JP3747855B2 - 燃料改質装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料改質装置に関し、特に、燃料電池システムに設けられる燃料改質装置の冷却方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料改質装置の冷却方法について、例えば特開平10−302824号公報は、燃料改質装置の構成であるところの一酸化炭素(以下、単にCOと示す。)除去器の冷却に関する技術を開示する。
【0003】
前記公報では、CO除去器(反応器6)の内部に冷却管を配設して、冷却管の一端を循環ポンプを介して冷却水タンクに連通し、他端は放熱器を介して冷却水タンクに連通させ、循環ポンプの作用により、冷却水タンク内の冷却水はCO除去器内の冷却管内を流通し、CO除去器を冷却し、昇温した冷却水は放熱器で冷却され、冷却水タンクに戻る構成を開示する。したがって、冷却水はCO除去器内を流通することで、改質ガス中のCO選択酸化反応によって生じた熱を吸熱し、CO除去器内の温度上昇を抑制することができる。
【0004】
また、特開平07−185303号公報には、選択触媒を担持する触媒層と冷却水が流通する冷却層とが交互に積層された触媒積層体と、箱型ケーシング内に選択酸化触媒が充填される触媒充填体とが改質ガスの流れ方向にメッシュ板を介して接合されたCO除去装置が開示され、触媒積層体が冷却可能な構成となっている。
【0005】
さらに、特開2000−72403号公報には、改質ガス生成部と改質ガスに含有されるCOの除去するCO除去器との間に改質ガスを冷却する手段を設けた燃料電池システムが開示され、これはCO除去器に供給される改質ガスの温度を適正に制御する構成である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平10−302824号公報に記載の技術にあっては、放熱器で冷却された冷却水がタンクからCO除去器に流入するため、CO除去器入口の温度が低くなり、出口温度との温度差が大きくなり、CO除去器内の触媒の温度が均一とならないで、活性温度に達しない領域が多くなり、全体としてのCO除去効率が低下することが問題となる。
【0007】
また、特開平07−185303号公報の技術では、CO選択酸化反応が激しい触媒積層体の冷却は可能であるけれども、下流に位置する触媒充填体は冷却手段を備えていないために、CO選択酸化反応自体は少ないものの、触媒充填体の触媒温度は触媒の活性温度域を越える恐れがある。
【0008】
特開2000−72403号公報の技術は、改質ガスの温度を冷却水(冷媒)の流量制御で行っているため、冷却手段の出入口間での温度差が最小とはならず、冷却手段の出口での改質ガスの温度が不均一となり、この改質ガスが導入されるCO除去器の性能効率が低下することになる。
【0009】
すなわち、これまでの従来技術の制御ではいずれもが、CO除去器内の温度が触媒の活性温度域に精度よく制御できず、たとえば、CO除去器の下流側で活性温度となるように温度制御すると、上流側でCOの選択酸化反応が生じることがなく、CO除去性能が十分に発揮することができない。また入口側で触媒活性温度となるように温度制御すると下流側での触媒温度が活性温度を越えた温度となり、逆シフト反応が生じ、COの除去ができなかったり、改質反応器で生成した水素を燃焼してしまい、改質効率の低下を結果として招くことになる。
【0010】
従来のCO除去器の温度制御について説明すると、その温度制御の手段としては冷却水の流量を制御するものとCO除去器の入口での冷却水温度を制御するものとがある。
【0011】
冷却水の流量を循環ポンプの負荷に応じて制御する場合には、循環ポンプの負荷にかかわらず、CO除去器の入口での冷却水温度と出口での冷却水温度は常に一定の温度差を有することになる。したがって、前述したように制御温度の設定によって、入口側でCOの除去が促進されなかったり、逆に出口側で逆シフト反応が生じたりすることになる。
【0012】
対して、CO除去器入口での冷却水の温度を制御する場合、たとえばCO除去器の上流に熱交換器を設置し、その出口にサーモスタットを設けることでCO除去器入口の冷却水温度を制御する場合には、下流側の触媒温度が高負荷のときに活性温度となるように制御すると、CO除去器の負荷が低いときに除去器内の温度が活性温度に達せずCOの除去ができない状態となる恐れが生じる。
【0013】
CO除去器は、選択酸化触媒が活性温度に達すると改質ガス中に含有されたCOを選択的に酸化し、除去するが、このときの触媒活性温度は、所定の温度範囲で与えられるが、前記した従来技術では、このような温度範囲にCO除去器内の触媒の温度を制御することが適正にできない。
【0014】
本発明は、このような課題に鑑み、CO除去器内の収装された選択酸化触媒を活性温度範囲内に制御することのできる燃料改質装置を提案する。
【0015】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、前記一酸化炭素除去器は、改質ガスとの間で熱交換する機能を備え、前記一酸化炭素除去器に冷媒を定量循環させるための第1循環ポンプと、前記一酸化炭素除去器から排出される改質ガスまたは冷媒の温度を検出する手段と、前記一酸化炭素除去器から排出される冷媒を第1循環ポンプを介して一酸化炭素除去器に循環する第1流路と、前記第1流路と並列に設けられ、第1放熱器を備えた第2流路と、前記第1流路と第2流路の分岐点に、一酸化炭素除去器に流入する冷媒の第1流路からの冷媒と第2流路からの冷媒との混合率を制御する第1三方弁とを備え、前記第1三方弁は、前記一酸化炭素除去器から排出される改質ガスの温度または冷媒の温度が所定温度となるように混合率を制御する。
【0016】
第2の発明は、第1の発明において、改質ガスを冷却する熱交換器と、前記熱交換器に冷媒を循環させるための第2循環ポンプと、前記熱交換器から排出される改質ガスまたは冷媒の温度を検出する手段と、前記熱交換器から排出される冷媒を熱交換器に循環する第3流路と、前記第3流路をバイパスして設けられ、第2放熱器を備えた第4流路と、前記第3流路と第4流路の下流側分岐点に、熱交換器に流入する冷媒の第3流路からの冷媒と第4流路からの冷媒との混合率を制御する第2三方弁とを備え、前記第2循環ポンプを所定流量で運転し、前記第2三方弁は、前記熱交換器から排出される冷媒の温度が所定温度となるように混合率を制御する。
【0017】
第3の発明は、第1または2の発明において、前記CO除去器の運転負荷が最大のときにCO除去器内に収装された触媒の温度が活性温度となるように、前記第1循環ポンプを最大定格流量で運転するとともに、前記第1三方弁の混合率を制御する。
【0018】
第4の発明は、第2または3の発明において、前記熱交換器の運転負荷が最大のときに熱交換器から排出される冷媒の温度が許容温度となるように、前記第2循環ポンプを最大定格流量で運転するとともに、前記第2三方弁の混合率を制御する。
【0019】
第5の発明は、第1の発明において、改質ガスを冷却する熱交換器と、前記熱交換器に冷媒を循環させるための第2循環ポンプと、前記熱交換器から排出される改質ガスまたは冷媒の温度を検出する手段と、前記熱交換器から排出される冷媒を熱交換器に循環する第3流路と、前記第3流路に設けられ、前記熱交換器を循環する冷媒に前記第1放熱器から流入する冷媒の量を制御する第2三方弁と、前記第1三方弁と前記第2三方弁を連結する第5流路と、第2流路に設置された第3循環ポンプと、前記第2流路と前記第3流路とを連通する第6流路と、前記第2流路を連通する第7流路とを備え、前記第1放熱器に流入する冷媒流量を前記第3循環ポンプで調整しつつ、前記第1放熱器出口での冷媒が所定の温度となるように制御する。
【0020】
第6の発明は、第1の発明において、前記CO除去器の出入口での冷媒温度を検出し、その温度差を検出する第1温度差検出手段と、前記第1放熱器の出口での冷媒温度を検出する手段と、この第1放熱器出口での冷媒温度とCO除去器出口での冷媒温度との温度差を検出する第2温度差検出手段と、第1温度差検出手段と第2温度差検出手段の出力に基づき、CO除去器に供給する冷媒の混合率を演算する循環率計算手段とを備え、この循環率計算手段で演算された混合率となるように第1三方弁を制御する。
【0021】
第7の発明は、第2の発明において、前記熱交換器の出入口での冷媒温度を検出し、その温度差を検出する第4温度差検出手段と、前記第2放熱器の出口での冷媒温度を検出する手段と、この第2放熱器出口での冷媒温度と熱交換器出口での冷媒温度との温度差を検出する第5温度差検出手段と、第4温度差検出手段と第5温度差検出手段の出力に基づき、熱交換器に供給する冷媒の混合率を演算する第2循環率計算手段とを備え、この第2循環率計算手段で演算された混合率となるように第2三方弁を制御する。
【0022】
第8の発明は、第1の発明において、前記CO除去器の出入口での冷媒温度を検出し、その温度差を検出する第1温度差検出手段と、前記第1放熱器の出口での冷媒温度を検出する手段と、この第1放熱器出口での冷媒温度とCO除去器出口での冷媒温度との温度差を検出する第2温度差検出手段と、第1温度差検出手段と第2温度差検出手段の出力に基づき、CO除去器に供給する冷媒の混合率を演算する循環率計算手段と、前記CO除去器の出口での冷媒の温度とその目標温度との温度差を演算する第3温度差検出手段と、この第3温度差検出手段が演算した温度差に基づき混合率の補正率を演算するPID制御計算手段と、前記循環率計算手段が演算した混合率にPID制御計算手段が演算した補正率を加算し、補正混合率を演算する加算手段とを備え、この加算手段で演算された補正混合率となるように第1三方弁を制御する。
【0023】
第9の発明は、第2または8の発明において、前記熱交換器の出入口での冷媒温度を検出し、その温度差を検出する第4温度差検出手段と、前記第2放熱器の出口での冷媒温度を検出する手段と、この第2放熱器出口での冷媒温度と熱交換器出口での冷媒温度との温度差を検出する第5温度差検出手段と、第4温度差検出手段と第5温度差検出手段の出力に基づき、熱交換器に供給する冷媒の混合率を演算する第2循環率計算手段と、前記熱交換器の出口での冷媒の温度とその目標温度との温度差を演算する第6温度差検出手段と、この第6温度差検出手段が演算した温度差に基づき混合率の補正率を演算する第2PID制御計算手段と、前記第2循環率計算手段が演算した混合率に第2PID制御計算手段が演算した補正率を加算し、補正混合率を演算する第2加算手段とを備え、この第2加算手段で演算された補正混合率となるように第2三方弁を制御する。
【0024】
【発明の効果】
第1と3の発明では、循環ポンプを所定流量で運転することでCO除去器に流通する冷媒の流路を第1流路と放熱器を備えた第2流路とに分け、第1流路と第2流路の分岐点に三方弁を設置し、第1流路を流れるCO除去器からの冷媒と第2流路を流れる放熱器によって低温化された冷媒とをCO除去器から排出される改質ガスの温度または冷媒の温度が所定温度となる混合率に基づいて三方弁により混合されてCO除去器に導入される。
【0025】
したがって、CO除去器に介装された選択酸化触媒を所定温度(例えば、活性温度の上限温度)に精度よく制御できる。
【0026】
第2と4の発明では、第1および3の発明と同様の構成を改質ガスを冷却する熱交換器に適用したことにより、熱交換器から排出される改質ガスの温度を適正に制御することができる。
【0027】
第5の発明では、熱交換器を流通する冷媒を冷却する放熱器とCO除去器を流通する冷媒を冷却する放熱器とを共用することにより、構成を簡潔にし、装置の低コスト化を図ることができる。
【0028】
第6と7の発明では、各部の温度差を演算して、演算結果に基づき混合率を求め、三方弁を制御するので、温度に応じて変化する負荷変化を迅速に混合率に変換できるので、応答性の良好な温度制御を実施することが可能となる。
【0029】
第8と9の発明では、各部の温度差を演算して、演算結果に基づき混合率を求め、演算した混合率を目標温度に基づいて補正したうえで三方弁を制御するので、温度に応じて変化する負荷変化を迅速に混合率に変換できるので、応答性の良好なかつ高精度の温度制御を実施することが可能となる。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料改質装置について、図面を参照しながら説明する。図1は本発明の燃料改質装置を用いた燃料電池システムであり、空気供給源としてのブロア1からの空気は、流量制御弁2を介して改質反応器3に供給される。改質反応器3には空気に加えて燃料(例えば、炭化水素系燃料と水)が供給されて水素リッチの改質ガスが生成されて、下流に位置する熱交換器5に供給される。改質ガスは熱交換器5において、熱交換器5の下流に設置されたCO除去器6内に収装された選択酸化触媒が活性温度となる温度に調整されてCO除去器6に導入される。CO除去器6は、選択酸化触媒としてPtまたはRuが担持されており、触媒が活性温度に達すると改質ガス中に含有されたCOを選択的に酸化し、除去するが、このときの触媒活性温度は、図2に示すように150℃前後の温度範囲として与えられ、この温度範囲中にCO除去器6内の温度が、その負荷を問わずに維持されることが改質ガス中のCO除去の観点から望ましい。
【0031】
CO除去器6には、ブロア1からの空気が流量制御弁4を介して供給される。この空気と供給された改質ガス中に3.5%程度含まれたCOをCO除去器6の触媒の作用によって選択的に酸化させ、改質ガス中のCO濃度を40ppm以下まで低下させることができる。したがって、低CO濃度の改質ガスがCO除去器6からが燃料電池スタック7に供給されるため、燃料電池スタック7を構成する単セルの触媒、たとえばPt系の触媒のCO被毒を抑制することができる。
【0032】
燃料電池スタック7では、燃料極に低CO濃度で水素リッチな改質ガスが供給され、空気極にはブロア1から空気が流量制御弁8によって流量を制御されて供給され、発電を行う。燃料電池スタック7から排出される排ガス(排水素と排空気)は、燃焼器9に送られて流量制御弁10を介して供給されるブロア1からの空気と混合して燃焼され、大気中に放出される。
【0033】
以上が燃料電池システムの主要な構成であって、引き続き改質反応器3、熱交換器5、CO除去器6を主要構成とする燃料改質装置100の詳細について説明する。
【0034】
まずCO除去器6は、その温度調節のための冷媒(例えば、水)が流通する冷却層と、改質ガスが流通する触媒層を積層して構成される。冷却層に供給される冷媒は、第1循環ポンプ11から供給され、そのとき第1循環ポンプ11は最大定格容量(流量)で運転し、冷却層に最大流量の冷媒を供給する。冷媒は、CO除去器6のCO選択酸化反応で生じた熱を吸熱し、第1流路1aを介して第1三方弁12および第1流路1aから分岐する第2流路1bを介して第1放熱器13に送られる。第1放熱器13で冷却された冷媒は第2流路1bを通じて第1三方弁12に送られる。
【0035】
第1三方弁12は、第1放熱器13を通過して冷却された低温の冷媒とCO除去器6から排出されたままの高温の冷媒とをCO除去器6の触媒の設定温度に応じて所定の割合(混合率)で混合し、CO除去器6に供給するようにコントローラ30によって制御される。なおコントローラ30にはCO除去器下流の改質ガスの温度が温度検出器14から、またCO除去器6の上流及び下流の冷媒の温度が温度検出器15a、15bから入力され、これらのデータに基づき第1三方弁12の設定が決定される。
【0036】
CO除去器6から第1三方弁12に連通する第1流路1aから分岐してリザーバタンク16が設置されており、冷媒の熱膨張が吸収されるとともに、冷媒中の気泡が除去される。
【0037】
コントローラ30は、前述したようにCO除去器下流の改質ガスの温度が温度検出器14から、またはCO除去器6下流の冷媒の温度が温度検出器15bから入力され、これらの検出値に基づいて第1放熱器13で冷却された冷媒とCO除去器6から排出されたままの冷媒との混合の割合、循環率(混合率)をCO除去器6から排出される改質ガスまたは冷媒の温度が所定温度となるように演算し、この演算された循環率となるように第1三方弁12の開度を制御する。このとき改質ガスまたは冷媒の所定温度は、例えば、触媒の活性温度である150℃となるようにフィードバック制御される。
【0038】
改質反応器3とCO除去器6との間に設置された熱交換器5は、改質反応器3から導入される高温の改質ガスを、所定温度に冷却する。つまり、改質ガスが導入された熱交換器5から排出された冷媒が、第3流路2aを通じて第2三方弁18と第3流路2aから分岐した第4流路2bを通じて第2放熱器19に送られる。第2放熱器19に送られた冷媒は、熱を奪われて低温となり、第2三方弁18に送られる。対して第2三方弁18に直接送られた冷媒は高温を維持する。熱交換器5の下流の改質ガスの温度を検出する温度検出器20、または熱交換器5の下流の冷媒の温度を検出する温度検出器21のデータが、コントローラ31に入力され、コントローラ31が、熱交換器5下流の改質ガスまたは冷媒の温度が所定温度となるように、第2放熱器19を通過して冷却された低温の冷媒と熱交換器5からそのまま第2三方弁18に送られた高温の冷媒との循環率を算出し、この演算された循環率に基づいてコントローラ31が、第2三方弁18の設定を制御する。このとき改質ガスまたは冷媒の所定温度は、例えば、140℃となるようにフィードバック制御される。これは下流に位置するCO除去器6での所定温度を活性温度の150℃と想定したときに、CO除去器6の触媒の温度が150℃となるように選択酸化反応による加熱分を加味して設定した温度である。なお、第2三方弁18と熱交換器5との間に第2循環ポンプ22が設置される。
【0039】
したがって、第1、第2三方弁12、18を用いてCO除去器6または熱交換器5からそのまま送られた冷媒と第1、第2放熱器13、19を通して冷却された冷媒とを混合し、循環率をCO除去器6または熱交換器5から排出された冷媒または改質ガスの温度と、改質ガスまたは冷媒の目標温度に基づいて算出し、この循環率となるようにコントローラ30、31が第1、第2三方弁13、18の開度を制御する。このように制御することにより、図3に示すように、CO除去器6出口側の触媒温度を負荷率によらず、常に活性温度に維持することができ、一方、入口側の触媒温度は、低負荷時には出口側とほぼ同じ温度、つまり触媒活性温度に維持され、高負荷ほど温度は流入する冷媒の温度が低下するため低下する傾向を示す。同様に熱交換器5の出口側の冷媒温度を一定に制御することができる。このように、本発明のCO除去器6にあっては、低負荷のCO選択率が最も高い触媒活性温度上限側で、しかも狭い温度域に制御することができる。
【0040】
しかしながら、図4に示した冷媒の流量を制御した場合のCO除去器6の出入口での冷媒の温度差、もしくは図5に示すCO除去器6の入口での冷媒温度を制御した場合の冷媒の入口と出口での温度差と比べると、本発明では、触媒の活性温度に出口側が常に達しているとともに、入口側でも低負荷から中負荷で活性温度に達することができ、他の制御方法より明らかにCO除去効率が向上される。さらに、CO除去器6の出口側冷媒の温度を一定に制御できるので、CO除去器6から排出される改質ガスの温度を常に一定とすることができ、発電効率向上に寄与する。
【0041】
また図2に示す如く、CO除去器6は高負荷ほど、CO選択酸化反応が促進されるためCO除去器6を昇温する入力熱量が増大し、CO除去器6が過温される恐れがある。したがって、CO除去器6の温度を調整するため、第1放熱器13を通過し、冷却された冷媒の割合が高い冷媒を、CO除去器6に供給するため、CO除去器6の入口側が低温となり、結果として入口側と出口側の触媒の温度差が最大となる。しかし図2に示したように触媒活性温度域に温度を維持できれば、CO選択率の低下は抑制できるので、最大負荷時の温度を維持するように冷媒の流量を定め、このときの流量が第1循環ポンプ11の最大定格容量となる第1循環ポンプ11を使用する。このように使用する第1循環ポンプ11を最大定格容量でCO除去器6の最大負荷時に運転することで、負荷率最大時においても触媒の活性温度域を維持することができ、低負荷時にはCO選択率が最も高い、温度差が小さい温度域で制御できる。
【0042】
図6に示す第2の実施形態は、図1に示した第1の実施形態に対し、第1放熱器13を熱交換器5とCO除去器6で共用とした構成である。
【0043】
熱交換器5から排出された冷媒は、第2三方弁18を通して熱交換器5に戻る循環流路である第3流路2aと、第3流路2aから分岐して第2流路1bと連通する第6流路2bに供給される。第2流路1b内には第3循環ポンプと第1放熱器13が直列に設置される。さらに第1放熱器13の下流の第2流路1bから分岐して第1三方弁12と第2三方弁18に連通する第5流路2cが接続され、第5流路2cはさらに、その分岐点から第1放熱器13の上流の第2流路1bと連通する第7流路2dが設けられる。
【0044】
このように構成されて、第1放熱器13で冷却された冷媒は、第3循環ポンプ23の作用により熱交換器5の冷却系とCO除去器6の冷却系に圧送されるとともに、その一部は第1放熱器13を挟んで第2流路1b間を連通する第7流路2dを流通して第3循環ポンプ23に戻る。
【0045】
第2流路1bと第5流路2cと第7流路2dとの分岐には、第1放熱器13の下流での冷媒の温度を検出する温度検出器24が設置され、この出力がコントローラ32に入力される。コントローラ32は、このデータに基づいて第3循環ポンプ23の駆動力または回転数を制御し、第1放熱器13より流出する冷媒温度を制御し、結果として熱交換器5とCO除去器6の第1三方弁12及び第2三方弁18に供給する冷媒の温度を制御する。例えば、この温度は、熱交換器5とCO除去器6の設定温度より低い80℃に設定される。
【0046】
このような構成とすることで、第1放熱器13を熱交換器5の冷却とCO除去器6の冷却とに共用することができ、構成を簡略化し、燃料改質装置としての低価格化を図ることができる。
【0047】
図7は、コントローラ30がCO除去器6の触媒温度を設定温度に制御するために冷媒温度を制御する制御内容を説明するためのブロック図である。なお、熱交換器5の改質ガスの温度を制御するための冷媒の温度を制御するために用いることも可能である。
【0048】
第1温度差検出手段43は、温度検出器15bから検出されるCO除去器6の下流の冷媒温度T1と温度検出器15aから検出されるCO除去器6の入口での冷媒温度T2とから、その温度差ΔTi=T1−T2を算出する。
【0049】
第2温度差検出手段44は、温度検出器15bから検出されるCO除去器6の下流の冷媒温度T1と、温度検出器24から検出される第1放熱器13の下流の冷媒温度T3から、その温度差ΔTo=T1−T3を算出する。
【0050】
第1循環率計算手段46は、循環率Rを算出する手段であり、以下に循環率Rの算出について説明する。
【0051】
いま、CO除去器6内で冷媒が吸収する吸収熱量をQpiとすると、吸収熱量Qpiは、
吸収熱量Qpi=ΔTi×比熱K×CO除去器6を流通する冷媒流量Qwt
で求められる。
【0052】
また第1放熱器13が放出する放熱熱量Qpoは、
放熱熱量Qpo=ΔTo×比熱K×第1放熱器13を流通する冷媒流量Qwsで算出される。
【0053】
いま、吸収熱量Qpi=放熱熱量Qpoとすれば、第1放熱器13を通過する低温の冷媒の循環率Rは、
循環率R=ΔTi/ΔTo=Qwt/Qws
で求めることができる。
【0054】
目標循環率Rff=ΔT1/ΔTo
となる。
【0055】
バルブ開度変換手段48は、予め求めた例えば図9に示すような循環率Rと第1三方弁12の開度との関係に基づいて目標循環率Rffに対応するバルブ開度を算出し、第1三方弁12の開度を制御する。
【0056】
第1の実施形態で説明したように第1循環ポンプ11は、全負荷状態で運転されており、最大流量の冷媒がCO除去器6に供給される。したがって、図3に示したように温度差ΔTiは、CO除去器6の負荷率が低いほど小さくできるとともに、熱負荷変化を即座に循環率Rに変換できるので、高応答のCO除去器6の温度制御が可能となる。
【0057】
図8は、コントローラ30がCO除去器6の触媒温度を設定温度に制御するために冷媒温度を制御する制御内容を説明するための他のブロック図である。なお、熱交換器5の改質ガスの温度を制御するための冷媒の温度を制御するために用いることも可能である。
【0058】
第1温度差検出手段43は、温度検出器15bから検出されるCO除去器6の下流の冷媒温度T1と温度検出器15aから検出されるCO除去器6の入口での冷媒温度T2とから、その温度差ΔTi=T1−T2を算出する。
【0059】
第2温度検出手段44は、温度検出器15bから検出されるCO除去器6の下流の冷媒温度T1と、温度検出器24から検出される第1放熱器13の下流の冷媒温度T3から、その温度差ΔTo=T1−T3を算出する。
【0060】
循環率計算手段46は、図7で説明したのと同様にして目標循環率Rff=ΔTi/ΔToを算出する。
【0061】
第3温度差検出手段42は、設定温度Trと冷媒温度T1との温度差ΔTfb=Tr-T1を演算する。
【0062】
PID制御計算手段45は、温度差ΔTfbと制御ゲインを基にして補正量Rfbを計算する。
【0063】
加算手段27は、目標循環率Rffと補正量Rfbを加算して、補正循環率Rを求める。
【0064】
バルブ開度変換手段48は、予め求めた例えば図4に示すような循環率Rと第1三方弁12の開度との関係に基づいて補正循環率Rに対応するバルブ開度を算出し、第1三方弁12の開度を制御する。
【0065】
第1の実施形態で説明したように第1循環ポンプ11は、全負荷状態で運転されており、最大流量の冷媒がCO除去器6に供給される。したがって、図3に示したように温度差ΔTiは、CO除去器6の負荷率が低いほど小さくできるとともに、熱負荷変化を即座に循環率Rに変換できるので、高応答、高精度のCO除去器6の温度制御が可能となる。
【0066】
図10は、CO除去装置6の具体的な構成の一例を示すもので、冷媒が流通する冷媒層と、改質ガスが流通する改質ガス流路とが直交(流れ方向で)するように、かつ交互に積層して構成されている。ここで、改質ガスと冷媒が最初に熱交換を行う領域25には、CO選択酸化触媒を担持しないように構成されている。このような構成とすることで、図11に示すように、改質ガスの流れ方向上流側の冷媒流路Fを流通する冷媒の温度は、下流側の冷媒流路Rを流通する冷媒よりCO選択酸化反応による発熱量が大きいため冷媒の温度の昇温速度が速くなるが、前述したように触媒の担持領域を制限することにより、冷媒流路Fの出口で冷媒温度が過温することを防止できる。したがって、CO除去器6内での選択酸化反応による熱の発生量を均一にすることが可能となる。
【0067】
図12は、CO除去装置6の具体的な他の構成の一例を示すもので、図10に示したような積層構成のCO除去装置6において、図13に示すように冷媒流路に導入される冷媒の流量分配を改質ガスの入口側ほど多くなるように、冷媒の入口に設置されたダクト26の形状を改質ガスの上流側ほど、その断面積が大きくなるようにしたものである。このように改質ガス上流側ほど冷媒が多く流れるようにすることで、選択酸化反応が促進される改質ガス上流側での冷媒の出口側の温度上昇を抑制し、CO除去器6内での冷媒の温度分布を均一にすることができる。
【0068】
図14に示すCO除去器6の構成は、流量の分配をコレクタのような入口部の形状によるものではなく、入口部に冷媒の流れを邪魔する多孔質体や針金等の抵抗物27を設置することで変化させるものである。図12と同様の思想に基づき、改質ガスの流れ方向下流側ほど、冷媒の流れに対する抵抗が大きくなるように抵抗物が設置される。このように改質ガス上流側ほど冷媒が多く流れるようにすることで、選択酸化反応が促進される改質ガス上流側での冷媒の出口側の温度上昇を抑制し、CO除去器6内での冷媒の温度分布を均一にすることができる。
【0069】
図15と図16に示すCO除去器6の構成は、冷媒流路の形状によって冷媒の流量分配を制御するようにしたものである。すなわち、図15に示したものでは、改質ガスの流れ方向で下流側ほど、塞ぎ板28を用いて冷媒が冷媒通路に流入してから流出するまでの冷媒流路の長さを長く設定することで流路抵抗を増加されている。このように改質ガス上流側ほど冷媒が多く流れるようにすることで、選択酸化反応が促進される改質ガス上流側での冷媒の出口側の温度上昇を抑制し、CO除去器6内での冷媒の温度分布を均一にすることができる。
【0070】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料改質装置を適用した燃料電池システムの構成を示す図である。
【図2】冷媒温度とCO選択率の関係を示す図である。
【図3】本発明の負荷率とCO除去器出入口部での冷媒温度との関係を示す図である。
【図4】冷媒温度制御の場合の負荷率とCO除去器出入口部での冷媒温度との関係を示す図である。
【図5】CO除去器の入口温度制御の場合の負荷率とCO除去器出入口部での冷媒温度との関係を示す図である。
【図6】燃料改質装置を適用した第2の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図7】CO除去器の冷却制御方法を説明するための制御ブロック図である。
【図8】CO除去器の他の冷却制御方法を説明するための制御ブロック図である。
【図9】三方弁の開度と混合率の関係を示す図である。
【図10】本発明を適用したCO除去器に具体的構成を示す一例である。
【図11】CO除去器内の位置の違いによる冷媒温度の変化を示す図である。
【図12】本発明を適用した他のCO除去器に具体的構成を示す一例である。
【図13】CO除去器の冷媒流路と冷媒混合率の関係を示す図である。
【図14】本発明を適用した他のCO除去器に具体的構成を示す一例である。
【図15】本発明を適用した他のCO除去器に具体的構成を示す一例である。
【図16】図15の断面A−Aを示す断面図である。
【符号の説明】
3 改質反応器
5 熱交換器
6 CO除去器
7 燃料電池スタック
12 第1三方弁
13 第1放熱器
18 第2三方弁
19 第2放熱器
Claims (9)
- 供給された原燃料と空気を反応させて改質ガスを生成する改質反応器と、
改質ガス中に含有する一酸化炭素を選択酸化反応により所定濃度まで低減する一酸化炭素除去器と、
を備える燃料改質装置において、
前記一酸化炭素除去器は、改質ガスとの間で熱交換する機能を備え、
前記一酸化炭素除去器に冷媒を定量循環させるための第1循環ポンプと、
前記一酸化炭素除去器から排出される改質ガスまたは冷媒の温度を検出する手段と、
前記一酸化炭素除去器から排出される冷媒を第1循環ポンプを介して一酸化炭素除去器に循環する第1流路と、
前記第1流路と並列に設けられ、第1放熱器を備えた第2流路と、
前記第1流路と第2流路の分岐点に、一酸化炭素除去器に流入する冷媒の第1流路からの冷媒と第2流路からの冷媒との混合率を制御する第1三方弁とを備え、
前記第1三方弁は、前記一酸化炭素除去器から排出される改質ガスの温度または冷媒の温度が所定温度となるように混合率を制御することを特徴とする燃料改質装置。 - 改質ガスを冷却する熱交換器と、
前記熱交換器に冷媒を循環させるための第2循環ポンプと、
前記熱交換器から排出される改質ガスまたは冷媒の温度を検出する手段と、
前記熱交換器から排出される冷媒を熱交換器に循環する第3流路と、
前記第3流路をバイパスして設けられ、第2放熱器を備えた第4流路と、
前記第3流路と第4流路の下流側分岐点に、熱交換器に流入する冷媒の第3流路からの冷媒と第4流路からの冷媒との混合率を制御する第2三方弁とを備え、
前記第2循環ポンプを所定流量で運転し、
前記第2三方弁は、前記熱交換器から排出される冷媒の温度が所定温度となるように混合率を制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料改質装置。 - 前記一酸化炭素除去器の運転負荷が最大のときに一酸化炭素除去器内に収装された触媒の温度が活性温度となるように、前記第1循環ポンプを最大定格流量で運転するとともに、前記第1三方弁の混合率を制御することを特徴とする請求項1または2に記載の燃料改質装置。
- 前記熱交換器の運転負荷が最大のときに熱交換器から排出される冷媒の温度が許容温度となるように、前記第2循環ポンプを最大定格流量で運転するとともに、前記第2三方弁の混合率を制御することを特徴とする請求項2または3に記載の燃料改質装置。
- 改質ガスを冷却する熱交換器と、
前記熱交換器に冷媒を循環させるための第2循環ポンプと、
前記熱交換器から排出される改質ガスまたは冷媒の温度を検出する手段と、
前記熱交換器から排出される冷媒を熱交換器に循環する第3流路と、
前記第3流路に設けられ、前記熱交換器を循環する冷媒に前記第1放熱器から流入する冷媒の量を制御する第2三方弁と、
前記第1三方弁と前記第2三方弁を連結する第5流路と、
第2流路に設置された第3循環ポンプと、
前記第2流路と前記第3流路とを連通する第6流路と、
前記第2流路を連通する第7流路とを備え、
前記第1放熱器に流入する冷媒流量を前記第3循環ポンプで調整しつつ、
前記第1放熱器出口での冷媒が所定の温度となるように制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料改質装置。 - 前記一酸化炭素除去器の出入口での冷媒温度を検出し、その温度差を検出する第1温度差検出手段と、
前記第1放熱器の出口での冷媒温度を検出する手段と、
この第1放熱器出口での冷媒温度と一酸化炭素除去器出口での冷媒温度との温度差を検出する第2温度差検出手段と、
第1温度差検出手段と第2温度差検出手段の出力に基づき、一酸化炭素除去器に供給する冷媒の混合率を演算する循環率計算手段とを備え、
この循環率計算手段で演算された混合率となるように第1三方弁を制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料改質装置。 - 前記熱交換器の出入口での冷媒温度を検出し、その温度差を検出する第4温度差検出手段と、
前記第2放熱器の出口での冷媒温度を検出する手段と、
この第2放熱器出口での冷媒温度と熱交換器出口での冷媒温度との温度差を検出する第5温度差検出手段と、
第4温度差検出手段と第5温度差検出手段の出力に基づき、熱交換器に供給する冷媒の混合率を演算する第2循環率計算手段とを備え、
この第2循環率計算手段で演算された混合率となるように第2三方弁を制御することを特徴とする請求項2に記載の燃料改質装置。 - 前記一酸化炭素除去器の出入口での冷媒温度を検出し、その温度差を検出する第1温度差検出手段と、
前記第1放熱器の出口での冷媒温度を検出する手段と、
この第1放熱器出口での冷媒温度と一酸化炭素除去器出口での冷媒温度との温度差を検出する第2温度差検出手段と、
第1温度差検出手段と第2温度差検出手段の出力に基づき、一酸化炭素除去器に供給する冷媒の混合率を演算する循環率計算手段と、
前記一酸化炭素除去器の出口での冷媒の温度とその目標温度との温度差を演算する第3温度差検出手段と、
この第3温度差検出手段が演算した温度差に基づき混合率の補正率を演算するPID制御計算手段と、
前記循環率計算手段が演算した混合率にPID制御計算手段が演算した補正率を加算し、補正混合率を演算する加算手段とを備え、
この加算手段で演算された補正混合率となるように第1三方弁を制御することを特徴とする請求項1または2に記載の燃料改質装置。 - 前記熱交換器の出入口での冷媒温度を検出し、その温度差を検出する第4温度差検出手段と、
前記第2放熱器の出口での冷媒温度を検出する手段と、
この第2放熱器出口での冷媒温度と熱交換器出口での冷媒温度との温度差を検出する第5温度差検出手段と、
第4温度差検出手段と第5温度差検出手段の出力に基づき、熱交換器に供給する冷媒の混合率を演算する第2循環率計算手段と、
前記熱交換器の出口での冷媒の温度とその目標温度との温度差を演算する第6温度差検出手段と、
この第6温度差検出手段が演算した温度差に基づき混合率の補正率を演算する第2PID制御計算手段と、
前記第2循環率計算手段が演算した混合率に第2PID制御計算手段が演算した補正率を加算し、補正混合率を演算する第2加算手段とを備え、
この第2加算手段で演算された補正混合率となるように第2三方弁を制御することを特徴とする請求項2または8に記載の燃料改質装置。
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