JP2004307238A - 改質装置、及びこれを用いた燃料電池システム並びに改質装置の過熱防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】改質触媒の加熱昇温を防止し、下流部への熱伝導を抑制でき、改質システムの損傷を防止することのできる改質装置及びこれを用いた燃料電池システム並びに改質装置の過熱防止方法を提供すること。
【解決手段】本発明は、原燃料の改質反応を促進するための改質触媒が備えられた改質部を少なくとも設けてなる改質装置において、前記改質触媒の温度が上昇した際に冷却媒体を導入する冷却媒体導入手段を改質装置後段に設けたことを特徴とする改質装置を提供する。また、本発明は、上記改質装置と、該改質装置によって得られた燃料ガスの供給を受けて電気を発生する燃料電池と、を含んでなることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原燃料を水素リッチな燃料ガスに変換するための改質装置、詳細には、改質触媒の加熱昇温を防止し、下流部への熱伝導を抑制でき、改質システムの損傷を防止することのできる改質装置、これを用いた燃料電池システム、改質装置の過熱防止方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、原燃料を水素リッチな燃料ガスに変換するための、触媒反応を利用する改質触媒を備えた改質装置が、改質システム、燃料電池システム及びこれを使用した自動車や住宅等の種々の分野において広く利用されている。
【０００３】
例えば、特開２０００−２１４３１号公報において、原燃料及び水蒸気の凝縮による改質触媒の性能低下の防止を目的として、改質装置の停止時に該改質装置の上流側に水素を供給して改質装置内の残留原燃料及び水分をパージする手段を備えた燃料電池用改質設備の停止方法が提案、開示されている（特許文献１）。
【０００４】
また、特開２００１−１５８６０３号公報には、改質装置の停止の際における加熱昇温の防止及び残存原燃料の除去を目的として、空気導入を停止して水蒸気改質反応により触媒温度を低下させ、該触媒温度が所定温度以上であるうちに水及びメタノール導入を停止し、メタノール濃度を所定割合以下にするメタノール改質装置の停止方法が提案されている（特許文献２）。この方法では、まず初めに空気導入を停止し、水及びメタノールのみを触媒層に導入し続けることにより、メタノール水蒸気改質反応の吸熱反応を利用して触媒層温度を下げることが行われる。そして、該公報の図１には、この方法の一実施形態として、改質触媒層の前段に水及びメタノールを導入する手段が開示されている。
【０００５】
しかし、これらの方法のように、改質触媒の前段に冷却媒体を導入すると、改質触媒の前段側（上流側）の温度を下げることはできるが、改質触媒の後段側（下流側）において異常高温が発生した場合には、改質触媒後段にて触媒反応してしまい、加熱昇温を起こしてしまうという問題がある。また、改質触媒における加熱昇温により、その下流に位置する部材に高熱が伝導し、該部材が損傷してしまうという問題も生じる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２１４３１号公報
【特許文献２】
特開２００１−１５８６０３号公報
【本発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の目的は、改質触媒の加熱昇温を防止し、下流部への熱伝導を抑制でき、改質システムの損傷を防止することのできる改質装置、及びこれを用いた燃料電池システム並びに改質装置の過熱防止方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、原燃料の改質反応を促進するための改質触媒が備えられた改質部を少なくとも設けてなる改質装置において、前記改質触媒の温度が上昇した際に冷却媒体を導入する冷却媒体導入手段を改質装置後段に設けたことを特徴とする改質装置を提供することにより、前記目的を達成したものである。
【０００９】
即ち、本発明によれば、かかる構成を有するものであるため、改質触媒の加熱昇温（過熱）を防止し、下流部への熱伝導を抑制でき、改質システムの損傷を防止することができる。
【００１０】
また、本発明は、改質装置後段に、更に、改質装置内に残る残留ガスを排出する残留ガス排出手段を備える前記改質装置を提供するものである。この構成を有する改質装置によれば、下流部への熱伝導及び改質システムの損傷を更に効果的に防止することができる。
【００１１】
また、本発明は、改質部後段に前記冷却媒体導入手段を設けたことを特徴とする前記改質装置を提供するものである。
また、本発明は、改質部後段に前記残留ガス排出手段を設けたことを特徴とする前記改質装置を提供するものである。
これらの構成を有する改質装置によれば、改質部より下流部となる部材への熱伝導及び改質システムの損傷を効果的に防止することができる。
【００１２】
また、本発明は、前記冷却媒体が窒素ガスである前記改質装置を提供するものである。この構成を有する改質装置によれば、改質装置の冷却を速やかに行うことができ、改質触媒の加熱昇温、下流部への熱伝導及び改質システムの損傷を更に一層効果的に防止することができる。
【００１３】
また、本発明は、前記改質部が、前記原燃料を蒸発させる蒸発部の下流に設けられ、所定量の一酸化炭素を酸化、低減させるＣＯ浄化部の上流に設けられる、前記改質装置を提供するものである。この構成を有する改質装置によれば、蒸発部からの残留ガスによる触媒反応が起こらず、またＣＯ浄化部への熱伝導を抑え、ＣＯ浄化部の損傷を防止することができる。
【００１４】
また、本発明は、前記改質装置と、該改質装置によって得られた燃料ガスの供給を受けて電気を発生する燃料電池と、を含んでなることを特徴とする燃料電池システムを提供するものである。
本発明の燃料電池システムは、かかる構成からなるため、エネルギー効率を高めることができ、特に燃料電池自動車等への搭載に有用である。
【００１５】
また、本発明は、原燃料を改質するための改質触媒が備えられた改質部を少なくとも設けてなる改質装置の過熱防止方法であって、前記改質触媒の温度が上昇した際に、改質装置後段に冷却媒体を導入する工程を含むことを特徴とする改質装置の過熱防止方法を提供するものである。
本発明の過熱防止方法によれば、かかる構成からなるため、改質触媒の加熱昇温を防止することができ、これにより下流部への熱伝導を抑制でき、改質システムの損傷を防止することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の改質装置、及び燃料電池システム並びに改質装置の過熱防止方法を、それらの好ましい実施形態に基づいて図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１７】
先ず、本発明の改質装置について詳述する。
図１は、本発明の改質装置の一実施形態を示す主要ブロック図である。図１に示すように、本実施形態の改質装置１は、原燃料としてのメタノールから、水素（Ｈ_２分子）がリッチな燃料ガスを生成するものである。図１に示すように、改質装置１は、蒸発部１１、改質部１２及びＣＯ浄化部１３から構成されている。ここで、改質装置１の使用時には、蒸発部１１から原燃料を投入し、次いで改質部１２、その後ＣＯ浄化部１３という順に改質させつつ移動させる。そして、改質部１２は、その後段、即ち原燃料が改質されつつ移動する方向に対して下流側の任意の壁面に位置する窒素パージ投入口１４と、該投入口１４が存する壁面に略対向する壁面に位置する残留ガス排出口１５と、を備えている。
【００１８】
蒸発部１１は、原燃料としてのメタノールとともに、後述の水蒸気改質反応に供するための水の供給を受け、これらメタノールと水とを気化させる。尚、改質装置１は、その隣接する位置に図示しない燃焼部を併設しているが、この燃焼部の燃焼熱が蒸発部１１に導かれ、この燃焼熱が蒸発部１１に供給されたメタノールと水とを沸騰、気化させる。
【００１９】
改質部１２は、その内部に、原燃料の改質反応を促進するための改質触媒として、触媒金属であるＣｕ−Ｚｎ触媒で形成されたペレットが充填されている。この改質部１２では、蒸発部１１から十分に昇温されたメタノール及び水の気化ガスの供給を受けて下記（１）、（２）及び（３）に示す水蒸気改質反応を進行させ、水素リッチな改質ガスが生成される。
ＣＨ_３ＯＨ → ＣＯ ＋ ２Ｈ_２ − ９０．０（ｋＪ／ｍｏｌ）…（１）
ＣＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２ ＋ ４０．５ （ｋＪ／ｍｏｌ）…（２）
ＣＨ_３ＯＨ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２ ＋ ３Ｈ_２ − ４９．５（ｋＪ／ｍｏｌ）…（３）
【００２０】
而して、改質部１２の後段には、既述の通り、窒素パージ投入口１４及び残留ガス排出口１５が備えられている。本実施形態の改質装置１は、その作動中において改質触媒の温度が上昇した際には、この窒素パージ投入口１４から改質部１２後段の内部に直接窒素パージが行われる。これによって、改質部１２後段の加熱昇温が防止される。また、この際、残留ガス排出口１５から改質部１２後段の内部にある残留ガスが排出される。これによって、ＣＯ浄化部１３への熱伝導を抑え、ＣＯ浄化部その他の改質システムの部材の損傷を効果的に防止することができる。
【００２１】
尚、参考までに、従来の改質装置の例を図２に示す。図２は、従来の改質装置の一例を示す主要ブロック図である。図２に示すように、従来の改質装置では、例えば、改質装置の高温異常が起こった際に、原燃料の流れ方向を利用して、蒸発部から窒素パージして残留ガスをＣＯ浄化部から排出していた。このため、改質部後段が高温異常になった際は、蒸発部から流れてきた残留ガスが改質部後段で触媒反応し、改質部後段の加熱昇温が起こっていた。さらに、この際、改質部後段から下流部であるＣＯ浄化部への高熱伝導が発生し、改質装置又はこれを含む改質システムの損傷の原因となっていた。これに対し、本発明の改質装置は、改質部の後段に直接窒素パージ等の冷却媒体を導入する手段を設けることによって、速やかに冷却を行い、ＣＯ浄化部等の下流部への高熱伝導の防止を達成したものである。さらに、本発明の改質装置は、改質部の後段に残留ガス排出手段を設けることが好適であり、これにより本発明の効果を効果的に達成することができるものである。
【００２２】
また、改質部１２は、燃焼部で発生した燃焼ガスを供給される他に、内部を加熱する手段として図示しない電気式のヒータを備えており、改質装置１が定常状態となったときには、このヒータによって改質部１２内部を水蒸気改質反応に適した温度に維持することが可能となっている。
【００２３】
ＣＯ浄化部１３は、改質部１２から生成された改質ガス（所定量の一酸化炭素（ＣＯ）を含有する水素リッチガス）が供給され、改質ガス中の水素に優先して一酸化炭素の酸化が行なわれるものである。ＣＯ浄化部１３には、一酸化炭素の選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、あるいはこれらを第１元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。また、ＣＯ浄化部１３における一酸化炭素の選択酸化反応は、酸素を含有する酸化ガスによって進行し、この酸化ガスは、エアタンク等によって外部から供給される。このようにして、ＣＯ浄化部１３において、改質ガスの一酸化炭素濃度が下げられる。ＣＯ浄化部１３で上記のように一酸化炭素濃度が下げられた燃料ガスは、燃料電池システムに使用される場合には、後述する燃料電池に導かれ、アノード側における電池反応に供される。
【００２４】
以上本発明の改質装置をその好ましい実施形態に基づき詳述したが、本明細書において特に詳述しない点については、改質装置や改質システム、燃料電池システム等において通常使用される改質装置の構成が適宜適用される。
【００２５】
尚、本実施形態では既述の構成としているが、本発明の改質装置としては、改質部の後段に冷却媒体を導入する手段を備える限り、その構成に特に制限を受けるものではない。例えば、燃焼部を更に備えるものや、ＣＯ浄化部を改質装置外に設けて改質装置内を蒸発部と改質部から構成したものであってもよい。
【００２６】
また、本実施形態においては原燃料としてメタノールを用いているが、本発明に使用可能な原燃料としては、改質に必要なＨ原子を分子内に少なくとも有する限り特に制限を受けず、例えば、無置換の炭化水素（Ｃ_ｎＨ_ｍ；ｎ，ｍは整数）の他、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボニル基（−ＣＯ−）等の置換基や酸素原子（Ｏ）等のヘテロ原子を含有する炭化水素等を用いることができる。そのような原燃料の具体例としては、メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_５）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）、ガソリン、軽油、天然ガス、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）、エタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）、ＤＭＥ（ＣＨ_３ＯＣＨ_３）、アセトン（ＣＨ_３Ｃ（＝Ｏ）ＣＨ_３）等が挙げられる。
【００２７】
これらの原燃料の中でも、メタノールは比較的低い温度で改質反応を行うことができるため、改質装置又はこれを含む改質システムの運転及び停止を繰り返す必要のある用途に用いる場合には好ましい。また、メタノールは所定体積の他の原燃料に比して改質反応で生じる改質ガス（燃料ガス）から得られるエネルギ量が多い原燃料である。従って、改質装置又はこれを含む改質システムを車両に搭載し、この改質装置又は改質システムによって車両駆動用電源である燃料電池に燃料ガスを供給する場合のように、移動を伴う用途に改質装置又は改質システムを用いる場合には有利である。
【００２８】
次に、本発明の燃料電池システムについて詳述する。
本発明の燃料電池システムは、前述した改質装置を含む改質システムの好適な一実施形態である。図３は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す主要ブロック図である。本実施形態の燃料電池システム３０は、前述した改質装置１と、該改質装置１によって得られた燃料ガスの供給を受けて電気を発生する燃料電池４０と、を少なくとも含んでなる構成を有している。
【００２９】
具体的には、図３に示すように、燃料電池システム３０は、原燃料としてのメタノールを貯留するメタノールタンク２１と、水を貯留する水タンク２２と、ポンプや流路を介して供給されたメタノール及び水を気化させる蒸発部１１、内部に改質触媒を有し壁面に窒素パージ投入口１４及び残留ガス排出口１５を有するメタノールの改質反応を行なうための改質部１２、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するＣＯ浄化部１３からなる改質装置１と、該改質装置１の隣接する位置に併設され蒸発部１１に燃焼熱を付与する燃焼部２０と、ガス通路を介して窒素パージ投入口１４に導入される冷却媒体としての窒素ガスのために貯蔵する窒素タンク１６と、改質触媒の温度が上昇した際に窒素ガスを窒素パージ投入口１４にパージ供給するための供給装置１７と、改質部１２後段内部の温度を検知する温度センサ１８と、電気化学反応により起電力を得る燃料電池４０と、圧縮空気を蓄えるエアタンク３１、圧縮空気を補助的に供給するコンプレッサ３２、コンピュータにより構成される制御部６を主な構成要素とする。尚、図３において、図１と対応する部分には同一符号を付し、係る部分の詳述は省略する。
【００３０】
ここで、制御部６は、次の特性を有している。即ち、制御部６は、改質部１２が備える改質触媒の加熱昇温の防止、ＣＯ浄化部への熱伝導の抑制及び改質システムの損傷防止の観点から、改質部１２後段への窒素ガスパージ量を適正量に制御する。具体的には、制御部６は、改質部１２後段の温度センサ１８により検出された信号に基づき決定した指令を供給装置１７に送る。そして、供給装置１７は、制御部６から出力される信号（指令値）によって駆動され、ノズルからの窒素ガスパージ量を適正量に調整する。
【００３１】
この制御部６は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、温度センサ１８からの検出信号を入力すると共にＣＰＵでの演算結果に応じて既述した供給装置１７や各種ポンプ等に駆動信号を出力する入出力ポート等を備える（図３参照）。
【００３２】
このようにして、改質部１２後段における改質触媒の加熱昇温の防止、改質部１２からＣＯ浄化部１３への熱伝導の抑制、及び改質システムの損傷の発生防止を効果的に達成させることができる。
【００３３】
尚、メタノールと水とが混合される割合は、前記（１）式〜（３）式に示す水蒸気改質反応が充分に進行可能となる量であって、生成された改質ガス中に、燃料電池に供給する燃料ガスとして充分量の水蒸気が含まれるようになる量として定められる。
【００３４】
燃料電池４０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セル４８を複数積層したスタック構造を有している。図４は、燃料電池４０を構成する単セル４８の構成を例示する断面図である。単セル４８は、電解質膜４１と、アノード４２およびカソード４３と、セパレータ４４，４５とから構成されている。
【００３５】
アノード４２およびカソード４３は、電解質膜４１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス拡散電極である。セパレータ４４，４５は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード４２およびカソード４３との間に、燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。アノード４２とセパレータ４４との間には燃料ガス流路４４Ｐが形成されており、カソード４３とセパレータ４５との間には酸化ガス流路４５Ｐが形成されている。セパレータ４４，４５は、図４ではそれぞれ片面にのみ流路を形成しているが、実際にはその両面にリブが形成されており、片面はアノード４２との間で燃料ガス流路４４Ｐを形成し、他面は隣接する単セルが備えるカソード４３との間で酸化ガス流路４５Ｐを形成する。このように、セパレータ４４，４５は、ガス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接する単セル間で燃料ガスと酸化ガスの流れを分離する役割を果たしている。もとより、単セル４８を積層してスタック構造を形成する際、スタック構造の両端に位置する２枚のセパレータは、ガス拡散電極と接する片面にだけリブを形成することとしてもよい。
【００３６】
ここで、電解質膜４１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施形態では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電解質膜４１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が塗布されている。触媒を塗布する方法としては、白金または白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加してペースト化し、電解質膜４１上にスクリーン印刷するという方法をとった。あるいは、上記触媒を担持したカーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートを作製し、このシートを電解質膜４１上にプレスする構成も好適である。
【００３７】
アノード４２およびカソード４３は、共に炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、本実形態では、アノード４２およびカソード４３をカーボンクロスにより形成したが、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルトにより形成する構成も好適である。
【００３８】
セパレータ４４，４５は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ４４，４５はその両面に、平行に配置された複数のリブを形成しており、既述したように、アノード４２の表面とで燃料ガス流路４４Ｐを形成し、隣接する単セルのカソード４３の表面とで酸化ガス流路４５Ｐを形成する。ここで、各セパレータの表面に形成されたリブは、両面ともに平行に形成する必要はなく、面毎に直行するなど所定の角度をなすこととしてもよい。また、リブの形状は平行な溝状である必要はなく、ガス拡散電極に対して燃料ガスまたは酸化ガスを供給可能であればよい。
【００３９】
以上、燃料電池４０の基本構造である単セル４８の構成について説明した。実際に燃料電池４０として組み立てるときには、セパレータ４４、アノード４２、電解質膜４１、カソード４３、セパレータ４５の順序で構成される単セル４８を複数組積層し（本実施形態では１００組）、その両端に緻密質カーボンや銅板などにより形成される集電板４６，４７を配置することによって、スタック構造を構成する。
【００４０】
燃料電池４０で起こる電気化学反応は、下記式に示す通りである。（４）式はアノードにおける反応、（５）式はカソードにおける反応を表わし、燃料電池全体では（６）式に示す反応が進行する。
Ｈ_２ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ …（４）
（１／２）Ｏ_２ ＋ ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ …（５）
Ｈ_２ ＋ （１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ …（６）
【００４１】
燃料ガス中に一酸化炭素が含まれる場合には、この一酸化炭素が白金触媒に吸着して触媒としての機能を低下させ、アノードにおける反応（（４）式の反応）を阻害して燃料電池の性能を低下させてしまう。そのため、燃料電池４０のような固体高分子型の燃料電池を用いて発電を行なうためには、供給する燃料ガス中の一酸化炭素濃度を所定量以下に低減して電池性能の低下を防ぐことが必須となる。なお、このような固体高分子型燃料電池において、供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度としての許容濃度は通常は数ｐｐｍ程度以下である。本実施形態の燃料電池システム３０は、前述の改質装置１を用いており、そのＣＯ低浄化１３から供給される一酸化炭素濃度が許容濃度の範囲内にあるため有用である。
【００４２】
また、燃料電池システム３０において、メタノールタンク２１からポンプ３に原燃料であるメタノールを送り込むメタノール流路には図示しないポンプが別に設けられており、メタノール量を調節可能となっている。このポンプは、制御部６に接続されており、制御部６から出力される信号によって駆動され、ポンプ３に供給するメタノール流量を調節する。
【００４３】
水タンク３２からポンプ３に水を送り込む給水路にも図示しないポンプが別に設けられており、ポンプ３に供給する水の量を調節可能となっている。このポンプは、メタノール量の調節のための上記ポンプと同じく制御部６に接続されており、制御部６から出力される信号によって駆動され、ポンプ３に供給する水量を調節する。
【００４４】
上記メタノール流路と給水路とは合流しており、ポンプ３で所定量ずつ混合されたメタノールと水とは改質装置１の蒸発部１１に供給される。
【００４５】
また、改質装置１に併設される燃焼部２０は、メタノールの改質反応（吸熱反応）を行う際に必要な熱量を発生し、改質装置１における蒸発部１１及び改質部１２に熱量を付与するものである。この燃焼部２０には、エアタンク３１から燃焼用のエアが図示しない流量調整弁を介して供給され、またメタノールタンク２１から燃焼用のメタノールが図示しないポンプを介して供給され、更に燃料電池４０から使用されずに残った水素等の残留ガスも供給される。
【００４６】
また、燃料電池４０のカソード側における電池反応に関わる酸化ガスは、エアタンク３１から空気供給路３３を介して圧縮空気として供給される。空気供給路３３には図示しない流量調整器が設けられており、エアタンク３１から燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調節可能となっている。酸化ガスは電池反応に供された後に酸化排ガスとなる。この際には、燃料電池４０の酸素極側において既述した（５）式の反応によって水が生じる。このため、酸化排ガス中の生成水を回収し、回収した水を再利用している。回収された生成水は、水回収路を介して水タンク３２に供給され、改質器１における蒸発部１１を経て改質部１２で行なわれるメタノールの水蒸気改質反応に供される。また、生成水を回収された酸化排ガスは、排ガス回収路を経由して燃焼部２０に供給される。燃料電池４０での電気化学反応に供された後に排出される酸化排ガスには酸素が残留しているため、燃焼部２０に供給された酸化排ガスは、燃焼部２０での燃焼反応に要する酸化ガスとして働く。
【００４７】
エアタンク３１は、図示しない圧縮機で加圧された空気が供給された圧縮空気を貯留するものである。エアタンク３１には、圧力センサ３４が設けられ、また該エアタンク３１内の空気量が不足するときこれを補うためのコンプレッサ３２が併設されている。圧力センサ３４は、制御部６に接続されている。制御部６は、この圧力センサ３４からの入力信号を基にエアタンク３１内の空気量を判断し、空気量が不足であると判断した場合にはコンプレッサ３２に対して駆動信号を出力し、エアタンク３１内に供給される圧縮空気量が充分量となるよう制御する。
【００４８】
なお、図３には示さなかったが、燃料電池システム３０は、燃料電池４０とは別に所定の２次電池を備えている。この２次電池は、燃料電池システム３０の起動時において燃料電池４０から充分な電力の供給が得られない間に、既述したコンプレッサ３２や各種ポンプなどを駆動するための電源として利用される。
【００４９】
燃料電池システム３０におけるシステム始動時の動作及び運転状態が定常状態となるときの動作については、前述した改質装置１を実施し得る限り特に制限されず、通常公知の動作によって処理される。
【００５０】
以上既述した実施形態では、改質装置１が有する改質部１２で進行する改質反応は、水蒸気改質反応を含むものとしたが、これに加えて部分酸化改質反応を含むこととしてもよい。酸化改質反応で生じる熱量を利用して水蒸気改質反応を行う場合には、ヒータで加熱しながら水蒸気改質反応を行う場合よりもさらにエネルギ効率が向上する。また、改質部１２においては、必ずしも水蒸気改質反応を行なう必要はなく、メタノールなどの液体原燃料を用いて酸化改質反応だけによって改質ガスを生成することとしてもよい。
【００５１】
また、既述した実施形態では、改質装置１で原燃料を改質して得た燃料ガスを供給される燃料電池は、固体高分子型燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池を備える燃料電池システムにおいて既述した改質装置を備えることとしてもよい。特に、燃料電池としてリン酸型燃料電池や固体電解質型燃料電池を用いる場合には、既述した実施形態の燃料電池システムの構成を準用することが可能である。
【００５２】
さらに本発明によれば、原燃料を改質するための改質触媒が備えられた改質部を少なくとも設けてなる改質装置の過熱防止方法であって、前記改質触媒の温度が上昇した際に、改質装置後段に冷却媒体を導入する工程を含む改質装置の過熱防止方法が提供される。本加熱防止方法の好適な実施形態は、前述した改質装置１及び燃料電池システム３０によって実現される形態が挙げられる。
【００５３】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて具体的に説明したが、本発明はこれらの実施形態により何等限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜変更形態で実施し得ることは勿論である。
【００５４】
冷却媒体を導入する部分としては、前述の実施形態では改質部後段に設けているが、本発明においては改質装置後段である限り特に制限されず、例えば、ＣＯ低減部の前段にパージ投入口等の冷却媒体導入部を設けてもよい。
【００５５】
また、同様に、残留ガスを排出する部分としては、前述の実施形態では改質部後段に設けているが、その備える位置に特に制限されるものではなく、例えば、ＣＯ低減部の前段等の改質装置後段等に設けることもできる。
【００５６】
また、本発明においては、改質装置後段に導入する冷却媒体として窒素ガスが好適であるが、これに限られず、本発明の効果を達成し得る種々の冷却媒体を用いることもできる。また、本発明においては、改質装置後段に残留ガス排出手段を設けたものを好適形態とするが、本発明の効果を達成し得る限りかかる手段を設けなくてもよく、また本発明の効果を達成し得る他の同様の手段を設けることもできる。
【００５７】
本発明によれば、改質触媒の加熱昇温を防止し、下流部への熱伝導を抑制でき、改質システムの損傷を防止することのできる改質装置、及びこれを用いた燃料電池システム並びに改質装置の過熱防止方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の改質装置の一実施形態を示す主要ブロック図である。
【図２】図２は、従来の改質装置の一例を示す主要ブロック図である。
【図３】図３は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す主要ブロック図である。
【図４】図４は、本発明の燃料電池システムの一実施形態に用いられる燃料電池を構成する単セルの構成を例示する断面図である。
【符号の説明】
１…改質装置、３…ポンプ、６…制御部、１１…蒸発部、１２…改質部、１３…ＣＯ低減部、１４…窒素パージ投入口、１５…残留ガス排出口、１６…窒素タンク、１７…供給装置、１８…温度センサ、２０…燃焼部、２１…メタノールタンク、２２…水タンク、３０…燃料電池システム、３１…エアタンク、３２…コンプレッサ、３３…空気供給路、３４…圧力センサ、４０…燃料電池、４１…電解質膜、４２…アノード、４３…カソード、４４，４５…セパレータ、４４Ｐ…燃料ガス流路、４５Ｐ…酸化ガス流路、４６，４７…集電板、４８…単セル

Claims (8)

1. 原燃料の改質反応を促進するための改質触媒が備えられた改質部を少なくとも設けてなる改質装置において、前記改質触媒の温度が上昇した際に冷却媒体を導入する冷却媒体導入手段を改質装置後段に設けたことを特徴とする改質装置。
2. 改質装置後段に、更に、改質装置内に残る残留ガスを排出する残留ガス排出手段を備える、請求項１に記載の改質装置。
3. 改質部後段に前記冷却媒体導入手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の改質装置。
4. 改質部後段に前記残留ガス排出手段を設けたことを特徴とする請求項２又は３に記載の改質装置。
5. 前記冷却媒体が、窒素ガスである、請求項１〜４の何れかに記載の改質装置。
6. 前記改質部は、前記原燃料を蒸発させる蒸発部の下流に設けられ、所定量の一酸化炭素を酸化、低減させるＣＯ浄化部の上流に設けられる、請求項１〜５の何れかに記載の改質装置。
7. 請求項１〜５の何れかに記載の改質装置と、該改質装置によって得られた燃料ガスの供給を受けて電気を発生する燃料電池と、を含んでなることを特徴とする燃料電池システム。
8. 原燃料を改質するための改質触媒が備えられた改質部を少なくとも設けてなる改質装置の過熱防止方法であって、前記改質触媒の温度が上昇した際に、改質装置後段に冷却媒体を導入する工程を含むことを特徴とする改質装置の過熱防止方法。

Images