(57)【要約】【課題】  起動から定格負荷運転までの時間が短縮され、燃料電池システムの迅速な起動を図ることができる燃料電池システムおよびその運転制御方法を提供する。【解決手段】  炭化水素原料と水とを改質反応させて改質ガスを製造する改質器と、前記改質器からの改質ガスをシフト反応させるシフト反応器と、前記改質器および前記シフト反応器の運転を制御する運転制御器と、を備える燃料プロセッサであって、前記改質器の改質ガス出口と、前記シフト反応器の改質ガス入口とを連絡する改質ガス流路に、前記改質器から前記シフト反応器に供給される改質ガスを加熱する加熱手段を備え、前記運転制御器は、燃料プロセッサの運転開始に際して、前記改質器から供給される改質ガスの前記加熱手段による加熱を制御するシフト反応制御部を有することを特徴とする。【選択図】      図２
2008143739.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素原料と水とを改質反応させて改質ガスを製造する改質器と、前記改質器からの改質ガスをシフト反応させるシフト反応器と、前記改質器および前記シフト反応器の運転を制御する運転制御器と、を備える燃料プロセッサであって、
前記改質器の改質ガス出口と、前記シフト反応器の改質ガス入口とを連絡する改質ガス流路に、前記改質器から前記シフト反応器に供給される改質ガスを加熱する加熱手段を備え、
前記運転制御器は、燃料プロセッサの運転開始に際して、前記改質器から供給される改質ガスの前記加熱手段による加熱を制御するシフト反応制御部を有することを特徴とする燃料プロセッサ。
【請求項２】
前記改質器と、前記シフト反応器とが独立して構成され、前記改質ガス流路は、前記改質器の改質ガス出口と、前記シフト反応器の改質ガス入口とを連絡するガス流通路であることを特徴とする請求項１に記載の燃料プロセッサ。
【請求項３】
前記改質器と、前記シフト反応器とが一体的に構成され、前記改質ガス流路は、前記改質器と、前記シフト反応器との間の連絡部に配設されることを特徴とする請求項１に記載の燃料プロセッサ。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料プロセッサを備える燃料電池システム。
【請求項５】
炭化水素原料と水の反応によって改質ガスを製造する改質器と、前記改質部からの改質ガスをシフト反応させるシフト反応器とを備える燃料プロセッサの運転制御方法であって、
燃料プロセッサの運転開始に際して、前記改質器の改質ガス出口と前記シフト反応器の改質ガス入口とを連絡する改質ガス流通部に設けた加熱手段によって、前記改質器から供給される改質ガスを加熱してシフト反応器に供給することを特徴とする燃料プロセッサの運転制御方法。
【請求項６】
前記シフト反応器のシフト反応触媒の温度が所定の温度に達したときに、前記加熱手段による改質ガスの加熱を停止することを特徴とする請求項５に記載の燃料プロセッサの運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短時間の起動運転によって、迅速に定格負荷運転に移行できる燃料プロセッサおよびその運転制御方法、ならびに燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に優しいエネルギ源として、水素と酸素の電気化学的反応によって発電を行う燃料電池システムが注目されている。この燃料電池システムにおいて、発電を行う燃料電池スタックに、水素を供給するために、炭化水素原料を改質して水素濃度が高い水素含有ガスを製造する燃料プロセッサが用いられる。この燃料プロセッサは、改質器と、シフト反応器と、一酸化炭素選択酸化（ＰＲＯＸ）反応器とを含む。改質器には、炭化水素原料と水とを改質反応させて改質ガスを製造する改質触媒層が内設され、シフト反応器には、前記改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させて水素を生成させ、さらに水素濃度が増加したシフトガスを製造するシフト反応触媒層が内設され、一酸化炭素選択酸化反応器には、前記シフトガス中に存在する一酸化炭素を選択的酸化反応させて、一酸化炭素濃度を低減させる一酸化炭素選択酸化触媒層が内設されている。
【０００３】
この燃料プロセッサにおける改質器、シフト反応器およびＰＲＯＸ反応器は、内部に、反応触媒（改質触媒、シフト反応触媒、ＰＲＯＸ反応触媒）が充填された触媒層が設けられ、その触媒層内を反応ガス（炭化水素原料＋水、改質ガス、シフトガス）が流通しながら改質反応、シフト反応およびＰＲＯＸ反応が行われる。そして、各反応器の触媒層は、改質触媒、シフト反応触媒およびＰＲＯＸ反応触媒のそれぞれの反応触媒による反応に適した所定の温度（触媒活性温度）に調整される。このとき、シフト反応器では、発生する熱によって触媒層の温度が高くなり過ぎると、シフト触媒が劣化して触媒活性が低下するおそれがある。また、ＰＲＯＸ反応器では、触媒層の温度が高くなり過ぎると、ＣＯ，ＣＯ２のメタン化反応が生じて急激な加熱反応が生じ、温度制御が困難となるおそれがある。これらのことにより、通常、定格負荷運転時には、反応触媒を冷却して所定の温度に調整される。
【０００４】
そして、この燃料プロセッサを備える燃料電池システムの運転開始に際しては、迅速に起動させて定格負荷運転に移行させるために、各反応器内の反応触媒を、触媒反応温度にまで昇温する必要が生じる。この燃料電池の起動においては、まず、改質触媒は、改質器に設けられたバーナによって加熱され、シフト反応器およびＰＲＯＸ反応器においても、それぞれの反応器に設置されたヒータによって加熱される。そして、各反応器内の触媒温度が低負荷運転に必要な所定温度に達すると、改質器に炭化水素原料と水が供給され改質反応が開始される。次に、低負荷運転から定格負荷運転に移行するにつれて反応に必要な触媒温度も上昇する。この低負荷運転から定格負荷運転への移行の初期においては、シフト反応は発熱反応であるものの低負荷運転時の反応量は少なく、また改質器出口における改質ガスはシフト反応触媒の活性化温度よりも高いが、改質器とシフト反応器を結ぶ連絡部での放熱やシフト反応触媒の熱容量が大きいため、シフト反応触媒が温まり難くシフト反応器における反応が進み難い。
【０００５】
そこで、特許文献１には、シフト反応器の改質ガスが導入される側の部分の外周に加熱部を設け、シフト反応の触媒活性温度以下の改質ガスがシフト反応器に導入される場合に、その改質ガスを加熱部で加熱することが開示されている。また、特許文献２には、触媒層に媒体流路となる伝熱管を配し、システムの起動時には、この伝熱管に加熱された媒体を流通させることによってシフト反応触媒を触媒活性温度まで昇温させる方法および装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２９３５１１号公報（請求項１、図１）
【特許文献２】特開２００３−２２９１４７号公報（段落００２９〜００３０、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、シフト反応器の改質ガスが導入される側の部分の外周に設けた加熱部によって、シフト反応器内に導入される改質ガスを加熱する場合、熱は、加熱部からシフト反応器の壁面、触媒層へと伝熱されるため、シフト反応触媒が触媒活性温度に達するまでに時間が掛り、起動から定格負荷運転に迅速に移行することができない。また、シフト反応器内の触媒層に伝熱管を配設し、この伝熱管に加熱媒体を流通させることにより、触媒層を触媒活性温度まで昇温させる方法または装置は、触媒層内に伝熱管を配設するため、構造が複雑となり、また、制御が困難となる。
【０００７】
そこで、本発明は、前記した問題を解決し、起動から定格負荷運転までの時間が短縮され、迅速に定格負荷運転まで移行できる燃料プロセッサおよびその運転制御方法、ならびにその燃料プロセッサを備えるため、起動から迅速に定格負荷運転に移行できる燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、炭化水素原料と水とを改質反応させて改質ガスを製造する改質器と、前記改質器からの改質ガスをシフト反応させるシフト反応器と、前記改質器および前記シフト反応器の運転を制御する運転制御器と、を備える燃料プロセッサであって、前記改質器の改質ガス出口と、前記シフト反応器の改質ガス入口とを連絡する改質ガス流路に、前記改質器から前記シフト反応器に供給される改質ガスを加熱する加熱手段を備え、前記運転制御器は、燃料プロセッサの運転開始に際して、前記改質器から供給される改質ガスの前記加熱手段による加熱を制御するシフト反応制御部を有することを特徴とする。
【０００９】
この燃料プロセッサでは、運転開始時に、運転制御器のシフト反応制御部が、改質器の改質ガス出口と、シフト反応器の改質ガス入口とを連絡する改質ガス流路に設けた加熱手段を制御して、改質器からシフト反応器に供給される改質ガスを加熱して昇温させ、シフト反応器の改質ガス入口周辺のシフト反応触媒によって、改質器からシフト反応器内に供給される改質ガスのシフト反応が開始される。改質ガス入口周辺でシフト反応が開始されると、その反応による発熱によってシフト反応器内のシフト反応触媒の触媒温度が迅速に昇温して、シフト反応が進行するため、定格負荷運転までの時間が短縮される。
【００１０】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の燃料プロセッサにおいて、前記改質器と、前記シフト反応器とが独立して構成され、前記改質ガス流路は、前記改質器の改質ガス出口と、前記シフト反応器の改質ガス入口とを連絡するガス流通路であることを特徴とする。
【００１１】
この燃料プロセッサでは、改質器とシフト反応器とが独立して構成されているため、改質器からシフト反応器に供給される改質ガスは、改質器の改質ガス出口とシフト反応器の改質ガス入口を連絡する改質ガス流路における放熱によって冷却される問題を解決し、燃料電池システムの起動時に、運転制御器のシフト反応制御部が、改質器の改質ガス出口と、シフト反応器の改質ガス入口とを連絡する改質ガス流路に設けた加熱手段を制御して、改質ガス流路を流通する改質ガスを直接加熱して昇温させ、この昇温した改質ガスによって、シフト反応器の改質ガス入口周辺のシフト反応触媒によって改質ガスのシフト反応が開始される。改質ガス入口周辺でシフト反応が開始されると、その反応による発熱によってシフト反応器内のシフト反応触媒の触媒温度が迅速に昇温して、シフト反応が進行するため、定格負荷運転までの時間が短縮される。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器と、前記シフト反応器とが一体的に構成され、前記改質ガス流路は、前記改質器と、前記シフト反応器との間の連絡部に配設されることを特徴とする。
【００１３】
この燃料プロセッサでは、起動に際して、低負荷運転から定格負荷運転への移行段階で、運転制御器のシフト反応制御部が、改質器の改質ガス出口と、シフト反応器の改質ガス入口とを連絡する改質ガス流路に設けた加熱手段を制御して、改質器からシフト反応器に供給される改質ガスを加熱して昇温させ、シフト反応器の改質ガス入口周辺のシフト反応触媒によって、改質器からシフト反応器内に供給される改質ガスのシフト反応が開始される。改質ガス入口周辺でシフト反応が開始されると、その反応による発熱によってシフト反応器内のシフト反応触媒の触媒温度が迅速に昇温して、シフト反応が進行するため、定格負荷運転までの時間が短縮される。特に、改質器と、シフト反応器とが一体的に構成されているため、改質器の改質ガス出口からシフト反応器の改質ガス入口とを連絡する改質ガス流路における放熱が少なくなりシフト反応触媒温度がさらに上昇しやすい。そのため、定格運転までの時間が短くなり加熱手段による加熱時間が短縮され消費エネルギが少なくなり効率が向上する。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料プロセッサを備える燃料電池システム。
【００１５】
この燃料電池システムでは、運転開始時に、燃料プロセッサにおいて、運転制御器のシフト反応制御部が、改質器の改質ガス出口と、シフト反応器の改質ガス入口とを連絡する改質ガス流路に設けた加熱手段を制御して、改質器からシフト反応器に供給される改質ガスを加熱して昇温させ、シフト反応器の改質ガス入口周辺のシフト反応触媒によって、改質器からシフト反応器内に供給される改質ガスのシフト反応が開始される。改質ガス入口周辺でシフト反応が開始されると、その反応による発熱によってシフト反応器内のシフト反応触媒の触媒温度が迅速に昇温して、シフト反応が進行するため、起動から迅速に定格負荷運転に移行でき、定格負荷運転までの時間が短縮される。
【００１６】
請求項５に係る発明は、炭化水素原料と水の反応によって改質ガスを製造する改質器と、前記改質部からの改質ガスをシフト反応させるシフト反応器とを備える燃料プロセッサの運転制御方法であって、燃料プロセッサの運転開始に際して、前記改質器の改質ガス出口と、前記シフト反応器の改質ガス入口とを連絡する改質ガス流通部に設けた加熱手段によって、前記改質器から供給される改質ガスを加熱してシフト反応器に供給することを特徴とする。
【００１７】
この燃料プロセッサの運転制御方法では、起動時に、改質器の改質ガス出口と、シフト反応器の改質ガス入口とを連絡する改質ガス流路に設けた加熱手段によって、改質器からシフト反応器に供給される改質ガスを加熱して昇温させ、シフト反応器の改質ガス入口周辺のシフト反応触媒によって、改質器からシフト反応器内に供給される改質ガスのシフト反応が開始される。改質ガス入口周辺でシフト反応が開始されると、その反応による発熱によってシフト反応器内のシフト反応触媒の触媒温度が迅速に昇温して、シフト反応が進行するため、定格負荷運転までの時間が短縮される。
【００１８】
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の燃料プロセッサの運転制御方法において、前記シフト反応器のシフト反応触媒の温度が所定の温度に達したときに、前記加熱手段による改質ガスの加熱を停止することを特徴とする。
【００１９】
この燃料プロセッサの運転制御方法では、シフト反応器のシフト反応触媒の温度が所定の温度に達したときに、シフト反応が安定し加熱手段ヒータによる加熱は不要となるため、このとき、前記加熱手段による改質ガスの加熱を停止することによって、加熱手段は、改質開始から反応が安定するまでの短時間の加熱だけで済ませることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燃料プロセッサおよびその運転制御方法においては、改質器とシフト反応器を結ぶ改質ガス流路に設ける加熱手段による改質ガスの加熱を制御することによって、シフト反応器に供給される改質ガスが昇温されてシフト反応器の改質ガス入口の周辺部のシフト反応触媒によってシフト反応が開始される。シフト入口部のシフト反応触媒が反応を開始するとその反応熱により触媒層の温度が迅速に上昇して反応が進行するため定格負荷運転までの時間が短縮できる。
【００２１】
また、定格負荷運転に移行した場合には、反応が安定し加熱手段による加熱は不要となるため、加熱手段は、改質開始から反応が安定するまでの短時間の加熱を行うだけでよい。
【００２２】
さらに、本発明の燃料電池システムは、運転開始に際して、燃料プロセッサが迅速に定常運転に移行できるため、起動から定格負荷運転までの時間が短縮される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システム１の主要構成を示すブロック図である。
この燃料電池システム１は、脱硫装置２と、改質器３と、シフト反応器４と、ＰＲＯＸ（一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化）反応器５と、燃料電池スタック６とを備えるものである。この燃料電池システム１において、脱硫装置２と、改質器３と、シフト反応器４と、ＰＲＯＸ反応器５と、運転制御器８とは、燃料電
池スタック６のアノード電極に水素含有ガス（水素含有量を増加させるとともに、一酸化炭素濃度を低減させた改質ガス）を供給する燃料プロセッサＰ１を構成する。
【００２４】
脱硫装置２は、改質器３における改質反応触媒の機能を阻害する硫黄分を除去するため、改質器３に供給する炭化水素原料を脱硫する装置である。この脱硫装置２は、特に制限されず、炭化水素原料の性状、硫黄含有量、脱硫負荷、処理量等に応じて、適宜選択される。脱硫触媒としては、例えば、ニッケル−モリブデン系、クロム−モリブデン系の脱硫触媒が用いられる。
【００２５】
本発明において、脱硫装置２によって脱硫された後、改質器３に供給される炭化水素原料は、改質器３における改質反応によって水素を製造できるものであれば、特に制限されない。例えば、灯油、軽油、重油、アスファルテン、オイルサンド油、メタノール、ナフサ、石炭液化油、石炭系重質油、ガソリン等の液状炭化水素混合物、都市ガス、ＬＰＧ等の気体状炭化水素混合物などの各種の炭化水素混合物を用いることができる。液状の炭化水素原料は、脱硫装置２に供給する前に加熱し気化させて脱硫装置に供給すればよい。これらの中でも、灯油は、水素源としてのエネルギ密度が非常に高く、可搬性および貯蔵性に富むため、家庭用の小型の定置型燃料電池システム用の炭化水素原料として好適である。また、用いる炭化水素原料が、硫黄分が少なく、改質器３における改質反応に供給可能なものであれば、脱硫装置２を省略して、改質器３に、直接、気体状の炭化水素原料と水とを供給することができる。
【００２６】
改質器３は、改質反応触媒の存在下に、例えば、６００〜７００℃の範囲の改質処理温度の下で、炭化水素原料が含む炭化水素分と水蒸気との反応によって、水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガス（以下、「改質ガス」という）を生成するための装置である。この改質器３は、炭化水素分と水蒸気との反応が行なわれる改質器本体に炭化水素原料を供給するための炭化水素原料供給流路と、水蒸気を供給するための水供給流路とを備える。
用いられる改質反応触媒は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の貴金属系触媒等が挙げられ、これらの触媒は、セラミック製の多孔質粒状体に担持され、改質器内に、その多孔質粒状体が充填されて触媒層を形成している。
【００２７】
この改質器３には、吸熱反応である炭化水素分と水蒸気の反応の生起のために熱を供給するバーナ７が設けられている。バーナ７には、燃料として、燃料電池スタック６のアノード電極から排出された未反応の水素を含むオフガスと、炭化水素原料とが供給されるとともに、それらの燃料を燃焼させるための空気が供給される。そして、改質器３には、改質触媒層の温度を検知する改質触媒温度センサ２３が設けられ、改質器３における反応温度は、改質触媒温度センサ２３によって改質器３内の改質触媒層の温度を検知され、その温度に基づいて、バーナ７に燃料として供給される炭化水素原料の供給量および空気の供給量を調整することによって制御される。改質器３で生成した改質ガスは、改質ガス流路２１を通ってシフト反応器４に供給される。この改質ガス流路２１には、内部を流通する改質ガスを加熱するための加熱手段２２が配設されている（図２参照）。
【００２８】
加熱手段２２は、改質ガス流路２１の内部を流通する改質ガスをシフト反応触媒の触媒活性温度に昇温することができるものであれば、特に限定されない。この加熱手段２２として、例えば、改質ガス流路２１として用いられる配管の外周に装着された電熱ヒータ、または配管の管肉部に埋設された電熱ヒータ、配管の外被または配管の管肉部に設けられた加熱媒体の流通による加熱媒体流路等を用いることができる。特に、本発明においては、改質ガスの加熱および加熱の停止を迅速かつ容易に行うことができるため、電熱ヒータを用いる加熱手段が好ましい。
【００２９】
シフト反応器４は、内部に、酸化鉄、銅−亜鉛系、銅−クロム系等のシフト反応触媒が充填されたシフト反応触媒層を有する。そして、このシフト反応器４においては、シフト反応触媒の存在下に、例えば１５０〜３００℃の温度において、改質器３で生成し、改質ガス入口４ａから導入される改質ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気の発熱反応（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２）によって、一酸化炭素を二酸化炭素に変成して、一酸化炭素濃度を低減させるとともに、さらに水素含有量が増加された改質ガス（以下、「シフトガス」という）を生成する装置である。これによって、燃料電池システム１に供給される炭化水素原料および水蒸気が含む水素が、燃料電池スタック６のアノードに供給される発電用水素資源として有効利用される。シフトガスは、シフト反応器４に設けられたシフトガス出口４ｂを通ってＰＲＯＸ反応器５に供給される。このシフト反応器４には、シフト反応触媒層の温度を検知するシフト反応触媒温度センサ２４が配設されている。
【００３０】
ＰＲＯＸ反応器５は、燃料電池スタック６の電極の被毒の問題を回避するため、ＰＲＯＸ反応触媒の存在下に、シフト反応器４から供給されるシフトガス中に微量に存在する一酸化炭素を酸化させて、シフトガスの一酸化炭素濃度をさらに低減させた改質ガス（以下、「水素含有ガス」という）を燃料電池スタック６に供給するための装置である。通常、このＰＲＯＸ反応器５において、シフトガス中の一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下に低減される。ＰＲＯＸ反応器５における反応は、例えば、白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属系のＰＲＯＸ反応触媒の存在下に、１００〜２００℃の範囲の温度で行なわれる。このＰＲＯＸ反応器５で生成した水素含有ガスは、水素含有ガス出口５ａから水素含有ガス流路２１ｅを通って燃料電池スタック６（図１参照）に供給される。このＰＲＯＸ反応器５には、ＰＲＯＸ反応触媒層の温度を検知するＰＲＯＸ反応触媒温度センサ２５が配設されている。
【００３１】
運転制御器８は、触媒温度検出部２６と、改質反応制御部２７と、シフト反応制御部２８と、ＰＲＯＸ反応制御部２９とを備える。
触媒温度検出部２６は、改質触媒温度センサ２３からの信号を受信して改質触媒層の温度を検出する改質触媒温度検出部２６ａと、シフト反応触媒温度センサ２４からの信号を受信してシフト反応触媒層の温度を検出するシフト反応触媒温度検出部２６ｂと、ＰＲＯＸ反応触媒温度センサ２５からの信号を受信してＰＲＯＸ反応触媒の温度を検出するＰＲＯＸ反応触媒温度検出部２６ｃとを備える。
【００３２】
改質反応制御部２７は、改質触媒検出部２６ａから改質器３内の改質触媒層の温度に関する情報を伝達され、その温度に基づいて、バーナ７に燃料として供給される炭化水素原料の供給量および空気の供給量を調整し、また、脱硫装置２からの改質器３への炭化水素原料の供給および改質器３への水の供給を制御する。
【００３３】
シフト反応制御部２８は、シフト反応触媒温度検出部２６ｂからシフト反応器４内のシフト反応触媒層の温度に関する情報を伝達され、その温度に基づいて、改質器３の改質ガス出口３ａ（図２参照）と、シフト反応器４の改質ガス入口４ａとの間を連絡する改質ガス流路２１に設けられた加熱手段２２を制御して、改質ガス流路２１の内部を流通する改質ガスの加熱を制御する。
【００３４】
ＰＲＯＸ反応制御部２９は、ＰＲＯＸ反応触媒温度検出部２６ｃからＰＲＯＸ反応器５内のＰＲＯＸ反応触媒層の温度に関する情報を伝達され、その温度に基づいて、ＰＲＯＸ反応器５への空気の供給を制御する。
【００３５】
燃料電池スタック６は、前記ＰＲＯＸ反応器５から供給される水素含有ガスをアノードに導入し、加湿器（図示せず）によって加湿された空気をカソードに導入して、水素と酸素の電気化学的反応によって発電を行うものである。この燃料電池スタック６は、触媒を含むアノードとカソードの間に固体高分子電解質膜等の電解質膜を挟装し、アノードに供給される水素含有ガス中の水素と、カソードに供給される空気中の酸素との反応によって水を生成する反応によって発電を行なうものである。
【００３６】
この燃料電池スタック６は、用いる炭化水素原料等に応じて、その形式、構造等が選択される。また、燃料電池スタック６における水素と酸素の電気化学的反応は、発電効率の観点から、通常、反応効率８０％程度で行なわれるため、燃料電池スタック６のアノードから排出されるオフガスには、未反応の水素が含まれている。そのため、オフガスを、前記のバーナ７に供給することによって、含有する水素を燃料として有効利用して、燃料電池システム全体の熱効率の向上を図ることができる。
【００３７】
この燃料電池システム１の燃料プロセッサＰ１において、改質器３と、シフト反応器４と、ＰＲＯＸ反応器５とは、別体に構成され、図２に示すように、改質器３の改質ガス出口３ａと、シフト反応器４の改質ガス入口４ａとが、改質ガス流路２１によって連絡される。この改質ガス流路２１を通って、改質器３からシフト反応器４に改質ガスが供給される。そして、運転制御器８のシフト反応制御部２８は、改質ガス流路２１に配設された加熱手段２２を制御して、燃料電池システム１の起動時に、改質ガス流路２１を流通する改質ガスを直接加熱して昇温させ、この昇温した改質ガスによって、シフト反応器４の改質ガス入口４ａ周辺のシフト反応触媒によって、改質器３からシフト反応器４内に供給される改質ガスのシフト反応が開始される。改質ガス入口４ａ周辺でシフト反応が開始されると、その反応による発熱によってシフト反応器内のシフト反応触媒の触媒温度が迅速に昇温して、シフト反応が進行するため、定格負荷運転までの時間が短縮され、燃料電池システム１の迅速な起動を図ることができる。
【００３８】
また、図３は、改質器３３と、シフト反応器３４と、ＰＲＯＸ反応器３５とが、一体的に構成された形態を有し、さらに、運転制御器３８を備える燃料プロセッサＰ２を示す。改質器３３と、シフト反応器３４とは、冷却部３６および加熱部３７を介して連絡され、冷却部３６と加熱部３７には、内部を貫通する改質ガス流路が設けられている。改質器３３には、改質触媒層の温度を検知する改質触媒温度センサ３３Ｔが配設され、シフト反応器３４には、シフト触媒層の温度を検知するシフト触媒温度検知センサ３４Ｔが配設され、ＰＲＯＸ反応器３５には、ＰＲＯＸ触媒層の温度を検知するＰＲＯＸ触媒温度検知センサ３５Ｔが配設されている。
【００３９】
改質ガス流路は、冷却部３６と加熱部３７を貫通し、改質器３３側に設けられた改質ガス出口とシフト反応器３４側に設けられた改質ガス入口との間を連絡する改質ガス流通孔（例えば、図４（Ａ）、（Ｂ）に示す複数の改質ガス通過孔４４ａ）によって構成される。改質ガス流路は、冷却部３６と加熱部３７の中央を貫通し、改質器３３側に設けられた改質ガス出口とシフト反応器３４側に設けられた改質ガス入口との間を連絡する１つの流通孔で構成されていてもよいし、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、複数の改質ガス通過孔４４ａで構成されていてもよい。
【００４０】
運転制御器３８は、触媒温度検出部３９と、改質反応制御部４１と、シフト反応制御部４２と、ＰＲＯＸ反応制御部４３とを備える。
触媒温度検出部３９は、改質触媒温度センサ３３Ｔからの信号を受信して改質触媒層の温度を検出する改質触媒温度検出部３９ａと、シフト反応触媒温度センサ３４Ｔからの信号を受信してシフト反応触媒層の温度を検出するシフト反応触媒温度検出部３９ｂと、ＰＲＯＸ反応触媒温度センサ３５Ｔからの信号を受信してＰＲＯＸ反応触媒の温度を検出するＰＲＯＸ反応触媒温度検出部３９ｃとを備える。
【００４１】
改質反応制御部４１は、改質触媒検出部３９ａから改質器３３内の改質触媒層の温度に関する情報を伝達され、その温度に基づいて、改質器３３の改質触媒層を加熱するためのヒータ（図示せず）による加熱量を制御し、また、脱硫装置（図示せず）からの改質器３３への炭化水素原料の供給および改質器３３への水の供給を制御する。また、この改質反応制御部４１は、燃料電池システムの運転時に、シフト反応器３４における触媒活性温度よりも高い温度となる改質ガスを冷却するため、冷却部３６を制御して冷却部３６の冷却水流路３６ａに冷却水を流通させて、改質器３３からシフト反応器３４に供給される改質ガスを冷却する。
【００４２】
シフト反応制御部４２は、シフト反応触媒温度検出部３９ｂからシフト反応器３４内のシフト反応触媒層の温度に関する情報を伝達され、その温度に基づいて、改質ガス流路２１に設けられた加熱部３７を制御して、改質ガス流路の内部を流通する改質ガスの加熱を制御する。
【００４３】
ＰＲＯＸ反応制御部４３は、ＰＲＯＸ反応触媒温度検出部３９ｃからＰＲＯＸ反応器３５内のＰＲＯＸ反応触媒層の温度に関する情報を伝達され、その温度に基づいて、ＰＲＯＸ反応器３５への空気の供給を制御する。
【００４４】
冷却部３６は、改質器３３からシフト反応器３４に供給される改質ガスを冷却するための冷却水流路３６ａが内設されている。燃料電池システムの運転時には、一般にシフト反応器３４における触媒活性温度よりも高い触媒温度で改質反応が行われるため、この冷却部３６は、改質反応制御部４１によって制御され、改質器３３からシフト反応器３４に供給される改質ガスを、シフト反応器３４における触媒活性温度まで冷却するために用いられる。そして、燃料電池システムの運転開始時には、改質器３３からシフト反応器３４に供給される改質ガスは、低温であるため、冷却部３６による改質ガスの冷却は、改質ガスの温度が高くなるまで停止される。
【００４５】
加熱部３７は、改質器３３側に設けられた改質ガス出口とシフト反応器３４側に設けられた改質ガス入口との間を連絡する１つの流通孔または複数の改質ガス通過孔４４ａ、４４ｂ（図４（Ａ）、（Ｂ）参照）を流通する改質ガスを加熱するための加熱手段（例えば、図４（Ａ）に示すヒータ４５ａ、図４（Ｂ）に示すヒータ４５ｂ）を有するものである。この加熱部３７における加熱手段が、シフト反応制御部４２によって制御され、燃料プロセッサの運転開始時に、改質ガス流路（例えば、図４（Ａ）、（Ｂ）に示す複数の改質ガス通過孔４４ａ、４４ｂ）の内部を流通する改質ガスの加熱が行われる。
【００４６】
この燃料プロセッサＰ２において、加熱部３７の具体例を図４に示す。
図４（Ａ）に示す加熱部３７ａは、円柱状の加熱部本体４０ａにヒータ（加熱手段）４５ａが配設された構成を有するものである。ヒータ４５ａは、加熱部本体４０ａ内に埋設された略円環状のヒータ頭部４６と、ヒータ頭部４６の両端に連絡されたヒータ足部４７とを有する。そして、冷却部３６と加熱部３７を貫通し、改質器３３側に設けられた改質ガス出口とシフト反応器３４側に設けられた改質ガス入口との間を連絡する、改質ガス通過孔４４ａは、ヒータ頭部４６の内側に４つ、外側に円周状に８つ穿設されている。この加熱部３７ａにおいては、ヒータ４５ａに電力を供給することによって、改質ガス通過孔を通ってシフト反応器３４に供給される改質ガスが加熱される。
【００４７】
また、図４（Ｂ）に示す加熱部３７ｂは、円柱状の加熱部本体４０ｂに、外側から加熱部本体４０ｂの中心に向けて放射状に６本のヒータ（加熱手段）４５ｂが挿入された構成を有するものである。そして、冷却部３６（図３参照）と加熱部３７を貫通し、改質器３３側に設けられた改質ガス出口とシフト反応器３４側に設けられた改質ガス入口との間を連絡する、改質ガス通過孔４４ｂは、加熱部本体４０ｂの中心に４つ、６本の電熱ヒータ４５ｂの隣接する電熱ヒータ４５ｂの間に円周状に６つ穿設されている。この加熱部３７ｂにおいては、電熱ヒータ４５ｂに電力を供給することによって、改質ガス通過孔３９ｂを通ってシフト反応器３４に供給される改質ガスが加熱される。
また、図４（Ａ）、（Ｂ）に示す構成に制限されず、ヒータ（加熱手段）は、例えば、加熱部本体４０ａ，４０ｂに並行に数本ヒータを挿入した構成であってもよい。
【００４８】
次に、図１に示す本発明の実施形態に係る燃料電池システムの運転制御方法について説明する。
図１に示す燃料電池システム１の定格負荷運転において、炭化水素原料は、脱硫装置２によって脱硫された後、改質器３に供給される。改質器３においては、改質触媒の存在下に、例えば６００〜７００℃の範囲の改質処理温度の下で、炭化水素原料が含む炭化水素分と水蒸気との反応（炭化水素＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ）によって、水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガス（以下、「改質ガス」という）が生成される。改質器３で生成した改質ガスは、シフト反応器４に供給され、一酸化炭素と水蒸気の発熱反応（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２）によって、一酸化炭素を二酸化炭素に変成して、一酸化炭素濃度を低減させるとともに、さらに水素含有量が増加された改質ガスを生成する。シフト反応器４で生成するシフトガスは、ＰＲＯＸ反応器５に供給され、シフトガス中に微量に存在する一酸化炭素を酸化させて、シフトガスの一酸化炭素濃度を更に低減させた水素含有ガスが生成される。そして、この水素含有ガスを、燃料電池スタック６のアノード（図示せず）に導入するとともに、加湿器（図示せず）によって加湿された空気をカソード（図示せず）に導入して、水素と酸素の電気化学的反応によって発電が行なわれる。
【００４９】
この燃料電池システム１の運転開始時における燃料プロセッサＰ１の起動ステップについて、図５に示すフローチャートに基づいて説明する。
まず、燃料プロセッサＰ１の起動に際しては、まず、運転制御器８の改質反応制御部２７、シフト反応制御部２８、およびＰＲＯＸ反応制御部２９は、各反応器における反応触媒の予熱を開始する。改質反応制御部２７によって改質器３に設けられたバーナ７が制御されて改質触媒が加熱され、シフト反応器４およびＰＲＯＸ反応器５においては、シフト反応制御部２８およびＰＲＯＸ反応制御部２９によって、それぞれの反応器に設置されたヒータ（図示せず）による予熱が行われる。そして、改質器３、シフト反応器４およびＰＲＯＸ反応器５に配設した触媒温度検知手段（改質触媒温度センサ２３、シフト反応触媒温度センサ２４、ＰＲＯＸ反応触媒温度センサ２５）によって、触媒温度検知部２６の改質触媒温度検出部２６ａ、シフト反応触媒温度検出部２６ｂおよびＰＲＯＸ反応触媒温度検出部２６ｃは、改質触媒層、シフト反応触媒層、ＰＲＯＸ反応触媒層の各触媒層の温度を検出し、検出された各触媒層の温度に基づいて、改質反応制御部２７、シフト反応制御部２８およびＰＲＯＸ反応制御部２９は、各触媒層が所定の第１設定温度ｔ１、ｔ２、ｔ３、に達しているか否かを判定する（ステップＳ１）。ここで、各触媒層の所定の第１設定温度は、各触媒が低負荷運転可能な温度のことであり、例えば、ｔ１は６００℃、ｔ２は１５０℃、ｔ３は１００℃に設定される。各触媒層の温度がそれぞれ所定の第１設定温度ｔ１、ｔ２、ｔ３に達していない場合（ＮＯ）には、各触媒層の予熱が続けられる。一方、各触媒層の温度がそれぞれ所定の第１設定温度ｔ１、ｔ２、ｔ３、に達している場合（ＹＥＳ）には、改質反応制御部２７が、改質器３に炭化水素原料と水蒸気を供給して低負荷運転を開始させるとともに、シフト反応制御部２８は加熱手段２２をＯＮにして改質器３からシフト反応器４へ供給される改質ガスの加熱を開始する（ステップＳ２）。このとき、改質器３に供給される炭化水素原料と水蒸気の量は、各触媒の温度に基づき各触媒層の反応可能量を超えないように供給される。
【００５０】
次に、改質器３、シフト反応器４およびＰＲＯＸ反応器５に配設した触媒温度検知手段（改質触媒温度センサ２３、シフト反応触媒温度センサ２４、ＰＲＯＸ反応触媒温度センサ２５）によって、触媒温度検知部２６の改質触媒温度検出部２６ａ、シフト反応触媒温度検出部２６ｂおよびＰＲＯＸ反応触媒温度検出部２６ｃは、改質触媒層、シフト反応触媒層、ＰＲＯＸ反応触媒層の各触媒層の温度を検出し、検出された各触媒層の温度に基づいて、改質反応制御部２７、シフト反応制御部２８およびＰＲＯＸ反応制御部２９は、各触媒層が所定の第２設定温度ｔ４、ｔ５、ｔ６、に達しているか否かを判定する（ステップＳ３）。ここで、各触媒層の所定の第２設定温度は、各触媒層が定格負荷運転可能な温度のことであり、例えば、ｔ４は６５０℃、ｔ５は２００℃、ｔ６は１５０℃に設定される。各触媒層の温度がそれぞれ所定の設定温度ｔ４、ｔ５、ｔ６に達していない場合（ＮＯ）には、低負荷運転を継続し、加熱手段による改質ガスの加熱が続けられる。各触媒層の温度がそれぞれ所定の設定温度ｔ４、ｔ５、ｔ６に達している場合には、燃料電池システムの定格負荷運転に入り(ステップＳ４)、シフト反応制御部２８は加熱手段２２による改質ガス流路２１を流通する改質ガスの加熱を停止する（ステップＳ５）。これによって、短時間でシフト反応器４の昇温が行える。そのため、シフト反応器４の起動から定格負荷運転に迅速に移行することができる。また、改質ガス流路２１に加熱手段２２を設けるだけなので、構造が単純であり簡便なもので制御が可能となる。
【００５１】
また、図３に示す燃料プロセッサＰ２の起動に際しては、まず、運転制御器３８の改質反応制御部４１、シフト反応制御部４２、およびＰＲＯＸ反応制御部４３は、各反応器における反応触媒の予熱を開始する。改質反応制御部４１によって改質器３３に設けられたヒータ（図示せず）が制御されて改質触媒層が加熱され、シフト反応器３４およびＰＲＯＸ反応器３５においては、シフト反応制御部２８およびＰＲＯＸ反応制御部２９によって、それぞれの反応器に設置されたヒータ（図示せず）による予熱が行われる。そして、改質器３３、シフト反応器３４およびＰＲＯＸ反応器３５に配設した触媒温度検知手段（改質触媒温度センサ３３Ｔ、シフト反応触媒温度センサ３４Ｔ、ＰＲＯＸ反応触媒温度センサ３５Ｔ）によって、触媒温度検知部３９の改質触媒温度検出部３９ａ、シフト反応触媒温度検出部３９ｂおよびＰＲＯＸ反応触媒温度検出部３９ｃは、改質触媒層、シフト反応触媒層、ＰＲＯＸ反応触媒層の各触媒層の温度を検出し、検出された各触媒層の温度に基づいて、改質反応制御部４１、シフト反応制御部４２およびＰＲＯＸ反応制御部４３は、各触媒層が所定の第１設定温度ｔ１、ｔ２、ｔ３、に達しているか否かを判定する（ステップＳ１）。ここで、各触媒層の所定の第１設定温度は、各触媒が低負荷運転可能な温度のことであり、例えば、ｔ１は６００℃、ｔ２は１５０℃、ｔ３は１００℃に設定される。各触媒層の温度がそれぞれ所定の第１設定温度ｔ１、ｔ２、ｔ３に達していない場合（ＮＯ）には、各触媒層の予熱が続けられる。一方、各触媒層の温度がそれぞれ所定の第１設定温度ｔ１、ｔ２、ｔ３、に達している場合（ＹＥＳ）には、改質反応制御部４１が、改質器３３に炭化水素原料と水蒸気を供給して低負荷運転を開始させるとともに、シフト反応制御部４２は加熱手段（図４（Ａ）に示すヒータ４５ａ、図４（Ｂ）に示すヒータ４５ｂ）をＯＮにして改質器３３から改質ガス通過孔４４ａ，４４ｂを通ってシフト反応器３４へ供給される改質ガスの加熱を開始する（ステップＳ２）。このとき、改質器３３に供給される炭化水素原料と水蒸気の量は、各触媒の温度に基づき各触媒層の反応可能量を超えないように供給される。
【００５２】
次に、改質器３３、シフト反応器３４およびＰＲＯＸ反応器３５に配設した触媒温度検知手段（改質触媒温度センサ２３、シフト反応触媒温度センサ２４、ＰＲＯＸ反応触媒温度センサ２５）によって、触媒温度検知部２６の改質触媒温度検出部２６ａ、シフト反応触媒温度検出部２６ｂおよびＰＲＯＸ反応触媒温度検出部２６ｃは、改質触媒層、シフト反応触媒層、ＰＲＯＸ反応触媒層の各触媒層の温度を検出し、検出された各触媒層の温度に基づいて、改質反応制御部２７、シフト反応制御部２８およびＰＲＯＸ反応制御部２９は、各触媒層が所定の第２設定温度ｔ４、ｔ５、ｔ６、に達しているか否かを判定する（ステップＳ３）。ここで、各触媒層の所定の第２設定温度は、各触媒層が定格負荷運転可能な温度のことであり、例えば、ｔ４は６５０℃、ｔ５は２００℃、ｔ６は１５０℃に設定される。各触媒層の温度がそれぞれ所定の設定温度ｔ４、ｔ５、ｔ６に達していない場合（ＮＯ）には、低負荷運転を継続し、加熱手段による改質ガスの加熱が続けられる。各触媒層の温度がそれぞれ所定の設定温度ｔ４、ｔ５、ｔ６に達している場合には、燃料電池システムの定格負荷運転に入り(ステップＳ４)、シフト反応制御部４２は加熱手段（図４（Ａ）に示すヒータ４５ａ、図４（Ｂ）に示すヒータ４５ｂ）による改質ガス流路（改質ガス通過孔４４ａ，４４ｂ）を流通する改質ガスの加熱を停止する（ステップＳ５）。これによって、短時間でシフト反応器３４の昇温が行える。そのため、シフト反応器３４の起動から定格負荷運転に迅速に移行することができる。また、改質ガス流路に加熱手段を設けるだけなので、構造が単純であり簡便なもので制御が可能となる。
【００５３】
なお、本発明の燃料電池システムは、前記実施形態に限定されず、各種の応用例または好適例が考えられる。図５のフローチャートに示す起動ステップでは、ステップＳ２において加熱手段２２による改質ガスの加熱を開始してからステップＳ５に至るまでに加熱手段２２は改質ガスを加熱してシフト反応器４のシフト反応触媒を高温に昇温させるように制御されるが、異常に過熱された改質ガスがシフト反応器４に流入しシフト反応触媒を劣化させるおそれがある。そこで、例えば、図６に示すように、シフト反応器４に導入される前の改質ガスの温度を検出するために、シフト反応器４に改質ガスを導入する改質ガス流路２１に改質ガス温度検出手段５０を配設してもよい。そして、この改質ガス温度検出手段５０によって、シフト反応器４に導入される改質ガスの温度の検出を随時行い、異常過熱された改質ガスを検出した場合、加熱手段２２による改質ガスの加熱を停止させる。これによって、シフト反応器４に異常過熱された改質ガスが流入してシフト反応触媒が劣化する問題を防止することができる。また、改質ガス温度検出手段は、図６に示す例では、加熱手段２２の下流側の改質ガス流路２１に設ける場合を示したが、シフト反応器４に流入する改質ガスの異常過熱を検知できれば、改質ガス流路２１上のいずれの箇所に設けてもよく、特に限定されない。
【００５４】
また、前記の実施形態において、改質器３およびシフト反応器４に配設した温度検出手段によって、改質触媒およびシフト反応触媒の各触媒の温度を検出し制御の判定に用いるとしたが、温度検出手段は各反応器のガスの出入り口における改質ガス温度を検知し制御の判定に用いることも可能である。例えば、改質器３では、改質器３の改質ガス出口付近の改質触媒の温度を検出可能な位置に、シフト反応器４では、シフト反応触媒の温度が検出可能な位置、好ましくは改質ガス入口とシフトガス出口付近のシフト反応触媒の温度をそれぞれ検出可能な位置に、ＰＲＯＸ反応器５では、ＰＲＯＸ反応触媒の温度が検出可能な位置、好ましくはシフトガス入口付近のＰＲＯＸ反応触媒の温度を検出可能な位置に、それぞれ設けることが好ましい。これは、改質器３では、改質ガス出口における改質ガスの温度、シフト反応器４では、シフトガス出口におけるシフトガスの温度によって、改質器３から流出してシフト反応器４に流入する改質ガスの組成、シフト反応器４から流出してＰＲＯＸ反応器５に流入するシフトガスの組成を知ることができるためである。また、シフト反応器４の改質ガス入口付近、およびＰＲＯＸ反応器５においてはシフトガス入口付近では、それぞれの触媒反応が遅いため、各触媒の温度を正確に検知することができる点で、好ましい。
【００５５】
また、図３に示した実施形態において、改質器３３、シフト反応器３４、ＰＲＯＸ反応器３５はそれぞれヒータ（図示せず）にて加熱するようにしているが、これらのヒータの代わりに改質器３３を加熱するバーナ（図示せず）によって加熱器３３、シフト反応器３４、ＰＲＯＸ反応器３５を加熱するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】燃料プロセッサＰ１の構成を説明するブロック図である。
【図３】燃料プロセッサＰ２の構成例を示すブロック図である。
【図４】（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ燃料プロセッサＰ２における加熱部の具体的構成例を示す模式図である。
【図５】本発明の燃料電池システムの運転制御方法を説明するブロック図である。
【図６】燃料プロセッサにおける温度検出手段の配置例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５７】
１      燃料電池システム
２      脱硫装置
３      改質器
３ａ    改質ガス出口
４      シフト反応器
４ａ    改質ガス入口
４ｂ    シフトガス出口
５      ＰＲＯＸ反応器
６      燃料電池スタック
８      運転制御器
２１    改質ガス流路
２２    加熱手段
２６    触媒温度検出部
２７    改質反応制御部
２８    シフト反応制御部
２９    ＰＲＯＸ反応制御部
３３    改質器
３４    シフト反応器
３５    ＰＲＯＸ反応器
３６    冷却部
３７、３７ａ、３７ｂ    加熱部
３８    運転制御器
３９    触媒温度検出部
４１    改質反応制御部
４２    シフト反応制御部
４３    ＰＲＯＸ反応制御部
４０ａ、４０ｂ    加熱部本体
４４ａ、４４ｂ    改質ガス通過孔
４５ａ、４５ｂ    ヒータ（加熱手段）
【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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【図６】
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