(57)【要約】【課題】  蒸気発生器内の圧力変動に起因する供給水量の変動を抑制する。【解決手段】  ＣＯ変成器１５およびＣＯ選択酸化器１９を冷却して水蒸気３を発生させる蒸気発生器１３、１７と、燃焼器２３から排出される燃焼排ガスで水蒸気３を発生させる蒸気発生器２４と、容積型の電磁ポンプ３０、３１、３２とを備え、蒸気発生器１３、１７に供給する水量を調整して触媒層の温度を設定温度に制御するとともに、蒸気発生器２４に供給する水量を、改質器に必要な水蒸気の発生させる水量から蒸気発生器１３、１７に供給する水量を引いた量に制御する。この電磁ポンプによれば、蒸気発生器１３、１７、２４内の圧力にかかわらず強制的に一定の水量を供給でき、蒸気発生器への供給水量の変動を抑制できるので、ＣＯ変成器１５やＣＯ選択酸化器１９の触媒層の温度を活性温度に維持しつつ、改質器に供給される水蒸気３の量を適正に保つことができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料と水蒸気とを反応させて水素ガスを含む改質ガスを発生する改質器と、該改質器の下流に設けられたＣＯ変成器およびＣＯ選択酸化器の少なくとも一方の触媒層または該触媒層に通流する前記改質ガスを設定温度範囲に冷却して前記改質器に水蒸気を供給する蒸気発生器を含む複数の蒸気発生器とを備え、
該複数の蒸気発生器は、各蒸気発生器に水を供給する容積型の電磁ポンプと、該各電磁ポンプの吐出量をパルス電流により制御する制御器とを有してなる水素製造装置。
【請求項２】
前記複数の蒸気発生器は、前記改質ガスが供給される燃料電池のアノード排ガスを燃焼させた熱で水蒸気を発生させる他の蒸気発生器を備え、該他の蒸気発生器の前記制御器は、前記複数の蒸気発生器の各電磁ポンプの吐出量を合計し、該合計値と前記改質器に必要な前記水蒸気量との差を低減するように、当該他の蒸気発生器の前記電磁ポンプのパルス電流を制御することを特徴とする請求項1に記載の水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に供給する水素ガスを発生する水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素製造装置は、例えば、天然ガス、都市ガス、プロパンガス、メタノール、ナフサ、ガソリンなどの炭化水素系燃料を水蒸気（Ｈ２Ｏ）で改質して水素を含む改質ガスを生成して燃料電池に供給するものであり、燃料電池は、水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）とを電極反応させて直接電気エネルギを発生させるものである。
【０００３】
改質ガスの生成に用いる水蒸気は、例えば、燃料電池から排出されるアノード排ガスを燃料とする蒸気発生器、改質器から排出される改質ガスの熱を回収する蒸気発生器を設け、これらの蒸気発生器から供給することが行われている。改質ガスの熱を回収する蒸気発生器としては、改質ガス中のＣＯを低減するＣＯ変成器やＣＯ選択酸化器の触媒層の温度を所定範囲に制御するため、それらの触媒層又は触媒層に流入する改質ガスを水により冷却する熱交換器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。つまり、水素ガス製造装置内の廃熱を有効に利用して、改質原料の水蒸気を発生させることにより、水素製造にかかる効率を向上させることが行われている。
【０００４】
ところで、改質反応に用いられる水蒸気を安定に供給するため、複数の蒸気発生器により発生される水蒸気量の総量を、改質反応に必要な水蒸気量に調整する必要がある。例えば、各蒸気発生器に供給される水量を計測して、水蒸気の総量を求め、その総量が改質反応に必要な水蒸気量になるように、各蒸気発生器の供給水量を制御する必要がある。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３３４９３５号公報（第３−５頁、第１図参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１の技術によれば、複数の蒸気発生器により発生される水蒸気の総量を改質反応に必要な水蒸気量に調整することについて配慮されていない。
【０００７】
すなわち、特許文献１の技術では、ＣＯ変成器やＣＯ選択酸化器の触媒層の温度を制御する熱交換器に通流する水量を流量調整弁で制御しているが、熱交換器内の水の蒸発の態様によっては、熱交換器内の圧力が変動する。この影響で流量調整弁を介して供給される水量が変動するとともに、流量調整弁の開度と供給水量の相関がくずれる。その結果、改質器に供給される水蒸気の量が変動するとともに、触媒層の温度を所定範囲に制御することができないおそれがある。
【０００８】
本発明は、蒸気発生器内の圧力変動にかかわらず、蒸気発生器に供給する水量を所望値に制御することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の水素製造装置は、炭化水素系燃料と水蒸気とを反応させて水素ガスを含む改質ガスを発生する改質器と、該改質器の下流に設けられたＣＯ変成器およびＣＯ選択酸化器の少なくとも一方の触媒層または該触媒層に通流する前記改質ガスを設定温度範囲に冷却して前記改質器に水蒸気を供給する蒸気発生器を含む複数の蒸気発生器とを備え、該複数の蒸気発生器は、各蒸気発生器に水を供給する容積型の電磁ポンプと、該各電磁ポンプの吐出量をパルス電流により制御する制御器とを有して構成したことを特徴とする。
【００１０】
すなわち、容積型の電磁ポンプは、蒸気発生器内の圧力如何にかかわらず強制的に一定の水量を吐出することができるから、蒸気発生器に供給する水量を所望値に制御することができる。その結果、ＣＯ変成器やＣＯ選択酸化器の触媒層の温度を活性温度に維持することができるとともに、改質器に供給される水蒸気の量を適正に保つことができる。
【００１１】
特に、電磁ポンプは、パルス電流の数により水量を制御できるから、微少の水量に制御でき、通常の流量制御弁では制御できない微少量の流量制御を実現できる。
【００１２】
ここで、複数の蒸気発生器には、改質ガスが供給される燃料電池のアノード排ガスを燃焼させた熱で水蒸気を発生させる他の蒸気発生器を含めることができる。この場合、他の蒸気発生器の制御器は、複数の蒸気発生器の各電磁ポンプの吐出量を合計し、該合計値と前記改質器に必要な前記水蒸気量との差を低減するように、当該他の蒸気発生器の前記電磁ポンプのパルス電流を制御するようにすることができる。これによれば、各蒸気発生器の発生蒸気量が変動しても、改質反応に必要な水蒸気量を発生させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、蒸気発生器内の圧力変動にかかわらず、蒸気発生器に供給する水量を所望値に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の水素製造装置を適用してなる燃料電池システムの一実施形態を示す図である。本実施形態の水素製造装置は、例えば、天然ガス、都市ガス、メタンガス、プロパンガス、メタノール、ナフサ、ガソリン、灯油などの炭化水素系燃料１（以下、燃料１）と水蒸気３とを反応させて水素リッチな改質ガスを発生する改質器４と、改質器４の下流に設けられたＣＯ変成器１５およびＣＯ選択酸化器１９を備えて構成されている。改質器４には、起動バーナ７を介して燃料１、水蒸気３および空気５が供給され、それらが燃焼触媒層９および改質触媒層１１に通流するようになっている。起動バーナ７は、起動時に、図示していない点火手段で点火されて燃料１を燃焼し、この燃焼熱で燃焼触媒層９および改質触媒層１１を予熱し、起動後は、燃料１、水蒸気３および空気５の供給源として機能する。改質触媒層１１としては、燃料１と水蒸気３の反応を促進させる例えば、Ｎｉ系やＲｕ系などの触媒が用いられている。燃焼触媒層９は、起動後に、燃焼１の一部を空気５で燃焼して改質反応（吸熱反応）に必要な熱を供給するものである。
【００１５】
改質器４から排出される改質ガスは、蒸気発生器１３に流入する。蒸気発生器１３は、改質ガスと水とを熱交換する熱交換器であり、熱交換により冷却された改質ガスは、ＣＯ変成器１５に排出されるようになっている。ＣＯ変成器１５は、改質ガス中のＣＯと水蒸気とを反応させてＣＯ２と水素に転換するＣＯシフト触媒層を有している。ＣＯシフト触媒としては、例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系などの遷移金属系またはＰｔ、Ｒｕ系などの貴金属を用いることができる。
【００１６】
ＣＯ変成器１５から排出される改質ガスは、蒸気発生器１７に流入する。蒸気発生器１７は、蒸気発生器１３と同様の熱交換器であり、蒸気発生器１７で冷却された改質ガスは、ＣＯ変成器１９に排出されるようになっている。ＣＯ選択酸化器１９は、改質ガス中のＣＯを選択的に酸化させるＣＯ選択酸化触媒層を有している。このＣＯ選択酸化触媒としては、例えば、ＰｔやＲｕなどの貴金属を用いることができる。
【００１７】
このように構成された水素製造装置に供給された燃料１、水蒸気３および空気５は、燃焼触媒の作用により燃料１の一部が燃焼される。この燃焼反応は、燃料１がメタンの場合は下記（１）式で表せる。
ＣＨ４＋２Ｏ２ → ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ （１）
【００１８】
燃焼触媒層９で昇温された燃料１と水蒸気３は、改質触媒層１１を通流する間に改質反応してＣＯと水素に変換される。この改質反応は、燃料１がメタンの場合は下記（２）式で表せる。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ ←→ ＣＯ＋３Ｈ２ （２）
【００１９】
この改質反応と同時に、（２）式により発生したＣＯは水蒸気との反応により、さらに、水素を生成する。この改質反応は、燃料１がメタンの場合は下記（３）式で表せる。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ ←→ ＣＯ２＋Ｈ２  （３）
【００２０】
（２）式の反応は、例えば、５５０〜８００℃の高温で進行する吸熱反応である。この吸熱反応で消費される熱量は（１）式の燃焼熱により補われるので、改質触媒層９の温度は所定温度範囲に保たれることになる。また、（２）式と（３）式の反応は、平衡反応であることから、改質触媒層１１で生成される改質ガスには、Ｈ２のほかに、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２およびＣＯなどが含まれる。
【００２１】
改質触媒層１１で生成された改質ガスは、蒸気発生器１３でＣＯ変成器１５のＣＯシフト触媒に適した温度である活性温度（例えば、２５０〜３００℃）に冷却される。蒸気発生器１３により減温された改質ガス中のＣＯは、ＣＯ変成器１５においてＣＯシフト触媒の作用により、次式（４）に示すようにＣＯ２にシフトされる。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ ←→ ＣＯ２＋Ｈ２  （４）
【００２２】
式（４）の反応は平衡反応であり、温度が低いほど右側への反応が進行するが、温度が低くなるにしたがい反応速度が遅くなる。そのためにできるだけ低温で反応速度を速くするためにCu／Zn系やPt系などの触媒が用いられている。
【００２３】
ＣＯ変成器１５で処理された改質ガスは、蒸気発生器１７によりＣＯ選択酸化器１９に適した温度である活性温度（例えば、１２０〜１８０℃）に冷却される。蒸気発生器１７により減温された改質ガスは、ＣＯ選択酸化器１９に流入されて空気が添加され、ＣＯ選択酸化触媒層を通流する過程で、改質ガス中に残存する微量のＣＯ（例えば、ＣＯ濃度２０００〜５０００ｐｐｍ）が燃焼される（次式（５））。これによって、改質ガス中のＣＯ濃度を例えば１０ｐｐｍ以下にでき、固体高分子型の燃料電池２１の電極被毒を回避できる。
ＣＯ ＋ １／２Ｏ２  → ＣＯ２    （５）
【００２４】
ＣＯ選択酸化器１９から排出された改質ガスは、燃料電池２１の燃料極（アノード）に流入されるとともに、燃料電池２１に供給される空気中の酸素と反応して電気を発生する。このとき、燃料極では水素の例えば７０〜９０％が発電に使われ、残りの１０〜３０％の水素がアノード排ガスとして排出される。排出されたアノード排ガスは、燃焼器２３で燃焼され、ここで生じた燃焼排ガスは、蒸気発生器２４、２５を通流して排気される。
【００２５】
次に、本実施形態の特徴部の構成について説明する。蒸気発生器２４は、燃焼器２３から排出された燃焼排ガスで、電磁ポンプ３０から供給される水２９を加熱して蒸発させ、生じた水蒸気３を起動バーナ７に供給するようになっている。また、燃料供給装置２７は、電磁ポンプ３０から吐出される水２９に合流させて燃料１を供給するようになっている。この燃料１は、蒸気発生器２４で予熱されて起動バーナ７に供給される。熱交換器２５は、蒸気発生器２４から排出された燃焼排ガスで空気供給装置３３から供給される空気５を予熱して起動バーナ７に供給するようになっている。蒸気発生器１３は、電磁ポンプ３１から供給される水２９を改質ガスで加熱して蒸発させ、生じた水蒸気３を起動バーナ７に供給するようになっている。蒸気発生器１７は、電磁ポンプ３２から供給される水２９を改質ガスで加熱して蒸発させ、生じた水蒸気３を起動バーナ７に供給するようになっている。
【００２６】
燃料供給装置２７、電磁ポンプ３０、３１、３２および空気供給装置３３は、制御器３５によって制御されるようになっている。また、温度計３７が、蒸気発生器１３とＣＯ変成器１５の間のガス流路に設けられ、温度計３８が、蒸気発生器１７とＣＯ選択酸化器１９の間のガス流路に設けられている。各温度計３７、３８は、制御器３５に検知した温度を出力するようになっている。電磁ポンプ３０、３１、３２は、ダイヤフラム式やプランジャ式などの容積型であり、パルス電流の数に応じた量の水を供給する構成になっている。
【００２７】
このように構成される水素製造装置の制御動作について説明する。起動時、起動バーナ７で、燃焼触媒層９および改質触媒層１１を改質触媒の温度が改質反応が進行する所定温度（例えば、６５０〜８５０℃）まで上昇させる。
【００２８】
起動後、制御器３５は、温度計３７、３８から検出温度を取り込み（ステップＳ１）、電磁ポンプ３１、３２に印加するパルス電流の数を制御し、蒸気発生器１３、１５に通流する水量を調整し、ステップＳ１で取り込んだ温度を設定温度に制御する（ステップＳ２）。次に、外部から入力される負荷指令（例えば、１００％、７５％、５０％および３０％）に対応する燃料１の量を、例えば、図２に示すデータテーブルから求め（ステップＳ３）、燃料供給装置２７を制御して求めた量の燃料１を供給する（ステップＳ４）。一方、負荷指令に対応する水２９の量を求める（ステップＳ５）。電磁ポンプ３１、３２が供給する水量と電磁ポンプ３０の水量の総和が、ステップＳ５で求めた水量になるように電磁ポンプ３０のパルス電流の数を制御する（ステップＳ６）。これにより、改質器に供給する燃料１と水蒸気３との比率（Ｓ／Ｃ）が一定になる。なお、このＳ／Ｃは例えば３．０に設定する。
【００２９】
このように本実施形態によれば、電磁ポンプ３０、３１、３２によって蒸気発生器１３、１７、２４に供給される水量を制御できるので、蒸気発生器内の圧力にかかわらず蒸気発生器に通流する水量を一定にすることができる。したがって、蒸気発生器への供給水量の変動が抑制され、ＣＯ変成器１５やＣＯ選択酸化器１９の触媒層の温度を活性温度に維持することができるとともに、改質器に供給される水蒸気３の総量を適正に保つことができる。特に、改質器に供給される水蒸気量が不足することによる、水素の生成量の減少や改質ガス中のＣＯ濃度の増加を防止できる。
【００３０】
また、電磁ポンプ３０、３１、３２は、パルス電流の数により水量を制御できるから、微少の水量を制御でき、例えば、給水量が６〜１５ｇ／ｍｉｎ程度の家庭用や車載用などの小型の水素製造装置に好適である。
【００３１】
また、本実施形態では、ＣＯ変成器１５とＣＯ選択酸化器１９の触媒層の改質ガスの流入側にそれぞれ蒸気発生器１３、１７を設けた構成としたが、各蒸気発生器を触媒層内に設けることもできる。また、本実施形態では、燃焼器２３でアノード排ガスを燃焼させる構成としたが、これに限らず周知の燃料を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の水素製造装置を適用してなる燃料電池システムの一実施形態を示す図である。
【図２】各負荷における運転条件を説明する表である。
【符号の説明】
【００３３】
１  炭化水素系燃料
３  水蒸気
５  空気
７  起動バーナ
９  燃焼触媒層
１１  改質触媒層
１３、１７、２４  蒸気発生器
１５  ＣＯ変成器
１９  ＣＯ選択酸化器
２１  燃料電池
２３  燃焼器
３０、３１、３２  電磁ポンプ
３５  制御器
３７、３８  温度計
【図１】
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【図２】
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