(57)【要約】【課題】改質器へ供給される改質原料に素早い熱供給ができる燃料改質システムを提供する。【解決手段】原料燃料を水素リッチな改質ガスに改質する改質器８と、その下流に配置された一酸化炭素を除去する触媒反応器１、２を有する一酸化炭素除去装置と、を備えた燃料改質システムを構成する。触媒反応器１は触媒反応によって発生した熱を、改質器８に供給する改質原料と熱交換器３にて熱交換を行う。バルブ４、５により触媒反応器１、２へ供給される空気量を制御し、改質器８での改質量に応じた熱供給を改質原料に行う。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料燃料を水素リッチな改質ガスに改質する改質器と、
前記改質器の下流に設けられ一酸化炭素を除去する複数の触媒反応器を有する一酸化炭素除去装置と、を備えた燃料改質システムにおいて、
前記触媒反応器のうち少なくとも一つの触媒反応器であって、触媒反応によって発生した熱を改質器に供給する改質原料と熱交換可能に構成された熱交換型触媒反応器と、
前記熱交換型触媒反応器を含む少なくとも２つの触媒反応器上流にそれぞれ設けられ、前記触媒反応器へ酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記酸化ガス供給手段への酸化ガス供給量を制御する酸化ガス流量制御手段と、
を有する燃料改質システム。
【請求項２】
前記複数の触媒反応器を有する一酸化炭素除去装置の中で、前記熱交換型触媒反応器は最上流に位置している請求項１に記載の燃料改質システム。
【請求項３】
前記改質器での目標改質量に応じて、前記それぞれの酸化ガス供給手段への酸化ガス供給量を制御する請求項１または２に記載の燃料改質システム。
【請求項４】
前記改質器での改質量が増加する過渡時には、前記熱交換型触媒反応器への酸化ガス供給量を他の触媒反応器よりも増加する請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
【請求項５】
前記改質器での目標改質量に応じて、前記それぞれの酸化ガス供給手段への酸化ガス供給割合を制御する請求項１または２に記載の燃料改質システム。
【請求項６】
前記改質器での改質量が増加する過渡時は、前記熱交換型触媒反応器に対する酸化ガス供給割合を他の触媒反応器よりも増加する請求項１、２または５に記載の燃料改質システム。
【請求項７】
前記熱交換型触媒反応器には冷媒を導入し、熱交換を行った冷媒は、前記改質器に供給される燃料、水、または酸化ガスのいずれかと熱交換を行う熱交換器に循環される請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
【請求項８】
前記熱交換型触媒反応器で前記改質器に供給される燃料、水、または酸化ガスのいずれかが熱交換を行う請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は改質器へ供給される改質原料を加熱する熱供給手段を有した燃料改質システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池システムとして特許文献１のようなものが知られている。これは、改質型燃料電池システムにおいて改質ガスを変成器での改質に適した温度にするために熱交換器を設け、改質ガスと燃料電池排ガスを熱交換器にて熱交換を行い、改質ガスを冷却している。そしてその熱交換で加熱された燃料電池排ガスにより、改質器へ供給する改質燃料を加熱し、熱の有効利用を行っている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１４３７３１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとしている問題点】
従来の燃料電池システムでは冷却媒体として、燃料電池から排出された排ガスを使用し、暖められた排ガスを用いて改質燃料を加熱している。燃料電池で高出力が要求されると燃料電池へ供給する水素量を増加させるが、これにより改質器における要求改質量が増加するので、改質原料に多くの熱量を与えるために熱交換器への排ガス流量を増加させ、熱交換器における熱交換量を増加させる必要がある。しかしこの場合では燃料電池の排ガスを使用し、熱交換器において熱交換を行っているため、急激な負荷応答に対して、まず燃料電池排ガスの増加を待たなければならず、応答時間が長くなってしまうといった問題点があった。
【０００５】
本発明は、改質器の負荷応答に早急に対応できる改質原料への熱供給を行う燃料改質システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、原料燃料を水素リッチな改質ガスに改質する改質器と、その下流に配置された複数の触媒反応器を有した一酸化炭素除去装置と、を備えた燃料改質システムで、前記触媒反応器のうち少なくとも一つの触媒反応器は、触媒反応によって発生した熱を改質器に供給する改質原料と熱交換可能な触媒反応器である。また熱交換可能な前記触媒を含む少なくとも２つの触媒反応器の上流に酸化ガス供給手段がそれぞれ設けられ、各触媒反応器へ供給する酸化ガスを制御する。
【０００７】
【作用及び効果】
熱交換可能な触媒反応器は熱交換により、改質器へ供給する改質原料を加熱する。各触媒反応器へ供給する酸化ガス供給量を制御することにより、熱交換可能な触媒反応器での触媒反応を制御し、発熱量を容易に制御できる。このため改質器の過渡運転時にも、負荷変動に応じた速やかな熱供給ができ、改質器での増加された原燃料を加熱できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態での概略構成を図１に示す。
【０００９】
８は改質器であり、改質原料の例えばガソリンといった炭化水素系燃料を、やはり改質原料である水や空気を介在させた高温の雰囲気下で、水素リッチなガスに改質する。
【００１０】
１と２は改質器８で生成された改質ガス中の一酸化炭素を除去するために、直列に配置された第１の触媒反応器と第２の触媒反応器であって、これらは一酸化酸素除去装置を構成する。第１、第２の触媒反応器１、２において酸化剤として供給される空気の下で、触媒での発熱を伴う酸化反応により改質ガス中の一酸化炭素を除去する。このうち第１の触媒反応器１は、内部に熱交換器３を備えた熱交換型触媒反応器である。
【００１１】
熱交換器３には、改質原料タンク７に蓄えられた改質原料としての水が、流量調整型のポンプ６を介して導入され、第１の触媒反応器１において発生する熱と熱交換する。これにより、第１の触媒反応器１に流入した改質ガスは第２の触媒反応器２における一酸化炭素の除去反応に適した温度まで冷却され、また熱交換器３を流れる水は加熱され温度が上昇する。そして、この熱交換後の温度上昇した水は、前記改質器８に改質原料として供給される。
【００１２】
一方、９は空気供給源としてのエアコンプレッサである。このエアコンプレッサ９によって空気は改質器８に改質原料の一部として配管１０ａを介して供給され、同時に前記第１の触媒反応器１と第２の触媒反応器２に一酸化炭素除去のために、配管１０ｂと１０ｃを介して供給される。この場合、配管１０ｂと１０ｃには、空気供給量を制御するためにバルブ４と５が設けられる。バルブ４と５により制御される空気の供給量Ｖ１とＶ２は改質ガス中の一酸化炭素を除去するのに必要な量であり、原則として改質ガスの生成量に応じて変化する。
【００１３】
なお、図示しないが、改質器８に供給される改質原料としての空気供給量を負荷に応じて制御するためのバルブも備えられる。
【００１４】
そして、本発明においては、バルブ４と５を介して第１、第２の触媒反応器１と２に導入される空気量の比率を、改質器８の負荷変動時、特に負荷増大時に変化させる。すなわち負荷増大時には第１の触媒反応器１への空気導入量を相対的に増加させ、これにより図２にも示すように、第１の触媒反応器１での発熱量を増大し、熱交換器３での熱交換量を増大させられるようにしている。この結果、改質器８での要求負荷に応じて改質燃料と共に増加させられる改質原料である水が、熱交換型の第１の触媒反応器１において応答性よく加熱され、改質器８での改質ガス量の生成増大に対応することが可能となる。
【００１５】
これらの制御を行うためにコントローラ１１が備えられ、改質器８の運転状態に応じて、コントローラ１１により前記バルブ４と５の開度が制御され、またポンプ６やエアコンプレッサ９などの作動、あるいは図示しない改質燃料の供給量を制御する流量制御バルブなどの開度が制御される。
【００１６】
ここで、図３を参照にして、コントローラ１１で実行される改質器負荷増大時におけるバルブ４と５の制御内容について説明する。
【００１７】
ステップＳ３０１において改質器８での負荷変化要求の有無が判断される。ここで負荷変化が無いと判断された場合は、ステップＳ３０４へ進み定常運転が行われる。この定常運転状態では或る一定の空気供給量比が設定されている。ここで空気流量比とは、第１、第２の触媒反応器１と２にて改質ガス中の一酸化炭素を十分に除去でき、改質器８へ供給する改質原料が第１の触媒反応器１で十分に加熱されるように、各空気供給量Ｖ１、Ｖ２が第１、第２の触媒反応器１と２の上流に設けられた各バルブ４、５により制御された空気流量の割合のことである。これは例えば第１の触媒反応器１へ供給されている空気量Ｖ１と第２の触媒反応器２へ供給されている空気量Ｖ２により、Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）と設定されている。
【００１８】
ステップＳ３０１において負荷変化が有ると判断された場合は、ステップＳ３０２へ進む。ステップＳ３０２では現在の負荷Ｖｎと要求された負荷ＳＶｎを比較する。そして要求された負荷ＳＶｎが現在の負荷Ｖｎよりも大きい場合はステップＳ３０３に進み、小さい場合はステップＳ３０４へ進み定常運転が続けられる。
【００１９】
ステップＳ３０３では定常設定とは別の空気流量比である過渡設定が選択される。過渡設定では改質器８へ供給する改質燃料が増えるため、第１、第２の触媒反応器１と２に供給する空気量を増加させ、第１の触媒反応器１での触媒反応を活性化する事により、改質を行うのに必要とされる熱量を改質原料に与える。このとき空気流量比は例えば、第１の触媒反応器１に供給される空気量Ｖ１’と第２の触媒反応器２に供給される空気量Ｖ２’とでＶ１’／（Ｖ１’＋Ｖ２’）とする。過渡設定での空気流量比は定常運転状態の空気流量比Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）より高い値で設定されている。
【００２０】
ここでは改質器８へ供給する改質原料への熱量を確保するために、第１、第２の触媒反応器１と２の全体に供給される空気供給量をまずは一定とし、第１の触媒反応器１への供給量Ｖ１’を増加する。その後、所定時間が過ぎた後に第２の触媒反応器２への空気供給量Ｖ２’を増加させ全体の空気供給量を変化させても良い。
【００２１】
次に、図４のタイムチャートを参照にして作用を説明する。
【００２２】
定常運転時時に第１、第２の触媒反応器１と２に導入される空気量Ｖ１とＶ２とは、そのときの改質器８で生成される改質ガス量、すなわち目標改質量に対応して設定され、第１の触媒反応器１ではこの空気量Ｖ１に対応して発生する熱量と熱交換を行って加熱された改質原料として水が改質器８に供給される。
【００２３】
これに対して、改質器８の負荷が増大する過渡時には、第１、第２の触媒反応器１と２に導入される空気量の比率が定常時とは変化し、第１の触媒反応器１に導入される空気量Ｖ１’が相対的に増加させられる。すなわち、第１、第２の触媒反応器１と２へ供給される全体の空気量Ｖ１’＋Ｖ２’に対する第１の触媒反応器１への供給空気量Ｖ１’の比率が、定常時の比率よりも大きくなる。
【００２４】
一方、改質器８に供給される改質原料も目標改質量の増加に伴い増加し、すなわち、改質燃料、水、空気もそれぞれ増加する。第１の触媒反応器１で熱交換される水の量がこのように増加し、また改質器８で要求される熱量も増加するが、第１の触媒反応器１で発生する熱量が空気量Ｖ１’の増加に伴い増加するので、過渡時において必要な量の改質原料を速やかに加熱し、供給することができる。
【００２５】
改質器８の負荷が低負荷から高負荷に移行して定常状態に安定すると、第１、第２の触媒反応器１と２に対する空気量Ｖ１とＶ２は、その時の目標改質量に対応してそれぞれ増量されているが、その比率については、低負荷での定常時と同じ比率に戻される。この状態では大きくなった目標改質量に対応して、第１の触媒反応器１での発熱量も増加しているため、過渡時のように第１の触媒反応器１の空気量を相対的に増加させなくても高負荷で必要な熱量を供給できる。
【００２６】
第１の実施形態では第１の触媒反応器１の熱交換器３において熱交換を行う媒体として、燃料原料の水を用いているが、水に変えて酸化ガス、改質燃料を用いても良い。
【００２７】
第１の実施形態の効果を説明する。
【００２８】
第１、第２の触媒反応器１と２への空気供給量または空気流量比を制御することにより触媒反応の熱を制御するため、改質器８の負荷変動に応じた熱供給を早急に行うことができる。また、触媒反応器における反応熱を有効に利用でき、改質ガスの温度を調整できる。特に水を用いた場合は触媒反応器の温度制御が容易にでき、触媒反応器の反応温度によっては水を沸点近い温度まで昇温できるので改質反応器等で用いる場合に反応効率を向上させることができる。また空気、改質燃料を用いた場合は常温よりも高温の空気を改質器に導入でき、改質効率を向上させることができる。
【００２９】
第２の実施形態での概略構成を図５に示す。
【００３０】
図５においては図１と異なる部分のみを説明する。第２の実施形態では、改質原料を直接的に熱交換するのではなく、冷媒を用い第１の触媒反応器１の熱交換器３で熱交換した後に、この冷媒と改質器８に供給する改質原料とを熱交換器１２において熱交換するようにしてある。
【００３１】
このため冷媒として、例えばエチレングリコールを用い、この冷媒を蓄える冷媒タンク１３を備え、流量調整が可能なポンプ６により冷媒を第１の触媒反応器１の熱交換器３に送り込む。ここで熱交換され、温度の上昇した冷媒は、改質器８の上流に配置した熱交換器１２に導入され、改質原料タンク７より改質器８に供給される改質原料である水と熱交換する。熱交換後の冷媒は前記冷媒タンク１２に環流され、再度上記のとおり循環する。
【００３２】
なお、改質器８には、改質原料であるガソリンなどが前記した改質原料としての水、空気と共に供給され、水素リッチな改質ガスを生成することは、前記と同じである。
【００３３】
そして、この実施形態においても、第１、第２の触媒反応器１と２に対して供給される空気量が第１の実施形態と同じように制御される。つまり、第１、第２の触媒反応器１と２において、改質器８の負荷変動に対してバルブ４と５によって空気供給量を設定し、過渡時には第１の触媒反応器１の発熱量を増加し、応答のよい加熱を行う。もしくは、熱交換型の第１の触媒反応器１について、定常時の空気の供給比率に対して過渡時の比率が大きくなるように設定され、これにより目標改質量が急増する過渡時に第１の触媒反応器１での発熱量を増加させ、応答のよい加熱を行う。
【００３４】
なお、冷媒の供給量についてはポンプ６により、最も効率よく熱交換が行えるように、第１の触媒反応器１での発生発熱量との対応関係によって冷媒の供給量は決められる。第２実施形態では熱交換器１２において熱交換する改質原料は水であるが、これは改質燃料、酸化ガスを用いてもよい。
【００３５】
第２の実施形態における効果を説明する。
【００３６】
熱交換器３を流通した冷媒が改質原料と熱交換を行うので、第１の触媒反応器１の温度を容易に制御できる冷媒を使用することで、第１の触媒反応器１の効率を上げることができる。例えば、比熱の小さい冷媒を用いると熱交換器３での熱交換によって冷媒を容易に高温にすることができ、熱交換器１２において改質原料と熱交換を行う際、より大きな熱量を与えることができる。
【００３７】
第３の実施形態での概略構成を図６に示す。
【００３８】
図１や図５と異なる部分を中心に説明する。第３の実施形態では、第１の触媒反応器１に改質原料である空気が配管１０ｄを介して熱交換器３に導入され、熱交換器３において熱交換を行う。その後温度の上昇した空気は熱交換器１２において改質原料である水と熱交換を行う。熱交換器１２で熱交換を行った空気、水はそれぞれ改質原料として、改質燃料であるガソリンなどと共に改質器８に供給され、水素リッチな改質ガスを生成する。
【００３９】
そして、この実施形態においても、第１、第２の触媒反応器１と２に対して供給される空気量が第１の実施形態と同じように制御される。つまり、第１、第２の触媒反応器１と２において、改質器８の負荷変動に対してバルブ４と５によって空気供給量を設定し、過渡時には第１の触媒反応器１の発熱量を増加し、応答のよい加熱を行う。もしくは、熱交換型の第１の触媒反応器１について、定常時の空気の供給比率に対して過渡時の比率が大きくなるように設定され、これにより目標改質量が急増する過渡時に第１の触媒反応器１での発熱量を増加させ、応答のよい加熱を行う。
【００４０】
熱交換器３に送られる空気量はバルブ１４によって制御されており、その供給量は第１の触媒反応器１の熱交換器３における熱交換効率と熱交換器１２における熱交換効率が最も良くなるようになっている。
【００４１】
第３の実施形態では熱交換器３に導入する冷媒として空気、そして熱交換器１２において加熱された空気と水が熱交換を行っているが、これは空気、水、改質燃料のどの組み合わせでも良い。
【００４２】
第３の実施形態における効果を説明する。
【００４３】
熱交換器３において加熱された改質原料が熱交換器１２において他の改質原料と熱交換を行うことにより、異なる改質原料を同時に加熱することができ、改質効率を良くすることができる。
【００４４】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料改質システムの構成を示す図である。
【図２】触媒反応器中での空気流量に対する発熱量の関係を示す特性図である。
【図３】空気流量比の制御内容を示すフローチャートである。
【図４】負荷と空気流量比のタイムチャートである。
【図５】本発明の第２実施形態の構成を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
１  第１の触媒反応器
２  第２の触媒反応器
３  熱交換器
４  触媒反応器１に導入する空気流量調整バルブ
５  触媒反応器２に導入する空気流量調整バルブ
６  流量調整ポンプ
７  改質液体原料タンク
８  改質器
９  エアコンプレッサ
１１  コントローラ
１２  熱交換器
１３  冷媒タンク
【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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