(57)【要約】【課題】燃料電池を起動する際において、迅速に昇温させて燃料改質等の化学変換を速やかにすることができる化学変換装置の運転方法を提供する。【解決手段】原燃料を用いて高温燃焼する改質器バーナ２８−２と、該燃焼部からの高温排ガスを用いて、作動温度範囲が異なる複数の化学変換部を高温域から低温度域に亙って順次加熱し、原燃料を化学変換する燃料改質器２８−１と、を有してなる改質器装置の運転方法において、前記燃焼部において低空気比で原燃料を着火させる着火工程と、着火後、燃焼部の空気比を高くして燃焼し、高温域の所定上限温度に達する第１昇温工程と、その後、空気比を徐々に低下させつつ燃焼し、高温域以外の温度域まで昇温する第２昇温工程とを含む。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料を用いて高温燃焼する燃焼部と、
該燃焼部からの高温排ガスを用いて、作動温度範囲が異なる複数の化学変換部を高温域から低温度域に亙って順次加熱し、原燃料を化学変換する化学変換装置と、を有してなる改質器装置の運転方法において、
前記燃焼部において低空気比で原燃料を着火させる着火工程と、
着火後、燃焼部の空気比を高くして燃焼し、高温域の所定上限温度に達する第１昇温工程と、
その後、空気比を徐々に低下させつつ燃焼し、高温域以外の温度域まで昇温する第２昇温工程とを含むことを特徴とする化学変換装置の運転方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記化学変換装置が燃料改質装置であることを特徴とする燃料改質装置の運転方法。
【請求項３】
請求項２において、
化学変換部が触媒部であることを特徴とする燃料改質装置の運転方法。
【請求項４】
請求項３において、
触媒部が改質触媒部と、ＣＯ変成触媒部と、ＣＯ除去触媒部とから順に配置されてなり、高温排ガスが改質触媒部からＣＯ変成触媒部とＣＯ除去触媒部と順に加熱することを特徴とする燃料改質装置の運転方法。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれか一つにおいて、
第２昇温工程が終了後、燃料ガスを固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）に供給して、燃料電池発電することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を起動する際のエネルギー損失を少なくして、エネルギー有効利用率の高い燃料電池発電システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（以後、ＰＥＦＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）と呼ぶ。）は、電解質に固体高分子のイオン交換膜を使用するものであり、流体となる燃料ガスである水素（又は水素含有ガス）及び酸化ガスである酸素（又は酸素含有ガス）を、それぞれ燃料極（アノード）、空気極（カソード）に供給して、固体高分子のイオン交換膜中を水素イオンが移動することで、電気化学（電池）反応を起して発電をするものである。通常は、ＰＥＦＣに水素及び酸素を供給するため、様々な工夫を行っている。
【０００３】
このような燃料電池を有する燃料電池発電システムは、家庭等における分散電源などとして注目されている。また、燃料ガスとして水素以外の都市ガスやＬＰＧを用いる場合には、燃料改質器を用いて例えば水蒸気改質方法により水素リッチな改質された燃料ガスに変えて、燃料電池に供給するようにしている。そして、燃料電池では、前記改質された燃料ガスと酸化ガスである空気とを電気化学的に反応させて発電するようにしている。
【０００４】
このような燃料電池においては、その発電初期の起動方法として以下のような提案がある。
改質器を有する燃料電池システムの起動において、改質器を起動する際には、燃料改質部及びＣＯ変成部を有する改質装置に設けられた改質器バーナによって例えば水素を含む炭化水素系燃料を燃焼させて、改質装置内に配設された触媒部の触媒作動温度まで昇温させる。その際、各触媒温度が所定の温度範囲となるように焚込燃料及び燃焼用空気の流量を、流量センサや流量制御バルブ等の流量制御手段により制御する（特許文献１、２）。
【０００５】
【特許文献１】特開平０７−２８２８２９号公報
【特許文献２】特開平０８−１１１２２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、同一容器内に例えば改質部やＣＯ変成部等を内蔵する燃料改質装置を起動する場合、それぞれの触媒温度を所定の作動温度域に速やかに昇温するために、高精度かつ信頼性の高い流量制御機能を有する機器を用いて改質器バーナへ供給する燃料ガス量を細かく制御する必要があったが、その流量制御のための機器が高価であること、またシステムが複雑となるなどという、課題がある。
【０００７】
燃料電池を一般家庭に普及するに際しては、システムが安価であると共にそのシステムの信頼性が求められ、且つシステムの起動性も迅速なものが切望されている。
よって、起動時の燃料改質器内の触媒温度を所定の温度範囲内に制御するための機器構成を、できるだけ簡便なものとすることで、安価でコンパクトかつ信頼性に優れた燃料電池発電システムの出現が切望されている。
【０００８】
本発明は、前記問題に鑑み、燃料電池を起動する際において、迅速に昇温させて燃料改質等の化学変換を速やかにすることができる化学変換装置の運転方法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】
【０００９】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、原燃料を用いて高温燃焼する燃焼部と、該燃焼部からの高温排ガスを用いて、作動温度範囲が異なる複数の化学変換部を高温域から低温度域に亙って順次加熱し、原燃料を化学変換する化学変換装置と、を有してなる改質器装置の運転方法において、前記燃焼部において低空気比で原燃料を着火させる着火工程と、着火後、燃焼部の空気比を高くして燃焼し、高温域の所定上限温度に達する第１昇温工程と、その後、空気比を徐々に低下させつつ燃焼し、高温域以外の温度域まで昇温する第２昇温工程とを含むことを特徴とする化学変換装置の運転方法にある。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、前記化学変換装置が燃料改質装置であることを特徴とする燃料改質装置の運転方法にある。
【００１１】
第３の発明は、第２の発明において、化学変換部が触媒部であることを特徴とする燃料改質装置の運転方法にある。
【００１２】
第４の発明は、第３の発明において、触媒部が改質触媒部と、ＣＯ変成触媒部と、ＣＯ除去触媒部とから順に配置されてなり、高温排ガスが改質触媒部からＣＯ変成触媒部とＣＯ除去触媒部と順に加熱することを特徴とする燃料改質装置の運転方法にある。
【００１３】
第５の発明は、第２乃至４のいずれか一つの発明において、第２昇温工程が終了後、燃料ガスを固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）に供給して、燃料電池発電することを特徴とする燃料電池の運転方法にある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡便な機器構成にて起動時の改質器の昇温を行なうことが可能であり、低コストかつシンプルなシステムとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態及び実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態及び実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【００１６】
［実施形態］
本発明による実施形態に係る燃料電池の改質装置について、図面を参照して説明する。
図１は燃料改質装置の概略図である。図１に示すように、本実施形態にかかる燃料改質装置５０は、原燃料２９を改質する改質器本体２８−１と、改質器本体２８−１を燃焼加熱する燃焼部である改質器バーナ２８−２とからなる燃料改質器２８と、管路Ｌ１０からの原燃料２９を前記改質器バーナ２８−２に供給する際に、遮断機構５１ａ、５１ｂ並びに絞り機構５２ａ、５２ｂを有する管路Ｌ１２及びＬ１３とを具備してなるものである。
【００１７】
そして、燃料改質器２８内に内蔵した各種触媒部（一例を後述する図２に示す。）の触媒温度に応じて、原燃料２９の供給経路を遮断機構５１ａ、５１ｂで切り替え、改質器バーナへの燃料ガス供給量を変化させると共に、改質器バーナ２８−２へ供給する空気量をそれぞれの原燃料の供給経路に応じて予め設定した流量となるように変化させ、改質器バーナでの燃焼量を変化させるようにしている。前記絞り機構５２ａ、５２ｂは絞り弁のほかに、所定供給量となるような固定オリフィス等としてもよい。
【００１８】
以下、燃料改質装置として、図２に示すように、改質器バーナ２８−２に供給された原燃料２９を燃焼させ、その燃焼排ガス６２を改質器本体２８−１に送り、各種触媒部を間接加熱し、その後排気するようにしている。ここで前記改質器本体２８−１において、原燃料２９を改質して水素とＣＯとを含むガスにする改質触媒部６３と、改質されたＣＯと水蒸気から炭酸ガスと水素とを生成するＣＯ変成触媒部６４と、ＣＯ変成触媒部６４で未反応のＣＯを除去するＣＯ除去触媒部６５とが順に配設されている。以下は、化学変換装置として、改質触媒部６３と、ＣＯ変成触媒部６４と、ＣＯ除去触媒部６５とを有する燃料改質装置を一例として説明する。なお、改質触媒はこれらに限定されるものではない。
【００１９】
ここで、前記原燃料２９の改質は、改質器本体２８−１の改質触媒部６３における水蒸気改質反応によって行われる。即ち、原燃料２９と水蒸気とを混合して改質触媒層に流通させ、改質器バーナ２８−２を用いて、例えば６５０〜８００℃の温度で水蒸気改質反応（都市ガスを用いる場合にはＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2）を起こさせることにより行われる。前記改質触媒としては、例えばＲｕ／Ａｌ2Ｏ3等を例示することができるが、これに限定されるものではない。
【００２０】
また、改質された燃料ガスは、次に発生したＣＯをＣＯ変成触媒部６４でＣＯを変成して水素ガスと二酸化炭素を発生させ、さらに未反応のＣＯを除去するＣＯ除去触媒部６５を通過させることで、ＰＥＦＣにおける良質な水素燃料としている。
【００２１】
次に、上記装置を用いて燃料改質装置を起動させる方法について説明する。
原燃料２９を用いて高温燃焼する改質器バーナ２８−２と、該改質器バーナ２８−２からの高温排熱を用いて、作動温度範囲が異なる複数の化学変換部を高温域から低温度域に亙って順次加熱し、原燃料を改質する燃料改質器２８と、を有してなる燃料改質装置５０の運転方法において、先ず、（１）前記改質器バーナ２８−２において低空気比で原燃料を着火させる着火工程と、（２）次いで、燃焼部の空気比を高くして燃焼し、高温域の所定上限温度に達する第１昇温工程と、（３）その後、空気比を徐々に低下させつつ燃焼し、高温域以外の温度域まで昇温する第２昇温工程とを具備するものである。
【００２２】
次に、具体的な燃料改質装置の起動方法について、図３−１及び図３−２を参照して説明する。図３−１及び図３−２に示すように、供給される原燃料２９は図示しない昇圧器を経て昇圧され、下流の管路Ｌ１０に送られる。管路Ｌ１０は改質器の原料供給管路Ｌ１１と、改質器バーナ２８−２への燃料供給管路Ｌ１２、Ｌ１３に分岐されている。そして、管路Ｌ１１には流量制御弁５２ｃが設けられており、管路Ｌ１２及びＬ１３には、絞り機構５２ａ、５２ｂが設けられている。また前記絞り機構５２ａ、５２ｂと共に通電により開閉する遮断機構５１ａ、５１ｂが併設されている。
【００２３】
前記絞り機構５２ａ、５２ｂは、異なるＣｖ値となるように調整されたものであるが、例えば同様な機能を奏する固定オリフィスとしてもよい。また、遮断機構５１ａ、５１ｂのＣｖ値を所定の値にすることにより、絞り機構５２ａ、５２ｂを省略することも可能である。
【００２４】
ここで、前記絞り機構５２ａ、５２ｂのＣｖ値は所望の燃料ガス流量が得られるように決定されたものである。
【００２５】
そして、燃料改質装置５０の起動時は、図３−１に示すように、先ず、遮断機構５１ａを開とし、遮断機構５１ｂを閉とし、管路Ｌ１２経由で改質器バーナ２８−２に燃料ガスを供給するとともに、空気ブロア（図示せず）を用い、管路Ｌ１２から供給される原燃料を着火させる低空気比の空気を供給し、改質器バーナ２８−２を燃焼・着火させる。
【００２６】
次に、この着火が終了した後、第１の昇温工程として、遮断機構５１ａを開とし管路Ｌ１２経由で改質器バーナ２８−２に燃料ガスを供給するとともに、空気ブロア（図示せず）を管路Ｌ１２から供給される原燃料を燃焼させるのに必要な空気量が得られる所定の回転数（バーナ空気比：例えば１．２〜２．０）として空気を供給し燃焼させる。
【００２７】
次いで、図３−２に示すように、第２の昇温工程として、改質器内に設置した温度検出器がある閾値を越えたら、遮断機構５１ｂを開、遮断機構５１ａを閉として原燃料２９の供給経路を管路Ｌ１３側に切り替える。同時に、空気ブロア（図示せず）を管路Ｌ１３から供給される原燃料２９を燃焼させるのに必要な空気量が得られる所定の回転数（バーナ空気比：例えば１．０〜１．２）として空気を供給し、燃焼させる。
【００２８】
更に、複数の改質触媒がある場合には、必要であればさらに絞り弁及び分岐管路を増やして、第３、第４の昇温工程を設け、改質器本体を昇温しても良い。
【００２９】
なお、絞り弁の前後の差圧を検出可能な圧力検出手段を設け、その検出信号から演算される燃料ガス量を基準として、燃焼用空気量を可変とすることも可能である。
【００３０】
本発明では、上述したような着火工程、第１の昇温工程及び第２の昇温工程とすることで、図４の「本発明」のグラフに示すように、（１）低空気比で原燃料を着火させた後、（２）第１昇温工程では、燃料流量を多くし（１〜３ＮＬ／分）、しかも空気比を高くして（１．２〜２．０）、高温域の上限温度まで燃焼させる。その後、（３）燃料を低流量として（０．１〜１．５ＮＬ／分）、バーナ焚込み量を低減しつつ、空気比を徐々に低下させ、定常運転状態とさせるようにしている。例えば絞り機構５２ａを燃料流量が多いものとし、絞り機構５２ｂを燃料流量が小さいものとしている。
【００３１】
本実施例では、バーナ着火時は燃焼性確保のため、低空気比で着火後、直ぐに空気比を高くして、ＣＯ変成触媒部（温度２００〜２５０℃）６４及びＣＯ除去触媒部（温度１２０〜２００℃）６５の昇温速度を速めることとなる。これにより、改質触媒部（温度６５０〜７００℃）６３の昇温速度は従来よりも緩やかになる。
その後、改質触媒部の温度が所定温度（温度６５０〜７００℃）に達するため、バーナ焚込量を低減しつつ、空気比を徐々に低下させて、定常運転状態へと移行させる。
【００３２】
この結果、改質触媒部の温度域までの昇温には時間を要するものの、ＣＯ変成触媒部、ＣＯ除去触媒部の温度域までは速やかに昇温することとなり、燃料改質装置全体としての起動完了時間の短縮を図ることができる。
【００３３】
これに対し、従来法では、図４に示すように、空気比（１．０〜１．２）を一定とする場合に、燃料流量を多くして（１〜３ＮＬ／分）、改質器バーナの燃焼を行うと、改質触媒層温度が直ぐに所定温度に達するため、バーナ焚込量を燃料調整機構等により低減する必要があった。その結果、改質触媒層の後段に設置したＣＯ変成触媒部及びＣＯ除去触媒部がなかなか昇温せず、結果として燃料改質装置の起動時間が長くなっていた。
【００３４】
本発明によれば、その操作条件により左右されるものの、起動時間は従来法に比べおおよそ２０〜３０％短縮を図ることができた。
【００３５】
このように、本発明によれば、原燃料の供給経路毎に異なる絞り機構５２ａ、５２ｂを設けて、それらへの流路切り替えによって改質器バーナへの燃料供給量を変化させることができる。その際、原燃料の供給経路毎に、改質器バーナに供給する空気量を予め設定した空気量となるよう図示しない空気ブロアからの供給量を制御するようにしている。
【００３６】
また、絞り機構５２ａ、５２ｂの前後の差圧を算出することのできる差圧計測機構を有し、その差圧信号により燃料ガス供給量を求め、空気供給量を微調整する制御機能を有するようにしてもよい。
【００３７】
本発明では、複数の原燃料供給管と、その供給管に介装する簡単な絞り機構及び遮断機構を用いることにより、燃料改質装置の起動を迅速行うことができ、しかも従来のシステムで用いられていた原燃料の流量制御機器は不要となる。
この結果、一般家庭に設置するような場合に、信頼性が向上すると共に、メンテナンスフリーとなり、安価な燃料電池システムを提供することができる。
【００３８】
このような燃料改質装置を適用した燃料電池の発電システムを示す概念図を図５に示す。
図５に示すように、本実施形態に係る燃料電池の発電システムは、前述した燃料電池の燃料改質装置５０を備えると共に、燃料改質器２８で改質された燃料ガス１２を燃焼する燃焼部２１と、燃焼部２１からの高温排ガス２２で燃料電池１１の冷却部１１−３を冷却する冷媒２３を熱交換する第１熱交換器２４と、燃料電池１１の冷却部１１−３の入口側冷媒温度Ｔ１を計測する入口側の温度計測器２５−１とを具備してなり、燃料電池１１の燃料極１１−１に燃料ガス１２を供給すると共に、燃料電池１１の空気極１１−２に空気１３を供給して発電するようにしている。なお、図１中、符号Ｌ１は冷却ライン、Ｌ２は排出ライン、Ｌ３〜Ｌ４は管路を、３３−１、３３−２はポンプを各々図示する。
【００３９】
前記構成のシステムにおいて、燃料改質器２８で燃料の改質が開始された後において、燃料電池にて電気出力を発生させる際に、常温の燃料ガス１２を燃焼させる燃焼部２１にて前記燃料ガス１２を燃焼させ、前記燃焼部２１の下流に設けた第１熱交換器２４に燃料電池の冷却加熱を行なわせる燃料電池の冷媒２３を流通させ、前記燃焼部２１で得られた高温排ガス２２から熱回収することで、前記燃料電池１１の冷媒２３を速やかに昇温させることができ、燃料電池１１の加熱に寄与することとなる。これにより、発電初期におけるエネルギーを有効活用することができる。ここで、燃焼部２１としては、通常の燃焼器以外に、触媒燃焼により燃料ガス１２を常温にて燃焼させるようにしてもよい。前記燃焼触媒としては、例えば白金系モノリス触媒を例示することができるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４０】
前記冷却部１１−３の入口側冷媒温度Ｔ１を入口側温度計測器２５−１で計測するのは、燃料電池の健全性を維持するためであり、所定の設定温度に達した場合には、制御装置（ＣＰＵ）にて制御し、熱交換媒体（例えば水又は空気）の供給量を増大させて、所定温度に維持するようにしている。
また、前記燃料電池１１の冷却部１１−３の出口側温度を計測する温度計測器２５−２を有するようにしてもよい。
これは、出口側の温度を計測することでより精度のよい制御を可能としている。すなわち、燃料電池に供給する冷媒２３の温度が設定温度より高い場合でも、発電初期には出口側温度が低下する場合があり、出口側温度が所定の温度となるまでは、第１熱交換器２４で熱交換された冷媒を放熱部２６にて冷却することを抑制することができる。
また、前記燃料電池１１の空気極１１-２に供給する空気は、図示しない加湿装置により適度に加湿された空気とするのが好ましい。
【００４１】
ここで、発電初期においては、燃料ガス１２は管路Ｌ３と管路Ｌ４とを切替える切替弁Ｖ１により、管路Ｌ４側に切替え、燃焼部２１で全て燃焼するようにしている。そして、冷媒２３を高温排ガス２２で加熱し、燃料電池１１の温度が所定の作動となった際に、切替弁Ｖ１を切替え、管路Ｌ３側に燃料ガス１２を供給することで、燃料極１１−１に燃料を供給して発電に供するようにしている。
【００４２】
前記燃料ガス１２は、燃料改質器２８により原燃料２９を改質して用いるようにしている。ここで、前記改質ガスの原燃料２９としては、例えば天然ガス（都市ガス：例えば１３Ａ）、ＬＰＧ、石炭ガスなどの気体燃料、又は、アルコール（例えばメタノール等）、ジメチルエーテル、灯油、軽油、ナフサなどの液体燃料を挙げることができる。
【００４３】
また、前記冷媒２３の冷却ラインＬ１には、例えば水又は空気等を熱交換媒体２７とする放熱部２６が設けられており、燃料電池発電における発熱の際に放熱するようにしている。
【００４４】
また、冷却ラインＬ１は図示しない簡易な水処理装置（例えばイオン交換樹脂充填容器）を具備した閉鎖ラインとすることが好ましい。これは、燃料電池で用いる冷媒である水はイオン濃度が低いものを用いており、閉鎖ラインとしない場合には、外部から供給する水のイオンを除去するために膨大な設備を必要として発電コストが割高となるのを防止している。なお、前記冷却ラインＬ１は必要に応じて、運転中あるいは停止中に、図示しない水処理装置を介して外部から水道水を補給する操作を行なうようにしてもよい。
【００４５】
図１のシステムにおいて、燃料電池発電の起動時に、切替弁Ｖ１を切替えて、管路Ｌ４に燃料ガス１２を流し、燃料電池にて電気出力を発生させる前に、前記燃料ガス１２を燃焼部２１にて燃焼させ、高温排ガス２２を得る。そして、前記燃焼部２１下流に配した第１熱交換器２４に燃料電池の冷媒２３を流通させ、前記高温排ガスと熱交換させることで、燃料電池循環水を速やかに６０℃以上に昇温させることができる。そして、昇温が完了した後、切替弁Ｖ１を管路Ｌ３に切替え、燃料電池１１の燃料極１１−１に燃料ガス１２を流し、これにより、燃料電池負荷を瞬時にかけることができる。
【００４６】
本実施形態によれば、燃料改質装置での起動を速やかに行うことができると共に、燃料電池本体への燃料電池負荷を瞬時にかけることができ、燃料電池を起動する際のエネルギー損失を少なくして、エネルギー有効利用率の高い発電システムを構築することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上のように、本発明は、例えば燃料電池の燃料改質装置において、迅速に昇温させて燃料改質等の化学変換を速やかにすることができ、例えば固体高分子型燃料電池に適用して、エネルギー有効利用率の高い発電システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】実施形態に係る燃料改質装置の概略図である。
【図２】実施形態に係る燃料改質装置の構成概念図である。
【図３−１】実施形態に係る燃料改質装置の第１昇温工程における概略図である。
【図３−２】実施形態に係る燃料改質装置の第２昇温工程における概略図である。
【図４】改質器内部の各触媒部の温度上昇と起動時間との関係、空気比・燃料流量と起動時間との関係図である。
【図５】本発明を適用した燃料電池の発電システムの全体図である。
【符号の説明】
【００４９】
１１  燃料電池
１１−１  燃料極
１１−２  空気極
１１−３  冷却部
１２  燃料ガス
１３  空気
２１  燃焼部
２２  高温排ガス
２４  第１熱交換器
２５−１、２５−２  温度計測器
Ｌ１  冷却ライン
Ｌ２  排出ライン
Ｌ３〜Ｌ１３  管路
３３−１、３３−２  ポンプ
２８−１  改質器本体
２８−２  改質器バーナ
２９  原燃料
【図１】
2006199543.tif 000003
【図２】
2006199543.tif 000004
【図３−１】
2006199543.tif 000005
【図３−２】
2006199543.tif 000006
【図４】
2006199543.tif 000007
【図５】
2006199543.tif 000008