JP2004067407A - Reforming reactor - Google Patents
Reforming reactor Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004067407A JP2004067407A JP2002225856A JP2002225856A JP2004067407A JP 2004067407 A JP2004067407 A JP 2004067407A JP 2002225856 A JP2002225856 A JP 2002225856A JP 2002225856 A JP2002225856 A JP 2002225856A JP 2004067407 A JP2004067407 A JP 2004067407A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- flow path
- fuel
- heating
- reforming
- gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
Abstract
Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、改質反応器に関する、特に、改質反応器の温度を適切に制御することができ、これによりシステム効率を向上することができる構成に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の改質反応器としては、特開平9−306533号公報のようなものが知られている。これは、外筒部材を内筒部材が貫通するように配置し、外筒部材に燃焼ガスを供給して通過させ、内筒部材内部には熱量を供給可能な熱交換型の改質反応器を組み込んでいる。外筒部材の内部に配置した内筒部材の壁材を中空に形成し、この中空部分にメタノール改質の場合には、200〜300℃の反応温度帯に融点を持つLiNO3などの蓄熱材を収容する。この蓄熱材には、予め十分な熱量を供給して溶解させ、液相としておく。
【0003】
これにより、急激に改質燃料ガスを増加させる必要が生じたときに外筒部材から供給する燃焼ガスによる熱量供給が遅れても、蓄熱材が固相に相転移する際に潜熱を発散するため、改質に必要な熱量を十分に賄うことができる。
【0004】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、特開平9−306533号公報のような改質反応器においては、燃料ガスと加熱ガスとの熱交換により燃料ガスを改質ガスに変換する改質反応部に対して、加熱ガスが適切に供給されないことがある。例えば、燃料ガス量の増減に伴って加熱ガス流量が増減するが、供給される改質反応器の容積には変化がないために加熱ガスにより供給される熱に不均一さが生じる。これにより、改質反応部に温度勾配が生じ、局所的に低温や高温となる領域が生じてしまう。
【0005】
原燃料としてメタノールを用いて水蒸気改質を行うような場合には、低温となる領域で改質効率の低下により転化率が悪化する恐れがある。また、改質反応により生成されたH2、CO、CO2を含む改質ガスが局所的に高温となる領域に晒されることにより、H2とCO2とからCOが生成される逆シフト反応が促進され、改質ガス中のCOが増加して燃料電池の許容範囲を超えてしまう可能性がある。また、過剰な加熱により熱損失が増加し、システム効率が悪化するという問題も発生する。
【0006】
そこで本発明は、改質反応を生じる部分の温度を均一化して効率のよい反応を生じることのできる改質反応器を供給することを目的としている。
【0007】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、燃料ガスの改質を行う改質反応器において、改質触媒が塗付され、燃料ガスが流通することにより改質反応を生じる燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路に選択的に熱を供給する加熱部とを備える。さらに、前記加熱部から前記燃料ガス流路に供給する熱量と、前記燃料ガス流路の前記加熱部により加熱される範囲と、を運転条件に応じて制御する加熱状態制御手段を備える。
【0008】
または、前記燃料ガスを改質する改質触媒を担持する燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路に熱を供給するための加熱ガスを流通する加熱ガス流路と、を備える。さらに、加熱ガスの前記加熱ガス流路を流れる範囲を変更する流路面積変更手段と、運転条件に応じて前記流路面積変更手段を制御する流路面積制御手段と、を備える。
【0009】
【作用及び効果】
加熱部から燃料ガス流路に供給する熱量と、燃料ガス流路の加熱部により加熱される範囲と、を運転条件に応じて制御する。これにより、改質反応を生じる範囲およびそこに供給する熱量を運転条件に応じて調整することができ、改質反応を生じる部分の温度勾配を低減することができるので、効率のよい反応を生じることができる。
【0010】
また、燃料ガス流路の加熱源となる加熱ガスの流れる範囲を制御することで、加熱ガスから熱が供給される範囲を制御でき、改質反応を生じる範囲を制御できるとともに、その範囲に供給する熱量を調整することができる。これにより、改質反応を生じる範囲の温度を制御できるので、効率のよい反応を生じることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
第1の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図1に示す。
【0012】
本実施形態は燃料改質型の燃料電池システムとする。燃料ガスとしては、炭化水素系燃料であるメタノール、ガソリン、天然ガス等を用いることができるが、ここではメタノールを用いる水蒸気改質反応により改質ガスを生成する。
【0013】
改質器3は燃料ガスと空気より水素リッチな改質ガスを生成する改質触媒を担持した改質部3aを有した反応器である。ここで生じる反応を以下の式に示す。
【0014】
【化式1】
CH3OH → CO+2H2−90.0(kj/mol) ・・・ (1)
CO+H2O → CO2+H2+40.5(kj/mol) ・・・ (2)
CH3OH+H2O → CO2+3H2―49.5(kj/mol) ・・・(3)
メタノールを水蒸気改質する際には、式(1)のメタノール分解反応と、式(2)のシフト反応が同時に進行し、全体としては式(3)のような吸熱反応が進行する。このように、改質反応全体としては吸熱反応であるから、外部から反応に必要な熱を供給する必要がある。
【0015】
そこで、改質器3に加熱ガス流路18を備えた燃焼部2を構成し、この加熱ガス流路18に燃焼触媒を担持させる。また燃焼部2に供給する混合ガス中の空気の流量を調整する燃焼用空気弁30、不足する燃料を補う燃料噴射弁2aを備える。加熱ガス流路18に後述するスタック5からの排出ガスや、燃焼用空気弁30により流量を調整した空気、燃料噴射弁2から噴出される燃料よりなる混合ガスを供給する。これにより加熱ガス流路18で燃焼反応を生じ、これに伴う熱を改質触媒に供給することにより改質反応を生じる。
【0016】
また、燃料電池システムには蒸発器1を備え、燃焼部2から排出された燃焼ガスを用いて、改質反応に用いる燃料ガスの原料であるメタノールと水を蒸発して燃料ガスを生成する。この燃料ガスを改質部3aに供給して、燃焼部2から供給された熱を用いて改質反応を生じる。
【0017】
このように生成された改質ガス中には、後述するスタック5の劣化原因となるCOが含まれている。そこで、COを低減するためのCO除去器4を備え、改質ガス中のCOを数十ppm程度まで低減してからスタック5に供給する。
【0018】
スタック5は、燃料の化学エネルギを機械エネルギや熱エネルギを経ることなく直接電気エネルギに変換する装置である。ここではスタック5を、電解質膜を燃料極と空気極により狭持した固体高分子型燃料電池とし、燃料極には改質器3において生成した改質ガスを、空気極には酸化剤としての外気を供給して以下のような電気化学反応を生じる。
【0019】
【化式2】
燃料極:H2 → 2H++2e− ・・・ (4)
空気極:(1/2)O2+2H++2e− → H2O ・・・ (5)
電池全体:H2+(1/2)O2 → H2O ・・・ (6)
このような反応を促進させるために、スタック5の電極には白金触媒が担持されている。ここで、燃料極に供給される改質ガス中にCOが含まれていると、この白金触媒にCOが吸着し、触媒機能を低下させてしまう。そこで前述したようにCO除去器4を備え、改質ガス中のCO濃度をスタック5の被毒を回避できる数十ppm程度まで低減させてからスタック5に供給する。
【0020】
また、燃料電池システムには、起動時の暖機を行うための高温ガスを生成する起動用燃焼器7を備える。起動時には起動燃焼器7で生成した高温ガスを燃焼部2に供給して、燃焼反応を生じることができる温度にまで燃焼触媒を暖機する。
【0021】
さらに、燃料電池システムを構成する各要素を制御するためにコントロールユニット6を備える。改質器3には内部温度を測定する温度センサ26、27を備え、その出力をコントローラ6に供給する。ここで、起動燃焼器7、蒸発器1、改質器3には、必要に応じてコントローラ6から出力される指令に基づいて燃料を噴射する燃料噴射弁を設ける。
【0022】
このような燃料電池システムにおいて、燃焼部2から改質部3aに供給される熱量が過剰であったり、改質部3aが局所的に高温になったりすると、式(3)で生成した改質ガスがその高温雰囲気に晒される。この結果、式(2)の逆反応である逆シフト反応が生じてCOが生成され、スタック5が劣化する可能性がある。また、過剰な加熱により熱損失が増大し、システム効率が悪化する可能性も生じる。逆に改質部3aに局所的に低温の領域があると式(3)の反応が進行しないため、メタノールの改質効率が低下してしまう。
【0023】
そこで本実施形態では改質器3を図2に示すように構成する。
【0024】
改質部3aを、第一改質触媒15、第二改質触媒16、第3改質触媒17(以下、改質触媒15〜17)から構成し、これらの触媒を第一ダクト部19、第二ダクト部20(以下、ダクト部、19、20)により直列に連結させる。改質触媒15、16、17は壁を隔てて一列に並ぶように配置し、ダクト部19、20により燃料ガスの流れが反転するように構成する。
【0025】
ここでは、図2のような断面において、第三改質触媒17の断面を第一、第二改質触媒15、16の断面の半分とする。改質触媒15〜17を壁を介して一列に並べる際に、一端部、ここでは下方側を揃えて配置するので、図2に示すように、第一、第二改質触媒15、16に対して第三改質触媒17の断面は上方側半分が欠けた形状となる。
【0026】
また、燃料ガスの供給口である燃料ガス入口部8と、燃料ガス入口部8で取り入れた燃料ガスを第一改質触媒15に導入する燃料ガス導入通路9を備える。燃料ガス入口部8は、燃料ガス導入通路9の端部に配置し、燃料ガス導入通路9内に旋回流を生成するように構成する。これにより、第一改質触媒15に燃料ガスを導入する際に燃料ガスを均一化することができる。さらに、第三改質触媒17から改質ガスを回収する改質ガス出口通路21と、改質ガス出口通路21の改質ガスを改質器3の外部に排出する改質ガス出口部22を備える。
【0027】
このように構成することで、燃料ガスは、燃料ガス入口部8から供給され、燃料ガス導入通路9を介して第一改質触媒15に供給される。その後、後述する燃焼部2との間で熱交換を行いながら改質反応を生じ、第一改質触媒15、第一ダクト部19、第二改質触媒16、第二ダクト部20、第三改質触媒17という順番で改質器3内を蛇行して流れる。改質反応により生成された改質ガスは、第三改質触媒17から改質ガス出口通路21を通って改質ガス出口部22から排出される。
【0028】
さらに改質器3には、改質器3を改質触媒15〜17が並ぶ方向に貫通する断面が円形状の燃焼部2を備える。燃焼部2には改質触媒を加熱する加熱ガスとして高温ガスまたは混合ガスを流通するが、ここでは混合ガスを流通させる場合について説明する。
【0029】
燃焼部2を軸方向に沿って加熱ガス入口部10、加熱ガス流路18、加熱ガス出口部23により構成し、加熱ガス流路18には燃焼触媒を担持する。加熱ガス流路18は改質触媒15〜17に隣接する領域であり、加熱ガス入口部10から取り込まれた混合ガスは、加熱ガス流路18内を第一改質触媒15から第三改質触媒17に向かって一方向に流れ、加熱ガス出口部23から排出される。このとき、加熱ガス流路18では発熱反応である燃焼反応を進行し、隣接する改質触媒15〜17における改質反応に必要な熱を供給する。
【0030】
また、加熱ガス入口部10には、混合ガスの取り入れ口となっている加熱ガス入口端部11の断面を既定の割合で分割する加熱ガス仕切り板12を配置する。ここで図2に示すように、改質触媒15〜17の加熱ガスの流れ方向に沿った体積を上方側と下方側で2:3となるように構成したので、同様に加熱ガス入口端部11の断面を加熱ガス仕切り板12により上方側と下方側で2:3に分割するように構成する。また、加熱ガス仕切り板12は、第一改質触媒15に重なる部分で、燃焼部2の断面を上下方向に1:1に分割するように形成する。これにより形成した上方側の通路を上方加熱ガス流路18a、下方側の通路を下方加熱通路18bとすると、加熱ガス入り口端部11が開口している際には、加熱ガスの2/5が上方加熱ガス流路18aに供給されて、隣接する改質触媒(全改質触媒の2/5)に熱を供給する。一方加熱ガスの3/5が下方加熱ガス流路18bに供給されて、隣接する改質触媒(全改質触媒の3/4)に熱を供給する。
【0031】
さらに、加熱ガス入口端部11には、加熱ガス仕切り板12により仕切られている上方加熱ガス流路18aを開閉可能とする第一開閉弁13と、下方加熱ガス流路18bを開閉可能とする第二開閉弁14を設ける。ここでは第一開閉弁13と第二開閉弁14の断面積の比は2:3となる。第一開閉弁13が開いている場合には、上方加熱ガス流路18bで燃焼反応が生じて全体の2/5の体積の改質触媒が加熱される。これに対して第二開閉弁14が開いている場合には、下方加熱ガス流路18bで燃焼反応が生じて、全体の3/5の体積の改質触媒が加熱される。
【0032】
また、改質器3の内部温度を測定する温度センサとして、上方加熱ガス流路18aに隣接する改質部3aに上方温度センサ26を、下方加熱ガス流路18bに隣接する改質部3aに下方温度センサ27を配置する。
【0033】
このような改質器3を有する燃料電池システムにおいて、システムの運転条件に応じて燃焼部2の燃焼領域を変更する。ここでは、燃焼領域の変更を第一開閉弁13と第二開閉弁14の開閉を制御して、図3に示すように改質する燃料ガス量に応じた三パターンの燃焼領域に変更する。改質触媒15〜17全体を用いて改質を行う場合に供給される燃料ガス量を1とすると、燃料ガス量に応じて以下のように燃焼領域を設定することができる。
【0034】
まず、改質する燃料ガス量が「小」である場合、ここでは燃料ガス量が0より大きく2/5以下の場合には、図3(a)に示すように第一開閉弁13を開き、第二開閉弁14を閉じる。これにより、スタック5からの排出ガス、空気、燃料からなる混合ガスは上方加熱ガス流路18aのみに供給され、改質触媒全体の2/5の領域で改質反応が生じる。
【0035】
また、このときスタック5からの排出ガスに燃焼用空気弁30を介して空気を、燃料噴射弁2aから燃料を混合してリーン混合ガスを生成するが、このときのスタック5からの排出ガスは少ないので、燃焼部2に供給されるリーン混合ガスの流量も抑制することができる。よって、熱を供給する範囲が小さいときには、熱を生じるための混合ガスの流量を小さくすることで、無駄な加熱を抑制することができる。
【0036】
次に、改質する燃料ガス量が「中」の場合、ここでは燃料ガス量が2/5により大きく3/5以下の場合には、図3(b)に示すように第二開閉弁14を開き、第一開閉弁13を閉じる。これにより、混合ガスは下方加熱流路18bのみに供給され、改質触媒全体の3/5の領域で改質反応が生じる。
【0037】
このとき燃料ガスが「小」である場合よりも、スタック5から排出される排出ガスの流量は多くなるので、生成されるリーン混合ガス流量も多くなる。これにより、リーン混合ガスの供給範囲が広くなるに応じて、供給するリーン混合ガスの流量も多くすることができる。
【0038】
最後に、改質する燃料ガスの量が「大」である場合、ここでは燃料ガス量が3/5より大きい場合には、図3(c)に示すように第一開閉弁13、第二開閉弁14を開く。これにより、混合ガスは加熱ガス流路18全体に供給されるので、改質触媒全体で改質反応が生じる。
【0039】
このときスタック5からの排出ガスはさらに多くなるので、生成されるリーン混合ガス流量はさらに多くなり、リーン混合ガスの供給範囲に応じてその流量を増加することができ、加熱不足を避けることができる。
【0040】
このように制御する際に、各燃料ガス流量に応じて改質触媒で要求される熱量は決まるので、それに応じて燃料用空気弁30により調整される混合ガスの空気量と、燃焼噴射弁2aにより混入される燃料量を調整し、混合ガス流量を調整する。混合ガスを、制御される燃焼領域に応じた流量に調整することにより、過剰に加熱したり、熱が不足するのを防ぐことができる。
【0041】
次に、このような燃料電池システムにおける起動時または冷間時の加熱ガス流路18の使用領域の制御について図5を用いて説明する。ここでは、使用領域の制御に合わせて、加熱ガス流路18に供給する混合ガスの燃料と空気の混合比も制御する。これらの制御はコントロールユニット6により行う。
【0042】
起動時には、空気及び燃料を起動燃焼器7に供給し、燃焼ガスを生成する。生成した高温の燃焼ガスを改質器3の燃焼部2に供給し、加熱ガス流路18を加熱することにより燃焼触媒を活性温度にまで上昇させる。このとき、第二開閉弁14を閉塞し、第一開閉弁13のみを開放して図3(a)の状態に設定する。燃焼ガスは上方加熱ガス流路18aのみに供給され、暖機される燃焼触媒ひいては改質触媒が最小、ここでは全体の2/5の体積となる。このように、加熱の対象となる領域の熱容量を小さくすることができるので、短時間で昇温することができる。
【0043】
その後、加熱ガス流路18の温度、ここでは上方温度センサ26の検出値が所定値T1になるまで上記の状態を継続し、所定値T1に達したら、燃料および空気の混合ガスを加熱ガス流路18に供給する。ここで、例えば所定値T1を燃焼触媒の活性温度の下限値とする。つまり、上方加熱ガス流路18aの燃焼触媒が活性温度に達したら混合ガスを供給するので、速やかに着火することができ、加熱を円滑に行うことができる。このとき、下方加熱ガス流路18bに担持した燃焼触媒は活性温度に達していない可能性があるので、第二開閉弁14は閉塞し、第1開閉弁13のみを開放して、上方加熱ガス流路18aのみに混合ガスを供給する。ここでは、T1を燃焼触媒の活性温度の下限値としたが、燃焼触媒が活性温度に達した際の改質触媒の温度を予め実験等で測定し、その温度を所定値T1としてもよい。
【0044】
このように上方加熱ガス流路18aにおける燃焼反応による改質部3aの暖機を継続し、上方温度センサ26の検出値が所定値T2に達したら、第一開閉弁13、第二開閉弁14を開放する。ここで、所定値T2は加熱ガス流路18に担持した燃焼触媒全体が活性温度に達する際に上方温度センサ26により検出される温度であり、予め実験等で求めておく。ここでは上方温度センサ26の出力により判断したが、下方温度センサ27の出力が燃焼触媒の活性温度に達したかどうかで判断することもできる。
【0045】
このように混合ガスを加熱流路18全体に流通させ、活性状態にまで昇温された燃焼触媒において燃焼反応を生じることにより、改質触媒の暖機を速やかに行う。改質部3aに設置した温度センサ、ここで上方温度センサ26の出力が所定値T3、ここでは改質触媒の活性温度に達したら暖機運転を終了する。その後、改質反応を開始するとともに、改質する燃料ガス量に応じて燃焼反応を生じる領域を制御する。
【0046】
ここで、起動または冷間時には、供給する混合ガスを燃料リッチにすることで、加熱ガス流路18で燃焼温度を上昇し、昇温をより速やかに行う。反対に、暖機終了後には、混合ガスを燃料リーンにすることで、燃料の消費量を抑制する。しかしながら、改質が要求される燃料ガス量が最大であるような状態が続くなど、改質触媒の加熱が不足するような場合にはその限りではない。
【0047】
次に、コントロールユニット6による改質領域の制御方法を、図6に示すフローチャートを用いて説明する。
【0048】
以下、ステップS601〜608においては起動または冷間時の暖機運転の制御方法を説明する。
【0049】
ステップS601において、燃料電池システムの運転条件を入力する。次にステップS602に進み、上方温度センサ26により検出した改質触媒の温度が所定値T1より小さいかどうかを判断する。T1より小さければ、起動初期または冷間時であると判断してステップS603に進み、起動燃焼器7へ燃料および空気を供給する。ステップS604において、起動燃焼器7で生成した燃焼ガスを燃焼部2の加熱ガス流路18に供給し、燃焼触媒および改質触媒の暖機を開始する。このときは図3(a)に示すように、第一開閉弁13は開き、第二開閉弁14は閉じておく。
【0050】
ステップS602に戻り、再び上方温度センサ26の出力と所定値T1とを比較する。燃焼ガスを用いた暖機により、ステップS602において、上方温度センサ26の出力がT1に達したと判断されたら、ステップ605に進む。
【0051】
ステップS605において、上方温度センサ26の出力が、所定温度T2より小さいかどうかを判断する。改質器3の温度がT2に達していなければ、ステップS606に進み、図3(a)のように第一開閉弁13のみを開いて、上方加熱ガス流路18aに燃料と空気のリッチ混合ガスを供給する。これにより、燃焼反応に伴う熱を用いて燃焼触媒、ひいては改質触媒の暖機を行う。
【0052】
ステップS605に戻り、上方温度センサ26の出力がT2以上であると判断されたらステップS607に進む。ステップS607においては、上方温度センサ26の出力が所定温度T3より小さいかどうかを判断する。上方温度センサ26による出力がT3より小さければ、全体の暖機が不足しているということなので、ステップS608に進む。ステップS608において、第二開閉弁14を開いて加熱ガス流路18全体へリッチ混合ガスを供給し、燃焼触媒全体で燃焼反応を生じて、改質器3全体の昇温を行う。
【0053】
ステップS607において、改質器3の温度がT3に達したと判断されたら暖機を終了する。
【0054】
次に、ステップS609〜613にかけては、燃焼部2の燃焼反応を生じる領域を燃料ガス量に応じて設定する。
【0055】
ステップS609において、燃料ガス量が「小」であるかどうかを判断する。燃料ガス量が「小」であると判断されたらステップS610に進み、第一開閉弁13を開き、第二開閉弁14を閉じる。これにより、図3(a)に示すように上方加熱ガス流路18aのみにリーン混合ガスを供給して改質触媒全体の2/5の領域に熱を供給し、その領域で改質反応を生じる。
【0056】
一方、ステップS609において、燃料ガス量が「小」であると判断されなかったら、ステップS611に進み、燃料ガス量が「中」であるかどうかを判断する。燃料ガス量が「中」であると判断した場合には、第一開閉弁13を閉じ、第二開閉弁14を開く。これにより、図3(b)に示すように下方燃料ガス流路18bにリーン混合ガスを供給して改質触媒全体の3/5の領域に熱を供給し、その領域で改質反応を生じる。
【0057】
一方、ステップS611において燃料ガス量が「中」であると判断されなかったら、燃料ガス量が「大」であると判断してステップS613に進む。ステップS613では、第一開閉弁13、第二開閉弁14を開き、加熱ガス流路18全体にリーン混合ガスを供給し、改質触媒全体に熱を供給して改質反応を生じる。
【0058】
このように、ステップS609〜S613にかけては、燃料ガス量に応じて加熱ガス流路18内の燃焼領域を設定し、加熱する改質触媒の範囲を制御する。
【0059】
次にステップS614において、改質器3内の温度、ここでは上方温度センサ26または下方温度センサ27のうち改質反応を生じている改質触媒に設置した方の温度センサにより改質触媒の温度を検出する。ステップS615において、検出した改質器3の温度が、運転条件に見合った温度であるかどうかを判断する。ここで、この判断は、予め実験等で運転条件に応じた改質器3の温度を求めておき、検出した温度が許容範囲内であるかどうかにより行う。
【0060】
改質器3の温度が運転条件に見合っていなければ、ステップS616に進み、その温度差を、改質用燃料ガスの温度、加熱ガス流路18へ供給する混合ガスの温度、混合比を変更することにより是正する。その後、再びステップS614に戻り、改質器3の温度が運転条件に見合っていると判断されたら、本制御を終了する。
【0061】
燃料電池システムにおいて要求される改質ガスの流量が、変化するような場合には、上述したような制御を定期的に繰り返すことにより、改質器3で要求される熱量に応じて燃焼部2で燃焼反応を生じることができる。または、運転条件が変化する毎に上記制御を行ってもよい。
【0062】
次に本実施形態の効果を説明する。
【0063】
本実施形態の効果の一例を図4に示す。従来は、改質反応部で温度勾配が生じ、燃料ガス流量が小さい時には逆シフト反応によるCOの増加、燃料ガス流量が増大した場合には未反応燃料の増加、即ち改質効率の悪化が見られる。これに対して本実施形態は、燃料ガス流量にかかわらず、改質反応を生じる部分の単位体積当たりに供給される熱量と、単位体積当たりに生じる反応率を平均化することができるので、COの増加や改質効率の悪化を抑制することができる。
【0064】
改質触媒を塗付し、燃料ガスを用いて改質反応を生じる改質部3aと、改質部3aに選択的に熱を供給する加熱ガス流路18と、加熱ガス流路18から改質部3aに供給する熱量と、改質部3aの加熱ガス流路18により加熱される範囲と、を運転条件に応じて制御する。これにより、改質部3aを改質反応に必要な容量分だけ、必要な熱量で加熱することができるので、改質部3aが過剰に加熱されたり、熱が不足するのを防ぐことができる。
【0065】
また、加熱ガス流路18に燃焼触媒を塗付し、運転条件に応じて、加熱ガス流路18に供給する燃料と空気よりなる混合ガスの流量と、供給範囲とを制御する。混合ガスの流量を制御することで、燃焼反応を制御することができ、ひいてはそれに伴って発生する熱量を制御することができる。これにより改質部3aに供給する熱量を簡単に制御することができる。
【0066】
加熱ガス流路18の混合ガスが供給される範囲が増大したときに、混合ガス流量を増大する。これにより、燃焼触媒の単位体積当たりに生じる熱量を平均化することができ、ひいては、改質反応を生じる範囲の単位体積当たりに供給される熱量を運転条件にかかわらず一定化することができる。これにより改質反応が生じる際の条件を一定化することができる。これにより、改質触媒の過剰な加熱や、加熱不足を避けることができ、効率のよい改質反応を生じることができる。
【0067】
改質部3aに供給される燃料ガス流量が増大したときに、加熱ガス流路18の混合ガスが供給される範囲を増大する。これにより、供給される燃料ガスに応じて改質反応を生じる範囲を変更することができるので、改質触媒の単位体積当たりに生じる改質反応を、供給される燃料ガス量に関係なく一定化することができる。これにより、改質触媒の過剰な加熱や、加熱不足を避けることができ、効率のよい改質反応を生じることができる。
【0068】
特に、供給される燃料ガス量に応じて、混合ガスの供給範囲を設定し、さらに混合ガス流量を設定することで、単位体積当たりの改質触媒に供給される熱量および改質触媒で生じる改質反応を、運転条件、ここでは運転負荷にかかわらず一定化することができる。これにより、単位体積当たりに供給される熱量と消費する熱量を均一化することができるので、局所的な温度勾配を抑制することができる。これにより、燃料ガスの加熱不足による改質効果の悪化や、過剰な加熱による改質ガスの逆シフト反応に起因するCO増加を回避し、同時に熱損失の増加を抑制してシステム効率の低下を避けることが可能となる。
【0069】
改質部3aまたは加熱ガス流路18の少なくとも一部の温度を検出または推測する温度検知手段、ここでは上方温度センサ26を備え、冷間また起動時には、改質部3aの加熱ガス流路18により加熱される範囲を最小とする。これにより、効率のよい暖機を行い、暖機時間を短縮することができるので、例えば起動性を向上することができる。また、改質器3の温度が上昇するに伴って加熱される範囲を増大して、改質部3a全体の暖機を効率良く行うことができる。
【0070】
燃焼触媒の温度を検出または推測する触媒温度検知手段、ここでは上方温度センサ26を備え、冷間または起動時に、燃焼触媒が活性温度より低い場合には高温ガス、ここでは起動燃焼器7により生成した高温ガスを加熱ガス流路18に供給する。その後、加熱ガス流路のうち活性温度に達した部分から混合ガスを供給することで、燃焼触媒の着火性を向上することができ、円滑な昇温により起動性をより確実に向上させることができる。
【0071】
また、冷間または起動時に加熱ガス流路18に供給する混合ガスの燃料と空気の混合比をリッチとすることで、燃焼触媒における燃焼温度を高めて昇温を速やかに行うことができる。また、暖機完了後にはリーンにすることで消費燃料を抑制することができ、起動性およびシステム効率を向上することができる。
【0072】
改質部3aまたは加熱ガス流路18の少なくとも一部の温度を検出または推測する温度検知手段、ここでは温度センサ26および27を備え、温度センサ26または27により検知した温度が、所定の温度より高い場合には改質部3aに供給する熱量を低減し、または、燃料ガスの温度を低下させる。所定の温度より低い場合には改質部3aに供給する熱量を増加し、または、燃料ガスの温度を上昇させる。これにより、改質部3aの改質を行っている部分の温度制御を確実に行うことができるので、過剰な加熱や加熱不足によるシステム効率の低下を抑制することができる。
【0073】
また、燃料ガスを、改質部3aに均一に流入させる。ここでは、燃料ガス入口部8を燃料ガス導入通路9の端部に配置し、燃料ガス導入通路9内に旋回流を生成するように構成することにより、改質部3aに燃料ガスを均一化して供給する。このような燃料ガスの導入の均一に行うことと、加熱ガス流路18の使用領域変更を組み合わせることで、改質反応部における温度勾配の発生がより抑制されることから、温度低下による改質効率の悪化や、温度上昇時の逆シフト反応によるCOの増加を回避するという効果をより確実に得ることができる。
【0074】
さらに、加熱ガス、ここでは混合ガスまたは高温ガスの加熱ガス流路18を流れる範囲を変更する流路面積変更手段、ここでは第一、第二制御弁13、14を備え、運転条件に応じて加熱ガス流路の流路面積を変更する。これにより、加熱ガスにより熱が供給される改質部3aの範囲を変更することができるので、改質反応を生じる範囲を変更することができ、運転条件の変化にかかわらず改質反応の生じる環境を一定化することができる。そのため、適切な改質反応を行うことができシステム効率を向上することができる。
【0075】
ここでは加熱ガス流路18内を加熱ガスが一通方向に流れるように構成し、第一、第二制御弁13、14の開閉により流路断面積を変更する。これにより、設定した領域のみに混合ガスを供給し、燃焼反応を生じることができる。
【0076】
次に、第2の実施形態について説明する。燃料電池システムの概要は、第1の実施形態の図1と同様とし、改質器3の構成を図7に示す。
【0077】
本実施形態では、加熱ガス流路18において燃焼反応を生じる領域を、第一燃料噴射弁24、第二燃料噴射弁25を用いて制御する。
【0078】
蒸発器1により生成された燃料ガスは、燃料ガス入口部8から燃料ガス導入通路9を経て改質触媒に供給される。一方、スタック5からの排出ガスおよび添加された空気は加熱ガス入口部10から燃焼部2に導入される。
【0079】
加熱ガス入口部10には、第一燃料噴射弁24と第二燃料噴射弁25とを備える。第一燃料噴射弁24は、図7において、第一改質触媒15と第二改質触媒16の上方側に隣接する上方加熱ガス流路18aに燃料を噴射するように配置する。つまり、第一燃料噴射弁23から燃料が供給されることにより、上方加熱ガス流路18aで燃焼反応が生じ、全改質触媒の体積の2/5に相当する領域に熱を供給する。一方、第二燃料噴射弁25は、図7において第一改質触媒15、第二改質触媒16の下方側および第三改質触媒17に隣接する下方加熱ガス流路18bに燃料を噴射する。つまり、第二燃料噴射弁25から燃料が供給されることにより、下方加熱ガス流路18bで燃焼反応が生じ、全改質触媒の3/5に相当する領域に熱を供給する。ここで、第一燃料噴射量24と第二燃料噴射量25の既定噴射量の比は、それぞれの下流側に位置する改質触媒の体積比と同様に2:3とする。
【0080】
加熱ガス入口部10に供給された排出ガスおよび空気に、第一または第二燃料噴射弁24、25を用いて燃料を混入して生成した混合ガスを加熱ガス流路18に流通させる。このとき加熱ガス流路18には燃焼触媒が担持されており、燃焼反応に伴って生じる熱を隣接する改質触媒に供給することにより改質反応に必要な熱を補う。
【0081】
ここでは、燃料電池システムの運転条件に応じて加熱ガス流路18の燃焼反応が生じる領域を変更する。ここでは改質器3に供給される燃料ガス量に応じて以下のように燃焼領域に設定する。ただし、第一および第二燃料噴射弁24、25の両方から燃料を噴射させた場合の燃料ガス量を1とし、0より大きく2/5以下の場合を燃料ガス量が「小」、2/5より大きく3/5以下の場合を燃料ガス量が「中」、3/5より大きい場合を燃料ガス量が「大」とする。
【0082】
まず、改質する燃料ガス量が「小」であると判断できるとき、図8(a)に示すように、第一燃料噴射弁24からのみ燃料を噴射させる。これにより、全触媒の2/5の領域で改質触媒が生じる。次に、改質する燃料ガス量が「中」であると判断できる時、図8(b)に示すように、第二燃料噴射弁25からのみ燃料を噴射させる。これにより、全触媒の3/5の領域で改質触媒が生じる。さらに、改質する燃料量が「大」であると判断できるとき、図8(c)に示すように、第一および第二燃料噴射弁24、25の両方から燃料を噴射させる。これにより、全触媒領域で改質反応を生じることができる。
【0083】
次に、起動または冷間時の説明をする。ここでは、改質器3の温度変化とそれに対して設定される燃焼領域、混合ガスの混合比を図5と同様とする。以下、第1の実施形態と異なる部分のみを説明する。
【0084】
起動時には、起動燃焼器7において生成された燃焼ガスを用いて加熱ガス流路18を昇温する。このとき、上方加熱ガス流路18a、下方加熱ガス流路18bに同量の燃焼ガスが供給されるが、昇温する体積が上方加熱ガス流路18a側のほうが小さいので、速い段階で全体を暖機することができる。そこで、上方加熱ガス流路18aに隣接する改質触媒に設置した上方温度センサ26の出力が所定値T1、ここでは燃焼触媒が活性化する温度まで上昇したら、起動燃焼器7の運転を停止するとともに、図8(a)に示すように第一燃料噴射弁24により燃料を噴射する。このとき、空気と燃料の混合ガスが燃料リッチとなるように各流量を設定する。これにより、上方加熱ガス流路18aで燃焼反応を生じ、下方側の燃焼触媒および改質触媒の暖機を行う。
【0085】
このように、燃焼触媒が活性化した時点で混合気を供給することにより、速やかに着火することができ、また、昇温の対象となる体積が小さく熱容量が小さいので、昇温を速やかに行うことで加熱を円滑に行うことができる。
【0086】
さらに温度が上昇し、所定温度T2に達した時点で第一燃料噴射弁24と第二燃料噴射弁25にて噴射を行う。ここで、所定温度T2は、第1の実施形態と同様に燃焼触媒全体が活性温度に達する時点で、上方温度センサ26で測定される温度とし、予め実験等により求めておく。これにより、改質器3が図8(c)の状態となり、燃料ガス流路18全体で燃焼触媒を生じる。このように、加熱ガス流路18がある程度昇温してから混合ガスを供給することで、燃焼触媒全体を使用した加熱を円滑に行うことが可能となる。
【0087】
その後、温度がさらに上昇して所定温度T3となったら暖機が終了したと判断して改質反応を開始する。改質反応を行う際には、改質する燃料ガス量に応じて加熱ガス流路18の使用領域を制限する。また、起動時には第1の実施形態と同様に混合ガスを燃料リッチに混合し、暖機終了後には燃料リーンとする。
【0088】
次に、本実施形態の制御方法を図9のフローチャートを用いて説明する。
【0089】
ステップS901において燃料電池システムの運転条件を検出した後、ステップS902において改質器3内の温度がT1以下であるかどうかを判断する。T1以下であれば、起動または冷機状態であると判断してステップS903において起動燃焼機7へ燃料、空気を供給して燃焼ガスを生成する。ステップS904において起動燃焼器7で生成した燃焼ガスを加熱ガス流路18へ供給し加熱ガス流路18の昇温を行い、改質器3の温度がT1より大きくなるまでこの状態で昇温を継続する。
【0090】
ステップS902において、改質器3の内部温度がT1より大きいと判断されたら、ステップS905に進み、改質器3温度がT2以下であるかどうかを判断する。T2以下であればステップS906において、第一燃料噴射弁24から燃料を噴射して図8(a)の状態で暖機を行う。即ち、加熱ガス流路18の上方側に燃料と空気の混合ガスが供給し、この領域において燃焼反応を行う。このような状態で暖機を行い、ステップS905において改質器3の内部温度がT2より大きいと判断されたらステップS907に進む。
【0091】
ステップS907においては、改質器3の温度を検出し、その出力がT3以下であるかどうかを判断する。改質器3温度がT3以下であればステップS908において第一、第二燃料噴射弁24、25から燃料を噴射して(図8(c)の状態)加熱ガス流路18全体に混合ガスを供給し、燃焼反応を生じることにより改質器3をT3まで昇温する。ステップS907において、改質器3の内部温度がT3より大きければ暖機を終了したと判断して改質反応を開始する。
【0092】
次にステップS909〜S913にかけては、改質反応に応じて燃焼反応の生じる範囲を設定する。
【0093】
ステップS909では、ステップS609と同様に、改質反応に用いる燃料ガス量が「小」であるかどうかを判断し、「小」である場合にはステップS910に進み、リーン混合ガスとなるように第一燃焼噴射弁24から燃料を噴射する(図8(a))。これにより、改質触媒全体の体積の約2/5の範囲で燃焼反応により生じた熱を受け取り、改質反応を生じる。
【0094】
一方、ステップS909で燃料ガス量が「小」であると判断されなかった場合には、ステップS910に進む。ステップS910ではステップS610と同様に、燃料ガス量が「中」であるかどうかを判断し、「中」であると判断された場合にはステップS912に進み、リーン混合ガスとなるように第二燃料噴射弁25から燃料を噴出する(図8(b))。これにより、改質触媒全体の体積の3/5の範囲で燃焼反応により生じた熱を受け取り、改質反応を生じる。
【0095】
ステップS910において燃料ガス量が「中」であると判断されなかった場合には「大」であると判断し、ステップS913に進み、リーン混合ガスとなるように第一、第二燃料噴射弁24、25から燃料を噴射する(図8(c))。これにより改質触媒全体に燃焼反応により生じた熱を供給し、改質反応を生じる。
【0096】
その後、ステップS914〜S916にかけては、ステップS614〜616と同様に、反応器3内部の温度を所定温度に調整する。
【0097】
次に、本実施形態の効果を説明する。ここでは、第1の実施形態と異なる部分のみを説明する。
【0098】
加熱ガス流路18内を加熱ガスが一通方向に流れるように構成し、加熱ガス流路18に供給される際に加熱ガス流路断面の一部に燃料を噴射する燃料噴射弁を複数、ここでは第一燃料噴射弁24と第二燃料噴射弁25備える。燃料噴射弁によって、または、燃料噴射弁の組み合わせによって加熱ガス流路18に燃料が供給される範囲を調整する。このように燃料噴射により加熱ガス流路18に燃料を供給する構成とすることで、混合ガスの配管への付着等の影響を排除できる。
【0099】
なお、ここでは改質触媒や加熱ガス流路18の体積を上方側と下方側で2:3としたが、この限りではない。
【0100】
このように、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲以内で、様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図2】第1の実施形態における改質器の構成を示す図である。
【図3】第1の実施形態における制御弁の動作図である。
【図4】第1の実施形態の効果を示す図である。
【図5】第1の実施形態における起動・冷間時の温度に対する反応容積の関係図である。
【図6】第1の実施形態における制御方法を示すフローチャートである。
【図7】第2の実施形態における改質器の構成を示す図である。
【図8】第2の実施形態における燃料噴射弁の動作図である。
【図9】第2の実施形態における制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
3 改質器(改質反応器)
3a 改質部
6 コントロールユニット
8 燃料ガス入り口部
12 加熱ガス仕切り板
13 第一制御弁(制御弁)
14 第二制御弁(制御弁)
18 加熱ガス流路
24 第一燃料噴射弁(燃料噴射弁)
25 第二燃料噴射弁(燃料噴射弁)
26 上方温度センサ(温度検知手段、触媒温度検知手段)
27 下方温度センサ(温度検知手段、触媒温度検知手段)
加熱状態制御弁・・・S602〜S613、S902〜S913[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a reforming reactor, and more particularly, to a configuration that can appropriately control the temperature of a reforming reactor, thereby improving system efficiency.
[0002]
[Prior art]
As a conventional reforming reactor, a reactor as disclosed in JP-A-9-306533 is known. This is a heat exchange type reforming reactor in which an outer cylinder member is arranged so that an inner cylinder member penetrates, and a combustion gas is supplied to and passed through the outer cylinder member, and a calorie can be supplied inside the inner cylinder member. Is incorporated. The wall material of the inner cylinder member disposed inside the outer cylinder member is formed hollow, and in the case of methanol reforming, LiNO having a melting point in a reaction temperature zone of 200 to 300 ° C. is formed in the hollow portion. 3 For storing heat storage materials such as. A sufficient amount of heat is supplied to this heat storage material in advance to dissolve it, and the heat storage material is made into a liquid phase.
[0003]
Thereby, even if the supply of heat by the combustion gas supplied from the outer cylinder member is delayed when it becomes necessary to rapidly increase the reformed fuel gas, the latent heat is dissipated when the heat storage material undergoes a phase transition to the solid phase. Thus, the heat required for the reforming can be sufficiently provided.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a reforming reactor as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-306533, the heating gas is appropriately supplied to a reforming reaction section that converts the fuel gas into a reformed gas by heat exchange between the fuel gas and the heating gas. May not be supplied. For example, the heating gas flow rate increases or decreases with an increase or decrease in the fuel gas amount. However, since the volume of the supplied reforming reactor does not change, the heat supplied by the heating gas becomes uneven. As a result, a temperature gradient occurs in the reforming reaction section, and a region where the temperature becomes low or high locally occurs.
[0005]
In the case where steam reforming is performed using methanol as a raw fuel, there is a possibility that the conversion rate may deteriorate due to a decrease in the reforming efficiency in a low temperature region. In addition, H generated by the reforming reaction 2 , CO, CO 2 Is exposed to the region where the temperature of the reformed gas containing 2 And CO 2 As a result, the reverse shift reaction in which CO is generated is promoted, and the CO in the reformed gas may increase to exceed the allowable range of the fuel cell. In addition, there is a problem in that heat loss increases due to excessive heating and system efficiency deteriorates.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide a reforming reactor capable of generating an efficient reaction by equalizing the temperature of a portion where a reforming reaction occurs.
[0007]
[Means for solving the problem]
According to the present invention, in a reforming reactor for reforming a fuel gas, a reforming catalyst is applied, and a fuel gas flow path that causes a reforming reaction when the fuel gas flows is selected from the fuel gas flow path. And a heating unit for supplying heat. Further, a heating state control means for controlling the amount of heat supplied from the heating section to the fuel gas flow path and the range of the fuel gas flow path heated by the heating section according to operating conditions is provided.
[0008]
Alternatively, the fuel cell system includes a fuel gas flow channel for carrying a reforming catalyst for reforming the fuel gas, and a heating gas flow channel for flowing a heating gas for supplying heat to the fuel gas flow channel. The apparatus further includes a channel area changing unit that changes a range of the heating gas flowing through the heating gas channel, and a channel area control unit that controls the channel area changing unit in accordance with an operating condition.
[0009]
[Action and effect]
The amount of heat supplied from the heating section to the fuel gas flow path and the range heated by the heating section in the fuel gas flow path are controlled in accordance with operating conditions. As a result, the range in which the reforming reaction occurs and the amount of heat supplied thereto can be adjusted according to the operating conditions, and the temperature gradient in the portion where the reforming reaction occurs can be reduced, so that an efficient reaction can be produced. be able to.
[0010]
In addition, by controlling the range of the flow of the heating gas, which is the heating source of the fuel gas flow path, the range in which heat is supplied from the heating gas can be controlled, and the range in which the reforming reaction occurs can be controlled, and the range in which the reforming reaction occurs is controlled The amount of heat generated can be adjusted. Thus, the temperature in the range in which the reforming reaction occurs can be controlled, so that an efficient reaction can be generated.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows the configuration of the fuel cell system used in the first embodiment.
[0012]
This embodiment is a fuel reforming type fuel cell system. As the fuel gas, a hydrocarbon-based fuel such as methanol, gasoline, or natural gas can be used. Here, a reformed gas is generated by a steam reforming reaction using methanol.
[0013]
The
[0014]
[Formula 1]
CH 3 OH → CO + 2H 2 -90.0 (kj / mol) (1)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 +40.5 (kj / mol) (2)
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 3H 2 -49.5 (kj / mol) (3)
When steam reforming methanol, the methanol decomposition reaction of the formula (1) and the shift reaction of the formula (2) proceed simultaneously, and an endothermic reaction as a whole proceeds as shown in the formula (3). As described above, since the entire reforming reaction is an endothermic reaction, it is necessary to externally supply heat required for the reaction.
[0015]
Therefore, the combustion unit 2 having the heating gas flow path 18 is formed in the
[0016]
Further, the fuel cell system includes an evaporator 1, and uses the combustion gas discharged from the combustion unit 2 to evaporate methanol and water, which are the raw materials of the fuel gas used for the reforming reaction, to generate a fuel gas. This fuel gas is supplied to the reforming
[0017]
The reformed gas generated in this manner contains CO that causes deterioration of the stack 5 described later. Therefore, a CO remover 4 for reducing CO is provided, and CO in the reformed gas is reduced to about several tens of ppm before being supplied to the stack 5.
[0018]
The stack 5 is a device that directly converts chemical energy of fuel into electrical energy without passing through mechanical energy or thermal energy. Here, the stack 5 is a polymer electrolyte fuel cell in which the electrolyte membrane is sandwiched between the fuel electrode and the air electrode, and the reformed gas generated in the
[0019]
[Formula 2]
Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e − ... (4)
Air electrode: (1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O ... (5)
Battery whole: H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O ... (6)
In order to promote such a reaction, a platinum catalyst is supported on the electrodes of the stack 5. Here, if CO is contained in the reformed gas supplied to the fuel electrode, the CO is adsorbed on the platinum catalyst, and the catalytic function is reduced. Therefore, as described above, the CO remover 4 is provided, and the CO concentration in the reformed gas is reduced to about several tens ppm at which poisoning of the stack 5 can be avoided, and then supplied to the stack 5.
[0020]
Further, the fuel cell system includes a start-up combustor 7 that generates a high-temperature gas for warming up at the time of start-up. At the time of startup, the high temperature gas generated in the startup combustor 7 is supplied to the combustion unit 2 to warm up the combustion catalyst to a temperature at which a combustion reaction can occur.
[0021]
Further, a control unit 6 is provided to control each element constituting the fuel cell system. The
[0022]
In such a fuel cell system, if the amount of heat supplied from the combustion unit 2 to the reforming
[0023]
Therefore, in this embodiment, the
[0024]
The reforming
[0025]
Here, in the cross section as shown in FIG. 2, the cross section of the third reforming
[0026]
Further, a
[0027]
With this configuration, the fuel gas is supplied from the
[0028]
Further, the
[0029]
The combustion unit 2 is constituted by a
[0030]
In addition, a heating
[0031]
Further, at the heating
[0032]
Further, as a temperature sensor for measuring the internal temperature of the
[0033]
In a fuel cell system having such a
[0034]
First, when the amount of fuel gas to be reformed is "small", here, when the amount of fuel gas is larger than 0 and equal to or smaller than 2/5, the first on-off
[0035]
At this time, air is mixed with the exhaust gas from the stack 5 through the combustion air valve 30 and fuel is mixed from the fuel injection valve 2a to generate a lean mixed gas. At this time, the exhaust gas from the stack 5 is Since it is small, the flow rate of the lean mixed gas supplied to the combustion unit 2 can also be suppressed. Therefore, when the range for supplying heat is small, useless heating can be suppressed by reducing the flow rate of the mixed gas for generating heat.
[0036]
Next, when the fuel gas amount to be reformed is “medium”, here, when the fuel gas amount is larger than 2/5 and equal to or smaller than 3/5, as shown in FIG. Is opened, and the first on-off
[0037]
At this time, since the flow rate of the exhaust gas discharged from the stack 5 is larger than when the fuel gas is “small”, the flow rate of the generated lean mixed gas is also larger. Thereby, as the supply range of the lean mixed gas becomes wider, the flow rate of the supplied lean mixed gas can be increased.
[0038]
Finally, when the amount of the fuel gas to be reformed is "large", here, when the amount of the fuel gas is larger than 3/5, as shown in FIG. The on-off
[0039]
At this time, since the exhaust gas from the stack 5 is further increased, the flow rate of the generated lean mixed gas is further increased, and the flow rate can be increased according to the supply range of the lean mixed gas, thereby avoiding insufficient heating. it can.
[0040]
In such control, the amount of heat required by the reforming catalyst is determined according to the flow rate of each fuel gas. Therefore, the air amount of the mixed gas adjusted by the fuel air valve 30 accordingly and the combustion injection valve 2a To adjust the amount of fuel mixed in, and the flow rate of the mixed gas. By adjusting the flow rate of the mixed gas according to the combustion region to be controlled, it is possible to prevent excessive heating or insufficient heat.
[0041]
Next, the control of the use area of the heated gas flow path 18 at the time of startup or cold in such a fuel cell system will be described with reference to FIG. Here, the mixing ratio of the fuel and air of the mixed gas supplied to the heating gas flow path 18 is also controlled in accordance with the control of the use area. These controls are performed by the control unit 6.
[0042]
At the time of startup, air and fuel are supplied to the startup combustor 7 to generate combustion gas. The generated high-temperature combustion gas is supplied to the combustion section 2 of the
[0043]
Thereafter, the above state is continued until the temperature of the heating gas flow path 18, here the detection value of the
[0044]
As described above, the warming-up of the reforming
[0045]
In this way, the mixed gas is caused to flow through the entire heating flow path 18 to cause a combustion reaction in the combustion catalyst heated to the active state, thereby quickly warming up the reforming catalyst. When the output of the temperature sensor provided in the reforming
[0046]
Here, at the time of startup or cold, by making the mixed gas supplied rich in fuel, the combustion temperature is raised in the heating gas flow path 18 and the temperature is raised more quickly. Conversely, after the warm-up, the fuel consumption is suppressed by making the mixed gas fuel-lean. However, this is not always the case when the heating of the reforming catalyst is insufficient, such as when the state in which the amount of fuel gas required for reforming is maximized continues.
[0047]
Next, a method of controlling the reforming region by the control unit 6 will be described with reference to a flowchart shown in FIG.
[0048]
Hereinafter, in steps S601 to S608, a control method of the warming-up operation at the time of startup or cold will be described.
[0049]
In step S601, operating conditions of the fuel cell system are input. Next, proceeding to step S602, it is determined whether or not the temperature of the reforming catalyst detected by the
[0050]
Returning to step S602, the output of the
[0051]
In step S605, it is determined whether the output of the
[0052]
Returning to step S605, if it is determined that the output of the
[0053]
If it is determined in step S607 that the temperature of the
[0054]
Next, in steps S609 to 613, an area where the combustion reaction of the combustion unit 2 occurs is set according to the fuel gas amount.
[0055]
In step S609, it is determined whether the fuel gas amount is “small”. If it is determined that the fuel gas amount is "small", the process proceeds to step S610, where the first on-off
[0056]
On the other hand, if it is not determined in step S609 that the fuel gas amount is “small”, the process proceeds to step S611 to determine whether the fuel gas amount is “medium”. When it is determined that the fuel gas amount is “medium”, the first on-off
[0057]
On the other hand, if it is not determined in step S611 that the fuel gas amount is “medium”, it is determined that the fuel gas amount is “large”, and the process proceeds to step S613. In step S613, the first on-off
[0058]
As described above, in steps S609 to S613, the combustion area in the heating gas flow path 18 is set according to the fuel gas amount, and the range of the reforming catalyst to be heated is controlled.
[0059]
Next, in step S614, the temperature inside the
[0060]
If the temperature of the
[0061]
When the flow rate of the reformed gas required in the fuel cell system changes, the control as described above is periodically repeated, so that the combustion unit 2 according to the amount of heat required in the
[0062]
Next, effects of the present embodiment will be described.
[0063]
FIG. 4 shows an example of the effect of the present embodiment. Conventionally, a temperature gradient occurs in the reforming reaction section, and when the fuel gas flow rate is small, an increase in CO due to the reverse shift reaction increases. When the fuel gas flow rate increases, an increase in unreacted fuel, that is, deterioration in reforming efficiency, has been observed. Can be On the other hand, in the present embodiment, regardless of the fuel gas flow rate, the amount of heat supplied per unit volume of the portion where the reforming reaction occurs and the reaction rate generated per unit volume can be averaged. And the deterioration of the reforming efficiency can be suppressed.
[0064]
A reforming
[0065]
In addition, a combustion catalyst is applied to the heating gas flow path 18, and the flow rate and the supply range of the mixed gas composed of fuel and air to be supplied to the heating gas flow path 18 are controlled according to the operating conditions. By controlling the flow rate of the mixed gas, the combustion reaction can be controlled, and, consequently, the amount of heat generated accordingly. Thereby, the amount of heat supplied to the reforming
[0066]
When the range in which the mixed gas in the heating gas flow path 18 is supplied increases, the flow rate of the mixed gas is increased. Thus, the amount of heat generated per unit volume of the combustion catalyst can be averaged, and the amount of heat supplied per unit volume in a range in which the reforming reaction occurs can be constant regardless of operating conditions. As a result, the conditions under which the reforming reaction occurs can be made constant. Thereby, excessive heating or insufficient heating of the reforming catalyst can be avoided, and an efficient reforming reaction can be generated.
[0067]
When the flow rate of the fuel gas supplied to the reforming
[0068]
In particular, by setting the supply range of the mixed gas and the mixed gas flow rate in accordance with the amount of the supplied fuel gas, the amount of heat supplied to the reforming catalyst per unit volume and the reform generated by the reforming catalyst are improved. The quality response can be constant regardless of the operating conditions, here the operating load. Thereby, the amount of heat supplied per unit volume and the amount of heat consumed can be made uniform, so that a local temperature gradient can be suppressed. This avoids the deterioration of the reforming effect due to insufficient heating of the fuel gas and the increase in CO caused by the reverse shift reaction of the reformed gas due to excessive heating, and at the same time, suppresses the increase in heat loss and reduces the system efficiency. It is possible to avoid.
[0069]
A temperature detecting means for detecting or estimating the temperature of at least a part of the reforming
[0070]
A catalyst temperature detecting means for detecting or estimating the temperature of the combustion catalyst, here an
[0071]
Further, by making the mixture ratio of the fuel and air of the mixed gas supplied to the heating gas flow path 18 cold or at the time of startup rich, the combustion temperature of the combustion catalyst can be increased and the temperature can be raised quickly. Further, by making the engine lean after the warm-up is completed, fuel consumption can be suppressed, and startability and system efficiency can be improved.
[0072]
Temperature detecting means for detecting or estimating the temperature of at least a part of the reforming
[0073]
Further, the fuel gas is caused to flow uniformly into the reforming
[0074]
Further, a flow area changing means for changing a range of the heating gas, here, a mixed gas or a high-temperature gas flowing through the heating gas flow path 18, here, first and
[0075]
Here, the heating gas is configured to flow in the heating gas flow path 18 in one direction, and the flow path cross-sectional area is changed by opening and closing the first and
[0076]
Next, a second embodiment will be described. The outline of the fuel cell system is the same as that of FIG. 1 of the first embodiment, and the configuration of the
[0077]
In the present embodiment, a region where a combustion reaction occurs in the heating gas flow path 18 is controlled using the first
[0078]
The fuel gas generated by the evaporator 1 is supplied from the
[0079]
The
[0080]
The mixed gas generated by mixing the fuel into the exhaust gas and the air supplied to the
[0081]
Here, the region where the combustion reaction occurs in the heating gas flow path 18 is changed according to the operating conditions of the fuel cell system. Here, the combustion area is set as follows according to the amount of fuel gas supplied to the
[0082]
First, when it can be determined that the amount of fuel gas to be reformed is “small”, fuel is injected only from the first
[0083]
Next, a description will be given of startup or cold operation. Here, it is assumed that the temperature change of the
[0084]
At the time of startup, the heating gas flow path 18 is heated using the combustion gas generated in the startup combustor 7. At this time, the same amount of combustion gas is supplied to the upper heating
[0085]
Thus, by supplying the air-fuel mixture at the time when the combustion catalyst is activated, it is possible to ignite quickly, and since the volume to be heated is small and the heat capacity is small, the temperature is quickly raised. Thereby, heating can be performed smoothly.
[0086]
When the temperature further rises and reaches a predetermined temperature T2, injection is performed by the first
[0087]
Thereafter, when the temperature further rises to the predetermined temperature T3, it is determined that the warm-up has ended, and the reforming reaction is started. When performing the reforming reaction, the use area of the heating gas flow path 18 is limited according to the amount of the fuel gas to be reformed. At the time of startup, the mixed gas is mixed in a fuel-rich manner as in the first embodiment, and after the warm-up, the fuel is made lean.
[0088]
Next, the control method of the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0089]
After detecting the operating condition of the fuel cell system in step S901, it is determined in step S902 whether the temperature in the
[0090]
If it is determined in step S902 that the internal temperature of the
[0091]
In step S907, the temperature of the
[0092]
Next, in steps S909 to S913, a range in which a combustion reaction occurs is set according to the reforming reaction.
[0093]
In step S909, similarly to step S609, it is determined whether or not the amount of fuel gas used for the reforming reaction is "small". If the amount is "small", the process proceeds to step S910 so that a lean mixed gas is obtained. Fuel is injected from the first combustion injection valve 24 (FIG. 8A). As a result, heat generated by the combustion reaction is received in a range of about 2/5 of the volume of the entire reforming catalyst, and a reforming reaction occurs.
[0094]
On the other hand, if it is not determined in step S909 that the fuel gas amount is “small”, the process proceeds to step S910. In step S910, similarly to step S610, it is determined whether or not the fuel gas amount is "medium". If it is determined that the fuel gas amount is "medium", the process proceeds to step S912, and the second process is performed so that the mixed gas becomes lean. Fuel is injected from the fuel injection valve 25 (FIG. 8B). Thereby, the heat generated by the combustion reaction is received in a range of 3 of the volume of the entire reforming catalyst, and the reforming reaction occurs.
[0095]
If the fuel gas amount is not determined to be "medium" in step S910, it is determined to be "large", and the process proceeds to step S913, where the first and second
[0096]
Thereafter, in steps S914 to S916, the temperature inside the
[0097]
Next, effects of the present embodiment will be described. Here, only portions different from the first embodiment will be described.
[0098]
A plurality of fuel injection valves are configured so that the heating gas flows in the heating gas flow path 18 in one direction and injects fuel into a part of the cross section of the heating gas flow path when supplied to the heating gas flow path 18. The first
[0099]
Here, the volumes of the reforming catalyst and the heating gas flow path 18 are set to 2: 3 on the upper side and the lower side, but this is not a limitation.
[0100]
As described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and it goes without saying that various changes can be made within the scope of the technical idea described in the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a fuel cell system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a reformer according to the first embodiment.
FIG. 3 is an operation diagram of a control valve according to the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating an effect of the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a reaction volume and a temperature at the time of startup and cold in the first embodiment.
FIG. 6 is a flowchart illustrating a control method according to the first embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a reformer according to a second embodiment.
FIG. 8 is an operation diagram of a fuel injection valve according to a second embodiment.
FIG. 9 is a flowchart illustrating a control method according to the second embodiment.
[Explanation of symbols]
3 Reformer (reformation reactor)
3a Reforming unit
6 Control unit
8 Fuel gas entrance
12. Heated gas partition plate
13 First control valve (control valve)
14 Second control valve (control valve)
18 Heated gas flow path
24 First Fuel Injection Valve (Fuel Injection Valve)
25 Second fuel injection valve (fuel injection valve)
26 Upper temperature sensor (temperature detecting means, catalyst temperature detecting means)
27 Lower temperature sensor (temperature detecting means, catalyst temperature detecting means)
Heating state control valve S602 to S613, S902 to S913
Claims (12)
改質触媒が塗付され、燃料ガスが流通することにより改質反応を生じる燃料ガス流路と、
前記燃料ガス流路に熱を供給する加熱部と、
前記加熱部から前記燃料ガス流路に供給する熱量と、前記燃料ガス流路の前記加熱部により加熱される範囲と、を運転条件に応じて制御する加熱状態制御手段と、を備えたことを特徴とする改質反応器。In a reforming reactor for reforming fuel gas,
A fuel gas flow path on which a reforming catalyst is applied and which causes a reforming reaction when fuel gas flows,
A heating unit for supplying heat to the fuel gas flow path,
A heating state control unit that controls the amount of heat supplied from the heating unit to the fuel gas flow path and the range of the fuel gas flow path heated by the heating unit according to operating conditions. Characterized reforming reactor.
前記加熱状態制御手段は、運転条件に応じて、前記加熱ガス流路に供給する燃料と空気よりなる混合ガスの流量と、前記混合ガスの供給範囲とを制御する請求項1に記載の改質反応器。The heating unit is a heating gas flow path coated with a combustion catalyst,
2. The reforming apparatus according to claim 1, wherein the heating state control unit controls a flow rate of a mixed gas including fuel and air supplied to the heating gas flow path and a supply range of the mixed gas according to an operation condition. Reactor.
冷間また起動時には、前記燃料ガス流路の前記加熱部により加熱される範囲を最小とし、前記温度検知手段により検出または推定した温度が上昇するにしたがって、前記加熱される範囲を増大する請求項1に記載の改質反応器。Temperature detecting means for detecting or estimating the temperature of at least a part of the fuel gas flow path or the heating unit,
At the time of a cold start, at the time of starting, the range heated by the heating part of the fuel gas flow path is minimized, and the range heated is increased as the temperature detected or estimated by the temperature detecting means increases. 2. The reforming reactor according to 1.
前記加熱部を燃焼触媒を塗付した加熱ガス流路とし、
冷間または起動時に、前記燃焼触媒が活性温度より低い場合には高温ガスを前記加熱ガス流路に供給し、前記加熱ガス流路のうち活性温度に達した部分から、燃料と空気とからなる混合ガスを供給する請求項1に記載の改質反応器。A catalyst temperature detection unit that detects or estimates the temperature of the combustion catalyst,
The heating unit is a heating gas flow path coated with a combustion catalyst,
At the time of cold or startup, if the combustion catalyst is lower than the activation temperature, a high-temperature gas is supplied to the heating gas flow path, and a portion of the heating gas flow path that has reached the activation temperature is composed of fuel and air. The reforming reactor according to claim 1, wherein a mixed gas is supplied.
前記温度検知手段により検出または推測した温度が、所定の温度より高い場合には前記加熱部により前記燃料ガス流路に供給する熱量を低減し、または、前記燃料ガス流路に供給する燃料ガスの温度を低下させ、所定の温度より低い場合には前記加熱部により前記燃料ガス流路に供給する熱量を増加し、または、前記燃料ガス流路に供給する燃料ガスの温度を上昇させる請求項1に記載の改質反応器。Temperature detecting means for detecting or estimating the temperature of at least a part of the fuel gas flow path or the heating unit,
If the temperature detected or estimated by the temperature detecting means is higher than a predetermined temperature, the heating unit reduces the amount of heat supplied to the fuel gas flow path, or reduces the amount of fuel gas supplied to the fuel gas flow path. The temperature is decreased, and when the temperature is lower than a predetermined temperature, the amount of heat supplied to the fuel gas passage by the heating unit is increased, or the temperature of the fuel gas supplied to the fuel gas passage is increased. 4. The reforming reactor according to 1.
前記燃料ガスを改質する改質触媒を担持する燃料ガス流路と、
前記燃料ガス流路に熱を供給するための加熱ガスを流通する加熱ガス流路と、
加熱ガスの前記加熱ガス流路を流れる範囲を変更する流路面積変更手段と、
運転条件に応じて前記流路面積変更手段を制御する流路面積制御手段と、を備えたことを特徴とする改質反応器。In a reforming reactor that generates a reformed gas from a fuel gas,
A fuel gas flow path carrying a reforming catalyst for reforming the fuel gas,
A heating gas flow path for flowing a heating gas for supplying heat to the fuel gas flow path,
Flow path area changing means for changing a range of the heating gas flowing through the heating gas flow path,
A flow path area control means for controlling the flow path area changing means in accordance with operating conditions.
前記流路面積変更手段を、前記加熱ガス流路に供給される際の加熱ガスの流路断面を制限する制御弁により構成する請求項10に記載の改質反応器。In the heating gas flow path, the heating gas is configured to flow in one direction,
The reforming reactor according to claim 10, wherein the passage area changing unit is configured by a control valve that limits a passage cross section of the heating gas when supplied to the heating gas passage.
前記流路面積変更手段を、前記加熱ガス流路に供給される際に加熱ガス流路断面の一部に燃料を噴射する燃料噴射弁を複数備えることにより構成し、
前記燃料噴射弁によって、または、前記燃料噴射弁の組み合わせによって前記加熱ガス流路に燃料が供給される範囲を調整する請求項10に記載の改質反応器。In the heating gas flow path, the heating gas is configured to flow in one direction,
The flow path area changing means is configured by including a plurality of fuel injection valves that inject fuel into a part of the cross section of the heating gas flow path when supplied to the heating gas flow path,
The reforming reactor according to claim 10, wherein a range in which fuel is supplied to the heating gas flow path is adjusted by the fuel injection valve or a combination of the fuel injection valve.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002225856A JP2004067407A (en) | 2002-08-02 | 2002-08-02 | Reforming reactor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002225856A JP2004067407A (en) | 2002-08-02 | 2002-08-02 | Reforming reactor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004067407A true JP2004067407A (en) | 2004-03-04 |
Family
ID=32013379
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002225856A Pending JP2004067407A (en) | 2002-08-02 | 2002-08-02 | Reforming reactor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004067407A (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006049299A1 (en) * | 2004-11-08 | 2006-05-11 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Fuel cell system |
JP2010064901A (en) * | 2008-09-08 | 2010-03-25 | Honda Motor Co Ltd | Reforming apparatus |
US7799449B2 (en) | 2004-09-24 | 2010-09-21 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Reformer having improved heat delivery and fuel cell system having the same |
US8530104B2 (en) | 2003-12-12 | 2013-09-10 | Panasonic Corporation | Method of operating a fuel cell system |
WO2014167864A1 (en) * | 2013-04-11 | 2014-10-16 | パナソニック株式会社 | Hydrogen generating device and fuel cell system provided with same |
JP2016066567A (en) * | 2014-09-26 | 2016-04-28 | アイシン精機株式会社 | Fuel cell system |
-
2002
- 2002-08-02 JP JP2002225856A patent/JP2004067407A/en active Pending
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8530104B2 (en) | 2003-12-12 | 2013-09-10 | Panasonic Corporation | Method of operating a fuel cell system |
US7799449B2 (en) | 2004-09-24 | 2010-09-21 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Reformer having improved heat delivery and fuel cell system having the same |
WO2006049299A1 (en) * | 2004-11-08 | 2006-05-11 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Fuel cell system |
JPWO2006049299A1 (en) * | 2004-11-08 | 2008-05-29 | 松下電器産業株式会社 | Fuel cell system |
US8728675B2 (en) | 2004-11-08 | 2014-05-20 | Panasonic Corporation | Fuel cell system |
JP2010064901A (en) * | 2008-09-08 | 2010-03-25 | Honda Motor Co Ltd | Reforming apparatus |
WO2014167864A1 (en) * | 2013-04-11 | 2014-10-16 | パナソニック株式会社 | Hydrogen generating device and fuel cell system provided with same |
US9278329B2 (en) | 2013-04-11 | 2016-03-08 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Hydrogen generator and fuel cell system including same |
JP2016066567A (en) * | 2014-09-26 | 2016-04-28 | アイシン精機株式会社 | Fuel cell system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7147946B2 (en) | Fuel cell system | |
KR100587518B1 (en) | Fuel cell power plant warm up | |
JP2003300704A (en) | Fuel reforming system and fuel cell system | |
JP4130302B2 (en) | Fuel gas generator for fuel cell | |
JP4854037B2 (en) | Fuel reformer, driving method thereof, and fuel cell system | |
JP2008108546A (en) | Fuel cell system | |
JP5063038B2 (en) | CO remover temperature rising operation method | |
JP4030322B2 (en) | Fuel processing apparatus, fuel cell power generation system, fuel processing method, and fuel cell power generation method | |
JP2004067407A (en) | Reforming reactor | |
JP2003095608A (en) | Start-up method of apparatus for generating hydrogen having hydrogen separation membrane | |
JP3627687B2 (en) | Fuel cell reformer | |
JP7323065B2 (en) | FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING FUEL CELL SYSTEM | |
CN107572480B (en) | Heat and hydrogen generating apparatus | |
JP4534277B2 (en) | Reformer | |
US20050081445A1 (en) | Method for starting a primary reactor | |
JP4780906B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2003229157A (en) | Control device of reformed type fuel cell system | |
JP4765153B2 (en) | Warm-up control of reformer | |
JP4610875B2 (en) | Fuel cell system | |
JP3617482B2 (en) | Fuel cell reforming system | |
JP6528755B2 (en) | Exhaust purification system for internal combustion engine | |
JP4971664B2 (en) | Fuel cell system and operation method thereof | |
JP2004234999A (en) | Fuel cell system for vehicle | |
JP2004311337A (en) | Fuel cell system and its starting method | |
JP2004196586A (en) | Fuel reforming system |