JP2004196611A - Fuel reforming apparatus and fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel reforming apparatus in which the flow rate of air supplied to a reformer can be controlled with high accuracy even when the supply pressure of air to the reformer is decreased. <P>SOLUTION: The fuel reforming apparatus is equipped with: a reforming part (13) which generates a hydrogen-rich reformed gas from the source fuel containing hydrogen; a plurality of reaction parts (15, 17, 18) disposed along the passage of the reformed gas guiding the reformed gas to an exit; a plurality of heat exchangers (14a, 16a, 18a) respectively disposed in the reaction parts; a heat medium supply means which supplies a heating medium to each heat exchanger; a bypassing means (BP) which can supply the heating medium from the heat exchanger (14a) of the first reaction part at high temperature in the plurality of reaction parts to the heat exchanger (18a, 16a) of the second reaction part at relatively lower temperature than the first reaction part; and a controlling means (50) which activates the bypassing means (BP) when the inner temperature of the second reaction part is lower than a specified temperature. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を含む原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質して燃料電池に供給する燃料改質装置及びこれを含む燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料の有する化学エネルギを、機械エネルギや熱エネルギを経由することなく直接電気エネルギに変換する装置であり、高いエネルギ効率が実現可能である。よく知られた燃料電池の形態としては、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極(陽極側)に水素を含有する燃料ガスを供給すると共に他方の電極(陰極側)に酸素を含有する酸化ガスを供給するものであり、両電極で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る。以下に、燃料電池で起こる電気化学反応を表わす式を示す。(1)式はアノードにおける反応、(2)式はカソードにおける反応を表わし、燃料電池全体では(3)式に示す反応が進行する。
2 → 2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
2+(1/2)O2 → H2O …(3)
燃料電池は使用する電解質の種類や運転温度などにより分類されるが、これら燃料電池の中で、固体高分子型燃料電池、りん酸型燃料電池、溶融炭酸塩電解質型燃料電池等では、水素リッチガスを燃料ガスとして用いることができる。
【0003】
そこで、燃料電池に改質器を組み合わせ、メタノール、エタノール、天然ガス、LPG、ガソリン、軽油、DME(ジメチルエーテル)などの炭化水素系の原燃料を改質して水素を高濃度で含むガスを生成し、これを燃料として燃料電池に供給して発電システムを構成する。このような構成によれば燃料の貯蔵や取り扱いが容易となり、次世代車両の駆動システムとして開発が進められている。
【0004】
改質器は、例えば、メタノールを原燃料としてこれを改質する場合、その改質部でいわゆる水蒸気酸化法(Steam reforming)、部分酸化法(Partial oxidation reforming)及びこれらを併用したオートサーマル法(Autothermal reforming)等を使用して水素リッチな燃料ガスを生成する。この水素生成過程で一酸化炭素COが発生するため、改質部の後に更に反応部を設け、反応部内に各種の触媒を配置して一酸化酸化炭素COを二酸化炭素CO2にシフトして低減する。各種の触媒は、その触媒に対応した反応温度に保たれることによってその機能を十分果たすように考慮されている。更に、改質ガスに微量残留する一酸化炭素を改質器のCO浄化部で選択酸化反応やシフト反応によって二酸化炭素に変換する。
【0005】
例えば、特開平10−334935号公報には、改質器で都市ガスから水素リッチガスを取り出して燃料とするようにした燃料電池発電システムが紹介されている。この例では、改質器の各反応部の温度を調整するために各反応部に熱交換コイルを配置し、各熱交換コイルに流れる水量を制御して各反応部の温度を適切に維持することによって燃料電池の運転効率を向上しようにしている。
【0006】
【特許文献1】
特開平10−334935号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特に、車両などに搭載される燃料電池システムでは停車状態から直ちに発車することが出来るようにするために燃料電池システムの起動時間の短縮が不可欠である。燃料電池システムを起動するためには、まず、改質器を所定温度の定常運転状態として水素リッチガスを安定に生成し、これを燃料電池に供給しなければならない。この際に、改質器内部の触媒ユニット等からなる反応部を一定温度に保つための冷却ユニットに流れる冷媒は反応部(触媒)の昇温の妨げとなって起動に要する時間を長くし、起動エネルギを増大させる原因となる。
【0008】
よって、本発明は、改質器の反応部が短時間で所定の動作温度に到達するようにして起動時間を短縮した燃料改質装置を提供することを目的とする。
【0009】
また、本発明は、改質器の反応部が短時間で所定の動作温度に到達するようにして起動時間を短縮した燃料電池システムを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決する手段】
上記目的を達成するため本発明の燃料改質装置は、原燃料と水とをガス化する蒸発部と、ガス化した原燃料と水とを改質する改質ガス流路に沿って設けられる複数の反応部と、各反応部にそれぞれ設けられる複数の熱交換器と、各熱交換器に伝熱媒体を供給する熱媒体供給手段と、上記複数の反応部のうち高温の第1の反応部の熱交換器からこれよりも相対的に低温である第2の反応部の熱交換器に伝熱媒体を供給することを可能とするバイパス手段と、上記第2の反応部の内部温度が所定温度以下である場合に上記バイパス手段を動作させる制御手段と、を備える。
【0011】
かかる構成とすることによって、低温の反応部の短時間の昇温が可能となって燃料電池システムの起動時間を短縮することが可能となる。
【0012】
また、本発明の改質装置は、原燃料と水とをガス化する蒸発部と、ガス化した原燃料と水とを改質する改質ガス流路に沿って設けられる複数の反応部と、各反応部にそれぞれ設けられる複数の熱交換器と、各熱交換器に伝熱媒体を供給する熱媒体供給手段と、上記改質ガスの流路の上流側に設けられた第1の反応部の熱交換器から下流側に設けられた第2の反応部の熱交換器に伝熱媒体を供給することを可能とするバイパス手段と、上記第2の反応部の内部温度が所定温度以下である場合に上記バイパス手段を動作させる制御手段と、を備える。
【0013】
かかる構成とすることによって、熱伝搬が遅れることによって温度上昇が遅れる傾向がある下流側の反応部の昇温を早めることが可能となり、燃料電池システムの起動時間を短縮することが可能となる。
【0014】
好ましくは、上記バイパス手段は、上記第1の反応部の熱交換器から少なくとも2つの第2の反応部の熱交換器に上記伝熱媒体を同時に又は個別的に供給する。それにより、同時にあるいは選択的に低温の熱交換器の温度を上昇させることが可能となって具合がよい。
【0015】
好ましくは、上記バイパス手段は、上記第1の反応部の熱交換器から上記第2の反応部の熱交換器に上記伝熱媒体を直接供給する。直結することによって熱伝搬時間が短縮される。
【0016】
好ましくは、上記複数の反応部のいずれかは上記ガス化した原燃料と水から水素リッチな改質ガスを生成する触媒を含み、上記熱交換器によって当該触媒がその最適触媒温度に設定される。それにより、水素の生成効率を向上することが可能となる。
【0017】
好ましくは、上記複数の反応部の他のいずれかは一酸化炭素COを酸化する各種触媒を含み、上記熱交換器によって当該触媒に最適な温度が設定される。それにより、各種の触媒がそれぞれの適温に短時間で設定される。
【0018】
好ましくは、上記制御手段は、装置の起動時に上記バイパス手段を動作させる。それにより、起動時に温度が下がっている燃料電池システムの改質器を短時間で活性化させることが可能となる。
【0019】
好ましくは、上記伝熱媒体は水であり、上記熱交換器を経由して加熱された水を上記蒸発部に供給する。それによって、熱効率を高める。
【0020】
好ましくは、上記熱交換器を経由して加熱されて上記蒸発部に供給される水の流量と上記蒸発部が必要とする水の流量との差をバイパス水の供給で補う。それにより、温度制御のための適正な熱交換器への通水量と所要の改質水量の供給とを両立させることが可能となる。
【0021】
また、本発明の燃料電池システムは、上述した燃料改質装置とこの燃料改質装置から改質ガスの供給を受けて電気を発生する燃料電池とを含む。
【0022】
かかる構成とすることによって、短時間で起動が可能な燃料電池システムを提供することが可能となる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0024】
改質器は、燃焼部、蒸発部、改質部、反応部、CO浄化部を備えている。燃焼部は、改質器で必要とする熱源を供給する。蒸発部は原燃料と水とをガス化する。改質部は水蒸気改質反応によって水素を多量に含む改質ガス(水素リッチガス)を生成する。反応部は、改質部で水素を生成した際に発生する一酸化炭素COを低減するために改質ガス流路の下流側に複数のシフト反応部を備えている。CO浄化部は改質ガスに残留する微量の一酸化炭素を選択酸化反応によって低減する。なお、各部における化学反応を促進するために複数種類の触媒が使用されている。ここで、改質部、反応部及びCO浄化部は複数の反応部に相当する。燃焼部から改質部に供給された熱は、気化ガスなどによって改質部、反応部、CO浄化部へと伝搬し、各部に配置された触媒ユニットの温度を上昇していく。上述した反応部等には複数種類の触媒が設けられているが、これらの触媒にはそれぞれ適正温度があるため、温度設定と熱回収とを兼ねて水蒸気改質に用いる改質水を触媒ユニットの熱交換器に冷却媒体(伝熱媒体)として供給する。このため、各触媒が最適温度となって燃料電池に改質ガスを供給可能となるまでに時間を要する。
【0025】
そこで、本発明の実施の形態では、燃料電池システムの起動の際に改質器内の複数の熱交換器のうち先に高温になる熱交換器で加熱された伝熱媒体(冷媒)を他の部分の熱交換器の加熱に活用する。また、起動中の改質器の各部の温度状態に応じて加熱された伝熱媒体の供給先となる熱交換器を変更することによって改質器各部(触媒ユニット)の昇温を全体的に促進する。
【0026】
(第1の実施例)
図1は、本発明の燃料改質装置を概略的に説明する説明図である。同図においては、燃料改質装置1の改質器10と冷却水供給系30が示されている。改質器10には、他に図示しない原燃料供給系から燃料が供給され、エア供給系から酸化エアが供給される。これ等の補助系統については後述する燃料電池システムで説明する。
【0027】
改質器10は、水素原子を含有する原燃料から水素リッチな改質ガスを生成するものであり、燃焼部11、蒸発部12、改質部13、冷却部14、高温シフト反応部15、冷却部16、低温シフト反応部17、CO浄化部18を含んで構成されている。水素原子を含む原燃料としては、メタン(CH4)、エタン(C26)、プロパン(C38)、ブタン(C410)、ガソリン、軽油、天然ガス、メタノール(CH3OH)、エタノール(C25OH)、DME(CH3OCH3)、アセトン(CH3C(=O)CH3)等の種々のものが使用可能であるが、以下の例では、メタノールを使用した場合について説明する。
【0028】
燃焼部11は、メタノールや図示しない燃料電池からの余剰水素等を燃焼してメタノールの改質反応(吸熱反応)を行う際に必要な熱量を発生し、蒸発部12、改質部13に設けられた熱交換機に供給する。
【0029】
蒸発部12は燃焼部11からの熱を熱交換器に受け、この熱を利用して後述のメタノールタンク及び水タンクから供給されるメタノール及び水を気化させる。
【0030】
改質部13は、蒸発部12で気化した改質原料を改質するための触媒の他に内部を加熱する手段として電気式のヒータを備えて適切な反応温度を確保する。改質器10が定常状態となったときにはこのヒータ及び改質反応の熱収支によって改質部13内部を改質反応に適した温度に維持することも可能となっている。改質部13には、例えば、改質反応を促進する触媒金属であるCu−Zn触媒で形成されたペレットが充填されており、十分に昇温されたメタノール及び水の気化ガスの供給を受けて水蒸気改質反応及び部分酸化改質反応を進行させ、水素リッチな改質ガスを生成する。
【0031】
水蒸気改質反応は、
CH3OH+H2O → CO2+3H2−131(kJ/mol) …(4)
CH3OH → CO+2H2 …(5)
CO+H2O → CO2+H2 …(6)
として示される。
【0032】
更に、改質部13では、残留した気化メタノールに外部から酸化エア(O2:21%,N2:79%)を供給して(図示せず)部分酸化改質反応によって水素を生成することができる。
【0033】
部分酸化改質反応は、
CH3OH+1/2O2+1.9N2→2H2+CO2+155(kJ/mol) …(7)
CH3OH+3/2O2+5.7N2→+CO2+2H2O+5.7N2 …(8)
2CH3OH+2H2O→6H2+2CO2+2H2O …(9)
として示される。
【0034】
改質部13で生成された改質ガスは少量の一酸化炭素を含む。これは、燃料電池の電極で使用される白金触媒の機能を低下させるため、改質部13の下流側に一酸化炭素をシフト反応によって二酸化炭素とするシフト反応部を設けている。シフト反応部では、種類の異なる触媒を用いることによって種々の運転状態において一酸化炭素の酸化を促進すべく複数の反応部を配置している。実施例では、高温で触媒機能がより発揮される高温シフト反応部15と、低温でも触媒機能が発揮される低温シフト反応部17とを配置している。また、選択酸化反応を使用する反応部として後述のCO浄化部18を配置している。
【0035】
例えば、高温シフト反応部15の触媒ユニットの使用温度は約300℃(第1の目標温度)に、低温シフト反応部の17の触媒ユニットの使用温度は約200℃(第2の目標温度)に設定される。このような温度設定を行うために、高温シフト反応部15及び低温シフト反応部17にはそれぞれ冷却部14及び16が設けられる。また、高温シフト反応部15及び低温シフト反応部17にはそれぞれ触媒ユニットの温度を検出する温度センサ15a及び17aが設けられる。冷却部14及び16は、例えば、改質ガス流路あるいは触媒ユニットに設けられる熱交換器14a、16aにより構成される。各熱交換器には図示しない外部の冷媒供給源から冷却水が供給される。例えば、熱交換器14aには、外部から冷却水1が供給され、熱交換器16aには冷却水2が供給される。各冷却水の流量を調節することによって各反応部の温度センサによって検出される温度Tnが所望の温度となるように制御することができる。これは後述の制御部50によって行われる。
【0036】
改質ガス中の一酸化炭素濃度は高温シフト反応部15及び低温シフト反応部17を経て減少するが、まだ、微量残存する。これをCO浄化部18にて選択酸化反応によって水素を減少させないようにして除去する。選択酸化反応は、
CO+1/2O2→CO2
として示される。この際にも触媒が使用される。
【0037】
CO浄化部18では改質ガス中の水素に優先して一酸化炭素の酸化を行うべく、一酸化炭素の選択触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、これらを使用する合金触媒などを担持する担体が触媒ユニットに充填されている。そして、外部から酸化エアを供給し、選択酸化反応によって一酸化炭素を二酸化炭素に変えている。CO浄化部18はこの触媒ユニットの温度T3を適当な温度、例えば、150℃(第3の目標温度)に保つために冷却水3が供給される熱交換器18aと触媒温度を検出する温度センサ18bを備えている。冷却水3の流量を調整することによって、上記温度T3を適正温度に制御することができる。これは制御部50によって行われる。高温シフト反応部15、低温シフト反応部17、CO浄化部18を経て一酸化炭素が低減された改質ガスは後述する燃料電池に供給される。
【0038】
次に、冷却水供給系30について説明する。冷却水1は冷媒供給源から熱交換器14aを経て加熱され、開閉弁31を経て蒸発部12に供給される。また、冷却水1は開閉弁32、バイパス流路BPを経て冷却水3としてCO浄化部18の熱交換器18aに供給可能になされている。冷却水2は熱交換器16aを経て加熱されて蒸発部12に供給される。冷却水3は熱交換器16aを経て加熱されて蒸発部12に供給される。加熱された冷却水を蒸発部に供給される改質水として使用することによって熱効率が改善される。この他、起動時の改質水供給のために、蒸発部11には水タンクからバイパス水が供給可能となされている。
【0039】
次に、燃料電池システムの起動時における制御部50の冷却水(伝熱媒体)の供給制御について図2を参照しつつ説明する。
【0040】
制御部50は、外部から起動が指令されると、
(a) 開閉弁31を閉じ、開閉弁32を開放状態とする。冷却水1乃至3の供給は停止のままとする。
(b) メタノール、酸化エア、燃料電池の余剰水素等の燃料を燃焼部11に供給してバーナーに点火して起動し、高温の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスは蒸発部12の熱交換器に供給され、空気などの高温ガスを生成する。この高温ガスは改質部13の流路に沿って下流のCO浄化部18側に導かれ、流路の温度を上昇させる。なお、上記高温の燃焼ガスを排ガス管によって改質部のヒートパイプに導き、熱交換を行って改質部の触媒ユニットの温度を上昇させることができる。また、改質部13等の触媒用電気ヒータを動作させ、触媒ユニットを所定温度に昇温することもできる。
(c) 制御部50は、高温シフト部15の触媒ユニットの温度センサ15aの出力温度T1を監視する。熱交換器14aに冷却水1が供給されないので、高温シフト部15の触媒温度T1は急激に上昇する。
(d) 内部の伝熱によって高温シフト部15の触媒ユニットの温度が、例えば、270℃になると、制御部50は蒸発部12にメタノール及びバイパス水を供給する。メタノール及びバイパス水は蒸発部12の図示しない熱交換器で高温ガスとなって改質部13に供給され、高温の改質ガスが発生する。改質部13の温度が上昇し、また、発生した改質ガスが発生することによって高温シフト部15の触媒温度T1はオーバーシュート気味に上昇する。
(e) 例えば、高温シフト部15の触媒温度T1が350℃になると、制御部50は、バイパス水の供給を停止し、同量の冷却水1を熱交換器14aに供給する。このとき、まだ開閉弁31は閉じ、開閉弁32は開放しているので、熱交換器14aで加熱された冷却水1は、開閉弁32、バイパス流路BPを通ってCO浄化部18の熱交換器18aに供給される。冷却水3は供給されていないので、熱交換器14aの冷却水1によって熱交換器18aが加熱される。
(f) 通水によって熱交換器14aの温度T1が約300℃に低下すると、制御部50は冷却水1の流量を加減(減少)して高温シフト部15の触媒温度を300℃に安定させ、減少した流量分をバイパス水を通水して補う。
(g) 制御部50は、加熱された冷却水1の供給によってCO浄化部18の触媒温度T3が約120℃を越えると、開閉弁31を開き、開閉弁32を閉じて、冷却水1の供給先をCO浄化部18から蒸発部12に切替える。
(h) また、制御部50は、低温シフト部17の温度が約150℃になると、冷却水2の供給を開始する。その供給量相当分のバイパス水の流量を減少する。
(i) 制御部50は、低温シフト部17の温度T2が約200℃になると、冷却水2をこの温度を維持することができるの流量に設定(減少)し、その減少分をバイパス水で補う。
(j) 制御部50は、CO浄化部18の温度が約150℃に上昇すると、冷却水3の通水を開始し、この温度に維持する。この通水分をバイパス水から減ずる。
(k) 制御部50は、上述したバイパス水、各冷却水の総量が改質部13で必要とする改質水量となるように割り当てられる。別言すれば、所要改質水量と各冷却水量との差分をバイパス水で補っている。
【0041】
このようにして、上流の高温部で加熱された冷却水によって最下流のCO浄化部18の温度上昇が促進されることによって、改質器の立ち上がりが早くなり、燃料電池システムの起動時間が短縮される。
【0042】
(比較例)
図3は、比較例の改質器を示している。同図において図1に示した第1の実施例と対応する部分には、同一符号を付しかかる部分の説明は省略する。比較例では、上述した第1の実施例と同様に冷却水1乃至3を使用しているが、燃料電池システムの起動後に冷却水1乃至3をそれぞれ冷却部14、16及びCO浄化部18に供給する構成としている。
【0043】
図4は、この場合の冷却水1乃至3の供給と冷却部14、16及びCO浄化部18の温度上昇特性を示している。図4に示す立ち上がり特性において図2に示す特性と対応する部分には同一符号を付している。
【0044】
改質器上流で投入された改質ガスや改質水は加熱され、水蒸気を含む高温ガスとなり下流に運ばれる。しかしながら、起動時においては下流側の触媒温度は低いため、水蒸気は触媒を加熱した後、凝縮水となり、触媒に付着する。この凝縮水を水蒸気にするためには、更に上流からの高温ガスが必要となる。このため、下流側の触媒は起動時には100℃付近で温度一定の状態が長く続き、適正温度になるまでに長時間を要する。この対策として、下流側の触媒に電気ヒータ等を用いることも多いが、電気エネルギを必要とするため、効率低下に繋がる。また、ヒータでは温度分布や外部への放熱も発生しやすい。
【0045】
これに対し、第1の実施例では上流側の高温部で加熱された冷却水の流路を切替え可能とし、これによって下流側の低温の触媒を加熱するので下流側触媒の温度上昇が促進されて改質器の立ち上がりが早くなり、燃料電池システムの起動時間が短縮される。
【0046】
(第2の実施例)
図5は、本発明の第2の実施例を示している。同図において図1と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【0047】
この実施例では、冷却水1乃至3を一つの冷却水供給源から供給する構成としている。冷却水供給源は冷却水(改質水)を貯留した水タンク41とポンプ42によって構成される。冷却水1はポンプ42から流路L1、L2及び流量調整弁35を経て冷却部14に供給される。流量調整弁35の開度を調整することによって冷却水1の供給量を設定することが出来る。冷却水2はポンプ42から流路L1、L3及び流量調整弁36を経て冷却部16に供給される。流量調整弁36の開度を調整することによって冷却水2の供給量を設定することが出来る。冷却水3はポンプ42から流路L1、L4及び流量調整弁37を経てCO浄化部14に供給される。流量調整弁37の開度を調整することによって冷却水3の供給量を設定することが出来る。また、バイパス水はポンプ42から流路L1、L9、流量調整弁38及びL10を経て蒸発部12に供給される。流量調整弁35の開度を調整することによってバイパス水の供給量を設定することが出来る。前述したように、バイパス水は加熱されて改質水として使用される冷却水の不足分を補って所要の改質水量を確保するために使用される。流量調整弁35乃至38は制御部50によって制御される。
【0048】
(第3の実施例)
図6は、本発明の第3の実施例を示している。同図において図1と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【0049】
この実施例では、改質器10の上流側の熱交換器14aで加熱された冷却水1を下流側に配置された複数の熱交換器16a及び18aに選択的にあるいは同時に供給可能として下流側反応部の昇温を早める構成としている。このため、加熱された冷却水1をバイパス流路BPによって下流側に導出し、更に、バイパス流路BPから分岐したバイパス流路BP1及びBP2によって熱交換器16a及び18aに加熱された冷却水1を供給する。バイパス流路BP1及びBP2には、開閉弁33及び34がそれぞれ設けられており、これらの弁を制御することによって下流側の熱交換器16a及び18aに同時にあるいは個別的に加熱冷却水を供給できる。このような構成によっても下流側触媒の温度上昇が促進されて改質器の立ち上がりが早くなり、燃料電池システムの起動時間が短縮される。
【0050】
(第4の実施例)
図7は、本発明の第4の実施例を示している。同図において図1と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【0051】
この実施例では、改質器10の改質部13内に配置された熱交換器から下流側に配置されたより低温の熱交換器に加熱された冷却水を供給する構成としている。前述したように改質部13は、酸化改質反応、水蒸気改質反応によって水素を生成しており、より高温の酸化改質反応を行う触媒ユニットを備えた第1の改質部(反応部)131と、相対的に低温の水蒸気改質反応を行う触媒ユニットを備えた第2の改質部(反応部)133とを含んでいる。第1の改質部131の触媒ユニットにはこの触媒の反応に最適な温度を保つための熱交換器132が設けられている。第2の改質部133の触媒ユニットにもこの触媒の反応に最適な温度を保つための熱交換器134が設けられている。第1の実施例と同様に、起動時に冷却水1が熱交換器132に供給され、加熱された冷却水1が開閉弁32を介して下流側のCO浄化部18の触媒ユニットに設けられた熱交換器18aに供給されることによって改質ガス流路の下流側に配置されたCO浄化部18の触媒ユニットの温度上昇が促進され、改質器の立ち上がりが早くなり、燃料電池システムの起動時間が短縮される。
【0052】
(燃料電池システム)
次に、上述した冷却水供給系を備える燃料改質装置1を使用した燃料電池システムの例について図8を参照して説明する。同図において、図6と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【0053】
図8に示すように、燃料改質装置の改質器10には、燃料供給系60から原燃料が供給され、エア供給系20から酸化エアが供給され、冷却水供給系30から冷媒(伝熱媒体)としての冷却水が供給される。加熱された冷却水は改質水として利用されている。
【0054】
燃料供給系60は、メタノールを貯留した燃料タンク61、燃料ポンプ63及び64、燃料流路(配管)等によって構成され、改質器10の燃焼部11のバーナに燃料や蒸発部12に改質燃料(原燃料)を供給する。各部への燃料供給は制御部50によって制御される。
【0055】
エア供給系20は、エアフィルタ21、モータ22、エアポンプ23、エアタンク24、駆動回路25、エア流路などによって構成され、燃焼部11、改質部13、CO浄化部18、燃料電池70等に酸化エアを供給する。モータ22は、直流モータであり、制御部50によって制御されるモータ駆動回路25からPWM出力を受けて動作する。モータ駆動回路25は二次電池(あるいはキャパシタ)80から電源の供給を受ける。
【0056】
冷却水供給系30は、図5に示した構成と同様であり、開閉弁31及び32、流量調整弁35〜38、流路L1〜L10、改質水タンク41、ポンプ42等によって構成されている。改質水タンク41には、燃料電池70で生じた水が回収される。各弁の動作は制御部50によって制御される。
【0057】
改質器10の燃焼部11には、エアタンク24から燃焼用のエアが供給され、燃料タンク61から燃焼用のメタノールがポンプ63を介して供給される。また、燃料電池70から使用されずに残った水素等の残留ガスも供給される。蒸発部12には、改質の対象となる原燃料のメタノールと、改質反応に使用される水が冷却水供給30を経由して供給される。改質水は各反応部の冷媒(伝熱媒体)として既述した改質器10の各反応部の触媒ユニットなどを所定の温度に保つべく、当該反応部に配置された熱交換器にて改質ガスから熱の供給を受けて加熱されて蒸発部12に供給される。それにより、熱効率の改善が図られる。
【0058】
蒸発部で気化したメタノールと水は改質部13で水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスとなり、各反応部(高温シフト部15、低温シフト部17、CO浄化部18)一酸化炭素が低減される。この改質ガスが燃料電池70の水素極に供給される。また、その酸素極にはエアタンク24から酸化エアが供給される。それにより、燃料電池70の出力端に電気が発生する。燃料電池70が発生した電気出力は二次電池80及び図示しない車両の駆動モータを駆動するインバータに供給される。上述したように、二次電池80は、例えば、ニッケル水素二次電池を使用することできるが、大容量のキャパシタを使用しても良い。この場合には、軽量化出来る利点がある。二次電池80によって燃料電池70の補器類に必要な電源が供給される。
【0059】
燃料電池システム1を運転する制御部50は、ポンプ類や流量調整弁等を駆動し、外部から供給される各部の温度センサや圧力センサ等の出力をデジタル信号に変換する入出力ポート52、制御プログラムに従って制御処理を実行するCPU54、制御プログラムや制御データを記憶するROM56、データ処理に使用されるRAM58等によって構成される。制御部50には燃料電池システム1の各部に設けられた図示しない温度センサ、圧力センサ、COセンサ、出力電圧センサ、出力電流センサ、弁開度センサ、他のコンピュータからの車両運転情報等の燃料電池の運転制御に必要な情報信号が入力されている。制御部50はこれらの情報を適切に処理して上述した開閉弁31及び32、流量調整弁35〜38、ポンプ22、42、63及び65、モータ駆動回路25等を制御する。
【0060】
このようにして、本発明の燃料改質装置及び燃料電池システムは、改質器における逆流を阻止する手段を設けたことによってポンプ24を低圧力で使用することを可能とし、燃料電池システム自体の消費する電力を減らしたので、燃料使用の効率が向上して具合がよい。
【0061】
なお、図8に示す実施例では、1つのエアタンク24から燃焼部11と燃料電池70とに酸化エアを供給しているが、別々のポンプによって個別的に酸化エアを供給することとしても良い。
【0062】
また、燃焼部11への酸化エアの供給ルート及び燃料電池70への酸化エア供給ルートにそれぞれ流量調整弁や逆止弁を設けこととしても良い。それにより、流量設定やエア圧変動を抑制することが可能となる。
【0063】
また、タンク24は必須のものではなく、タンク24を設けないでポンプから直接本管25にエアを供給するようにしても良い。
【0064】
また、開閉弁31及び32は連続的に流量を調整することの出来る流量調整弁に置き換えることが出来る。
【0065】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料改質装置及び燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動の際に改質器の改質ガス流路の上流側に配置された反応部の熱交換器あるいはより高温の熱交換器によって加熱された伝熱媒体を下流側に配置された反応部の熱交換器に選択的に供給可能とすることによって下流側反応部の昇温を促進するので、反応部の全体の温度上昇時間が短縮される。それにより、燃料電池システムの起動時間を短縮することが可能となって具合がよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の燃料改質装置を説明する説明図である。
【図2】図2は、本発明の燃料改質装置の冷却水系の動作を説明するグラフである。
【図3】図3は、比較例の燃料改質装置を示す説明図である。
【図4】図4は、比較例の燃料改質装置の冷却水系の動作を説明するグラフである。
【図5】図5は、本発明の燃料改質装置の第2の実施例を説明する説明図である。
【図6】図6は、本発明の燃料改質装置の第3の実施例を説明する説明図である。
【図7】図7は、本発明の燃料改質装置の第4の実施例を説明する説明図である。
【図8】図8は、本発明の燃料改質装置を使用した燃料電池システムの第3の実施例を説明する説明図である。
【符号の説明】
1…燃料改質装置、2…燃料電池システム、10…改質器、20…エア供給系、30…冷却水供給系、60…燃料供給系、31,32…開閉弁、35〜38…流量調整弁、BP,BP1,BP2…冷却水のバイパス流路
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel reforming apparatus that reforms a raw fuel containing hydrogen into a hydrogen-rich fuel gas and supplies it to a fuel cell, and a fuel cell system including the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A fuel cell is a device that directly converts chemical energy of a fuel into electric energy without passing through mechanical energy or thermal energy, and can realize high energy efficiency. As a well-known form of a fuel cell, a pair of electrodes is arranged with an electrolyte layer interposed therebetween, and a fuel gas containing hydrogen is supplied to one electrode (anode side) and oxygen gas is supplied to the other electrode (a cathode side). Is supplied, and an electromotive force is obtained by utilizing an electrochemical reaction occurring at both electrodes. The following shows an equation representing an electrochemical reaction occurring in a fuel cell. Equation (1) represents the reaction at the anode, and equation (2) represents the reaction at the cathode. In the entire fuel cell, the reaction shown in equation (3) proceeds.
HTwo → 2H++ 2e-                   … (1)
(1/2) OTwo+ 2H++ 2e- → HTwoO ... (2)
HTwo+ (1/2) OTwo → HTwoO ... (3)
Fuel cells are classified according to the type of electrolyte used, operating temperature, and the like. Among these fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate electrolyte fuel cell, and the like include a hydrogen-rich gas. Can be used as a fuel gas.
[0003]
Therefore, a fuel cell is combined with a reformer to reform hydrocarbon-based raw fuels such as methanol, ethanol, natural gas, LPG, gasoline, light oil, and DME (dimethyl ether) to produce gas containing high concentration of hydrogen. Then, the fuel is supplied to a fuel cell as fuel to constitute a power generation system. Such a configuration facilitates storage and handling of fuel, and is being developed as a drive system for a next-generation vehicle.
[0004]
Reformer, for example, when reforming methanol as a raw fuel, in the reforming section so-called steam oxidation method (Steam reforming), partial oxidation method (Partial oxidation reforming) and an autothermal method using these together ( Autothermal reforming) is used to generate hydrogen-rich fuel gas. Since carbon monoxide CO is generated during this hydrogen generation process, a reaction section is further provided after the reforming section, and various catalysts are arranged in the reaction section to convert carbon monoxide CO into carbon dioxide CO.TwoShift to and decrease. Various types of catalysts are considered to perform their functions sufficiently by being maintained at a reaction temperature corresponding to the catalyst. Further, a small amount of carbon monoxide remaining in the reformed gas is converted into carbon dioxide by a selective oxidation reaction or a shift reaction in the CO purification section of the reformer.
[0005]
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-334935 discloses a fuel cell power generation system in which a hydrogen-rich gas is extracted from city gas by a reformer and used as fuel. In this example, a heat exchange coil is arranged in each reaction section to adjust the temperature of each reaction section of the reformer, and the amount of water flowing through each heat exchange coil is controlled to appropriately maintain the temperature of each reaction section. This aims to improve the operating efficiency of the fuel cell.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-10-334935
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in particular, in the case of a fuel cell system mounted on a vehicle or the like, it is indispensable to shorten the startup time of the fuel cell system in order to be able to immediately start the vehicle from a stopped state. In order to start the fuel cell system, first, the reformer must be stably operated at a predetermined temperature to generate hydrogen-rich gas stably and supply it to the fuel cell. At this time, the refrigerant flowing through the cooling unit for maintaining the reaction unit including the catalyst unit and the like inside the reformer at a constant temperature hinders the temperature rise of the reaction unit (catalyst), thereby increasing the time required for startup, It causes the starting energy to increase.
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel reforming apparatus in which the reaction section of the reformer reaches a predetermined operating temperature in a short time and the startup time is shortened.
[0009]
Another object of the present invention is to provide a fuel cell system in which the reaction section of the reformer reaches a predetermined operating temperature in a short time to shorten the startup time.
[0010]
[Means to solve the problem]
In order to achieve the above object, the fuel reforming apparatus of the present invention is provided along an evaporator for gasifying raw fuel and water and a reformed gas flow path for reforming gasified raw fuel and water. A plurality of reaction units, a plurality of heat exchangers provided in each of the reaction units, a heat medium supply means for supplying a heat transfer medium to each of the heat exchangers, and a first high-temperature reaction among the plurality of reaction units. Means for supplying a heat transfer medium from the heat exchanger of the second reaction section to the heat exchanger of the second reaction section having a relatively lower temperature, and the internal temperature of the second reaction section is reduced. And control means for operating the bypass means when the temperature is equal to or lower than a predetermined temperature.
[0011]
With this configuration, the temperature of the low-temperature reaction section can be raised for a short time, and the startup time of the fuel cell system can be shortened.
[0012]
Further, the reforming apparatus of the present invention includes an evaporating section for gasifying raw fuel and water, and a plurality of reaction sections provided along a reformed gas flow path for reforming gasified raw fuel and water. A plurality of heat exchangers provided in each of the reaction sections, a heat medium supply means for supplying a heat transfer medium to each of the heat exchangers, and a first reaction provided on the upstream side of the reformed gas flow path. Means for supplying a heat transfer medium from the heat exchanger of the second reaction section to the heat exchanger of the second reaction section provided on the downstream side, and the internal temperature of the second reaction section is equal to or lower than a predetermined temperature. And control means for operating the bypass means.
[0013]
By adopting such a configuration, it is possible to accelerate the temperature rise of the downstream reaction section where the temperature rise tends to be delayed due to the delay of heat propagation, and it is possible to shorten the startup time of the fuel cell system.
[0014]
Preferably, the bypass means supplies the heat transfer medium simultaneously or individually from the heat exchangers of the first reaction section to the heat exchangers of at least two second reaction sections. This makes it possible to raise the temperature of the low-temperature heat exchanger simultaneously or selectively.
[0015]
Preferably, the bypass means directly supplies the heat transfer medium from the heat exchanger of the first reaction section to the heat exchanger of the second reaction section. The direct connection reduces the heat propagation time.
[0016]
Preferably, any one of the plurality of reaction units includes a catalyst that generates a hydrogen-rich reformed gas from the gasified raw fuel and water, and the catalyst is set to the optimum catalyst temperature by the heat exchanger. . Thereby, the efficiency of hydrogen generation can be improved.
[0017]
Preferably, the other of the plurality of reaction units includes various catalysts for oxidizing carbon monoxide CO, and the heat exchanger sets an optimum temperature for the catalyst. Thereby, various catalysts are set to the appropriate temperatures in a short time.
[0018]
Preferably, the control means operates the bypass means when the apparatus is started. As a result, it becomes possible to activate the reformer of the fuel cell system whose temperature has decreased at the time of start-up in a short time.
[0019]
Preferably, the heat transfer medium is water, and the heated water is supplied to the evaporator through the heat exchanger. Thereby, the thermal efficiency is increased.
[0020]
Preferably, the difference between the flow rate of the water heated via the heat exchanger and supplied to the evaporator and the flow rate of the water required by the evaporator is compensated for by the supply of the bypass water. As a result, it is possible to achieve both the flow of water to the appropriate heat exchanger for temperature control and the supply of the required amount of reformed water.
[0021]
Further, a fuel cell system of the present invention includes the above-described fuel reformer and a fuel cell which generates electricity by receiving a supply of reformed gas from the fuel reformer.
[0022]
With this configuration, it is possible to provide a fuel cell system that can be started in a short time.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0024]
The reformer includes a combustion section, an evaporation section, a reforming section, a reaction section, and a CO purification section. The combustion section supplies the heat source required by the reformer. The evaporator gasifies the raw fuel and water. The reforming section generates a reformed gas (hydrogen-rich gas) containing a large amount of hydrogen by a steam reforming reaction. The reaction section has a plurality of shift reaction sections on the downstream side of the reformed gas flow path in order to reduce carbon monoxide CO generated when hydrogen is generated in the reforming section. The CO purifier reduces a trace amount of carbon monoxide remaining in the reformed gas by a selective oxidation reaction. Note that a plurality of types of catalysts are used to promote a chemical reaction in each part. Here, the reforming section, the reaction section, and the CO purification section correspond to a plurality of reaction sections. The heat supplied from the combustion section to the reforming section is transmitted to the reforming section, the reaction section, and the CO purification section by the vaporized gas or the like, and increases the temperature of the catalyst unit disposed in each section. Although a plurality of types of catalysts are provided in the above-described reaction section and the like, these catalysts each have an appropriate temperature. Therefore, reforming water used for steam reforming for both temperature setting and heat recovery is used as a catalyst unit. As a cooling medium (heat transfer medium). For this reason, it takes time for each catalyst to reach the optimum temperature and supply reformed gas to the fuel cell.
[0025]
Therefore, in the embodiment of the present invention, when the fuel cell system is started, a heat transfer medium (refrigerant) heated by the heat exchanger that first becomes high in temperature among the plurality of heat exchangers in the reformer is used. It is used to heat the heat exchanger in the section. In addition, by changing the heat exchanger to which the heated heat transfer medium is supplied in accordance with the temperature state of each section of the reformer during startup, the temperature rise of each section (catalyst unit) of the reformer can be entirely reduced. Facilitate.
[0026]
(First embodiment)
FIG. 1 is an explanatory diagram schematically illustrating a fuel reforming apparatus of the present invention. FIG. 1 shows a reformer 10 and a cooling water supply system 30 of the fuel reformer 1. The reformer 10 is supplied with fuel from a raw fuel supply system (not shown) and oxidized air from an air supply system. These auxiliary systems will be described later in a fuel cell system.
[0027]
The reformer 10 generates a hydrogen-rich reformed gas from a raw fuel containing hydrogen atoms, and includes a combustion unit 11, an evaporation unit 12, a reforming unit 13, a cooling unit 14, a high-temperature shift reaction unit 15, The cooling unit 16, the low-temperature shift reaction unit 17, and the CO purification unit 18 are configured. As a raw fuel containing hydrogen atoms, methane (CHFour), Ethane (CTwoH6), Propane (CThreeH8), Butane (CFourHTen), Gasoline, light oil, natural gas, methanol (CHThreeOH), ethanol (CTwoHFiveOH), DME (CHThreeOCHThree), Acetone (CHThreeC (= O) CHThree) Can be used, but the following example describes the case where methanol is used.
[0028]
The combustion unit 11 generates heat necessary for performing a methanol reforming reaction (endothermic reaction) by burning methanol or surplus hydrogen from a fuel cell (not shown), and is provided in the evaporating unit 12 and the reforming unit 13. To the heat exchanger.
[0029]
The evaporator 12 receives heat from the combustor 11 in the heat exchanger, and uses this heat to vaporize methanol and water supplied from a methanol tank and a water tank described later.
[0030]
The reforming section 13 is provided with an electric heater as a means for heating the inside in addition to a catalyst for reforming the reformed raw material vaporized in the evaporating section 12 to secure an appropriate reaction temperature. When the reformer 10 is in a steady state, the inside of the reforming section 13 can be maintained at a temperature suitable for the reforming reaction by the heater and the heat balance of the reforming reaction. The reforming unit 13 is filled with, for example, pellets formed of a Cu—Zn catalyst, which is a catalytic metal that promotes a reforming reaction, and receives a supply of sufficiently heated methanol and water vaporized gas. To cause a steam reforming reaction and a partial oxidation reforming reaction to generate a hydrogen-rich reformed gas.
[0031]
The steam reforming reaction is
CHThreeOH + HTwoO → COTwo+ 3HTwo-131 (kJ / mol) ... (4)
CHThreeOH → CO + 2HTwo                            … (5)
CO + HTwoO → COTwo+ HTwo                            … (6)
As shown.
[0032]
Further, in the reforming section 13, oxidized air (OTwo: 21%, NTwo: 79%) to generate hydrogen by a partial oxidation reforming reaction (not shown).
[0033]
The partial oxidation reforming reaction is
CHThreeOH + 1 / 2OTwo+ 1.9NTwo→ 2HTwo+ COTwo+155 (kJ / mol) ... (7)
CHThreeOH + 3 / 2OTwo+ 5.7NTwo→ + COTwo+ 2HTwoO + 5.7NTwo    … (8)
2CHThreeOH + 2HTwoO → 6HTwo+ 2COTwo+ 2HTwoO ... (9)
As shown.
[0034]
The reformed gas generated in the reforming section 13 contains a small amount of carbon monoxide. In order to reduce the function of the platinum catalyst used in the electrode of the fuel cell, a shift reaction unit that converts carbon monoxide into carbon dioxide by a shift reaction is provided downstream of the reforming unit 13. In the shift reaction section, a plurality of reaction sections are arranged to promote the oxidation of carbon monoxide in various operating states by using different types of catalysts. In the embodiment, a high-temperature shift reaction section 15 that exhibits a catalytic function at a high temperature and a low-temperature shift reaction section 17 that exhibits a catalytic function even at a low temperature are arranged. Further, a CO purifying unit 18 described later is arranged as a reaction unit that uses a selective oxidation reaction.
[0035]
For example, the operating temperature of the catalyst unit of the high-temperature shift reaction unit 15 is about 300 ° C. (first target temperature), and the operating temperature of the 17 catalyst units of the low-temperature shift reaction unit is about 200 ° C. (second target temperature). Is set. In order to perform such a temperature setting, the high temperature shift reaction unit 15 and the low temperature shift reaction unit 17 are provided with cooling units 14 and 16, respectively. The high-temperature shift reaction unit 15 and the low-temperature shift reaction unit 17 are provided with temperature sensors 15a and 17a for detecting the temperature of the catalyst unit, respectively. The cooling units 14 and 16 are constituted by, for example, heat exchangers 14a and 16a provided in the reformed gas channel or the catalyst unit. Cooling water is supplied to each heat exchanger from an external coolant supply source (not shown). For example, the cooling water 1 is supplied to the heat exchanger 14a from the outside, and the cooling water 2 is supplied to the heat exchanger 16a. By adjusting the flow rate of each cooling water, it is possible to control so that the temperature Tn detected by the temperature sensor of each reaction section becomes a desired temperature. This is performed by the control unit 50 described later.
[0036]
Although the concentration of carbon monoxide in the reformed gas decreases through the high-temperature shift reaction section 15 and the low-temperature shift reaction section 17, a small amount of carbon monoxide still remains. This is removed in the CO purifier 18 so that hydrogen is not reduced by the selective oxidation reaction. The selective oxidation reaction is
CO + 1 / 2OTwo→ COTwo
As shown. In this case, a catalyst is used.
[0037]
In the CO purifying unit 18, a platinum catalyst, a ruthenium catalyst, a palladium catalyst, a gold catalyst, and an alloy catalyst using these are selected catalysts for carbon monoxide in order to oxidize carbon monoxide in preference to hydrogen in the reformed gas. A carrier supporting the above is filled in the catalyst unit. Then, oxidizing air is supplied from outside to convert carbon monoxide into carbon dioxide by a selective oxidation reaction. The CO purifier 18 is provided with a heat exchanger 18a to which the cooling water 3 is supplied to maintain the temperature T3 of the catalyst unit at an appropriate temperature, for example, 150 ° C. (third target temperature), and a temperature sensor for detecting the catalyst temperature. 18b. By adjusting the flow rate of the cooling water 3, the temperature T3 can be controlled to an appropriate temperature. This is performed by the control unit 50. The reformed gas whose carbon monoxide has been reduced through the high-temperature shift reaction unit 15, the low-temperature shift reaction unit 17, and the CO purification unit 18 is supplied to a fuel cell described later.
[0038]
Next, the cooling water supply system 30 will be described. The cooling water 1 is heated from a coolant supply source via the heat exchanger 14 a and supplied to the evaporator 12 via the on-off valve 31. The cooling water 1 can be supplied to the heat exchanger 18a of the CO purification unit 18 as the cooling water 3 via the on-off valve 32 and the bypass flow path BP. The cooling water 2 is heated through the heat exchanger 16a and supplied to the evaporating section 12. The cooling water 3 is heated through the heat exchanger 16a and supplied to the evaporating section 12. By using the heated cooling water as the reforming water supplied to the evaporator, the thermal efficiency is improved. In addition, bypass water can be supplied from the water tank to the evaporator 11 for supplying reformed water at the time of startup.
[0039]
Next, the supply control of the cooling water (heat transfer medium) by the control unit 50 at the time of starting the fuel cell system will be described with reference to FIG.
[0040]
When the start is commanded from the outside, the control unit 50
(a) The on-off valve 31 is closed, and the on-off valve 32 is opened. The supply of the cooling water 1 to 3 is stopped.
(b) Fuel, such as methanol, oxidized air, and surplus hydrogen of a fuel cell, is supplied to the combustion unit 11 to ignite and start the burner to generate high-temperature combustion gas. This combustion gas is supplied to the heat exchanger of the evaporator 12, and generates a high-temperature gas such as air. This high-temperature gas is guided to the CO purification unit 18 downstream along the flow path of the reforming unit 13 to increase the temperature of the flow path. Note that the high-temperature combustion gas can be guided to the heat pipe of the reforming section by an exhaust gas pipe, and heat exchange can be performed to increase the temperature of the catalyst unit of the reforming section. In addition, the catalyst unit such as the reforming unit 13 may be operated to raise the temperature of the catalyst unit to a predetermined temperature.
(c) The control unit 50 monitors the output temperature T1 of the temperature sensor 15a of the catalyst unit of the high-temperature shift unit 15. Since the cooling water 1 is not supplied to the heat exchanger 14a, the catalyst temperature T1 of the high-temperature shift section 15 rises rapidly.
(d) When the temperature of the catalyst unit of the high-temperature shift unit 15 becomes, for example, 270 ° C. due to internal heat transfer, the control unit 50 supplies methanol and bypass water to the evaporation unit 12. Methanol and bypass water are supplied to the reforming section 13 as high-temperature gas in a heat exchanger (not shown) of the evaporating section 12, and high-temperature reformed gas is generated. As the temperature of the reforming section 13 rises and the generated reformed gas is generated, the catalyst temperature T1 of the high-temperature shift section 15 rises slightly to overshoot.
(e) For example, when the catalyst temperature T1 of the high-temperature shift unit 15 reaches 350 ° C., the control unit 50 stops supplying the bypass water and supplies the same amount of the cooling water 1 to the heat exchanger 14a. At this time, since the on-off valve 31 is still closed and the on-off valve 32 is open, the cooling water 1 heated by the heat exchanger 14a passes through the on-off valve 32 and the bypass flow path BP to generate heat of the CO purifying unit 18. It is supplied to the exchanger 18a. Since the cooling water 3 is not supplied, the heat exchanger 18a is heated by the cooling water 1 of the heat exchanger 14a.
(f) When the temperature T1 of the heat exchanger 14a decreases to about 300 ° C. by passing water, the control unit 50 adjusts (decreases) the flow rate of the cooling water 1 to stabilize the catalyst temperature of the high-temperature shift unit 15 at 300 ° C. The reduced flow is compensated by passing the bypass water.
(g) The controller 50 opens the on-off valve 31 and closes the on-off valve 32 when the supply of the heated cooling water 1 causes the catalyst temperature T3 of the CO purification unit 18 to exceed about 120 ° C. The supply destination is switched from the CO purification unit 18 to the evaporation unit 12.
(h) When the temperature of the low-temperature shift unit 17 reaches about 150 ° C., the control unit 50 starts supplying the cooling water 2. The flow rate of the bypass water corresponding to the supply amount is reduced.
(i) When the temperature T2 of the low-temperature shift unit 17 reaches about 200 ° C., the control unit 50 sets (decreases) the cooling water 2 to a flow rate at which this temperature can be maintained, and uses the reduced water by bypass water. compensate.
(j) When the temperature of the CO purification unit 18 rises to about 150 ° C., the control unit 50 starts flowing the cooling water 3 and maintains the temperature. This passing water is reduced from the bypass water.
(k) The control unit 50 is assigned so that the total amount of the bypass water and each cooling water described above becomes the amount of the reforming water required by the reforming unit 13. In other words, the difference between the required reforming water amount and each cooling water amount is supplemented by bypass water.
[0041]
In this way, the cooling water heated in the upstream high-temperature section promotes the temperature rise in the most downstream CO purification section 18, so that the riser of the reformer is quickened and the startup time of the fuel cell system is shortened. Is done.
[0042]
(Comparative example)
FIG. 3 shows a reformer of a comparative example. In the figure, parts corresponding to those of the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description of such parts is omitted. In the comparative example, the cooling waters 1 to 3 are used as in the first embodiment described above, but the cooling waters 1 to 3 are supplied to the cooling units 14 and 16 and the CO purification unit 18 after the fuel cell system is started. It is configured to supply.
[0043]
FIG. 4 shows the supply of the cooling water 1 to 3 and the temperature rise characteristics of the cooling units 14 and 16 and the CO purifying unit 18 in this case. In the rising characteristics shown in FIG. 4, the portions corresponding to the characteristics shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals.
[0044]
The reformed gas and the reformed water supplied upstream of the reformer are heated, turned into a high-temperature gas containing steam, and transported downstream. However, since the temperature of the downstream catalyst is low at the time of start-up, the steam becomes condensed water after heating the catalyst and adheres to the catalyst. In order to convert this condensed water into steam, a high-temperature gas from further upstream is required. Therefore, the temperature of the downstream catalyst is constant at around 100 ° C. for a long time at the time of startup, and it takes a long time to reach an appropriate temperature. As a countermeasure, an electric heater or the like is often used for the catalyst on the downstream side. However, since electric energy is required, the efficiency is reduced. Further, in the heater, the temperature distribution and the heat radiation to the outside easily occur.
[0045]
On the other hand, in the first embodiment, the flow path of the cooling water heated in the high-temperature section on the upstream side can be switched, thereby heating the low-temperature catalyst on the downstream side, so that the temperature rise of the downstream-side catalyst is promoted. As a result, the rise of the reformer is quickened, and the start-up time of the fuel cell system is reduced.
[0046]
(Second embodiment)
FIG. 5 shows a second embodiment of the present invention. In the figure, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description of such parts is omitted.
[0047]
In this embodiment, the cooling waters 1 to 3 are supplied from one cooling water supply source. The cooling water supply source includes a water tank 41 storing cooling water (reformed water) and a pump 42. The cooling water 1 is supplied from the pump 42 to the cooling unit 14 via the flow paths L1 and L2 and the flow control valve 35. The supply amount of the cooling water 1 can be set by adjusting the opening of the flow control valve 35. The cooling water 2 is supplied from the pump 42 to the cooling unit 16 via the flow paths L1, L3 and the flow control valve 36. The supply amount of the cooling water 2 can be set by adjusting the opening of the flow control valve 36. The cooling water 3 is supplied from the pump 42 to the CO purification unit 14 via the flow paths L1 and L4 and the flow control valve 37. The supply amount of the cooling water 3 can be set by adjusting the opening of the flow control valve 37. In addition, the bypass water is supplied from the pump 42 to the evaporating unit 12 via the flow paths L1, L9, the flow control valves 38, and L10. By adjusting the opening of the flow control valve 35, the supply amount of bypass water can be set. As described above, the bypass water is used to compensate for the shortage of the cooling water that is heated and used as the reforming water, and to secure a required amount of the reforming water. The flow control valves 35 to 38 are controlled by the control unit 50.
[0048]
(Third embodiment)
FIG. 6 shows a third embodiment of the present invention. In the figure, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description of such parts is omitted.
[0049]
In this embodiment, the cooling water 1 heated by the heat exchanger 14a on the upstream side of the reformer 10 can be selectively or simultaneously supplied to the plurality of heat exchangers 16a and 18a arranged on the downstream side so that the cooling water 1 can be supplied on the downstream side. The configuration is such that the temperature rise of the reaction section is accelerated. For this reason, the heated cooling water 1 is led to the downstream side by the bypass flow path BP, and is further heated by the heat exchangers 16a and 18a by the bypass flow paths BP1 and BP2 branched from the bypass flow path BP. Supply. Opening / closing valves 33 and 34 are provided in the bypass passages BP1 and BP2, respectively, and by controlling these valves, heating / cooling water can be supplied to the downstream heat exchangers 16a and 18a simultaneously or individually. . With such a configuration as well, the temperature rise of the downstream catalyst is promoted, the rise of the reformer is accelerated, and the startup time of the fuel cell system is shortened.
[0050]
(Fourth embodiment)
FIG. 7 shows a fourth embodiment of the present invention. In the figure, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description of such parts is omitted.
[0051]
In this embodiment, the heated cooling water is supplied from a heat exchanger arranged in the reforming section 13 of the reformer 10 to a lower-temperature heat exchanger arranged on the downstream side. As described above, the reforming unit 13 generates hydrogen by an oxidation reforming reaction and a steam reforming reaction, and includes a first reforming unit (reaction unit) having a catalyst unit for performing a higher-temperature oxidation reforming reaction. ) 131, and a second reforming section (reaction section) 133 having a catalyst unit for performing a steam reforming reaction at a relatively low temperature. The catalyst unit of the first reforming section 131 is provided with a heat exchanger 132 for maintaining an optimum temperature for the reaction of the catalyst. The catalyst unit of the second reforming section 133 is also provided with a heat exchanger 134 for maintaining a temperature optimum for the reaction of the catalyst. As in the first embodiment, the cooling water 1 is supplied to the heat exchanger 132 at the time of startup, and the heated cooling water 1 is provided to the catalyst unit of the downstream CO purification unit 18 via the on-off valve 32. By being supplied to the heat exchanger 18a, the temperature rise of the catalyst unit of the CO purification unit 18 disposed downstream of the reformed gas flow path is promoted, the rise of the reformer is accelerated, and the start of the fuel cell system is started. Time is reduced.
[0052]
(Fuel cell system)
Next, an example of a fuel cell system using the fuel reformer 1 having the above-described cooling water supply system will be described with reference to FIG. In the figure, the same reference numerals are given to portions corresponding to FIG. 6, and description of such portions will be omitted.
[0053]
As shown in FIG. 8, raw fuel is supplied to the reformer 10 of the fuel reformer from the fuel supply system 60, oxidized air is supplied from the air supply system 20, and refrigerant (transfer) is supplied from the cooling water supply system 30. Cooling water is supplied as a heat carrier. The heated cooling water is used as reforming water.
[0054]
The fuel supply system 60 includes a fuel tank 61 storing methanol, fuel pumps 63 and 64, a fuel flow path (piping), and the like. The burner of the combustion unit 11 of the reformer 10 reforms the fuel and the evaporation unit 12. Supply fuel (raw fuel). The fuel supply to each section is controlled by the control section 50.
[0055]
The air supply system 20 includes an air filter 21, a motor 22, an air pump 23, an air tank 24, a drive circuit 25, an air flow path, and the like. The air supply system 20 includes a combustion unit 11, a reforming unit 13, a CO purification unit 18, a fuel cell 70, and the like. Supply oxidizing air. The motor 22 is a DC motor, and operates by receiving a PWM output from a motor drive circuit 25 controlled by the control unit 50. The motor drive circuit 25 receives power from a secondary battery (or capacitor) 80.
[0056]
The cooling water supply system 30 has the same configuration as that shown in FIG. 5 and includes on-off valves 31 and 32, flow rate adjustment valves 35 to 38, flow paths L1 to L10, a reforming water tank 41, a pump 42, and the like. I have. The water generated in the fuel cell 70 is collected in the reforming water tank 41. The operation of each valve is controlled by the control unit 50.
[0057]
Air for combustion is supplied from the air tank 24 to the combustion section 11 of the reformer 10, and methanol for combustion is supplied from the fuel tank 61 via the pump 63. Further, residual gas such as hydrogen remaining without being used is also supplied from the fuel cell 70. To the evaporator 12, methanol as raw fuel to be reformed and water used for the reforming reaction are supplied via a cooling water supply 30. The reformed water is used as a refrigerant (heat transfer medium) in each reaction section by a heat exchanger disposed in each reaction section in order to maintain the catalyst unit and the like in each reaction section of the reformer 10 described above at a predetermined temperature. Heat is supplied from the reformed gas and heated to be supplied to the evaporator 12. Thereby, the thermal efficiency is improved.
[0058]
The methanol and water vaporized in the evaporating section become a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction in the reforming section 13, and each reaction section (high-temperature shift section 15, low-temperature shift section 17, CO purification section 18) converts carbon monoxide. Reduced. This reformed gas is supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell 70. Oxidized air is supplied from the air tank 24 to the oxygen electrode. As a result, electricity is generated at the output end of the fuel cell 70. The electric output generated by the fuel cell 70 is supplied to a secondary battery 80 and an inverter that drives a drive motor of a vehicle (not shown). As described above, as the secondary battery 80, for example, a nickel-metal hydride secondary battery can be used, but a large-capacity capacitor may be used. In this case, there is an advantage that the weight can be reduced. The secondary battery 80 supplies necessary power to the accessories of the fuel cell 70.
[0059]
A control unit 50 that operates the fuel cell system 1 drives pumps, a flow control valve, and the like, and an input / output port 52 that converts an output of a temperature sensor or a pressure sensor of each unit supplied from the outside into a digital signal. It comprises a CPU 54 for executing a control process according to a program, a ROM 56 for storing a control program and control data, a RAM 58 used for data processing, and the like. The control unit 50 includes a fuel sensor such as a temperature sensor, a pressure sensor, a CO sensor, an output voltage sensor, an output current sensor, a valve opening sensor, a vehicle opening information from another computer, and the like, which are provided in each part of the fuel cell system 1. An information signal required for battery operation control is input. The control unit 50 appropriately processes the information to control the above-described on-off valves 31 and 32, the flow rate regulating valves 35 to 38, the pumps 22, 42, 63 and 65, the motor drive circuit 25, and the like.
[0060]
In this manner, the fuel reformer and the fuel cell system of the present invention allow the pump 24 to be used at a low pressure by providing the means for preventing backflow in the reformer, and the fuel cell system itself can be used. Since the power consumption is reduced, the efficiency of fuel use is improved and the condition is good.
[0061]
In the embodiment shown in FIG. 8, the oxidizing air is supplied from one air tank 24 to the combustion unit 11 and the fuel cell 70, but the oxidizing air may be supplied separately by separate pumps.
[0062]
Further, a flow regulating valve and a check valve may be provided on the oxidizing air supply route to the combustion unit 11 and the oxidizing air supply route to the fuel cell 70, respectively. Thereby, it becomes possible to suppress the flow rate setting and the air pressure fluctuation.
[0063]
Further, the tank 24 is not essential, and air may be directly supplied from the pump to the main pipe 25 without providing the tank 24.
[0064]
Further, the opening / closing valves 31 and 32 can be replaced with flow rate adjusting valves capable of continuously adjusting the flow rate.
[0065]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel reforming apparatus and the fuel cell system of the present invention, the heat exchange of the reaction unit disposed on the upstream side of the reformed gas flow path of the reformer at the time of starting the fuel cell system. Since the heat transfer medium heated by the heat exchanger or the higher-temperature heat exchanger can be selectively supplied to the heat exchanger of the reaction unit arranged on the downstream side, the temperature increase of the downstream reaction unit is promoted. The overall temperature rise time of the reaction section is reduced. Thereby, the startup time of the fuel cell system can be reduced, which is favorable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a fuel reforming apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a graph illustrating an operation of a cooling water system of the fuel reformer of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory view showing a fuel reforming apparatus of a comparative example.
FIG. 4 is a graph illustrating an operation of a cooling water system of a fuel reformer of a comparative example.
FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating a second embodiment of the fuel reformer of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating a third embodiment of the fuel reformer of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a fourth embodiment of the fuel reformer of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating a third embodiment of the fuel cell system using the fuel reformer of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel reformer, 2 ... Fuel cell system, 10 ... Reformer, 20 ... Air supply system, 30 ... Cooling water supply system, 60 ... Fuel supply system, 31, 32 ... On-off valve, 35-38 ... Flow rate Regulating valve, BP, BP1, BP2 ... bypass passage for cooling water

Claims (10)

原燃料と水とをガス化する蒸発部と、
ガス化した原燃料と水とを改質する改質ガス流路に沿って設けられる複数の反応部と、
各反応部にそれぞれ設けられる複数の熱交換器と、
各熱交換器に伝熱媒体を供給する熱媒体供給手段と、
前記複数の反応部のうち高温の第1の反応部の熱交換器からこれよりも相対的に低温である第2の反応部の熱交換器に伝熱媒体を供給することを可能とするバイパス手段と、
前記第2の反応部の内部温度が所定温度以下である場合に前記バイパス手段を動作させる制御手段と、
を備える燃料改質装置。
An evaporator for gasifying raw fuel and water;
A plurality of reaction units provided along a reformed gas flow path for reforming gasified raw fuel and water,
A plurality of heat exchangers provided in each reaction section,
Heat medium supply means for supplying a heat transfer medium to each heat exchanger,
A bypass that enables a heat transfer medium to be supplied from the heat exchanger of the first reaction section having a higher temperature among the plurality of reaction sections to the heat exchanger of the second reaction section having a relatively lower temperature. Means,
Control means for operating the bypass means when the internal temperature of the second reaction section is equal to or lower than a predetermined temperature;
A fuel reformer comprising:
原燃料と水とをガス化する蒸発部と、
ガス化した原燃料と水とを改質する改質ガス流路に沿って設けられる複数の反応部と、
各反応部にそれぞれ設けられる複数の熱交換器と、
各熱交換器に伝熱媒体を供給する熱媒体供給手段と、
前記改質ガスの流路の上流側に設けられた第1の反応部の熱交換器から下流側に設けられた第2の反応部の熱交換器に伝熱媒体を供給することを可能とするバイパス手段と、
前記第2の反応部の内部温度が所定温度以下である場合に前記バイパス手段を動作させる制御手段と、
を備える燃料改質装置。
An evaporator for gasifying raw fuel and water;
A plurality of reaction units provided along a reformed gas flow path for reforming gasified raw fuel and water,
A plurality of heat exchangers provided in each reaction section,
Heat medium supply means for supplying a heat transfer medium to each heat exchanger,
It is possible to supply a heat transfer medium from the heat exchanger of the first reaction unit provided on the upstream side of the flow path of the reformed gas to the heat exchanger of the second reaction unit provided on the downstream side. Means for bypassing;
Control means for operating the bypass means when the internal temperature of the second reaction section is equal to or lower than a predetermined temperature;
A fuel reformer comprising:
前記バイパス手段は、前記第1の反応部の熱交換器から少なくとも2つの第2の反応部の熱交換器に前記伝熱媒体を同時に又は個別的に供給する、請求項1又は2に記載の燃料改質装置。3. The method according to claim 1, wherein the bypass unit supplies the heat transfer medium simultaneously or individually from the heat exchanger of the first reaction section to the heat exchangers of at least two second reaction sections. 4. Fuel reformer. 前記バイパス手段は、前記第1の反応部の熱交換器から前記第2の反応部の熱交換器に前記伝熱媒体を直接供給する、請求項1乃至3のいずれかに記載の燃料改質装置。4. The fuel reformer according to claim 1, wherein the bypass unit directly supplies the heat transfer medium from the heat exchanger of the first reaction section to the heat exchanger of the second reaction section. 5. apparatus. 前記複数の反応部のいずれかは前記ガス化した原燃料と水から水素リッチな改質ガスを生成する触媒を含み、前記熱交換器によって当該触媒の最適温度に設定される請求項1乃至4のいずれかに記載の燃料改質装置。5. The catalyst according to claim 1, wherein one of the plurality of reaction units includes a catalyst that generates a hydrogen-rich reformed gas from the gasified raw fuel and water, and the heat exchanger sets the catalyst to an optimum temperature. The fuel reformer according to any one of the above. 前記複数の反応部のいずれかは一酸化炭素を酸化する触媒を含み、前記熱交換器によって当該触媒の最適温度に設定される請求項1乃至4のいずれかに記載の燃料改質装置。5. The fuel reformer according to claim 1, wherein any one of the plurality of reaction units includes a catalyst for oxidizing carbon monoxide, and the heat exchanger sets the temperature to an optimum temperature of the catalyst. 6. 前記制御手段は、装置の起動時に前記バイパス手段を動作させる、請求項1乃至6のいずれかに記載の燃料改質装置。The fuel reformer according to claim 1, wherein the control unit operates the bypass unit when the device is started. 前記伝熱媒体は水であり、前記熱交換器を経由して加熱された水が前記蒸発部に供給される、請求項1乃至7のいずれかに記載の燃料改質装置。The fuel reformer according to any one of claims 1 to 7, wherein the heat transfer medium is water, and water heated via the heat exchanger is supplied to the evaporator. 前記熱交換器を経由して加熱されて前記蒸発部に供給される水の流量と前記蒸発部が必要とする水の流量との差をバイパス水の供給で補う、請求項8に記載の燃料改質装置。9. The fuel according to claim 8, wherein a difference between a flow rate of water heated via the heat exchanger and supplied to the evaporator and a flow rate of water required by the evaporator is compensated for by supply of bypass water. Reformer. 請求項1乃至9のいずれかに記載の燃料改質装置と、この燃料改質装置から改質ガスの供給を受けて電気を発生する燃料電池と、を含む燃料電池システム。A fuel cell system comprising: the fuel reforming apparatus according to any one of claims 1 to 9; and a fuel cell that generates electricity by receiving a supply of reformed gas from the fuel reforming apparatus.
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