JP2004067407A

JP2004067407A - Reforming reactor

Info

Publication number: JP2004067407A
Application number: JP2002225856A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ogawa; 小川　弘志
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2004-03-04

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reformer with high efficiency which suppresses temperature gradient in a region where the reforming reaction occurs. <P>SOLUTION: The reformer 3 to reform fuel gas has a reforming part 3a where a reforming catalyst is applied to induce the reforming reaction by passing the fuel gas and has a heating gas passage 18 to supply heat to the reforming part 3a. The calorie supplied from the heating gas passage 18 to the reforming part 3a and the area to be heated by the heating gas passage 18 in the reforming part 3a are controlled depending on the operation conditions. The area of the reforming part 3a to be heated is varied by changing the cross section of the heating gas passage 18 by using control valves 13, 14 or fuel injection valves 24, 25. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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ＬｉＮＯ_３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Ｈ_２、ＣＯ、ＣＯ_２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、Ｈ_２とＣＯ_２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】
ＣＨ_３ＯＨ　→　ＣＯ＋２Ｈ_２−９０．０（ｋｊ／ｍｏｌ）　・・・　（１）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ　→　ＣＯ_２＋Ｈ_２＋４０．５（ｋｊ／ｍｏｌ）　・・・　（２）
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ　→　ＣＯ_２＋３Ｈ_２―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：Ｈ_２　→　２Ｈ^＋＋２ｅ⁻　・・・　（４）
空気極：（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻　→　Ｈ_２Ｏ　・・・　（５）
電池全体：Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２　→　Ｈ_２Ｏ　・・・　（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 reformer 3 is a reactor having a reforming section 3a that carries a reforming catalyst that generates a reformed gas richer than fuel gas and air. The reaction occurring here is shown in the following equation.
[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 reformer 3, and the combustion catalyst is carried in the heating gas flow path 18. In addition, a combustion air valve 30 for adjusting the flow rate of air in the mixed gas supplied to the combustion section 2 and a fuel injection valve 2a for supplementing insufficient fuel are provided. An exhaust gas from the stack 5 described later, air whose flow rate is adjusted by the combustion air valve 30, and a mixed gas composed of fuel injected from the fuel injection valve 2 are supplied to the heated gas flow channel 18. As a result, a combustion reaction occurs in the heating gas flow path 18, and the reforming reaction is caused by supplying the accompanying heat to the reforming catalyst.
[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 section 3a, and a reforming reaction is generated using the heat supplied from the combustion section 2.
[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 reformer 3 is used for the fuel electrode, and the oxidant is used for the air electrode. Supplying outside air causes the following electrochemical reaction.
[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 reformer 3 is provided with temperature sensors 26 and 27 for measuring the internal temperature, and supplies the output to the controller 6. Here, the startup combustor 7, the evaporator 1, and the reformer 3 are provided with a fuel injection valve for injecting fuel based on a command output from the controller 6 as needed.
[0022]
In such a fuel cell system, if the amount of heat supplied from the combustion unit 2 to the reforming unit 3a is excessive or if the temperature of the reforming unit 3a is locally high, the reforming generated by the equation (3) is performed. The gas is exposed to the hot atmosphere. As a result, a reverse shift reaction, which is the reverse reaction of the equation (2), occurs to generate CO, and the stack 5 may be deteriorated. Excessive heating also increases the heat loss, which may reduce system efficiency. Conversely, if there is a locally low-temperature region in the reforming section 3a, the reaction of the formula (3) does not proceed, and the methanol reforming efficiency decreases.
[0023]
Therefore, in this embodiment, the reformer 3 is configured as shown in FIG.
[0024]
The reforming section 3a includes a first reforming catalyst 15, a second reforming catalyst 16, and a third reforming catalyst 17 (hereinafter, reforming catalysts 15 to 17). They are connected in series by a second duct section 20 (hereinafter, duct sections 19 and 20). The reforming catalysts 15, 16 and 17 are arranged so as to be arranged in a line with a wall therebetween, and the flow of the fuel gas is reversed by the duct portions 19 and 20.
[0025]
Here, in the cross section as shown in FIG. 2, the cross section of the third reforming catalyst 17 is a half of the cross section of the first and second reforming catalysts 15, 16. When the reforming catalysts 15 to 17 are arranged in a line via a wall, one end, here the lower side, is arranged so as to be aligned, so that the first and second reforming catalysts 15, 16 are arranged as shown in FIG. On the other hand, the cross section of the third reforming catalyst 17 has a shape in which the upper half is chipped.
[0026]
Further, a fuel gas inlet 8 serving as a fuel gas supply port and a fuel gas introduction passage 9 for introducing the fuel gas taken in at the fuel gas inlet 8 into the first reforming catalyst 15 are provided. The fuel gas inlet 8 is arranged at an end of the fuel gas introduction passage 9 and is configured to generate a swirling flow in the fuel gas introduction passage 9. Thereby, the fuel gas can be made uniform when the fuel gas is introduced into the first reforming catalyst 15. Further, a reformed gas outlet passage 21 for recovering the reformed gas from the third reforming catalyst 17 and a reformed gas outlet 22 for discharging the reformed gas from the reformed gas outlet passage 21 to the outside of the reformer 3 are provided. Prepare.
[0027]
With this configuration, the fuel gas is supplied from the fuel gas inlet 8 and supplied to the first reforming catalyst 15 via the fuel gas introduction passage 9. Thereafter, a reforming reaction occurs while performing heat exchange with the later-described combustion unit 2, and the first reforming catalyst 15, the first duct unit 19, the second reforming catalyst 16, the second duct unit 20, the third It flows in a meandering manner inside the reformer 3 in the order of the reforming catalyst 17. The reformed gas generated by the reforming reaction passes through the reformed gas outlet passage 21 from the third reforming catalyst 17 and is discharged from the reformed gas outlet 22.
[0028]
Further, the reformer 3 is provided with a combustion section 2 having a circular cross section that penetrates the reformer 3 in a direction in which the reforming catalysts 15 to 17 are arranged. A high-temperature gas or a mixed gas flows as a heating gas for heating the reforming catalyst in the combustion unit 2. Here, a case in which the mixed gas is circulated will be described.
[0029]
The combustion unit 2 is constituted by a heating gas inlet 10, a heating gas flow path 18, and a heating gas outlet 23 along the axial direction. The heating gas flow path 18 carries a combustion catalyst. The heating gas passage 18 is a region adjacent to the reforming catalysts 15 to 17, and the mixed gas taken in from the heating gas inlet 10 flows through the heating gas passage 18 from the first reforming catalyst 15 to the third reforming catalyst. The gas flows in one direction toward the catalyst 17 and is discharged from the heated gas outlet 23. At this time, the combustion reaction, which is an exothermic reaction, proceeds in the heating gas flow path 18 to supply heat required for the reforming reaction in the adjacent reforming catalysts 15 to 17.
[0030]
In addition, a heating gas partition plate 12 that divides a cross section of a heating gas inlet end 11 serving as a mixed gas intake at a predetermined ratio is disposed in the heating gas inlet section 10. Here, as shown in FIG. 2, the volume of the reforming catalysts 15 to 17 along the flow direction of the heating gas is configured to be 2: 3 on the upper side and the lower side, and thus the heating gas inlet end is similarly formed. The cross section 11 is divided into 2: 3 on the upper side and the lower side by the heated gas partition plate 12. Further, the heated gas partition plate 12 is formed so as to divide the cross section of the combustion part 2 in the vertical direction at a ratio of 1: 1 in a portion overlapping the first reforming catalyst 15. Assuming that the upper passage formed by this is an upper heating gas passage 18a and the lower passage is a lower heating passage 18b, when the heating gas inlet end 11 is open, 2/5 of the heating gas flows. The heat is supplied to the upper heating gas flow path 18a to supply heat to the adjacent reforming catalyst (2/5 of the total reforming catalyst). On the other hand, 3/5 of the heating gas is supplied to the lower heating gas passage 18b to supply heat to the adjacent reforming catalyst (3/4 of all reforming catalysts).
[0031]
Further, at the heating gas inlet end 11, a first opening / closing valve 13 that can open and close an upper heating gas channel 18a partitioned by a heating gas partition plate 12, and a lower heating gas channel 18b that can open and close. A second on-off valve 14 is provided. Here, the ratio of the cross-sectional areas of the first on-off valve 13 and the second on-off valve 14 is 2: 3. When the first on-off valve 13 is open, a combustion reaction occurs in the upper heating gas flow path 18b, and the reforming catalyst having a volume of ／ of the whole is heated. On the other hand, when the second on-off valve 14 is open, a combustion reaction occurs in the lower heating gas flow path 18b, and the reforming catalyst having a volume of ／ of the whole is heated.
[0032]
Further, as a temperature sensor for measuring the internal temperature of the reformer 3, an upper temperature sensor 26 is provided at the reforming section 3a adjacent to the upper heating gas flow path 18a, and a temperature sensor is provided at the reforming section 3a adjacent to the lower heating gas flow path 18b. A lower temperature sensor 27 is provided.
[0033]
In a fuel cell system having such a reformer 3, the combustion region of the combustion unit 2 is changed according to the operating conditions of the system. Here, the change of the combustion area is controlled by controlling the opening and closing of the first opening / closing valve 13 and the second opening / closing valve 14 to change the combustion area into three combustion areas corresponding to the amount of fuel gas to be reformed as shown in FIG. Assuming that the amount of fuel gas supplied when performing reforming using the entire reforming catalysts 15 to 17 is 1, the combustion region can be set as follows according to the amount of fuel gas.
[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 valve 13 is opened as shown in FIG. Then, the second on-off valve 14 is closed. As a result, the mixed gas consisting of the exhaust gas, air, and fuel from the stack 5 is supplied only to the upper heating gas flow path 18a, and a reforming reaction occurs in a 2/5 region of the entire reforming catalyst.
[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 valve 13 is closed. As a result, the mixed gas is supplied only to the lower heating flow path 18b, and a reforming reaction occurs in a ３ region of the entire reforming catalyst.
[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 valve 14 is opened. As a result, the mixed gas is supplied to the entire heating gas flow path 18, so that a reforming reaction occurs in the entire reforming catalyst.
[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 reformer 3, and the heating gas flow path 18 is heated to raise the combustion catalyst to the activation temperature. At this time, the second opening / closing valve 14 is closed and only the first opening / closing valve 13 is opened to set the state shown in FIG. The combustion gas is supplied only to the upper heating gas flow path 18a, and the minimum amount of the combustion catalyst to be warmed up, that is, the reforming catalyst, is ２ of the total volume here. As described above, since the heat capacity of the region to be heated can be reduced, the temperature can be raised in a short time.
[0043]
Thereafter, the above state is continued until the temperature of the heating gas flow path 18, here the detection value of the upper temperature sensor 26 reaches a predetermined value T1, and when the temperature reaches the predetermined value T1, the mixed gas of fuel and air is supplied to the heating gas flow. Supply to road 18. Here, for example, the predetermined value T1 is set as the lower limit of the activation temperature of the combustion catalyst. That is, since the mixed gas is supplied when the combustion catalyst in the upper heating gas flow path 18a reaches the activation temperature, the ignition can be performed quickly and the heating can be performed smoothly. At this time, since the combustion catalyst carried in the lower heating gas flow path 18b may not reach the activation temperature, the second on-off valve 14 is closed and only the first on-off valve 13 is opened, and the upper heating gas is opened. The mixed gas is supplied only to the flow path 18a. Here, T1 is the lower limit of the activation temperature of the combustion catalyst, but the temperature of the reforming catalyst when the combustion catalyst reaches the activation temperature may be measured in advance by experiments or the like, and the temperature may be set to the predetermined value T1.
[0044]
As described above, the warming-up of the reforming section 3a by the combustion reaction in the upper heating gas flow path 18a is continued, and when the detection value of the upper temperature sensor 26 reaches the predetermined value T2, the first on-off valve 13, the second on-off valve 14 To release. Here, the predetermined value T2 is a temperature detected by the upper temperature sensor 26 when the entire combustion catalyst carried in the heating gas flow path 18 reaches the activation temperature, and is obtained in advance by an experiment or the like. Here, the determination is made based on the output of the upper temperature sensor 26. However, the determination may be made based on whether the output of the lower temperature sensor 27 has reached the activation temperature of the combustion catalyst.
[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 section 3a, here, the upper temperature sensor 26 reaches a predetermined value T3, here, the activation temperature of the reforming catalyst, the warm-up operation is ended. Then, the reforming reaction is started, and the region where the combustion reaction occurs is controlled according to the amount of the fuel gas to be reformed.
[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 upper temperature sensor 26 is smaller than a predetermined value T1. If it is smaller than T1, it is determined that it is in the initial stage of the start or in the cold state, and the process proceeds to step S603 to supply fuel and air to the start combustor 7. In step S604, the combustion gas generated by the start-up combustor 7 is supplied to the heating gas flow path 18 of the combustion unit 2 to start warming up the combustion catalyst and the reforming catalyst. At this time, as shown in FIG. 3A, the first on-off valve 13 is opened and the second on-off valve 14 is closed.
[0050]
Returning to step S602, the output of the upper temperature sensor 26 is again compared with the predetermined value T1. If it is determined in step S602 that the output of the upper temperature sensor 26 has reached T1 by the warm-up using the combustion gas, the process proceeds to step 605.
[0051]
In step S605, it is determined whether the output of the upper temperature sensor 26 is lower than a predetermined temperature T2. If the temperature of the reformer 3 has not reached T2, the process proceeds to step S606, and only the first on-off valve 13 is opened as shown in FIG. Supply gas. As a result, the combustion catalyst, and eventually the reforming catalyst, is warmed up using the heat accompanying the combustion reaction.
[0052]
Returning to step S605, if it is determined that the output of the upper temperature sensor 26 is equal to or higher than T2, the process proceeds to step S607. In step S607, it is determined whether the output of upper temperature sensor 26 is lower than predetermined temperature T3. If the output from the upper temperature sensor 26 is smaller than T3, it means that the overall warm-up is insufficient, and the process proceeds to step S608. In step S608, the second on-off valve 14 is opened to supply the rich mixed gas to the entire heating gas flow path 18, a combustion reaction occurs in the entire combustion catalyst, and the temperature of the entire reformer 3 is raised.
[0053]
If it is determined in step S607 that the temperature of the reformer 3 has reached T3, the warm-up is ended.
[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 valve 13 is opened and the second on-off valve 14 is closed. As a result, as shown in FIG. 3A, the lean mixed gas is supplied only to the upper heating gas flow path 18a to supply heat to a 2/5 region of the entire reforming catalyst, and the reforming reaction is performed in that region. Occurs.
[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 valve 13 is closed and the second on-off valve 14 is opened. As a result, as shown in FIG. 3B, the lean mixed gas is supplied to the lower fuel gas passage 18b to supply heat to 領域 of the entire reforming catalyst, and a reforming reaction occurs in that region. .
[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 valve 13 and the second on-off valve 14 are opened, a lean mixed gas is supplied to the entire heating gas flow path 18, and heat is supplied to the entire reforming catalyst to cause a reforming reaction.
[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 reformer 3, that is, the temperature of the reforming catalyst is determined by the temperature sensor of the upper temperature sensor 26 or the lower temperature sensor 27 which is installed on the reforming catalyst in which the reforming reaction is occurring. Is detected. In step S615, it is determined whether or not the detected temperature of the reformer 3 is a temperature suitable for the operating conditions. Here, this determination is made beforehand by determining the temperature of the reformer 3 according to the operating conditions by an experiment or the like and determining whether the detected temperature is within an allowable range.
[0060]
If the temperature of the reformer 3 does not meet the operating conditions, the process proceeds to step S616, and the temperature difference is changed by changing the temperature of the reforming fuel gas, the temperature of the mixed gas supplied to the heating gas flow path 18, and the mixing ratio. To correct it. Thereafter, the flow returns to step S614 again, and if it is determined that the temperature of the reformer 3 is in accordance with the operating conditions, the present control is ended.
[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 reformer 3. Can generate a combustion reaction. Alternatively, the above control may be performed every time the operating conditions change.
[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 section 3a that applies a reforming catalyst and causes a reforming reaction using a fuel gas, a heating gas flow path 18 that selectively supplies heat to the reforming section 3a, and a heating gas flow path 18 The amount of heat supplied to the reforming section 3a and the range heated by the heating gas channel 18 of the reforming section 3a are controlled in accordance with operating conditions. Thereby, the reforming unit 3a can be heated with a necessary amount of heat by a capacity necessary for the reforming reaction, so that it is possible to prevent the reforming unit 3a from being excessively heated or shortage of heat. .
[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 section 3a can be easily controlled.
[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 section 3a increases, the range in which the mixed gas in the heating gas flow path 18 is supplied is increased. This makes it possible to change the range in which the reforming reaction occurs according to the supplied fuel gas, so that the reforming reaction generated per unit volume of the reforming catalyst is constant regardless of the supplied fuel gas amount. can do. Thereby, excessive heating or insufficient heating of the reforming catalyst can be avoided, and an efficient reforming reaction can be generated.
[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 section 3a or the heating gas flow path 18 is provided with an upper temperature sensor 26 here. To minimize the range of heating. Thereby, efficient warm-up can be performed and the warm-up time can be shortened, so that, for example, the start-up performance can be improved. In addition, the heating range of the reformer 3 is increased as the temperature of the reformer 3 increases, so that the entire reforming section 3a can be efficiently warmed up.
[0070]
A catalyst temperature detecting means for detecting or estimating the temperature of the combustion catalyst, here an upper temperature sensor 26 is provided. When the combustion catalyst is lower than the activation temperature, it is generated by a high-temperature gas, here the starting combustor 7, at the time of cold or startup. The heated high-temperature gas is supplied to the heated gas channel 18. Thereafter, by supplying the mixed gas from the portion of the heated gas flow path that has reached the activation temperature, the ignitability of the combustion catalyst can be improved, and the startability can be more reliably improved by a smooth temperature increase. it can.
[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 section 3a or the heated gas flow path 18, which is provided with temperature sensors 26 and 27, wherein the temperature detected by the temperature sensor 26 or 27 is lower than a predetermined temperature. If it is higher, the amount of heat supplied to the reforming section 3a is reduced, or the temperature of the fuel gas is lowered. If the temperature is lower than the predetermined temperature, the amount of heat supplied to the reforming unit 3a is increased, or the temperature of the fuel gas is increased. This makes it possible to reliably control the temperature of the portion of the reforming section 3a where the reforming is being performed, thereby suppressing a decrease in system efficiency due to excessive heating or insufficient heating.
[0073]
Further, the fuel gas is caused to flow uniformly into the reforming section 3a. Here, by arranging the fuel gas inlet 8 at the end of the fuel gas introduction passage 9 and generating a swirling flow in the fuel gas introduction passage 9, the fuel gas is made uniform in the reforming section 3a. Supply. By combining the uniform introduction of the fuel gas and the change of the use area of the heating gas flow path 18, the generation of a temperature gradient in the reforming reaction section is further suppressed, and thus the reforming due to the temperature decrease is performed. The effect of avoiding a decrease in efficiency and an increase in CO due to a reverse shift reaction when the temperature rises can be obtained more reliably.
[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 second control valves 13, 14 is provided, and according to operating conditions, Change the flow path area of the heating gas flow path. Thus, the range of the reforming section 3a to which heat is supplied by the heating gas can be changed, so that the range in which the reforming reaction occurs can be changed, and the reforming reaction occurs regardless of the change in the operating conditions. The environment can be stabilized. Therefore, an appropriate reforming reaction can be performed, and the system efficiency can be improved.
[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 second control valves 13 and 14. As a result, the mixed gas can be supplied only to the set region, and a combustion reaction can be caused.
[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 reformer 3 is shown in FIG.
[0077]
In the present embodiment, a region where a combustion reaction occurs in the heating gas flow path 18 is controlled using the first fuel injection valve 24 and the second fuel injection valve 25.
[0078]
The fuel gas generated by the evaporator 1 is supplied from the fuel gas inlet 8 to the reforming catalyst through the fuel gas introduction passage 9. On the other hand, the exhaust gas from the stack 5 and the added air are introduced into the combustion unit 2 from the heating gas inlet 10.
[0079]
The heating gas inlet 10 includes a first fuel injection valve 24 and a second fuel injection valve 25. In FIG. 7, the first fuel injection valve 24 is disposed so as to inject fuel into the upper heating gas flow path 18a adjacent above the first reforming catalyst 15 and the second reforming catalyst 16. That is, when fuel is supplied from the first fuel injection valve 23, a combustion reaction occurs in the upper heating gas flow path 18a, and heat is supplied to a region corresponding to 2/5 of the volume of the entire reforming catalyst. On the other hand, the second fuel injection valve 25 injects fuel into the lower heating gas passage 18b below the first reforming catalyst 15 and the second reforming catalyst 16 and adjacent to the third reforming catalyst 17 in FIG. . That is, when the fuel is supplied from the second fuel injection valve 25, a combustion reaction occurs in the lower heating gas passage 18b, and heat is supplied to a region corresponding to ３ of the entire reforming catalyst. Here, the ratio between the predetermined injection amount of the first fuel injection amount 24 and the predetermined injection amount of the second fuel injection amount 25 is set to 2: 3 similarly to the volume ratio of the reforming catalyst located on the downstream side.
[0080]
The mixed gas generated by mixing the fuel into the exhaust gas and the air supplied to the heating gas inlet 10 using the first or second fuel injection valves 24 and 25 is caused to flow through the heating gas flow path 18. At this time, a combustion catalyst is carried in the heating gas flow path 18, and heat generated by the combustion reaction is supplied to the adjacent reforming catalyst to supplement the heat required for the reforming reaction.
[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 reformer 3. However, the fuel gas amount when fuel is injected from both the first and second fuel injection valves 24 and 25 is set to 1, and when the fuel gas amount is larger than 0 and equal to or smaller than 2/5, the fuel gas amount is “small”. The case where the fuel gas amount is larger than 5 and 3/5 or less is defined as "medium", and the case where the fuel gas amount is larger than 3/5 is "large".
[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 fuel injection valve 24 as shown in FIG. As a result, a reforming catalyst is generated in a region that is 2/5 of the total catalyst. Next, when it can be determined that the fuel gas amount to be reformed is “medium”, the fuel is injected only from the second fuel injection valve 25 as shown in FIG. As a result, a reforming catalyst is generated in a region that is ／ of the total catalyst. Further, when it can be determined that the amount of fuel to be reformed is "large", fuel is injected from both the first and second fuel injection valves 24 and 25 as shown in FIG. Thereby, a reforming reaction can be caused in the entire catalyst region.
[0083]
Next, a description will be given of startup or cold operation. Here, it is assumed that the temperature change of the reformer 3 and the combustion region and the mixture ratio of the mixed gas set therewith are the same as those in FIG. Hereinafter, only portions different from the first embodiment will be described.
[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 gas flow path 18a and the lower heating gas flow path 18b, but since the volume to be heated is smaller on the upper heating gas flow path 18a side, the whole is Can be warmed up. Therefore, when the output of the upper temperature sensor 26 installed on the reforming catalyst adjacent to the upper heating gas flow path 18a rises to a predetermined value T1, here, the temperature at which the combustion catalyst is activated, the operation of the startup combustor 7 is stopped. At the same time, fuel is injected by the first fuel injection valve 24 as shown in FIG. At this time, each flow rate is set so that the mixed gas of air and fuel becomes rich. As a result, a combustion reaction occurs in the upper heated gas passage 18a, and the lower combustion catalyst and the reforming catalyst are warmed up.
[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 fuel injection valve 24 and the second fuel injection valve 25. Here, the predetermined temperature T2 is the temperature measured by the upper temperature sensor 26 when the entire combustion catalyst reaches the activation temperature, as in the first embodiment, and is obtained in advance by experiments or the like. As a result, the reformer 3 enters the state shown in FIG. 8C, and a combustion catalyst is generated in the entire fuel gas flow path 18. In this way, by supplying the mixed gas after the temperature of the heating gas flow path 18 has been raised to some extent, it is possible to smoothly perform heating using the entire combustion catalyst.
[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 reformer 3 is equal to or lower than T1. If T1 or less, it is determined that the engine is in the startup or cold state, and fuel and air are supplied to the startup combustor 7 in step S903 to generate combustion gas. In step S904, the combustion gas generated by the starting combustor 7 is supplied to the heating gas flow path 18 to increase the temperature of the heating gas flow path 18, and the temperature is increased in this state until the temperature of the reformer 3 becomes higher than T1. continue.
[0090]
If it is determined in step S902 that the internal temperature of the reformer 3 is higher than T1, the process proceeds to step S905, and it is determined whether the temperature of the reformer 3 is equal to or lower than T2. If T2 or less, in step S906, fuel is injected from the first fuel injection valve 24 to perform warm-up in the state of FIG. That is, a mixed gas of fuel and air is supplied to the upper side of the heating gas flow path 18, and a combustion reaction is performed in this region. The warm-up is performed in such a state, and if it is determined in step S905 that the internal temperature of the reformer 3 is higher than T2, the process proceeds to step S907.
[0091]
In step S907, the temperature of the reformer 3 is detected, and it is determined whether the output is equal to or lower than T3. If the temperature of the reformer 3 is equal to or lower than T3, fuel is injected from the first and second fuel injection valves 24 and 25 in step S908 (the state shown in FIG. Then, the temperature of the reformer 3 is increased to T3 by causing the supply and the combustion reaction. In step S907, if the internal temperature of the reformer 3 is higher than T3, it is determined that the warm-up has ended, and the reforming reaction is started.
[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 fuel injection valves 24 and 24 are set to have a lean mixed gas. , 25 (FIG. 8 (c)). As a result, heat generated by the combustion reaction is supplied to the entire reforming catalyst, and a reforming reaction occurs.
[0096]
Thereafter, in steps S914 to S916, the temperature inside the reactor 3 is adjusted to a predetermined temperature, as in steps S614 to S616.
[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 fuel injection valve 24 and the second fuel injection valve 25 are provided. The range in which fuel is supplied to the heating gas flow path 18 by the fuel injection valve or a combination of the fuel injection valve is adjusted. By supplying fuel to the heating gas flow path 18 by fuel injection as described above, it is possible to eliminate the influence of the mixed gas adhering to the pipe.
[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

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.

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.

3. The reforming reactor according to claim 2, wherein the flow rate of the mixed gas is increased when the range of supplying the mixed gas in the heated gas flow path is increased. 4.

4. The reforming reactor according to claim 3, wherein when the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel gas flow path is increased, the range of supplying the mixed gas in the heating gas flow path is increased. 5.

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.

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.

7. The reforming reactor according to claim 6, wherein the mixture ratio of fuel and air of the mixed gas supplied to the heating gas flow path at the time of cold or startup is made rich, and after the warm-up is completed, the mixture is made lean.

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.

The reforming reactor according to any one of claims 1 to 8, wherein the fuel gas to be reformed is caused to flow uniformly into the fuel gas flow path.

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.

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.

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.