JP2001226106A - 燃料電池用改質器とその起動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 短時間で起動でき、かつ容易に自動車等の車
両に搭載できるように小型化ができる改質器とその起動
方法を提供する。 【解決手段】 水蒸気を含む原料ガスを部分酸化させそ
の発熱で原料ガスを水素を含む改質ガスに改質する燃焼
・改質触媒１１が充填された部分酸化改質器１２と、部
分酸化改質器の上流側と下流側に空気を供給する上流側
空気ライン１４及び下流側空気ライン１６と、部分酸化
改質器内の温度を検出して上流側空気ライン及び下流側
空気ラインの空気流量を制御する流量制御器１８とを備
える。上流側空気ライン１４の空気流量は、通常運転時
及び起動時共、改質器内の上流側温度が触媒の耐熱温度
（約４００℃）を超えないように制御する。また下流側
空気ライン１６は、（Ａ）通常運転時には遮断し、
（Ｂ）起動時のみに開いて、その空気流量を改質器内の
下流側温度が所定の温度（例えば約２００℃）になるま
で、下流側空気流量を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に供給す
る燃料ガスを改質する燃料電池用改質器とその起動方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、燃料電池自動車の研究開発が活発
に行われており、特に、燃料電池としては作動温度が比
較的低い（１００℃前後）固体高分子型燃料電池（ＰＥ
ＦＣ）が有力である。また燃料としては、補給が容易で
インフラ整備の必要性が少ないメタノールが有力視され
ている。この場合、メタノールを水素に改質する改質器
が必須となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】メタノールを改質する
改質器としては、例えば「メタノール改質器」（特開昭
６３−５０３０２号）が開示されている。この改質器
は、中空円筒形の反応管の内部に改質触媒を充填し、外
部から燃焼排ガスで加熱し、内部を流れる原料ガスを改
質するものである。

【０００４】しかし、特開昭６３−５０３０２号の「メ
タノール改質器」は、自動車用に搭載するには、（１）
大型で重く、（２）起動に時間がかかり、（３）負荷変
化への応答性が低く、（４）発生した水素含有ガス中の
ＣＯ濃度が高く、燃料電池の電極を劣化させる、等の問
題点があった。

【０００５】また、高いメタノール転化率を維持しつつ
ＣＯガスの生成を低くできる手段として、例えば、「水
素含有ガスの製造方法」（特開平６−２５６００１号、
特開平６−２７９００１号）が開示されている。この方
法は、メタノール、酸素、水を加熱した触媒に接触させ
て反応させるものであり、燃料の一部を燃焼させる部分
酸化を利用している。

【０００６】しかし、特開平６−２５６００１号及び特
開平６−２７９００１号の「水素含有ガスの製造方法」
は、（５）触媒の予熱に時間がかかり、（６）ＣＯ濃度
を従来のリン酸型燃料電池には適用可能な程度（約１％
前後）まで下げることができるが、車載用に適した固体
高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）に適用するには依然とし
てＣＯ濃度が高い問題点があった。

【０００７】更に、ＣＯ濃度が極めて低い水素含有ガス
を生成することができる「燃料改質装置」（特開平８−
１５７２０１号）が開示されている。この装置は、図４
に示すように改質器２、選択酸化部４、部分酸化部６、
及び制御装置８を備え、選択酸化部４で一酸化炭素のみ
を酸化し、部分酸化部６で残存の一酸化炭素を酸化する
ことで、ＣＯ濃度が極めて低い（数ｐｐｍ）水素含有ガ
スを生成し、ＰＥＦＣへの適用を可能にしている。

【０００８】しかし、特開平８−１５７２０１号の「燃
料改質装置」は、改質器が特開昭６３−５０３０２号と
同様の間接加熱型であるため、起動に時間がかかり、負
荷変化への応答性が低い問題点があった。

【０００９】すなわち、従来の改質器はコンパクト化し
にくく、負荷応答性が低く、反応器の予熱・起動に時間
がかかり車両搭載用の燃料電池用としては不十分である
問題点があった。

【００１０】本発明は上述した種々の問題点を解決する
ために創案されたものである。すなわち、本発明の目的
は、短時間で起動でき、かつ容易に自動車等の車両に搭
載できるように小型化ができる改質器とその起動方法を
提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、水蒸気
を含む原料ガスを部分酸化させその発熱で原料ガスを水
素を含む改質ガスに改質する燃焼・改質触媒（１１）が
充填された部分酸化改質器（１２）と、該部分酸化改質
器の上流側と下流側に空気を供給する上流側空気ライン
（１４）及び下流側空気ライン（１６）と、部分酸化改
質器内の温度を検出して上流側空気ライン（１４）及び
下流側空気ライン（１６）の空気流量を制御する流量制
御器（１８）とを備え、改質器内の上流側温度が触媒の
耐熱温度を超えないように上流側空気ラインの空気流量
を制御し、かつ改質器内の下流側温度が所定の温度範囲
になるように下流側空気ラインの空気流量を制御する、
ことを特徴とする燃料電池用改質器が提供される。

【００１２】また、本発明によれば、水蒸気を含む原料
ガスを部分酸化させその発熱で原料ガスを水素を含む改
質ガスに改質する燃焼・改質触媒（１１）が充填された
部分酸化改質器（１２）と、該部分酸化改質器の上流側
と下流側に空気を供給する上流側空気ライン（１４）及
び下流側空気ライン（１６）と、部分酸化改質器内の温
度を検出して上流側空気ライン（１４）及び下流側空気
ライン（１６）の空気流量を制御する流量制御器（１
８）とを備え、上流側空気ラインの空気流量は、通常運
転時及び起動時共、改質器内の上流側温度が触媒の耐熱
温度を超えないように制御し、かつ（Ａ）通常運転時に
は下流側空気ライン（１６）を遮断し、（Ｂ）起動時の
みに、下流側空気ラインを開いてその空気流量を改質器
内の下流側温度が所定の温度範囲になるように制御す
る、ことを特徴とする燃料電池用改質器の起動方法が提
供される。

【００１３】上記本発明の装置及び方法によれば、燃焼
・改質触媒（１１）が充填された部分酸化改質器（１
２）に空気ライン（１４、１６）から空気を供給するの
で、触媒の作用により水蒸気を含む原料ガスの一部が直
ちに部分酸化し、その発熱で燃焼・改質触媒を直接加熱
するので、間接加熱式のように大型の熱交換器が不要と
なり、短時間に加熱でき、燃料電池の急速な負荷変化に
容易に追従できる。

【００１４】また、上流側空気ライン（１４）からの空
気供給だけでは、上流側で酸素が消費されるため、部分
酸化改質器の下流側に充填された触媒では水蒸気改質反
応のみが起こる。そのため、特に触媒量が多い場合にそ
の熱容量により下流側はなかなか昇温されない問題があ
ったが、本発明の構成では、起動時に、下流側空気ライ
ンから別個に空気を供給するので、下流側触媒内でも原
料ガスの一部を部分酸化して発熱させることができるの
で、下流側の触媒を短時間に昇温できる。

【００１５】更に、上流側空気ラインの空気流量を、通
常運転時・起動時共、改質器内の上流側温度が触媒の耐
熱温度を超えないように制御し、かつ下流側空気ライン
の空気流量を、起動時に改質器内の下流側温度が所定の
温度範囲になるように制御するので、触媒層全域で急速
昇温でき、起動時間を早めることができる。また、これ
らの制御により触媒の加熱を防止して触媒寿命を延ば
し、高温におけるＣＯの発生を抑制し、かつ下流側の燃
料電池（ＰＥＦＣ）に適した温度まで下流側の触媒温度
を早期に加熱して、燃料電池自体の起動も早めることが
できる。

【００１６】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
上流側空気ライン（１４）は、上流側に単一又は間隔を
隔てて複数設けられ、それぞれ触媒の耐熱温度を超えな
いように空気流量が制御される。この構成により、触媒
の耐熱温度を超えることなく、上流側の広い範囲で発熱
して触媒温度を高め、その下流側において大量の原料ガ
スを改質ガスに改質することができる。また、触媒の加
熱を防止するので触媒寿命が延び、かつ高温におけるＣ
Ｏの発生を抑制することができる。

【００１７】前記下流側空気ライン（１６）は、下流側
に単一又は間隔を隔てて複数設けられ、少なくとも最下
流において改質器内のガス温度が所定の温度範囲になる
ように空気流量が制御される。この構成により、下流側
触媒内における発熱を穏やかに行うことができ、かつ改
質器の下流側に位置する燃料電池（ＰＥＦＣ）に適した
温度の改質ガスを最下流から供給することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通す
る部分には同一の符号を付して使用する。

【００１９】図１は、本発明の燃料電池用改質器を備え
た自動車用発電装置のシステム構成図である。この図に
示すように、自動車用発電装置は、燃料電池用改質器を
内蔵する燃料処理装置の他、固体高分子型燃料電池（Ｐ
ＥＦＣ）、コンプレッサ、蒸発器、メタノールと水用の
ポンプ、及び燃焼器からなる。蒸発器は、例えば間接式
の熱交換器であり、ポンプで供給されたメタノール及び
水を燃焼器からの燃焼排ガスで加熱して水蒸気を含む原
料ガスを発生させる。

【００２０】燃料処理装置は、発生した原料ガスとコン
プレッサ（例えばリショルムコンプレッサ）からの空気
により、燃料電池用改質器で原料ガスを水素を含む改質
ガスに改質し、このガスをＣＯ選択除去装置に供給して
ＣＯ濃度を低減して燃料電池に供給する。燃料電池（Ｐ
ＥＦＣ）は、供給された改質ガスと空気により電気化学
的に発電する。更に燃料電池の排ガス（改質ガスと空
気）は、燃焼器に供給され、可燃成分が燃焼して高温の
燃焼排ガスを発生し、上述した蒸発器に供給される。従
って、この自動車用発電装置により、メタノールを燃料
として電気自動車用の駆動用電動機に電気を供給するこ
とができる。

【００２１】図２は、本発明の燃料電池用改質器の構成
図である。この図に示すように、本発明の燃料電池用改
質器１０は、部分酸化改質器１２、上流側空気ライン１
４及び下流側空気ライン１６、及び流量制御器１８から
なる。

【００２２】部分酸化改質器１２には、水蒸気を含む原
料ガスを部分酸化させその発熱で原料ガスを水素を含む
改質ガスに改質する燃焼・改質触媒１１が充填されてい
る。原料ガスは、この例では、メタノールの蒸発ガスで
ある。また、燃焼・改質触媒１１には、銅−亜鉛系の改
質触媒を用いるのがよい。

【００２３】上流側空気ライン１４及び下流側空気ライ
ン１６は、部分酸化改質器１２の上流側と下流側に空気
を供給し、流量制御器１８は、部分酸化改質器１２内の
温度を検出して上流側空気ライン１４及び下流側空気ラ
イン１６の空気流量を制御する。

【００２４】すなわち、図１の実施形態において、上流
側空気ライン１４は、上流側に間隔を隔ててこの例では
１４ａ，１４ｂの２カ所設けられ、それぞれ流量制御弁
１５ａ，１５ｂを有し、その空気流量を無段階に制御で
きるようになっている。また、下流側空気ライン１６
は、下流側にこの例では１か所設けられ、流量制御弁１
６ａにより、その空気流量を同様に無段階に制御できる
ようになっている。上流側空気ライン１４及び下流側空
気ライン１６からの空気は、例えば多数の穴を有するパ
イプ等から供給され、その位置の触媒内に均等に分散す
るようにするのがよい。また、この実施形態と相違し、
上流側空気ライン１４を１カ所又は３カ所以上にしても
よく、下流側空気ライン１６を２カ所以上にしてもよ
い。

【００２５】更に、空気ライン１４ａ，１４ｂ及び１６
の下流側には、改質器内の温度を検出する温度センサ１
７ａ，１７ｂ，１７ｃ（例えば熱電対）が設けられ、空
気導入による最高温度を検出するようになっている。な
お、温度センサ１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、必ずしも改
質器内に個々に挿入する必要はなく、例えば下流側のガ
ス温度のみを検出し、それぞれの温度を予測制御しても
よい。

【００２６】流量制御器１８は、温度センサ１７ａ，１
７ｂ，１７ｃの検出温度に基づき、流量制御弁１５ａ，
１５ｂ，１６ａを調節し、改質器内の上流側温度が触媒
の耐熱温度（例えば４００℃）を超えないように上流側
空気ライン１４（１４ａ，１４ｂ）の空気流量を制御
し、かつ改質器内の下流側温度が所定の温度（例えば約
２００℃）になるまで、下流側空気流量を制御する。

【００２７】また、上述した装置を用いて、本発明の燃
料電池用改質器の起動方法によれば、上流側空気ライン
の空気流量は、通常運転時及び起動時共、改質器内の上
流側温度が触媒の耐熱温度を超えないように制御し、か
つ（Ａ）通常運転時には下流側空気ライン１６を遮断
し、（Ｂ）起動時のみに、下流側空気ライン１６を開い
てその空気流量を改質器内の下流側温度が所定の温度範
囲になるように制御する。

【００２８】図３は、本発明による改質器内の温度分布
を示す図である。この図において、横軸は部分酸化改質
器１２内の触媒層の全体を１とした相対距離、縦軸は触
媒層内の温度である。また、図中の黒丸を結ぶ細線は、
通常運転時における温度分布、白丸を結ぶ太線は起動時
の温度分布である。

【００２９】この図から明らかなように、本発明の装置
及び方法では、上流側空気ライン１４ａ，１４ｂの空気
流量を、通常運転時及び起動時共、改質器内の上流側温
度が触媒の耐熱温度（約４００℃）を超えないように制
御するので、通常運転時においても上流側空気ライン１
４ａからの一次空気量が制御され、最高温度が約３５０
℃に留まっている。更に、そのままでは通常運転時にお
いても破線に示すように温度が低下し、触媒が有効に機
能しないので、上流側空気ライン１４ｂから二次空気を
供給し、再度部分酸化により約３００℃まで温度上昇さ
せている。なお、通常運転時には、下流側空気ライン１
６からの起動用空気は供給しないので、その後、触媒内
の温度は放熱及び改質反応（吸熱反応）により低下し、
約２５０℃で排出され、熱交換器等で温度調整して燃料
電池に供給される。

【００３０】また、起動時にも、上流側空気ライン１４
ａ，１４ｂからの一次空気と二次空気は同様に制御され
るが、触媒層自体が冷えているため、図示のように上流
側における温度分布も低く、そのままでは、破線で示す
ように、下流側の温度が低くなりすぎる。そのため、本
発明では、下流側空気ライン１６を開いてその下流側で
も部分酸化を起こさせて、所定の温度範囲（この例では
約１００℃）まで昇温している。

【００３１】上述したように本発明の装置及び方法によ
れば、燃焼・改質触媒１１が充填された部分酸化改質器
１２に空気ライン１４、１６から空気を供給するので、
触媒の作用により水蒸気を含む原料ガスの一部が直ちに
部分酸化し、その発熱で燃焼・改質触媒を直接加熱する
ので、間接加熱式のように大型の熱交換器が不要とな
り、短時間に加熱でき、燃料電池の急速な負荷変化に容
易に追従できる。

【００３２】また、上流側空気ライン１４からの空気供
給だけでは、上流側で酸素が消費されるため、部分酸化
改質器の下流側に充填された触媒では水蒸気改質反応の
みが起こり下流側はなかなか昇温されないが、本発明の
構成では、起動時に、下流側空気ライン１６から別個に
空気を供給するので、下流側触媒内でも原料ガスの一部
を部分酸化して発熱させることができるので、下流側の
触媒を短時間に昇温できる。

【００３３】更に、上流側空気ライン１４の空気流量
を、通常運転時・起動時共、改質器内の上流側温度が触
媒の耐熱温度を超えないように制御し、かつ下流側空気
ライン１６の空気流量を、起動時に改質器内の下流側温
度が所定の温度範囲になるように制御するので、触媒層
全域で急速昇温でき、起動時間を早めることができる。
また、これらの制御により触媒の加熱を防止して触媒寿
命を延ばし、高温におけるＣＯの発生を抑制し、かつ下
流側の燃料電池（ＰＥＦＣ）に適した温度まで下流側の
触媒温度を早期に加熱して、燃料電池自体の起動も早め
ることができる。

【００３４】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更でき
ることは勿論である。

【００３５】

【発明の効果】上述したように、本発明の燃料電池用改
質器とその起動方法は、短時間で起動でき、かつ容易に
自動車等の車両に搭載できるように小型化ができる、等
の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池用改質器を備えた自動車用発
電装置のシステム構成図である。

【図２】本発明の燃料電池用改質器の構成図である。

【図３】本発明による改質器内の温度分布を示す図であ
る。

【図４】従来の燃料電池用燃料処理装置の構成図であ
る。

【符号の説明】

２ 改質器、４ 選択酸化部、６ 部分酸化部、８ 制
御装置、１０ 燃料電池用改質器、１１ 燃焼・改質触
媒、１２ 部分酸化改質器、１４，１４ａ，１４ｂ 上
流側空気ライン、１５ａ，１５ｂ 流量制御弁、１６
下流側空気ライン、１６ａ 流量制御弁、１７ａ，１７
ｂ，１７ｃ 温度センサ、１８ 流量制御器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山中 康朗 東京都江東区豊洲３丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東京エンジニアリング センター内 (72)発明者 高橋 浩 長野県松本市石芝１丁目１番１号 石川島 芝浦機械株式会社松本工場内 (72)発明者 元森 信吾 長野県松本市石芝１丁目１番１号 石川島 芝浦機械株式会社松本工場内 (72)発明者 池原 祐壮 長野県松本市石芝１丁目１番１号 石川島 芝浦機械株式会社松本工場内 (72)発明者 関口 重幸 長野県松本市石芝１丁目１番１号 石川島 芝浦機械株式会社松本工場内 Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA06 EB12 EB23 EB43 5H027 AA06 BA01 BA09 BA10 KK44 MM12

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水蒸気を含む原料ガスを部分酸化させそ
   の発熱で原料ガスを水素を含む改質ガスに改質する燃焼
   ・改質触媒（１１）が充填された部分酸化改質器（１
   ２）と、該部分酸化改質器の上流側と下流側に空気を供
   給する上流側空気ライン（１４）及び下流側空気ライン
   （１６）と、部分酸化改質器内の温度を検出して上流側
   空気ライン（１４）及び下流側空気ライン（１６）の空
   気流量を制御する流量制御器（１８）とを備え、 改質器内の上流側温度が触媒の耐熱温度を超えないよう
   に上流側空気ラインの空気流量を制御し、かつ改質器内
   の下流側温度が所定の温度範囲になるように下流側空気
   ラインの空気流量を制御する、ことを特徴とする燃料電
   池用改質器。
2. 【請求項２】 前記上流側空気ライン（１４）は、上流
   側に単一又は間隔を隔てて複数設けられ、それぞれ触媒
   の耐熱温度を超えないように空気流量が制御される、こ
   とを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質器。
3. 【請求項３】 前記下流側空気ライン（１６）は、下流
   側に単一又は間隔を隔てて複数設けられ、少なくとも最
   下流において改質器内のガス温度が所定の温度範囲にな
   るように空気流量が制御される、ことを特徴とする請求
   項１に記載の燃料電池用改質器。
4. 【請求項４】 水蒸気を含む原料ガスを部分酸化させそ
   の発熱で原料ガスを水素を含む改質ガスに改質する燃焼
   ・改質触媒（１１）が充填された部分酸化改質器（１
   ２）と、該部分酸化改質器の上流側と下流側に空気を供
   給する上流側空気ライン（１４）及び下流側空気ライン
   （１６）と、部分酸化改質器内の温度を検出して上流側
   空気ライン（１４）及び下流側空気ライン（１６）の空
   気流量を制御する流量制御器（１８）とを備え、 上流側空気ラインの空気流量は、通常運転時及び起動時
   共、改質器内の上流側温度が触媒の耐熱温度を超えない
   ように制御し、かつ（Ａ）通常運転時には下流側空気ラ
   イン（１６）を遮断し、（Ｂ）起動時のみに、下流側空
   気ラインを開いてその空気流量を改質器内の下流側温度
   が所定の温度範囲になるように制御する、ことを特徴と
   する燃料電池用改質器の起動方法。