(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器とを備え、原燃料を水素リッチガスに改質する改質装置において、起動時に前記ＣＯ変成器及びＣＯ除去器に関連させて設けたシフトバーナを点火して当該ＣＯ変成器及びＣＯ除去器を先に予め定められた温度まで昇温した後、前記改質器のバーナを点火して当該改質器を昇温することを特徴とする燃料電池システムにおける改質装置の起動方法。
【請求項２】
前記ＣＯ変成器及びＣＯ除去器は、前記シフトバーナによって先に予め定められた温度まで昇温した後、前記シフトバーナによる昇温を停止することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムにおける改質装置の起動方法。
【請求項３】
前記予め定められた温度は、１００℃〜１２０℃であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおける改質装置の起動方法。
【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おける改質装置の起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、通常都市ガス等の原燃料を燃料改質装置で水素リッチガスに改質し、その改質ガスを燃料電池の燃料極に供給すると共に、空気極には空気を供給し、燃料極と空気極との間に配設された電解質膜を介して改質ガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとで電気化学反応が生じ、起電力と水とを同時に生成するものである。
【０００３】
前記燃料改質装置は、通常都市ガス等の原燃料を水蒸気改質する改質器と、この改質ガス中に含まれるＣＯをＣＯ２に変成するＣＯ変成器と、更にガス中のＣＯ濃度を低減するＣＯ除去器とから構成されている。又、改質器の前に、原燃料中の硫黄分を除去するための脱硫器が設置される。
【０００４】
改質器：ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
ＣＯ変成器：ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
ＣＯ除去器：２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２
【０００５】
この燃料改質装置において、起動時には改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器をそれぞれ昇温させて各触媒の温度を所定温度にしなければならない。従来はこれらの昇温手段として電気ヒーターが用いられていたが、消費電力を多く必要として不経済であった。このため、それぞれバーナを用いて昇温することが行われているが、先に改質器のバーナを点火して昇温させ、改質器の触媒が所定温度になった時点で原燃料を導入し、水蒸気を供給して水蒸気改質した後、その改質ガスをＣＯ変成器、ＣＯ除去器を経てＣＯ濃度を低減した燃料ガスに改質していた。起動時の初期段階では、改質された燃料ガスは未だ不安定なため燃料電池には供給せずにプロセスバーナ（ＰＧバーナ）で燃焼し、改質ガスが安定した後に燃料電池に供給して発電を開始するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、起動時に改質器が適温に昇温されていても、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器の温度が１００℃未満であると改質ガス中の水蒸気が凝結し、これが凝縮水となってＣＯ変成器、ＣＯ除去器の触媒を劣化させる問題があった。一度凝縮してしまうと、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器の触媒温度を適温まで昇温するのに時間が掛かり、その結果として起動時間が長引く原因になっていた。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題を解決するためになされ、起動時におけるＣＯ変成器、ＣＯ除去器内での改質ガス中の水蒸気の凝縮を防止すると共に、起動時間の短縮が図れるようにした燃料電池システムにおける改質装置の起動方法を提示することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための具体的手段として、本発明は、改質器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器とを備え、原燃料を水素リッチガスに改質する改質装置において、起動時に前記ＣＯ変成器及びＣＯ除去器に関連させて設けたシフトバーナを点火して当該ＣＯ変成器及びＣＯ除去器を先に予め定められた温度まで昇温した後、前記改質器のバーナを点火して当該改質器を昇温することを特徴とする燃料電池システムにおける改質装置の起動方法を要旨とする。
又、この起動方法において、前記ＣＯ変成器及びＣＯ除去器は、前記シフトバーナによって先に予め定められた温度まで昇温した後、前記シフトバーナによる昇温を停止することを特徴とするものである。
さらに、この起動方法において、前記予め定められた温度は、１００℃〜１２０℃であることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明では、起動時にシフトバーナを点火することで、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器を先に昇温（１００℃〜１２０℃）し、この後改質器のバーナを点火して改質器を昇温するので、改質器から送り込まれる改質ガス中の水蒸気が凝縮するのを防ぐことができる。又、その後はシフトバーナを止めて昇温を停止するので、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器の触媒温度が適温以上に上昇するのを抑えることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る燃料電池システムにおける改質装置の起動方法の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、燃料電池システム（本発明はこれに限定されない）の一例を示すもので、燃料改質装置は改質器１と、ＣＯ変成器２と、ＣＯ除去器３とから構成され、改質器１の前には脱硫器４が配置されている。５は燃料電池例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）であって、燃料極５ａと空気極５ｂと冷却部５ｃとを有している。６は冷却水を貯留する水タンク、７は燃料電池５に空気を供給するための給気装置である。
【００１１】
この燃料電池システムにおいて、先ず原燃料（例えば都市ガス）を脱硫器４に送り込んで脱硫した後、改質器１に導入すると共に水蒸気を供給して水素リッチガスに改質し、次いでその改質ガスをＣＯ変成器２に導入して変成した後、ＣＯ除去器３に導入してＣＯ濃度を低下させることで燃料ガスを作る。
【００１２】
燃料ガスはＣＯ除去器３から燃料電池５の燃料極５ａに供給され、前記給気装置７から燃料電池５の空気極５ｂに空気が供給され、燃料極５ａと空気極５ｂとの間に配設された固体高分子電解質膜（図略）を介して燃料ガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとで電気化学反応が生じ、発電が行われると共に水が生成される。この電気化学反応は発熱反応であり、燃料電池５を適正温度（約８０℃）に保持するために前記水タンク６から冷却部５ｃに冷却水が供給される。冷却水は水タンク６に戻されて循環使用されるが、少しずつ減少するため純水装置８を介して市水を適宜補給できるようにしてある。
【００１３】
このようにして燃料電池５により発電を行うが、起動時には直ちに燃料電池５の発電を開始することはできない。改質装置での原燃料の改質が安定しないからであり、改質ガスが安定するまでは前記のようにプロセスバーナ（図略）に送り込んで燃焼させる。
【００１４】
本発明では、起動時に原燃料を先ずシフトバーナ９に供給し、ファン９ａで空気を送り込みながら当該シフトバーナ９を点火して燃焼させる。この燃焼ガスによって前記ＣＯ変成器２及びＣＯ除去器３をそれぞれ１００℃〜１２０℃になるまで昇温する。ＣＯ変成器２及びＣＯ除去器３は、単一のユニットケース１０内に収納され、このユニットケース１０の下部に燃焼室１０ａが設けられて上記シフトバーナ９とファン９ａとが配設されている。
【００１５】
次いで、ＣＯ変成器２及びＣＯ除去器３がそれぞれ１００℃〜１２０℃まで昇温したら、シフトバーナ９の燃焼を停止し、三方弁Ｖ３を切り換えて原燃料を改質器１のバーナ１ａに供給し、ファン１ｂで空気を送り込みながらバーナ１ａを点火して燃焼させる。この燃焼ガスによって改質器１を６５０℃〜７００℃になるまで昇温する。
【００１６】
この後、バルブＶ１を開いて原燃料を脱硫器４に供給し、脱硫した原燃料を水蒸気と共に改質器１に導入する。前記水タンク６から一部の冷却水を水ポンプＰ１でスチーム発生器１１に供給し、ここで発生した水蒸気を脱硫後の原燃料に混合させる。スチーム発生器１１の熱源としては、前記バーナ１ａを利用することができる。バルブＶ２は開状態を保持してあり、バーナ１ａへの原燃料の供給が継続される。
【００１７】
改質器１に導入された原燃料は、内部に充填されている触媒（例えばＮｉ触媒）により水素リッチガスに水蒸気改質され、この改質ガスは水タンク６からの冷却水を供給する熱交換器Ｈ１により冷却された後にＣＯ変成器２に導入される。
【００１８】
ＣＯ変成器２に導入された改質ガスは、内部に充填されている触媒（例えばＣｕ−Ｚｎ系触媒）により変成され、改質ガス中に含まれているＣＯがＣＯ２に転換される。この際、改質ガス中には多くの水蒸気を含んでいるが、前記のようにＣＯ変成器２は先に１００℃〜１２０℃に昇温されているため、水蒸気が凝結して凝縮水が生じることはなく、このため触媒が凝縮水によって劣化されることはない。又、この触媒反応は発熱反応であるため、やがて触媒の適温である２００℃〜３００℃まで昇温し、且つその温度範囲を自己保持することができる。ＣＯ変成器２で変成された改質ガスは、水タンク６からの冷却水を供給する熱交換器Ｈ２により冷却された後にＣＯ除去器３に導入される。
【００１９】
ＣＯ除去器３に導入された改質ガスは、内部に充填されている触媒（例えばＣｕ−Ｚｎ系触媒）を介して外部から供給される空気により選択酸化され、改質ガス中の未変成ＣＯがＣＯ２に転換される。この場合も、改質ガス中に水蒸気を含んでいるが、前記のようにＣＯ除去器３は先に１００℃〜１２０℃に昇温されているため、水蒸気が凝結して凝縮水が生じることはなく、このため触媒が凝縮水によって劣化されることはない。又、この触媒反応は前記のように発熱反応であるため昇温するが、前記水タンク６からの冷却水を熱交換器Ｈ４に供給して冷却し、選択酸化に適した触媒温度１２０℃〜１８０℃に保持するようにしてある。
【００２０】
このようにして改質された燃料ガス（改質ガス）は、前記のように起動時の初期段階においては未だ安定していないため、燃料電池５に直ちに供給せずにプロセスバーナ（図略）に送り込んで燃焼する。
【００２１】
改質ガスが安定した時点で、プロセスバーナへの供給路を閉じて燃焼を停止し、ＣＯ除去器３からの燃料ガスを熱交換器Ｈ３で冷却した後に、燃料電池５の燃料極５ａに供給して発電を開始する。
【００２２】
燃料電池５では、前記給気装置７から空気極５ｂに空気が供給され、この空気中の酸素ガスと、燃料極５ａに供給された燃料ガス中の水素ガスとで固体高分子電解質膜を介して電気化学反応が生じ、起電力と水とが発生する。又、燃料電池５の冷却部には水タンク６からポンプＰ２を介して冷却水が供給され、燃料電池を冷却する。
【００２３】
燃料電池５の燃料極５ａで未反応に終わった燃料ガスは、燃料極５ａから排出されて管路を経て水タンク６に導入され、燃料ガス中の水分が除去された後この水タンク６から前記改質器１のバーナ１ａに送り込まれて燃焼される。改質器１の触媒反応は吸熱反応であるため、又前記スチーム発生器１１を働かせるために燃料電池５の発電開始後もバーナ１ａを連続燃焼させる必要がある。この時点では、前記バルブＶ２を閉じてバーナ１ａへの原燃料の供給は停止される。
【００２４】
燃料電池５の空気極５ｂで未反応に終わった空気は、空気極５ｂから排出されると共に外部に排気される。燃料電池５の冷却部５ｃを通過した冷却水は、水タンク６に戻されて循環使用される。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は燃料電池システムの改質装置において、起動時にＣＯ変成器２とＣＯ除去器３とをシステムバーナにより先に昇温し、１００℃〜１２０℃にした後、改質器１を昇温して６５０℃〜７００℃にするので、改質器１で水蒸気改質された改質ガスがＣＯ変成器２、ＣＯ除去器３に導入されても改質ガス中の水蒸気が凝結することはなく、その結果ＣＯ変成器２及びＣＯ除去器の触媒を劣化させることがなく、且つ起動時間を短縮して燃料電池の発電開始を早める効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る改質装置の起動方法を説明するための燃料電池システム例を示すブロック図
【符号の説明】
１…改質器
１ａ…バーナ
２…ＣＯ変成器
３…ＣＯ除去器
４…脱硫器
５…燃料電池
６…水タンク
７…給気装置
８…純水装置
９…シフトバーナ
９ａ…ファン
１０…ユニットケース
１０ａ…燃焼室
１１…スチーム発生器
【図１】
0003983020.tif 000002