(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
起動時に改質部に燃焼ガスを供給して予熱する起動燃焼器と、改質部に供給する原料を蒸発させる蒸発器とを備え、起動燃焼器により発生した燃焼ガスを改質用の燃焼ガスとして改質部に導入し、該燃焼ガスと追加供給された空気を用いて部分酸化反応と水蒸気改質反応を行う燃料改質装置において、
改質部および蒸発器の起動を判定する起動判定手段と、
改質部上流に水を供給する水供給手段と、
前記水供給手段により、改質部の起動判定時に水供給を開始し、蒸発器の起動判定時に水供給を停止すると共に蒸発器から改質部への蒸気供給量を増やす水供給制御手段と
を備えたことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
請求項１において、前記水供給手段は、起動燃焼器と改質部との間に設けられたプリミキサに水を供給するように構成されている燃料改質装置。
【請求項３】
請求項２において、前記水供給手段は、プリミキサに供給する原料に予め水を混合して供給するように構成されている燃料改質装置。
【請求項４】
請求項１において、前記水供給手段は、起動燃焼器に供給する起動用燃料に予め水を混合して供給するように構成されている燃料改質装置。
【請求項５】
請求項１において、前記起動判定手段は、改質部の温度を検出する温度検出手段を備え、該検出温度が所定温度を超えたときに改質部が起動したと判定するように構成されている燃料改質装置。
【請求項６】
請求項１において、前記起動判定手段は、改質部出口での予め定めた成分のガス濃度を検出する濃度検出手段を備え、該検出ガス濃度が所定濃度を超えたときに改質部が起動したと判定するように構成されている燃料改質装置。
【請求項７】
請求項１において、前記起動判定手段は、蒸発器の出口ガス温度を検出する温度検出手段を備え、該検出温度が所定温度を超えたときに蒸発器が起動したと判定するように構成されている燃料改質装置。
【請求項８】
請求項１において、前記水供給制御手段は、改質燃料がメタノールである場合に、改質部に供給されるガスのスチームカーボン比が０．５〜３．０の範囲内となるように水を供給するように構成されている燃料改質装置。
【請求項９】
請求項１において、前記水供給制御手段は、改質燃料がガソリンである場合に、改質部に供給されるガスのスチームカーボン比が０．５〜６．０の範囲内となるように水を供給するように構成されている燃料改質装置。
【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を有する燃料電池システムの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
燃料電池システムの起動を早めるために起動燃焼器を設け、起動燃焼器による高温ガス中に空気と燃料を混合して燃料改質部に供給するようにしたものが提案されている（例えば本出願人による特願2000-343569号参照）。起動時にはこの燃焼器に燃料と空気を供給し、気相燃焼によって発生させた高温の燃焼ガスによって下流の改質部を予熱する。予熱された改質部は、燃焼ガス中の未燃燃料分と、燃焼反応によって発生した水分と、改質部の上流から追加供給された空気とによって、部分酸化反応と水蒸気改質反応とからなる燃料改質反応を開始する。次に、改質反応によって発生した水素リッチな改質ガスを燃料として触媒燃焼器で燃焼反応を行い、その熱で蒸発器を加熱して、改質反応に必要な燃料および水の加熱蒸発を行う。蒸発器で生成した燃料と水からなる改質燃料蒸気は改質部に導入され、徐々にシステムとして自立した定常運転状態へと移行する。
【０００３】
ところで、改質部が改質反応を開始してから蒸発器の暖機が完了し、所定量の改質燃料蒸気が改質部へ供給されるまでの間、改質部では起動燃焼器で生成した未燃燃料分を含んだ燃焼ガスに、空気を混合したガスのみで改質反応を行うことになる。その際、燃焼ガスに含まれる水は起動燃焼器の燃焼反応で生成した分のみのため、未燃燃料分に対してその比率が小さい。すなわち、スチームカーボン比（炭化水素燃料中の炭素モル数に対する水のモル数。以下「Ｓ／Ｃ」と表す。）が小さく、このため改質部で行われる改質反応は部分酸化反応の割合が大きく、水蒸気改質反応の割合が少ないものとなる。その結果、改質部では部分酸化反応による発熱と水蒸気改質反応による吸熱とのバランスがとれないため、十分な改質反応が行われず未燃燃料分が排出されたり、あるいは改質部の触媒が過剰に昇温して活性を失ったり、分解反応によって一酸化炭素を生成したりしてしまう。
【０００４】
多くの燃料改質装置では起動直後に改質部で生成したガスは、CO除去部を通過した後に燃料電池スタックを迂回して触媒燃焼器に導入されるため、未燃分あるいは一酸化炭素が多い場合、ガスが最終的に流入する触媒燃焼器の過剰な昇温をも招来することになる。その結果、触媒燃焼器が劣化したり、触媒燃焼器でNOx等が生成されて起動時の排気特性が悪化するという問題が生じる。
【０００５】
本発明はこのような問題に着目してなされたもので、部分酸化反応と水蒸気改質反応とをバランスよく行わせて改質反応を促進することにより、改質部からの未燃成分の排出および触媒燃焼器の過剰昇温等を防止することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、起動時に改質部に燃焼ガスを供給して予熱する起動燃焼器と、改質部に供給する原料を蒸発させる蒸発器とを備え、起動燃焼器により発生した燃焼ガスを改質用の燃焼ガスとして改質部に導入し、該燃焼ガスと追加供給された空気を用いて部分酸化反応と水蒸気改質反応を行う燃料改質装置において、改質部および蒸発器の起動を判定する起動判定手段と、改質部上流に水を供給する水供給手段と、前記水供給手段により、改質部の起動判定時に水供給を開始し、蒸発器の起動判定時に水供給を停止すると共に蒸発器から改質部への蒸気供給量を増やす水供給制御手段とを備えた。
【０００７】
第２の発明は、水供給手段を、起動燃焼器と改質部との間に設けられたプリミキサに水を供給するように構成した。
【０００８】
第３の発明は、前記第２の発明の水供給手段を、プリミキサに供給する原料に予め水を混合して供給するように構成した。
【０００９】
第４の発明は、前記第１の発明の水供給手段を、起動燃焼器に供給する起動用燃料に予め水を混合して供給するように構成した。
【００１０】
第５の発明は、前記第１の発明の起動判定手段を、改質部の触媒層内温度あるいは改質部の出口ガス温度などの改質部温度を検出する温度検出手段を備え、該検出温度が所定温度を超えたときに改質部が起動したと判定するように構成した。
【００１１】
第６の発明は、前記第１の発明の起動判定手段を、改質部出口での水素、一酸化炭素、二酸化炭素、酸素等のガス濃度を検出するガス濃度検出手段を備え、該検出ガス濃度が所定濃度を超えたときに改質部が起動したと判定するように構成した。
【００１２】
第７の発明は、前記第１の発明の起動判定手段を、蒸発器の出口ガス温度を検出する温度検出手段を備え、該検出温度が所定温度を超えたときに蒸発器が起動したと判定するように構成した。
【００１３】
第８の発明は、前記第１の発明の水供給制御手段を、改質燃料がメタノールである場合に、改質部に供給されるガスのスチームカーボン比が０．５〜３．０の範囲内となるように水を供給するように構成した。
【００１４】
第９の発明は、前記第１の発明の水供給制御手段を、改質燃料がガソリンである場合に、改質部に供給されるガスのスチームカーボン比が０．５〜６．０の範囲内となるように水を供給するように構成した。
【００１５】
【作用・効果】
第１の発明以下の各発明によれば、起動燃焼器で生成した燃焼ガスに空気を混合してそのガスを改質部に供給し、改質部を起動してから蒸発器の暖機が完了し、蒸発器から改質部へ所定の燃料蒸気が供給されるようになるまでの間、改質部の上流から燃焼ガスに水を追加供給することによって、改質部での部分酸化反応と水蒸気改質反応とのバランスを適正に保持することができる。これにより、改質反応が促進されると共に改質部からの未燃成分の排出を抑えることができるので、未燃成分が過剰供給されることによる触媒燃焼器の過剰昇温を防止することができる。
【００１６】
第２の発明によれば、改質器上流に位置するプリミキサから水を追加供給することによって、燃焼ガスと水との混合を促進できるため、過剰に水を供給することなく改質部での改質反応を一層促進でき、また水を節約できるので水タンクを小さくできるなど装置構成を簡略化することができる。
【００１７】
第３の発明によれば、高温のプリミキサに水を供給するために特別の機器を要しないので、一層構成を簡略化しコストを削減することができる。
【００１８】
第４の発明によれば、起動燃焼器への供給燃料に水を供給することで、水の気化潜熱によって燃焼温度を下げることができるので、燃焼器に使用する材料、構造を耐熱温度の低いものとしてそのコストを低減できる。また、燃焼ガス温度を下げるためにプリミキサから供給する空気の量を削減できるので、改質部の改質反応のバランスを取るために供給しなければならない水の追加供給量をより削減することができる。
【００１９】
第５の発明によれば、例えば温度センサーという簡便な機器で改質部の起動を判断し、追加する水供給を開始するタイミングを判定することができる。
【００２０】
第６の発明によれば、改質部出口のガス組成から改質部の起動を判定することによって、水の追加供給タイミングをより精度良く判定することができる。
【００２１】
第７の発明によれば、例えば温度センサーという簡便な機器で蒸発器の起動を判断し、追加する水供給を停止するタイミングを判定することができる。
【００２２】
第８の発明または第９の発明によれば、改質部に供給されるガスのＳ／Ｃが所定の範囲内となるように水供給量を制御するものとしたことにより、起動時の運転特性をより安定させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る改質装置を適用した燃料電池システムの概略を示している。この燃料電池システムは、原燃料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質部４、改質部４で生成した水素リッチな改質ガス中のCO成分を燃料電池スタック８が許容する濃度まで低減するCO除去部６、改質部４で生成した改質ガスの温度をCO除去部６が許容する温度まで冷却する熱交換器５、改質ガスが燃料電池スタック８へ流入する流路と、バイパスする流路とを切り替える流路切替バルブ７、燃料電池スタック８から排出される水素を含んだ排気を燃焼処理するための触媒燃焼器９、触媒燃焼器の高温排気ガスで改質燃料となる原料（メタノール等の液体燃料と水）を気化加熱する蒸発器１０、蒸発器１０に供給する燃料を貯蔵する燃料タンク１１、水を貯蔵する水タンク１３、燃料と水を混合するミキサ１２、燃料をミキサ１２へ供給するための燃料ポンプ１４、水をミキサ１２へ供給する水ポンプ１５、起動時、加速時などに改質部４に高温燃焼ガスを供給するための起動燃焼器２、起動燃焼器２に燃料を噴射供給するインジェクターなどの燃料供給手段１、起動燃焼器２で発生した高温燃焼ガスと空気、燃料、あるいは水蒸気の何れかの組合せを均一に混合し、改質部４に供給するプリミキサ３、起動燃焼器２、プリミキサ３、燃料電池スタック８に空気を供給するエアコンプレッサなどの空気源２０、プリミキサ３へ水を供給するインジェクターなどの水供給手段１８、水タンク１３から水供給手段１８へ水を供給する水ポンプ１９から構成されている。前記改質部４にはその内部温度を測定するための温度検出手段として温度センサ１６が設けられており、蒸発器１０の出口流路には蒸発器出口ガス温度を測定するための温度検出手段として温度センサ１７が設けられている。これら温度センサ１６または１７からの信号に基づき、図示しない制御手段が水供給手段１８を介しての水供給を制御する。次にこの水供給制御につき、図２以下の図面に沿って説明する。
【００２４】
図２は前記水供給制御手段によって起動の間に実行される起動制御の制御ルーチンを示した流れ図、図３は起動制御の間の各部の状態変化を示したタイミングチャートであり、以下の説明中で符号Ｓを付して示した数字は図２のステップ番号に対応している。
【００２５】
この制御では、まずステップ1で、起動燃焼器２へ空気源２０から空気を、燃料供給手段１から燃料をそれぞれ供給する。ステップ２では、ステップ１で起動燃焼器２内に生成した混合気に、図示しないグロープラグなどの着火手段によって着火し、起動燃焼器２を起動する。ステップ3では、プリミキサ３において、起動燃焼器２で発生した高温の燃焼ガスに、空気源２０から空気を供給し、改質部４に供給されるガスの温度を調整する。これにより、改質部４では、ガス中の未燃成分と、燃焼で生成した水分と、空気とが化学的に反応し、部分酸化反応と水蒸気改質反応とからなる改質反応が始まる。ステップ４では、改質部４の温度を温度センサ１６からの信号により検出し、前記改質反応により改質部温度が基準温度ｔ０に達するのを待って次のステップ５に進む。前記基準温度ｔ０は、使用する燃料、触媒によって異なるが、燃料がメタノールで、Cu/Zn系の触媒などを用いた場合、一般的に80〜400℃の範囲内に設定される。
【００２６】
ステップ５では、水供給手段１８からプリミキサ３内へ所定量の水を供給する。追加供給する水の量は、改質部４に流入するガスのＳ／Ｃ比が、改質燃料がメタノールである場合には０．５〜３．０となるように、改質燃料がガソリンである場合には０．５〜６．０となるように、供給する。これにより、改質部４内部の反応を改質効率が高い状態に維持できるので、改質反応による改質部４の暖機を促しつつ、改質部４よりも下流の熱交換器５、CO除去部６を通じて触媒燃焼器９に流入する改質ガス中の未燃成分を低減でき、未燃成分の流入による触媒燃焼器９の過剰な昇温を防止できる。なお、CO除去部６を出た改質ガスは、流路切り替えバルブ７によって流路を切り替えられ、燃料電池スタック８をバイパスして触媒燃焼器９に流入する。また、改質部４で発生した高温の改質ガスによって下流の熱交換器５、CO除去部６は速やかに暖機される。
【００２７】
一方、触媒燃焼器９の燃焼ガスによって蒸発器１０が速やかに暖機される。ステップ６では、このときの蒸発器１０の出口ガス温度を温度センサ１７からの信号により検出し、蒸発器出口ガス温度が第１の基準温度ｔ１に達するのを待って次のステップ７に進む。前記第１の基準温度ｔ１は燃料によって異なり、例えばメタノールの場合は６５℃程度に設定される。
【００２８】
ステップ７では、原燃料タンク１１、水タンク１３からミキサ１２を介して、蒸発器１０に燃料と水の混合液を供給開始する。ステップ８では、温度センサ１７で検出される蒸発器出口ガス温度が第２の基準温度ｔ２に達するのを待って次のステップ９に進む。前記第２の基準温度ｔ２は蒸発器１０の起動を判定するためのものであり、燃料によって異なるが例えばメタノールの場合は６５〜３００℃の範囲内に設定される。
【００２９】
ステップ９では、前記蒸発器起動判定に伴い、水供給手段１８からプリミキサ３への水の供給を停止する。ステップ１０では、燃焼器２への燃料、空気の供給を徐々に絞り、プリミキサ３への改質燃料蒸気、空気の供給を増やし、燃料改質システムを定常運転状態に移行させ、これにより前記一連の起動時制御を終了する。
【００３０】
次に本発明の第２の実施形態につき、図４と図５に基づき説明する。図４は燃料電池システムの概略図であり、図１のものとは、改質部４に対して温度センサ（１６）に代えて改質部出口流路にガス濃度センサ２１を設けた点と、水供給手段２２を、蒸発器１０とプリミキサ３を接続する流路に設けた点で相違している。
【００３１】
図５はこの実施形態において水供給制御手段によって起動の間に実行される起動制御の制御ルーチンを示した流れ図であり、以下の説明中で符号Ｓを付して示した数字は図５のステップ番号に対応している。以下、この水供給制御につき、図３と異なる部分についのみ説明する。前記相違点は次の通りである。すなわち、ステップ４では、ガス中の末燃成分と、燃焼で生成した水分と、空気とが化学的に反応して起こる部分酸化反応と水蒸気改質反応とにより発生した改質ガスの特定成分の濃度をガス濃度センサ２１にて検出し、この検出濃度が所定の濃度に達するのを待って次のステップ５に進む。前記所定の濃度としては、例えばメタノールを改質する場合、濃度検出するガス成分が水素であれば２０〜５０容量％、酸素または一酸化炭素であれば０〜１０容量%、二酸化炭素であれば１０〜３０容量％の範囲内に設定される。
【００３２】
ステップ５では、水供給手段２２から蒸発器１０とプリミキサ３を接続する流路へ所定量の水を供給する。追加供給する水の量は、改質部４に流入するガスのＳ／Ｃ比が０．５〜３．０（改質燃料がメタノールの場合）となるように調節する。ステップ9では、水供給手段２２からの水の供給を停止する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの第１の実施形態の概略構成図。
【図２】本発明による起動制御の第１の実施形態の作動内容を示す流れ図。
【図３】前記実施形態の起動時の各部温度およびガス組成の変化状態を示すタイミング図。
【図４】本発明を適用した燃料電池システムの第２の実施形態の概略構成図。
【図５】本発明による起動制御の第２の実施形態の作動内容を示す流れ図。
【符号の説明】
１    燃料供給手段
２    起動燃焼器
３    プリミキサ
４    改質部
５    熱交換器
６    ＣＯ除去部
７    流路切り替えバルブ
８    燃料電池スタック
９    触媒燃焼器
１０    蒸発器
１１    燃料タンク
１２    ミキサ
１３    水タンク
１４    燃料ポンプ
１５    水ポンプ
１６    温度センサ
１７    温度センサ
１８    水供給手段
１９    水供給ポンプ
２０    空気源
２１    ガス濃度センサ
２２    水供給手段
【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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