JP4007047B2

JP4007047B2 - 水素供給装置の制御方法

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Publication number: JP4007047B2
Application number: JP2002120601A
Authority: JP
Inventors: 康弘長田; 昌徳上原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-04-23
Filing date: 2002-04-23
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2022-04-23
Also published as: JP2003313006A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質反応により水素を生成し、水素消費装置に水素を供給する水素供給装置の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池に水素を供給する装置として、炭化水素化合物を改質して水素リッチガスを生成する改質器が知られている。改質器では、高温での触媒反応（水蒸気改質反応）により炭化水素化合物を含む改質原料を改質して水素を発生させる。この水蒸気改質反応のためには、改質器を高温に維持する必要がある。
【０００３】
改質器を高温に維持する方法として、燃料電池から排出される未反応の燃料ガス（水素を含有するオフガス）を燃焼させて、この燃焼熱を利用して改質器を加熱する方法が提案されている。このような改質器として、例えば特開平１１−３４３１０１号公報に記載の改質器がある。この改質器は、隔壁で分離された燃焼室と改質室とからなり、隔壁を介して燃焼室と改質室との間で熱交換が行われるように構成されている。そして、燃料（オフガス）を燃焼室で燃焼させた燃焼熱で改質室を加熱し、改質室内の改質触媒により改質室を流れる改質原料が水素を含むガス（改質ガス）に改質される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来技術のように高温の燃焼ガスを用いて改質触媒を加熱する場合には、過熱により改質触媒が劣化してしまう場合がある。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、燃焼ガスを用いて改質触媒を加熱する水素供給装置において、改質触媒の担持領域を最適化することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、改質反応により生成した水素を水素消費装置（４０）に供給する水素供給装置の制御方法であって、水素供給装置は、改質反応に用いられる改質原料が通過する低温流体通路（Ａ）と、燃焼ガスが通過する高温流体通路（Ｂ）と、改質反応に用いられる改質触媒が設けられているとともに、燃焼ガスの熱を改質触媒に伝える熱交換部（２０）とを備え、改質触媒は、熱交換部（２０）における触媒劣化温度以上となる触媒劣化領域（Ｌｄ）を除く任意の部位に担持されており、熱交換部（２０）は、回転軸（２６）を中心に回転駆動される回転蓄熱体（２１）を有しており、回転蓄熱体（２１）を回転させることにより、低温流体通路（Ａ）と前記高温流体通路（Ｂ）とを交互に移動し、燃焼ガスの熱を前記改質触媒に伝え、回転蓄熱体（２１）の回転数を調整することにより、触媒劣化領域（Ｌｄ）の大きさを調整することを特徴としている。これにより、改質触媒が触媒劣化温度以上に過熱されて劣化してしまうことを防止できる。また、回転蓄熱体（２１）の低温流体通路Ａ側と高温流体通路Ｂ側との間の生じる温度分布は、回転蓄熱体（２１）の回転速度によって変化する。このため、回転蓄熱体（２１）の回転数を調整することにより、触媒劣化領域（Ｌｄ）の大きさを調整することができる。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明では、熱交換部（２０）における触媒劣化領域（Ｌｄ）を除く任意の部位に酸化触媒が担持されていることを特徴としている。これにより、オフガスが熱交換部（２０）を通過する際に触媒燃焼させて燃焼ガスを生成することができ、この燃焼ガスの燃焼熱を利用することができる。
【０００８】
また、高温流体通路（Ｂ）に供給される燃焼ガス中には不完全燃焼等により有害ガスが含まれる場合があるが、酸化触媒によって燃焼ガス中の有害成分を触媒燃焼させることによって、燃焼ガスを完全酸化反応（完全燃焼）させることができる。これにより、燃焼ガス中の有害ガスを十分に清浄化させた上で、外部に排出することができる。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明では、改質触媒と酸化触媒は、互いに混合された混合触媒として担持されていることを特徴としている。これにより、低温流体通路（Ａ）における同一部位において、触媒燃焼による改質原料の加熱気化と、改質反応による水素リッチガスの生成を行うことができる。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明では、高温流体通路（Ｂ）における熱交換部（２０）の下流側には、排気浄化手段（６０）が設けられていることを特徴としている。これにより、熱交換部（２０）から有害ガスが排出された場合に、有害ガスが外部に排出されることを防止できる。特に、回転蓄熱式熱式熱交換器では、その構造上、低温流体通路（Ａ）における蒸発部（２０）の上流側で供給された改質燃料が高温流体通路（Ｂ）に漏れるため、このような排気浄化手段を設けることが有効である。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明では、排気浄化手段（６０）は、多数の貫流孔を有するとともに、貫流孔に酸化触媒が添着された排気浄化体（６１）を備えていることを特徴としている。これにより、酸化触媒によって余剰の酸素と改質原料中の未反応成分（ＨＣ等）との酸化反応が促進され、有害成分は浄化された上で排気される。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明では、排気浄化手段（６０）は、排気浄化体（６１）を加熱する加熱手段（６２）を備えていること特徴としている。これにより、排気浄化体（６１）に担持された触媒を活性温度以上に加熱することができ、低温始動時においても有害成分を浄化して排出することができる。
【００１５】
また、請求項７に記載の発明では、排気浄化手段（６０）は、排気浄化体（６１）の上流側に設けられた吸着体（６６）を備えていることを特徴としている。これにより、排気浄化体（６１）に担持された触媒が活性温度に達する前であっても、吸着体により有害成分を保持することができ、有害成分が外部に排出されることを防ぐことができる。また、高温時には有害成分が吸着体から脱離し、吸着体を再生できる。
【００１６】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を適用した第１実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。図１は本第１実施形態の水素供給装置の概略構成を示すブロック図であり、図２は水素供給装置の各構成要素の配置関係を示す概念図である。本第１実施形態の水素供給装置は、水素消費装置としての燃料電池４０に水素を供給するように構成されている。
【００１８】
図１、図２に示すように、本第１実施形態の水素供給装置は、改質原料供給部１０、熱交換部（蒸発部および改質部）２０、ＣＯ除去部３１、燃焼ガス供給部（オフガス供給部）５０等を備えている。また、水素供給装置には、ハウジング１によって、改質原料が通過する低温流体通路（改質原料通路）Ａと、燃焼ガスが通過する高温流体通路（燃焼ガス通路）Ｂとが並行して形成されている。低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂはそれぞれ独立しており、熱交換部２０を介して熱の授受が行われる。
【００１９】
低温流体通路Ａでは、改質原料供給部１０で供給された改質原料（水、空気、改質燃料）が熱交換部２０で加熱・気化（蒸発）されるとともに、Ｈ₂およびＣＯを含む改質ガスに改質される。改質ガスは、ＣＯ除去部３１にてＣＯが除去された後、水素リッチガスとして燃料電池４０に供給される。
【００２０】
燃料電池４０には、水素とともに空気（酸素）が図示しない空気供給用ポンプにより供給されるように構成されており、水素と酸素との電気化学反応により発電する。燃料電池４０では、発電に用いられなかった未反応水素を含んだオフガスが排出される。
【００２１】
高温流体通路Ｂでは、オフガスがオフガス供給路４１を介して燃焼ガス供給部５０に供給され、燃焼して燃焼ガスとなる。この燃焼ガスの燃焼熱は、熱交換部２０を介して高温流体通路Ｂから低温流体通路Ａを流れる改質原料に伝えられる。なお、本実施形態では、改質原料に含まれる改質燃料としてガソリンや灯油といった液体石油系燃料を用いている。
【００２２】
図２に示すように低温流体通路Ａの最上流部には、改質原料（水、空気、改質燃料）を供給する改質原料供給部１０が配置されている。改質原料供給部１０には、燃料流量制御弁１１、水流量制御弁１２、空気流量制御弁１３、噴霧ノズル１４、混合室１５が設けられている。
【００２３】
改質燃料と水と空気は、それぞれ流量制御弁１１、１２、１３で流量制御され、噴霧ノズル１４にて熱交換部２０の上流側の混合室１５に噴霧される。改質燃料と水と空気は混合室１５にて混合ガスとなり、改質原料が生成する。
【００２４】
低温流体通路Ａにおける改質原料供給部１０の下流側には、熱交換部（蒸発部および改質部）２０が配置されている。本第１実施形態の熱交換部２０は回転式熱交換器である。なお、本第１実施形態の熱交換部２０は、改質原料を加熱気化する蒸発部としての機能と、気化した改質原料を改質して水素を生成する改質部としての機能を有している。
【００２５】
図３は熱交換部２０の分解斜視図である。図３に示すように、熱交換部２０には、熱エネルギを蓄える回転蓄熱体（マトリクス）２１と、マトリクス２１と密着摺動してガス漏れを防止する一対の静止ガスシール２２、２３と、マトリクス２１を回転駆動する駆動用モータ２４が設けられている。
【００２６】
マトリクス２１は、コージェライト等の耐熱性セラミックからなる円盤形状に形成されている。マトリクス２１は、軸方向に多数の貫通孔（セル）２１ａが形成されたハニカム構造となっている。マトリクス２１におけるガスシール２２、２３と接触する外周側面部２１ｂは、セメントコーティングされるか、あるいはソリッド状のセラミックリングが固着されることによって、シール面が形成されている。
【００２７】
マトリクス２１は、回転軸２６とハウジング１側に設けられた軸受け２７によって支持されている。回転軸２６は、マトリクス２１の中心部に設けられたソリッド状のハブ２１ｄに固着されている。マトリクス２１は電動モータ２４により回転駆動される。マトリクス２１の外周面にはリングギア２１ｃが設けられている。電動モータ２４からの回転力は、電動モータ２４の回転軸に固定されたピニオン２４ａを介して、リングギア２１ｃに伝えられる。摺動部位である軸受け２７は高温雰囲気で用いられるため、高温無潤滑材料（硬質カーボン材等）によって形成されている。
【００２８】
ガスシール２２、２３は、例えばステンレスのような耐熱性金属やセラミックから形成されている。ガスシール２２、２３は、円筒状フランジ２２ａ、２３ａとその中心を径方向に通るクロスアーム２２ｂ、２３ｂとが一体化してΘ型に構成されている。クロスアーム２２ｂ、２３ｂの摺動面と、マトリクス２１の外周側面部２１ｂと接触するガスシールのシール面２２ｃ、２３ｃには、マトリクス２１およびガスシール２２、２３の摩耗を少なくするため、摩擦係数の低い高温無潤滑材料層（図示せず）がコーティング等によって形成されている。
【００２９】
低温流体通路Ａを流れる高圧の改質原料が高温流体通路Ｂに漏れないように、マトリクス２１とハウジング１との間にガスシール２２、２３を介在させることでシールしている。ガスシール２２、２３は、シール面２２ｃ、２３ｃでマトリクス２１を軸方向の両側から挟んだ状態でハウジング１に固定されている。マトリクス２１は、ガスシール２２、２３のクロスアーム２２ｂ、２３ｂにて２つの領域に区画される。
【００３０】
図２に示すようにマトリクス２１は、並行する低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂの双方を横断するように配置される。このとき、ガスシール２２、２３のクロスアーム２２ｂ、２３ｂで区画された第１の領域は低温流体通路Ａに位置し、第２の領域は高温流体通路Ｂに位置する。マトリクス２１はガスシール２２、２３の間を摺動回転し、改質原料が通過する低温流体通路Ａとオフガス（燃焼ガス）が通過する高温流体通路Ｂとを交互に移動する。
【００３１】
回転蓄熱体２１は軸方向に低温流体流れ方向の上流側から順に第１の領域Ｌｈ、第２の領域Ｌｒ、第３の領域Ｌｄに区分されている。低温流体通路Ａを流れる改質燃料は、第１の領域Ｌｈ→第２の領域Ｌｒ→第３の領域Ｌｄの順に通過し、高温流体通路Ｂを流れる燃焼ガスは、第３の領域Ｌｄ→第２の領域Ｌｒ→第１の領域Ｌｈの順に通過する。
【００３２】
ここで、回転蓄熱体２１における触媒担持領域について図４に基づいて説明する。図４は、回転蓄熱体２１の温度分布を示す断面斜視図である。図４に示すように、回転蓄熱体２１には温度分布が生じており、高温流体通路Ｂ側における燃焼ガスが流入する領域が最も高温となり、高温流体通路Ｂ下流側に向かって温度が低くなる。このため、高温流体通路Ｂの最上流側に位置する第３の領域Ｌｄは、流入する燃焼ガスによって触媒劣化温度（例えば８００℃）以上に温度上昇する触媒劣化領域となっている。
【００３３】
このため、改質反応のための改質触媒は、回転蓄熱体２１における触媒劣化領域Ｌｄを除いた領域に担持されている。本第１実施形態では、第１の領域Ｌｈが改質原料を加熱気化する蒸発部に対応し、第２の領域Ｌｒが気化された改質原料を改質して水素を発生させる改質部に対応している。
【００３４】
回転蓄熱体２１の改質部Ｌｒにおける貫通孔２１ａ表面には、改質反応のための改質触媒（酸化ニッケル、酸化銅、白金、パラジウム等の単体あるいは混合物）が担持（添着）されている。また、蒸発部Ｌｈにおける貫通孔２１ａ表面には、酸化触媒（白金、パラジウム等の単体あるいは混合物）が担持されている。この酸化触媒により、高温流体通路Ｂに供給される燃料電池４０のオフガスを触媒燃焼させることができる。
【００３５】
回転蓄熱体２１の改質部Ｌｒは、高温流体通路Ｂにおいて貫通孔２１ａを通過する燃焼ガスから改質触媒に直接的に熱を受け取る。また、回転蓄熱体２１の蒸発部Ｌｈは、高温流体通路Ｂにおいて貫通孔２１ａを通過する燃焼ガスから熱を受け取った後、低温流体通路Ａに移動して貫通孔２１ａを通過する改質原料に熱を伝えて加熱・気化させる。蒸発部Ｌｈで加熱気化された改質原料は、改質部Ｌｒにて改質され、Ｈ₂とＣＯを含んだ改質ガスが生成する。
【００３６】
また、図４に示すように、回転蓄熱体２１は低温流体通路Ａ側と高温流体通路Ｂ側でも温度分布を生じており、触媒劣化温度以上に上昇する領域は、高温流体通路Ｂ側の方が大きくなっている。この場合、触媒劣化領域Ｌｄは、高温流体通路Ｂ側で触媒劣化温度以上に上昇する領域に対応させる必要がある。
【００３７】
この低温流体通路Ａ側と高温流体通路Ｂ側との間の温度分布は、回転蓄熱体２１の回転速度によって変化する。すなわち、回転蓄熱体２１の回転速度を遅くすると熱交換効率が向上する一方、低温流体通路Ａ側と高温流体通路Ｂ側との間の温度分布が大きくなり、触媒劣化領域Ｌｄが大きくなる。この結果、触媒を担持可能な領域が小さくなる。逆に、回転蓄熱体２１の回転速度を速くすれば、低温流体通路Ａ側と高温流体通路Ｂ側との間の温度分布が平均化され、触媒劣化領域Ｌｄを小さくすることができる。この結果、触媒を担持可能な領域が大きくなる。
【００３８】
従って、回転蓄熱体２１の回転速度を調整することによって、触媒劣化領域Ｌｄの大きさを調整することができる。
【００３９】
また、回転蓄熱体２１の低温流体通路Ａ下流側には、回転蓄熱体２１を通過した改質ガスの温度を検出して、間接的に改質触媒の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）２８が設けられている。
【００４０】
熱交換部２０の下流側には、改質ガスからＣＯを除去するＣＯ除去部３１が設けられ、ＣＯ除去部３１の上流側には改質ガス温度をＣＯ除去に必要な温度に冷却するための冷却部３０が設けられている。ＣＯ除去部３１は、ＣＯシフト部およびＣＯ浄化部とから構成される。ＣＯシフト部にはＣＯシフト反応（Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ→ＣＯ₂＋Ｈ₂＋ＣＯ）のためのシフト触媒が設けられ、ＣＯ浄化部にはＣＯ浄化反応（ＣＯ＋１／２Ｏ₂→ＣＯ₂）のための浄化触媒が設けられている。
【００４１】
ＣＯ除去部３１の下流側は、水素消費装置としての燃料電池４０に接続されており、水素を含んだ改質ガスが供給される。燃料電池４０には、水素とともに空気（酸素）が供給され、水素と酸素との電気化学反応により発電する。燃料電池４０では、発電に用いられなかった未反応水素を含んだオフガスと、発電に用いられなかった未反応酸素を含んだオフエアが排出される。
【００４２】
高温流体通路Ｂにおける熱交換部２０の上流側には、熱交換部２０を加熱するための燃焼ガス供給部（オフガス供給部）５０が設けられている。燃焼ガス供給部５０には、オフガス流量制御弁５１、オフエア流量制御弁５２、燃料流量制御弁（燃焼用燃料供給部）５３、噴霧ノズル５４、点火プラグ（着火手段）５５、混合・燃焼室５６が設けられている。
【００４３】
燃焼ガス供給部５０には、燃料電池４０から排出される未反応の水素を含むオフガスがオフガス供給路４１を介して供給される。さらに燃焼ガス供給部５０には、燃料電池４０から排出される未反応の酸素を含むオフエアが、オフエア供給路４２を介して供給される。
【００４４】
オフガスおよびオフエアは噴霧ノズル５４から混合・燃焼室５６に噴霧され、オフガス混合気となる。オフガス混合気は、熱交換部２０に供給され、熱交換部２０に設けられた酸化触媒にて触媒燃焼して燃焼ガスを生ずる。この燃焼ガスの燃焼熱で回転蓄熱体２１が加熱される。回転蓄熱体２１は高温流体通路Ｂで熱を受け取り、回転して低温流体通路Ａにて改質原料を加熱する。また、オフガス混合気は燃焼室５６で点火プラグにて着火され、火炎燃焼により燃焼ガスが生じる。この燃焼ガスにより、高温流体通路Ｂで改質触媒を直接的に加熱することができる。
【００４５】
水素供給装置の始動時には、オフガスに代えて、燃料流量制御弁５３にて流量制御された始動用燃料（燃焼用燃料）を燃焼室５６に噴霧し、点火プラグ５５にて着火して、火炎燃焼により燃焼ガスを生じさせるように構成されている。なお、本第１実施形態では、始動用燃料として改質燃料と同様の液体石油系燃料を用いている。
【００４６】
図５は、本実施形態の水素供給装置の制御系を示している。図５に示すように、本第１実施形態の水素供給装置には、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）７０が設けられている。制御部７０には、温度センサ２８にて検出した温度信号が入力され、回転蓄熱体駆動用モータ２４、各流量制御弁１１、１２、１３、５１、５２、５３、点火プラグ５５に制御信号を出力するように構成されている。
【００４７】
以下、上記構成の水素供給装置の作動について説明する。まず、水素供給装置の始動時について説明する。熱交換部２０の改質部Ｌｒにおいて改質反応が開始するためには、改質部Ｌｒに供給される改質原料が蒸発・気化しており、かつ改質部Ｌｒの改質触媒が改質反応を開始可能な所定温度まで昇温している必要がある。
【００４８】
そこで、まず燃焼ガス供給部５０の燃焼室５６にて始動用燃料と空気との混合気を生成し、点火プラグ５５にて着火して火炎燃焼させる。この火炎燃焼により生成した燃焼ガスは、高温流体通路Ｂを流れて熱交換部２０を貫流する。これにより、回転蓄熱体２１のうち高温流体通路Ｂに位置する部位は燃焼ガスにより加熱される。
【００４９】
これにより、改質部Ｌｈの改質触媒が直接的に加熱されるとともに、回転蓄熱体２１が回転することで、燃焼ガスにて加熱された部位が低温流体通路Ａに移動し、低温流体通路Ａを流れる空気が加熱される。この加熱空気が低温流体通路Ａを流れることにより、熱交換部２０の下流側の各構成要素が急速に暖気される。
【００５０】
また、熱交換部２０では、蒸発部Ｌｈは、改質原料気化のために例えば３００〜４００℃程度となっている必要があり、改質部Ｌｒは改質反応のために例えば４００〜７００℃程度と、蒸発部Ｌｈより高温になっている必要がある。高温流体通路Ｂでは、高温ガス（高温流体）が改質部Ｌｒを通過した後に蒸発部Ｌｈを通過するため、改質部Ｌｒの方が優先的に加熱され、触媒反応に必要な温度序列に応じて効率よく急速に加熱できる
このとき、燃焼ガス供給部５０で発生した燃焼ガスには不完全燃焼等により有害ガスが含まれるが、燃焼ガスは回転蓄熱体２１を通過する際に、蒸発部Ｌｈにおける貫通孔２１ａの表面に添着された酸化触媒により触媒燃焼（触媒酸化反応）する。従って、始動用燃料と空気との混合割合を適切に調整して火炎燃焼させ、さらに熱交換部２０にて燃焼ガス中の有害成分を触媒燃焼させることによって、燃焼ガスを完全酸化反応（完全燃焼）させることができる。これにより、燃焼ガス中の有害ガスを十分に清浄化させた上で、外部に排出することができる。
【００５１】
燃焼ガスの燃焼熱により、熱交換部２０、ＣＯ除去部３１といった改質システムの各構成要素が急速に暖気（予熱）される。そして、温度センサ２８にて間接的に検出した改質触媒の温度が所定改質反応開始温度に到達した場合に、改質触媒を含めた改質システムの構成要素が改質反応を開始することができる温度に到達したと判断して、燃焼ガス供給部５０での始動用燃料の供給を中断して火炎燃焼を停止する。
【００５２】
なお、所定改質反応開始温度は改質燃料の種類等に応じて任意に設定できるが、本第１実施形態のように改質燃料として石油系燃料を用いる場合には３００℃〜４００℃と設定することができる。
【００５３】
各構成要素の暖気が完了すると、改質原料供給部１０にて改質原料（水、空気、改質燃料）の供給が開始される。改質原料は、熱交換部２０において、蒸発部Ｌｈで加熱・気化され、改質部ＬｒでＨ₂とＣＯを含む改質ガスに改質される。改質ガスは、ＣＯ除去部３１にてＣＯが除去され、燃料電池４０に供給される。
【００５４】
燃料電池４０では、水素と酸素との化学反応により発電するとともに、未反応水素を含むオフガスと未反応の酸素を含むオフエアが排出される。オフガスはオフガス導入経路４１を介して、オフエアはオフエア供給路４２を介して高温流体通路Ｂの燃焼ガス供給部５０に導入され、オフガス混合気となる。オフガス混合気は、熱交換部２０に供給され、回転蓄熱体２１を通過する際に触媒燃焼を開始する。この触媒燃焼によって発生した燃焼ガスの燃焼熱により、改質部Ｌｒでは改質触媒が直接的に加熱される。蒸発部Ｌｈでは燃焼熱は回転蓄熱体２１に蓄えられ、回転蓄熱体２１が回転移動することにより、低温流体通路Ａを通過する改質原料を加熱・気化する。
【００５５】
このように、オフガスの触媒燃焼による熱により、改質部Ｌｒの改質触媒を加熱するとともに、改質原料を加熱して気化することができる。これにより、熱交換部２０の加熱は、始動用燃料の火炎燃焼による加熱からオフガス燃焼による加熱に切り替わり、水素供給装置は自立運転を開始することができる。
【００５６】
次に、燃料電池４０における負荷が変動した場合には、燃料電池４０での負荷変動に応じて改質原料の供給量を調整して、燃料電池４０への水素供給量を調整する。
【００５７】
水素供給装置において水素供給量を増加させた場合には、改質部Ｌｒの改質反応に伴う吸熱量増加により改質部Ｌｒの温度が低下するため、改質部Ｌｒの加熱量を増加させる必要がある。ところが、水素供給装置の水素供給量増加に伴う燃料電池４０のオフガス排出量増加には、タイムラグがある。このため、水素供給装置での水素供給量を急速に増加させた場合には、オフガス燃焼による燃焼熱が不足する場合がある。このような場合には、一時的に燃焼ガス供給部５０にて始動用燃料を噴霧して点火プラグ５５で着火することで、火炎燃焼による燃焼熱を利用して熱補給することができる。これにより、常に適温下で改質反応を促進することができる。
【００５８】
また、改質原料中の空気の混合割合を増加させることで、改質部Ｌｒにおける部分酸化反応（発熱反応）の割合を増加させ、改質部Ｌｒでの発熱量を増加させることができる。これによっても、オフガス燃焼の燃焼熱の不足を補うことができる。さらに、回転蓄熱体２１の回転を速めることによっても、高温流体通路Ｂから低温流体通路Ａへの伝熱速度を速くすることができる。これによっても、オフガス燃焼の燃焼熱の不足を補うことができる。
【００５９】
なお、燃料電池４０における負荷増加の伴う改質部Ｌｒの温度低下は、温度センサ２８にて直接的に検出することができる。あるいは燃料電池４０が例えば車両走行用モータの駆動電源として用いられている場合には、アクセル開度に基づいて燃料電池４０の負荷変動を予測し、改質部Ｌｒの温度変化を予測するように構成してもよい。
【００６０】
水素供給装置から燃料電池４０への水素の供給を停止する場合には、改質燃料と水の供給を停止し、次に空気の供給を停止する。この間、低温流体通路Ａ内に残存する可燃混合気は、高温流体通路Ｂにおいて熱交換部２０内またはその表面部での触媒燃焼により燃焼完結するので、エミッションの排出を抑制することができる。
【００６１】
以上のように本第１実施形態では、高温の燃焼ガスが供給される回転蓄熱体２１における触媒劣化領域Ｌｄを除いた領域Ｌｒに改質触媒を担持しているので、改質触媒が触媒劣化温度以上に過熱されて劣化してしまうことを防止できる。同様に、回転蓄熱体２１における触媒劣化領域Ｌｄを除いた領域Ｌｈに酸化触媒を担持しているので、酸化触媒が触媒劣化温度以上に過熱されて劣化してしまうことを防止できる。このように、回転蓄熱体２１の温度分布に応じて、触媒のポテンシャルが引き出せる任意の領域に触媒を担持することで、触媒担持領域を最適化することができる。
【００６２】
また、回転蓄熱体２１の回転数を調整することで、回転蓄熱体２１の温度分布を担持触媒に適した温度分布にすることができる。
【００６３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して、高温流体通路Ｂにおける熱交換部２０下流側に排気ガスを浄化するための排気浄化手段が設けられている点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６４】
図６は、本第２実施形態の水素供給装置の各構成要素の配置関係を示す概念図である。図６に示すように、本第２実施形態では、高温流体通路Ｂにおける回転蓄熱体２１の下流側に排気浄化部（排気浄化手段）６０が設けられている。排気浄化部６０には、浄化触媒体（排気浄化体）６１と、浄化触媒体６１を加熱する電気式ヒータ（加熱手段）６２が設けられている。
【００６５】
浄化触媒体６１は、多数の貫流孔を有するハニカム形状となっている。浄化触媒体６１は、セラミック、金属材料等から構成されている。浄化触媒体６１の貫流孔（担体）表面には、酸化触媒（白金、パラジウム等の単体あるいは混合物）が添着（坦持）されている。
【００６６】
電気式ヒータ６２は、正電極６３、負電極６４を備え、通電により発熱するように構成されている。なお、正電極６３とケーシング１との間は、絶縁体６５により絶縁されている。浄化触媒体６１に担持された触媒は、所定の活性温度（例えば２００〜３００℃）に達しないと触媒作用を発揮しないため、低温始動時には、浄化触媒体６１はヒータ６２により活性温度以上に加熱される。また、通常運転時には、浄化触媒体６１は高温流体通路Ｂを流れる高温流体により活性温度以上に維持される。
【００６７】
このような構成により、熱交換部２０のガス漏れに起因して、有害ガスが外部に排出されることを防止できる。すなわち、熱交換部２０では、回転蓄熱体２１の回転に伴う移送漏れと各流体通路Ａ、Ｂの圧力差に伴うシール漏れにより、低温流体通路Ａから高温流体通路Ｂに未反応の改質燃料が漏れる。従って、回転蓄熱体２１の下流側に浄化触媒体６１を配置することで、余剰空気中の酸素と改質燃料中の未反応成分（ＨＣ等の燃料ガス、ＣＯ、メタン等）との酸化反応が促進される。これにより、未燃ガス等の有害成分は浄化された上で排気される。
【００６８】
また、燃焼ガス供給部５０で発生した燃焼ガスには不完全燃焼等により有害ガスが含まれるが、有害ガスは浄化触媒体６１を通過する際に浄化される。これにより、水素供給装置の始動時には、燃焼ガス供給部５０で発生した燃焼ガス中の有害ガスを十分に清浄化させた上で外部に排出することができる。
【００６９】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図７に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第２実施形態に比較して排気浄化部６０における浄化触媒体６１の上流側に吸着体が設けられている点で異なるものである。上記第２実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７０】
図７は、本第３実施形態の水素供給装置の各構成要素の配置関係を示す概念図である。図７に示すように、本第３実施形態では、排気浄化部６０における浄化触媒体６１に上流側に吸着体６６が設けられている。吸着体６６は、多数の貫流孔が形成されているとともに、細孔（吸着孔）を有している。吸着体６６としては、例えばゼオライトを用いることができる。
【００７１】
このような構成により、水素供給装置は始動時において以下のように作動する。まず、始動直後の低温下であって、浄化触媒体６１に担持された触媒が活性温度に達していないときには、高温流体通路Ｂ中の有害成分は吸着体６６に吸着される。その後、ヒータ６２により浄化触媒体６１が活性温度以上に加熱される。
【００７２】
貫流する燃焼ガスにより吸着体６６が加熱され所定の脱離温度以上に達すると、吸着体６６に吸着されていた有害成分が吸着体６６から脱離する。これにより、吸着体６６は再生される。吸着体６６より脱離した有害成分は、活性状態の浄化触媒体６１にて酸化反応し、浄化された上で外部に排出される。
【００７３】
以上、本第３実施形態のように排気浄化部６０に吸着体６６を設けることで、浄化触媒体６１に担持された触媒が活性温度に達していなくても、吸着体６６で有害成分を保持でき、有害成分が外部に排出されることを防ぐことができる。また、高温時には有害成分が吸着体６６から脱離し、吸着体６６を再生できる。
【００７４】
また、本第３実施形態の排気浄化部６０では、上記第２実施形態と同様に浄化触媒体６１を加熱するヒータ（加熱手段）６２を設けたが、吸着体６６を設けることで、触媒が活性温度に到達するまでの間は吸着体６６で有害成分を保持できるので、第３実施形態の構成においてヒータ６２を省略することもできる。
【００７５】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、回転蓄熱体２１の異なる領域Ｌｈ、Ｌｒに酸化触媒と改質触媒を担持したが、これに限らず、酸化触媒を蒸発部Ｌｈと改質部Ｌｒの双方に担持するように構成することもできる。
【００７６】
また、上記各実施形態では、回転蓄熱体２１の異なる領域Ｌｈ、Ｌｒに酸化触媒と改質触媒を担持したが、これに限らず、酸化触媒と改質触媒とを混合した混合触媒を、回転蓄熱体２１における触媒劣化領域Ｌｄを除いた領域に担持するように構成することもできる。
【００７７】
また、回転蓄熱体２１における低温流体通路Ａ上流側の第１の領域（蒸発部）Ｌｈには酸化触媒を担持せず、高温流体通路Ｂ→低温流体通路Ａの熱の移動のみを行うように構成することもできる。
【００７８】
また、上記各実施形態の回転蓄熱体２１は、実質的に一体構成となっていればよい。従って、１個の回転蓄熱体から構成してもよく、複数個の回転蓄熱体を積層して構成してもよい。例えば、酸化触媒と改質触媒を回転蓄熱体の異なる部位に担持する場合には、２個の回転蓄熱体を用意し、それぞれ酸化触媒、改質触媒を担持した後、これらを組み合わせて一体構成とすることができる。
【００７９】
また、上記各実施形態の水素供給装置では、熱交換部２０として回転式熱交換器を用いたが、これに限らず、本発明は高温の燃焼ガスによって触媒を加熱する熱交換器であればよく、例えば直交流等の伝熱式熱交換器に適用することもできる。
【００８０】
また、上記各実施形態では、改質燃料としてガソリン、軽油等の液状石油系燃料を用いたが、これに限らず、改質燃料としてメタノール、天然ガス等の各種炭化水素化合物を用いることができ、さらに例えばアンモニアのような炭素を含まない水素化合物を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の水素供給装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１の水素供給装置の概念図である。
【図３】図１の水素供給装置の熱交換部の分解斜視図である。
【図４】図１の熱交換部の回転蓄熱体の温度分布を示す斜視断面図である。
【図５】図１の水素供給装置の制御系の入出力を説明する図である。
【図６】第２実施形態の水素供給装置の概念図である。
【図７】第３実施形態の水素供給装置の概念図である。
【符号の説明】
１０…改質原料供給部、２０…熱交換部（蒸発部および改質部）、２１…回転蓄熱体、２２、２３…ガスシール、４０…燃料電池（水素消費装置）、５０…燃焼ガス供給部、Ｌｄ…触媒劣化領域。

Claims

改質反応により生成した水素を水素消費装置（４０）に供給する水素供給装置の制御方法であって、
前記水素供給装置は、前記改質反応に用いられる改質原料が通過する低温流体通路（Ａ）と、燃焼ガスが通過する高温流体通路（Ｂ）と、前記改質反応に用いられる改質触媒が設けられているとともに、前記燃焼ガスの熱を前記改質触媒に伝える熱交換部（２０）とを備え、
前記改質触媒は、前記熱交換部（２０）における触媒劣化温度以上となる触媒劣化領域（Ｌｄ）を除く任意の部位に担持されており、
前記熱交換部（２０）は、回転軸（２６）を中心に回転駆動される回転蓄熱体（２１）を有しており、
前記回転蓄熱体（２１）を回転させることにより、前記低温流体通路（Ａ）と前記高温流体通路（Ｂ）とを交互に移動させ、前記燃焼ガスの熱を前記改質触媒に伝え、
前記回転蓄熱体（２１）の回転数を調整することにより、前記触媒劣化領域（Ｌｄ）の大きさを調整することを特徴とする水素供給装置の制御方法。
前記熱交換部（２０）における前記触媒劣化領域（Ｌｄ）を除く任意の部位に酸化触媒が担持されていることを特徴とする請求項１に記載の水素供給装置の制御方法。
前記改質触媒と前記酸化触媒は、互いに混合された混合触媒として担持されていることを特徴とする請求項２に記載の水素供給装置の制御方法。
前記高温流体通路（Ｂ）における前記熱交換部（２０）の下流側には、排気浄化手段（６０）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の水素供給装置の制御方法。
前記排気浄化手段（６０）は、多数の貫流孔を有するとともに、前記貫流孔に酸化触媒が添着された排気浄化体（６１）を備えていることを特徴とする請求項４に記載の水素供給装置の制御方法。
前記排気浄化手段（６０）は、前記排気浄化体（６１）を加熱する加
熱手段（６２）を備えていることを特徴とする請求項５に記載の水素供給装置の制御方法。
前記排気浄化手段（６０）は、前記排気浄化体（６１）の上流側に設けられた吸着体（６６）を備えていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の水素供給装置の制御方法。