以下、本発明による改質装置を適用した燃料電池システムの一実施形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池10とこの燃料電池10に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する改質装置20を備えている。
燃料電池10は、燃料極11と酸化剤極である空気極12と両極11,12間に介在された電解質13を備えており、燃料極11に供給された改質ガスおよび空気極12に供給された酸化剤ガスである空気(カソードエア)を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。
改質装置20は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池10に供給するものであり、改質部21、冷却部22、一酸化炭素シフト反応部(以下、COシフト部という)23、一酸化炭素浄化部(以下、CO浄化部という)24、燃焼部25、および蒸発部26を備えている。改質用燃料としては天然ガス、LPGなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。
改質部21は、改質用燃料に水蒸気が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部21は有底円筒状に形成されており、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路21aを備えている。
改質部21の折り返し流路21a内には、触媒21b(例えば、RuまたはNi系の触媒)が充填されており、冷却部22から導入された改質用燃料と水蒸気供給管51から導入された水蒸気との混合ガスが触媒21bによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)は冷却部(熱交換部)22に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
また、改質部21内には、改質部21内の温度例えば改質ガスの導出口付近の温度(T2)を測定する温度センサ21cが設けられている。温度センサ21cの検出結果は制御装置30に送信されている。
冷却部22は、改質部21から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水(水蒸気)との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器(熱交換部)であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してCOシフト部23に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部21に導出するようになっている。
具体的には、冷却部22には燃料供給源Sf(例えば都市ガス管)に接続された燃料供給管41が接続されている。燃料供給管41には、上流から順番に第1燃料バルブ42、脱硫器44、燃料ポンプ43および第2燃料バルブ45が設けられている。第1および第2燃料バルブ42,45は制御装置30の指令によって燃料供給管41を開閉するものである。燃料ポンプ43は、制御装置30の指令に応じて改質部21に改質用燃料を供給し(またはバーナ25aに燃焼用燃料を供給し)、その供給量を調整するものである。脱硫器44は改質用燃料中および燃焼用燃料中の硫黄分(例えば、硫黄化合物)を除去するものである。
また、燃料供給管41の第2燃料バルブ45と冷却部22との間には蒸発部26に接続された水蒸気供給管51が接続されている。蒸発部26から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部22を通って改質部21に供給されている。
COシフト部23は、改質部21から冷却部22および改質ガス通路29を通って供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。また、COシフト部23は、一酸化炭素が低減された改質ガスをCO浄化部24を介して最終的にバーナ25aに供給するようになっている。COシフト部23は、筒状の筐体23aと、筐体23a内に同軸に配置された内筒23bを備えている。内筒23bは、外周端を筐体23a内周面に接続された環状の支持部材23cの内周端に上端が接続されている。筐体23aの上面には改質ガス導入口23a1が設けられ、筐体23aの側面には一端がCO浄化部24に接続されている連通管93の他端が接続されている。COシフト部23の内筒23b内および内筒23bと筐体23aとの間には触媒23d(例えば、Cu−Zn系の触媒)が充填されている。
このように構成されたCOシフト部23においては、冷却部22から導出された改質ガスは、改質ガス導入口23a1を通って内筒23b内の触媒23dを通り、折り返して内筒23bと筐体23aとの間の触媒23dを通ってCO浄化部24に導出される。このとき、導入した改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が触媒23dにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
さらに、COシフト部23には、内筒23bからの折り返し部位に、その部位の温度を検出する温度センサ23eが設けられており、その検出信号が制御装置30に出力されるようになっている。また、連通管93には、その部位の温度を検出する温度センサ93aが設けられており、その検出信号が制御装置30に出力されるようになっている。温度センサ93aは、連通管93上であればどこでもよく、COシフト部23との接続部からCO浄化部24との接続部までに設ければよい。本実施形態においては、COシフト部23および連通管93にそれぞれ温度センサ23eおよび93aを設けたが何れか一つを設けるようにしてもよい。
温度センサ93aは、連通管93のCOシフト部23の接続部と連通管93の酸化用空気供給管61の接続部との間にあれば酸化用空気温度の影響を受けにくい。一方、温度センサ93aは、連通管93の酸化用空気供給管61の接続部と連通管93のCO浄化部24の接続部との間にあればバーナ25aに近い位置で水蒸気の到達を判断できるため、温度センサ93aの部分からバーナ25aまで水蒸気が到達するまでの時間の偏差が小さくなり、より正確にバーナ25aへの水蒸気到達を判断できる。
このようなCOシフト部23は、改質部21、蒸発部26および燃焼部25と熱の授受を直接行わないように改質部21、蒸発部26および燃焼部25から離して設けられている。
上述した冷却部22とCOシフト部23との間には、改質ガス通路29が冷却部22とCOシフト部23に一体的に配設されている。改質ガス通路29は加熱手段であるヒータ80を有しており、ヒータ80はヒータ80の熱によって冷却部22とCOシフト部23を加熱するものである。
改質ガス通路29は、円筒状に形成された筐体29aを備えている。筐体29aの上部には改質ガスの入口部29a1が形成され、筐体29aの下部には改質ガスの出口部29a2が形成されている。ヒータ80は、入口部29a1と出口部29a2との間であって改質ガスの流路に配設されている。これにより、入口部29a1から流入した改質ガスがヒータ80に当たって加熱されて出口部29a2から流出する。
改質ガス通路29は、改質部21、冷却部22、COシフト部23、CO浄化部24、蒸発部26と同様に熱伝導性がよい部材(例えば金属材(特に耐食性の優れたステンレス材がよい))で形成されている。
ヒータ80は、制御装置30の指示に従ってオン・オフされるものである。ヒータ80は、改質水が投入されると同時にONされる。また、この段階では改質用燃料は投入されていないので、ヒータ80の熱によってCOシフト部23はほとんど加熱しないこと、水蒸気が発生してから始めてCOシフト部23がヒータ80の熱によっても加熱される。ヒータ80がオンされると、ヒータ80の熱が収容部29d、筐体29aを介して冷却部22の筐体およびCOシフト部23の筐体23aに伝わって冷却部22およびCOシフト部23を加熱する。さらに、改質ガス通路29を流通する改質ガスが加熱される。
CO浄化部24は、COシフト部23から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池10に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部である。CO浄化部24は、円筒状に形成されて、蒸発部26の外周壁を覆って当接して設けられている。CO浄化部24の内部には、触媒24a(例えば、RuまたはPt系の触媒)が充填されている。
このCO浄化部24の側壁面下部および側壁面上部には、COシフト部23に接続された連通管93および燃料電池10の燃料極11に接続された改質ガス供給管71がそれぞれ接続されている。連通管93には、大気に開放された酸化用空気供給管61が接続されている。これにより、CO浄化部24には、COシフト部23からの改質ガスと大気からの酸化用空気が導入されるようになっている。なお、酸化用空気供給管61には、上流から順番に酸化用空気ポンプ62および酸化用空気バルブ63が設けられている。酸化用空気ポンプ62は酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ63は酸化用空気供給管61を開閉するものである。
したがって、CO浄化部24内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応(酸化)して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒24aによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて(10ppm以下)導出され、燃料電池10の燃料極11に供給されるようになっている。
燃焼部25は、改質ガスが少なくとも供給されその改質ガスを酸化剤ガスで燃焼するバーナ25aと、バーナ25aで発生した燃焼ガスが改質部21および蒸発部26を加熱しながら流通する燃焼ガス流路25bとを備えている。
バーナ25aは、改質部21の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。バーナ25aは、第1および第2噴出器25a1,25a2を備えている。第1噴出器25a1は、予混合燃焼方式に適した噴出器であり、熱量の大きい可燃ガス(本実施形態では、燃焼用燃料(天然ガス))の燃焼に適合したものである。第2噴出器25a2は、拡散燃焼方式に適した噴出器であり、予混合燃焼より熱量の小さい可燃ガス(本実施形態では、改質ガス、アノードオフガス)の燃焼に適したものである。
第1噴出器25a1には、燃焼用空気供給管64が接続されている。燃焼用空気供給管64には燃焼用空気ポンプ65が設けられている。燃焼用空気ポンプ65は酸化剤ガスである燃焼用空気を供給しその供給量を調整する酸化剤ガス供給手段である。燃焼用空気供給管64には、燃焼用燃料供給管47が接続されている。燃焼用燃料供給管47には、燃焼用燃料バルブ48が設けられている。燃焼用燃料バルブ48は、制御装置30の指令によって燃焼用燃料供給管47を開閉するものである。第1噴出器25a1で燃焼用燃料が燃焼される場合には、その燃焼用燃料に予め燃焼用空気が混合されるようになっている。なお、燃焼用空気は大気から供給されるようになっている。
第2噴出器25a2には、燃料極11の導出口に一端が接続されているオフガス供給管72の他端が接続されている。第2噴出器25a2には、燃料電池10からのアノードオフガス、または燃料電池10を通らないで供給されるCO浄化部24からの改質ガスが供給されるようになっている。第2噴出器25a2で改質ガスまたはアノードオフガスが燃焼される場合には、第1噴出器25a1から供給された燃焼用空気で燃焼されるようになっている。
燃料電池システム(改質装置20)の起動運転開始から改質開始条件が成立するまでの間であって、バーナ25aで燃焼が行われる場合には、予混合燃焼が行われる。具体的には、第2燃料バルブ45が閉じられ燃焼用燃料バルブ48が開かれ燃料ポンプ43が駆動されて、燃焼用燃料がバーナ25aの第1噴出器25a1に供給され燃焼される。改質開始条件は、水蒸気がCOシフト部23まで到達し、かつ、改質部21の温度が所定温度(本実施形態では300℃)以上であることである。
改質開始条件が成立した以降で起動運転が終了するまでは、拡散燃焼が行われる。具体的には、第2燃料バルブ45が開かれ燃焼用燃料バルブ48が閉じられ燃料ポンプ43が駆動されるとともに、第2改質ガスバルブ76が開かれ第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75が閉じられて、CO浄化部24からの改質ガスが燃焼部25の第2噴出器25a2に供給され燃焼される。
燃料電池10の定常運転時には、拡散燃焼が行われる。具体的には、第2燃料バルブ45が開かれ燃焼用燃料バルブ48が閉じられ燃料ポンプ43が駆動されるとともに、第2改質ガスバルブ76が閉じられ第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75が開かれて、燃料電池10から排出されるアノードオフガス(燃料極11にて未使用な水素を含んだ改質ガス)が燃焼部25の第2噴出器25a2に供給されて燃焼される。
このように構成された燃焼部25は着火されると、供給されている燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスが燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、改質部21を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するとともに蒸発部26を加熱して水蒸気を発生させるためのものである。燃焼ガスは、燃焼ガス流路25bを流通し、排気管91を通って燃焼排ガスとして排気される。これにより、燃焼ガスは改質部21および蒸発部26をこの順番で加熱する。燃焼ガス流路25bは、改質部21の内周壁に沿って当接して配設され、折り返されて改質部21の外周壁と断熱部28との間に当接して配設され、折り返されて断熱部28と蒸発部26の間に当接して配設された流路である。
なお、燃焼部25には、燃焼部25の温度T1を検出する温度センサ25cが設けられている。温度センサ25cの検出結果は制御装置30に送信されている。具体的には、温度センサ25cは、バーナ25aまたは燃焼ガス流路25bに設けられている。バーナ25aに設ける場合、火炎が直接当らない部位に設けるのが好ましい。燃焼ガス流路25bに設ける場合、バーナにできる限り近い部位が好ましい。
蒸発部26は、改質水を加熱して沸騰させて水蒸気を生成して冷却部22を介して改質部21に供給するものである。蒸発部26は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路25bの最も外側の流路の外周壁を覆って当接して設けられている。
この蒸発部26の下部(例えば側壁面下部、底面)には改質水タンクSwに接続された給水管52が接続されている。蒸発部26の上部(例えば側壁面上部)には水蒸気供給管51が接続されている。改質水タンクSwから導入された改質水は、蒸発部26内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびCO浄化部24からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気供給管51および冷却部22を介して改質部22へ導出するようになっている。なお、給水管52には、上流から順番に改質水ポンプ53および改質水バルブ54が設けられている。改質水ポンプ53は、蒸発部26に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。改質水バルブ54は給水管52を開閉するものである。
また、蒸発部26には、蒸発部26の温度T4を検出する温度センサ26aが設けられている。温度センサ26aの検出結果は制御装置30に送信されている。温度センサ26aは、蒸発部26の水蒸気導出部(水蒸気供給管51が接続されている部分)付近に設けるのが好ましい。
燃料電池10の燃料極11の導入口には改質ガス供給管71を介してCO浄化部24が接続されるとともに、燃料極11の導出口にはオフガス供給管72を介してバーナ25aが接続されている。バイパス管73は燃料電池10をバイパスして改質ガス供給管71およびオフガス供給管72を直結するものである。改質ガス供給管71にはバイパス管73との分岐点と燃料電池10との間に第1改質ガスバルブ74が設けられている。オフガス供給管72にはバイパス管73との合流点と燃料電池10との間にオフガスバルブ75が設けられている。バイパス管73には第2改質ガスバルブ76が設けられている。
起動運転中には、CO浄化部24から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池10に供給するのを回避するため、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を閉じ第2改質ガスバルブ76を開いている。定常運転(発電運転)中には、CO浄化部24からの一酸化炭素濃度の低い改質ガスを燃料電池10に供給するため、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を開き第2改質ガスバルブ76を閉じている。
また、燃料電池10の空気極12の導入口には、大気に開放されたカソード用空気供給管67が接続されるとともに、空気極12の導出口には、大気に開放されている排気管92が接続されている。空気極12に空気が供給され、オフガスが排気されるようになっている。なお、カソード用空気供給管67には上流から順にカソード用空気ポンプ68およびカソード用空気バルブ69が設けられている。カソード用空気ポンプ68はカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ69はカソード用空気供給管67を開閉するものである。
また、燃料電池システムは制御装置30を備えており、この制御装置30には、上述した各温度センサ21c,23e,25c,26a,93a、各ポンプ43,53,62,65,68、各バルブ42,45,48,54,63,69,74,75,76、燃焼部25、ヒータ80が接続されている(図3参照)。制御装置30はマイクロコンピュータ(図示省略)を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、CPU、RAMおよびROM(いずれも図示省略)を備えている。CPUは、各温度センサ21c,23e,25c,26a,93aからの各温度を入力して、各ポンプ43,53,62,65,68、各バルブ42,45,48,54,63,69,74,75,76、燃焼部25およびヒータ80を制御することにより、燃料電池システムの起動運転、発電運転を実施している。RAMは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ROMは前記プログラムを記憶するものである。
上述した燃料電池システムの作動について図3のフローチャートを参照して説明する。制御装置30は、図示しない起動スイッチがオンされると、起動運転を開始する(ステップ100)。
まず、制御装置30は、ステップ102において、バーナ25aを予混合燃焼方式で着火する。具体的には、制御装置30は、燃焼用空気ポンプ65の駆動を開始して、バーナ25aに燃焼用空気を予め設定されている規定流量A1で供給する。これにより、燃焼部25内を燃焼用空気でパージする。
次に、制御装置30は、バーナ25aに内蔵のイグナイタ(図示省略)を通電する(イグナイタの代わりにグロープラグでもよい。)。なお、制御装置30は、着火検知または燃焼用燃料を投入した時点から所定時間経過後にイグナイタ通電を停止する。また、着火はイグナイタやグロープラグによる着火だけでなく触媒点火などでもよい。
そして、制御装置30は、第1燃料バルブ42および燃焼用燃料バルブ48を開き、燃料ポンプ43を駆動して、バーナ25aの第1噴出器25a1に燃焼用燃料を予め設定されている規定流量B1で供給することにより、バーナ25aを着火する。燃焼用燃料は先に供給されている燃焼用空気と混合され、その混合された燃料が第1噴出器25a1で噴出され燃焼されるようになっている(すなわち、予混合燃焼方式で燃焼される)。なお、このとき、第2燃料バルブ45は閉じられ、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75は閉じられ、第2改質ガスバルブ76は開かれている。
このように燃焼用燃料の燃焼(予混合燃焼)が開始されると、その燃焼ガスが燃焼ガス流路25bを通る際に、燃焼ガスによって改質部21、蒸発部26がこの順番で加熱されて昇温する。なお、蒸発部26と同時にCO浄化部24も加熱される。
ステップ102において、制御装置30は、さらに、上述した予混合燃焼方式による燃焼着火と同時にタイマTM4のカウントを開始する。タイマTM4は第4所定時間(本実施形態では、300秒)でカウントが終了するように設定されている。イグナイタへの通電が終了してから次の通電が開始されるまでの非通電時間を短くし過ぎると、イグナイタに熱負担をかけてしまう。したがって、第4所定時間は、これを抑制するのに必要な時間に設定されている。
次に、制御装置30は、燃焼部25の温度T1が所定温度T1−a(本実施形態では300℃)より高くなると、改質水の投入を開始する。具体的には、制御装置30は、ステップ104において、温度センサ25cによって燃焼部25の温度T1を検出し、この検出した温度T1が所定温度T1−a(例えば300℃)より高いか否かを判定する。制御装置30は、燃焼部25の温度T1が所定温度T1−a以下である場合には、「NO」と判定しステップ104の処理を繰り返し実行し、燃焼部25の温度T1が所定温度T1−aより高くなった場合には、「YES」と判定しプログラムをステップ106に進めて改質水の投入を開始する。すなわち、制御装置30は、ステップ106において、改質水バルブ54を開き、改質水ポンプ53を所定供給量Mw1となるように駆動させ、蒸発部26への改質水の投入を開始する。これにより、蒸発部26で水蒸気が生成され、その水蒸気が改質部21へ供給(投入)される。
さらに、バーナ25aの燃焼により、燃焼部25の温度T1が、所定温度T1−aより高い所定温度T1−b(本実施形態では500℃)より高くなると、制御装置30は、バーナ25aを消火する。改質部21の局所的な加熱を抑制するためである。
具体的には、制御装置30は、ステップ108において、温度センサ25cによって燃焼部25の温度T1を検出し、この検出した温度T1が所定温度T1−b(例えば500℃)より高いか否かを判定する。制御装置30は、燃焼部25の温度T1が所定温度T1−b以下である場合には、「NO」と判定しステップ108の処理を繰り返し実行し、燃焼部25の温度T1が所定温度T1−bより高くなった場合には、「YES」と判定しプログラムをステップ110に進めてバーナ25aを消火する。具体的には、ステップ110において、制御装置30は、燃料ポンプ43の駆動を停止する。これにより、バーナ25aへの燃焼用燃料に供給が停止され、バーナ25aの燃焼は停止される。
制御装置30は、ステップ112において、バーナ25aの消火と同時に、燃焼用空気で燃焼部25をパージするとともにタイマTM2のカウントを開始する。具体的には、制御装置30は、燃焼用空気ポンプ62の吐出量を増大させることで、燃焼用空気の供給量(流量)をA1からA2へ増量する。これにより、燃焼用空気で燃焼部25をパージすることができる。また、制御装置30は、タイマTM2のカウントを開始する。タイマTM2は第2所定時間(本実施形態では180秒)でカウントが終了するように設定されている。第2所定時間は、燃焼用空気で燃焼部25をパージするにあたって、燃焼部25(バーナ25a、燃焼排ガス流路25b)に残存する可燃ガス(燃焼用燃料、改質ガスやアノードオフガス)および燃焼排ガスを燃焼部25から追い出すのに必要な時間に設定されている。第2所定時間は、燃焼用空気の流量、燃焼部25の流路長、流路容積などを考慮して設定される。
そして、制御装置30は、タイマTM2のカウントが終了するまで待機する。すなわち、制御装置30は、バーナ25aの消火時点から第2所定時間が経過するまでは、ステップ114にて「NO」の判定を繰り返す。
タイマTM2のカウントが終了すると(バーナ25aの消火時点から第2所定時間が経過すると)、制御装置30は、ステップ114にて「YES」と判定し、続いてタイマTM3のカウントを開始する(ステップ116)。タイマTM3は第3所定時間(本実施形態では400秒)でカウントが終了するように設定されている。第3所定時間は、バーナ25aを消火した時点から再着火するまでに、改質部21、蒸発部26が過冷却となるのを抑制するのに必要かつ十分な時間に設定されている。起動時間の短縮化、燃焼用燃料などの燃料消費量を抑制し省エネ性を向上させるためである。
以下、1)消火時点から第2所定時間と第3所定時間の合計時間が経過する前に、COシフト部23の温度T3が所定温度T3−aより高くなった場合と、2)消火時点から第2所定時間が経過した時点すなわち第3所定時間の開始時点には、既にCOシフト部23の温度T3が所定温度T3−aより高くなっていた場合と、3)COシフト部23の温度T3が所定温度T3−aより高くなる前に、消火時点から第2所定時間と第3所定時間の合計時間が経過してしまう場合と、3つに場合分けして説明する。
1)消火時点から第2所定時間と第3所定時間の合計時間が経過する前に、COシフト部23の温度T3が所定温度T3−aより高くなった場合について
タイマTM3のカウントが終了するとともにタイマTM4のカウントが終了する前に(消火時点から第2所定時間+第3所定時間の合計時間が経過する前に)、COシフト部23の温度T3が所定温度T3−a(本実施形態では、90℃)より高くなった場合、制御装置30は、ステップ120,118で「NO」,「YES」と判定し、プログラムをステップ122に進める。
具体的には、ステップ118において、制御装置30は、温度センサ23eによってCOシフト部23の温度T3を検出し、この検出した温度T3が所定温度T3−aより高いか否かを判定(COシフト部の高温判定)することで、蒸発部26で生成された水蒸気がCOシフト部23に到達したことを検知することができる(到達検知手段)。この所定温度T3−aは水の沸点または沸点より小さくかつ所定温度(例えば10℃)以内に設定された値である。所定温度T3−aは、温度センサ23eが温度測定を行う対象部位の状態が、水が液体相から気体相に変化する変化直前状態であると推定できる値に設定される。
水蒸気がCOシフト部23に到達したことを、COシフト部23の温度と所定温度(例えば、水の沸点)とを比較することで簡単かつ確実に検出できるのは、以下の理由による。起動運転中においては、燃料電池システムの停止直後に運転を再開するなどCOシフト部23が高温である場合を除けば、COシフト部23は、起動当初に比較的早期に高温となる燃焼部25、改質部21、蒸発部26から熱の授受が直接なされず、COシフト部23を流通する流体のみにより加熱されるため、COシフト部23の温度はほぼ雰囲気温度から徐々に上昇する。また、COシフト部23内には触媒23dが充填されているが、水蒸気の到達前は触媒間の熱伝導率は小さいため温度上昇は小さい。一方、水蒸気の到達後は水蒸気により触媒間の熱伝導率が大きくなり温度上昇は大きくなる。
また、COシフト部23からバーナ25aまでには熱的な不安要因が少ないので、COシフト部23に水蒸気が到達した旨の検知を利用してバーナ25aに水蒸気が到達することを精度よくかつ確実に検知(推定)することが可能となる。なお、起動運転中とは、起動運転開始から終了までの期間のことをいい、起動時と同義である。
仮にステップ118で「NO」の場合には、ステップ120において、制御装置30は、タイマTM3のカウントが終了するとともにタイマTM4のカウントが終了したか否かを判定する。制御装置30は、タイマTM3とタイマTM4両方のカウントが終了すれば、「YES」と判定し、プログラムをステップ128に進め、タイマTM3とタイマTM4の何れかのカウントが終了していなければ、「NO」と判定し、プログラムをステップ118に戻す。
ステップ122において、制御装置30は、COシフト部23の温度T3が所定温度T3−aより高くなったとの判定(COシフト部の高温判定)と同時に、タイマTM1のカウントを開始する。タイマTM1は第1所定時間(本実施形態では30秒)でカウントが終了するように設定されている。第1所定時間は、水蒸気がCOシフト部23(厳密には温度センサ23e)に到達してからバーナ25a(厳密には第2噴出器25a2の噴出口)に到達する時間を規定しており、COシフト部23からバーナ25aまでの配管容積、安全率、蒸発が安定する待ち時間などを考慮して決定されるものである。
そして、制御装置30は、ステップ124において、タイマTM1のカウントが終了するとともにタイマTM4のカウントが終了したか否かを判定する。制御装置30は、タイマTM1とタイマTM4両方のカウントが終了すれば、「YES」と判定し、プログラムをステップ126に進め、タイマTM1とタイマTM4の何れかのカウントが終了していなければ、「NO」と判定し、プログラムをステップ124に戻す。
そして、制御装置30は、COシフト部の高温判定を行った時点からタイマTM1のカウントが終了するとともにタイマTM4のカウントが終了した時点において、改質部21の温度T2が所定温度T2−a(本実施形態では300℃)以下である場合、ステップ126で「NO」と判定し、バーナ25aを予混合燃焼方式で再着火する(ステップ128)。
なお、ステップ128は万が一の場合のフロー(処理)であり、このステップが実行されることはほとんどない。ステップ128が実行されてもステップ108やステップ114で「YES」となり、かつステップ118で「NO」、ステップ120で「YES」となる条件の下ではステップ128の燃料不安定時に水蒸気がバーナ25aに到達することはない。また、後述する比較例では燃焼用燃料の燃焼時(2回目に着火時)に水蒸気がバーナ25aに到達してエミッション悪化しているが、燃焼不安定時にバーナ25aに水蒸気が到達するとエミッション悪化に繋がることを証明するためのモデル試験である。
ステップ128において、制御装置30は、ステップ102と同様にバーナ25aを予混合燃焼方式で着火するとともにタイマTM4のカウントを開始する。その後、制御装置30は、燃焼部25の温度T1が所定温度T1−c(本実施形態では490℃)より高くなると、プログラムをステップ110に進めてバーナ25aを消火する。具体的には、制御装置30は、ステップ130において、上述したステップ104の処理と同様に、温度センサ25cによって燃焼部25の温度T1を検出し、この検出した温度T1が所定温度T1−cより高いか否かを判定する。制御装置30は、燃焼部25の温度T1が所定温度T1−c以下である場合には、「NO」と判定しステップ130の処理を繰り返し実行し、燃焼部25の温度T1が所定温度T1−cより高くなった場合には、「YES」と判定しプログラムをステップ110に進める。なお、所定温度T1−cは、所定温度T1−aより高く、所定温度T1−bより低い温度に設定されている。
一方、制御装置30は、COシフト部の高温判定を行った時点からタイマTM1のカウントが終了するとともにタイマTM4のカウントが終了した時点において、改質部21の温度T2が所定温度T2−a(本実施形態では300℃)より高い場合、ステップ126で「YES」と判定し、バーナ25aを拡散燃焼方式で再着火する(ステップ132)。
具体的には、制御装置30は、燃焼用空気をA2から減量する。制御装置30は、燃焼部25に内蔵のイグナイタ(図示省略)を通電する。そして、制御装置30は、第2燃料バルブ45を開くとともに燃焼用燃料バルブ48を閉じ、燃料ポンプ43を駆動して、改質部21に改質用燃料を規定流量B2で供給することにより、バーナ25aを着火する。すなわち、改質用燃料が改質部21に供給され、改質部21で改質が開始されることで、生成された改質ガスが第2噴出器25a2に供給されて噴出され、また、燃焼用空気は第1噴出器25a1から噴出される。それら改質ガスと燃焼用空気がバーナ25aで拡散燃焼方式で燃焼されるようになっている。このとき、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75は閉じられており、第2改質ガスバルブ76は開かれている。また、酸化用空気は規定流量で供給されている。
そして、制御装置30は、バーナ25aを拡散燃焼方式で再着火した後、改質装置20の所定各部位(改質部21、COシフト部23、CO浄化部24)の温度がそれぞれの所定温度以上に到達すると(ステップ134)、起動運転を終了し(ステップ136)、CO浄化部24からの改質ガスを燃料電池10に供給し、燃料電池10の発電を開始する。すなわち発電運転(定常運転)が開始される。このとき、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75は開かれており、第2改質ガスバルブ76は閉じられている。なお、発電開始は、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定値より低くなることによって判断するようにしてもよい。
2)消火時点から第2所定時間が経過した時点すなわち第3所定時間の開始時点には、既にCOシフト部23の温度T3が所定温度T3−aより高くなっていた場合について
消火時点から第2所定時間が経過した時点すなわち第3所定時間の開始時点には、既にCOシフト部23の温度T3が所定温度T3−aより高くなっていた場合には、制御装置30は、ステップ118で「YES」と判定し、プログラムをステップ122に進める。
制御装置30は、上述したステップ122以降の処理と同様な処理を実行する。すなわち、消火時点から第2所定時間が経過した時点すなわち第3所定時間の開始時点からタイマTM1のカウントを開始する(ステップ122)。
そして、制御装置30は、消火時点から第2所定時間が経過した時点すなわち第3所定時間の開始時点からタイマTM1のカウントが終了するとともにタイマTM4のカウントが終了した時点において、改質部21の温度T2が所定温度T2−a以下である場合、バーナ25aを予混合燃焼方式で再着火する(ステップ128)。
一方、制御装置30は、消火時点から第2所定時間が経過した時点すなわち第3所定時間の開始時点からタイマTM1のカウントが終了するとともにタイマTM4のカウントが終了した時点において、改質部21の温度T2が所定温度T2−aより高い場合、バーナ25aを拡散燃焼方式で再着火する(ステップ132)。
3)COシフト部23の温度T3が所定温度T3−aより高くなる前に、消火時点から第2所定時間と第3所定時間の合計時間が経過してしまう場合について
COシフト部23の温度T3が所定温度T3−aより高くなる前に、消火時点から第2所定時間と第3所定時間の合計時間が経過した場合、制御装置30は、ステップ118,120で「NO」,「YES」と判定し、プログラムをステップ128に進めて、バーナ25aを予混合燃焼方式で再着火する。
さらに、上述した燃料電池システムの作動について図4のタイムチャートを参照して説明する。図4は、起動開始と同時に予混合燃焼方式で燃焼を開始し、1回目の再着火(予混合燃焼方式)は水蒸気の到達の後に行い、2回目の再着火(拡散燃焼方式)で改質を開始する場合を示すタイムチャートである。なお、燃焼部25の温度T1および改質部21の温度T2を細く薄い実線で示し、COシフト部23の温度T3を太い濃い実線で示し、蒸発部26の温度T4を太い濃い破線で示す。
この場合、時刻t1に、起動運転が開始される。具体的には、燃焼用空気が規定量A1で供給される。燃焼用燃料バルブ48が開かれ、バーナ25aの第1噴出器25a1に燃焼用燃料が予め設定されている規定流量B1で供給される。そして、バーナ25aで燃焼用燃料の着火・燃焼(予混合燃焼)が開始される(ステップ102)。同時にタイマTM4のカウントが開始される。なお、タイマTM4は時刻t3(時刻t1から第4所定時間経過時点)にカウントが終了する。そして、燃焼部25の温度T1が所定温度T1−a(300℃)に到達すると(時刻t2)、改質水の供給が開始される(ステップ106)。
燃焼部25の温度T1が昇温し所定温度T1−b(500℃)に達すると(時刻t4)、燃焼用燃料バルブ48が閉じられ第2燃料バルブ45が開かれ燃料ポンプ43の駆動が停止され、バーナ25aが消火される、すなわち予混合燃焼が停止される(ステップ110)。同時に燃焼用空気の供給量がA2に増量され、燃焼部25(燃焼空間)のパージが開始される(ステップ112)。また、同時にタイマTM2のカウントが開始される(ステップ112)。
タイマTM2のカウントが終了すると(時刻t5)、続けてタイマTM3のカウントが開始される(ステップ116)。タイマTM3は時刻t7(時刻t5から第3所定時間経過時点)にカウントが終了する。
バーナ25aの消火中の所定時間帯内である時刻t6に、水蒸気がCOシフト部23に到達したことを検知すると(ステップ118,120)、タイマTM1のカウントが開始される(ステップ122)。タイマTM3のカウントが終了する前にCOシフト部23の温度T3が所定温度T3−aより高くなった、すなわち水蒸気がCOシフト部23に到達したことを検出したからである。タイマTM1のカウントが終了した時点(時刻t8)において、改質部21の温度T2が所定温度T2−a(300℃)より低いので、バーナ25aが予混合燃焼方式で再着火される(ステップ128)。なお、時刻t8は時刻t6から第1所定時間経過した時点である。また、再着火と同時にタイマTM4のカウントが開始される。なお、タイマTM4は時刻t9(時刻t8から第4所定時間経過時点)にカウントが終了する。
燃焼部25の温度T1が昇温し、時刻t10に所定温度T1−c(490℃)に達すると(ステップ130)、バーナ25aが消火される(ステップ110)。同時に燃焼用空気の供給量がA2に増量され、燃焼部25(燃焼空間)のパージが開始される(ステップ112)。また、同時にタイマTM2のカウントが開始される(ステップ112)。
タイマTM2のカウントが終了すると(時刻t11)、続けてタイマTM3のカウントが開始される(ステップ116)。タイマTM3は時刻t13(時刻t11から第3所定時間経過時点)にカウントが終了する。
しかし、タイマTM3のカウントが開始された時刻t11において、すでにCOシフト部23の温度T3は所定温度T3−aより高くなっているので、すなわち、水蒸気がCOシフト部23に到達したことをすでに検知しているので(ステップ118)、すぐにタイマTM1のカウントが開始される(ステップ122)。そして、タイマTM1のカウントが終了した時点(時刻t12)において、改質部21の温度T2が所定温度T2−a(300℃)より高いので、バーナ25aが拡散燃焼方式で再着火される(ステップ132)。
この場合、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度(CO濃度)は、時刻t1から時刻t4まで、時刻t8から時刻t9まで、時刻t12から時刻t13まで、バーナ25aの着火(再着火)の直後にピークがあるものの、そのピーク値は600ppmより小さく、その他の部分においては、ほとんど0ppmである。このように、低エミッションを達成することができる。
なお、比較例を図5のタイムチャートを参照して説明する。図5は、図4と同様に、起動開始と同時に予混合燃焼方式で燃焼を開始し、1回目の再着火(予混合燃焼方式)後に水蒸気が到達し、その後2回目の再着火(拡散燃焼方式)で改質を開始する場合を示すタイムチャートである。なお、燃焼部25の温度T1および改質部21の温度T2を細く薄い実線で示し、COシフト部23の温度T3を太い濃い実線で示し、蒸発部26の温度T4を太い濃い破線で示す。
この場合、時刻t21に、起動運転が開始される。具体的には、燃焼用空気が規定量A1で供給される。燃焼用燃料バルブ48が開かれ、バーナ25aの第1噴出器25a1に燃焼用燃料が予め設定されている規定流量B1で供給される。そして、バーナ25aで燃焼用燃料の着火・燃焼(予混合燃焼)が開始される。
燃焼部25の温度T1が昇温し所定温度T1−d(530℃)に達すると(時刻t22)、燃焼用燃料バルブ48が閉じられ第2燃料バルブ45が開かれ燃料ポンプ43の駆動が停止され、バーナ25aが消火される。
その後、時刻t23に、バーナ25aが予混合燃焼方式で再着火される。そして、時刻t24に、水蒸気がCOシフト部23に到達した後、しばらくして時刻t25に、バーナ25aが消火される。その後、時刻t26に、バーナ25aが拡散燃焼方式で再着火される。
この場合、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度(CO濃度)は、バーナ25aの着火(再着火)の直後にピークがあるものの、そのピーク値は600ppmより小さいが、水蒸気がバーナ25aに到達したと思われる時刻(時刻t24より後の時点)以降には燃焼状態が悪くなり高エミッション(高CO濃度)となっている。
上述の説明から明らかなように、この実施形態においては、到達検知手段(制御装置30、ステップ118)は、改質部21、蒸発部26および燃焼部25と熱の授受を直接行わないように改質部21、蒸発部26および燃焼部25から離して設けられたCOシフト部23の温度に基づいて、水蒸気が温度検出手段(温度センサ23e)の設置位置すなわちCOシフト部23に到達したことを検知する。このとき、起動運転中(起動時)においては、燃料電池システムの停止直後に運転を再開するなどCOシフト部23が高温である場合を除けば、COシフト部23は、起動当初すぐに高温となる燃焼部25、改質部21、蒸発部26から熱の授受が直接なされず、COシフト部23を流通する流体のみにより加熱されるため、COシフト部23の温度はほぼ雰囲気温度から徐々に上昇する。また、COシフト部23内には触媒23dが充填されているが、水蒸気の到達前は触媒間の熱伝導率は小さいため温度上昇は小さい。一方、水蒸気の到達後は水蒸気により触媒間の熱伝導率が大きくなり温度上昇は大きくなる。このことから、水蒸気がCOシフト部23に到達したことを、COシフト部23の温度T3と所定温度T3−a(例えば、水の沸点)とを比較することで簡単かつ確実に検出できる。さらには、COシフト部23からバーナ25aまでには熱的な不安要因が少ないので、COシフト部23に水蒸気が到達した旨の検知を利用してバーナ25aに水蒸気が到達することを精度よくかつ確実に検知することが可能となる。ひいては、バーナ25a(燃焼部25)の着火性、燃焼性(エミッション性)を向上させることが可能となる。
また、到達検知手段(制御装置30、ステップ118)は、改質部21、蒸発部26および燃焼部25と熱の授受を直接行わないように改質部21、蒸発部26および燃焼部25から離して設けられたCOシフト部23、およびCOシフト部23とCO浄化部24とを連通する連通管93のいずれかの温度に基づいて、水蒸気が温度検出手段(温度センサ23eまたは温度センサ93a)の設置位置すなわちCOシフト部23または連通管93に到達したことを検知する。このとき、COシフト部においては、請求項1と同様な作用効果を得ることができる。連通管93においては、COシフト部23の温度とほとんど同様に変動するため、水蒸気が連通管93に到達したことを、連通管93の温度と所定温度(例えば、水の沸点)とを比較すること(ステップ118においてCOシフト部23の温度に代えて連通管93の温度を使用すればよい。)で簡単かつ確実に検出できる。さらには、連通管93からバーナ25aまでには熱的な不安要因が少ないので、連通管93に水蒸気が到達した旨の検知を利用してバーナ25aに水蒸気が到達することを精度よくかつ確実に検知することが可能となる。ひいては、バーナ25a(燃焼部25)の着火性、燃焼性(エミッション性)を向上させることが可能となる。
また、起動時において、バーナ25aで燃焼用燃料を燃焼したのち消火し、バーナ25aの消火中に到達検知手段(制御装置30、ステップ118)が水蒸気を検知したのちにバーナ25aで改質ガスを着火・燃焼するように制御する着火制御手段(制御装置30)を備えた。これにより、一度着火し、消火したのち、バーナ25aへの水蒸気到達を確認してから再着火することができる。ところで、一度目の燃焼の熱で水蒸気が発生するが、その水蒸気が、再着火しまだ燃焼不安定なときにバーナ25aに到達するとエミッション(CO濃度増大)が悪化する。しかし、本発明のようにバーナ25aへの水蒸気到達を確認したのちに再着火することにより、エミッション悪化を抑えることができる。
また、着火制御手段は、温度検出手段23eにより検出される温度が所定温度よりも高くなった時点から第1所定時間(TM1)が経過したのちにバーナ25aで改質ガスに着火するように制御する。これにより、起動時において、バーナ25aの消火中に温度検出手段23eにより検出される温度が所定温度よりも高くなった時点(到達検知手段が水蒸気を検知した時点)から第1所定時間の経過をまって、バーナ25aを再着火する。したがって、第1所定時間を水蒸気がCOシフト部23または連通管93に到達した後バーナ25aまでにかかる時間に設定することにより、バーナ着火時に水蒸気が到達するのを確実に抑制することで、バーナ25a(燃焼部25)の着火性、燃焼性(エミッション性)を向上させることができる。なお、バーナ着火時とは、着火手段が動作しているとき(実施形態ではイグナイタONの間)、あるいは着火手段がONされてから所定時間内であることである。
また、着火制御手段(制御装置30、ステップ128)は、バーナ25aを消火してから所定時間(TM2+TM3)内に、到達検知手段(制御装置30、ステップ118)が水蒸気の到達を検知しない場合、バーナ25aで燃焼用燃料を再度燃焼したのち消火するように制御する。これにより、改質部21、蒸発部26の温度を必要以上に低下させないで(過冷却するのを抑制し)、起動時間の短縮化を図ることができる。
また、着火制御手段(制御装置30、ステップ132,128)は、第1所定時間が経過した時点において、改質部21の温度が所定温度以下である場合には、バーナ25aで燃焼用燃料を再度燃焼したのち消火し、改質部21の温度が所定温度より高い場合には、バーナ25aで改質ガスを着火・燃焼するように制御する。これにより、燃焼部25、改質部21の熱を利用することでバーナ消火中においても下流の構成部材を加熱するのを確保しつつバーナ着火時に水蒸気が到達するのを確実に抑制することで、バーナ25a(燃焼部25)の着火性、燃焼性(エミッション性)を向上させることができるのに加えて、改質部21の温度が所定温度より高いことを条件に、バーナを改質ガスで着火・燃焼することで確実に再着火させることができる。
また、燃料電池システムは、上述した改質装置20と、改質装置20から供給される一酸化炭素の低減された改質ガスと酸化剤ガスとから発電する燃料電池10とを備えた。これにより、その燃料電池システムにおいても、上述した請求項1から請求項6の作用効果を得ることができる。