JP4617332B2 - 移動可能なバーナを具備した燃料改質器とその駆動方法、及び燃料電池システム - Google Patents

移動可能なバーナを具備した燃料改質器とその駆動方法、及び燃料電池システム Download PDF

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Description

本発明は、リフォーマを加熱させる移動可能なバーナを具備した燃料改質器とその駆動方法、及び燃料電池システムに関する。
燃料電池（Ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）は、メタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系の物質内に含まれている水素と酸素との化学反応によるエネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。
燃料電池システムは、燃料電池スタックと燃料改質器（ｆｕｅｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）とを主要部として具備し、燃料タンク、燃料ポンプなどを付随的に具備する。燃料電池スタックは、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータとからなる単位セルが複数（数個〜数十個）積層された構造である。
燃料改質器は、燃料を改質して水素を発生させ、発生した水素は、燃料電池スタックに供給される（特許文献１参照）。燃料電池スタックでは、燃料改質器で発生した水素を供給され、酸素と電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる。燃料改質器は、触媒を利用して炭化水素を改質することとなるが、炭化水素が硫黄化合物を含有する場合、触媒は、硫黄化合物により被毒されやすいので、炭化水素を燃料改質器に供給する前に、硫黄化合物を除去する必要がある。従って、炭化水素は、改質工程に進入する前に、脱硫工程を経るのである。
炭化水素は改質されながら水素を生成するが、これとともに、二酸化炭素ＣＯ２及び少量の一酸化炭素ＣＯを生成することとなる。ところで、一酸化炭素は、燃料電池スタックの電極の触媒層に触媒毒として作用するために、改質された燃料が燃料電池スタックに供給される前に、一酸化炭素を除去する工程を経なければならない。燃料電池スタックに供給される燃料には、一酸化炭素の含有量が１０ｐｐｍ以内に減少されることが望ましい。
一般的に、一酸化炭素を除去する反応としては、反応式１のような高温及び低温シフト反応を順次に利用する。
Figure 0004617332
高温シフト反応は、４００〜５００℃の高温でなされ、低温シフト反応は、２００〜３００℃でなされうる。しかし、かかるシフト反応を経ても、ＣＯの濃度は、５，０００ｐｐｍレベルと高い。
ＣＯの濃度を１０ｐｐｍレベルに減少させるために、反応式２のようなプロックス（ＰＲＯＸ：ＰＲｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ＯＸｉｄａｔｉｏｎ）反応や反応式３のようなメタン化（ｍｅｔｈａｎａｔｉｏｎ）反応を活用する。
Figure 0004617332
Figure 0004617332
図１は、燃料改質器を備える一般的な燃料電池システムの構成図である。
図１を参照すれば、ガス燃料を使用する燃料電池システムは、ガス燃料タンク１０のガス燃料をリフォーマ４０とリフォーマバーナ３０とに同時に使用する。リフォーマ４０に入っていくガス燃料、例えば、都市ガスには硫黄が含まれているので、硫黄を除去するための脱硫装置１４が必要である。脱硫装置１４を通過したガスに含まれる硫黄は１０ｐｐｂ以下でなければならない。
リフォーマバーナ３０は、リフォーマ４０を加熱し、リフォーマ４０内部の温度をほぼ７５０℃に維持する。リフォーマバーナ３０により燃焼したガスは、熱交換器７１，７２を経て外部に排出される。
燃料ポンプ２２は、ウォータータンク２０からリフォーマ４０に水を供給する。前記燃料ポンプ２２からの水は、熱交換器７１，７２を通過しながら予熱され、リフォーマ４０に供給される。
リフォーマ４０では、水素と共に一酸化炭素ＣＯが生成される。シフト反応器６０では、リフォーマ４０で生成された燃料のＣＯ濃度を所定濃度、例えば、５，０００ｐｐｍ以下に下げ、プロックス反応器６５では、ＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下に下げ、燃料電池スタック５０に供給する。
リフォーマバーナ３０は、リフォーマ４０を加熱しながら、同時に燃焼ガスでシフト反応器６０を所定温度、例えば、２５０℃に維持する。リフォーマバーナ３０は、燃焼チャンバ（図示せず）内部を加熱し、燃焼チャンバの表面に付着されたリフォーマを加熱することとなる。一般的に、リフォーマバーナ３０は、燃焼チャンバに固設される。
特開２００５−００５０１１号公報
しかし、燃料電池スタック５０に供給される水素量が増加すれば、リフォーマに供給される負荷が増加するのでリフォーマ温度が低くなり、従って、リフォーマ温度を所定の温度に維持するためにリフォーマバーナ３０に投入される燃焼量は増加することになる。かかる燃料量の増加により、リフォーマバーナ３０からの炎が大きくなることで、燃焼チャンバを損傷させることがあり、燃焼チャンバにおける燃焼効率の低下を招くことがある。
また、燃料電池スタック５０に供給される水素量が減少すれば、リフォーマバーナ３０に供給される負荷が低下し、従って、リフォーマバーナ３０に供給される燃料量は減少することとなる。しかし、燃焼チャンバ内で、リフォーマバーナ３０の位置が最適の位置ではない場合、必要な熱量がリフォーマ触媒に効率的に伝達されず、燃焼チャンバにおける燃焼効率が低下するおそれがある。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、燃料改質器のリフォーマの状態によってリフォーマバーナの位置を可変的なものとし、燃焼チャンバにおける燃焼効率を向上させ、燃焼チャンバを保護する、新規かつ改良された移動可能なバーナを具備した燃料改質器とその駆動方法、及び燃料電池システムを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、燃焼チャンバと、燃焼チャンバ内にその一部が進入されるリフォーマバーナと、燃焼チャンバの熱により加熱されるリフォーマと、リフォーマバーナを移動させて燃焼チャンバ内における位置を調節するバーナ移動装置と、を含むことを特徴とする、移動可能なバーナを具備した燃料改質器が提供される。
バーナ移動装置は、バーナを燃焼チャンバに対して直線移動させるアクチュエータであってもよい。
上記移動可能なバーナを具備した燃料改質器は、燃焼チャンバ内のリフォーマバーナの炎に近接した領域の温度を測定する温度センサと、温度センサの測定結果により、バーナ移動装置のバーナを移動させる制御部と、をさらに含んでもよい。
燃焼チャンバは、リフォーマバーナの出入口の横に燃焼ガス排出口が形成されていてもよい。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、燃焼チャンバと、燃焼チャンバ内にその一部が進入されるリフォーマバーナと、燃焼チャンバの熱により加熱されるリフォーマと、燃焼チャンバ内におけるリフォーマバーナの位置を調節するバーナ移動装置と、を含む移動可能なバーナを具備した燃料改質器の駆動方法であって、正常運転状態で、リフォーマバーナの炎に近接した燃焼チャンバ内の領域の温度を測定する温度測定ステップと、温度測定ステップで測定した温度に基づいてリフォーマバーナを移動させて燃焼チャンバ内での位置を調節する調節ステップと、を含むことを特徴とする、移動可能なバーナを具備した燃料改質器の駆動方法が提供される。
調節ステップにおいて、測定した温度が第１の温度より高いときは、リフォーマバーナを燃焼チャンバから引き出す方向に移動させ、測定温度が第１の温度より低温の第２の温度より低いときは、リフォーマバーナを燃焼チャンバに挿入する方向に移動させるようにしてもよい。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記移動可能なバーナを具備した燃料改質器を具備した燃料電池システムが提供される。
以上説明したように本発明によれば、バーナの炎から燃料チャンバを保護しつつ、最適にリフォーマ温度を制御するようにバーナを移動する。これにより、燃焼チャンバを保護しつつもバーナの燃料効率を向上させることが可能である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図２は、本発明の一実施形態による移動可能なリフォーマバーナを具備した燃料改質器の一部構成を示す説明図である。図１に示した構成要素と実質的に同じ構成要素には、同じ参照番号を使用して詳細な説明は省略する。
燃焼チャンバ９０の側面には、リフォーマ４０が接触するように設置されている。リフォーマ４０は、燃焼チャンバ９０の側面に付着するように形成されているが、本発明は必ずしもそれに限定されるものではない。リフォーマ４０は、燃焼チャンバ９０の側面を包囲するように形成されるが、燃焼チャンバ９０の上部に形成してもよい。リフォーマバーナ３０は、バーナ移動装置９２により、出入口９０ａを通って燃焼チャンバ９０に対して垂直方向に駆動できる。バーナ移動装置９２は、精密に制御されるＤＣモータ、または空圧または電気アクチュエータを用いてもよい。
燃焼チャンバ９０には、燃焼ガスが排出される排出口９１が形成されている。この排出口９１は、リフォーマバーナ３０の出入口９０ａの横に形成され、燃焼ガスが燃焼チャンバ９０内を効率的に加熱するようにすることが望ましい。
リフォーマ４０には、リフォーマ４０の温度を測定する第１温度センサ９４が設置され、リフォーマバーナ３０の炎が近接する燃焼チャンバ９０にも、第２温度センサ９５が設置される。第１温度センサ９４及び第２温度センサ９５は、常温〜１，３００℃の温度範囲を測定する熱電対（ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ）を用いることが望ましい。第１温度センサ９４は、リフォーマ４０の温度を正確に測定するためにリフォーマ４０の内部に設置することが望ましい。
本発明の一実施形態にかかる燃料改質器は、温度センサ９４，９５からの温度情報を受けてバーナ移動装置９２を駆動し、リフォーマバーナ３０を燃焼チャンバ９０に対して直線的に移動させる制御部９６を具備する。
図３は、燃焼チャンバ９０において、リフォーマバーナ３０の位置による燃焼効率を図示したグラフである。
図３を参照すれば、リフォーマバーナ３０の位置が燃焼チャンバ９０の内部から離れた位置にいる場合（第１位置）、リフォーマ４０の負荷が低いとき、燃焼効率が非常に低かった。同じ負荷では、リフォーマバーナ３０の位置が燃焼チャンバ９０の内部に進入した場合（第２位置）の方が、燃焼効率が向上していることが分かる。
ここで、燃焼効率とは、リフォーマバーナ３０とリフォーマ４０との燃料に使われた総発熱量に対するリフォーマ４０で生成された水素量×水素の発熱量の比率を表している。また、負荷とは、１時間当たりの水素生成量を指す。
一方、リフォーマ４０の負荷が増加するにつれ、リフォーマ４０及びリフォーマバーナ３０での燃料の燃焼効率が、リフォーマバーナ３０が第１位置にあるときに、大きく上昇するということが分かる。リフォーマバーナ３０が第２位置にある場合、負荷の増加による熱効率は低いが、第１位置にある場合に比べて全体的に熱効率の上昇率が高く、特に低い負荷での熱効率の上昇率がさらに高いことが分かる。
リフォーマバーナ３０の位置は、温度センサ９４，９５から測定された温度と、各温度センサ９４，９５に対して設定した温度との差によって移動され、それは、リフォーマバーナ３０からの炎が燃焼チャンバ９０の局部的な部分を熱損失させることを防止し、燃焼チャンバ９０を保護しながら最適の燃焼効率を達成するためのものである。なお、第１位置及び第２位置は、相対的な位置であり、燃焼チャンバの大きさ、燃焼チャンバの材質、使われる燃料などによって変わりうる。
図４は、本発明の一実施形態による燃料改質器の駆動方法を示すフローチャートである。
本発明の一実施形態による燃料改質器の駆動方法を図１〜図４を参照しながら詳細に説明する。
まず、第１温度センサ９４で測定した温度を基準にリフォーマバーナ３０に燃料を供給し、燃料改質器を最適に運転する正常状態の運転で、第２温度センサ９５で燃焼チャンバ９０でのバーナ３０の炎と近接した位置の温度を測定する（２０１段階）。
上記２０１段階で測定された温度が予め定めた所定の第１温度より高いか否かを判断する（２０２段階）。第１温度は、燃焼チャンバ９０の材質によって変更することができる。
上記２０２段階で、第２温度センサ９５が測定した測定温度が第１温度より高いと判断すると、バーナ移動装置９２であらかじめ定めた距離ほどリフォーマバーナ３０を燃焼チャンバ９０から引き出す方向に後進させる（２０３段階）。リフォーマバーナ３０を移動させると、次に、上記２０１段階に戻って第２温度センサ９５で燃焼チャンバ９０でのバーナ３０の炎と近接した位置の温度を測定する。
一方、上記２０２段階で、第２温度センサ９５が測定した測定温度が第１温度以下である場合には、第２温度センサ９５で測定された温度が第１温度より低い温度である、予め定めた第２温度より低いか否かを判断する（２０４段階）。
上記第２０４段階で、第２温度センサ９５が測定した測定温度が第２温度より低いと判断すると、バーナ移動装置９２であらかじめ定めた距離ほどリフォーマバーナ３０を燃焼チャンバ９０に挿入する方向に前進させる（２０５段階）。リフォーマバーナ３０を移動させると、次に、上記２０１段階に戻って第２温度センサ９５で燃焼チャンバ９０でのバーナ３０の炎と近接した位置の温度を測定する。
一方、上記第２０４段階で、第２温度センサ９５が測定した測定温度が第２温度以上である場合、上記２０１段階に戻って第２温度センサ９５で燃焼チャンバ９０でのバーナ３０の炎と近接した位置の温度を測定する。
このように、燃焼チャンバの温度を測定し、測定した温度によってリフォーマバーナ３０を移動させることで、バーナの炎から燃料チャンバを保護しつつ、最適にリフォーマ温度を制御することが可能となる。その結果、燃焼チャンバを保護しつつもバーナの燃料効率を向上させることができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明は、燃料電池関連の技術分野に効果的に適用可能である。
燃料改質器を備える一般的な燃料電池システムの構成図である。 本発明の一実施形態による移動可能なリフォーマバーナを具備した燃料改質器の一部構成を示す図面である。 燃焼チャンバ９０で、バーナ３０の位置による燃焼効率を図示したグラフである。 本発明の一実施形態による燃料改質器の駆動方法を示すフローチャートである。
符号の説明
１０ ガス燃料タンク
１４ 脱硫装置
２０ ウォータータンク
２２ 燃料ポンプ
３０ リフォーマバーナ
４０ リフォーマ
５０ 燃料電池スタック
６０ シフト反応器
６５ プロックス反応器
７１ 燃料交換器１
７２ 燃料交換器２
９０ 燃焼チャンバ
９０ａ リフォーマバーナの出入口
９１ 燃焼ガスの排出口
９２ バーナ移動装置
９４ 第１温度センサ
９５ 第２温度センサ
９６ 制御部

Claims (6)

  1. 燃焼チャンバと；
    前記燃焼チャンバ内にその一部が進入され、前記燃焼チャンバの内部を加熱するリフォーマバーナと；
    前記内部が加熱された前記燃焼チャンバの熱により加熱されるリフォーマと；
    前記リフォーマバーナを前記燃焼チャンバから引き出す方向又は前記燃焼チャンバに挿入する方向に直線移動させて、前記燃焼チャンバ内における前記リフォーマバーナの位置を調節するアクチュエータと；
    を含むことを特徴とする、移動可能なバーナを具備した燃料改質器。
  2. 前記燃焼チャンバ内の前記リフォーマバーナの炎に近接した領域の温度を測定する温度センサと；
    前記温度センサの測定結果により、前記アクチュエータの前記バーナを移動させる制御部と；
    をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の移動可能なバーナを具備した燃料改質器。
  3. 前記燃焼チャンバは、前記リフォーマバーナの出入口の横に燃焼ガス排出口が形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の移動可能なバーナを具備した燃料改質器。
  4. 燃焼チャンバと；
    前記燃焼チャンバ内にその一部が進入され、前記燃焼チャンバの内部を加熱するリフォーマバーナと；
    前記内部が加熱された前記燃焼チャンバの熱により加熱されるリフォーマと；
    前記リフォーマバーナを前記燃焼チャンバから引き出す方向又は前記燃焼チャンバに挿入する方向に直線移動させて、前記燃焼チャンバ内における前記リフォーマバーナの位置を調節するアクチュエータと；
    を含む移動可能なバーナを具備した燃料改質器の駆動方法であって、
    正常運転状態で、前記リフォーマバーナの炎に近接した前記燃焼チャンバ内の領域の温度を測定する温度測定ステップと；
    前記温度測定ステップで測定した温度に基づいて前記リフォーマバーナを移動させて前記燃焼チャンバ内での位置を調節する調節ステップと；
    を含むことを特徴とする、移動可能なバーナを具備した燃料改質器の駆動方法。
  5. 前記調節ステップにおいて、前記測定した温度が第１の温度より高いときは、前記リフォーマバーナを前記燃焼チャンバから引き出す方向に移動させ、前記測定温度が前記第１の温度より低温の第２の温度より低いときは、前記リフォーマバーナを前記燃焼チャンバに挿入するように移動させることを特徴とする、請求項４に記載の移動可能なバーナを具備した燃料改質器の駆動方法。
  6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料改質器を具備した燃料電池システム。

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