JP4902165B2

JP4902165B2 - 燃料電池用改質装置およびこの燃料電池用改質装置を備える燃料電池システム

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Publication number: JP4902165B2
Application number: JP2005301274A
Authority: JP
Inventors: 智宏飯原; 小百合大平; 和志東野
Original assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd; Corona Corp
Current assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd; Corona Corp
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2025-10-17
Also published as: JP2007109590A

Description

本発明は、燃料電池用改質装置、その燃料電池用改質装置を備える燃料電池システムに関する。

近年、環境に優しいエネルギ源として、水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池システムが注目されている。この燃料電池システムとして、炭化水素原料を改質して水素含有量が多い改質ガスを製造し、その改質ガスを水素源として燃料電池スタックに供給して発電を行う燃料改質型の燃料電池システムが検討されている。この燃料改質型の燃料電池システム１０１の構成を図４に示す。図４に示す燃料改質型の燃料電池システム１０１では、まず燃料電池用の改質器１０４において、灯油等の炭化水素原料と水を、改質触媒の存在下に改質反応させて水素を多く含む水素含有ガスを生成させる。この水素含有ガスは、燃料電池スタックの高分子電解質膜における酸素と水素の電気化学反応に有害な一酸化炭素を含むため、改質器１０４から導出された水素含有ガスは、シフト反応器１０５およびＣＯ選択酸化器１０６において、一酸化炭素を除去して精製される。そして、精製された水素含有ガスは、燃料電池スタック１１０のアノード１１１に供給され、カソード１１２に供給される酸素（空気）と電気化学反応して発電が行われ、外部負荷１１３に電力が供給される。このとき、アノード１１１に供給された水素含有ガスが含有する水素は、全部が電気化学反応に消費されず、アノード１１１からの排ガス（オフガス）中には、残りの水素が含まれている。このオフガスに含まれる水素は、改質器１０４を加熱するバーナ１０８に供給されて燃料とともに燃焼し、炭化水素と水とを加熱し、さらに改質器１０４を加熱する。

こうした燃料改質型の燃料電池システム１０１における改質器１０４では、水は、水蒸気の状態で、炭化水素と反応させる。そのため、水を気化させて水蒸気を発生させる必要があり、この水の気化がうまくいかないと、改質反応におけるＳ／Ｃ比（投入した水と投入した炭化水素との混合比）が不安定となる。その結果、水素含有量が一定した組成の水素含有ガスを得るのが困難となり、さらに、この水素含有ガスを用いる燃料電池スタックの運転も不安定なものとなる。また、最悪の場合、改質器１０４におけるＳ／Ｃ比が不安定となり、低Ｓ／Ｃ比の状態が長く続くと、改質触媒上へのカーボン析出により、改質触媒の活性が低下してしまう。さらに、最悪の場合、改質装置内におけるガス組成が反応平衡に達しないケースも考えられる。この現象は、液体状の炭化水素を用いる場合、特に顕著である。

ところで、特許文献１には、改質反応部および水蒸気を発生させる気化器を加熱するバーナの燃焼排ガスの流通路に上流側から改質反応部、気化器がこの順に配置され、気化器が十分に昇温されていない起動時において補助的に電気ヒータを用いて水蒸気を発生させるようにした改質装置が提案されている。しかし、この装置は、装置起動後の発電運転時の改質反応部と気化器のそれぞれの温度バランスについては全く考慮されておらず、改質反応部が所定の温度になるように燃焼量が調整されたバーナの燃焼排ガスによって加熱されるため、気化器の温度コントロールが成り行き任せとなり、気化器温度が低くなってしまうとＳ／Ｃ比が低下して改質触媒上への炭素析出が発生して触媒活性を低下させてしまう虞があった。
特開２００５−６０１９２号公報

そこで、本発明は、前記した問題を解決し、改質反応部と気化部の温度を簡単な構成で確実にコントロールして、燃料電池システムの運転中の改質装置において安定したＳ／Ｃ比で改質反応を行い、品質のよい水素含有ガスを安定して燃料電池スタックに供給できる燃料電池用改質装置、およびその燃料電池用改質装置を備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明の燃料電池用改質装置は、水素含有ガスと空気とをアノードおよびカソードにそれぞれ導入して水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池スタックに、水素含有ガスを供給する燃料電池用改質装置であって、炭化水素原料と水蒸気との改質反応によって前記水素含有ガスを製造する改質反応部と、水蒸気と、炭化水素原料とを前記改質反応部に供給する気化器と、燃焼用空気と、燃料および／または前記燃料電池スタックのアノードから排出される水素を含む排出ガスとを混合して燃焼させるバーナと、を備え、前記改質反応部および前記気化器が、前記バーナから供給される燃焼排ガスの流通路に、前記燃焼排ガスの流通方向に沿って前記改質反応部、気化器の順に配置され、前記改質反応部における改質反応温度と、前記気化器における気化温度とを制御する運転制御部を備え、前記改質反応部は改質温度検出手段を備え、前記気化器は気化温度検出手段を備え、前記運転制御部は、前記改質温度検出手段によって検出される改質反応温度が、所定の目標温度以上になるように、かつ前記気化温度検出手段によって検出される気化器の温度が、所定の目標温度以上になるように、前記バーナへの燃焼用空気の供給量と、前記バーナへの前記燃料の供給量とを調整し、前記改質反応温度が所定の目標温度よりも低く、かつ前記気化温度が所定の目標温度より高い場合は、前記バーナへの燃焼用空気の供給量を減少させると共に前記バーナへの前記燃料の供給量を減少し、前記改質反応温度が所定の目標温度より高く、かつ前記気化温度が所定の目標温度より低い場合は、前記バーナへの燃焼用空気の供給量を増加させると共に前記バーナへの前記燃料の供給量を増加させることを特徴とする。

この燃料電池用改質装置では、前記改質反応部および前記気化器が、前記バーナから供給される燃焼排ガスの流通路に、前記燃焼排ガスの流通方向に沿って前記改質反応部、気化器の順に配置された構成を有するとともに、前記運転制御部が、前記バーナへの燃焼用空気の供給量と、前記バーナへの前記燃料の供給量とを調整することによって、前記改質反応部における改質反応温度と、前記気化器における気化温度とを制御することによって、改質反応部と気化器の温度を簡単な構成で確実にコントロールして、燃料電池システムの運転中の改質装置において安定したＳ／Ｃ比で改質反応を行わせ、改質触媒上へのカーボン析出による触媒活性の低下を防止し、品質のよい水素含有ガスを安定して供給できる。

また、この燃料電池用改質装置では、前記改質反応部は改質温度検出手段を備え、前記気化器は気化温度検出手段を備え、さらに、前記運転制御部が、前記改質温度検出手段によって検出される改質反応温度が、所定の目標温度以上になるように、かつ前記気化温度検出手段によって検出される気化器の温度が、所定の目標温度以上になるように、前記バーナへの燃焼用空気の供給量と、前記バーナへの前記燃料の供給量とを調整することによって、改質反応部と気化器の温度を確実にコントロールして、燃料電池システムの運転中の改質装置において安定したＳ／Ｃ比で改質反応を行わせ、改質触媒上へのカーボン析出による触媒活性の低下を防止し、品質のよい水素含有ガスを安定して供給できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池用改質装置において、前記炭化水素原料が液状炭化水素原料であり、前記気化器は、水を気化させる水蒸気発生部と、液状炭化水素原料を気化させる液状炭化水素原料気化部とで構成されることを特徴とする。

この燃料電池用改質装置では、炭化水素原料として液状炭化水素原料を用いる場合に特に好適であり、改質反応部と水蒸気発生部と液体炭化水素原料気化部の温度を簡単な構成で確実にコントロールして、燃料電池システムの運転中の改質装置において安定したＳ／Ｃ比で改質反応を行わせ、改質触媒上へのカーボン析出による触媒活性の低下を防止し、品質のよい水素含有ガスを安定して供給できる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池用改質装置において、前記液状炭化水素原料気化部は、前記水蒸気発生部よりも燃焼排ガスの流通路の上流に配置されていることを特徴とする。

この燃料電池用改質装置は、炭化水素原料として液状炭化水素原料を用いる場合に特に好適であり、水より蒸発温度の高い液状炭化水素原料を気化させる液状炭化水素原料気化部を水蒸気発生部よりも燃焼排ガスの上流側に配置することによって、燃焼排ガスの利用効率が高まると共に、改質反応部と水蒸気発生部と液体炭化水素原料気化部の温度を簡単な構成で確実にコントロールして、燃料電池システムの運転中の改質装置において安定したＳ／Ｃ比で改質反応を行わせ、改質触媒上へのカーボン析出による触媒活性の低下を防止し、品質のよい水素含有ガスを安定して供給できる。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池用改質装置において、前記液状炭化水素原料気化部は前記水蒸気発生部よりも燃焼排ガスの流通路の下流に配置されていることを特徴とする。

この燃料電池用改質装置では、炭化水素原料として液状炭化水素原料を用いる場合に特に好適であり、水を確実に蒸発させて高温の水蒸気とし、この高温の水蒸気によって液体炭化水素原料を確実に気化させることができると共に、改質反応部と水蒸気発生部と液体炭化水素原料気化部の温度を簡単な構成で確実にコントロールして、燃料電池システムの運転中の改質装置において安定したＳ／Ｃ比で改質反応を行わせ、改質触媒上へのカーボン析出による触媒活性の低下を防止し、品質のよい水素含有ガスを安定して供給できる。

請求項５に記載の発明は、請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池用改質装置において、前記気化器温度検出手段は、前記液状炭化水素原料気化部に設けられていることを特徴とする。

この燃料電池用改質装置では、炭化水素原料として液状炭化水素原料を用いる場合に特に好適であり、水より蒸発温度の高い液状炭化水素原料を気化する液状炭化水素原料気化部の温度を確実に把握して、未気化の液状炭化水素原料を改質反応部へ供給することを防止し、改質反応部と水蒸気発生部と液体炭化水素原料気化部の温度を簡単な構成で確実にコントロールして、燃料電池システムの運転中の改質装置において安定したＳ／Ｃ比で改質反応を行わせ、改質触媒上へのカーボン析出による触媒活性の低下を防止し、品質のよい水素含有ガスを安定して供給できる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池用改質装置を備える燃料電池システムである。

この燃料電池システムでは、改質反応部と気化器の温度を簡単な構成で確実にコントロールして、燃料電池システムの運転中の改質装置において安定したＳ／Ｃ比で改質反応を行わせ、改質触媒上へのカーボン析出による触媒活性の低下を防止し、品質のよい水素含有ガスを安定して供給できる。そのため、所望の組成の水素含有ガスが安定して燃料電池スタックに供給され、安定した発電が可能となる。

本発明の燃料電池用改質装置においては、バーナへの燃焼用空気の供給量と、バーナへの燃料の供給量とを制御することで、改質反応部における改質反応温度と、気化器における気化温度との温度バランスを容易に調整することが可能となる。そのため、改質反応部と気化器の温度を簡単な構成で確実にコントロールして、燃料電池システムの運転中の改質装置において安定したＳ／Ｃ比で改質反応を行わせ、改質触媒上へのカーボン析出による触媒活性の低下を防止し、品質のよい水素含有ガスを安定して燃料電池スタックに供給できる

また、本発明の燃料電池用改質装置においては、２次空気の供給量を制御することによって、燃焼量に対する１次空気の供給量の変動に起因するバーナの吹き消え等の異常燃焼の発生を未然に防止することができ、水素含有ガスの供給を安定して継続できる。

また、本発明の燃料電池用改質装置は、バーナへの燃焼用空気の供給量と、バーナへの燃料の供給量とを制御することによって、装置の部品製造および部品組み立て等に起因して各改質装置毎の改質反応部と気化部の昇温特性のバラツキを容易に解消することができる。

さらに、本発明の燃料電池システムは、改質反応部と気化器の温度を簡単な構成で確実にコントロールして、燃料電池システムの運転中の改質装置において安定したＳ／Ｃ比で改質反応を行わせ、改質触媒上へのカーボン析出による触媒活性の低下を防止し、品質のよい水素含有ガスを安定して供給できる。そのため、所望の組成の水素含有ガスが安定して燃料電池スタックに供給され、安定した発電が可能となる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用改質装置１を備える燃料電池システムＦＣの主要構成を示すブロック図である。

この燃料電池システムＦＣは、本発明に係る燃料電池用改質装置１と、シフト反応装置８と、一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化装置９と、燃料電池スタック１０とを備えるものである。

そして、本発明に係る燃料電池用改質装置１は、改質反応部２と、炭化水素原料気化部３および水蒸気発生部４からなる気化器Ｖと、加熱気体発生部５と、２次空気供給部６と、運転制御部７とを備えるものである。

改質反応部２は、燃料電池用改質装置１の内部に設けられた加熱気体流通路１１内に配設され、炭化水素原料気化部３と炭化水素原料導入路３１を介して接続されている。この改質反応部２は、炭化水素原料気化部３から炭化水素原料導入路３１を通じて導入される炭化水素原料と水蒸気との改質反応によって前記水素含有ガスを製造する役割を有するものである。改質反応は、改質触媒の存在下に、例えば、６００〜７００℃の範囲の改質反応温度の下で、炭化水素原料が含む炭化水素分と水蒸気との反応によって、水素含有ガスを生成するものである。

この改質反応部２で用いられる改質触媒は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の貴金属系触媒等が挙げられ、これらの改質触媒は、セラミック製の多孔質粒状体に担持され、改質反応部２の内部に、その多孔質粒状体が充填されて触媒層を形成している。

また、改質反応部２には、改質反応部２における改質反応温度を検出する改質温度検出手段２１が設けられている。この改質温度検出手段２１によって検出された、改質反応部２内の改質反応温度Ｔ１に関する信号は、信号路２３を介して運転制御部７に入力される。この改質温度検出手段２１としては、例えば、熱電対、サーミスタ等の温度検知センサを用いることができる。

この改質反応部２で生成した水素含有ガスは、燃料電池システムを構成するシフト反応器８に水素含有ガス導出路２２を介して導出される。

気化部Ｖは、炭化水素原料気化部３および水蒸気発生部４で構成され、加熱気体流通路（燃焼排ガスの流通路）１１に、燃焼排ガスの流通方向に沿って、炭化水素原料気化部は、前記水蒸気発生部よりも燃焼排ガスの流通路の上流に配設されている。炭化水素原料気化部３は、燃料電池用改質装置１の内部に設けられた加熱気体流通路１１内に配設され、炭化水素原料供給ポンプ３２および炭化水素原料供給路３３を介して炭化水素原料供給源（図示せず）に接続されている。また、炭化水素原料気化部３は、水蒸気導入路４１を介して水蒸気発生部４と接続されている。

この炭化水素原料気化部３は、炭化水素原料供給ポンプ３２によって、炭化水素原料供給路３３を通じて炭化水素供給源（図示せず）から供給される炭化水素原料を気化させて、気化した炭化水素原料を、水蒸気発生部４で発生され、水蒸気導入路４１を通じて供給される水蒸気とともに、炭化水素原料導入路３１を通じて改質反応部２に供給する役割を有するものである。

この炭化水素原料気化部３に供給される炭化水素原料は、燃料電池用改質装置１の改質反応部２における改質反応によって水素を製造できるものであれば、特に制限されない。例えば、灯油、軽油、重油、アスファルテン、オイルサンド油、メタノール、ナフサ、石炭液化油、石炭系重質油、ガソリン等の液状炭化水素混合物、都市ガス、ＬＰＧ等の気体状炭化水素混合物などの各種の炭化水素混合物を用いることができる。これらの中でも、灯油は、水素源としてのエネルギー密度が非常に高く、可搬性および貯蔵性に富むため、家庭用の小型の定置型燃料電池システム用の炭化水素原料として好適である。これらの炭化水素原料は、硫黄分が多い場合には、改質反応部２に供給する前に、脱硫装置で脱硫することが望ましい。また、用いる炭化水素原料が、硫黄分が少なく、改質反応部２における改質反応に供給可能なものであれば、脱硫装置を省略して、改質反応部２に、直接、炭化水素原料を供給することができる。

この炭化水素原料気化部３には、加熱気体発生部５から供給されて加熱気体流通路（燃焼排ガスの流通路）１１を流通する燃焼排ガスＨＦによって炭化水素原料を気化させるための熱エネルギが供給される。そして、この炭化水素原料気化部３には、供給される炭化水素原料の気化温度を検出する気化温度検出手段３４が設けられている。この気化温度検出手段３４によって検出された炭化水素原料の気化温度は、信号路３５を介して運転制御部７に入力される。

水蒸気発生部４は、水供給ポンプ４２および水供給路４３を介して水供給源（図示せず）に接続され、水蒸気導入路４１を介して炭化水素原料気化部３に接続されている。
この水蒸気発生部４は、水供給ポンプによって、水供給路４３を通じて水供給源（図示せず）から供給される水を蒸発させて水蒸気を発生させ、発生した水蒸気を水蒸気導入路４１、炭化水素原料気化部３および炭化水素原料導入路３１を通じて改質反応部２に供給する役割を有するものである。

この水蒸気発生部４には、加熱気体発生部５から供給されて加熱気体流通路１１を流通する燃焼排ガスＨＦによって、水を蒸発させるための熱エネルギが供給される。

加熱気体発生部５は、バーナ５６を備えるとともに、１次空気供給路５１を介して１次空気供給ポンプ５２に接続され、燃料供給路５３を介して燃料供給ポンプ５４に接続され、さらに、燃料電池スタック１０のアノードに、オフガス供給路５５を介して接続されている。
この加熱気体発生部５は、１次空気供給ポンプ５２によって１次空気供給路５１を通じて供給される１次空気および２次空気供給路６１を通じて供給される２次空気と、燃料供給ポンプ５４によって燃料供給路５３を通じて供給される燃料および／または燃料電池スタック１０のアノードから排出される排出ガス（以下、「オフガス」という）とを混合して、バーナ５６で燃焼させ、そのバーナ５６の燃焼排ガスＨＦを生成する役割を有する。生成した燃焼排ガスＨＦは、加熱気体流通路１１を通じて、改質反応部２、炭化水素原料気化部３および水蒸気発生部４に供給され、これらの各部に熱エネルギを供給する。

バーナ５６に供給される燃料は、燃料電池用改質装置１の炭化水素原料気化部３に供給される炭化水素原料と同じものを併用してもよいし、別個に供給されるようにしてもよい。燃料として、炭化水素原料を併用する場合は、炭化水素原料の貯槽から２つの供給流路（図示せず）を、各供給流路を炭化水素原料供給流路３２および燃料供給路５３とすればよい。炭化水素原料を燃料としても用いることによって、燃料用の貯槽および供給配管を別個に設ける必要がなくなるため、装置構成を簡略化することができる。

２次空気供給部６は、加熱気体発生部５に接続された２次空気供給路６１と、２次空気供給ポンプ６２とで構成される。
この２次空気供給部６は、２次空気供給ポンプ６２によって２次空気供給路６１を通じて加熱気体発生部５に２次空気を供給し、供給された２次空気は、１次空気とともに、燃料と混合されて燃焼される。

そして、図１に示すように、この燃料電池用改質装置１においては、改質反応部２、炭化水素原料気化部３および水蒸気発生部４が、加熱気体流通路１１に、加熱気体ＨＦの流通方向に沿って上流から下流に向けて改質反応部２、炭化水素原料気化部３および水蒸気発生部４の順に配置されている。この構成は、水より蒸発温度の高い液状炭化水素原料を気化させる液状炭化水素原料気化部を水蒸気発生部よりも燃焼排ガスの上流側に配置することによって、燃焼排ガスの利用効率が高まると共に、改質反応部と水蒸気発生部と液体炭化水素原料気化部の温度を簡単な構成で確実にコントロールして、燃料電池システムの運転中の改質装置において安定したＳ／Ｃ比で改質反応を行わせ、改質触媒上へのカーボン析出による触媒活性の低下を防止し、品質のよい水素含有ガスを安定して供給できる利点がある。

さらに、運転制御部７は、信号路２３、３５、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３およびＳ４によって、それぞれ改質温度検出手段２１、気化温度検出手段３４、炭化水素原料供給路３３に設けられた炭化水素原料流量計Ｆ１、水蒸気供給路４３に設けられた水流量計Ｆ２、一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化装置９への空気供給路９１に設けられた空気流量計Ｆ３、および発電電流計１９と接続されている。これによって、運転制御部７には、信号路２３、３５、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３およびＳ４を通じて、改質反応部２における改質反応温度Ｔ１、炭化水素原料気化部３における気化温度Ｔ２、炭化水素原料気化部３に供給される炭化水素原料の供給量、水蒸気発生部４に供給される水の供給量、空気供給ポンプ９２から空気供給路９１を通じて一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化装置９に供給される空気の供給量、および燃料電池スタック１０における発電電流量の検出値が入力される。

そして、運転制御部７は、これらの改質反応温度Ｔ１、気化温度Ｔ２、炭化水素原料の供給量、水の供給量、一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化装置９に供給される空気の供給量、および燃料電池スタック１０における発電電流量の検出値に基づいて、制御信号線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６を通じて、それぞれ炭化水素原料供給ポンプ３２、水供給ポンプ４２、燃料供給ポンプ５４、１次空気供給ポンプ５２、２次空気供給ポンプ６２、および空気供給ポンプ９２に制御信号を出力して、これらのポンプを制御する。この運転制御部７によって、炭化水素原料気化部３への炭化水素原料の供給量、水蒸気発生部４への水の供給量、加熱気体発生部５への燃料の供給量、加熱気体発生部５への１次空気の供給量、加熱気体発生部５への２次空気の供給量、一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化装置９への空気の供給量を制御することによって、燃料電池システムＦＣの安定した運転が行われる。

特に、本発明の燃料電池用改質装置１を備える燃料電池システムＦＣにおいては、運転制御部７は、改質反応部２における改質反応温度Ｔ１と、炭化水素原料気化部３における気化温度Ｔ２とに基づいて、２次空気供給ポンプ６２を制御して２次空気供給部６から加熱気体発生部５への２次空気の供給量を、さらに燃料供給ポンプ５４を制御してバーナ５６への燃料の供給量とを調整することによって、改質反応部２における改質反応温度と、水蒸気発生部における水蒸気発生温度とを制御する。

すなわち、改質反応部２における改質反応温度Ｔ１が目標温度以上であるにも拘わらず、炭化水素原料気化部３における気化温度Ｔ２が目標温度に達していない場合、燃料供給ポンプ５４からの燃料供給量を増加させてバーナ５６の燃焼量を上昇させるとともに、２次空気供給ポンプ６２からの２次空気の供給量を増加させて２次空気の供給量も増加させる。その結果、改質反応部２における改質反応温度Ｔ１を所定の温度に保持しつつ、下流の炭化水素原料気化部３への熱流入量が増すため、気化温度Ｔ２が上昇して所定の温度になる。なお、この燃料供給量を増加させる際に、同時に１次空気供給ポンプ５２からの１次空気供給量も燃料増加分に見合った量を増加するようにすれば燃焼をより安定させることが可能となる。ここで、改質反応温度Ｔ１が目標温度よりも大幅に上昇していて、気化温度Ｔ２が目標温度に達していない場合は、２次空気の供給量のみを増加するようにしてもよい。

また、炭化水素原料気化部３における気化温度Ｔ２が目標温度よりも高いにも拘わらず、改質反応部２における改質反応温度Ｔ１が目標温度以下である場合、燃料供給ポンプ５４からの燃料供給量を減少させてバーナ５６の燃焼量を低下させるとともに、２次空気供給ポンプ６２からの２次空気の供給量を低下させる。その結果、下流への熱流量が低下するため、改質反応部２における改質反応温度Ｔ１を上昇させるとともに、炭化水素原料気化部３における気化温度Ｔ２を所定の温度にすることができる。なお、この燃料供給量を減少させる際に、同時に１次空気供給ポンプ５２からの１次空気供給量も燃料減少分に見合った量を減少するようにすれば燃焼をより安定させることが可能となる。ここで、気化温度Ｔ２が目標温度よりも大幅に上昇していて、改質反応温度Ｔ１が目標温度に達していない場合は、燃料供給量を増加して、燃焼量に対する２次空気の割合を減少するようにしてもよい。

そのため、燃料電池システムの運転中の改質装置において安定したＳ／Ｃ比で改質反応を行い、水素含有ガスを、安定して燃料電池スタック１０に供給できる。

また、図１に示す燃料電池システムＦＣにおいて、シフト反応装置８は、酸化鉄、銅−亜鉛系、銅−クロム系等のシフト触媒の存在下に、例えば１５０〜３００°Ｃの温度において、燃料電池用改質装置１で生成した水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気の発熱反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２）によって、一酸化炭素を二酸化炭素に変成して、一酸化炭素濃度を低減させるとともに、さらに水素含有量が増加された水素含有ガス（以下、「シフトガス」という）を生成する装置である。これによって、燃料電池スタックＦＣに供給される炭化水素原料および水蒸気が含む水素が、燃料電池スタック１０のアノードに供給される発電用水素資源として有効利用される。

一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化装置９は、燃料電池スタック１０の電極の被毒の問題を回避するため、シフト反応装置８から供給されるシフトガス中に微量に存在する一酸化炭素を酸化させて、シフトガスの一酸化炭素濃度をさらに低減させた水素含有ガスを燃料電池スタック１０に供給するための装置である。通常、この一酸化炭素選択酸化装置９において、シフトガス中の一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下に低減される。一酸化炭素選択酸化装置９における反応は、例えば、白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属系触媒の存在下に、例えば１００〜１５０°Ｃの範囲の温度で行なわれる。

燃料電池スタック１０は、前記一酸化炭素選択酸化装置９から供給される水素含有ガスをアノードに導入し、加湿器（図示せず）によって加湿された空気をカソードに導入して、水素と酸素の電気化学反応によって発電を行うものである。この燃料電池スタック１０は、触媒を含むアノードとカソードの間に固体高分子電解質膜等の電解質膜を挟装し、アノードに供給される水素含有ガス中の水素と、カソードに供給される空気中の酸素との反応によって水を生成する反応によって発電を行なうものである。

この発電時に生じる熱は、燃料電池スタック１０を流通する冷却水を通じて回収して、給湯等に有効利用することができる。
また、燃料電池スタック１０における水素と酸素の電気化学反応は、発電効率の観点から、通常、水素利用率７０〜８０％程度で行なわれるため、燃料電池スタック１０のアノードから排出されるオフガスには、未反応の水素が含まれている。そのため、オフガスを、前記のバーナ５６に供給することによって、オフガスが含有する水素を燃料として有効利用して、燃料電池システム全体の熱効率の向上を図ることができる。

次に、図１に示す本発明の実施形態に係る燃料電池用改質装置の運転制御方法について、燃料電池システムＦＣの運転制御方法とともに説明する。
図１に示す燃料電池システムＦＣにおいて、炭化水素原料は、燃料電池用改質装置（以下、「改質装置」という）１に供給される。改質装置１においては、改質触媒の存在下に、例えば６００〜７００℃の範囲の改質処理温度の下で、炭化水素原料が含む炭化水素分と水蒸気との改質反応（炭化水素＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ）によって、水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガス（以下、「改質ガス」という）が生成される。改質装置１で生成した改質ガスは、シフト反応装置８に供給され、一酸化炭素と水蒸気のシフト反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２）によって、一酸化炭素を二酸化炭素に変成して、一酸化炭素濃度を低減させるとともに、さらに水素含有量が増加されたシフトガスを生成する。シフト反応装置８で生成するシフトガスは、一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化装置９に供給され、シフトガス中に微量に存在する一酸化炭素を酸化させて、シフトガスの一酸化炭素濃度を更に低減させた水素含有ガスが生成される。そして、この水素含有ガスを、燃料電池スタック１０のアノードに導入するとともに、加湿器によって加湿された空気をカソードに導入して、水素と酸素の電気化学反応によって発電が行なわれる。

このとき、改質装置１において、図２に示すように、気化温度検出手段３４による炭化水素原料気化部３における気化温度Ｔ２、炭化水素原料流量計Ｆ１による炭化水素原料の供給量Ｗ１、水流量計Ｆ２による水の供給量Ｗ２、空気流量計Ｆ３による一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化装置９への空気の供給量Ｗ３、改質温度検出手段２１による改質反応温度Ｔ１、燃料供給ポンプによる燃料の供給量Ｗ４、および発電電流計１９による発電電流量ＧＩが、運転制御部７に入力される。運転制御部７は、気化温度Ｔ２、炭化水素原料の供給量Ｗ１、水の供給量Ｗ２、一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化装置９への空気の供給量Ｗ３、改質反応温度Ｔ１、燃料の供給量Ｗ４、および発電電流量ＧＩに基づいて、バーナ５６における燃料およびオフガスの完全燃焼に必要な空気量Ａ１（燃料の供給量Ｗ４に対して必要な理論空気量の例えば１．１〜１．８倍、好ましくは１．６倍の空気量）を算出し、この空気量Ａ１と、加熱気体発生部５のバーナ５６への燃焼用空気の供給量（１次空気の供給量と２次空気の供給量の合計量）Ｗ５と比較する。
比較の結果、バーナ５６における燃料およびオフガスの完全燃焼に必要な空気量Ａ１が、バーナ５６への燃焼用空気の供給量Ｗ５よりも大（Ａ１＞Ｗ５：ＮＯ）である場合には、２次空気供給ポンプ６２による２次空気の供給量Ｗ６および燃料の供給量Ｗ４を増大させる。

一方、バーナ５６における燃料およびオフガスの完全燃焼に必要な空気量Ａ１が、バーナ５６への燃焼用空気の供給量Ｗ５よりも小（Ａ１＜Ｗ５：ＹＥＳ）である場合には、気化温度検出手段３４による炭化水素原料気化部３における気化温度Ｔ２と、目標温度ＴＧ１とを比較する。比較の結果、気化温度Ｔ２が目標温度ＴＧ１よりも低い（Ｔ２＜ＴＧ１：ＹＥＳ）場合には、２次空気供給ポンプ６２による２次空気の供給量Ｗ６および燃料の供給量Ｗ４を増大させる。また、比較の結果、気化温度Ｔ２が目標温度ＴＧ１よりも高い（Ｔ２＞ＴＧ１：ＮＯ）場合には、２次空気供給ポンプ６２による２次空気の供給量Ｗ６および燃料の供給量Ｗ４を減少させる。

これによって、改質反応部２における改質反応温度Ｔ１が目標温度以上であるにも拘わらず、炭化水素原料気化部３における気化温度Ｔ２が目標温度に達していないとき、燃料供給ポンプ５４からの燃料供給量を増加させてバーナ５６の燃焼量を上昇させるとともに、２次空気供給ポンプ６２からの２次空気の供給量を増加させて２次空気の供給量も増加させる。その結果、改質反応部２における改質反応温度Ｔ１を所定の温度に保持しつつ、下流の炭化水素原料気化部３への熱流入量が増すため、気化温度Ｔ２が上昇して所定の温度になる。
また、炭化水素原料気化部３における気化温度Ｔ２が目標温度よりも高いにも拘わらず、改質反応部２における改質反応温度Ｔ１が目標温度以下である場合、燃料供給ポンプ５４からの燃料供給量を減少させてバーナ５６の燃焼量を低下させるとともに、２次空気供給ポンプ６２からの２次空気の供給量を低下させる。その結果、下流への熱流量が低下するため、改質反応部２における改質反応温度Ｔ１を上昇させるとともに、炭化水素原料気化部３における気化温度Ｔ２を所定の温度にすることができる。そのため、燃料電池システムの運転中の改質装置において安定したＳ／Ｃ比で改質反応を行い、改質触媒上へのカーボン析出による触媒活性の低下を防止し、品質のよい水素含有ガスを安定して燃料電池スタック１０に供給できる。

次に、図３は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用改質装置１を備える燃料電池システムＦＣの主要構成を示すブロック図である。
図３に示す燃料電池システムは、燃料電池用改質装置における気化器Ｖが、炭化水素原料気化部３および水蒸気発生部４で構成され、加熱気体流通路（燃焼排ガスの流通路）１１に、燃焼排ガスの流通方向に沿って、水蒸気発生部４が、前記炭化水素原料気化部３よりも燃焼排ガスの流通路の上流に配設されている以外は、前記第１の実施形態と同様の構成を有するものである。

この図３に示す燃料電池用改質装置および燃料電池における運転制御方法は、前記第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
そして、この燃料電池用改質装置においては、炭化水素原料として液状炭化水素原料を用いる場合に特に好適であり、水を確実に蒸発させて高温の水蒸気とし、この高温の水蒸気によって液体炭化水素原料を液体炭化水素原料単体で気化できる温度よりも比較的低温で確実に気化させることができると共に、改質反応部と水蒸気発生部と液体炭化水素原料気化部の温度を簡単な構成で確実にコントロールして、燃料電池システムの運転中の改質装置において安定したＳ／Ｃ比で改質反応を行わせ、改質触媒上へのカーボン析出による触媒活性の低下を防止し、品質のよい水素含有ガスを安定して供給できる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用改質装置の構成を示すブロック図である。燃料電池用改質装置の運転制御方法を説明する図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用改質装置の構成を示すブロック図である。燃料改質型の燃料電池システムの概略構成を示す図である。

符号の説明

１燃料電池用改質装置
２改質反応部
３炭化水素原料気化部
４水蒸気発生部
５加熱気体発生部
６２次空気供給部
７運転制御部
８シフト反応装置
９一酸化炭素選択酸化装置
１０燃料電池スタック
１１加熱気体流通路
２１改質温度検出手段
５６バーナ
ＦＣ燃料電池システム
ＨＦ加熱気体
Ｔ１改質反応温度
Ｔ２気化温度

Claims

水素含有ガスと空気とをアノードおよびカソードにそれぞれ導入して水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池スタックに、水素含有ガスを供給する燃料電池用改質装置であって、
炭化水素原料と水蒸気との改質反応によって前記水素含有ガスを製造する改質反応部と、
水蒸気と、炭化水素原料とを前記改質反応部に供給する気化器と、
燃焼用空気と、燃料および／または前記燃料電池スタックのアノードから排出される水素を含む排出ガスとを混合して燃焼させるバーナと、を備え、
前記改質反応部および前記気化器が、前記バーナから供給される燃焼排ガスの流通路に、前記燃焼排ガスの流通方向に沿って前記改質反応部、気化器の順に配置され、
前記改質反応部における改質反応温度と、前記気化器における気化温度とを制御する運転制御部を備え、
前記改質反応部は改質温度検出手段を備え、
前記気化器は気化温度検出手段を備え、
前記運転制御部は、
前記改質温度検出手段によって検出される改質反応温度が、所定の目標温度以上になるように、かつ前記気化温度検出手段によって検出される気化器の温度が、所定の目標温度以上になるように、前記バーナへの燃焼用空気の供給量と、前記バーナへの前記燃料の供給量とを調整し、
前記改質反応温度が所定の目標温度よりも低く、かつ前記気化温度が所定の目標温度より高い場合は、前記バーナへの燃焼用空気の供給量を減少させると共に前記バーナへの前記燃料の供給量を減少し、
前記改質反応温度が所定の目標温度より高く、かつ前記気化温度が所定の目標温度より低い場合は、前記バーナへの燃焼用空気の供給量を増加させると共に前記バーナへの前記燃料の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池用改質装置。
前記炭化水素原料が液状炭化水素原料であり、
前記気化器は、水を気化させる水蒸気発生部と、液状炭化水素原料を気化させる液状炭化水素原料気化部とで構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質装置。
前記液状炭化水素原料気化部は、前記水蒸気発生部よりも燃焼排ガスの流通路の上流に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用改質装置。
前記液状炭化水素原料気化部は前記水蒸気発生部よりも燃焼排ガスの流通路の下流に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用改質装置。
前記気化器温度検出手段は、前記液状炭化水素原料気化部に設けられていることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池改質装置。
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池用改質装置を備える燃料電池システム。