JP2005281020A - 水素ガス製造システムの始動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒燃焼器を経済的且つ迅速に触媒燃焼可能温度に加熱することができ、低温始動を効率的に遂行するとともに、触媒機能の低下を防止することを可能にする。
【解決手段】水素ガス製造システム１０では、温度センサ５２を介して燃焼触媒１２の触媒温度が検出され、この触媒温度が設定温度以下であると判断された際、始動用燃料供給機構４４及びスパークプラグ５０が同期して間欠的に駆動制御される。そして、燃焼触媒１２の触媒温度が設定温度を超えた後、流量調整弁４８及びスパークプラグ５０の間欠動作が停止されるとともに、始動用燃料供給機構４４を介して燃焼触媒１２に始動用燃料が供給されて、前記燃焼触媒１２の自己燃焼が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、含水素燃料を改質して改質ガスを得る水素ガス製造システムの始動方法に関する。

例えば、天然ガス等の炭化水素燃料やメタノール等のアルコールを含む含水素燃料を改質して水素含有ガス（改質ガス）を得た後、この水素含有ガスを精製した高純度水素ガスを燃料ガスとして燃料電池に供給して発電を行う燃料ガス製造発電システムが採用されている。

この種の燃料ガス製造発電システムは、例えば、原料ガス（含水素燃料）を燃料電池の発電に使用される水素に改質する燃料改質器と、始動用触媒バーナと、駆動触媒バーナと、水素供給装置と、メタノールタンクとを備えている。

そこで、始動時には、水素供給装置から始動用触媒バーナに水素が供給されるとともに、前記始動用触媒バーナに空気が供給され、燃焼が開始される。次いで、始動用触媒バーナから駆動触媒バーナに燃焼ガスが供給されることにより、この駆動触媒バーナの入口温度が上昇する。そして、入口温度がメタノール着火温度になった際に、メタノールタンクから駆動触媒バーナにメタノールが供給されるとともに、このメタノールが着火用触媒バーナを経由して供給された空気と混合して燃焼が開始され、燃焼ガスが発生する。

さらに、駆動触媒バーナから、例えば、ターボチャージャに燃焼ガスが供給され、このターボチャージャのタービンからの排気ガスが燃料改質器に連続に供給されて原料ガスの改質に必要な熱源が供給されている。その際、燃料改質器には、原料ガスが供給されており、前記燃料改質器で改質された水素が燃料電池に供給されて、前記燃料電池の始動が開始される。

ところが、上記の構成では、特に、頻繁な始動及び停止を繰り返す場合に、大型の水素タンクを備えた水素供給装置が必要となり、システム全体が相当に大型化するという問題が指摘されている。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池始動装置が知られている。この特許文献１では、図５に示すように、駆動触媒バーナのメタノール燃焼に使用される空気を供給するための空気通路１の途上には、迂回路２が分岐して設けられている。

この迂回路２には、着火装置３が配置されるとともに、この着火装置３は、周辺に供給されるメタノールの着火を行うセラミック製のグロープラグ４と、図示しないメタノールタンク内のメタノールを前記グロープラグ４の先端部に供給するメタノール供給ライン５と、前記グロープラグ４の下流側に配置され、該グロープラグ４で着火した燃料ガスを完全燃焼させるための着火触媒バーナ６とを備えている。

このような構成において、グロープラグ４に通電を開始して十数秒後に、メタノール供給ライン５から前記グロープラグ４の周辺にメタノールが供給される。このため、加熱されているグロープラグ４の先端部周辺でメタノールの火炎燃焼が発生し、着火用触媒バーナ６が直接加熱されて、未燃焼のメタノールが燃焼を開始する。

着火用触媒バーナ６から空気通路１を経由して駆動触媒バーナに高温燃焼ガスが流入されることにより、この駆動触媒バーナが温められる。そして、駆動触媒バーナがメタノール着火温度に至る際、前記駆動触媒バーナに新たにメタノールを供給し、全供給空気の燃焼が開始される。

このように、特許文献１では、始動時に水素を用いることがないため、水素タンクを含む水素供給装置の小型化が図られ、システム全体を小型に構成することができる、としている。

特開平９−３５７３４号公報（図２）

上記の特許文献１では、着火装置３を構成するグロープラグ４が連続して通電されるとともに、メタノール供給ライン５から前記グロープラグ４の先端付近にメタノールが連続して供給されている。このため、駆動触媒バーナには、高温燃焼ガスが連続的に供給されており、前記駆動触媒バーナが急速に昇温される。

しかしながら、液体燃料であるメタノールを直接且つ連続的に噴射すると、燃焼用空気と液体燃料とを均一に混合させることが困難である。従って、触媒温度にむらが生じるとともに、この温度むらは、触媒の面方向及び深さ方向に発生してしまう。しかも、触媒に対して液体燃料だけが供給される部位が生じ、燃料過多となる部位では、触媒が溶損するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、低温時においても触媒燃焼器を経済的且つ迅速に触媒燃焼可能温度に加熱することが可能な水素ガス製造システムの始動方法を提供することを目的とする。

本発明は、含水素燃料が供給されるとともに、少なくとも水分を蒸発させる蒸発器と、少なくとも前記含水素燃料及び蒸発成分を用いて改質ガスを得る改質器と、少なくとも前記蒸発器又は前記改質器の一方を加熱する触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器に始動用燃料を供給する始動用燃料供給機構と、前記始動用燃料を着火させる着火機構とを備えた水素ガス製造システムの始動方法である。

先ず、触媒燃焼器の触媒温度が検出されて、この触媒温度が触媒燃焼可能温度以下であると判断された際、始動用燃料供給機構から前記触媒燃焼器に始動用燃料が間欠的に供給されるとともに、着火機構の着火動作が前記始動用燃料の供給動作に同期して間欠的に行われる。次いで、触媒温度が触媒燃焼可能温度を超えた後、始動用燃料の間欠供給及び着火機構の間欠着火が停止され、さらに始動用燃料供給機構から前記触媒燃焼器に前記始動用燃料が供給される。

本発明では、始動用燃料の供給動作と着火動作とが、互いに同期して間欠的に行われるため、触媒燃焼器が連続的に加熱されることはない。従って、触媒燃焼器が触媒燃焼可能温度を大きく超えて加熱されることを確実に阻止することができる。これにより、触媒燃焼器を経済的且つ迅速に触媒燃焼可能温度に加熱することができ、低温始動を効率的に遂行することが可能になる。しかも、触媒燃焼器の保炎を有効に防止することができ、触媒の溶損等を良好に阻止することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る始動方法を実施するための水素ガス製造システム１０の概略構成図である。

水素ガス製造システム１０は、含水素燃料、例えば、メタンやプロパン等の炭化水素燃料（以下、改質用燃料という）、改質用水及び改質用空気が供給されるとともに、燃焼触媒（触媒燃焼器）１２を有して少なくとも水分を蒸発させる蒸発器１４を備える。蒸発器１４の下流には、少なくとも改質用燃料及び蒸発成分を用いて改質ガスを得る改質器１６が配設されるとともに、前記蒸発器１４と前記改質器１６との間には、前記蒸発成分を含む改質用燃料を前記改質ガスと熱交換して加熱する熱交換器１８が介装される。改質器１６には、暖機用のバーナ２０が接続される。

熱交換器１８の下流には、熱交換された改質ガスをガス成分と水分とに分離する凝縮器２２が、三方弁２３を介して配設されるとともに、この凝縮器２２の下流には、コンプレッサ２４を介して前記改質ガスが圧送されるＰＳＡ装置２６が接続される。ＰＳＡ装置２６は、水素以外の成分を高圧下で選択的に吸着し、減圧下で脱着する吸着剤を充填した複数塔、例えば、３塔の吸着塔（図示せず）を備えている。

各吸着塔に、吸着、減圧、均圧、脱着及び洗浄工程からなるサイクリック運転を行わせることにより、高純度水素を取り出して燃料ガス経路２８に排出するとともに、他の成分（不要物）をオフガスとしてオフガス排出路３０に放出するように構成している。

燃料ガス経路２８には、コンプレッサ３２を介して充填タンク３４及び発電用タンク３６が接続される。充填タンク３４は、ディスペンサ３８を介して燃料電池車両（図示せず）に燃料ガスを供給する一方、発電用タンク３６は、家庭用電源を供給するための定置型燃料電池４０に接続される。定置型燃料電池４０には、酸化剤ガスとして、例えば、空気を供給するためのコンプレッサ（図示せず）が接続される。

オフガス排出路３０は、燃焼触媒１２の入口に連結されており、このオフガス排出路３０の途上には、空気コンプレッサ４２が接続される。空気コンプレッサ４２は、弁４１及びオリフィス４３を介してバーナ２０に接続される。オフガス排出路３０の下流側には、暖機中に三方弁２３がＯＮされる際、バーナ２０の燃焼熱が改質器１６及び熱交換器１８を介して供給される。この燃焼熱は、さらに燃焼触媒１２に送られ、各部を加熱した後に排気される。

オフガス排出路３０の下流側には、始動用燃料供給機構４４が接続される。始動用燃料供給機構４４は、供給管４６を介して接続される流量調整弁４８を備え、この供給管４６は、弁４５及びオリフィス４７を介してバーナ２０に接続される。供給管４６の途上には、充填タンク３４及び発電用タンク３６が接続される。流量調整弁４８の近傍には、スパークプラグ（着火機構）５０が配設される。蒸発器１４には、燃焼触媒１２の入口温度を検出するための温度センサ５２が設けられる。

水素ガス製造システム１０は、各補器類と通信及び制御を行うとともに、特に、本実施形態では、温度センサ５２により検出された温度が触媒燃焼可能温度以下である際に、流量調整弁４８及びスパークプラグ５０を互いに同期して間欠動作させるための制御機構として、例えば、制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５４を備える。

このように構成される水素ガス製造システム１０の動作について、以下に説明する。

通常運転時の水素ガス製造システム１０では、制御ＥＣＵ５４を介して、蒸発器１４には、改質用水、改質用空気及び改質用燃料が供給されるとともに、燃焼触媒１２には、空気コンプレッサ４２を介して燃焼用空気が供給され、燃焼が行われている。

このため、蒸発器１４では、少なくとも改質用水が蒸発するとともに、蒸発成分を含む改質用燃料は、熱交換器１８を通って改質器１６に供給される。一方、改質器１６から排出される改質ガスは、熱交換器１８を通って改質用燃料との間で熱交換を行って昇温される。改質器１６では、改質用燃料中の、例えば、メタン、空気中の酸素及び水蒸気によって、酸化反応であるＣＨ₄＋２Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ（発熱反応）と、燃料改質反応であるＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ₂（吸熱反応）とが同時に行われる（オートサーマル方式）。

上記のように、改質器１６により改質された改質ガスは、凝縮器２２によって水分が分離された後、コンプレッサ２４で圧縮されてＰＳＡ装置２６に供給される。ＰＳＡ装置２６では、各吸着塔内で水素以外の成分が吸着されて高濃度の水素（水素リッチ）を含む燃料ガスが精製され、この燃料ガスが燃料ガス経路２８に供給される。燃料ガスは、コンプレッサ３２の作用下に充填タンク３４と発電用タンク３６とに選択的に貯蔵される。

充填タンク３４に充填されている燃料ガスは、ディスペンサ３８を介して図示しない燃料電池車両に供給される。一方、発電用タンク３６に充填されている燃料ガスは、定置型燃料電池４０のアノード側電極（図示せず）に供給されるとともに、この定置型燃料電池４０の図示しないカソード側電極に酸化剤ガスとして空気が供給される。このため、定置型燃料電池４０で発電が行われて電力が発生し、この電力は、家庭用電源として使用されるとともに、システム補器電源として利用される。

次いで、本実施形態に係る始動方法について、図２に示すフローチャートに沿って説明する。

先ず、水素ガス製造システム１０の起動スイッチがオンされる（ステップＳ１）とともに、三方弁２３がＯＮされると、ステップＳ２に進んで、バーナ２０が着火される。そして、所定時間Ｎ１ｓｅｃだけ経過した後（ステップＳ３）、蒸発器１４の入口温度、すなわち、燃焼触媒１２の触媒温度Ｔが温度センサ５２により検出される。さらに、ステップＳ４に進んで、触媒温度Ｔが設定温度（触媒燃焼可能温度）Ｔ１℃を超えるか否かが判断される。

燃焼触媒１２の触媒温度Ｔが、設定温度Ｔ１℃以下であると判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、ステップＳ５に進んで、始動用燃料供給機構４４とスパークプラグ５０とが同期して間欠的に駆動される。具体的には、図３に示すように、スパークプラグ５０がＮ２ｓｅｃだけオンされるとともに、流量調整弁４８が前記スパークプラグ５０に同期してＮ２ｓｅｃだけオンされる。

このため、充填タンク３４内の燃料ガスは、供給管４６を介してＮ２ｓｅｃ分だけスパークプラグ５０側に送り出され、このスパークプラグ５０によりＮ２ｓｅｃだけ着火されて蒸発器１４に供給され、燃焼触媒１２の暖機が行われる。さらに、Ｎ３ｓｅｃだけインターバルを設けた後（ステップＳ６及び図３参照）、ステップＳ４に戻って、燃焼触媒１２の触媒温度Ｔが設定温度Ｔ１℃以上か否かの判断が行われる。

燃焼触媒１２の触媒温度Ｔが設定温度Ｔ１℃以下であると判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、再びステップＳ５に進んで、スパークプラグ５０と流量調整弁４８とは、互いに同期してＮ２ｓｅｃだけ始動用燃料の供給動作と着火動作とが行われる。従って、着火により燃焼した始動用燃料（以下、着火燃料ともいう）は、燃焼触媒１２に供給されてこの燃焼触媒１２の暖機を行う。

さらに、Ｎ３ｓｅｃだけインターバルをおいた後、燃焼触媒１２の触媒温度Ｔが検出される。この触媒温度Ｔが設定温度Ｔ１℃以上であると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、流量調整弁４８が開放されて始動用燃料が蒸発器１４に供給される。その際、燃焼触媒１２は、自己燃焼可能温度（例えば、４０℃）に到達しており、この燃焼触媒１２による燃焼が開始される。

そして、燃焼触媒１２の触媒温度Ｔが設定温度Ｔ２℃を超えることにより（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、前記燃焼触媒１２の暖機運転が完了し、始動用燃料の供給が停止されるとともに、三方弁２３がＯＦＦされる。これにより、水素ガス製造システム１０は、上述した通常運転モードに入ることができる。

この場合、本実施形態では、燃焼触媒１２の触媒温度Ｔが触媒燃焼可能温度よりも低温である場合に、従来のバーナ２０の排気予熱を用いた暖機とともに、始動用燃料供給機構４４を構成する流量調整弁４８とスパークプラグ５０とを駆動制御して始動用燃料を間欠着火させ、着火燃料を燃焼触媒１２に供給している。

このため、図４に示すように、本実施形態では、バーナ２０のみによる暖機運転（比較例）に比べて、燃焼触媒１２が自己燃焼可能温度（触媒燃焼可能温度）に到達するまでの時間が一挙に短縮され、迅速な始動が遂行されるという利点がある。

しかも、本実施形態では、流量調整弁４８及びスパークプラグ５０は、それぞれ互いに同期して所定時間Ｎ２ｓｅｃずつ、Ｎ３ｓｅｃのインターバルをおいて間欠的に駆動制御されている。すなわち、流量調整弁４８をＮ２ｓｅｃだけ開放して始動用燃料を送り出すとともに、スパークプラグ５０をＮ２ｓｅｃだけオン（着火）してＮ２ｓｅｃ分の着火燃料を燃焼触媒１２に供給した後、Ｎ３ｓｅｃのインターバルをおいて、同様にＮ２ｓｅｃだけ始動用燃料の供給動作とスパークプラグの着火動作とが行われている。

このように、燃焼触媒１２に対して着火燃料を間欠的に供給するため、温度センサ５２による検出温度の応答に時間のずれが発生しても、着火燃料が供給されないインターバルの間に、温度センサ５２により前記燃焼触媒１２の触媒温度Ｔを正確に検出することができる。

これにより、燃焼触媒１２の触媒温度Ｔが、設定温度Ｔ１を遥かに超える温度まで、前記燃焼触媒１２を暖機することがない。従って、燃焼触媒１２を経済的且つ迅速に設定温度Ｔ１に正確に加熱することができ、低温始動を効率的に遂行することが可能になるという効果が得られる。

しかも、燃焼触媒１２には、着火燃料が連続的に供給されることがなく、前記燃焼触媒１２の保炎を有効に阻止することができる。このため、燃焼触媒１２の溶損等を良好に阻止することが可能になるという利点がある。

本発明の実施形態に係る始動方法を実施するための水素ガス製造システムの概略構成図である。 前記始動方法を説明するフローチャートである。 スパークプラグ及び流量調整弁の動作説明図である。 前記始動方法と従来の始動方法との昇温性能説明図である。 特許文献１の着火装置の構成説明図である。

符号の説明

１０…水素ガス製造システム １２…燃焼触媒
１４…蒸発器 １６…改質器
１８…熱交換器 ２０…バーナ
２２…凝縮器 ２４…コンプレッサ
２６…ＰＳＡ装置 ２８…燃料ガス経路
３０…オフガス排出路 ３４…充填タンク
３６…発電用タンク ４０…定置型燃料電池
４４…始動用燃料供給機構 ４８…流量調整弁
５０…スパークプラグ ５４…制御ＥＣＵ

Claims (1)

1. 含水素燃料が供給されるとともに、少なくとも水分を蒸発させる蒸発器と、少なくとも前記含水素燃料及び蒸発成分を用いて改質ガスを得る改質器と、少なくとも前記蒸発器又は前記改質器の一方を加熱する触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器に始動用燃料を供給する始動用燃料供給機構と、前記始動用燃料を着火させる着火機構とを備えた水素ガス製造システムの始動方法であって、
   前記触媒燃焼器の触媒温度を検出する工程と、
   前記触媒燃焼器の触媒温度が触媒燃焼可能温度以下であると判断された際、前記始動用燃料供給機構から前記触媒燃焼器に前記始動用燃料を間欠的に供給するとともに、前記着火機構の着火動作を前記始動用燃料の供給動作に同期して間欠的に行う工程と、
   前記触媒燃焼器の触媒温度が前記触媒燃焼可能温度を超えた後、前記始動用燃料の間欠供給及び前記着火機構の間欠着火を停止する工程と、
   前記始動用燃料供給機構から前記触媒燃焼器に前記始動用燃料を供給する工程と、
   を有することを特徴とする水素ガス製造システムの始動方法。
   
   

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