JP2003165705A - 燃料改質装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水素分離膜が劣化したときに水素分離膜の透
過性能を回復させることにより、高い水素生成効率を維
持することができる燃料改質装置及び燃料電池システム
を提供する。 【解決手段】 膜反応器４は、原燃料ガスを改質する改
質触媒部６と、改質ガス中の水素を分離する水素分離膜
１０と、排気ガスと原燃料の燃焼により改質触媒部６を
加熱する燃焼触媒部６とを備える。コントロールユニッ
ト１９は、電圧センサ２８が検出する燃料電池１２の起
電力低下、温度センサ２４が検出する燃焼触媒部５の温
度上昇、圧力センサ２６が検出する水素分離膜１０前後
の差圧の増加により水素分離膜１０の劣化を判断する。
劣化判断した場合、次の起動時に水素分離膜１０の温度
が所定値以上でも、酸素を含む高温ガス（希薄燃焼ガ
ス）を継続して改質触媒部６に供給することで水素分離
膜１０の劣化を回復する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原燃料から水素ガ
スを含む改質ガスを生成する燃料改質装置及び燃料電池
システムに係り、特に改質ガスから水素分離膜によって
水素を分離する燃料改質装置及び燃料電池システムに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の膜反応器を適用した燃料電池シス
テムとしては、特開２００１−１３５３３６号記載の
「燃料電池システム」が知られている。この技術によれ
ば、原燃料の部分酸化反応および水性ガスシフト反応を
起こし、生成された水素を水素分離膜（水素透過膜）で
透過させて取り出すメンブレン型水素生成器と、空気極
（カソード）排出ガスと原燃料ガスとを混合させて水素
生成器に供給する燃料導入路と、水蒸気透過膜によって
カソード排出ガスから水蒸気を分離し、水蒸気をスイー
プガスとして水素生成器に供給する水蒸気分離器を備え
るシステム構成とし、システムの起動時には、以下の制
御を行うこととしている。まず、送風機および水素生成
器からアノードへ通じる圧縮機を起動し、原燃料供給源
からの原燃料供給に先立って燃料電池の加湿を行い、そ
の後原燃料ポンプを起動する。原燃料供給源から原燃料
ポンプによって供給された原燃料ガスは、予熱熱交換器
によって予熱された後、空気供給路から供給される酸素
および水蒸気を含むカソード排出ガスとともに水素生成
器に流入し、改質反応を起こすようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術においては、コーキング等による水素分離膜の劣
化を判断する手段が無く、その回復を施す手段も無いこ
とから、水素分離膜が劣化した場合に発生する透過性能
の低下を回避することが困難であり、パワープラントと
しての効率を悪化させてしまうという問題点があった。

【０００４】以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、水
素分離膜が劣化したときに水素分離膜の透過性能を回復
させることにより、高い水素生成効率を維持することが
できる燃料改質装置及び燃料電池システムを提供するこ
とである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記目的を達成するため、原燃料ガスを改質して改質ガ
スを生成する改質触媒部と、前記改質ガス中の水素を分
離して取り出す水素分離膜と、前記改質触媒部を加熱す
る燃焼触媒部とを備えた膜反応器と、前記水素分離膜の
温度を検知または推定する温度検知手段と、前記水素分
離膜の劣化程度を判断する劣化判断手段と、を備え、起
動時に前記膜反応器に高温ガスを供給し、前記温度検知
手段による前記水素分離膜の温度が所定値以上ならば高
温ガスの供給を停止し、原燃料ガスを供給して改質反応
を開始する燃料改質装置において、前記水素分離膜の温
度が所定値以上となった場合に水素分離膜の劣化度合い
に応じて膜反応器へ酸素を含む高温ガスを供給し、且つ
その供給量を制御することを要旨とする。

【０００６】請求項２記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項１に記載の燃料改質装置において、前記
劣化判断手段は、前記水素分離膜の劣化度合いを燃料電
池の起電力低下により判断することを要旨とする。

【０００７】請求項３記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項１に記載の燃料改質装置において、前記
劣化判断手段は、前記水素分離膜の劣化度合いを排水素
の燃焼温度により判断することを要旨とする。

【０００８】請求項４記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項１に記載の燃料改質装置において、前記
劣化判断手段は、前記水素分離膜の劣化度合いを該水素
分離膜の前後差圧により判断することを要旨とする。

【０００９】請求項５記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載
の燃料改質装置において、起動時に、前記膜反応器に供
給する高温ガスが希薄燃焼ガスであることを要旨とす
る。

【００１０】請求項６記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載
の燃料改質装置において、起動時に、前記水素分離膜の
前後差圧が所定値以下である場合、前記膜反応器への酸
素を含む高温ガスの供給を停止し、原燃料ガスを供給し
て改質反応を開始することを要旨とする。

【００１１】請求項７記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載
の燃料改質装置において、起動時に、前記燃焼器でリッ
チ燃焼ガスを生成し、膜反応器の燃焼触媒部に供給して
燃焼触媒部にて希薄燃焼を行い、希薄燃焼ガスを膜反応
器の改質触媒部および水素通路に供給することを要旨と
する。

【００１２】請求項８記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載
の燃料改質装置を備え、該燃料改質装置で改質したガス
を燃料極に供給することを要旨とする燃料電池システム
である。

【００１３】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、原燃料ガ
スを改質して改質ガスを生成する改質触媒部と、前記改
質ガス中の水素を分離して取り出す水素分離膜と、前記
改質触媒部を加熱する燃焼触媒部とを備えた膜反応器
と、前記水素分離膜の温度を検知または推定する温度検
知手段と、前記水素分離膜の劣化程度を判断する劣化判
断手段と、を備え、起動時に前記膜反応器に高温ガスを
供給し、前記温度検知手段による前記水素分離膜の温度
が所定値以上ならば高温ガスの供給を停止し、原燃料ガ
スを供給して改質反応を開始する燃料改質装置におい
て、前記水素分離膜の温度が所定値以上となった場合に
水素分離膜の劣化度合いに応じて膜反応器へ酸素を含む
高温ガスを供給し、且つその供給量を制御するようにし
たので、酸素を含んだ高温ガスを水素分離膜の劣化度合
いに応じて供給することができるようになり、コーキン
グ等により劣化した水素分離膜の透過性能を確実に回復
させることが可能となるという効果がある。

【００１４】請求項２記載の発明によれば、請求項１に
記載の燃料改質装置において、前記劣化判断手段は、前
記水素分離膜の劣化度合いを燃料電池の起電力低下によ
り判断するようにしたので、コーキング等による水素分
離膜の劣化度合いに応じて、水素分離膜の透過性能をよ
り確実に回復させることが可能となるという効果があ
る。

【００１５】請求項３記載の発明によれば、請求項１に
記載の燃料改質装置において、前記劣化判断手段は、前
記水素分離膜の劣化度合いを排水素の燃焼温度により判
断するようにしたので、コーキング等による水素分離膜
の劣化度合いに応じて、水素分離膜の透過性能をより確
実に回復させることが可能となるという効果がある。

【００１６】請求項４記載の発明によれば、請求項１に
記載の燃料改質装置において、前記劣化判断手段は、前
記水素分離膜の劣化度合いを該水素分離膜の前後差圧に
より判断するようにしたので、コーキング等による水素
分離膜の劣化度合いに応じて、水素分離膜の透過性能を
より確実に回復させることが可能となるという効果があ
る。

【００１７】請求項５記載の発明によれば、請求項１な
いし請求項４のいずれか１項に記載の燃料改質装置にお
いて、起動時に、前記膜反応器に供給する高温ガスが希
薄燃焼ガスであるようにしたので、コーキング等による
水素分離膜が劣化した場合に、酸素を含む高温ガスを確
実に供給することとなるため、水素分離膜の透過性能を
より確実に回復させることが可能となるという効果があ
る。

【００１８】請求項６記載の発明によれば、請求項１な
いし請求項５のいずれか１項に記載の燃料改質装置にお
いて、起動時に、前記水素分離膜の前後差圧が所定値以
下である場合、前記膜反応器への酸素を含む高温ガスの
供給を停止し、原燃料ガスを供給して改質反応を開始す
るようにしたので、水素分離膜の回復をより確実に行う
ことが可能となるという効果がある。

【００１９】請求項７記載の発明によれば、請求項１な
いし請求項６のいずれか１項に記載の燃料改質装置にお
いて、起動時に、前記燃焼器でリッチ燃焼ガスを生成
し、膜反応器の燃焼触媒部に供給して燃焼触媒部にて希
薄燃焼を行い、希薄燃焼ガスを膜反応器の改質触媒部お
よび水素通路に供給するようにしたので、コーキング等
により水素分離膜が劣化した場合に、酸素を含む高温ガ
スを確実に供給することとなるため、水素分離膜の透過
性能をより確実に回復させることが可能となるという効
果がある。

【００２０】請求項８記載の発明によれば、請求項１な
いし請求項７のいずれか１項に記載の燃料改質装置を備
え、該燃料改質装置で改質したガスを燃料電池システム
の燃料極に供給するようにしたので、燃料電池システム
の燃料効率を常に高効率に維持することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料改
質装置の第一実施形態を適用した燃料電池システムの構
成を説明するシステム構成図である。

【００２２】本実施形態における膜反応器４は、原燃料
ガスを改質して改質ガスを生成する改質触媒部６と、改
質ガス中の水素を分離して取り出す水素分離膜１０と、
排気ガスと原燃料との少なくとも一方の燃焼により改質
触媒部６を加熱する燃焼触媒部５とを備えたものであ
り、一体成形されることが好ましい。

【００２３】改質ガスを生成するための原燃料である炭
化水素系燃料と水は、それぞれ第一燃料噴射弁１および
第一水噴射弁２を通して蒸発器３に供給され、膜反応器
４の燃焼触媒部５から供給される燃焼ガスとの熱交換に
より、蒸発器３にて気化される。気化された炭化水素系
燃料と水の混合ガス、すなわち原燃料ガスは膜反応器４
の改質触媒部６に導入される。

【００２４】一方、燃焼触媒部５は、排水素および必要
に応じて第二燃料噴射弁７から供給される燃料と、第一
空気制御弁８を備える第一空気通路９から供給される空
気とを燃焼させる。そして、改質触媒部６は燃焼触媒部
５との熱交換を行うことで、原燃料ガスの改質反応に必
要な熱量が供給され、改質ガスが生成される。

【００２５】生成された改質ガス中の水素は、水素分離
膜１０によって選択透過され、水素通路１１を経て燃料
電池１２へ供給され、電気化学反応により起電力を得る
こととなる。余剰の水素は燃料電池１２から排出され、
再度燃料電池１２の入口に戻されたり、膜反応器４の燃
焼触媒部５に排水素として供給される。

【００２６】加えて本燃料電池システムには、改質触媒
部６へ通じる第一燃焼ガス通路１３と第一流量制御弁１
４とを介して膜反応器４に燃焼ガスを供給する燃焼器１
５が備えられている。燃焼器１５では、第三燃料噴射弁
１６から供給される燃料と、第二空気制御弁１７を備え
る第二空気通路１８から供給される空気とを燃焼させる
ことで任意に燃焼ガスを生成することが可能である。

【００２７】このような燃料電池システムにおいて、膜
反応器４の改質触媒部６では、炭化水素系燃料の改質反
応が行われるが、改質反応の一例として、水蒸気改質反
応を以下に説明する。燃料ガスとしては、メタノール、
ガソリンや天然ガス等を用いるが、ここではメタノール
と水の混合ガスを燃料ガスとして用いた場合の水蒸気改
質反応について説明する。メタノールを水蒸気改質する
ときの反応は、式（１）で示すメタノールの分解反応
と、式（２）に示すＣＯの変成反応が同時に進行し、全
体として式（３）の化学反応式で表わされる。ここで、
式（２）の反応はシフト反応と呼ばれる。

【００２８】

【数１】 ＣＨ₃ ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ₂ −９０．０（ｋｊ／ｍｏｌ） …（１） ＣＯ＋Ｈ₂ Ｏ → ＣＯ₂ ＋Ｈ₂ ＋４０．５（ｋｊ／ｍｏｌ） …（２） ＣＨ₃ ＯＨ＋Ｈ₂ Ｏ → ＣＯ₂ ＋３Ｈ₂ −４９．５（ｋｊ／ｍｏｌ） …（３） また燃料電池１２は、燃料の化学エネルギを、機械エネ
ルギや熱エネルギを経ること無く直接電気エネルギに変
換するものである。通常の形態としては、電解質層を挟
んで一対の電極を配置し、一方の電極（陰極…アノー
ド、燃料極という）に水素を含んだガスを供給するとと
もに他方の電極（陽極…カソード、空気極または酸化剤
極という）に酸素を含んだガスを供給し、両電極で起き
る電気化学反応を利用して起電力を得ることとなる。以
下に燃料電池１２で起こる電気化学反応を表わした式を
示す。

【００２９】

【数２】 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（４） （１／２）Ｏ₂ ＋ ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂ Ｏ …（５） Ｈ₂ ＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂ Ｏ …（６） ここで、式（４）は陰極側における反応、式（５）は陽
極側における反応を表し、燃料電池１２全体としては式
（６）に示す反応が進行することとなる。

【００３０】このような電気化学反応により起電力を得
ている本実施形態の燃料電池１２は、電解質として固体
高分子を用いた固体高分子型の燃料電池であり、電池反
応を促進する白金等の触媒を備えている。しかし、アノ
ードに供給される改質ガス中にＣＯが含まれている場合
には、このＣＯが白金触媒に吸着して触媒としての機能
を低下させ、式（４）に示したアノードにおける反応を
阻害して燃料電池１２の性能を阻害してしまう。そのた
め、燃料電池１２のような固体高分子型の燃料電池で発
電を行なう場合には、ＣＯ除去器や水素分離膜１０等の
ＣＯ除去手段を用いてアノードに供給するガス中のＣＯ
を所定値以下に低減して電池性能の低下を防ぐことが必
要となる。なお、このような固体高分子型の燃料電池１
２において、供給されるガス中のＣＯ濃度の許容値は通
常数十ｐｐｍ程度である。

【００３１】以上のような構成要素により、本燃料電池
システムは構成されるが、各構成要素の制御はコントロ
ールユニット（Ｃ／Ｕ）１９により行われる。この制御
を行うために、膜反応器４は、燃焼触媒部５の温度を検
出する温度センサ２４と、水素分離膜１０の温度を検出
する温度センサ２５と、水素分離膜１０の前後の差圧を
検出する圧力センサ２６とを備え、各センサ２４、２
５、２６の検出信号がコントロールユニット１９に接続
されている。また、燃料電池１２の起電力を検出する電
圧センサ２８が設けられ、この検出信号もコントロール
ユニット１９に接続されている。

【００３２】次に本発明の作用を述べる。本発明では燃
料電池システムの起動時において、コントロールユニッ
ト１９の信号により第三燃料噴射弁１６から噴射される
燃料と、第二空気制御弁１７を開弁して第二空気通路１
８を通して流入する空気とを燃焼器１５で燃焼させる。
これにより生成した燃焼ガスを第一流量制御弁１４を開
弁することにより第一燃焼ガス通路１３を経て膜反応器
４の改質触媒部６に供給する。ここで供給する燃焼ガス
は、改質触媒部６で改質反応による水素が発生しないよ
うに燃料を含まない希薄燃焼ガスとする必要がある。

【００３３】このように燃焼ガスを改質触媒部６に供給
することで、水素分離膜１０と改質触媒を昇温させる。
改質触媒部６および水素分離膜１０の温度と圧力は、温
度センサ２５、圧力センサ２６の検出信号を介してコン
トロールユニット１９によってモニタされ、水素分離膜
１０の温度が所定値に達した場合に燃焼ガスの膜反応器
４への供給を停止し、第一燃料噴射弁１および第一水噴
射弁２から噴射された炭化水素系燃料および水を用いて
蒸発器３にて生成した燃料ガスを改質触媒部６に供給す
ることで改質反応を開始する。

【００３４】このように水素分離膜１０の温度が所定値
に達した時点で改質反応を開始する目的は、水素分離膜
１０の水素脆化を回避することにある。水素分離膜１０
の水素脆化は低温および高圧下で水素が供給された場合
に発生し易い傾向にある。

【００３５】図２は、水素分離膜の温度、圧力に対して
水素脆化が発生する領域と発生しない領域、言い換えれ
ば、水素分離膜の使用不可の領域と使用可能な領域とを
示している。この図においても明らかなように、高圧化
では温度が低い場合においても水素脆化が発生する傾向
にある。そのため本燃料電池システムの起動時には、水
素分離膜１０の温度が所定値に達したら改質反応を開始
するが、圧力も同時に考慮して圧力が高い場合には改質
反応を開始する水素分離膜１０の温度を高く設定するこ
とでより確実に水素脆化を回避することが可能となる。

【００３６】さらに本発明特有の制御として、水素分離
膜１０の劣化を判断し、その劣化度合いに応じて水素分
離膜１０の温度が所定値に達した時点での燃焼ガスの供
給を継続することとする。水素分離膜１０は水素分離工
程を繰り返すと膜表面への不純物の付着や不均化反応
（２ＣＯ→Ｃ＋ＣＯ₂ ）により、炭素が析出する所謂コ
ーキング現象により水素の透過性能が著しく低下する傾
向にある。

【００３７】このような透過性能の低下に対しては、酸
素を含む高温ガス（例えば１５０〜５００℃の高温空
気）を水素分離膜１０表面にスイープすることにより、
付着した不純物や炭素をガス化して除去することが有効
な手段となる。ガス化の反応は以下に示す通りである。

【００３８】

【数３】 Ｃ＋Ｏ₂ → ＣＯ₂ …（７） ＣＨ₃ ＯＨ＋（３／２）Ｏ₂ → ＣＯ₂ ＋２Ｈ₂ Ｏ …（８） ここで式（７）は炭素、式（８）は燃料のガス化を示し
ている。

【００３９】本燃料電池システムでは、水素分離膜１０
の劣化の判断を、例えば前運転時の水素透過量の減少度
合いから判断することとする。水素透過量が減少するこ
とで、燃料電池１２へ供給される水素量が減少すること
から、起電力の低下が誘発されるため、この燃料電池１
２の起電力を検出する電圧センサ２８の検出値による起
電力低下が水素分離膜１０の劣化を判断する目安とな
る。

【００４０】また、水素透過量が減少することで、未透
過ガス中の水素量が増加することから、排水素として燃
焼触媒部５に供給される水素量が増加することとなる。
その結果、燃焼触媒部５の燃焼温度が高まることとな
る。このような燃焼触媒部５の温度上昇は、温度センサ
２４で検出され、この検出値からも水素分離膜１０の劣
化を判断することが可能である。

【００４１】さらに、水素分離膜１０の劣化により、水
素分離膜１０前後の差圧が増加することから、圧力セン
サ２６の検出値で検出される差圧の増加により水素分離
膜１０の劣化を判断することも可能である。こうして前
運転時において水素分離膜１０の劣化が判断された場
合、次の起動時に水素分離膜１０の温度が所定値以上と
なった場合においても、酸素を含む高温ガス（ここでは
希薄燃焼ガス）を継続して改質触媒部６に供給すること
で水素分離膜１０の劣化を回復することが可能となる。

【００４２】その際、図３に示すように、例えば燃料電
池１２の起電力低下ΔＶもしくは燃焼触媒部５の温度上
昇度合いΔＴから水素分離膜１０の劣化度合いを判断
し、その劣化度合いに応じて酸素を含む高温ガス（ここ
では希薄燃焼ガス）の供給量を変更することで、回復処
理を的確に行うことが可能となる。

【００４３】また、これらの制御に加えて、システムの
起動時に水素分離膜１０の回復処理を行っている場合、
同時に水素分離膜１０の前後差圧を圧力センサ２６でモ
ニタし、その差圧が所定値以下ならば水素分離膜１０が
回復したとして、酸素を含む高温ガスの供給を停止して
原料ガスを供給することで、水素分離膜１０の回復処理
をより厳密に行うことが可能となる。

【００４４】以上のような制御方法を適用することで、
水素分離膜１０の回復処理を確実に行うことにより、透
過性能の低下を回避し、パワープラントの効率を損なう
ことなく運転を継続することが可能となる。

【００４５】図４に本実施形態の燃料改質装置の起動時
における制御フローチャートの一例を示す。図４に示す
ように、まずステップＳ１０で水素分離膜１０の温度、
圧力を温度センサ２５、圧力センサ２６で検知した値を
読み込む。次いで、ステップＳ１２で温度と圧力に基づ
く水素分離膜１０の使用可能領域マップのルックアップ
を行い、ステップＳ１４で水素分離膜１０の使用可能領
域であるか否か判断する。水素分離膜の使用可能領域で
ない場合、即ち図２の水素脆化が発生する領域である場
合は、ステップＳ１６で第三燃料噴射弁１６から噴射さ
れる燃料および第二空気制御弁１７を開弁して第二空気
通路１８を通して流入する空気を燃焼器１５に供給し、
希薄燃焼を行う。ステップＳ１８では第一流量制御弁１
４を開弁することにより第一燃焼ガス通路１３を経て膜
反応器４の改質触媒部６に希薄燃焼ガスを供給し、ステ
ップＳ１０へ分岐する。このように水素分離膜１０の温
度、圧力が使用不可領域であれば、希薄燃焼ガスの膜反
応器４への供給により改質触媒部６および水素分離膜１
０の昇温を行う。

【００４６】ステップＳ１４の判定で、水素分離膜１０
の温度及び圧力が水素脆化の発生しない領域、すなわち
図２の使用可能領域に達した場合、ステップＳ２０で前
運転時の燃料電池１２の起電力低下分ΔＶ、燃焼触媒部
５の温度上昇分ΔＴを読み込む。次いで、ステップＳ２
２で水素分離膜１０が劣化しているか否かを判断する。
ここで、劣化の判断は、起電力低下分ΔＶと、温度上昇
分ΔＴがあらかじめ定めた値より大きい場合に劣化した
と判断すればよい。

【００４７】ステップＳ２２で水素分離膜１０の劣化が
判断された場合は、ステップＳ２４で図３のようなマッ
プを用いて前運転時の燃料電池１２の起電力低下分Δ
Ｖ、燃焼触媒部５の温度上昇分ΔＴから燃焼ガス供給量
を決定し、ステップＳ２６で第一流量制御弁１４を開弁
して第一燃焼ガス通路１３を経て膜反応器４の改質触媒
部６に希薄燃焼ガスを供給する。

【００４８】ステップＳ２８で燃焼ガス供給量が既定値
に達したと判断された場合、ステップＳ３０で第一流量
制御弁１４を閉弁し、膜反応器４への燃焼ガスの供給お
よび燃焼器１５での希薄燃焼ガスの生成を停止する。ま
た、ステップＳ２２で水素分離膜１０の劣化が判断され
なかった場合には、ステップＳ３０に移り、希薄燃焼ガ
スの供給が停止されることとなる。

【００４９】その後、ステップＳ３２で蒸発器３に第一
燃料噴射弁１から原燃料と、第一水噴射弁２から水を供
給し、気化させた原燃料ガスを膜反応器４の改質触媒部
６に供給して改質反応を行う。生成した水素は水素分離
膜１０を透過して燃料電池１２に送られ、空気制御弁２
７から供給開始された空気とともに発電が行われること
となる。

【００５０】次に、本発明の第二実施形態の構成と作用
を図表に沿って説明する。図５は、本発明に係る燃料改
質装置の第２実施形態を適用した燃料電池システムの構
成を説明するシステム構成図である。

【００５１】本実施形態における膜反応器４は、第一実
施形態と同様に、原燃料ガスを改質して改質ガスを生成
する改質触媒部６と、改質ガス中の水素を分離して取り
出す水素分離膜１０と、排気ガスと原燃料との少なくと
も一方の燃焼により改質触媒部６を加熱する燃焼触媒部
５とを備えたものであり、一体成形されることが好まし
い。

【００５２】改質ガスを生成するための炭化水素系燃料
と水は第一燃料噴射弁１および第一水噴射弁２を通して
蒸発器３に供給され、膜反応器４の燃焼触媒部５から供
給される燃焼ガスとの熱交換により蒸発器３にて気化さ
れる。

【００５３】気化された炭化水素系燃料と水の混合ガ
ス、すなわち燃料ガスは膜反応器４の改質触媒部６に導
入され、排水素および必要に応じて第二燃料噴射弁７か
ら供給される燃料と、第一空気制御弁８を備える第一空
気通路９から供給される空気とを燃焼させる燃焼触媒部
５との熱交換を行うことで、燃料ガスの改質反応が行わ
れ改質ガスが生成される。

【００５４】生成された改質ガス中の水素は、水素分離
膜１０によって選択透過され、水素通路１１を経て燃料
電池１２へ供給され、電気化学反応により起電力を得る
こととなる。余剰の水素は燃料電池１２から排出され、
再度燃料電池１２の入口に戻されたり、膜反応器４の燃
焼触媒部５に排水素として供給される。

【００５５】加えて本燃料電池システムは、燃焼触媒部
５への第二燃焼ガス通路２０と第二流量制御弁２１を通
して膜反応器４に燃焼ガスを供給する燃焼器１５を備え
る。燃焼器１５では第三燃料噴射弁１６から供給される
燃料と第二空気制御弁１７を備える第二空気通路１８か
ら供給される空気とを燃焼させることで、任意に燃焼ガ
スを生成することが可能である。併せて膜反応器４に
は、燃焼触媒部５で生成した燃焼ガスを改質触媒部６に
供給可能とする第三燃焼ガス通路２２と第三流量制御弁
２３とが設けられている。

【００５６】以上のような構成要素により、本実施形態
の燃料電池システムは構成されるが、各構成要素の制御
はコントロールユニット（Ｃ／Ｕ）１９により行われ
る。この制御を行うために、膜反応器４は、燃焼触媒部
５の温度を検出する温度センサ２４と、水素分離膜１０
の温度を検出する温度センサ２５と、水素分離膜１０の
前後の差圧を検出する圧力センサ２６とを備え、各セン
サ２４、２５、２６の検出信号がコントロールユニット
１９に接続されている。また、燃料電池１２の起電力を
検出する電圧センサ２８が設けられ、この検出信号もコ
ントロールユニット１９に接続されている。

【００５７】次に、第二実施形態の構成による作用を述
べる。本実施形態では、燃料電池システムの起動時にお
いて、燃焼器１５で生成した燃焼ガスを、第三流量制御
弁２３の開弁により第三燃焼ガス通路２２を経て膜反応
器４の燃焼触媒部５に供給する。ここで供給する燃焼ガ
スは燃焼触媒部５で燃焼が起こり易くなるよう、燃料を
含んだリッチ燃焼ガスとする。同時に燃焼触媒部５には
第一空気制御弁８を開弁して第一空気通路９から空気を
供給し、必要に応じて第二燃料噴射弁７から燃料を供給
し、希薄燃焼を行わせる。希薄燃焼により生成した希薄
燃焼ガスは、第三流量制御弁２３の開弁により第三燃焼
ガス通路２２を経て膜反応器４の改質触媒部６に供給す
る。ここで供給する燃焼ガスは改質触媒部６で改質反応
による水素が発生しないように燃料を含まない希薄燃焼
ガスとしている。

【００５８】このように燃焼ガスを膜反応器４の各部に
供給することで、水素分離膜１０を速やかに昇温させ、
システムの起動性を向上させることが可能となる。水素
分離膜１０の温度および圧力は、温度センサ２５、圧力
センサ２６の検出値を参照するコントロールユニット１
９によってモニタされる。そして、改質触媒部６および
水素分離膜１０の温度が所定値に達した場合に燃焼ガス
の膜反応器４への供給を停止し、改質触媒部６に蒸発器
３にて生成した燃料ガスを供給し、改質反応を開始す
る。

【００５９】このような制御を行い、水素分離膜１０の
温度が所定値に達した時点で改質反応を開始する目的
は、水素分離膜１０の水素脆化を回避することにある。
水素分離膜１０の水素脆化は図２に示したように低温お
よび高圧下で水素が供給された場合に発生し易い傾向に
ある。そのため本燃料電池システムの起動時には水素分
離膜１０の温度が所定値に達したら改質反応を開始する
が、圧力も同時に考慮して圧力が高い場合には改質反応
を開始する水素分離膜１０の温度を高く設定することで
より確実に水素脆化を回避することが可能となる。

【００６０】さらに本発明特有の制御として、水素分離
膜１０の劣化を判断し、その劣化度合いに応じて水素分
離膜１０の温度が所定値に達した時点での燃焼ガスの供
給を継続することとする。水素分離膜１０は水素分離工
程を繰り返すと膜表面への不純物の付着や不均化反応に
より、コーキングが発生することで透過性能が著しく低
下する傾向にある。このような透過性能の低下に対して
は、酸素を含む高温ガスを水素分離膜１０表面にスイー
プすることにより、付着した不純物や炭素をガス化する
ことにより除去することが有効な手段となる。

【００６１】本燃料電池システムでは、水素分離膜１０
の劣化の判断を、例えば前運転時の水素透過量の減少度
合いから判断することとする。水素透過量が減少するこ
とで、燃料電池１２へ供給される水素量が減少すること
から、起電力の低下が誘発されるため、電圧センサ２８
で検出される燃料電池１２の起電力低下が水素分離膜１
０の劣化を判断する目安となる。

【００６２】また、水素透過量が減少することで、未透
過ガス中の水素量が増加することから、排水素として燃
焼触媒部５に供給される水素量が増加することとなる。
その結果燃焼触媒部５の燃焼温度が高まることとなり、
温度センサ２４で検出される燃焼触媒部５の温度上昇か
らも水素分離膜１０の劣化を判断することが可能であ
る。

【００６３】さらに、水素分離膜１０の劣化により、水
素分離膜１０前後の差圧が増加することから、圧力セン
サ２６で検出される差圧の増加により水素分離膜１０の
劣化を判断することも可能である。こうして前運転時に
おいて水素分離膜１０の劣化が判断された場合、次の起
動時に水素分離膜１０の温度が所定値以上となった場合
においても、酸素を含む高温ガス（ここでは希薄燃焼ガ
ス）を継続して改質触媒部６に供給することで水素分離
膜１０の劣化を回復することが可能となる。

【００６４】その際、図３に示したように、劣化度合い
に応じて酸素を含む高温ガス（ここでは希薄燃焼ガス）
の供給量を変更することで、回復処理を的確に行うこと
が可能となる。また、これらの制御に加えて、システム
の起動時に水素分離膜１０の回復処理を行っている場
合、同時に水素分離膜１０前後の差圧をモニタし、その
差圧が所定値以下ならば水素分離膜１０が回復したとし
て、酸素を含む高温ガスの供給を停止して原料ガスを供
給することで、水素分離膜１０の回復処理をより厳密に
行うことが可能となる。

【００６５】以上のような制御方法を適用することで、
大幅な透過性能の低下を回避し、パワープラントの効率
を損なうことなく運転を継続することが可能となる。

【００６６】図６に本実施形態の燃料改質装置の起動時
における制御フローチャートの一例を示す。図６に示す
ように、まずステップＳ４０で水素分離膜１０の温度、
圧力を温度センサ２５，圧力センサ２６で検知した値を
読み込む。次いで、ステップＳ４２で温度と圧力に基づ
く水素分離膜１０の使用可能領域マップのルックアップ
を行い、ステップＳ４４で水素分離膜１０の使用可能領
域であるか否か判断する。水素分離膜の使用可能領域で
ない場合、即ち図２の水素脆化が発生する領域である場
合は、ステップＳ４６で第三燃料噴射弁１６から噴射さ
れる燃料および第二空気制御弁１７を開弁して第二空気
通路１８を通して流入する空気を燃焼器１５に供給し、
リッチ燃焼を行う。ステップＳ４８では第二流量制御弁
２１を開弁することにより第二燃焼ガス通路２０を経て
膜反応器４の燃焼触媒部５にリッチ燃焼ガスを供給す
る。その後膜反応器４の燃焼触媒部５では、ステップＳ
５０で第一空気制御弁８を開弁して第一空気通路９を経
て空気を導入し、希薄燃焼を行うこととする。生成した
希薄燃焼ガスはステップＳ５２で第三流量制御弁２３を
開弁して第三燃焼ガス通路２２から改質触媒部６に供給
し、ステップＳ４０へ分岐する。このように希薄燃焼ガ
スの改質触媒部６への供給により改質触媒部６および水
素分離膜１０の昇温を行う。

【００６７】ステップＳ４４の判定で、水素分離膜１０
の温度及び圧力が水素脆化の発生しない領域、すなわち
図２の使用可能領域に達した場合、ステップＳ５４で前
運転時の燃料電池１２の起電力低下分ΔＶ、燃焼触媒部
５の温度上昇分ΔＴを読み込む。次いで、ステップＳ５
４で水素分離膜１０が劣化しているか否かを判断する。
水素分離膜１０の劣化が判断された場合は、ステップＳ
５８で図３のようなマップを用いて前運転時の燃料電池
１２の起電力低下分ΔＶ、燃焼触媒部５の温度上昇分Δ
Ｔから燃焼ガス供給量を決定し、ステップＳ６０で第三
流量制御弁２３を開弁して第三燃焼ガス通路２２を経て
膜反応器４の改質触媒部６に燃焼触媒部５で生成した希
薄燃焼ガスを供給する。ステップＳ６２で燃焼ガス供給
量が既定供給量に達したか否かを判断し、既定供給量に
達したと判断された場合、ステップＳ６４で第二流量制
御弁２１を閉弁し、膜反応器４への燃焼ガスの供給およ
び燃焼器１５でのリッチ燃焼ガスの生成を停止し、ステ
ップＳ６６で第一空気制御弁８を閉弁して、膜反応器４
の燃焼触媒部５への空気の供給を停止する。

【００６８】また、ステップＳ５６で水素分離膜１０の
劣化が判断されなかった場合には、ステップＳ６４へ分
岐し、改質触媒部６への希薄燃焼ガスの供給が停止され
ることとなる。その後、ステップＳ６８で蒸発器３に第
一燃料噴射弁１から燃料と、第一水噴射弁２から水を供
給し、気化させた燃料ガスを膜反応器４の改質触媒部６
に供給して改質反応を行う。生成した水素は水素分離膜
１０を透過して燃料電池１２に送られ、供給開始された
空気とともに発電が行われることとなる。

【００６９】以上のように、本発明の実施形態において
は、膜反応器４を適用した燃料改質装置の起動時の制御
方法を主として説明したが、本発明で示した水素分離膜
の劣化を回復する処理を施す制御方法は、実施形態で示
した以外の水素分離膜を適用した燃料改質装置、例えば
改質反応器と水素分離膜装置を独立して有するようなシ
ステムにおいても適用されることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料改質装置の第一実施形態を適
用した燃料電池システムの構成図である。

【図２】温度・圧力に対する水素分離膜使用可否判断マ
ップの例を示すグラフである。

【図３】燃焼温度上昇分及び起電力低下分に対する燃焼
ガス供給量マップの例を示すグラフである。

【図４】第一実施形態の制御フローチャートである。

【図５】本発明に係る燃料改質装置の第二実施形態を適
用した燃料電池システムの構成図である。

【図６】第二実施形態の制御フローチャートである。

【符号の説明】

１…第一燃料噴射弁 ２…第一水噴射弁 ３…蒸発器 ４…膜反応器 ５…燃焼触媒部 ６…改質触媒部 ７…第二燃料噴射弁 ８…第一空気制御弁 ９…第一空気通路 １０…水素分離膜 １１…水素通路 １２…燃料電池 １３…第一燃焼ガス通路 １４…第一流量制御弁 １５…燃焼器 １６…第三燃料噴射弁 １７…第二空気制御弁 １８…第二空気通路 １９…コントロールユニット（Ｃ／Ｕ） ２０…第二燃焼ガス通路 ２１…第二流量制御弁 ２２…第三燃焼ガス通路 ２３…第三流量制御弁 ２４…温度センサ ２５…温度センサ ２６…圧力センサ ２７…第三空気制御弁 ２８…電圧センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｘ Ｆターム(参考） 4D006 GA41 HA41 JA02Z JA39Z JA56Z KA15 KA41 KC14 KE02Q KE03P KE06P KE16P KE24P KE24Q MA03 MB04 PA05 PB18 PB67 PC80 4G040 EA02 EA03 EA06 EB03 EB11 EB33 EB42 EB43 FA02 FB09 FC01 FE01 5H027 AA02 BA01 BA16 KK11 KK42 MM01

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原燃料ガスを改質して改質ガスを生成す
   る改質触媒部と、前記改質ガス中の水素を分離して取り
   出す水素分離膜と、前記改質触媒部を加熱する燃焼触媒
   部とを備えた膜反応器と、 前記水素分離膜の温度を検知または推定する温度検知手
   段と、 前記水素分離膜の劣化程度を判断する劣化判断手段と、
   を備え、 起動時に前記膜反応器に高温ガスを供給し、前記温度検
   知手段による前記水素分離膜の温度が所定値以上ならば
   高温ガスの供給を停止し、原燃料ガスを供給して改質反
   応を開始する燃料改質装置において、 前記水素分離膜の温度が所定値以上となった場合に水素
   分離膜の劣化度合いに応じて膜反応器へ酸素を含む高温
   ガスを供給し、且つその供給量を制御することを特徴と
   する燃料改質装置。
2. 【請求項２】 前記劣化判断手段は、前記水素分離膜の
   劣化度合いを燃料電池の起電力低下により判断すること
   を特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
3. 【請求項３】 前記劣化判断手段は、前記水素分離膜の
   劣化度合いを排水素の燃焼温度により判断することを特
   徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
4. 【請求項４】 前記劣化判断手段は、前記水素分離膜の
   劣化度合いを該水素分離膜の前後差圧により判断するこ
   とを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
5. 【請求項５】 起動時に、前記膜反応器に供給する高温
   ガスが希薄燃焼ガスであることを特徴とする請求項１な
   いし請求項４のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
6. 【請求項６】 起動時に、前記水素分離膜の前後差圧が
   所定値以下である場合、前記膜反応器への酸素を含む高
   温ガスの供給を停止し、原燃料ガスを供給して改質反応
   を開始することを特徴とする請求項１ないし請求項５の
   いずれか１項に記載の燃料改質装置。
7. 【請求項７】 起動時に、前記燃焼器でリッチ燃焼ガス
   を生成し、膜反応器の燃焼触媒部に供給して燃焼触媒部
   にて希薄燃焼を行い、希薄燃焼ガスを膜反応器の改質触
   媒部および水素通路に供給することを特徴とする請求項
   １ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料改質装
   置。
8. 【請求項８】 請求項１ないし請求項７のいずれか１項
   に記載の燃料改質装置を備え、該燃料改質装置で改質し
   たガスを燃料極に供給することを特徴とする燃料電池シ
   ステム。