(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された原燃料と空気を反応させて改質ガスを生成する改質反応器と、
改質ガス中に含有する一酸化炭素を選択酸化反応により所定濃度まで低減する一酸化炭素除去器と、
を備える燃料改質装置において、
前記一酸化炭素除去器は、改質ガスとの間で熱交換する機能を備え、
前記一酸化炭素除去器に冷媒を定量循環させるための第１循環ポンプと、
前記一酸化炭素除去器から排出される改質ガスまたは冷媒の温度を検出する手段と、
前記一酸化炭素除去器から排出される冷媒を第１循環ポンプを介して一酸化炭素除去器に循環する第１流路と、
前記第１流路と並列に設けられ、第１放熱器を備えた第２流路と、
前記第１流路と第２流路の分岐点に、一酸化炭素除去器に流入する冷媒の第１流路からの冷媒と第２流路からの冷媒との混合率を制御する第１三方弁とを備え、
前記第１三方弁は、前記一酸化炭素除去器から排出される改質ガスの温度または冷媒の温度が所定温度となるように混合率を制御することを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
改質ガスを冷却する熱交換器と、
前記熱交換器に冷媒を循環させるための第２循環ポンプと、
前記熱交換器から排出される改質ガスまたは冷媒の温度を検出する手段と、
前記熱交換器から排出される冷媒を熱交換器に循環する第３流路と、
前記第３流路をバイパスして設けられ、第２放熱器を備えた第４流路と、
前記第３流路と第４流路の下流側分岐点に、熱交換器に流入する冷媒の第３流路からの冷媒と第４流路からの冷媒との混合率を制御する第２三方弁とを備え、
前記第２循環ポンプを所定流量で運転し、
前記第２三方弁は、前記熱交換器から排出される冷媒の温度が所定温度となるように混合率を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項３】
前記一酸化炭素除去器の運転負荷が最大のときに一酸化炭素除去器内に収装された触媒の温度が活性温度となるように、前記第１循環ポンプを最大定格流量で運転するとともに、前記第１三方弁の混合率を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質装置。
【請求項４】
前記熱交換器の運転負荷が最大のときに熱交換器から排出される冷媒の温度が許容温度となるように、前記第２循環ポンプを最大定格流量で運転するとともに、前記第２三方弁の混合率を制御することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料改質装置。
【請求項５】
改質ガスを冷却する熱交換器と、
前記熱交換器に冷媒を循環させるための第２循環ポンプと、
前記熱交換器から排出される改質ガスまたは冷媒の温度を検出する手段と、
前記熱交換器から排出される冷媒を熱交換器に循環する第３流路と、
前記第３流路に設けられ、前記熱交換器を循環する冷媒に前記第１放熱器から流入する冷媒の量を制御する第２三方弁と、
前記第１三方弁と前記第２三方弁を連結する第５流路と、
第２流路に設置された第３循環ポンプと、
前記第２流路と前記第３流路とを連通する第６流路と、
前記第２流路を連通する第７流路とを備え、
前記第１放熱器に流入する冷媒流量を前記第３循環ポンプで調整しつつ、
前記第１放熱器出口での冷媒が所定の温度となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項６】
前記一酸化炭素除去器の出入口での冷媒温度を検出し、その温度差を検出する第１温度差検出手段と、
前記第１放熱器の出口での冷媒温度を検出する手段と、
この第１放熱器出口での冷媒温度と一酸化炭素除去器出口での冷媒温度との温度差を検出する第２温度差検出手段と、
第１温度差検出手段と第２温度差検出手段の出力に基づき、一酸化炭素除去器に供給する冷媒の混合率を演算する循環率計算手段とを備え、
この循環率計算手段で演算された混合率となるように第１三方弁を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項７】
前記熱交換器の出入口での冷媒温度を検出し、その温度差を検出する第４温度差検出手段と、
前記第２放熱器の出口での冷媒温度を検出する手段と、
この第２放熱器出口での冷媒温度と熱交換器出口での冷媒温度との温度差を検出する第５温度差検出手段と、
第４温度差検出手段と第５温度差検出手段の出力に基づき、熱交換器に供給する冷媒の混合率を演算する第２循環率計算手段とを備え、
この第２循環率計算手段で演算された混合率となるように第２三方弁を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料改質装置。
【請求項８】
前記一酸化炭素除去器の出入口での冷媒温度を検出し、その温度差を検出する第１温度差検出手段と、
前記第１放熱器の出口での冷媒温度を検出する手段と、
この第１放熱器出口での冷媒温度と一酸化炭素除去器出口での冷媒温度との温度差を検出する第２温度差検出手段と、
第１温度差検出手段と第２温度差検出手段の出力に基づき、一酸化炭素除去器に供給する冷媒の混合率を演算する循環率計算手段と、
前記一酸化炭素除去器の出口での冷媒の温度とその目標温度との温度差を演算する第３温度差検出手段と、
この第３温度差検出手段が演算した温度差に基づき混合率の補正率を演算するＰＩＤ制御計算手段と、
前記循環率計算手段が演算した混合率にＰＩＤ制御計算手段が演算した補正率を加算し、補正混合率を演算する加算手段とを備え、
この加算手段で演算された補正混合率となるように第１三方弁を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質装置。
【請求項９】
前記熱交換器の出入口での冷媒温度を検出し、その温度差を検出する第４温度差検出手段と、
前記第２放熱器の出口での冷媒温度を検出する手段と、
この第２放熱器出口での冷媒温度と熱交換器出口での冷媒温度との温度差を検出する第５温度差検出手段と、
第４温度差検出手段と第５温度差検出手段の出力に基づき、熱交換器に供給する冷媒の混合率を演算する第２循環率計算手段と、
前記熱交換器の出口での冷媒の温度とその目標温度との温度差を演算する第６温度差検出手段と、
この第６温度差検出手段が演算した温度差に基づき混合率の補正率を演算する第２ＰＩＤ制御計算手段と、
前記第２循環率計算手段が演算した混合率に第２ＰＩＤ制御計算手段が演算した補正率を加算し、補正混合率を演算する第２加算手段とを備え、
この第２加算手段で演算された補正混合率となるように第２三方弁を制御することを特徴とする請求項２または８に記載の燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料改質装置に関し、特に、燃料電池システムに設けられる燃料改質装置の冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料改質装置の冷却方法について、例えば特開平１０−３０２８２４号公報は、燃料改質装置の構成であるところの一酸化炭素（以下、単にＣＯと示す。）除去器の冷却に関する技術を開示する。
【０００３】
前記公報では、ＣＯ除去器（反応器６）の内部に冷却管を配設して、冷却管の一端を循環ポンプを介して冷却水タンクに連通し、他端は放熱器を介して冷却水タンクに連通させ、循環ポンプの作用により、冷却水タンク内の冷却水はＣＯ除去器内の冷却管内を流通し、ＣＯ除去器を冷却し、昇温した冷却水は放熱器で冷却され、冷却水タンクに戻る構成を開示する。したがって、冷却水はＣＯ除去器内を流通することで、改質ガス中のＣＯ選択酸化反応によって生じた熱を吸熱し、ＣＯ除去器内の温度上昇を抑制することができる。
【０００４】
また、特開平０７−１８５３０３号公報には、選択触媒を担持する触媒層と冷却水が流通する冷却層とが交互に積層された触媒積層体と、箱型ケーシング内に選択酸化触媒が充填される触媒充填体とが改質ガスの流れ方向にメッシュ板を介して接合されたＣＯ除去装置が開示され、触媒積層体が冷却可能な構成となっている。
【０００５】
さらに、特開２０００−７２４０３号公報には、改質ガス生成部と改質ガスに含有されるＣＯの除去するＣＯ除去器との間に改質ガスを冷却する手段を設けた燃料電池システムが開示され、これはＣＯ除去器に供給される改質ガスの温度を適正に制御する構成である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１０−３０２８２４号公報に記載の技術にあっては、放熱器で冷却された冷却水がタンクからＣＯ除去器に流入するため、ＣＯ除去器入口の温度が低くなり、出口温度との温度差が大きくなり、ＣＯ除去器内の触媒の温度が均一とならないで、活性温度に達しない領域が多くなり、全体としてのＣＯ除去効率が低下することが問題となる。
【０００７】
また、特開平０７−１８５３０３号公報の技術では、ＣＯ選択酸化反応が激しい触媒積層体の冷却は可能であるけれども、下流に位置する触媒充填体は冷却手段を備えていないために、ＣＯ選択酸化反応自体は少ないものの、触媒充填体の触媒温度は触媒の活性温度域を越える恐れがある。
【０００８】
特開２０００−７２４０３号公報の技術は、改質ガスの温度を冷却水（冷媒）の流量制御で行っているため、冷却手段の出入口間での温度差が最小とはならず、冷却手段の出口での改質ガスの温度が不均一となり、この改質ガスが導入されるＣＯ除去器の性能効率が低下することになる。
【０００９】
すなわち、これまでの従来技術の制御ではいずれもが、ＣＯ除去器内の温度が触媒の活性温度域に精度よく制御できず、たとえば、ＣＯ除去器の下流側で活性温度となるように温度制御すると、上流側でＣＯの選択酸化反応が生じることがなく、ＣＯ除去性能が十分に発揮することができない。また入口側で触媒活性温度となるように温度制御すると下流側での触媒温度が活性温度を越えた温度となり、逆シフト反応が生じ、ＣＯの除去ができなかったり、改質反応器で生成した水素を燃焼してしまい、改質効率の低下を結果として招くことになる。
【００１０】
従来のＣＯ除去器の温度制御について説明すると、その温度制御の手段としては冷却水の流量を制御するものとＣＯ除去器の入口での冷却水温度を制御するものとがある。
【００１１】
冷却水の流量を循環ポンプの負荷に応じて制御する場合には、循環ポンプの負荷にかかわらず、ＣＯ除去器の入口での冷却水温度と出口での冷却水温度は常に一定の温度差を有することになる。したがって、前述したように制御温度の設定によって、入口側でＣＯの除去が促進されなかったり、逆に出口側で逆シフト反応が生じたりすることになる。
【００１２】
対して、ＣＯ除去器入口での冷却水の温度を制御する場合、たとえばＣＯ除去器の上流に熱交換器を設置し、その出口にサーモスタットを設けることでＣＯ除去器入口の冷却水温度を制御する場合には、下流側の触媒温度が高負荷のときに活性温度となるように制御すると、ＣＯ除去器の負荷が低いときに除去器内の温度が活性温度に達せずＣＯの除去ができない状態となる恐れが生じる。
【００１３】
ＣＯ除去器は、選択酸化触媒が活性温度に達すると改質ガス中に含有されたＣＯを選択的に酸化し、除去するが、このときの触媒活性温度は、所定の温度範囲で与えられるが、前記した従来技術では、このような温度範囲にＣＯ除去器内の触媒の温度を制御することが適正にできない。
【００１４】
本発明は、このような課題に鑑み、ＣＯ除去器内の収装された選択酸化触媒を活性温度範囲内に制御することのできる燃料改質装置を提案する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、前記一酸化炭素除去器は、改質ガスとの間で熱交換する機能を備え、前記一酸化炭素除去器に冷媒を定量循環させるための第１循環ポンプと、前記一酸化炭素除去器から排出される改質ガスまたは冷媒の温度を検出する手段と、前記一酸化炭素除去器から排出される冷媒を第１循環ポンプを介して一酸化炭素除去器に循環する第１流路と、前記第１流路と並列に設けられ、第１放熱器を備えた第２流路と、前記第１流路と第２流路の分岐点に、一酸化炭素除去器に流入する冷媒の第１流路からの冷媒と第２流路からの冷媒との混合率を制御する第１三方弁とを備え、前記第１三方弁は、前記一酸化炭素除去器から排出される改質ガスの温度または冷媒の温度が所定温度となるように混合率を制御する。
【００１６】
第２の発明は、第１の発明において、改質ガスを冷却する熱交換器と、前記熱交換器に冷媒を循環させるための第２循環ポンプと、前記熱交換器から排出される改質ガスまたは冷媒の温度を検出する手段と、前記熱交換器から排出される冷媒を熱交換器に循環する第３流路と、前記第３流路をバイパスして設けられ、第２放熱器を備えた第４流路と、前記第３流路と第４流路の下流側分岐点に、熱交換器に流入する冷媒の第３流路からの冷媒と第４流路からの冷媒との混合率を制御する第２三方弁とを備え、前記第２循環ポンプを所定流量で運転し、前記第２三方弁は、前記熱交換器から排出される冷媒の温度が所定温度となるように混合率を制御する。
【００１７】
第３の発明は、第１または２の発明において、前記ＣＯ除去器の運転負荷が最大のときにＣＯ除去器内に収装された触媒の温度が活性温度となるように、前記第１循環ポンプを最大定格流量で運転するとともに、前記第１三方弁の混合率を制御する。
【００１８】
第４の発明は、第２または３の発明において、前記熱交換器の運転負荷が最大のときに熱交換器から排出される冷媒の温度が許容温度となるように、前記第２循環ポンプを最大定格流量で運転するとともに、前記第２三方弁の混合率を制御する。
【００１９】
第５の発明は、第１の発明において、改質ガスを冷却する熱交換器と、前記熱交換器に冷媒を循環させるための第２循環ポンプと、前記熱交換器から排出される改質ガスまたは冷媒の温度を検出する手段と、前記熱交換器から排出される冷媒を熱交換器に循環する第３流路と、前記第３流路に設けられ、前記熱交換器を循環する冷媒に前記第１放熱器から流入する冷媒の量を制御する第２三方弁と、前記第１三方弁と前記第２三方弁を連結する第５流路と、第２流路に設置された第３循環ポンプと、前記第２流路と前記第３流路とを連通する第６流路と、前記第２流路を連通する第７流路とを備え、前記第１放熱器に流入する冷媒流量を前記第３循環ポンプで調整しつつ、前記第１放熱器出口での冷媒が所定の温度となるように制御する。
【００２０】
第６の発明は、第１の発明において、前記ＣＯ除去器の出入口での冷媒温度を検出し、その温度差を検出する第１温度差検出手段と、前記第１放熱器の出口での冷媒温度を検出する手段と、この第１放熱器出口での冷媒温度とＣＯ除去器出口での冷媒温度との温度差を検出する第２温度差検出手段と、第１温度差検出手段と第２温度差検出手段の出力に基づき、ＣＯ除去器に供給する冷媒の混合率を演算する循環率計算手段とを備え、この循環率計算手段で演算された混合率となるように第１三方弁を制御する。
【００２１】
第７の発明は、第２の発明において、前記熱交換器の出入口での冷媒温度を検出し、その温度差を検出する第４温度差検出手段と、前記第２放熱器の出口での冷媒温度を検出する手段と、この第２放熱器出口での冷媒温度と熱交換器出口での冷媒温度との温度差を検出する第５温度差検出手段と、第４温度差検出手段と第５温度差検出手段の出力に基づき、熱交換器に供給する冷媒の混合率を演算する第２循環率計算手段とを備え、この第２循環率計算手段で演算された混合率となるように第２三方弁を制御する。
【００２２】
第８の発明は、第１の発明において、前記ＣＯ除去器の出入口での冷媒温度を検出し、その温度差を検出する第１温度差検出手段と、前記第１放熱器の出口での冷媒温度を検出する手段と、この第１放熱器出口での冷媒温度とＣＯ除去器出口での冷媒温度との温度差を検出する第２温度差検出手段と、第１温度差検出手段と第２温度差検出手段の出力に基づき、ＣＯ除去器に供給する冷媒の混合率を演算する循環率計算手段と、前記ＣＯ除去器の出口での冷媒の温度とその目標温度との温度差を演算する第３温度差検出手段と、この第３温度差検出手段が演算した温度差に基づき混合率の補正率を演算するＰＩＤ制御計算手段と、前記循環率計算手段が演算した混合率にＰＩＤ制御計算手段が演算した補正率を加算し、補正混合率を演算する加算手段とを備え、この加算手段で演算された補正混合率となるように第１三方弁を制御する。
【００２３】
第９の発明は、第２または８の発明において、前記熱交換器の出入口での冷媒温度を検出し、その温度差を検出する第４温度差検出手段と、前記第２放熱器の出口での冷媒温度を検出する手段と、この第２放熱器出口での冷媒温度と熱交換器出口での冷媒温度との温度差を検出する第５温度差検出手段と、第４温度差検出手段と第５温度差検出手段の出力に基づき、熱交換器に供給する冷媒の混合率を演算する第２循環率計算手段と、前記熱交換器の出口での冷媒の温度とその目標温度との温度差を演算する第６温度差検出手段と、この第６温度差検出手段が演算した温度差に基づき混合率の補正率を演算する第２ＰＩＤ制御計算手段と、前記第２循環率計算手段が演算した混合率に第２ＰＩＤ制御計算手段が演算した補正率を加算し、補正混合率を演算する第２加算手段とを備え、この第２加算手段で演算された補正混合率となるように第２三方弁を制御する。
【００２４】
【発明の効果】
第１と３の発明では、循環ポンプを所定流量で運転することでＣＯ除去器に流通する冷媒の流路を第１流路と放熱器を備えた第２流路とに分け、第１流路と第２流路の分岐点に三方弁を設置し、第１流路を流れるＣＯ除去器からの冷媒と第２流路を流れる放熱器によって低温化された冷媒とをＣＯ除去器から排出される改質ガスの温度または冷媒の温度が所定温度となる混合率に基づいて三方弁により混合されてＣＯ除去器に導入される。
【００２５】
したがって、ＣＯ除去器に介装された選択酸化触媒を所定温度（例えば、活性温度の上限温度）に精度よく制御できる。
【００２６】
第２と４の発明では、第１および３の発明と同様の構成を改質ガスを冷却する熱交換器に適用したことにより、熱交換器から排出される改質ガスの温度を適正に制御することができる。
【００２７】
第５の発明では、熱交換器を流通する冷媒を冷却する放熱器とＣＯ除去器を流通する冷媒を冷却する放熱器とを共用することにより、構成を簡潔にし、装置の低コスト化を図ることができる。
【００２８】
第６と７の発明では、各部の温度差を演算して、演算結果に基づき混合率を求め、三方弁を制御するので、温度に応じて変化する負荷変化を迅速に混合率に変換できるので、応答性の良好な温度制御を実施することが可能となる。
【００２９】
第８と９の発明では、各部の温度差を演算して、演算結果に基づき混合率を求め、演算した混合率を目標温度に基づいて補正したうえで三方弁を制御するので、温度に応じて変化する負荷変化を迅速に混合率に変換できるので、応答性の良好なかつ高精度の温度制御を実施することが可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料改質装置について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の燃料改質装置を用いた燃料電池システムであり、空気供給源としてのブロア１からの空気は、流量制御弁２を介して改質反応器３に供給される。改質反応器３には空気に加えて燃料（例えば、炭化水素系燃料と水）が供給されて水素リッチの改質ガスが生成されて、下流に位置する熱交換器５に供給される。改質ガスは熱交換器５において、熱交換器５の下流に設置されたＣＯ除去器６内に収装された選択酸化触媒が活性温度となる温度に調整されてＣＯ除去器６に導入される。ＣＯ除去器６は、選択酸化触媒としてＰｔまたはＲｕが担持されており、触媒が活性温度に達すると改質ガス中に含有されたＣＯを選択的に酸化し、除去するが、このときの触媒活性温度は、図２に示すように１５０℃前後の温度範囲として与えられ、この温度範囲中にＣＯ除去器６内の温度が、その負荷を問わずに維持されることが改質ガス中のＣＯ除去の観点から望ましい。
【００３１】
ＣＯ除去器６には、ブロア１からの空気が流量制御弁４を介して供給される。この空気と供給された改質ガス中に３．５％程度含まれたＣＯをＣＯ除去器６の触媒の作用によって選択的に酸化させ、改質ガス中のＣＯ濃度を４０ｐｐｍ以下まで低下させることができる。したがって、低ＣＯ濃度の改質ガスがＣＯ除去器６からが燃料電池スタック７に供給されるため、燃料電池スタック７を構成する単セルの触媒、たとえばＰｔ系の触媒のＣＯ被毒を抑制することができる。
【００３２】
燃料電池スタック７では、燃料極に低ＣＯ濃度で水素リッチな改質ガスが供給され、空気極にはブロア１から空気が流量制御弁８によって流量を制御されて供給され、発電を行う。燃料電池スタック７から排出される排ガス（排水素と排空気）は、燃焼器９に送られて流量制御弁１０を介して供給されるブロア１からの空気と混合して燃焼され、大気中に放出される。
【００３３】
以上が燃料電池システムの主要な構成であって、引き続き改質反応器３、熱交換器５、ＣＯ除去器６を主要構成とする燃料改質装置１００の詳細について説明する。
【００３４】
まずＣＯ除去器６は、その温度調節のための冷媒（例えば、水）が流通する冷却層と、改質ガスが流通する触媒層を積層して構成される。冷却層に供給される冷媒は、第１循環ポンプ１１から供給され、そのとき第１循環ポンプ１１は最大定格容量（流量）で運転し、冷却層に最大流量の冷媒を供給する。冷媒は、ＣＯ除去器６のＣＯ選択酸化反応で生じた熱を吸熱し、第１流路１ａを介して第１三方弁１２および第１流路１ａから分岐する第２流路１ｂを介して第１放熱器１３に送られる。第１放熱器１３で冷却された冷媒は第２流路１ｂを通じて第１三方弁１２に送られる。
【００３５】
第１三方弁１２は、第１放熱器１３を通過して冷却された低温の冷媒とＣＯ除去器６から排出されたままの高温の冷媒とをＣＯ除去器６の触媒の設定温度に応じて所定の割合（混合率）で混合し、ＣＯ除去器６に供給するようにコントローラ３０によって制御される。なおコントローラ３０にはＣＯ除去器下流の改質ガスの温度が温度検出器１４から、またＣＯ除去器６の上流及び下流の冷媒の温度が温度検出器１５ａ、１５ｂから入力され、これらのデータに基づき第１三方弁１２の設定が決定される。
【００３６】
ＣＯ除去器６から第１三方弁１２に連通する第１流路１ａから分岐してリザーバタンク１６が設置されており、冷媒の熱膨張が吸収されるとともに、冷媒中の気泡が除去される。
【００３７】
コントローラ３０は、前述したようにＣＯ除去器下流の改質ガスの温度が温度検出器１４から、またはＣＯ除去器６下流の冷媒の温度が温度検出器１５ｂから入力され、これらの検出値に基づいて第１放熱器１３で冷却された冷媒とＣＯ除去器６から排出されたままの冷媒との混合の割合、循環率（混合率）をＣＯ除去器６から排出される改質ガスまたは冷媒の温度が所定温度となるように演算し、この演算された循環率となるように第１三方弁１２の開度を制御する。このとき改質ガスまたは冷媒の所定温度は、例えば、触媒の活性温度である１５０℃となるようにフィードバック制御される。
【００３８】
改質反応器３とＣＯ除去器６との間に設置された熱交換器５は、改質反応器３から導入される高温の改質ガスを、所定温度に冷却する。つまり、改質ガスが導入された熱交換器５から排出された冷媒が、第３流路２ａを通じて第２三方弁１８と第３流路２ａから分岐した第４流路２ｂを通じて第２放熱器１９に送られる。第２放熱器１９に送られた冷媒は、熱を奪われて低温となり、第２三方弁１８に送られる。対して第２三方弁１８に直接送られた冷媒は高温を維持する。熱交換器５の下流の改質ガスの温度を検出する温度検出器２０、または熱交換器５の下流の冷媒の温度を検出する温度検出器２１のデータが、コントローラ３１に入力され、コントローラ３１が、熱交換器５下流の改質ガスまたは冷媒の温度が所定温度となるように、第２放熱器１９を通過して冷却された低温の冷媒と熱交換器５からそのまま第２三方弁１８に送られた高温の冷媒との循環率を算出し、この演算された循環率に基づいてコントローラ３１が、第２三方弁１８の設定を制御する。このとき改質ガスまたは冷媒の所定温度は、例えば、１４０℃となるようにフィードバック制御される。これは下流に位置するＣＯ除去器６での所定温度を活性温度の１５０℃と想定したときに、ＣＯ除去器６の触媒の温度が１５０℃となるように選択酸化反応による加熱分を加味して設定した温度である。なお、第２三方弁１８と熱交換器５との間に第２循環ポンプ２２が設置される。
【００３９】
したがって、第１、第２三方弁１２、１８を用いてＣＯ除去器６または熱交換器５からそのまま送られた冷媒と第１、第２放熱器１３、１９を通して冷却された冷媒とを混合し、循環率をＣＯ除去器６または熱交換器５から排出された冷媒または改質ガスの温度と、改質ガスまたは冷媒の目標温度に基づいて算出し、この循環率となるようにコントローラ３０、３１が第１、第２三方弁１３、１８の開度を制御する。このように制御することにより、図３に示すように、ＣＯ除去器６出口側の触媒温度を負荷率によらず、常に活性温度に維持することができ、一方、入口側の触媒温度は、低負荷時には出口側とほぼ同じ温度、つまり触媒活性温度に維持され、高負荷ほど温度は流入する冷媒の温度が低下するため低下する傾向を示す。同様に熱交換器５の出口側の冷媒温度を一定に制御することができる。このように、本発明のＣＯ除去器６にあっては、低負荷のＣＯ選択率が最も高い触媒活性温度上限側で、しかも狭い温度域に制御することができる。
【００４０】
しかしながら、図４に示した冷媒の流量を制御した場合のＣＯ除去器６の出入口での冷媒の温度差、もしくは図５に示すＣＯ除去器６の入口での冷媒温度を制御した場合の冷媒の入口と出口での温度差と比べると、本発明では、触媒の活性温度に出口側が常に達しているとともに、入口側でも低負荷から中負荷で活性温度に達することができ、他の制御方法より明らかにＣＯ除去効率が向上される。さらに、ＣＯ除去器６の出口側冷媒の温度を一定に制御できるので、ＣＯ除去器６から排出される改質ガスの温度を常に一定とすることができ、発電効率向上に寄与する。
【００４１】
また図２に示す如く、ＣＯ除去器６は高負荷ほど、ＣＯ選択酸化反応が促進されるためＣＯ除去器６を昇温する入力熱量が増大し、ＣＯ除去器６が過温される恐れがある。したがって、ＣＯ除去器６の温度を調整するため、第１放熱器１３を通過し、冷却された冷媒の割合が高い冷媒を、ＣＯ除去器６に供給するため、ＣＯ除去器６の入口側が低温となり、結果として入口側と出口側の触媒の温度差が最大となる。しかし図２に示したように触媒活性温度域に温度を維持できれば、ＣＯ選択率の低下は抑制できるので、最大負荷時の温度を維持するように冷媒の流量を定め、このときの流量が第１循環ポンプ１１の最大定格容量となる第１循環ポンプ１１を使用する。このように使用する第１循環ポンプ１１を最大定格容量でＣＯ除去器６の最大負荷時に運転することで、負荷率最大時においても触媒の活性温度域を維持することができ、低負荷時にはＣＯ選択率が最も高い、温度差が小さい温度域で制御できる。
【００４２】
図６に示す第２の実施形態は、図１に示した第１の実施形態に対し、第１放熱器１３を熱交換器５とＣＯ除去器６で共用とした構成である。
【００４３】
熱交換器５から排出された冷媒は、第２三方弁１８を通して熱交換器５に戻る循環流路である第３流路２ａと、第３流路２ａから分岐して第２流路１ｂと連通する第６流路２ｂに供給される。第２流路１ｂ内には第３循環ポンプと第１放熱器１３が直列に設置される。さらに第１放熱器１３の下流の第２流路１ｂから分岐して第１三方弁１２と第２三方弁１８に連通する第５流路２ｃが接続され、第５流路２ｃはさらに、その分岐点から第１放熱器１３の上流の第２流路１ｂと連通する第７流路２ｄが設けられる。
【００４４】
このように構成されて、第１放熱器１３で冷却された冷媒は、第３循環ポンプ２３の作用により熱交換器５の冷却系とＣＯ除去器６の冷却系に圧送されるとともに、その一部は第１放熱器１３を挟んで第２流路１ｂ間を連通する第７流路２ｄを流通して第３循環ポンプ２３に戻る。
【００４５】
第２流路１ｂと第５流路２ｃと第７流路２ｄとの分岐には、第１放熱器１３の下流での冷媒の温度を検出する温度検出器２４が設置され、この出力がコントローラ３２に入力される。コントローラ３２は、このデータに基づいて第３循環ポンプ２３の駆動力または回転数を制御し、第１放熱器１３より流出する冷媒温度を制御し、結果として熱交換器５とＣＯ除去器６の第１三方弁１２及び第２三方弁１８に供給する冷媒の温度を制御する。例えば、この温度は、熱交換器５とＣＯ除去器６の設定温度より低い８０℃に設定される。
【００４６】
このような構成とすることで、第１放熱器１３を熱交換器５の冷却とＣＯ除去器６の冷却とに共用することができ、構成を簡略化し、燃料改質装置としての低価格化を図ることができる。
【００４７】
図７は、コントローラ３０がＣＯ除去器６の触媒温度を設定温度に制御するために冷媒温度を制御する制御内容を説明するためのブロック図である。なお、熱交換器５の改質ガスの温度を制御するための冷媒の温度を制御するために用いることも可能である。
【００４８】
第１温度差検出手段４３は、温度検出器１５ｂから検出されるＣＯ除去器６の下流の冷媒温度Ｔ１と温度検出器１５ａから検出されるＣＯ除去器６の入口での冷媒温度Ｔ２とから、その温度差ΔＴｉ＝Ｔ１−Ｔ２を算出する。
【００４９】
第２温度差検出手段４４は、温度検出器１５ｂから検出されるＣＯ除去器６の下流の冷媒温度Ｔ１と、温度検出器２４から検出される第１放熱器１３の下流の冷媒温度Ｔ３から、その温度差ΔＴｏ＝Ｔ１−Ｔ３を算出する。
【００５０】
第１循環率計算手段４６は、循環率Ｒを算出する手段であり、以下に循環率Ｒの算出について説明する。
【００５１】
いま、ＣＯ除去器６内で冷媒が吸収する吸収熱量をＱｐｉとすると、吸収熱量Ｑｐｉは、
吸収熱量Ｑｐｉ＝ΔＴｉ×比熱Ｋ×ＣＯ除去器６を流通する冷媒流量Ｑｗｔ
で求められる。
【００５２】
また第１放熱器１３が放出する放熱熱量Ｑｐｏは、
放熱熱量Ｑｐｏ＝ΔＴｏ×比熱Ｋ×第１放熱器１３を流通する冷媒流量Ｑｗｓで算出される。
【００５３】
いま、吸収熱量Ｑｐｉ＝放熱熱量Ｑｐｏとすれば、第１放熱器１３を通過する低温の冷媒の循環率Ｒは、
循環率Ｒ＝ΔＴｉ／ΔＴｏ＝Ｑｗｔ／Ｑｗｓ
で求めることができる。
【００５４】
目標循環率Ｒｆｆ＝ΔＴ１／ΔＴｏ
となる。
【００５５】
バルブ開度変換手段４８は、予め求めた例えば図９に示すような循環率Ｒと第１三方弁１２の開度との関係に基づいて目標循環率Ｒｆｆに対応するバルブ開度を算出し、第１三方弁１２の開度を制御する。
【００５６】
第１の実施形態で説明したように第１循環ポンプ１１は、全負荷状態で運転されており、最大流量の冷媒がＣＯ除去器６に供給される。したがって、図３に示したように温度差ΔＴｉは、ＣＯ除去器６の負荷率が低いほど小さくできるとともに、熱負荷変化を即座に循環率Ｒに変換できるので、高応答のＣＯ除去器６の温度制御が可能となる。
【００５７】
図８は、コントローラ３０がＣＯ除去器６の触媒温度を設定温度に制御するために冷媒温度を制御する制御内容を説明するための他のブロック図である。なお、熱交換器５の改質ガスの温度を制御するための冷媒の温度を制御するために用いることも可能である。
【００５８】
第１温度差検出手段４３は、温度検出器１５ｂから検出されるＣＯ除去器６の下流の冷媒温度Ｔ１と温度検出器１５ａから検出されるＣＯ除去器６の入口での冷媒温度Ｔ２とから、その温度差ΔＴｉ＝Ｔ１−Ｔ２を算出する。
【００５９】
第２温度検出手段４４は、温度検出器１５ｂから検出されるＣＯ除去器６の下流の冷媒温度Ｔ１と、温度検出器２４から検出される第１放熱器１３の下流の冷媒温度Ｔ３から、その温度差ΔＴｏ＝Ｔ１−Ｔ３を算出する。
【００６０】
循環率計算手段４６は、図７で説明したのと同様にして目標循環率Ｒｆｆ＝ΔＴｉ／ΔＴｏを算出する。
【００６１】
第３温度差検出手段４２は、設定温度Ｔｒと冷媒温度Ｔ１との温度差ΔＴｆｂ＝Ｔｒ-Ｔ１を演算する。
【００６２】
ＰＩＤ制御計算手段４５は、温度差ΔＴｆｂと制御ゲインを基にして補正量Ｒｆｂを計算する。
【００６３】
加算手段２７は、目標循環率Ｒｆｆと補正量Ｒｆｂを加算して、補正循環率Ｒを求める。
【００６４】
バルブ開度変換手段４８は、予め求めた例えば図４に示すような循環率Ｒと第１三方弁１２の開度との関係に基づいて補正循環率Ｒに対応するバルブ開度を算出し、第１三方弁１２の開度を制御する。
【００６５】
第１の実施形態で説明したように第１循環ポンプ１１は、全負荷状態で運転されており、最大流量の冷媒がＣＯ除去器６に供給される。したがって、図３に示したように温度差ΔＴｉは、ＣＯ除去器６の負荷率が低いほど小さくできるとともに、熱負荷変化を即座に循環率Ｒに変換できるので、高応答、高精度のＣＯ除去器６の温度制御が可能となる。
【００６６】
図１０は、ＣＯ除去装置６の具体的な構成の一例を示すもので、冷媒が流通する冷媒層と、改質ガスが流通する改質ガス流路とが直交（流れ方向で）するように、かつ交互に積層して構成されている。ここで、改質ガスと冷媒が最初に熱交換を行う領域２５には、ＣＯ選択酸化触媒を担持しないように構成されている。このような構成とすることで、図１１に示すように、改質ガスの流れ方向上流側の冷媒流路Ｆを流通する冷媒の温度は、下流側の冷媒流路Ｒを流通する冷媒よりＣＯ選択酸化反応による発熱量が大きいため冷媒の温度の昇温速度が速くなるが、前述したように触媒の担持領域を制限することにより、冷媒流路Ｆの出口で冷媒温度が過温することを防止できる。したがって、ＣＯ除去器６内での選択酸化反応による熱の発生量を均一にすることが可能となる。
【００６７】
図１２は、ＣＯ除去装置６の具体的な他の構成の一例を示すもので、図１０に示したような積層構成のＣＯ除去装置６において、図１３に示すように冷媒流路に導入される冷媒の流量分配を改質ガスの入口側ほど多くなるように、冷媒の入口に設置されたダクト２６の形状を改質ガスの上流側ほど、その断面積が大きくなるようにしたものである。このように改質ガス上流側ほど冷媒が多く流れるようにすることで、選択酸化反応が促進される改質ガス上流側での冷媒の出口側の温度上昇を抑制し、ＣＯ除去器６内での冷媒の温度分布を均一にすることができる。
【００６８】
図１４に示すＣＯ除去器６の構成は、流量の分配をコレクタのような入口部の形状によるものではなく、入口部に冷媒の流れを邪魔する多孔質体や針金等の抵抗物２７を設置することで変化させるものである。図１２と同様の思想に基づき、改質ガスの流れ方向下流側ほど、冷媒の流れに対する抵抗が大きくなるように抵抗物が設置される。このように改質ガス上流側ほど冷媒が多く流れるようにすることで、選択酸化反応が促進される改質ガス上流側での冷媒の出口側の温度上昇を抑制し、ＣＯ除去器６内での冷媒の温度分布を均一にすることができる。
【００６９】
図１５と図１６に示すＣＯ除去器６の構成は、冷媒流路の形状によって冷媒の流量分配を制御するようにしたものである。すなわち、図１５に示したものでは、改質ガスの流れ方向で下流側ほど、塞ぎ板２８を用いて冷媒が冷媒通路に流入してから流出するまでの冷媒流路の長さを長く設定することで流路抵抗を増加されている。このように改質ガス上流側ほど冷媒が多く流れるようにすることで、選択酸化反応が促進される改質ガス上流側での冷媒の出口側の温度上昇を抑制し、ＣＯ除去器６内での冷媒の温度分布を均一にすることができる。
【００７０】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料改質装置を適用した燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】冷媒温度とＣＯ選択率の関係を示す図である。
【図３】本発明の負荷率とＣＯ除去器出入口部での冷媒温度との関係を示す図である。
【図４】冷媒温度制御の場合の負荷率とＣＯ除去器出入口部での冷媒温度との関係を示す図である。
【図５】ＣＯ除去器の入口温度制御の場合の負荷率とＣＯ除去器出入口部での冷媒温度との関係を示す図である。
【図６】燃料改質装置を適用した第２の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図７】ＣＯ除去器の冷却制御方法を説明するための制御ブロック図である。
【図８】ＣＯ除去器の他の冷却制御方法を説明するための制御ブロック図である。
【図９】三方弁の開度と混合率の関係を示す図である。
【図１０】本発明を適用したＣＯ除去器に具体的構成を示す一例である。
【図１１】ＣＯ除去器内の位置の違いによる冷媒温度の変化を示す図である。
【図１２】本発明を適用した他のＣＯ除去器に具体的構成を示す一例である。
【図１３】ＣＯ除去器の冷媒流路と冷媒混合率の関係を示す図である。
【図１４】本発明を適用した他のＣＯ除去器に具体的構成を示す一例である。
【図１５】本発明を適用した他のＣＯ除去器に具体的構成を示す一例である。
【図１６】図１５の断面Ａ−Ａを示す断面図である。
【符号の説明】
３  改質反応器
５  熱交換器
６  ＣＯ除去器
７  燃料電池スタック
１２  第１三方弁
１３  第１放熱器
１８  第２三方弁
１９  第２放熱器
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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