JP2003077516A - 燃料電池の改質装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池の改質装置において、蒸発器の耐熱
性を高めると共に起動時間を短縮する。 【解決手段】 水およびメタノールからなる原燃料を気
化させて原燃料蒸気を生成する蒸発器１５と、前記蒸発
器の上流側にて原燃料蒸気を過熱させる過熱器１４と、
過熱器の入口部にて原燃料を気化させる予備蒸発器１３
とを備える。過熱器入口部に予備蒸発器を備えたことに
より、起動時における急激な熱負荷に対して供給する液
体燃料との熱交換により、燃焼ガスの温度低下を促進し
て過熱器での内部温度差の縮小を図り、耐熱性を向上さ
せることができる。また、燃焼ガスの温度が最も高い位
置で熱交換できるために燃料の気化促進が図れて改質触
媒への燃料ガス供給開始を速やかに行うことができ、し
たがって改質器の起動時間を短縮することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池の改質装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術と解決すべき課題】従来の改質装置とし
て、排気ガスバーナの下流側に水蒸気過熱器、その下流
側に改質器に供給する燃料および酸素を含むガスを加熱
する燃料混合ガス予熱器、改質器に供給する水蒸気を発
生させる水蒸発器を順次設け、排気ガスバーナからの燃
焼ガスを水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器、水蒸発
器、水凝縮器の順に通過させるようにしたものがある
（特開2001-93550号）。

【０００３】しかしながら、このように排気ガスバーナ
の直下流に水蒸気過熱器を設置して温度を低下させた燃
焼ガスを燃料混合ガス予熱器および水蒸発器に供給する
構成では、改質器の起動を急速に行う場合には、急激な
熱負荷に伴い過熱器内部の温度差が過大になることか
ら、水蒸気過熱器の性能や耐久性が損なわれるという問
題が生じる。また、改質器の運転負荷が変動する場合に
は、燃料増量に対して燃料電池から排気ガスバーナに供
給されるオフガスの増量応答遅れがあるために、要求負
荷に対して水蒸気、燃料混合ガスの発生・供給までの応
答遅れが生じる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、原燃料を
気化させて原燃料蒸気を生成する蒸発器と、前記蒸発器
の上流側にて原燃料蒸気を過熱させる過熱器と、原燃料
蒸気および空気を供給して水素を含む改質ガスを生成す
る改質器と、前記過熱器の入口部にて原燃料を気化させ
る予備蒸発器とを備えた。

【０００５】第２の発明は、前記過熱器が前記予備蒸発
器を兼ねる構成とした。

【０００６】第３の発明は、前記予備蒸発器を前記過熱
器の上流側に設けた。

【０００７】第４の発明は、前記第１から第３の発明の
予備蒸発器を、プレートフィンタイプの熱交換器で構成
した。

【０００８】第５の発明は、前記第１から第３の発明の
予備蒸発器を、熱媒体が流通する複数のチューブを有す
る熱交換器で構成した。

【０００９】第６の発明は、前記第１の発明において、
燃料電池の負荷増加時に、過熱器あるいは予備蒸発器に
原燃料を増量供給する初期段階制御と、過熱器に原燃料
を供給し、あるいは予備燃焼器と蒸発器とに原燃料を分
配供給する中期段階制御と、前記過熱器あるいは予備蒸
発器と蒸発器とに供給する原燃料を定常運転条件に調整
して供給する終期段階制御とを行う制御手段を備えた。

【００１０】

【作用・効果】第１の発明によれば、過熱器の入口部に
原燃料を気化させる予備蒸発器を設置することにより、
例えば起動時における急激な熱負荷に対して供給する液
体燃料との熱交換により、燃焼ガスの温度低下を促進し
て過熱器での内部温度差の縮小を図り、耐熱性を向上さ
せることができる。また、燃焼ガスの温度が最も高い位
置で熱交換できるために燃料の気化促進が図れて改質触
媒への燃料ガス供給開始を速やかに行うことができ、し
たがって改質器の起動時間を短縮することができる。

【００１１】第２の発明によれば、過熱器が予備蒸発器
を兼ねる構成としたことにより、構造をより簡略にでき
る。

【００１２】第３の発明によれば、過熱器の上流側に個
別の予備蒸発器を設置した構成としたことにより、供給
する所定量の原燃料を確実に気化させて改質器に供給す
ることができる。

【００１３】第４の発明によれば、予備蒸発器をプレー
トフィンタイプの熱交換器で構成したことにより、原燃
料の気化性能を高めることができ、また過熱器および蒸
発器をプレートフィンタイプとする場合は、予備蒸発
器、過熱器、蒸発器を一体化させて製造行程を簡素化す
ることができる。

【００１４】第５の発明によれば、予備蒸発器を複数の
チューブで構成される熱交換器としたことにより、予備
蒸発器を耐熱性の高いものとすることができる。

【００１５】第６の発明によれば、過熱器あるいは予備
蒸発器と蒸発器に供給する原燃料の分配を運転条件に応
じて最適分配して、負荷応答性を高めることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明を適用した燃料電池シ
ステムの概略構成を示している。図において１は反応用
の空気を圧送するコンプレッサ、２はその吐出空気をシ
ステム各部に供給する空気供給路、３は流量調整弁３０
ａを介して前記コンプレッサ１から送られてくる空気と
改質ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタックで
ある。４と５はそれぞれ前記燃料電池スタック３のアノ
ード極とカソード極、６と７はそれぞれアノード排ガス
通路とカソード排ガス通路、４２は前記排ガス通路６，
７の背圧を調整する背圧調整弁である。

【００１７】８は前記燃料電池スタック３に水素を主成
分とする改質ガスを供給する改質装置であり、その主要
構成要素として、触媒燃焼器９、ＣＯ除去器１１、改質
触媒１２、予備蒸発器１３、過熱器１４、蒸発器１５、
ミキサ１６を備えている。前記予備蒸発器１３、過熱器
１４、蒸発器１５はそれぞれプレートフィンタイプの熱
交換器で構成され、互いに隣接するように一体的に形成
されている。

【００１８】改質用の原燃料としては水と炭化水素系燃
料、この場合メタノールとが用いられ、それぞれ水タン
ク、メタノールタンク３６に貯溜されている。水はポン
プ３３により圧送され、水調量弁３７と予備水調量弁４
０を介してそれぞれ前記蒸発器１５、予備蒸発器１３に
供給される。メタノールはポンプ３４により圧送され、
メタノール調量弁３８と予備メタノール調量弁４１を介
してそれぞれ前記蒸発器１５、予備蒸発器１３に供給さ
れ、さらにインジェクタ１０を介して前記ミキサ１６に
供給される。

【００１９】ミキサ１６は、前記インジェクタ１０から
のメタノールもしくはアノード排ガス通路６からの排ガ
ス中の残存水素またはそれらの双方を燃料として、空気
供給路２から流量調整弁３０ｂを介して送られてくる空
気もしくはカソード排ガス通路７から送られてくる排ガ
スまたはそれらの双方を混合して燃焼用の混合気を形成
し、触媒燃焼器９へと供給する。触媒燃焼器９では、前
記混合気を触媒により燃焼させて高温ガスを発生し、こ
れを燃焼ガス通路１９を介して、熱交換用の熱源として
予備蒸発器１３〜蒸発器１５に供給する。

【００２０】予備蒸発器１３および蒸発器１５では、前
記燃焼ガスとの熱交換により原燃料（水とメタノールの
混合燃料）を気化させ、燃料蒸気通路１８を介して改質
触媒１２に供給する。改質触媒１２では、空気供給路２
から流量調整弁３０ｃを介して供給される空気と前記燃
料蒸気とを反応させて改質ガスを生成する。この改質ガ
スは隣接するＣＯ除去器１１にて一酸化炭素を除去する
処理がなされたのち切替弁３２を介して燃料電池スタッ
ク３のアノード極４へと供給される。切替弁３２は改質
ガスの供給先を燃料電池スタック３または前記ミキサ１
６へと切り替えるために設けられている。

【００２１】図中の２０は前記燃料蒸気通路１８の圧力
を検出するための圧力センサ、２１ａ，２１ｂは予備蒸
発器１３および蒸発器１５の温度を検出するための温度
センサ、２２はＣＯ除去器出口側にて改質ガス中の一酸
化炭素濃度を検出するためのＣＯセンサである。前記セ
ンサ類からの検出値に基づき、図示しない制御手段がコ
ンプレッサ１の運転、各弁類の開度（空気、水、メタノ
ール等の供給量）を制御して燃料電池システムの運転を
行う。

【００２２】以下、起動時の制御について流れ図を参照
しながら説明する。図２は前記制御手段を構成するマイ
クロコンピュータにより周期的に実行される制御ルーチ
ンの概要を表しており、図中および以下の説明中の符号
Ｓは処理ステップを示している。また、図３〜図５は予
備蒸発器１３、過熱器１４、蒸発器１５の前記制御によ
る状態変化を模式的に示しており、それぞれ図３は起動
初期、図４は起動中期、図５は起動後期（起動完了後）
の状態である。

【００２３】起動当初には、燃焼触媒９にミキサ１６を
介してコンプレッサ１により空気を供給し、またメタノ
ールをインジェクタ１０より所定量供給し、燃焼触媒９
で燃焼させて燃焼ガスを生成する（Ｓ１〜Ｓ２）。この
燃焼ガスによって、予備蒸発器１３、過熱器１４、蒸発
器１５を昇温を開始する。その際、最も上流に配置され
る予備蒸発器１３に設置される温度センサ２１ａにより
予備蒸発器１３が任意に定める原燃料供給基準温度以上
となった時点で、改質用の原燃料である水とメタノール
をそれぞれ調量弁４０、４１を介して所定量に調量しつ
つ予備蒸発器１３に供給開始する（図３参照）と共に、
改質触媒１２およびＣＯ除去器１１への空気供給を開始
する（Ｓ３〜Ｓ５）。前記操作により予備蒸発器１３で
蒸発した原燃料蒸気は燃料蒸気通路１８を介して改質触
媒１２に供給される。

【００２４】また、蒸発器１５に設けられた温度センサ
２１ｂにより、蒸発器１５が任意に定める原燃料供給基
準温度以上となった時点で、蒸発器１５にもそれぞれ調
量弁３７、３８を介して水とメタノールを供給し（図４
参照）、蒸発器１５の温度が安定した時点で、予備蒸発
器１３および蒸発器１５に供給する原料流量を調整する
（Ｓ６〜Ｓ１０）。ここでは予備蒸発器１３の耐熱性を
維持するために、所定の原燃料を供給し続けるものとす
る（図５参照）。

【００２５】改質触媒１２では発熱反応である部分酸化
反応により自身で昇温を開始し、生成される改質ガスは
ＣＯ除去器１１に供給され、改質ガス中の一酸化炭素の
選択酸化反応によりＣＯ除去器１１もまた自身で昇温を
開始する。ＣＯ除去器１１を通過した改質ガスは、この
ときは切替弁３２により燃料電池スタック３をバイパス
して燃焼触媒９へと供給され、ミキサ１６において供給
される空気と混合して燃焼される。この際、燃焼触媒温
度に応じて予備蒸発器１３の耐熱温度以下となるように
燃焼触媒９に供給する空気量を増大し、またはメタノー
ル量を低減して燃焼ガス温度を調整し、改質装置８を起
動するために必要な原燃料を蒸発器１５で供給した時点
で、調量弁３８からのメタノール供給を停止する。

【００２６】さらにＣＯ除去器１１から排出される改質
ガス中の一酸化炭素濃度をセンサ２２により検出し、任
意に定める一酸化炭素濃度基準以下の濃度となった時点
で切替弁３２を切り替えて、改質ガスを燃料電池スタッ
ク３に供給することにより起動を完了する。

【００２７】また起動後において、改質装置８の負荷が
増大する場合には、供給原燃料の供給量増大に対して燃
料電池スタック３から燃焼触媒９に供給されるアノード
排ガスの供給量増大が遅れを生じるが、予備蒸発器１３
の熱容量を改質器最小負荷運転から最大負荷運転に移行
する際のアノード排ガス応答遅れ時間内に増量する原燃
料を気化させられる分の熱量を持たせたものとし、負荷
増大時には変化負荷に応じた原燃料を予備蒸発器１３に
供給することにより、応答性を向上させることができ
る。

【００２８】図６に、このような負荷増大時の制御ルー
チンを示す。現在の要求負荷と前回処理時の負荷との差
から変動負荷量を算出し、この変動負荷量に応じて予備
燃料蒸発器１３への原燃料の供給量と、改質触媒１２お
よびＣＯ除去部１１への空気量を増大させる（Ｓ１１〜
Ｓ１３）。次いで、燃料電池スタック３の発電量が要求
発電量に達したところで、蒸発器１５への原燃料の分配
を開始する（Ｓ１４〜Ｓ１５）。その後、前記燃料分配
を蒸発器温度が安定し、かつ定常運転時の原燃料供給条
件に達するまで継続する（Ｓ１６〜Ｓ１７）。

【００２９】図７〜図９に、本発明に係る予備蒸発器１
３の第２の実施形態を、図１０〜図１２に、同じく第３
の実施形態を示す。図７と図１０は図３に対応する起動
初期の状態、図８と図１１は図４に対応する起動中期の
状態、図９と図１２は図５に対応する起動後期の状態を
表している。

【００３０】前記第２の実施形態は、予備蒸発器１３を
複数のチューブ２３（図ではチューブ２３の構成は簡略
化して表してある。）で構成ことにより、起動時に急激
な熱負荷がかかる予備蒸発器の耐熱性を高めるようにし
た点で第１の実施形態とは異なる。この場合、起動後期
および起動後においては、図９に示したように予備蒸発
器１３への原燃料供給を停止して所定全量を蒸発器１５
に供給するものとする。また、耐熱衝撃性を高められる
ので、負荷増大時に原燃料を気化させるためには触媒燃
焼器にメタノールを供給して発生熱量を増やせばよく、
よって原燃料応答性確保に必要な熱量を低く押さえら
れ、予備蒸発器１３を小型化できるようにしている。

【００３１】前記第３の実施形態は、過熱器１４が予備
蒸発器１３を兼ねる構成としており、起動時には過熱器
１４の上部ヘッダ２６から原燃料を供給して過熱器１４
内で原燃料を気化させて出口配管２７より改質触媒１２
に原燃料ガスを供給するようにしている。これにより比
較的簡素な構成で過熱器１４の耐熱性を向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る改質装置を適用した燃料電池シス
テムの概略構成図。

【図２】本発明の第１の実施形態に係る改質装置（予備
蒸発器および蒸発器）の制御内容を表す流れ図。

【図３】前記第１の実施形態の制御による改質器の起動
初期の状態を示す模式図。

【図４】同じく起動中期の状態を示す模式図。

【図５】同じく起動後期の状態を示す模式図。

【図６】第１の実施形態に係る改質装置の制御内容を表
す第２の流れ図。

【図７】本発明による改質装置の第２の実施形態の起動
初期の状態を示す模式図。

【図８】同じく起動中期の状態を示す模式図。

【図９】同じく起動後期の状態を示す模式図。

【図１０】本発明による改質装置の第３の実施形態の起
動初期の状態を示す模式図。

【図１１】同じく起動中期の状態を示す模式図。

【図１２】同じく起動後期の状態を示す模式図。

【符号の説明】

１ コンプレッサ ３ 燃料電池スタック ４ 燃料電池のアノード極 ５ 燃料電池のカソード極 ８ 改質装置 ９ 触媒燃焼器 １１ ＣＯ除去器 １２ 改質触媒 １３ 予備蒸発器 １４ 過熱器 １５ 蒸発器 １６ ミキサ １８ 燃料蒸気通路 ３５ 水タンク ３６ メタノールタンク

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原燃料を気化させて原燃料蒸気を生成する
   蒸発器と、前記蒸発器の上流側にて原燃料蒸気を過熱さ
   せる過熱器と、原燃料蒸気および空気を供給して水素を
   含む改質ガスを生成する改質器と、前記過熱器の入口部
   にて原燃料を気化させる予備蒸発器とを備えることを特
   徴とする燃料電池の改質装置。
2. 【請求項２】前記過熱器は、前記予備蒸発器を兼ねる構
   成である請求項１に記載の燃料電池の改質装置。
3. 【請求項３】前記予備蒸発器は、前記過熱器の上流側に
   設けた請求項１に記載の改質装置。
4. 【請求項４】前記予備蒸発器は、プレートフィンタイプ
   の熱交換器で構成されている請求項１から請求項３の何
   れかに記載の燃料電池の改質装置。
5. 【請求項５】前記予備蒸発器は、熱媒体が流通する複数
   のチューブを有する熱交換器で構成されている請求項１
   から請求項３の何れかに記載の燃料電池の改質装置。
6. 【請求項６】燃料電池の負荷増加時に、 過熱器あるいは予備蒸発器に原燃料を増量供給する初期
   段階制御と、 過熱器に原燃料を供給し、あるいは予備燃焼器と蒸発器
   とに原燃料を分配供給する中期段階制御と、 前記過熱器あるいは予備蒸発器と蒸発器とに供給する原
   燃料を定常運転条件に調整して供給する終期段階制御と
   を行う制御手段を備える請求項１に記載の燃料電池の改
   質装置。