JP2003020205A - 改質器システムおよびその制御方法 - Google Patents
改質器システムおよびその制御方法Info
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- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】水素分離膜の劣化を検出し、出力が一定になる
ように改質器システムを制御する。 【解決手段】改質反応により生成された改質ガス中の水
素を透過、分離する水素分離膜３と、水素分離膜３を透
過しなかった未透過排ガスを燃焼させる燃焼器５と、を
備えた改質器システムにおいて、燃焼器５の出口温度測
定装置１０を備え、燃焼器５の出口温度の上昇に応じて
未透過排ガスの圧力と改質器システムへの燃料供給量の
少なくとも何れかを増大させる。これにより、水素分離
膜３を透過、分離される水素の量を回復することができ
るので、出力を一定に保つことができる。
ように改質器システムを制御する。 【解決手段】改質反応により生成された改質ガス中の水
素を透過、分離する水素分離膜３と、水素分離膜３を透
過しなかった未透過排ガスを燃焼させる燃焼器５と、を
備えた改質器システムにおいて、燃焼器５の出口温度測
定装置１０を備え、燃焼器５の出口温度の上昇に応じて
未透過排ガスの圧力と改質器システムへの燃料供給量の
少なくとも何れかを増大させる。これにより、水素分離
膜３を透過、分離される水素の量を回復することができ
るので、出力を一定に保つことができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】燃料電池における改質器システム
およびその制御方法に関する。
およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の水素分離膜体を有する改質器シス
テムとしては、例えば、特開平7-57758号、特開2001-23
673号に示すような物がある。改質器システムにおい
て、改質器内で炭化水素系燃料と酸素および水から、改
質反応により、水素を主とする改質ガスを生成する。生
成された改質ガス中には、一酸化炭素が含まれている
が、水素分離膜体において、水素分離膜を水素のみが透
過することにより、燃料電池の電極の触媒毒となる一酸
化炭素を除去する。その後、水素ガスを燃料電池の水素
極に供給し、酸素を酸素極に供給し、二極間で電気化学
反応による発電を行う。
テムとしては、例えば、特開平7-57758号、特開2001-23
673号に示すような物がある。改質器システムにおい
て、改質器内で炭化水素系燃料と酸素および水から、改
質反応により、水素を主とする改質ガスを生成する。生
成された改質ガス中には、一酸化炭素が含まれている
が、水素分離膜体において、水素分離膜を水素のみが透
過することにより、燃料電池の電極の触媒毒となる一酸
化炭素を除去する。その後、水素ガスを燃料電池の水素
極に供給し、酸素を酸素極に供給し、二極間で電気化学
反応による発電を行う。
【０００３】
【発明が解決しようとしている問題点】しかしながら従
来の改質器システムにおいては、水素分離膜を長期間使
用すると、水素分離膜の実表面積が減り、水素透過速度
が遅くなり、燃料電池に十分な水素を供給できなくなる
という問題があった。ここで、水素分離膜を長期間使用
すると、改質ガス中のCOが水素分離膜、例えばPd膜の表
面に吸着する、または、改質ガス中のCOが水素分離膜、
例えばPd膜上で２CO→CO2＋Cという不均化反応を起こし
固体のCがPd膜上に析出するので、水素分離膜の実表面
積が減り、水素分離の効率が悪くなる。
来の改質器システムにおいては、水素分離膜を長期間使
用すると、水素分離膜の実表面積が減り、水素透過速度
が遅くなり、燃料電池に十分な水素を供給できなくなる
という問題があった。ここで、水素分離膜を長期間使用
すると、改質ガス中のCOが水素分離膜、例えばPd膜の表
面に吸着する、または、改質ガス中のCOが水素分離膜、
例えばPd膜上で２CO→CO2＋Cという不均化反応を起こし
固体のCがPd膜上に析出するので、水素分離膜の実表面
積が減り、水素分離の効率が悪くなる。
【０００４】そこで、本発明は水素分離膜の劣化を検知
し、それを運転出力制御にフィードバックすることで、
上記の問題を解決することを目的とする。
し、それを運転出力制御にフィードバックすることで、
上記の問題を解決することを目的とする。
【０００５】
【問題点を解決するための手段】第１の発明は、改質反
応により生成された改質ガス中の水素を透過、分離する
水素分離膜と、前記水素分離膜を透過しなかった未透過
排ガスを燃焼させる燃焼器と、を備えた改質器システム
において、前記燃焼器の出口温度測定装置を備え、前記
燃焼器の出口温度の上昇に応じて前記未透過排ガスの圧
力と改質器システムへの燃料供給量の少なくとも何れか
を増大させる。
応により生成された改質ガス中の水素を透過、分離する
水素分離膜と、前記水素分離膜を透過しなかった未透過
排ガスを燃焼させる燃焼器と、を備えた改質器システム
において、前記燃焼器の出口温度測定装置を備え、前記
燃焼器の出口温度の上昇に応じて前記未透過排ガスの圧
力と改質器システムへの燃料供給量の少なくとも何れか
を増大させる。
【０００６】第２の発明は、第１の発明において、前記
水素分離膜に改質反応により前記改質ガスを供給する改
質器と、前記改質器の出口温度測定装置を備え、前記改
質器の出口温度により前記改質反応が正常になされてい
るかを判断し、前記燃焼器の出口温度の上昇に応じて前
記未透過排ガスの圧力と前記燃料供給量の少なくとも何
れかを増大させる。
水素分離膜に改質反応により前記改質ガスを供給する改
質器と、前記改質器の出口温度測定装置を備え、前記改
質器の出口温度により前記改質反応が正常になされてい
るかを判断し、前記燃焼器の出口温度の上昇に応じて前
記未透過排ガスの圧力と前記燃料供給量の少なくとも何
れかを増大させる。
【０００７】第３の発明は、第２の発明において、前記
改質器の入口温度測定装置を備え、前記改質器の入口温
度と出口温度により前記改質反応が正常になされている
かを判断し、前記燃焼器の出口温度の上昇に応じて前記
未透過排ガスの圧力と前記燃料供給量の少なくとも何れ
かを増大させる。
改質器の入口温度測定装置を備え、前記改質器の入口温
度と出口温度により前記改質反応が正常になされている
かを判断し、前記燃焼器の出口温度の上昇に応じて前記
未透過排ガスの圧力と前記燃料供給量の少なくとも何れ
かを増大させる。
【０００８】第４の発明は、第１から３のいずれか一つ
の発明において、前記燃焼器の出口温度の上昇に応じて
空気の供給量を増加し、前記燃焼器の出口温度の上昇量
と前記空気の供給量の増加量に応じて前記未透過排ガス
の圧力と前記燃料供給量の少なくとも何れかを増大させ
る。
の発明において、前記燃焼器の出口温度の上昇に応じて
空気の供給量を増加し、前記燃焼器の出口温度の上昇量
と前記空気の供給量の増加量に応じて前記未透過排ガス
の圧力と前記燃料供給量の少なくとも何れかを増大させ
る。
【０００９】第５の発明は、改質反応により生成された
改質ガス中の水素を透過、分離する水素分離膜と、前記
水素分離膜を透過しなかった未透過排ガスを燃焼させる
燃焼器と、を備えた改質器システムにおいて、前記燃焼
器の出口温度測定装置を備え、前記燃焼器の出口温度の
変化に応じて前記未透過排ガスの圧力と改質器システム
への燃料供給量の少なくとも何れかを制御する。
改質ガス中の水素を透過、分離する水素分離膜と、前記
水素分離膜を透過しなかった未透過排ガスを燃焼させる
燃焼器と、を備えた改質器システムにおいて、前記燃焼
器の出口温度測定装置を備え、前記燃焼器の出口温度の
変化に応じて前記未透過排ガスの圧力と改質器システム
への燃料供給量の少なくとも何れかを制御する。
【００１０】第６の発明は、第１または第５の発明にお
いて、前記水素分離膜からの水素を燃料とする燃料電池
と、前記燃料電池からの排ガスを燃焼する燃料電池排ガ
ス燃焼器を備え、前記燃焼器と前記燃料電池排ガス燃焼
器を一体にする。
いて、前記水素分離膜からの水素を燃料とする燃料電池
と、前記燃料電池からの排ガスを燃焼する燃料電池排ガ
ス燃焼器を備え、前記燃焼器と前記燃料電池排ガス燃焼
器を一体にする。
【００１１】
【作用及び効果】第１の発明と第５の発明によれば、水
素分離膜の分離性能が低下し、水素分離膜を透過しなか
った未透過排ガス中の水素が増えると燃焼器内の燃焼が
激しくなり、燃焼器の出口温度が上がる。そこで、燃焼
器の出口温度に応じて水素分離膜の未透過排ガス側の圧
力を上昇させるか、または改質器システムへの燃料の供
給量を増やすことで、水素分離量を増やすことができ
る。水素分離膜は膜の両側の水素分圧差により水素を透
過、分離するので、未透過排ガス側の圧力を上げること
で、水素分離膜の未透過側と透過側の圧力差（水素分圧
差）が大きくなり、透過する水素の量が増加する。ま
た、改質器システムに供給する燃料の量を増加すること
で、分離対象である水素が増加するとともに未透過側の
圧力が増加するので、透過する水素の量が増加する。こ
のようにして、必要とする水素分離量を確保することが
できる。特に、上記において、一定の負荷で定常運転を
している場合には燃料流量が一定なので、燃焼器の出口
温度の上昇だけで水素分離膜の性能低下を判断できる。
素分離膜の分離性能が低下し、水素分離膜を透過しなか
った未透過排ガス中の水素が増えると燃焼器内の燃焼が
激しくなり、燃焼器の出口温度が上がる。そこで、燃焼
器の出口温度に応じて水素分離膜の未透過排ガス側の圧
力を上昇させるか、または改質器システムへの燃料の供
給量を増やすことで、水素分離量を増やすことができ
る。水素分離膜は膜の両側の水素分圧差により水素を透
過、分離するので、未透過排ガス側の圧力を上げること
で、水素分離膜の未透過側と透過側の圧力差（水素分圧
差）が大きくなり、透過する水素の量が増加する。ま
た、改質器システムに供給する燃料の量を増加すること
で、分離対象である水素が増加するとともに未透過側の
圧力が増加するので、透過する水素の量が増加する。こ
のようにして、必要とする水素分離量を確保することが
できる。特に、上記において、一定の負荷で定常運転を
している場合には燃料流量が一定なので、燃焼器の出口
温度の上昇だけで水素分離膜の性能低下を判断できる。
【００１２】第２の発明によれば、改質器の出口温度が
燃焼器の出口温度によって決まる改質反応に応じた温度
になっていれば、正常な改質反応が行われていると判断
し、正常な改質反応が行われているにもかかわらず燃焼
器の出口温度が例えば予想よりも高い場合には、水素分
離膜の性能低下を判断でき、請求項１と同様に水素量を
確保できる。一定の負荷で定常運転をしている場合に
は、燃料流量が一定なので、改質器の出口温度が燃焼器
の出口温度によって決まる改質反応に応じた温度になっ
ていれば正常な改質反応が行われていると判断できる。
燃焼器の出口温度によって決まる改質反応に応じた温度
になっていれば、正常な改質反応が行われていると判断
し、正常な改質反応が行われているにもかかわらず燃焼
器の出口温度が例えば予想よりも高い場合には、水素分
離膜の性能低下を判断でき、請求項１と同様に水素量を
確保できる。一定の負荷で定常運転をしている場合に
は、燃料流量が一定なので、改質器の出口温度が燃焼器
の出口温度によって決まる改質反応に応じた温度になっ
ていれば正常な改質反応が行われていると判断できる。
【００１３】第３の発明によれば、請求項２に対して正
常な改質反応が行われているかどうかを、改質器の出口
温度が改質器の入口温度と燃焼器の出口温度によって決
まる改質反応に応じた温度になっているかどうかによっ
てより正確に判断できる。
常な改質反応が行われているかどうかを、改質器の出口
温度が改質器の入口温度と燃焼器の出口温度によって決
まる改質反応に応じた温度になっているかどうかによっ
てより正確に判断できる。
【００１４】第２、第３の発明によれば、水素分離膜の
劣化と改質器の性能変化を正確に区別できる。
劣化と改質器の性能変化を正確に区別できる。
【００１５】第４の発明によれば、水素分離膜の性能が
低下した場合には燃焼器の出口温度が上昇して、改質器
の温度条件が変化して改質効率が変化し、改質ガスの組
成が変化するので、燃焼器の出口温度が上昇しないよう
に空気を増やし燃焼を抑制する。このとき、燃焼器の出
口温度と供給空気制御量から、水素分離膜の劣化の程度
を予測でき、必要な水素量を分離、確保できる。
低下した場合には燃焼器の出口温度が上昇して、改質器
の温度条件が変化して改質効率が変化し、改質ガスの組
成が変化するので、燃焼器の出口温度が上昇しないよう
に空気を増やし燃焼を抑制する。このとき、燃焼器の出
口温度と供給空気制御量から、水素分離膜の劣化の程度
を予測でき、必要な水素量を分離、確保できる。
【００１６】第６の発明によれば、燃料電池排気側の装
置が簡素になり、システムを小型化できる。ここで、燃
焼器と燃料電池排ガス燃焼器を一体にすることで、水素
分離膜からの排ガスの割合が小さくなり、水素分離膜の
性能低下による温度変化が小さくなるが、温度測定の精
度を上げることで第５の発明の効果を可能にできる。
置が簡素になり、システムを小型化できる。ここで、燃
焼器と燃料電池排ガス燃焼器を一体にすることで、水素
分離膜からの排ガスの割合が小さくなり、水素分離膜の
性能低下による温度変化が小さくなるが、温度測定の精
度を上げることで第５の発明の効果を可能にできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】図１に、本発明の第１の実施形態
を示す。
を示す。
【００１８】第１の実施形態において、改質器システム
を、炭化水素系燃料と水を蒸発させ原料ガスを生成する
蒸発器１、原料ガスを水蒸気改質反応により水素を主と
する混合ガスを生成する改質器２、混合ガスより水素を
分離する水素分離膜３、水素ガスを水素極に空気を空気
極に供給し、電気化学反応を用いて発電を行う燃料電池
４、燃料電池４から排出される排水素ガスの循環切り替
えバルブ１８、燃料電池４の入口に排水素ガスを循環さ
せる排水素循環ポンプ１４、水素分離膜３における水素
分離後の未透過排ガスを燃焼する未透過排ガス燃焼器
５、燃料電池４からの排ガスを燃焼する燃料電池排ガス
燃焼器６により構成する。ここで、水素分離膜３を透過
していない側を一次側３Ａ、透過した側を二次側３Ｂと
する。
を、炭化水素系燃料と水を蒸発させ原料ガスを生成する
蒸発器１、原料ガスを水蒸気改質反応により水素を主と
する混合ガスを生成する改質器２、混合ガスより水素を
分離する水素分離膜３、水素ガスを水素極に空気を空気
極に供給し、電気化学反応を用いて発電を行う燃料電池
４、燃料電池４から排出される排水素ガスの循環切り替
えバルブ１８、燃料電池４の入口に排水素ガスを循環さ
せる排水素循環ポンプ１４、水素分離膜３における水素
分離後の未透過排ガスを燃焼する未透過排ガス燃焼器
５、燃料電池４からの排ガスを燃焼する燃料電池排ガス
燃焼器６により構成する。ここで、水素分離膜３を透過
していない側を一次側３Ａ、透過した側を二次側３Ｂと
する。
【００１９】また、制御系として、水素分離膜３の一次
側３Ａの圧力を測定する一次側圧力計８、二次側３Ｂの
圧力を測定する二次側圧力計９、未透過排ガス燃焼器５
の出口温度を測定する燃焼器出口温度計１０、改質器２
の出口温度を測定する改質器出口温度計１１、入口温度
を測定する改質器入口温度計１２、未透過排ガス燃焼器
５に供給する空気量を測定し制御する空気流量制御装置
１３、水素分離膜３の一次側３Ａの圧力を調整する一次
側圧力制御バルブ１５、燃料電池４の水素極、酸素極の
圧力を調整する水素極圧力制御バルブ１６、酸素極圧力
制御バルブ１７を備え、これらを制御コントローラ７に
より制御する。
側３Ａの圧力を測定する一次側圧力計８、二次側３Ｂの
圧力を測定する二次側圧力計９、未透過排ガス燃焼器５
の出口温度を測定する燃焼器出口温度計１０、改質器２
の出口温度を測定する改質器出口温度計１１、入口温度
を測定する改質器入口温度計１２、未透過排ガス燃焼器
５に供給する空気量を測定し制御する空気流量制御装置
１３、水素分離膜３の一次側３Ａの圧力を調整する一次
側圧力制御バルブ１５、燃料電池４の水素極、酸素極の
圧力を調整する水素極圧力制御バルブ１６、酸素極圧力
制御バルブ１７を備え、これらを制御コントローラ７に
より制御する。
【００２０】本実施形態においては、炭化水素系燃料と
水を蒸発器１に供給し、原料ガスを生成する。生成した
原料ガスを改質器２に供給し、ここで、吸熱反応である
改質反応により水素を主とする混合ガスを生成する。混
合ガスを水素分離膜３の一次側３Ａに供給し、水素分離
膜３により水素のみを二次側３Ｂに分離する。一次側３
Ａに残った未透過排ガスを未透過排ガス燃焼器５に供給
し燃焼する。二次側３Ｂの水素ガスを燃料電池４の水素
極に供給し、水素と酸素による電気化学反応により発電
する。発電に用いられなかった排ガスを燃料電池排ガス
燃焼器６に供給し、燃焼した後、未透過排ガス燃焼器５
から排出される高温の排ガスと共に改質器２と蒸発器１
を加熱し、改質システム外に排出する。
水を蒸発器１に供給し、原料ガスを生成する。生成した
原料ガスを改質器２に供給し、ここで、吸熱反応である
改質反応により水素を主とする混合ガスを生成する。混
合ガスを水素分離膜３の一次側３Ａに供給し、水素分離
膜３により水素のみを二次側３Ｂに分離する。一次側３
Ａに残った未透過排ガスを未透過排ガス燃焼器５に供給
し燃焼する。二次側３Ｂの水素ガスを燃料電池４の水素
極に供給し、水素と酸素による電気化学反応により発電
する。発電に用いられなかった排ガスを燃料電池排ガス
燃焼器６に供給し、燃焼した後、未透過排ガス燃焼器５
から排出される高温の排ガスと共に改質器２と蒸発器１
を加熱し、改質システム外に排出する。
【００２１】改質器２では、水素分離膜３における水素
分離を十分に行うために、燃料電池４内でのガス圧より
も高い圧力で運転する。水素分離膜３ではこの圧力差を
利用して、水素のみ水素分離膜３を透過させ、水素と他
の混合ガスとを分離する。しかし、水素の分離を行うに
つれ、水素分離膜３上でのCO吸着や炭素の析出により水
素の分離性能が劣化する。すると、水素分離膜３の一次
側３Ａからの未透過排ガス中において水素ガスが増加
し、燃料電池４に供給する水素ガスが減少するので、燃
料電池４の所定の出力を得ることができなくなる。そこ
で、未透過排ガスに含まれる水素が増加すると未透過排
ガス燃焼器５内での燃焼が激しくなり、燃焼器出口温度
計で測定される温度が上昇することから燃焼器出口温度
計１０の測定により水素分離膜３の劣化を判断する。ま
た、改質器出口温度と改質器入口温度を測定することに
より、未透過排ガス燃焼器５の出口温度が上昇する原因
が、改質器２の改質不良によるものか、水素分離膜３の
劣化によるものかを判断する。その結果水素分離膜３が
劣化していると判断されたら、その劣化の程度に応じて
水素分離膜３の一次側３Ａの圧力を上昇するか、または
燃料の供給量を増加する。水素分離膜３は一次側３Ａと
二次側３Ｂの圧力差により水素の透過、分離を行うの
で、一次側３Ａの圧力を上昇させ圧力差を増大すること
により、水素の透過、分離が促進される。また、燃料の
供給量を増加することにより、分離対象である水素が増
加することで水素分圧が増加し、水素の透過、分離が促
進される。このようにして、必要な水素分離量を確保
し、燃料電池４の出力を所定値に保持することができ
る。
分離を十分に行うために、燃料電池４内でのガス圧より
も高い圧力で運転する。水素分離膜３ではこの圧力差を
利用して、水素のみ水素分離膜３を透過させ、水素と他
の混合ガスとを分離する。しかし、水素の分離を行うに
つれ、水素分離膜３上でのCO吸着や炭素の析出により水
素の分離性能が劣化する。すると、水素分離膜３の一次
側３Ａからの未透過排ガス中において水素ガスが増加
し、燃料電池４に供給する水素ガスが減少するので、燃
料電池４の所定の出力を得ることができなくなる。そこ
で、未透過排ガスに含まれる水素が増加すると未透過排
ガス燃焼器５内での燃焼が激しくなり、燃焼器出口温度
計で測定される温度が上昇することから燃焼器出口温度
計１０の測定により水素分離膜３の劣化を判断する。ま
た、改質器出口温度と改質器入口温度を測定することに
より、未透過排ガス燃焼器５の出口温度が上昇する原因
が、改質器２の改質不良によるものか、水素分離膜３の
劣化によるものかを判断する。その結果水素分離膜３が
劣化していると判断されたら、その劣化の程度に応じて
水素分離膜３の一次側３Ａの圧力を上昇するか、または
燃料の供給量を増加する。水素分離膜３は一次側３Ａと
二次側３Ｂの圧力差により水素の透過、分離を行うの
で、一次側３Ａの圧力を上昇させ圧力差を増大すること
により、水素の透過、分離が促進される。また、燃料の
供給量を増加することにより、分離対象である水素が増
加することで水素分圧が増加し、水素の透過、分離が促
進される。このようにして、必要な水素分離量を確保
し、燃料電池４の出力を所定値に保持することができ
る。
【００２２】なお、本実施形態において、改質ガス中の
ＣＯが微量である場合には、燃焼器５をきわめて小型に
できると同時に、水素分離膜の水素透過率の変化による
燃焼器出口温度の変化が大きくなるので、水素分離膜の
劣化を正確に判断できる。
ＣＯが微量である場合には、燃焼器５をきわめて小型に
できると同時に、水素分離膜の水素透過率の変化による
燃焼器出口温度の変化が大きくなるので、水素分離膜の
劣化を正確に判断できる。
【００２３】次に、改質システムの制御フローを図２に
示す。まず、ステップＳ１、Ｓ２で改質システム運転中
に、燃焼器出口温度を測定し温度が改質器システムへの
燃料供給量に応じた所定値より上昇しているか確認す
る。燃焼器出口温度が所定値よりも上昇する原因とし
て、未透過排ガス燃焼器５内の燃焼が所定よりも激しく
なっていることが考えられる。これは、水素分離膜３の
劣化のために、未透過排ガス中に多くの水素ガスが含ま
れる場合が考えられ、この状態では、燃料電池４に供給
される水素量が所定より減少するので出力が減少する。
示す。まず、ステップＳ１、Ｓ２で改質システム運転中
に、燃焼器出口温度を測定し温度が改質器システムへの
燃料供給量に応じた所定値より上昇しているか確認す
る。燃焼器出口温度が所定値よりも上昇する原因とし
て、未透過排ガス燃焼器５内の燃焼が所定よりも激しく
なっていることが考えられる。これは、水素分離膜３の
劣化のために、未透過排ガス中に多くの水素ガスが含ま
れる場合が考えられ、この状態では、燃料電池４に供給
される水素量が所定より減少するので出力が減少する。
【００２４】燃焼器出口温度が所定値内であるなら、ス
テップＳ１に戻り再び温度を測定し、所定値より上昇し
ていたら、ステップＳ３に進み、改質器出口温度、改質
器入口温度を測定する。ここで、例えば改質器入口温度
が所定の温度よりも高いにもかかわらず、改質器出口温
度が所定の温度より低い場合には、改質性能が低下して
改質ガス中に含まれる水素以外の燃料成分が増加したた
め、燃焼器出口温度が上昇したと考えられるので、ステ
ップＳ４でそれらの温度が所定値外であるなら、水素分
離膜３の劣化ではなく改質器２の性能の低下と判断し、
ステップＳ１０、Ｓ１１に移行して未透過排ガス燃焼器
５の供給空気量を調整することにより、未透過排ガス燃
焼器５の出口温度をある所定値までさらに上昇させ、改
質器２を加熱して改質状況を改善する。改質状況が回復
したら未透過排ガス燃焼器５の出口温度が下がる。な
お、改質状況が回復しない場合には、改質器の異常を知
らせる表示をだして、改質器の点検を行うようにしても
よい。
テップＳ１に戻り再び温度を測定し、所定値より上昇し
ていたら、ステップＳ３に進み、改質器出口温度、改質
器入口温度を測定する。ここで、例えば改質器入口温度
が所定の温度よりも高いにもかかわらず、改質器出口温
度が所定の温度より低い場合には、改質性能が低下して
改質ガス中に含まれる水素以外の燃料成分が増加したた
め、燃焼器出口温度が上昇したと考えられるので、ステ
ップＳ４でそれらの温度が所定値外であるなら、水素分
離膜３の劣化ではなく改質器２の性能の低下と判断し、
ステップＳ１０、Ｓ１１に移行して未透過排ガス燃焼器
５の供給空気量を調整することにより、未透過排ガス燃
焼器５の出口温度をある所定値までさらに上昇させ、改
質器２を加熱して改質状況を改善する。改質状況が回復
したら未透過排ガス燃焼器５の出口温度が下がる。な
お、改質状況が回復しない場合には、改質器の異常を知
らせる表示をだして、改質器の点検を行うようにしても
よい。
【００２５】一方、ステップＳ４で改質器入口および出
口温度が所定値内であるなら、水素分離膜３の劣化と判
断し、ステップＳ５で未透過排ガス燃焼器５の燃焼器出
口温度が所定値内に戻るまで、水素分離膜３の一次側３
Ａの圧力を一次側圧力制御バルブ１５により所定の上限
内で上昇する。
口温度が所定値内であるなら、水素分離膜３の劣化と判
断し、ステップＳ５で未透過排ガス燃焼器５の燃焼器出
口温度が所定値内に戻るまで、水素分離膜３の一次側３
Ａの圧力を一次側圧力制御バルブ１５により所定の上限
内で上昇する。
【００２６】ステップＳ６では一次側３Aの圧力を上昇
させ、燃焼器出口温度が元に戻ったかどうか判断し、も
し所定値内に戻れば、そのまま改質システムの運転を継
続する。
させ、燃焼器出口温度が元に戻ったかどうか判断し、も
し所定値内に戻れば、そのまま改質システムの運転を継
続する。
【００２７】所定の上限圧力まで上げても燃焼器出口温
度が戻らなければステップＳ７に進み、実際の燃焼器出
口温度とその所定値との温度差を確認し、ステップＳ８
で温度差に応じて燃料供給量を増加する。それにより、
水素分離膜３を透過する対象となる水素自体の量が増加
するので、燃料電池４に供給される水素ガス量も増加
し、燃料電池４の出力が増加する。また、燃料供給量が
増加することにより改質器２内の反応で要求する熱量も
増加するが、水素分離膜３からの未透過排ガスの量も増
加するので、改質器２に供給する熱量が増加する。ここ
で、燃料供給量の増加に応じて、未透過排ガス燃焼器５
に供給する空気量を増加するので、未透過排ガス燃焼器
５の出口温度を調整できる。ステップＳ９で未透過排ガ
ス燃焼器５の出口温度の所定値を燃料供給量に応じて設
定を修正し、運転を継続する。
度が戻らなければステップＳ７に進み、実際の燃焼器出
口温度とその所定値との温度差を確認し、ステップＳ８
で温度差に応じて燃料供給量を増加する。それにより、
水素分離膜３を透過する対象となる水素自体の量が増加
するので、燃料電池４に供給される水素ガス量も増加
し、燃料電池４の出力が増加する。また、燃料供給量が
増加することにより改質器２内の反応で要求する熱量も
増加するが、水素分離膜３からの未透過排ガスの量も増
加するので、改質器２に供給する熱量が増加する。ここ
で、燃料供給量の増加に応じて、未透過排ガス燃焼器５
に供給する空気量を増加するので、未透過排ガス燃焼器
５の出口温度を調整できる。ステップＳ９で未透過排ガ
ス燃焼器５の出口温度の所定値を燃料供給量に応じて設
定を修正し、運転を継続する。
【００２８】このようにして、燃焼器出口温度および改
質器出口温度と入口温度から水素分離膜３の劣化を判断
し、劣化の程度に応じて、水素分離膜３の一次側３Ａの
圧力および燃料供給量を増加することにより、必要な水
素分離量を得ることができるので、出力を一定に保つこ
とができる。なお、ステップ４でＮＯの場合において、
過渡運転時に改質器入口出口温度に対する燃焼器出口温
度のバランスがくずれる場合もあるため、過渡運転中に
はステップ４の判断を行わない様にしてもよい。
質器出口温度と入口温度から水素分離膜３の劣化を判断
し、劣化の程度に応じて、水素分離膜３の一次側３Ａの
圧力および燃料供給量を増加することにより、必要な水
素分離量を得ることができるので、出力を一定に保つこ
とができる。なお、ステップ４でＮＯの場合において、
過渡運転時に改質器入口出口温度に対する燃焼器出口温
度のバランスがくずれる場合もあるため、過渡運転中に
はステップ４の判断を行わない様にしてもよい。
【００２９】本発明の第２の実施形態における構成図を
図３に示す。第２の実施形態は、第１の実施形態におい
て、未透過排ガス燃焼器５と燃料電池排ガス燃焼器６を
一つの燃焼器５とした。これにより、改質システムを簡
単にすることができ、また小型化できる。
図３に示す。第２の実施形態は、第１の実施形態におい
て、未透過排ガス燃焼器５と燃料電池排ガス燃焼器６を
一つの燃焼器５とした。これにより、改質システムを簡
単にすることができ、また小型化できる。
【００３０】ここで、第２の実施形態は第１の実施形態
と同様の制御フローでも制御可能だが、ここでは図４に
示した制御フローに従って制御が行われる。まず、ステ
ップＳ２１で燃焼器出口温度を測定し、ステップＳ２２
で温度が改質器システムへの燃料供給量に応じた所定値
より上昇しているか確認し、所定値内であるなら再び温
度を測定する。所定値より上昇していたら、ステップＳ
２３で燃焼器出口温度が所定値に戻るまで、燃焼器５へ
の空気供給量を調整（増加）する。これにより、改質器
２の温度条件を所定のものにすることができるので、温
度条件による改質効果や改質ガスの組成の変化を抑制す
ることができる。その後、第１の実施形態と同様に、ス
テップＳ２４で改質器２の出口温度と入口温度を測定す
ることにより、ステップＳ２５で燃焼器５の出口温度上
昇の原因が、水素分離膜３の劣化であるか、改質器２の
性能低下であるかを判断する。原因が改質器２の性能低
下によるものであれば、ステップＳ３１、Ｓ３２に進ん
で第１の実施形態と同様に制御する。一方、水素分離膜
３の低下によるものであれば、ステップＳ２６で水素分
離膜３の一次側３Ａの圧力をある上限内で上昇するとと
もに、燃焼器５の出口温度を一定に保つように燃焼器５
への空気供給量を調整（減少）する。次いでステップＳ
２７で燃焼器５への空気供給量が所定値（ステップＳ２
３で増加する前の値）に戻ったことを確認したら運転を
継続する。これに対して、水素分離膜３の一次側３Ａの
圧力を所定の上限まで圧力を上昇しても燃焼器５への空
気供給量が戻らなかったら、ステップＳ２８に進んで実
際の空気供給量とその所定値の差を確認する。ステップ
Ｓ２９、Ｓ３０で空気供給量差に応じて燃料供給量を所
定量増加した後、空気供給量を燃料供給量に応じた所定
値に調整する。
と同様の制御フローでも制御可能だが、ここでは図４に
示した制御フローに従って制御が行われる。まず、ステ
ップＳ２１で燃焼器出口温度を測定し、ステップＳ２２
で温度が改質器システムへの燃料供給量に応じた所定値
より上昇しているか確認し、所定値内であるなら再び温
度を測定する。所定値より上昇していたら、ステップＳ
２３で燃焼器出口温度が所定値に戻るまで、燃焼器５へ
の空気供給量を調整（増加）する。これにより、改質器
２の温度条件を所定のものにすることができるので、温
度条件による改質効果や改質ガスの組成の変化を抑制す
ることができる。その後、第１の実施形態と同様に、ス
テップＳ２４で改質器２の出口温度と入口温度を測定す
ることにより、ステップＳ２５で燃焼器５の出口温度上
昇の原因が、水素分離膜３の劣化であるか、改質器２の
性能低下であるかを判断する。原因が改質器２の性能低
下によるものであれば、ステップＳ３１、Ｓ３２に進ん
で第１の実施形態と同様に制御する。一方、水素分離膜
３の低下によるものであれば、ステップＳ２６で水素分
離膜３の一次側３Ａの圧力をある上限内で上昇するとと
もに、燃焼器５の出口温度を一定に保つように燃焼器５
への空気供給量を調整（減少）する。次いでステップＳ
２７で燃焼器５への空気供給量が所定値（ステップＳ２
３で増加する前の値）に戻ったことを確認したら運転を
継続する。これに対して、水素分離膜３の一次側３Ａの
圧力を所定の上限まで圧力を上昇しても燃焼器５への空
気供給量が戻らなかったら、ステップＳ２８に進んで実
際の空気供給量とその所定値の差を確認する。ステップ
Ｓ２９、Ｓ３０で空気供給量差に応じて燃料供給量を所
定量増加した後、空気供給量を燃料供給量に応じた所定
値に調整する。
【００３１】このように燃焼器５の出口温度を燃料の供
給量に応じた温度とすることにより、改質器２の改質反
応に応じた熱量を与えることができるので、改質ガスの
組成の変化を抑制でき、安定した出力を得ることができ
る。また、燃焼器５に水素分離膜３からの未透過排ガス
だけでなく、燃料電池４からの排ガスも供給しているの
で、システムを簡略化、小型化できる。
給量に応じた温度とすることにより、改質器２の改質反
応に応じた熱量を与えることができるので、改質ガスの
組成の変化を抑制でき、安定した出力を得ることができ
る。また、燃焼器５に水素分離膜３からの未透過排ガス
だけでなく、燃料電池４からの排ガスも供給しているの
で、システムを簡略化、小型化できる。
【００３２】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術的思想
の範囲以内で様々な変更が成し得ることは言うまでもな
い。
るわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術的思想
の範囲以内で様々な変更が成し得ることは言うまでもな
い。
【図１】第１の実施形態における改質システムの構成図
である。
である。
【図２】第１の実施形態における改質システムの制御フ
ローである。
ローである。
【図３】第２の実施形態における改質システムの構成図
である。
である。
【図４】第２の実施形態における改質システムの制御フ
ローである。
ローである。
１ 蒸発器
２ 改質器
３ 水素分離膜
３Ａ 水素分離膜の一次側（未透過側）
３Ｂ 水素分離膜の二次側（透過側）
４ 燃料電池
５ 未透過排ガス燃焼器
６ 燃料電池排ガス燃焼器
７ 制御コントロール
８ 一次側圧力計
９ 二次側圧力計
１０ 燃焼器出口温度計
１１ 改質器出口温度計
１２ 改質器入口温度計
１３ 空気流量制御装置
１４ 排水素循環ポンプ
１５ 一次側圧力制御バルブ
１６ 水素極圧力制御バルブ
１７ 酸素極圧力制御バルブ
１８ 切り替えバルブ
Claims (6)
- 【請求項１】改質反応により生成された改質ガス中の水
素を透過、分離する水素分離膜と、 前記水素分離膜を透過しなかった未透過排ガスを燃焼さ
せる燃焼器と、を備えた改質器システムにおいて、 前記燃焼器の出口温度測定装置を備え、前記燃焼器の出
口温度の上昇に応じて前記未透過排ガスの圧力と改質器
システムへの燃料供給量の少なくとも何れかを増大させ
る改質器システムの制御方法。 - 【請求項２】前記水素分離膜に改質反応により生成した
前記改質ガスを供給する改質器と、前記改質器の出口温
度測定装置を備え、前記改質器の出口温度により前記改
質反応が正常になされているかを判断し、前記燃焼器の
出口温度の上昇に応じて前記未透過排ガスの圧力と前記
燃料供給量の少なくとも何れかを増大する請求項１に記
載の改質システムの制御方法。 - 【請求項３】前記改質器の入口温度測定装置を備え、前
記改質器の入口温度と出口温度により前記改質反応が正
常になされているかを判断し、前記燃焼器の出口温度の
上昇に応じて前記未透過排ガスの圧力と前記燃料供給量
の少なくとも何れかを増大する請求項２に記載の改質シ
ステムの制御方法。 - 【請求項４】前記燃焼器の出口温度の上昇に応じて空気
の供給量を増加し、前記燃焼器の出口温度の上昇量と前
記空気の供給量の増加量に応じて前記未透過排ガスの圧
力と前記燃料供給量の少なくとも何れかを増大する請求
項１から３のいずれか一つに記載の改質システムの制御
方法。 - 【請求項５】改質反応により生成された改質ガス中の水
素を透過、分離する水素分離膜と、 前記水素分離膜を透過しなかった未透過排ガスを燃焼さ
せる燃焼器と、を備えた改質器システムにおいて、 前記燃焼器の出口温度測定装置を備え、前記燃焼器の出
口温度の変化に応じて前記未透過排ガスの圧力と改質器
システムへの燃料供給量の少なくとも何れかを制御する
改質器システム。 - 【請求項６】前記水素分離膜からの水素を燃料とする燃
料電池と、前記燃料電池からの排ガスを燃焼する燃料電
池排ガス燃焼器を備え、前記燃焼器と前記燃料電池排ガ
ス燃焼器を一体にした請求項１または請求項５に記載の
改質器システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001207640A JP2003020205A (ja) | 2001-07-09 | 2001-07-09 | 改質器システムおよびその制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001207640A JP2003020205A (ja) | 2001-07-09 | 2001-07-09 | 改質器システムおよびその制御方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003020205A true JP2003020205A (ja) | 2003-01-24 |
Family
ID=19043594
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001207640A Pending JP2003020205A (ja) | 2001-07-09 | 2001-07-09 | 改質器システムおよびその制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003020205A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101023147B1 (ko) | 2004-04-21 | 2011-03-18 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료 전지 시스템 |
| JPWO2021117875A1 (ja) * | 2019-12-13 | 2021-06-17 |
-
2001
- 2001-07-09 JP JP2001207640A patent/JP2003020205A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101023147B1 (ko) | 2004-04-21 | 2011-03-18 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료 전지 시스템 |
| JPWO2021117875A1 (ja) * | 2019-12-13 | 2021-06-17 | ||
| WO2021117875A1 (ja) * | 2019-12-13 | 2021-06-17 | 株式会社ハイドロネクスト | 水素製造方法及び水素分離装置 |
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