JP2002211906A - Hydrogen producing system - Google Patents

Hydrogen producing system

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JP2002211906A
JP2002211906A JP2001004840A JP2001004840A JP2002211906A JP 2002211906 A JP2002211906 A JP 2002211906A JP 2001004840 A JP2001004840 A JP 2001004840A JP 2001004840 A JP2001004840 A JP 2001004840A JP 2002211906 A JP2002211906 A JP 2002211906A
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    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To attain the miniaturization of a reforming unit of a raw material, the improvement of starting-up performance and a wide operation range. SOLUTION: A reforming unit 100 producing hydrogen by reforming a raw material such as gasoline is formed by a parallel structure of a plurality of sub-reforming units 110-190. Each reforming sub-unit is provided with a reforming part 113 performing steam reforming, shift reaction parts 115 and 117 each performing shift reaction and a CO oxidization part 118 separately. Each sub-reforming unit is miniaturized by being adapted to the reaction at a relatively high space velocity. At the time of starting-up the reforming unit, the rapid warming up is attained by reducing the operating number of the sub-reforming units to suppress the heat capacity. At the time of operating, the quantity of produced hydrogen is changed and wide operation range is secured without largely changing the space velocity of the sub-reforming reaction unit by exchanging the operation number of the sub-reforming units corresponding to the required hydrogen quantity.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、原料の改質により
水素リッチなガスを生成する水素生成システムに関す
る。
[0001] The present invention relates to a hydrogen generation system for generating a hydrogen-rich gas by reforming a raw material.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、アノードに供給された水素
と、カソードに供給された酸素との電気化学反応によっ
て発電する。アノードに供給される水素は、例えば、原
料の改質によって生成される。この場合の原料として
は、一般には、天然ガス、ガソリンその他の炭化水素系
化合物、アルコール、エーテル、アルデヒドなどが用い
られる。
2. Description of the Related Art A fuel cell generates power by an electrochemical reaction between hydrogen supplied to an anode and oxygen supplied to a cathode. Hydrogen supplied to the anode is generated, for example, by reforming a raw material. In this case, natural gas, gasoline and other hydrocarbon-based compounds, alcohols, ethers, aldehydes and the like are generally used as raw materials.

【0003】原料の改質は多段階で行われる。第1段階
は、原料と水蒸気または酸素との反応によって、水素と
一酸化炭素を生成する反応である。前者は水蒸気改質反
応、後者は部分酸化反応と呼ばれる。第2段階は、ここ
で生成された一酸化炭素と水から水素と二酸化炭素を生
成する反応である。この反応はシフト反応と呼ばれる。
これらの反応によって処理されずに残った一酸化炭素を
浄化するために、第3段階の反応として、一酸化炭素の
燃焼または選択酸化反応を施すこともある。これらの反
応は、原料の種類などに応じて、適宜組み合わされて行
われる。例えば、アルコールを原料とする場合には、シ
フト反応が省略されることもある。
[0003] Raw material reforming is performed in multiple stages. The first stage is a reaction in which hydrogen and carbon monoxide are generated by a reaction between a raw material and steam or oxygen. The former is called a steam reforming reaction, and the latter is called a partial oxidation reaction. The second stage is a reaction for producing hydrogen and carbon dioxide from the carbon monoxide and water produced here. This reaction is called a shift reaction.
In order to purify the remaining carbon monoxide that has not been treated by these reactions, a third-stage reaction may be performed by burning or selectively oxidizing carbon monoxide. These reactions are performed in an appropriate combination depending on the type of the raw material and the like. For example, when alcohol is used as a raw material, the shift reaction may be omitted.

【0004】図13は従来技術としての原料の改質ユニ
ットを示す斜視図である。原料は気化されて水蒸気とと
もに矢印で示す方向でユニットに投入される。投入され
た原料は混合部10で水蒸気と混合され、改質部11で
水蒸気改質される。改質部11は、ハニカム等に改質用
の触媒が担持された構造体である。水蒸気改質で生成さ
れたガスは、熱交換器12でやや冷却され、シフト反応
部13、15に供給される。シフト反応部13,15
は、それぞれハニカム等にシフト反応用の触媒が担持さ
れた構造体である。シフト反応部13,15の間には、
熱交換器14が介設されており、ガスの温度を反応に適
した状態に調整する。シフト反応が施されたガスは、最
も下流側に位置するCO浄化部16に供給される。CO
浄化部16には、一酸化炭素を選択的に酸化する触媒が
担持されている。以上のユニットにより原料は水素リッ
チなガスに改質される。
FIG. 13 is a perspective view showing a conventional raw material reforming unit. The raw material is vaporized and introduced into the unit together with water vapor in the direction indicated by the arrow. The input raw material is mixed with steam in the mixing section 10 and steam reformed in the reforming section 11. The reforming unit 11 is a structure in which a reforming catalyst is supported on a honeycomb or the like. The gas generated by the steam reforming is cooled slightly in the heat exchanger 12 and supplied to the shift reaction units 13 and 15. Shift reaction units 13 and 15
Are structures in which a catalyst for a shift reaction is supported on a honeycomb or the like. Between the shift reaction units 13 and 15,
A heat exchanger 14 is provided to adjust the temperature of the gas to a state suitable for the reaction. The gas that has undergone the shift reaction is supplied to the CO purification unit 16 located at the most downstream side. CO
The purifying unit 16 carries a catalyst for selectively oxidizing carbon monoxide. The raw material is reformed into a hydrogen-rich gas by the above units.

【0005】改質反応の能力は、空間速度SV(Space
Velocity)によって表現される。空間速度SVとは、単
位体積の触媒が単位時間に反応可能なガスの体積をい
う。空間速度SVが高い程、改質反応の能力が高く、短
時間で多量の水素を生成することができることを意味す
る。空間速度SVは、反応に供される触媒の種類、温
度、圧力等の反応条件によって影響を受ける。改質ユニ
ットのサイズは、実現可能な空間速度SVに基づき、要
求される水素量に応じて設定される。
[0005] The capacity of the reforming reaction depends on the space velocity SV (Space SV).
Velocity). The space velocity SV refers to the volume of gas that can react with a unit volume of catalyst in unit time. The higher the space velocity SV, the higher the capability of the reforming reaction, which means that a large amount of hydrogen can be generated in a short time. The space velocity SV is affected by the reaction conditions such as the type of catalyst used for the reaction, the temperature and the pressure. The size of the reforming unit is set according to the required amount of hydrogen based on the achievable space velocity SV.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】従来、改質ユニットに
は、起動性の向上および小型化に対する課題があった。
また、広い作動範囲の確保も要求されていた。作動範囲
とは、単位時間当たりに生成される水素量の可変範囲を
言う。
Heretofore, there has been a problem with the reforming unit in terms of improving startability and reducing the size.
Also, it has been required to secure a wide operating range. The operating range refers to a variable range of the amount of hydrogen generated per unit time.

【0007】起動性の向上とは、改質ユニットの運転開
始から水素の生成が開始されるまでに要する時間の短縮
を言う。起動性は、改質ユニット内の触媒の暖機に要す
る時間、即ち改質ユニット全体の熱容量に影響される。
起動性を向上するためには、熱容量の低減を図ることが
好ましい。一方、小型化は空間速度SVの向上によって
実現される。近年では、改質ユニットと燃料電池を車両
などの移動体に搭載する試みがなされており、かかる場
合には、特に、小型化、起動性、作動範囲の確保に対す
る要請が強かった。
[0007] Improving the startability means reducing the time required from the start of operation of the reforming unit to the start of hydrogen generation. Startability is affected by the time required for warming up the catalyst in the reforming unit, that is, the heat capacity of the entire reforming unit.
In order to improve the startability, it is preferable to reduce the heat capacity. On the other hand, miniaturization is realized by improving the space velocity SV. In recent years, attempts have been made to mount a reforming unit and a fuel cell on a moving body such as a vehicle, and in such a case, there has been a particularly strong demand for miniaturization, startability, and securing an operating range.

【0008】しかし、空間速度SVを高めて、改質ユニ
ットの小型化を図ると、広い作動範囲の確保が困難であ
ることが見出された。一般に実現可能な空間速度SVの
最大値を向上させると、空間速度SVが低い状態での反
応の安定性が極端に低下することが知られている。広い
作動範囲を確保するため、空間速度SVが低い状態での
反応効率を維持しようとすれば、空間速度SVの上限値
が制限されるのが実状であった。空間速度SVの上限が
制限された上で、十分な量の水素を生成するためには、
改質ユニットの体積を増大させる必要があった。体積の
増大は熱容量の増大にもつながるから、体積増加によっ
て改質ユニットの小型化ばかりか起動性も損なわれる。
However, it has been found that when the space velocity SV is increased to reduce the size of the reforming unit, it is difficult to secure a wide operating range. It is generally known that when the maximum value of the space velocity SV that can be realized is increased, the stability of a reaction in a state where the space velocity SV is low extremely decreases. In order to secure a wide operating range and to maintain the reaction efficiency in a state where the space velocity SV is low, the upper limit of the space velocity SV is actually limited. With the upper limit of the space velocity SV limited, in order to generate a sufficient amount of hydrogen,
It was necessary to increase the volume of the reforming unit. Since an increase in volume leads to an increase in heat capacity, the increase in volume impairs not only the size of the reforming unit but also the startability.

【0009】このように従来、起動性および装置の小型
化と、広い作動範囲の確保は両立が困難であった。本発
明は、原料を改質する水素生成システムにおいて、起動
性の向上、装置の小型化、および広い作動範囲の確保を
図ることを目的とする。
As described above, conventionally, it has been difficult to achieve both startability and miniaturization of the apparatus while ensuring a wide operating range. An object of the present invention is to improve startability, reduce the size of a device, and secure a wide operating range in a hydrogen generation system for reforming a raw material.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明では
水素生成システムにおいて、化学反応部、調整機構、制
御部を備える構成とした。化学反応部は、原料の化学反
応を行うユニットである。原料としては、一般には、天
然ガス、ガソリンその他の炭化水素系化合物、アルコー
ル、エーテル、アルデヒドなどが用いられる。化学反応
には、これらの水蒸気改質、部分酸化反応、シフト反
応、一酸化炭素の選択酸化反応などが含まれる。原料の
種類に応じて、これらの反応の一部または全部が選択さ
れる。
Means for Solving the Problems and Actions and Effects Thereof To solve at least a part of the above-mentioned problems, the present invention employs a configuration in which a hydrogen generating system includes a chemical reaction section, an adjustment mechanism, and a control section. The chemical reaction section is a unit that performs a chemical reaction of the raw materials. As a raw material, natural gas, gasoline and other hydrocarbon compounds, alcohols, ethers, aldehydes and the like are generally used. The chemical reaction includes these steam reforming, partial oxidation reaction, shift reaction, selective oxidation reaction of carbon monoxide, and the like. Some or all of these reactions are selected depending on the type of raw materials.

【0011】調整機構は、化学反応部の熱容量および容
積の少なくとも一方を調整可能な機構である。制御部
は、システムに要求される運転状態に応じて、熱容量お
よび容積の少なくとも一方を変更する。システムの起動
性、サイズ、作動範囲などの特性は、いずれも熱容量、
容積と密接な関連があるから、本発明は、運転状態に応
じてこれらを変更することにより、特性の改善を図るこ
とができる。容積の調整とは、化学反応部として機能す
る部分の調整を意味し、同時に反応に使用される触媒も
容積とともに調整することを意味する。
The adjusting mechanism is a mechanism capable of adjusting at least one of the heat capacity and the volume of the chemical reaction section. The control unit changes at least one of the heat capacity and the volume according to the operation state required for the system. Characteristics such as system bootability, size, and operating range are all related to heat capacity,
Since the present invention is closely related to the volume, the present invention can improve the characteristics by changing these according to the operating state. Adjusting the volume means adjusting a portion functioning as a chemical reaction unit, and also adjusting the catalyst used for the reaction together with the volume.

【0012】本発明における熱容量等の制御態様を例示
する。例えば、システムが暖機状態であるか否かによっ
て、熱容量等を制御する態様を採ることができる。暖機
時に熱容量または容積を小さくすれば、システムを速や
かに昇温することができ、暖機に要する時間を短縮する
ことができる。
An example of control of the heat capacity and the like in the present invention will be described. For example, a mode in which the heat capacity or the like is controlled depending on whether the system is in a warm-up state can be adopted. If the heat capacity or volume is reduced during warm-up, the temperature of the system can be quickly raised, and the time required for warm-up can be reduced.

【0013】別の態様として、水素の要求量に応じて容
積等を制御するものとしてもよい。化学反応部の容積を
変化させることにより、空間速度SVを大きく変化させ
るまでなく、生成される水素量を制御することができ
る。また、要求量に応じて熱容量を調整することによ
り、供給される原料量の変動に起因する化学反応部の温
度変動を回避し、反応の安定化を図ることができる。つ
まり、水素の要求量に応じて容積等を変更することによ
り、比較的高い空間速度SVで化学反応部を運転しつ
つ、容易に広い作動範囲を確保することができる。
As another aspect, the volume and the like may be controlled in accordance with the required amount of hydrogen. By changing the volume of the chemical reaction section, it is possible to control the amount of generated hydrogen without significantly changing the space velocity SV. In addition, by adjusting the heat capacity in accordance with the required amount, it is possible to avoid a temperature change in the chemical reaction section caused by a change in the amount of the supplied raw material, and to stabilize the reaction. In other words, by changing the volume or the like according to the required amount of hydrogen, it is possible to easily secure a wide operating range while operating the chemical reaction section at a relatively high space velocity SV.

【0014】熱容量および容積の調整は、例えば、同じ
化学反応を行うためのサブ化学反応部を複数並列に備
え、反応に使用されるサブ化学反応部の稼働数を切り換
えることによって実現可能である。この場合、調整機構
は、稼働数を切り換え可能な機構となる。例えば、各サ
ブ化学反応部への原料の供給を個別に調整するための配
管およびバルブ等によって構成することができる。この
他、化学反応部自体を容積可変としたり、化学反応部を
熱媒体で覆うとともに、その量を変えることによって熱
容量を可変としてもよい。
The heat capacity and the volume can be adjusted, for example, by providing a plurality of sub-chemical reaction sections for performing the same chemical reaction in parallel and switching the number of operating sub-chemical reaction sections used for the reaction. In this case, the adjustment mechanism is a mechanism capable of switching the number of operations. For example, it can be constituted by a pipe and a valve for individually adjusting the supply of the raw material to each sub-chemical reaction section. In addition, the volume of the chemical reaction section itself may be made variable, or the heat capacity may be made variable by covering the chemical reaction section with a heat medium and changing the amount thereof.

【0015】稼働数の切り換えは、例えば、水素の要求
量の増加とともに、稼働数を増加させる態様を採ること
ができる。稼働数の増加は、サブ化学反応部の総体積の
増加を意味するから、これによって空間速度SVが一定
でも水素の生成量を増加させることができる。水素の要
求量に応じて稼働数を減少させることにより、空間速度
SVが高いままで水素の生成量を抑制することもでき
る。稼働数の増加は、同時にサブ化学反応部全体の熱容
量の増加を意味するから、反応時の温度変化を抑制し、
反応の安定化を図ることもできる。従って、稼働数の切
り換えにより、高い空間速度SVによる小型化を図りつ
つ、広い作動範囲の確保を行うことができる。
The switching of the number of operations can be carried out, for example, by increasing the required number of hydrogen and increasing the number of operations. Since an increase in the number of operating units means an increase in the total volume of the sub-chemical reaction section, the amount of hydrogen generated can be increased even when the space velocity SV is constant. By reducing the number of operations according to the required amount of hydrogen, it is possible to suppress the amount of hydrogen generated while the space velocity SV remains high. An increase in the number of operating units means an increase in the heat capacity of the entire sub-chemical reaction section at the same time.
The reaction can be stabilized. Therefore, by switching the number of operations, it is possible to secure a wide operating range while achieving downsizing by the high space velocity SV.

【0016】稼働数は、各サブ化学反応部をオン・オフ
で切り換えてもよいが、水素の要求量に応じて各サブ化
学反応部に供給される原料の量、換言すれば各サブ化学
反応部の出力を制御しながら稼働数を切り換えてもよ
い。例えば、次の2段階の制御を行うことができる。第
1段階では、各サブ化学反応部に比較的少量の原料を供
給しつつ、稼働数を増やすことで、生成される水素量を
増大する。全てのサブ化学反応部が稼働状態になった
後、第2段階の制御に入り、各サブ化学反応部への原料
の供給量を最大値にまで増大する。このように、サブ化
学反応部に供給される原料量と稼働数とを組み合わせて
制御することによって、生成される水素の量を小刻みに
切り換えることができる。出力と稼働数は、ここに例示
した以外にも種々の組み合わせが可能である。
The operating number may be switched by turning each sub-chemical reaction section on and off, but the amount of raw material supplied to each sub-chemical reaction section according to the required amount of hydrogen, in other words, each sub-chemical reaction section The number of operations may be switched while controlling the output of the unit. For example, the following two-stage control can be performed. In the first stage, the amount of generated hydrogen is increased by increasing the number of operations while supplying a relatively small amount of raw material to each sub-chemical reaction section. After all the sub-chemical reaction sections are in operation, the second stage control is started, and the supply amount of the raw material to each sub-chemical reaction section is increased to the maximum value. In this way, by controlling the amount of the raw material supplied to the sub-chemical reaction section and the number of operations in combination, the amount of generated hydrogen can be switched in small increments. Various combinations of the output and the number of operations other than those exemplified here are possible.

【0017】サブ化学反応部の一部を稼働する場合、最
も単純な制御では、一定のサブ化学反応部が継続的に稼
働される。この場合、稼働されないサブ化学反応部の暖
機状態を維持するための構成を別途備えることが望まし
い。
When a part of the sub-chemical reaction section is operated, the simplest control is to continuously operate a certain sub-chemical reaction section. In this case, it is desirable to separately provide a configuration for maintaining the warm-up state of the sub-chemical reaction unit that is not operated.

【0018】これに対し、反応に使用されるサブ化学反
応部を所定のタイミングで切り換えるものとしてもよ
い。切り換える場合には、水素の要求量と稼働数との関
係を保持することが好ましい。こうすれば、各サブ化学
反応部の暖機状態を比較的容易に維持することができ
る。切り換えのタイミングは、暖機状態の維持を考慮し
て、サブ化学反応部の熱容量等に基づいて予め設定すれ
ばよい。一定のタイミングであってもよいし、水素の要
求量などに応じてタイミングを変化させてもよい。
On the other hand, the sub-chemical reaction section used for the reaction may be switched at a predetermined timing. When switching, it is preferable to maintain the relationship between the required amount of hydrogen and the number of operations. This makes it possible to maintain the warm-up state of each sub-chemical reaction section relatively easily. The switching timing may be set in advance based on the heat capacity or the like of the sub-chemical reaction unit in consideration of maintaining the warm-up state. The timing may be constant, or the timing may be changed according to the required amount of hydrogen or the like.

【0019】サブ化学反応部は、種々の構成が可能であ
るが、特に、ガスの流れ方向に直交する断面形状が多角
形となるよう構成し、サブ化学反応部同士が多角形の辺
で近接して配置することが望ましい。こうすれば、比較
的小さい容積にサブ化学反応部を集積することができ、
装置の小型化を図ることができる。
The sub-chemical reaction section can have various configurations. In particular, the sub-chemical reaction section is configured to have a polygonal cross-sectional shape perpendicular to the gas flow direction, and the sub-chemical reaction sections are close to each other on the sides of the polygon. It is desirable to arrange them. In this way, the sub-chemical reaction section can be accumulated in a relatively small volume,
The size of the device can be reduced.

【0020】多角形断面のサブ化学反応部は、一酸化炭
素と水から水素を生成するシフト反応を行うユニットに
適用することが好ましい。一般にシフト反応は、水蒸気
改質等に比較して反応速度が低いことが知られており、
要求水素量を生成するためには、比較的大きな容積を要
する。このように容積を要する部分に多角形断面形状を
適用すれば、全体の小型化を図りつつ、容積を確保する
ことができる。
The sub-chemical reaction section having a polygonal cross section is preferably applied to a unit for performing a shift reaction for generating hydrogen from carbon monoxide and water. In general, the shift reaction is known to have a lower reaction rate than steam reforming, etc.
A relatively large volume is required to generate the required amount of hydrogen. If a polygonal cross-sectional shape is applied to a portion requiring a volume in this manner, the volume can be secured while reducing the size of the whole.

【0021】サブ化学反応部は、化学反応部の一部のみ
に適用してもよい。例えば、化学反応部は、異なる化学
反応を行う多段のユニットからなる場合、上流側の一部
をサブ化学反応部として構成し、下流側の残余の部分は
複数のサブ化学反応部に共有される共有反応部として構
成することができる。
The sub-chemical reaction section may be applied to only a part of the chemical reaction section. For example, when the chemical reaction unit is composed of multi-stage units that perform different chemical reactions, a part on the upstream side is configured as a sub-chemical reaction unit, and the remaining part on the downstream side is shared by a plurality of sub-chemical reaction units. It can be configured as a shared reaction section.

【0022】上流側のサブ化学反応部には、少なくとも
原料の水蒸気改質または部分酸化反応を行う改質部を含
めることが望ましい。サブ化学反応部による利点は、高
い空間速度SVを実現可能な反応に適しているため、改
質部にとって有用性が高いからである。
It is desirable that the upstream sub-chemical reaction section includes at least a reforming section for performing steam reforming or partial oxidation reaction of the raw material. The advantage of the sub-chemical reaction section is that the sub-chemical reaction section is suitable for a reaction capable of realizing a high space velocity SV, and is therefore highly useful for the reforming section.

【0023】また、共有反応部には、サブ化学反応部で
生成されたガス中の一酸化炭素と水から水素を生成する
シフト反応を行うシフト反応部を含めることが望まし
い。先に説明した通り、シフト反応部は比較的大きな容
積を要する。従って、シフト反応部を共有にしておけ
ば、上流側のサブ化学反応部が部分的に稼働している場
合も含め、シフト反応部に十分な容積を確保しやすくな
る。また、同様の理由から、共有反応部には、サブ化学
反応部で生成されたガス中の一酸化炭素を酸化処理する
酸化反応部を含めることも望ましい。
It is preferable that the shared reaction section includes a shift reaction section for performing a shift reaction for generating hydrogen from carbon monoxide and water in the gas generated in the sub-chemical reaction section. As described above, the shift reaction section requires a relatively large volume. Therefore, if the shift reaction unit is shared, a sufficient volume can be easily secured in the shift reaction unit even when the upstream sub-chemical reaction unit is partially operating. For the same reason, it is preferable that the shared reaction section includes an oxidation reaction section for oxidizing carbon monoxide in the gas generated in the sub-chemical reaction section.

【0024】サブ化学反応部を用いる場合、各サブ化学
反応部における熱を無駄に放出するのを避けるため、サ
ブ化学反応部間に、相互の熱の授受を抑制する断熱層を
備えることが望ましい。
When sub-chemical reaction sections are used, it is desirable to provide a heat insulating layer between the sub-chemical reaction sections to suppress mutual heat transfer in order to avoid wasteful release of heat in each sub-chemical reaction section. .

【0025】断熱層は、セラミックス等の断熱性の材料
を介在させるものとしてもよいし、サブ化学反応部間に
空隙を設けるものとしてもよい。空隙を設ける場合に
は、空気の対流を抑制するため、化学反応部全体を密閉
することが更に望ましい。
The heat insulating layer may have a heat insulating material such as ceramics interposed, or may have a gap between the sub-chemical reaction sections. When a gap is provided, it is more desirable to seal the entire chemical reaction section in order to suppress air convection.

【0026】空隙を設ける場合には、さらにサブ化学反
応部を加熱するための熱を該空隙に供給する熱供給部を
備えることが望ましい。熱の供給は、ヒータなどによっ
て行うものとしてもよいし、空隙にサブ化学反応部を暖
機するための流体を供給するものとしてもよい。流体
は、気体、液体いずれでもよい。例えば、原料を気化す
る蒸発器の排気、生成された水素を消費する燃料電池か
らの排気などを利用することができる。
When a gap is provided, it is desirable to further provide a heat supply unit for supplying heat for heating the sub-chemical reaction section to the gap. The supply of heat may be performed by a heater or the like, or may be configured to supply a fluid for warming up the sub-chemical reaction section to the gap. The fluid may be a gas or a liquid. For example, exhaust gas from an evaporator that vaporizes a raw material, exhaust gas from a fuel cell that consumes generated hydrogen, and the like can be used.

【0027】本発明は、水素生成システムとしての構成
の他、該システムの運転方法など、種々の態様で構成可
能である。本発明は、生成された水素の消費系は限定し
ないが、一例として、上述した水素生成システムと燃料
電池とを組み合わせた燃料電池システムとして本発明を
構成してもよい。こうして構成された燃料電池システム
は、小型、高い起動性、広い作動範囲という特徴を有す
るため、車両その他の移動体に搭載用として有用性が高
い。
The present invention can be configured in various modes, such as a configuration of the hydrogen generation system and an operation method of the system. In the present invention, the consumption system of the generated hydrogen is not limited. However, as an example, the present invention may be configured as a fuel cell system in which the above-described hydrogen generation system and a fuel cell are combined. The fuel cell system thus configured has features of small size, high startability, and a wide operating range, and thus has high utility for mounting on vehicles and other moving objects.

【0028】[0028]

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、実
施例に基づき次の項目に分けて説明する。 A.システム構成: B.改質ユニットの構成: B1.改質ユニットの変形例(1): B2.改質ユニットの変形例(2): C.改質制御: C1.改質制御の変形例(1): C2.改質制御の変形例(2):
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below on the basis of examples with the following items. A. System configuration: B. Configuration of reforming unit: B1. Modification of Modification Unit (1): B2. Modification example (2) of reforming unit: Reforming control: C1. Modification example (1) of reforming control: C2. Modification of Modification (2):

【0029】A.システム構成:図1は実施例としての
燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。本実
施例の燃料電池システムは、定置型のシステム、車両等
の移動体への搭載型のシステムのいずれのタイプで構成
してもよい。後述する通り、本実施例のシステムは、小
型、高い起動性、広い作動範囲という特性を有している
ため、搭載型のシステムとして特に有用性が高い。
A. System Configuration: FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system as an embodiment. The fuel cell system according to the present embodiment may be configured as any of a stationary system and a system mounted on a moving body such as a vehicle. As will be described later, the system of the present embodiment has characteristics such as small size, high startability, and a wide operating range, and thus is particularly useful as an on-board system.

【0030】燃料電池20は、水素および酸素の供給を
受けて発電する。燃料電池20には、種々の型を適用可
能であるが、本実施例では、固体高分子型を採用した。
発電に供される酸素は、空気から賄われる。水素は、水
素生成システムによって、原料を改質して生成される。
空気および水素は、燃料電池20で発電に供された後、
後述する改質ユニット100内に供給される。
The fuel cell 20 generates electric power by receiving supply of hydrogen and oxygen. Various types can be applied to the fuel cell 20, but in this embodiment, a solid polymer type was adopted.
Oxygen for power generation is provided by air. Hydrogen is generated by reforming a raw material by a hydrogen generation system.
After the air and the hydrogen are provided for power generation by the fuel cell 20,
It is supplied into a reforming unit 100 described later.

【0031】水素生成システムの構成は、次の通りであ
る。改質に使用される原料および水は、それぞれ原料タ
ンク11、水タンク12に貯蔵されている。原料として
は、一般には、天然ガス、ガソリンその他の炭化水素系
化合物、アルコール、エーテル、アルデヒドなどが利用
可能である。原料および水は、それぞれ蒸発器15で気
化されて、改質ユニット100に供給される。原料およ
び水の供給量は、配管に設けられたバルブ13,14に
よって調整可能である。これらのバルブ13,14は、
後述する通り、制御ユニット10によって制御される。
The configuration of the hydrogen generation system is as follows. The raw material and water used for the reforming are stored in a raw material tank 11 and a water tank 12, respectively. As a raw material, generally, natural gas, gasoline and other hydrocarbon compounds, alcohols, ethers, aldehydes and the like can be used. The raw material and water are each vaporized by the evaporator 15 and supplied to the reforming unit 100. The supply amounts of the raw material and water can be adjusted by valves 13 and 14 provided in the piping. These valves 13 and 14 are
It is controlled by the control unit 10 as described later.

【0032】改質ユニット100は、ケース102で被
覆されており、その内部には、同じ構成の9組のサブ改
質ユニット110〜190と、各ユニットへの原料およ
び水の供給量を調整するためのバルブ111〜191が
並列的に設けられている。各サブ改質ユニットの構成に
ついては、後述する。
The reforming unit 100 is covered with a case 102. Inside the reforming unit 100, nine sets of sub-reforming units 110 to 190 having the same configuration and the supply amounts of raw materials and water to each unit are adjusted. Are provided in parallel. The configuration of each sub-reforming unit will be described later.

【0033】燃料電池システム全体の運転は、制御ユニ
ット10によって制御される。制御ユニット10は、内
部にCPU、RAM,ROM等を備えるマイクロコンピ
ュータとして構成されている。制御ユニット10は、上
述した各バルブ13,14,111〜191の開度をそ
れぞれ電子的に制御する。制御ユニット10は、その
他、蒸発器15の運転、燃料電池20の発電等も併せて
制御する。これらの制御を実現するため、制御ユニット
10には、各種の信号が入力されるが、本実施例では図
示を省略した。
The operation of the entire fuel cell system is controlled by the control unit 10. The control unit 10 is configured as a microcomputer including a CPU, a RAM, a ROM, and the like inside. The control unit 10 electronically controls the opening of each of the valves 13, 14, 111 to 191 described above. The control unit 10 also controls the operation of the evaporator 15, the power generation of the fuel cell 20, and the like. To realize these controls, various signals are input to the control unit 10, but they are not shown in the present embodiment.

【0034】B.改質ユニットの構成:図2は改質ユニ
ット100の斜視図である。ケース102およびバルブ
111〜191の図示は省略した。サブ改質ユニット1
10〜190は、正方形の断面形状をなし、上下左右方
向にそれぞれ3つずつ配列されている。それぞれのサブ
改質ユニット間には、間隔dの空隙が設けられている。
サブ改質ユニット110を代表にとって、それぞれの構
成を説明する。
B. Configuration of Reforming Unit: FIG. 2 is a perspective view of the reforming unit 100. Illustration of the case 102 and the valves 111 to 191 is omitted. Sub reforming unit 1
10 to 190 have a square cross-sectional shape, and are arranged three by three in the up, down, left, and right directions. A space with a distance d is provided between each sub-reforming unit.
The respective configurations will be described with the sub-reforming unit 110 as a representative.

【0035】サブ改質ユニット110では、気化された
原料および水蒸気が混合部112に投入される。両者
は、ここでほぼ均一の分布となるように混合された後、
改質部113に流入する。改質部113は、原料の水蒸
気改質および部分酸化反応を並行して行うユニットであ
り、この反応に適した触媒をハニカム等に担持した構造
体である。原料は、改質部113を通過する間に、触媒
の作用によって改質され、水素および一酸化炭素を生成
する。
In the sub-reforming unit 110, the vaporized raw material and steam are introduced into the mixing section 112. Both are mixed here to have a nearly uniform distribution,
It flows into the reforming section 113. The reforming unit 113 is a unit that performs the steam reforming of the raw material and the partial oxidation reaction in parallel, and has a structure in which a catalyst suitable for this reaction is supported on a honeycomb or the like. While passing through the reforming section 113, the raw material is reformed by the action of a catalyst to generate hydrogen and carbon monoxide.

【0036】改質部113で生成されたガスは、熱交換
器114を通り、高温シフト反応部115に流入する。
高温シフト反応部115は、一酸化炭素と水とから水素
と二酸化炭素を生成するシフト反応を行うユニットであ
り、この反応に適した触媒をハニカム等に担持した構造
体である。一般にシフト反応の温度は、改質反応の温度
よりも低いため、改質部113から流出したガスは、熱
交換器114でシフト反応に適した温度まで冷却され
る。高温シフト反応部115には、シフト反応用の水が
外部から供給されるが、図の煩雑化を避けるため、図示
を省略した。
The gas generated in the reforming section 113 passes through the heat exchanger 114 and flows into the high-temperature shift reaction section 115.
The high-temperature shift reaction unit 115 is a unit that performs a shift reaction of generating hydrogen and carbon dioxide from carbon monoxide and water, and has a structure in which a catalyst suitable for this reaction is supported on a honeycomb or the like. Since the temperature of the shift reaction is generally lower than the temperature of the reforming reaction, the gas flowing out of the reforming section 113 is cooled by the heat exchanger 114 to a temperature suitable for the shift reaction. Water for shift reaction is supplied to the high-temperature shift reaction unit 115 from the outside, but is not shown in order to avoid complication of the drawing.

【0037】高温シフト反応部115で処理されたガス
は、更に熱交換器116を介して低温シフト反応部11
7に供される。低温シフト反応部117も高温シフト反
応部115と同じくシフト反応を行うためのユニットで
あるが、反応に適した温度が高温シフト反応部115よ
りもやや低い。従って、高温シフト反応部115で処理
されたガスは、熱交換器116で低温シフト反応部11
7での反応に適した温度まで冷却される。
The gas processed in the high-temperature shift reaction section 115 is further passed through a heat exchanger 116 to the low-temperature shift reaction section 11.
7 The low-temperature shift reaction unit 117 is also a unit for performing a shift reaction similarly to the high-temperature shift reaction unit 115, but the temperature suitable for the reaction is slightly lower than that of the high-temperature shift reaction unit 115. Therefore, the gas processed in the high-temperature shift reaction unit 115 is supplied to the heat exchanger 116 by the low-temperature shift reaction unit 11.
Cool to a temperature suitable for the reaction at 7.

【0038】低温シフト反応部117で処理されたガス
は、CO酸化部118に流入する。CO酸化部118
は、一酸化炭素のみを選択的に酸化するユニットであ
り、この反応に適した触媒が担持された構造体である。
以上の各ユニットでの反応によって、原料から、水素リ
ッチな燃料ガスが生成される。ここでは、サブ改質ユニ
ット110について構造を例示したが、他のサブ改質ユ
ニット120〜190も同じ構成である。
The gas processed in the low-temperature shift reaction section 117 flows into the CO oxidation section 118. CO oxidation section 118
Is a unit for selectively oxidizing only carbon monoxide, and is a structure supporting a catalyst suitable for this reaction.
By the reaction in each unit described above, a hydrogen-rich fuel gas is generated from the raw material. Here, the structure of the sub-reforming unit 110 has been exemplified, but the other sub-reforming units 120 to 190 have the same configuration.

【0039】実施例では、改質部113、高温シフト反
応部115、低温シフト反応部117、CO酸化部11
8を備える場合を例示したが、改質に用いる原料の種類
等に応じてこれらの一部を省略してもよいし、追加のユ
ニットを設けても良い。
In the embodiment, the reforming section 113, the high-temperature shift reaction section 115, the low-temperature shift reaction section 117, the CO oxidation section 11
Although a case is described as an example, some of these may be omitted or an additional unit may be provided depending on the type of raw materials used for reforming.

【0040】図3は改質ユニット100を混合部112
の側からみた平面図である。先に説明した通り、サブ改
質ユニット110〜190は、正方形の断面形状をな
し、方眼状に配置される。正方形の辺同士で近接するよ
うにサブ改質ユニット110〜190を配置することに
より、円形断面等の場合に比較してスペースの無駄なく
各ユニットを配置することができる。図2では、図示を
省略したが、これらのサブ改質ユニット110〜190
は、全体がケース102で覆われている。サブ改質ユニ
ット110〜190は、ケース102との間にも空隙が
設けられている。
FIG. 3 shows that the reforming unit 100 is
FIG. As described above, the sub-reforming units 110 to 190 have a square cross-sectional shape and are arranged in a grid. By arranging the sub-reforming units 110 to 190 so that the sides of the square are close to each other, each unit can be arranged without wasting space as compared with the case of a circular cross section or the like. Although not shown in FIG. 2, these sub-reforming units 110 to 190
Is entirely covered with a case 102. The sub-reforming units 110 to 190 are also provided with a space between the sub-reforming units 110 and 190.

【0041】これらの空隙は、サブ改質ユニット同士の
熱の授受を抑制する断熱機構として作用する。これらの
空隙には、断熱材を充填してもよいが、本実施例では、
サブ改質ユニット間の熱伝導を抑制するため、空気層と
した。ケース102は、これらの空気が外部に漏れるこ
とを抑制するよう密閉されている。実施例では、9つの
サブ改質ユニットを独立した構成としたが、サブ改質ユ
ニット全体を一体的に構成し、内部を断熱性素材の隔壁
で9つのユニットに仕切ってもよい。
These gaps function as a heat insulating mechanism for suppressing the transfer of heat between the sub-reforming units. These voids may be filled with a heat insulating material, but in this embodiment,
An air layer was used to suppress heat conduction between the sub-reforming units. The case 102 is hermetically sealed to prevent such air from leaking to the outside. In the embodiment, the nine sub-reforming units are independent. However, the entire sub-reforming unit may be integrally formed and the inside may be partitioned into nine units by a partition made of a heat insulating material.

【0042】先に説明した通り、ケース102とサブ改
質ユニット110〜190との空隙には、燃料電池20
の排気が供給可能となっている。排気は、燃料電池20
で加熱されているため、この排気をケース102内に導
入することによって、各サブ改質ユニットの暖機および
温度維持を容易化することができる。供給される気体
は、燃料電池20の排気の他、暖機等に有用な種々の気
体を適用可能である。例えば、改質ユニット100で生
成されたガス、蒸発器15の燃焼ガス、別途用意された
ヒータ等で加熱されたガス等を利用できる。空隙にヒー
タ等を設置し、その熱で各サブ改質ユニットを暖機する
方法を採ってもよい。
As described above, the space between the case 102 and the sub-reforming units 110 to 190 is filled with the fuel cell 20.
Exhaust gas can be supplied. The exhaust gas is supplied from the fuel cell 20
Since the exhaust gas is heated in the case 102, the warm-up and temperature maintenance of each sub-reforming unit can be facilitated by introducing the exhaust gas into the case 102. As the supplied gas, various gases useful for warm-up and the like other than the exhaust of the fuel cell 20 can be applied. For example, a gas generated by the reforming unit 100, a combustion gas of the evaporator 15, a gas heated by a separately prepared heater, or the like can be used. A method may be adopted in which a heater or the like is provided in the gap and each sub-reforming unit is warmed up by the heat.

【0043】実施例において、改質部113、高温シフ
ト反応部115、低温シフト反応部117、およびCO
酸化部118(以下、これらを化学反応部と総称する)
の容積、触媒の量、反応時の温度、圧力条件およびサブ
改質ユニットの数などは、次の方法で設定される。
In the embodiment, the reforming section 113, the high-temperature shift reaction section 115, the low-temperature shift reaction section 117,
Oxidizing section 118 (hereinafter, these are collectively referred to as chemical reaction section)
, The amount of the catalyst, the temperature during the reaction, the pressure condition, the number of the sub-reforming units, and the like are set by the following method.

【0044】まず、燃料電池20での最大要求出力に基
づいて要求水素量の最大値を設定する。次に、実現可能
な空間速度SVの目標値を設定する。一般に化学反応部
でのガスの処理能力は、空間速度SVと容積とで決定さ
れる。高い空間速度SVが実現されるように触媒の種類
および反応条件を選択することにより、ユニットの小型
化を図ることができる。実現可能な空間速度SVは、改
質反応、シフト反応、COの選択酸化反応でそれぞれ異
なるため、三者のバランスを考慮して目標値を設定す
る。
First, the maximum required hydrogen amount is set based on the maximum required output of the fuel cell 20. Next, a target value of the achievable space velocity SV is set. Generally, the gas processing capacity in the chemical reaction section is determined by the space velocity SV and the volume. The size of the unit can be reduced by selecting the type of catalyst and the reaction conditions so that a high space velocity SV is realized. Since the achievable space velocity SV is different for each of the reforming reaction, the shift reaction, and the selective oxidation reaction of CO, the target value is set in consideration of the balance between the three.

【0045】改質ユニット100は、先に設定された最
大値を賄うことができるよう設定される。要求水素量の
最大値と、空間速度SVとを考慮すれば、改質ユニット
100の総容積を設定することができる。
The reforming unit 100 is set so as to cover the previously set maximum value. Considering the maximum value of the required hydrogen amount and the space velocity SV, the total volume of the reforming unit 100 can be set.

【0046】一方、空間速度SVを高めると、作動範囲
が狭くなるという問題がある。本実施例では、サブ改質
ユニットの稼働数を切り換えることによって、広い作動
範囲を実現する。かかる観点から、作動範囲と設定され
た空間速度SVを考慮して、サブ改質ユニットの数およ
び容積を設定することができる。サブ改質ユニットの数
を小さくすれば、稼働数の切り換えによる生成量変化の
刻みが大きくなるため、要求水素量が少ない場合に、原
料の無駄が生じたり、反応の不安定化を招いたりする可
能性がある。サブ改質ユニットの数を大きくすれば、作
動範囲内で生成される水素量を小刻みに切り換えること
ができる。但し、この場合は、各サブ改質ユニットの反
応の制御が複雑化する恐れがある。本実施例では、これ
らを総合的に勘案して、9つのサブ改質ユニットを設け
た。
On the other hand, when the space velocity SV is increased, there is a problem that the operating range is narrowed. In the present embodiment, a wide operating range is realized by switching the number of operating sub-reforming units. From this viewpoint, the number and volume of the sub-reforming units can be set in consideration of the operation range and the set space velocity SV. If the number of sub-reforming units is reduced, the amount of change in the amount of production due to switching of the number of operations increases, so when the required amount of hydrogen is small, waste of the raw material occurs or the reaction becomes unstable. there is a possibility. If the number of sub-reforming units is increased, the amount of hydrogen generated within the operating range can be switched in small increments. However, in this case, the control of the reaction of each sub-reforming unit may be complicated. In the present embodiment, nine sub-reforming units are provided in consideration of these factors.

【0047】このように構成された本実施例の改質ユニ
ットによれば、サブ改質ユニットの稼働数を切り換える
ことによって、水素の要求量が比較的少ない状態から最
大値まで、幅広い範囲で効率的に水素を生成することが
可能となる。また、サブ改質ユニットの稼働数を切り換
えることによって、改質ユニット100の熱容量を調整
することもできる。例えば、暖機中には、サブ改質ユニ
ットの稼働数を少なくすることにより、改質ユニット1
00の熱容量を低減させることができ、システムの暖機
を促進することができる。
According to the reforming unit of this embodiment configured as described above, by switching the operation number of the sub-reforming units, the efficiency of hydrogen in a wide range from a state where the required amount of hydrogen is relatively small to a maximum value is obtained. It is possible to generate hydrogen. Further, the heat capacity of the reforming unit 100 can be adjusted by switching the number of operating sub-reforming units. For example, during warm-up, the number of operating sub-reforming units is reduced so that
00 can be reduced, and the system can be warmed up.

【0048】B1.改質ユニットの変形例(1):実施
例では、サブ改質ユニットが正方形断面をなしている場
合を例示した(図3参照)。断面は、種々の形状を採り
うる。図4は第1変形例としての改質ユニット100A
の断面形状を示す説明図である。変形例では、サブ改質
ユニット110Aの断面が正六角形である場合の例を示
した。8つのサブ改質ユニットが、図示する通り、正六
角形の各辺同士で近接するように配置される。各サブ改
質ユニット間には、それぞれ空隙が設けられている。こ
のように正六角形断面を用いても、比較的スペースの無
駄なく、各ユニットを配置することができる。また、正
六角形断面は、正方形に比較して各サブ改質ユニット内
の流れを円滑化することができる利点がある。各サブ改
質ユニットの頂点付近(例えば、図中の領域A)の角度
が鈍角になることにより、この領域での流れの淀みを抑
制することができるからである。
B1. Modification Example (1) of Reforming Unit: In the embodiment, the case where the sub-reforming unit has a square cross section is illustrated (see FIG. 3). The cross section can take various shapes. FIG. 4 shows a reforming unit 100A as a first modification.
It is explanatory drawing which shows the cross-sectional shape of. In the modification, an example in which the cross section of the sub-reforming unit 110A is a regular hexagon has been described. As shown in the figure, eight sub-reforming units are arranged so that the sides of the regular hexagon are close to each other. A gap is provided between each sub-reforming unit. Thus, even if a regular hexagonal cross section is used, each unit can be arranged with relatively little space. Further, the regular hexagonal cross section has an advantage that the flow in each sub-reforming unit can be smoothed as compared with a square. This is because when the angle near the vertex of each sub-reforming unit (for example, region A in the drawing) becomes obtuse, the flow stagnation in this region can be suppressed.

【0049】図5は第2変形例としての改質ユニット1
00Bの断面形状を示す説明図である。ここでは、サブ
改質ユニット110Bの断面形状が正三角形である場合
を例示した。各サブ改質ユニットは、正三角形の辺同士
で近接するように配置される。各サブ改質ユニット間に
は、それぞれ空隙が設けられている。正三角形の断面形
状は、各サブ改質ユニット内の流れの円滑化という点で
は劣るものの、高い密度でユニットを配置することがで
きる利点がある。つまり、単位体積辺りのサブ改質ユニ
ット数を非常に大きくすることができる利点がある。
FIG. 5 shows a reforming unit 1 as a second modification.
It is explanatory drawing which shows the cross-sectional shape of 00B. Here, the case where the cross-sectional shape of the sub-reforming unit 110B is a regular triangle is illustrated. Each sub-reforming unit is arranged so that sides of the equilateral triangle are close to each other. A gap is provided between each sub-reforming unit. Although the cross-sectional shape of the equilateral triangle is inferior in smoothing the flow in each sub-reforming unit, there is an advantage that the units can be arranged at a high density. That is, there is an advantage that the number of sub-reforming units per unit volume can be extremely increased.

【0050】図6は第3変形例としての改質ユニット1
00aの断面形状を示す説明図である。各サブ改質ユニ
ット110aは、第1変形例による改質ユニット100
A(図4参照)の六角形断面の角を丸めた形状をなして
いる。こうすることで、集積度を損ねることなく、角部
(例えば、図中の領域A)でのガスの流れの円滑化を図
ることができる利点がある。ここでは、六角形断面から
角を丸めた場合を例示したが、正三角形断面など種々の
断面について同様に適用可能である。
FIG. 6 shows a reforming unit 1 as a third modification.
It is explanatory drawing which shows the cross-sectional shape of 00a. Each sub-reforming unit 110a is provided with the reforming unit 100 according to the first modification.
A (see FIG. 4) has a hexagonal cross section with rounded corners. By doing so, there is an advantage that the flow of gas at the corners (for example, the region A in the figure) can be smoothed without deteriorating the integration degree. Here, the case where the corners are rounded from the hexagonal cross section has been illustrated, but the present invention can be similarly applied to various cross sections such as a regular triangular cross section.

【0051】図7は第4変形例としての改質ユニット1
00Cの断面形状を示す説明図である。ここでは、大き
さの異なる2種類のサブ改質ユニット110C、111
Cを用いた場合を例示した。サブ改質ユニット110、
111Cの断面がそれぞれ正三角形である場合を例示し
たが、形状はこれに限定されるものではない。また、大
きいサイズのサブ改質ユニット111Cと小さいサイズ
のサブ改質ユニット110Cの断面形状を異なるものと
してもよい。サブ改質ユニット110C,111Cのサ
イズは、種々の設定が可能であるが、最も要求頻度の高
い要求水素量に適合したサイズをサブ改質ユニット11
1Cとして適用することが望ましい。第3変形例では、
例えば、中央のサブ改質ユニット111Cを数段階で使
用しつつ、高速走行時や坂道走行時など特に水素要求量
が高い時に、周辺のサブ改質ユニット110Cの稼働状
況を柔軟に制御して水素要求量に水素量を追随させるな
どの方法を採ることができる。
FIG. 7 shows a reforming unit 1 as a fourth modification.
It is explanatory drawing which shows the cross-sectional shape of 00C. Here, two types of sub-reforming units 110C and 111 having different sizes are used.
The case where C was used was exemplified. Sub-reforming unit 110,
Although the case where the cross section of 111C is a regular triangle has been illustrated, the shape is not limited to this. Further, the cross-sectional shapes of the large-sized sub-reforming unit 111C and the small-sized sub-reforming unit 110C may be different. Various sizes can be set for the sizes of the sub-reforming units 110C and 111C.
It is desirable to apply as 1C. In the third modification,
For example, while the central sub-reforming unit 111C is used in several stages, the operating status of the peripheral sub-reforming units 110C is flexibly controlled by controlling the operation status of the peripheral sub-reforming units 110C flexibly, especially when driving at high speeds or on hills when the demand for hydrogen is high. A method such as making the amount of hydrogen follow the required amount can be adopted.

【0052】サブ改質ユニットに用意された各化学反応
部で異なる断面形状を用いてもよい。例えば、実施例で
示したように(図2参照)、改質部113を円形断面と
し、熱交換器114よりも下流側の各ユニットを多角形
断面としてもよい。実施例(図2)では、これらのユニ
ットの断面形状は正方形に統一されているが、異なる断
面形状としてもよい。この場合、実現される空間速度S
Vが低いユニットほど、断面積が大きくなるよう各ユニ
ットの形状を選択することが好ましい。例えば、一般に
改質反応よりもシフト反応の方が、実現可能な空間速度
SVが低くなるから、改質部を円形断面とし、高温シフ
ト反応部115等を正方形断面とすることが望ましい。
こうすることにより、空間速度SVの差を、ユニットの
容積である程度補償することができ、改質ユニット10
0の小型化を図りつつ、反応を安定化させることができ
る。
A different sectional shape may be used in each chemical reaction section prepared in the sub-reforming unit. For example, as shown in the embodiment (see FIG. 2), the reforming section 113 may have a circular cross section, and each unit downstream of the heat exchanger 114 may have a polygonal cross section. In the embodiment (FIG. 2), the cross-sectional shapes of these units are unified to a square, but may be different. In this case, the realized space velocity S
It is preferable to select the shape of each unit so that the unit having a lower V has a larger sectional area. For example, in general, the space reaction SV that can be realized is lower in the shift reaction than in the reforming reaction. Therefore, it is preferable that the reforming section has a circular cross section and the high-temperature shift reaction section 115 and the like have a square cross section.
In this way, the difference in space velocity SV can be compensated to some extent by the volume of the unit.
It is possible to stabilize the reaction while reducing the size of 0.

【0053】B2.改質ユニットの変形例(2):図8
は第5変形例としてのサブ改質ユニットの構成を示す説
明図である。2つのサブ改質ユニット110D、120
Dについての構成を例示した。各サブ改質ユニットはC
O酸化部118Dを除いて、実施例と同じ構成のユニッ
トをそれぞれ備えている(図2参照)。上流側から、混
合部112D、122D、改質部113D、123D、
熱交換器114D、124D、高温シフト部115D、
125D、熱交換器116D、126D、低温シフト部
117D、127Dがサブ改質ユニット110D、12
0Dのそれぞれに備えられている。CO酸化部118D
は、サブ改質ユニット110D、120Dに共通のユニ
ットとして構成されている。従って、サブ改質ユニット
110D、120Dのそれぞれに投入された原料は、個
別に改質反応、シフト反応を施された後、CO酸化部1
18Dにおいて、混合され、単一の排出口から排出され
る。ここでは、CO酸化部118Dを、2つのサブ改質
ユニットで共有する場合を例示したが、3つ以上で共有
しても構わない。
B2. Modification of Modification Unit (2): FIG.
It is an explanatory view showing the composition of the sub-reforming unit as a 5th modification. Two sub-reforming units 110D, 120
The configuration for D has been exemplified. Each sub-reforming unit is C
Except for the O-oxidized portion 118D, each unit has the same configuration as that of the embodiment (see FIG. 2). From the upstream side, mixing sections 112D and 122D, reforming sections 113D and 123D,
Heat exchanger 114D, 124D, high temperature shift unit 115D,
125D, heat exchangers 116D and 126D, and low-temperature shift sections 117D and 127D
0D. CO oxidation part 118D
Is configured as a unit common to the sub-reforming units 110D and 120D. Therefore, the raw materials supplied to each of the sub-reforming units 110D and 120D are individually subjected to a reforming reaction and a shift reaction, and then the CO oxidation unit 1
At 18D, they are mixed and discharged from a single outlet. Here, the case where the CO oxidizing unit 118D is shared by two sub-reforming units has been described as an example, but the CO oxidizing unit 118D may be shared by three or more.

【0054】CO酸化部118Dは、実施例と同様、一
酸化炭素を選択的に酸化する触媒が担持された構造体で
ある。担持された触媒を均一に活用することができるよ
う、CO酸化部118Dには、拡散室119Dが設けら
れている。拡散室119Dは、オリフィスOR1,OR
2を備える隔壁で仕切られており、サブ改質ユニット1
10D、120Dから流入してきたガスを一旦蓄え、触
媒中に均一に流す作用を奏する。オリフィスOR1,O
R2の径は、サブ改質ユニット110D、120Dの双
方で反応が行われている場合と、いずれか一方のみで反
応が行われている場合のいずれにおいても、CO酸化部
118Dでほぼ均一に反応が進行するよう、設定されて
いる。
The CO oxidizing section 118D is a structure carrying a catalyst for selectively oxidizing carbon monoxide, as in the embodiment. A diffusion chamber 119D is provided in the CO oxidizing section 118D so that the supported catalyst can be used uniformly. The diffusion chamber 119D has orifices OR1, OR
2 and a sub-reforming unit 1
The gas that has flowed in from 10D and 120D is temporarily stored and acts to flow uniformly through the catalyst. Orifice OR1, O
The diameter of R2 is substantially uniform in the CO oxidizing unit 118D regardless of whether the reaction is performed in both of the sub-reforming units 110D and 120D or the case where the reaction is performed in only one of them. Is set to proceed.

【0055】このようにCO酸化部118Dをサブ改質
ユニット110D,120Dで共有にすることにより、
一酸化炭素の選択酸化処理の制御を簡素化することがで
きる。一般に一酸化炭素の選択酸化処理は、反応部の温
度制御により、非常に広い範囲の空間速度SVで反応を
行うことができる特性がある。第5変形例では、CO酸
化部118Dを2つのサブ改質ユニット110D,12
0Dで共有することにより、CO酸化部118Dの温度
制御および処理に必要な酸素の供給をまとめて行うこと
ができ、反応時の制御を簡素化することができる。
As described above, by sharing the CO oxidizing section 118D with the sub-reforming units 110D and 120D,
Control of the selective oxidation treatment of carbon monoxide can be simplified. Generally, the selective oxidation treatment of carbon monoxide has a characteristic that the reaction can be performed at a very wide range of space velocity SV by controlling the temperature of the reaction section. In the fifth modification, the CO oxidizing unit 118D is connected to two sub-reforming units 110D and 110D.
By sharing 0D, the temperature control of the CO oxidizing unit 118D and the supply of oxygen necessary for the processing can be performed collectively, and the control during the reaction can be simplified.

【0056】第5変形例では、CO酸化部のみを共有と
する場合を例示したが、共有は種々の態様で可能であ
る。例えば、CO酸化部に加えて、低温シフト反応部も
共有化してもよい。低温シフト反応部の共有化には、反
応の安定化を図る利点がある。一般に低温シフト反応
は、実現可能な空間速度SVが比較的低く、生成された
一酸化炭素を安定して処理するためには、反応部の容積
を十分に確保する必要がある。低温シフト反応部を複数
のサブ改質ユニットで共有すれば、低温シフト反応部の
容積を十分に確保することが可能となる。特に、いずれ
か一方のサブ改質ユニットのみで反応が行われている場
合には、サブ改質ユニットごとに低温シフト反応部が設
けられている場合に比較して2倍以上の容積を容易に確
保することが可能となる。双方で反応が行われている場
合においても、クリアランスや、サブ改質反応部の配置
に起因するスペースロス(図4参照)等を考慮すると、
比較的大きな容積を容易に確保することが可能となる。
従って、改質ユニット全体の小型化を図りつつ、反応の
安定化を図ることができる。高温シフト部は低温シフト
部に比較して、反応速度が高いから、サブ改質ユニット
ごとに個別に設けてもよい。もちろん、低温シフト部と
同様、共有にしてもよい。
In the fifth modified example, the case where only the CO oxidized portion is shared is exemplified, but sharing can be performed in various modes. For example, in addition to the CO oxidation unit, the low-temperature shift reaction unit may be shared. Sharing the low-temperature shift reaction section has the advantage of stabilizing the reaction. In general, in the low-temperature shift reaction, the achievable space velocity SV is relatively low, and it is necessary to secure a sufficient volume of the reaction section in order to stably process the generated carbon monoxide. If the low-temperature shift reaction unit is shared by a plurality of sub-reforming units, it is possible to sufficiently secure the volume of the low-temperature shift reaction unit. In particular, when the reaction is performed in only one of the sub-reforming units, the volume more than twice as easily as when the low-temperature shift reaction unit is provided for each sub-reforming unit can be easily achieved. It is possible to secure. Even in the case where the reaction is performed on both sides, considering the clearance and the space loss (see FIG. 4) due to the arrangement of the sub-reforming reaction section, etc.
A relatively large volume can be easily secured.
Therefore, the reaction can be stabilized while reducing the size of the entire reforming unit. Since the high-temperature shift section has a higher reaction rate than the low-temperature shift section, it may be provided separately for each sub-reforming unit. Of course, it may be shared like the low-temperature shift unit.

【0057】C.改質制御:図9は本実施例における改
質制御処理のフローチャートである。制御ユニット10
が、他の制御処理とともに周期的に実行する処理であ
る。この処理が開始されると、制御ユニット10は、暖
機中であるか否かによって処理内容を切り換える(ステ
ップS10)。暖機中とは、改質ユニット100の触媒
が反応に適した温度にまで昇温していない状態を言う。
暖機中であるか否かの判断は、改質ユニット100の温
度、システム起動後の経過時間、改質ユニット100か
ら排出される水素濃度などをパラメータとして行うこと
ができる。
C. Reforming Control: FIG. 9 is a flowchart of the reforming control process in this embodiment. Control unit 10
Is a process that is periodically executed together with other control processes. When this processing is started, the control unit 10 switches the processing content depending on whether or not warming up is being performed (step S10). The term “during warm-up” refers to a state in which the temperature of the catalyst of the reforming unit 100 has not risen to a temperature suitable for the reaction.
The determination as to whether or not the engine is being warmed up can be made using parameters such as the temperature of the reforming unit 100, the elapsed time after starting the system, the concentration of hydrogen discharged from the reforming unit 100, and the like.

【0058】暖機中である場合には、熱容量を抑制する
処理を実行する(ステップS11)。本実施例では、サ
ブ改質ユニット110〜190のうち稼働数を低減する
ことによって、熱容量を抑制するものとした。暖機中
は、要求水素量に関わらず9つのサブ改質ユニットの一
部のみが稼働される。稼働数は、予め設定された一定数
としてもよいし、改質ユニット100の暖機状態に応じ
て変動させてもよい。
If the engine is being warmed up, a process for suppressing the heat capacity is executed (step S11). In the present embodiment, the heat capacity is suppressed by reducing the number of operating sub-reforming units 110 to 190. During warm-up, only some of the nine sub-reforming units are operated regardless of the required hydrogen amount. The operation number may be a fixed number set in advance, or may be varied according to the warm-up state of the reforming unit 100.

【0059】暖機中でない場合には、要求水素量に応じ
てサブ改質ユニット110〜190の稼働数を制御す
る。このため、制御ユニット10は、まず、水素の要求
量を入力する(ステップS12)。水素の要求量は、燃
料電池20の要求電力に応じて、予め用意されたマップ
または関数に基づき設定される。次に、要求水素量に基
づいて稼働すべきサブ改質ユニットおよびその出力を決
定し(ステップS13)、バルブ13,14,111〜
191を制御して、決定された稼働状態を実現する(ス
テップS14)。
When the engine is not warming up, the number of operating sub-reforming units 110 to 190 is controlled according to the required amount of hydrogen. Therefore, the control unit 10 first inputs the required amount of hydrogen (step S12). The required amount of hydrogen is set based on a map or a function prepared in advance according to the required power of the fuel cell 20. Next, the sub-reforming unit to be operated and its output are determined based on the required hydrogen amount (step S13), and the valves 13, 14, 111-
191 is controlled to realize the determined operating state (step S14).

【0060】稼働すべきサブ改質ユニットは、予め用意
されたマップに従って、設定される。図10は要求水素
量とサブ改質ユニットの稼働状況との関係を示す説明図
である。要求水素量に応じて、順次稼働数を増やす態様
に相当する。説明の便宜上、ここでは図の上部に示す三
角形断面の4つのサブ改質ユニットが備えられている場
合についての稼働状況を例示した。1番ユニットを中心
として、その周囲を2番ユニット〜4番ユニットが取り
囲むように配置されている。
The sub-reforming units to be operated are set according to a prepared map. FIG. 10 is an explanatory diagram showing the relationship between the required hydrogen amount and the operation status of the sub-reforming unit. This corresponds to a mode of sequentially increasing the number of operations according to the required hydrogen amount. For convenience of explanation, an operation state in a case where four sub-reforming units having a triangular cross section shown in the upper part of the figure are provided is illustrated here. With the first unit as the center, the second to fourth units are arranged so as to surround the first unit.

【0061】図の下段に、要求水素量に応じた各サブ改
質ユニットの稼働状況を示した。要求水素量がa1以下
の区間では、1番ユニットのみが稼働され、2番〜4番
ユニットは停止される。a1<要求水素量≦a2の区間
では、更に2番ユニットが稼働される。その後、同様に
して要求水素量が増えるにつれ、3番ユニット、4番ユ
ニットが順次稼働される。各区間の区切りとなる要求水
素量a1,a2,a3,a4は、サブ改質ユニットが生
成可能な水素量に基づいて設定すればよい。
The lower part of the figure shows the operation status of each sub-reforming unit according to the required hydrogen amount. In the section where the required hydrogen amount is a1 or less, only the first unit is operated, and the second to fourth units are stopped. In the section of a1 <required hydrogen amount ≦ a2, the second unit is further operated. Thereafter, similarly, as the required hydrogen amount increases, the third unit and the fourth unit are sequentially operated. The required hydrogen amounts a1, a2, a3, and a4, which are the boundaries between the sections, may be set based on the amount of hydrogen that can be generated by the sub-reforming unit.

【0062】ここでは、要求水素量に応じて一定のサブ
改質ユニットを稼働する場合を例示した。要求水素量と
稼働数との関係は維持したまま、稼働するサブ改質ユニ
ットを周期的に切り換える態様を採るものとしてもよ
い。例えば、図10の制御例において、a1<要求水素
量≦a2の区間では、2つのサブ改質ユニットが稼働さ
れる。従って、1番ユニットを継続的に稼働しつつ、2
番、3番、4番を周期的に順次稼働するものとしてもよ
い。「1番、2番」、「1番、3番」、「1番、4番」
の3通りの稼働状況が周期的に実現される。1番ユニッ
トを継続的に運転するのは、このユニットが中心に位置
するため、運転によって2番〜4番ユニットの暖機状態
の維持に寄与しやすいからである。1番ユニットも含め
て稼働するユニットを周期的に切り換える態様を採って
も構わない。
Here, the case where a fixed sub-reforming unit is operated according to the required amount of hydrogen has been exemplified. A mode in which the operating sub-reforming units are periodically switched while maintaining the relationship between the required hydrogen amount and the number of operating units may be adopted. For example, in the control example of FIG. 10, in the section where a1 <required hydrogen amount ≦ a2, two sub-reforming units are operated. Therefore, while operating the first unit continuously,
No. 3, No. 4 and No. 4 may be operated periodically and sequentially. "No.1, No.2", "No.1, No.3", "No.1, No.4"
The three operating conditions are periodically realized. The reason why the first unit is continuously operated is that since this unit is located at the center, the operation easily contributes to the maintenance of the warm-up state of the second to fourth units. A mode in which the units operating including the first unit are periodically switched may be adopted.

【0063】このように稼働するサブ改質ユニットを周
期的に切り換えることにより、各サブ改質ユニットの暖
機状態を比較的容易に維持することができ、要求水素量
の変動に対する応答性を向上することができる。切り換
え周期は、サブ改質ユニットの暖機状態を維持する観点
から、適宜設定すればよく、一定周期であってもよい
し、要求水素量やサブ改質ユニットの温度等に応じて変
化させてもよい。
By periodically switching the sub-reforming units that operate as described above, the warm-up state of each sub-reforming unit can be maintained relatively easily, and the responsiveness to fluctuations in the required hydrogen amount can be improved. can do. The switching cycle may be set as appropriate from the viewpoint of maintaining the warm-up state of the sub-reforming unit, may be a constant cycle, or may be changed according to the required hydrogen amount, the temperature of the sub-reforming unit, and the like. Is also good.

【0064】図10では、要求水素量と稼働状況を一義
的に設定した場合を例示したが、要求水素量が増加して
いる場合と、減少している場合とでマップを切り換える
ものとしてもよい。例えば、a3<要求水素量で4つの
サブ改質ユニットが運転されている場合に、要求水素量
がa3以下に低減した場合を考える。図10のマップに
従えば、要求水素量の変化に応じて4番ユニットが停止
されることになる。これに代えて、要求水素量低減時の
マップを用意して、1番ユニットを優先的に停止させる
ものとしてもよい。1番ユニットは中心に位置するた
め、周囲の2番〜4番ユニットの運転による熱で比較的
暖機状態を維持しやすいからである。
FIG. 10 shows an example in which the required hydrogen amount and the operation status are uniquely set, but the map may be switched between when the required hydrogen amount is increasing and when the required hydrogen amount is decreasing. . For example, consider a case where the required hydrogen amount is reduced to a3 or less when four sub-reforming units are operated with a3 <required hydrogen amount. According to the map of FIG. 10, the fourth unit is stopped according to the change in the required hydrogen amount. Instead, a map for reducing the required hydrogen amount may be prepared, and the first unit may be preferentially stopped. This is because the first unit is located at the center, and it is relatively easy to maintain a warm-up state by heat generated by the operation of the surrounding second to fourth units.

【0065】C1.改質制御の変形例(1):稼働数の
制御は、種々の態様で実現可能である。図11は第1変
形例としての要求水素量とサブ改質ユニットの稼働状況
との関係を示す説明図である。図10と同様のサブ改質
ユニットの構造を対象とし、稼働数とともに、各サブ改
質ユニットの出力も制御する場合を例示した。
C1. Modification (1) of reforming control: Control of the number of operations can be realized in various modes. FIG. 11 is an explanatory diagram showing the relationship between the required hydrogen amount and the operation status of the sub-reforming unit as a first modification. The case where the output of each sub-reforming unit is controlled as well as the number of operating units in the same structure as the sub-reforming unit shown in FIG. 10 is illustrated.

【0066】図示する通り、各サブ改質ユニットは、出
力0、50、100%の3段階で運転が制御される。出
力50%とは、実現可能な空間速度SVの50%で反応
が行われることを意味する。出力は、サブ改質ユニット
に供給される原料の量および反応条件によって制御可能
である。
As shown in the figure, the operation of each sub-reforming unit is controlled in three stages of outputs 0, 50, and 100%. An output of 50% means that the reaction takes place at 50% of the achievable space velocity SV. The output can be controlled by the amount of raw materials supplied to the sub-reforming unit and the reaction conditions.

【0067】変形例では、要求水素量≦b1の区間で
は、1番ユニットを50%出力で運転する。2番〜4番
ユニットは停止する。b1<要求水素量≦b2の区間で
は、2番〜4番ユニットは停止したまま、1番ユニット
を100%に出力アップする。更に要求水素量が増える
と、1番ユニットを100%で運転したまま、2番ユニ
ットを50%出力で運転する。このように、要求水素量
に応じて、50%出力、100%出力の2段階で稼働数
を増やす。
In the modified example, in the section of the required hydrogen amount ≦ b1, the first unit is operated at 50% output. Units 2 to 4 stop. In the section of b1 <required hydrogen amount ≦ b2, the output of the first unit is increased to 100% while the second to fourth units are stopped. When the required hydrogen amount further increases, the second unit is operated at 50% output while the first unit is operated at 100%. Thus, the number of operations is increased in two stages of 50% output and 100% output according to the required hydrogen amount.

【0068】変形例の制御態様によれば、生成される水
素量を小刻みに変化させることができる利点がある。変
形例においても、実施例(図10)と同様、稼働するサ
ブ改質ユニットを周期的に切り換えてもよい。また、要
求水素量が増加している場合と、低減している場合とで
マップを切り換えてもよい。
According to the control mode of the modified example, there is an advantage that the generated hydrogen amount can be changed in small steps. Also in the modified example, as in the embodiment (FIG. 10), the operating sub-reforming units may be periodically switched. The map may be switched between when the required hydrogen amount is increasing and when the required hydrogen amount is decreasing.

【0069】C2.改質制御の変形例(2):図12は
第2変形例としての要求水素量とサブ改質ユニットの稼
働状況との関係を示す説明図である。図10と同様のサ
ブ改質ユニットの構造を対象とし、稼働数とともに、各
サブ改質ユニットの出力も制御する場合を例示した。
C2. Modification Example (2) of Reformation Control: FIG. 12 is an explanatory diagram showing the relationship between the required hydrogen amount and the operation status of the sub-reforming unit as a second modification example. The case where the output of each sub-reforming unit is controlled as well as the number of operating units in the same structure as the sub-reforming unit shown in FIG. 10 is illustrated.

【0070】第1変形例では、運転中のサブ改質ユニッ
トの出力が全て100%に達した以降に、稼働数を増や
す態様を例示した。第2変形例では、50%出力状態で
サブ改質ユニットの稼働数を順次増やした後、各サブ改
質ユニットの出力を順次増大させる態様を例示する。
In the first modified example, the mode in which the number of operating units is increased after all the outputs of the operating sub-reforming units have reached 100% has been described. In the second modified example, a mode in which the number of operating sub-reforming units is sequentially increased at a 50% output state, and then the output of each sub-reforming unit is sequentially increased is exemplified.

【0071】つまり、図示する通り、要求水素量≦c1
の区間では、1番ユニットおよび2番ユニットをそれぞ
れ50%出力で運転する。1番ユニットのみを運転する
状態から開始してもよい。その後、要求水素量の増加に
従い、1番ユニット、2番ユニットは50%出力で維持
したまま、3番ユニット、4番ユニットを50%出力で
追加運転する。全ユニットが50%出力で運転された
後、c3<要求水素量≦c4の区間において、2番ユニ
ット〜4番ユニットを50%出力に維持したまま、1番
ユニットの出力を100%に増大する。その後、要求水
素量の増加に伴い、2番ユニット〜4番ユニットの出力
を順次増大させる。
That is, as shown, the required hydrogen amount ≦ c1
In the section of No. 1, the first unit and the second unit are each operated at 50% output. The operation may be started from a state in which only the first unit is operated. Thereafter, as the required hydrogen amount increases, the third and fourth units are additionally operated at 50% output while the first and second units are maintained at 50% output. After all the units are operated at 50% output, the output of the first unit is increased to 100% in the section of c3 <required hydrogen amount ≦ c4 while maintaining the second to fourth units at the 50% output. . Thereafter, as the required hydrogen amount increases, the outputs of the second to fourth units are sequentially increased.

【0072】かかる耐用によっても、第1変形例と同
様、生成される水素量を小刻みに変化させることができ
る。また、各サブ改質ユニットが停止されることを抑制
することができるから、改質ユニットの暖機状態を維持
しやすい利点もある。第2変形例においても、実施例
(図10)と同様、稼働するサブ改質ユニットを周期的
に切り換えてもよい。また、要求水素量が増加している
場合と、低減している場合とでマップを切り換えてもよ
い。
With this durability, as in the first modification, the amount of generated hydrogen can be changed little by little. Further, since the stop of each sub-reforming unit can be suppressed, there is an advantage that the warm-up state of the reforming unit can be easily maintained. Also in the second modified example, as in the embodiment (FIG. 10), the operating sub-reforming units may be periodically switched. The map may be switched between when the required hydrogen amount is increasing and when the required hydrogen amount is decreasing.

【0073】以上で説明した実施例の水素生成システム
によれば、並列に設けられた複数のサブ改質ユニットの
切り換えによって種々の利点を得ることができる。第1
に、起動時に稼働するサブ改質ユニット数を低減するこ
とにより、改質ユニット全体の熱容量を抑制でき、速や
かな暖機を実現することができる。第2に、起動後に要
求水素量に応じてサブ改質ユニットを切り換えることに
より、サブ改質ユニットの空間速度SVを大きく変動さ
せることなく、水素の生成量を調整することができる。
従って、高い空間速度SVによる小型化を図りつつ、幅
広い作動範囲を確保することができる。また、稼働され
るサブ改質ユニットを周期的に切り換える制御を併用す
ることにより、改質ユニットの暖機状態を比較的容易に
維持することができ、要求水素量の変動に対する応答性
を確保することも可能である。
According to the hydrogen generation system of the embodiment described above, various advantages can be obtained by switching a plurality of sub-reforming units provided in parallel. First
Furthermore, by reducing the number of sub-reforming units that operate at the time of startup, the heat capacity of the entire reforming unit can be suppressed, and quick warm-up can be realized. Secondly, by switching the sub-reforming unit according to the required hydrogen amount after the start-up, it is possible to adjust the amount of hydrogen generated without greatly changing the space velocity SV of the sub-reforming unit.
Accordingly, it is possible to secure a wide operating range while achieving downsizing by the high space velocity SV. In addition, by using the control for periodically switching the operated sub-reforming units, the warm-up state of the reforming units can be relatively easily maintained, and the responsiveness to the fluctuation of the required hydrogen amount can be secured. It is also possible.

【0074】以上、本発明の種々の実施例について説明
したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣
旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができるこ
とはいうまでもない。例えば、以上の制御処理はソフト
ウェアで実現する他、ハードウェア的に実現するものと
してもよい。また、実施例では、水素生成システムと燃
料電池20との組み合わせを例示したが、本発明を適用
する際の水素消費系は燃料電池である必要はない。
Although various embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and it goes without saying that various configurations can be adopted without departing from the spirit of the present invention. For example, the above-described control processing may be realized by software or by hardware. Further, in the embodiment, the combination of the hydrogen generation system and the fuel cell 20 is illustrated, but the hydrogen consumption system in applying the present invention does not need to be a fuel cell.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施例としての燃料電池システムの概略構成を
示す説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system as an embodiment.

【図2】改質ユニット100の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of the reforming unit 100.

【図3】改質ユニット100を混合部112の側からみ
た平面図である。
FIG. 3 is a plan view of the reforming unit 100 as viewed from a mixing unit 112 side.

【図4】第1変形例としての改質ユニット100Aの断
面形状を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a cross-sectional shape of a reforming unit 100A as a first modification.

【図5】第2変形例としての改質ユニット100Bの断
面形状を示す説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a cross-sectional shape of a reforming unit 100B as a second modification.

【図6】第3変形例としての改質ユニット100aの断
面形状を示す説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a cross-sectional shape of a reforming unit 100a as a third modification.

【図7】第4変形例としての改質ユニット100Cの断
面形状を示す説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a cross-sectional shape of a reforming unit 100C as a fourth modification.

【図8】第5変形例としてのサブ改質ユニットの構成を
示す説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a configuration of a sub-reforming unit as a fifth modification.

【図9】本実施例における改質制御処理のフローチャー
トである。
FIG. 9 is a flowchart of a reforming control process in the embodiment.

【図10】要求水素量とサブ改質ユニットの稼働状況と
の関係を示す説明図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a relationship between a required hydrogen amount and an operation state of a sub-reforming unit.

【図11】第1変形例としての要求水素量とサブ改質ユ
ニットの稼働状況との関係を示す説明図である。
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a relationship between a required hydrogen amount and an operation state of a sub-reforming unit as a first modified example.

【図12】第2変形例としての要求水素量とサブ改質ユ
ニットの稼働状況との関係を示す説明図である。
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a relationship between a required hydrogen amount and an operation state of a sub-reforming unit as a second modified example.

【図13】従来技術としての原料の改質ユニットを示す
斜視図である。
FIG. 13 is a perspective view showing a raw material reforming unit as a conventional technique.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…制御ユニット 11…原料タンク 12…水タンク 13,14,111〜119…バルブ 15…蒸発器 20…燃料電池 100、100A、100B、100a、100C…改
質ユニット 102…ケース 110、110A、110B、110a…サブ改質ユニ
ット 110C,111C…サブ改質ユニット 110D,120D…サブ改質ユニット 112、112D、122D…混合部 113、113D、123D…改質部 114、114D、124D…熱交換器 115、115D、125D…高温シフト反応部 116、116D、126D…熱交換器 117、117D、127D…低温シフト部 118、118D、128D…CO酸化部 119D…拡散室
Reference Signs List 10 control unit 11 raw material tank 12 water tank 13, 14, 111 to 119 valve 15 evaporator 20 fuel cell 100, 100A, 100B, 100a, 100C reforming unit 102 case 110, 110A, 110B , 110a ... sub-reforming units 110C, 111C ... sub-reforming units 110D, 120D ... sub-reforming units 112, 112D, 122D ... mixing units 113, 113D, 123D ... reforming units 114, 114D, 124D ... heat exchangers 115 , 115D, 125D: High-temperature shift reaction section 116, 116D, 126D: Heat exchanger 117, 117D, 127D: Low-temperature shift section 118, 118D, 128D: CO oxidation section 119D: Diffusion chamber

フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/06 H01M 8/06 G (72)発明者 西川 武志 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 沼田 耕一 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 Fターム(参考) 4G040 EA02 EA03 EA06 EB23 EB31 EB32 EB42 EB43 EB44 EB46 4G140 EA02 EA03 EA06 EB23 EB31 EB32 EB42 EB43 EB44 EB46 5H027 AA02 BA01 BA17 KK52 MM09 MM12 Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat II (Reference) H01M 8/06 H01M 8/06 G (72) Inventor Takeshi Nishikawa 1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Inside Toyota Motor Corporation (72) Inventor Koichi Numata 1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture F-term in Toyota Motor Co., Ltd. BA01 BA17 KK52 MM09 MM12

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 原料の化学反応によって水素リッチなガ
スを生成する水素生成システムであって、 前記化学反応のための化学反応部と、 該化学反応部の熱容量および容積の少なくとも一方を調
整可能な調整機構と、 該システムに要求される運転状態に応じて前記調整機構
を制御する制御部とを備える水素生成システム。
1. A hydrogen generation system that generates a hydrogen-rich gas by a chemical reaction of a raw material, wherein a chemical reaction unit for the chemical reaction and at least one of a heat capacity and a volume of the chemical reaction unit are adjustable. A hydrogen generation system comprising: an adjustment mechanism; and a control unit that controls the adjustment mechanism according to an operation state required for the system.
【請求項2】 前記運転状態は、該システムの暖機状態
である請求項1記載の水素生成システム。
2. The hydrogen generation system according to claim 1, wherein the operation state is a warm-up state of the system.
【請求項3】 前記制御部は、水素の要求量に応じて前
記制御を行う請求項1記載の水素生成システム。
3. The hydrogen generation system according to claim 1, wherein the control unit performs the control according to a required amount of hydrogen.
【請求項4】 請求項1記載の水素生成システムであっ
て、 前記化学反応部は、少なくとも一部に、同じ化学反応を
行うためのサブ化学反応部を複数並列に備えており、 前記調整機構は、反応に使用されるサブ化学反応部の稼
働数を切り換え可能な機構である水素生成システム。
4. The hydrogen generation system according to claim 1, wherein the chemical reaction unit includes, in at least a part thereof, a plurality of sub-chemical reaction units for performing the same chemical reaction in parallel. Is a hydrogen generation system that is a mechanism that can switch the number of operating sub-chemical reaction units used for the reaction.
【請求項5】 請求項4記載の水素生成システムであっ
て、 前記制御部は、前記水素の要求量の増加とともに、前記
稼働数を増加させる水素生成システム。
5. The hydrogen generation system according to claim 4, wherein the control unit increases the number of operations with an increase in the required amount of the hydrogen.
【請求項6】 請求項5記載の水素生成システムであっ
て、 前記制御部は、併せて、水素の要求量に応じて各サブ化
学反応部に供給される原料の量を制御する水素生成シス
テム。
6. The hydrogen generation system according to claim 5, wherein the control unit also controls an amount of a raw material supplied to each sub-chemical reaction unit according to a required amount of hydrogen. .
【請求項7】 請求項5記載の水素生成システムであっ
て、 前記制御部は、前記水素の要求量と稼働数との関係を保
持しつつ、反応に使用されるサブ化学反応部を所定のタ
イミングで切り換える水素生成システム。
7. The hydrogen generation system according to claim 5, wherein the control unit controls a sub-chemical reaction unit used for the reaction while maintaining a relationship between the required amount of hydrogen and an operation number. A hydrogen generation system that switches at the right time.
【請求項8】 請求項4記載の水素生成システムであっ
て、 前記サブ化学反応部は、ガスの流れ方向に直交する断面
形状が多角形であり、 該サブ化学反応部同士が、該多角形の辺で近接して配置
された水素生成システム。
8. The hydrogen generation system according to claim 4, wherein the sub-chemical reaction section has a polygonal cross section orthogonal to a gas flow direction, and the sub-chemical reaction sections are polygonal. Hydrogen generation system located close to the side of the.
【請求項9】 請求項8記載の水素生成システムであっ
て、 前記サブ化学反応部は、一酸化炭素と水から水素を生成
するシフト反応を行うユニットである水素生成システ
ム。
9. The hydrogen generation system according to claim 8, wherein the sub-chemical reaction unit is a unit that performs a shift reaction for generating hydrogen from carbon monoxide and water.
【請求項10】 請求項4記載の水素生成システムであ
って、 前記化学反応部は、異なる化学反応を行う多段のユニッ
トからなり、 該多段ユニットは、 上流側の一部が前記サブ化学反応部として構成され、 下流側の残余の部分が複数のサブ化学反応部に共有され
る共有反応部として構成されている水素生成システム。
10. The hydrogen generation system according to claim 4, wherein the chemical reaction unit comprises a multi-stage unit that performs a different chemical reaction, and a part of the multi-stage unit on the upstream side is the sub-chemical reaction unit. A hydrogen generation system configured as a shared reaction section, wherein the remaining portion on the downstream side is shared by a plurality of sub-chemical reaction sections.
【請求項11】 請求項10記載の水素生成システムで
あって、 前記化学反応部は、少なくとも原料の水蒸気改質または
部分酸化反応を行う改質部と、該改質部で生成された改
質ガスを処理する改質ガス処理部とを備え、 少なくとも該改質部が前記サブ化学反応部として構成さ
れる水素生成システム。
11. The hydrogen generation system according to claim 10, wherein the chemical reaction unit performs at least a steam reforming or a partial oxidation reaction of the raw material, and a reforming unit generated by the reforming unit. A hydrogen generation system, comprising: a reformed gas processing unit that processes gas; at least the reforming unit is configured as the sub-chemical reaction unit.
【請求項12】 請求項10記載の水素生成システムで
あって、 前記共有反応部には、前記サブ化学反応部で生成された
ガス中の一酸化炭素と水から水素を生成するシフト反応
を行うシフト反応部が含まれる水素生成システム。
12. The hydrogen generation system according to claim 10, wherein the shared reaction unit performs a shift reaction for generating hydrogen from carbon monoxide and water in the gas generated in the sub-chemical reaction unit. A hydrogen generation system including a shift reaction unit.
【請求項13】 請求項10記載の水素生成システムで
あって、 前記共有反応部には、前記サブ化学反応部で生成された
ガス中の一酸化炭素を酸化処理する酸化反応部が含まれ
る水素生成システム。
13. The hydrogen generation system according to claim 10, wherein the shared reaction unit includes an oxidation reaction unit that oxidizes carbon monoxide in the gas generated by the sub-chemical reaction unit. Generation system.
【請求項14】 請求項4記載の水素生成システムであ
って、 前記サブ化学反応部間に、相互の熱の授受を抑制する断
熱層を備える水素生成システム。
14. The hydrogen generation system according to claim 4, further comprising a heat insulating layer between the sub-chemical reaction units, for suppressing mutual heat transfer.
【請求項15】 請求項4記載の水素生成システムであ
って、 前記サブ化学反応部間に、空隙を備える水素生成システ
ム。
15. The hydrogen generation system according to claim 4, wherein a gap is provided between the sub-chemical reaction units.
【請求項16】 請求項15記載の水素生成システムで
あって、 さらにサブ化学反応部を加熱するための熱を該空隙に供
給する熱供給部を備える水素生成システム。
16. The hydrogen generation system according to claim 15, further comprising a heat supply unit that supplies heat for heating the sub-chemical reaction unit to the gap.
【請求項17】 原料の化学反応によって水素リッチな
ガスを生成する水素生成システムの運転方法であって、 水素生成時に、前記化学反応のための化学反応部の熱容
量および容積の少なくとも一方を、前記システムに要求
される運転状態に応じて制御する工程を備える運転方
法。
17. A method for operating a hydrogen generation system that generates a hydrogen-rich gas by a chemical reaction of a raw material, wherein at least one of a heat capacity and a volume of a chemical reaction unit for the chemical reaction is generated during hydrogen generation. An operation method comprising a step of controlling according to an operation state required of the system.
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