(57)【要約】【課題】固体高分子形燃料電池システムの起動時に、燃料改質装置におけるＣＯ変成器の触媒を反応温度まで昇温する時間を短縮できるようにする。【解決手段】固体高分子形燃料電池システムの起動時に、改質器で原燃料を水蒸気改質して生成した改質ガスを、ＣＯ変成器に導入してその触媒を昇温させる場合、ＣＯ変成器の触媒温度が低温領域の時は、改質器で低ｓ／ｃ運転を行って水蒸気含有量の少ない改質ガスにより昇温を行い、ＣＯ変成器の触媒温度が所定温度領域に至った時は、改質器で高ｓ／ｃ運転に切り換えて水蒸気含有量の多い改質ガスにより昇温を行い、以後反応温度まで高ｓ／ｃ運転を継続して行う。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器とを備えた燃料改質装置を有する固体高分子形燃料電池システムの起動方法であって、起動時に前記改質器のバーナ燃焼熱により燃料改質装置自体の昇温を行うと共に、改質器で生成した改質ガスにより前記ＣＯ変成器及びＣＯ除去器を昇温する場合に、ＣＯ変成器温度が水の沸点以下の所定領域に到達するまでは、定常運転時よりも水蒸気含有量の少ない改質ガスで昇温を行い、ＣＯ変成器の触媒温度が所定温度に到達した際に水蒸気含有量の多い改質ガスで昇温を行うことを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの起動方法。
【請求項２】
前記水蒸気含有量は、改質器に導入する原燃料とこれに混合する水蒸気との混合比を変えることにより調整することを特徴とする請求項１記載の固体高分子形燃料電池システムの起動方法。
【請求項３】
前記所定温度領域が６０〜９５℃であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の固体高分子形燃料電池システムの起動方法。
【請求項４】
水蒸気発生器が内蔵された構造を有する燃料改質装置を用いた請求項１乃至請求項３いずれか１項記載の固体高分子形燃料電池システムの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子形燃料電池システムの起動方法に係り、燃料改質装置の起動に要する時間を短縮した固体高分子形燃料電池システムの起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池システムは、周知の如く炭素系の燃料例えば都市ガス等の原燃料を燃料改質装置によって水素主体の改質ガスに改質し、この改質ガスを固体高分子形燃料電池のアノードに供給すると共に、カソードには空気等の酸化剤ガスを供給し、固体高分子電解質膜を介して電気化学反応を生じさせることにより直流電力を発電する。
【０００３】
上記燃料改質装置は、通常原燃料を水素主体の改質ガスに水蒸気改質する改質器と、改質器で生成された改質ガスに水性ガスシフト反応を生じさせることで改質ガス中のＣＯ濃度を約１％程度まで低減するＣＯ変成器と、ＣＯ変成器を出た改質ガス中のＣＯに選択的酸化を施すことによりＣＯ濃度を更に数ｐｐｍ程度にまで低減するＣＯ除去器とから構成されている。改質ガス中のＣＯ濃度を数ｐｐｍ程度まで低減するのは、固体高分子形燃料電池の電極触媒層がＣＯにより被毒されるのを防止するためである。
【０００４】
上記改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器にはそれぞれ触媒が充填されており、改質器の触媒は反応温度６５０〜７００℃で、ＣＯ変成器の触媒は反応温度２５０〜３００℃で、ＣＯ除去器の触媒は反応温度１００〜１５０℃でそれぞれ有効に触媒作用をなすように設定されている。
【０００５】
改質器にはバーナが設けられており、起動時に原燃料をバーナに送り込んで燃焼し、改質器温度を所定温度まで高めた後、原燃料を水蒸気と所定の混合比で混合して改質器に供給して水蒸気改質し、水素主体の改質ガスを生成する。そして、この高温の改質ガスをＣＯ変成器に導入してＣＯ変成器の触媒を反応温度まで昇温し、更にＣＯ変成器から出た改質ガスをＣＯ除去器に導入してＣＯ除去器の触媒を反応温度まで昇温させている。
【０００６】
ＣＯ変成器、ＣＯ除去器の各触媒がそれぞれ反応温度まで昇温した時点から定常運転に入るが、起動時から定常運転に至るまでの時間を如何に短縮するかが、固体高分子形燃料電池システムの効率上大きな問題となる。起動時に生成される改質ガスは成分が不安定であるため、固体高分子形燃料電池のアノードに供給せず、ＰＧバーナに送り込んで燃焼するのが一般的である。
【０００７】
改質器の触媒を前記バーナにより短時間で効率良く反応温度まで均温加熱する技術（例えば、特許文献１）は従来知られている。しかしながら、改質器の触媒昇温時間だけを短縮しただけでは不十分であり、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器の触媒昇温時間も併せて短縮することが望まれている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−２１７４０５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような要望に対応するためになされたもので、特にＣＯ変成器及びＣＯ除去器の昇温時間を短縮できるようにした固体高分子形燃料電池システムの起動方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための手段として、本発明の請求項１は、改質器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器とを備えた燃料改質装置を有する固体高分子形燃料電池システムの起動方法であって、起動時に前記改質器のバーナ燃焼熱により燃料改質装置自体の昇温を行うと共に、改質器で生成した改質ガスにより前記ＣＯ変成器及びＣＯ除去器を昇温する場合に、ＣＯ変成器温度が水の沸点以下の所定領域に到達するまでは、定常運転時よりも水蒸気含有量の少ない改質ガスで昇温を行い、ＣＯ変成器の触媒温度が所定温度に到達した際に水蒸気含有量の多い改質ガスで昇温を行うことを特徴とする。
【００１１】
又、本発明の請求項２は、請求項１の固体高分子形燃料電池システムの起動方法において、前記水蒸気含有量は、改質器に導入する原燃料とこれに混合する水蒸気との混合比を変えることにより調整することを特徴とする。
【００１２】
更に、本発明の請求項３は、請求項１又は請求項２の固体高分子形燃料電池システムの起動方法において、前記所定温度領域が６０〜９５℃であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項４は、請求項１乃至請求項３いずれか１項の固体高分子形燃料電池システムの起動方法において、水蒸気発生器が内蔵された構造を有する燃料改質装置を用いたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る固体高分子形燃料電池システムの起動方法の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。図１は、固体高分子形燃料電池システムの構成例を示す概略図である。図２は、燃料改質装置におけるＣＯ変成器の触媒温度の変化を示すグラフである。
【００１５】
図１において、１は燃料改質装置であり、改質器２と、この改質器２に連結したＣＯ変成器３と、このＣＯ変成器３に連結したＣＯ除去器４とを備えている。改質器２はバーナ２ａを有しており、起動時には切替バルブＶ１を開いて原燃料（例えば、都市ガス）が供給されると共に、空気が供給されて原燃料を燃焼する。
【００１６】
バーナ２ａの燃焼熱により改質器２の触媒が昇温され、触媒温度が約６５０℃になった時点で切替バルブＶ２を開いて原燃料を脱硫器５に送り込み、ここで硫黄分を吸着除去した後に原燃料を水蒸気と共に改質器２に導入して水蒸気改質を行う。
【００１７】
改質器２で改質された水素主体の改質ガスは、ＣＯ変成器３に導入してその触媒３ａ（触媒層）を昇温し、更にＣＯ変成器３から出た改質ガスをＣＯ除去器４に導入してその触媒４ａ（触媒層）を昇温する。
【００１８】
本発明では、ＣＯ変成器３の触媒３ａを短時間で効率良く所定の反応温度まで昇温させるために、その触媒３ａの温度領域によって前記改質器２での水蒸気改質の条件を調整する。この調整は、具体的には改質器２に供給する原燃料と水蒸気の混合比（ｓ／ｃ）を変えることで行う。
【００１９】
図２に示すように、横軸（時間）において起動時から１０分位経過すると、前記バーナ２ａの燃焼により改質器２の触媒温度が約６５０℃程度にまで昇温するので、この時点ＡでＶ３を開状態とすることで水蒸気発生器８に水又は水蒸気を供給し、水蒸気を改質器２に供給する。水蒸気発生器８は、改質器バーナ２ａの燃焼排ガスの熱及び改質器２から排出される改質ガスの熱により加熱され、蒸気発生に使用される。水蒸気の供給に続いてＶ２を開状態とすることにより、原燃料を供給する。改質器２に原燃料と水蒸気が投入される以前の段階では、未だＣＯ変成器３には改質ガスが導入されないため、この間は縦軸に示されているようにＣＯ変成器３の触媒温度は、ほぼ外気温と同じ温度（この場合は、約２０℃）を維持している。
【００２０】
改質器２で生成した改質ガスをＣＯ変成器３に対して導入開始すると、ＣＯ変成器３の触媒３ａが加熱されて昇温し、時点Ａから概ね１０分経過後（起動時から約２０分）の時点Ｂで触媒３ａの温度は９０℃近傍に至り安定する。本実施形態においては、９０℃近傍で安定したが、この温度は測温位置或は投入する原燃料と水蒸気量及びその比率によって６０〜９５℃の範囲で変化する。
【００２１】
通常は改質器２でのｓ／ｃは３．０程度であるが、本発明では前記時点ＡからＢの間はｓ／ｃを通常より低い２．５程度に調整する。即ち、水蒸気量の少ない混合比にて改質器２で水蒸気改質を行う。時点Ａ〜Ｂ間はＣＯ変成器３の触媒３ａ温度が低い領域であり、この低温領域において多量の水蒸気を含有している改質ガスをＣＯ変成器３に導入すると、水蒸気が冷やされて多量の凝縮水が発生する。
【００２２】
このようにＣＯ変成器３で多量の凝縮水が発生すると、触媒３ａの表面に凝縮水が付着するため、温度が高まってくるとその凝縮水の蒸発潜熱により熱が奪われ、かえって触媒３ａの昇温が阻害され時間が多く掛かってしまう。本発明では、上記のようにＣＯ変成器３の触媒３ａ温度が低温領域においては、水蒸気量の少ない改質ガスで昇温し、凝縮水の発生を抑えながら短時間にて効率良くＣＯ変成器３の触媒３ａを昇温させることができる。
【００２３】
前記時点Ｂに至ったら、改質器２でのｓ／ｃを４．０〜５．０或はそれ以上に変更する。即ち、水蒸気量の多い混合比にて改質器２で水蒸気改質を行う。同時にバーナ２ａへの原燃料の供給量も増加て燃焼量を増大する。時点Ｂから時点Ｃに至る間は、高温多湿の改質ガスがＣＯ変成器３に導入されるものの、ＣＯ変成器３内で生じる凝縮水の蒸発のため潜熱として熱が奪われるため触媒３ａの昇温速度は緩いカーブを描く。
【００２４】
時点ＣにてＣＯ変成器３の触媒３ａ温度が１００℃を超えると、改質器２での前記高ｓ／ｃの改質運転により水蒸気の凝縮を抑えながら大量の顕熱をＣＯ変成器３に与えることができ、それ以後反応温度になる迄は顕熱による加熱となって触媒３ａの昇温速度を著しく速めることができる。起動時からＣＯ変成器３の触媒３ａを所定の反応温度まで高めるまでの時間は、破線で示す従来方法（ｓ／ｃ：一定）に比して１０分程度の短縮が可能となった。
【００２５】
尚、説明は省略したが、ＣＯ除去器４の触媒４ａを所定の反応温度まで昇温する時間もＣＯ変成器３に対応して短縮させることができた。
【００２６】
ＣＯ変成器３の触媒３ａ及びＣＯ除去器４の触媒４ａが反応温度までそれぞれ昇温された時点から定常運転が開始される。前記のように起動時にはＣＯ除去器４から出る改質ガスは成分が安定していないため、図示を省略したＰＧバーナに送り込んで燃焼するが、定常運転モードになると改質ガスの成分は安定するため、ＰＧバーナへの導入は停止される。そして、ＣＯ除去器４から出る改質ガスを固体高分子形燃料電池６のアノードに供給すると共に、空気供給装置７から反応空気をカソードに供給し、高分子電解質膜を介して電気化学反応を生じさせることにより直流電力を発電する。
【００２７】
定常運転時においては、固体高分子形燃料電池６のアノードから排出されるアノード排ガス（燃料電池未反応ガス）が前記改質器２のバーナ２ａに送り込まれて燃焼される。前記切替バルブＶ１は閉じられてバーナ２ａへの原燃料の供給は停止される。改質器２では吸熱反応が行われるため、定常運転時においてもバーナ２ａを燃焼させて触媒を加熱し反応温度に維持する必要がある。尚、改質器２でのｓ／ｃは通常の混合比に戻す。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項１の発明によれば、改質器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器とを備えた燃料改質装置を有する固体高分子形燃料電池システムの起動方法であって、起動時に前記改質器のバーナ燃焼熱により燃料改質装置自体の昇温を行うと共に、改質器で生成した改質ガスにより前記ＣＯ変成器及びＣＯ除去器を昇温する場合に、ＣＯ変成器温度が水の沸点以下の所定領域に到達するまでは、定常運転時よりも水蒸気含有量の少ない改質ガスで昇温を行い、ＣＯ変成器の触媒温度が所定温度に到達した際に水蒸気含有量の多い改質ガスで昇温を行うので、ＣＯ変成器が低温領域の際には、水蒸気量の少ない改質ガスで昇温して凝縮水の発生を抑えながら昇温でき、一定温度に達した際には水蒸気量を増やして供給することにより、水蒸気の凝縮を抑えながら大量の顕熱をＣＯ変成器に伝達することができ、短時間にてＣＯ変成器を反応温度まで昇温することができる。
【００２９】
又、本発明に係る請求項２の発明によれば、請求項１の固体高分子形燃料電池システムの起動方法において、前記水蒸気含有量は、改質器に導入する原燃料とこれに混合する水蒸気との混合比を変えることにより調整するので、その調整が容易に且つ適正に行える。
【００３０】
更に、本発明に係る請求項３の発明によれば、請求項１又は請求項２の固体高分子形燃料電池システムの起動方法において、前記所定温度領域が６０〜９５℃であることを特徴とし、ＣＯ変成器の触媒がその温度に至るまでは低ｓ／ｃ運転を行い、その温度に至った後は高ｓ／ｃ運転を行うことにより、ＣＯ変成器の触媒を短時間にて効率良く反応温度まで昇温させることができる。
【００３１】
本発明に係る請求項４の発明によれば、請求項１乃至請求項３いずれか１項の固体高分子形燃料電池システムの起動方法において、水蒸気発生器が内蔵された構造を有する燃料改質装置を用いたので、この水蒸気発生器を改質器バーナの燃焼排ガスの熱及び改質器から排出される改質ガスの熱により加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体高分子形燃料電池システムの構成例を示す概略図である。
【図２】本発明に係る固体高分子形燃料電池システムの起動方法の実施形態を示すもので、燃料改質装置におけるＣＯ変成器の触媒温度の変化を表すグラフである。
【符号の説明】
１…燃料改質装置
２…改質器
２ａ…バーナ
３…ＣＯ変成器
３ａ…触媒（触媒層）
４…ＣＯ除去器
４ａ…触媒（触媒層）
５…脱硫器
６…固体高分子形燃料電池
７…空気供給装置
８…水蒸気発生器
【図１】
2004185941.tif 000003
【図２】
2004185941.tif 000004