JP2003077511A - 燃料電池システムにおける改質装置の起動方法 - Google Patents

燃料電池システムにおける改質装置の起動方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池システムの起動時におけるＣＯ変成
器、ＣＯ除去器内での改質ガス中に含まれる水蒸気の凝
縮を防止すると共に、起動時間の短縮が図れるようにし
た改質装置の起動方法を提供する。 【解決手段】 ＣＯ変成器２とＣＯ除去器３とを単一の
ユニットケース１０内に収納し、その下部にシフトバー
ナ９とファン９ａを配設した燃焼室１０ａを設ける。起
動時に、原燃料をシフトバーナ９に供給して燃焼し、Ｃ
Ｏ変成器２とＣＯ除去器３とを所定温度（１００℃〜１
２０℃）まで昇温する。この昇温後にシフトバーナ９の
燃焼を止め、原燃料を改質器１のバーナ１ａに供給して
燃焼し、改質器１を所定温度（６５０℃〜７００℃）ま
で昇温する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
における改質装置の起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池システムは、通常都市ガス等の
原燃料を燃料改質装置で水素リッチガスに改質し、その
改質ガスを燃料電池の燃料極に供給すると共に、空気極
には空気を供給し、燃料極と空気極との間に配設された
電解質膜を介して改質ガス中の水素ガスと空気中の酸素
ガスとで電気化学反応が生じ、起電力と水とを同時に生
成するものである。
【０００３】前記燃料改質装置は、通常都市ガス等の原
燃料を水蒸気改質する改質器と、この改質ガス中に含ま
れるＣＯをＣＯ２に変成するＣＯ変成器と、更にガス中
のＣＯ濃度を低減するＣＯ除去器とから構成されてい
る。又、改質器の前に、原燃料中の硫黄分を除去するた
めの脱硫器が設置される。
【０００４】改質器：ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２ ＣＯ変成器：ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ ＣＯ除去器：２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２
【０００５】この燃料改質装置において、起動時には改
質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器をそれぞれ昇温させて各
触媒の温度を所定温度にしなければならない。従来はこ
れらの昇温手段として電気ヒーターが用いられていた
が、消費電力を多く必要として不経済であった。このた
め、それぞれバーナを用いて昇温することが行われてい
るが、先に改質器のバーナを点火して昇温させ、改質器
の触媒が所定温度になった時点で原燃料を導入し、水蒸
気を供給して水蒸気改質した後、その改質ガスをＣＯ変
成器、ＣＯ除去器を経てＣＯ濃度を低減した燃料ガスに
改質していた。起動時の初期段階では、改質された燃料
ガスは未だ不安定なため燃料電池には供給せずにプロセ
スバーナ（ＰＧバーナ）で燃焼し、改質ガスが安定した
後に燃料電池に供給して発電を開始するようにしてい
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、起動時
に改質器が適温に昇温されていても、ＣＯ変成器、ＣＯ
除去器の温度が１００℃未満であると改質ガス中の水蒸
気が凝結し、これが凝縮水となってＣＯ変成器、ＣＯ除
去器の触媒を劣化させる問題があった。一度凝縮してし
まうと、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器の触媒温度を適温まで
昇温するのに時間が掛かり、その結果として起動時間が
長引く原因になっていた。
【０００７】本発明は、このような従来の問題を解決す
るためになされ、起動時におけるＣＯ変成器、ＣＯ除去
器内での改質ガス中の水蒸気の凝縮を防止すると共に、
起動時間の短縮が図れるようにした燃料電池システムに
おける改質装置の起動方法を提示することを目的とす
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの具体的手段とし、本発明は、改質器と、ＣＯ変成器
と、ＣＯ除去器とを備え、原燃料を水素リッチガスに改
質する改質装置において、起動時に前記ＣＯ変成器及び
ＣＯ除去器に関連させて設けたシフトバーナを点火して
当該ＣＯ変成器及びＣＯ除去器を先に昇温し、この後前
記改質器のバーナを点火して当該改質器を昇温すること
を特徴とする燃料電池システムにおける改質装置の起動
方法を要旨とする。又、この起動方法において、前記Ｃ
Ｏ変成器及びＣＯ除去器は、シフトバーナによって１０
０℃〜１２０℃になるまで先に昇温し、その後はシフト
バーナによる昇温を停止することを特徴とするものであ
る。
【０００９】本発明では、起動時にシフトバーナを点火
することで、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器を先に昇温（１
００℃〜１２０℃）し、この後改質器のバーナを点火し
て改質器を昇温するので、改質器から送り込まれる改質
ガス中の水蒸気が凝縮するのを防ぐことができる。又、
その後はシフトバーナを止めて昇温を停止するので、Ｃ
Ｏ変成器及びＣＯ除去器の触媒温度が適温以上に上昇す
るのを抑えることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】次に、本発明に係る燃料電池シス
テムにおける改質装置の起動方法の実施形態について、
添付図面を参照しながら説明する。図１は、燃料電池シ
ステム（本発明はこれに限定されない）の一例を示すも
ので、燃料改質装置は改質器１と、ＣＯ変成器２と、Ｃ
Ｏ除去器３とから構成され、改質器１の前には脱硫器４
が配置されている。５は燃料電池例えば固体高分子型燃
料電池（ＰＥＦＣ）であって、燃料極５ａと空気極５ｂ
と冷却部５ｃとを有している。６は冷却水を貯留する水
タンク、７は燃料電池５に空気を供給するための給気装
置である。
【００１１】この燃料電池システムにおいて、先ず原燃
料（例えば都市ガス）を脱硫器４に送り込んで脱硫した
後、改質器１に導入すると共に水蒸気を供給して水素リ
ッチガスに改質し、次いでその改質ガスをＣＯ変成器２
に導入して変成した後、ＣＯ除去器３に導入してＣＯ濃
度を低下させることで燃料ガスを作る。
【００１２】燃料ガスはＣＯ除去器３から燃料電池５の
燃料極５ａに供給され、前記給気装置７から燃料電池５
の空気極５ｂに空気が供給され、燃料極５ａと空気極５
ｂとの間に配設された固体高分子電解質膜（図略）を介
して燃料ガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとで電気
化学反応が生じ、発電が行われると共に水が生成され
る。この電気化学反応は発熱反応であり、燃料電池５を
適正温度（約８０℃）に保持するために前記水タンク６
から冷却部５ｃに冷却水が供給される。冷却水は水タン
ク６に戻されて循環使用されるが、少しずつ減少するた
め純水装置８を介して市水を適宜補給できるようにして
ある。
【００１３】このようにして燃料電池５により発電を行
うが、起動時には直ちに燃料電池５の発電を開始するこ
とはできない。改質装置での原燃料の改質が安定しない
からであり、改質ガスが安定するまでは前記のようにプ
ロセスバーナ（図略）に送り込んで燃焼させる。
【００１４】本発明では、起動時に原燃料を先ずシフト
バーナ９に供給し、ファン９ａで空気を送り込みながら
当該シフトバーナ９を点火して燃焼させる。この燃焼ガ
スによって前記ＣＯ変成器２及びＣＯ除去器３をそれぞ
れ１００℃〜１２０℃になるまで昇温する。ＣＯ変成器
２及びＣＯ除去器３は、単一のユニットケース１０内に
収納され、このユニットケース１０の下部に燃焼室１０
ａが設けられて上記シフトバーナ９とファン９ａとが配
設されている。
【００１５】次いで、ＣＯ変成器２及びＣＯ除去器３が
それぞれ１００℃〜１２０℃まで昇温したら、シフトバ
ーナ９の燃焼を停止し、三方弁Ｖ３を切り換えて原燃料
を改質器１のバーナ１ａに供給し、ファン１ｂで空気を
送り込みながらバーナ１ａを点火して燃焼させる。この
燃焼ガスによって改質器１を６５０℃〜７００℃になる
まで昇温する。
【００１６】この後、バルブＶ１を開いて原燃料を脱硫
器４に供給し、脱硫した原燃料を水蒸気と共に改質器１
に導入する。前記水タンク６から一部の冷却水を水ポン
プＰ１でスチーム発生器１１に供給し、ここで発生した
水蒸気を脱硫後の原燃料に混合させる。スチーム発生器
１１の熱源としては、前記バーナ１ａを利用することが
できる。バルブＶ２は開状態を保持してあり、バーナ１
ａへの原燃料の供給が継続される。
【００１７】改質器１に導入された原燃料は、内部に充
填されている触媒（例えばＮｉ触媒）により水素リッチ
ガスに水蒸気改質され、この改質ガスは水タンク６から
の冷却水を供給する熱交換器Ｈ１により冷却された後に
ＣＯ変成器２に導入される。
【００１８】ＣＯ変成器２に導入された改質ガスは、内
部に充填されている触媒（例えばＣｕ−Ｚｎ系触媒）に
より変成され、改質ガス中に含まれているＣＯがＣＯ２
に転換される。この際、改質ガス中には多くの水蒸気を
含んでいるが、前記のようにＣＯ変成器２は先に１００
℃〜１２０℃に昇温されているため、水蒸気が凝結して
凝縮水が生じることはなく、このため触媒が凝縮水によ
って劣化されることはない。又、この触媒反応は発熱反
応であるため、やがて触媒の適温である２００℃〜３０
０℃まで昇温し、且つその温度範囲を自己保持すること
ができる。ＣＯ変成器２で変成された改質ガスは、水タ
ンク６からの冷却水を供給する熱交換器Ｈ２により冷却
された後にＣＯ除去器３に導入される。
【００１９】ＣＯ除去器３に導入された改質ガスは、内
部に充填されている触媒（例えばＣｕ−Ｚｎ系触媒）を
介して外部から供給される空気により選択酸化され、改
質ガス中の未変成ＣＯがＣＯ２に転換される。この場合
も、改質ガス中に水蒸気を含んでいるが、前記のように
ＣＯ除去器３は先に１００℃〜１２０℃に昇温されてい
るため、水蒸気が凝結して凝縮水が生じることはなく、
このため触媒が凝縮水によって劣化されることはない。
又、この触媒反応は前記のように発熱反応であるため昇
温するが、前記水タンク６からの冷却水を熱交換器Ｈ４
に供給して冷却し、選択酸化に適した触媒温度１２０℃
〜１８０℃に保持するようにしてある。
【００２０】このようにして改質された燃料ガス（改質
ガス）は、前記のように起動時の初期段階においては未
だ安定していないため、燃料電池５に直ちに供給せずに
プロセスバーナ（図略）に送り込んで燃焼する。
【００２１】改質ガスが安定した時点で、プロセスバー
ナへの供給路を閉じて燃焼を停止し、ＣＯ除去器３から
の燃料ガスを熱交換器Ｈ３で冷却した後に、燃料電池５
の燃料極５ａに供給して発電を開始する。
【００２２】燃料電池５では、前記給気装置７から空気
極５ｂに空気が供給され、この空気中の酸素ガスと、燃
料極５ａに供給された燃料ガス中の水素ガスとで固体高
分子電解質膜を介して電気化学反応が生じ、起電力と水
とが発生する。又、燃料電池５の冷却部には水タンク６
からポンプＰ２を介して冷却水が供給され、燃料電池を
冷却する。
【００２３】燃料電池５の燃料極５ａで未反応に終わっ
た燃料ガスは、燃料極５ａから排出されて管路を経て水
タンク６に導入され、燃料ガス中の水分が除去された後
この水タンク６から前記改質器１のバーナ１ａに送り込
まれて燃焼される。改質器１の触媒反応は吸熱反応であ
るため、又前記スチーム発生器１１を働かせるために燃
料電池５の発電開始後もバーナ１ａを連続燃焼させる必
要がある。この時点では、前記バルブＶ２を閉じてバー
ナ１ａへの原燃料の供給は停止される。
【００２４】燃料電池５の空気極５ｂで未反応に終わっ
た空気は、空気極５ｂから排出されると共に外部に排気
される。燃料電池５の冷却部５ｃを通過した冷却水は、
水タンク６に戻されて循環使用される。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は燃料電池
システムの改質装置において、起動時にＣＯ変成器２と
ＣＯ除去器３とをシステムバーナにより先に昇温し、１
００℃〜１２０℃にした後、改質器１を昇温して６５０
℃〜７００℃にするので、改質器１で水蒸気改質された
改質ガスがＣＯ変成器２、ＣＯ除去器３に導入されても
改質ガス中の水蒸気が凝結することはなく、その結果Ｃ
Ｏ変成器２及びＣＯ除去器の触媒を劣化させることがな
く、且つ起動時間を短縮して燃料電池の発電開始を早め
る効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る改質装置の起動方法を説明するた
めの燃料電池システム例を示すブロック図
【符号の説明】
１…改質器 １ａ…バーナ ２…ＣＯ変成器 ３…ＣＯ除去器 ４…脱硫器 ５…燃料電池 ６…水タンク ７…給気装置 ８…純水装置 ９…シフトバーナ ９ａ…ファン １０…ユニットケース １０ａ…燃焼室 １１…スチーム発生器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 進藤 浩二 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 藤生 昭 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 4G040 EA03 EA06 EB01 EB12 EB31 EB32 EB42 EB43 5H027 AA02 BA05 BA06 BA17 KK42

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】改質器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器とを
    備え、原燃料を水素リッチガスに改質する改質装置にお
    いて、起動時に前記ＣＯ変成器及びＣＯ除去器に関連さ
    せて設けたシフトバーナを点火して当該ＣＯ変成器及び
    ＣＯ除去器を先に昇温し、この後前記改質器のバーナを
    点火して当該改質器を昇温することを特徴とする燃料電
    池システムにおける改質装置の起動方法。
  2. 【請求項２】前記ＣＯ変成器及びＣＯ除去器は、シフト
    バーナによって１００℃〜１２０℃になるまで先に昇温
    し、その後はシフトバーナによる昇温を停止する請求項
    １記載の燃料電池システムにおける改質装置の起動方
    法。
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