(57)【要約】【課題】システム効率を確保しながら、反応気の良好な冷却性能を得ることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】改質ガスを用いて発熱を伴う反応を生じるＰＲＯＸ３と、ＰＲＯＸ３に飽和状態の冷却水を供給し、ＰＲＯＸ３で発生する反応熱を利用して水蒸気を生成することにより、ＰＲＯＸ３の冷却を行う水系１０３と、を備える。ここでは、ＰＲＯＸ３の冷却水層入口近傍に温度検出手段９を設け、ＰＲＯＸ３の冷却水層入口近傍の冷却水温度を、沸点より僅かに低い温度に制御する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスを用いて発熱を伴う反応を生じる反応器と、
前記反応器に飽和状態の冷媒を供給し、前記反応器で発生する反応熱を利用して蒸気を生成することにより、前記反応器の冷却を行う冷却システムと、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記反応器の冷媒入口部近傍に温度検出手段を設け、
前記反応器の冷媒入口部近傍の冷媒温度を、沸点より僅かに低い温度に制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記反応器の冷媒入口部近傍に圧力検出手段を設け、
前記圧力検出手段の出力に応じて冷媒の沸点を検出し、
前記反応器の冷媒入口部近傍の冷媒温度を、沸点より僅かに低い温度に制御する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記反応器または発熱反応を生じる他の反応器で生成された生成ガス、または、発熱反応を生じる他の反応器と、前記反応器に供給する冷媒と、の間で熱交換を行う熱交換手段を備え、
前記熱交換手段により前記反応器の冷媒入口部近傍の冷媒温度を、沸点より僅かに低い温度に制御する請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記反応器に供給する冷媒に、前記反応器または発熱反応を生じる他の反応器で生成された冷媒蒸気を混合することにより、前記反応器の冷媒入口部近傍の冷媒温度を、沸点より僅かに低い温度に制御する請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記反応器に供給する冷媒を加熱する加熱手段を備え、
前記加熱手段により、前記反応器の冷媒入口部近傍の冷媒温度を、沸点より僅かに低い温度に制御する請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記加熱手段として、電気ヒーターを用いた請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記反応器から排出された冷媒を気液分離する気液分離手段を備え、
前記気液分離手段により分離された冷媒蒸気の少なくとも一部を、前記反応器または他の反応器に反応物として供給し、
前記気液分離手段により分離された液体状態の冷媒を、前記反応器に再度供給する請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。特に、燃料電池システムに備えた発熱を伴う反応を生じる反応器の冷却システムを流通する冷媒の温度調整に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、反応器で発生する反応熱を利用して、この反応器又は他の反応器に水蒸気として供給するための水を加熱するものがある。これは、通常は大気中に放出する反応熱を有効に活用することができるため、システムの効率を向上することができるという利点がある。
【０００３】
反応器に供給した冷却水が反応器内を通過しながら反応熱を吸収する事によって次第に加熱され、温度が沸点に達した時点で沸騰を開始する。ところが、沸騰前の水と沸騰中の気液二相流とでは熱伝導率が異なるため、反応器内部で冷却水が沸騰していない部分と沸騰している部分で反応熱の冷却能力に差が生じる。
【０００４】
そこで従来、反応器内に冷却水（加熱水）の槽を設けて、ここに順次必要な量の水を補充することにより、反応器内の冷却水全体を沸点に近い温度に保持しているものがあった（例えば、特許文献１、参照。）。
【特許文献１】特開平１０−１８２１０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の技術に示される方法では、反応器内の冷却水温度を沸点付近に保つためには反応器内の冷却水槽の容量を、補充する水の量に対して十分に大きくする必要があり、結果として反応器が大きくなるという問題があった。また、低温環境下での起動時に暖機に時間がかかるという問題点があった。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題を鑑みて為されたものであり、本来の目的であるシステム効率を確保しながら、反応器の良好な冷却性能を得ることができる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、反応ガスを用いて発熱を伴う反応を生じる反応器と、前記反応器に飽和状態の冷媒を供給し、前記反応器で発生する反応熱を利用して蒸気を生成することにより、前記反応器の冷却を行う冷却システムと、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
反応器に飽和状態の冷媒を供給し、反応器で発生する反応熱を利用して蒸気を生成することにより反応器の冷却を行うことで、冷媒が反応器流入直後に沸騰を開始するので、反応器内での冷媒の熱伝導率を均一として、反応器の部位によらず均一で安定した冷却を行うことができる。また、反応器内に冷媒槽を設ける必要がないので、反応器の大型化や暖機時間の延長を避けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の実施形態に用いる燃料電池システムについて説明する。炭化水素系燃料を改質して燃料電池における発電に使用する水素リッチな改質ガスを生成する改質システムを備えた改質型燃料電池システムについて説明する。
【００１０】
改質システムに備えたＣＯ除去反応器（ＰＲＯＸ）では、発熱を伴うＣＯ選択酸化反応を生じることにより改質ガスのＣＯ濃度を低減するとともに、冷媒として循環する水が熱を吸収することにより水蒸気を生成する。これにより、通常はラジエータ等により大気中に放出する反応熱を有効に活用できるため、熱損失を低減して改質システムの効率を向上させることができる。しかしながら、このようなＣＯ除去反応器では、反応器内で冷却水の相状態が変化して、沸騰していない部分と沸騰している部分が生じると、冷却水への熱伝導率に大きな差が生じてしまう。その結果、反応器内で冷却能力差に応じた温度勾配が生じてしまう。これを防ぐために、本実施形態では改質システムを図１に示すように構成する。
【００１１】
改質システムを、改質反応器（ＡＴＲ）１、シフト反応器（ＷＧＳ）２、一酸化炭素除去器（ＰＲＯＸ）３から構成する。また、ＡＴＲ１から排出された高温の改質ガスと、改質反応に用いる空気および水蒸気と、の間で熱交換を行う熱交換器４を備える。また、ＰＲＯＸ３を冷却することにより加熱された気液二相状態の水を気液分離する加熱水タンク５を備える。また、炭化水素系燃料、ここではガソリンを供給するガソリン系１０１、酸化剤としての空気を供給する空気系１０２、水を供給する水系１０３を備える。さらに、コントローラ５０を備え、各弁の開度等の制御を行う。
【００１２】
まず、ガソリン系１０１について説明する。
【００１３】
図示しないガソリンタンクからガソリンが供給される。ガソリンの替わりにメタノール、エタノール、メタン等の炭化水素系燃料を用いても良い。ガソリンに、熱交換器４において加熱された水蒸気および空気を混入してから、ＡＴＲ１に供給する。ＡＴＲ１で改質反応を生じることにより、水素リッチな改質ガスを生成する。生成された改質ガスを熱交換器４に流通させることにより、改質反応に用いる水蒸気および空気の加熱を行ったら、ＷＧＳ２に供給する。
【００１４】
ＡＴＲ１により生成された改質ガス中には燃料電池の劣化原因となるＣＯが含まれるため、ＣＯ濃度を低減する必要がある。そこで、ＷＧＳ２において、シフト反応を生じることにより改質ガス中のＣＯ濃度を低減する。なお、シフト反応に用いる水は、例えば、改質ガスがＷＧＳ２に供給される前に図示しない噴射手段等により混入してもよい。また、噴射手段を用いる替わりに、改質ガスに水蒸気を供給してもよい。ＷＧＳ２から排出された改質ガスのＣＯ濃度をさらに低減するために、酸化剤、ここでは空気を混入してからＰＲＯＸ３に供給する。ＰＲＯＸ３にはＣＯの選択酸化触媒が充填されており、発熱を伴うＣＯの選択酸化反応を生じる。ＷＧＳ２、ＰＲＯＸ３により低ＣＯ濃度となった改質ガスを、図示しない燃料電池に供給して発電を行う。
【００１５】
なお、ここでは、便宜上、各反応器１、２、３をそれぞれ一段ずつにしている。これに対して、反応器１、２、３を各々複数段として、空気や水を分割して供給してもよい。
【００１６】
ここで、ＰＲＯＸ３の構成について簡単に説明する。
【００１７】
ＰＲＯＸ３を、改質ガス中のＣＯの選択酸化反応を生じる改質ガス層と、ＰＲＯＸ３の温度調整を行う冷媒としての水が流通する冷却水層と、を交互に積層することにより構成する。改質ガス層で発生した反応熱を、冷却水層を流通する水よって冷却することにより、改質ガス層を適切な反応温度に保つ。また、冷却水層の水に反応熱を吸収させることにより水蒸気を生成する。
【００１８】
次に、空気系１０２について説明する。
【００１９】
図示しないポンプ等により大気中から導入した空気を、ＡＴＲ１側と、ＰＲＯＸ３の上流側に分岐する。ここでは、ＡＴＲ１側に流量調整弁２１、ＰＲＯＸ３側に流量調整弁２２を備え、流量調整弁２１、２２によって各反応器１、３に供給する空気の流量を所定の割合に調整する。ＡＴＲ１側に供給された空気は、熱交換器４に供給され、ＡＴＲ１で生成された改質ガスと熱交換を行うことにより加熱される。加熱された空気を、ガソリン、水蒸気と共にＡＴＲ１に供給して、改質反応を生じる。一方、ＰＲＯＸ３の上流側に分岐した空気は、改質ガスと共にＰＲＯＸ３に供給され、ＣＯの酸化剤として用いられる。
【００２０】
次に、水系１０３について説明する。
【００２１】
水系１０３には、水系１０３の圧力を調整する圧力調整弁８、ＷＧＳ２に供給する水および新たにＰＲＯＸ３に供給する冷却水の流量を調整する流量調整弁２４、２３を備える。さらに、ＰＲＯＸ３で生成された水蒸気のうち、ＰＲＯＸ３を流れる冷却水の温度調整に用いる水蒸気の流量を調整する三方弁７、冷却水を循環する水ポンプ６を備える。また、ＰＲＯＸ３の冷却水層入口近傍には、温度検出手段９および圧力検出手段１０を備え、冷却水層に供給される冷却水の温度および圧力を検出可能とする。この検出結果は、コントローラ５０に出力される。
【００２２】
図示されない水タンクから、図示しないポンプ等を用いて導入した水を、ＷＧＳ２の上流側とＰＲＯＸ３の冷却水層側に分岐する。ここで分岐の割合は流量調整弁２３、２４により所定の割合に調整する。ＷＧＳ２の上流側に供給された水は、改質ガスと混合されてからＷＧＳ２におけるシフト反応に用いられる。
【００２３】
また、ＰＲＯＸ３の冷却水層側に分岐した水には、後述する還流水および水蒸気が混合され、温度調整された冷却水が生成される。ここでは、水蒸気流量を調整することにより、ＰＲＯＸ３の冷却水層入口近傍の冷却水温度を沸点より僅かに低い温度に調整する。このような冷却水を、水ポンプ６によってＰＲＯＸ３の冷却水層に供給する。なお、水ポンプ６により冷却水層に供給される冷却水流量は、ＰＲＯＸ３から排出される冷却水が常に気液二相状態となるように制御する。
【００２４】
ＰＲＯＸ３の冷却水層内では、冷媒としての水は改質ガス層で生じた反応熱を吸収することにより部分的に蒸発して気液二相流となる。ここでは、ＰＲＯＸ３の冷却水層入口近傍の冷却水温度を沸点より僅かに低い温度に制御するので、ＰＲＯＸ３に供給された直後に水が気液二相状態になる。ポンプ６により十分な冷却水を循環させることにより、冷却水層からは気液二相状態の水が排出される。この気液二相状態の水を加熱水タンク５に回収して、水の気液分離を行う。例えば、加熱タンク５の上方に水蒸気の取り出し部分を、下方に液体状の高温冷却水である還流水の取り出し部分を構成することにより気液分離を行う。
【００２５】
加熱タンク５において分離された水蒸気を熱交換器４に流通させ、改質ガスと熱交換させることにより加熱する。高温となった水蒸気をＡＴＲ１側とＰＲＯＸ３の冷却水層側に分岐する。このときの水蒸気の分岐割合は、分岐部に備えた三方弁７において制御する。ＡＴＲ１側に分岐した水蒸気を、圧力調整弁８を介してガソリンおよび空気と共にＡＴＲ１に供給する。また、ＰＲＯＸ３の冷却水層側に分岐した水蒸気を、図示しない水タンクから新たにＰＲＯＸ３に供給される水に混入する。このとき、ＰＲＯＸ３に供給される冷却水温度が沸点より僅かに低い温度となるように水蒸気流量を調整する。
【００２６】
なお、定常状態では、新たにＰＲＯＸ３に供給される冷却水の流量は、ＡＴＲ１に供給される水（水蒸気）の流量と同一となるように制御することが好ましい。これにより、水系１０３内で水の入出流量の総和が０となるので、安定した制御を行うことができる。また、水蒸気が冷却水と合流してから水ポンプ６に流入するまでの区間を十分長く取る。これにより、水ポンプ６を安定して機能させることができる。または、ミキシング部を設けて、水蒸気が水ポンプ６に流入する際に十分に液化した状態となるようにしてもよい。
【００２７】
次に、水系１０３の制御方法について説明する。まず、水系１０３を流れる冷却水の沸点を設定する方法について説明する。
【００２８】
上述したように冷却水層入口近傍で冷却水が沸点より僅かに低い温度となるように制御する場合、冷却水の沸点をＰＲＯＸ３の選択酸化触媒が活性状態に維持されるような温度範囲に設定することで、ＣＯ低減効率を維持することができる。そこで、冷却水の沸点を選択酸化触媒が活性状態に維持されるような温度範囲に設定するために、水系１０３の圧力を以下のように設定する。
【００２９】
水および水蒸気の経路を、水の沸点がＰＲＯＸ３の冷却に適した温度となるように加圧する。ここでは、三方弁７で分岐してＡＴＲ１側に供給される経路に設けた圧力調整弁８によって水系１０３の圧力を設定する。例えば、冷却水の沸点を１４０℃に設定した場合には、圧力調整弁８により保持する水系１０３の圧力を０．３５ＭＰａに設定しておく。なお、圧力調整弁８として、コントローラ５０により開度を制御するバルブを用いてもよい。この場合には、圧力検出手段１０により検出した圧力が、設定した圧力（０．３５ＭＰａなど）となるようにバルブの開度を調整する。
【００３０】
このように、ＰＲＯＸ３の選択酸化触媒が活性温度となるように水系１０３の圧力を設定する。これにより、上述したように冷却水層に供給する冷却水を沸点より僅かに低い温度に調整することで、冷却水層内を沸点に維持してＰＲＯＸ３の改質ガス層全体の温度勾配を抑制して活性温度に維持することができる。
【００３１】
次に、上述したように、水系内を加圧することで冷却水の沸点をＣＯ酸化触媒の活性温度近傍に設定したら、循環する冷却水温度の冷却水層入口近傍の冷却水温度が沸点より僅かに低い温度になるように冷却水の温度調整を行う。以下、冷却水の温度調整方法について説明する。
【００３２】
前述したようにＰＲＯＸ３の冷却水層入口に、温度検出手段９および圧力検出手段１０を備える。圧力検出手段１０により検出した圧力に応じてその時点の冷却水の沸点を検出する。温度検出手段９により検出したＰＲＯＸ３の冷却水層入口近傍における冷却水温度Ｔが、その沸点より僅かに低い温度となるように、水蒸気流量を調整する。ここでは、三方弁７の開度を制御することにより冷却水に混入する水蒸気流量を調整する。これにより、新たに供給される水と放熱によりある程度温度が低下した還流水からなる冷却水は、混合された水蒸気が凝縮する際の潜熱によって温度上昇する。その結果、冷却水を略飽和液の状態に調整してから、ＰＲＯＸ３の冷却水層に流入することができる。
【００３３】
これにより、冷却水層では流入直後に冷却水の沸騰が開始され、排出されるまでこの状態が保持されるため、冷却水層内全域で温度が均一化され、また、熱伝導率が均一化される。その結果、ＰＲＯＸ３の部位によらず、均一且つ安定的に改質ガス層の冷却を行うことができる。
【００３４】
次に、冷却水の温度調整制御の流れを、図２のフローチャートを用いて説明する。本フローは、改質システム起動後、所定時間毎に繰り返し行う。
【００３５】
ステップＳ１において、ＰＲＯＸ３の冷却水層入口近傍の圧力Ｐを読み込む。次にステップＳ２において、ステップＳ２において、圧力Ｐから冷却水の狙いの温度Ｔ1を算出する。温度Ｔ1は、圧力Ｐにおける沸点Ｔ0に対して、温度の制御精度±ΔＴに所定の余裕代を加えた分だけ低い温度となるようにする。例えば、圧力Ｐが０．３５ＭＰａであった場合、沸点Ｔ0は約１４０℃となる。この時の温度の制御精度±ΔＴが±２℃であったとすると、これに所定の余裕代（例えば、ΔＴm＝２℃）を考慮して、Ｔ1＝１３６℃とする。つまり、以下の数式に従って、温度Ｔ1を算出する。
【００３６】
Ｔ1＝Ｔ0−（ΔＴ＋ΔＴm）
次に、ステップＳ３において、ＰＲＯＸ３の冷却水層入口近傍の冷却水温度Ｔを検出する。ステップＳ４、Ｓ５において、温度Ｔが適切であるかどうかを判断する。ステップＳ４では、温度Ｔと（Ｔ1−ΔＴ）とを比較することにより、冷却水温度が低すぎないかどうかを判断する。温度Ｔが（Ｔ1−ΔＴ）より小さい場合には、ステップＳ５に進み、三方弁７を調整することにより水蒸気の還流量を増加させる。つまり、三方弁７を冷却水に混入する水蒸気を増加する側に開く。これにより、水蒸気の凝縮に伴う潜熱を増大することができるので、冷却水温度を上昇することができる。このように、冷却水の冷却水層入口温度を抑制したら、ステップＳ１に戻る。
【００３７】
なお、このときＡＴＲ１に供給される水蒸気の流量が低減するが、本実施形態ではＰＲＯＸ３で十分な水蒸気流量を生成するので、ＡＴＲ１に供給される水蒸気が減少しても改質反応を行うのに十分な水蒸気を供給することができる。ＡＴＲ１に供給する水蒸気流量が不足する可能性がある場合には、蒸発器や燃焼器等により水蒸気を生成し、これを供給可能な構成にしてもよい。
【００３８】
一方、ステップＳ４において、温度Ｔが（Ｔ1−ΔＴ）以上の場合には、冷却水温度が低すぎないと判断してステップＳ６に進む。ステップＳ６では、温度Ｔと（Ｔ1＋ΔＴ）とを比較することにより、冷却水温度が高すぎないかどうかを判断する。温度Ｔが（Ｔ1＋ΔＴ）より大きい場合には、ステップＳ７に進み、三方弁７を調整することにより水蒸気の還流量を低減させる。つまり、三方弁７の冷却水に水蒸気を還流する側の開度を小さくする。これにより、水蒸気が凝縮する際の潜熱を抑制することができるので、冷却水温度を抑制することができる。このように、冷却水層の入口温度を抑制したら、ステップＳ１に戻る。
【００３９】
一方、ステップＳ６において、温度Ｔが（Ｔ1＋ΔＴ）以下であると判断されたら、Ｔ1−ΔＴ≦Ｔ≦Ｔ1＋ΔＴであると判断できる。つまり、冷却水層に供給される冷却水温度が適切に調整されていると判断できるので、本フローを終了する。これにより、ＰＲＯＸ３に流入する冷却水温度を常にその圧力での沸点より若干低い温度に保つ事ができる。
【００４０】
このように、水系１０３を循環する還流水と、新たに供給される水との少なくとも一方に、ＰＲＯＸ３で生成された水蒸気の一部を混合して温度を調整した冷却水をＰＲＯＸ３の冷却水層に流通させる。これにより、システムの熱効率を低減することなく、ＰＲＯＸ３内の温度を所定温度に維持するとともに、ＰＲＯＸ３全体の温度を均一化することができる。
【００４１】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００４２】
改質ガスを用いて発熱を伴う反応を生じるＰＲＯＸ３と、ＰＲＯＸ３に飽和状態の冷却水を供給し、ＰＲＯＸ３で発生する反応熱を利用して水蒸気を生成することにより、ＰＲＯＸ３の冷却を行う水系１０３と、を備える。これにより、冷却水がＰＲＯＸ３へ流入した直後に沸騰を開始するので、ＰＲＯＸ３内での改質ガス層から冷却水層への熱伝導率が均一となり、ＰＲＯＸ３内の部位によらず均一で安定した冷却を行う事ができる。また、反応に必要な量の水蒸気量を確保するためにＰＲＯＸ３を巨大化する必要がなくなるので、システムの大型化や始動時の暖機時間の増大を避ける事ができる。
【００４３】
ここでは、ＰＲＯＸ３の冷却水層入口近傍に温度検出手段９を設け、ＰＲＯＸ３の冷却水層入口近傍の冷却水温度を、沸点より僅かに低い温度に制御する。このように、ＰＲＯＸ３の冷却水層入口に設けた温度検出手段９によって温度を制御するので、放熱等の影響を受ける事なく精密にＰＲＯＸ３に流入する冷却水温度を調整する事ができる。また、沸点より低い温度で制御する事により、ＰＲＯＸ３への流入時には液体の状態を保つ事ができるので、気液二相流の場合に生じる様なＰＲＯＸ３内への分配の悪化を防ぐ事ができる。
【００４４】
ＰＲＯＸ３の冷却水層入口部近傍に圧力検出手段１０を設け、圧力検出手段１０の出力に応じて冷却水の沸点を検出し、ＰＲＯＸ３の冷却水層入口部近傍の冷却水温度を、沸点より僅かに低い温度に制御する。このように、ＰＲＯＸ３の冷却水層入口に設けた圧力検出手段１０によって沸点を検出するので、精密にＰＲＯＸ３に流入する冷却水温度を調整する事ができる。
【００４５】
また、ＰＲＯＸ３に供給する冷却水に水蒸気を混合することにより、ＰＲＯＸ３の冷却水層入口近傍の冷却水温度を、沸点より僅かに低い温度に制御する。これにより、冷却水の温度を上昇させる手段としてＰＲＯＸ３によって得られた水蒸気を利用するので、専用の加熱手段を設ける必要がないためシステムの複雑化や効率の悪化を防ぐ事ができる。また、水蒸気を直接冷却水と混合して使用するため、熱交換器等の装置を新たに設ける必要もない。なお、水蒸気を生成する手段はＰＲＯＸ３に限らず、他の反応器や改質ガス等の冷却により生成してもよい。
【００４６】
ＰＲＯＸ３から排出された冷却水を気液分離する加熱水タンク５を備える。加熱水タンク５により分離された水蒸気の少なくとも一部をＡＴＲ１に反応物として供給する。加熱水タンク５により分離された液体状態の冷却水である還流水を、ＰＲＯＸ３に再度供給する。このように、気液分離手段を備えることで、ＰＲＯＸ３内を通過した冷却水を気液二相流の状態で排出する事ができる。これにより、ＰＲＯＸ３内で冷却水を完全に蒸発させる必要がなく、全ての冷却水を蒸発させた場合に生じる熱伝導率の悪化による冷却不良を防ぐ事ができる。言い換えれば、ＰＲＯＸ３全体で沸騰状態を維持することができ、ＰＲＯＸ３内の熱伝導率を均一化することができる。
【００４７】
ここでは、加熱水タンク５により分離された還流水と、新たに加えた冷却水と、気液分離された冷却水のうち、冷却水層入口近傍の冷却水温度を沸点より僅かに低い温度に調整するのに必要な分と、を混合して、ＰＲＯＸ３の冷媒を生成する。このように還流水を再度冷却水として循環させるので、ＰＲＯＸ３で吸収した熱をＰＲＯＸ３の温度維持に用いることができる。また、水蒸気の一部をＡＴＲ１で消費しても、新たに供給する冷却水により冷却水流量を維持することができる。このとき、ＡＴＲ１に供給する水量と、新たに供給する冷却水量を同じとすることで、水系１０３内を安定化することができる。
【００４８】
また、熱交換器４に流通して改質ガスとの間で熱交換を行うことにより高温となった水蒸気を冷却水に混入することで、さらに効率良く冷却水温度を上昇することができる。
【００４９】
次に、第２の実施形態について説明する。図３に、燃料電池システムの燃料改質システムの概略構成を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５０】
改質システムの構成要素として、ＡＴＲ１、ＷＧＳ２、ＰＲＯＸ３、熱交換器４、加熱水タンク５に加えて、熱交換器１１を備える。熱交換器１１は、ＰＲＯＸ３の下流側に配置し、ＰＲＯＸ３により低ＣＯ濃度となった改質ガスを流通させる。また、後述するようにＰＲＯＸ３の冷却水層に供給する前の冷却水を流通させ、この冷却水と改質ガスとの間で熱交換を行う。この熱交換により冷却水を加熱する。温度が低下した改質ガスを図示しない燃料電池に供給して発電を行う。
【００５１】
次に、水系１０３の構成について説明する。
【００５２】
図示しない水タンクから供給された水は、ＷＧＳ２側とＰＲＯＸ３側に分岐する。ＷＧＳ２側に分岐した水は、第１の実施形態と同様にシフト反応に用いられる。一方、ＰＲＯＸ３側に分岐した水には、還流水が混入されてから、三方弁１７に供給される。三方弁１７では、冷却水をＰＲＯＸ３の冷却水層側と、熱交換器１１側に分岐する。三方弁１７により熱交換器１１側に分岐された冷却水は、熱交換器１１を流れる改質ガスと熱交換を行うことにより加熱される。ここで、熱交換器１１を流れる改質ガスは、ＰＲＯＸ３から排出された改質ガスであるので、ＣＯの選択酸化反応に伴う反応熱により高温となっている。加熱された冷却水は、三方弁１７でＰＲＯＸ３側に分岐した冷却水に混合される。このとき、混合された冷却水が、冷却水層入口近傍で沸点より僅かに低い温度となるように、熱交換器１１を流通する冷却水流量を三方弁１７により調整する。
【００５３】
沸点より僅かに低い温度の冷却水をＰＲＯＸ３の冷却水層を流通させることにより、冷却水層内を均一に沸点に維持する。ＰＲＯＸ３を流れる際に熱を吸収して気液二相流となった冷却水を、加熱水タンク５に回収して気液分離を行う。これにより分離した水蒸気を熱交換器４を介してＡＴＲ１に供給する。つまり、ＰＲＯＸ３で生成した水蒸気をＡＴＲ１における改質反応に用いる。一方、分離した高温の冷却水（還流水）は、図示しない水タンクから供給される水に還流することにより、再びＰＲＯＸ３の冷却に用いる。
【００５４】
次に、冷却水の温度調整方法の概略を説明する。ここでは、冷却水の一部を熱交換器１１に循環させて、冷却水層入口近傍における冷却水温度を沸点より僅かに低い温度に調整する。
【００５５】
ＰＲＯＸ３の冷却水層入口近傍には、第１の実施形態と同様に、温度検出手段９および圧力検出手段１０を備える。冷却水層入口近傍の圧力を測定し、これに応じて冷却水の沸点を検出する。冷却水層入口近傍の温度が、その沸点より僅かに低い温度となるように、熱交換器１１で加熱される冷却水流量を調整する。ここでは、三方弁１７の開度を制御することにより熱交換器１１を流れる冷却水流量を調整する。つまり、熱交換器１１を循環する冷却水流量を調整することにより、冷却水層に供給する冷却水の温度を調整する。これにより、冷却水は略飽和液の状態となってＰＲＯＸ３の冷却水層に供給される。このとき、熱交換器１１で加熱された冷却水は部分的に蒸発して水蒸気となる場合もあるが、ＰＲＯＸ３に供給される前に加熱しない冷却水と合流した際に、再び凝縮する。なお、冷却水の温度制御として、冷却水流量を調整するのではなく、熱交換器１１を改質ガスが迂回するバイパスを設け、熱交換器１１を流通する改質ガスの流量を調整してもよい。
【００５６】
次に、冷却水温度の制御の流れを、図４のフローチャートを用いて説明する。
【００５７】
ステップＳ１１〜１３を、ステップＳ１〜３と同様とする。つまり冷却水層の入口圧力Ｐから狙い温度Ｔ1を求め、かつ、冷却水層の入口温度Ｔを検出する。ステップＳ１４において、温度Ｔと（Ｔ1−ΔＴ）を比較する。温度Ｔが（Ｔ1−ΔＴ）より小さい場合には、ステップＳ１５において熱交換器１１を循環する冷却水流量を増大させる。ここでは、三方弁１７を熱交換器１１側に開くことで熱交換器１１を介してＰＲＯＸ３に供給される冷却水流量を増大し、ひいてはＰＲＯＸ３に供給される冷却水の温度を上昇させる。次に、ステップＳ１に戻り本制御を繰り返す。
【００５８】
一方、ステップＳ１４において、温度Ｔが（Ｔ1−ΔＴ）以上の場合には、ステップＳ１６に進み、温度Ｔと（Ｔ1＋ΔＴ）を比較する。温度Ｔが（Ｔ1＋ΔＴ）より大きい場合には、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１７において熱交換器１１を循環させる冷却水流量を低減させる。ここでは、三方弁１７を熱交換器１１側に閉じることで熱交換器１１を介してＰＲＯＸ３に供給される冷却水流量を抑制し、ひいてはＰＲＯＸ３に供給される冷却水の温度を低下させる。次に、ステップＳ１に戻り本制御を繰り返す。
【００５９】
ステップＳ１６において、温度Ｔが（Ｔ1＋ΔＴ）以下の場合には、（Ｔ1―ΔＴ）≦Ｔ≦（Ｔ1＋ΔＴ）であると判断できるので、冷却水温度は適切であると判断して本フローを終了する。
【００６０】
なお、本実施形態の場合には、ＰＲＯＸ３に供給する冷却水が熱交換器１１を循環するか否かにより温度の調整をしている。そのため、三方弁１７の開度を変化させても、加熱水タンク５に供給される冷却水流量、ひいては、圧力調整弁８を介してＡＴＲ１に供給される水蒸気流量は変化しないので、改質反応に用いる水蒸気流量を確保することができる。つまり、ＡＴＲ１で必要となる水蒸気量を得るための熱量に対してＰＲＯＸ３の発熱量に余裕がなく、得られた水蒸気を冷却水加熱に利用できない場合に有効である。
【００６１】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果を中心に説明する。
【００６２】
ＰＲＯＸ３反応器で生成された高温の改質ガスと、ＰＲＯＸ３に供給する冷却水と、の間で熱交換を行う熱交換器１１を備える。熱交換器１１によりＰＲＯＸ３の冷却水層入口近傍の冷却水温度を、沸点より僅かに低い温度に制御する。これにより、通常利用する事のない低温の廃熱を有効利用する事ができるので、システムの効率を向上する事ができる。なお、ここでは、ＰＲＯＸ３から排出された改質ガスとしたが、他の発熱反応を生じる反応器や、それから排出された生成ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を用いてもよい。
【００６３】
熱交換器１１に流通させる冷却水の流量を調整する三方弁１７を備える。熱交換器１１を流通する冷却水流量を調整することにより、ＰＲＯＸ３の冷却水入口近傍の冷却水温度を、沸点より僅かに低い温度に制御する。このように、冷却水流量を調整することにより冷却水温度を調整することができる。または、改質ガスが熱交換器１１を迂回するバイパスを設け、熱交換器１１を通る改質ガス流朗を調整することにより、冷却水温度を調整することもできる。
【００６４】
次に、第３の実施形態について説明する。燃料電池システムの燃料改質システムの概略を図５に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６５】
水系１０３に電気ヒーター１２を備える。ここでは、電気ヒーター１２を水ポンプ６とＰＲＯＸ３の間に配置する。なお、温度検出手段９および圧力検出手段１０は、電気ヒーター１２から排出された冷却水の温度および圧力を検出する。
【００６６】
図示しない水タンクにより供給された水をＷＧＳ２側とＰＲＯＸ３側に分岐する。ＷＧＳ２側に分岐された水は、第１の実施形態と同様にシフト反応に用いられる。
【００６７】
一方、ＰＲＯＸ３側に分岐した水は、還流水と混合されてから、水ポンプ６を介して電気ヒーター１２に供給される。電気ヒーター１２で、冷却水層入口の冷却水温度が沸点より僅かに低い温度となるように制御される。温度調整された冷却水は、ＰＲＯＸ３の冷却水層を流通する際に改質ガス層を適温に調整するとともに、一部が蒸発して水蒸気となる。このように生成された気液二相状態の冷却水は加熱水タンク５に供給されて、水蒸気と還流水に分離される。水蒸気は、熱交換器４および圧力調整弁８を介してＡＴＲ１に供給される。一方、還流水は、ＰＲＯＸ３に供給される冷却水に還流され、再度ＰＲＯＸ３の温度調整に用いられる。ただし、このときには、還流水は水ポンプ６の上流側から混入される。
【００６８】
次に、冷却水の温度調整方法の概略を説明する。
【００６９】
ＰＲＯＸ３の冷却水層入口には、第１実施例と同様に温度検出手段９及び圧力検出手段１０を設ける。ここでの冷却水温度がその時の圧力に対する沸点より僅かに低い温度となる様に電気ヒーター１２の出力を調節する。これにより、冷却水は略飽和液の状態となってＰＲＯＸ３の冷却水層に流入する。
【００７０】
次に、本実施形態の冷却水の温度制御方法を図６のフローチャートを用いて説明する。
【００７１】
第１の実施形態と同様とする。ただし、ステップＳ２４において、冷却水温度を上昇させる必要があると判断されたら、ステップＳ２５において、電気ヒーター１２の出力を増大する。これにより冷却水を加熱して温度を上昇させる。また、ステップＳ２６において、冷却水温度を抑制する必要があると判断されたら、ステップＳ２７において、電気ヒーター１２の出力を低減する。これにより冷却水の加熱を抑制して温度を低下させる。
【００７２】
本実施形態は、ＡＴＲ１で必要となる水蒸気量を得るための熱量に対してＰＲＯＸ３の発熱量に余裕がなく、かつスペース上の制約が大きい場合に有効である。
【００７３】
次に、本発明の効果を説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００７４】
ＰＲＯＸ３に供給する冷却水を加熱する加熱手段を備え、加熱手段により、ＰＲＯＸ３の冷却水層入口近傍の冷却水温度を、沸点より僅かに低い温度に制御する。ここでは、加熱手段として、電気ヒーター１２を用いる。これにより、他の要素との関連なしに独立して冷却水の温度を調節する事ができるので、応答性良く容易かつ精密にＰＲＯＸ３に供給する冷却水の温度を制御する事ができる。
【００７５】
なお、上記実施の形態においては、水蒸気の供給先としてＡＴＲ１以外にＷＧＳ２も考えられる。また、ＰＲＯＸ３の冷却水について説明したが、発熱を伴う改質反応を生じる改質反応器や、ＷＧＳ２、または、触媒を備えた燃焼器等の冷却水等にも適用できる。例えばＷＧＳ２の熱を利用して発生させた水蒸気をＡＴＲ１に供給する場合にも適用する事ができる。また、ここでは冷媒として水を用いているがこの限りではない。例えば、冷媒として改質原料である炭化水素系燃料を用いてもよい。
【００７６】
また、ＰＲＯＸ３または熱交換器１１から排出される改質ガスの温度は燃料電池の運転温度よりも高いため、図示しないラジエータや、熱交換器手段などの何らかの手段によって改質ガスを冷却する必要がある。
【００７７】
さらに、冷却水の流量調整は上記実施形態の構成に限らない。例えば、水系１０３のＰＲＯＸ３の下流側に圧力調整弁を備えることにより冷却水層の圧力を調整し、水ポンプ６の替わりに、加熱タンク５から取り出す還流水の流量を調整するポンプと、加熱タンク５から取り出す水蒸気流量を調整するポンプを備えてもよい。
【００７８】
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、発熱を伴う反応器において、反応器内の温度勾配を抑制して適切な温度に維持するための冷却システムに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】第１の実施形態に用いる冷却水温度調整装置の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態における冷却水温度調整を示すフローチャートである。
【図３】第２の実施形態に用いる冷却水温度調整装置の概略構成図である。
【図４】第２の実施形態における冷却水温度調整を示すフローチャートである。
【図５】第３の実施形態に用いる冷却水温度調整装置の概略構成図である。
【図６】第３の実施形態における冷却水温度調整を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８１】
１    ＡＴＲ
３    ＰＲＯＸ（反応器）
５    加熱水タンク（気液分離手段）
９    温度検出手段
１０  圧力検出手段
１１  熱交換器（熱交換手段）
１２  電気ヒーター(加熱手段)
１０３  水系（冷却システム）
【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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