(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素燃料を、燃料電池スタックで使用する水素を含む気体生成物流に変換する方法であって、
（ａ）炭化水素燃料を再循環気体流に噴射する手段を設け、
（ｂ）熱交換器および触媒リアクタを、該熱交換器の出口端部が該触媒リアクタの入口に流体流れで連通した状態で、該触媒リアクタが該熱交換器の下流側になるように配置し、
（ｃ）前記触媒リアクタから出た気体を該触媒リアクタ及び前記熱交換器の周辺に排気して該熱交換器に再度入るようにするための手段を設け、
（ｄ）前記熱交換器および前記触媒リアクタを通して前記気体を再循環させることにより前記再循環気体流を形成し、
（ｅ）前記再循環気体流を前記熱交換器で加熱し、
（ｆ）前記熱交換器の出口端部と前記触媒リアクタの入口との間で前記再循環気体流の温度を監視し、
（ｇ）前記監視温度が第１の予め選択した温度値とは異なり、且つ、水素を含む気体が前記燃料電池スタックに供給されているとき、出力信号を発生する、各工程を含み、
前記第１の予め選択した温度値は、水素を含む前記生成物流の所望の品質を得ることが可能となる温度である、方法。
【請求項２】
前記出力信号が発生された場合に、前記燃料電池スタックの作働を終了させる工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記出力信号をある期間遮断し、前記信号の継続時間が前記期間を超えたときに前記燃料電池スタックの作働を終了させる工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記監視温度が前記第１の予め選択した温度値よりも高いときに、出力信号を発生する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記監視温度が前記第１の予め選択した温度値よりも低いときに、出力信号を発生する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記監視工程が、前記熱交換器の前記出口端部に隣接する前記再循環気体の流れの温度を監視することにより実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
異なる時間で少なくとも２つの温度を監視し、時間に対する前記温度の変化率を計算し、該温度の変化率を予め選択した変化率値と比較する、各工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記計算した変化率が前記予め選択した数値よりも高い場合に、出力信号を発生する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記出力信号が発生された場合に、前記燃料電池スタックの作働を終了させる工程を更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記出力信号をある期間遮断し、前記信号の継続時間が前記期間を超えたときに前記燃料電池スタックの作働を終了させる工程を更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
炭化水素燃料を、燃料電池スタックで使用する水素を含む気体生成物流に変換する方法であって、
（ａ）炭化水素燃料を再循環気体流に噴射する手段を設け、
（ｂ）熱交換器および触媒リアクタを、該熱交換器の出口端部が該触媒リアクタの入口に流体流れで連通した状態で、該触媒リアクタが該熱交換器の下流側になるように配置し、
（ｃ）前記触媒リアクタから出た気体を該触媒リアクタ及び前記熱交換器の周辺に排気して該熱交換器に再度入るようにするための手段を設け、
（ｄ）前記熱交換器および前記触媒リアクタを通して前記気体を再循環させることにより前記再循環気体流を形成し、
（ｅ）前記再循環気体流を前記熱交換器で加熱し、
（ｆ）２以上の異なる時間に、前記熱交換器の出口端部と前記触媒リアクタの入口との間で前記再循環気体流の温度を監視し、
（ｇ）時間に対する前記温度の変化率を計算し、
（ｈ）前記温度の変化率を予め選択した変化率値と比較し、
（ｉ）  次の条件、
（１）前記監視温度が第１の予め選択した温度値よりも低く、且つ、水素を含む気体が前記燃料電池スタックに供給され、前記第１の予め選択した温度値は、水素を含む前記生成物流の所望の品質を得ることが可能となる温度であること、
（２）前記監視温度が第２の予め選択した温度値よりも高く、該第２の予め選択した温度値は前記触媒リアクタの触媒に損傷を与える温度であること、
（３）前記監視温度の変化率が第３の予め選択した値よりも高く、該第３の予め選択した値は前記触媒リアクタの触媒に損傷を与える温度に接近する変化率であること、
のうち少なくともいずれか１つの条件が満たされたときに、出力信号を発生する、各工程を含む、方法。
【請求項１２】
前記出力信号が発生された場合に、前記燃料電池スタックの作働を終了させる工程を更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記出力信号をある期間遮断し、前記信号の継続時間が前記期間を超えたときに前記燃料電池スタックの作働を終了させる工程を更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記監視工程が、前記熱交換器の前記出口端部に隣接する前記再循環気体の流れの温度を監視することにより実行される、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用の水素を生成するための炭化水素燃料の処理に関し、特に燃料処理中の温度制御を維持する方法とシステムに関する。
【０００２】
米国合衆国政府は、米国エネルギー省の裁定を受けた協定Ｎｏ．ＤＥ−ＡＣ０２−９０ＣＨ１０４３５に準拠する本発明の権利を有する。
【０００３】
本出願は、継続中の米国特許出願番号Ｎｏ．０９／１８７，１２５、出願日１９９８年１１月５日、Ｇｌｅｎｎ  Ｗ．  Ｓｋａｌａその他に開示および特許請求される内容を開示している。
【０００４】
【従来の技術】
燃料電池は、多数の用途において電源として使用されている。また、燃料電池は、内燃機関に代わる電気自動車動力装置での使用にも提案されている。陽子交換膜（ＰＥＭ）タイプの燃料電池においては、水素が燃料電池の陽極に供給され、また酸素が酸化体として陰極に供給される。ＰＥＭ燃料電池は、薄型で、陽子を伝達可能で、非導電型であり、その一方の表面に陽極と他方の面に陰極を有する固体高分子膜電解物から成る「膜電極集合体」（ＭＥＡ）を含んでいる。ＭＥＡは、（１）陽極および陰極の電流コレクタとして機能し、（２）燃料電池の気体を各陽極および陰極触媒の表面に分散させるための適切な通路および／または開口部を内部に含む一対の導体要素の間に挟まれている。代表的なＰＥＭ燃料電池およびその膜電極集合体（ＭＥＡ）は、それぞれ１９９３年１２月２１日および１９９４年５月３１日発行、本発明の譲受人であるＧｅｎｅｒａｌ  Ｍｏｔｏｒｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎに譲渡、発明者Ｓｗａｔｈｉｒａｊａｎその他による米国特許Ｎｏ．５，２７２，０１７およびＮｏ．５，３１６，８７１に説明されている。複数の個別の電池は通常ひとまとめにされて、ＰＥＭ燃料電池スタックを形成する。通常、燃料電池という用語は、状況に応じて単一の電池または複数の電池（スタック）を表すのに使用される。スタック内の一群の電池は、クラスタと呼ばれる。スタック内の複数の電池の代表的な配列は、ＧｅｎｅｒａｌＭｏｔｏｒｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎに譲渡の米国特許Ｎｏ．５，７６３，１１３に説明されている。
【０００５】
ＰＥＭ燃料電池において、水素（Ｈ2）は陽極反応物質（すなわち、燃料）であり、また酸素は陰極反応物質（すなわち、酸化体）である。酸素は純酸素（Ｏ2）でも、空気（Ｏ2およびＮ2の混合物）であってもよい。通常、固体高分子電解質は、例えば臭化スルホン酸などのイオン交換樹脂から作られる。陽極／陰極は普通、炭素粒子で支援されることが多く、陽子導体樹脂と混合される細粒触媒粒子から構成される。触媒粒子は通常、高価な貴金属粒子である。触媒電極から構成されるこれらの膜電極集合体は製造するのに比較的効果であり、劣化を防止するために特定の制御条件を必要とする。
【０００６】
車両への用途の場合、液体燃料、好ましくはメタノール（ＭｅＯＨ）など、炭化水素やアルコール、またはガソリンを、燃料電池の水素源として使用するのが望ましい。このような車両の液体燃料は積載が簡単であり、液体燃料を供給する全国的なインフラストラクチャーが存在する。しかしながら、このような燃料は水素成分を分離させて、燃料電池に燃料を供給しなければならない。分離反応は、改質装置として知られる化学燃料処理装置内で異質的に行われ、触媒塊全体に熱エネルギーが行き渡り、主に水素と二酸化炭素から成る改質気体が生成される。例えば、蒸気メタノール改質処理においては、メタノールおよび（蒸気としての）水が理想的に反応し、この反応に応じて水素と二酸化炭素が生成される。すなわちＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋３Ｈ2である。改質反応は吸熱反応であり、これは反応を発生させるのに外部の熱が必要であることを意味している。
【０００７】
炭化水素燃料を処理し、ＰＥＭ燃料電池で消費する水素を多く含む改質燃料を生成する燃料電池システムが知られており、これは１９９７年１１月にＷｉｌｌｉａｍ  Ｐｅｔｔｉｔにより出願された同時継続米国特許出願番号Ｎｏ．０８／９７５，４４２およびＮｏ．０８／９８０，０８７、および１９９８年１１月５日に出願されたＧｌｅｎｎ  Ｗ．  Ｓｋａｌａその他による米国出願番号Ｎｏ．０９／１８７，１２５に記載されている。何れの出願も、本発明の譲受人であるＧｅｎｅｒａｌ  Ｍｏｔｏｒｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎに譲渡されている。１９８７年３月１７日出願のＶａｎｄｅｒｂｏｒｇｈ他による米国特許Ｎｏ．４，６５０，７２２には、加熱されて触媒室で反応する有機燃料と間接熱伝達の関係にある燃焼室に包含される触媒室から成る燃料処理装置が記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
燃料処理装置（改質装置）における反応は制御された温度下で行われ、触媒室の触媒を完全な状態に保つ。触媒室の温度は触媒の劣化を防止できるよう充分に低く、かつ高負荷の要求がある際に燃料電池で必要となる燃料量を供給できるような高い温度でなければならない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料処理装置の一部を構成する触媒反応室において触媒物質を完全な状態に保つ改善された方法およびシステムに関するものである。本発明の方法は、共通ハウジングにおいて１つまたは複数の触媒室とヒータとを含む燃料処理装置で使用可能である。気体はリアクタで反応して、燃料電池での使用に適した生成物を形成する。気体は、ヒータおよび共通ハウジングの１つまたは複数のリアクタを介して流れを循環する。各触媒リアクタはヒータの下流にある。気体流の温度は、ハウジング内のヒータの出口付近の場所で監視される。好適には、ヒータおよび触媒リアクタは、触媒リアクタがヒータの下流側に位置し、またヒータの出口端部が触媒リアクタの入口と流体流で連通するように位置決めされている。好適には、気体流の一部が、１つまたは複数のリアクタと熱伝達関係となるようハウジング内を循環する。燃料処理装置はまた、炭化水素燃料を循環気体流に噴射する手段も含んでいる。ファンまたはその他の手段が設けられ、触媒リアクタおよびヒータ（熱交換器）全体に気体を循環させる。
【００１０】
温度はヒータの出口端部と触媒リアクタの入口との間で監視され、また監視された温度は１つまたは複数の予め選択した数値と比較される。一実施例においては、本発明の方法は、次の状態の何れか１つ以上を監視する。すなわち、気体流の比較的低い温度数値、気体流の比較的高い温度数値、監視温度の変化率である。比較的低い監視温度状態は、燃料処理装置の１つまたは複数の触媒室内の温度が不適切であり、燃料電池用の水素を含む気体の所望の品質が得られないことを表している。比較的高い監視温度は、燃料装置内で触媒床を損傷する可能性がある。温度の変化率は、補正措置を行って防止しない限りすぐに不適切な温度に達してしまうことを表示する場合に役立つ。
【００１１】
好適な実施例においては、温度変化率を監視して、不適切な高または低温度状態の発生を防ぐ。ここでは、循環気体流の少なくとも２つの温度をある期間監視する。温度対時間の変化率を決定する。次に、監視した温度変化率を予め選択した変化率値と比較する。温度変化率を監視することは、触媒床における不適切に高い温度の発生を防止する予防手段となる。
【００１２】
本発明の方法は本質的には、亀裂の入った溶接部分、漏れ、触媒床問題などの顕著な異常を、その温度測定および温度変化率により間接的に表すものである。熱交換器の出口とリアクタの入口との間の気体流に温度監視装置を設置すると、非常に温度に対して敏感である触媒床を効果的に保護することができる。従って、これは、システム全体の問題を診断し、また重要なシステム構成部分を保護する非常に費用有効性の高い方法である。
【００１３】
この監視方法は、燃料処理装置を構成する既存の燃料電池システムに適合させ、また簡単に実施することができる。更に、この監視方法は、様々な燃料電池システムの燃料処理装置と共に使用することが可能である。
【００１４】
本発明の様々な特徴、効果、その他の使用は、以下の説明および図面を参照することにより明らかとなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の一態様は、燃料処理装置の改質触媒室内で温度を監視することにより、燃料処理装置の改質装置触媒床を完全な状態に保つ方法およびシステムを提供する。また別の態様においては、ヒータおよび少なくとも１つの改質装置触媒リアクタが共通ハウジングに置かれる。各触媒リアクタは、ヒータの下流側にある。気体はリアクタ内で反応して、燃料電池での使用に適した生成物を形成する。気体は、ヒータおよびハウジングを介し、また第１および第２の改質リアクタを介して、流れの中を循環する。気体流は、所望の回数再循環される。気体流の温度は、ハウジング内のヒータ出口に近接する位置で監視される。好適には、気体流の一部が、１つまたは複数のリアクタと熱伝達する関係において、ハウジング内で再循環する。気体流の別の一部は１つまたは複数のリアクタを介して循環し、燃料電池で使用される生成物を作る。好適な実施例においては、２つまたは複数のリアクタが使用され、気体がヒータから抜け出て、第１リアクタを介して、またその後次のリアクタを介して循環し、燃料処理装置から出て燃料電池に送られる。
【００１６】
図１は、本発明の燃料処理装置および処理の一実施例、および本発明の主要な構成部分（すなわち、ヒータおよびリアクタ）の好適な位置を概略的に示している。特に、図１は、再循環ファン２から抜け出る気体流４が、排気気体８によって加熱される気体対気体熱交換器６に、メタノール燃料タンクからのメタノール１２および／または燃料電池スタック（図示せず）の陽極室から抜け出る未使用水素１４で好適に燃料供給される燃焼室１０から入るよう、燃料処理装置内で気体流４を循環させる再循環ファン４を示している。熱交換器６は、高温燃焼気体８が流れる高温側規定通路１６と、気体流４が流れ、燃焼気体からの熱を吸収する低温側規定通路１８とを含んでいる。あるいは、熱交換器６の代わりに、運転開始時またはシステムのアイドル時に、運転開始中の燃料電池システムにより外部から（例えば、家庭用コンセントから）起動される電気ヒータを使用することもできる。システムが起動して運転が行われると、ヒータは燃料電池からの電流で起動するが、これは別の用途で有用な燃料電池からのエネルギー（例えば、電気自動車の電力供給）を使用する。
【００１７】
加熱された気体流４は熱交換器６から抜け出て、好適には等温プラグフロータイプのリアクタである第１リアクタに入る。以下に説明するように、気体流４を使用して熱をリアクタ２０に伝達し、また気体流４の反応物質の一部はリアクタ２０の触媒側を通る。循環反応物質流の一部（例えば、２５％以下）は流れ２８として流出して更に処理され、また残りは別のリアクタに３０に流入する。また、補充反応物質は再循環反応物質に追加されて、流れ２８として流出した反応物質を補充する。
【００１８】
リアクタ２０は、加熱された循環気体流４が流れる高温側規定通路２２と、適切な第１触媒（図示せず）を含む低温側規定通路２４とを有する熱交換器を含んでいる。気体流４の極一部（例えば、容積で２５％以下、好適には約５％）は第１触媒を介して分流され、その中に残留する水およびメタノール蒸気を、リアクタ２０から出る改質流として水素および炭素二酸化物に変換する。第１触媒によって分流された媒介物の量は、循環気体流に付加された補充反応物質（すなわち、メタノールおよび水）の量によって、これに正比例して決まる。改質物質流２８はその後、水−ガスシフト反応され、および／または当業者により知られる優先酸化（ＰｒＯｘ）反応され、改質物質流に含まれる余分な炭素一酸化物を除去する。気体流４は第１リアクタ２０を抜け出て、本質的には第２触媒床（再循環触媒床として知られる）である第２リアクタ３０に入る。ここには、気体流４が第２触媒に直接触れて流れ、気体流４に含まれる水蒸気およびメタノール蒸気の一部を反応させて、循環気体流４に炭素二酸化物および水素を形成する。液体メタノール３２および水３４は、ハウジング、更に好適にはファン２に噴射され、改質物質流２８としてハウジングから出る気体を補充する。
【００１９】
熱電対１５は、熱交換器６の出口１７と第１リアクタ２０の入口１９との間の気体流４中に置かれる。好適には、熱電対１５は熱交換器６の出口１７に隣接して配置され、熱電対１５が燃焼気体８により間接的に加熱された直後の気体流４の温度を感知するようにする。熱交換器６は、高温燃焼気体８の経路を規定する第１通路１６と、気体流４の経路を規定する第２通路１８とを有している。各通路を図１および２に概略的に示す。
【００２０】
熱交換器６の高温側通路１６を通過する燃焼気体８は、通路１８の再循環気体流４を循環気体流４に適した温度に加熱し、上記のメタノール−水反応を行えるよう充分にリアクタ２０を加熱する。従って、気体流４は、熱交換器６において高温燃焼気体流８と間接熱伝達する関係にある。燃焼室１０からの燃焼気体８は約６００〜７００℃で熱交換器６に入り、また約２１０から２７５℃で出る。熱交換器６から出る気体流４の温度は、リアクタ２０および３０で使用される触媒の性質およびリアクタ２０で行われるメタノール−水反応の比率によって異なり、また上記触媒を必要とする。好適には、熱交換器６から出て、第１リアクタ２０に入る気体流４の温度は、約５０％のメタノール変換が各リアクタ２０および３０で行われ、それぞれ従来の銅−亜鉛触媒を使用するシステムにおいて約２６０℃である。リアクタ２０で生じるメタノール−水反応は吸熱であるため、循環気体流４がリアクタ２０を出て、第２リアクタ３０に入る際にその温度は約２５０℃に低下する。この温度は、メタノールおよび水の反応を充分に促進できるよう内部の第２触媒床を加熱するのに適した温度である。好適には、第２リアクタは、気体流４のメタノールおよび水の含有量の約５０％を反応させるようなサイズになっており、システム全体が必要とする触媒の量を最小に抑える。第２触媒３０から出る気体流４の温度は約２４０℃である。
【００２１】
再循環気体流４の一部は、第１リアクタ２０の低温側２４に方向転換または分流しており、またそこに含まれる残りの水およびメタノールは第１触媒で反応する。第１リアクタ２０に方向転換／分流する循環気体流４の一部２６は、再循環気体流４の体積の約２５％以下、好適には再循環気体流４の体積の約５％以下を構成する。好適な５％レベルでは、２段階改質反応は、総システム触媒の最低量を使用して非常に効率良く行われる。
【００２２】
第２リアクタ３０を出る気体流４はファン２に吸引され、該ファンから第２リアクタ３０、第１リアクタ２０及び熱交換器６の各周囲の空間へと排気され、これにより熱交換器６及びリアクタ２０、３０を高温気体にさらした後、熱交換器６内に入る。このとき、この気体流４は約２００〜２２０℃の温度で熱交換器６に入る。メタノール３２および水３４を気体流４に最適に分散および噴霧させるために、それぞれハウジング内へとファン２のところで噴射され、好適には水滴を噴霧させると共にこれをファン２の羽根に衝突させ、気体流４への気化を加速化する。
【００２３】
流れ２８として燃料処理機から出る改質物質の炭素一酸化物は（例えば水−ガスシフトおよびＰｒＯｘ反応によって）実質的に除去され、水素−酸素燃料電池の陽極区画に送られる。燃料電池の陽極区画を出る消費されていない水素１４は、単独またはメタノール貯蔵タンクからのメタノールと組み合わせて燃焼室１０を発火させる燃料として使用してもよい。あるいは、燃焼室１０に、特に処理装置の運転開始時にメタノールのみを燃料供給してもよい。
【００２４】
図２は、本発明の燃料処理装置システムおよび処理の好適な実施例を表している。図２は図１と同様であるが、熱交換器６に近接する燃料処理装置ハウジング内に優先酸化（すなわち、ＰｒＯｘ）リアクタ３６を含んでいる。ＰｒＯｘリアクタ３６においては、第１リアクタ２０から出る改質物質２８は制御状態で酸素／空気と反応し、反応で水素を実質的に消費することなく、改質物質流２８の残留炭素一酸化物を優先的に酸化する。ＰｒＯｘリアクタは従来より知られているので、それ自体が本発明の一部を構成することはない。ＰｒＯｘ反応は発熱反応であり、ハウジング内の気体流４を加熱する。特に好適には、ＰｒＯｘリアクタは熱交換器よりも低い温度で動作し、熱交換器６の上流側に位置しているので、気体流４はまずＰｒＯｘリアクタに流れ、その後熱交換器６に流れる。そのため、ＰｒＯｘリアクタで生じた熱は、熱交換器６の熱負荷を軽減するのに使用される。
【００２５】
上記の説明から明らかなように、気体流４は熱伝達媒体として機能する。これは熱交換器６により加熱され、流れ４が熱を供給する改質装置を構成する１つまたは複数、好適には２つのリアクタ２０、３０に循環される。また、流れ４はＰｒＯｘリアクタ３６からの熱を吸収する。再循環流４は最終的には、改質物質とも呼ばれる生成流として処理を終える。
【００２６】
オプションとして、水−気体シフトリアクタ３８をＰｒＯｘリアクタ３６の前に直列に配置し、第１リアクタ２０から排気される改質物質２８を前処理しても良い。水−気体シフトリアクタは従来より知られており、それ自体が本発明の一部を構成することはない。第１および第２リアクタ２０、３０でそれぞれ発生する反応を適切に制御することにより、水−気体シフト反応を第１および第２リアクタで発生させることができるので、水−気体シフトリアクタ３８を別途設ける必要はない。
【００２７】
上記の燃料処理装置および対応する燃料電池システムの構成および動作に関する他の詳細な背景は、Ｄａｖｉｄ  Ｊ．  Ｈａｒｔ−ＰｒｅｄｍｏｒｅおよびＷｉｌｌｉａｍ  Ｈ．  Ｐｅｔｔｉｔによる１９９９年７月２１日出願の同時継続米国特許出願Ｎｏ．０９／３５８，０８０（弁理士Ｄｏｃｋｅｔ  Ｈ−２０２９７１）、およびＷｉｌｌｉａｍ  Ｈ．  Ｐｅｔｔｉｔによる１９９７年１１月出願の同時継続米国特許出願Ｎｏ．０８／９７５，４２２およびＮｏ．０８／９８０，０８７、Ｇｌｅｎｎ  Ｗ．  Ｓｋａｌａ他による１９９８年１１月５日出願の米国出願Ｎｏ．０９／１８７，１２５に記載されており、それぞれ本発明の譲受人であるＧｅｎｅｒａｌ  Ｍｏｔｏｒｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎに譲渡されている。これらの全体的内容は参照することによって本明細書中に組み込まれる。
【００２８】
燃料処理装置により供給される燃料電池の燃料需要を変化させることにより生成される過渡電流は、（１）熱交換器により得られる熱量を増減させ、（２）ハウジングに噴射されるメタノール／水の流量および比率を増減させ、また（３）ＰｒＯｘリアクタに供給される空気量を変化させることにより好適に制御される。更に、ファンの速度は、改質装置のメタノールおよび水の処理能力が変化するときに、変化させてもよいし、あるいは一定であってもよい。これに関しては、水／メタノール処理能力に比例してファンの速度を変化させると、２つのリアクタの温度制御が容易になる。一方、ファン速度が一定であると、過渡負荷状態で変化する温度プロフィールが得られる。どちらの場合も、所望の温度を得ることが難しい。従って、図３に示す方法およびシステムは、触媒の完全な状態を高温劣化から保護し、炭化水素を改質物質へ変化させる不適切な熱伝達と温度を示す低温を感知しなければならない。
【００２９】
本発明の方法および構成において、改質装置温度センサ１５は、図１および２の燃料処理装置のプラグフローリアクタ２０と熱交換器６との間に配置される。この配置により、再循環気体流４の温度は、熱交換器６から出て、第１改質装置リアクタ２０に入る前に、その最高温点で監視される。これは、改質装置リアクタにおいては、化学反応は発熱であり熱が必要であるため、温度監視には好適な位置である。気体流の温度が高すぎる、または低すぎる場合、燃料電池に供給される改質物質流の品質に影響する。再循環流の温度上昇率が高すぎる場合、気体処理を行う構成部品が制御不能であることを表している。システムは複雑であり、連動して所望の結果を得る複数の構成部分を含んでいる。ファンの速度が速すぎる、または遅すぎる場合、燃料処理装置内のリアクタの温度は低すぎるまたは高すぎてしまう。システムへのメタノールまたは水の噴射が、例えばメタノールの供給が中断してしまうなど、予期せず変化してしまうと、改質処理を行う改質装置リアクタへ供給される熱が、発熱改質処理に対して過剰となる。改質装置触媒床自身は、特定のリアクタ設計に特有の時定数により特徴付けられる。燃料処理装置に問題がある場合、システムのバランスが取れていれば改質装置リアクタは通常よりも速く加熱することがあり、これにより触媒床の過熱や劣化が生じる場合がある。他の複雑な点は、システム全体が動作して、スタックが必要とする水素の需要のバランスを取ることにあり、スタックからの過剰水素やメタノール量が改質装置および燃焼室に供給されてしまう。これらの構成部分の何れかのバランスが取れていないと、過渡状態が生じてしまい、一部の構成部分が一時的かつ許容可能な状態となるが、その他の構成部分は構成部分が所望の運転モードから次第に離れるときに混合される過熱状態になってしまう。
【００３０】
通常の状態においては、改質装置床の熱質量および燃料処理装置の再循環ファンからの熱の分散により、改質装置リアクタ床の温度の上昇速度は比較的遅い。この温度上昇速度がメモリに記憶されている所定値よりも高いと、問題があり診断のフラグが出ているとすると、処置または応答呼出が発せられる。応答または補正処置は、警報、改質装置への噴射される水の増量、ファン速度の上昇、大気中への熱の排出、燃焼室動力の減少、ＰｒＯｘ空気の減少、改質装置圧力の減少、およびシステムの機能停止を含む何れの形態であってもよい。迅速な機能停止には、大気中へ排出することによる水素流の除去を含む。あるいは、水素流を保管設備に送る。
【００３１】
図３は、本発明により処理を実施するシステムの概略図である。図３は、燃料電池システム動作の２つの状態が監視されているのを示している。第１の状態は改質温度と記された第１入力４０で示されており、第２の状態は燃料電池スタックに供給される改質物質、または空気および改質物質に相当する第２入力４１で示されている。ちなみに、図を簡略化するため、図３における気体流監視温度値および校正値は、省略記号の改質で示す。監視温度値は、図１および２の燃料処理装置システムにより再循環される気体流４に対するものである。
【００３２】
図３に示すように、改質４０で示す温度は、低温校正値４２、高温校正値４３、および変化率校正値４４と合わせてチェックされる。低温状態は、スタックに供給される改質物質の状態と結合した場合、診断の警告フラグが発せられる。高温状態のときも、診断の警告フラグが発せられる。温度変化、特に温度上昇の変化率が校正値を超えると判断される場合は、診断のフラグが発せられる。従って、図３は低温診断、高温診断、変化率診断の３種類の診断を含んでいる。温度変化率は、時間の関数として決定される。図３のシステムは、温度モニタ１５からの入力を受信するソフトウェアまたはハードウェアにより実行される温度比較ロジック、温度変化率を計算するソフトウェアまたは同等の装置、温度変化率を予め選択した数値と比較するソフトウェア比較器または同等の装置、および監視した温度変化率が予め選択した変化率値以上である場合に出力信号を発する信号生成器を含んでいる。好適には、ロジック、ソフトウェアまたは回路も、選択した期間信号を遮断する時間遅延または同等の装置を含んでいる。システムも、以下に詳細に説明するように高および低温比較用の装置を含んでいる。
【００３３】
高温および低温監視は、システムが有用である間は無効である。そのため、温度変化率の先行監視が非常に望ましい。温度上昇変化率の先行監視は、触媒床を保護するためには最も望ましい。好適な実施例においては、温度変化率は短い時間間隔で断続的に決定され、先行監視を行う。このような変化率監視は、高およ温び低温状態の検出および各診断警告に関連すると最も好ましい。
【００３４】
好適な実施例においては、本発明は、効果的な温度監視を行うために、燃料処理装置内の比較的最適化された位置を規定する。好適な位置により、リアクタ２０および３０の一方または両方の改質装置触媒床にほぼ対応する温度を監視することが可能となる。更に好適には、この位置を選択して、リアクタ２０の上流側にある流れ４の温度を監視する。燃料処理装置の気体流４の温度を監視するための選択位置により、リアクタ２０および３０の触媒床を高温状態から保護し、また低温状態の時にスタックへの改質物質の供給を防止することを含む複数の目的が達せられる。好適な実施例において、ハードウェアの観点より、燃焼室熱交換器６の出口に隣接しなおかつ下流側において温度監視を行うことは効果的、効率的かつ適していることが分かった。燃焼室熱交換器６の出口の近辺かつ下流側の温度は、リアクタ２０の入口を介して供給される気体流４の温度を表している。リアクタ２０で行われる反応は吸熱なので、リアクタ２０からの流れ４の出口温度は入口温度よりも低い。そのため、本発明の処理気体流４の最高温状態は燃焼室熱交換器６の出口付近の温度である。
【００３５】
高温状態、低温状態、変化率の校正値は参照テーブルに含まれ、またはプロット、曲線、実証的データ、数学的モデルに基づいていてもよい。低温値および高温値は、便利よく設定し、負荷関数または他のシステムの変数として不変であってもよい。温度変化率校正値が監視温度の関数であることが好適である。つまり、監視温度が上昇するときに、変化率校正値が低下することが好ましい。従って、気体流の監視温度が最高温になるときに、校正変化率温度は好適に低下する。
【００３６】
図３を参照すると、ステップ５０において、第１ソフトウェア比較器（Ｃ１）は、気体流４の監視改質温度４０である第１の値と、低温校正値４２である第２の値の２つの温度値を比較する。低温状態を表す比較器からの出力信号は、ステップ５２で第１時間遅延を受ける。時間遅延４５を超える期間低温状態であれば、ステップ５４でＡＮＤ関数（ゲート）に信号が送られる。ＡＮＤはまた、改質物質がスタックに供給されているときに信号を受信する。その結果、この診断は改質装置が動作しているときのみ可能となる。低温状態およびスタックへの改質物質供給状態が共に達成されている場合、ＬＯ温度診断フラグが表示される。
【００３７】
他の手順では、ステップ６０において、第２比較器（Ｃ２）が、気体流４の監視改質温度４０を高温校正値４３と比較する。高温状態が感知されると、すなわち、監視温度が高温校正値以上であると、信号が生成される。しかし、高温状態を表す信号はステップ６２において時間遅延４５される。高温状態が第２の時間遅延を超える期間続くと、ＨＩ診断フラグが表示される。
【００３８】
図３の最後の診断手順は、気体流４の温度変化率が校正値変化率を超えるか否かを監視するのに使用する。この状態において、熱電対（図１および２の１５）または同様の装置が、少なくとも２つの時点に渡って少なくとも２つの温度を監視する。次に、ステップ６４において、この期間にわたる温度変化率（ｄｕ／ｄｔ）が、ハードウェアまたはソフトウェア、好適にはソフトウェアによって計算される。そして、ステップ６６において、この率は第３ソフトウェア比較器（Ｃ３）によって最大変化率校正値４４と比較される。ステップ６８において温度変化率が、表示された第３の時間遅延４６よりも長いその期間の校正値を超えると、ＲＡＴＥ診断フラグに信号が送られる。第１、第２、第３の時間遅延は同一であってもよいし、または異なる値であってもよい。
【００３９】
本発明の方法により、校正値は予め選択されるので、応答または処置を誘発する設定点は反応型または先行型の何れであってもよいことが明らかである。本発明は、永久的なシステム劣化の原因となる燃料処理装置内の問題を回避する。ある方法においては、このような劣化が発生する前に診断アルゴリズムがシステムの機能を停止するが、他の改善措置も可能である。本発明の方法は、亀裂の入った溶接部分、漏れ、触媒床の問題などの顕著な異常を、その温度の高低および変化率で表すので、システム問題の全体的診断は非常に費用効率の高い方法となる。
【００４０】
他の方法も可能であるが、本発明の方法および処理は以下の理由により好ましいと考えられる。
【００４１】
ある方法は、燃料処理装置からの直接フィードバックを実施して、ファンが充分に高い速度で回転していることを確認するものである。燃料処理装置のファンの速度が低すぎると、これによって改質装置触媒床内における熱の分布が悪化して高温点が発生してしまい、改質物質流の温度が本発明が検出する通常の状態よりも高い温度に急上昇してしまう。この方法では、燃料処理装置のファンの速度が低すぎるか否かを判別する回路およびソフトウェアが別途必要となる。
【００４２】
他の方法は、改質装置インジェクタへのメタノールおよび水の供給に対して流量計および／または圧力センサを追加するものである。水およびメタノールの一方または両方の噴射速度が低すぎると、改質物質の温度が通常よりも速い速度で上昇してしまう。これは、本発明のアルゴリズムがメタノールおよび水のインジェクタ用センサおよび回路を追加することなく検出するのと同一の状態である。
【００４３】
更に別の方法では、改質装置熱交換器全体の温度低下を利用して、単一の温度センサにより実施される変化率校正チェックと潜在的に同じ種類の異常を検出する。しかし、改質装置全体の温度低下においては、別の温度センサを追加する必要がある。
【００４４】
上記の各代替案は比較的費用が高い。本発明と同一の効果を得るために、代替案は結集して実施される。
【００４５】
特定の実施例に関して本発明を説明したが、本発明は上記説明に限定されるものではなく、請求の範囲によってのみその範囲が画定される。
【００４６】
排他権即ち権利が請求される本発明の実施例は、請求の範囲において画定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の処理の一実施例の概略図であり、炭化水素をＨ2を豊富に含む気体に変換する改質装置を含む燃料処理装置を示している。
【図２】図２は本発明の処理の好適な実施例の概略図であり、共通ハウジングに収容されるよう配置された改質装置およびＰｒＯｘリアクタを含む燃料処理装置を示している。
【図３】図３は本発明による処理を実施するシステムの概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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