JP2008004370A - 燃料改質システム - Google Patents

Abstract

【課題】 水素透過性金属層の水素脆化を抑制することができる燃料改質システムを提供する。
【解決手段】 燃料改質システム（１００）は、水素透過性金属層（６２）を有するデバイス（６０）と、改質燃料を用いた改質反応によって水素を含有する改質ガスを生成する改質手段（５１）と、水素透過性金属および改質手段の温度が水素透過性金属層の水素脆化回避温度以上である場合に改質ガスを水素透過性金属層に供給する改質ガス供給手段（１０，４０，８０）とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素透過性金属層を有する燃料改質システムに関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。

燃料電池を備える燃料改質システムにおいては、改質器においてガソリン、天然ガス、メタノール等の炭化水素系燃料と水蒸気とによる水蒸気改質反応および酸素とこれらの炭化水素系燃料とによる部分酸化反応により、改質ガスが生成されている。この改質ガスは、燃料電池のアノードに供給される。一方、カソードにはエア等の酸素含有ガスが供給される。その結果、燃料電池において発電が行われる。

ところで、燃料電池には、アノードに水素透過性金属層を含むものがある。水素透過性金属層は、低温で水素に接すると水素を吸収して水素脆化を起こすおそれがある。その結果、燃料電池の耐久性が損なわれる可能性がある。そこで、燃料電池の温度が所定温度になった時点で燃料電池に水素を供給する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２１６８０３号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、水素透過性金属層が所定の温度に到達していても、低温の改質ガスが水素透過性金属層に供給されることによって水素透過性金属層の温度が低下するおそれがある。その結果、水素透過性金属層に水素脆化が起こる可能性がある。水素分離装置を備える燃料改質システムにおいても同様の問題が起こる可能性がある。

本発明は、水素透過性金属層の水素脆化を抑制することができる燃料改質システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料改質システムは、水素透過性金属層を有するデバイスと、改質燃料を用いた改質反応によって水素を含有する改質ガスを生成する改質手段と、水素透過性金属層および改質手段の温度が水素透過性金属層の水素脆化回避温度以上である場合に改質ガスを水素透過性金属層に供給する改質ガス供給手段とを備えることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料改質システムにおいては、水素透過性金属層の温度が水素脆化回避温度以上の場合に水素透過性金属層に改質ガスが供給されることから、水素透過性金属層の水素脆化を抑制することができる。さらに、改質手段の温度も水素脆化回避温度以上になっていることから、改質ガスによる水素透過性金属層の水素脆化回避温度未満への温度低下を防止することができる。

水素透過性金属層を加熱する第１加熱手段をさらに備え、第１加熱手段は、水素透過性金属層の温度が水素透過性金属層の水素脆化回避温度未満である場合に水素透過性金属層を加熱してもよい。また、改質手段を加熱する第２加熱手段をさらに備え、第２加熱手段は、改質手段の温度が水素透過性金属層の水素脆化回避温度未満である場合に改質手段を加熱してもよい。さらに、第２加熱手段は、改質手段の温度が改質目標温度未満である場合に、改質手段を加熱してもよい。

デバイスは、水素透過性金属層上にプロトン伝導性電解質およびカソードが順に積層された燃料電池であってもよい。この場合、水素脆化による燃料電池の発電効率低下を抑制することができる。

デバイスは、水素透過性金属層上にプロトン伝導性電解質およびカソードが順に積層された燃料電池であり、燃料改質システムは燃料電池の発電量を検出する発電量検出手段をさらに備え、第２加熱手段は、燃料電池のカソードオフガスを改質手段に供給するカソードオフガス供給手段を含むとともに改質手段の温度が改質目標温度未満である場合にカソードオフガス供給手段を用いて燃料電池の発電量および改質手段の温度とに基づいて改質手段のＯ／Ｃを制御することによって改質手段を加熱してもよい。ただし、Ｃは前記改質手段に供給される改質燃料中の炭素原子のモル量を示し、Ｏは改質手段に供給される酸素ガス中の酸素原子のモル量を示す。この場合、改質手段を加熱しつつ燃料電池に発電を行わせることができる。したがって、早期に燃料電池の発電量を確保することができる。また、発電によって生成される水蒸気を用いて改質ガスを生成することができる。

デバイスは、水素分離装置であってもよい。この場合、水素分離装置における水素脆化を抑制することができる。

本発明によれば、水素透過性金属層の水素脆化を抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料改質システム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料改質システム１００は、制御部１０、改質燃料タンク２０、燃料ポンプ３０、調量弁４０、改質器５０、燃料電池６０、エアポンプ７０，８０および蓄電池９０を備える。

改質器５０は、改質部５１、加熱部５２および温度センサ５３を備える。温度センサ５３は、改質部５１内に設けられている。燃料電池６０は、カソード６１、アノード６２、冷却部６３、電流計６４および温度センサ６５を備える。温度センサ６５は、アノード６２に設けられている。蓄電池９０は、蓄電残量センサ９１を備える。

本実施例においては、燃料電池６０として水素分離膜電池を用いた。ここで、水素分離膜電池とは、アノードに水素透過性金属層を含む燃料電池である。水素分離膜電池は、この水素透過性金属層、プロトン導電性を有する電解質およびカソードが積層された構造をとっている。水素透過性金属層に供給された水素はプロトンに変換され、プロトン伝導性の電解質中を移動し、カソードにおいて酸素と結合して水となる。カソードにおいて発生した水は、発電の際に発生する熱によって水蒸気になる。本実施例においては、アノード６２は、バナジウム層の表面にパラジウム層がコートされた構造を有する水素透過性金属層からなる。高価なパラジウムの量を少なくしてコスト低減化を図るためである。

制御部１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。制御部１０は、温度センサ５３，６５、電流計６４および蓄電残量センサ９１から与えられる検出結果に基づいて、燃料改質システム１００の各部を制御する。詳細は後述する。

改質燃料タンク２０は、改質燃料として用いるための炭化水素燃料を貯蔵している。燃料ポンプ３０は、制御部１０の指示に従って、改質燃料タンク２０に貯蔵されている改質燃料を調量弁４０に供給する。調量弁４０は、制御部１０の指示に従って、改質部５１における改質反応に必要な量の改質燃料を改質部５１に供給する。

改質部５１においては、改質燃料と後述するカソードオフガスとから水素を含有する改質ガスが生成される。まず、改質燃料中の炭化水素とカソードオフガス中の水蒸気とにより水蒸気改質反応が起こり、水素及び一酸化炭素が生成される。次に、生成された一酸化炭素の一部とカソードオフガス中の水蒸気とが反応し、水素及び二酸化炭素が生成される。水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足している場合には、カソードオフガス中の酸素と炭化水素とが部分酸化反応を起こし、水素及び一酸化炭素が生成される。

改質部５１において生成された改質ガスは、アノード６２に供給される。アノード６２においては、改質ガス中の水素がプロトンに変換される。アノード６２においてプロトンに変換されなかった水素、ならびに、改質部５１において反応しなかった炭化水素、一酸化炭素および水蒸気は、アノードオフガスとして加熱部５２に供給される。

エアポンプ７０は、制御部１０の指示に従って、必要量のエアを冷却部６３に供給する。冷却部６３に供給されたエアは、燃料電池６０を冷却して加熱部５２に供給される。加熱部５２においては、アノードオフガスと冷却部６３から供給されるエアとによって燃焼反応が起こる。加熱部５２における燃焼反応によって発生する排気ガスは、燃料改質システム１００の外部に排出される。また、加熱部５２における燃焼反応による燃焼熱は、改質部５１における水蒸気改質反応に利用される。

エアポンプ８０は、制御部１０の指示に従って、必要量の酸素をカソード６１に供給する。カソード６１においては、アノード６２において変換されたプロトンとカソード６１に供給されたエア中の酸素とから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、蓄電池９０に蓄電されまたは図示しないモータ等の負荷に用いられる。発生した水は、燃料電池６０において発生する熱によって水蒸気となる。カソード６１において発生した水蒸気およびプロトンと反応しなかったエアは、カソードオフガスとして改質部５１に供給され、それぞれ水蒸気改質反応および部分酸化反応に用いられる。

温度センサ５３は、改質部５１内の改質触媒の温度を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。電流計６４は、燃料電池６０における発電反応により発生した電流を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。温度センサ６５は、アノード６２の温度を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。蓄電残量センサ９１は、蓄電池９０の蓄電残量を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。以下、燃料改質システム１００の起動・暖機時における制御部１０による制御について説明する。

まず、制御部１０は、燃料改質システム１００が起動モードまたは暖機モードにあるか否かを判定する。制御部１０は、例えば、図示しないイグニションキーがオンの状態にありかつ燃料電池６０および改質部５１の温度が所定の温度未満である場合に、燃料改質システム１００が起動モードまたは暖機モードにあると判定してもよい。上記の所定温度は、改質部５１に用いる触媒の種類、燃料電池の種類に応じて選択される。制御部１０は、燃料電池６０および改質部５１の温度を温度センサ５３，６５から取得することができる。燃料改質システム１００が起動モードまたは暖機モードにあると判定されなかった場合には、燃料改質システム１００の起動・暖機が終了していることになる。したがって、制御部１０は、燃料改質システム１００の通常の運転を行う。

燃料改質システム１００が起動モードまたは暖機モードにあると判定された場合、制御部１０は、温度センサ５３，６５の検出結果に基づいて、アノード６２および改質部５１の温度がアノード６２の水素脆化回避温度以上であるか否かを判定する。ここで、水素脆化回避温度とは、水素透過性金属層が水素化合物を形成しない下限温度のことをいう。図２を参照しつつ、パラジウムの水素脆化回避温度について説明する。

図２は、パラジウムの水素脆化回避温度を示すグラフである。図２の縦軸は平衡水素分圧を示し、図２の横軸はパラジウム中の水素濃度を示す。図２において領域αは水素化合物が形成されていないパラジウム相を示し、領域α’はパラジウムの水素化合物相を示し、領域α＋α’はパラジウム相と水素化合物相が混在する相を示す。図２に示すように、水素脆化回避温度は、温度および水素分圧の２つのパラメータによって定まる。ただし、３００℃を上回る温度範囲においては、水素分圧の高低にかかわらずパラジウムの水素脆化が見られない。したがって、本実施例においては、パラジウムの水素脆化回避温度として３００℃を採用する。なお、パラジウム以外の水素透過性金属についても、図２のような状態図が得られる。

アノード６２および改質部５１の温度がアノード６２の水素脆化回避温度未満である場合には、制御部１０は、アノード６２および改質部５１を加熱する。例えば、制御部１０は、調量弁４０を制御して改質燃料を改質部５１に供給するとともに、エアポンプ８０を制御してエアを改質部５１に供給する。この場合、制御部１０は、改質部５１におけるＡ／Ｆ（空燃比）が１以上になるように調量弁４０およびエアポンプ８０を制御する。それにより、改質部５１における燃焼が完全燃焼になる。その結果、アノード６２に水素ガスが供給されずに、燃焼熱によって改質部５１が加熱される。また、燃焼後の高温ガスによってアノード６２が加熱される。

アノード６２および改質部５１の温度が水素脆化回避温度以上である場合には、制御部１０は、温度センサ５３の検出結果に基づいて、改質部５１の温度が改質下限温度を上回っているか否かを判定する。改質下限温度は改質反応に必要な触媒温度の下限値のことをいう。改質下限温度は、本実施例においては例えば３５０℃程度である。改質部５１の温度が改質下限温度以下であれば、制御部１０は、上記の完全燃焼によって改質部５１の加熱を継続する。なお、アノード６２の水素脆化回避温度の方が改質下限温度よりも高い場合には、改質部５１の温度を検出するに際して改質下限温度を考慮する必要がない。

改質部５１の温度が改質下限温度を上回っていれば、制御部１０は、アノード６２の温度が改質目標温度を上回っているか否かを判定する。ここで、改質目標温度とは、改質部５１において改質反応が十分に行われる触媒温度のことをいう。改質目標温度は、本実施例においては例えば６００℃程度である。アノード６２の温度が改質目標温度を上回っている場合には、制御部１０は、燃料改質システム１００の状態を通常モードに切替える。それにより、制御部１０は、燃料改質システム１００の起動・暖機終了後の通常の運転を行う。

アノード６２の温度が水素脆化回避温度以上改質目標温度以下である場合には、制御部１０は、Ａ／Ｆが１未満になるように調量弁４０およびエアポンプ８０を制御することによって改質反応を開始させるとともに、Ｏ／Ｃを制御することによって改質部５１を加熱する。この場合、アノード６２に水素が供給されることになる。しかしながら、アノード６２の温度が水素脆化回避温度以上になっていることから、アノード６２の水素脆化を抑制することができる。さらに、改質部５１の温度も水素脆化回避温度以上になっていることから、改質ガスによるアノード６２の水素脆化回避温度未満への温度低下を防止することができる。また、改質部５１を加熱しつつ燃料電池６０に発電を行わせることができることから、早期に燃料電池６０の発電量を確保することができる。なお、Ｏ／ＣのＯは、改質部５１に供給される酸素ガス中の酸素原子のモル量を示し、Ｃは改質部５１に供給される改質燃料中の炭素原子のモル量を示す。

以下、燃料電池６０に発電を行わせつつ改質部５１を加熱する制御について説明する。まず、制御部１０は、蓄電残量センサ９１の検出結果に基づいて、燃料電池６０に要求される発電量（以下、要求負荷Ｐｒｅｑと称する）を算出する。この場合、制御部１０は、例えば図３に示すマップを用いる。

図３は、蓄電池９０の蓄電残量（以下、蓄電残量ｔｂｌと称する）と要求負荷Ｐｒｅｑとの関係を示す図である。図３の縦軸は要求負荷Ｐｒｅｑを示し、図３の横軸は蓄電残量ｔｂｌを示す。図３に示すように、蓄電残量ｔｂｌの増加とともに要求負荷Ｐｒｅｑが段階的に低下する。蓄電残量が多ければ蓄電池９０の充電に必要な電力量が少なくなるからである。なお、図３に示すように、要求負荷Ｐｒｅｑの変化にヒステリシスを持たせてもよい。蓄電残量の若干の変動によって要求負荷Ｐｒｅｑが変動してしまうからである。

次に、制御部１０は、燃料電池６０が要求負荷Ｐｒｅｑに相当する電力を出力するための改質燃料の流量（以下、改質燃料流量Ｑｆと称する）を算出する。この場合、制御部１０は、図４に示すマップを用いて改質燃料流量Ｑｆを計算する。図４は、要求負荷Ｐｒｅｑと改質燃料流量Ｑｆとの関係の一例を示す図である。図４の縦軸は改質燃料流量Ｑｆを示し、図４の横軸は要求負荷Ｐｒｅｑを示す。図４に示すように、改質燃料流量Ｑｆは、要求負荷Ｐｒｅｑの増加に伴って増加する。なお、高負荷側においては、要求負荷Ｐｒｅｑの増加比率に対する改質燃料流量Ｑｆの増加比率が大きくなっている。一般的に高負荷側においては改質効率が低下するからである。

次に、制御部１０は、電流計６４の検出結果に基づいて、カソードオフガスに含まれる水蒸気の流量（以下、推定水蒸気流量Ｓｔｍ（ｍｏｌ／ｓ））を算出する。制御部１０は、下記式（１）を用いて推定水蒸気流量Ｓｔｍを算出することができる。
Ｓｔｍ ＝ （発電電流×セルの積層枚数）／（２×９６４８５） （１）
なお、式（１）において、発電電流は電流計６４によって検出された電流であり、セルの積層枚数は燃料電池６０において積層されているセルの枚数であり、９６４８５はファラデー定数である。

次いで、制御部１０は、改質燃料流量Ｑｆの改質燃料を改質部５１に供給する場合のＳ／Ｃを算出する。この場合、制御部１０は、改質燃料流量Ｑｆと推定水蒸気流量ＳｔｍとからＳ／Ｃを算出することができる。なお、Ｓ／ＣのＳは、改質部５１に供給される水蒸気のモル量を示し、Ｃは改質部５１に供給される改質燃料中の炭素原子のモル量を示す。

次に、制御部１０は、改質部５１における目標とするＯ／Ｃ（以下、制御目標Ｏ／Ｃ）を求める。この場合、制御部１０は、水蒸気改質反応による吸熱量よりも部分酸化反応による発熱量が大きくなるように調量弁４０およびエアポンプ８０を制御する。改質部５１を加熱する必要があるからである。また、この場合、制御部１０は、Ｓ／ＣとＯ／Ｃとの合計が２以上になるように調量弁４０およびエアポンプ８０を制御する。ここで、１モルの水蒸気には１モルの酸素が含まれている。したがって、Ｓ／ＣとＯ／Ｃとの合計が２以上であれば、改質部５１において炭素と反応していない酸素原子のモル数は酸素と反応していない炭素原子のモル数の２倍以上になる。すなわち、炭素が二酸化炭素として排出されやすくなる。その結果、改質部５１における炭素析出を抑制することができる。

また、制御部１０は、改質部５１の温度が低いほど、Ｓ／Ｃ＋Ｏ／Ｃを大きく設定することが好ましい。改質部５１の温度が低いと炭素が析出しやすいからである。また、制御部１０は、Ｓ／Ｃが大きいほどＯ／Ｃを小さく設定することが好ましい。また、制御部１０は、Ｏ／Ｃが過大とならないようにエアポンプ８０を制御することが好ましい。Ｏ／Ｃが過大となると、生成水素量が減少することによってより多くの改質燃料が必要になるからである。以上のことを考慮して、制御部１０は、図５のマップを用いて制御目標Ｏ／Ｃを求めてもよい。

図５は、改質部５１の温度とｍａｐ（改質部５１の温度）との関係を示すマップである。ｍａｐ（改質部５１の温度）は、制御目標Ｏ／Ｃを求めるために必要な変数である。図５の縦軸はｍａｐ（改質部５１の温度）を示し、図５の横軸は改質部５１の温度を示す。制御目標Ｏ／Ｃは、ｍａｐ（改質部５１の温度）からＳ／Ｃを差し引いた値である。したがって、ｍａｐ（改質部５１の温度）が大きければ制御目標Ｏ／Ｃも大きい値となる。

図５に示すように、改質部５１の温度が比較的低い場合には、ｍａｐ（改質部５１の温度）は比較的大きい値に設定される。それにより、改質部５１を効率よく加熱することができる。また、ｍａｐ（改質部５１の温度）は、改質部５１の温度の増加とともに徐々に低下し、改質部５１の温度が所定値を超えた場合に急激に低下するように設定される。生成水素量の減少を抑制しつつ、炭素の析出を抑制するためである。

さらに、ｍａｐ（改質部５１の温度）は、改質部５１の温度の増加とともに、再度徐々に低下するように設定される。生成水素量の減少を抑制しつつ、改質部５１を加熱するためである。このように、図５のマップにしたがったＯ／Ｃの制御によって、生成水素量の減少を抑制し、炭素の析出を抑制しつつ、改質部５１を加熱することができる。

次に、制御部１０は、要求負荷Ｐｒｅｑおよび制御目標Ｏ／Ｃに基づいて、カソード６１に供給するべきエア量（以下、エア流量Ｑｃと称する）を算出する。制御部１０は、エア流量Ｑｃに基づいて、エアポンプ８０を制御する。それにより、燃料電池６０に発電を行わせつつ改質部５１を加熱することができる。以上のことから、燃料改質システム１００は、制御部１０による上記の制御を繰り返すことによって、アノード６２の水素脆化を抑制しつつ、改質部５１の加熱および燃料電池６０の発電を実現することができる。

続いて、制御部１０が燃料改質システム１００の起動・暖機を行う際のフローチャートの１例について説明する。図６は、上記フローチャートの１例を示す図である。制御部１０は、図６のフローチャートを例えば１００ｍｓごとに実行する。図６に示すように、制御部１０は、燃料改質システム１００が起動モードまたは暖機モードにあるか否かを判定する（ステップＳ１）。この場合、制御部１０は、イグニションキーがオンの状態にありかつ燃料電池６０および改質部５１の温度が所定の温度未満である場合に、燃料改質システム１００が起動モードまたは暖機モードにあると判定する。

ステップＳ１において燃料改質システム１００が起動モードまたは暖機モードにあると判定された場合、制御部１０は、温度センサ６５の検出結果に基づいて、アノード６２の温度が水素脆化回避温度（３００℃）以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２においてアノード６２の温度が３００℃以上であると判定された場合、制御部１０は、温度センサ５３の検出結果に基づいて、改質部５１の温度が改質下限温度（３５０℃）を超えているか否かを判定する（ステップＳ３）。

ステップＳ３において改質部５１の温度が３５０℃を超えていると判定された場合、制御部１０は、改質部５１の温度が改質目標温度（６００℃）を超えているか否かを判定する（ステップＳ４）。ステップＳ４において改質部５１の温度が６００℃を超えていると判定されなかった場合、制御部１０は、蓄電残量センサ９１の検出結果に基づいて、要求負荷Ｐｒｅｑを算出する（ステップＳ５）。この場合、制御部１０は、図３のマップを用いる。次に、制御部１０は、要求負荷Ｐｒｅｑに基づいて改質燃料流量Ｑｆを算出して、改質燃料流量Ｑｆの改質燃料が改質部５１に供給されるように調量弁４０を制御する（ステップＳ６）。この場合、制御部１０は、図４のマップを用いる。

次いで、制御部１０は、電流計６４の検出結果および改質燃料流量Ｑｆに基づいて、Ｓ／Ｃを算出する（ステップＳ７）。次に、制御部１０は、ステップＳ７において算出したＳ／Ｃおよび温度センサ５３の検出結果に基づいて、制御目標Ｏ／Ｃを算出する（ステップＳ８）。この場合、制御部１０は、図５のマップを用いる。次に、制御部１０は、要求負荷Ｐｒｅｑおよび制御目標Ｏ／Ｃに基づいて、エア流量Ｑｃを算出し、エア流量Ｑｃのエアが改質部５１に供給されるようにエアポンプ８０を制御する（ステップＳ９）。その後、制御部１０は、動作を終了する。

なお、ステップＳ１において燃料改質システム１００が起動モードまたは暖機モードにあると判定されなかった場合、制御部１０は、燃料改質システム１００が通常の運転を行うように制御する（ステップＳ１０）。その後、制御部１０は、動作を終了する。また、ステップＳ２においてアノード６２の温度が３００℃以上であると判定されなかった場合およびステップＳ３において改質部５１の温度が３５０℃を超えていると判定されなかった場合、制御部１０は、改質部５１におけるＡ／Ｆが１以上になるように調量弁４０およびエアポンプ８０を制御する（ステップＳ１１）。また、ステップＳ４において改質部５１の温度が６００℃を超えていると判定された場合、制御部１０は、燃料改質システム１００の状態を通常モードに切替える（ステップＳ１２）。その後、制御部１０は、ステップＳ１０の動作を行う。

以上のように、図６のフローチャートに従った制御により、アノード６２の水素脆化を抑制することができる。また、燃料電池６０の発電量を早期に確保することができる。

本実施例においては、燃料電池６０がデバイスに相当し、改質部５１が改質手段に相当し、制御部１０、調量弁４０およびエアポンプ８０が改質ガス供給手段、第１加熱手段および第２加熱手段に相当し、電流計６４が発電量検出手段に相当し、エアポンプ８０がカソードオフガス供給手段に相当する。

なお、本実施例においては温度センサ５３によって改質部５１の温度を検出しているがそれに限られない。例えば、本実施例のように改質燃料の完全燃焼によって改質部５１およびアノード６２の両方を加熱する構成の場合、アノード６２の温度を検出するだけでアノード６２および改質部５１の温度を検出することも可能である。また、本実施例においては改質燃料を完全燃焼することによってアノード６２および改質部５１を加熱しているがそれに限られない。例えば、電熱器等のヒータを第１加熱手段および第２加熱手段として用いてもよい。

続いて、本発明の第２実施例に係る燃料改質システム１００ａについて説明する。図７は、燃料改質システム１００ａの全体構成を示す模式図である。図７に示すように、燃料改質システム１００ａは、制御部１１０、改質燃料タンク１２０、燃料ポンプ１３０、調量弁１４０、改質器１５０、水素分離装置１６０、蒸発器１７０、エアポンプ１８０および混合器１９０を備える。

改質器１５０は、温度センサ１５１を備える。温度センサ１５１は、改質器１５０内に設けられている。水素分離装置１６０は、水素透過性金属層１６１および温度センサ１６２を備える。水素透過性金属層１６１は水素分離装置１６０のガス導入室とガス排出室との間を仕切るように設けられている。温度センサ１６２は、水素透過性金属層１６１の近傍に設けられている。本実施例においては、水素透過性金属層１６１は、例えばバナジウム層の表面にパラジウム層がコートされた構造を有する水素透過性金属層からなる。蓄電池９０は、蓄電残量センサ９１を備える。

制御部１１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。制御部１１０は、温度センサ１５１，１６２から与えられる検出結果に基づいて、燃料改質システム１００ａの各部を制御する。詳細は後述する。

改質燃料タンク１２０は、改質燃料として用いるための炭化水素燃料を貯蔵している。燃料ポンプ１３０は、制御部１１０の指示に従って、改質燃料タンク１２０に貯蔵されている改質燃料を調量弁１４０に供給する。調量弁１４０は、制御部１１０の指示に従って、改質器１５０における改質反応に必要な量の改質燃料を混合器１９０に供給する。蒸発器１７０は、制御部１１０の指示に従って、水を水蒸気に変換して必要量の水蒸気を混合器１９０に供給する。エアポンプ１８０は、制御部１１０の指示に従って、必要量のエアを混合器１９０に供給する。混合器１９０においては、改質燃料、水蒸気およびエアが混合されて混合気が生成される。混合気は、改質器１５０に供給される。

改質器１５０においては、改質燃料、水蒸気およびエアから水素を含有する改質ガスが生成される。まず、改質燃料中の炭化水素と水蒸気とにより水蒸気改質反応が起こり、水素及び一酸化炭素が生成される。次に、生成された一酸化炭素の一部と水蒸気とが反応し、水素及び二酸化炭素が生成される。水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足している場合には、エア中の酸素と炭化水素とが部分酸化反応を起こし、水素及び一酸化炭素が生成される。

改質器１５０において生成された改質ガスは、水素分離装置１６０の導入室に供給される。導入室に供給された改質ガス中の水素は、水素透過性金属層１６１を透過して排出室から排出される。温度センサ１５１は、改質器１５０内の改質触媒の温度を検出し、その検出結果を制御部１１０に与える。温度センサ１６２は、水素透過性金属層１６１の温度を検出し、その検出結果を制御部１１０に与える。以下、制御部１１０による燃料改質システム１００ａの制御について説明する。

まず、制御部１１０は、温度センサ１５１，１６２の検出結果に基づいて、改質器１５０および水素透過性金属層１６１の温度が水素透過性金属層１６１の水素脆化回避温度（本実施例においては３００℃程度）以上であるか否かを判定する。改質器１５０および水素透過性金属層１６１の温度が水素透過性金属層１６１の水素脆化回避温度未満である場合には、制御部１１０は、改質器１５０および水素透過性金属層１６１を加熱する。

まず、制御部１１０は、調量弁１４０を制御して改質燃料を混合器１９０に供給するとともに、エアポンプ１８０を制御してエアを混合器１９０に供給する。この場合、制御部１１０は、混合器１９０におけるＡ／Ｆが１以上になるように調量弁１４０およびエアポンプ１８０を制御する。それにより、改質器１５０における燃焼が完全燃焼になる。その結果、水素透過性金属層１６１に水素ガスが供給されずに、燃焼熱によって改質器１５０が加熱される。また、燃焼後の高温のガスによって水素透過性金属層１６１が加熱される。

改質器１５０および水素透過性金属層１６１の温度が水素脆化回避温度以上である場合には、制御部１１０は、温度センサ１５１の検出結果に基づいて、改質器１５０の温度が改質下限温度を上回っているか否かを判定する。改質下限温度は、本実施例においては例えば３５０℃程度である。改質器１５０の温度が改質下限温度以下であれば、制御部１１０は、上記の完全燃焼によって改質器１５０の加熱を継続する。なお、水素透過性金属層１６１の水素脆化回避温度の方が改質下限温度よりも高い場合には、改質器１５０の温度を検出するに際して改質下限温度を考慮する必要がない。

改質器１５０の温度が改質下限温度を上回っていれば、制御部１１０は、蒸発器１７０を制御して混合器１９０に水蒸気を供給する。また、制御部１１０は、混合器１９０におけるＡ／Ｆが１未満になるように調量弁１４０およびエアポンプ１８０を制御する。それにより、改質器１５０において改質ガスが生成される。このように本実施例においては、水素透過性金属層１６１の温度が水素透過性金属層１６１の水素脆化回避温度以上になってから、改質ガスが水素透過性金属層１６１に供給される。したがって、水素透過性金属層１６１の水素脆化を抑制することができる。さらに、改質器１５０の温度も水素脆化回避温度以上になっていることから、改質ガスによる水素透過性金属層１６１の水素脆化回避温度未満への温度低下を防止することができる。

続いて、制御部１１０が燃料改質システム１００ａを制御する際のフローチャートの１例について説明する。図８は、上記フローチャートの１例を示す図である。制御部１１０は、図８のフローチャートを例えば１００ｍｓごとに実行する。図８に示すように、制御部１１０は、温度センサ１６２の検出結果に基づいて、水素透過性金属層１６１の温度が水素脆化回避温度（３００℃）以上であるか否かを判定する（ステップＳ２１）。ステップＳ２１において水素透過性金属層１６１の温度が３００℃以上であると判定された場合、制御部１１０は、温度センサ１５１の検出結果に基づいて、改質器１５０の温度が改質下限温度（３５０℃）を超えているか否かを判定する（ステップＳ２２）。

ステップＳ２２において改質器１５０の温度が３５０℃を超えていると判定された場合、制御部１１０は、蒸発器１７０を制御して混合器１９０に水蒸気を供給する。また、制御部１０は、混合器１９０におけるＡ／Ｆが１未満になるように調量弁１４０およびエアポンプ１８０を制御する（ステップＳ２３）。その後、制御部１１０は、動作を終了する。

なお、ステップＳ２１において水素透過性金属層１６１の温度が３００℃以上であると判定されなかった場合およびステップＳ２２において改質器１５０の温度が３５０℃を超えていると判定されなかった場合、制御部１１０は、混合器１９０におけるＡ／Ｆが１以上になるように調量弁１４０およびエアポンプ１８０を制御する（ステップＳ２４）。その後、制御部１０は、動作を終了する。

以上のように、図８のフローチャートに従った制御により、水素透過性金属層１６１の水素脆化を抑制することができる。なお、本実施例においても、改質器１５０の温度が改質下限温度を上回りかつ改質目標温度以下である場合に、実施例１のようにＯ／Ｃを制御することによって改質器１５０を加熱してもよい。この場合、水素分離装置１６０において早期に水素を分離することができる。

本実施例においては、水素分離装置１６０がデバイスに相当し、改質器１５０が改質手段に相当し、制御部１１０、調量弁１４０、蒸発器１７０およびエアポンプ１８０が改質ガス供給手段に相当し、制御部１０、調量弁１４０およびエアポンプ１８０が第１加熱手段および第２加熱手段に相当する。

本発明の第１実施例に係る燃料改質システムの全体構成を示す模式図である。 パラジウムの水素脆化回避温度を示すグラフである。 蓄電残量と要求負荷との関係を示す図である。 要求負荷と改質燃料流量との関係の一例を示す図である。 改質部の温度とｍａｐ（改質部の温度）との関係を示すマップである。 制御部が燃料改質システムの起動・暖機を行う際のフローチャートの１例を示す図である。 本発明の第２実施例に係る燃料改質システムの全体構成を示す模式図である。 制御部が燃料改質システムを制御する際のフローチャートの１例を示す図である。

符号の説明

１０，１１０ 制御部
４０，１４０ 調量弁
５１ 改質部
６０ 燃料電池
６２ アノード
８０，１８０ エアポンプ
１００，１００ａ 燃料改質システム
１５０ 改質器
１６０ 水素分離装置
１６２ 水素透過性金属層

Claims (7)

1. 水素透過性金属層を有するデバイスと、
   改質燃料を用いた改質反応によって水素を含有する改質ガスを生成する改質手段と、
   前記水素透過性金属層および前記改質手段の温度が前記水素透過性金属層の水素脆化回避温度以上である場合に、前記改質ガスを前記水素透過性金属層に供給する改質ガス供給手段とを備えることを特徴とする燃料改質システム。
2. 前記水素透過性金属層を加熱する第１加熱手段をさらに備え、
   前記第１加熱手段は、前記水素透過性金属層の温度が前記水素透過性金属層の水素脆化回避温度未満である場合に、前記水素透過性金属層を加熱することを特徴とする請求項１記載の燃料改質システム。
3. 前記改質手段を加熱する第２加熱手段をさらに備え、
   前記第２加熱手段は、前記改質手段の温度が前記水素透過性金属層の水素脆化回避温度未満である場合に、前記改質手段を加熱することを特徴とする請求項１または２記載の燃料改質システム。
4. 前記第２加熱手段は、前記改質手段の温度が改質目標温度未満である場合に、前記改質手段を加熱することを特徴とする請求項３記載の燃料改質システム。
5. 前記デバイスは、前記水素透過性金属層上にプロトン伝導性電解質およびカソードが順に積層された燃料電池であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料改質システム。
6. 前記デバイスは、前記水素透過性金属層上にプロトン伝導性電解質およびカソードが順に積層された燃料電池であり、
   前記燃料電池の発電量を検出する発電量検出手段をさらに備え、
   前記第２加熱手段は、前記燃料電池のカソードオフガスを前記改質手段に供給するカソードオフガス供給手段を含み、前記改質手段の温度が前記改質目標温度未満である場合に前記カソードオフガス供給手段を用いて前記燃料電池の発電量および前記改質手段の温度とに基づいて前記改質手段のＯ／Ｃを制御することによって前記改質手段を加熱することを特徴とする請求項４記載の燃料改質システム。
   ただし、前記Ｃは前記改質手段に供給される前記改質燃料中の炭素原子のモル量を示し、前記Ｏは前記改質手段に供給される酸素ガス中の酸素原子のモル量を示す。
7. 前記デバイスは、水素分離装置であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料改質システム。

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