JP2004256364A

JP2004256364A - 燃料改質システムおよびその起動方法

Info

Publication number: JP2004256364A
Application number: JP2003050578A
Authority: JP
Inventors: Emi Kawasumi; えみ川澄; Fumihiro Haga; 史浩羽賀
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】燃料改質部の触媒劣化させることなく暖機運転時間を短縮可能な燃料改質システムおよびその起動方法を提供する。
【解決手段】燃料と水および空気により改質ガスを生成する燃料改質部１０の触媒担体１２の熱伝導率を、燃料改質部１０で生成された改質ガスから一酸化炭素を低減するガス変成部１５の触媒担体２０の熱伝導率より小さく形成した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に水素を主成分とする改質ガスを供給する燃料改質システムおよびその起動方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から改質システムを起動する際の方法として、起動用燃焼器により燃料と空気を燃焼させ、得られた高温ガスを燃料改質部およびガス変成部に供給して暖機を行う起動方法が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
これは、起動用燃焼器で生成される高温ガスの持つ熱により燃料改質部を暖機すると共に、前記燃料改質部を通過したガスに残留する熱や高温ガスが更に燃料改質部で反応した時に発生する熱により、燃料改質部より下流に配置したガス変成部等の構成要素を暖機するものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１５４８０４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例においては、ガス変成部は起動用燃焼器の高温ガスが燃料改質部を経由して供給され且つそれ自身の熱容量が大きいために、起動用燃焼器の高温ガスが直接供給され且つ自己発熱も行うことが可能で早期に暖機完了する燃料改質部に比較して、長い暖機運転時間を必要とし、結果として、燃料改質システム全体の暖機時間が長くなる不具合があった。
【０００６】
また、燃料改質部も、自身の暖機完了後もガス変成部の暖機完了まで起動用燃焼器から高温ガスが供給され続ける、即ち、燃料改質部は燃料改質反応を行うことなく起動用燃焼器からの高温ガスによる高温状態に保持されて必要以上に加熱され続ける。このため、燃料改質部に担持した触媒が劣化し、性能低下を惹き起す虞があった。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、燃料改質部の触媒劣化させることなく暖機運転時間を短縮可能な燃料改質システムおよびその起動方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも燃料と水とを用いて改質ガスを生成する燃料改質部の構成部材の熱伝導率を、燃料改質部で生成された改質ガスから一酸化炭素を低減するガス変成部の構成部材の熱伝導率より小さく形成した燃料改質システムとする。
【０００９】
【発明の効果】
したがって、本発明では、改質ガスを生成する燃料改質システムの燃料改質部構成部材の熱伝導率を、燃料改質部で生成された改質ガスから一酸化炭素を低減するガス変成部の構成部材の熱伝導率より小さく形成した。このため、燃料改質部よりガス変成部の方が伝熱し易い燃料改質システムとなり、燃料改質部に供給された熱およびまたは燃料改質部で発生した熱は、緩やかに燃料改質部を昇温させ、熱の大部分は下流のガス変成部に流出する。これにより、ガス変成部の暖機・昇温を促進してその暖機運転時間を短縮できる一方、燃料改質部は昇温させ難いために暖機運転時間を長く最適な時間とすることができる。したがって、燃料改質部の暖機が完了しているにもかかわらずガス変成部の暖機が未完了であるような状態を短時間化することができる。また、燃料改質部の昇温がし難いことにより、燃料改質部の温度が上昇して改質触媒が劣化する恐れも少なくすることができ、システムの信頼性も向上する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料改質システムおよびその起動方法を各実施形態に基づいて説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１〜図５は、本発明を適用した燃料改質システムおよびその起動方法の第１実施形態を示し、図１は燃料改質システムを含む燃料電池システムのシステム構成図、図２は燃料改質システムのガス変成部の具体的一例を示すシステム構成図、図３は燃料改質システム起動方法を示す制御フローチャート、図４は変形例における動作特性を示すグラフ、図５は図４の動作特性を備えた燃料改質システムの起動方法を示す制御フローチャートである。
【００１２】
図１において、燃料電池システムは、起動時に空気リッチな燃料により高温のガスを生成する起動用燃焼器１、燃料、空気および水により燃料を改質する燃料改質システム２、供給空気に含まれる酸素と燃料改質システム２からの改質ガス中に含まれる水素とを用いて発電をする燃料電池３、該燃料電池３からの排ガス中の可燃ガス成分を空気により燃焼させて大気に放出する燃焼器４、および、これらを制御するコントローラ５より構成している。
【００１３】
なお、図中、枠で囲んだＦｕｅｌ、Ａｉｒ、Ｈ_２Ｏと表記するものは、夫々燃料タンク６、空気ブロア７、水タンク８より図示しない経路を介して供給される燃料、空気、水若しくは水蒸気の各供給バルブを表し、夫々コントローラ５により開閉状態および開度が制御される。また、Ｆ（番号）、Ａ（番号）、Ｈ（番号）で表記する矢印は、これらの供給バルブに制御される燃料、空気、水を示す。また、Ｇ（番号）で表記する矢印は、夫々流通するガスを示す。
【００１４】
前記起動用燃焼器１は、燃料改質システム２の暖機運転が必要な起動時に運転され、燃料Ｆ１および空気Ａ１の供給を受け、燃料Ｆ１と空気Ａ１とを燃焼させることにより得られる高温の燃焼ガスＧ１が燃料改質システム２に供給できるよう構成されている。暖機運転時の燃料Ｆ１と空気Ａ１とは空気過剰率λ＝５前後となる混合比にて導入し、その後、燃料Ｆ１と空気Ａ１の混合気に図示しないグロープラグ等の着火機構を用いて着火させ、燃料Ｆ１を希薄燃焼させて、酸素を含む高温ガスＧ１を発生させる。また、燃料改質システム２の暖機が完了すると燃料Ｆ１および空気Ａ１の供給が停止されて運転を停止する。
【００１５】
前記燃料改質システム２は、燃料Ｆ２、空気Ａ２および水Ｈ１により燃料Ｆ２を改質して改質ガスＧ２を生成する燃料改質部１０と、改質ガスＧ２中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部１８を含むガス変成部１５とで構成している。
【００１６】
前記燃料改質部１０は、燃料Ｆ２、空気Ａ２および水Ｈ１により自己発熱を伴って水蒸気改質反応を生じさせる改質触媒１１を、これらガスが通過する図示しない反応通路に充填配置した触媒担体１２に担持して備える。触媒担体１２は熱伝導の小さい材料で形成されており、暖機中に起動用燃焼器１より高温ガスＧ１が供給された場合に触媒担体１２にその熱が伝わりにくい構成となっている。このため暖機時の触媒担体１２の昇温は遅くなり、ガスＧ１のもつ熱エネルギーの大部分はガスＧ２とともに下流に配置しているガス変成部１５に流入されるため、ガス変成部１５では暖機に使用できる熱が増加することになる
前記触媒担体１２の一例としては、例えば、セラミックス材料により形成し、触媒１１を塗布したセラミックス製の触媒担体（以下セラミックス担体）がある。セラミックス担体は、金属担体の約１／１０の熱伝導度である。セラミックス担体はセラミックス材料を所望の担体形状に成形した後に、焼成するで作製でき、さまざまな形状、例えば、ハニカム状通路を備えるような複雑な形状も作製することが可能である。
【００１７】
前記触媒担体１２の別の例としては、セラミックス材料に断熱性材料を混ぜ込んだ材料を成形し、焼成して作製しても良い。断熱性材料としては、例えば、熱伝導度は０．０３〜０．１２Ｗ／ｍＫ（＠０〜４００℃）程度であるロックウールを用いることができる。ロックウールの熱伝導度は、セラミックス担体に対して、約１／１０程度に相当する。従って、ロックウールとセラミックス材料の混合比を調整することにより、触媒担体の熱伝導率を調整することができる。断熱材料の他の材料としては、ケイ酸カルシウムやアルミナファイバ、その他にも断熱材に利用される各種断熱材料を用いることもできる。また、セラミックス担体の熱伝導度が逆に所望の熱伝導度より低い場合には、高熱伝達の材料を混合して熱伝達率を高めるよう調整して担体を作成しても良い。
【００１８】
前記ガス変成部１５を構成する一酸化炭素除去部１８の触媒担体２０は、改質ガスＧ２に含まれる一酸化炭素を空気Ａ３と反応させて一酸化炭素を除去する触媒１９を担持し、これらガスＧ２が通過する図示しない反応通路に配置して備える。触媒担体２０は熱伝導の高い材料、例えば、金属担体により形成し、暖機中に起動用燃焼器１より燃料改質部１０を経由して高温ガスＧ２が供給された場合に、その熱を伝熱し易くして触媒担体２０自身の昇温を早くし、暖機を促進させるよう構成される。
【００１９】
また、図２に示すように、前記ガス変成部１５は、一酸化炭素除去部１８の他に、熱交換器１６、水性ガスシフト反応器１７を備えるものであってもよい。前記熱交換器１６は、燃料改質部１０から排出される改質ガスＧ２のガス温度を、冷媒Ｌ１と熱交換を行わせることにより低下させるよう作用する。前記水性ガスシフト反応器１７は、前記熱交換部６から排出される改質ガスＧ３中の一酸化炭素をシフト反応にて低減する。
【００２０】
燃料電池３では、改質システム２において生成された改質ガスＧ５と酸化剤ガスである空気Ａ４とをそれぞれ、燃料極、酸素極に供給し、電気化学的に反応させることにより電力を取り出している。また、燃料電池部から排出される残ガスＧ６は空気Ａ５と混合して燃焼部４に供給され、可燃成分を完全燃焼した後、大気に放出される。
【００２１】
前記コントローラ５は、燃料電池システムの起動時、燃料改質システム２の暖機運転が必要か否かを、燃料改質システム２の各構成要素に設置した温度センサ１０Ａ、１８Ａ（更には、１６Ａ、１７Ａ）からの温度信号により判断する。暖機運転が必要と判断した場合には、コントローラ５は起動用燃焼器１を作動させ燃料改質システム２を暖機する一方、燃料電池３に発電準備指令を出力する。コントローラ５は、燃料改質システム２の各構成要素である燃料改質部１０、一酸化炭素除去部１８（ガス変成部１５に熱交換部１６、水性ガスシフト反応器１７を含む場合には、さらに熱交換部１６、水性ガスシフト反応器１７）の夫々の暖機完了判断温度を記憶しており、すべての構成要素が所定の暖機完了温度以上に昇温された後に定常運転に移行させる。即ち、コントローラ５は、燃料改質システム２の暖機運転が不要と判断した場合、若しくは暖機運転が完了した場合には、燃料改質システム２を定常運転する一方、燃料電池３に定常運転指令を出力する。
【００２２】
図３は燃料改質システムの起動方法を示す制御フローチャートであり、この制御フローチャートに基づいて、燃料改質システム２の起動方法について、以下に説明する。
【００２３】
電源スイッチのＯＮ作動により燃料電池システム運転開始の出力信号が発せられる（ステップＳ０）と、コントローラ５は燃料改質システムの暖機運転制御が必要か否かを判断する（ステップＳ１）とともに、燃料電池３へ、燃料電池部３での発電準備指令の信号を出力する。Ｓ１にて暖機運転制御が必要と判断した場合には、燃料改質システム２へ暖機運転の開始指令の信号を出力する。
【００２４】
燃料電池部３は発電準備状態（ステップＳ２）に入り、発電準備が完了する（ステップＳ３）と、燃料改質システム２が暖機を完了する（ステップＳ５）まで発電準備状態を保持して待機する（ステップＳ４）。
【００２５】
燃料改質システム２は、暖機運転を開始（ステップＳ６）し、先ず、起動用燃焼器１に燃料Ｆ１と空気Ａ１を供給（ステップＳ７）し、燃料Ｆ１と空気Ａ１の混合気に、図示しないグロープラグ等を用いて着火をさせ、起動用燃焼器１内で燃焼させる（ステップＳ８）。起動燃焼器１には、燃料Ｆ１と空気Ａ１は空気過剰率λ＝５前後となる混合比にて導入され、希薄燃焼させることにより酸素を含む高温ガスＧ１を発生させ（ステップＳ９）、この高温ガスＧ１を燃料改質システム２に供給する（ステップＳ１０）。
【００２６】
ガス変成部１５に熱交換部１６、水性ガスシフト反応器１７を含む場合には、燃料改質システム２では、導入された高温ガスＧ１が、燃料改質部１０、ガス変成部１５の熱交換器１６、水性ガスシフト反応器１７、一酸化炭素除去部１８を経由して流れ、順次、下流の燃料電池部３および燃焼部４に供給され、最終的に大気に排出される。
【００２７】
燃料改質部１０では、起動用燃焼器１の高温ガスＧ１が直接供給されるが、触媒担体１２の熱伝導が小さいため、燃料改質部１０にはごく一部の熱しか伝わることが無く、高温ガスＧ１の持つ熱の大部分は燃料改質部１０を素通りし、ガスＧ２によって熱交換器１６に運ばれる（ステップＳ１１）。燃料改質部１０の暖機は、上記のように、ごく一部の熱しか伝わらないために徐々に昇温され、暖機運転時間が長くなるようにしている。
【００２８】
熱交換器１６に導入されたガスＧ２は、自身の持つ熱の一部により熱交換器１６を昇温させる。これにより熱交換器１６の暖機が進行する。熱交換器１６を暖機後のガスＧ３が水性ガスシフト反応器１７に供給され水性ガスシフト反応器１７を暖機する（ステップＳ１２）。熱交換器１６は、起動開始時には、熱交換を行う冷媒Ｌ１および熱交換器１６本体の温度は常温近くまで低下している。このため、ガスＧ２の熱による起動時の暖機は、熱交換器１６本体と熱交換器１６本体を循環する冷媒Ｌ１との両者を暖機する必要があり、暖機は冷媒を循環させながら所定の運転温度まで行われる。
【００２９】
水性ガスシフト反応器１７に導入されたガスＧ３は、水性ガスシフト反応器１７を暖機し、水性ガスシフト反応器７の暖機後のガスＧ４が一酸化炭素除去部１８に供給され一酸化炭素除去部１８を暖機する（ステップＳ１３）。
【００３０】
一酸化炭素除去部１８に導入されたガスＧ４は、一酸化炭素除去部１８を暖機し、一酸化炭素除去部１８の暖機に消費されなかった熱はガスＧ５により燃料電池３を経由してガスＧ６として燃焼器４に供給され（ステップＳ１４）、燃料電池３および燃焼器４を順次暖機し、外部に排出される。
【００３１】
暖機中の燃料改質システム２の各構成要素である燃料改質部１０、熱交換部１６、水性ガスシフト反応器１７、一酸化炭素除去部１８の各温度は、各温度センサ１０Ａ、１６Ａ、１７Ａ、１８Ａにより計測され、構成要素毎に暖機完了判断温度と実測温度との比較を行う（ステップＳ１５）。実測温度が暖機完了判断温度を下回っている場合には、その構成要素の暖機が完了していないと判断し、暖機運転を継続する（ステップＳ７〜ステップＳ１４）。
【００３２】
そして、燃料改質システム２を構成する全ての構成要素において、各々の実測温度が各構成要素の暖機完了判断温度を上回ったところで、燃料改質システム２の暖機が完了したものと判断する（ステップＳ１６）。
【００３３】
前記燃料改質部１０は触媒担体１２をセラミック若しくはセラミックに断熱性材料を混入した複合材で形成して熱伝導を低減して、ガス変成部１５を構成する一酸化炭素除去部１８さらには熱交換器１６、水性ガスシフト反応器１７の暖機に用いる熱量を増加させているため、燃料改質部１０の暖機運転時間は長く、逆にガス一酸化炭素除去部１９を含むガス変成部１５の暖機運転時間は短くなる。したがって、燃料改質部１０の暖機時間は長くなると同時に、ガス変成部１５の暖機時間が短くなるのでこれらの暖機にかかる時間が近付くことにより結果として全体の暖機時間が短くなり、暖機効率が向上する。特に、ガス変成部１５を構成する一酸化炭素除去部１８さらには熱交換器１６、水性ガスシフト反応器１７の触媒担体２０（熱交換器１６にあっては、熱交換部を構成する材料）を金属で形成して熱伝導が増加するよう構成すると、ガス変成部１５の暖機運転時間をさらに短縮でき、燃料改質システム２全体の暖機時間はより一層短縮される。
【００３４】
燃料改質システム２の暖機完了を判断すると、燃料電池部３の待機状態を解除して（ステップＳ５）燃料電池３の暖機完了状態とする（ステップＳ１７）。
【００３５】
その後、起動用燃焼器１への燃料Ｆ１および空気Ａ１の供給を停止し、燃料Ｆ２、空気Ａ２および水Ｈ１の燃料改質部１０への供給を開始して、起動運転から定常運転に切換える。同時に、コントローラ５より燃料電池部３における発電の開始信号が出力される（ステップＳ１８）。なお、このときの燃料Ｆ２、空気Ａ２および水Ｈ１は、燃料電池部３で発電を行うのに必要な水素量を燃料改質システム２にて十分に改質して生成できる供給流量である。
【００３６】
燃料Ｆ２、空気Ａ２および水Ｈ１により、燃料改質システム２にて水素リッチな改質ガスが生成され、改質ガスＧ５として燃料電池部３に供給され、発電開始の信号を受けた燃料電池部３は改質ガスＧ５中の水素と空気Ａ４を利用して発電を開始する。また、燃料Ｆ１および空気Ａ１の供給が停止されて起動用燃焼器１の運転は停止する（ステップＳ１９）。
【００３７】
以上のように、燃料改質システム２の暖機を行い、燃料電池システムを起動運転状態から定常運転状態への切換え運転を行う。
【００３８】
図４の変形例の動作特性を示す燃料改質システムは、起動用燃焼器１で生成される高温ガスＧ１を、燃料改質部１０を経由してガス変成部１５に流通させて暖機する場合において、燃料改質部１０とガス変成部１５との暖機運転時間を略等しくなるようにしたものである。
【００３９】
即ち、燃料改質部１０の触媒担体１２をセラミックス母材に断熱性材料を混ぜ込んだ複合材を成形・焼成して作成する場合において、断熱材料としてのロックウールとセラミックス材料の混合比を下記に示す要領で決定し、触媒担体１２を製作する。
【００４０】
先ず、熱交換部１６、水性ガスシフト反応器１７、一酸化炭素除去部１８およびそれらを接続する配管からなるガス変成部１５および燃料改質部１０の熱的性質を検討する。燃料Ｆ１および空気Ａ１が空気過剰率λ＝５前後となるような混合比で起動用燃焼器１に供給したときに発生する熱により燃料改質システム２を暖機する際に、燃料改質部１０の熱伝達率に応じて燃料改質部１０とガス変成部１５の暖機所要時間が変化する。そして、一酸化炭素除去部１８さらには熱交換器１６、水性ガスシフト反応器１７で構成されるガス変成部１５全体の熱容量および熱伝導率より、これらが暖機完了温度に昇温するのに必要な熱量および暖機運転時間を算出する。
【００４１】
次に、ガス変成部１５の暖機運転時間および燃料改質部１０の担体容積で、燃料改質部１０が暖機完了温度に到達するような熱伝導率を算出する。なお、ガス変成部１５の暖機完了は、ガス変成部１５の構成要素の全てが、各々の暖機完了判断温度以上になったことで判断するため、暖機完了判断温度の到達に最も時間を要する構成要素の暖機完了時間に律則されている。ここでは例えば暖機完了判断温度の到達に最も時間を要する構成要素の暖機運転時間をガス変成部１５の暖機完了所要時間とする。
【００４２】
そして、算出された熱伝導率となるようなロックウールとセラミックス材料の混合比で材料を混合し、成形して焼成して、触媒担体１２を製作する。
【００４３】
即ち、セラミック原料に混入させる断熱材料割合を触媒担体１２の所望の伝熱量、即ち、燃料改質部１０のみが先に昇温されるのではなく、燃料改質部１０と下流のガス変成部１５とが略同じようなタイミングで暖機が終了するように設定された伝熱量に応じて決定するようにしている。
【００４４】
なお、断熱性材料としてロックウールを用いたものについて説明したが、その他の断熱性材料であってもよく、例えば、ケイ酸カルシウムやアルミナファイバ、その他にも断熱材として利用される各種断熱材料を用いてもよい。また、燃料改質部１０を形成する外皮素材あるいは断熱法、触媒担体選定を行ってもよい。また、ガス変成部１５の昇温時間が相対的に短縮されて燃料改質部１０の暖機運転時間より短いのであれば、逆に、セラミックス母材に高熱伝達性の材料を混合して熱伝達率を高めるよう燃料改質部１０の熱伝達量を調整し、燃料改質部１０とガス変成部１５の暖機運転時間を合わせるよう設計しても良い。
【００４５】
図４に示すように、燃料改質部１０が暖機完了温度に達する時間は、細い実線で示す従来では時間ｔ１であるのに対し、本変形例の実施例においては、燃料改質部１０による熱伝導を低減するため、太い実線で示す時間ｔ２まで長くできる。
【００４６】
他方、ガス変成部１５が暖機完了温度に達する時間は、細い破線で示す従来では時間ｔ３と長いのに対し、本変形例の実施例においては、燃料改質部１０による熱伝導を低減することでガス変成部１５の暖機に用いる熱量が増加するため、太い破線で示す時間ｔ２まで短くできる。
【００４７】
以上の動作特性により、燃料改質部１０が暖機完了状態で、かつ、ガス変成部１５の暖機が完了するまで待機している状態で、燃料改質システム２が暖機運転される時間の短縮もしくは排除を行うことができ、燃料改質システム２の暖機のための燃料消費量を低減できる。
【００４８】
図５は図４の動作特性を備えた燃料改質システムの起動方法を示す制御フローチャートである。本実施例においては、燃料改質部１０の暖機完了時間とガス変成部１５の暖機完了時間とを略等しくなるよう設計している。このため、図３に記載する制御フローチャートのように、燃料改質システム２の構成要素の全てにおいて起動運転中に温度計測をすることを必要とせず、燃料改質部１０およびガス変成部１５の構成要素のうち最も暖機に時間のかかる構成要素のみの温度を測定すればよい。
【００４９】
従って、図３の制御フローチャートのステップＳ１５における判断を、この制御フローチャートはステップＳ２０に示す判断に変更し、燃料改質部１０の温度が暖機完了温度に達したか否かを判断するようにしている。他のステップにおける処理および判断は、図３の制御フローチャートと同じである。なお、改質部の暖機時間が変成部の暖機時間よりも長い場合には、ステップＳ２０の判断として、燃料改質部１０の温度によらず、ガス変成部１５のいずれかの構成要素が暖機完了温度に達したか否かを判断するようにしてもよい。
【００５０】
なお、上記実施形態において、起動用燃焼器１において希薄燃焼をさせて発生した高温ガスＧ１の持つ熱を燃料改質部１０に導入する暖機方法について説明したが、燃料Ｆ１は過濃混合気状態で導入して起動用燃焼器１で燃焼反応させることにより、高温ガスＧ１中に燃料成分を残留させ、残留燃料成分を燃料改質部１０およびまたは一酸化炭素除去部１８で空気Ａ２およびまたは空気Ａ３を導入することにより燃焼させ、燃料改質システム２内の発熱量を増加させることにより暖機運転時間を短縮させる構成としてもよい。
【００５１】
また、暖機運転時に起動用燃焼器１からの高温ガスＧ１を燃料改質部１０に導入する際に、燃料Ｆ２を少量導入することにより、燃料改質部１０中に燃料成分を残留させ、燃料改質部１０およびまたは一酸化炭素除去部１８で空気Ａ２およびまたは空気Ａ３を用いて燃焼させた時に発生する熱を用いて燃料改質システム２の暖機を行っても良い。
【００５２】
さらに、起動用燃焼器１からの高温ガスＧ１の全量を燃料改質部１０に導入する例を説明したが、図示しないが、一部を一酸化炭素除去部１８にバイパスするようなバイパスラインを設け、優先的に一酸化炭素除去部１８を昇温させるよう構成してもよい。
【００５３】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００５４】
（ア）燃料改質システム２における燃料と水および空気により改質ガスを生成する燃料改質部１０の構成部材の熱伝導率を、燃料改質部１０で生成された改質ガスから一酸化炭素を低減するガス変成部１５の構成部材の熱伝導率より小さく形成した。このため、燃料改質部１０よりガス変成部１５の方が伝熱し易い燃料改質システム２となり、燃料改質部１０に供給された熱およびまたは燃料改質部１０で発生した熱は、緩やかに燃料改質部１０を昇温させ、熱の大部分は下流のガス変成部１５に流出する。これにより、ガス変成部１５の暖機・昇温を促進してその暖機運転時間を短縮できる一方、燃料改質部１０は昇温させ難いために暖機運転時間を長くできる。したがって、燃料改質部１０の暖機が完了しているにもかかわらずガス変成部１５の暖機が未完了であるような燃料改質システム状態を短時間にできる。また、燃料改質部１０の昇温がし難いことにより、燃料改質部１０の温度が上昇して改質触媒１２が劣化する恐れも少なくすることができ、システムの信頼性も向上する。
【００５５】
（イ）燃料改質部１０の構成部材である触媒担体１２の熱伝導率はガス変成部１５の構成部材である触媒担体２０の熱伝導率より小さくしたため、各触媒担体１２、２０の材質を選定するのみで、燃料改質部１０ではセラミック若しくはセラミックに断熱材料を混合する等して熱伝導率を小さくし、ガス変成部１５では金属担体とすることで熱伝導率を高くすることができる。
【００５６】
（ウ）燃料改質部１０の触媒担体１２を少なくともセラミックス材料を含んだ担体とすることにより、熱伝導率を一般的に金属担体の１／１０程度に低減でき、且つコストも低減できる。また、セラミックス担体はセラミックス材料を成形・焼成することにより作製するため、セラミックス材料に他の材料の混ぜ込むことにより熱伝導率を調整することやさまざまな形状をもつ触媒担体１２に成型でき汎用性を大きくできる。
【００５７】
（エ）燃料改質部１０の触媒担体１２は、セラミックス材料にセラミックス材料よりも熱伝導の小さい断熱材料を混入させて成形し、成形後に焼成して製作された担体とすることにより、燃料改質部１０の暖機運転時間をより長くし、暖機中に燃料改質部１０に供給あるいは燃料改質部１０で発生した熱を燃料改質部１０で多く消費することなく速やかに下流のガス変成部１５に流出させることができ、効率的にガス変成部１５の暖機に使用できる。これにより、燃料改質部１０が暖機を完了し且つ一酸化炭素除去部１８が暖機を完了していない状態を短時間化し、燃料改質システム２を効率よく起動することができる。また、触媒担体１２に断熱性材料を混入させることで、燃料改質部１０の保温状態もよくなり、燃料改質システム２の定常運転中の放熱量を低減できるという利点もある。混入させる材料例として、断熱材料に用いるロックウールのような材料があげられ、これは通常のセラミックス材料の約１／１０程度の熱伝導度を有している。
【００５８】
（オ）セラミック材料に混入させる断熱材料割合を燃料改質部１０の触媒担体１２の熱伝達率が所望の伝熱量、即ち、燃料改質部１０のみが先に昇温されるのではなく、燃料改質部１０と下流のガス変成部１５とが略同じようなタイミングで暖機が終了するように調整されるため、起動開始からの経過時間のみで暖機完了を判断することができる。また、燃料改質部１０あるいはガス変成部１５のいずれかの構成要素の暖機完了判断により燃料改質システム２全体が暖機完了したと判断でき、制御項目を削減でき、制御を簡略化できる。
【００５９】
（カ）燃料改質部１０の熱伝達率を、他の部分に比較して小さくし、燃料改質部１０は燃料改質部１０に供給あるいは燃料改質部１０にて発生する熱が小さい熱伝達率により燃料改質部１０本体へ伝達された熱により昇温させるものであるため、ガス変成部１５の暖機・昇温を促進することができ、ガス変成部１５の暖機所要時間を短縮することができる。
【００６０】
（キ）燃料改質部１０とガス変成部１５が略同時に暖機を完了するため、燃料改質システム２暖機完了の判断は、燃料改質部１０あるいはガス変成部１５のいずれかの暖機完了の判断を行うことによって可能になり、燃料改質システム２暖機完了判断を容易にすることができる。また、双方が同時に暖機を完了することにより、燃料改質システム２が暖機運転から定常運転への切換えらた後も効率的な改質運転を行うことができる。
【００６１】
（ク）材料の熱伝導率によって燃料改質部１０を構成する材料を選定、あるいは材料の混合して所望の熱伝導率を有する燃料改質部１０を作製することによって、燃料改質部１０の暖機運転時間が、ガス変成部１５の暖機運転時間とほぼ等しくなるよう調節することができる。これにより、燃料改質部１０のみ熱伝達率の設計検討で、燃料改質システム２の最適暖機所要時間を決定することができる。
【００６２】
（ケ）燃料改質システム２の起動運転から定常運転への運転切換えの判断を、ガス変成部１５を構成する構成要素の最も暖機に時間を要する要素のいずれか一つおよびまたは燃料改質部１０の温度が所定の暖機完了温度となることにより行うため、燃料改質システム２構成要素の少なくとも１つの要素の温度を測定することで燃料改質システム２の制御を行うことが可能であり、制御機構を簡略化することができる。
【００６３】
（第２実施形態）
図６および図７は、本発明を適用した燃料改質システムおよびその起動方法の第２実施形態を示し、図６は燃料改質システムを含む燃料電池システムのシステム構成図、図７は燃料改質システム起動方法を示す制御フローチャートである。本実施形態においては、暖機用熱源として起動用燃焼器を用いることに代えて燃料改質部内で触媒により熱を発生させるようにしたものである。なお、前実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【００６４】
図６において、燃料改質部１０には、暖機運転時は燃料Ｆ２および空気Ａ２をその混合比が燃料過剰となる条件にて暖機に必要な熱量を発生させるに充分な供給流量で供給し、定常運転時は燃料Ｆ２、空気Ａ２および水Ｈ１を、燃料電池部３で発電を行うのに必要な水素量を燃料改質システム２にて十分に改質して生成できる供給流量で供給するように構成している。
【００６５】
図７は図６に示す燃料改質システムの起動方法を示す制御フローチャートである。本制御フローチャートにおいては、上記構成のため、図３に示す制御フローチャートのステップＳ７〜ステップＳ１０における起動用燃焼器１に対する処理をステップＳ２１で示す燃料改質部１０に対する処理に変更し、図３に示すステップＳ１１およびステップＳ１８の処理内容をステップＳ２２およびステップＳ２３の処理内容に変更している。
【００６６】
従って、ステップＳ２１では、暖機運転時、燃料改質部１０に燃料Ｆ２および空気Ａ２をその混合比が燃料過剰となる条件にて導入する。
【００６７】
ステップＳ２２では、燃料改質部１０内に担持された触媒１１表面上で燃料Ｆ２と空気Ａ２を反応させて発熱させる。燃料改質部１０は熱伝導率が小さいため、燃料改質部１０内で発生した熱の大部分は燃料改質部１０の触媒担体１２および反応器外皮を大幅に昇温させずに若干だけ昇温させてガスＧ２により熱交換部１６に供給される。空気Ａ２に含まれる酸素は燃料過剰な混合比での触媒１１による反応に消費され、排出されるガスＧ２には酸素が含まれないものとなる。
【００６８】
ステップＳ２３では、水Ｈ１の供給を開始すると同時に、空気Ｆ２および燃料Ａ２の供給流量を定常運転の流量に切換える。同時に、コントローラ５より燃料電池部３における発電の開始信号が出力される。このときの燃料Ｆ２、空気Ａ２および水Ｈ１は、燃料電池部３で発電を行うのに必要な水素量を燃料改質システム２にて十分に改質して生成できる供給流量とする。この結果、燃料Ｆ２、空気Ａ２および水Ｈ１により、燃料改質システム２にて水素リッチな改質ガスであるガスＧ５が生成され、燃料電池部３に供給されるようになる。
【００６９】
なお、上記実施形態において、燃料改質部１０において触媒１１により反応をさせて混合比が燃料過剰となる条件にて暖機に必要な熱量を発生させる暖機方法について説明したが、燃料Ｆ２の流量を過剰にしてガスＧ２中に燃料成分を残留させ、残留燃料成分を一酸化炭素除去部１８で空気Ａ３を導入することにより燃焼させ、燃料改質システム２内の発熱量を増加させることにより暖機運転時間を短縮させる構成としてもよい。
【００７０】
また、燃料改質部１０からの高温ガスＧ２の全量をガス変成部１５に導入する例を説明したが、図示しないが、一部を一酸化炭素除去部１８にバイパスするようなバイパスラインを設け、優先的に一酸化炭素除去部１８を昇温させるよう構成してもよい。
【００７１】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）〜（ケ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。
【００７２】
（コ）燃料改質部１０に燃料と空気とをその混合比が燃料過剰となる条件にて供給して燃料改質部１０内で触媒１１により反応させて熱を発生させるようにしているため、暖機用熱源として起動用燃焼器１を必要とせず、システム構成が簡単化でき、また、起動運転から定常運転への切換えも、水（水蒸気）の供給開始と燃料及び空気の供給量の変更により行え、制御が簡単化できる。
【００７３】
なお、上記各実施形態において、酸素供給源として空気を使用するものについて説明したが、図示しないが、その他の酸素供給法であってもよい。
【００７４】
また、上記各実施形態において、ガス変成部１５は、熱交換器１６、水性ガスシフト反応器１７、一酸化炭素除去部１８で構成されているものについて説明したが、それらの一部からなるものであってもよいし、その他の構成要素が付加されているものであってもよい。
【００７５】
また、起動開始は電源ＯＮという入力を例としているが、図示しないが、タイマー等を用いた疑似信号や温度や圧力等の低下による燃料電池システムの再起動を指示する信号であってもよい。
【００７６】
また、燃料電池部３は、燃料改質システム２の暖機が完了した後に運転を開始するものについて説明したが、図示しないが、燃料改質システムの暖機中は、その他の水素供給系より水素を供給して発電を行うような構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料改質システムを含む燃料電池システムのシステム構成図。
【図２】ガス変成部の異なる本発明の他の実施形態を示す燃料改質システムを含む燃料電池システムのシステム構成図。
【図３】燃料改質システム起動方法を示す制御フローチャート。
【図４】図１に示す燃料改質システムの変形例における動作特性を示すグラフ。
【図５】図４の動作特性を備ええた燃料改質システムの起動方法を示す制御フローチャート。
【図６】本発明の第２実施形態を示す燃料改質システムを含む燃料電池システムのシステム構成図。
【図７】図６の燃料改質システム起動方法を示す制御フローチャート。
【符号の説明】
１起動用燃焼器
２燃料改質システム
３燃料電池（燃料電池部）
４燃焼器
５コントローラ
１０燃料改質部
１１、１９触媒
１２、２０触媒担体
１５ガス変成部
１６熱交換器
１７水性ガスシフト反応器
１８一酸化炭素除去部

Claims

少なくとも燃料と水とを用いて改質ガスを生成する燃料改質部と、燃料改質部で生成された改質ガスから一酸化炭素を低減するガス変成部とを備えた燃料改質システムにおいて、
前記燃料改質部の構成部材の熱伝導率がガス変成部の構成部材の熱伝導率より小さいことを特徴とする燃料改質システム。
前記燃料改質部の構成部材が燃料改質触媒を担持する触媒担体であり、前記ガス変成部の構成部材が一酸化炭素を低減する触媒を担持する触媒担体であり、前記燃料改質部の触媒担体の熱伝導率は前記ガス変成部の触媒担体の熱伝導率より小さいことを特徴とする請求項１に記載の燃料改質システム。
前記燃料改質部の触媒担体は、少なくともセラミックス材料を含んだ担体であることを特徴とする請求項２に記載の燃料改質システム。
前記燃料改質部の触媒担体は、セラミックス材料にセラミックス材料よりも熱伝導の小さい断熱材料を混入させて成形し、成形後に焼成して製作された担体であることを特徴とする請求項３に記載の燃料改質システム。
前記セラミック材料に混入させる断熱材料割合は、燃料改質部の熱伝導率が所望の伝熱量となるように調整されることを特徴とする請求項４に記載の燃料改質システム。
少なくとも燃料と水とを用いて改質ガスを生成する燃料改質部と、燃料改質部で生成された改質ガスから一酸化炭素を低減するガス変成部とを備える燃料改質システムの起動方法において、
前記燃料改質部の熱伝達率を、他の部分に比較して小さくし、
前記燃料改質部は燃料改質部に供給あるいは燃料改質部にて発生する熱が小さい熱伝達率により燃料改質部本体へ伝達された熱により昇温させることを特徴とする燃料改質システム起動方法。
前記燃料改質システムの起動開始時間から前記燃料改質部の暖機が完了するまでの所要時間と、前記ガス変成部の暖機が完了するまでの所要時間とをほぼ等しくすることを特徴とする請求項６に記載の燃料改質システム起動方法。
前記燃料改質部を構成する材料の熱伝達率を調整して暖機の所要時間を、前記ガス変成部の暖機所要時間とほぼ等しく調整することを特徴とする請求項７に記載の燃料改質システム起動方法。
前記燃料改質システムの起動運転から定常運転への運転切換えの判断を、ガス変成部を構成する構成要素の最も暖機に時間を要する要素のいずれか一つおよびまたは燃料改質部の温度が所定の暖機完了温度となることにより行うことを特徴とする請求項６に記載の燃料改質システム起動方法。