水素処理システム
【課題】電極構造体での水素処理の停止を、燃焼器が高温になることを防止すると共に、無駄な運転によるエネルギー損失を抑制して行う水素処理システムを提供する。
【解決手段】電極構造体２０をイオンポンプとして機能させる水素精製モードでの運転の実行中に、ＳＴＥＰ１でシステム停止指示がなされたときに、運転制御手段６１は、ＳＴＥＰ２，３で改質装置３０の熱交換器３１への原燃料と改質空気の供給を停止して、ＳＴＥＰ４でタイマをスタートし、ＳＴＥＰ５〜ＳＴＥＰ７のループを実行して水素精製モードでの運転を継続する。ＳＴＥＰ６で電極構造体２０の電極間電圧Ｖcellの変化率がＶRth以下となり、且つＳＴＥＰ７でタイマがタイムアップしたときに、ＳＴＥＰ８に進んで、運転制御手段６１は水素精製モードでの運転を停止する。
【解決手段】電極構造体２０をイオンポンプとして機能させる水素精製モードでの運転の実行中に、ＳＴＥＰ１でシステム停止指示がなされたときに、運転制御手段６１は、ＳＴＥＰ２，３で改質装置３０の熱交換器３１への原燃料と改質空気の供給を停止して、ＳＴＥＰ４でタイマをスタートし、ＳＴＥＰ５〜ＳＴＥＰ７のループを実行して水素精製モードでの運転を継続する。ＳＴＥＰ６で電極構造体２０の電極間電圧Ｖcellの変化率がＶRth以下となり、且つＳＴＥＰ７でタイマがタイムアップしたときに、ＳＴＥＰ８に進んで、運転制御手段６１は水素精製モードでの運転を停止する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質装置により生成した改質ガス中の水素を処理する水素処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、炭化水素を主体とする原燃料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質装置と、アノード電極とカソード電極の間に電解質膜を配置して構成された電極構造体（ＤＭＳ：Dual Mode Stack）とを備えて、改質装置から電極構造体に改質ガスを供給し、電極構造体で改質ガス中の水素を処理する水素処理システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載された水素処理システムにおいては、電極構造体をイオンポンプとして機能させて、改質装置により得られる改質ガスから水素を精製する水素精製モードでの運転と、電極構造体を燃料電池として機能させて、改質ガス中の水素と酸化剤ガスとの反応により電流を出力する発電モードでの運転とが行なわれている。
【０００４】
水素精製モード或いは発電モードでの運転時には、電極構造体での精製又は発電の処理に伴なって改質ガスの水素が消費されるが、改質ガス中の全ての水素が消費されるわけではなく、消費されなかった水素が残存するオフガスが改質装置の燃焼器に排気される。
【０００５】
そして、燃焼器でオフガス中の水素が燃焼し、その燃焼熱により、原燃料と水が供給される熱交換器が加熱されて原燃料と水蒸気との混合燃料が生成され、この混合燃料が改質器に送出されて水蒸気改質により改質ガスが生成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１２０４２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した水素精製モード或いは発電モードでの運転を停止するときには、改質装置に対する原燃料の供給を停止するが、原燃料の供給を停止しても直ちには改質装置での改質処理が終了しないため、ある程度の間は電極構造体に改質ガスが供給される状態が継続する。
【０００８】
そして、このように、電極構造体に改質ガスが供給された状態で水素精製モード或いは発電モードでの運転を停止すると、電極構造体で水素が消費されなくなるため、水素濃度が高いオフガスが燃焼器に供給されて燃焼器での燃焼量が増大する。この場合、燃焼器が高温になることにより、燃焼器自身の劣化や燃焼器の周辺デバイスの破損等が生じるおそれがある。
【０００９】
そこで、燃料量の増大に対応できる能力を有する大型の燃焼器（大容量の触媒燃焼器等）を備えることも考えられるが、この場合には、水素処理システムのサイズが大きくなってしまうという不都合がある。
【００１０】
また、小型の燃焼器で対処するには、改質装置に対する原燃料の供給量を徐々に減少させてから水素精製モード或いは発電モードでの運転を停止し、これにより、水素濃度が高いオフガスが燃焼器に排気されることを防止することが考えられる。しかし、この場合には、改質装置を停止するまでの時間が長くなり、また、水素精製モードでの運転又は発電モードでの運転を停止するまでの時間も長くなる。そのため、無駄な運転を行なうことによるエネルギー損失が生じるという不都合がある。
【００１１】
そこで、本発明は、電極構造体での水素処理の停止を、改質装置の燃焼器が高温になることを防止すると共に、無駄な運転によるエネルギー損失を抑制して行うことができる水素処理システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、原燃料を改質して改質ガスを生成すると共に、改質処理の熱源として燃焼器を有する改質装置と、ガス流路を有するアノード電極及びカソード電極を、電解質膜を挟んで配置して構成された電極構造体と、前記アノード電極のガス流路と前記燃焼器間を接続したアノードオフガス流路と、前記アノード電極と前記カソード電極間に所定電圧を印加した状態で、前記アノード電極に前記改質ガスを供給することにより、前記電極構造体をイオンポンプとして機能させて、前記改質ガス中の水素を電解質膜を透過させてカソード電極側に移送する水素精製モードでの運転と、前記アノード電極に前記改質ガスを供給すると共に、前記カソード電極に酸化剤ガスを供給することにより、前記電極構造体を燃料電池として機能させて、前記アノード電極と前記カソード電極間に接続された電気負荷に電力を供給する発電モードでの運転とのうちの少なくともいずれか一方を含む水素処理運転を行う運転制御手段とを備えた水素処理システムの改良に関する。
【００１３】
そして、本発明の第１の態様は、前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、所定時間が経過したときに前記水素処理運転を停止することを特徴とする。
【００１４】
かかる本発明によれば、前記水素処理運転の実行中に前記運転停止条件が成立したときに、前記運転制御手段は、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、所定時間が経過したときに前記水素処理運転を停止する。この場合、前記改質装置に対する原燃料の供給が停止した後も、前記水素処理運転が継続して前記電極構造体で水素が消費される。そのため、前記アノードオフガス流路を介して前記燃焼器に水素濃度が高いオフガスが排気され、燃焼量の増加により前記燃焼器が高温になることを防止することができる。そして、改質装置に対する原燃料の供給停止により、前記電極構造体への改質ガスの供給量が急速に減少して、前記燃焼器に排気されるオフガス中の水素濃度が急速に低下するため、前記所定時間は短時間に設定することができる。そのため、前記水素処理運転を停止するときの前記改質装置及び前記電極構造体と、前記電極構造体に接続された機器での無駄なエネルギー損失を抑制することができる。
【００１５】
また、上記第１の態様において、前記電極構造体のアノード電極とカソード電極間の電圧を検出する電極間電圧検出手段を備え、前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記電極間電圧検出手段の検出電圧が所定の電圧安定条件を満たし、且つ、前記所定時間が経過したときに、前記水素処理運転を停止することを特徴とする。
【００１６】
かかる本発明において、前記電極間電圧検出手段により検出される前記電極構造体のアノード電極とカソード電極間の電圧が、前記電圧安定条件を満たしているときは、前記改質装置の各構成要素の温度が、性能を維持できる適正な温度範囲に入っていると判断することができる。そこで、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記電極間電圧検出手段の検出電圧が前記電圧安定条件を満たし、且つ、前記所定時間が経過したときに、前記水素処理運転を停止することによって、前記燃焼器を含めて前記改質装置が適正な状態となっているときに前記水素処理運転を停止して、前記燃焼器に水素濃度が高いオフガスが排気されることをより確実に防止することができる。
【００１７】
次に、本発明の第２の態様は、前記燃焼器の温度を検出する燃焼器温度検出手段を備え、前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記燃焼器温度検出手段の検出温度が所定温度以下になったときに、前記水素処理運転を停止することを特徴とする。
【００１８】
かかる本発明によれば、前記水素処理運転の実行中に前記運転停止条件が成立したときに、前記運転制御手段は、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記燃焼機器温度検出手段の検出温度が前記所定温度以下になったときに、前記水素処理運転を停止する。この場合、前記改質装置に対する原燃料の供給が停止した後も、前記水素処理運転が継続して前記電極構造体で水素が消費される。そのため、前記アノードオフガス流路を介して前記燃料器に水素濃度の高いオフガスが排気され、燃焼量の増加により前記燃焼器が高温になることを防止することができる。そして、前記改質装置に対する原燃料の供給停止により、前記電極構造体への改質ガスの供給量が急速に減少して、前記燃焼器に排気されるオフガス中の水素濃度が急速に低下するため、前記燃焼器の温度は短時間で前記所定温度以下になる。そのため、前記水素処理運転を停止するときの前記改質装置及び前記電極構造体と、前記電極構造体に接続された機器での無駄なエネルギー損失を抑制することができる。
【００１９】
また、上記第２の態様において、前記電極構造体のアノード電極とカソード電極間の電圧を検出する電極間電圧検出手段を備え、前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記電極間電圧検出手段の検出電圧が所定の電圧安定要件を満たし、且つ、前記燃焼器温度検出手段の検出温度が前記所定温度以下になったときに、前記水素処理運転を停止することを特徴とする。
【００２０】
かかる本発明において、前記電極間電圧検出手段により検出される前記電極構造体のアノード電極とカソード電極間の電圧が、前記電圧安定条件を満たしているときは、前記改質装置の各構成要素の温度が、性能を維持できる適正な温度範囲に入っていると判断することができる。そこで、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記電極間電圧検出手段の検出電圧が前記電圧安定条件を満たし、且つ、前記燃焼器温度検出手段の検出温度が前記所定温度以下になったときに、前記水素処理運転を停止することによって、前記燃焼器を含めて前記改質装置が適正な状態となっているときに前記水素処理運転を停止することで、前記燃焼器に水素濃度が高いオフガスが排気されることをより確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】水素処理システムの水素精製モードでの作動状態を示した説明図。
【図２】水素処理システムの発電モードでの作動状態を示した説明図。
【図３】水素処理システムの停止処理の第１実施形態によるフローチャート。
【図４】原燃料の供給停止と電極構造体での水素消費の停止を同じタイミングで行った場合の触媒燃焼器の温度変化を示した説明図。
【図５】原燃料の供給停止後に、電極構造体での水素消費を停止した場合の触媒燃焼器の温度変化を示した説明図。
【図６】水素処理システムの停止処理の第２実施形態によるフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施の形態について、図１〜６を参照して説明する。図１を参照して、本実施形態の水素処理システム１０は、燃料電池及びイオンポンプとして機能する電極構造体２０（以下、ＤＭＳ（Dual Mode Stack）２０という）、炭化水素を主体とする原燃料（都市ガス等）と水蒸気との混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質装置３０、ＤＭＳ２０に酸化剤ガスとして空気を供給するブロワ５０、ＤＭＳ２０により精製された水素ガスを除湿してさらに精製する水素高純度化処理器５５、及び、水素処理システム１０の全体的な制御を行うコントローラ６０を備えている。なお、水素高純度化処理器５５で精製された水素ガスは、図示しない圧縮部により圧縮され、図示しない充填部により燃料電池車両の水素ボンベ等に充填される。
【００２３】
改質装置３０は、原燃料に含まれるメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ６）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の炭化水素に、水蒸気を混合して混合燃料を生成する熱交換器（蒸発器）３１、熱交換器３１に水蒸気発生用の熱を付与する触媒燃焼器３５（本発明の燃焼器に相当する）、混合燃料を水蒸気改質することにより改質ガスを生成する改質器３２、シフト反応により改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）及び水蒸気を二酸化炭素（ＣＯ２）及び水素（Ｈ２）に変換するＣＯ変成器（シフト反応器）３３、及び、少量の空気を改質ガスに付加し、選択的に吸収した一酸化炭素と空気中の酸素を反応させて二酸化炭素に変換するＣＯ除去器（選択酸化反応器）３４を備えている。
【００２４】
熱交換器３１には、原燃料と水と改質用の空気（以下、改質空気という）が供給され、熱交換器３１内で加熱されることによって、原燃料と水蒸気との混合燃料が改質空気と混ざった状態で、改質器３２に供給される。
【００２５】
改質器３２は、内部に改質触媒としてパラジウム（Ｐd）系の貴金属触媒を備えたオートサーマル式の改質器であり、熱交換器３１で生成された混合燃料を改質空気によって部分酸化させて、水素リッチな改質ガスを生成する。
【００２６】
触媒燃焼器３５には、触媒燃焼器３５の温度を検出する温度センサ３５ａ（本発明の燃焼器温度検出手段に相当する）が設けられている。同様に、改質器３２、ＣＯ変成器３３、及びＣＯ除去器３４にも、これらの温度を検出する温度センサ３２ａ，３３ａ，３４ａが個別に設けられている。また、ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間の電圧を検出する電極間電圧センサ６５（本発明の電極間電圧検出手段に相当する）が設けられている。
【００２７】
ＤＭＳ２０は、固体高分子電解質膜２１をアノード電極２２とカソード電極２３で挟んだ電解質膜・電極構造部を有し、この電解質膜・電極構造部を図示しないセパレータと交互に積層したスタックを構成している。この場合、電解質膜・電極構造部とセパレータの間にガス流路が形成される。
【００２８】
ＤＭＳ２０は、改質ガスをアノード電極２２に供給するためのアノード入口２４、アノード電極２２から使用済みの改質ガス（アノードオフガス）を排出するためのアノード出口２５、カソード電極２３に酸化剤ガスとして空気を供給するためのカソード入口２７、及び、カソード電極２３から使用済みの空気（カソードオフガス）を排出し、又、改質ガスから精製された水素を排出するためのカソード出口２６を備えている。
【００２９】
アノード入口２４とＣＯ除去器３４は、改質ガス流路４０により接続され、アノード出口２５と触媒燃焼器３５は、アノードオフガス流路４４により接続されている。改質ガス流路４０には、三方電磁弁４１が配置されている。三方電磁弁４１には、アノードオフガス流路４４と連通したアノードバイパス流路４２が接続されている。
【００３０】
三方電磁弁４１は、改質ガス流路４０がアノード入口２４と連通すると共にアノードバイパス流路４２から遮断されたガス流通状態と、改質ガス流路４０がアノードバイパス流路４２に連通すると共にアノード入口２４から遮断されたガス遮断状態とを切換える。
【００３１】
アノードオフガス流路４４のアノードバイパス流路４２との合流箇所の上流側には、電磁弁４３が設けられている。カソード入口２７には、カソード入口流路５２が接続されている。カソード入口流路５２には、電磁弁５１とブロワ５０が設けられている。
【００３２】
カソード出口２６にはカソードオフガス流路４５が接続され、カソードオフガス流路４５には電磁弁４８が設けられている。また、カソードオフガス流路４５は、電磁弁４８の上流側でカソードパージ流路４６と連通し、カソードパージ流路４６は電磁弁４７を介してアノードオフガス流路４４に連通している。カソードオフガス流路４５には、水素ガス流路５３が接続されており、水素ガス流路５３の下流側は、電磁弁５４を介して水素高純度化処理器５５に接続されている。
【００３３】
コントローラ６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ等により構成された電子ユニットであり、温度センサ３２ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａの温度検出信号と、電極間電圧センサ６５の電圧検出信号が、コントローラ６０に入力される。また、コントローラ６０から出力される制御信号によって、三方電磁弁４１、電磁弁４３，４７，４８，５１，５４、ブロワ５０の作動と、熱交換器３１への原燃料及び改質空気の供給／停止が制御される。
【００３４】
また、ＣＰＵに水素処理システム１０の制御用プログラムを実行させることによって、コントローラ６０が、運転制御手段６１として機能する。運動制御手段６１は、本発明の水素処理運転として、ＤＭＳ２０をイオンポンプとして機能させる水素精製モードでの運転と、ＤＭＳ２０を燃料電池として機能させる発電モードでの運転とを切換えて実行する。
【００３５】
以下、水素精製モード及び発電モードでの水素処理システム１０の動作について説明する。
【００３６】
先ず、水素精製モードでの運転を行なうときの水素処理システムの動作について、図１を参照して説明する。運転制御手段６１は、電磁弁４７，４８，５１を閉弁状態にすると共に、電磁弁４３，５４を開弁状態とする。また、運転制御手段６１は、三方電磁弁４１を、改質ガス流路４０がアノード入口２４に連通すると共にアノードバイパス流路４２から遮断されたガス流通状態として、改質装置３０からアノード電極２２に改質ガスを供給する。
【００３７】
そして、運転制御手段６１は、ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間に、アノード電極２２を高電位側として、所定電圧を印加する。これにより、アノード電極２２では、以下の式（１）の反応が起こって水素イオン（Ｈ＋）が発生する。
【００３８】
Ｈ２ → ２Ｈ＋＋２ｅ−・・・・・ (1)
そして、水素イオンは、固体高分子電解質膜２１を透過してカソード電極２３に移動し、カソード電極２３では、以下の式（２）の反応が惹起されると共に昇圧される。
【００３９】
２Ｈ＋＋２ｅ− → Ｈ２・・・・・ (2)
このようにして、アノード電極２２からカソード電極２３に、水素イオンが移動することにより、改質ガスから高純度の水素ガスが精製される。この水素ガスは、水素ガス流路５３を介して水素高純度化処理器５５に送出され、水素高純度化処理器５５により除湿と精製の処理が施される。
【００４０】
また、アノード電極２２で水素イオンが抽出された後の改質ガス（抽出されなかった水素を含む）は、アノードオフガスとして、アノード出口２５からアノードオフガス流路４４を経由して触媒燃焼器３５に送出される。アノードオフガス中の水素は触媒燃焼器３５で燃焼し、その燃焼熱が熱交換器３１に与えられる。
【００４１】
次に、発電モードでの運転を行うときの水素処理システム１０の動作について、図２を参照して説明する。発電モードでは、ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３の間に接続される電気負荷７０が利用される。
【００４２】
運転制御手段６１は、電磁弁４７，５４を閉弁状態とすると共に、電磁弁４３，４８，５１を開弁状態とする。また、運転制御手段６１は、三方電磁弁４１を、改質ガス流路４０がアノード入口２４に連通されると共にアノードバイパス流路４２から遮断されたガス供給状態として、改質装置３０からアノード電極２２に改質ガスを供給する。
【００４３】
また、運転制御手段６１は、ブロワ５０を作動させて、カソード入口流路５２を介してカソード入口２７に空気（酸化剤ガス）を供給する。これにより、ＤＭＳ２０では、アノード電極２２で、以下の式（３）の反応が起こり、水素ガス（Ｈ２）が電子ｅ−を放出して水素イオン（Ｈ＋）となる。
【００４４】
Ｈ２ → ２Ｈ＋＋２ｅ−・・・・・ (3)
水素イオンは、固体高分子電解質膜２１中を透過し、カソード電極２３において、カソード入口２７から供給される空気中の酸素ガス（Ｏ２）と、カソード電極２３に供給される電子ｅ−とにより、以下の式（４）の反応が起こって水が生成される。
【００４５】
１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→ Ｈ２Ｏ ・・・・・ (4)
そして、上記式（３）、（４）に示したように、アノード電極２２から電気負荷７０を介してカソード電極２３に電流が流れ、ＤＭＳ２０から電気負荷７０に電力が供給される。
【００４６】
また、アノード電極２２で水素イオンが抽出された後の改質ガス（抽出されなかった水素を含む）は、アノードオフガスとして、アノード出口２５からアノードオフガス流路４４を経由して触媒燃焼器３５に送出される。アノードオフガス中の水素は、触媒燃焼器３５で燃焼してその燃焼熱が熱交換器３１に与えられる。
【００４７】
次に、図３に示したフローチャートに従って、水素精製モードでの運転実行中に、水素処理システム１０の停止指示がなされたときの運転制御手段６１による処理の第１実施形態について説明する。
【００４８】
［第１実施形態］
水素精製モードでの運転実行中に、ＳＴＥＰ１でシステム停止指示がなされると、ＳＴＥＰ２に進む。そして、運転制御手段６１は、ＳＴＥＰ２，３で熱交換器３１への原燃料と改質空気の供給を停止する。
【００４９】
次のＳＴＥＰ４で、運転制御手段６１はタイマをスタートさせ、続くＳＴＥＰ５〜ＳＴＥＰ７のループを、ＳＴＥＰ７でタイマがタイムアップするまで繰り返し実行する。ＳＴＥＰ５〜ＳＴＥＰ７のループにおいて、運転制御手段６１は、ＳＴＥＰ５で水素精製モードでの運転（ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間に、所定電圧が印加された状態）を継続しながら、ＳＴＥＰ６で電極間電圧センサ６５により検出されるＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間の電圧Ｖcellの変化率（所定時間あたりの電圧Ｖcellの変化幅）が所定値ＶRth以下（本発明の所定の電圧安定条件に相当する）であるか否かを判断する。
【００５０】
ここで、所定値ＶRthは、ＤＭＳ２０における水素の精製が安定的に行われており、その前提として、触媒燃焼器３５の温度及び改質器３２の温度が、規定性能を維持できる温度範囲に入っていると判断することができる値に設定されている。
【００５１】
なお、本発明の所定の電圧安定条件を、ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間の電圧Ｖcellが、予め設定された所定時間内で予め設定された電圧範囲内に維持されることに設定してもよい。
【００５２】
そして、ＳＴＥＰ６で、ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間の電圧Ｖcellの変化率がＶRth以下であるときはＳＴＥＰ７に進み、この変化率がＶRthよりも高いときにはＳＴＥＰ５に分岐する。
【００５３】
ＳＴＥＰ７で、運転制御手段６１は、タイマがタイムアップしているか否かを判断し、タイマがタイムアップしているときはＳＴＥＰ８に進み、タイマがタイムアップしてないときにはＳＴＥＰ５に分岐する。ここで、タイマがタイムアップするまでの設定時間（本発明の所定時間に相当する）は、熱交換器３１への原燃料と改質空気の供給を停止した時点から、ＤＭＳ２０のアノード極に供給される改質ガスの量が減少して、水素精製モードでの運転を停止しても、触媒燃焼器３５の温度が閾値Ｔth（触媒燃焼器３５の劣化や周辺デバイスの劣化が生じることを防止し得る温度）以下になるまでに要する時間を想定して設定される。
【００５４】
ＳＴＥＰ８で、運転制御手段６１は、ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間への所定電圧の印加を停止して水素精製モードでの運転を停止し、ＳＴＥＰ９に進んで水素処理システム１０の停止処理を終了する。
【００５５】
次に、図４，５を参照して、図３に示した水素処理システム１０の停止処理による効果について説明する。図４，５は、横軸を時間（ｔ）に設定し、縦軸を触媒燃焼器３５の温度（Ｔcat），ＤＭＳ２０での水素消費量（水素の精製量），及び熱交換器３１への原燃料の供給量に設定して、触媒燃焼器３５の温度変化と、熱交換器３１への原燃料の停止タイミング及び水素精製モードでの運転停止のタイミングを示したものである。
【００５６】
先ず、図４は、水素精製モードでの運転停止の停止処理を、熱交換器３１への原燃料と改質空気の供給停止のタイミングと、ＤＭＳ２０の水素精製モードでの運転停止のタイミングを同一にして行った場合を示している。この場合は、ｔ10で熱交換器３１への原燃料と改質空気の供給が停止すると共に、ＤＭＳ２０の水素精製モードでの運転が停止して、ＤＭＳ２０での水素消費量がゼロになっている。
【００５７】
ここで、ｔ10で熱交換器３１への原燃料と改質空気の供給を停止しても、改質装置３０での改質処理が停止するまでには、ある程度の遅れ時間が生じる。そのため、ｔ10でＤＭＳでの水素消費量がゼロになると、ＤＭＳ２０のアノード電極２２に供給された水素リッチな改質ガスが、水素の精製処理がなされずにそのままアノードオフガス流路４４を経由して、触媒燃焼器３５に排気される。
【００５８】
そのため、触媒燃焼器３５での燃焼量が急増して、触媒燃焼器３５の温度Ｔcatが急速に上昇し、触媒燃焼器３５の温度Ｔcatが上限閾値Ｔthを超えている。この場合には、触媒燃焼器３５の劣化や、触媒燃焼器３５の周辺デバイスの劣化が生じるおそれがある。
【００５９】
それに対して、図５は、図３に示したフローチャートの処理により、水素精製モードでの運転の停止処理を、熱交換器３１への原燃料と改質空気の供給停止のタイミングよりも、ＤＭＳ２０の水素精製モードでの運転停止のタイミングを遅くした場合を示している。この場合は、ｔ20で熱交換器３１への原燃料の供給が停止しているが、ＤＭＳ２０の水素精製モードでの運転は、水素の精製量を減少させて継続している。なお、ＤＭＳ２０の水素精製モードでの運転を、水素の精製量を減少させずに継続してもよい。
【００６０】
そして、ｔ21（図３のＳＴＥＰ６，ＳＴＥＰ７の条件が共に成立した時点）で、ＤＭＳ２０の水素モードでの運転が停止して、ＤＭＳ２０での水素の消費量がゼロになっている。このように、ｔ20〜ｔ21の間は、水素精製モードでの運転が継続されて、ＤＭＳ２０のアノード電極２２に供給される改質ガス中の水素が、精製処理により消費される。
【００６１】
そのため、アノードオフガス流量４４を経由して、触媒燃焼器３５に排気されるアノードオフガス中の水素濃度が低下し、触媒燃焼器３５での燃焼量の増加が抑制されて、触媒燃焼器３５の温度Ｔcatが閾値Ｔth以下に維持されている。これにより、触媒燃焼器３５の温度Ｔcatが閾値Ｔthを超える高温となって、触媒燃焼器３５の劣化や、触媒燃焼器３５の周辺デバイスの劣化が生じること防止することができる。
【００６２】
次に、図６に示したフローチャートに従って、水素精製モードでの運転実行中に、水素処理システム１０の停止指示がなされたときの運転制御手段６１による処理の第２実施形態について説明する。
【００６３】
［第２実施形態］
図６のＳＴＥＰ２０〜ＳＴＥＰ２２の処理は、上述した図３のＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３の処理と同様であり、ＳＴＥＰ２０でシステム停止指示がなされたときにＳＴＥＰ２１に進み、運転制御手段６１は、ＳＴＥＰ２１，２２で熱交換器３１への原燃料と改質空気の供給を停止する。
【００６４】
そして、運転制御手段６１は、次のＳＴＥＰ２３〜ＳＴＥＰ２５のループを、ＳＴＥＰ２５で、温度センサ３５ａによって検出される触媒燃焼器３５の温度ＴcatがＴth（本発明の所定温度に相当する）以下になるまで、繰り返し実行する。
【００６５】
ＳＴＥＰ２３〜ＳＴＥＰ２５のループにおいて、運転制御手段６１は、ＳＴＥＰ２３で水素精製モードでの運転（ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間に、所定電圧が印加された状態）を継続しながら、ＳＴＥＰ２４で電極間電圧センサ６５により検出されるＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間の電圧Ｖcellの変化率が、上述したＶRth以下（本発明の所定の電圧安定条件に相当する）であるか否かを判断する。
【００６６】
そして、ＳＴＥＰ２４で、ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間の電圧Ｖcellの変化率がＶRth以下であるときはＳＴＥＰ２５に進み、この変化率がＶRthよりも高いときにはＳＴＥＰ２３に分岐する。
【００６７】
ＳＴＥＰ２５で、運転制御手段６１は、触媒燃焼器３５の温度ＴcatがＴth以下であるか否かを判断する。そして、燃焼触媒器３５の温度ＴcatがＴth以下であるときはＳＴＥＰ２６に進み、触媒燃焼器３５の温度ＴcatがＴthを超えているときにはＳＴＥＰ２３に分岐する。ここで、Ｔthは、触媒燃焼器３５の劣化や、触媒燃焼器３５の周辺デバイスの劣化を抑制するための上限温度に設定されている。
【００６８】
このように、ＳＴＥＰ２５で触媒燃焼器３５の温度ＴcatがＴth以下となるまで、水素精製モードでの運転を継続することによって、上述した第１の実施形態と同様に、改質装置３０からＤＭＳ２０のアノード電極２２に供給される改質ガス中の水素が消費される。そのため、アノード電極２２からアノードオフガス流路４４を経由して、触媒燃焼器３５に排気されるアノードオフガス中の水素濃度が低下する。そして、これにより、水素濃度の高いアノードオフガスが触媒燃焼器３５に排気されて、触媒燃焼器３５の燃焼量が急増し、触媒燃焼器３５の温度上昇による触媒燃焼器３５自体の劣化や触媒燃焼器３５の周辺デバイスの劣化を抑制することができる。
【００６９】
なお、図４，６に示したフローチャートでは、水素精製モードでの運転を停止する場合の処理を示したが、発電モードでの運転実行中に、水素処理システム１０の運転を停止する場合についても、同様の処理により本発明を適用することができる。この場合には、運転制御手段６１は、図３のＳＴＥＰ５及び図６のＳＴＥＰ２３で発電モードでの運転を継続し、図３のＳＴＥＰ８及び図６のＳＴＥＰ２６で、ＤＭＳ２０と電気負荷７０との接続を遮断して発電モードでの運転を停止すればよい。
【００７０】
また、本実施の形態では、図３のＳＴＥＰ６及び図６のＳＴＥＰ２４で、ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間の電圧Ｖcellが安定していることを、ＤＭＳ２０の運転（水素精製モードでの運転、及び発電モードでの運転）を停止する条件として設定しているが、この条件を設定しない場合であっても、本発明の効果を得ることができる。
【００７１】
また、本実施形態では、電極構造体（ＤＭＳ２０）について、水素精製モードでの運転と発電モードでの運転を行なう水素処理システムを示したが、水素精製モードでの運転のみ、或いは発電モードでの運転のみを行なう水素処理システムに対しても、本発明の適用が可能である。
【００７２】
また、本実形態では、本発明の燃焼器として触媒燃焼器３５を示したが、バーナを用いてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１０…水素処理システム、２０…電極構造体（ＤＭＳ：Dual Mode Stack）、２１…固体高分子電解質膜、２２…アノード電極、２３…カソード電極、３０…改質装置、３１…熱交換器、３５…触媒燃焼器、３５ａ…（触媒燃焼器の）温度センサ、４１…三方電磁弁、６０…コントローラ、６１…運転制御手段、６５…電極間電圧センサ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質装置により生成した改質ガス中の水素を処理する水素処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、炭化水素を主体とする原燃料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質装置と、アノード電極とカソード電極の間に電解質膜を配置して構成された電極構造体（ＤＭＳ：Dual Mode Stack）とを備えて、改質装置から電極構造体に改質ガスを供給し、電極構造体で改質ガス中の水素を処理する水素処理システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載された水素処理システムにおいては、電極構造体をイオンポンプとして機能させて、改質装置により得られる改質ガスから水素を精製する水素精製モードでの運転と、電極構造体を燃料電池として機能させて、改質ガス中の水素と酸化剤ガスとの反応により電流を出力する発電モードでの運転とが行なわれている。
【０００４】
水素精製モード或いは発電モードでの運転時には、電極構造体での精製又は発電の処理に伴なって改質ガスの水素が消費されるが、改質ガス中の全ての水素が消費されるわけではなく、消費されなかった水素が残存するオフガスが改質装置の燃焼器に排気される。
【０００５】
そして、燃焼器でオフガス中の水素が燃焼し、その燃焼熱により、原燃料と水が供給される熱交換器が加熱されて原燃料と水蒸気との混合燃料が生成され、この混合燃料が改質器に送出されて水蒸気改質により改質ガスが生成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１２０４２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した水素精製モード或いは発電モードでの運転を停止するときには、改質装置に対する原燃料の供給を停止するが、原燃料の供給を停止しても直ちには改質装置での改質処理が終了しないため、ある程度の間は電極構造体に改質ガスが供給される状態が継続する。
【０００８】
そして、このように、電極構造体に改質ガスが供給された状態で水素精製モード或いは発電モードでの運転を停止すると、電極構造体で水素が消費されなくなるため、水素濃度が高いオフガスが燃焼器に供給されて燃焼器での燃焼量が増大する。この場合、燃焼器が高温になることにより、燃焼器自身の劣化や燃焼器の周辺デバイスの破損等が生じるおそれがある。
【０００９】
そこで、燃料量の増大に対応できる能力を有する大型の燃焼器（大容量の触媒燃焼器等）を備えることも考えられるが、この場合には、水素処理システムのサイズが大きくなってしまうという不都合がある。
【００１０】
また、小型の燃焼器で対処するには、改質装置に対する原燃料の供給量を徐々に減少させてから水素精製モード或いは発電モードでの運転を停止し、これにより、水素濃度が高いオフガスが燃焼器に排気されることを防止することが考えられる。しかし、この場合には、改質装置を停止するまでの時間が長くなり、また、水素精製モードでの運転又は発電モードでの運転を停止するまでの時間も長くなる。そのため、無駄な運転を行なうことによるエネルギー損失が生じるという不都合がある。
【００１１】
そこで、本発明は、電極構造体での水素処理の停止を、改質装置の燃焼器が高温になることを防止すると共に、無駄な運転によるエネルギー損失を抑制して行うことができる水素処理システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、原燃料を改質して改質ガスを生成すると共に、改質処理の熱源として燃焼器を有する改質装置と、ガス流路を有するアノード電極及びカソード電極を、電解質膜を挟んで配置して構成された電極構造体と、前記アノード電極のガス流路と前記燃焼器間を接続したアノードオフガス流路と、前記アノード電極と前記カソード電極間に所定電圧を印加した状態で、前記アノード電極に前記改質ガスを供給することにより、前記電極構造体をイオンポンプとして機能させて、前記改質ガス中の水素を電解質膜を透過させてカソード電極側に移送する水素精製モードでの運転と、前記アノード電極に前記改質ガスを供給すると共に、前記カソード電極に酸化剤ガスを供給することにより、前記電極構造体を燃料電池として機能させて、前記アノード電極と前記カソード電極間に接続された電気負荷に電力を供給する発電モードでの運転とのうちの少なくともいずれか一方を含む水素処理運転を行う運転制御手段とを備えた水素処理システムの改良に関する。
【００１３】
そして、本発明の第１の態様は、前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、所定時間が経過したときに前記水素処理運転を停止することを特徴とする。
【００１４】
かかる本発明によれば、前記水素処理運転の実行中に前記運転停止条件が成立したときに、前記運転制御手段は、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、所定時間が経過したときに前記水素処理運転を停止する。この場合、前記改質装置に対する原燃料の供給が停止した後も、前記水素処理運転が継続して前記電極構造体で水素が消費される。そのため、前記アノードオフガス流路を介して前記燃焼器に水素濃度が高いオフガスが排気され、燃焼量の増加により前記燃焼器が高温になることを防止することができる。そして、改質装置に対する原燃料の供給停止により、前記電極構造体への改質ガスの供給量が急速に減少して、前記燃焼器に排気されるオフガス中の水素濃度が急速に低下するため、前記所定時間は短時間に設定することができる。そのため、前記水素処理運転を停止するときの前記改質装置及び前記電極構造体と、前記電極構造体に接続された機器での無駄なエネルギー損失を抑制することができる。
【００１５】
また、上記第１の態様において、前記電極構造体のアノード電極とカソード電極間の電圧を検出する電極間電圧検出手段を備え、前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記電極間電圧検出手段の検出電圧が所定の電圧安定条件を満たし、且つ、前記所定時間が経過したときに、前記水素処理運転を停止することを特徴とする。
【００１６】
かかる本発明において、前記電極間電圧検出手段により検出される前記電極構造体のアノード電極とカソード電極間の電圧が、前記電圧安定条件を満たしているときは、前記改質装置の各構成要素の温度が、性能を維持できる適正な温度範囲に入っていると判断することができる。そこで、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記電極間電圧検出手段の検出電圧が前記電圧安定条件を満たし、且つ、前記所定時間が経過したときに、前記水素処理運転を停止することによって、前記燃焼器を含めて前記改質装置が適正な状態となっているときに前記水素処理運転を停止して、前記燃焼器に水素濃度が高いオフガスが排気されることをより確実に防止することができる。
【００１７】
次に、本発明の第２の態様は、前記燃焼器の温度を検出する燃焼器温度検出手段を備え、前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記燃焼器温度検出手段の検出温度が所定温度以下になったときに、前記水素処理運転を停止することを特徴とする。
【００１８】
かかる本発明によれば、前記水素処理運転の実行中に前記運転停止条件が成立したときに、前記運転制御手段は、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記燃焼機器温度検出手段の検出温度が前記所定温度以下になったときに、前記水素処理運転を停止する。この場合、前記改質装置に対する原燃料の供給が停止した後も、前記水素処理運転が継続して前記電極構造体で水素が消費される。そのため、前記アノードオフガス流路を介して前記燃料器に水素濃度の高いオフガスが排気され、燃焼量の増加により前記燃焼器が高温になることを防止することができる。そして、前記改質装置に対する原燃料の供給停止により、前記電極構造体への改質ガスの供給量が急速に減少して、前記燃焼器に排気されるオフガス中の水素濃度が急速に低下するため、前記燃焼器の温度は短時間で前記所定温度以下になる。そのため、前記水素処理運転を停止するときの前記改質装置及び前記電極構造体と、前記電極構造体に接続された機器での無駄なエネルギー損失を抑制することができる。
【００１９】
また、上記第２の態様において、前記電極構造体のアノード電極とカソード電極間の電圧を検出する電極間電圧検出手段を備え、前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記電極間電圧検出手段の検出電圧が所定の電圧安定要件を満たし、且つ、前記燃焼器温度検出手段の検出温度が前記所定温度以下になったときに、前記水素処理運転を停止することを特徴とする。
【００２０】
かかる本発明において、前記電極間電圧検出手段により検出される前記電極構造体のアノード電極とカソード電極間の電圧が、前記電圧安定条件を満たしているときは、前記改質装置の各構成要素の温度が、性能を維持できる適正な温度範囲に入っていると判断することができる。そこで、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記電極間電圧検出手段の検出電圧が前記電圧安定条件を満たし、且つ、前記燃焼器温度検出手段の検出温度が前記所定温度以下になったときに、前記水素処理運転を停止することによって、前記燃焼器を含めて前記改質装置が適正な状態となっているときに前記水素処理運転を停止することで、前記燃焼器に水素濃度が高いオフガスが排気されることをより確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】水素処理システムの水素精製モードでの作動状態を示した説明図。
【図２】水素処理システムの発電モードでの作動状態を示した説明図。
【図３】水素処理システムの停止処理の第１実施形態によるフローチャート。
【図４】原燃料の供給停止と電極構造体での水素消費の停止を同じタイミングで行った場合の触媒燃焼器の温度変化を示した説明図。
【図５】原燃料の供給停止後に、電極構造体での水素消費を停止した場合の触媒燃焼器の温度変化を示した説明図。
【図６】水素処理システムの停止処理の第２実施形態によるフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施の形態について、図１〜６を参照して説明する。図１を参照して、本実施形態の水素処理システム１０は、燃料電池及びイオンポンプとして機能する電極構造体２０（以下、ＤＭＳ（Dual Mode Stack）２０という）、炭化水素を主体とする原燃料（都市ガス等）と水蒸気との混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質装置３０、ＤＭＳ２０に酸化剤ガスとして空気を供給するブロワ５０、ＤＭＳ２０により精製された水素ガスを除湿してさらに精製する水素高純度化処理器５５、及び、水素処理システム１０の全体的な制御を行うコントローラ６０を備えている。なお、水素高純度化処理器５５で精製された水素ガスは、図示しない圧縮部により圧縮され、図示しない充填部により燃料電池車両の水素ボンベ等に充填される。
【００２３】
改質装置３０は、原燃料に含まれるメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ６）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の炭化水素に、水蒸気を混合して混合燃料を生成する熱交換器（蒸発器）３１、熱交換器３１に水蒸気発生用の熱を付与する触媒燃焼器３５（本発明の燃焼器に相当する）、混合燃料を水蒸気改質することにより改質ガスを生成する改質器３２、シフト反応により改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）及び水蒸気を二酸化炭素（ＣＯ２）及び水素（Ｈ２）に変換するＣＯ変成器（シフト反応器）３３、及び、少量の空気を改質ガスに付加し、選択的に吸収した一酸化炭素と空気中の酸素を反応させて二酸化炭素に変換するＣＯ除去器（選択酸化反応器）３４を備えている。
【００２４】
熱交換器３１には、原燃料と水と改質用の空気（以下、改質空気という）が供給され、熱交換器３１内で加熱されることによって、原燃料と水蒸気との混合燃料が改質空気と混ざった状態で、改質器３２に供給される。
【００２５】
改質器３２は、内部に改質触媒としてパラジウム（Ｐd）系の貴金属触媒を備えたオートサーマル式の改質器であり、熱交換器３１で生成された混合燃料を改質空気によって部分酸化させて、水素リッチな改質ガスを生成する。
【００２６】
触媒燃焼器３５には、触媒燃焼器３５の温度を検出する温度センサ３５ａ（本発明の燃焼器温度検出手段に相当する）が設けられている。同様に、改質器３２、ＣＯ変成器３３、及びＣＯ除去器３４にも、これらの温度を検出する温度センサ３２ａ，３３ａ，３４ａが個別に設けられている。また、ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間の電圧を検出する電極間電圧センサ６５（本発明の電極間電圧検出手段に相当する）が設けられている。
【００２７】
ＤＭＳ２０は、固体高分子電解質膜２１をアノード電極２２とカソード電極２３で挟んだ電解質膜・電極構造部を有し、この電解質膜・電極構造部を図示しないセパレータと交互に積層したスタックを構成している。この場合、電解質膜・電極構造部とセパレータの間にガス流路が形成される。
【００２８】
ＤＭＳ２０は、改質ガスをアノード電極２２に供給するためのアノード入口２４、アノード電極２２から使用済みの改質ガス（アノードオフガス）を排出するためのアノード出口２５、カソード電極２３に酸化剤ガスとして空気を供給するためのカソード入口２７、及び、カソード電極２３から使用済みの空気（カソードオフガス）を排出し、又、改質ガスから精製された水素を排出するためのカソード出口２６を備えている。
【００２９】
アノード入口２４とＣＯ除去器３４は、改質ガス流路４０により接続され、アノード出口２５と触媒燃焼器３５は、アノードオフガス流路４４により接続されている。改質ガス流路４０には、三方電磁弁４１が配置されている。三方電磁弁４１には、アノードオフガス流路４４と連通したアノードバイパス流路４２が接続されている。
【００３０】
三方電磁弁４１は、改質ガス流路４０がアノード入口２４と連通すると共にアノードバイパス流路４２から遮断されたガス流通状態と、改質ガス流路４０がアノードバイパス流路４２に連通すると共にアノード入口２４から遮断されたガス遮断状態とを切換える。
【００３１】
アノードオフガス流路４４のアノードバイパス流路４２との合流箇所の上流側には、電磁弁４３が設けられている。カソード入口２７には、カソード入口流路５２が接続されている。カソード入口流路５２には、電磁弁５１とブロワ５０が設けられている。
【００３２】
カソード出口２６にはカソードオフガス流路４５が接続され、カソードオフガス流路４５には電磁弁４８が設けられている。また、カソードオフガス流路４５は、電磁弁４８の上流側でカソードパージ流路４６と連通し、カソードパージ流路４６は電磁弁４７を介してアノードオフガス流路４４に連通している。カソードオフガス流路４５には、水素ガス流路５３が接続されており、水素ガス流路５３の下流側は、電磁弁５４を介して水素高純度化処理器５５に接続されている。
【００３３】
コントローラ６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ等により構成された電子ユニットであり、温度センサ３２ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａの温度検出信号と、電極間電圧センサ６５の電圧検出信号が、コントローラ６０に入力される。また、コントローラ６０から出力される制御信号によって、三方電磁弁４１、電磁弁４３，４７，４８，５１，５４、ブロワ５０の作動と、熱交換器３１への原燃料及び改質空気の供給／停止が制御される。
【００３４】
また、ＣＰＵに水素処理システム１０の制御用プログラムを実行させることによって、コントローラ６０が、運転制御手段６１として機能する。運動制御手段６１は、本発明の水素処理運転として、ＤＭＳ２０をイオンポンプとして機能させる水素精製モードでの運転と、ＤＭＳ２０を燃料電池として機能させる発電モードでの運転とを切換えて実行する。
【００３５】
以下、水素精製モード及び発電モードでの水素処理システム１０の動作について説明する。
【００３６】
先ず、水素精製モードでの運転を行なうときの水素処理システムの動作について、図１を参照して説明する。運転制御手段６１は、電磁弁４７，４８，５１を閉弁状態にすると共に、電磁弁４３，５４を開弁状態とする。また、運転制御手段６１は、三方電磁弁４１を、改質ガス流路４０がアノード入口２４に連通すると共にアノードバイパス流路４２から遮断されたガス流通状態として、改質装置３０からアノード電極２２に改質ガスを供給する。
【００３７】
そして、運転制御手段６１は、ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間に、アノード電極２２を高電位側として、所定電圧を印加する。これにより、アノード電極２２では、以下の式（１）の反応が起こって水素イオン（Ｈ＋）が発生する。
【００３８】
Ｈ２ → ２Ｈ＋＋２ｅ−・・・・・ (1)
そして、水素イオンは、固体高分子電解質膜２１を透過してカソード電極２３に移動し、カソード電極２３では、以下の式（２）の反応が惹起されると共に昇圧される。
【００３９】
２Ｈ＋＋２ｅ− → Ｈ２・・・・・ (2)
このようにして、アノード電極２２からカソード電極２３に、水素イオンが移動することにより、改質ガスから高純度の水素ガスが精製される。この水素ガスは、水素ガス流路５３を介して水素高純度化処理器５５に送出され、水素高純度化処理器５５により除湿と精製の処理が施される。
【００４０】
また、アノード電極２２で水素イオンが抽出された後の改質ガス（抽出されなかった水素を含む）は、アノードオフガスとして、アノード出口２５からアノードオフガス流路４４を経由して触媒燃焼器３５に送出される。アノードオフガス中の水素は触媒燃焼器３５で燃焼し、その燃焼熱が熱交換器３１に与えられる。
【００４１】
次に、発電モードでの運転を行うときの水素処理システム１０の動作について、図２を参照して説明する。発電モードでは、ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３の間に接続される電気負荷７０が利用される。
【００４２】
運転制御手段６１は、電磁弁４７，５４を閉弁状態とすると共に、電磁弁４３，４８，５１を開弁状態とする。また、運転制御手段６１は、三方電磁弁４１を、改質ガス流路４０がアノード入口２４に連通されると共にアノードバイパス流路４２から遮断されたガス供給状態として、改質装置３０からアノード電極２２に改質ガスを供給する。
【００４３】
また、運転制御手段６１は、ブロワ５０を作動させて、カソード入口流路５２を介してカソード入口２７に空気（酸化剤ガス）を供給する。これにより、ＤＭＳ２０では、アノード電極２２で、以下の式（３）の反応が起こり、水素ガス（Ｈ２）が電子ｅ−を放出して水素イオン（Ｈ＋）となる。
【００４４】
Ｈ２ → ２Ｈ＋＋２ｅ−・・・・・ (3)
水素イオンは、固体高分子電解質膜２１中を透過し、カソード電極２３において、カソード入口２７から供給される空気中の酸素ガス（Ｏ２）と、カソード電極２３に供給される電子ｅ−とにより、以下の式（４）の反応が起こって水が生成される。
【００４５】
１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→ Ｈ２Ｏ ・・・・・ (4)
そして、上記式（３）、（４）に示したように、アノード電極２２から電気負荷７０を介してカソード電極２３に電流が流れ、ＤＭＳ２０から電気負荷７０に電力が供給される。
【００４６】
また、アノード電極２２で水素イオンが抽出された後の改質ガス（抽出されなかった水素を含む）は、アノードオフガスとして、アノード出口２５からアノードオフガス流路４４を経由して触媒燃焼器３５に送出される。アノードオフガス中の水素は、触媒燃焼器３５で燃焼してその燃焼熱が熱交換器３１に与えられる。
【００４７】
次に、図３に示したフローチャートに従って、水素精製モードでの運転実行中に、水素処理システム１０の停止指示がなされたときの運転制御手段６１による処理の第１実施形態について説明する。
【００４８】
［第１実施形態］
水素精製モードでの運転実行中に、ＳＴＥＰ１でシステム停止指示がなされると、ＳＴＥＰ２に進む。そして、運転制御手段６１は、ＳＴＥＰ２，３で熱交換器３１への原燃料と改質空気の供給を停止する。
【００４９】
次のＳＴＥＰ４で、運転制御手段６１はタイマをスタートさせ、続くＳＴＥＰ５〜ＳＴＥＰ７のループを、ＳＴＥＰ７でタイマがタイムアップするまで繰り返し実行する。ＳＴＥＰ５〜ＳＴＥＰ７のループにおいて、運転制御手段６１は、ＳＴＥＰ５で水素精製モードでの運転（ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間に、所定電圧が印加された状態）を継続しながら、ＳＴＥＰ６で電極間電圧センサ６５により検出されるＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間の電圧Ｖcellの変化率（所定時間あたりの電圧Ｖcellの変化幅）が所定値ＶRth以下（本発明の所定の電圧安定条件に相当する）であるか否かを判断する。
【００５０】
ここで、所定値ＶRthは、ＤＭＳ２０における水素の精製が安定的に行われており、その前提として、触媒燃焼器３５の温度及び改質器３２の温度が、規定性能を維持できる温度範囲に入っていると判断することができる値に設定されている。
【００５１】
なお、本発明の所定の電圧安定条件を、ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間の電圧Ｖcellが、予め設定された所定時間内で予め設定された電圧範囲内に維持されることに設定してもよい。
【００５２】
そして、ＳＴＥＰ６で、ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間の電圧Ｖcellの変化率がＶRth以下であるときはＳＴＥＰ７に進み、この変化率がＶRthよりも高いときにはＳＴＥＰ５に分岐する。
【００５３】
ＳＴＥＰ７で、運転制御手段６１は、タイマがタイムアップしているか否かを判断し、タイマがタイムアップしているときはＳＴＥＰ８に進み、タイマがタイムアップしてないときにはＳＴＥＰ５に分岐する。ここで、タイマがタイムアップするまでの設定時間（本発明の所定時間に相当する）は、熱交換器３１への原燃料と改質空気の供給を停止した時点から、ＤＭＳ２０のアノード極に供給される改質ガスの量が減少して、水素精製モードでの運転を停止しても、触媒燃焼器３５の温度が閾値Ｔth（触媒燃焼器３５の劣化や周辺デバイスの劣化が生じることを防止し得る温度）以下になるまでに要する時間を想定して設定される。
【００５４】
ＳＴＥＰ８で、運転制御手段６１は、ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間への所定電圧の印加を停止して水素精製モードでの運転を停止し、ＳＴＥＰ９に進んで水素処理システム１０の停止処理を終了する。
【００５５】
次に、図４，５を参照して、図３に示した水素処理システム１０の停止処理による効果について説明する。図４，５は、横軸を時間（ｔ）に設定し、縦軸を触媒燃焼器３５の温度（Ｔcat），ＤＭＳ２０での水素消費量（水素の精製量），及び熱交換器３１への原燃料の供給量に設定して、触媒燃焼器３５の温度変化と、熱交換器３１への原燃料の停止タイミング及び水素精製モードでの運転停止のタイミングを示したものである。
【００５６】
先ず、図４は、水素精製モードでの運転停止の停止処理を、熱交換器３１への原燃料と改質空気の供給停止のタイミングと、ＤＭＳ２０の水素精製モードでの運転停止のタイミングを同一にして行った場合を示している。この場合は、ｔ10で熱交換器３１への原燃料と改質空気の供給が停止すると共に、ＤＭＳ２０の水素精製モードでの運転が停止して、ＤＭＳ２０での水素消費量がゼロになっている。
【００５７】
ここで、ｔ10で熱交換器３１への原燃料と改質空気の供給を停止しても、改質装置３０での改質処理が停止するまでには、ある程度の遅れ時間が生じる。そのため、ｔ10でＤＭＳでの水素消費量がゼロになると、ＤＭＳ２０のアノード電極２２に供給された水素リッチな改質ガスが、水素の精製処理がなされずにそのままアノードオフガス流路４４を経由して、触媒燃焼器３５に排気される。
【００５８】
そのため、触媒燃焼器３５での燃焼量が急増して、触媒燃焼器３５の温度Ｔcatが急速に上昇し、触媒燃焼器３５の温度Ｔcatが上限閾値Ｔthを超えている。この場合には、触媒燃焼器３５の劣化や、触媒燃焼器３５の周辺デバイスの劣化が生じるおそれがある。
【００５９】
それに対して、図５は、図３に示したフローチャートの処理により、水素精製モードでの運転の停止処理を、熱交換器３１への原燃料と改質空気の供給停止のタイミングよりも、ＤＭＳ２０の水素精製モードでの運転停止のタイミングを遅くした場合を示している。この場合は、ｔ20で熱交換器３１への原燃料の供給が停止しているが、ＤＭＳ２０の水素精製モードでの運転は、水素の精製量を減少させて継続している。なお、ＤＭＳ２０の水素精製モードでの運転を、水素の精製量を減少させずに継続してもよい。
【００６０】
そして、ｔ21（図３のＳＴＥＰ６，ＳＴＥＰ７の条件が共に成立した時点）で、ＤＭＳ２０の水素モードでの運転が停止して、ＤＭＳ２０での水素の消費量がゼロになっている。このように、ｔ20〜ｔ21の間は、水素精製モードでの運転が継続されて、ＤＭＳ２０のアノード電極２２に供給される改質ガス中の水素が、精製処理により消費される。
【００６１】
そのため、アノードオフガス流量４４を経由して、触媒燃焼器３５に排気されるアノードオフガス中の水素濃度が低下し、触媒燃焼器３５での燃焼量の増加が抑制されて、触媒燃焼器３５の温度Ｔcatが閾値Ｔth以下に維持されている。これにより、触媒燃焼器３５の温度Ｔcatが閾値Ｔthを超える高温となって、触媒燃焼器３５の劣化や、触媒燃焼器３５の周辺デバイスの劣化が生じること防止することができる。
【００６２】
次に、図６に示したフローチャートに従って、水素精製モードでの運転実行中に、水素処理システム１０の停止指示がなされたときの運転制御手段６１による処理の第２実施形態について説明する。
【００６３】
［第２実施形態］
図６のＳＴＥＰ２０〜ＳＴＥＰ２２の処理は、上述した図３のＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３の処理と同様であり、ＳＴＥＰ２０でシステム停止指示がなされたときにＳＴＥＰ２１に進み、運転制御手段６１は、ＳＴＥＰ２１，２２で熱交換器３１への原燃料と改質空気の供給を停止する。
【００６４】
そして、運転制御手段６１は、次のＳＴＥＰ２３〜ＳＴＥＰ２５のループを、ＳＴＥＰ２５で、温度センサ３５ａによって検出される触媒燃焼器３５の温度ＴcatがＴth（本発明の所定温度に相当する）以下になるまで、繰り返し実行する。
【００６５】
ＳＴＥＰ２３〜ＳＴＥＰ２５のループにおいて、運転制御手段６１は、ＳＴＥＰ２３で水素精製モードでの運転（ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間に、所定電圧が印加された状態）を継続しながら、ＳＴＥＰ２４で電極間電圧センサ６５により検出されるＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間の電圧Ｖcellの変化率が、上述したＶRth以下（本発明の所定の電圧安定条件に相当する）であるか否かを判断する。
【００６６】
そして、ＳＴＥＰ２４で、ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間の電圧Ｖcellの変化率がＶRth以下であるときはＳＴＥＰ２５に進み、この変化率がＶRthよりも高いときにはＳＴＥＰ２３に分岐する。
【００６７】
ＳＴＥＰ２５で、運転制御手段６１は、触媒燃焼器３５の温度ＴcatがＴth以下であるか否かを判断する。そして、燃焼触媒器３５の温度ＴcatがＴth以下であるときはＳＴＥＰ２６に進み、触媒燃焼器３５の温度ＴcatがＴthを超えているときにはＳＴＥＰ２３に分岐する。ここで、Ｔthは、触媒燃焼器３５の劣化や、触媒燃焼器３５の周辺デバイスの劣化を抑制するための上限温度に設定されている。
【００６８】
このように、ＳＴＥＰ２５で触媒燃焼器３５の温度ＴcatがＴth以下となるまで、水素精製モードでの運転を継続することによって、上述した第１の実施形態と同様に、改質装置３０からＤＭＳ２０のアノード電極２２に供給される改質ガス中の水素が消費される。そのため、アノード電極２２からアノードオフガス流路４４を経由して、触媒燃焼器３５に排気されるアノードオフガス中の水素濃度が低下する。そして、これにより、水素濃度の高いアノードオフガスが触媒燃焼器３５に排気されて、触媒燃焼器３５の燃焼量が急増し、触媒燃焼器３５の温度上昇による触媒燃焼器３５自体の劣化や触媒燃焼器３５の周辺デバイスの劣化を抑制することができる。
【００６９】
なお、図４，６に示したフローチャートでは、水素精製モードでの運転を停止する場合の処理を示したが、発電モードでの運転実行中に、水素処理システム１０の運転を停止する場合についても、同様の処理により本発明を適用することができる。この場合には、運転制御手段６１は、図３のＳＴＥＰ５及び図６のＳＴＥＰ２３で発電モードでの運転を継続し、図３のＳＴＥＰ８及び図６のＳＴＥＰ２６で、ＤＭＳ２０と電気負荷７０との接続を遮断して発電モードでの運転を停止すればよい。
【００７０】
また、本実施の形態では、図３のＳＴＥＰ６及び図６のＳＴＥＰ２４で、ＤＭＳ２０のアノード電極２２とカソード電極２３間の電圧Ｖcellが安定していることを、ＤＭＳ２０の運転（水素精製モードでの運転、及び発電モードでの運転）を停止する条件として設定しているが、この条件を設定しない場合であっても、本発明の効果を得ることができる。
【００７１】
また、本実施形態では、電極構造体（ＤＭＳ２０）について、水素精製モードでの運転と発電モードでの運転を行なう水素処理システムを示したが、水素精製モードでの運転のみ、或いは発電モードでの運転のみを行なう水素処理システムに対しても、本発明の適用が可能である。
【００７２】
また、本実形態では、本発明の燃焼器として触媒燃焼器３５を示したが、バーナを用いてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１０…水素処理システム、２０…電極構造体（ＤＭＳ：Dual Mode Stack）、２１…固体高分子電解質膜、２２…アノード電極、２３…カソード電極、３０…改質装置、３１…熱交換器、３５…触媒燃焼器、３５ａ…（触媒燃焼器の）温度センサ、４１…三方電磁弁、６０…コントローラ、６１…運転制御手段、６５…電極間電圧センサ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料を改質して改質ガスを生成すると共に、改質処理の熱源として燃焼器を有する改質装置と、
ガス流路を有するアノード電極及びカソード電極を、電解質膜を挟んで配置して構成された電極構造体と、
前記アノード電極のガス流路と前記燃焼器間を接続したアノードオフガス流路と、
前記アノード電極と前記カソード電極間に所定電圧を印加した状態で、前記アノード電極に前記改質ガスを供給することにより、前記電極構造体をイオンポンプとして機能させて、前記改質ガス中の水素を電解質膜を透過させてカソード電極側に移送する水素精製モードでの運転と、前記アノード電極に前記改質ガスを供給すると共に、前記カソード電極に酸化剤ガスを供給することにより、前記電極構造体を燃料電池として機能させて、前記アノード電極と前記カソード電極間に接続された電気負荷に電力を供給する発電モードでの運転とのうちの少なくともいずれか一方を含む水素処理運転を行う運転制御手段とを備えた水素処理システムにおいて、
前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、所定時間が経過したときに前記水素処理運転を停止することを特徴とする水素処理システム。
【請求項２】
請求項１記載の水素処理システムにおいて、
前記電極構造体のアノード電極とカソード電極間の電圧を検出する電極間電圧検出手段を備え、
前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記電極間電圧検出手段の検出電圧が所定の電圧安定条件を満たし、且つ、前記所定時間が経過したときに、前記水素処理運転を停止することを特徴とする水素処理システム。
【請求項３】
原燃料を改質して改質ガスを生成すると共に、改質処理の熱源として燃焼器を有する改質装置と、
ガス流路を有するアノード電極及びカソード電極を、電解質膜を挟んで配置して構成された電極構造体と、
前記アノード電極のガス流路と前記燃焼器間を接続したアノードオフガス流路と、
前記アノード電極と前記カソード電極間に所定電圧を印加した状態で、前記アノード電極に前記改質ガスを供給することにより、前記電極構造体をイオンポンプとして機能させて、前記改質ガス中の水素を電解質膜を透過させてカソード電極側に移送する水素精製モードでの運転と、前記アノード電極に前記改質ガスを供給すると共に、前記カソード電極に酸化剤ガスを供給することにより、前記電極構造体を燃料電池として機能させて、前記アノード電極と前記カソード電極間に接続された電気負荷に電力を供給する発電モードでの運転とのうちの少なくともいずれか一方を含む水素処理運転を行う運転制御手段とを備えた水素処理システムにおいて、
前記燃焼器の温度を検出する燃焼器温度検出手段を備え、
前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記燃焼器温度検出手段の検出温度が所定温度以下になったときに、前記水素処理運転を停止することを特徴とする水素処理システム。
【請求項４】
請求項３記載の水素処理システムにおいて、
前記電極構造体のアノード電極とカソード電極間の電圧を検出する電極間電圧検出手段を備え、
前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記電極間電圧検出手段の検出電圧が所定の電圧安定要件を満たし、且つ、前記燃焼器温度検出手段の検出温度が前記所定温度以下になったときに、前記水素処理運転を停止することを特徴とする水素処理システム。
【請求項１】
原燃料を改質して改質ガスを生成すると共に、改質処理の熱源として燃焼器を有する改質装置と、
ガス流路を有するアノード電極及びカソード電極を、電解質膜を挟んで配置して構成された電極構造体と、
前記アノード電極のガス流路と前記燃焼器間を接続したアノードオフガス流路と、
前記アノード電極と前記カソード電極間に所定電圧を印加した状態で、前記アノード電極に前記改質ガスを供給することにより、前記電極構造体をイオンポンプとして機能させて、前記改質ガス中の水素を電解質膜を透過させてカソード電極側に移送する水素精製モードでの運転と、前記アノード電極に前記改質ガスを供給すると共に、前記カソード電極に酸化剤ガスを供給することにより、前記電極構造体を燃料電池として機能させて、前記アノード電極と前記カソード電極間に接続された電気負荷に電力を供給する発電モードでの運転とのうちの少なくともいずれか一方を含む水素処理運転を行う運転制御手段とを備えた水素処理システムにおいて、
前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、所定時間が経過したときに前記水素処理運転を停止することを特徴とする水素処理システム。
【請求項２】
請求項１記載の水素処理システムにおいて、
前記電極構造体のアノード電極とカソード電極間の電圧を検出する電極間電圧検出手段を備え、
前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記電極間電圧検出手段の検出電圧が所定の電圧安定条件を満たし、且つ、前記所定時間が経過したときに、前記水素処理運転を停止することを特徴とする水素処理システム。
【請求項３】
原燃料を改質して改質ガスを生成すると共に、改質処理の熱源として燃焼器を有する改質装置と、
ガス流路を有するアノード電極及びカソード電極を、電解質膜を挟んで配置して構成された電極構造体と、
前記アノード電極のガス流路と前記燃焼器間を接続したアノードオフガス流路と、
前記アノード電極と前記カソード電極間に所定電圧を印加した状態で、前記アノード電極に前記改質ガスを供給することにより、前記電極構造体をイオンポンプとして機能させて、前記改質ガス中の水素を電解質膜を透過させてカソード電極側に移送する水素精製モードでの運転と、前記アノード電極に前記改質ガスを供給すると共に、前記カソード電極に酸化剤ガスを供給することにより、前記電極構造体を燃料電池として機能させて、前記アノード電極と前記カソード電極間に接続された電気負荷に電力を供給する発電モードでの運転とのうちの少なくともいずれか一方を含む水素処理運転を行う運転制御手段とを備えた水素処理システムにおいて、
前記燃焼器の温度を検出する燃焼器温度検出手段を備え、
前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記燃焼器温度検出手段の検出温度が所定温度以下になったときに、前記水素処理運転を停止することを特徴とする水素処理システム。
【請求項４】
請求項３記載の水素処理システムにおいて、
前記電極構造体のアノード電極とカソード電極間の電圧を検出する電極間電圧検出手段を備え、
前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記電極間電圧検出手段の検出電圧が所定の電圧安定要件を満たし、且つ、前記燃焼器温度検出手段の検出温度が前記所定温度以下になったときに、前記水素処理運転を停止することを特徴とする水素処理システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−４０２５９（Ｐ２０１１−４０２５９Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８５９８０（Ｐ２００９−１８５９８０）
【出願日】平成２１年８月１０日（２００９．８．１０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１０日（２００９．８．１０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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