(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除去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、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。さらに、温度センサ１７〜２０の温度によって各反応器へ空気を供給する流量調整弁９〜１３と、水を供給する流量調整弁１４〜１６を備える。【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除去する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、
少なくとも前記改質器を加熱する加熱手段と、
前記改質器と、前記一酸化炭素低減装置の温度をそれぞれ検知する温度検知手段と、
前記加熱手段と前記改質器と前記一酸化炭素低減装置に酸化剤をそれぞれ供給する酸化剤供給手段と、
前記改質器と、前記一酸化炭素低減装置に水をそれぞれ供給する水供給手段と、を備え、
燃料改質システムの暖機時に、前記温度検知手段によって検出された温度に基づいて、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酸化剤と前記水の流量をそれぞれ制御するようにしたことを特徴とする燃料改質システム。
【請求項２】
前記改質器は、前記加熱手段によって所定温度まで加熱された後に、前記原料を前記酸化剤供給手段によって供給された前記酸化剤で酸化し、
前記酸化によって生じる熱によって前記改質器を改質器目標温度まで加熱した後に、前記水と、前記酸化剤と、前記原料とを前記改質ガスの生成に適した割合に制御し、改質ガス生成を開始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】
前記改質器の直下流に位置する前記一酸化炭素低減装置は、前記酸化剤供給手段によって供給された前記酸化剤と前記改質器が生成した前記改質ガスとの酸化反応により、一酸化炭素低減装置目標温度まで加熱した後に、前記改質ガス中の一酸化炭素を低減に適した割合に前記酸化剤の流量と前記水の流量を制御し、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】
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除去する直列に配置された少なくとも第１、第２の複数の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、
少なくとも前記改質器を加熱する加熱手段と、
前記改質器と、前記複数の一酸化炭素低減装置の温度を検出する温度検知手段と、
前記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に酸化剤をそれぞれ供給する酸化剤供給手段と、
前記改質器と、前記複数の一酸化炭素低減装置に水をそれぞれ供給する水供給手段と、を備え、
前記改質器の直下流に位置する第１の一酸化炭素低減装置は、前記酸化剤供給手段によって供給された前記酸化剤と前記改質器が生成した前記改質ガスとの酸化反応により、一酸化炭素低減装置目標温度まで加熱した後に、前記改質ガス中の一酸化炭素を低減に適した割合に前記酸化剤の流量と前記水の流量を調整し、前記改質ガス中の一酸化炭素を低減し、
前記第２の一酸化炭素低減装置は、上流に位置する前記第１の一酸化炭素低減装置が前記一酸化炭素低減装置目標温度まで加熱された後に、前記酸化剤供給手段によって供給された前記酸化剤で、前記第１の一酸化炭素低減装置から排出された前記改質ガスを酸化し、第２の一酸化炭素低減装置が目標温度まで加熱した後に、前記酸化剤の流量と前記水の流量を調整し、前記上流に位置する第１の一酸化炭素低減装置から排出された前記改質ガス中の一酸化炭素を低減することを特徴とした燃料改質システム。
【請求項５】
前記温度検知手段は、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温度を検知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】
前記加熱手段が、前記改質器に設けられた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。
【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ずる可能性があった。
【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、炭化水素系の原料から水素リッチな改質ガスに改質する改質器と、改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素低減装置を備えた燃料改質システムにおいて、少なくとも改質器を加熱する加熱手段と、改質器と一酸化炭素低減装置の温度を検知する温度検知手段と備える。また、加熱手段と一酸化炭素低減装置に酸化剤、水をそれぞれ供給する酸化剤供給手段、水供給手段を備える。そして、温度検知手段によって検出された温度に基づいて、改質器と一酸化炭素低減装置に供給する酸化剤と水を制御する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、改質器と一酸化炭素低減装置の温度に基づいて、改質器、一酸化炭素低減装置にそれぞれ酸化剤と水を供給するので、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、加熱手段である燃焼器１と、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を備える（改質反応器２が改質器、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。また高温シフト反応器３は第１の一酸化炭素低減装置であり、低温シフト反応器４は第２の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、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、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３０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３１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が水供給手段である）。
【００１０】
燃焼器１は、燃料噴射弁７から噴射される燃料を流量制御弁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から噴射された炭化水素系の燃料と、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。また、水を供給せずに流量制御弁１０によって空気だけを供給し、燃料を酸化する。この酸化によって改質反応器２は自己を暖機し、また酸化ガスによって改質反応器２より下流の各反応器を暖機する。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】
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。また、水を供給せずに流量制御弁１１を介して空気を供給し、改質ガスを酸化する。この酸化によって高温シフト反応器３は自己を暖機し、また酸化ガスによって高温シフト反応器３より下流の各反応器を暖機する。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。
【００１３】
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。また、水を供給せずに流量制御弁１２を介して空気を供給し、改質ガスを酸化する。この酸化によって低温シフト反応器４は自己を暖機し、また酸化ガスによって選択酸化反応器５を暖機する。低温シフト反応器４は温度センサ１９を備え、温度センサ１９によって低温シフト反応器４の温度を検出する。
【００１４】
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に流量制御弁１３を介して空気を供給し、改質ガス中の一酸化炭素を例えば、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２０を備え、温度センサ２０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が温度検出装置を構成する）。
【００１５】
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を制御するコントローラユニット６を備える。
【００１６】
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。
【００１７】
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により空気を調整し、燃料を燃焼する。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。
【００１８】
ｔ１で温度センサ１７によって検出された改質反応器２の温度が所定温度Ｔ１１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により空気の供給を停止し、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する。なお空気流量は、理論混合比に対して希薄側となるように流量制御弁１０を調整し、酸化反応を行う。この酸化反応によって生じる熱によって、改質反応器２を追加暖機する。また、改質反応器２で生じた酸化ガスにより、改質反応器２より下流の各反応器を暖機する。ここでＴ１１は改質反応器２において、燃料を酸化することができる温度である。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。
【００１９】
ｔ２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の温度が目標温度である暖機終了温度Ｔ２２となり、かつ高温シフト反応器３の温度が所定温度Ｔ３１になると、改質反応器２の暖機を終了する。そして、燃料噴射弁８による燃料の流量と、流量制御弁１０による空気の流量と、流量制御弁１４による水量を調整し、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。更に、高温シフト反応器３に流量制御弁１１によって流量を制御した空気を供給し、改質反応器２によって発生する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、高温シフト反応器３を追加暖機し、高温シフト反応器３で生じた酸化ガスにより、高温シフト反応器３より下流の各反応器を暖機する。これによって、高温シフト反応器３を他の反応器の温度によらず、独立して暖機することができる。なお、Ｔ３１は高温シフト反応器３において、改質ガスを空気によって酸化できる温度である。改質反応器２の温度がＴ２２となり、高温シフト反応器３の温度がＴ３１まで加熱されない場合には、改質反応器２の温度をＴ２２に保ち、高温シフト反応器３の温度がＴ３１となるまで高温シフト反応器３は暖機される。
【００２０】
ｔ３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の温度が目標温度である暖機終了温度Ｔ３２となり、かつ低温シフト反応器４の温度が所定温度Ｔ４１になると、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。更に、低温シフト反応器４に流量制御弁１２によって流量を制御した空気を供給し、高温シフト反応器３によって一酸化炭素濃度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を追加暖機する。また、低温シフト反応器４で生じた酸化ガスにより、選択酸化反応器５を暖機する。なお、Ｔ４１は低温シフト反応器４が改質ガスを空気によって酸化できる温度である。高温シフト反応器３の温度がＴ３２となり、低温シフト反応器４の温度がＴ４１まで加熱されない場合には、高温シフト反応器３の温度をＴ３２に保ち、低温シフト反応器４の温度がＴ４１となるまで低温シフト反応器４は暖機される。これによって、改質反応器２と高温シフト反応器３を他の反応器の温度によらず、独立して暖機することができる。
【００２１】
ｔ４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の温度が目標温度である暖機終了温度Ｔ４２となり、かつ選択酸化反応器５の温度が所定温度Ｔ５１になると、低温シフト反応器４の暖機を終了する。そして、流量制御弁１６によって改質ガス量に応じた水量を低温シフト反応器４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。更に、選択酸化反応器５に流量制御弁１３によって流量を制御された空気を供給し、低温シフト反応器４によって一酸化炭素を低減した改質ガスを酸化する。なお、Ｔ５１は選択酸化反応器５が改質ガスを空気によって酸化できる温度である。低温シフト反応器４の温度がＴ４２となり、選択酸化反応器５の温度がＴ５１まで加熱されない場合には、低温シフト反応器４の温度をＴ４２に保ち、選択酸化反応器５の温度がＴ５１となるまで選択酸化反応器５は暖機される。これによって、改質器２と高温シフト反応器３と低温シフト反応器４を他の反応器の温度によらず、独立して暖機することができる。
【００２２】
ｔ５において、温度センサ２０によって検出された選択酸化反応器５の温度が目標温度である暖機終了温度Ｔ５２となると、選択酸化反応器５の暖機を終了する。そして、流量制御弁１３により、空気流量を制御し、低温シフト反応器４によって一酸化炭素を低減し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を他の反応器の温度によらず、独立して暖機することができる。
【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】
上流の反応器で燃料を燃焼させ、上流の反応器はその熱で暖機を行い、また、下流の反応器は上流の反応器で生じた燃焼熱で暖機を行い、上流の反応器の暖機が終了すると上流の反応器では改質反応または、一酸化炭素除去反応を行い、その直下流の反応器では改質ガスを酸化することで、暖機を行う。各反応器にそれぞれ空気または水の供給を行い、この動作を上流から順番に行うことで、各反応器をそれぞれ過昇温することなく、独立して温度調整することができ、各反応器の温度を素早く反応に適した温度にすることができる。また、各反応器で燃料を酸化し、その酸化熱によって各反応器の暖機を行うので、暖機に必要なエネルギーを少なくすることができる。
【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１の変わりに改質反応器２に電熱加熱触媒（ＥＨＣ）２２を備える。また、電熱触媒２２に電力を供給するバッテリー２３を備える。その他の構成については、第１実施形態と同じ構成である。なお、電熱触媒２２は改質反応器２２の全部もしくは一部に用いる。これによって、電熱触媒２２により改質反応器２の暖機を行う。
【００３０】
次に、第２実施形態の燃料改質について図６の概略タイムチャートを用いて説明する。
燃料改質システムが起動されると、ｔ０において電熱触媒２２に通電を開始し、改質反応器２２の暖機を開始する。
【００３１】
ｔ１で温度センサ１７によって検出された改質反応器２の温度が所定温度Ｔ２１を超えると、電熱触媒２２による加熱を停止する。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する。ここで、理論混合比に対して希薄側となるように空気の供給量を調整し、改質反応器２で酸化反応を行う。この酸化反応によって生じる熱によって、改質反応器２を追加暖機する。また、改質反応器２で生じた酸化ガスにより、改質反応器２より下流の各反応器を暖機する。なおＴ２１は改質反応器２において、酸化反応をすることが可能な温度である。
【００３２】
ｔ２以降については、第１実施形態と同じなのでここでの説明は省略する。
【００３３】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００３４】
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。
【００３５】
また、本発明では温度検知手段として、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によって検出し（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温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】
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】
【００３７】
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】
【００３８】
【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実施形態の各反応器の温度変化を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１          燃焼器（加熱手段）
２          改質反応器（改質器）
３          高温シフト反応器（第１の一酸化炭素低減装置）
４          低温シフト反応器（第２の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（酸化剤供給手段）
１４〜１６  流量調整弁（水供給手段）
１７〜２０  温度センサ（温度検知手段）
【図１】
2005170741.tif 000003
【図２】
2005170741.tif 000004
【図３】
2005170741.tif 000005
【図４】
2005170741.tif 000006
【図５】
2005170741.tif 000007
【図６】
2005170741.tif 000008