(57)【要約】【課題】燃料電池システムの燃料改質システム用の、改質システムの負荷に速やかに追従して必要な水蒸気を供給する水蒸気発生装置を提供する。【解決手段】改質反応に用いられる反応器が発生する熱により水蒸気を生成し、前記水蒸気を燃料ガスに混入する改質システムの水蒸気発生装置において、加熱により水蒸気にならなかった水の一部を前記反応器に還流して再度加熱する加熱手段を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料ガスから燃料電池へ供給する改質ガスを生成する改質システムにおいて、
前記改質システムを構成する反応器が発生する熱と熱交換することにより水蒸気を生成する水蒸気発生部と、
前記水蒸気を前記原燃料ガス又は改質ガスに混入する手段と、
加熱により水蒸気にならなかった水を前記水蒸気発生部に還流する還流手段と、を備え、
前記水蒸気発生部に、定常運転時、改質システムの負荷に応じて必要とされる水蒸気量以上の水蒸気を発生する水を供給することを特徴とする改質システム。
【請求項２】
前記還流手段において、前記改質システムの定常運転時には前記水蒸気または水の圧力を加圧維持するとともに、前記改質システムの負荷が増加したときは前記水蒸気または水の圧力を減圧する圧力調整手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の改質システム。
【請求項３】
前記還流手段は、
前記水蒸気発生部で加熱後の水蒸気または水を貯蔵するタンクと、
前記タンクから前記反応器水蒸気発生部へ水を圧送するポンプと、
前記水蒸気発生部付近に設けられた圧力調整手段と、を備え、
前記改質システムの負荷が増大した場合に、前記タンク内の圧力を減圧するとともに、前記水蒸気発生部での圧力を所定の圧力で維持する、
ことを特徴とする請求項２に記載の改質システム。
【請求項４】
前記反応器は一酸化炭素除去反応器であることを特徴とする請求項２または３のいずれか一つに記載の改質システム
【請求項５】
前記反応器は一酸化炭素除去反応器であって、
前記改質システムの負荷が減少した場合に、負荷に対して過渡的に余剰に前記改質システムで生成された改質ガスを前記一酸化炭素除去反応器内で反応させ、その反応熱により前記水を加熱し、前記水蒸気および水の圧力を上昇させることを特徴とする請求項４に記載の改質システム。
【請求項６】
前記水蒸気発生部に供給する水の沸点が、前記反応器の触媒が適切に機能する温度範囲となる様に前記水の圧力を調節することを特徴とする請求項２から５のいずれか一つに記載の水蒸気発生装置。
【請求項７】
前記反応器は熱交換型反応器であって、
前記蒸発させる水は前記熱交換型反応器の冷媒層に供給される冷却水であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の水蒸気発生装置。
【請求項８】
原燃料ガスから改質ガスを生成する改質システム用の水蒸気発生装置であって、
前記改質システムを構成する反応器が発生する熱と熱交換することにより水蒸気を生成する水蒸気発生部と、
前記水蒸気を前記原燃料ガス又は改質ガスに混入する手段と、
前記水蒸気発生部において加熱により水蒸気に至らなかった水を前記水蒸気発生部に還流する還流手段とを有し、
定常運転時において、前記水蒸気発生部に改質システムの負荷に応じて必要とされる水蒸気量を発生する以上の水を供給することを特徴とする改質システム用の水蒸気発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに用いられる改質システムに係わり、特に、改質システムの過渡時での運転性向上に有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリン等の含水素燃料を改質して燃料電池での発電に使用するための水素リッチな改質ガスを得るための改質システムにおいて、改質システムを構成する反応器で発生する反応熱を利用して、燃料から水素を発生させる改質反応器に供給するための水蒸気を得るための装置が考えられている。この装置により、通常はラジエーター等により大気中に放出している反応熱を有効に活用する事が出来るため、熱損失を低減してシステムの効率を向上させる事が出来る。
【０００３】
しかしながら、上記のような装置では、システムの負荷を過渡的に増大させようとした場合に、反応器での発熱量を増加しないと必要な水蒸気量を発生させる事が出来ない一方、発熱量を増やすためには水蒸気発生量を増やして改質ガス流量を増大させる必要があるため、過渡的な負荷変動に対応出来ないという問題があった。
【０００４】
そこで、この様な課題を解決するための従来技術として、電気ヒーターを用いて水を加熱する方法（例えば、特許文献１参照）が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−５３３０７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら特許文献１に示される方法では、電気ヒーター等の新たに熱を発生する加熱手段を用いるため、コストが増大するとともに、これに供給するエネルギーが新たに必要となるため、改質システム全体の効率も低下するという問題点があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を鑑みて、本発明の改質システムは、原燃料ガスから燃料電池へ供給する改質ガスを生成する改質システムにおいて、改質システムを構成する反応器が発生する熱と熱交換することにより水蒸気を生成する水蒸気発生部と、前記水蒸気を前記原燃料ガス又は改質ガスに混入する手段と、加熱により水蒸気にならなかった水を前記水蒸気発生部に還流する還流手段とを有し、前記水蒸気発生部に、定常運転時、改質システムの負荷に応じて必要とされる水蒸気量以上の水蒸気を発生する水を供給することとした。
【０００８】
【発明の効果】
定常運転時において、改質システムの負荷に応じて必要とされる水蒸気量を発生する以上の水を供給しつつ、水蒸気に至らなかった水を再度循環し水蒸気発生部へと循環することとしたので、過渡の負荷増大時において必要な水蒸気量が増大した場合であっても、予め加熱されつつ水蒸気に至っていなかった水を水蒸気発生部に還流することで、すばやく必要な水蒸気を発生できる。
【０００９】
したがって、必要な水蒸気量を確保しつつも、ヒーター等の特段の構成を設け、新たにエネルギーを消費することなく、負荷の増大に対する過渡時の応答性を向上することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、図を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００１１】
まず、図１を参照して、本実施形態の構成を説明する。本発明を適用する改質システムは改質反応器１、シフト反応器２、一酸化炭素除去反応器３、熱交換器４、を含んで構成され、本実施形態においては、ガスの流れの上流から改質反応器１、熱交換器４、シフト反応器２、一酸化炭素除去反応器３、の順に配置されている。
【００１２】
含水素燃料である原燃料ガス（例えば、ガソリン、アルコール等。）は図示しない燃料タンクから改質反応器１に供給される。改質反応器１に供給された燃料ガスは過熱された水蒸気および空気と混合され、気化し、改質反応器１で水素及び一酸化炭素を含んだ改質ガスを生成する。改質反応器で生成された改質ガスは熱交換器４で改質に使われる後述する水（水蒸気）および空気導入弁１３から供給される空気を加熱した後、水供給弁１２から供給される水と混合されてシフト反応器２に導入される。シフト反応器２では、改質ガス中の一酸化炭素の低減が行われる。さらに、改質ガスはシフト反応器下流において空気供給弁１１から供給される空気とともに一酸化炭素除去反応器３に導入されてさらに一酸化炭素が除去される。
【００１３】
一酸化炭素除去反応器３での選択酸化反応は発熱反応であり、本発明においては、一酸化化炭素除去反応器３を水蒸気発生部とした。すなわち、一酸化炭素除去反応器３をガス層と冷媒（冷却水）層とを有する熱交換型反応器とし、冷媒層内を通過する冷媒を、ガス層内を通過する改質ガスの選択酸化反応による発熱を利用して燃料ガスの改質反応に用いる水を加熱することとした。
【００１４】
さらに、改質システム用の水蒸気発生装置として、水蒸気発生部とともに、水と水蒸気を分離する加熱水タンク５、加熱水タンク５の水を一酸化炭素除去反応器３の熱交換部に供給する水ポンプ６、一酸化炭素除去反応器３に置ける水の圧力を調節する水圧力調節弁７、一酸化炭素除去反応器３に置ける水の圧力を検出する水圧力検出器９、加熱水タンク５から熱交換器４に供給する水蒸気の圧力を調節する水蒸気圧力調節弁７、および熱交換器４に供給する水蒸気の流量を調節する水蒸気圧力調節弁８、および水蒸気の流量を検出する水蒸気流量計１０とを備えることとした。
【００１５】
加熱水タンク５の下部に溜まった液相の水は水ポンプ６により加圧されて一酸化炭素除去反応器３の熱交換部に送られる。この水は、一酸化炭素除去反応器３内で、選択酸化反応により高温に発熱した触媒の反応熱により加熱され、一部の水は蒸発して水蒸気となり、水と水蒸気が交じり合った気水混合状態（以下、加熱水という。）で加熱水タンク５に戻される。加熱水圧力検出器９は一酸化炭素除去反応器３での加熱水の圧力を検出し、加熱水圧力調節弁９は加熱水の圧力を一定に調節する。
【００１６】
加熱水タンク５で加熱水の気水分離が行われ、気水分離後の水蒸気はさらに熱交換器４に導入される。水蒸気流量計１０は熱交換器４に導入する水蒸気量を検出し、水蒸気圧力調節弁８は加熱水タンク５の圧力を調節する。加熱水タンク５内の水分量は熱交換器４に送られた分減少するので、水流量制御弁１４を介して図示しない水供給手段により水が補給される。
【００１７】
改質システムが低負荷に保たれている場合には、加熱水タンク５内の水蒸気および水は所定の圧力に加圧されており、また燃料タンク５内部において水または水蒸気が飽和状態にある。つまり、圧力調整弁により水蒸気発生装置内の圧力は、負荷の増大する過渡運転時に比べて比較的高い圧力に保たれ、水の沸点は外気に対する沸点よりも高い温度となるよう保たれている。（例えば、０．３５ＭＰａ程度に圧力を保った場合には、沸点は１４０℃程度となる。）一酸化炭素冷媒層内では、水が加熱されて沸騰し、一部が気化されて排出されるため、いわゆる沸騰冷却となり、温度が保たれるので、安定した冷却が可能となる。発生した水蒸気は加熱水タンク５で水と分離され、圧力調整弁８で減圧されて熱交換器４に供給される。残った加熱水タンク内の水は図示しない純水タンクから補充される水と混合されて前記沸点をやや下回る温度となり再び一酸化炭素除去反応器の冷媒層に還流される。この冷媒層を通過する際の冷媒の温度は一酸化炭素除去反応器の触媒の反応温度を考慮して最適な温度範囲（例えば１００℃から２５０℃程度）になるように温度制御することができる。したがって一酸化炭素除去反応器での反応効率を低下させることなくシステム全体の効率を向上することができる。
【００１８】
改質システムの負荷が上がり改質反応器１の改質反応に要する水蒸気量が増加したとき、水蒸気圧力調節弁８の開度を開くことにより、加熱水タンク５内の圧力を低下する。これによって水の沸点が下がり水蒸気を発生することができる。すなわち、加熱水タンク内の下部に溜まって圧縮されていた飽和状態の水が減圧沸騰され、速やかに必要な量の水蒸気を供給することができる。これにより発生した水蒸気を改質反応のために供給し、過渡応答性能を向上することができる。
【００１９】
改質ガス流量が増大した後は、やや遅れて一酸化炭素除去反応器での発熱量も増大するので、負荷に応じた水蒸気量を定常的に得ることができる。
【００２０】
また、減圧する際には、冷媒層内の圧力をある程度以上（例えば０．３５ＭＰａ程度）に保たれるようにすることで、一酸化炭素除去反応器内の沸点を制御し、一定に保つことができる。したがって、冷媒層内の水が過剰に蒸発して、熱伝導率の冷却性能の悪化あるいは熱交換器自体の性能の悪化を防止することができ、安定した冷却性能を確保することができる。
【００２１】
改質システムの負荷が過渡的に低下した場合、つまり、要求水蒸気量が減少した場合には改質ガス流量にやや余剰分が生じる。この場合には、水蒸気圧力調節弁８の開度を絞り方向制御に制御するとともに、空気供給弁１１の開度を増加させ、一酸化炭素除去反応器３に供給する空気の量を一時的に増加させる。これにより、一酸化炭素除去反応器３で改質ガスの一部を酸化反応させる。この酸化反応により発生した熱を利用して水を加熱し、加熱水タンク５内の圧力をおよび温度を回復（加圧）させることができる。
【００２２】
次に、図４および図５を参照して、本実施例による、改質システム用水蒸気発生装置の動作を説明する。
【００２３】
図４は、改質システムの負荷が変化して改質反応に要する水蒸気量が変化した場合の水蒸気発生装置の制御ルーチンを表す。ステップ１で、改質システムの負荷を読み込む。ステップ２で、改質システムの負荷の変化率を計算する。ステップ３で、負荷変化率が０の場合、運転は定常であり、水蒸気の発生量を変更する必要がないものと判断してルーチンを終了する。
【００２４】
ステップ４で、負荷変化率が０より大きい場合、改質反応に必要な水蒸気量Ｑｔを計算する。ステップ６で、水蒸気流量計１０の検出値Ｑを読み込む。ステップ７で、ＱとＱｔを比較し、ＱがＱｔ以上の場合は発生可能な水蒸気量が必要水蒸気量を上回っているのでルーチンを終了する。ＱがＱｔより小さい場合は水蒸気圧力調節弁８の開度を増加して水蒸気の流量を増やし、ステップ６に戻る。
【００２５】
ステップ４で負荷変化率が０以下の場合、ステップ９に進み、水蒸気圧力調節弁８の開度を読み込む。ステップ１０で、水蒸気圧力調節弁８の開度が所定の初期値より小さい場合、ルーチンを終了する。水蒸気圧力調節弁８の開度が所定の初期値より大きい場合、ステップ１１に進み、水蒸気圧力調節弁８の開度を初期値に戻す。ステップ１２で一酸化炭素除去反応器３で改質ガスの一部を酸化させるために必要な過剰空気量を計算し、ステップ１３で、過剰空気量を供給するのに必要な空気供給弁１１の開度の増分を計算する。ステップ１４で、空気供給弁１１の開度を増加する。ステップ１５で、加熱水タンク５内の圧力および温度が所定の値に回復したとき、空気供給弁１１の開度を通常の開度に戻す。
【００２６】
次に、図５を参照して、水蒸気発生装置の動作の一例を説明する。
【００２７】
システムの負荷が低い時には圧力調節弁８により水蒸気発生装置全体の圧力が例えば０．３５ＭＰａ程度に保たれる様に加圧する。この場合、水の沸点は約１４０℃となる。一酸化炭素除去反応器３では水は加熱されて沸騰し、そのうちの一部が気化して排出されるため、いわゆる沸騰冷却となって約１４０℃に保たれ、安定した冷却が可能となる。また、この時の水蒸気発生量は、システムの負荷に応じた低い量になっている。発生した水蒸気は加熱水タンク５で水と分離され、水蒸気圧力調節弁８で減圧して熱交換器４に供給される。残った加熱水タンク５内の水は図示しない純水タンクから補充される水と混合されて１４０℃をやや下回る温度となり再び一酸化炭素除去反応器３の冷媒層に還流される。
【００２８】
次に改質システムの要求負荷が過渡的に増大した場合には、水蒸気圧力調節弁８の開度を上げて加熱水タンク５内の圧力を０．１４ＭＰａ程度まで低下させる。これによって水の沸点は約１１０℃となるため、加熱水タンク５内の水は減圧沸騰して一時的に水蒸気を発生させる。これによって、負荷の増大に応じて改質ガス流量を増加させるのに必要な水蒸気を供給する事が出来、良好な過渡応答性が得られる。改質ガス流量が増加した後は、やや遅れて一酸化炭素除去反応器３での反応熱も増加するため、負荷に応じた水蒸気発生量を定常的に得る事が出来る。またこの時、水圧力調節弁７によって一酸化炭素除去反応器３の熱交換部の圧力は０．３５ＭＰａ程度に保たれる様にする。これによって一酸化炭素除去反応器３での水の沸点を一定に保つ事が出来るので、冷媒層内の水が蒸発しきって熱伝達が悪化する事により冷却能力が低下する等の問題が発生する心配がなく、安定した冷却を確保する事が出来る。この時、一酸化炭素除去反応器３に供給される水の温度は１１０℃程度となり一酸化炭素除去反応器３での蒸発量は低下するが、水圧力調節弁７を通過して圧力が低下した際に減圧沸騰し負荷に見合った水蒸気発生量を得る事が出来る。
【００２９】
一方、改質システムの要求負荷が過渡的に低下した場合には、改質ガス流量にやや余剰分を生じるため、水蒸気圧力調節弁８を絞るとともに、これに合わせて一酸化炭素除去反応器３に供給する酸化用の空気供給量を一時的に増加させる。この改質ガスの余剰分を酸化させた反応熱によって再び加熱水タンク５内の圧力及び温度は再び元のレベルまで上昇させる。
【００３０】
以上の様な運転方法をとる事によって、システムの効率を低下させる事なく繰り返しの負荷変動に対応する事が出来、結果として高効率かつ良好な応答性の改質システムを得る事が出来る。
【００３１】
以下に、本実施形態による効果を列記する。
【００３２】
改質反応に用いる水蒸気を一酸化炭素除去反応器３が発生する熱により生成する改質システムの水蒸気発生装置において、加熱により水蒸気にならなかった水の一部を一酸化炭素除去反応器３に還流して再度加熱する加熱手段を備えることにより、一酸化炭素除去反応器３に供給する水蒸気量に対して過剰な水を冷却用として供給する事が可能となるので、水流量が多少変動した場合や、一酸化炭素除去反応器３又は改質ガス冷却器の冷却層内の水速度分布にある程度の不均一が生じた場合でも、一酸化炭素除去反応器３又は改質ガス冷却器内で水が蒸発しきって熱伝達が悪化する事により冷却能力に支障を来たすという問題を防ぐ事が出来る。また、水を一酸化炭素除去反応器３又は改質ガス冷却器内で沸騰させない条件で使用する場合でも、水の流量を増やす事によって冷却による水の温度上昇幅を小さくする事が出来るので、一酸化炭素除去反応器３や改質ガスを適切な温度範囲に保つ事が容易になるとともに、水流量が多少変動しても一酸化炭素除去反応器３や改質ガス温度への影響が小さく安定した冷却が可能となる。
【００３３】
改質システムの負荷が小さいときは水蒸気および水の圧力を増圧し、改質システムの負荷が大きいときは水蒸気および水の圧力を減圧することにより、改質システムの負荷増大により必要な水蒸気量が増加した場合に、新たな加熱手段を用いる事なく短時間で水蒸気発生量を増加させる事が出来るので、システムの効率を低下させる事なく負荷増大に対して良好な応答性を得る事が出来る。
【００３４】
加熱手段は、加熱後の水蒸気と水を貯え、水蒸気と水を分離する加熱水タンク５と、一酸化炭素除去反応器３と水タンク５の間に配置された水ポンプ６と、加熱水圧力調節器と、を備え、改質システムの負荷が大きくなり、水タンク５内の圧力が減圧したときでも、一酸化炭素除去反応器３に所定の圧力で水を供給することにより、過渡的に水蒸気発生量を増加させるために水の圧力を下げる際にも、一酸化炭素除去反応器３又は改質ガス冷却器の冷却層内の圧力を変動させないですむため、水の沸点を一定に保つ事が出来、一酸化炭素除去反応器３又は改質ガスの安定した冷却が可能となる。
【００３５】
改質システムの負荷が小さくなったとき、改質システムで生成される改質ガスの一部を一酸化炭素除去反応器３内で酸化し、その酸化熱により水を加熱して水蒸気および水の圧力を上昇させることにより、過渡的に水蒸気発生量を増加させた際に低下した加熱水の圧力及び温度を次の負荷増大時に備えて上昇させるために新たに加熱手段を持つ必要がなく、負荷低下時に余剰となった改質ガスを有効に利用する事が出来るので、システムの効率を低下させる事なく繰り返しの負荷変動に対応する事が出来る。
【００３６】
一酸化炭素除去反応器３に供給する水の温度を一酸化炭素除去反応器３の触媒が適切に機能する温度範囲とすることにより、負荷変動に対応して加熱水の温度が変動した場合でも、常に一酸化炭素除去反応器３又は改質ガスを適切に冷却する事が出来るので、負荷変動の影響を受けずに安定した反応を維持する事が出来る。
【００３７】
一酸化炭素除去反応器３を熱交換型一酸化炭素除去反応器３とし、蒸発させるための水を直接熱交換型一酸化炭素除去反応器３に供給することにより、一酸化炭素除去反応器３本体と水加熱部が一体であるので、これらを別々に設ける場合と比較してコンパクトかつ簡素な構成とする事が出来る。
【００３８】
次に、図２を参照して、第２の実施形態を説明する。
【００３９】
この実施形態によると、シフト反応器２ａ、２ｂと一酸化炭素除去反応器３ａ、３ｂを複数段に分け、それぞれに空気や水を分割して供給することもできる。
【００４０】
次に、図３を参照して、第３の実施形態を説明する。
【００４１】
この実施形態によると、改質反応器１及びシフト反応器２については断熱型の反応器を、一酸化炭素除去反応器３はガス層と冷媒層を有し冷媒層内の水によってガス層内の改質ガスを冷却しながら反応させる熱交換型反応器を想定しているが、図３に示すように、この一酸化炭素除去反応器３についても一段又は複数段の断熱型反応器としてそれらの前後ないし間に設けた改質ガス冷却器（熱交換器）１０ａ、１０ｂに蒸発用の水を供給しても差し支えない。
【００４２】
更にこの実施形態では改質ガスの原料としてガソリンを用いているが、本発明はメタノールやエタノール、メタン等の他の燃料を用いる場合についても適用する事が出来る。また、本実施例では一酸化炭素除去反応器３を水加熱部として使用しているが、場合によっては他の反応器や複数の反応器で水を加熱しても差し支えなく、水蒸気の供給先としても改質反応器１以外にシフト反応器２も考えられる。
【００４３】
本発明を、構造的と方法的特徴に関してある程度特定的な言葉で説明したが、本明細書に開示した手段は本発明を実施する好ましい形態を含むものであり、本発明はこれら図示し記載された特定の特徴に制限されないことを理解されたい。したがって、本発明は、均等の原則に従って適切に解釈される特許請求の範囲に記載された範囲内におけるいかなる形態または変更についても含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】改質システム用水蒸気発生装置の概略構成図である。
【図２】多段型改質システム用水蒸気発生装置の概略構成図である。
【図３】断熱方一酸化炭素除去反応器を備えた改質システムを説明する図である。
【図４】改質システム用水蒸気発生装置の制御ルーチンを説明する図である。
【図５】改質システム用水蒸気発生装置の動作を説明する図である。
【符号の説明】
１：改質反応器
２：シフト反応器
３：一酸化炭素除去反応器
４：熱交換器
５：加熱水タンク
６：水ポンプ
７：水圧力調節弁
８：水蒸気圧力調節弁
９：加熱水圧力検出器
１０：水蒸気流量計
１１：空気供給弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004307292.tif 000006
【図５】
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