JP5292389B2 - 水素システムおよび水素システムの始動方法 - Google Patents

Description

本発明は、水素生成装置と水素消費装置とを含む水素システム、および該水素システムの作動方法に関する。

より具体的には、本発明は、生成される熱エネルギーの利用を伴うかあるいは伴わずに電気エネルギーを生成するための装置および方法に関する。本発明は、電気エネルギーの生成および／または熱の生成の複合に基づくものであり、水素消費装置は、炭化水素燃料油、ディーゼル、バイオ燃料等の液状燃料を使用するオートサーマル改質装置から出る処理ガスを用いて動作する高温ＰＥＭ燃料電池から構成することができる。本発明は、ＡＰＵシステムおよび／または熱と電力の複合生産に利用可能である。ここでＰＥＭ燃料電池と言う場合、水素燃料と好ましくは空気中の酸素とを用いて電気を生産するプロトン交換膜燃料電池を指している。水素消費装置は燃料電池の代わりに、アンモニア生産、水素および／または一酸化炭素および／または二酸化炭素を必要とする処理用の装置など、他の装置から構成するようにしても良い。

水素生成システムを燃料電池と共に使用する場合、標準的なＰＥＭ燃料電池に比べてＨＴ−ＰＥＭ燃料電池の方がやや有利である。液体燃料を合成ガス／改質ガスに改質する改質装置と高温ＰＥＭ燃料電池とを併用した場合、低温で動作する従来の燃料電池に比較して、高温ＰＥＭ電池の膜の方がＰＥＭ燃料電池の膜より一酸化炭素（ＣＯ）に対する耐性がはるかに高いという点で有利である。実際的にＣＯに対する耐性がなく、このガス成分を除去するために厳重な対策をとる必要がある低温ＰＥＭ電池に比べると、このことは非常に有益であると言える。また、ＰＥＭ燃料電池がＣＯで汚染されるのを防止するために、水転換反応器に加えて、改質路でＣＯを酸化除去させるための初期酸化（選択酸化（ＳｅｌＯｘ）とも呼ばれる）を行う場合もある。これらの方策は制御が困難であり、よって高コスト（例えば２種類以上の触媒を要する）となる。

公知のＨＴ−ＰＥＭ燃料電池システムが持つ欠点の一つとして、動作温度がより高くなっていることから、低温作動時に燃料電池システムを動作温度まで暖機（アイドリング）するのに時間がかかるということが挙げられる。従来技術によるＨＴ−ＰＥＭ燃料電池システムでは暖機に４５分以上要し、短時間での暖機を要求される多くの用途において重大な欠点となり得る。

従って本発明は、一般に水素システム、より詳細には水素消費装置が燃料電池、特にＨＴ−ＰＥＭ燃料電池から成る水素システムの始動に要する時間を短縮する方法に係り、より効率的な始動を達成するように構成された水素システムに係る。

この種の燃料電池用の改質装置が特許文献１から公知となっている。この文献には改質装置の始動方法が開示されているが、この改質装置は始動手続きにおいて暖機を要するＨＴ−ＰＥＭ燃料電池システムの中のごく一部に過ぎず、システムの他の部分の暖機を促進する方法については開示していない。

米国公開特許第２００５／００９５５４４号公報 米国登録特許第６，７９３，６９３号公報（Ｋｏｅｈｎｅ ｅｔ ａｌ．）

従って、本発明の目的は、水素システム全体の効率的な始動方法、およびより高速に始動手続き（水素システムの動作温度に達するまでの時間）を実行できるように構成された水素システムを提供することである。

この目的は、添付の独立請求項１，１６，１８に定義される本発明によって達成される。本発明のその他の実施形態については従属請求項に定義される。

以下の記載において、「改質ガス」という用語は、主として水素から成るが、ある程度の量のＣＯ、ＣＯ_２、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏも含むガス混合物を指すものとする。なお、改質ガスの発生源は、改質装置における改質処理であるが、改質ガスの組成は水素システムの動作中に改質ガスが水素システムを通過する際に変化する場合がある。また、本出願を通じて水素について言及する場合には、特に断らなくても、一定量のＣＯも存在することを前提とする。

気化した炭化水素燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する改質装置と水素消費装置とを備える水素システムであって、前記改質装置と前記水素消費装置が改質ガスを水素消費装置に送ることができるように流体連通されており、前記水素消費装置は使用時に前記改質装置の生成する水素の少なくとも一部を消費する水素システムが提供される。この水素システムはさらに、
前記水素消費装置および第１の熱交換器と流体連通するように配設されている排ガスバーナであって、前記排ガスバーナにおいて、その使用時に前記水素消費装置からの排ガスに残存する改質ガスを燃焼させることで前記第１の熱交換器を通過する排気ガスを生成する排ガスバーナと、
前記改質装置および排ガスバーナと流体連通するように配設されている少なくとも１つの空気ポンプであって、使用時に前記改質装置および排ガスバーナに空気を供給する少なくとも１つの空気ポンプと、
前記第１の熱交換器と流体連通し、その後に前記改質装置と流体連通するように配設されている水ポンプであって、使用時に前記第１の熱交換器に水を供給し、第１の熱交換器において前記排ガスバーナからの排ガスに含まれる熱エネルギーを用いて蒸気を生成して前記改質装置に送るように構成されている水ポンプを備える。

水素消費装置に迂回流体ラインを設けて、改質ガスが水素消費装置を迂回できるようにしても良い。この構成は、水素消費装置の一部が改質ガスで汚染される場合に有用、かつ必要である。水素消費装置が、一酸化炭素（ＣＯ）に対して不耐性の膜を有する燃料電池から成る場合、特にこのことが言える。従って、始動段階においては、燃料電池の温度が、膜がＣＯに対する耐性を示す温度に達するまでは、改質ガスを迂回させる必要が生じる場合がある。いずれにしても始動時に、改質ガスの少なくとも一部を迂回させて排ガスバーナに送り、排ガスバーナで熱を生成させることによりシステムのその他の部分も暖められるようにすると効果的である。

水素消費装置を加熱するために、迂回流体ラインに熱交換器を設け、水素消費装置に加熱冷却回路を設けても良い。加熱冷却回路は熱交換器と流体連通して配設し、それによって使用時に、加熱冷却回路を流れる流体と迂回流体ラインを流れる改質ガスとが熱エネルギーを交換できるようにするのが好ましい。加熱冷却回路を用いて、始動段階においては水素消費装置の加熱を行い、またシステムが動作温度に達して安定して動作している間は水素消費装置の冷却を行うようにしても良い。

水素システムは、使用時に前記排ガスバーナからの熱エネルギーを用いて前記空気ポンプから改質装置へと流れる空気を加熱できるように構成されている第３の熱交換器をさらに含んでも良い。

本発明の一実施形態では、水素システムが第２の熱交換器をさらに含み、使用時に、前記改質装置からの改質ガスと前記第１熱交換器からの蒸気および／または前記空気ポンプからの空気が前記第２の熱交換器を通って流れ、改質ガスに含まれる熱エネルギーを用いて蒸気および／または空気流を加熱することによって改質ガスの温度を低下せしめるように構成されても良い。第１の熱交換器において生成される蒸気と空気とは、第２の熱交換器を通過する前に混合されるのが好ましいが、蒸気と空気を第２の熱交換器を介して別個の流体ラインを通じて改質装置まで送ることも可能である。

別の実施形態では、水素システムが水転換反応器をさらに含み、使用時に改質ガスが水転換反応器を流れることによって、前記改質装置によって生成される一酸化炭素を用いて水素および二酸化炭素が生成される。このような水転換反応器が必要となるのは、水素消費装置が改質ガスに高含有量で含まれるＣＯに対して感応性の膜を有する燃料電池から成る場合である。

好ましくは改質装置自体、気化した炭化水素燃料と空気および／または蒸気の混合を行う混合空間と、改質処理を行う改質空間と備える。混合空間は液体炭化水素燃料の気化を行う気化器と、空気と蒸気の供給のための共用または別個の入口と、水素システムの暖機中に炭化水素蒸気と空気との混合気体に点火するためのグロープラグとを備える。

液体炭化水素燃料に対しては、気化器を通って改質装置に送られる前に、必要に応じて硫化装置による硫化が行われる。このような装置は市販の装置であるため、ここでは説明を省略する。

改質処理は、触媒と、改質装置からの生成物用の出口とを有する改質空間において行われる。

改質装置の改質空間と混合空間は、相互間で流体連通をもたせた別個の部分またはユニットとして形成することができる。あるいは改質装置を単一の区画として、その一端に改質空間、他端に混合空間を配置した構成としても良い。

本発明のさらに別の実施形態では、第２の熱交換器に蒸気に追加の水を供給するための入口が設けられる。蒸気に水を追加供給することによって、第２の熱交換器を通過する改質ガスの温度をさらに低下させると共に、改質装置に注入される蒸気をより多く生成できるようになる。

本発明のさらに別の実施形態では、水素消費装置は、流体入口と流体出口とを有する陽極側と、流体入口と流体出口とを有する陰極側とを備える燃料電池から成り、燃料電池は生成された水素の少なくとも一部を用いて電気エネルギーを生産する。

水素システムはさらに、陰極側流体入口に接続された流体ラインと、ファンとを備え、該ファンが燃料電池の陰極側の流体入口に空気を提供する。空気が陰極側流体入口に入る前にこれを暖めるために、陰極の流体出口を出るガスを用いて、流体入口に入る前の空気を加熱しても良い。これは、熱交換器を設け、冷たい空気と陰極からの暖かいガスをこの熱交換器を通って流して、両者が熱エネルギーを交換するようにすることで達成される。

本発明のさらに別の実施形態では、水素システムが第４の熱交換器を備え、水転換反応器からの生成物と燃料電池の陰極側からの生成物とが第４の熱交換器を通過することで、水転換反応器からの生成物が燃料電池の陽極側に入る前に燃料電池の陰極側からの生成物によって冷却されるように構成される。第４の熱交換器は排ガスバーナにも接続されており、燃料電池の陰極側を出た生成物は、第４の熱交換器を通過した後、排ガスバーナに送られる。

上記の代替案として、別の実施形態の水素システムは、上述と同様の第４の熱交換器を含むが、この第４の熱交換器はさらに、改質装置に流入する蒸気と空気の混合気体と流体連通させることにより、燃料電池の陰極側からの生成物が改質装置へと送られるように構成される。燃料電池の陰極側からの生成物は、蒸気と空気から成り、この構成の場合、空気および第１の熱交換器からの蒸気の必要供給量が少なくて済む。

本発明のさらに別の実施形態では、燃料電池がＨＴ−ＰＥＭ燃料電池から成る。

また、排ガスバーナも提供される。この排ガスバーナは、空気および可燃性排ガス用の少なくとも１つの入口と、該排ガスバーナを出る排ガス用の出口とを有するハウジングを含み、可燃性排ガスに点火するためのグロープラグを備えることを特徴とする。

本発明の一実施形態では、排ガスバーナに触媒が設けられる。

当業者の間では、可燃性排ガスは、触媒式排ガスバーナに入ると点火手段の補助が無くても酸化するものと通常考えられている。本発明者らは、必ずしもそうではないことに気づいたため、可燃性排ガスを確実に酸化するために、排ガスバーナに少なくとも１つのグロープラグを設けることにした。グロープラグは排ガスバーナの入口付近に配置するのが好ましい。

排ガスバーナに触媒を設けた場合、排ガスの酸化を防止するべく触媒の温度を低くしすぎると（＜１５０℃）、触媒がＣＯに汚染される恐れが生じる。このことが、始動段階において排ガスバーナの温度を十分に高くするまでの間に問題となる点である。従って、グロープラグを設けることは、排ガスバーナに触媒を設ける場合に特に有用である。また、グロープラグはＣＯが触媒に入る前にＣＯの酸化を開始するため、触媒に入るＣＯの量を低減すると同時に、触媒の温度を短時間で上昇させる。これらの効果が相まってＣＯによる触媒の汚染を防止する。また、触媒式排ガスバーナはＮＯ_ｘとＣＯの排出を防止する上でも有益である。

また、本発明は、
液体炭化水素燃料から水素を生成する改質装置であって、混合空間と改質空間を設けられており、前記混合空間が液体炭化水素燃料を気化するための気化器と、蒸気と空気を供給するための１つまたは複数の水および空気用入口と、グロープラグとを備え、改質空間が改質処理用の触媒と、改質装置からの生成物の出口とを備える改質装置と、
改質装置と流体連通するように配設されている水素消費装置と、
改質ガスを燃焼する排ガスバーナであって、グロープラグを設けられている排ガスバーナと、
排ガスバーナおよび改質装置に空気を供給する少なくとも１つの空気ポンプと、
排ガスバーナからの排ガスを通過させることができるように前記排ガスバーナと流体連通して配設されている第１の熱交換器と、
水を通過させることができるように第１の熱交換器と流体連通して配設されている水ポンプとを含んで成る水素システムであって、前記第１の熱交換器で生成された蒸気を通すために、前記第１の熱交換器と改質装置との間も流体連通されている水素システムの始動方法も提供する。本発明の方法は、
グロープラグを始動させることにより炭化水素燃料気化器を加熱するステップと、
前記炭化水素燃料気化器が所定の温度に達した時点で液体炭化水素燃料を気化器に通過せしめ、その結果得られた炭化水素蒸気を前記混合空間において空気と混合することにより、炭化水素蒸気と空気の混合気体の燃焼を開始するステップと、
前記改質装置の触媒入口の温度が所定の値に達するまで燃焼処理を継続し、その後燃料供給およびグロープラグを停止することにより燃焼処理を終了するステップと、
燃焼処理が行われた混合空間を、炭化水素蒸気と空気の混合気体の自己点火が生じない所定の温度に達するまで冷却するステップと、
前記排ガスバーナのグロープラグを始動し前記改質装置への液体炭化水素燃料の供給をオンにすることにより、前記改質装置に接触部分酸化（ＣＰＯ）による改質ガスの生成を開始させるステップと、
改質ガスを排ガスバーナに送り、排ガスバーナにおいて改質ガスを燃やして熱を生成し、その熱を利用して前記改質装置に送られる空気を第３の熱交換器において予熱するステップと、
前記第１の熱交換器の温度が所定の温度、好ましくは少なくとも１００℃に達した時点で前記水ポンプを作動させることにより、排ガスバーナからの排気に含まれる熱エネルギーを用いて蒸気を生成するステップと、
前記改質装置に蒸気と空気の混合気体を送って蒸気の改質処理を開始させた後、前記改質装置に送る蒸気の量を徐々に増加して蒸気の改質処理を徐々にオートサーマル改質（ＡＴＲ）に切り換えるステップとを含んで成る。

オートサーマル改質（ＡＴＲ）とは、蒸気改質と部分酸化との併用を意味する。

本発明の方法の一実施形態は、水素消費装置に改質ガス用の迂回流体ラインを設け、必要に応じて、あるいはそれが望ましい場合は、該迂回流体ラインに改質ガスを通すようにするステップを含む。上述のように、水素消費装置の１つ以上の部分が一酸化炭素に対して不耐性である場合、改質ガスを迂回させる必要性が生じることがある。

さらに別の実施形態では、迂回流体ラインに熱交換器を設け、水素消費装置に加熱冷却回路を設け、必要に応じてあるいはそれが望ましい場合は、加熱冷却回路を流れる流体と迂回流体ラインを流れる改質ガスに熱エネルギーの交換を行わせるようにするステップを含む。こうすることで、加熱冷却回路を用いて、始動段階においては水素消費装置を暖機し、その後水素システムが正常に動作している間はこれを冷却することができる。

本発明のさらに別の実施形態では、第２の熱交換器を設け、改質ガスと前記第１の熱交換器からの蒸気、または前記第１の熱交換器からの蒸気と空気との混合気体が前記改質装置に送られる前に該第２の熱交換器を通過することにより、前記改質ガスの温度を低下させると共に、前記蒸気または前記蒸気と空気の混合気体の温度を上昇させるステップをさらに含む。

本発明のさらに別の実施形態では、水転換反応器に入口と出口を設け、水転換反応器の入口を前記改質装置、または設置されている場合には前記第２の熱交換器と流体連通するように配設すると共に、水転換反応器の出口を水素消費装置と流体連通することにより、改質ガス中の一酸化炭素を少なくとも部分的に除去するステップを含む。水転換反応器は、例えば水素消費装置が一酸化炭素に対して不耐性の燃料電池から成る場合に設けることができる。動作温度に達すると、水転換反応器は十分な量の一酸化炭素を除去して燃料電池の膜が汚染されないようにする必要がある。改質ガス中の許容可能なＣＯの比率は、燃料電池に使用される膜の種類によって決まる。今日市販されているＨＴ−ＰＥＭ燃料電池膜の場合、一酸化炭素を２％までとするのが一般的である。

本発明のさらに別の実施形態では、水素消費装置に陽極側と陰極側とを有する燃料電池を設けるステップを含む。

本発明のさらに別の実施形態では、第４の熱交換器を、前記水転換反応器および前記燃料電池の陽極側と流体連通して設け、前記改質ガスが前記燃料電池の陽極側に送られる前に、改質ガスと前記第１の熱交換器からの蒸気とが熱エネルギーの交換を行うようにするステップを含む。

上記実施形態の代替的形態では、上記のように第４の熱交換器を、前記水転換反応器および前記燃料電池の陽極側と流体連通して設け、前記改質ガスが前記燃料電池の陽極側に送られる前に、改質ガスと前記燃料電池の陰極側からの蒸気とが第４の熱交換器において熱エネルギーの交換を行うようにするステップを含むようにしても良い。燃料電池の陰極側からの生成物を、第４の熱交換器を通過させた後に排ガスバーナに送ることもできる。

このように、第４の熱交換器を用いることにより、改質ガスの温度を制御して、すなわち、第４の熱交換器において、改質ガスと第１の熱交換器からの蒸気または燃料電池の陰極側からの生成物との間で熱交換させることによって、改質ガス温度が燃料電池の温度限界を超えないようにすることができる。

本発明のさらに別の実施形態では、排ガスバーナへの空気供給のために別個の空気ポンプを設けるステップを含む。このように、排ガスバーナにおける燃焼処理用の空気を、改質装置に空気を提供するのと同じ空気ポンプから提供しても良いし、あるいは排ガスバーナ用の空気を別個の空気ポンプまたはファンを用いて供給しても良い。燃料電池の陰極側から出る生成物を第４の熱交換器を通過させた後排ガスバーナ送る場合、燃料電池で行われる処理に必要な量に較べて余った空気を陰極に送るだけで、これらの生成物にある程度の空気を提供することもできる。

本発明のさらに別の実施形態では、第２の熱交換器に追加の水を供給することにより、前記改質ガスの温度をさらに低下させると共に、前記改質装置に供給し得る蒸気の量を増加させるステップを含む。

使用する燃料の種類によっては、液体炭化水素燃料の硫黄分を除去してから気化器に通して改質装置の混合空間内に送る必要が生じる場合がある。従って、本発明のさらに別の実施形態では、液体炭化水素燃料に気化器を通過させる前に該液体炭化水素燃料の脱硫を行うための脱硫装置を設けるステップを含む。上述のように、脱硫装置は市販されているため、ここでは説明を省略する。

このように、本発明は水素システムとシステムの始動方法に係り、改質装置において液体燃料を改質してＨ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｎ_２を主成分とする合成ガス、すなわち改質ガスを生成する。必要に応じて、特に水素消費装置が燃料電池から成る場合は、改質ガスを改質装置から水転換反応器に移し、水とＣＯを反応式Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ＝ＣＯ_２＋Ｈ_２により反応させても良い。燃料電池が高温ＰＥＭ型の燃料電池である場合、水転換反応器からの流出液に含まれるＣＯを好ましくは２体積％未満、より好ましくは１体積％未満に減少させて後に水転換反応器から高温ＰＥＭ燃料電池に移すようにする。

例えば前出の特許文献２に記載のような改質装置が水素システムに使用される場合もある。この改質装置は、液体燃料の完全燃焼、接触部分酸化、および液体燃料のオートサーマル改質を可能にするものである。この種の改質装置を用いることによって、上に説明すると共に図面に概略的に示した組み合わせが、燃料電池等の水素消費装置を含む水素システムを始動段階において排ガスバーナに点火すると共に急速に加熱できるという点で有益となる。始動段階において、改質装置は接触部分酸化（ＣＰＯ）を行うが、水素システムの温度が徐々に高くなるに従って、次第にオートサーマル改質（ＡＴＲ）へと移行していく。従って、非常に初期の段階（低温始動）から高温レベルを使用可能である。高温レベルの熱エネルギーの使用は、触媒式排ガスバーナの排ガスの流れの中に別個の熱交換器を組み入れることによって可能となる。排ガスは蒸気を生成するための第１の熱交換器を直接通って流れるが、このこともまた、第１の熱交換器の温度を早急に上昇させることとなる。すなわち、改質装置における液体燃料のオートサーマル改質に必要な蒸気の生成が水素システムの始動後すぐに開始されることとなる。

本システムは下記のような固有の特徴を有するものである。

−改質装置が液体燃料の完全燃焼、接触部分酸化、および液体燃料のオートサーマル改質を行うことができる（一体型改質装置である）。

−本システムは燃料電池も含めて非常に高速に加熱することができる。この特徴は、改質装置において完全燃焼させながらシステムを始動することで実現されるものである。瞬時に（燃焼段階の直後に）動作する排ガスバーナを用いて酸化剤の空気を直接予備加熱すると共に蒸気の生成を行うことによって、グロープラグと燃料蒸発器とを用いて高速に始動を行うことができる。

さらに、
−第３の熱交換器が排ガスバーナに一体化されており、この熱交換器を流れる空気流が改質装置に向かう空気流の予備加熱を行う。

−蒸気を生成する気化器（すなわち第１の熱交換器であって、燃料気化器ではない）が排ガスバーナの出口流に配置されている。

−転換段階が含まれる場合、転換段階から下流では熱伝達が無いため、始動段階においてガス流が冷却されるのを防止することができる。

−排ガスバーナに触媒が設けられている場合、グロープラグを備えた排ガスバーナは、グロープラグを排ガスバーナの触媒と逆火防止器との間に配置して構成される（改質ガスに含まれるＣＯが触媒燃焼のための触媒の自動点火を抑止する）。

本発明による水素システムの第１の実施形態を概略的に示す図である。 本発明による水素システムの第２の実施形態を概略的に示す図である。 本発明による水素システムの第３の実施形態を概略的に示す図である。 本発明による排ガスバーナを概略的に示す図である。

次に、添付図面を参照して、本発明について詳細に説明する。

図の中で用いる参照符号は、特に断らない限り各図で同じ技術的特徴を示すものとする。

図１は本発明の第１の実施形態を概略的に示しており、水素システム１０は改質処理を行う改質装置１２を備えている。

改質装置１２は混合空間１４と改質空間１５とを有している。混合空間と改質空間は、図１に示すように２つ別個のユニットまたは区画として形成しても良いが、その場合は流体が混合空間１４から改質空間１５へと流れるように構成する必要がある。別の方法として、改質装置を単一のユニットまたは区画として形成して、そのユニット内で混合空間１４と改質空間１５が別個の空間を占めるように形成しても良い。

混合空間１４はさらに、液体炭化水素燃料を気化するための気化器１６を備えており、液体炭化水素燃料は流体ライン５０を通って気化器１６に送られて、気化器を通過するが、気化器１６を通過する際に気化される。混合空間１４においては、気化された燃料が空気または空気と蒸気の混合気体と混合される。気化された燃料は、始動処理の初期段階、すなわち改質処理が開始される前に空気と混合される。その後、改質処理の開始時に、空気と蒸気の混合気体が混合空間に送り込まれる。

混合空間１４はまた、少なくとも１つのグロープラグ１７を含む。グロープラグは気化器１６を加熱し、始動処理中に空気と気化燃料の混合気体の燃焼が確実に行われるようにする目的で設けられる。

空気、空気／蒸気混合気体が、入口１９を介して混合空間１４に送り込まれる。流体ライン６４が入口１９に接続されており、空気、空気／蒸気混合気体を混合室に提供している。ここでは空気、空気／蒸気混合気体用の入口１９として１つしか示していないが、必要なだけ任意の数の入口を設けることが可能であることは言うまでもない。空気と蒸気をそれぞれ異なる入口から混合空間１４に送り込むことも可能である。

改質空間１５は、改質処理の進行を助ける触媒１８と、始動処理の初期段階における燃焼生成物と改質ガスが出て行く出口２０とを備える。始動処理中に触媒温度が十分な高温に達すると、グロープラグ１７がオフになる。

出口２０は、改質ガスを改質装置１２から水素消費装置４０に送る流体ライン６２に接続されており、水素消費装置４０は流体ライン６２が接続される入口４８と、流体ライン５８が接続される出口４９とを備える。水素消費装置は燃料電池、アンモニア製造装置、その他主に水素から成る改質ガスを消費する装置である。

さらに、迂回流体ライン６０も設けられており、改質装置１２からの改質ガスの少なくとも一部がこの迂回流体ライン６０を通過する。水素消費装置４０が燃料電池、特にＨＴ−ＰＥＭ燃料電池から成る場合、改質ガスを迂回流体ライン６０に迂回させて、流体電池の膜が一酸化炭素により汚染されるのを防止する必要がある。

一端部を水素消費装置４０に接続されている流体ライン５８が、他端において排ガスバーナ３５に接続されている。したがって、水素消費装置４０または迂回流体ライン６０を通る改質ガスは、排ガスバーナへと送られて、そこで燃焼される。排ガスバーナ３５で生産される熱エネルギーは、水素システム１０の始動処理を高速化する上で重要である。

排ガスバーナ３５は、入口３８と排ガス用の出口３９とを備え、好ましくは触媒３６も備えることにより排ガスバーナ３５内において触媒による酸化処理が実施できるように構成されている。排ガスバーナ３５内の好ましくは入口３８付近、触媒３６の手前に、少なくとも１つのグロープラグ３７が設けられている。

また、流体ライン５６を介して空気の供給を受ける空気ポンプ３０が設けられている。空気ポンプ３０を使用して、改質装置１２に対し、また任意に排ガスバーナ３５に対しても空気が供給される。排ガスバーナへの空気の供給は、空気ポンプ３０とは別の空気ポンプから行うようにしても良い。

排ガスバーナ３５は熱を生成するが、その熱は第３の熱交換器２３において空気ポンプ３０からの空気を加熱するために使用される。空気ポンプ３０からの空気は流体ライン５７を通じて第３の熱交換器２３へ送られる。第３の熱交換器において空気が暖められた後、第３の熱交換器２３に接続されている流体ライン５５を通って送られる。

排ガスバーナ３５からの排気ガスは、排ガスバーナ３５の出口３９と第１の熱交換器２１に接続されている流体ライン５３を通って送られる。第１の熱交換器２１を通過した後、排ガスは排出流体ライン５４を通る。

水素システムはさらに、流体ライン５１を介して水の供給を受ける水ポンプ３１も備えている。水ポンプ３１は流体ライン５２を介して第１の熱交換器２１へ水を送り出すが、第１の熱交換器２１を通過する際に、その水が排ガスバーナ３５からの排気ガスに含まれる熱エネルギーによって気化される。こうして生成された蒸気がさらに流体ライン６４を介して改質装置１２へと送られる。この始動手続きにおいて、水の供給が直ちに開始されるわけではなく、第１の熱交換器の温度が１００℃以上になった時に初めて水ポンプを始動して蒸気の生成が行われるようにする。蒸気の生成が開始されると、改質処理も徐々に始まって、水素システムの暖機が促進される。

図１に示すように、第３の熱交換器２３からの空気を含む流体ライン５５と、第１の熱交換器２１からの蒸気を含む流体ライン６４とを接続し、改質装置１２に送り込まれる流体が空気と蒸気の混合気体となるようにしても良い。また、別の方法として、空気と蒸気を別々の流体ラインを介して改質装置１２に送るようにしても良い。

水素システム全体が制御装置１００によって、システムオペレータの設定したルールに従って標準的な方法で制御される。これについては詳述しないことにする。

図２に本発明の第２の実施形態を示す。この実施形態は基本的に図１に示した実施形態と同じであるため、２つの実施形態に共通の特徴については重ねての記載を省略する。

図１と図２に示す本発明の実施形態の相違は、図２の実施形態において第２の熱交換器２２が設けられている点にある。第２の熱交換器は流体ライン６８を介して第１の熱交換器に接続され、さらに流体ライン６９を介して改質装置１２に接続されている。第１の熱交換器２１で生成された蒸気は流体ライン６８を通って送られるが、この流体ライン６８において蒸気と流体ライン５５からの空気とが混合され、さらに第２の熱交換器２２を通過した後、改質装置１２に至る。第２の熱交換器２２はまた、流体ライン６６を介して改質装置の出口２０に接続されると共に、流体ライン６７を介して水素消費装置４０の入口４８に接続されている。改質装置１２において生成された改質ガスは流体ライン６６を介して第２の熱交換器２２に送られ、第２の熱交換器２２を通過した後、さらに流体ライン６７を介して水素消費装置４０へと送られる。

改質ガスおよび蒸気と空気の混合気体が第２の熱交換器２２を通過する際に、改質ガスに含まれる熱エネルギーを利用して蒸気と空気の混合気体が加熱される。つまり、第２の熱交換器２２を用いることで、改質装置１２からの改質ガスの温度を低下および制御することができる。同時に、蒸気と空気の混合気体の温度が高くなっていることで、改質装置１２をより高速に加熱することができる。

上述の第１の実施形態と同様に、水素システムの制御は制御装置１００によって行われる。

本発明の第３の実施形態を図３に示す。本実施形態も前述の本発明の２つの実施形態との類似点を多く有しており、これら３つの実施形態に共通の特徴については概ね重ねての説明を省略する。

図３に示す水素システム１０の第３の実施形態は、第２の実施形態の特徴に加えて、水転換反応器２５と、第４の熱交換器２４と、水素消費装置４０に空気を供給するファン３２とを有する。本実施形態において、水素消費装置４０は燃料電池、好ましくはＨＴ−ＰＥＭ燃料電池４１から成る。

水素消費装置４０がＨＴ−ＰＥＭ燃料電池から成る場合、ＨＴ−ＰＥＭ燃料電池に供給される改質ガスに含まれる一酸化炭素の量を一定レベル以下に保って、ＨＴ−ＰＥＭ燃料電池の膜が汚染されないようにする必要がある。このために水転換反応器２５が設けられており、改質装置１２からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を充分に除去して、燃料電池に要求される改質ガス中のＣＯ含有量の最大レベル以下に保持する。水転換反応器２５は触媒２６を含んでおり、好ましくは流体ライン７２を介して第２の熱交換器に接続されると共に第４の熱交換器２４に接続されるか、あるいは直接燃料電池に接続される。

水転換反応器２５が動作を開始するのは、触媒２６が一定温度に達してからであり、水素システム１０始動中その温度に達するまでの間、水転換反応器が改質ガスからＣＯの除去を開始するまで、改質ガスが、迂回流体ライン６０を通過し流体セルを迂回するようにする場合もある。燃料電池の膜が改質ガスに含まれる量のＣＯに耐え得る場合であれば、改質ガスを直接燃料電池に通しても良い。

ＨＴ−ＰＥＭ燃料電池は、入口４４と出口４５を有する陽極側４２と、入口４６と出口４７を有する陰極側４３とを備える。ファン３２に接続されている流体ライン７６を介して空気が陰極側４３の入口に送られる。ファン３２は流体ライン７５を介して空気を受け取る。燃料電池において処理が行われている間、陰極側４３から流体ライン７７を通って出ている空気は蒸気を含んでいる。以下に説明するように、この蒸気が改質装置に送られる場合もある。

第４の熱交換器２４は好ましくは水転換反応器２５と陽極側４２の入口４４に接続し、改質ガスが第４の熱交換器２４を通過できるようにする。第４の熱交換器はまた、燃料電池４１の陰極側４３の出口４７および流体ライン７８に接続されており、流体ライン７８は好ましくは流体ライン５８を介して、あるいは直接的に排ガスバーナ３５に接続されている。従って、陰極ガス、すなわち陰極側４３から出て流体ライン７７を通るガスは、第４の熱交換器２４を通過し、その中で改質ガスと熱エネルギーを交換する。こうして改質ガスの温度は、改質ガスが燃料電池の陽極側４２に送られる前に燃料電池が耐え得るレベルまで下がる一方、陰極ガスの温度は結果的に高くなる。

なお、第２の熱交換器２２と第４の熱交換器２４の両方について、水を注入するための追加の入口を設けても良い。これを用いることで、熱交換器２２，２４を流れる改質ガスの温度をさらに制御することができると同時に、改質装置１２に送る蒸気を生成することもできる。

流体ライン７８は流体ライン７８から分岐する流体ライン７９に接続することができる。流体ライン７９は流体ライン８０に接続し、燃料電池４１における反応の結果として蒸気を含む陰極ガスを流体ライン８０を介して改質装置１２へ、第１の熱交換器２１で生成された蒸気と共に送ることができるようにしても良い。その結果、第１の熱交換器は他の場合ほど多くの蒸気を生成する必要がなくなる。

図４に排ガスバーナ３５を概略的に示す。排ガスバーナには入口３８と出口３９とが設けられる。流体ライン８３がその入口３８に接続されて、排ガスバーナ３５に排気ガスを送っている。流体ライン８４が排ガスバーナ３５の出口に接続される。排ガスバーナにおいて行われる燃焼の結果生じる排気ガスが流体ライン８４を通って除去される。

排ガスバーナ３７にはさらにグロープラグ３７が設けられるが、グロープラグは排ガスバーナの入口３８の近傍に配置されるのが好ましい。また、好ましくは排ガスバーナ３５に触媒を設け、排ガスバーナ３５において触媒燃焼が行われるようにする。

先にも述べたように、排ガスバーナにグロープラグ３７を設ける理由は、排ガスバーナに送られる排ガスの燃焼が必ずしも実際に行われるとは限らないため、これを確実に行わせることにある。

また、好ましくは流体ライン８６を介して排ガスバーナ３５に接続されるファン３３または空気ポンプによる空気の供給も提供される。流体ライン８６が流体ライン８３に接続されることにより、空気と排ガスが混合された後に混合気体として排ガスバーナ３５に送り込まれる。ファンへの空気の供給は流体ライン８５を介して行われる。

Claims (28)

1. 気化した炭化水素燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する改質装置と、水素消費装置とを備える水素システムであって、前記改質装置と前記水素消費装置が改質ガスを前記水素消費装置に送ることができるように流体連通して配設されており、前記水素消費装置は使用時に前記改質装置の生成する水素の少なくとも一部を消費する水素システムにおいて、該システムがさらに、
   前記水素消費装置および第１の熱交換器と流体連通するように配設されている排ガスバーナであって、前記排ガスバーナにおいて、前記水素消費装置からの排ガスに残存する改質ガスを使用時に燃焼させることで前記第１の熱交換器を通過する排気ガスを生成する排ガスバーナと、
   前記改質装置および前記排ガスバーナと流体連通するように配設されている少なくとも１つの空気ポンプであって、使用時に前記改質装置および前記排ガスバーナに空気を供給する少なくとも１つの空気ポンプと、
   前記第１の熱交換器と流体連通し、その後に前記改質装置と流体連通するように配設されている水ポンプであって、使用時に前記第１の熱交換器に水を供給し、第１の熱交換器において前記排ガスバーナからの排ガスに含まれる熱エネルギーを用いて蒸気を生成して前記改質装置に送るように構成されている水ポンプとを備え、
   前記改質装置に混合空間と改質空間とが設けられており、前記改質装置が、
   液体炭化水素燃料を気化するための気化器と、
   空気と蒸気を供給する共用または別個の入口と、
   水素システムの暖機中に炭化水素蒸気と空気との混合気体に点火するためのグロープラグと、
   触媒と、
   該改質装置からの生成物のための出口と、を備えることを特徴とする水素システム。
2. 前記水素消費装置に迂回流体ラインを設け、改質ガスが前記水素消費装置を迂回できるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の水素システム。
3. 前記迂回流体ラインに熱交換器を設け、前記水素消費装置に加熱冷却回路を設け、前記加熱冷却回路を前記熱交換器と流体連通して配設することによって、使用時に、該加熱冷却回路を流れる流体と前記迂回流体ラインを流れる改質ガスとが熱エネルギーを交換できるように構成されていることを特徴とする請求項２記載の水素システム。
4. 使用時に、前記排ガスバーナからの熱エネルギーを用いて前記空気ポンプから前記改質装置へと流れる空気を加熱できるように構成されている第３の熱交換器をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の水素システム。
5. 第２の熱交換器をさらに含み、使用時に、前記改質装置からの改質ガスと前記第１熱交換器からの蒸気および／または前記空気ポンプからの空気が前記第２の熱交換器を通って流れ、改質ガスに含まれる熱エネルギーを用いて蒸気および／または空気流を加熱することにより改質ガスの温度を低下せしめるように構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の水素システム。
6. 水転換反応器をさらに含み、使用時に、該水転換反応器を改質ガスが流れることによって前記改質装置によって生成される一酸化炭素を用いて水素および二酸化炭素を生成するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の水素システム。
7. 前記第２の熱交換器が、蒸気に水を追加供給するための入口が設けられていることを特徴とする、請求項５又は６に記載の水素システム。
8. 前記水素消費装置が、流体入口と流体出口とを有する陽極側と、流体入口と流体出口とを有する陰極側とを備える燃料電池から成り、前記燃料電池が生成された水素の少なくとも一部を用いて電気エネルギーを生産することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の水素システム。
9. 前記水素システムが、流体ラインと、前記燃料電池の陰極側流体入口に空気を提供するファンとを備えることを特徴とする請求項８記載の水素システム。
10. 前記水素システムが第４の熱交換器を備え、前記水転換反応器からの生成物と前記燃料電池の陰極側からの生成物とを前記第４の熱交換器に通過させることで、前記水転換反応器からの生成物が前記燃料電池の陽極側に入る前に前記燃料電池の陰極側からの生成物によって前記水転換反応器からの生成物を冷却するように構成されていることを特徴とする、請求項８又は９に記載の水素システム。
11. 前記第４の熱交換器がさらに前記排ガスバーナに接続されており、前記燃料電池の陰極側からの生成物を前記排ガスバーナに伝達するように構成されていることを特徴とする、請求項１０記載の水素システム。
12. 前記第４の熱交換器がさらに、前記改質装置に流入する蒸気と空気の混合気体と流体連通し、前記燃料電池の陰極側からの生成物が前記改質装置に伝達されるように構成されていることを特徴とする、請求項１０記載の水素システム。
13. 前記燃料電池がＨＴ−ＰＥＭ燃料電池であることを特徴とする、請求項８〜１２のいずれかに記載の水素システム。
14. 水素システムの始動方法であって、前記水素システムが、
    液体炭化水素燃料から水素を生成する改質装置であって、混合空間と改質空間を設けられており、前記混合空間が液体炭化水素燃料を気化するための気化器と、蒸気と空気を供給するための１つまたは複数の水および空気用入口と、グロープラグとを備え、前記改質空間が改質処理用の触媒と、前記改質装置からの生成物の出口とを備える改質装置と、
    前記改質装置と流体連通するように配設されている水素消費装置と、
    グロープラグを設けられており、改質ガスを燃やすための排ガスバーナと、
    前記排ガスバーナおよび前記改質装置に空気を供給する少なくとも１つの空気ポンプと、
    前記排ガスバーナからの排ガスを通過させることができるように前記排ガスバーナと流体連通して配設されている第１の熱交換器と、
    水を前記第１の熱交換器に通過させることができるように前記第１の熱交換器と流体連通して配設されている水ポンプとを含んで成り、前記第１の熱交換器で生成された蒸気に対して前記第１の熱交換器と改質装置との間も流体連通されている水素システムの始動方法において、該始動方法が、
    液体炭化水素燃料を気化器に通過せしめ、その結果得られた炭化水素蒸気を前記混合空間において空気と混合するステップと、
    炭化水素燃料気化器が所定の温度に達した時点で前記グロープラグを作動させることにより、炭化水素蒸気と空気の混合気体の燃焼を開始するステップと、
    前記改質装置の触媒入口の温度が所定の値に達するまで燃焼処理を継続し、その後燃料供給および前記グロープラグを停止することにより燃焼処理を終了するステップと、
    燃焼処理が行われた前記混合空間を、炭化水素蒸気と空気の混合気体の自己点火が生じない所定の温度に達するまで冷却するステップと、
    前記排ガスバーナのグロープラグを始動し前記改質装置への液体炭化水素燃料の供給をオンにすることにより、前記改質装置に接触部分酸化（ＣＰＯ）による改質ガスの生成を開始させるステップと、
    改質ガスを前記排ガスバーナに送り、前記排ガスバーナにおいて改質ガスを燃焼させて熱を生成し、その熱を利用して前記改質装置に送られる空気を第３の熱交換器において予熱するステップと、
    前記第１の熱交換器の温度が所定の温度に達した時点で前記水ポンプを作動させることにより、前記排ガスバーナからの排気に含まれる熱エネルギーを用いて蒸気を生成するステップと、
    前記改質装置に蒸気と空気の混合気体を送って蒸気の改質処理を開始させた後、前記改質装置に送る蒸気の量を徐々に増加して改質処理を徐々にオートサーマル改質（ＡＴＲ）に切り換えるステップとを含んで成ることを特徴とする方法。
15. 前記第１の熱交換器の温度が少なくとも１００℃に達した時点で前記水ポンプが作動する、請求項１４記載の方法。
16. 前記水素消費装置に改質ガス用の迂回流体ラインを設け、該迂回流体ラインに改質ガスを通過させるようにするステップをさらに含む、請求項１４又は、１５記載の方法。
17. 前記迂回流体ラインに熱交換器を設け、前記水素消費装置に加熱冷却回路を設け、前記加熱冷却回路を流れる流体と迂回流体ラインを流れる改質ガスに熱エネルギーの交換を行わせるようにするステップをさらに含む、請求項１４又は、１５記載の方法。
18. 第２の熱交換器を設け、改質ガスと前記第１の熱交換器からの蒸気または前記第１の熱交換器からの蒸気と空気との混合気体を、前記改質装置に送られる前に該第２の熱交換器を通過させることにより、前記改質ガスの温度を低下させると共に、蒸気または蒸気と空気の混合気体の温度を上昇させるステップをさらに含む、請求項１４〜１７のいずれかに記載の方法。
19. 水転換反応器に入口と出口を設け、前記水転換反応器の入口を前記改質装置、または設置されている場合には前記第２の熱交換器と流体連通するように配設すると共に、前記水転換反応器の出口を前記水素消費装置と流体連通することにより、改質ガス中の一酸化炭素を少なくとも部分的に除去するステップをさらに含む、請求項１４〜１８のいずれかに記載の方法。
20. 前記水素消費装置に、陽極側と陰極側とを有する燃料電池を設けるステップをさらに含む、請求項１４〜１９のいずれかに記載の方法。
21. 第４の熱交換器を、前記水転換反応器および前記燃料電池の陽極側と流体連通して設け、前記改質ガスが前記燃料電池の陽極側に送られる前に、改質ガスと前記第１の熱交換器からの蒸気とが熱エネルギーの交換を行うようにするステップをさらに含む、請求項１９記載の方法。
22. 第４の熱交換器を、前記水転換反応器および前記燃料電池の陽極側と流体連通して設け、前記改質ガスが前記燃料電池の陽極側に送られる前に、改質ガスと前記燃料電池の陰極側からの生成物とが熱エネルギーの交換を行うようにするステップをさらに含む、請求項１９記載の方法。
23. 前記燃料電池の陰極側からの生成物を前記排ガスバーナに送り込むステップをさらに含む、請求項１４〜２１のいずれかに記載の方法。
24. 前記排ガスバーナへ空気供給するために別個の空気ポンプを設けるステップをさらに含む、請求項１４〜２３のいずれかに記載の方法。
25. 前記第２の熱交換器に追加の水を供給することにより、前記改質ガスの温度をさらに低下させると共に、前記改質装置に供給し得る蒸気の量を増加させるステップをさらに含む、請求項１７〜２３のいずれかに記載の方法。
26. 液体炭化水素燃料に前記気化器を通過させる前に該液体炭化水素燃料の脱硫を行うための脱硫装置を設けるステップをさらに含む、請求項１４〜２４のいずれかに記載の方法。
27. 前記水素消費装置がＰＥＭ燃料電池またはＨＴ−ＰＥＭ燃料電池から成る請求項１〜１３のいずれかに記載の水素システムの使用法。
28. 前記水素消費装置がＰＥＭ燃料電池またはＨＴ−ＰＥＭ燃料電池から成る請求項１４〜２６のいずれかに記載の方法の使用法。

Images