(57)【要約】【課題】温度調整が容易な燃料改質システムを提供する。【解決手段】炭化水素系の燃料を改質する改質反応器２と、改質ガス中の一酸化炭素を低減する高温シフト反応器３と、低温シフト反応器４と、選択酸化反応器５を備える。また、改質反応器２と高温シフト反応器３の間に燃焼器２１と、高温シフト反応器３と低温シフト反応器４の間に燃焼器２２を備える。燃焼器１と、各反応器の温度を検出する温度センサ１７〜２０を備える。そして、温度センサ１７〜２０の温度によって燃焼器１、２１、２２で原料、または改質ガスを燃焼する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の原料を水素リッチな改質ガスに改質する改質器と、
前記改質器によって改質された改質ガス中の一酸化炭素を低減する複数の直列に配置された一酸化炭素低減装置と、を備えた燃料改質システムにおいて、
前記改質器を加熱する第１加熱手段と、
前記改質器と前記複数の一酸化炭素低減装置の間に少なくとも一つ設けられた第２加熱手段と、
前記改質器と、前記複数の一酸化炭素低減装置の活性度を検出する活性度検出手段と、
前記活性度検出手段によって検出された活性度に基づいて、前記第２加熱手段の少なくとも直下流の一酸化炭素低減装置の活性度が目標活性度となるように前記第２加熱手段の加熱を制御する加熱制御手段と、を備えることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項２】
前記改質器と、前記複数の一酸化炭素低減装置と、前記第１加熱手段と、前記第２加熱手段に酸化剤をそれぞれ供給する酸化剤供給手段と、
前記活性度検出手段によって検出された活性度に基づいて、前記改質器と、前記複数の一酸化炭素低減装置と、前記第１加熱手段と、前記第２加熱手段に供給する前記酸化剤の流量をそれぞれ制御する酸化剤流量制御手段と、を備え、
前記第２加熱手段は、前記第２加熱手段の上流に設けられた前記改質器または、前記複数の一酸化炭素低減装置から排出された前記改質ガスを、前記酸化剤流量制御手段によって流量を制御された前記酸化剤によって燃焼し、前記燃焼によって生じる熱によって、少なくとも前記第２加熱手段の直下流に位置する一酸化炭素低減装置を活性度まで加熱することを特徴とする請求項１に記載の燃料改質システム。
【請求項３】
前記改質器と、前記複数の一酸化炭素低減装置と、前記第２加熱手段に水をそれぞれ供給する水供給手段と、
前記活性度検出手段によって検出された活性度に基づいて、前記改質器と、前記複数の一酸化炭素低減装置に供給する前記水の流量をそれぞれ制御する水流量制御手段と、を備え、
前記複数の一酸化炭素低減装置は、前記第２加熱手段によって前記目標活性度まで加熱された後に、前記酸化剤流量供給手段、または前記水流量供給手段によって流量を制御された前記酸化剤、または前記水が供給され、前記改質ガス中の一酸化炭素を低減することを特徴とする請求項２に記載の燃料改質システム。
【請求項４】
前記活性度検出手段は、前記改質器または、前記複数の一酸化炭素低減装置に温度センサを備え、前記温度センサによって目標活性度を検出することを特徴とする請求項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】
外気の温度を検出する外気温度検出手段と、
前記燃料改質システムの起動開始からの時間を検出する時間検出手段と、を備え、
前記活性度検出手段は、前記外気温度検出手段によって検出された外気温度と、前記時間検出手段によって検出された前記時間と、前記改質器と前記複数の一酸化炭素低減装置の熱容量から前記活性度を検出することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
【請求項６】
前記第１加熱手段が、前記原料と前記酸化剤を燃焼する燃焼器であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
【請求項７】
前記第１加熱手段が、電気加熱触媒であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
【請求項８】
前記第２加熱手段の少なくとも一つが、前記改質器または前記複数の一酸化炭素低減装置から排出された前記改質ガスと前記酸化剤燃焼する燃焼器であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
【請求項９】
前記第２加熱手段の少なくとも一つが、電気加熱触媒であることを特徴とする請求項１から８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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は改質器と一酸化炭素低減装置の温度調整に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来例のシステムでは、改質システムの上流に起動用の燃焼バーナーを持ち起動時においてはバーナーに直接改質燃料と空気を供給し燃焼部に配置されたグロープラグで着火しその燃焼ガスを直接改質システムに供給する事で改質システムの各要素を所定の温度まで暖機し、改質触媒システムが所定の温度に到達したところで改質用燃料ガス（炭化水素系燃料＋水の混合気）と空気を供給する事で通常の改質運転に移行するものが特許文献１に開示されている。
【０００３】
この場合、起動燃焼器からの燃焼ガス温度は、各部の暖機性能、耐熱性と排気性能考慮して決定されるため、燃焼温度が高温になる理論空燃比付近の燃焼は避け、過濃もしくは希薄燃焼を行わせる。
【特許文献１】特開２０００−６３１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の起動方法によると例えば燃焼器で燃料を希薄燃焼させて、その燃焼ガスで改質システムの各要素を暖機する場合においては、上流側に位置する要素に与えられた残りの熱で下流側の要素が暖機される為に最下流に位置する要素の温度が目標温度に達した時には、その上流に位置する要素の温度が上がり過ぎる、すなわち、余分な熱を上流側の要素に与えてしまう事になり、起動時に消費するエネルギー（燃料）の増大や起動時間の遅延といった問題が生じる可能性があった。
【０００５】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃料改質システムの各要素の暖機を最小の燃料で達成し、起動時間を短縮させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、炭化水素系の原料を水素リッチな改質ガスに改質する改質器と、改質器によって改質された改質ガス中の一酸化炭素を低減する複数の直列に配置された一酸化炭素低減装置と、を備えた燃料改質システムにおいて、改質器を加熱する第１加熱手段と、改質器と複数の一酸化炭素低減装置の間に少なくとも一つ設けられた第２加熱手段を備える。また、改質器と、複数の一酸化炭素低減装置の活性度を検出する活性度検出手段と、活性度検出手段によって検出された活性度に基づいて、第２加熱手段の少なくとも直下流の一酸化炭素低減装置の活性度が目標活性度となるように第２加熱手段の加熱量を制御する加熱制御手段を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、例えば、改質器と一酸化炭素低減装置の温度に基づいて、改質器または一酸化炭素低減装置の上流に設けた第１、第２加熱手段の加熱量を制御し、改質器または一酸化炭素低減装置をそれぞれ目標温度に暖機することで、各反応器を過昇温することがなく、燃費の増大や起動時間の増大を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の第１実施形態の構成を図１の構成図を用いて説明する。
【０００９】
この燃料改質システムは、上流側から、第１加熱手段である燃焼器１と、改質反応器２と、燃焼器２１と、高温シフト反応器３と、燃焼器２２と、低温シフト反応器４と、選択酸化反応器５を備える（燃焼器２１と燃焼器２２が第２加熱手段であり、改質反応器２が改質器であり、高温シフト反応器３と低温シフト反応器４と選択酸化反応器５が一酸化炭素低減装置である）。また、燃焼器１に炭化水素系の燃料を供給する燃料噴射弁７と、改質反応器２に炭化水素系の燃料を供給する燃料噴射弁８を備える。また、燃焼器１への空気流量を制御する流量制御弁９と、改質反応器２への空気流量を制御する流量制御弁１０と、燃焼器２１、または高温シフト反応器３への空気流量を制御する流量制御弁１１と、燃焼器２２、または低温シフト反応器４への空気流量を制御する流量制御弁１２と、選択酸化反応器５への空気流量を制御する流量制御弁１３を備える。各流量制御弁９〜１３は、空気供給路４０からのそれぞれの分岐部に位置して設けられている（流量制御弁９〜１３が酸化剤供給手段、酸化剤流量制御手段である）。また、改質反応器２への水流量を制御する流量制御弁１４と、高温シフト反応器３への水流量を制御する流量制御弁１５と、低温シフト反応器４への水流量を制御する流量制御弁１６を備える。各流量制御弁１４〜１６は、水供給路４１からのそれぞれの分岐部に位置して設けられている（流量制御弁１４〜１６が水供給手段であり、水流量制御手段である）。
【００１０】
燃焼器１は、燃料噴射弁７から噴射される炭化水素系の燃料を、流量制御弁９によって流量を制御された空気で燃焼し、高温の燃焼ガスを生成し、燃焼ガスによって下流の改質反応器２などを暖機する。
【００１１】
改質反応器２は、燃料噴射弁８から噴射された燃料と、流量制御弁１０を介して供給された空気と、流量制御弁１４を介して供給された水から、水素リッチな改質ガスを生成する。改質反応器２は温度センサ１７を備え、温度センサ１７によって改質反応器２の温度を検出する。
【００１２】
燃焼器２１は、流量制御弁１１を介して供給された空気で、改質反応器２で改質された改質ガスを燃焼し、生成された燃焼ガスによって燃焼器２１より下流の各反応器を暖機する。また、改質ガスを燃焼させるために点火プラグ２３を備える。
【００１３】
高温シフト反応器３は、改質反応器２で生成された改質ガス中の一酸化炭素を、流量制御弁１５を介して供給された水によって、比較的高温の状態でシフト反応により改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減する。高温シフト反応器３は温度センサ１８を備え、温度センサ１８によって高温シフト反応器３の温度を検出する。
【００１４】
燃焼器２２は、流量制御弁１２を介して供給された空気で、高温シフト反応器３によって一酸化炭素を低減した改質ガスを燃焼し、生成された燃焼ガスによって低温シフト反応器４より下流の各反応器を暖機する。また、改質ガスを燃焼するために点火プラグ２４を備える。
【００１５】
低温シフト反応器４は、高温シフト反応器３で一酸化炭素を低減した改質ガス中の一酸化炭素を、流量制御弁１６を介して供給された水により、比較的低温の状態のシフト反応により更に低減する。低温シフト反応器４は温度センサ１８を備え、温度センサ１８によって低温シフト反応器４の温度を検出する。
【００１６】
選択酸化反応器５は、低温シフト反応器４で一酸化炭素を更に低減した改質ガス中の一酸化炭素を、流量制御弁１３を介して供給された空気により、改質ガス中の一酸化炭素濃度を例えば、固体高分子型燃料電池の電極を被毒しない程度まで低減する。また、流量制御弁１３によって空気量を調整し、改質ガスを酸化する。選択酸化反応器５は温度センサ１８を備え、温度センサ１８によって選択酸化反応器５の温度を検出する（温度センサ１７〜２０が活性度検出手段である）。
【００１７】
また、温度センサ１７〜２０による検出された温度などから燃料噴射弁７、８や流量制御弁９〜１６などを制御するコントローラユニット６を備える。
【００１８】
次に、第１実施形態の燃料改質について図２のタイムチャートを用いて説明する。
【００１９】
燃料電池システムを起動させると、ｔ０において、燃焼器１に燃料噴射弁７によって炭化水素系の燃料を噴射し、理論混合比よりも希薄側で燃焼が行われるように、流量調整弁９により空気量を調整し、燃焼させる。そして、燃焼により発生した高温の燃焼ガスを各反応器へ供給し、各反応器を暖機する。これによって、燃料改質システムの起動直後から、各反応器、特に改質反応器２を暖機することができる。
【００２０】
ｔ１において温度センサ１７によって検出された改質反応器２の温度が目標活性度である暖機終了温度Ｔ１を超えると、燃料噴射弁７からの燃料供給と、流量制御弁９により空気供給を停止し、燃焼器１での燃焼を停止する。また、燃料量噴射弁８により改質反応器２に燃料を供給し、流量制御弁１０によって流量を制御した空気を供給し、流量制御弁１４によって流量を制御した水を供給し、改質反応器２において、水素リッチな改質ガスを生成する改質反応を行う。そして、燃焼器２１に流量制御弁１１によって流量を制御した空気を供給し、点火プラグ２３によって改質反応器２で改質された改質ガスを燃焼させ、その燃焼ガスによって、燃焼器２１より下流の反応器を暖機する。この時、燃焼器２１での改質ガスと空気の混合比は、下流の反応器、特に高温シフト反応器３の耐熱性を考慮して設定され、燃焼温度の高い理論混合比よりも希薄側、もしくは過濃側に設定する。また、流量制御弁１１、または流量制御弁１５を調整することにより、空気や水を供給し、燃焼ガスの温度を調整しても良い。また、燃焼器１を停止せずに、改質反応器２へ供給される燃料と水を気化するための熱量を発生させてもよい。
【００２１】
ｔ２において、温度センサ１８によって検出された高温シフト反応器３の温度が目標活性度である暖機終了温度Ｔ２となると、燃焼器２１での燃焼を終了し、高温シフト反応器３の暖機を終了する。そして、流量制御弁１５によって改質ガス量に応じた水量を高温シフト反応器３に供給し、改質ガス中の一酸化炭素を低減するシフト反応を行う。また、燃焼器２２に流量制御弁１２によって流量を制御した空気を供給し、点火プラグ２４によって高温シフト反応器３で一酸化炭素を低減された改質ガスを燃焼させ、その燃焼ガスによって、燃焼器２２より下流の反応器を暖機する。この時、燃焼器２２の改質ガスと空気の混合比は、下流の反応器、特に低温シフト反応器４の耐熱性を考慮して設定され、燃焼温度の高い理論混合比よりも希薄側、もしくは過濃側に設定する。また、流量制御弁１２もしくは流量制御弁１６を調整することにより、空気や水を供給し、燃焼ガスの温度を調整しても良い。これによって改質反応器２と高温シフト反応器３の温度を独立して制御することができる。
【００２２】
ｔ３において、温度センサ１９によって検出された低温シフト反応器４の温度が目標活性度である暖機終了温度Ｔ３となり、かつ選択酸化反応器５の温度が目標活性度である暖機終了温度Ｔ４となると、燃焼器２２での燃焼を終了し、低温シフト反応器４と選択酸化反応器５の暖機を終了する。そして、流量制御弁１５によって改質ガス量に応じた水量を高温シフト反応器３に供給し、改質ガス中の一酸化炭素を低減するシフト反応を行う。また、流量制御弁１３によって改質ガス量に応じた空気量を選択酸化反応器５に供給し、低温シフト反応器４によって一酸化炭素を低減された改質ガス中の一酸化炭素を更に低減する。これによって改質反応器２と高温シフト反応器３と低温シフト反応器４と選択酸化反応器５の温度を独立して制御することができる。
【００２３】
本発明を用いた場合の反応器の温度変化を図３に示す。また、本発明を用いない場合の反応器の温度変化を図４に示す。本発明を用いない場合には、燃焼器によって燃焼ガスを発生させ、その熱によって、各反応器を順次暖機するために、例えば、最下流に設けた選択酸化反応器の温度を反応に適した温度となるように暖機すると、その上流に位置する改質反応器、高温シフト反応器、低温シフト反応器の温度が、各反応器の反応に適した温度よりも高くなってしまう。一方、本発明を用いた場合の各反応器の温度は、それぞれ独立して制御することができるので、各反応器の反応に適した温度にすることができる。
【００２４】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００２５】
燃焼器１、２１、２２によって、各燃焼器１、２１、２２の下流に設けた改質反応器２、高温シフト反応器３、低温シフト反応器４、選択酸化反応器５の温度をそれぞれ制御することができ、また、燃焼器２１、２２では改質ガスを燃焼するので、少ない燃料で各反応器を過昇温することなく暖機することができ、更に各反応器を素早く暖機することができる。
【００２６】
燃料改質システムの起動時開始直後は、燃焼器１によって改質反応器２を暖機するので、素早く暖機することができる。
【００２７】
次に本発明の第２実形態について図５を用いて説明する。
【００２８】
第２実施形態については図１と異なる部分を説明する。
【００２９】
この実施形態では、燃焼器２１と２２の変わりに第２加熱手段として電気加熱触媒（以下、ＥＨＣ）３１と３２を備える。これによって、高温シフト反応器３と低温シフト反応器４と選択酸化反応器５を暖機する。他の構成については第１実施形態と同じ構成である。
【００３０】
次に、第２実施形態の燃料改質について図６のタイムチャートを用いて説明する。
【００３１】
燃料電池システムを起動させると、ｔ０において、燃焼器１に燃料噴射弁７によって炭化水素系の燃料を噴射し、理論混合比よりも希薄側で燃焼が行われるように、流量調整弁９により空気量を調整し、燃焼する。そして、燃焼により発生した高温の燃焼ガスを各反応器へ供給し、各反応器を暖機する。これによって、燃料改質システムの起動直後から、各反応器、特に改質反応器２を暖機することができる。
【００３２】
ｔ１において温度センサ１７によって検出された改質反応器２の温度が目標活性度である暖機終了温度Ｔ１を超えると、燃料噴射弁７からの燃料供給と、流量制御弁９により空気供給を停止し、燃焼器１での燃焼を停止する。また、燃料量噴射弁８により改質反応器２に燃料を供給し、流量制御弁１０によって流量を制御した空気を供給し、流量制御弁１４によって流量を制御した水を供給し、改質反応器２において、水素リッチな改質ガスを生成する改質反応を行う。そして、ＥＨＣ３１に流量制御弁１１によって流量を制御した空気を供給し、ＥＨＣ３１に通電することで改質反応器２で改質された改質ガスを酸化する。この酸化反応によって生じる熱によって、ＥＨＣ３１より下流の各反応器を暖機する。この時、ＥＨＣ３１での改質ガスと空気の混合比は、下流の反応器、特に高温シフト反応器３の耐熱性を考慮して設定され、燃焼温度の高い理論混合比よりも希薄側、もしくは過濃側に設定する。また、流量制御弁１１、または流量制御弁１５を調整することにより、空気や水を供給し、燃焼ガスの温度を調整しても良い。
【００３３】
ｔ２において温度センサ１８によって検出された高温シフト反応器３の温度が目標活性度である暖機終了温度Ｔ２を超えると、流量制御弁１１による空気供給を停止し、ＥＨＣ３１への通電を停止し、高温シフト反応器３の暖機を終了する。また、流量制御弁１５によって改質ガス量に応じた水量を高温シフト反応器３に供給し、改質ガス中の一酸化炭素を低減するシフト反応を行う。そして、ＥＨＣ３２に流量制御弁１２によって流量を制御した空気を供給し、ＥＨＣ３２に通電することで高温シフト反応器３で一酸化炭素を低減した改質ガスを酸化する。この酸化反応によって生じる熱によって、低温シフト反応器４と選択酸化反応器５の各反応器を暖機する。この時、ＥＨＣ３２での改質ガスと空気の混合比は、下流の反応器の耐熱性を考慮して設定され、燃焼温度の高い理論混合比よりも希薄側、もしくは過濃側に設定する。また、流量制御弁１２、１３もしくは流量制御弁１６を調整することにより、空気や水を供給し、燃焼ガスの温度を調整しても良い。これによって改質反応器２と高温シフト反応器３の温度を独立して制御することができる。
【００３４】
ｔ３において、温度センサ１９によって検出された低温シフト反応器４の温度が目標活性度である暖機終了温度Ｔ３を超え、かつ温度センサ２０によって検出された選択酸化反応器５の温度が目標活性度である暖機終了温度Ｔ４となると、流量制御弁１２による空気の供給を停止し、ＥＨＣ３２への通電を停止し、低温シフト反応器４と選択酸化反応器５の暖機を終了する。低温シフト反応器４に流量制御弁１６によって流量を制御した水を供給し、改質ガス中の一酸化炭素の低減するシフト反応を行う。また、選択酸化反応器５に流量制御弁１３によって流量を制御した空気を供給し、低温シフト反応器４で一酸化炭素を低減した改質ガスの一酸化炭素を更に低減する。これによって改質反応器２と高温シフト反応器３と低温シフト反応器４と選択酸化反応器５の温度を独立して制御することができる。
【００３５】
また、活性度検出手段として、温度センサを使用したが、図示しない温度センサによって外気温度を検出し（外気温度検出手段）、起動を開始してからの時間をタイマなどのよって検出し（時間検出手段）、また、各反応器の材料や大きさから熱容量を算出し、外気温度と起動開始からの時間と、各反応器の熱容量から各反応器の活性度を推定しても良い。これによると、外気の温度と燃料改質システムの起動開始からの時間と各反応器の熱容量によって各反応器の温度を検出するので、各反応器に温度センサをそれぞれ用いずに、燃料改質システムを制御することができる。
【００３６】
なお、選択酸化反応器５の上流にＥＨＣを設け、選択酸化反応器５の温度を制御しても良い。また、ＥＨＣは起動直後に通電を開始し、予め温めておいてもよい。
【００３７】
また、燃焼器１の変わりに電気加熱触媒を用いても良い。更に、各反応器の上流に位置する第２加熱手段を燃焼器と電気加熱触媒を組み合わせて用いても良い。
【００３８】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００３９】
燃料改質システムの起動直後に電熱触媒２２によって改質反応器２を暖機するので、改質反応器２を素早く暖機することができる。
【００４０】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、炭化水素系の原料を改質して使用する分野に利用することができ、特に一酸化炭素濃度を低減しなければならない、固体高分子型燃料電池を使用する分野に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態の温度変化のタイムチャートおよび、各反応器の状態を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態の各反応器の温度変化を示す図である。
【図４】本発明を使用しない場合の各反応器の温度変化を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第２実施形態の温度変化のタイムチャートおよび、各反応器の状態を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１          燃焼器（第１加熱手段）
２          改質反応器（改質器）
３          高温シフト反応器（一酸化炭素低減装置）
４          低温シフト反応器（一酸化炭素低減装置）
５          選択酸化反応器（一酸化炭素低減装置）
６          コントローラユニット
９〜１３    流量制御弁（酸化剤供給量制御手段）
１４〜１６  流量調整弁（水供給量制御手段）
１７〜２０  温度センサ（温度検出手段）
２１、２２  燃焼器（第２加熱手段）
３１、３２  電気加熱触媒（第２加熱手段）
【図１】
2005170742.tif 000003
【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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