JP4923371B2 - 水素分離膜を備える水素生成装置の起動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の原料を改質して得られた改質ガスから、水素分離膜によって水素を分離して水素リッチなガスを生成する水素生成装置に関し、詳しくはこのような水素生成装置の起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応によって起電力を得る。燃料電池に供給される水素は、水素生成装置によって、例えば、炭化水素系などの原料を改質して生成される。原料の改質によって得られる改質ガスの水素純度を高めるため、水素分離膜が利用されることがある。水素分離膜とは、水素を選択的に透過する性質を備えた膜であり、例えば、パラジウムまたはパラジウム合金の薄膜などが利用される。改質ガスを水素分離膜の一方の面に供給すると、水素分圧の差に応じて、他方の面から水素が抽出されるため、水素純度を向上することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
水素分離膜は適切な運転温度に満たない低温状態では、水素脆化、即ち水素分離膜が水素を吸収して脆くなる現象を生じることがある。従来の水素生成装置では、水素脆化について全く考慮されていなかった。従って、起動時など水素生成装置が比較的低温の状態にある場合に、水素分離膜の水素脆化を生じる可能性があった。水素脆化は、水素分離膜の亀裂、損傷を招く可能性がある。
【０００４】
従来、起動時など低温状態で水素生成装置の運転を開始すると、いわゆる暖機運転によって、装置内の温度が不均一に上昇し、少なからず熱応力を生じていた。従って、水素分離膜が水素脆化している場合には、かかる熱応力によって上述した亀裂、損傷を招く可能性があった。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、水素生成装置が低温状態にある場合の水素脆化を抑制することを目的とする。また、水素生成装置の暖機時における熱応力を抑制し、水素分離膜の亀裂、損傷の可能性を低減することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述した課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、所定の原料を改質するとともに水素分離膜によって水素を分離し、水素リッチなガスを生成する水素生成装置において、低温時に水素分離膜が水素に接触することを抑制する機構を設けるものとした。こうすることにより、低温時における水素分離膜の水素脆化を抑制することができる。低温時とは、水素分離部の温度が水素分離膜の材質に応じて定まる所定の温度に満たない状態を意味し、例えば、起動時などが含まれる。
【０００７】
かかる作用は、水素生成装置において、改質部、供給部、水素分離部、水素抑制部を備えることにより実現される。改質部は、原料を改質して改質ガスを生成する。原料としては、ガソリンなどの液体炭化水素、メタノールなどのアルコール、アルデヒド類、または天然ガスなど、改質反応によって水素を生成可能な種々の炭化水素系燃料を適用することができる。供給部は、改質に要する物質を改質部に供給する。改質部で水蒸気改質を行う場合には、供給部は原料および水蒸気を供給する。改質部で酸化反応を行う場合には、供給部は原料および酸素を供給する。
【０００８】
水素分離部は、水素を選択的に透過する水素分離膜、水素分離膜を挟んで配置された改質ガス流路および水素流路を備えており、改質ガス流路に供給された改質ガスから水素流路側に水素を分離する。水素分離膜は、例えば、パラジウムまたはパラジウム合金の薄膜などを利用することができる。
【０００９】
水素抑制部は、水素分離部の温度が水素分離膜の材質に応じて定まる所定の温度に満たない低温時に、改質ガス流路に供給されるガスの水素濃度を抑制する。所定の温度とは、水素分離膜が水素脆化を生じないで水素を透過可能な下限値に基づいて設定することができる。
【００１０】
本発明において水素抑制部は、種々の構成を採ることができる。第１の態様として、例えば、水素抑制部は、低温時には、改質部において、原料に対する酸素量の割合を水素生成に適した値よりも高めた状態（以下、リーン燃焼と呼ぶ）で、酸化反応を行うように供給部を制御する態様を採ることができる。酸素が多量にある状態では、部分酸化は生じない。原料は完全酸化またはバーナー等による酸化、即ち燃焼によって、ほとんどが二酸化炭素および水蒸気となる。従って、かかる制御によれば、水素の生成を抑制することができるため、水素分離膜の水素脆化を回避することができる。また、この反応では、高温のガスが生成されるから、これを流すことによって水素生成装置の暖機を促進することができる。
【００１１】
酸素を多量に供給することにより、その量に応じて、次の利点も併せて得ることができる。第１に、高温の酸素によって水素分離膜に付着した炭素を酸化することができ、水素分離膜の浄化をすることができる。第２に、酸化反応に対して過剰な酸素または空気を供給することにより、反応時に発生した熱を希釈化する効果を得ることができる。従って、反応によって生じたガスの温度を、改質部の運転温度にほぼ適合させることが可能となり、暖機時の過熱により触媒が劣化するのを緩和することができる。また、水素生成装置の温度の急上昇を回避することができ、熱応力の発生を緩和することも可能となる。
【００１２】
酸素の供給量は、上述のうち所望する効果を考慮して適宜設定可能である。例えば、空気量に置き換えて酸素の供給量を制御する場合、原料を完全酸化するために必要となる理論空燃比に対して、約４倍程度の空気を供給することができる。また、原料中の炭素原子に対する酸素原子の比率は、例えば、約１２〜１３程度とすることができる。
【００１３】
第２の態様として、水素抑制部は、改質部と水素分離部との間に酸素を供給可能な酸素供給機構と、低温時に酸素を供給するよう酸素供給機構を制御する制御部とを備える構成とすることもできる。こうすることによって、酸素供給機構から供給される酸素によって、改質ガス中に含まれる水素を燃焼させることができ、水素分離膜と水素との接触を抑制することができる。また、水素分離部で燃焼を行うことにより、暖機を促進することもできる。第２の態様では、改質部において部分酸化反応によって水素を生成することが好ましい。
【００１４】
第２の態様においては、水素分離を開始する前に、改質ガス流路を酸素リッチな雰囲気とすることが好ましい。こうすることにより、水素分離膜に析出した炭素の浄化を行うことができる。また、過剰な酸素を供給することにより、水素分離膜の温度の急上昇を緩和でき、熱応力を緩和することができる。酸素リッチな雰囲気は、例えば、供給部または酸素供給機構の少なくとも一方から供給される酸素量を増加すればよい。酸素量は、システム構成に応じて適宜設定可能であるが、例えば、酸素を空気量に置き換えて制御する場合、水素を完全に燃焼させるのに必要となる空気量の理論値の３倍程度とすることができる。酸素リッチな雰囲気は、改質部でリーン燃焼を行わせることによって実現することも可能である。
【００１５】
本発明においては、水素抑制部の構成に関わらず、暖機を促進するための種々の付加的な構成を採用することができる。
【００１６】
例えば、分離された水素を排出するためのパージガスを、水素分離部の水素流路に供給するパージガス供給部を備えている場合には、低温時に、パージガスの供給を停止させる制御を適用することができる。パージガスは、分離された水素を運搬し、水素流路の水素分圧を低くすることによって、水素の分離効率を向上するために供給される。本発明では、低温時には水素分離部からの水素透過は行われないため、パージガスを供給する必要性は少ない。その一方、パージガスを供給すれば、水素分離膜の熱を外部に運搬し、暖機を阻害する場合もある。従って、低温時にはパージガスの供給を停止することにより、水素分離部の機能に支障を与えることなく、暖機を促進することができる。
【００１７】
一方、パージガスを供給する場合、低温時に、水素透過時と逆方向にパージガスを流すものとしてもよい。水素透過時には、パージガスは、改質ガスと対向流となるように供給することが水素の分離効率を促進する上で好ましい。パージガスの供給部がこのように構成されている場合には、低温時には、その逆方向、即ち、パージガスが改質ガスと同方向流とするのである。こうすることによって、水素分離部の温度上昇を均一化することができ、熱応力を緩和することができる。
【００１８】
このように改質ガスとパージガスとを同方向に流す場合には、その流量を水素分離部の温度に応じて制御することも好ましい。こうすることにより、温度分布の均一化、熱応力の緩和をよ更に向上することができる。
【００１９】
なお、パージガスの停止と逆方向での供給とは、目的が相違する。パージガスの停止は、水素分離部の暖機促進に重点があり、逆方向での供給は温度分布の均一化に重点がある。従って、水素分離部の温度状態などに応じて両者を切り替えるものとしてもよい。例えば、非常に低温にある場合には、パージガスを停止して暖機を促進し、ある程度温度が上昇した時点で、パージガスを逆方向に供給するものとしてもよい。
【００２０】
パージガスとしては、水素との反応を生じない気体が用いられることが多く、例えば、窒素や水蒸気などを用いることができる。また、水素分離部の改質ガス流路から排出されたガスをパージガスとして利用してもよい。
【００２１】
本発明において、改質部と水素分離部との間に、熱交換器が備えられている場合、低温時に熱交換器によって改質ガスから奪われる熱量を低減するための機構または制御を設けるものとしてもよい。例えば、熱交換器を迂回、即ちバイパスして改質ガスを流す迂回流路を設けたり、熱交換器の運転を停止したりする制御を適用する態様が挙げられる。こうすることにより、システムの暖機を促進することができる。
【００２２】
本発明の水素生成装置において、水素抑制部は、水素分離部が所定の温度以上となった場合に稼働を停止することが好ましい。水素抑制部が第１の態様を採っている場合には、所定の温度以上でリーン燃焼が停止されるから、部分改質が開始される。併せて水蒸気改質を開始するものとしてもよい。第２の態様を採っている場合には、酸素供給機構からの酸素供給が停止されるから、改質部で生成された水素が水素分離部に供給されることになる。水素分離部は、水素脆化を生じない温度となっているため、水素の供給および透過を開始しても差し支えない。こうすることにより、透過された水素を利用して更に暖機を促進することが可能となる。
【００２３】
例えば、生成された水素の少なくとも一部を、水素流路に環流する水素環流流路を設け、この水素環流流路中に水素を燃焼する燃焼部を備える構成を採ることができる。こうすれば、水素の燃焼により、水素分離部の暖機を促進することができる。水素環流流路は、例えば、先に説明したパージガスの供給流路と兼用することができる。燃焼には、水素分離部で分離された水素を用いても良いし、分離されずに残った未透過ガス中に残留する水素を用いるものとしてもよい。燃焼部は、種々の構成が可能である。例えば、水素環流流路に熱交換器が備えられている場合には、この熱交換器に白金触媒などの酸化触媒を備えることによって構成することができる。
【００２４】
本発明は上述した水素生成装置としての態様に限らず、水素生成装置の起動方法など種々の態様で構成可能である。また、水素抑制部について第１および第２の態様は適宜、組み合わせたり、切り換えたりして適用してもよい。その他の付加的な構成についても適宜、組み合わせ等して適用することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
Ａ２．起動制御処理：
Ａ３．変形例：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．システム構成：
Ｂ２．起動制御処理：
【００２６】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
図１は第１実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システムは、燃料電池７０に供給される水素と酸素の電気化学反応によって発電する。酸素には、ブロワ７３によってカソード７２に供給される圧縮空気が利用される。水素は、以下に示す水素生成装置により、原料の改質によって生成され、アノード７１に供給される。原料としては、ガソリンなどの液体炭化水素、メタノールなどのアルコール、アルデヒド類、または天然ガスなど、改質反応によって水素を生成可能な種々の炭化水素系燃料を選択することができる。
【００２７】
図示を省略したが、原料および水は、それぞれタンクに貯蔵されている。水は、蒸発器２０で約５００℃の水蒸気に気化・加熱された後、混合部３０に供給される。混合部３０には、別途、原料および空気も供給される。原料および空気は、熱交換器５０などで加熱した後、供給するものとしてもよい。水蒸気、原料および空気は、混合部３０で混合された後、改質器４０に供給される。それぞれの供給量は、蒸発器２０の運転、およびバルブ３１、３２の開度によって制御される。
【００２８】
原料と水、および空気の混合ガスは、改質器４０において改質され、水素リッチな改質ガスを生成する。改質器４０では、定常運転時で約７００度の環境下において、水蒸気改質反応と部分酸化反応とが並行して行われる。部分酸化反応とは、原料と酸素によって水素を生成する発熱反応をいう。水蒸気改質反応とは、原料と水蒸気から水素を生成する吸熱反応をいう。改質器４０には、原料の種類に応じてこれらの反応に適した改質触媒が備えられている。いずれの反応においても、二酸化炭素および一酸化炭素が併せて生成されるため、改質ガスは、これらの混合ガスとなる。起動時には、原料の燃焼または完全酸化反応を行うものとしてもよい。これらの反応は、原料の酸化により、二酸化炭素および水蒸気が生成され、水素はほとんど生成されないが、発熱量が大きいため、暖機の促進に有用である。
【００２９】
改質ガス中には、一酸化炭素が含まれるため、改質器４０の下流側には、一酸化炭素と水蒸気から水素を生成するシフト部、および一酸化炭素を選択的に酸化するためのＣＯ浄化部などを設けてもよい。原料としてガソリンを用いる場合には、シフト部を設けることが好ましい。
【００３０】
改質ガスは、熱交換器５０で約５００℃程度まで冷却された後、水素分離部６０の改質ガス流路６１に供給される。水素分離部６０は、水素を選択的に透過する水素分離膜６２を挟んで改質ガス流路６１と水素流路６３とが設けられた構成となっている。水素分離膜６２は、種々の材料を用いることが可能であるが、例えば、パラジウムまたはパラジウム合金の薄膜などを用いることができる。図示する通り、改質ガス流路６１に供給された改質ガス中の水素は、水素流路６３との水素分圧差に応じて水素分離膜６２を透過し、水素流路６３側に分離される。本実施例では、水素が分離された後の未透過ガスは、蒸発器２０を加熱するための加熱器２１の燃料として用いているが、単に排気してもよい。
【００３１】
水素分離部６０は、水素の分離効率を高めるため、次の構成を適用している。第１に、水素流路６３には、分離された水素を運搬するためのパージガスが供給される。パージガスは、燃料電池７０の運転に支障を与えず、窒素や水蒸気など水素と反応しない種々のガスを利用することができる。本実施例では、パージガスとして窒素を用いるものとした。窒素は、予めパージガスの循環経路に封入されている。パージガスを供給することにより、水素流路６３の水素分圧を低減させることができ、水素の分離効率を向上することができる。もっとも、パージガスの供給を省略したシステム構成を採っても構わない。
【００３２】
第２に、水素流路６３および改質ガス流路６１は、対向流となるよう構成されている。このように構成することにより、水素流路６３と改質ガス流路６１との水素分圧差を比較的大きくすることができ、水素の分離効率を向上することができるからである。もっとも、流路の構成は、必ずしも対向流である必要はない。
【００３３】
水素流路６３に抽出された水素は、パージガスとともに熱交換器７５を経て、約８０℃程度に冷却された後、アノード７１に供給される。アノード７１から排出されたアノードオフガスは、ポンプ７４によって熱交換器７５を経て、再び水素流路６３に環流される。パージガスの循環経路には、ポンプ６５によって外部から空気を導入することも可能である。熱交換器７５は、後述する通り、一定条件下で水素の燃焼を可能とするため、酸化触媒としての白金触媒を担持している。なお、循環経路には、圧力が過剰となることを回避するためのリリーフバルブが設けられているが、図示を省略した。なお、水素分離部６０から排出される未透過ガスを、パージガスの循環経路に供給し、暖機を促進してもよい。
【００３４】
燃料電池システムの運転は、制御ユニット１０によって制御される。制御ユニット１０は、内部にＣＰＵ、メモリ等を備えたマイクロコンピュータとして構成されている。図の煩雑化を回避するため、図中には、制御ユニット１０への入出力のうち、後述する起動制御処理に関連するもののみを示した。制御ユニット１０からは、先に説明した蒸発器２０の運転、バルブ３１、３２の開度を制御する制御信号が出力されており、これによって改質器４０への原料、水、空気の供給量を制御する。空気量とは、酸化反応に利用される酸素量と置き換えて考えてもよい。また、パージガスの循環経路に設けられたポンプ７４、ポンプ６５の運転を制御する制御信号も出力される。これらの制御を実現するために、制御ユニット１０には、水素分離部６０の内部の温度を検出する温度センサ６４の検出値が入力される。
【００３５】
制御ユニット１０は、燃料電池システムの運転について定常運転時の出力制御を含め種々の制御を実行する。以下では、これらの制御のうち、本実施例に特徴的な起動制御処理について説明する。
【００３６】
Ａ２．起動制御処理：
図２は起動制御処理のフローチャートである。燃料電池システムの運転開始操作に応じて制御ユニット１０が繰り返し実行する処理である。処理が開始されると、制御ユニット１０は、水素分離部６０の温度Ｔｓを入力する（ステップＳ１０）。起動処理は、この温度Ｔｓに応じて３段階のフェーズに分かれる。第１フェーズは、「温度Ｔｓ＜３００℃」の低温状態での処理である。第２フェーズは、「３００℃≦Ｔｓ＜５００℃」の状態での処理である。第３フェーズは、「５００℃≦Ｔｓ」の状態での処理である。
【００３７】
各フェーズの閾値となる温度３００℃、５００℃は、次の基準で設定されている。第１の閾値３００℃は、水素分離膜６２の水素脆化を回避可能な温度に基づいて設定されている。水素分離膜６２は、低温状態で水素に接すると、水素を吸収して水素脆化を生じる。第１の閾値は、こうした特性を考慮して、例えば、水素分離膜６２が水素に接触しても水素脆化を回避できる下限値よりも若干高い値に設定することができる。本実施例では、水素分離膜６２にパラジウムの薄膜を用いた場合を考え、第１の閾値を３００℃に設定したが、水素分離膜６２の素材に応じて任意に設定可能である。
【００３８】
第２の閾値５００℃は、水素分離部６０の運転温度に基づいて設定される。第２の閾値は、本実施例では、５００℃に設定したが、水素分離膜６２の素材に応じて任意に設定可能である。
【００３９】
水素分離部の温度Ｔｓが３００℃未満である場合には（ステップＳ１２）、制御ユニット１０は、第１フェーズの起動制御処理を実行する。この処理は、水素分離膜６２が水素に接触することを回避しつつ、暖機する処理である。
【００４０】
第１フェーズの起動制御処理では、制御ユニット１０は、水蒸気改質反応が生じないようにするため、蒸発器２０の運転を制御して水蒸気の供給を停止する（ステップＳ２０）。また、バルブ３１、３２を制御して、リーン燃焼となるよう原料および空気の量を制御する（ステップＳ２２）。併せて、暖機を促進するため、パージガスの供給を停止する（ステップＳ２４）。
【００４１】
リーン燃焼とは、理論空燃比よりも空気を過剰に供給した状態で原料の触媒燃焼を行うことを意味する。このとき、水素はほとんど生成されない。従って、水素分離膜６２の水素脆化を回避することができる。本実施例では、理論空燃比（以下、この空気量をストイキとも呼ぶ）の約４倍の空気を供給するものとした。このように多量の空気を導入することにより、燃焼温度を改質器４０の運転温度、即ち約８００℃程度に制御することができる。燃焼温度を抑えることにより、改質器４０の過熱を回避することができ、触媒の劣化、熱応力の発生を抑制することができる。また、過剰な空気を供給することにより、水素分離部６０には、高温の酸素を供給することができる。従って、水素分離膜６２の表面に付着した析出炭素を酸化することができ、水素分離膜６２を浄化することができる利点もある。
【００４２】
第２フェーズの起動制御処理では、水素分離膜６２が水素脆化を生じない温度に到達しているため、制御ユニット１０は、改質器４０に水蒸気の供給を開始し（ステップＳ３０）、改質制御を行う（ステップＳ３２）。この時点では、リーン燃焼が停止され、リッチ燃焼、即ち部分酸化反応に適した量の空気が供給される。一方、第２フェーズでは、まだ暖機が完全に完了した状態ではないため、さらなる暖機の促進を図る必要がある。このため、制御ユニット１０は、水素分離膜６２を透過してきた水素の燃焼処理を行う（ステップＳ３４）。即ち、ポンプ７４を駆動してパージガスを循環させるとともに、ポンプ６５から空気を供給することにより、透過してきた水素を酸化させるのである。酸化反応は、熱交換器７５に担持された酸化触媒によって促進される。この反応で生じた熱により、水素分離部６０、熱交換器７５、および燃料電池７０の暖機を促進することができる。供給される酸素量は、暖機の促進効果を考慮して種々の設定が可能である。本実施例では、リーン燃焼、即ち、水素を全て燃焼させるための理論値の約３倍を供給するものとした。過剰な酸素を供給することにより、水素分離部６０の急激な温度上昇を抑制することができ、水素分離膜６２の熱応力による破損を回避することができる。本実施例では、熱交換器７５で水素の酸化を行うものとしたが、水素の酸化はパージガスの循環経路のいかなる部分で行うものとしてもよい。
【００４３】
第３フェーズの起動制御処理では、ほぼ暖機が完了しているため、制御ユニット１０は、定常運転時と同等の運転を開始する。つまり、水蒸気の供給を行い（ステップＳ４０）、改質制御を行う（ステップＳ４２）と同時に、パージガスの供給を行う（ステップＳ４４）。第２フェーズの制御と同様、ポンプ７４を駆動してパージガスを循環させるが、ポンプ６５を停止し、空気の供給は停止する。こうすることにより、透過された水素の消費を防ぐことができ、水素を燃料電池７０で発電に利用することができる。
【００４４】
図３は起動制御処理における酸素量等のシーケンスを示す説明図である。水素分離部６０の温度に応じて、起動制御のフェーズの変化を模式的に示した。ここでは、説明の便宜上、水素分離部６０の温度が線形的に上昇する場合を例示した。
【００４５】
先に説明した通り、温度が３００℃に至るまでの期間、即ち時刻ｔ０〜ｔ１までの期間は、第１フェーズの起動処理が行われる。従って、改質側の酸素、即ち改質器４０に供給される酸素は、ストイキの約４倍程度となる。一方、改質器４０への水蒸気の供給、およびパージガスの供給は停止される。改質器４０に多量の酸素が供給される結果、水素分離部６０は、酸素リッチな雰囲気に保たれる。
【００４６】
温度が３００〜５００℃の期間、即ち時刻ｔ１〜ｔ２までの期間は、第２フェーズの起動処理が行われる。従って、改質側の酸素は、部分酸化反応に適した量に低減される。併せて、改質器４０への水蒸気の供給が開始される。これにより、改質器４０では水素が生成されるから、水素分離部６０には水素リッチな雰囲気が形成される。第２フェーズでは、水素分離膜６２を透過した水素を燃焼するため、パージガスの循環経路に水素燃焼用の酸素が供給される。
【００４７】
温度が５００℃に達した後、即ち、時刻ｔ２以降の期間では、第３フェーズの起動処理が行われる。この処理では、改質器４０への酸素および水蒸気の供給量は第２フェーズと同等である。水素分離部６０は水素リッチな雰囲気に保たれる。第３フェーズでは、水素分離部６０の暖機が不要となるから、パージガスの循環経路への酸素供給が停止される。こうして、水素生成装置は、定常運転に移行する。
【００４８】
以上で説明した第１実施例としての水素生成装置によれば、低温状態において改質器４０でリーン燃焼することにより、水素の生成を抑制することができ、水素分離膜６２の水素脆化を回避することができる。
【００４９】
Ａ３．第１実施例の変形例：
図４は変形例としての起動制御処理のシーケンスを示す説明図である。第１実施例の制御処理（図２）と同様のフローチャートに従って、制御ユニット１０は３段階のフェーズに分けて起動制御を実行する。変形例では、第１フェーズにおける処理のみが第１実施例と相違する。なお、図示の都合上、図４では、水素分離部６０の雰囲気を省略したが、雰囲気の推移は、第１実施例と同様である。
【００５０】
第１実施例では、第１フェーズにおいてパージガスの供給を停止した。変形例では、パージガスを定常運転時と逆方向に供給する。かかる供給は、例えば、ポンプ７４を逆方向に駆動することにより実現される。ポンプ７４とは別に、パージガスを逆方向に流すためのポンプを設けるものとしてもよい。図１で説明した通り、定常運転時に改質ガスとパージガスとが対向流となるよう水素分離部６０は構成されているから、変形例では起動時に両者が同方向に流れることになる。但し、第１フェーズでは、パージガスへの酸素の供給は行わない。つまり、ポンプ６５の運転は停止されている。
【００５１】
変形例の制御処理によれば、水素分離膜６２を挟んで高温の改質ガスと比較的低温のパージガスとを同方向に流すことができ、水素分離膜６２の均一な温度上昇を図ることができる。従って、熱応力による水素分離膜６２の損傷を抑制することができる。
【００５２】
第１フェーズにおいて、逆流させるパージガスの流量は、一定量としてもよいが、変形例では、水素分離部６０の温度に応じて調整するものとした。図示する通り、水素分離部６０の温度が高くなるにつれてパージガスの流量を抑えるものとした。こうすることにより、水素分離膜６２のより均一な温度上昇を図ることができる。パージガスの流量と温度との関係は、線形、非線形を問わず、種々の設定が可能である。
【００５３】
第１実施例では、パージガスの供給を停止し、変形例では、逆方向にパージガスを供給する場合を例示した。両者を適宜、使い分けるものとしてもよい。例えば、第１フェーズを水素分離部６０の温度に応じて２つのフェーズに更に分割し、それぞれパージガスの供給停止、逆方向の供給を使い分けることができる。
【００５４】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．システム構成：
図５は第２実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。第１実施例とほぼ同じ構成であるが、改質器４０と水素分離部６０との間に、空気を供給可能となっている点で相違する。空気の供給量は、制御ユニット１０Ａによりバルブ４１の開度を調整することによって制御される。ここでは、改質器４０と熱交換器５０との間に空気を供給する場合を例示したが、熱交換器５０と水素分離部６０との間で空気を供給する構成を採ることもできる。
【００５５】
Ｂ２．起動制御処理：
図６は第２実施例における起動制御処理のフローチャートである。第１実施例と同様、３００℃、５００℃を閾値として、３段階のフェーズに分けて制御を行う。第２実施例では、第１フェーズの処理が第１実施例と相違する。
【００５６】
第１フェーズの処理では、制御ユニット１０Ａは、改質制御を実行する（ステップＳ５０）。即ち、改質器４０に水蒸気、酸素、原料を供給し、水蒸気改質と部分酸化反応を生じさせる。こうして生成された改質ガスには、少なからず水素が含有されている。
【００５７】
制御ユニット１０Ａは、併せて、燃焼用の酸素を供給する（ステップＳ５２）。つまり、バルブ４１の開度を増大し、改質ガスに空気を混入する。改質ガス中の水素は、この空気中の酸素により、水素分離部６０またはその上流で燃焼される。従って、水素分離膜６２と水素の接触は抑制される。また、燃焼によって生じた熱で、水素分離部６０の暖機が促進される。
【００５８】
第２実施例では、水素分離部６０の温度Ｔｓに応じて第１フェーズの制御を更に２段階に分けている。温度Ｔｓが２５０℃以下の場合には（ステップＳ５４）、上述した水素の燃焼が行われる。一方、温度Ｔｓが２５０℃を超えた場合には、第２フェーズへの移行制御が行われる。本実施例では、改質器４０での改質反応を一時的にリーン燃焼に切り換えるとともに（ステップＳ５６）、バルブ４１の開度を増大して酸素の供給量を増加させる（ステップＳ５８）。リーン燃焼は、第１実施例における第１フェーズの運転と同じ態様で行われる。リーン燃焼時には、水蒸気の供給を継続してもよいし、停止してもよい。これにより、水素分離部６０には、酸素リッチな雰囲気が形成される。従って、多量の高温酸素によって水素分離膜６２の析出炭素を浄化することができる。
【００５９】
移行制御の閾値となる温度２５０℃は、析出炭素の浄化に要する期間を考慮して、適宜設定可能である。また、第２実施例では、リーン燃焼（ステップＳ５６）と酸素量の増大（ステップ５８）とを併用したが、炭素の浄化に必要な酸素を供給可能であれば、いずれか一方のみを用いるものとしてもよい。
【００６０】
図７は第２実施例の起動制御処理におけるシーケンスを示す説明図である。 先に説明した通り、温度が２５０℃に至るまでの期間、即ち時刻ｔａ０〜ｔａ１までの期間は、第１フェーズの起動処理が行われる。従って、改質側の酸素、即ち改質器４０に供給される酸素は、部分改質に適した量となる。一方、水素分離部６０の上流側では、改質ガス中の水素を燃焼するための燃焼用酸素が供給される。改質器４０で水素が生成されるものの、その水素は燃焼されるため、水素分離部６０は、水素リッチな雰囲気とはならない。また、過剰な酸素も供給されないため、酸素リッチな雰囲気ともならない。もっとも、この段階で燃焼用酸素を過剰に供給し、水素分離部６０に酸素リッチな雰囲気を形成するものとしてもよい。
【００６１】
温度が２５０〜３００℃の期間、即ち、時刻ｔａ１〜ｔａ２の期間は、第１フェーズから第２フェーズへの移行処理が行われる。従って、改質器にはリーン燃焼、即ちストイキの約４倍程度の空気が供給される。また、燃焼用の酸素量も増大される。これによって、水素分離部６０には酸素リッチな雰囲気が形成され、水素分離膜６２の炭素浄化が行われる。
【００６２】
時刻ｔａ０〜ｔａ２の期間、第１実施例と同様、パージガスの運転は停止されるが、先に説明した変形例と同様、パージガスを逆流させるものとしてもよい。
【００６３】
温度が３００〜５００℃の期間、即ち、時刻ｔａ２〜ｔａ３の期間は、第２フェーズの起動処理が行われる。また、温度が５００℃に達した後の期間、即ち、時刻ｔａ３以降の期間は、第３フェーズの起動処理が行われる。これらの処理は、第１実施例と同様であるため、説明を省略する。
【００６４】
以上で説明した第２実施例の水素生成装置によれば、起動時には改質ガス中に含まれる水素を燃焼することにより、水素分離膜６２の水素脆化を抑制することができる。また、水素の燃焼によって得られる熱により、水素分離膜６２の暖機を促進することができる。
【００６５】
第２実施例では、燃焼用の酸素として外部から空気を導入する場合を例示した。燃焼用の酸素は、加熱器２１の排気を利用するものとしてもよい。加熱器２１の排気中は、比較的酸素濃度が低い。従って、かかる排気を供給することにより、改質ガス中の水素が急激に燃焼することを回避でき、水素分離部６０の温度の急上昇を抑制することができる。
【００６６】
Ｃ．変形例：
実施例では、起動時に、改質ガスが熱交換器５０を介して水素分離部６０に供給される場合を例示した。改質器４０と水素分離部６０の間に熱交換器５０をバイパスする流路を設け、起動時にはこの流路に改質ガスを流すものとしてもよい。熱交換器５０をバイパスすることにより、改質ガスの熱を有効に水素分離部６０に伝達することができ、暖機を促進することができる。バイパス流路の設置に代えて、起動時には熱交換器５０の運転を停止するものとしてもよい。
【００６７】
実施例では、起動時の処理を例示した。本発明における処理は、起動時に限らず、水素分離膜６２が水素脆化を生じる可能性がある程の低温状態にある場合に適用可能である。また、実施例では、第１〜第３のフェーズの処理を順に実行する場合を例示したが、水素分離膜６２の温度に応じていずれかのフェーズを省略しても差し支えない。
【００６８】
実施例では、水素分離膜６２の温度を検出して、制御処理の各フェーズを切り換える場合を例示した。フェーズの切り換えは、水素分離膜６２の温度に関連した種々のパラメータを利用することができる。例えば、起動処理を開始した後の経過時間などに基づいてフェーズの切り換えを行うものとしてもよい。
【００６９】
以上で説明した第１実施例および第２実施例は、両者を適宜組み合わせて用いることもできる。例えば、水素分離部６０の温度に応じて、第１実施例で例示した起動制御処理と第２実施例で例示した起動処理とを切り換えてもよい。
【００７０】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、以上の制御処理はソフトウェアで実現する他、ハードウェア的に実現するものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】起動制御処理のフローチャートである。
【図３】起動制御処理における酸素量等のシーケンスを示す説明図である。
【図４】変形例としての起動制御処理のシーケンスを示す説明図である。
【図５】第２実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図６】第２実施例における起動制御処理のフローチャートである。
【図７】第２実施例の起動制御処理におけるシーケンスを示す説明図である。
【符号の説明】
１０、１０Ａ…制御ユニット
２０…蒸発器
２１…加熱器
３０…混合部
３１…バルブ
４０…改質器
４１…バルブ
５０…熱交換器
６０…水素分離部
６１…改質ガス流路
６２…水素分離膜
６３…水素流路
６４…温度センサ
６５…ポンプ
７０…燃料電池
７１…アノード
７２…カソード
７３…ブロワ
７４…ポンプ
７５…熱交換器
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の原料を改質して得られた改質ガスから、水素分離膜によって水素を分離して水素リッチなガスを生成する水素生成装置に関し、詳しくはこのような水素生成装置の起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応によって起電力を得る。燃料電池に供給される水素は、水素生成装置によって、例えば、炭化水素系などの原料を改質して生成される。原料の改質によって得られる改質ガスの水素純度を高めるため、水素分離膜が利用されることがある。水素分離膜とは、水素を選択的に透過する性質を備えた膜であり、例えば、パラジウムまたはパラジウム合金の薄膜などが利用される。改質ガスを水素分離膜の一方の面に供給すると、水素分圧の差に応じて、他方の面から水素が抽出されるため、水素純度を向上することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
水素分離膜は適切な運転温度に満たない低温状態では、水素脆化、即ち水素分離膜が水素を吸収して脆くなる現象を生じることがある。従来の水素生成装置では、水素脆化について全く考慮されていなかった。従って、起動時など水素生成装置が比較的低温の状態にある場合に、水素分離膜の水素脆化を生じる可能性があった。水素脆化は、水素分離膜の亀裂、損傷を招く可能性がある。
【０００４】
従来、起動時など低温状態で水素生成装置の運転を開始すると、いわゆる暖機運転によって、装置内の温度が不均一に上昇し、少なからず熱応力を生じていた。従って、水素分離膜が水素脆化している場合には、かかる熱応力によって上述した亀裂、損傷を招く可能性があった。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、水素生成装置が低温状態にある場合の水素脆化を抑制することを目的とする。また、水素生成装置の暖機時における熱応力を抑制し、水素分離膜の亀裂、損傷の可能性を低減することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述した課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、所定の原料を改質するとともに水素分離膜によって水素を分離し、水素リッチなガスを生成する水素生成装置において、低温時に水素分離膜が水素に接触することを抑制する機構を設けるものとした。こうすることにより、低温時における水素分離膜の水素脆化を抑制することができる。低温時とは、水素分離部の温度が水素分離膜の材質に応じて定まる所定の温度に満たない状態を意味し、例えば、起動時などが含まれる。
【０００７】
かかる作用は、水素生成装置において、改質部、供給部、水素分離部、水素抑制部を備えることにより実現される。改質部は、原料を改質して改質ガスを生成する。原料としては、ガソリンなどの液体炭化水素、メタノールなどのアルコール、アルデヒド類、または天然ガスなど、改質反応によって水素を生成可能な種々の炭化水素系燃料を適用することができる。供給部は、改質に要する物質を改質部に供給する。改質部で水蒸気改質を行う場合には、供給部は原料および水蒸気を供給する。改質部で酸化反応を行う場合には、供給部は原料および酸素を供給する。
【０００８】
水素分離部は、水素を選択的に透過する水素分離膜、水素分離膜を挟んで配置された改質ガス流路および水素流路を備えており、改質ガス流路に供給された改質ガスから水素流路側に水素を分離する。水素分離膜は、例えば、パラジウムまたはパラジウム合金の薄膜などを利用することができる。
【０００９】
水素抑制部は、水素分離部の温度が水素分離膜の材質に応じて定まる所定の温度に満たない低温時に、改質ガス流路に供給されるガスの水素濃度を抑制する。所定の温度とは、水素分離膜が水素脆化を生じないで水素を透過可能な下限値に基づいて設定することができる。
【００１０】
本発明において水素抑制部は、種々の構成を採ることができる。第１の態様として、例えば、水素抑制部は、低温時には、改質部において、原料に対する酸素量の割合を水素生成に適した値よりも高めた状態（以下、リーン燃焼と呼ぶ）で、酸化反応を行うように供給部を制御する態様を採ることができる。酸素が多量にある状態では、部分酸化は生じない。原料は完全酸化またはバーナー等による酸化、即ち燃焼によって、ほとんどが二酸化炭素および水蒸気となる。従って、かかる制御によれば、水素の生成を抑制することができるため、水素分離膜の水素脆化を回避することができる。また、この反応では、高温のガスが生成されるから、これを流すことによって水素生成装置の暖機を促進することができる。
【００１１】
酸素を多量に供給することにより、その量に応じて、次の利点も併せて得ることができる。第１に、高温の酸素によって水素分離膜に付着した炭素を酸化することができ、水素分離膜の浄化をすることができる。第２に、酸化反応に対して過剰な酸素または空気を供給することにより、反応時に発生した熱を希釈化する効果を得ることができる。従って、反応によって生じたガスの温度を、改質部の運転温度にほぼ適合させることが可能となり、暖機時の過熱により触媒が劣化するのを緩和することができる。また、水素生成装置の温度の急上昇を回避することができ、熱応力の発生を緩和することも可能となる。
【００１２】
酸素の供給量は、上述のうち所望する効果を考慮して適宜設定可能である。例えば、空気量に置き換えて酸素の供給量を制御する場合、原料を完全酸化するために必要となる理論空燃比に対して、約４倍程度の空気を供給することができる。また、原料中の炭素原子に対する酸素原子の比率は、例えば、約１２〜１３程度とすることができる。
【００１３】
第２の態様として、水素抑制部は、改質部と水素分離部との間に酸素を供給可能な酸素供給機構と、低温時に酸素を供給するよう酸素供給機構を制御する制御部とを備える構成とすることもできる。こうすることによって、酸素供給機構から供給される酸素によって、改質ガス中に含まれる水素を燃焼させることができ、水素分離膜と水素との接触を抑制することができる。また、水素分離部で燃焼を行うことにより、暖機を促進することもできる。第２の態様では、改質部において部分酸化反応によって水素を生成することが好ましい。
【００１４】
第２の態様においては、水素分離を開始する前に、改質ガス流路を酸素リッチな雰囲気とすることが好ましい。こうすることにより、水素分離膜に析出した炭素の浄化を行うことができる。また、過剰な酸素を供給することにより、水素分離膜の温度の急上昇を緩和でき、熱応力を緩和することができる。酸素リッチな雰囲気は、例えば、供給部または酸素供給機構の少なくとも一方から供給される酸素量を増加すればよい。酸素量は、システム構成に応じて適宜設定可能であるが、例えば、酸素を空気量に置き換えて制御する場合、水素を完全に燃焼させるのに必要となる空気量の理論値の３倍程度とすることができる。酸素リッチな雰囲気は、改質部でリーン燃焼を行わせることによって実現することも可能である。
【００１５】
本発明においては、水素抑制部の構成に関わらず、暖機を促進するための種々の付加的な構成を採用することができる。
【００１６】
例えば、分離された水素を排出するためのパージガスを、水素分離部の水素流路に供給するパージガス供給部を備えている場合には、低温時に、パージガスの供給を停止させる制御を適用することができる。パージガスは、分離された水素を運搬し、水素流路の水素分圧を低くすることによって、水素の分離効率を向上するために供給される。本発明では、低温時には水素分離部からの水素透過は行われないため、パージガスを供給する必要性は少ない。その一方、パージガスを供給すれば、水素分離膜の熱を外部に運搬し、暖機を阻害する場合もある。従って、低温時にはパージガスの供給を停止することにより、水素分離部の機能に支障を与えることなく、暖機を促進することができる。
【００１７】
一方、パージガスを供給する場合、低温時に、水素透過時と逆方向にパージガスを流すものとしてもよい。水素透過時には、パージガスは、改質ガスと対向流となるように供給することが水素の分離効率を促進する上で好ましい。パージガスの供給部がこのように構成されている場合には、低温時には、その逆方向、即ち、パージガスが改質ガスと同方向流とするのである。こうすることによって、水素分離部の温度上昇を均一化することができ、熱応力を緩和することができる。
【００１８】
このように改質ガスとパージガスとを同方向に流す場合には、その流量を水素分離部の温度に応じて制御することも好ましい。こうすることにより、温度分布の均一化、熱応力の緩和をよ更に向上することができる。
【００１９】
なお、パージガスの停止と逆方向での供給とは、目的が相違する。パージガスの停止は、水素分離部の暖機促進に重点があり、逆方向での供給は温度分布の均一化に重点がある。従って、水素分離部の温度状態などに応じて両者を切り替えるものとしてもよい。例えば、非常に低温にある場合には、パージガスを停止して暖機を促進し、ある程度温度が上昇した時点で、パージガスを逆方向に供給するものとしてもよい。
【００２０】
パージガスとしては、水素との反応を生じない気体が用いられることが多く、例えば、窒素や水蒸気などを用いることができる。また、水素分離部の改質ガス流路から排出されたガスをパージガスとして利用してもよい。
【００２１】
本発明において、改質部と水素分離部との間に、熱交換器が備えられている場合、低温時に熱交換器によって改質ガスから奪われる熱量を低減するための機構または制御を設けるものとしてもよい。例えば、熱交換器を迂回、即ちバイパスして改質ガスを流す迂回流路を設けたり、熱交換器の運転を停止したりする制御を適用する態様が挙げられる。こうすることにより、システムの暖機を促進することができる。
【００２２】
本発明の水素生成装置において、水素抑制部は、水素分離部が所定の温度以上となった場合に稼働を停止することが好ましい。水素抑制部が第１の態様を採っている場合には、所定の温度以上でリーン燃焼が停止されるから、部分改質が開始される。併せて水蒸気改質を開始するものとしてもよい。第２の態様を採っている場合には、酸素供給機構からの酸素供給が停止されるから、改質部で生成された水素が水素分離部に供給されることになる。水素分離部は、水素脆化を生じない温度となっているため、水素の供給および透過を開始しても差し支えない。こうすることにより、透過された水素を利用して更に暖機を促進することが可能となる。
【００２３】
例えば、生成された水素の少なくとも一部を、水素流路に環流する水素環流流路を設け、この水素環流流路中に水素を燃焼する燃焼部を備える構成を採ることができる。こうすれば、水素の燃焼により、水素分離部の暖機を促進することができる。水素環流流路は、例えば、先に説明したパージガスの供給流路と兼用することができる。燃焼には、水素分離部で分離された水素を用いても良いし、分離されずに残った未透過ガス中に残留する水素を用いるものとしてもよい。燃焼部は、種々の構成が可能である。例えば、水素環流流路に熱交換器が備えられている場合には、この熱交換器に白金触媒などの酸化触媒を備えることによって構成することができる。
【００２４】
本発明は上述した水素生成装置としての態様に限らず、水素生成装置の起動方法など種々の態様で構成可能である。また、水素抑制部について第１および第２の態様は適宜、組み合わせたり、切り換えたりして適用してもよい。その他の付加的な構成についても適宜、組み合わせ等して適用することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
Ａ２．起動制御処理：
Ａ３．変形例：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．システム構成：
Ｂ２．起動制御処理：
【００２６】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
図１は第１実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システムは、燃料電池７０に供給される水素と酸素の電気化学反応によって発電する。酸素には、ブロワ７３によってカソード７２に供給される圧縮空気が利用される。水素は、以下に示す水素生成装置により、原料の改質によって生成され、アノード７１に供給される。原料としては、ガソリンなどの液体炭化水素、メタノールなどのアルコール、アルデヒド類、または天然ガスなど、改質反応によって水素を生成可能な種々の炭化水素系燃料を選択することができる。
【００２７】
図示を省略したが、原料および水は、それぞれタンクに貯蔵されている。水は、蒸発器２０で約５００℃の水蒸気に気化・加熱された後、混合部３０に供給される。混合部３０には、別途、原料および空気も供給される。原料および空気は、熱交換器５０などで加熱した後、供給するものとしてもよい。水蒸気、原料および空気は、混合部３０で混合された後、改質器４０に供給される。それぞれの供給量は、蒸発器２０の運転、およびバルブ３１、３２の開度によって制御される。
【００２８】
原料と水、および空気の混合ガスは、改質器４０において改質され、水素リッチな改質ガスを生成する。改質器４０では、定常運転時で約７００度の環境下において、水蒸気改質反応と部分酸化反応とが並行して行われる。部分酸化反応とは、原料と酸素によって水素を生成する発熱反応をいう。水蒸気改質反応とは、原料と水蒸気から水素を生成する吸熱反応をいう。改質器４０には、原料の種類に応じてこれらの反応に適した改質触媒が備えられている。いずれの反応においても、二酸化炭素および一酸化炭素が併せて生成されるため、改質ガスは、これらの混合ガスとなる。起動時には、原料の燃焼または完全酸化反応を行うものとしてもよい。これらの反応は、原料の酸化により、二酸化炭素および水蒸気が生成され、水素はほとんど生成されないが、発熱量が大きいため、暖機の促進に有用である。
【００２９】
改質ガス中には、一酸化炭素が含まれるため、改質器４０の下流側には、一酸化炭素と水蒸気から水素を生成するシフト部、および一酸化炭素を選択的に酸化するためのＣＯ浄化部などを設けてもよい。原料としてガソリンを用いる場合には、シフト部を設けることが好ましい。
【００３０】
改質ガスは、熱交換器５０で約５００℃程度まで冷却された後、水素分離部６０の改質ガス流路６１に供給される。水素分離部６０は、水素を選択的に透過する水素分離膜６２を挟んで改質ガス流路６１と水素流路６３とが設けられた構成となっている。水素分離膜６２は、種々の材料を用いることが可能であるが、例えば、パラジウムまたはパラジウム合金の薄膜などを用いることができる。図示する通り、改質ガス流路６１に供給された改質ガス中の水素は、水素流路６３との水素分圧差に応じて水素分離膜６２を透過し、水素流路６３側に分離される。本実施例では、水素が分離された後の未透過ガスは、蒸発器２０を加熱するための加熱器２１の燃料として用いているが、単に排気してもよい。
【００３１】
水素分離部６０は、水素の分離効率を高めるため、次の構成を適用している。第１に、水素流路６３には、分離された水素を運搬するためのパージガスが供給される。パージガスは、燃料電池７０の運転に支障を与えず、窒素や水蒸気など水素と反応しない種々のガスを利用することができる。本実施例では、パージガスとして窒素を用いるものとした。窒素は、予めパージガスの循環経路に封入されている。パージガスを供給することにより、水素流路６３の水素分圧を低減させることができ、水素の分離効率を向上することができる。もっとも、パージガスの供給を省略したシステム構成を採っても構わない。
【００３２】
第２に、水素流路６３および改質ガス流路６１は、対向流となるよう構成されている。このように構成することにより、水素流路６３と改質ガス流路６１との水素分圧差を比較的大きくすることができ、水素の分離効率を向上することができるからである。もっとも、流路の構成は、必ずしも対向流である必要はない。
【００３３】
水素流路６３に抽出された水素は、パージガスとともに熱交換器７５を経て、約８０℃程度に冷却された後、アノード７１に供給される。アノード７１から排出されたアノードオフガスは、ポンプ７４によって熱交換器７５を経て、再び水素流路６３に環流される。パージガスの循環経路には、ポンプ６５によって外部から空気を導入することも可能である。熱交換器７５は、後述する通り、一定条件下で水素の燃焼を可能とするため、酸化触媒としての白金触媒を担持している。なお、循環経路には、圧力が過剰となることを回避するためのリリーフバルブが設けられているが、図示を省略した。なお、水素分離部６０から排出される未透過ガスを、パージガスの循環経路に供給し、暖機を促進してもよい。
【００３４】
燃料電池システムの運転は、制御ユニット１０によって制御される。制御ユニット１０は、内部にＣＰＵ、メモリ等を備えたマイクロコンピュータとして構成されている。図の煩雑化を回避するため、図中には、制御ユニット１０への入出力のうち、後述する起動制御処理に関連するもののみを示した。制御ユニット１０からは、先に説明した蒸発器２０の運転、バルブ３１、３２の開度を制御する制御信号が出力されており、これによって改質器４０への原料、水、空気の供給量を制御する。空気量とは、酸化反応に利用される酸素量と置き換えて考えてもよい。また、パージガスの循環経路に設けられたポンプ７４、ポンプ６５の運転を制御する制御信号も出力される。これらの制御を実現するために、制御ユニット１０には、水素分離部６０の内部の温度を検出する温度センサ６４の検出値が入力される。
【００３５】
制御ユニット１０は、燃料電池システムの運転について定常運転時の出力制御を含め種々の制御を実行する。以下では、これらの制御のうち、本実施例に特徴的な起動制御処理について説明する。
【００３６】
Ａ２．起動制御処理：
図２は起動制御処理のフローチャートである。燃料電池システムの運転開始操作に応じて制御ユニット１０が繰り返し実行する処理である。処理が開始されると、制御ユニット１０は、水素分離部６０の温度Ｔｓを入力する（ステップＳ１０）。起動処理は、この温度Ｔｓに応じて３段階のフェーズに分かれる。第１フェーズは、「温度Ｔｓ＜３００℃」の低温状態での処理である。第２フェーズは、「３００℃≦Ｔｓ＜５００℃」の状態での処理である。第３フェーズは、「５００℃≦Ｔｓ」の状態での処理である。
【００３７】
各フェーズの閾値となる温度３００℃、５００℃は、次の基準で設定されている。第１の閾値３００℃は、水素分離膜６２の水素脆化を回避可能な温度に基づいて設定されている。水素分離膜６２は、低温状態で水素に接すると、水素を吸収して水素脆化を生じる。第１の閾値は、こうした特性を考慮して、例えば、水素分離膜６２が水素に接触しても水素脆化を回避できる下限値よりも若干高い値に設定することができる。本実施例では、水素分離膜６２にパラジウムの薄膜を用いた場合を考え、第１の閾値を３００℃に設定したが、水素分離膜６２の素材に応じて任意に設定可能である。
【００３８】
第２の閾値５００℃は、水素分離部６０の運転温度に基づいて設定される。第２の閾値は、本実施例では、５００℃に設定したが、水素分離膜６２の素材に応じて任意に設定可能である。
【００３９】
水素分離部の温度Ｔｓが３００℃未満である場合には（ステップＳ１２）、制御ユニット１０は、第１フェーズの起動制御処理を実行する。この処理は、水素分離膜６２が水素に接触することを回避しつつ、暖機する処理である。
【００４０】
第１フェーズの起動制御処理では、制御ユニット１０は、水蒸気改質反応が生じないようにするため、蒸発器２０の運転を制御して水蒸気の供給を停止する（ステップＳ２０）。また、バルブ３１、３２を制御して、リーン燃焼となるよう原料および空気の量を制御する（ステップＳ２２）。併せて、暖機を促進するため、パージガスの供給を停止する（ステップＳ２４）。
【００４１】
リーン燃焼とは、理論空燃比よりも空気を過剰に供給した状態で原料の触媒燃焼を行うことを意味する。このとき、水素はほとんど生成されない。従って、水素分離膜６２の水素脆化を回避することができる。本実施例では、理論空燃比（以下、この空気量をストイキとも呼ぶ）の約４倍の空気を供給するものとした。このように多量の空気を導入することにより、燃焼温度を改質器４０の運転温度、即ち約８００℃程度に制御することができる。燃焼温度を抑えることにより、改質器４０の過熱を回避することができ、触媒の劣化、熱応力の発生を抑制することができる。また、過剰な空気を供給することにより、水素分離部６０には、高温の酸素を供給することができる。従って、水素分離膜６２の表面に付着した析出炭素を酸化することができ、水素分離膜６２を浄化することができる利点もある。
【００４２】
第２フェーズの起動制御処理では、水素分離膜６２が水素脆化を生じない温度に到達しているため、制御ユニット１０は、改質器４０に水蒸気の供給を開始し（ステップＳ３０）、改質制御を行う（ステップＳ３２）。この時点では、リーン燃焼が停止され、リッチ燃焼、即ち部分酸化反応に適した量の空気が供給される。一方、第２フェーズでは、まだ暖機が完全に完了した状態ではないため、さらなる暖機の促進を図る必要がある。このため、制御ユニット１０は、水素分離膜６２を透過してきた水素の燃焼処理を行う（ステップＳ３４）。即ち、ポンプ７４を駆動してパージガスを循環させるとともに、ポンプ６５から空気を供給することにより、透過してきた水素を酸化させるのである。酸化反応は、熱交換器７５に担持された酸化触媒によって促進される。この反応で生じた熱により、水素分離部６０、熱交換器７５、および燃料電池７０の暖機を促進することができる。供給される酸素量は、暖機の促進効果を考慮して種々の設定が可能である。本実施例では、リーン燃焼、即ち、水素を全て燃焼させるための理論値の約３倍を供給するものとした。過剰な酸素を供給することにより、水素分離部６０の急激な温度上昇を抑制することができ、水素分離膜６２の熱応力による破損を回避することができる。本実施例では、熱交換器７５で水素の酸化を行うものとしたが、水素の酸化はパージガスの循環経路のいかなる部分で行うものとしてもよい。
【００４３】
第３フェーズの起動制御処理では、ほぼ暖機が完了しているため、制御ユニット１０は、定常運転時と同等の運転を開始する。つまり、水蒸気の供給を行い（ステップＳ４０）、改質制御を行う（ステップＳ４２）と同時に、パージガスの供給を行う（ステップＳ４４）。第２フェーズの制御と同様、ポンプ７４を駆動してパージガスを循環させるが、ポンプ６５を停止し、空気の供給は停止する。こうすることにより、透過された水素の消費を防ぐことができ、水素を燃料電池７０で発電に利用することができる。
【００４４】
図３は起動制御処理における酸素量等のシーケンスを示す説明図である。水素分離部６０の温度に応じて、起動制御のフェーズの変化を模式的に示した。ここでは、説明の便宜上、水素分離部６０の温度が線形的に上昇する場合を例示した。
【００４５】
先に説明した通り、温度が３００℃に至るまでの期間、即ち時刻ｔ０〜ｔ１までの期間は、第１フェーズの起動処理が行われる。従って、改質側の酸素、即ち改質器４０に供給される酸素は、ストイキの約４倍程度となる。一方、改質器４０への水蒸気の供給、およびパージガスの供給は停止される。改質器４０に多量の酸素が供給される結果、水素分離部６０は、酸素リッチな雰囲気に保たれる。
【００４６】
温度が３００〜５００℃の期間、即ち時刻ｔ１〜ｔ２までの期間は、第２フェーズの起動処理が行われる。従って、改質側の酸素は、部分酸化反応に適した量に低減される。併せて、改質器４０への水蒸気の供給が開始される。これにより、改質器４０では水素が生成されるから、水素分離部６０には水素リッチな雰囲気が形成される。第２フェーズでは、水素分離膜６２を透過した水素を燃焼するため、パージガスの循環経路に水素燃焼用の酸素が供給される。
【００４７】
温度が５００℃に達した後、即ち、時刻ｔ２以降の期間では、第３フェーズの起動処理が行われる。この処理では、改質器４０への酸素および水蒸気の供給量は第２フェーズと同等である。水素分離部６０は水素リッチな雰囲気に保たれる。第３フェーズでは、水素分離部６０の暖機が不要となるから、パージガスの循環経路への酸素供給が停止される。こうして、水素生成装置は、定常運転に移行する。
【００４８】
以上で説明した第１実施例としての水素生成装置によれば、低温状態において改質器４０でリーン燃焼することにより、水素の生成を抑制することができ、水素分離膜６２の水素脆化を回避することができる。
【００４９】
Ａ３．第１実施例の変形例：
図４は変形例としての起動制御処理のシーケンスを示す説明図である。第１実施例の制御処理（図２）と同様のフローチャートに従って、制御ユニット１０は３段階のフェーズに分けて起動制御を実行する。変形例では、第１フェーズにおける処理のみが第１実施例と相違する。なお、図示の都合上、図４では、水素分離部６０の雰囲気を省略したが、雰囲気の推移は、第１実施例と同様である。
【００５０】
第１実施例では、第１フェーズにおいてパージガスの供給を停止した。変形例では、パージガスを定常運転時と逆方向に供給する。かかる供給は、例えば、ポンプ７４を逆方向に駆動することにより実現される。ポンプ７４とは別に、パージガスを逆方向に流すためのポンプを設けるものとしてもよい。図１で説明した通り、定常運転時に改質ガスとパージガスとが対向流となるよう水素分離部６０は構成されているから、変形例では起動時に両者が同方向に流れることになる。但し、第１フェーズでは、パージガスへの酸素の供給は行わない。つまり、ポンプ６５の運転は停止されている。
【００５１】
変形例の制御処理によれば、水素分離膜６２を挟んで高温の改質ガスと比較的低温のパージガスとを同方向に流すことができ、水素分離膜６２の均一な温度上昇を図ることができる。従って、熱応力による水素分離膜６２の損傷を抑制することができる。
【００５２】
第１フェーズにおいて、逆流させるパージガスの流量は、一定量としてもよいが、変形例では、水素分離部６０の温度に応じて調整するものとした。図示する通り、水素分離部６０の温度が高くなるにつれてパージガスの流量を抑えるものとした。こうすることにより、水素分離膜６２のより均一な温度上昇を図ることができる。パージガスの流量と温度との関係は、線形、非線形を問わず、種々の設定が可能である。
【００５３】
第１実施例では、パージガスの供給を停止し、変形例では、逆方向にパージガスを供給する場合を例示した。両者を適宜、使い分けるものとしてもよい。例えば、第１フェーズを水素分離部６０の温度に応じて２つのフェーズに更に分割し、それぞれパージガスの供給停止、逆方向の供給を使い分けることができる。
【００５４】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．システム構成：
図５は第２実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。第１実施例とほぼ同じ構成であるが、改質器４０と水素分離部６０との間に、空気を供給可能となっている点で相違する。空気の供給量は、制御ユニット１０Ａによりバルブ４１の開度を調整することによって制御される。ここでは、改質器４０と熱交換器５０との間に空気を供給する場合を例示したが、熱交換器５０と水素分離部６０との間で空気を供給する構成を採ることもできる。
【００５５】
Ｂ２．起動制御処理：
図６は第２実施例における起動制御処理のフローチャートである。第１実施例と同様、３００℃、５００℃を閾値として、３段階のフェーズに分けて制御を行う。第２実施例では、第１フェーズの処理が第１実施例と相違する。
【００５６】
第１フェーズの処理では、制御ユニット１０Ａは、改質制御を実行する（ステップＳ５０）。即ち、改質器４０に水蒸気、酸素、原料を供給し、水蒸気改質と部分酸化反応を生じさせる。こうして生成された改質ガスには、少なからず水素が含有されている。
【００５７】
制御ユニット１０Ａは、併せて、燃焼用の酸素を供給する（ステップＳ５２）。つまり、バルブ４１の開度を増大し、改質ガスに空気を混入する。改質ガス中の水素は、この空気中の酸素により、水素分離部６０またはその上流で燃焼される。従って、水素分離膜６２と水素の接触は抑制される。また、燃焼によって生じた熱で、水素分離部６０の暖機が促進される。
【００５８】
第２実施例では、水素分離部６０の温度Ｔｓに応じて第１フェーズの制御を更に２段階に分けている。温度Ｔｓが２５０℃以下の場合には（ステップＳ５４）、上述した水素の燃焼が行われる。一方、温度Ｔｓが２５０℃を超えた場合には、第２フェーズへの移行制御が行われる。本実施例では、改質器４０での改質反応を一時的にリーン燃焼に切り換えるとともに（ステップＳ５６）、バルブ４１の開度を増大して酸素の供給量を増加させる（ステップＳ５８）。リーン燃焼は、第１実施例における第１フェーズの運転と同じ態様で行われる。リーン燃焼時には、水蒸気の供給を継続してもよいし、停止してもよい。これにより、水素分離部６０には、酸素リッチな雰囲気が形成される。従って、多量の高温酸素によって水素分離膜６２の析出炭素を浄化することができる。
【００５９】
移行制御の閾値となる温度２５０℃は、析出炭素の浄化に要する期間を考慮して、適宜設定可能である。また、第２実施例では、リーン燃焼（ステップＳ５６）と酸素量の増大（ステップ５８）とを併用したが、炭素の浄化に必要な酸素を供給可能であれば、いずれか一方のみを用いるものとしてもよい。
【００６０】
図７は第２実施例の起動制御処理におけるシーケンスを示す説明図である。 先に説明した通り、温度が２５０℃に至るまでの期間、即ち時刻ｔａ０〜ｔａ１までの期間は、第１フェーズの起動処理が行われる。従って、改質側の酸素、即ち改質器４０に供給される酸素は、部分改質に適した量となる。一方、水素分離部６０の上流側では、改質ガス中の水素を燃焼するための燃焼用酸素が供給される。改質器４０で水素が生成されるものの、その水素は燃焼されるため、水素分離部６０は、水素リッチな雰囲気とはならない。また、過剰な酸素も供給されないため、酸素リッチな雰囲気ともならない。もっとも、この段階で燃焼用酸素を過剰に供給し、水素分離部６０に酸素リッチな雰囲気を形成するものとしてもよい。
【００６１】
温度が２５０〜３００℃の期間、即ち、時刻ｔａ１〜ｔａ２の期間は、第１フェーズから第２フェーズへの移行処理が行われる。従って、改質器にはリーン燃焼、即ちストイキの約４倍程度の空気が供給される。また、燃焼用の酸素量も増大される。これによって、水素分離部６０には酸素リッチな雰囲気が形成され、水素分離膜６２の炭素浄化が行われる。
【００６２】
時刻ｔａ０〜ｔａ２の期間、第１実施例と同様、パージガスの運転は停止されるが、先に説明した変形例と同様、パージガスを逆流させるものとしてもよい。
【００６３】
温度が３００〜５００℃の期間、即ち、時刻ｔａ２〜ｔａ３の期間は、第２フェーズの起動処理が行われる。また、温度が５００℃に達した後の期間、即ち、時刻ｔａ３以降の期間は、第３フェーズの起動処理が行われる。これらの処理は、第１実施例と同様であるため、説明を省略する。
【００６４】
以上で説明した第２実施例の水素生成装置によれば、起動時には改質ガス中に含まれる水素を燃焼することにより、水素分離膜６２の水素脆化を抑制することができる。また、水素の燃焼によって得られる熱により、水素分離膜６２の暖機を促進することができる。
【００６５】
第２実施例では、燃焼用の酸素として外部から空気を導入する場合を例示した。燃焼用の酸素は、加熱器２１の排気を利用するものとしてもよい。加熱器２１の排気中は、比較的酸素濃度が低い。従って、かかる排気を供給することにより、改質ガス中の水素が急激に燃焼することを回避でき、水素分離部６０の温度の急上昇を抑制することができる。
【００６６】
Ｃ．変形例：
実施例では、起動時に、改質ガスが熱交換器５０を介して水素分離部６０に供給される場合を例示した。改質器４０と水素分離部６０の間に熱交換器５０をバイパスする流路を設け、起動時にはこの流路に改質ガスを流すものとしてもよい。熱交換器５０をバイパスすることにより、改質ガスの熱を有効に水素分離部６０に伝達することができ、暖機を促進することができる。バイパス流路の設置に代えて、起動時には熱交換器５０の運転を停止するものとしてもよい。
【００６７】
実施例では、起動時の処理を例示した。本発明における処理は、起動時に限らず、水素分離膜６２が水素脆化を生じる可能性がある程の低温状態にある場合に適用可能である。また、実施例では、第１〜第３のフェーズの処理を順に実行する場合を例示したが、水素分離膜６２の温度に応じていずれかのフェーズを省略しても差し支えない。
【００６８】
実施例では、水素分離膜６２の温度を検出して、制御処理の各フェーズを切り換える場合を例示した。フェーズの切り換えは、水素分離膜６２の温度に関連した種々のパラメータを利用することができる。例えば、起動処理を開始した後の経過時間などに基づいてフェーズの切り換えを行うものとしてもよい。
【００６９】
以上で説明した第１実施例および第２実施例は、両者を適宜組み合わせて用いることもできる。例えば、水素分離部６０の温度に応じて、第１実施例で例示した起動制御処理と第２実施例で例示した起動処理とを切り換えてもよい。
【００７０】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、以上の制御処理はソフトウェアで実現する他、ハードウェア的に実現するものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】起動制御処理のフローチャートである。
【図３】起動制御処理における酸素量等のシーケンスを示す説明図である。
【図４】変形例としての起動制御処理のシーケンスを示す説明図である。
【図５】第２実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図６】第２実施例における起動制御処理のフローチャートである。
【図７】第２実施例の起動制御処理におけるシーケンスを示す説明図である。
【符号の説明】
１０、１０Ａ…制御ユニット
２０…蒸発器
２１…加熱器
３０…混合部
３１…バルブ
４０…改質器
４１…バルブ
５０…熱交換器
６０…水素分離部
６１…改質ガス流路
６２…水素分離膜
６３…水素流路
６４…温度センサ
６５…ポンプ
７０…燃料電池
７１…アノード
７２…カソード
７３…ブロワ
７４…ポンプ
７５…熱交換器
Claims (13)
- 炭化水素系燃料を使用した原料の改質によって水素リッチなガスを生成する水素生成装置であって、
前記原料を改質して改質ガスを生成する改質部と、
該改質部に前記改質に要する物質を供給する供給部と、
水素を選択的に透過する水素分離膜、および該水素分離膜を挟んで配置された改質ガス流路ならびに水素流路を備え、前記改質ガス流路に供給された改質ガスから前記水素流路側に水素を分離する水素分離部と、
該水素分離部の温度が、水素分離膜の水素脆化を回避可能な温度に満たない低温時に、前記改質ガス流路に供給されるガスの水素濃度を抑制する水素抑制部と
を備え、
前記供給部は、前記改質部に少なくとも前記原料と酸素とを供給し、
前記水素抑制部は、前記低温時には、前記原料に対する酸素量の割合を、水素生成に適した値よりも高めるよう前記供給部を制御する水素生成装置。 - 炭化水素系燃料を使用した原料の改質によって水素リッチなガスを生成する水素生成装置であって、
前記原料を改質して改質ガスを生成する改質部と、
該改質部に前記改質に要する物質を供給する供給部と、
水素を選択的に透過する水素分離膜、および該水素分離膜を挟んで配置された改質ガス流路、水素流路を備え、前記改質ガス流路に供給された改質ガスから前記水素流路側に水素を分離する水素分離部と、
該水素分離部の温度が、水素分離膜の水素脆化を回避可能な温度に満たない低温時に、前記改質ガス流路に供給されるガスの水素濃度を抑制する水素抑制部と
を備え、
前記水素抑制部は、
前記改質部と前記水素分離部との間に、酸素を供給可能な酸素供給機構と、
前記低温時に、酸素を供給するよう該酸素供給機構を制御する制御部とを備える水素生成装置。 - 請求項２記載の水素生成装置であって、
前記供給部および前記酸素供給機構の少なくとも一方を制御して、前記水素分離部における水素分離を開始する前に、前記改質ガス流路を酸素リッチな雰囲気とする酸素富化制御部を備える水素生成装置。 - 請求項１または請求項２記載の水素生成装置であって、
分離された水素を排出するためのパージガスを、前記水素分離部における水素流路に供給するパージガス供給部と、
前記低温時に、前記パージガスの供給を停止するよう前記パージガス供給部を制御する制御部とを備える水素生成装置。 - 請求項１または請求項２記載の水素生成装置であって、
分離された水素を排出するためのパージガスを、前記水素分離部における水素流路に供給するパージガス供給部と、
水素分離を行う場合には、前記パージガスが前記改質ガスと対向流となり、前記低温時には、前記パージガスが前記改質ガスと同方向流となるよう前記パージガス供給部を制御する制御部とを備える水素生成装置。 - 請求項５記載の水素生成装置であって、
前記制御部は、前記水素分離部の温度に応じて、前記パージガスの流量を制御する水素生成装置。 - 請求項１または請求項２記載の水素生成装置であって、
前記改質部と水素分離部との間には、熱交換器が備えられており、
該低温時には、該熱交換器によって前記改質ガスから奪われる熱量を低減する低減手段を備える水素生成装置。 - 請求項７記載の水素生成装置であって、
前記低減手段は、前記熱交換器を迂回するように前記改質ガスを流す迂回流路である水素生成装置。 - 請求項１〜８いずれか記載の水素生成装置であって、
前記水素抑制部は、前記水素分離部が前記水素分離膜の水素脆化を回避可能な前記温度以上となった場合に稼働を停止する水素生成装置。 - 請求項９記載の水素生成装置であって、
生成された水素の少なくとも一部を、前記水素分離部における水素流路に環流する水素環流流路と、
前記水素環流流路に設けられ、前記水素を燃焼する燃焼部とを備える水素生成装置。 - 請求項１０記載の水素生成装置であって、
前記水素環流流路には、熱交換器が備えられており、
前記燃焼部は、該熱交換器に酸化触媒を備えることによって構成される水素生成装置。 - 炭化水素系燃料を使用した原料の改質によって水素を含む改質ガスを生成するとともに水素分離膜によって該改質ガス中の水素を分離する水素生成装置の起動方法であって、
該水素生成装置の起動時には、前記水素分離膜に供給される、少なくとも前記原料と酸素とを含むガス中の水素濃度を抑制する工程を備え、
前記水素濃度の抑制は、前記原料に対する酸素量の割合を、水素生成に適した値よりも高めるよう制御することにより行われる起動方法。 - 炭化水素系燃料を使用した原料の改質によって水素を含む改質ガスを生成するとともに水素分離膜によって該改質ガス中の水素を分離する水素生成装置の起動方法であって、
該水素生成装置の起動時には、前記改質を行う改質部と、前記水素分離膜を備える水素分離部との間に酸素を供給するように制御することによって、前記水素分離膜に供給されるガス中の水素濃度を抑制する工程を備える起動方法。
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