(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質燃料と水と空気の供給を受けて部分酸化反応と水蒸気改質反応とを同時に進行させ、燃料電池に供給する水素を生成する反応器を備えた燃料改質システムの停止方法において、
前記反応器への改質燃料と水の供給を停止し、前記反応器内の残留燃料と空気とで部分酸化反応を行わせることで前記反応器の触媒層内温度を上昇させ、
触媒層内温度を上昇させた後、前記反応器への空気の供給を停止する、
ことを特徴とする燃料改質システムの停止方法。
【請求項２】
改質燃料と水の供給停止から所定時間が経過してから前記反応器への空気の供給を停止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の停止方法。
【請求項３】
反応器の触媒層内温度が所定の高温度に達したときに空気の供給を停止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の停止方法。
【請求項４】
システム停止後、一定時間の間、所定時間毎に間欠的に空気と改質燃料を供給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の停止方法。
【請求項５】
システム停止後、一定時間の間、触媒層内温度が所定範囲内に収まるように空気と改質燃料の供給を制御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の停止方法。
【請求項６】
システム停止後、一定時間の間、触媒層内温度が所定の低温度より低くなると空気と改質燃料の供給を開始し、触媒層内温度が所定の高温度に達すると空気と改質燃料の供給を停止することを特徴とする請求項５に記載の燃料改質システムの停止方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料改質システムの停止方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平5-275105号には、燃料電池発電プラント停止時に一酸化炭素変成器出口の高温ガスを改質器上流に再循環させることによって、プラント温度の低下を軽減し、プラントの再起動時間を短縮させる技術が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、このような従来の燃料改質システム停止方法を車載用等の比較的小型軽量な汎用燃料改質システムに適応しようとした場合、一酸化炭素変成器下流から改質器上流にガスを還流する専用配管や流路切替バルブ等を設ける必要があり、改質システムの構造が複雑になって、改質システムの小型化、低コスト化を阻害するという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記従来技術の技術的課題を鑑みてなされたものであり、システム構成を複雑化、大型化させることなく改質システムの再起動時間を短縮することができる燃料改質システムの停止方法を提供することである。
【０００５】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、改質燃料と水と空気の供給を受けて部分酸化反応と水蒸気改質反応とを同時に進行させ、燃料電池に供給する水素を生成する反応器を備えた燃料改質システムの停止方法において、前記反応器への改質燃料と水の供給を停止し、前記反応器内の残留燃料と空気とで部分酸化反応を行わせることで前記反応器の触媒層内温度を上昇させ、触媒層内温度を上昇させた後、前記反応器への空気の供給を停止することを特徴とするものである。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明において、改質燃料と水の供給停止から所定時間が経過してから前記反応器への空気の供給を停止することを特徴とするものである。
【０００７】
第３の発明は、第１の発明において、反応器内の触媒層内温度が所定の高温度に達したときに空気の供給を停止することを特徴とするものである。
【０００８】
第４の発明は、第１の発明において、システム停止後、一定時間の間、所定時間毎に間欠的に空気と改質燃料を供給することを特徴とするものである。
【０００９】
第５の発明は、第１の発明において、システム停止後、一定時間の間、触媒層内温度が所定範囲内に収まるように空気と改質燃料の供給を制御することを特徴とするものである。
【００１０】
第６の発明は、第５の発明において、システム停止後、一定時間の間、触媒層内温度が所定の低温度より低くなると空気と改質燃料の供給を開始し、触媒層内温度が所定の高温度に達すると空気と改質燃料の供給を停止することを特徴とするものである。
【００１１】
【作用及び効果】
第１、第２の発明によれば、燃料改質システムを停止させる際には、まず、反応器への改質燃料と水の供給が停止され、反応器内の残留燃料と空気とで部分酸化反応を行わせることで触媒層内温度を上昇させた後、反応器への空気の供給が停止される。
【００１２】
水の供給が停止されると水蒸気改質反応は行われなくなるのに対し、反応器内に残留する改質燃料と空気との間で起こる部分酸化反応（発熱反応）は空気の供給が停止されるまで継続するので、この反応熱を利用して触媒層内温度を高めることができる。そして、その後、空気の供給が停止されて部分酸化反応が行われなると触媒層内温度の上昇は停止するが、反応器が断熱されていることから触媒層内温度が急激に低下することはなく、再起動時まで高い触媒層内温度を保つことができる。
【００１３】
したがって、第１、第２の発明によれば、再起動時の触媒層内温度が高くなるので、触媒層内温度を活性温度まで上昇させるのに要する時間が短くなり、システムの再起動に要する時間を短縮することができる。つまり、システム構成を複雑化、大型化させることなく、改質燃料、水及び空気の停止時期（供給流量）の簡単な制御のみでシステムの再起動時間を短縮することができる。
【００１４】
また、第３の発明によれば、触媒層内温度が所定の高温度（例えば、触媒の耐熱温度に応じて設定される）まで達してから空気の供給が停止されるので、触媒層内温度の上昇が十分でないまま空気の供給が停止されたり、触媒層内温度が上昇し過ぎて触媒が熱劣化したりするのを防止できる。
【００１５】
また、第４の発明によれば、空気と改質燃料の供給が所定時間毎に間欠的に行われる、すなわち部分酸化反応が間欠的に行われ、その反応熱によって反応器が加熱されるので、停止から再起動までの時間が長くなっても触媒層内温度を高く保持することができ、再起動時間を短縮することができる。
【００１６】
また、第５、第６の発明によっても再起動までの時間が長くなっても再起動時間を短縮することができるが、第５、第６の発明によれば、触媒層内温度が所定範囲内に収まるように空気と改質燃料の供給が制御されるので、触媒層内温度が低すぎたり、触媒層内温度が上昇し過ぎて触媒が熱劣化してしまったりするのを防止できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
図１は本発明に係る燃料電池用燃料改質システムの概略構成図であり、図中１は後述する部分酸化反応（発熱反応）と水蒸気改質反応（吸熱反応）とを同時に進行させ、熱的に自立した反応形態を採るオートサーマル（ＡＴＲ）反応器である。反応器１の外表面は外部への放熱を抑制すべく断熱処理されている。
【００１９】
反応器１には改質燃料（メタノール）と水の蒸気を供給する第１の供給管路２が接続されており、第１の供給管路２の途中には空気を供給する第２の供給管路３が接続されている。また、反応器１には、反応器１内の触媒層内温度を検出するための温度センサ４が設けられている。
【００２０】
コントローラ５は、システムを運転する際には第１の供給管路２に介装されている第１のバルブ６と、第２の供給管路３に介装されている第２のバルブ７とを開き、反応器１内の触媒層に改質燃料と水の蒸気及び空気を供給し、以下の部分酸化反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）を同時に進行させる。なお、第１のバルブ６は改質燃料と水の割合をコントローラ５の指示により任意に設定することができる。
【００２１】
［部分酸化反応］
ＣＨ3ＯＨ＋１／２Ｏ2→２Ｈ2＋ＣＯ2
［水蒸気改質反応］
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2
このとき、部分酸化反応は発熱反応であり、水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、コントローラ５は、水蒸気改質反応の吸熱が部分酸化反応の発熱でまかなわれるように水、改質器に供給される空気の供給量を制御する。反応器１で生成された改質ガスは図示しない熱交換器、ＣＯ処理反応器を介して燃料電池スタックに供給される。
【００２２】
一方、コントローラ５は外部から停止信号を受けるとシステムを停止させる。ここで、図１０に示すようにまず反応器１への空気の供給を停止した後、改質燃料及び水の供給を停止すると（ステップＳ９１、Ｓ９２）、残留する改質燃料と水により吸熱反応である水蒸気改質反応のみが進行し、触媒層内温度が急速に低下してしまう（図１１参照）。また、空気、改質燃料及び水の供給を同時に停止すると、停止直後に触媒層内温度が急激に低下することはなくなるが、停止中は温度が低下する一方なので、再起動時の触媒層内温度は低いものとなってしまう。
【００２３】
停止時に触媒層内温度が下がってしまうと、改質システムを次に運転する際に触媒層内温度を再び活性温度まで上昇させるのに要する時間、すなわち改質システムの起動に要する時間が長くなる。車載燃料電池に適用した場合には車両が走行可能になるまでの時間が長くなる原因にもなりうる。
【００２４】
そこで、本発明に係る燃料改質システムにおいては、以下に説明する停止方法を実施することにより停止中における触媒層内温度を高く保ち、システムの再起動時間の短縮化を図る。
【００２５】
図２は燃料改質システムを停止させる際にコントローラ５が行う処理内容を示したフローチャートであり、外部から停止信号が入力されたときに実行される。
【００２６】
このフローに従ってシステムの停止処理について説明すると、まず、ステップＳ１１では供給バルブ６を閉じ、反応器１への改質燃料と水の供給を停止する。
【００２７】
ステップＳ１２では改質燃料と水の供給を停止してから所定時間が経過したかどうかを判断し、所定時間が経過したならばステップＳ１３に進む。ここでの所定時間は概ね0.1秒から90秒の間に設定される。
【００２８】
ステップ１３では供給バルブ７を閉じ、反応器１への空気の供給を停止する。
【００２９】
図３は、上記停止処理を行った場合に、改質燃料、水及び空気の供給流量、触媒層内温度がどのように変化するかを示したものである。
【００３０】
この図に示すように、時刻ta1で反応器１への改質燃料と水の供給が停止されると、一時的に反応器１内の空気の割合が多くなるため、発熱反応である部分酸化反応が活発化し、触媒層内温度が上昇する。一方、吸熱反応である水蒸気改質反応は水の供給が停止されるので行われなくなる。
【００３１】
所定時間経過して空気の供給が停止されると、部分酸化反応が行われなくなり触媒層内温度の上昇も停止するが（時刻ta2）、反応器１は断熱されているのでその後の触媒層内温度は緩やかに下降する。
【００３２】
このように、図２に示した停止処理を行うことにより、触媒層内温度をシステム停止後長時間にわたって高い状態に保持することができ、再起動時の触媒層内温度を高くすることができる。再起動時の触媒層内温度が高くなればそれだけ触媒層温度を活性温度まで高めるのに要する時間も短くなり、システムの再起動に要する時間が短縮化される。
【００３３】
続いて第２の実施形態について説明する。システムの構成は第１の実施形態と同じで、コントローラ５が行う処理のみが異なる。
【００３４】
図４は、燃料改質システムを停止させる際にコントローラ５が行う処理内容を示したフローチャートで、外部から停止信号が入力されたときに実行される。
【００３５】
これによると、まず、ステップＳ２１では、供給バルブ６を閉じ、反応器１への改質燃料と水の供給を停止する。
【００３６】
そして、ステップＳ２２では温度センサ４の出力に基づき触媒層内温度が所定温度に達したかどうかを判断し、触媒層内温度が所定温度に達したならばステップＳ２３に進む。ここでの所定温度は触媒の耐熱温度に応じて設定され、例えばCu、Cu-Zn系の場合は200℃から600℃の間、Pd-Zn系の場合は250℃から900℃の間に設定される。
【００３７】
ステップＳ２３では供給バルブ７を閉じ、反応器１への空気の供給を停止する。
【００３８】
図５は、上記停止処理を行った場合に改質燃料、水及び空気の各流量と触媒層内温度の変化する様子を示したタイムチャートである。
【００３９】
時刻tb1で反応器１への改質燃料と水の供給が停止されると、一時的に反応器１内の空気の割合が多い状態となり、部分酸化反応が活発化して触媒層内温度が上昇する。
【００４０】
触媒層内温度が所定の温度に達すると空気の供給が停止され（時刻tb2）、発熱反応である部分酸化反応が行われなくなり、触媒層内温度の上昇が停止するが、反応器１は断熱されているので、以後触媒層内温度は緩やかに下降する。
【００４１】
このように、先の実施形態同様に、システム停止時に触媒層内温度が高められるのであるが、この実施形態では、触媒層内温度は所定温度に達するまで高められるので、触媒層内温度の十分に上昇しないまま空気の供給が停止されたり、触媒層内温度が耐熱温度を超えた後も空気が供給されて触媒が熱劣化したりするのを防止することができる。
【００４２】
続いて第３の実施形態について説明する。システムの構成は第１の実施形態と同じであり、コントローラ５が行う処理のみが異なる。
【００４３】
図６は燃料改質システムを停止させる際にコントローラ５が行う処理内容を示したフローチャートであり、外部から停止信号が入力されたときに実行される。
【００４４】
まず、ステップＳ３１では供給バルブ６を閉じ、反応器１への改質燃料と水の供給を停止する。ステップＳ３２では所定時間が経過したかどうかを判断し、所定時間が経過したならばステップＳ３３に進む。ここでの所定時間は概ね0.1秒から90秒の間に設定される。
【００４５】
ステップＳ３３では供給バルブ７を閉じ、反応器１への空気の供給を停止する。
【００４６】
ステップＳ３４ではステップＳ３３で空気の供給を停止してから所定時間経過したかどうかを判断し、所定時間が経過したならばステップＳ３５に進む。ここでの所定時間は概ね1分から300分の間に設定される。
【００４７】
ステップＳ３５では供給バルブ６、供給バルブ７を開き、所定時間だけ空気と改質燃料を供給する。ここでの所定時間は概ね0.1秒から90秒の間に設定される。
【００４８】
ステップＳ３６では、ステップＳ３１で改質燃料と水の供給を停止してから一定時間経過したかどうかを判断する。ここでの一定時間は概ね1分から300分の間に設定される。一定時間が経過したならば再起動はないと判断して処理を終了する。一定時間が経過していない場合はステップＳ３４に戻る。なお、ステップＳ３４の所定時間は、ステップＳ３６での一定時間よりも短く設定される。
【００４９】
図７は、上記停止処理を行った場合に、改質燃料、水及び空気の供給流量、触媒層内温度がどのように変化するかを示したものである。
【００５０】
時刻tc1で反応器１への改質燃料と水の供給が停止されると、一時的に反応器内の空気の割合が多い状態となり、部分酸化反応が活発化して触媒層内温度が上昇する。
【００５１】
所定時間経過後、空気の供給が停止されると（時刻tc2）、発熱反応である部分酸化反応が行われなくなり触媒層内温度の上昇が停止する。
【００５２】
時間が経過するにつれ触媒層内の温度が低下するので、所定時間毎に一時的に空気と改質燃料を供給し（時刻tc3からtc4）、部分酸化反応を活発化させて触媒層内温度を上昇させる。
【００５３】
したがって、反応器１内では所定時間毎に間欠的に空気と改質燃料が供給され、部分酸化反応が行われ、その反応熱によって反応器１内の触媒層が加熱されるので、停止から再起動までの時間が長くなっても、反応器１内の触媒層内温度を高い状態に保持することができ、システム再起動時間を短縮することができる。
【００５４】
続いて、本発明の第４の実施形態について説明する。システムの構成は第１の実施形態と同じであり、コントローラ５が行う処理のみが異なる。
【００５５】
図８は燃料改質システムを停止させる際にコントローラ５が行う処理内容を示したフローチャートであり、外部から停止信号が入力されたときに実行される。
【００５６】
これによると、まず、ステップＳ４１では供給バルブ６を閉じ、反応器１への改質燃料と水の供給を停止する。ステップＳ４２では触媒層内温度が所定の上限温度に達したかどうかを判断し、上限温度に達したならばステップＳ４３に進む。上限温度は触媒の耐熱温度に応じて設定され、例えばCu、Cu-Zn系の場合は200℃から600℃の間、Pd-Zn系の場合は250℃から900℃の間に設定される。
【００５７】
ステップＳ４３では供給バルブ７を閉じ、反応器１への空気の供給を停止する。ステップＳ４４では触媒層内温度が所定の下限温度を下回ったかどうかを判断し、下限温度を下回ったならばステップＳ４５に進む。下限温度は概ねステップＳ４１を実行する直前の触媒層内温度±100℃に設定される。
【００５８】
ステップＳ４５では再び供給バルブ６、供給バルブ７を開いて反応器１に空気と改質燃料を供給する。
【００５９】
ステップＳ４７では触媒層内温度が所定の上限温度を上回ったかどうかを判断する。上限温度を上回ったならばステップＳ４８に進み、上回っていない場合はステップＳ４７に戻る。上限温度は概ね触媒の耐熱温度より0℃から100℃低めに設定され、例えばCu、Cu-Zn系の場合は100℃から600℃の間、Pd-Zn系の場合は150℃から900℃の間に設定される。
【００６０】
ステップＳ４８では供給バルブ６、供給バルブ７を閉じ、反応器１への空気と改質燃料の供給を停止してステップＳ４４に戻る。
【００６１】
ステップＳ４９では、ステップＳ４１で改質燃料と水の供給を停止してから一定時間が経過したかどうかを判断する。ここでの一定時間は概ね1分から300分の間に設定される。一定時間が経過したならば再起動はないと判断し処理を終了する。一定時間が経過していない場合にはステップＳ４４に戻る。
【００６２】
図９は、上記停止処理を行った場合に、改質燃料、水及び空気の供給流量、触媒層内温度がどのように変化するかを示したものである。
【００６３】
時刻td1で反応器１への改質燃料と水の供給を停止すると、一時的に反応器内の空気の割合が多い状態となり、部分酸化反応が活発化して触媒層内温度が上昇する。
【００６４】
触媒層内温度が所定の温度に達し、反応器１への空気の供給を停止すると、発熱反応である部分酸化反応が行われなくなり、触媒層内温度の上昇が停止する（時刻td2）。
【００６５】
その後、時間が経過するにつれ触媒層内温度が低下するが、触媒層内温度が下限温度よりも低くなると触媒層内温度が上限温度に達するまで空気と改質燃料が供給される（時刻td3からtd4）。
【００６６】
これにより、システム停止中の触媒層内温度は所定範囲内に保持されるので、再起動までの時間が長くなっても触媒層内温度を高温に保持でき、再起動時間を短縮することができる。また、触媒層内温度が所定範囲内に保持されることから、再起動時の触媒層内温度が低かったり、触媒層内温度が触媒の耐熱温度以上に上昇してしまったりするのを防止することができる。
【００６７】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、いずれの実施形態においてもシステム構成の変更・追加を必要としないため、既存の構成のままで再起動時間を短縮することができる。
【００６８】
なお、上記実施形態は本発明を適用した構成の一例を示したものに過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、上記実施形態では改質燃料としてメタノールを用いているが、他の炭化水素を改質する構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料改質システム概略構成図である。
【図２】改質システム停止処理を説明するためのフローチャートである。
【図３】改質システム停止時の改質燃料、水、空気の供給流量と、触媒層内温度の変化する様子を示した図である。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す。
【図５】改質システム停止時の改質燃料、水、空気の供給流量と、触媒層内温度の変化する様子を示した図である。
【図６】本発明の第３の実施形態を示す。
【図７】改質システム停止時の改質燃料、水、空気の供給流量と、触媒層内温度の変化する様子を示した図である。
【図８】本発明の第４の実施形態を示す。
【図９】改質システム停止時の改質燃料、水、空気の供給流量と、触媒層内温度の変化する様子を示した図である。
【図１０】従来の燃料改質システムの停止処理を説明するためのフローチャートである。
【図１１】従来の改質システム停止時の改質燃料、水、空気の供給流量と、触媒層内温度の変化する様子を示した図である。
【符号の説明】
１  ＡＴＲ反応器
２  供給管路
３  供給管路
４  温度センサ
５  コントローラ
６  バルブ
７  バルブ
【図１】
0003900823.tif 000002
【図２】
0003900823.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003900823.tif 000008
【図８】
0003900823.tif 000009
【図９】
0003900823.tif 000010
【図１０】
0003900823.tif 000011
【図１１】
0003900823.tif 000012