【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は炭化水素系燃料を改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質システムに関するものであり、特に燃料改質システムの起動に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電源の一つとして燃料電池が着目されている。燃料電池とは、燃料として最終的に供給される水素やメタノールなどの酸化により発電を行う装置をいい、高効率で発電できる特長がある。また、水素を燃料とする燃料電池から排出されるのは水蒸気であり、有害な成分が含まれないため環境性に非常に優れるという利点もある。
【０００３】
また、メタノールやガソリンなどの炭化水素系燃料から水素を生成し、前記燃料電池に供給する改質器を備える改質型燃料電池システムの研究も盛んに行われている。
【０００４】
この改質器の内部には改質反応用の触媒が充填されている。例えばメタノールのＡＴＲ（オートサーマルリフォーミング）反応では、次の二つの反応で表される。
【０００５】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋３Ｈ２ （１）
ＣＨ３ＯＨ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２ （２）
（１）式は吸熱反応であり、（２）式が発熱反応である。
【０００６】
改質触媒にはこの反応を起こすための最適温度が存在し、メタノールにおいては４００ ℃付近、ガソリンにおいては７００ ℃付近である。
【０００７】
また、２００ ℃以下で作動する燃料電池においては、電極の白金などの触媒がＣＯにより被毒されるため、該燃料電池に供給する水素ガス中のＣＯ濃度は１％以下にする必要がある。また、特に１００ ℃以下で作動する固体高分子型燃料電池に供給する水素含有ガス中のＣＯ濃度は少なくとも数十ｐｐｍ以下、好ましくは数ｐｐｍ以下にする必要がある。このため、メタノールやガソリンなどの炭化水素系燃料から水素を生成する改質器を備える改質型燃料電池システムにおいては、一般的に改質器と燃料電池の間に改質器で生成された改質ガス中のＣＯ濃度を低減するためのＣＯ除去触媒を備えたＣＯ除去部が設けられる。
【０００８】
ＣＯ除去部の反応としては以下のシフト反応（３）とＰＲＯＸ反応（４）がよく用いられている。
【０００９】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ （３）
２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２ （４）
それぞれの除去部にはシフト反応触媒、ＰＲＯＸ反応触媒が存在し、最適触媒温度はそれぞれ、約２５０ ℃〜４００ ℃、約２００ ℃である。
【００１０】
前記改質器において起動時に改質反応、ＣＯ除去反応に適したそれぞれの触媒活性温度まで短時間で加熱するために、起動用燃焼器を備える例が知られている。起動用燃焼器には燃焼室に加熱用燃料を供給する燃料噴射手段と、この燃焼室に供給された加熱用燃料を点火させる点火用プラグとが備えられており、燃料改質システムの起動時に前記燃焼室内で燃焼が行われて燃焼室に連通する改質器に燃焼ガスが直接供給される。
【００１１】
前記ＡＴＲ反応とシフト反応においては反応物質として水が必要であるため、燃料電池システムにおいては水貯留部を備える、または燃料電池システムから外部に排出される水をコンデンサや湿度交換型熱交換器などの手段を用いて回収するなどの手段で改質部に水を供給する必要がある。しかし、起動時、外気温度が氷点下である場合は水貯留部内の水が凍結し改質に必要な水が得られない。この問題を解決するため、特許文献１では水貯留部内が凍結しているときに電熱ヒータ、液体燃料の燃焼などの手段で水タンク内の氷を溶かして、改質運転を行うとしている。
【００１２】
【特許文献１】
特開２０００−１４９９７０
【００１３】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかし、上記の発明では、氷点下での起動時に燃料電池システムを起動し、改質運転を開始するまでに時間がかかるといった問題点がある。
【００１４】
本願発明はこのような問題を解決するために提案されたもので、氷点下での速やかな起動の実現することを目的とする。
【００１５】
【問題点を解決するための手段】
本願発明では水素リッチな改質ガスに改質する改質部と、原料を燃焼し高温ガスを改質器へ供給する起動用燃焼器と、改質部に供給する水を加熱する熱交換器とを備える。熱交換器内には表面積が広い水貯留部を備え、改質部より排出される高温ガスと水貯留部が熱交換を行う。
【００１６】
【作用及び効果】
起動用燃焼器で原料を燃焼して発生した高温ガスを改質部に供給することで各改質器を所定の温度まで素早く加熱し、更に改質に用いる水を高温ガスと熱交換することにより、改質器を素早く起動することができ、システムの熱効率を上げることができる。特に、氷点下起動時には熱交換器内の氷を素早く溶かすことができるので、改質部へ素早い水供給ができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
パワープラントシステムの構成を図１に示す。
【００１８】
パワープラントシステムは炭化水素系燃料（例えばガソリン燃料）から水素を生成する燃料改質システム１、水素と空気の反応により電力を取り出す燃料電池２、燃料電池２で発電した電気エネルギーを運動エネルギーに変える駆動用モータ３、燃料電池で応答することができない負荷変動を補助的に補い、また電熱ヒータ２５へ電力を供給する電力供給源４、それらを制御するコントロールユニット５からなる。
【００１９】
本発明の実施形態の燃料改質システムを図２に示す。７は起動用燃焼器であり、燃料タンク６から燃料ポンプ１６により供給される燃料とブロワ８から供給される空気を燃焼させ高温ガスを生成する。９は改質反応器であり、起動時には起動用燃焼器７からの高温ガスの供給を受け、また、改質運転時には燃料タンク６から燃料、ブロワ８から空気、熱交換器１２などから水を供給され、ＡＴＲ反応により水素リッチな改質ガスを生成する。１０はシフト反応器であり、改質反応器９で生成された改質ガス中のＣＯをシフト反応によって低減する。１１はＰＲＯＸ反応器であり、シフト反応器１０で低減されたＣＯ濃度をＰＲＯＸ反応により更に低減する。熱交換器１２ではＰＲＯＸ反応器１１から排出された高温ガスが水または氷と熱交換を行う。熱交換によって暖められた水は蒸発器２７によって水蒸気となり、改質器９、シフト反応器１０に供給される。１３は第３水貯留部であるメイン水タンクで改質用の水を貯蔵している。１４はシャットバルブであり、熱交換器１２とメイン水タンク１３を接続している水流路管を遮断する。１５はシャットバルブであり、燃料改質システムが停止する際に開弁して熱交換器１２から改質反応器９とシフト反応器１０へ連通する配管内の水を除去する。１７は水ポンプであり、改質反応器９とシフト反応器１０に熱交換器１２とメイン水タンク１３からの水を供給する。１８は水ポンプであり、燃料電池システム停止時に水流路管内の水をメイン水タンク１３へ排出する。
【００２０】
熱交換器１２の構成について図３を用いて説明する。熱交換器１２は内部に第１水貯留部である水流路管１９を設けており、水流路管１９内の水がＰＲＯＸ反応器１１から排出された高温ガスと熱交換を行う。ＰＲＯＸ反応器１１から排出された高温ガスは熱交換器１２に図のＡより導入され、Ｂより排出される。熱交換器１２内には隔壁１２ａが設けてあり、この隔壁１２ａは高温ガスが蛇行するように複数設置してあるために、高温ガスは水流路管１９と接触面積が広くなり、水と高温ガスの熱交換率は高い。この熱交換器１２には高温ガスと水流路管１９が熱交換を行う際に生成された凝縮水を貯水する第２水貯留部であるドレインタンク２２が設けてあり、ドレインタンク２２内には水位を測定する水位計２１が設けてある。ドレインタンク２２から延びている配管２４は熱交換器１２の下流で水流路管１９と合流しており、配管２４と水流路１９は合流地点よりも上流にそれぞれシャットバルブ２３、２０を有している。またこの水流路管１９はシャットバルブ１４とシャットバルブ２０を閉じることにより水流路管１９内に水を蓄えることができ、貯水機能も備えている。この水流路１９の容量はメイン水タンク１３の容量よりも小さく、比表面積は広いのでメイン水タンク１３と同等の熱量を与えられた時は、水流路１９内の水の温度上昇率の方が高くなる。
【００２１】
以下、本実施形態の動作について説明する。
【００２２】
本実施形態のコントロールユニット５によって制御される起動時フローチャートを図４〜７に示す。起動時に燃料電池が発電を始めるまでの出力応答にはバッテリ４からの出力で応答する。
【００２３】
燃料改質システム起動時のメインフローチャートを図４に示す。ステップＳ４０１では起動時にメイン水タンク１３内の温度ＴＴを図示しない温度測定器で測定する。この温度がＴＴ＞０℃である場合、メイン水タンク１３内の水は液体であると判断し、ステップＳ４０２の通常起動サブルーチンへ進み、ＴＴ≦０℃である場合は、メイン水タンク１３内の水は凍っており氷であると判断し、ステップＳ４０３の低温起動サブルーチンへ進む。
【００２４】
ステップＳ４０２における通常起動サブルーチンのフローチャートを図５に示す。
【００２５】
まず、ステップＳ５０１においてブロワ８が起動し、起動用燃焼器７に空気を供給する。そしてステップＳ５０２において燃料ポンプ１６を起動し、燃料タンク６より供給される燃料を高圧化し、図示しないインジェクタにより起動用燃焼器内の燃料室に噴霧する。ステップＳ５０３において、噴霧された燃料は空気と混合気を形成し、燃焼室でスパークプラグやグロープラグなどの点火装置を用いて着火され、起動用燃焼ガスを生成する。
【００２６】
ステップＳ５０４では、起動用燃焼ガスは改質反応器９、シフト反応器１０，ＰＲＯＸ反応器１１をそれぞれ触媒活性温度ＴＲＥＦ０、ＴＳＦＴ０、ＴＰＲＯＸ０まで加熱する。そして定常改質運転を開始する。
【００２７】
定常改質運転では、シャットバルブ１４、２０を開き、シャットバルブ２３を閉じておくことで改質に必要な水をメイン水タンク１３から供給できるようにする。水ポンプ１７を起動し蒸発器２７において水を蒸発させて改質反応器９とシフト反応器１０に水を供給する。ここで、熱交換器１２内の水流路１９においてＰＲＯＸ反応器１１から排出される約１２０℃の改質ガスと改質用に用いる水との間で熱交換を行っている。これにより予め熱交換器１２で改質ガスと熱交換を行い加熱した水を蒸発器２７で使用することにより、システムの効率を向上することができる。
【００２８】
ステップＳ４０３における低温起動サブルーチンを図６のフローチャートを用いて説明する。
【００２９】
ステップＳ６０１からステップＳ６０３までは、図５で示した通常起動サブルーチンのフローチャートで示したステップＳ５０１からステップＳ５０３までと同じである。
【００３０】
ステップＳ６０４では、ステップＳ５０４と同様に改質反応器９、シフト反応器１０，ＰＲＯＸ反応器１１の温度をそれぞれ触媒活性温度ＴＲＥＦ０、ＴＳＦＴ０、ＴＰＲＯＸ０まで加熱する。ここで加熱当初、メイン水タンク１３内の水は凍っており、熱交換器１２内の水流路管１９内の水も凍っている。しかし、熱交換器１２内の水流路管１９と起動用燃焼ガスの流路とは接触面積が広いので、熱交換率が高くなり、水流路管１９内の氷は素早く解氷される。この時起動用燃焼ガスは水流路管１９との熱交換で温度が下がるので燃焼ガス中の水分が凝縮し、凝縮水を生成する。その凝縮水はドレインタンク２２内に貯留され、低温改質運転時には改質反応器９とシフト反応器１０へ改質運転用の水として供給される。メイン水タンク１３内の氷は、起動用燃焼器７や、各反応器の放射熱などで解氷されるが、電熱ヒータ２５を用いてメイン水タンク１３内の氷を解氷させても良い。また、起動用燃焼ガス、もしくは各反応器で発生する熱を熱交換媒体を用いてメイン水タンク１３内の氷を解氷させても良い。それぞれ反応器の暖機が終了した後、低温改質運転移行サブルーチンを行う。燃料電池システム内で図示しないコンデンサや湿度交換型熱交換器等の手段によって水回収を行い、燃料電池システムの水収支がほぼ保たれるので、各反応器の暖機によって得られる改質用の水の量は、燃料電池システムの暖機が終了するまでに改質器で使用する水量であればよい。
【００３１】
低温改質移行サブルーチンを図７のフローチャートを用いて説明する。
【００３２】
まず、ステップＳ７０１でシャットバルブ１４、２０を開き、熱交換器１２、メイン水タンク１３内の水を蒸発器２７へ排出する。これによりそれぞれのタンクには氷解していない氷のみが残る。また、この時ドレインタンク２２下流に設けたシャットバルブ２３は閉じている。
【００３３】
ステップＳ７０２では図示されないタンク重量検出手段により、熱交換器１２、メイン水タンク１３、ドレインタンク２２の重量を計測する。ここでの重量計測により以下の値を算出する。ここで重量を検出手段としては重力センサや水流量計を用いる。
【００３４】
ΔｍＴＡ＝（反応器暖機前の熱交換器１２重量）−（反応器暖機後の熱交換器１２重量）
ΔｍＴＢ＝（反応器暖機前のメイン水タンク１３重量）−（反応器暖機後のメイン水タンク１３重量）
ΔｍＤ＝（反応器暖機後のドレインタンク２２重量）−（反応器暖機前のドレインタンク２２重量）
同時に、図示しないナビゲーションシステムの道路地形情報や交通情報、または運転情報履歴などにより、燃料電池システムの暖機が終了するまでの時間を推定し、それに伴い各反応器で使用される水量を推定する。ここで、各反応器で使用される水量は、ナビゲーションシステムや運転履歴などにより得られた情報を基にコントロールユニット５に設定された所定の負荷条件で決定する。また、搭乗者がいくつかの選択肢から選択しても良い。燃料電池システムの暖機が終了すると、燃料電池システム内で図示しないコンデンサや湿度交換型熱交換器等の手段によって水回収を行い、燃料電池システムの水収支がほぼ保たれるので、各反応器の暖機によって得られる改質用の水の量は、燃料電池システムの暖機が終了するまでに改質器で使用する水量であればよい。
【００３５】
ステップＳ７０３ではステップＳ７０２で推定された改質器で必要な水量に基づいて、ある閾値ｍ０を設定し、この閾値ｍ０と、ΔｍＴＡとΔｍＴＢとΔｍＤとを加えた合計と比較する。このｍ０はステップＳ７０２で推定された水量としてもよいし、安全を見込んで推定された水量でもよい。その結果、ΔｍＴＡ＋ΔｍＴＢ＋ΔｍＤ＞ｍ０である場合には、各反応器を暖機する際に解氷され、得られる水量が、燃料電池システムの暖機を終了し、通常改質運転可能となるまでに改質反応器９とシフト反応器１０において使用される水量を満たすことができると判断しステップＳ７０４へ進む。
【００３６】
ステップＳ７０４ではシャットバルブ２３を開き、その後ステップＳ７０５でポンプ１７を起動させ、低温改質を開始し、低温改質運転サブルーチンへ移行する。
【００３７】
ステップＳ７０３でΔｍＴＡ＋ΔｍＴＢ＋ΔｍＤ＜ｍ０と判断された場合は、通常改質運転へ移行するまでに改質反応器９とシフト反応器１０で使用される水を賄うことができないと判断し、ステップＳ７０６へ進みメイン水タンク１３を電熱ヒータ２５で加熱することによりメイン水タンク１３の氷を溶かす。メイン水タンク１３で溶けた氷は水流路１９を通り、蒸発器２７へ送られる。この時水流路１９において、高温ガスと熱交換を行い熱交換器１２内に凝縮した水はドレインタンク２２に貯留する。
【００３８】
ステップＳ７０７では再度水重量を比較し、ΔｍＴＡ＋ΔｍＴＢ＋ΔｍＤ＞ｍ０となるまで電熱ヒータ２５を起動し続ける。
【００３９】
そしてΔｍＴＡ＋ΔｍＴＢ＋ΔｍＤ＞ｍ０となるとステップＳ７０８へ進み、電熱ヒータ２５を停止する。その後ステップＳ７０４へ進み、低温改質運転サブルーチンに移行する。
【００４０】
低温改質運転サブルーチンは図８に示すように、ドレインタンク水位監視サブルーチンからなる。
【００４１】
ドレインタンク２２水位監視サブルーチンでは、ドレインタンク２２内の水位計２１によってドレインタンク内の水位が下がり、ガス流路と水流路が短絡し、燃焼ガスや改質ガスが水流路内に混入しないように水位監視を行っている。その動作について図９のフローチャートを用いて説明する。
【００４２】
ステップＳ９０１ではシャットバルブ２３は開いている状態で、ドレインタンク２２内の水は改質反応器９、シフト反応器１０に供給されている。ドレインタンク２２内の水位を水位計２１により測定し、その水位ｘとある閾値ｘ０を比較し、ｘ＞ｘ０の場合はステップＳ９０３へ進む。ｘ＜ｘ０の場合はステップＳ９０２へ進み、シャットバルブ２３を閉じ、ドレインタンク２２からの水の供給を停止する。その後ステップＳ９０３へ進む。
【００４３】
ステップＳ９０３で燃料電池システムの暖機が終了していない場合は、ステップＳ９０４ヘ進む。また、燃料電池システムの暖機が終了し通常改質運転が可能な時はステップＳ９０５へ進む。
【００４４】
ステップＳ９０４ではシャットバルブ２３が閉じているかどうかを判断する。シャットバルブ２３が閉じていないときは、ステップＳ９０１へ戻り、改質器に水を供給できるか判断する。シャットバルブ２３が閉じているときはドレインタンク２２水位監視サブルーチンを終了し、通常改質運転に移行する。
【００４５】
ステップＳ９０５ではシャットバルブ２３が閉じているかどうかを判断する。シャットバルブ２３が閉じているときはドレインタンク２２水位監視サブルーチンを終了し、閉じていないときはシャットバルブ２３を閉じドレインタンク２２水位監視サブルーチンを終了し、通常改質運転に移行する。
【００４６】
なお、燃料電池２の暖機が十分に行われ、水収支が取れるようになった時点で、図２の三方弁２６を熱交換器１２をバイパスする流路の方に切り替える。これは以下の理由による。
［１］常改質中において改質ガス中に含まれる水分が凝縮してドレインタンク２２に溜まるのを防ぐ。
［２］燃料電池２においては燃料極を改質ガス中の水分で加湿する。熱交換器１２により改質ガス中の水蒸気分圧が減るのを防ぐ。また、バイパス流路を設けない場合には、水位計２１にてドレインタンク２２の水位を監視し、水位が所定量を超えた場合には、通常改質運転での水収支を超える水量に関しては、シャットバルブ２３ならびに１５を開いて、水ポンプ１８を駆動することによりメイン水タンク１３内に回収してもよい。
【００４７】
燃料電池システム停止する際には、次回の始動が低温起動の場合に備え、熱交換器１２とメイン水タンク１３に水を蓄え、ドレインタンク２２と各水流路から水を排出しなければならない。その操作をフローチャート図１０を用い説明する。
【００４８】
ステップＳ１００１ではシャットバルブ２０を閉じ、シャットバルブ１４を開き、水流路管１９とメイン水タンク１３に水を蓄える。その後ステップＳ１００２においてシャットバルブ１５とシャットバルブ２３を開いて、ドレインタンク２２内の水及び、他の水路を排出するため流路を確保する。ステップＳ１００３では水ポンプ１７と１８を起動し、ドレインタンク２２内の水と他の水路内の水をメイン水タンク１３へ排出する。
【００４９】
ステップＳ１００４では水ポンプ１７と１８の回転数を検出する。ここで水路内に水がなくなるとポンプ１７と１８が空回りを起こすので、それぞれの回転数が急激に上昇する。水ポンプ１７と１８の回転数をそれぞれＲ１７、Ｒ１８としてこれらの回転数がある閾値Ｒ０、Ｒ‘０を超えた時点で、ドレインタンク２２内と各水路の水が排出されたと判断し、水ポンプ１７と１８を停止させ、燃料電池システムを停止させる。これにより、次回の運転時にはメイン水タンク１３と熱交換器１２には水が蓄えられる。また、ドレインタンク２２や水路管内には水が無いので、凍結することが無く、速やかな起動が可能となる。
【００５０】
本実施形態における効果を説明する。
【００５１】
燃料電池システムを起動する際に、起動用燃焼器７で燃料を燃焼し、発生した高温ガスにより改質反応器９、シフト反応器１０，ＰＲＯＸ反応器１１をそれぞれ触媒活性温度まで加熱し、ＰＲＯＸ反応器１１から排出されたガスは、熱交換器１２において改質反応器９とシフト反応器１１に供給される水と熱交換を行い、水を加熱する。このため改質に用いる水を蒸発器２７によって蒸発させる際の蒸発器２７に必要な熱量を減らすことができる。
【００５２】
熱交換器１２内部はＰＲＯＸ反応器１１から排出されるガスの流れが蛇行するように壁が設けられ、水流路管１９も表面積が広く熱交換率が高いので、水流路管１９内の水を素早く加熱できる。また、氷点下起動時には水流路１９内の氷を素早く解氷できるので、氷点下起動時には各改質器へ素早い水供給が可能となり燃料電池システムを素早く起動することができる。
【００５３】
熱交換器１２下部にドレインタンク２２を設けることにより、高温ガスと水との熱交換によって生成される凝縮水をドレインタンク２２に貯留し、その水を各改質反応器に供給することができるので、水の有効利用ができる。また、ドレインタンク２２内には水位計２１を設けており、氷点下起動時にはドレインタンク２２の水位を計測し、その値によってドレインタンク２２下流に設けたシャットバルブ２３の開閉を行う。これによって熱交換器１２のガス流路と水流路の短絡を防ぎ、各改質反応器に安全な水供給を行うことができる。
【００５４】
氷点下起動時には通常改質運転が始まるまでに必要な水の量を測定し、その結果水が不足していると判断されたときは、メイン水タンク１３内の氷を溶かし各改質器へ供給することにより、改質反応に必要な水を供給でき、素早い起動が可能となる。
【００５５】
状態検出手段にカーナビゲーションや運転履歴を使用しているので、カーナビゲーションによる交通情報や運転履歴による過去の記録などによって得られる情報に基づいて、改質用水の水量などの走行に必要な情報を正確に得ることができる。
【００５６】
運転停止後水流路管１９内に水を蓄え、ドレインタンク２２とその他の流路内の水をメイン水タンク１３内に排出するので、次回の運転起動が氷点下起動時でも、素早く起動することができる。
【００５７】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の燃料電池システム図である。
【図２】本発明の実施形態の燃料改質システム図である。
【図３】本発明の実施形態の熱交換器１２の構成図である。
【図４】本発明の実施形態のシステム起動時のメインフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態の通常起動サブルーチンのフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態の低温起動サブルーチンのフローチャートである。
【図７】本発明の実施形態の低温改質運転移行サブルーチンのフローチャートである。
【図８】本発明の実施形態の低温改質運転移行サブルーチンのフローチャートである。
【図９】本発明の実施形態の低温改質運転時のドレインタンク２２水位監視サブルーチンのフローチャートである。
【図１０】本発明の実施形態のシステム停止時のメインフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料改質システム
２ 燃料電池
３ モータ
４ バッテリ
５ コントロールユニット
６ 燃料タンク
７ 起動用燃焼器
８ ブロワ
９ 改質反応器
１０ シフト反応器
１１ ＰＲＯＸ反応器
１２ 熱交換器
１３ メイン水タンク（第３水貯留部）
１４ シャットバルブ
１５ シャットバルブ
１６ 燃料ポンプ
１７ 水ポンプ
１８ 水ポンプ
１９ 水流路管（第１水貯留部）
２０ シャットバルブ
２１ 水位計
２２ ドレインタンク（第２水貯留部）
２３ シャットバルブ
２４ 配管
２５ 電熱ヒータ
２６ 三方弁
２７ 蒸発器[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a fuel reforming system that generates a hydrogen-rich reformed gas by reforming a hydrocarbon-based fuel, and more particularly, to starting a fuel reforming system.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, fuel cells have attracted attention as one of power sources. A fuel cell is a device that generates power by oxidizing hydrogen, methanol, or the like that is finally supplied as a fuel, and has a feature of generating power with high efficiency. Also, the fuel cell using hydrogen as fuel emits water vapor, which has the advantage of being very environmentally friendly because it contains no harmful components.
[0003]
Also, research on a reforming fuel cell system including a reformer that generates hydrogen from a hydrocarbon-based fuel such as methanol or gasoline and supplies the hydrogen to the fuel cell has been actively conducted.
[0004]
The inside of the reformer is filled with a catalyst for a reforming reaction. For example, an ATR (autothermal reforming) reaction of methanol is represented by the following two reactions.
[0005]
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 3H 2 (1)
CH 3 OH + ／ O 2 → CO 2 + 2H 2 (2)
Equation (1) is an endothermic reaction, and equation (2) is an exothermic reaction.
[0006]
The reforming catalyst has an optimum temperature for causing this reaction, which is around 400 ° C. for methanol and around 700 ° C. for gasoline.
[0007]
In a fuel cell operating at a temperature of 200 ° C. or lower, a catalyst such as platinum of an electrode is poisoned by CO. Therefore, the concentration of CO in hydrogen gas supplied to the fuel cell needs to be 1% or lower. In particular, the CO concentration in the hydrogen-containing gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell operating at 100 ° C. or lower must be at least tens of ppm or lower, preferably several ppm or lower. Therefore, in a reforming type fuel cell system including a reformer that generates hydrogen from a hydrocarbon-based fuel such as methanol or gasoline, a reformer generally generates a reformer between the reformer and the fuel cell. A CO removing unit provided with a CO removing catalyst for reducing the CO concentration in the reformed gas is provided.
[0008]
The following shift reaction (3) and PROX reaction (4) are often used as the reaction of the CO removal unit.
[0009]
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (3)
2CO + O 2 → 2CO 2 (4)
A shift reaction catalyst and a PROX reaction catalyst are present in each of the removal sections, and the optimum catalyst temperatures are about 250 ° C. to 400 ° C. and about 200 ° C., respectively.
[0010]
There is known an example in which the reformer is provided with a starting combustor in order to quickly heat the respective catalysts to a catalyst activation temperature suitable for a reforming reaction and a CO removing reaction at the time of starting. The starting combustor is provided with fuel injection means for supplying heating fuel to the combustion chamber, and an ignition plug for igniting the heating fuel supplied to the combustion chamber. Combustion is performed in the combustion chamber, and combustion gas is directly supplied to a reformer communicating with the combustion chamber.
[0011]
Since the ATR reaction and the shift reaction require water as a reactant, the fuel cell system is provided with a water storage unit, or water discharged from the fuel cell system to the outside is used as a condenser or a humidity exchange type heat exchanger. It is necessary to supply water to the reforming section by means such as recovery using such means. However, at the time of startup, if the outside air temperature is below the freezing point, the water in the water storage unit freezes and water necessary for reforming cannot be obtained. In order to solve this problem, Patent Literature 1 discloses that when the inside of the water storage unit is frozen, the ice in the water tank is melted by means such as an electric heater or liquid fuel combustion to perform the reforming operation.
[0012]
[Patent Document 1]
JP 2000-149970A
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above invention, there is a problem that it takes time to start the fuel cell system at the time of starting below freezing and start the reforming operation.
[0014]
The present invention has been proposed to solve such a problem, and an object of the present invention is to realize quick start-up below freezing.
[0015]
[Means for solving the problem]
In the present invention, a reforming section for reforming to a hydrogen-rich reformed gas, a starting combustor for burning a raw material and supplying a high-temperature gas to the reformer, and a heat exchanger for heating water supplied to the reforming section And The heat exchanger has a water storage section with a large surface area, and the high-temperature gas discharged from the reforming section and the water storage section exchange heat.
[0016]
[Action and effect]
By supplying high-temperature gas generated by burning the raw material in the starting combustor to the reforming section, each reformer is quickly heated to a predetermined temperature, and further, heat exchange of water used for reforming with the high-temperature gas is performed. Thereby, the reformer can be started quickly, and the thermal efficiency of the system can be increased. In particular, since the ice in the heat exchanger can be quickly melted at the time of starting below the freezing point, quick water supply to the reforming section is possible.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows the configuration of the power plant system.
[0018]
The power plant system includes a fuel reforming system 1 that generates hydrogen from a hydrocarbon-based fuel (for example, gasoline fuel), a fuel cell 2 that extracts electric power by a reaction between hydrogen and air, and an electric energy generated by the fuel cell 2 that is converted into kinetic energy. It comprises a driving motor 3, a power supply source 4 for supplementing load fluctuations that cannot be responded by the fuel cell and supplying power to the electric heater 25, and a control unit 5 for controlling them.
[0019]
FIG. 2 shows a fuel reforming system according to an embodiment of the present invention. Reference numeral 7 denotes a starting combustor, which burns fuel supplied from a fuel tank 6 by a fuel pump 16 and air supplied from a blower 8 to generate a high-temperature gas. Reference numeral 9 denotes a reforming reactor, which receives a supply of high-temperature gas from the starting combustor 7 at the time of startup, and supplies fuel from the fuel tank 6, air from the blower 8, water from the heat exchanger 12 and the like at the time of reforming operation. It is supplied and generates a hydrogen-rich reformed gas by the ATR reaction. Reference numeral 10 denotes a shift reactor, which reduces CO in the reformed gas generated in the reforming reactor 9 by a shift reaction. A PROX reactor 11 further reduces the CO concentration reduced in the shift reactor 10 by a PROX reaction. In the heat exchanger 12, the high-temperature gas discharged from the PROX reactor 11 performs heat exchange with water or ice. The water heated by the heat exchange becomes steam by the evaporator 27 and is supplied to the reformer 9 and the shift reactor 10. Reference numeral 13 denotes a main water tank, which is a third water storage unit, which stores reforming water. A shut valve 14 shuts off a water flow pipe connecting the heat exchanger 12 and the main water tank 13. Reference numeral 15 denotes a shut valve, which is opened when the fuel reforming system is stopped to remove water in a pipe communicating from the heat exchanger 12 to the reforming reactor 9 and the shift reactor 10. A water pump 17 supplies water from the heat exchanger 12 and the main water tank 13 to the reforming reactor 9 and the shift reactor 10. Reference numeral 18 denotes a water pump which discharges water in the water flow pipe to the main water tank 13 when the fuel cell system is stopped.
[0020]
The configuration of the heat exchanger 12 will be described with reference to FIG. The heat exchanger 12 is provided with a water flow path pipe 19 as a first water storage section, and water in the water flow path pipe 19 performs heat exchange with the high-temperature gas discharged from the PROX reactor 11. The high-temperature gas discharged from the PROX reactor 11 is introduced into the heat exchanger 12 from A in FIG. A partition 12a is provided in the heat exchanger 12, and a plurality of the partitions 12a are provided so as to meander the high-temperature gas. The heat exchange rate of the gas is high. The heat exchanger 12 is provided with a drain tank 22 that is a second water storage unit that stores condensed water generated when the high-temperature gas and the water flow path pipe 19 perform heat exchange. A water level gauge 21 for measuring the water level is provided. A pipe 24 extending from the drain tank 22 joins the water flow path pipe 19 downstream of the heat exchanger 12, and the pipe 24 and the water flow path 19 have shut valves 23 and 20, respectively, upstream of the junction. I have. The water flow pipe 19 can store water in the water flow pipe 19 by closing the shut valve 14 and the shut valve 20, and has a water storage function. Since the capacity of the water flow path 19 is smaller than the capacity of the main water tank 13 and the specific surface area is wide, when the same heat quantity as the main water tank 13 is given, the temperature rise rate of the water in the water flow path 19 is lower. Get higher.
[0021]
Hereinafter, the operation of the present embodiment will be described.
[0022]
4 to 7 show startup flowcharts controlled by the control unit 5 of the present embodiment. An output response from the battery 4 to the output response until the fuel cell starts power generation at the time of startup is responded.
[0023]
FIG. 4 shows a main flowchart at the time of starting the fuel reforming system. In step S401 of measuring a temperature measuring device (not shown) the temperature T T of the main water tank 13 at startup. If this temperature is T T > 0 ° C., it is determined that the water in the main water tank 13 is liquid, and the routine proceeds to the normal startup subroutine of step S402. If T T ≦ 0 ° C., the main water tank 13 It is determined that the water inside is frozen and ice, and the process proceeds to a low-temperature start subroutine of step S403.
[0024]
FIG. 5 shows a flowchart of the normal startup subroutine in step S402.
[0025]
First, in step S501, the blower 8 is started and supplies air to the starting combustor 7. Then, in step S502, the fuel pump 16 is started, the pressure of the fuel supplied from the fuel tank 6 is increased, and the fuel is sprayed into the fuel chamber in the starting combustor by an injector (not shown). In step S503, the sprayed fuel forms an air-fuel mixture with the air, and is ignited in a combustion chamber using an ignition device such as a spark plug or a glow plug to generate a starting combustion gas.
[0026]
In step S504, starting the combustion gas is heated to the reforming reactor 9, the shift reactor 10, PROX reactor 11 each catalyst activation temperature T REF0, T SFT0, T PROX0 . Then, the steady reforming operation is started.
[0027]
In the steady reforming operation, the shut valves 14 and 20 are opened and the shut valve 23 is closed so that water required for reforming can be supplied from the main water tank 13. The water pump 17 is started and the water is evaporated in the evaporator 27 to supply the water to the reforming reactor 9 and the shift reactor 10. Here, heat exchange is performed between the reformed gas at about 120 ° C. discharged from the PROX reactor 11 and water used for reforming in the water flow path 19 in the heat exchanger 12. Thereby, the efficiency of the system can be improved by exchanging heat with the reformed gas in the heat exchanger 12 and using the heated water in the evaporator 27.
[0028]
The low-temperature start subroutine in step S403 will be described with reference to the flowchart in FIG.
[0029]
Steps S601 to S603 are the same as steps S501 to S503 shown in the flowchart of the normal startup subroutine shown in FIG.
[0030]
At step S604, the step S504 similarly to the reforming reactor 9, is heated to a shift reactor 10, PROX reactor 11 temperature of each catalyst activation temperature T of REF0, T SFT0, T PROX0. Here, at the beginning of heating, the water in the main water tank 13 is frozen, and the water in the water flow pipe 19 in the heat exchanger 12 is also frozen. However, since the contact area between the water flow path pipe 19 in the heat exchanger 12 and the flow path of the starting combustion gas is large, the heat exchange rate increases, and the ice in the water flow path pipe 19 is quickly thawed. At this time, since the temperature of the starting combustion gas is lowered by heat exchange with the water flow path pipe 19, moisture in the combustion gas is condensed to generate condensed water. The condensed water is stored in the drain tank 22 and is supplied to the reforming reactor 9 and the shift reactor 10 as reforming operation water during the low-temperature reforming operation. The ice in the main water tank 13 is thawed by the radiant heat of the starting combustor 7 and each reactor. However, the ice in the main water tank 13 may be thawed by using the electric heater 25. . Further, the ice in the main water tank 13 may be thawed by using a heat exchange medium with the starting combustion gas or the heat generated in each reactor. After the respective reactors have been warmed up, a low-temperature reforming operation transition subroutine is performed. Water is recovered in the fuel cell system by means such as a condenser and a humidity exchange type heat exchanger (not shown), and the water balance of the fuel cell system is almost maintained. The amount of water may be the amount of water used in the reformer before the warm-up of the fuel cell system ends.
[0031]
The low-temperature reforming transition subroutine will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0032]
First, in Step S701, the shut valves 14 and 20 are opened, and the water in the heat exchanger 12 and the main water tank 13 is discharged to the evaporator 27. This leaves only unthawed ice in each tank. At this time, the shut valve 23 provided downstream of the drain tank 22 is closed.
[0033]
In step S702, the weights of the heat exchanger 12, the main water tank 13, and the drain tank 22 are measured by a tank weight detector (not shown). The following values are calculated by the weight measurement here. Here, a gravity sensor or a water flow meter is used as the weight detecting means.
[0034]
Δm TA = (12 weight of heat exchanger before warm-up of reactor) − (12 weight of heat exchanger after warm-up of reactor)
Δm TB = (weight of main water tank 13 before reactor warm-up) − (weight of main water tank 13 after reactor warm-up)
Δm D = (weight of drain tank 22 after reactor warm-up) − (weight of drain tank 22 before reactor warm-up)
At the same time, the time until the warm-up of the fuel cell system is completed is estimated based on road terrain information and traffic information of a navigation system (not shown) or driving information history, and the amount of water used in each reactor is estimated accordingly. . Here, the amount of water used in each reactor is determined under predetermined load conditions set in the control unit 5 based on information obtained from a navigation system, an operation history, and the like. Further, the passenger may select from several options. When the fuel cell system has been warmed up, water is collected in the fuel cell system by means such as a condenser and a humidity exchange type heat exchanger (not shown), and the water balance of the fuel cell system is substantially maintained. The amount of water for reforming obtained by warming up the fuel cell may be the amount of water used in the reformer before the warming up of the fuel cell system is completed.
[0035]
Step S703 In based on the required amount of water in the reformer estimated in step S702, it sets a certain threshold m 0, this threshold m 0, compared to the sum plus the Delta] m TA and Delta] m TB and Delta] m D . This m 0 may be the amount of water estimated in step S702, or may be the amount of water estimated in consideration of safety. As a result, if Δm TA + Δm TB + Δm D > m 0 , the ice is thawed when each reactor is warmed up, and the amount of water obtained ends the warm-up of the fuel cell system and the normal reforming operation. It is determined that the amount of water used in the reforming reactor 9 and the shift reactor 10 can be satisfied before it becomes possible, and the process proceeds to step S704.
[0036]
In step S704, the shut valve 23 is opened. Then, in step S705, the pump 17 is started to start low-temperature reforming, and shifts to a low-temperature reforming operation subroutine.
[0037]
If it is determined in step S703 that Δm TA + Δm TB + Δm D <m 0, it is determined that the water used in the reforming reactor 9 and the shift reactor 10 cannot be supplied before the shift to the normal reforming operation. Then, the process proceeds to step S706, where the ice in the main water tank 13 is melted by heating the main water tank 13 with the electric heater 25. The ice melted in the main water tank 13 passes through the water flow path 19 and is sent to the evaporator 27. At this time, water condensed in the heat exchanger 12 by performing heat exchange with the high-temperature gas in the water flow path 19 is stored in the drain tank 22.
[0038]
In step S707, the water weight is compared again, and the electric heater 25 is continuously activated until Δm TA + Δm TB + Δm D > m 0 .
[0039]
When Δm TA + Δm TB + Δm D > m 0 , the process proceeds to step S708, and the electric heater 25 is stopped. Thereafter, the process proceeds to step S704, and shifts to a low-temperature reforming operation subroutine.
[0040]
The low temperature reforming operation subroutine includes a drain tank water level monitoring subroutine as shown in FIG.
[0041]
In the drain tank 22 water level monitoring subroutine, the water level in the drain tank is lowered by the water level meter 21 in the drain tank 22, the gas flow path and the water flow path are short-circuited, and the combustion gas and the reformed gas are prevented from entering the water flow path. We monitor the water level. The operation will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0042]
In step S901, the water in the drain tank 22 is supplied to the reforming reactor 9 and the shift reactor 10 while the shut valve 23 is open. The water level in the drain tank 22 measured by water level gauge 21, and compares the level x phrase threshold x 0, in the case of x> x 0 processing proceeds to step S903. For x <x 0 the process proceeds to step S902, the closed shut-off valve 23 to stop the supply of water from the drain tank 22. Thereafter, the process proceeds to step S903.
[0043]
If the warm-up of the fuel cell system has not been completed in step S903, the process proceeds to step S904. When the warm-up of the fuel cell system is completed and the normal reforming operation is possible, the process proceeds to step S905.
[0044]
In step S904, it is determined whether the shut valve 23 is closed. If the shut valve 23 is not closed, the flow returns to step S901 to determine whether water can be supplied to the reformer. When the shut valve 23 is closed, the subroutine for monitoring the water level of the drain tank 22 is terminated, and the operation shifts to the normal reforming operation.
[0045]
In step S905, it is determined whether the shut valve 23 is closed. When the shut valve 23 is closed, the drain tank 22 water level monitoring subroutine is ended. When the shut valve 23 is not closed, the shut valve 23 is closed and the drain tank 22 water level monitoring subroutine is ended to shift to the normal reforming operation.
[0046]
When the fuel cell 2 is sufficiently warmed up and a water balance can be obtained, the three-way valve 26 in FIG. 2 is switched to the flow path that bypasses the heat exchanger 12. This is for the following reason.
[1] Prevents the moisture contained in the reformed gas from condensing and accumulating in the drain tank 22 during normal reforming.
[2] In the fuel cell 2, the fuel electrode is humidified by the moisture in the reformed gas. The heat exchanger 12 prevents the partial pressure of steam in the reformed gas from decreasing. In addition, when the bypass flow path is not provided, the water level of the drain tank 22 is monitored by the water level meter 21, and when the water level exceeds a predetermined amount, the water amount exceeding the water balance in the normal reforming operation is , The shut-off valves 23 and 15 may be opened and the water pump 18 may be driven to collect in the main water tank 13.
[0047]
When the fuel cell system is stopped, water must be stored in the heat exchanger 12 and the main water tank 13 and water must be drained from the drain tank 22 and the respective water passages in preparation for the next start-up at a low temperature. The operation will be described with reference to the flowchart in FIG.
[0048]
In step S1001, the shut valve 20 is closed, the shut valve 14 is opened, and water is stored in the water flow pipe 19 and the main water tank 13. Thereafter, in step S1002, the shut valve 15 and the shut valve 23 are opened to secure a flow path for draining water in the drain tank 22 and other water passages. In step S1003, the water pumps 17 and 18 are started, and the water in the drain tank 22 and the water in other water passages are discharged to the main water tank 13.
[0049]
In step S1004, the rotation speeds of the water pumps 17 and 18 are detected. Here, if there is no water in the water channel, the pumps 17 and 18 run idle, so that their respective rotation speeds rise rapidly. When the rotation speeds of the water pumps 17 and 18 are R 17 and R 18 , respectively, when these rotation speeds exceed certain threshold values R 0 and R ′ 0 , it is determined that the water in the drain tank 22 and the water passages has been discharged. Then, the water pumps 17 and 18 are stopped, and the fuel cell system is stopped. Thereby, water is stored in the main water tank 13 and the heat exchanger 12 at the next operation. In addition, since there is no water in the drain tank 22 and the water pipe, free start is possible without freezing.
[0050]
The effects of the present embodiment will be described.
[0051]
When the fuel cell system is started, the fuel is burned in the starting combustor 7, and the reforming reactor 9, the shift reactor 10, and the PROX reactor 11 are each heated to the catalyst activation temperature by the generated high-temperature gas, and the PROX is heated. The gas discharged from the reactor 11 exchanges heat with the water supplied to the reforming reactor 9 and the shift reactor 11 in the heat exchanger 12 to heat the water. Therefore, the amount of heat required for the evaporator 27 when evaporating the water used for the reforming by the evaporator 27 can be reduced.
[0052]
The inside of the heat exchanger 12 is provided with a wall so that the flow of gas discharged from the PROX reactor 11 meanders, and the water passage pipe 19 has a large surface area and a high heat exchange rate. Can be heated quickly. Further, since the ice in the water flow path 19 can be quickly thawed at the time of starting operation below the freezing point, the water can be quickly supplied to each reformer at the time of starting operation below the freezing point, and the fuel cell system can be started up quickly.
[0053]
By providing the drain tank 22 below the heat exchanger 12, condensed water generated by heat exchange between high-temperature gas and water can be stored in the drain tank 22, and the water can be supplied to each reforming reactor. Therefore, water can be used effectively. A water level gauge 21 is provided in the drain tank 22. The water level of the drain tank 22 is measured at the time of starting below the freezing point, and the shut valve 23 provided downstream of the drain tank 22 is opened and closed based on the measured value. As a result, a short circuit between the gas flow path and the water flow path of the heat exchanger 12 can be prevented, and safe water supply to each reforming reactor can be performed.
[0054]
At the time of starting below the freezing point, the amount of water required before the start of the normal reforming operation is measured, and when it is determined that the water is insufficient, the ice in the main water tank 13 is melted and supplied to each reformer. By doing so, water necessary for the reforming reaction can be supplied, and quick start-up becomes possible.
[0055]
Since car navigation and driving history are used for the state detection means, information necessary for traveling, such as the amount of water for reforming water, is obtained based on information obtained from traffic information from car navigation and past records from driving history. Can be obtained exactly.
[0056]
After the operation is stopped, water is stored in the water flow path pipe 19, and the water in the drain tank 22 and other flow paths is discharged into the main water tank 13. Therefore, even when the next operation is started below the freezing point, it can be started quickly. it can.
[0057]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes various modifications and improvements that can be made within the scope of the technical idea.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram of a fuel reforming system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram of a heat exchanger 12 according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a main flowchart when the system is started according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart of a normal startup subroutine according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a flowchart of a low-temperature start subroutine according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a flowchart of a low-temperature reforming operation transition subroutine according to the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a flowchart of a low-temperature reforming operation shift subroutine according to the embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a flowchart of a drain tank 22 water level monitoring subroutine during low temperature reforming operation according to the embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a main flowchart when the system is stopped according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 fuel reforming system 2 fuel cell 3 motor 4 battery 5 control unit 6 fuel tank 7 starting combustor 8 blower 9 reforming reactor 10 shift reactor 11 PROX reactor 12 heat exchanger 13 main water tank (third water Storage section)
14 Shut valve 15 Shut valve 16 Fuel pump 17 Water pump 18 Water pump 19 Water flow pipe (first water storage section)
20 Shut valve 21 Water level gauge 22 Drain tank (second water storage unit)
23 Shut valve 24 Piping 25 Electric heater 26 Three-way valve 27 Evaporator
