JPH03167759A - 燃料電池用燃料改質器の触媒温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、メタン等を主戚分とする天然ガスあるいはナ
フサ等の改質原料を燃料改負器６こて水素に富むガスに
改質して燃料電池に供給し、燃釉電池にて発電する燃料
電池発′４ＪＬ装置（こおける燃料改質器の改質触媒の
温度制御装置１こ関する。

〔従来の技術〕

改質原料である天然ガス等の王或分であるメタンの水蒸
気改質反応はＮｌ系の改質触媒を用いて約７００〜９０
０℃で行なわれる。その反応式は下記■〜■式で示され
る。

Ｃ　Ｈ４　＋Ｈ２０→ＣＯ＋３Ｈ２　　・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・■Ｃ　Ｈ４
　千２　Ｈｚ　Ｏ→Ｃ　０２　＋　４　Ｈ２　・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・　■■は吸
熱反応であり、■は発熱反応であり、■，■の反応をト
ータルした■は吸熱反応である。したがって改質触媒か
らなる触媒層の温度が上昇するｉこ従ってメタンの分解
反応■は右ｆこ進み、ＣＯの変成反応は左へ進む。これ
らの素反応の速度は実用上の約７００〜９００℃という
温度では充分に逐い。このため，反応量を左右するのは
、熱エネルギーの供：＃量である。この熱エネルギーに
より、反応が起き、触媒層の温度も保たれる。ここで使
用した触媒は、逆反応の触媒とも収りつるので、触媒層
の温度が下がるということは、■式が逆万向（こ進んで
いるといえる。

夷際ζζは、供給されたメタンをできるだけ水素Ｉこ変
換したほうが、燃料電池本体のために好影響を与えるた
め、できるだけ触媒層出口部が高い温反｛こ保たれるこ
とが望ましい。このため、触媒層の中で出口部の温度を
最も高く制御することが従来より行われてきた。

第４図は従来の天然ガスを改質する燃料改質器の改質触
媒の温民を制御する系統を示す制御系統図である。図ｌ
こおいて燃料改質器１は炉室２を形厄する炉容器３と、
炉室２の上部中央に設けられるバーナ４と、炉室２内に
配設され、改質触媒が充横されてなる触媒Ｎ６を有する
改質管７と、炉容器３の下部に設けられ、バーナ４での
燃焼Ｃこよる燃焼ガスの排ガス出口８とから構或されて
いる。

ｌ１は改質原料の天然ガスを改質ｆ７の上方から改質管
７に流入させる改′Ｘ原料供給系であり、醒動式の改質
原料Ｒ．ｉｋｖＩ４堅汗ｌ２と脱硫器ｌ３とを備えてい
る。１４は天然ガスを水蒸気改質反応を行なわせるため
に必要な水蒸気を供給するボ蒸気供給系であり、脱硫器
ｌ３の下流ｆこ接続し、電動式の水蒸気流量調整升ｌ５
を備えている。

ｌｂは脱硫器１３で脱硫された天然ガスと水蒸気との混
合気体が改質管７内の触媒層６をＡ流して水蒸気改質さ
れた改質ガスを燃料電池１７に供給する改實ガス供給系
であり、一酸化炭素変成器１８を備えている。

１９は燃料電池１７にて前記改質ガスと図示しない系統
により供給ざれた空気とＩこより電池反応し、この反応
に寄与しない水素を含むオフガスをバー例えば直流から
交流６こ変俟する電力褒換装鴬である。

串はパーナ４に供給されたオフガスを燃焼させる燃焼空
気をバーナ４（こ供給する燃焼空気供給系であり，ブロ
ワおを備えている。

このような＄或冫こより改質東料供給系１１を経て睨硫
器１３ｉこて脱硫された天烈ガスは水蒸気供給系１４を
緑て併袷さ於る水蒸気と混合して燃料改ｆｆ器１の改質
管７１こ供給される。一万、燃料電池１７からのオフガ
スはオフガス排出系１９を経てバーナ４（こ供給される
。そしてこのオフガスは燃焼空気供給系茨を経て供＠さ
れる撚焼空気により燃焼され、この・一炭１こより生じ
た火炎や燃焼ガスは改質管７の触媒層６を刀０熱した後
、燃焼ガスは排ガス出口８から外行クイζ供出される。

触媒層６の刀ａ熱Ｚこより天然ガスと水蒸気との混合気
体は触媒層６を通流すること｛こより水蒸気改質されて
改質ガスとなり、この改貝方スは改質六゛ス供給系１ｔ
ｉを経て、一酸化炭素変成器１８（こより水蒸気を含む
一酸化炭素は二酸化炭素と水素に変戚され、水素ｌこ富
む改質ガスとなって花料電池１７に供給される。燃料電
池１７ではこの改頁ガスと図示しない系統から供給され
る空気とにより電池反応をして発電する。この発電電力
は電力変換装置加を経て負荷２１ｆこ供給される。

なお、燃料電池１７の１！池反応時、反応に寄与しない
未使用水素を含むオフガスはオフガス排出系１９を経て
バーナ４に供給ざれ、燃料として使用ざれる。

上記の水蒸気改質反応時、触媒層６の温度は水蒸気改質
反応に適切な所定温度に制御される。以下この制御につ
いて説明する。

加は改質管７を通流する天然ガスの触媒層６の出口部の
温度を検出する熱電対のような温度検出器であり、炉室
２の中央部ｆこ崩する改質管の外壁に取付けられでいる
。３１は燃料ｔ池ｌ７から負荷２１に供給する負荷電流
を検出する負荷検出器としての電流検出器である。

燃料電池ｌ７から負荷２１に供給する電力量は電流検出
器３１ｆこより検出され、流量演算器３２に入力される
。流量演算器社では電流検出器３１で検出された負荷電
流に対応して天然ガス流量．水蒸気流量および燃焼空気
ｆＬｔが予め定められた関係ｌこ従って演算される。

燃料改貿器１における水蒸気改質反応時の触媒層６の出
口部の温度は温度検出器加により検出され、この検出温
度と可変抵抗型の温度設定器おで設定した設定＠度との
偏差が加算器おで算出ざれ、この温度偏差が＠度調節器
あに入力ざれる。

Ｒ．ｉ演算器３２からの燃料電池ｌ７の負荷電流に対応
した天然ガス．水蒸気．燃焼空気流量の各出力信号と温
度調節器あからの温度偏差に基づく出力信号は７１０算
器あにて７ＩＩ］！される。そして加算器あからの天然
ガス流量の出力信号と温度′ＪＡ差に基づく出力信号と
の和の出力信号は改質原料升操作器３７に、水蒸気流量
の出力信号と温度偏差に基づく出力信号との和の出力信
号は水蒸気升操作器アに、燃焼空気ＩＮ．量の出力信号
と温度偏差に基づく出力信号との和の出力信号はブロワ
操作器３９　４こ入力され、それぞれｔｌＩＢ式の改質
原料流量調整弁１２　，水蒸気流ｔ請整升ｌ５の弁開度
を制御して天然ガス流量と水蒸気流量が制御され、また
ブロワ操作器３９によりブロワをｌＩＡ動ずる直流モー
タの電圧を制御することによりブロワおの回転数を制御
して燃焼空気流童が制御ざれる。

このような制御において負荷２１の負荷量が変化する際
、天然ガス＃．童，水蒸気流童，燃焼空気流童は負荷量
に対応する流量に制御されて燃料改質器ｌの改質管７と
バーナ４に供給ざれる。この際触媒層６の温度の変化に
応じて、温度調節器おからの出刃信号により天然科ガス
流量，水蒸気流量，燃焼受気流童が変化するように制｛
ＩｇＩされて触媒層６の温度が渥度設定器おの設定温度
Ｃこなるようｌこ制御ざれる。

＠５図は従来の異なる燃料改質器の触媒温度制＃装置の
制御系統図である。なお図において第４図と同一部品に
は同じ符号を付し、その説明を省略する。第５図におい
て第４図と異なるのは、天然ガスを燃料電池ｌ７からの
オフヵス量を補足する助燃料とし、電動式の助燃料流量
調整弁４２を備える助燃料供給系４ｌをバーナ４に接続
し、改質原料弁操作器３７，水蒸気弁操作器３８ｔこは
流量演算器認からの出力信号が入力ざれ、ブロヮ操作器
３９６こは流量演算器３２からの出力信号と温度調節器
あからの出力信号との和の出力信号が７ｌＯＸ器あを介
して入力され、さらに助燃料升操作器６に温度調節器３
５からの出力信号が入力されるようにしていることであ
る。

このような構取により燃料電池ｌ７の負荷量が変化した
とき、Ｒ．量演算器３２からの出力信号が改質原料弁操
作器３７，水蒸気升操作器あに入力され，これらの升操
作器３７　．　３８を介して改質原料流量調整Ｗ　１２
　ｓ水蒸気流量調整弁ｌ５は制御され、天烈ガスＵ量と
水蒸気流量とはそれぞれ負荷童ｔこ対応するように制御
される。そして触媒層６の温度と設定温度との温度偏差
により温度調節器おからの出力信号が助燃料弁操作器Ｏ
Ｃこ入力され、この弁操作器招を介して助燃料流量ｖｔ
４整升４２により天然ガスの助燃料流量が制御され、一
方ブロワ乙の回転数もブロワ操作器３９を介して加算器
あからの出力信号により制御され、負荷量と温度偏差に
応じて天然ガス．助燃料流ＪＩｋに対応する燃焼空気流
量が制御される。この結果負荷量（こ応じた天然カス，
水蒸気流量を改質管７に供給しなから旭媒層６の出口部
は設定温度になるように制＃される。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の天然ガスのような改質原料を改實する・燃料改質
器では、改質管の炉室中央側表面温度をとらえて、触媒
層の温度を一定に制御しようとしている。しかしながら
、負荷の変動を行った場合には、燃料改質器の触媒層の
温度制御に次記のような問題があり、負荷変動の速度が
抑えられることがあった。すなわち、まず負荷が減少し
て多量の未使用水素を含むオフガスがバーナ６こ供給ざ
れた場合，改質すべき改質原料の量も負荷に応じて減っ
ており，触媒層の必要熱量が減少しているうえに、供給
熱量が一時的に増加することになる。この場合、触媒層
の温度がかなりオーバーシ一一トして上昇することにな
り、改質管の金Ｘ＝料に悪影響を及ぼすことになる。ま
た負荷が増カロした場合Ｉこは、オフガス中の未便用水
素が減少してバーナの燃焼エネルギーが一時的に減少し
、一万で改質原料が増刀口して改質のためのエネノレギ
ーは増７Ｊ０する。この場合触媒層の持つ熱容量により
、改質管の炉室中央側表面＠度が応答するまでをこ数分
の時間遅れがあり、制御の応答性が悪くなるおそれがあ
る。さら１こ、温度検出器としての熱電対そのものも高
温の酸化性雰囲気にさらされるため、寿命が短くなる。

本発明の目的は、燃料電池の負荷変動時、改質管の触媒
層の温度を制御する際、触媒層の過渡時における行過ぎ
等の温度変化が小さく、かつ応答性がよい温度制御をす
ることができ、かつ温度検出器の劣化を防ぐことのでき
る燃料電池用燃料改質器の触媒温度制御装置を提供する
ことである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明によれば炭化水素系
の改質原料を改質触媒が充填・されてなる触媒層を有す
る改質管に通流し、バーナでの燃料の燃焼ｌこより生じ
る熱媒体による触媒層の加熱により水蒸気改質して燃料
′罵池｛こ供給するとともに、発車時燃料ｔ池からのオ
フガスをバーナに燃料として供給する燃料電池用燃料改
質器において、改質原料の触媒層出口邪の改質管内壁の
表面温度を検出する温度検出器と、燃料電池発電時の負
荷量を検出する負荷検出器と、燃料電池の負荷量に対応
する前記改質管内壁表面温度の目標値を設定する温度設
定器と、この温度設定器からの目標温度と温度検出器か
ら検出温度との偏差から改質原料流量または燃料流量、
および燃ｖ８空気流量を制御する制御手段とを設けるも
のとする。

〔作用〕

燃料改質器の改質管に投入する改質原料量は燃料電池の
負荷に対応するために発電時の負荷量に対応して増減す
る。一方、燃料改質器の触ｉ層の温度は、負荷が小さい
時には厚み方向の温度分布の温度差も小さく、負荷の増
加と共に温度分布の温度差も大きくなる。したがって、
負荷量の増加と共に温度制御点の目標温度を高めること
で、負荷変動時、触媒層の温度は過渡応答時行過ぎ等の
温Ｋ変化を小さくして速かに目標温度に制御される。こ
の目標温度は舌卆温度設定器に組み込まれ、負荷検出器
からの検出負荷量に対応する目標温度が温度設定器から
出力され、この出力信号Ｉこより負荷変動時の触媒層の
温度を目標温度Ｉこ制御する。

この場合負荷変動時、例えば負荷が増加した場合ｌこは
、燃料電池本体で消費する水素か一時的に増え、バーナ
の燃焼水素量が低下するため改質管の表面温度が低下す
る。この際、改質管の触媒層側表面温度の応答は非常に
速い。したがって温度検出器の検出温度と温度設定器力
）らの増加した負荷に対応する高い目標＠度との偏差力
）ら改質原料流盪または燃料流量、および燃焼空気流ｔ
を制御することにより応答性のよい温度制御が得られる
。

一万、負荷が減少した場曾には、改質原料の投入童も減
少する。この場合前述のように、触媒層の半径方向の温
度差の小さい＠度分邪から制御点の目標温度を低くおさ
える制御としている。これにより改質管の金属温度のオ
ーバーシ一一トが小さく抑えられ、改質管の寿命が延び
る。

なお、温度検出器、例えば熱竃対は改質管内壁に取付け
られているので、炉室の燃焼時の高温の酸化性雰囲気（
こ曝らされず、このため熱竃対の寿？も延びる。

〔実施例〕

以下図面に基づいて本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の実施例；こよる・慾科電池用ｅｊｆ＋
改質器の触媒温度制御装置の制御系統図である。なお、
第１図および後述する第２図において第４図，第５図の
従来例と同一部品には同じ符号を付し、その′ａ明を省
略する。第１図において第４図の従来例と異なるのは温
度検出器Ｉとしての熱毫対を改質管７の触媒層出口部の
内壁表面１こ取何け、さらに負荷検出器としての電流検
出器３１からの負荷電流が入力され、負荷１Ｉｌａが増
刀目する程改寅骨７の触媒層出口部の表面温度の高い目
標温度の出力信号を出力する＠度設定器伺を設けたこと
である。なお、温度設定器４４４と組み込まれる負荷＊
　Ｒ　，すなわち触媒層負荷と改質管の触媒層出口邪の
温度との関係を第３図に示す。第３図Ｉこ右いでＰは改
質反応の平衡ｅｔ算上改質率９０　％　ｌこなる時の触
媒層温度であり、Ｑは触媒層出口■の目標温度と触媒層
負荷との関係を示し、触媒ＷＩｌ出口部の目標温度を負
荷が増加する程高くしている。

このような構戚により燃科電池ｌ７の発電時の負荷ｉｔ
に応じた天然ガス量を改質ｖ７０）触媒層６｛こて水蒸
気改質して燃料電池１７に供給しなから、改質管７の触
媒層出口部の温度は改質管７の内壁表囲濾度を介して温
度設定器倶からの負荷量に対応する目標温度に、負荷変
動時の＠媒層温度の過渡時の行過ぎ等の温度変化を小さ
くシ、応答を遠くして′ｉｉＩ１＃される。

第２図は本発明の異なる実施例による・燃料電池用・燃
料改Ｘ器の触媒渥屓制御装置の制御系統図である。図に
おいて第５図の従来例と異なるのは電流検出器３１の負
荷電流が入力される前記と同じ構漬の温度設定器４を設
け、さらに温度検出器３ｌとしての熱電対を前記と同様
に改質管７の触媒層出口部の内壁表面に取付けたことで
ある。

このような構成により燃料電池の負荷量に応じた天然ガ
スｆを改質器Ｃこで水蒸気改質して燃料電ａ　１７に供
給しながら、改質管７の触媒層出口部の温度は改質管７
の内壁表面温度を介して負荷設定器■からの負荷量に対
応する目標温度に、負荷変動時の触媒層温度の過渡時の
行過ぎ等の＠度変化を小さくし、応答を速くして制御さ
れる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなよう（こ、本発明によれば改質
管の触媒層出口部の内壁表面温度を検出し、この内壁表
面温度の制御目標温度を燃料′ｅｔ池の負荷量に対応し
た温度とし、この目標＠度と検出温度との偏差から改質
原料流量または助燃料流量、および燃焼空気′Ｒ．量を
制御するようにしたことにより、負荷変動時触媒層の温
度は過渡時行過ぎ等の温度変化を小さくして目標＠度に
運かに制御され、この結果負荷変動しても安定した改質
ガスが得られ、また改質管の寿命も長くなるという効果
がある。また＠度検出器としての熱電対は改質管内に設
けるので、枦室の高温酸化性雰囲気に＠されず、このた
め外電対の寿命も長くなるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による燃料電池用燃料改質器の
触媒温度制御装置の制御系統図、第２図は本発明の異な
る実施例による燃料電池用燃料改質器の触媒温度制御装
置の制御系統図、第３図は第１図，第２図の温度設定器
に組み込まれる触媒一′ｊｌ温度の目標値と触媒層負荷
との関係を示す図、第１図は従来の燃料電池用燃料改質
器の触媒温度制御装置のｆｌｌｉ｛Ｊ御系統図、第５図
は従来の燃料電池酎燃料改質器の触媒温度制御装置の異
なる制御系伐図である。 ｌ：燃料改質器、４：バーナ、６：触媒層、７：改質管
、】７：燃料電池、ｌ２・：改質原料流量調整升、ｌ５
：水蒸気流量調整升、幼：燃焼空気ブロワ、３０：温度
検出器，３１：電流検出器、３２：流量演算器，　３５
：＠度調節器、４２：助燃科流′ｊｌ調整弁、第 ３ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）炭化水素系の改質原料を改質触媒が充填されてなる
   触媒層を有する改質管に通流し、バーナでの燃料の燃焼
   により生じる熱媒体による触媒層の加熱により水蒸気改
   質して燃料電池に供給するとともに、発電時燃料電池か
   らのオフガスをバーナに燃料として供給する燃料電池用
   燃料改質器において、改質原料の触媒層出口部の改質管
   内壁の表面温度を検出する温度検出器と、燃料電池発電
   時の負荷量を検出する負荷検出器と、燃料電池の負荷量
   に対応する前記改質管内壁表面温度の目標値を設定する
   温度設定器と、この温度設定器からの目標温度と前記温
   度検出器からの検出温度との偏差から改質原料流量また
   は燃料流量、および燃焼空気流量を制御する制御手段と
   を設けたことを特徴とする燃料電池用燃料改質器の触媒
   温度制御装置。