JP2002274808A - 燃料改質器の温度制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 隔壁の材質の使用限界温度を越えてしまうこ
とによる隔壁の破損を防止するとともに、精確且つ安定
な燃焼量の制御を可能にすること。 【解決手段】 改質原料を改質して改質ガスを生成する
燃料改質器１において、燃焼バーナ２による加熱用の燃
焼ガスと改質触媒とを隔てている隔壁１０の改質触媒側
壁面１０１に配設された壁面温度センサ３によって、改
質触媒側壁面の温度を検出することにより、検出された
前記改質触媒側壁面１０１の壁面温度に基づき、コント
ローラ４が出力する制御信号に基づき前記燃焼バーナ２
における燃焼量が制御される燃料改質器の温度制御方法
および装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料改質器の温度
制御方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の固体高分子型燃料電池発電システ
ム（特開平１０−３９３６）は、図８に示されるように
改質器Ｋ内の触媒層Ｓ内に温度センサＴを挿入し、前記
改質器Ｋ内の触媒層Ｓの温度を直接計測し、燃料バーナ
ーＢの燃焼量をコントロールするものであった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の固体高分子
型燃料電池発電システムは、改質器Ｋ内の触媒層Ｓの温
度を直接計測するものであるため、前記温度センサＴを
構成する熱電対の先端部の接触対象が不確定であり、改
質ガスの温度か触媒表面の温度か不明であるという問題
があった。

【０００４】また上記従来の固体高分子型燃料電池発電
システムは、前記改質器Ｋ内の触媒層Ｓの経時劣化によ
って、ペレットが崩壊して移動するため、計測精度が悪
化するという問題があった。

【０００５】さらに上記従来の固体高分子型燃料電池発
電システムは、燃焼バーナの燃焼ガスと改質器Ｋの改質
触媒とを隔てている壁面の温度を検出していないので、
壁面の材質の使用限界温度を越えてしまうことにより、
隔壁が破損することがあるという問題があった。すなわ
ち低負荷運転時においては、改質ガスの流量が少ないた
め触媒層温度が低くても壁面の温度が高くなる場合があ
るのである。

【０００６】そこで本発明者は、改質原料を改質して改
質ガスを生成する燃料改質器において、燃焼バーナによ
る加熱用の燃焼ガスと改質触媒とを隔てている隔壁面の
温度に基づき、燃焼バーナにおける燃焼量が制御される
という本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重
ねた結果、隔壁の材質の使用限界温度を越えてしまうこ
とによる隔壁の破損を防止するとともに、精確且つ安定
な燃焼量の制御を可能にするという目的を達成する本発
明に到達した。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明（請求項１に記載
の第１発明）の燃料改質器の温度制御方法は、改質原料
を改質して改質ガスを生成する燃料改質器において、燃
焼バーナによる加熱用の燃焼ガスと改質触媒とを隔てて
いる隔壁面の温度を検出することにより、検出された壁
面温度に基づき、燃焼バーナにおける燃焼量が制御され
るものである。

【０００８】本発明（請求項２に記載の第２発明）の燃
料改質器の温度制御方法は、前記第１発明において、燃
焼バーナによる加熱用の燃焼ガスと改質触媒とを隔てて
いる隔壁面の改質触媒側壁面に配設された壁面温度セン
サによって、改質触媒側壁面の温度を検出するものであ
る。

【０００９】本発明（請求項３に記載の第３発明）の燃
料改質器の温度制御方法は、前記第２発明において、前
記壁面温度センサによって検出された前記改質触媒側壁
面の温度に基づき、前記燃焼ガスと改質触媒とを隔てて
いる前記隔壁の材質の使用限界温度を越えない範囲内で
あって改質ガス温度を一定範囲に保つように燃焼バーナ
における燃焼量が制御されるものである。

【００１０】本発明（請求項４に記載の第４発明）の燃
料改質器の温度制御装置は、改質原料を改質して改質ガ
スを生成する燃料改質器において、燃焼バーナによる加
熱用の燃焼ガスと改質触媒とを隔てている隔壁面の温度
を検出する温度センサと、前記温度センサによって検出
された壁面温度に基づき、制御信号を出力するコントロ
ーラと、コントローラから出力する制御信号に基づき燃
焼バーナに供給される燃料の量を制御する制御弁とから
成るものである。

【００１１】

【発明の作用および効果】上記構成より成る第１発明の
燃料改質器の温度制御方法は、改質原料を改質して改質
ガスを生成する燃料改質器において、燃焼バーナによる
加熱用の燃焼ガスと改質触媒とを隔てている隔壁面の温
度を検出することにより、検出された壁面温度に基づ
き、燃焼バーナにおける燃焼量が制御されるので、壁面
の材質の使用限界温度を越えてしまうことによる隔壁の
破損を防止するとともに、精確且つ安定な燃焼量の制御
を可能にするという効果を奏する。

【００１２】上記構成より成る第２発明の燃料改質器の
温度制御方法は、前記第１発明において、燃焼バーナに
よる加熱用の燃焼ガスと改質触媒とを隔てている隔壁面
の改質触媒側壁面に配設された前記壁面温度センサによ
って、改質触媒側壁面の温度を検出するので、燃焼ガス
側と異なり還元雰囲気であるため前記壁面温度センサの
劣化が少ないとともに、従来における改質器内の触媒層
の温度を計測するのに比べて、確実かつ安定に温度を検
出するとともに、前記改質器内の触媒層の経時劣化によ
る計測および制御精度の悪化を防止するという効果を奏
する。

【００１３】上記構成より成る第３発明の燃料改質器の
温度制御方法は、前記第２発明において、前記壁面温度
センサによって検出された前記改質触媒側壁面の温度に
基づき、前記燃焼ガスと改質触媒とを隔てている前記隔
壁の材質の使用限界温度を越えない範囲内であって改質
ガス温度を一定範囲に保つように燃焼バーナにおける燃
焼量が制御されるので、前記改質触媒による改質原料の
効率の良い改質を実現するとともに、前記燃料改質器の
寿命を高めるという効果を奏する。

【００１４】上記構成より成る第４発明の燃料改質器の
温度制御装置は、改質原料を改質して改質ガスを生成す
る燃料改質器において、温度を検出する温度センサと、
前記温度センサによって検出された燃焼バーナによる加
熱用の燃焼ガスと改質触媒とを隔てている隔壁面の壁面
温度に基づき、前記コントローラが出力する制御信号に
基づき、前記制御弁によって燃焼バーナに供給される燃
料の量が制御されるので、壁面の材質の使用限界温度を
越えてしまうことによる隔壁の破損を防止するととも
に、精確且つ安定な燃焼量の制御を可能にするという効
果を奏する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態につき、
図面を用いて説明する。

【００１６】（第１実施形態）本第１実施形態の燃料改
質器の温度制御方法および装置は、図１ないし図４に示
されるように改質原料を改質して改質ガスを生成する燃
料改質器１において、燃焼バーナ２による加熱用の燃焼
ガスと改質触媒とを隔てている隔壁１０の改質触媒側壁
面１０１に配設された壁面温度センサ３によって、改質
触媒側壁面の温度を検出することにより、検出された前
記改質触媒側壁面１０１の壁面温度に基づき、コントロ
ーラ４が出力する制御信号に基づき前記燃焼バーナ２に
おける燃焼量が制御されるものである。

【００１７】本第１実施形態の燃料改質器において、図
１に示されるように前記改質器１を加熱するための火炎
が形成される中心側の燃焼バーナ２は、有底中空円筒体
２０によって構成され、燃料としての１３Ａ、エアポン
プによって供給される燃焼エアーおよび燃料電池スタッ
クからのアノードオフガスを燃焼させることにより、燃
焼火炎が上端より前記改質器１の内壁１１との間に形成
される空間内に排出されるように構成されている。

【００１８】前記改質器１の内壁を構成する前記隔壁１
０との間に形成される空間内に排出された燃焼火炎は、
前記改質器１の内周壁１１に沿って図１中下方に移動
し、下端に到達した燃焼火炎は、前記改質器１の外周壁
１２に沿って図１中上方に移動するように通路が形成さ
れている。

【００１９】前記中心側の燃焼バーナ２の周りに同軸的
に配設された改質器１は、内部に前記燃焼バーナ２によ
る円筒状の火炎が形成されるように同軸的に配設された
有底中空円筒体の内壁部材１１と、燃焼排出ガスによっ
て包囲された中空円筒体の外壁部材１２と前記内壁部材
１１と外壁部材１２との間に中空円筒体の仕切部材１３
とから成り、内部に改質用触媒が充填されている。

【００２０】前記外壁部材の軸方向の一端（図１中上
端）より導入された被改質ガス（１３Ａ）および水蒸気
は、前記外壁部材１２と前記仕切部材１３との間に形成
される環状の改質触媒が充填された空間内を図１中下方
に移動しつつ改質され、下端に到達した被改質ガス（１
３Ａ）および水蒸気は、前記仕切部材１３と前記内壁部
材１１との間に形成される環状の改質触媒が充填された
空間内を図１中上方に移動しつつ改質され、上端の開口
１４により、改質ガスが熱交換器（図示せず）に排出さ
れる。

【００２１】前記壁面温度センサ３は、図１および図２
に示されるように燃料改質器１において前記燃焼バーナ
２による加熱用の燃焼ガスと改質触媒とを隔てている隔
壁１０の厚肉突出部に穿設されな孔１０２内に挿入して
改質触媒側壁面１０１に配設されたＫタイプのシース熱
電対によって構成され、改質触媒側壁面１０１の温度を
検出するものである。

【００２２】燃焼ガスと改質触媒を隔てる隔壁１０は、
熱伝達を高めるために、 また熱容量を低減し起動・負荷
追従性を高めるために板厚を極力薄くすることが望まし
い。一方で熱電対を確実に保持するためには、差込み深
さが熱電対の径ｄに対して２〜３倍必要であるから、図
２に示されるようにφ１ｍｍの熱電対を保持するために
は４ｍｍ以上の壁面厚さが必要である。

【００２３】本第１実施形態においては、上記の事項を
考慮し、図２に示されるように壁面と熱電対保持部を一
体化することで、確実に温度計測が補償される構造とさ
れている。また、熱応力を緩和するために突起部の縁部
にはＲ部を設けた。

【００２４】前記コントローラ４は、図１および図３に
示されるように前記壁面温度センサ３に接続され、燃焼
出力レベル指示に応じて後述する図４に示されるフロー
チャートに従った制御を可能にするためのプログラム、
目標値およびデータが予めメモリに格納され、検出され
た前記改質触媒側壁面１０１の壁面温度および改質ガス
の温度に基づき、制御信号を出力するものである。

【００２５】前記コントローラ４は、図３に示されるよ
うに前記燃焼バーナ２にバーナ燃料を供給する通路に配
設された燃料流量調整弁５１および前記改質器１に改質
原料および水蒸気を供給する通路に配設された改質原料
流量調整弁５２に接続され、それぞれ制御および駆動信
号を出力する。

【００２６】本第１実施形態における前記コントローラ
４に予め格納されたプログラムに従う制御手順につい
て、図４に示されるフローチャートに従い、以下に説明
する。

【００２７】ステップ１０１において、起動および着火
する。すなわちバーナ燃料である１３Ａが初期設定流量
で供給され、ステップ１０２において、前記改質部１の
温度が所定温度に上昇するまで待つ。

【００２８】ステップ１０３において、必要水素量が決
定される。すなわち出力レベルＨ（Ｈｉｇｈ）、Ｍ（Ｍ
ｉｄｄｌｅ）、Ｌ（Ｌｏｗ）および停止の設定が行われ
る。またステップ１０４において、マップを用いて制御
目標温度Ｔｅを決定する。

【００２９】ステップ１０５において、壁面熱電対指示
温度ＴＣ１が材料使用限界温度Ｔｂｒｋより小さいかど
うか判定され、壁面熱電対指示温度ＴＣ１が材料使用限
界温度Ｔｂｒｋより大きい時は隔壁の材料保護の観点よ
りシステムを停止する。

【００３０】壁面熱電対指示温度ＴＣ１が材料使用限界
温度Ｔｂｒｋより小さいと判定された場合は、前記壁面
熱電対指示温度ＴＣ１が燃焼補償温度Ｔｃｍｂより大き
いかどうか判定され、前記壁面熱電対指示温度ＴＣ１が
燃焼補償温度Ｔｃｍｂより小さい場合は失火となるため
システムを停止する。

【００３１】前記壁面熱電対指示温度ＴＣ１が燃焼補償
温度Ｔｃｍｂより大きい場合は、ステップ１０７におい
て、前記壁面熱電対指示温度ＴＣ１と制御目標温度Ｔｅ
との温度差の絶対値が許容温度差Ｔｒｅｆより小さいか
どうか判定され、小さい場合はステップ１１０において
タイマー回路を介して一定時間の遅れの後ステップ１０
３に戻る。

【００３２】前記壁面熱電対指示温度ＴＣ１と制御目標
温度Ｔｅとの温度差の絶対値が許容温度差Ｔｒｅｆより
大きい場合は、ステップ１０８において演算を行い、ス
テップ１０９において、バーナ燃料である１３Ａを可燃
範囲において流量が調整され、ステップ１１０において
タイマー回路を介して一定時間の遅れの後ステップ１０
３に戻る。

【００３３】本第１実施形態の燃料改質器は、上述した
ように加熱用の燃焼ガスと改質触媒を隔てる隔壁１０の
改質触媒側壁温度を計測し、バーナでの燃焼量を調整す
るものである。

【００３４】すなわち改質時に、前記壁面熱電対指示温
度ＴＣ１が例えば８５０℃となるように燃料バーナ２に
おけるバーナ燃料である１３Ａの燃焼を制御する。改質
触媒は壁面に接触し、触媒層を流れる被改質ガスを媒体
とする熱交換が行われるため、前記壁面熱電対指示温度
ＴＣ１の指示値に比例した温度となる。

【００３５】従って、前記壁面熱電対指示温度ＴＣ１を
適当な温度に制御することで壁面材質の使用温度域を越
えない範囲で、触媒温度を活性温度域に保った運転が可
能になる。

【００３６】前記壁面熱電対指示温度ＴＣ１の制御温度
は、被改質ガス量に応じて変化させる。何故なら被改質
ガス流量が増減すると、壁温と触媒層の温度差および改
質ガスも増減するからである。

【００３７】改質触媒側に温度センサを配設して、前記
改質触媒側で温度計測することによるメリットとして
は、上記第１実施形態と同様の運転が可能になるととも
に、燃焼ガス側と異なり還元雰囲気にあるため、熱電対
の劣化が進まないので、寿命が長くなるという利点があ
る。

【００３８】本第１実施形態における改質反応は、例え
ばメタンを改質原料とする場合、下記の化１のように吸
熱を伴う平衡反応であるから、改質を効率良く行う為に
は改質部の後段において温度が高くなることが望まし
い。

【化１】

【００３９】そこで、本第１実施形態においては、図１
に示されるように軸対称かつコの字型に形成された前記
改質部１の中心部に前記燃焼バーナ２を差込み、最も高
温となるバーナ先端部近傍が前記改質部２の出口１４近
傍すなわち出口１４に対向する隔壁１０を加熱する構成
とし、この構成で最も高温となる位置である前記隔壁１
０の前記改質触媒側を用いて制御を行ったので、かかる
隔壁１０の壁面材質の使用温度域を越えない範囲で、触
媒温度を活性温度域に保った運転が可能になる。

【００４０】（第２実施形態）本第２実施形態の燃料改
質器の温度制御方法および装置は、図１、図３および図
５に示されるように改質ガスの温度を検出して、改質触
媒側壁面１０１の壁面温度および改質ガスの温度に基づ
き、燃焼バーナにおける燃焼量が制御される点が、前記
第１実施形態との相違点であり、以下相違点を中心に、
同一部分には同一符号を付し、説明を省略する。

【００４１】燃料改質器１の改質ガスの排出口である上
端の開口１４の上方の熱交換器（図示せず）との連絡通
路内にガス温検出センサ３１としてのＫタイプのシース
熱電対が配設されている。

【００４２】前記コントローラ４は、図１および図３に
示されるように前記壁面温度センサ３および前記ガス温
検出センサ３１に接続され、燃焼出力レベル指示に応じ
て後述する図５に示されるフローチャートに従った制御
を可能にするためのプログラム、目標値およびデータが
予めメモリに格納され、検出された前記改質触媒側壁面
１０１の壁面温度および改質ガスの温度に基づき、制御
信号を出力するものである。

【００４３】本第２実施形態においては、図５に示され
るフローチャートから明らかなように第１実施形態にお
けるステップ１０５とステップ１０６の順序が逆になっ
ており、後になったステップ１０５の次のステップ２０
１において、前記改質ガス熱電対指示温度ＴＣ２と制御
目標温度Ｔｅとの温度差の絶対値が許容温度差Ｔｒｅｆ
より小さいかどうか判定され、小さい場合は第１実施形
態と同様にステップ１１０においてタイマー回路を介し
て一定時間の遅れの後ステップ１０３に戻る。

【００４４】前記改質ガス熱電対指示温度ＴＣ２と制御
目標温度Ｔｅとの温度差の絶対値が許容温度差Ｔｒｅｆ
より大きい場合は、ステップ２０２において、前記改質
ガス熱電対指示温度ＴＣ２が改質ガス温度下限値Ｔｌｍ
ｔより大きいかどうかが判定され、大きい場合は前記第
１実施形態と同様にステップ１０８において演算を行
い、ステップ１０９において、バーナ燃料である１３Ａ
を可燃範囲において流量が調整され、ステップ１１０に
おいてタイマー回路を介して一定時間の遅れの後ステッ
プ１０３に戻る。

【００４５】前記改質ガス熱電対指示温度ＴＣ２が改質
ガス温度下限値Ｔｌｍｔより小さい場合は、改質ガスの
組成が劣化したことになるので、システムを停止する。
なおステップ１０５において、壁面熱電対指示温度ＴＣ
１が材料使用限界温度Ｔｂｒｋより大きい場合は、ステ
ップ１０８の演算が行われ、次のステップに移行する。

【００４６】本第２実施形態においては、改質時に、前
記改質ガス熱電対指示温度ＴＣ２が所定の温度近傍であ
り（例えば６５０±２０℃）、壁面熱電対指示温度ＴＣ
１が所定の温度以下（＜９００℃）となるように燃焼バ
ーナにおけるバーナ燃料１３Ａの流量を調整する。

【００４７】前記改質ガス温度ＴＣ２から所定に改質ガ
ス組成品質を保証すると同時に壁面材質の使用温度域内
での改質器運転が可能となる。

【００４８】本第２実施形態においては、第１実施形態
と同様に前記改質器１の内部でもっとも高温となる位置
の改質触媒側に熱電対を挿入・保持するための穴部１０
２を構成した。運転時においては、この穴部１０２に挿
入した熱電対の指示温度が８８０℃なるように、燃料バ
ーナ２へ供給される燃料の量を調整した。

【００４９】この結果得られた改質ガス温度ＴＣ２と壁
温ＴＣ１の関係が図６に示される。この図から明らかな
様に、壁温ＴＣ１と改質ガス温度も制御可能であり、改
質ガス品質を維持することが出来ることになる。

【００５０】上述の実施形態は、説明のために例示した
もので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無
く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記
載から当業者が認識することができる本発明の技術的思
想に反しない限り、変更および付加が可能である。

【００５１】上述の実施形態においては、一例として改
質ガス温度ＴＣ２と壁温ＴＣ１の検出にはＫタイプのシ
ース熱電対を用いた。耐熱性の高いＲタイプなどの熱電
対を用いても良いが、コストが高いこと、Ｋタイプで十
分耐えうる温度であることからＫタイプを採用した。熱
電対の取りつけ性から、構造が柔軟なシース熱電対が望
ましい。改質器の構造如何では保護管付き熱電対など、
その他のタイプの熱電対も使用可能である。

【００５２】図２に示される熱電対保持部における相反
する問題を解決する方法として、図７に示されるよう
に、熱電対保持部を溶接などで接合する方法がある。こ
の方法は容易な方法でコスト的にも有利であるが、完全
に接合がされない限り接触部がなくなり、すべて溶着す
る等熱伝達の補償が難しい。

【００５３】また前記隔壁１０の壁温ＴＣ１は改質部１
の最も温度が高い部分を計測する必要があるため、この
ような接合が熱応力に耐えなければならないという問題
がある。溶接ではなくてロウ付けを用いることで、これ
らの問題は解決可能ではあるものの、ロウ付けはコスト
高となるので、コストの制約が無く、性能が要求される
場合には適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１および第２実施形態の燃料改質器
を示す断面図である。

【図２】本第１および第２実施形態の燃料改質器におけ
るセンサ取り付け構造を示す要部断面図である。

【図３】本第１および第２実施形態の燃料改質器の制御
ブロックを示すブロック図である。

【図４】本第１実施形態の燃料改質器の制御手順を示す
チャート図である。

【図５】本発明の第２実施形態の燃料改質器の制御手順
を示すチャート図である。

【図６】本第２実施形態の燃料改質器における壁面温度
と改質ガス温度との関係を示す線図である。

【図７】本発明の第１実施形態および第２実施形態の燃
料改質器におけるセンサ取り付け構造の変形例を示す要
部断面図である。

【図８】従来の固体高分子型燃料電池発電システムを示
すブロック図である。

【符号の説明】

１ 燃料改質器 ２ 燃焼バーナ ３ 壁面温度センサ ４ コントローラ １０ 隔壁 １０１ 改質触媒側壁面

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 改質原料を改質して改質ガスを生成する
   燃料改質器において、 燃焼バーナによる加熱用の燃焼ガスと改質触媒とを隔て
   ている隔壁面の温度を検出することにより、 検出された壁面温度に基づき、燃焼バーナにおける燃焼
   量が制御されることを特徴とする燃料改質器の温度制御
   方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、 燃焼バーナによる加熱用の燃焼ガスと改質触媒とを隔て
   ている隔壁面の改質触媒側壁面に配設された壁面温度セ
   ンサによって、改質触媒側壁面の温度を検出することを
   特徴とする燃料改質器の温度制御方法。
3. 【請求項３】 請求項２において、 前記壁面温度センサによって検出された前記改質触媒側
   壁面の温度に基づき、前記燃焼ガスと改質触媒とを隔て
   ている前記隔壁の材質の使用限界温度を越えない範囲内
   であって改質ガス温度を一定範囲に保つように燃焼バー
   ナにおける燃焼量が制御されることを特徴とする燃料改
   質器の温度制御方法。
4. 【請求項４】 改質原料を改質して改質ガスを生成する
   燃料改質器において、 燃焼バーナによる加熱用の燃焼ガスと改質触媒とを隔て
   ている隔壁面の温度を検出する温度センサと、 前記温度センサによって検出された壁面温度に基づき、
   制御信号を出力するコントローラと、 コントローラから出力する制御信号に基づき燃焼バーナ
   に供給される燃料の量を制御する制御弁とから成ること
   を特徴とする燃料改質器の温度制御装置。