JP3900841B2 - 燃料電池の改質装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
燃料電池システムとして、改質器の起動性向上のために起動燃焼器を備えたものがある。起動燃焼器には、起動時に原燃料と空気を理論空燃比状態で供給し、この混合気にグロープラグ等で着火して完全燃焼させ、その燃焼熱で改質触媒の加熱を行う。触媒がある設定温度になると改質触媒の過昇温を防ぐため空気を導入して調温し、その後原燃料を増量して改質器で改質反応を開始させる。（特開2000-63104号公報、特開平7-215702号公報参照）
しかしながら、このような起動手法によると、前述したように起動燃焼器の高温ガスで改質触媒を昇温させたのち、まず空気を導入しその後で原燃料を供給するようにしているため、先行する空気導入により改質触媒が酸化劣化を起こしてしまう。本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、酸化劣化を起こすことなく改質触媒を早期に活性化することが可能な燃料電池の改質装置を提供することを目的としている。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、改質触媒を備え水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、起動用の燃焼ガスを生成する起動燃焼器と、前記燃焼ガスにより原燃料を気化させて空気とともに改質器に供給する混合器とを備えた燃料電池の改質装置において、前記改質器の温度を検出する温度検出装置を設けると共に、前記温度検出結果に基づき、改質器起動時に改質器温度が前記改質触媒の活性化温度にあたる設定値に達するまで空気および原燃料の供給を停止するように前記混合器を構成した。
【０００４】
第２の発明は、前記第１の発明において、改質器温度が設定値に達したとき、原燃料を供給したのちに空気を供給するように混合器を構成した。
【０００５】
第３の発明は、前記第２の発明において、改質器温度が設定値に達して原燃料の供給を開始してから空気を供給するまでの時間を、原燃料の燃料量が多いときほど短くなるように可変設定するようにした。
【０００６】
第４の発明は、前記第１の発明ないし第３の発明の温度検出装置を、改質器の温度を検出する温度センサで構成した。
【０００７】
第５の発明は、前記第１の発明ないし第３の発明の温度検出装置を、燃料電池システムの水温と起動後経過時間とから改質器温度を推定するように構成した。
【０００８】
【作用・効果】
前記第１の発明以下の各発明において、起動の当初には起動燃焼器により生成された高温の燃焼ガスが改質器に供給される。この起動開始後に改質触媒が活性化温度に達すると、混合器に原燃料と空気とが供給され、前記燃焼ガスの高温により気化した原燃料と空気とが改質器に供給される。このようにして、改質器の改質触媒が所要の活性化状態に達してから空気および燃料に接触させるので、活性化が不十分な状態で改質触媒が空気に触れて酸化劣化を起こす不具合を防止しつつ改質器の起動を促進することができる。
【０００９】
第２の発明では、起動後に改質器が設定温度に達したらまず原燃料を供給し、その後に空気を供給するようにしたことから、活性化した改質触媒に空気のみが接触することによる酸化劣化を防止することができる。
【００１０】
第２の発明においては、さらに第３の発明として示したように、改質器温度が設定値に達して原燃料の供給を開始してから空気を供給するまでの時間を、原燃料の燃料量が多いときほど短くなるように設定するとよい。これにより原燃料が供給されてから供給燃料が改質触媒部で一定の濃度になるまでの遅れを補償して、改質触媒雰囲気が酸素リッチになることによる触媒の酸化劣化をより確実に防止することができる。
【００１１】
前記各発明における改質器の温度検出装置としては、第４の発明として示したように温度センサにより改質触媒の温度を直接的に検出する構成とするほか、第５の発明として示したように、燃料電池システムの水温と起動（起動燃焼器による燃焼ガスの供給）開始からの経過時間に基づいて温度を推定する構成として温度検出装置としての構成の簡略化および低コスト化を図ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明による改質装置の一実施形態を示すブロック図である。この実施形態では、ガソリンやメタノールなどの炭化水素系燃料からなる原燃料を改質する改質器２２と、その下流にここで発生した改質ガス中のCO成分を図示外の燃料電池スタック（２６）が許容する濃度にまで低減するCO除去部２３を有する。
【００１３】
改質器２２の入口側には起動時に原燃料を燃焼させる起動燃焼器２０と、そこで発生した高温ガスと改質器２２を起動するために必要な原燃料とを混合し気化させるプリミキサ（混合器）２１とが接続されている。起動燃焼器２０には原燃料が供給弁２９により供給されるとともに、コンプレッサ３４から供給される空気が空気供給弁３５により導入される。また起動燃焼器２０には、前記燃料に着火するための点火プラグあるいはグロープラグ等からなる点火装置４０が起動燃焼器２０内に挿入されている。同様に、プリミキサ２１にも原燃料、空気がそれぞれの供給弁３０,３６から供給される。その時の空燃比は理論空燃比よりも濃く設定され、ガス温が高くなりすぎないようにしている。
【００１４】
一方、CO除去部２３の下流には改質システム起動時に、発生した改質ガスの全量を排水素燃焼器２７に供給する切替バルブ２４と、同時にスタック２６への改質ガスの流入を遮断する切替バルブ２５が設けられている。排水素燃焼器２７ではコンプレッサ３４から供給される空気を空気供給弁３８にて流量調整し、排水素燃焼器２７部で混合後、触媒燃焼により高温の燃焼ガスを発生させる。その後、高温ガスは下流の蒸発器２８に流入し蒸発器２８を昇温させたのち外部へ排出される。また、CO除去部２３、排水素燃焼器２７の燃焼に必要な空気はそれぞれ供給弁３７,３８から供給される。なお、原燃料は燃料ポンプ３２により加圧され、図示しないレギュレータにより調圧されてから供給弁２９，３６に供給される。
【００１５】
図２に前記起動燃焼器２０の詳細を、図３に改質装置の起動手順をそれぞれ示す。図３は、改質装置および燃料電池の制御のためにマイクロコンピュータおよびその周辺装置からなるコントローラ（図示せず）により周期的に実行される制御ルーチンである。以下、図３の流れに沿って、前記図１と図２の構成による作動について説明する。なお、以下の説明および図３中において符号Ｓは前記制御ルーチンの処理ステップを表している。
Ｓ１，Ｓ２：
起動時には、まず燃料電池スタック（２６）への改質ガスの流入が切替弁２５により遮断されるとともに、全量を排水素燃焼器２７へ供給する切替弁２４が開かれる。
Ｓ３，Ｓ４：
次に原燃料のポンプ３２, ３９が起動され、燃料供給圧が所定圧に調圧される。同時にコンプレッサ３４も起動され、排水素燃焼器２７への空気も供給弁３８により流量調整して供給される。
Ｓ５〜Ｓ７：
起動燃焼器２０に原燃料と空気が供給弁２９,３５から供給、混合され、点火装置４０により着火燃焼が開始され、高温の燃焼ガスが発生する。このときの燃焼器内の火炎温度は温度センサ５０で検出され、所定の温度になるように燃料、空気量が調整される。図４に前記燃焼器内の火炎温度と燃料−空気量（空気過剰率）の関係を示す。
Ｓ８：
プリミキサ２１を介して改質器２２流入した高温ガスは改質反応により改質器２２を昇温させる。ここで温度センサ５１により改質器２２の触媒温度が検出され、ある設定値、例えばメタノールならば200〜300℃、ガソリンであれば600〜800℃に達するまでは原燃料と空気が導入されず、後述のＳ１３以降のステップに移行する。
Ｓ９〜Ｓ１２：
一方、改質触媒温度が前記設定値に達したらまず供給弁３０から原燃料が、その後予め定めた所定の空気供給タイミングで供給弁３６から空気がそれぞれ供給される。前記供給燃料は、燃焼器２０からの高温ガスにより気相気化される。この時供給される原燃料と空気により、改質器２２への原燃料ガスは改質反応に適した組成に調整される。
Ｓ１３：
改質器２２に流入した高温ガスは改質反応により改質器２２を昇温させながらCO除去部２３へ流入する。
Ｓ１４，Ｓ１５：
CO除去部２３入口では、供給弁３７から供給される空気により流入ガスが所定の温度、組成に調整されたのちCO除去部２３に供給されるため、反応による自己発熱によりCO除去部２３を昇温しながら排水素燃焼器２７に流入する。
Ｓ１６，Ｓ１７：
ＣＯ除去部２３からのガスは排水素燃焼器２７でさらに供給弁３８から供給される空気と混合し、触媒反応により反応ガスが浄化され、発熱により昇温した高温ガスは蒸発器２８へと送られる。
Ｓ１８〜Ｓ２３：
蒸発器２８はこの高温ガスにより加熱、昇温するが、ガスは熱交換により温度が低下するため初めは蒸発器２８出口の温度は低く、システムの暖機が進むとともに上昇する。前記蒸発器出口温度は温度センサ５２により検出され、この温度検出値が所定値以上となった場合は、蒸発器２８に原燃料および水がそれぞれ供給弁３１，３３から蒸発器２８に供給されるとともに、供給弁２９，３５が閉ざされて起動燃焼器２０への原燃料と空気の供給が停止され、供給弁３０が閉ざされてプリミキサ２１への原燃料の供給も停止される。
【００１６】
このとき切替弁２４は遮断され、起動燃焼器２７への改質ガスの流入が遮断される。以後、改質器２２には蒸発器２８で気化した原料蒸気が供給され改質反応を持続する。これにより改質装置としての起動が完了し、定常運転状態へと移行する。なお、蒸発器２８の加熱は燃料電池スタック（２６）にて余ったガスを排水素燃焼器２７で触媒燃焼することにより行う。一方、切替弁２５を開放することにより燃料電池スタック（２６）への改質ガスの供給がなされる。
【００１７】
図５は前述した温度変化および原燃料・空気の供給タイミングの関係を示したものである。原燃料と空気の供給タイミングは、前記の場合はまず燃料を供給してから遅れて空気を供給することにより改質触媒雰囲気が酸素リッチになるのを防止するようにしているが、さらに図６に示したように空気供給タイミングを可変的に設定するようにしてもよい。これは、原燃料が供給されてから供給燃料が改質触媒部で一定の濃度になるまでの遅れを考慮して、改質器２２への供給原燃料量が大であるほど空気供給時期が早くなるようにタイミング設定したもので、これにより改質触媒雰囲気が酸素リッチになることによる触媒の酸化劣化をより確実に防止することができる。
【００１８】
また、この実施形態では改質器２２の温度を温度センサ５１を用いて直接に検出するようにしているが、その代わりに起動開始からの経過時間に基づいて改質器温度を推定するようにしてもよい。これは、例えば図７に示したように蒸発器２８や燃料電池スタック（２６）に保持されている水の温度と、改質器温度が所定値に達するまでの時間との関係を予め実験的に求めてマップ化しておき、起動の当初に前記検出水温からマップ検索した時間が経過したときに空気および原燃料をプリミキサ２１に供給するようにする。この構成によれば、燃料電池システムが標準的に備えている水温検出の機能を利用しているので、改質器２２に高価な温度センサ（５１）を適用する必要がなくなり、それだけコストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池システムの一実施形態を示すブロック図。
【図２】前記燃料電池システムの起動燃焼器の説明図。
【図３】前記実施形態における起動制御の制御ルーチンを示す流れ図。
【図４】起動燃焼器に供給する原燃料混合気の空気過剰率と火炎温度の関係を示す特性図。
【図５】前記実施形態における起動時の原燃料と空気の供給時期を示すタイミング図。
【図６】空気供給時期に関する他の実施形態の特性図。
【図７】水温と起動時間から改質触媒温度を与えるマップの一例を示す説明図。
【符号の説明】
２０ 起動燃焼器
２１ プリミキサ（混合器）
２２ 改質器
２３ CO除去部
２４，２５ 切替バルブ
２６ 燃料電池スタック
２７ 排水素燃焼器
２８ 蒸発器
２９，３０，３１ 原燃料供給弁
３２ 原燃料供給ポンプ
３３ 水供給弁
３４ コンプレッサ
３５，３６，３７，３８ 空気供給弁
３９ ポンプ
４０ 点火装置
５０，５１，５２ 温度センサ

Claims (5)

1. 改質触媒を備え水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、起動用の燃焼ガスを生成する起動燃焼器と、前記燃焼ガスにより原燃料を気化させて空気とともに改質器に供給する混合器とを備えた燃料電池の改質装置において、
   前記改質器の温度を検出する温度検出装置を設けると共に、
   前記温度検出結果に基づき、改質器起動時に改質器温度が前記改質触媒の活性化温度にあたる設定値に達するまで空気および原燃料の供給を停止するように前記混合器を構成した燃料電池の改質装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池の改質装置において、前記改質器温度が設定値に達したとき、原燃料を供給した後に空気を供給するように前記混合器を構成した燃料電池の改質装置。
3. 請求項２に記載の燃料電池の改質装置において、改質器温度が設定値に達して原燃料の供給を開始してから空気を供給するまでの時間を、原燃料の燃料量が多いときほど短くなるように可変設定するようにした燃料電池の改質装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池の改質装置において、前記温度検出装置を改質器の温度を検出する温度センサで構成した燃料電池の改質装置。
5. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池の改質装置において、前記温度検出装置を、燃料電池システムの水温と起動後経過時間とから改質器温度を推定するように構成した燃料電池の改質装置。

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