JP4923581B2 - 改質システム、発電システム及び改質システムの制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料ガスから改質ガスを生成する改質システムと、その改質システムを用いて電気エネルギーを生成する発電システムと、改質器の作動を停止させる際の改質ガスの流通制御方法とに関する。
近年、高いエネルギー利用効率を実現できる燃料電池についての研究・開発が盛んにおこなわれている。燃料電池は、燃料と大気中の酸素とを電気化学的に反応させて化学エネルギーから電気エネルギーを直接取り出すものであり、将来性に富む有望な電池であると位置付けられている。燃料電池に用いる燃料としては水素が挙げられるが、常温で気体であることによる取り扱い・貯蔵に問題がある。そこで、アルコール類及びガソリンといった液体燃料を用いれば液体燃料を貯蔵するためのシステムが比較的小型になるが、液体燃料と水蒸気とを高温に加熱して発電に必要な水素を生成する改質器を必要とする。燃料改質型の燃料電池を小型の電子機器の電源として用いる場合には、燃料電池だけでなく改質器も小型化する必要がある。
ところで、特許文献１には複数の基板を接合してなる小型のケミカルマイクロリアクタを用いて微量の化学反応を行うことが記載されており、当該ケミカルマイクロリアクタを改質器に用いる研究・開発も行われている。特許文献１に記載されたマイクロリアクタについて簡単に説明すると、まず一方の面に流路となる葛折り状の溝が形成されたポリスチレン製の第一の基板を準備し、この溝に蓋をするように第二の基板を第一の基板に紫外線硬化樹脂で接着することによって、これら二枚の基板の接合部に葛折り状の流路を形成している。当該ケミカルマイクロリアクタを改質器に用いる場合、葛折り状の溝に銅亜鉛系触媒等の改質触媒を担持させ、液体燃料と水蒸気とからなる燃料ガスを改質器に流入させ、当該改質触媒により水素を含む改質ガスを生成させてその改質ガスを改質器から流出させることになる。
特開２００２−１０２６８１号公報
この場合において、改質器は燃料ガスから改質ガスへの改質反応を促進するため加熱源を有しており、当該改質器の作動状態を停止させるときは、燃料ガスの改質器への供給を停止するとともに改質器の加熱源自体の作動をも停止させるから、改質器内の温度降下に伴い改質器の内部圧力も低下し、改質ガスの流出口から空気が逆流して改質器内に流れ込み、葛折り状の溝に担持された改質触媒が活性を失ってしまう。その結果、改質器における作動停止後、再び起動したときには、改質触媒の活性が低下した状態で燃料ガスの改質をおこなうことになり、十分な量の水素を含む改質ガスを生成することができない。
本発明の目的は、上記のような改質器を用いる場合において、改質器の停止動作時において改質器の改質触媒の活性が低下するのを抑制し、改質触媒の活性を良好に維持することである。
本発明の目的は、上記のような改質器を用いる場合において、改質器の停止動作時において改質器の改質触媒の活性が低下するのを抑制し、改質触媒の活性を良好に維持することである。
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る改質システムは、
燃料ガスが供給され、前記燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する複数の改質器と、
前記複数の改質器の各々に設けられる前記燃料ガスの流入口および前記改質ガスの流出口と、
前記複数の改質器の各々の前記流入口に接続され、前記燃料ガスを流入させる複数の流入ガス流路と、
前記複数の改質器の各々の前記流出口に接続され、前記改質ガスを流出させる複数の流出ガス流路と、
前記複数の改質器における少なくとも２つの前記改質器において、各々の前記改質器の前記流入口と前記流出口とを互いに連結し、前記各改質器により生成される前記改質ガスの一部の流通を許容または遮断するように設けられる複数の連結ガス流路（１８）と、
前記各改質器の動作状態及び前記連結ガス流路における前記改質ガスの流通状態を制御する制御部と、
を備え、
前記複数の改質器は第１の改質器群と第２の改質器群とに分割され、前記第１及び第２の改質器群は、それぞれ、少なくとも１つの前記改質器を有し、
前記制御部は、当該改質システムを定常動作状態に設定するときには、前記複数の改質器を全て動作状態に設定し、当該改質システムを前記定常動作状態から停止させるときには、前記第１の改質器群の前記改質器を動作状態に維持し、該第１の改質器群に含まれる前記改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記第２の改質器群の前記改質器の前記流入口に流通させながら前記第２の改質器群の前記改質器を停止状態に設定した後、前記第１の改質器群の前記改質器を停止状態に設定することを特徴とする。
燃料ガスが供給され、前記燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する複数の改質器と、
前記複数の改質器の各々に設けられる前記燃料ガスの流入口および前記改質ガスの流出口と、
前記複数の改質器の各々の前記流入口に接続され、前記燃料ガスを流入させる複数の流入ガス流路と、
前記複数の改質器の各々の前記流出口に接続され、前記改質ガスを流出させる複数の流出ガス流路と、
前記複数の改質器における少なくとも２つの前記改質器において、各々の前記改質器の前記流入口と前記流出口とを互いに連結し、前記各改質器により生成される前記改質ガスの一部の流通を許容または遮断するように設けられる複数の連結ガス流路（１８）と、
前記各改質器の動作状態及び前記連結ガス流路における前記改質ガスの流通状態を制御する制御部と、
を備え、
前記複数の改質器は第１の改質器群と第２の改質器群とに分割され、前記第１及び第２の改質器群は、それぞれ、少なくとも１つの前記改質器を有し、
前記制御部は、当該改質システムを定常動作状態に設定するときには、前記複数の改質器を全て動作状態に設定し、当該改質システムを前記定常動作状態から停止させるときには、前記第１の改質器群の前記改質器を動作状態に維持し、該第１の改質器群に含まれる前記改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記第２の改質器群の前記改質器の前記流入口に流通させながら前記第２の改質器群の前記改質器を停止状態に設定した後、前記第１の改質器群の前記改質器を停止状態に設定することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載の改質システムにおいて、
前記改質器を２つ有し、
前記複数の連結ガス流路は、一方の前記改質器の前記流入口と他方の前記改質器の前記流出口とを連結する第１の連結ガス流路と、他方の前記改質器の前記流入口と一方の前記改質器の前記流出口とを連結する第２の連結ガス流路と、を備えることを特徴とする。
請求項１に記載の改質システムにおいて、
前記改質器を２つ有し、
前記複数の連結ガス流路は、一方の前記改質器の前記流入口と他方の前記改質器の前記流出口とを連結する第１の連結ガス流路と、他方の前記改質器の前記流入口と一方の前記改質器の前記流出口とを連結する第２の連結ガス流路と、を備えることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、
請求項１に記載の改質システムにおいて、
前記改質器を２つ有し、
前記第１及び第２の改質器群は、それぞれ、１つの前記改質器を有し、
前記制御部は、当該改質システムを停止させるときには、一方の前記改質器を動作状態に維持し、該一方の改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、他方の前記改質器の前記流入口に流通させながら該他方の前記改質器を停止状態に設定した後、前記一方の改質器を停止状態に設定し、当該改質システムを前記停止した状態から起動して前記定常動作状態に設定するときには、前記他方の改質器を起動して動作状態に設定し、該他方の改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記一方の改質器の前記流入口に流通させながら該一方の改質器を起動して動作状態に設定することを特徴とする。
請求項１に記載の改質システムにおいて、
前記改質器を２つ有し、
前記第１及び第２の改質器群は、それぞれ、１つの前記改質器を有し、
前記制御部は、当該改質システムを停止させるときには、一方の前記改質器を動作状態に維持し、該一方の改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、他方の前記改質器の前記流入口に流通させながら該他方の前記改質器を停止状態に設定した後、前記一方の改質器を停止状態に設定し、当該改質システムを前記停止した状態から起動して前記定常動作状態に設定するときには、前記他方の改質器を起動して動作状態に設定し、該他方の改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記一方の改質器の前記流入口に流通させながら該一方の改質器を起動して動作状態に設定することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、
請求項３に記載の改質システムにおいて、
前記複数の流入ガス流路の各々に設けられ、前記燃料ガスの流入を遮断又は許容する第１のバルブと、
前記複数の流出ガス流路の各々に設けられ、前記改質ガスの流出を遮断又は許容する第２のバルブと、
前記複数の連結ガス流路の各々の中途部に設けられ、前記改質ガスの流通を遮断又は許容する第３のバルブと、
を備え、
前記制御部は前記第１〜第３のバルブの開閉動作を制御することを特徴とする。
請求項３に記載の改質システムにおいて、
前記複数の流入ガス流路の各々に設けられ、前記燃料ガスの流入を遮断又は許容する第１のバルブと、
前記複数の流出ガス流路の各々に設けられ、前記改質ガスの流出を遮断又は許容する第２のバルブと、
前記複数の連結ガス流路の各々の中途部に設けられ、前記改質ガスの流通を遮断又は許容する第３のバルブと、
を備え、
前記制御部は前記第１〜第３のバルブの開閉動作を制御することを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、
請求項４に記載の改質システムにおいて、
前記制御部は、
当該改質システムを停止させるとき、前記他方の改質器への前記燃料ガスの流入を停止させ、前記一方の改質器からの前記改質ガスの一部を前記他方の改質器に流入させながら、該他方の改質器を降温させ、該他方の改質器が停止状態となった後、前記一方の改質器への前記燃料ガスの流入を停止させ、該一方の改質器を降温させて停止状態とし、
当該改質システムを前記停止した状態から起動させるとき、前記他方の改質器へ前記燃料ガスを流入させ、該他方の改質器を昇温させるとともに、該他方の改質器からの前記改質ガスの一部を前記一方の改質器に流入させ、該他方の改質器が動作状態となった後、前記一方の改質器へ前記燃料ガスを流入させながら、該一方の改質器を動作状態とするように、前記各改質器の動作および前記第１〜第３のバルブの開閉動作を制御することを特徴とする。
請求項４に記載の改質システムにおいて、
前記制御部は、
当該改質システムを停止させるとき、前記他方の改質器への前記燃料ガスの流入を停止させ、前記一方の改質器からの前記改質ガスの一部を前記他方の改質器に流入させながら、該他方の改質器を降温させ、該他方の改質器が停止状態となった後、前記一方の改質器への前記燃料ガスの流入を停止させ、該一方の改質器を降温させて停止状態とし、
当該改質システムを前記停止した状態から起動させるとき、前記他方の改質器へ前記燃料ガスを流入させ、該他方の改質器を昇温させるとともに、該他方の改質器からの前記改質ガスの一部を前記一方の改質器に流入させ、該他方の改質器が動作状態となった後、前記一方の改質器へ前記燃料ガスを流入させながら、該一方の改質器を動作状態とするように、前記各改質器の動作および前記第１〜第３のバルブの開閉動作を制御することを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、
請求項１に記載の改質システムにおいて、
前記改質器を３つ以上有し、
前記複数の連結ガス流路は、前記複数の改質器の各々の前記流入口に接続される複数の流入口側連結ガス流路と、前記複数の改質器の各々の前記流出口に接続される複数の流出口側連結ガス流路と、前記複数の流入口側連結ガス流路と前記複数の流出口側連結ガス流路との間に設けられ、前記各流入口側連結ガス流路と前記各流出口側連結ガス流路との接続経路を切り替える合流・分岐路と、を備えることを特徴とする。
請求項１に記載の改質システムにおいて、
前記改質器を３つ以上有し、
前記複数の連結ガス流路は、前記複数の改質器の各々の前記流入口に接続される複数の流入口側連結ガス流路と、前記複数の改質器の各々の前記流出口に接続される複数の流出口側連結ガス流路と、前記複数の流入口側連結ガス流路と前記複数の流出口側連結ガス流路との間に設けられ、前記各流入口側連結ガス流路と前記各流出口側連結ガス流路との接続経路を切り替える合流・分岐路と、を備えることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、
請求項６に記載の改質システムにおいて、
前記複数の流入ガス流路の各々に設けられ、前記燃料ガスの流入を遮断又は許容する第１のバルブと、
前記複数の流出ガス流路の各々に設けられ、前記改質ガスの流出を遮断又は許容する第２のバルブと、
前記複数の流入口側連結ガス流路の各々の中途部に設けられ、前記改質ガスの流通を遮断又は許容する第３のバルブと、
を備え、
前記制御部は、前記第１〜第３のバルブの開閉動作および前記合流・分岐路における経路接続状態を制御することを特徴とする。
請求項６に記載の改質システムにおいて、
前記複数の流入ガス流路の各々に設けられ、前記燃料ガスの流入を遮断又は許容する第１のバルブと、
前記複数の流出ガス流路の各々に設けられ、前記改質ガスの流出を遮断又は許容する第２のバルブと、
前記複数の流入口側連結ガス流路の各々の中途部に設けられ、前記改質ガスの流通を遮断又は許容する第３のバルブと、
を備え、
前記制御部は、前記第１〜第３のバルブの開閉動作および前記合流・分岐路における経路接続状態を制御することを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、
請求項１に記載の改質システムにおいて、
前記複数の流入ガス流路の各々に設けられ、前記燃料ガスの流入を遮断又は許容する第１のバルブと、
前記複数の流出ガス流路の各々に設けられ、前記改質ガスの流出を遮断又は許容する第２のバルブと、
前記複数の連結ガス流路の各々の中途部に設けられ、前記改質ガスの流通を遮断又は許容する第３のバルブと、
前記複数の流出ガス流路を介して全ての前記改質器から流出した前記改質ガス中の水素の量を測定する測定手段と、
を備え、
前記制御部は、当該改質システムを停止させるときにおいて、前記測定手段の測定結果に基づいて、前記連結ガス流路を通じて前記改質ガスを流入させる前記第２の改質器群を、前記複数の改質器の中で前記改質ガス中の水素の量が相対的に少ない前記改質器を含む側に設定して、前記複数の改質器の動作および前記第１〜第３のバルブの開閉動作を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする。
請求項１に記載の改質システムにおいて、
前記複数の流入ガス流路の各々に設けられ、前記燃料ガスの流入を遮断又は許容する第１のバルブと、
前記複数の流出ガス流路の各々に設けられ、前記改質ガスの流出を遮断又は許容する第２のバルブと、
前記複数の連結ガス流路の各々の中途部に設けられ、前記改質ガスの流通を遮断又は許容する第３のバルブと、
前記複数の流出ガス流路を介して全ての前記改質器から流出した前記改質ガス中の水素の量を測定する測定手段と、
を備え、
前記制御部は、当該改質システムを停止させるときにおいて、前記測定手段の測定結果に基づいて、前記連結ガス流路を通じて前記改質ガスを流入させる前記第２の改質器群を、前記複数の改質器の中で前記改質ガス中の水素の量が相対的に少ない前記改質器を含む側に設定して、前記複数の改質器の動作および前記第１〜第３のバルブの開閉動作を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする。
請求項９に記載の発明に係る発電システムは、
少なくとも、燃料ガスが供給され、前記燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する複数の改質器と、前記複数の改質器の各々に設けられる前記燃料ガスの流入口および前記改質ガスの流出口と、前記複数の改質器の各々の前記流入口に接続され、前記燃料ガスを流入させる複数の流入ガス流路と、前記複数の改質器の各々の前記流出口に接続され、前記改質ガスを流出させる複数の流出ガス流路と、前記複数の改質器における少なくとも２つの前記改質器において、各々の前記改質器の前記流入口と前記流出口とを互いに連結し、前記各改質器により生成される前記改質ガスの一部の流通を許容または遮断するように設けられる複数の連結ガス流路と、前記各改質器の動作状態及び前記連結ガス流路における前記改質ガスの流通状態を制御する制御部と、を備え、前記複数の改質器は第１の改質器群と第２の改質器群とに分割され、前記第１及び第２の改質器群は、それぞれ、少なくとも１つの前記改質器を有し、前記制御部は、当該改質システムを定常動作状態に設定するときには、前記複数の改質器を全て動作状態に設定し、当該改質システムを前記定常動作状態から停止させるときには、前記第１の改質器群の前記改質器を動作状態に維持し、該第１の改質器群に含まれる前記改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記第２の改質器群の前記改質器の前記流入口に流通させながら前記第２の改質器群の前記改質器を停止状態に設定した後、前記第１の改質器群の前記改質器を停止状態に設定する改質システムと、
前記改質システムから前記改質ガスの供給を受けて電気エネルギーを生成する燃料電池と、
を備えることを特徴とする。
少なくとも、燃料ガスが供給され、前記燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する複数の改質器と、前記複数の改質器の各々に設けられる前記燃料ガスの流入口および前記改質ガスの流出口と、前記複数の改質器の各々の前記流入口に接続され、前記燃料ガスを流入させる複数の流入ガス流路と、前記複数の改質器の各々の前記流出口に接続され、前記改質ガスを流出させる複数の流出ガス流路と、前記複数の改質器における少なくとも２つの前記改質器において、各々の前記改質器の前記流入口と前記流出口とを互いに連結し、前記各改質器により生成される前記改質ガスの一部の流通を許容または遮断するように設けられる複数の連結ガス流路と、前記各改質器の動作状態及び前記連結ガス流路における前記改質ガスの流通状態を制御する制御部と、を備え、前記複数の改質器は第１の改質器群と第２の改質器群とに分割され、前記第１及び第２の改質器群は、それぞれ、少なくとも１つの前記改質器を有し、前記制御部は、当該改質システムを定常動作状態に設定するときには、前記複数の改質器を全て動作状態に設定し、当該改質システムを前記定常動作状態から停止させるときには、前記第１の改質器群の前記改質器を動作状態に維持し、該第１の改質器群に含まれる前記改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記第２の改質器群の前記改質器の前記流入口に流通させながら前記第２の改質器群の前記改質器を停止状態に設定した後、前記第１の改質器群の前記改質器を停止状態に設定する改質システムと、
前記改質システムから前記改質ガスの供給を受けて電気エネルギーを生成する燃料電池と、
を備えることを特徴とする。
請求項１０に記載の発明は、
請求項９に記載の発電システムにおいて、
前記改質システムは前記改質器を２つ有し、
前記第１及び第２の改質器群は、それぞれ、１つの前記改質器を有し、
前記制御部は、
前記改質システムを停止させるときには、一方の前記改質器を動作状態に維持し、該一方の改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、他方の前記改質器の前記流入口に流通させながら該他方の改質器を停止状態に設定した後、前記一方の改質器を停止状態に設定し、当該改質システムを前記停止した状態から起動して前記定常動作状態に設定するときには、前記他方の改質器を起動して動作状態に設定し、該他方の改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記一方の改質器の前記流入口に流通させながら前記一方の改質器を起動して動作状態に設定することを特徴とする。
請求項９に記載の発電システムにおいて、
前記改質システムは前記改質器を２つ有し、
前記第１及び第２の改質器群は、それぞれ、１つの前記改質器を有し、
前記制御部は、
前記改質システムを停止させるときには、一方の前記改質器を動作状態に維持し、該一方の改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、他方の前記改質器の前記流入口に流通させながら該他方の改質器を停止状態に設定した後、前記一方の改質器を停止状態に設定し、当該改質システムを前記停止した状態から起動して前記定常動作状態に設定するときには、前記他方の改質器を起動して動作状態に設定し、該他方の改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記一方の改質器の前記流入口に流通させながら前記一方の改質器を起動して動作状態に設定することを特徴とする。
請求項１１に記載の発明は、
請求項９に記載の発電システムにおいて、
前記改質システムは前記改質器を３つ以上有し、
前記複数の連結ガス流路は、前記複数の改質器の各々の前記流入口に接続される複数の流入口側連結ガス流路と、前記複数の改質器の各々の前記流出口に接続される複数の流出口側連結ガス流路と、前記複数の流入口側連結ガス流路と前記複数の流出口側連結ガス流路との間に設けられ、前記各流入口側連結ガス流路と前記各流出口側連結ガス流路との接続経路を切り替える合流・分岐路と、を備えることを特徴とする。
請求項９に記載の発電システムにおいて、
前記改質システムは前記改質器を３つ以上有し、
前記複数の連結ガス流路は、前記複数の改質器の各々の前記流入口に接続される複数の流入口側連結ガス流路と、前記複数の改質器の各々の前記流出口に接続される複数の流出口側連結ガス流路と、前記複数の流入口側連結ガス流路と前記複数の流出口側連結ガス流路との間に設けられ、前記各流入口側連結ガス流路と前記各流出口側連結ガス流路との接続経路を切り替える合流・分岐路と、を備えることを特徴とする。
請求項１２に記載の発明に係る改質システムの制御方法は、
燃料ガスが供給され、前記燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成し、前記燃料ガスの流入口および前記改質ガスの流出口を有する複数の改質器と、前記複数の改質器における少なくとも２つの前記改質器において、各々の前記改質器の前記流入口と前記流出口とを互いに連結し、前記各改質器により生成される前記改質ガスの一部の流通を許容または遮断するように設けられる複数の連結ガス流路と、を備える改質システムの制御方法であって、
前記複数の改質器を、それぞれが少なくとも１つの前記改質器を有する、第１の改質器群と第２の改質器群とに分割し、
前記改質システムを定常動作状態に設定するときには、前記複数の改質器を全て動作状態に設定し、
前記改質システムを前記定常動作状態から停止させるときには、前記第１の改質器群の前記改質器を動作状態に維持させ、該第１の改質器群に含まれる前記改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記第２の改質器群の前記改質器の前記流入口に流通させながら、該第２の改質器群の前記改質器を停止状態に設定し、該第２の改質器群の前記改質器が前記停止状態になった後、前記第１の改質器群の前記改質器を停止状態に設定し、
当該改質システムを前記停止した状態から起動して前記定常動作状態に設定するときには、前記第２の改質器群の前記改質器を起動して動作状態に設定し、該第２の改質器群に含まれる前記改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記第１の改質器群の前記改質器の前記流入口に流通させながら、該第１の改質器群の前記改質器を起動して動作状態に設定する、
ことを特徴とする。
請求項１３に記載の発明は、
請求項１に記載の改質システムにおいて、
前記制御部は、当該改質システムを前記停止した状態から起動して前記定常動作状態に設定するときには、前記第２の改質器群の前記改質器を起動して動作状態に設定し、該第２の改質器群に含まれる前記改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記第１の改質器群の前記改質器の前記流入口に流通させながら該第１の改質器群の前記改質器を起動して動作状態に設定することを特徴とする。
請求項１４に記載の発明は、
請求項９に記載の発電システムにおいて、
前記制御部は、当該改質システムを前記停止した状態から起動して前記定常動作状態に設定するときには、前記第２の改質器群の前記改質器を起動して動作状態に設定し、該第２の改質器群に含まれる前記改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記第１の改質器群の前記改質器の前記流入口に流通させながら該第１の改質器群の前記改質器を起動して動作状態に設定することを特徴とする。
燃料ガスが供給され、前記燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成し、前記燃料ガスの流入口および前記改質ガスの流出口を有する複数の改質器と、前記複数の改質器における少なくとも２つの前記改質器において、各々の前記改質器の前記流入口と前記流出口とを互いに連結し、前記各改質器により生成される前記改質ガスの一部の流通を許容または遮断するように設けられる複数の連結ガス流路と、を備える改質システムの制御方法であって、
前記複数の改質器を、それぞれが少なくとも１つの前記改質器を有する、第１の改質器群と第２の改質器群とに分割し、
前記改質システムを定常動作状態に設定するときには、前記複数の改質器を全て動作状態に設定し、
前記改質システムを前記定常動作状態から停止させるときには、前記第１の改質器群の前記改質器を動作状態に維持させ、該第１の改質器群に含まれる前記改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記第２の改質器群の前記改質器の前記流入口に流通させながら、該第２の改質器群の前記改質器を停止状態に設定し、該第２の改質器群の前記改質器が前記停止状態になった後、前記第１の改質器群の前記改質器を停止状態に設定し、
当該改質システムを前記停止した状態から起動して前記定常動作状態に設定するときには、前記第２の改質器群の前記改質器を起動して動作状態に設定し、該第２の改質器群に含まれる前記改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記第１の改質器群の前記改質器の前記流入口に流通させながら、該第１の改質器群の前記改質器を起動して動作状態に設定する、
ことを特徴とする。
請求項１３に記載の発明は、
請求項１に記載の改質システムにおいて、
前記制御部は、当該改質システムを前記停止した状態から起動して前記定常動作状態に設定するときには、前記第２の改質器群の前記改質器を起動して動作状態に設定し、該第２の改質器群に含まれる前記改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記第１の改質器群の前記改質器の前記流入口に流通させながら該第１の改質器群の前記改質器を起動して動作状態に設定することを特徴とする。
請求項１４に記載の発明は、
請求項９に記載の発電システムにおいて、
前記制御部は、当該改質システムを前記停止した状態から起動して前記定常動作状態に設定するときには、前記第２の改質器群の前記改質器を起動して動作状態に設定し、該第２の改質器群に含まれる前記改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記第１の改質器群の前記改質器の前記流入口に流通させながら該第１の改質器群の前記改質器を起動して動作状態に設定することを特徴とする。
本発明によれば、燃料ガスが供給され、該燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する複数の改質器を備える改質システム及びこれを備える発電システムにおいて、少なくとも２つの改質器の流出口と流入口とを互いに連結し、各改質器により生成される改質ガスの一部を流通させる複数の連結ガス流路を備え、この連結ガス流路を通じて、改質システムを定常動作状態から停止させるときに、動作状態にある一方の改質器から改質ガスの一部を他方の改質器の流入口に流通させながら該他方の改質器を停止状態にさせることにより、当該他方の改質器において停止動作時に空気が逆流して流入するのを防止して、改質器の改質触媒の活性が低下するのを抑制することができ、また、改質システムを停止した状態から起動するときに、先に起動した他方の改質器から改質ガスの一部を一方の改質器の流入口に流通させながら該一方の改質器を起動させることにより、活性が低下した一方の改質器の改質触媒の活性を回復させて、改質触媒の活性を良好に維持することができる。
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲は以下の実施形態及び図示例に限定されるものではない。
［第１の実施形態］
始めに、図１〜図５を参照しながら、本発明に係る改質システム１０を搭載した小型の発電システム１の構成について説明する。
始めに、図１〜図５を参照しながら、本発明に係る改質システム１０を搭載した小型の発電システム１の構成について説明する。
図１は、本発明に係わる実施形態における発電システム１の概略構成を示すブロック図である。
図１に示す通り、発電システム１は、燃料と水を貯留した燃料容器２と、燃料と水を気化させて燃料ガス（燃料と水との混合気）を生成する気化器３と、燃料ガスを改質ガスに改質する改質システム１０と、改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器４と、改質ガス中の水素を用いて電気エネルギーを生成する燃料電池５とを、備えている。
図１に示す通り、発電システム１は、燃料と水を貯留した燃料容器２と、燃料と水を気化させて燃料ガス（燃料と水との混合気）を生成する気化器３と、燃料ガスを改質ガスに改質する改質システム１０と、改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器４と、改質ガス中の水素を用いて電気エネルギーを生成する燃料電池５とを、備えている。
燃料容器２内に貯留された燃料は、メタノール、エタノール等のアルコール類やガソリンといった組成に水素を含む炭化水素系の化合物が適用可能である。燃料と水は液体状態で別々に燃料容器２に貯蔵されてもよいし、混合された状態で燃料容器２に貯蔵されてもよい。本第１の実施形態では燃料としてメタノールを用いている。
気化器３はヒータあるいは触媒燃焼器等の熱源（図示略）を有するもので、当該熱源が作動することで燃料容器２から供給された燃料と水を気化させて燃料ガスを生成するようになっている。
改質システム１０は第１の改質器１１と第２の改質器１２とを有している。第１，第２の改質器１１，１２は、化学反応式（１）に示すように気化器５から供給された燃料ガスを改質して改質ガス（水素、二酸化炭素及び副生成物である一酸化炭素を含む。）を生成するものである。また、改質システム１０は第１，第２の改質器１１，１２を加熱して化学反応式（１）の各反応を良好に行うのに必要な反応温度に設定するヒータあるいは触媒燃焼器等の熱源（図示略）を有している。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2 … （１）
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2 … （１）
一酸化炭素除去器４は、第１，第２の改質器１１，１２において、化学反応式（１）についで逐次的に起こる化学反応式（２）によって微量に副生される一酸化炭素ＣＯを、化学反応式（３）に示すように改質システム１０で生成された改質ガス中の副生成物である一酸化炭素を酸化させることによって一酸化炭素を除去するものである。
Ｈ２＋ＣＯ２→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ … （２）
２ＣＯ＋Ｏ2→２ＣＯ2 … （３）
Ｈ２＋ＣＯ２→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ … （２）
２ＣＯ＋Ｏ2→２ＣＯ2 … （３）
燃料電池５は、触媒微粒子を担持した燃料極と、触媒微粒子を担持した空気極と、燃料極と空気極との間に介在されたフィルム状の固体高分子電解質膜とを、有している。燃料電池５の燃料極には、一酸化炭素除去器４で一酸化炭素が除去された改質ガスが当該一酸化炭素除去器４から供給され、燃料電池５の空気極には、外部から空気が供給される。
燃料極においては、電気化学反応式（４）に示すように、改質ガス中の水素が燃料極の触媒微粒子の作用を受けて水素イオンと電子とに分離する。水素イオンは固体高分子電解質膜を通じて空気極に伝導し、電子は燃料極により電気エネルギーとして取り出される。酸素極においては、電気化学反応式（５）に示すように、空気極に移動した電子と、空気中の酸素と、固体高分子電解質膜を通過した水素イオンとが反応して水が生成されて外部に排出される。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- … （４）
２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ … （５）
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- … （４）
２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ … （５）
この発電システム１は、例えば、デスクトップ型パーソナルコンピュータ、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機器、遊技機、家庭用電気機器その他の電子機器に備え付けられるものであり、これらの電子機器本体を動作させるための電源として好適に用いられる。
図２は本実施形態における改質システム１０の概略構成を示す図面である。
図２に示す通り、第１の改質器１１には、燃料ガスを当該第１の改質器１１に流入させる第１の流入ガス流路１３と、生成された改質ガスを当該第１の改質器１１から外部に流出させる第１の流出ガス流路１４とが連結されている。第２の改質器１２にも、第１の改質器１１と同様に、第２の流入ガス流路１５と第２の流出ガス流路１６とが連結されている。
図２に示す通り、第１の改質器１１には、燃料ガスを当該第１の改質器１１に流入させる第１の流入ガス流路１３と、生成された改質ガスを当該第１の改質器１１から外部に流出させる第１の流出ガス流路１４とが連結されている。第２の改質器１２にも、第１の改質器１１と同様に、第２の流入ガス流路１５と第２の流出ガス流路１６とが連結されている。
すなわち、気化器３から通じるガス流路は、第１の流入ガス流路１３と第２の流入ガス流路１５とに分岐して第１，第２の改質器１１，１２に通じ、当該第１，第２の改質器１１，１２から第１，第２の流出ガス流路１４，１６が別個の流路を形成しながら最終的に一体となって一酸化炭素除去器４に通じるようになっている。
更に、第１の流入ガス流路１３と第２の流出ガス流路１６との間にはこれらガス流路１３，１６を連結する第１の連結ガス流路１７が設けられており、第１の流出ガス流路１４と第２の流入ガス流路１５との間にもこれらガス流路１４，１５を連結する第２の連結ガス流路１８が設けられている。
上記したガス流路１３〜１８の各中途部には、燃料ガス又は改質ガスの流通を遮断又は許容するバルブ１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａ，１７ａ，１８ａが１つずつ設けられており、各バルブ１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａ，１７ａ，１８ａが制御部１９に電気的に接続されている。ここで、バルブ１３ａ，１５ａは本発明における第１のバルブであり、バルブ１４ａ，１６ａは本発明における第２のバルブであり、バルブ１７ａ，１８ａは本発明における第３のバルブである。
制御部１９は例えば汎用のＣＰＵ（Central Processing Unit），ＲＡＭ（Random Access Memory），ＲＯＭ（Read Only Memory）等から構成されているもので、ドライバ（図示略）を介して各バルブ１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａ，１７ａ，１８ａに制御信号を送信し、各バルブ１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａ，１７ａ，１８ａの開閉動作を制御するようになっている。
図３は本実施形態における第１の改質器１１の構成の一例を示す断面図である。
図３に示す通り、第１の改質器１１は、例えばシリコン結晶，アルミニウム，ガラス等の材料で構成された２枚の基板２１，２２を互いに重ね合わせて接合した構造を有している。
図４は、第１の改質器１１の一方の基板２１の（ａ）平面図，（ｂ）断面図，（ｃ）底面図である。
図４（ａ）に示す通り、基板２１（他方の基板２２との接合面の反対の面）上には例えば葛折り状のヒータ２３が配設されている。ヒータ２３は、電気抵抗性発熱体，半導体性発熱体等を薄膜状に成膜したものである。
図４（ａ）に示す通り、基板２１（他方の基板２２との接合面の反対の面）上には例えば葛折り状のヒータ２３が配設されている。ヒータ２３は、電気抵抗性発熱体，半導体性発熱体等を薄膜状に成膜したものである。
ヒータ２３は制御部１９に電気的に接続されており、当該制御部１９がドライバ（図示略）を介してヒータ２３に電力を供給し、ヒータ２３の作動（発熱）とその停止とを制御するようになっている。
図４（ｃ）に示す通り、基板２１（他方の基板２２との接合面）下には例えば葛折り状の溝２４が形成されている。溝２４は一端部２４ａから他端部２４ｂにかけて同様の幅を有しながら延在しており、図４（ｂ）に示す通り、断面視したときの形状が例えば弓形状を呈している。当該溝２４は、基板２１に対しフォトリソグラフィー，エッチング等を適宜施すことによって形成されたものである。
溝２４の内壁には改質触媒（図示略）が設けられており、溝２４を流通する燃料ガスを当該改質触媒により上記化学反応式（１），（２）に従い改質ガスに改質することができるようになっている。改質触媒は１種以上の金属種又は金属酸化物を含む物質であり、当該改質触媒としては例えばＰｄ−Ｚｎ合金やＣｕ−Ｚｎ合金等が適用可能である
図５は、第１の改質器１１の他方の基板２２の（ａ）平面図，（ｂ）断面図である。
図５（ａ），（ｂ）に示す通り、基板２２には２つの貫通孔２５，２６が形成されている。一方の貫通孔２５は溝２４の一端部２４ａ（図４（ｃ）参照）に対応する位置に形成されており、他方の貫通孔２６は溝２４の他端部２４ｂ（図４（ｃ）参照）に対応する位置に形成されている。
図５（ａ），（ｂ）に示す通り、基板２２には２つの貫通孔２５，２６が形成されている。一方の貫通孔２５は溝２４の一端部２４ａ（図４（ｃ）参照）に対応する位置に形成されており、他方の貫通孔２６は溝２４の他端部２４ｂ（図４（ｃ）参照）に対応する位置に形成されている。
図３に示す通り、２枚の基板２１，２２が互いに接合された状態においては、第１の流入ガス流路１３を構成する流入管４１が一方の貫通孔２５に通じており、第１の流出ガス流路１４を構成する流出管４２が他方の貫通孔２６に通じている。
この構成から、気化器３で生成された燃料ガスは流入管４１を通じて一方の貫通孔２５を流入口としてマイクロリアクタ２０に流入し、溝２４を一端部２４ａから他端部２４ｂに向けて流通しながら改質ガスとなる。当該改質ガスは、他方の貫通孔２６を流出口としてマイクロリアクタ２０から流出管４２を通じて流出し、一酸化炭素除去器４に流入するようになっている。
なお、ここでは、上記の通り図３〜図５を参照しながら第１の改質器１１についてのみその構成について説明したが、第２の改質器１２についても当該第１の改質器１１と同様の構成を有している。
続いて、図６を基本として図７〜図１０（図７〜図１０では制御部１９を省略している。）を参照しながら、本発明に係る改質ガスの流通制御方法と併せて改質システム１０の動作・作用について説明する。
図６は本実施形態における改質システム１０において制御部１９が実行する「停止・起動処理」を経時的に示すフローチャートであり、図７〜図１０は制御部１９による処理が実行された場合の各ヒータ２３や各バルブ１３ａ〜１８ａ等の動作状態を示す図面である。本第１の実施形態では、改質システム１０の作動状態から停止状態とする際の制御動作、及び、その後、起動状態とする際の制御動作に特徴を有するものであるから、改質システム１０が作動している状態からその説明を始める。
まず、改質システム１０が作動している定常動作状態では、図７に示す通り、第１，第２の改質器１１，１２でヒータ２３が作動して発熱しており第１，第２の改質器１１，１２が所定の温度に設定されている。このとき、４つのバルブ１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａが開き、残り２つのバルブ１７ａ，１８ａが閉じている。この状態においては、改質システム１０に供給された燃料ガスは、第１，第２の流入ガス流路１３，１５を通じて第１，第２の改質器１１，１２に流入し、当該第１，第２の改質器１１，１２で改質ガスが生成され、その後第１，第２の改質器１１，１２から第１，第２の流出ガス流路１４，１６を通じて改質システム１０の外部に流出される。
次に、この定常動作状態から停止状態とする際の制御動作（停止動作）について説明する。制御部１９が改質システム１０の作動の停止指令を受けると（ステップＳ１）、まず、当該制御部１９が第１の改質器１１のヒータ２３と２つのバルブ１３ａ，１７ａとに制御信号を送信し（ステップＳ２）、図８に示す通り、第１の改質器１１のヒータ２３の作動を停止させるとともにバルブ１３ａを閉じ、かつ、バルブ１７ａを開く。
その結果、改質システム１０に供給された燃料ガスが第２の改質器１２のみに流入して当該第２の改質器１２でのみ改質ガスが生成され、その改質ガスの一部が第２の流出ガス流路１６から第１の連結ガス流路１７に分岐し、当該第１の連結ガス流路１７を通じて第１の改質器１１に流入する。
制御部１９がステップＳ２の処理を終えて第１の改質器１１のヒータ２３の作動を停止させてから第１の改質器１１が停止状態になるのに要する所定の一定時間が経過したと判断したら（ステップＳ３）、当該制御部１９が第２の改質器１２のヒータ２３と３つのバルブ１４ａ，１５ａ，１７ａに制御信号を送信し（ステップＳ４）、図９に示す通り、第２の改質器１２のヒータ２３の作動を停止させるとともに各バルブ１４ａ，１５ａ，１７ａをともに閉じる。
その結果、改質システム１０に供給された燃料ガスは各バルブ１３ａ，１５ａでその供給が遮断され、当該改質システム１０では改質ガスが生成されなくなる。更には、第２の改質器１２のヒータ２３が作動を停止しているから、当該第２の改質器１２中の内部圧が低下して外部の空気が第２の流出ガス流路１６から第２の改質器１２中に逆流し、当該第２の改質器１２中の改質触媒が酸化してその活性が低下する。以上によって、改質システム１０が停止状態となる。
次いで、上記処理を経て停止状態とされた改質システム１０を再び起動する際の制御動作（起動動作）について説明する。制御部１９がステップＳ４の処理を終えた後、改質システム１０の再起動の指令を受けると（ステップＳ５）、当該制御部１９が第１の改質器１１のヒータ２３と３つのバルブ１３ａ，１４ａ，１８ａとに制御信号を送信し（ステップＳ６）、図１０に示す通り、第１の改質器１１のヒータ２３を作動し始めるとともに各バルブ１３ａ，１４ａ，１８ａをともに開く。
その結果、改質システム１０に供給された燃料ガスが第１の改質器１１のみに流入して当該第１の改質器１１でのみ改質ガスが生成され、その改質ガスの一部が第１の流出ガス流路１４から第２の連結ガス流路１８に分岐し、当該第２の連結ガス流路１８を通じて第２の改質器１２に流入する。
制御部１９がステップＳ６の処理を終えて第１の改質器１１のヒータ２３を起動させてからヒータ２３が所定の温度に達して、第１の改質器１１が動作状態になるのに要する所定の一定時間が経過したと判断したら（ステップＳ７）、当該制御部１９が第２の改質器１２のヒータ２３と２つのバルブ１５ａ，１８ａとに制御信号を送信し（ステップＳ８）、第２の改質器１２のヒータ２３を作動し始めるとともにバルブ１５ａを開け、かつ、バルブ１８ａを閉じ、改質システム１０が作動状態（図７参照）となる。
次に、上記処理を経て作動状態にある改質システム１０を再び停止する際の制御動作（停止動作）について説明する。制御部１９が改質システム１０の作動の停止指令を再度受けると（ステップＳ９）、当該制御部１９は上記ステップＳ２〜ステップＳ８と逆の処理を実行する。すなわち、当該制御部１９が、先に第２の改質器１２のヒータ２３の作動を停止させてその後に第１の改質器１１のヒータ２３の作動を停止させるとともに、各バルブ１３ａ〜１８ａの開閉動作を逆転させる（ステップＳ１０〜ステップＳ１６）。以後、制御部１９は改質システム１０の作動の停止指令を受けるごとに、上記ステップＳ１〜ステップＳ１６の処理を繰り返し実行するようになっている。
以上の本第１の実施形態では、改質システム１０が作動した状態から停止した状態に移行する場合には（ステップＳ１参照）、先に第１の改質器１１のヒータ２３の作動が停止し、バルブ１３ａが閉じかつバルブ１７ａが開く（ステップＳ２，図８参照）から、第１の改質器１１の温度が下がりその内部圧力が低下しても、第２の改質器１２で生成された改質ガスが第２の流出ガス流路１６から第１の連結ガス流路１７を通じて第１の改質器１１に流入する。
そのため、第１の流出ガス流路１４から第１の改質器１１に空気が逆流して流入することはなく、第１の改質器１１の改質触媒が酸化してその活性が低下するのを防止することができる。仮に、空気が逆流して第１の改質器１１の改質触媒が酸化することがあっても、当該第１の改質器１１には第２の改質器１２で生成された改質ガスが流入するから、その改質ガスで改質触媒を水素還元することができ、第１の改質器１１の改質触媒の活性を回復させることができる。
また、改質システム１０が停止した状態から起動した状態に移行する場合には（ステップＳ５参照）、先に第１の改質器１１のヒータ２３が作動し始め、各バルブ１３ａ，１４ａ，１８ａが開く（ステップＳ６，図１０参照）から、第１の改質器１１で生成された改質ガスが第１の流出ガス流路１４から第２の連結ガス流路１８を通じて第２の改質器１２に流入する。
そのため、第２の流出ガス流路１６を通じた空気の逆流を受けて第２の改質器１２の改質触媒が酸化していても、第１の改質器１１で生成された改質ガスでその改質触媒を水素還元することができ、第２の改質器１２の改質触媒の活性を回復させることができる。
更に、改質システム１０の上記停止・起動処理においては、ステップＳ１〜Ｓ８の処理とステップＳ９〜Ｓ１６との処理で、第１，第２の改質器１１，１２の各ヒータ２３の作動順序と各バルブ１３ａ〜１８ａの開閉順序とを改質システム１０が停止するごとに交互に切り換えるから、上記停止・起動処理が実行されるたびに第１，第２の改質器１１，１２のいずれか一方の改質触媒が空気の逆流を受け続けるということがなく、第１，第２の改質器１１，１２全体における改質触媒の経時的な活性の低下を抑えることができる。
なお、本発明は本第１の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計変更をおこなってもよい。
当該改良・設計変更事項として、例えば、第１の流出ガス流路１４と第２の流出ガス流路１６との合流部に改質ガス中の水素の量を測定する測定器（測定手段：図示略）を設け、改質システム１０の上記停止・起動処理において、制御部１９が改質システム１０の停止指令を受けるごとに、その測定器の測定結果に基づきステップＳ１〜Ｓ８の処理を実行するか又はステップＳ９〜Ｓ１６の処理を実行するかを選択するようにしてもよい。
すなわち、制御部１９がステップＳ２の処理直後とステップＳ１０の処理直後とにおいて第１，第２の各改質器１１，１２で生成される改質ガスの生成量を比較し、その比較結果から、次に改質システム１０の作動の停止指令を受けた場合において、改質ガスの生成量が少ないと判断した第１の改質器１１又は第２の改質器１２のヒータ２３を先に停止させるステップＳ２〜Ｓ８の処理又はステップＳ１０〜Ｓ１６の処理を実行するようにしてもよい。
［第２の実施形態］
本第２の実施形態に係る発電システムでは、上記改質システム１０に相当する改質システムが第１の実施形態に係る改質システム１０と下記の点で異なっており、それ以外は上記発電システム１と同様となっている。
本第２の実施形態に係る発電システムでは、上記改質システム１０に相当する改質システムが第１の実施形態に係る改質システム１０と下記の点で異なっており、それ以外は上記発電システム１と同様となっている。
図１１は第２の実施形態における改質システム５０の概略構成を示す図面である。
図１１に示す通り、改質システム５０はｎ（ｎ：３以上）個の第１〜第ｎの改質器Ｒ１〜Ｒｎと、それに対応するｎ個又はｎ本のバルブＡ１〜Ａｎ，Ｂ１〜Ｂｎ，Ｃ１〜Ｃｎ、第１〜第ｎの流入ガス流路Ｄ１〜Ｄｎ、第１〜第ｎの流出ガス流路Ｅ１〜Ｅｎ、第１〜第ｎの流入口側連結ガス流路Ｆ１〜Ｆｎ、第１〜第ｎの流出口側連結ガス流路Ｇ１〜Ｇｎとを、備えている。
図１１に示す通り、改質システム５０はｎ（ｎ：３以上）個の第１〜第ｎの改質器Ｒ１〜Ｒｎと、それに対応するｎ個又はｎ本のバルブＡ１〜Ａｎ，Ｂ１〜Ｂｎ，Ｃ１〜Ｃｎ、第１〜第ｎの流入ガス流路Ｄ１〜Ｄｎ、第１〜第ｎの流出ガス流路Ｅ１〜Ｅｎ、第１〜第ｎの流入口側連結ガス流路Ｆ１〜Ｆｎ、第１〜第ｎの流出口側連結ガス流路Ｇ１〜Ｇｎとを、備えている。
バルブＡ１〜Ａｎ，Ｂ１〜Ｂｎ，Ｃ１〜Ｃｎは上記バルブ１３ａ〜１８ａに相当するもので、第１〜第ｎの流入ガス流路Ｄ１〜Ｄｎは上記第１，第２の流入ガス流路１３，１５に相当するもので、第１〜第ｎの流出ガス流路Ｅ１〜Ｅｎは上記第１，第２の流出ガス流路１４，１６に相当するもので、第１〜第ｎの流入口側連結ガス流路Ｆ１〜Ｆｎ及び流出口側連結ガス流路Ｇ１〜Ｇｎは上記第１，第２の連結ガス流路１７，１８に相当するものである。また、バルブＡ１〜Ａｎは本発明における第１のバルブであり、バルブＢ１〜Ｂｎは本発明における第２のバルブであり、バルブＣ１〜Ｃｎは本発明における第３のバルブである。
第１〜第ｎの流入口側連結ガス流路Ｆ１〜Ｆｎと流出口側連結ガス流路Ｇ１〜Ｇｎとの中途部には、当該第１〜第ｎの流入口側連結ガス流路Ｆ１〜Ｆｎ及び流出口側連結ガス流路Ｇ１〜Ｇｎを一度合流させてこれらを再度分岐させる合流・分岐路６０が設けられている。合流・分岐路６０は制御部１９に電気的に接続されており、当該制御部１９が、第１〜第ｎの流出ガス流路Ｅ１〜Ｅｎに連結された第１〜第ｎの流出口側連結ガス流路Ｇ１〜Ｇｎを第１〜第ｎの流入ガス流路Ｄ１〜Ｄｎに連結された第１〜第ｎの流入口側連結ガス流路Ｆ１〜Ｆｎのいずれに通じるかを切り替えることができるようになっている。
本第２の実施形態では、第１〜第ｎの改質器Ｒ１〜Ｒｎで生成された改質ガスの一部は、第１〜第ｎの流出口側連結ガス流路Ｇ１〜Ｇｎを通じて合流・分岐路６０で合流し、その後当該合流・分岐路６０から分岐して第１〜第ｎの流入口側連結ガス流路Ｆ１〜Ｆｎを通じて第１〜第ｎの改質器Ｒ１〜Ｒｎに流入するようになっている。
改質システム５０の停止動作及び起動動作では、前述の第１の実施形態において制御部１９が第１，第２の改質器１１，１２のヒータ２３と各バルブ１３ａ〜１８ａとを制御したのと同様に、制御部１９が第１〜第ｎの改質器Ｒ１〜Ｒｎの各ヒータ２３の作動及びその停止と、各バルブＡ１〜Ａｎ，Ｂ１〜Ｂｎ，Ｃ１〜Ｃｎの開閉動作と、合流・分岐路６０の切替動作とを、制御する。
すなわち、改質システム５０の停止動作時においては、制御部１９は、まず、第１〜第ｍ（ｍ：（ｎ−１）以下で任意）の改質器Ｒ１〜Ｒｍの各ヒータ２３の作動を停止させるとともに、バルブＡｍ＋１〜Ａｎ，Ｂ１〜Ｂｎ，Ｃ１〜Ｃｍを開け、バルブＡ１〜Ａｍ，Ｃｍ＋１〜Ｃｎを閉じ、第（ｍ＋１）〜第ｎの改質器Ｒ（ｍ＋１）〜Ｒｎで生成された改質ガスを第１〜第ｍの改質器Ｒ１〜Ｒｍに流入させるように合流・分岐路６０の動作を制御し、次いで、改質器Ｒ１〜Ｒｍのヒータ２３の作動を停止させてから、改質器Ｒ１〜Ｒｍが停止状態になるのに要する所定の一定時間が経過した後、改質器Ｒｍ＋１〜Ｒｎのヒータ２３の作動を停止させるとともに、バルブＢｍ＋１〜Ｂｎを開け、バルブＡ１〜Ａｎ，Ｂ１〜Ｂｍ，Ｃ１〜Ｃｎを閉じるように制御する（図６のステップＳ１〜Ｓ４の処理に相当する処理で、以下「ステップＴ１」という。）。
他方、改質システム５０の起動動作時においては、制御部１９は、まず、第１〜第ｍの改質器Ｒ１〜Ｒｍの各ヒータ２３を作動させ始めるとともに、バルブＡ１〜Ａｍ，Ｂ１〜Ｂｎ，Ｃｍ＋１〜Ｃｎを開け、バルブＡｍ＋１〜Ａｎ，Ｃ１〜Ｃｍを閉じ、第１〜第ｍの改質器Ｒ１〜Ｒｍで生成された改質ガスを第（ｍ＋１）〜第ｎの改質器Ｒ（ｍ＋１）〜Ｒｎに流入させるように合流・分岐路６０の動作を制御し、次いで、改質器Ｒ１〜Ｒｍのヒータ２３を起動させてから、ヒータ２３が所定の温度に達して、改質器Ｒ１〜Ｒｍが動作状態になるのに要する所定の一定時間が経過した後、改質器Ｒｍ＋１〜Ｒｎのヒータ２３を作動させ始めるとともに、バルブＡｍ＋１〜Ａｎを開け、かつ、バルブＣｍ＋１〜Ｃｎを閉じるように制御する（図６のステップＳ５〜Ｓ８の処理に相当する処理で、以下「ステップＴ２」という。）。
そしてこの場合においても、次の改質システム５０の停止・起動動作時においては、第１〜第ｍの改質器Ｒ１〜Ｒｍと第（ｍ＋１）〜第ｎの改質器Ｒ（ｍ＋１）〜Ｒｎとで、ヒータ２３の作動・停止順序と改質ガスの流入順序とを逆転させるように、制御部１９が第１〜第ｎの改質器Ｒ１〜Ｒｎの各ヒータ２３の作動及びその停止と、各バルブＡ１〜Ａｎ，Ｂ１〜Ｂｎ，Ｃ１〜Ｃｎの開閉動作と、合流・分岐路６０の切替動作とを制御し（図６のステップＳ９〜Ｓ１６に相当する処理で、以下「ステップＴ３，Ｔ４」という。）、以後これらの処理を交互に繰り返し実行する。
なお、上記においては、３つ以上の複数の改質器を有し、複数の流入口側連結ガス流路及び流出口側連結ガス流路が全ての改質器に接続されるものとしたが、本発明はこれに限るものではなく、複数の改質器における少なくとも２つの改質器に対して設けられるものであってもよい。
また、上記においては、改質システムの停止・起動動作時において、複数の改質器毎に停止、起動動作を行うこととしたが、例えば、１つの改質器毎に順次停止、起動動作を行うこととしてもよい。
また、上記においては、改質システムの停止・起動動作時において、複数の改質器毎に停止、起動動作を行うこととしたが、例えば、１つの改質器毎に順次停止、起動動作を行うこととしてもよい。
また、本発明は本第２の実施形態にも限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計変更をおこなってもよい。
一の改良・設計変更事項として、例えば、第１の実施形態で説明した改良・設計変更事項と同様に、第１〜第ｎの流出ガス流路Ｅ１〜Ｅｎの合流部に改質ガス中の水素の量を測定する第２の測定器（測定手段：図示略）を設け、改質システム５０の上記停止・起動処理において、制御部１９が改質システム５０の停止指令を受けるごとに、その第２の測定器の測定結果に基づきステップＴ１，Ｔ２の処理を実行するか又はステップＴ３，Ｔ４の処理を実行するかを選択するようにしてもよい。
他の改良・設計変更事項として、第１〜第ｎの流出ガス流路Ｅ１〜Ｅｎの合流部に上記第２の測定器（図示略）を設け、制御部１９が上記ステップＴ１〜Ｔ４の一連の処理を実行するごとに、次の当該一連の処理では第２の測定器の測定結果に基づき「ｍ」の値を変更するようにしてもよい。
１ 発電システム
２ 燃料容器
３ 気化器
４ 一酸化炭素除去器
５ 燃料電池
１０ 改質システム
１１，１２ 第１，第２の改質器
１３，１５ 第１，第２の流入ガス流路
１４，１６ 第１，第２の流出ガス流路
１７，１８ 第１，第２の連結ガス流路
１３ａ〜１８ａ バルブ
１９ 制御部
２５ 貫通孔（流入口）
２６ 貫通孔（流出口）
５０ 改質システム
６０ 合流・分岐路
Ｒ１〜Ｒｎ 第１〜第ｎの改質器
Ａ１〜Ａｎ，Ｂ１〜Ｂｎ，Ｃ１〜Ｃｎ バルブ
Ｄ１〜Ｄｎ 第１〜第ｎの流入ガス流路
Ｅ１〜Ｅｎ 第１〜第ｎの流出ガス流路
Ｆ１〜Ｆｎ 第１〜第ｎの流入口側連結ガス流路
Ｇ１〜Ｇｎ 第１〜第ｎの流出口側連結ガス流路
２ 燃料容器
３ 気化器
４ 一酸化炭素除去器
５ 燃料電池
１０ 改質システム
１１，１２ 第１，第２の改質器
１３，１５ 第１，第２の流入ガス流路
１４，１６ 第１，第２の流出ガス流路
１７，１８ 第１，第２の連結ガス流路
１３ａ〜１８ａ バルブ
１９ 制御部
２５ 貫通孔（流入口）
２６ 貫通孔（流出口）
５０ 改質システム
６０ 合流・分岐路
Ｒ１〜Ｒｎ 第１〜第ｎの改質器
Ａ１〜Ａｎ，Ｂ１〜Ｂｎ，Ｃ１〜Ｃｎ バルブ
Ｄ１〜Ｄｎ 第１〜第ｎの流入ガス流路
Ｅ１〜Ｅｎ 第１〜第ｎの流出ガス流路
Ｆ１〜Ｆｎ 第１〜第ｎの流入口側連結ガス流路
Ｇ１〜Ｇｎ 第１〜第ｎの流出口側連結ガス流路
Claims (14)
- 燃料ガスが供給され、前記燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する複数の改質器と、
前記複数の改質器の各々に設けられる前記燃料ガスの流入口および前記改質ガスの流出口と、
前記複数の改質器の各々の前記流入口に接続され、前記燃料ガスを流入させる複数の流入ガス流路と、
前記複数の改質器の各々の前記流出口に接続され、前記改質ガスを流出させる複数の流出ガス流路と、
前記複数の改質器における少なくとも２つの前記改質器において、各々の前記改質器の前記流入口と前記流出口とを互いに連結し、前記各改質器により生成される前記改質ガスの一部の流通を許容または遮断するように設けられる複数の連結ガス流路と、
前記各改質器の動作状態及び前記連結ガス流路における前記改質ガスの流通状態を制御する制御部と、
を備え、
前記複数の改質器は第１の改質器群と第２の改質器群とに分割され、前記第１及び第２の改質器群は、それぞれ、少なくとも１つの前記改質器を有し、
前記制御部は、当該改質システムを定常動作状態に設定するときには、前記複数の改質器を全て動作状態に設定し、当該改質システムを前記定常動作状態から停止させるときには、前記第１の改質器群の前記改質器を動作状態に維持し、該第１の改質器群に含まれる前記改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記第２の改質器群の前記改質器の前記流入口に流通させながら前記第２の改質器群の前記改質器を停止状態に設定した後、前記第１の改質器群の前記改質器を停止状態に設定することを特徴とする改質システム。 - 請求項１に記載の改質システムにおいて、
前記改質器を２つ有し、
前記複数の連結ガス流路は、一方の前記改質器の前記流入口と他方の前記改質器の前記流出口とを連結する第１の連結ガス流路と、他方の前記改質器の前記流入口と一方の前記改質器の前記流出口とを連結する第２の連結ガス流路と、を備えることを特徴とする改質システム。 - 請求項１に記載の改質システムにおいて、
前記改質器を２つ有し、
前記第１及び第２の改質器群は、それぞれ、１つの前記改質器を有し、
前記制御部は、当該改質システムを停止させるときには、一方の前記改質器を動作状態に維持し、該一方の改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、他方の前記改質器の前記流入口に流通させながら該他方の前記改質器を停止状態に設定した後、前記一方の改質器を停止状態に設定し、当該改質システムを前記停止した状態から起動して前記定常動作状態に設定するときには、前記他方の改質器を起動して動作状態に設定し、該他方の改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記一方の改質器の前記流入口に流通させながら該一方の改質器を起動して動作状態に設定することを特徴とする改質システム。 - 請求項３に記載の改質システムにおいて、
前記複数の流入ガス流路の各々に設けられ、前記燃料ガスの流入を遮断又は許容する第１のバルブと、
前記複数の流出ガス流路の各々に設けられ、前記改質ガスの流出を遮断又は許容する第２のバルブと、
前記複数の連結ガス流路の各々の中途部に設けられ、前記改質ガスの流通を遮断又は許容する第３のバルブと、
を備え、
前記制御部は前記第１〜第３のバルブの開閉動作を制御することを特徴とする改質システム。 - 請求項４に記載の改質システムにおいて、
前記制御部は、
当該改質システムを停止させるとき、前記他方の改質器への前記燃料ガスの流入を停止させ、前記一方の改質器からの前記改質ガスの一部を前記他方の改質器に流入させながら、該他方の改質器を降温させ、該他方の改質器が停止状態となった後、前記一方の改質器への前記燃料ガスの流入を停止させ、該一方の改質器を降温させて停止状態とし、
当該改質システムを前記停止した状態から起動させるとき、前記他方の改質器へ前記燃料ガスを流入させ、該他方の改質器を昇温させるとともに、該他方の改質器からの前記改質ガスの一部を前記一方の改質器に流入させ、該他方の改質器が動作状態となった後、前記一方の改質器へ前記燃料ガスを流入させながら、該一方の改質器を動作状態とするように、前記各改質器の動作および前記第１〜第３のバルブの開閉動作を制御することを特徴とする改質システム。 - 請求項１に記載の改質システムにおいて、
前記改質器を３つ以上有し、
前記複数の連結ガス流路は、前記複数の改質器の各々の前記流入口に接続される複数の流入口側連結ガス流路と、前記複数の改質器の各々の前記流出口に接続される複数の流出口側連結ガス流路と、前記複数の流入口側連結ガス流路と前記複数の流出口側連結ガス流路との間に設けられ、前記各流入口側連結ガス流路と前記各流出口側連結ガス流路との接続経路を切り替える合流・分岐路と、を備えることを特徴とする改質システム。 - 請求項６に記載の改質システムにおいて、
前記複数の流入ガス流路の各々に設けられ、前記燃料ガスの流入を遮断又は許容する第１のバルブと、
前記複数の流出ガス流路の各々に設けられ、前記改質ガスの流出を遮断又は許容する第２のバルブと、
前記複数の流入口側連結ガス流路の各々の中途部に設けられ、前記改質ガスの流通を遮断又は許容する第３のバルブと、
を備え、
前記制御部は、前記第１〜第３のバルブの開閉動作および前記合流・分岐路における経路接続状態を制御することを特徴とする改質システム。 - 請求項１に記載の改質システムにおいて、
前記複数の流入ガス流路の各々に設けられ、前記燃料ガスの流入を遮断又は許容する第１のバルブと、
前記複数の流出ガス流路の各々に設けられ、前記改質ガスの流出を遮断又は許容する第２のバルブと、
前記複数の連結ガス流路の各々の中途部に設けられ、前記改質ガスの流通を遮断又は許容する第３のバルブと、
前記複数の流出ガス流路を介して全ての前記改質器から流出した前記改質ガス中の水素の量を測定する測定手段と、
を備え、
前記制御部は、当該改質システムを停止させるときにおいて、前記測定手段の測定結果に基づいて、前記連結ガス流路を通じて前記改質ガスを流入させる前記第２の改質器群を、前記複数の改質器の中で前記改質ガス中の水素の量が相対的に少ない前記改質器を含む側に設定して、前記複数の改質器の動作および前記第１〜第３のバルブの開閉動作を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする改質システム。 - 少なくとも、燃料ガスが供給され、前記燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する複数の改質器と、前記複数の改質器の各々に設けられる前記燃料ガスの流入口および前記改質ガスの流出口と、前記複数の改質器の各々の前記流入口に接続され、前記燃料ガスを流入させる複数の流入ガス流路と、前記複数の改質器の各々の前記流出口に接続され、前記改質ガスを流出させる複数の流出ガス流路と、前記複数の改質器における少なくとも２つの前記改質器において、各々の前記改質器の前記流入口と前記流出口とを互いに連結し、前記各改質器により生成される前記改質ガスの一部の流通を許容または遮断するように設けられる複数の連結ガス流路と、前記各改質器の動作状態及び前記連結ガス流路における前記改質ガスの流通状態を制御する制御部と、を備え、前記複数の改質器は第１の改質器群と第２の改質器群とに分割され、前記第１及び第２の改質器群は、それぞれ、少なくとも１つの前記改質器を有し、前記制御部は、当該改質システムを定常動作状態に設定するときには、前記複数の改質器を全て動作状態に設定し、当該改質システムを前記定常動作状態から停止させるときには、前記第１の改質器群の前記改質器を動作状態に維持し、該第１の改質器群に含まれる前記改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記第２の改質器群の前記改質器の前記流入口に流通させながら前記第２の改質器群の前記改質器を停止状態に設定した後、前記第１の改質器群の前記改質器を停止状態に設定する改質システムと、
前記改質システムから前記改質ガスの供給を受けて電気エネルギーを生成する燃料電池と、
を備えることを特徴とする発電システム。 - 請求項９に記載の発電システムにおいて、
前記改質システムは前記改質器を２つ有し、
前記第１及び第２の改質器群は、それぞれ、１つの前記改質器を有し、
前記制御部は、
前記改質システムを停止させるときには、一方の前記改質器を動作状態に維持し、該一方の改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、他方の前記改質器の前記流入口に流通させながら該他方の改質器を停止状態に設定した後、前記一方の改質器を停止状態に設定し、当該改質システムを前記停止した状態から起動して前記定常動作状態に設定するときには、前記他方の改質器を起動して動作状態に設定し、該他方の改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記一方の改質器の前記流入口に流通させながら前記一方の改質器を起動して動作状態に設定することを特徴とする発電システム。 - 請求項９に記載の発電システムにおいて、
前記改質システムは前記改質器を３つ以上有し、
前記複数の連結ガス流路は、前記複数の改質器の各々の前記流入口に接続される複数の流入口側連結ガス流路と、前記複数の改質器の各々の前記流出口に接続される複数の流出口側連結ガス流路と、前記複数の流入口側連結ガス流路と前記複数の流出口側連結ガス流路との間に設けられ、前記各流入口側連結ガス流路と前記各流出口側連結ガス流路との接続経路を切り替える合流・分岐路と、を備えることを特徴とする発電システム。 - 燃料ガスが供給され、前記燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成し、前記燃料ガスの流入口および前記改質ガスの流出口を有する複数の改質器と、前記複数の改質器における少なくとも２つの前記改質器において、各々の前記改質器の前記流入口と前記流出口とを互いに連結し、前記各改質器により生成される前記改質ガスの一部の流通を許容または遮断するように設けられる複数の連結ガス流路と、を備える改質システムの制御方法であって、
前記複数の改質器を、それぞれが少なくとも１つの前記改質器を有する、第１の改質器群と第２の改質器群とに分割し、
前記改質システムを定常動作状態に設定するときには、前記複数の改質器を全て動作状態に設定し、
前記改質システムを前記定常動作状態から停止させるときには、前記第１の改質器群の前記改質器を動作状態に維持させ、該第１の改質器群に含まれる前記改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記第２の改質器群の前記改質器の前記流入口に流通させながら、該第２の改質器群の前記改質器を停止状態に設定し、該第２の改質器群の前記改質器が前記停止状態になった後、前記第１の改質器群の前記改質器を停止状態に設定し、
当該改質システムを前記停止した状態から起動して前記定常動作状態に設定するときには、前記第２の改質器群の前記改質器を起動して動作状態に設定し、該第２の改質器群に含まれる前記改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記第１の改質器群の前記改質器の前記流入口に流通させながら、該第１の改質器群の前記改質器を起動して動作状態に設定する、
ことを特徴とする改質システムの制御方法。 - 請求項１に記載の改質システムにおいて、
前記制御部は、当該改質システムを前記停止した状態から起動して前記定常動作状態に設定するときには、前記第２の改質器群の前記改質器を起動して動作状態に設定し、該第２の改質器群に含まれる前記改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記第１の改質器群の前記改質器の前記流入口に流通させながら該第１の改質器群の前記改質器を起動して動作状態に設定することを特徴とする改質システム。 - 請求項９に記載の発電システムにおいて、
前記制御部は、当該改質システムを前記停止した状態から起動して前記定常動作状態に設定するときには、前記第２の改質器群の前記改質器を起動して動作状態に設定し、該第２の改質器群に含まれる前記改質器により生成された前記改質ガスの一部を、前記複数の連結ガス流路のいずれかを介して、前記第１の改質器群の前記改質器の前記流入口に流通させながら該第１の改質器群の前記改質器を起動して動作状態に設定することを特徴とする発電システム。
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