１を開いて触媒燃焼器４に空気を導入し、メタノール等の燃料を噴射して触媒燃焼器に着火し、その燃焼ガスにより蒸発器３を加熱する（Ｓ３）。さらに、空気制御バルブ１４を開いて蒸発器３へ空気ブロア６からの加圧空気を導入する（Ｓ４）。一方、空気制御バルブ１２を開き、原料による燃料リッチ状態で起動用燃焼器５を燃焼させ、高温燃料蒸気を発生させる（Ｓ５）。また、空気制御バルブ１０を開き、ＣＯ除去器２に空気を導入する（Ｓ６）。その後、蒸気配管１３に取り付けた温度検出器２０による検出温度が蒸気配管の暖機状態の判定基準となる規定値に達するのを待ち、当該規定値に達したら次に蒸発器３の出口に取り付けた温度検出器１９による検出ガス温度が蒸発器の暖機判定基準となる規定値に達するのを待つ（Ｓ７〜Ｓ８）。
【００２４】
このようにして、蒸気配管１３および蒸発器３の暖機完了を確認したのち改質ガス生成のための処理に移行する。すなわち、空気制御バルブ１４を閉ざしてから蒸発器３に所要量の原料を供給する一方、空気制御バルブ９を開いて改質器１へ改質用空気を導入する（Ｓ９〜Ｓ１１）。その後、改質器１に取り付けた温度検出器２１による検出温度が改質器の暖機完了温度に相当する規定値に達するまで待機する（Ｓ１２）。改質器１の暖機が完了したと判定された場合は、空気制御バルブ１２を閉ざすと共に燃料噴射を停止して起動用燃焼器５による燃焼ガスの生成を終わらせる（Ｓ１３）。次いで、ＣＯ除去器２の出口に取り付けた温度検出器２２による検出温度がＣＯ除去器の暖機判定基準に相当する規定値に達するのを待って、改質ガス切換バルブ８を燃料電池スタック７側へ切り換え、起動処理を完了する（Ｓ１４〜Ｓ１５）。以後は改質器１およびＣＯ除去器２からの改質ガスは燃料電池スタック７へと供給される。温度検出器２２に関しては、これに代えてＣＯ濃度検出器を適用し、検出ＣＯ濃度が規定値、例えば４０ｐｐｍ以下となったときに暖機完了と判定するようにしてもよい。
【００２５】
次に、図３以下に示した本発明の他の実施形態を示す。図１と対応する部分には同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。図３は第２の実施形態である。この実施形態では、触媒燃焼器４と蒸発器３との間に、ＣＯ除去器２を暖機するための加熱空気を供給する熱交換器１５を設け、起動時に空気ブロア６からの加圧空気を空気制御バルブ１６を開いて熱交換器１５に導入し、触媒燃焼器４からの燃焼ガスとの熱交換により加熱した空気を空気導入通路Ｐ３（本発明の第３の空気導入通路に相当）を介して優先的にＣＯ除去器２に供給するようにしている。
【００２６】
図４は本発明の第３の実施形態である。この実施形態では、蒸気配管１３の途中に三方弁構造の空気制御バルブ１７を設け、起動時に蒸発器３から供給される暖機用の加熱空気を蒸気配管１３から改質器１または空気導入通路Ｐ３を経由してＣＯ除去器２に選択的に供給または分配供給できるようにした点が第１の実施形態と異なる。ＣＯ除去器２の暖機が完了した後は空気制御バルブ１７を切り換えて蒸気配管１３を改質器１のみに接続し、以後は加熱空気または原料蒸気が改質器１に供給されるようにする。
【００２７】
図５は本発明の第４の実施形態である。この実施形態では、第１の実施形態の構成に加えて、蒸気配管１３を、その周囲を包囲するように外側通路部１８を形成して二重管構造とし、この外側通路部１８内に蒸発器３からの排ガスを導入する構成を付加している。外側通路部１８への排ガスの導入により蒸気配管１３をより早く暖機することができ、さらに暖機後においても外側通路部１８が保温効果を奏することから、低負荷時の燃料の凝縮を防止する効果も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の概略構成図。
【図２】第１の実施形態の起動制御の内容を示す流れ図。
【図３】本発明の第２の実施形態の概略構成図。
【図４】本発明の第３の実施形態の概略構成図。
【図５】本発明の第４の実施形態の概略構成図。
【符号の説明】
１    改質器
２    ＣＯ除去器
３    蒸発器
４    触媒燃焼器
５    起動用燃焼器
６    空気ブロア
７    燃料電池スタック
８，９，１０，１１，１２，１４  空気制御バルブ
１３    蒸気配管
１９，２０，２１，２２  温度検出器
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３  空気導入通路
【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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