JP2004315284A - 改質器と改質器を利用したシステム - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼部の調整のために、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで燃焼部で最大加熱量で燃焼させ続けても、改質部が過熱されないようにする。
【解決手段】燃料電池発電システム２は、改質水収容部６と改質水供給ポンプ１０と蒸発器１２と改質部１４と原燃料ガス収容部１６と燃焼部２６等を備えた改質器４と、燃料電池４８と水循環経路５０と循環ポンプ５２とシスターン５４等を備えた燃料電池発電装置５６と、制御部６６から構成される。改質水供給ポンプ１０は、改質運転時には、改質部１４が必要とする量の水蒸気を生成するだけの水量の改質水を蒸発器１２に供給する。燃焼部２６の調整作業時にはそれ以上の水量を蒸発器１２に供給可能であり、改質部１４が改質運転しないで最大加熱量で燃焼させ続けても、改質部１４が過熱されることを防止する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水蒸気と炭化水素系ガスから水素ガスを生成する改質器と、その改質器を組込んだシステムに関する。そのシステムの典型例には、改質器が生成した水素ガスと空気中の酸素を反応させて発電する燃料電池発電システムを挙げることができる。
本発明は、特に、燃焼部への燃料供給量の調整作業において改質部が過熱されることを防止する技術に関する。燃焼部への燃料供給量の調整作業のために、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで燃焼部で最大加熱量で燃焼することがあるが、その状態でも改質部が過熱されることを防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】水蒸気と炭化水素系ガスを改質反応させて水素ガスを生成する改質器が開発されている。改質器では改質触媒を利用して改質反応を促進する。改質触媒によって改質反応を効果的に促進するためには、改質部を６００℃から８００℃程度の高温（以下、改質適温という）に加熱した状態に維持する必要がある。水蒸気と炭化水素系ガスの改質反応は吸熱反応である。そこで、改質反応に伴う吸熱を補償して改質部を改質適温に維持するためには、改質部を加熱する燃焼部が必要とされる。
【０００３】
燃焼部では、燃料を燃焼させる。改質器の起動時には、室温程度に冷却されている改質部を６００℃から８００℃程度の改質適温に加熱する必要があり、多量の燃料（単位時間あたりの燃料量）を燃焼して大火力で改質部を加熱する。改質器が改質適温に加熱された後は、改質反応に伴う吸熱を補償する火力であればよく、燃焼部に送る燃料量（単位時間あたりの燃料量）は絞られる。
【０００４】
燃焼部の火力（単位時間あたりの加熱量）は、単位時間あたりに供給する燃料量によって調整される。燃料供給量と、バルブより下流の燃料供給経路内の圧力（以下、燃料供給２次圧という）は比例する（バルブが大きく開放されて燃料供給量が増大すれば、燃料供給２次圧も増大する）。この場合、燃料供給２次圧を測定することで燃料供給量を測定することができる。
【０００５】
改質器の利用を開始する前には、燃焼部の最小加熱量が意図した最小加熱量に調整されておりその状態で良好に燃焼することと、最大加熱量が意図した最大加熱量に調整されておりその状態で良好に燃焼することを確認する必要がある。また、そうなっていなければ調整をしなければならない。定期的に行うメインテナンス時にも、同様の調整と確認作業を必要とする。
【０００６】
特許文献１は、燃料供給２次圧の調整技術を示している。最小加熱量の確認のために、電磁弁に最小加熱量用の電流を加えて燃料供給２次圧を測定し、それが予め定められている所定圧力よりも低すぎれば（電磁弁が意図したほど開かなければ）最小加熱量用の電流を加えたときのバルブ開度を開け側に調整する。所定圧力よりも高すぎれば（電磁弁が意図したよりも開けば）最小加熱量用の電流を加えたときのバルブ開度を閉じ側に調整する。同様に、最大加熱量の確認のために、電磁弁に最大加熱量用の電流を加えて燃料供給２次圧を測定し、それが予め定められている所定圧力よりも低すぎれば（電磁弁が意図したほど開かなければ）最大加熱量用の電流を加えたときのバルブ開度を開け側に調整する。所定圧力よりも高すぎれば（電磁弁が意図したよりも開けば）最大加熱量用の電流を加えたときのバルブ開度を閉じ側に調整する。特許文献１は、調整作業を必要とする電磁弁の個数が多い場合に、短時間で調整する技術を開示している。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−３１１５３０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】改質器の燃焼部を調整している間は、改質反応に伴って発生するＣＯを低減する触媒が十分に機能せず、高濃度のＣＯが発生する可能性がある。このために、燃焼部の調整作業時には、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで燃焼部で燃焼させる。炭化水素系ガスを供給しないと改質反応に伴う吸熱作用が得られないために、改質部が過熱される可能性がある。
また、通常運転時に燃焼部で最大加熱量で燃焼させるのは、室温程度に冷却されている改質部を改質適温に加熱するまでの一時的な期間であり、改質適温に加熱されれば加熱量を絞る。燃焼部の調整のために最大加熱量で燃焼する時間が長くなると、改質部が過熱される可能性がある。
改質部が過熱されると、改質部に収容されている改質触媒が劣化してしまう。
【０００９】
従来の技術では、燃焼部の調整のために、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで燃焼部で最大加熱量で燃焼させ続けたときに、改質部が過熱されることに対して対策されていない。改質部が過熱される前にすばやく調整作業を完了しなければならない。
本発明では、燃焼部の調整のために、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで燃焼部で最大加熱量で燃焼させ続けても、改質部が過熱されないようにする技術を提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段と作用と効果】本発明の改質器は、水蒸気と炭化水素系ガスから水素ガスを生成する改質部と、燃料を燃焼することによって改質中の改質部を改質適温に維持する燃焼部と、改質部に供給する水蒸気を生成する改質水を供給する改質水供給ポンプを備えている。
本発明では、改質部に炭化水素系ガスを供給しないままに燃焼部で最大加熱量で燃焼する状態において、改質部が改質適温を超えて昇温することを防止できる水量以上の給水能力を持つ改質水供給ポンプを利用する。ここでいう「水量」とは、単位時間あたりの給水量を言う。
【００１１】
通常の運転時において改質部を改質適温に加熱維持するのに必要な熱量は、改質部の改質反応により吸熱される吸熱量と、改質部からの放熱量との和にほぼ等しい。改質反応による吸熱量に等しいだけの熱量を必要とする量の過剰な水が改質部に供給されれば、改質器に炭化水素系ガスを供給しないままに燃焼部で最大加熱量で燃焼させ続けても、改質部は改質適温以上に過熱されることがない。
改質水供給ポンプの本来の役割は、改質中の改質部で消費する水量を改質部に供給することであり、その給水能力は改質中の改質部で消費する水量をわずかに上回る水量に設定されている。それ以上に大きな給水能力を持つ改質水供給ポンプであると、改質器を保管しておく専用スペースを大きく取らなければならなかったり、製造コストを押上げたりする。また、給水能力の最小から最大までのレンジが広いと、改質水供給ポンプを制御できる精度が低下しまうことが多い。このため、従来の改質器は、改質中の改質部で消費する水量をわずかに上回る給水能力を持つ改質水供給ポンプを使用している。
本改質器では、燃焼部の調整のために、改質部に炭化水素系ガスを供給せずに燃焼部で最大加熱量で燃焼し続けることがあることを想定し、そのときでも多量の水を供給すると過熱が防止できることに着目し、通常運転時には必要とされない大型の改質水供給ポンプをあえて利用するのである。通常運転時には必要とされない大型の改質水供給ポンプを利用することによって、燃焼部の調整作業時に改質部が過熱されることを防止することができる。
【００１２】
改質水供給ポンプ自体については大型化しないこともできる。この方式の改質器は、水蒸気と炭化水素系ガスから水素ガスを生成する改質部と、水から水蒸気を生成する蒸発部と、燃料を燃焼することによって改質中の改質部を改質適温に維持する燃焼部と、蒸発器に改質水を供給する改質水供給ポンプを備えている。改質水供給ポンプの給水能力は、改質中の改質部が消費する水量をわずかに上回る水量に設定されており、それ自体では調整作業時の過熱の発生を防止することができない。
本発明の改質器の特徴的なことは、蒸発器に過剰水を供給する過剰水供給ポンプの接続口を備えていることであり、過剰水を供給することによって改質部の過熱を防止する。改質水供給ポンプと過剰水供給ポンプの合計給水能力が、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで燃焼部で最大加熱量で燃焼する状態において、改質部が改質適温を超えて昇温することを防止する水量以上に設定されていれば、燃焼部の調整のために、改質部に炭化水素系ガスを供給しないままに燃焼部で最大加熱量で燃焼し続けても、改質部の過熱を防止することができる。
この場合、大型の改質水供給ポンプを必要とせず、燃焼部の調整作業時に過剰水供給ポンプを接続することによって、改質部の過熱を防止しながら調整作業を進めることができる。
【００１３】
過剰水供給ポンプ単独の給水能力が、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで燃焼部で最大加熱量を燃焼する状態において、改質部が改質適温を超えて昇温することを防止する水量以上に設定されていることが好ましい。
この場合、改質水供給ポンプを運転しないで燃焼部の調整作業をすることができ、調整作業手順が簡単化される。
【００１４】
改質部から水素ガス利用部に向けて水素ガスを供給する配管に、その配管から水蒸気を放出する放出経路が設けられていることが好ましい。
水素ガス利用部のなかには、結露現象を引き起こす水蒸気の導入が好ましくないものが存在する。水素ガス利用部に向けてガスを供給する配管に、その配管から水蒸気を放出する放出経路が設けられていると、過熱の防止のために生成される水蒸気が水素ガス利用部に導入されることを防止することができる。
【００１５】
改質器と水素ガス利用装置を有するシステムの場合、過熱を防止するためのポンプを付加しないで、改質部の過熱を防止することができる。
即ち、改質器が、水蒸気と炭化水素系ガスから水素ガスを生成する改質部と、燃料を燃焼することによって改質中の改質部を改質適温に維持する燃焼部と、改質部に供給する水蒸気を生成する改質水を供給する給水管を備え、水素ガス利用装置が、水素ガスを消費する水素ガス消費部と、水素ガス消費部に冷却水を循環させる循環ポンプを備えている場合、循環ポンプが送り出した水を給水管に送る連結配管を付加する。
燃焼部の調整作業時には水素ガス消費部は使用されない。従って循環ポンプを運転して水素ガス消費部を冷却する必要がない。循環ポンプを別の目的に利用することができる。循環ポンプが送り出した水を給水管に送る連結配管を付加しておくと、循環ポンプによって改質部の過熱を防止するのに必要な水量の水を改質部に供給することができ、改質部の過熱を防止しながら燃焼部の調整作業を実施することができる。システムに本来的に必要とされるポンプによって過熱が防止され、過熱防止用のポンプを新たに用意する必要がない。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明が好適に適用される実施形態を説明する。
（形態１）燃焼部は、炭化水素系ガスを燃焼する。
（形態２）燃焼部は、炭化水素系ガスと改質ガスとオフガスの任意のガスを燃焼する。
ここで、改質ガスとは改質部が生成した水素ガスを主成分とするガスのことをいい、オフガスとは燃料電池が発電反応で消費し切れなかった水素ガスのことをいう。
（形態３）改質部に、脱イオン水から生成された水蒸気が供給される。
（形態４）改質された水素ガスは燃料電池で消費され、脱イオン水が循環して燃料電池を冷却する。
（形態５）循環ポンプが送り出した水を給水管に送る連結配管には切替弁が設けられ、切替えることによって連結経路へ水を送ることが可能となる。
（形態６）改質部から水素ガスを送り出す配管から水蒸気を放出する経路は、大気中に水蒸気を放出する。
（形態７）改質部から水素ガスを送り出す配管から水蒸気を放出する経路には、水蒸気を水に変換する凝縮器が接続されている。
（形態８）凝縮器で回収された脱イオン水は、改質水または燃料電池冷却水として再利用される。
【００１７】
【実施例】
（第１実施例） 図１は、本発明を具現化した第１実施例の燃料電池発電システム２の構成を模式的に示している。燃料電池発電システム２は、主に改質器４と燃料電池発電装置５６と制御部６６と操作部６４から構成されている。
改質器４は、改質水収容部６と改質水供給ポンプ１０と蒸発器１２と改質部１４と原燃料ガス収容部１６と燃焼部２６等を備えている。図１の矢印は、原燃料ガスや水（水蒸気）が流れる方向を示している。
【００１８】
原燃料ガス収容部１６には、水素ガスを主成分とする改質ガスの原料になるとともに、燃焼部２６の燃料になる炭化水素系の原燃料ガス（プロパンガスやブタンガス等）が収容されている。原燃料ガス収容部１６は、比例弁２０を介して原料ガス供給経路１８によって改質部１４に接続されている。原燃料ガス収容部１６は、比例弁２４を介して燃料ガス供給経路２２によって燃焼部２６にも接続されている。
比例弁２０は、流れる電流量に比例して開度が変化する。比例弁２０の開度が大きいと改質部１４に送られる原料ガス供給量が多くなり、開度が小さいと改質部１４に送られる原料ガス供給量が少なくなる。比例弁２０は制御部６６によって制御され、改質部１４が改質運転を行うときには開かれるが、燃焼部２６の調整作業時には閉じられたままである。
比例弁２４も、流れる電流量に比例して開度が変化する。比例弁２４の開度が大きいと燃焼部２６に送られる燃料ガス供給量が多くなり、開度が小さいと燃焼部２６に送られる燃料ガス供給量が少なくなる。比例弁２４は制御部６６によって制御され、改質部１４が改質運転を行うときにも、燃焼部２６の調整作業時にも開かれる。燃焼部２６の調整作業時には、最大開度に長時間維持されることがある。
【００１９】
改質水収容部６には、脱イオン水が収容されている。改質水供給ポンプ１０は、改質水収容部６の脱イオン水を蒸発器１２に送り込む。蒸発器１２に送り込まれた改質水は気化して水蒸気となり、改質部１４に送り込まれる。矢印１３は、蒸発器１２から改質部１４に送り込まれる水蒸気を示している。
改質水供給ポンプ１０は、改質運転時には、改質部１４が必要とする量の水蒸気を生成するだけの水量（４ｃｃ〜１８ｃｃ／分程度）の改質水を蒸発器１２に供給する。燃焼部２６の調整作業時にはそれ以上の水量（６０ｃｃ／分程度）を蒸発器１２に供給可能である。改質水供給ポンプ１０の供給水量は、制御部６６が調整する。
【００２０】
燃焼部２６は、バーナ２８と送風ファン３０を有している。バーナ２８は、燃料ガスと空気を混合して燃焼させる。バーナ２８の加熱量（単位時間あたりの発熱量）は、燃料ガス供給量によって調整される。燃料ガス供給量は、比例弁２４で調整される。送風ファン３０が回転することによって、バーナ２８に空気が供給される。送風ファン３０の回転数が高いとバーナ２８に供給される空気量が多くなり、回転数が低いとバーナ２８に供給される空気量は少なくなる。制御部６６は、燃料ガス供給量に対して適量の空気がバーナ２８に供給されるように、送風ファン３０の回転数を調整する。
【００２１】
改質部１４は、原燃料ガス収容部１６から供給される炭化水素系の原料ガスと、改質水収容部６から蒸発器１２を介して供給される水蒸気を、高温の改質触媒下で反応させて水素を生成する。改質部１４内には、改質反応を促進する改質触媒が収容されている。改質触媒の適性温度は７００℃から７５０℃であり、しかも改質反応は吸熱反応であるために、改質部１４を加熱し続けないと改質部１４が冷却されて改質反応が得られなくなってしまう。改質開始に先立って改質部１４は燃焼部２６によって改質適温にまで加熱され、改質中は燃焼部２６によって改質適温に維持される。
改質反応の副生成物としてＣＯが発生する。ＣＯは燃料電池４８の電極を劣化させるため、燃料電池４８に供給されないように除去する必要がある。このため、改質部１４内には改質触媒の他に、２種類の触媒が収容されている。１つは副生成物であり有害なＣＯを酸化して無害なＣＯ_２に変えるシフト触媒である。このシフト触媒によって、改質ガス中のＣＯ濃度が約１％程度に抑えられる。シフト触媒の活性温度は２５０℃から３００℃である。もう１つはＣＯだけを酸化する触媒である選択酸化触媒である。この選択酸化触媒によって、ＣＯ濃度を約１％から１０ｐｐｍ以下に低下させる。選択酸化触媒の活性温度は１００℃から２００℃である。
【００２２】
改質部１４の内部には、触媒の温度を検出する触媒温度センサ３２が設置されている。触媒温度センサ３２が検出した温度を制御部６６に出力することで、触媒温度を監視できる。触媒温度センサ３２は、触媒の温度を直接に検出するものであってもよいが、改質部１４の容器温度等のように、触媒温度に連動して変動する部分の温度から間接的に触媒温度を検出するものであってもよい。
蒸発器１２は、改質部１４の内部に配置されており、改質部１４とともに燃焼部２６によって加熱される。
【００２３】
燃料電池４８が必要とする水素ガス量によって、制御部６６は比例弁２０を制御して改質部１４に供給する原料ガス量を調整する。制御部６６は改質水供給ポンプ１０の回転数を制御して改質部１４に供給する水蒸気量を調整する。制御部６６は、改質部１４の運転状態と触媒温度センサ３２の検知温度によって、比例弁２４を制御して燃焼部２６に供給する燃料ガス量を調整する。制御部６６は、送風ファン３０の回転数を制御して燃焼部２６に供給する空気量を調整する。制御部６６は、さらにバーナ２８の着火装置等を制御する。
【００２４】
改質部１４には、改質部１４が生成した水素ガスを主成分とする改質ガスを燃料電池４８に送る改質ガス供給経路３４が接続されている。
改質ガス供給経路３４には、燃焼部２６の調整作業時に改質部１４の過熱を防止するために改質部１４に供給された水蒸気も送られる。改質ガス供給経路３４へ送られた水蒸気が燃料電池４８に流入すると、燃料電池４８内で結露して燃料電池４８の作動を損ねる虞がある。これを防止するために改質ガス供給経路３４には切替弁３６が配設され、切替弁３６には水蒸気放出経路３８が接続されている。改質ガス供給経路３４を流れる水蒸気は、切替弁３６から水蒸気放出経路３８へ送られる。水蒸気放出経路３８には、水蒸気を凝縮して液化する凝縮器４０が接続されている。凝縮器４０で凝縮された水は、図示しない経路等によって改質水収容部６に送られて改質水として再利用される。あるいは、図示しない経路等によって後述するシスターン５４に送られ、燃料電池発電装置５６の冷却水として利用される。水を再利用しない場合は、水蒸気を切替弁３６から大気に放出することもできる。
【００２５】
燃料電池４８は複数のセルから構成され、取り込んだ水素ガスを消費して発電する。水素ガス消費部に相当する。具体的には、水素ガスと空気中の酸素を反応させて電気を発生させる。
燃料電池４８は発電の際に発熱する。燃料電池発電装置５６には、発電中の燃料電池４８を冷却する脱イオン水が循環する水循環経路５０が設けられている。水循環経路５０には循環ポンプ５２が配設されている。循環ポンプ５２は、冷却水を循環させて燃料電池４８を通過させる。水循環経路５０にはシスターン５４が配設されている。燃料電池４８を通過して熱せられた水は、図示しない熱回収装置を通って熱が回収された後にシスターン５４に戻り、循環ポンプ５２に再度送り出される。制御部６６が、循環ポンプ５２の水循環量を調整する。
【００２６】
次に、図２から図５を参照して、制御部６６の記憶部に記憶されているデータについて説明をする。
図２に示すように、制御部６６の記憶部は、改質水供給ポンプ１０の改質水供給量ｗに対して、改質中の改質部１４を改質適温に維持するのに必要な燃焼部２６の加熱量Ｑの関係７６を記憶している。改質運転中の改質水供給量が最低量ｗ１（本実施例では４ｃｃ／分）であれば、加熱量Ｑ１で改質部１４を加熱すれば改質部１４を改質適温に維持することができる。改質運転中の改質水供給量が最高量ｗ２（本実施例では１８ｃｃ／分）であれば、加熱量Ｑ２で改質部１４を加熱すれば改質部１４を改質適温に維持することができる。改質運転中には、改質水供給量が最低量ｗ１と最高量ｗ２の間で調整される。改質運転のことだけを考えれば、改質水供給ポンプ１０の給水能力は、最高量ｗ２（１８ｃｃ／分）をわずかに上回るものであれば足りる。
【００２７】
改質水供給量ｗと加熱量Ｑの関係７６は、概ね、Ｑ＝ｑ１＋ｑ２の関係を満たすように決定されている。ここで、ｑ１は改質適温に維持されている改質部１４からの放熱量であり、ｑ２は、供給量ｗの改質水を改質反応させるのに必要な吸熱量であり、Ｑは改質部を改質適温に維持するのに必要な加熱量である。
実際には、改質ガスの熱量や、改質部に流入する水蒸気や原料ガスの熱量等が影響するけれども、値の大きな熱量のみを考慮すると上記の式が成立する。
【００２８】
燃焼部２６の調整作業時には、改質部１４に炭化水素系ガスを供給しないために改質反応が進行しない。そのために、改質反応による吸熱量（ｑ２）によって熱量が奪われることがない。調整作業時には、気化させて改質適温に加熱するのに吸熱量（ｑ２）に等しいだけの熱量を必要とする量の過剰な水を改質部１４に供給することによって前記の式が維持され、改質部１４が改質適温に維持され、改質適温以上に昇温することがない。調整作業時には、改質水の最大供給量ｗ２に対応する最大加熱量Ｑ２で加熱し続けることがあることから、この場合には、最大供給量ｗ２の改質水を改質反応するのに必要な吸熱量に相当する量ｗ４（本実施例では６０ｃｃ／分）の水を加えることで過熱を防止するこができる。最小熱量Ｑ１で調整作業をする場合には、最小供給量ｗ１の改質水を改質反応するのに必要な吸熱量に相当する量ｗ３（本実施例では５ｃｃ／分）の水を加えることで過熱を防止することができる。
本実施例の場合、改質運転時の最低量ｗ１は４ｃｃ／分であり、最大供給量ｗ２は１８ｃｃ／分であり、せいぜい２０ｃｃ／分の流量で改質水を送り出せる程度の小型の改質水供給ポンプ１０を利用すれば足りる。しかしながら、調整作業時には、最大供給量ｗ２の改質水を改質反応するのに必要な吸熱量に相当する水量は６０ｃｃ／分であり、それ以上の水量を供給できる改質水供給ポンプ１０を利用している。
【００２９】
図３は、予め設定され、制御部６６の記憶部に記憶されている送風ファン３０の回転数と、比例弁２４に通電する電流値との関係を示す。送風ファン３０の回転数が点８２で示すものになったときに、比例弁２４に最小加熱量用の電流ｉ１が通電されていれば、理想空燃比に設定されていることとなる。それに対して、点７８に示すように比例弁２４の電流が低すぎれば、エアリッチとなって失火しやすいため、矢印８０に示すように点８２の電流となるように設定される必要がある。逆に、点８６に示すように比例弁２４の電流が高すぎれば、ガスリッチとなってイエローの炎が出やすいため、矢印８４に示すように点８２の電流となるように設定される必要がある。
送風ファン３０の回転数が点９２で示すものになったときに、比例弁２４に最大加熱量用の電流ｉ２が通電されていれば、理想空燃比に設定されていることとなる。それに対して、点８８に示すように比例弁２４の電流が低すぎれば、エアリッチとなって失火しやすいため、矢印９０に示すように点９２の電流となるように設定される必要がある。逆に、点９６に示すように比例弁２４の電流が高すぎれば、ガスリッチとなってイエローの炎が出やすいため、矢印９４に示すように点９２の電流となるように設定される必要がある。
このように、制御部６６の記憶部には、予め設定された送風ファン３０の回転数と比例弁２４の通電電流の適正な関係が記憶されている。
【００３０】
図４は、制御部６６の記憶部に記憶されている比例弁２４に通電する電流値と、実際の燃料ガス供給量の関係を示す。燃料ガス供給量は、比例弁２４の下流の燃料ガス供給経路２２内の圧力、すなわち、燃料供給２次圧を測定することで測定され、燃料供給２次圧が高ければ燃料供給量が多く、燃料供給２次圧が低ければ燃料供給量が少ないことがわかる。
燃料部２６の加熱量を最小量に絞る場合には、比例弁２４に最小加熱量用の電流ｉ１を通電する。このとき、燃料供給２次圧が点１０２で示すものになっていれば、比例弁２４に最小加熱量用の電流ｉ１を通電することによって、意図した最小加熱量に調整されることが確認される。それに対して、比例弁２４に最小加熱量用の電流ｉ１を通電したときの燃料供給２次圧が点９８に示すように高ければ、比例弁２４が意図したよりも大きく開き、意図した最小加熱量以上の加熱量になっていることがわかる。この場合には、比例弁２４を閉じ側に調整して矢印１００に示すように点１０２の圧力となるように調整する作業が必要とされる。逆に、比例弁２４に最小加熱量用の電流ｉ１を通電したときの燃料供給２次圧が点１０６に示すように低ければ、比例弁２４が意図したよりも小さく開き、意図した最小加熱量以下の加熱量になっていることがわかる。この場合には、比例弁２４を開け側に調整して矢印１０４に示すように点１０２の圧力となるように調整する作業が必要とされる。
燃料部２６の加熱量を最大量に増やす場合には、比例弁２４に最大加熱量用の電流ｉ２を通電する。このとき、燃料供給２次圧が点１１２で示すものになっていれば、比例弁２４に最大加熱量用の電流ｉ２を通電することによって、意図した最大加熱量に調整されることが確認される。それに対して、比例弁２４に最大加熱量用の電流ｉ２を通電したときの燃料供給２次圧が点１０８に示すように高ければ、比例弁２４が意図したよりも大きく開き、意図した最大加熱量以上の加熱量になっていることがわかる。この場合には、比例弁２４を閉じ側に調整して矢印１１０に示すように点１１２の圧力となるように調整する作業が必要とされる。逆に、比例弁２４に最大加熱量用の電流ｉ２を通電したときの燃料供給２次圧が点１１６に示すように低ければ、比例弁２４が意図したよりも小さく開き、意図した最大加熱量以下の加熱量になっていることがわかる。この場合には、比例弁２４を開け側に調整して矢印１１４に示すように点１１２の圧力となるように調整する作業が必要とされる。
通電電流に対するバルブ開度の関係は、比例弁２４毎にばらつき、また経時的に変化するので、比例弁を調整して意図した最小加熱量と最大加熱量が得られるように調整する必要がある。
【００３１】
次に図５を参照して燃焼部２６の調整作業について詳細に説明をする。最初に切替弁３６を切替えて水蒸気放出経路３８をオープンにする（ステップＳ４）。次に、比例弁２０を閉じて改質部１４に原料ガスが供給されないようにする。これによって改質反応が発生することがなくなる（ステップＳ６）。次に、図３に示した設定値に従って、送風ファンの回転数を最高回転数にして、比例弁２４に最大加熱用の電流ｉ２を流して燃焼を開始する。これによって、最大加熱量で改質部１４を加熱する（ステップＳ８）。この段階では、意図した最大加熱量からずれている可能性がある。ステップＳ８では、室温程度に冷却されている改質部１４を急速に加熱し始める。ステップＳ１０では、触媒温度センサ３２に示度に応じて改質水供給ポンプ１０の給水量を増大させていく。ここでは、触媒温度センサ３２の示度が改質適温になるときに、改質水供給ポンプ１０が６０ｃｃ／分の流量となる関係を用いる。ステップＳ１２では、触媒温度センサ３２の示度が改質適温になるのを待つ。ステップＳ１２でＹＥＳとなると、改質部１４の温度は改質運転中のそれに一致する。改質水供給ポンプ１０が６０ｃｃ／分の流量を供給していると、最大加熱量で加熱しても、改質部１４の温度は改質運転中のそれに一致し、改質適温以上には過熱されない。
【００３２】
ステップＳ１２でＹＥＳとなると、ステップＳ１６以降で、最小加熱量を意図した最小加熱量に調整し、その最小加熱量で良好に燃焼されるように調整する作業に移行する。そのために、ステップＳ１４では、改質水供給ポンプ１０の給水量をｗ３に調整する。この給水量ｗ３は、図２において説明した給水量であり、本実施例では５ｃｃ／分である。
ステップＳ１６では、図３に示した設定値に従って、送風ファン３０の回転数を最低回転数にして、比例弁２４に最小加熱量用の電流ｉ１を通電する。
そして、ステップＳ１８では、燃料ガスの供給２次圧を測定し、測定された燃料ガスの供給２次圧が、意図した最小加熱量に対応するよりも高ければ、比例弁２４を閉じ側に調整する（ステップＳ２０であり、図４の矢印１００の調整）。測定された燃料ガスの供給２次圧が、意図した最小加熱量に対応するよりも低ければ、比例弁２４を開け側に調整する（ステップＳ２２であり、図４の矢印１０４の調整）。測定された燃料ガスの供給２次圧が、意図した最小加熱量に対応する圧力に等しければ、意図した最小加熱量に調整されていることから、次のステップに進む。
【００３３】
ステップＳ２６以降で、最大加熱量を意図した最大加熱量に調整し、その最大加熱量で良好に燃焼されるように調整する作業に移行する。そのために、まずステップＳ２４では、改質水供給ポンプ１０の給水量をｗ４に調整する。この給水量ｗ４は、図２において説明した給水量であり、本実施例では６０ｃｃ／分である。６０ｃｃ／分の流量で改質水を供給すると、吸熱反応が得られない状態で最大加熱量で加熱し続けても、改質部１４が過熱されることがない。
ステップＳ２６で、図３に示した設定値に従って、送風ファンの回転数を最高回転数にして、比例弁２４に最大加熱用の電流ｉ２を流す。ここで、改質水の給水量をｗ４に調整した直後は、改質部１４の温度が一時的に下がっている可能性もある。したがって、ステップＳ２８では、触媒温度センサ３２の示度が改質適温になるのを待つ。ステップＳ２８でＹＥＳとなると、改質部１４の温度は改質運転中のそれに一致する。
そして、ステップＳ３０では、燃料ガスの供給２次圧を測定し、測定された燃料ガスの供給２次圧が、意図した最大加熱量に対応するよりも高ければ、比例弁２４を閉じ側に調整する（ステップＳ３２であり、図４の矢印１１０の調整）。測定された燃料ガスの供給２次圧が、意図した最大加熱量に対応するよりも低ければ、比例弁２４を開け側に調整する（ステップＳ３４であり、図４の矢印１１４の調整）。測定された燃料ガスの供給２次圧が、意図した最大加熱量に対応する圧力に等しければ、意図した最大加熱量に調整されていることから、次のステップに進む。
【００３４】
上記の一連の処理によって最小加熱量と最大加熱量のときの比例弁２４の開度が適正に調整されていることが確認されたら、燃焼部２６の調整作業が完了したので、完了処理に入る。改質水供給ポンプ１０の運転を停止し、燃焼を停止し、弁３６を切替えて水蒸気放出経路３８を閉じる（ステップＳ３６）。以上によって、燃焼部の調整作業が完了する。
【００３５】
改質水供給ポンプ１０によって過熱を防止するのに十分な量の水が供給されるため、改質部１４で改質運転を行わずにバーナ２８が最大加熱量で燃焼していても、各触媒が活性温度範囲を超えて昇温することが効果的に防止される。各触媒が損傷されることがない。
また、通常に使用される改質水供給ポンプよりも給水能力が高い改質水供給ポンプ１０を利用するだけで、他に特別な装置等を必要とすることなく、シンプルかつコンパクトな構造によって、調整作業中の過熱を防止することができる。
改質部１４を通過した水蒸気は、改質ガス供給経路３４から水蒸気放出経路３８に送られる。このため、燃料電池発電システム２の全体を動かしたくない場合等でも、水蒸気が改質部１４内に留まって結露したり、燃料電池４８内に浸入して結露することがない。また、水蒸気は凝縮器４０で水に凝縮された後で再利用できるため脱イオン水を排出する必要がなく、コストアップを抑えることができる。
【００３６】
（第２実施例） 次に、本発明を具現化した第２実施例について説明をする。図６は、本実施例に係る燃料電池発電システム１２８の構成を模式的に示した図である。ここでは主に、第１実施例の燃料電池発電システム２との相違点について説明し、同様な部品については同一符号を付すことによって説明を省略する。
図６に示すように、本実施例では、改質部１４の過熱を防止するために、改質水供給ポンプ１２７の他に、過熱を防止するために過剰な量の脱イオン水を送り込む過剰水供給ポンプ１２０を接続して、燃焼部２６の調整作業を行う。燃焼部２６の調整作業が完了すると、過剰水収容タンク１１８と過剰水供給ポンプ１２０と過剰水供給経路１２２は、接続口１２４から取り外される。
【００３７】
改質水供給ポンプ１２７は、従来の改質器に使用されるポンプであり、改質運転時に必要とされる１８ｃｃ／分の流量をわずかに上回る２０ｃｃ／分の給水能力を持つ小型のポンプである。改質運転には十分な能力を有しているが、調整作業時の過熱を防止できるだけの給水能力はない。
改質水供給経路８に接続口１２４が設けられており、燃焼部２６の調整作業をする場合には、接続口１２４に、過剰水収容タンク１１８と過剰水供給ポンプ１２０と過剰水供給経路１２２を接続する。過剰水供給ポンプ１２０は、４０ｃｃ／分の給水能力を持つポンプであり、改質水供給ポンプ１２７と過剰水供給ポンプ１２０の合計給水能力は６０ｃｃ／分の給水能力となり、併せて用いることで過熱を防止することができる。
【００３８】
改質部１４を通過した水蒸気は改質ガス供給経路３４から凝縮器４０に送られる。凝縮された脱イオン水は、経路１２６によって脱イオン水収容タンク１１８に戻されて繰り返し利用される。これに代えて、シスターン５４に送って冷却水を補充することもできる。
過剰水供給ポンプ１２０単独の給水能力を６０ｃｃ／分以上にすると、改質水供給ポンプ１２７を運転しないでも過熱を防止することができる。
調整作業時に過剰水供給ポンプ１２０を接続する方式によると、改質水供給ポンプ１２７の給水能力は低くてよく、改質器４の製造コストを低減して小型化することができる。
【００３９】
（第３実施例） 次に、本発明を具現化した第３実施例について説明をする。図７は、本実施例に係る燃料電池発電システム１３６の構成を模式的に示した図である。ここでは、第１実施例の燃料電池発電システム２と第２実施例の燃料電池発電システム１２８の相違点について説明し、同様な部品については同一符号を付すことによって説明を省略する。
本実施例では、改質水供給ポンプ１２７の供給能力が過熱防止のためには不足していることを補うために、燃料電池４８を冷却する脱イオン水を送り出して循環させる循環ポンプ５２を流用する。燃焼部２６の調整作業時には、燃料電池４８を冷却する必要がないために、循環ポンプ５２を流用することが可能である。
【００４０】
図７に示すように、冷却水循環経路５０に切替弁１３０を設け、改質水供給経路８に接続口１３４を設け、両者の間に連結経路１３２を接続する。切替弁１３０は、調整作業時にのみ連結経路１３２と循環ポンプ５２を接続する。改質水供給ポンプ１２７と循環ポンプ５２を併せた給水能力は６０ｃｃ／分であり、調整作業中の過熱を防止するのに必要な量の水を送ることができる。
循環ポンプ５２を流用可能にすると、改質水供給ポンプ１２７は小型ですみ、循環ポンプ５２は冷却に必要な最小容量のものですむ。加熱防止のために、大型のポンプを用意する必要がなく、シンプルかつコンパクトな構造を維持することができる。
循環ポンプ５２単独の給水能力が６０ｃｃ／分以上であれば、改質水供給ポンプ１２７を運転しないでも過熱を防止することができる。
【００４１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の燃料電池発電システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】改質水供給量に対して、改質中の改質部を改質適温に維持するのに必要な燃焼部の加熱量の関係を示す図である。
【図３】比例弁に通電する電流値と、送風ファンの回転数の関係を示す図である。
【図４】燃料部に供給する燃料量を調整する比例弁に通電する電流値と、実際の燃料ガス供給量の関係を示す図である。
【図５】燃焼部の調整作業の手順を示すフローチャートである。
【図６】第２実施例の燃料電池発電システムの構成を模式的に示す図である。
【図７】第３実施例の燃料電池発電システムの構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
２ ：燃料電池発電システム、
４ ：改質器、
６ ：改質水収容部、
８ ：改質水供給経路、
１０：改質水供給ポンプ、
１２：蒸発器、
１４：改質部、
１６：原燃料ガス収容部、
１８、２２：原燃料ガス供給経路、
２０、２４：比例弁、
２６：燃焼部、
２８：バーナ、
３０：送風ファン、
３２：触媒温度センサ、
３４：改質ガス供給経路、
３６：切替弁、
３８：水蒸気放出経路、
４０：凝縮器、
４８：燃料電池、
５０：水循環経路、
５２：循環ポンプ、
５４：シスターン、
５６：燃料電池発電装置、
６６：制御部

Claims (5)

1. 水蒸気と炭化水素系ガスから水素ガスを生成する改質部と、
   燃料を燃焼することによって改質中の改質部を改質適温に維持する燃焼部と、
   改質部に供給する水蒸気を生成する改質水を送る改質水供給ポンプを備え、
   その改質水供給ポンプの給水能力が、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで燃焼部で最大加熱量で燃焼する状態において、改質部が改質適温を超えて昇温することを防止する水量以上に設定されていることを特徴とする改質器。
2. 水蒸気と炭化水素系ガスから水素ガスを生成する改質部と、
   水から水蒸気を生成する蒸発部と、
   燃料を燃焼することによって改質中の改質部を改質適温に維持する燃焼部と、
   蒸発部に改質水を供給する改質水供給ポンプと、
   蒸発部に過剰水を供給する過剰水供給ポンプの接続口を備え、
   改質水供給ポンプの給水能力が、改質中の改質部が消費する水量をわずかに上回る水量に設定されており、
   改質水供給ポンプと過剰水供給ポンプの合計給水能力が、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで燃焼部で最大加熱量で燃焼する状態において、改質部が改質適温を超えて昇温することを防止する水量以上に設定されていることを特徴とする改質器。
3. 過剰水供給ポンプの単独の給水能力が、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで燃焼部で最大加熱量で燃焼する状態において、改質部が改質適温を超えて昇温することを防止する水量以上に設定されていることを特徴とする請求項２の改質器。
4. 改質部から水素ガス利用部に向けて水素ガスを供給する配管に、その配管から水蒸気を放出する放出経路が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の改質器。
5. 改質器と水素ガス利用装置を有するシステムであり、
   改質器は、水蒸気と炭化水素系ガスから水素ガスを生成する改質部と、燃料を燃焼することによって改質中の改質部を改質適温に維持する燃焼部と、改質部に供給する水蒸気を生成する改質水を供給する給水管を備え、
   水素ガス利用装置は、水素ガスを消費する水素ガス消費部と、水素ガス消費部に冷却水を循環させる循環ポンプを備え、
   前記循環ポンプが送り出した水を前記給水管に送る連結配管が付加されていることを特徴とするシステム。

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