JP4917790B2

JP4917790B2 - 燃料電池用改質装置の運転制御方法

Info

Publication number: JP4917790B2
Application number: JP2005289955A
Authority: JP
Inventors: 恵伊藤; 義司時田
Original assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd; Corona Corp
Current assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd; Corona Corp
Priority date: 2005-10-03
Filing date: 2005-10-03
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2025-10-03
Also published as: JP2007103118A

Description

本発明は、燃料電池用改質装置の運転制御方法に関する。

近年、環境に優しいエネルギー源として、水素と酸素の電気化学的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３に示す。図３に示す燃料改質型の燃料電池システム１０１では、まず、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改質ガスを生成させる。この改質ガスは、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から導出された改質ガスは、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、精製された改質ガスは、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に供給された改質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、炭化水素原料と水とを加熱するために改質器１０４に供給される加熱気体の生成に利用される。

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、炭化水素原料と反応させる。この改質器１０４に炭化水素原料のみが供給されると、改質反応は行われず炭化水素原料の熱分解等によって炭素質の析出が起こってしまう虞がある。もし、改質触媒上に炭素質が析出すると、改質触媒の活性が低下してしまう。そこで、この炭素質の析出を防ぐために、炭化水素原料よりも先に改質装置に水蒸気を供給する必要がある。

ところで、特許文献１には、改質装置における炭化水素原料の高温による熱分解を防止するため、予め水気化器で気化した水蒸気を、炭化水素原料気化器に炭化水素原料と共に供給し、炭化水素原料の気化温度を低下させて気化させる方法が提案されている。ここで、改質装置における改質反応の運転開始前には、予め、改質触媒を所定の温度（例えば、６００〜７００℃）に加熱しておく必要がある。しかし、例えば、水気化器に水を供給する水ポンプが故障していた場合、水の供給開始指示を行ったにもかかわらず水が供給されないまま炭化水素原料が供給開始され、気化した炭化水素原料のみが予め加熱されている改質器に導入されると、改質触媒に炭素質が析出してしまうおそれがあった。そのため、改質反応の開始に際しては、改質触媒に確実に水蒸気が供給されたことを確認した後、炭化水素原料を供給しないと、炭素質の析出が起こるおそれがある。
特開２００２−０９３４５１号公報（請求項１）

そこで、本発明は、前記した問題を解決し、燃料電池用改質装置の運転開始に際して、改質反応部に炭化水素原料のみが供給されることを防止し、改質反応部における炭素質の析出を防止できる燃料電池用改質装置の運転制御方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１の発明は、炭化水素原料と水蒸気との改質反応によって前記改質ガスを製造する改質反応部と、炭化水素原料を気化させて気体状の炭化水素原料を製造する炭化水素原料気化部と、水を蒸発させて前記炭化水素原料気化部に水蒸気を供給する水蒸気発生部と、を備え、前記炭化水素原料気化部から、気体状の炭化水素原料と水蒸気とを前記改質反応部に供給する燃料電池用改質装置の運転制御方法であって、前記炭化水素原料気化部あるいは炭化水素原料気化部の下流に設けた温度センサによって、前記水蒸気発生部から前記炭化水素原料気化部に水蒸気を供給する前の当該炭化水素原料気化部内の気化器温度よりも当該炭化水素原料気化部に水蒸気を供給した後の前記気化器温度が低下したことを検出することで、前記炭化水素原料気化部内の水蒸気の存在を検知して、前記炭化水素原料気化部に炭化水素原料の供給を開始することを特徴とする。

この燃料電池用改質装置の運転制御方法では、前記炭化水素原料気化部あるいは炭化水素原料気化部の下流に設けた温度センサによって炭化水素原料気化部内の水蒸気の存在を検知してから炭化水素原料を改質反応部に供給することができる。そのため、燃料電池用改質装置の運転開始に際して、改質反応部に炭化水素原料のみが供給されることを防止し、改質反応部における炭素質の析出を防止できる。

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の運転制御方法において、前記温度センサが、前記炭化水素原料気化部における前記改質反応部への原料導出口の近傍に配設されていることを特徴とする。

この燃料電池用改質装置の運転制御方法では、前記温度センサが、前記炭化水素原料気化部における前記改質反応部への原料導出口の近傍に配設されていることによって、改質反応部に水蒸気が流入したことを検知することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池用改質装置の運転制御方法において、前記炭化水素原料が、灯油であることを特徴とする。

この燃料電池用改質装置の運転制御方法では、炭化水素原料として、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灯油を用いる場合に、特に好適である。

本発明の燃料電池用改質装置の運転制御方法によれば、燃料電池用改質装置の運転開始に際して、改質反応部に炭化水素原料のみが供給されることを防止し、改質反応部における炭素質の析出を防止できる。

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、本発明に係る燃料電池用改質装置の主要構成を示すブロック図である。
この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と、水蒸気発生部４とを備えるものである。

改質反応部２は、炭化水素原料気化部３から原料導入路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、水素を多く含む改質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、改質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。

この改質反応部２で生成した改質ガスは、燃料電池システムを構成するシフト反応器（図３参照）に改質ガス導出路（図示せず）を介して導出される。

炭化水素原料気化部３は、炭化水素原料導入路３２および炭化水素原料供給ポンプ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。
さらに、炭化水素原料気化部３は、原料導出口３４に接続された原料導入路３１を介して改質反応部２に接続され、この原料導出口３４の近傍に、気化器温度検出手段３５が配設されている。この気化器温度検出手段３５は、炭化水素原料気化部３内の気化器温度を検出し、気化器温度の温度変化を検知するためのものである。気化器温度の温度変化を検知することによって、水蒸気発生部４で発生した水蒸気が、炭化水素原料気化部３を通過して原料導入路３１を通じて改質反応部２に供給されたことが検知される。この気化器温度検出手段によって検知される温度変化は、例えば、燃料電池用改質装置１の運転開始前の予熱運転時に改質反応部２、炭化水素原料気化部３および水蒸気発生部４が十分に予熱された状態において予め検出された気化器温度Ｔ０を規定温度として設定する。そして、燃料電池用改質装置１の運転を開始して水蒸気発生部４における水蒸気の発生が開始された後に検出される気化器温度Ｔ１が、Ｔ０よりも低い温度である場合（Ｔ１＜Ｔ０）に検出される。これは、水蒸気発生部４で発生した水蒸気が炭化水素原料気化部３内に導入されることによって、予め加熱された炭化水素原料気化部３が保持する熱によって水蒸気が加熱されて、炭化水素原料気化部３内の温度、すなわち、気化器温度が低下するためである。

この気化器温度検出手段３５としては、例えば、熱電対、サーミスタ等を用いることができる。

この炭化水素原料気化部３は、炭化水素原料供給ポンプ３３によって、炭化水素供給源（図示せず）から炭化水素原料導入路３２を通じて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、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、メタノール、ナフサ、ガソリン等の液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。

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４２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。

また、燃料電池用改質装置１は、改質反応部２における改質反応、炭化水素原料気化部３における炭化水素原料の気化、および水蒸気発生部４における水の蒸発のために熱を供給するバーナ（図３参照）を備える。このバーナには、燃料として、燃料電池システムの燃料電池スタック（図３参照）のアノード電極から排出された未反応の水素を含むオフガスと、燃料とが供給されると共に、それらを燃焼させるための空気が供給される。

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、図２に示すフロー図に基づいて説明する。
図１に示す燃料電池用改質装置１の運転開始に際して、まず、気化器温度検出手段３５によって、炭化水素原料気化部３内の気化器温度Ｔ０を検出する（ステップ１）。次に、水蒸気発生部４に、水供給ポンプ４２によって、水供給路４３を通じて水供給源（図示せず）から水が供給されて蒸発して水蒸気を発生させる（ステップ２）。発生した水蒸気は、水蒸気導入路４１を通じて炭化水素原料気化部３に供給される。次に、気化器温度検出手段３５によって炭化水素原料気化部３内の気化器温度Ｔ１を検出する（ステップ３）。

そして、検出された気化器温度Ｔ１と、運転開始時の気化器温度Ｔ０とを比較し、温度変化の有無を判定する（ステップ４）。
検出された気化器温度Ｔ１が運転開始時の気化器温度Ｔ０より低い場合（ＹＥＳ）は、炭化水素原料気化部３に、炭化水素原料供給ポンプ３３によって炭化水素原料供給源（図示せず）から炭化水素原料導入路３２を通じて炭化水素原料が供給され、供給された炭化水素原料を気化させて気体状の炭化水素原料を生成させる。生成した気体状の炭化水素原料は、水蒸気発生部４から供給される水蒸気とともに、原料導入路３１を通じて改質反応部２に供給される（ステップ５）。これによって、改質反応部２における炭化水素原料と水蒸気との改質反応による改質ガスの生成が開始される。

一方、気化器温度検出手段３５によって検出された気化器温度Ｔ１が運転開始時の気化器温度Ｔ０よりも高い場合（ＮＯ）には、ステップ２に戻り、水蒸気発生部４による水蒸気の供給および気化器温度Ｔ１の検出（ステップ３）、気化器温度Ｔ１と運転開始時の気化器温度Ｔ０との比較による温度変化の有無の判定（ステップ４）が行われる。

このように、燃料電池用改質装置１の運転開始に際して、ステップ１からステップ５までの過程を経て、改質反応部２への水蒸気の供給が確認された後、炭化水素原料気化部３への炭化水素原料の供給、炭化水素原料の気化および炭化水素原料の改質反応部２への供給を行うことによって、水蒸気が改質反応部２に供給される前に、炭化水素原料が改質反応部２に供給されることを防止することができる。そのため、燃料電池用改質装置の運転開始に際して、改質反応部に炭化水素原料のみが供給されることを防止し、改質反応部２における炭素質の析出を防止できる。

前記の実施形態では、原料導出口３４の近傍に気化器温度検出手段３５を設ける例を説明したが、本発明の燃料電池用改質装置は、この実施形態に限定されず、温度変化を検知できる位置であれば、気化器温度検出手段３５を炭化水素原料気化部３内およびその他の位置に配設してもよい。例えば、原料導入路３１内に温度検出手段を設け、この温度検出手段によって、改質反応部２に水蒸気が供給されたことを検知するようにしてもよい。また、運転開始時に気化器温度Ｔ０を検出することなく、予め炭化水素原料気化部３における基準の気化器温度Ｔ３を設定しておき、この基準の気化器温度Ｔ３と、随時、気化器温度検出手段３５によって検出される気化器温度Ｔ１とを比較して温度変化を検知するようにしてもよい。さらに、本発明においては、水蒸気が炭化水素原料気化部３およびそれよりも下流に存在することを確認できればよいので、温度検出手段は、改質反応部２の入口や原料導入路３１に配設してもよい。

本発明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。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
３２炭化水素原料導入路
３３炭化水素原料供給ポンプ
３４原料導出口
３５気化器温度検出手段
４１水蒸気導入路
４２水供給ポンプ
４３水供給路

Claims

炭化水素原料と水蒸気との改質反応によって前記改質ガスを製造する改質反応部と、炭化水素原料を気化させて気体状の炭化水素原料を製造する炭化水素原料気化部と、水を蒸発させて前記炭化水素原料気化部に水蒸気を供給する水蒸気発生部と、を備え、前記炭化水素原料気化部から、気体状の炭化水素原料と水蒸気とを前記改質反応部に供給する燃料電池用改質装置の運転制御方法であって、
前記炭化水素原料気化部あるいは炭化水素原料気化部の下流に設けた温度センサによって、前記水蒸気発生部から前記炭化水素原料気化部に水蒸気を供給する前の当該炭化水素原料気化部内の気化器温度よりも当該炭化水素原料気化部に水蒸気を供給した後の前記気化器温度が低下したことを検出することで、前記炭化水素原料気化部内の水蒸気の存在を検知して、前記炭化水素原料気化部に炭化水素原料の供給を開始することを特徴とする燃料電池用改質装置の運転制御方法。
前記温度センサが、前記炭化水素原料気化部における前記改質反応部への原料導出口の近傍に配設されてい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の運転制御方法。
前記炭化水素原料が、灯油であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池用改質装置の運転制御方法。