JP2006219328A - Hydrogen generation apparatus and fuel cell system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化水素系の燃料を改質して水素ガスを生成する水素生成装置と、それを用いた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a hydrogen generator that reforms a hydrocarbon-based fuel to generate hydrogen gas, and a fuel cell system using the hydrogen generator.
燃料電池発電装置は発電効率が高いことに加えて、発電時に発生した熱が給湯や暖房等、有効に利用できるため、家庭用のコージェネレーションシステムへの応用が期待されている。家庭用途においては、装置の頻繁な起動停止への対応、装置の耐久性およびコスト低減の観点から、燃料電池発電装置は比較的低温で作動させることが望ましい。そこで、発電部として高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池の開発が進められている。 In addition to high power generation efficiency, fuel cell power generators are expected to be applied to household cogeneration systems because the heat generated during power generation can be used effectively for hot water supply and heating. In home use, it is desirable to operate the fuel cell power generator at a relatively low temperature from the viewpoint of responding to frequent start / stop of the apparatus, durability of the apparatus, and cost reduction. Therefore, development of a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte as a power generation unit is underway.
燃料電池の多くは水素を燃料として発電する。現状ではその燃料となる水素ガスインフラが整っていないため、発電装置設置場所において、天然ガス、LPG等の炭化水素成分、メタノール等のアルコール、あるいはナフサ成分等の少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含む原料と、水とを反応させて水素を含む改質ガスを生成するための水素生成装置が併用される。また、生成した改質ガス中には、水素の他、原料に由来する二酸化炭素および一酸化炭素(以下COと示す)が副生成物として含まれる。現在開発が進められている固体高分子型燃料電池は100℃以下の低温で作動するため、COが電池電極触媒に被毒しやすく、電池電極触媒の活性を維持するには、改質ガス中のCOをできるだけ低減(一般的には10〜50ppm以下)させる必要がある。そこで、水素生成装置では、水素ガスを生成する改質部と、前記改質ガス中のCOと水をシフト反応させる変成部、およびCOを酸化反応させるCO選択酸化部で構成されるCO除去部が併用される。改質部、変成部、CO選択酸化部にはそれぞれの反応に適した触媒体が充填されており、最も装置効率が高くかつ安定に動作する所定の温度に制御される。 Many fuel cells generate electricity using hydrogen as fuel. At present, the hydrogen gas infrastructure that serves as the fuel is not in place. Therefore, at the place where the power generator is installed, organic gas composed of at least carbon and hydrogen such as natural gas, hydrocarbon components such as LPG, alcohol such as methanol, or naphtha components. A hydrogen generator for generating a reformed gas containing hydrogen by reacting a raw material containing a compound with water is used in combination. Further, the generated reformed gas contains carbon dioxide and carbon monoxide (hereinafter referred to as CO) derived from the raw materials as by-products in addition to hydrogen. Since the polymer electrolyte fuel cell currently under development operates at a low temperature of 100 ° C. or lower, CO is easily poisoned by the battery electrode catalyst, and in order to maintain the activity of the battery electrode catalyst, It is necessary to reduce as much CO as possible (generally 10 to 50 ppm or less). Therefore, in the hydrogen generator, a CO removal unit comprising a reforming unit that generates hydrogen gas, a shift unit that shifts CO and water in the reformed gas, and a CO selective oxidation unit that performs an oxidation reaction of CO. Are used together. The reforming section, the shift section, and the CO selective oxidation section are filled with a catalyst body suitable for each reaction, and are controlled to a predetermined temperature at which the apparatus efficiency is highest and operates stably.
ところで、水素生成装置を起動してCOを除去した改質ガスを発生させる場合、改質部を加熱バーナーで加熱して昇温させ、変成部や選択酸化部はこの改質部で発生した改質ガスの熱と、外部からの電気ヒーター等によって加熱する。特に変成部は一般的に触媒反応の速度が遅いため触媒量が他の部分より多く、昇温に時間がかかる。触媒の温度が低い時に原料流量を上昇させると、触媒の処理能力が許容量を超えて変成部通過後のCO濃度が高くなり、燃料電池の発電能力が低下する。
そこで、温度コントローラにより変成部の温度を制御し、温度が所定の値になると原料流量の上昇を始めるという技術が提案されている(例えば特許文献1を参照)。これにより、発電までの時間を短縮させ、COを燃料電池の発電能力を急激に低下させることのない最適なCO濃度に変成部で低減しながら、定格発電まで上昇させることができる。
Therefore, a technique has been proposed in which the temperature of the metamorphic portion is controlled by a temperature controller, and when the temperature reaches a predetermined value, the raw material flow rate starts to rise (see, for example, Patent Document 1). As a result, the time until power generation can be shortened, and the CO can be increased to the rated power generation while the CO is reduced to an optimal CO concentration without causing a sudden decrease in the power generation capacity of the fuel cell.
しかしながら、変成部は前述の通り触媒容量が大きく、通常、単一の触媒温度検知では温度検知手段を設けた周辺での触媒の処理能力は推定可能であるが、触媒全体に亘っての触媒処理能力(原料流量許容量)を推定することが困難で、さらに電気ヒーターで加熱した場合などは、ヒーターの加熱によって触媒全体の温度分布を正確に検知することが困難である。特に、装置内温度が外気温と同程度まで低減するほど十分な停止期間を経てから水素生成装置を再度起動した場合(以下、コールドスタートと称する)と装置停止から装置が再起動するまでそれほどの期間を経ておらず、装置内温度が外気温より大きな温度で再度起動した場合(以下、ホットスタートと称する)とでは、起動開始後の変成触媒温度の温度分布に違いが生じ、単一の触媒温度検知で触媒の処理能力を推定することはさらに困難になる。そのため、上記特許文献1の燃料電池システムにおいてコールドスタート時に原料の上昇を許可した所定温度で、ホットスタート時も同様に原料流量を上昇させると、変成部を流通後の改質ガス中のCO濃度を最適な濃度にまで抑制することができずに、起動に遅れをもたらしたり、燃料電池の安定動作を阻害するという問題が起こる可能性がある。
However, as described above, the metamorphic portion has a large catalyst capacity. Normally, the single-catalyst temperature detection can estimate the processing capacity of the catalyst in the vicinity where the temperature detection means is provided, but the catalyst processing over the entire catalyst is possible. It is difficult to estimate the capacity (allowable amount of raw material flow rate), and when it is heated by an electric heater, it is difficult to accurately detect the temperature distribution of the entire catalyst by heating the heater. In particular, when the hydrogen generating device is restarted after a sufficient stop period so that the temperature inside the device is reduced to the same level as the outside temperature (hereinafter referred to as a cold start), it is not so much until the device restarts from the device stop. When the start-up is started again at a temperature higher than the outside air temperature (hereinafter referred to as hot start) without passing the period, a difference occurs in the temperature distribution of the shift catalyst temperature after the start of start-up. It becomes more difficult to estimate the treatment capacity of the catalyst by temperature detection. Therefore, if the flow rate of the raw material is increased at the same temperature during the hot start at a predetermined temperature at which the raw material is allowed to rise during the cold start in the fuel cell system disclosed in
そこで、本発明は、上記の従来の水素生成装置に関しての課題を解決するものであり、変成触媒体の温度に基づき原料流量を最大流量にまで上昇させる際に、起動開始時の装置内の温度に拘わらず、変成部でCO濃度を最適な濃度にまで低減することが可能となる水素生成装置および燃料電池発電システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention solves the above-described problems related to the conventional hydrogen generator, and when the raw material flow rate is increased to the maximum flow rate based on the temperature of the shift catalyst body, It is an object of the present invention to provide a hydrogen generator and a fuel cell power generation system that can reduce the CO concentration to an optimum concentration in the metamorphic section.
上記課題を解決するため、本発明に係る第1の水素生成装置は、有機化合物を含む原料と水とを反応させ、少なくとも水素および一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質部と、前記改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減する変成触媒体を有する変成部と、制御部とを備え、前記制御部は、装置起動動作時に、前記変成触媒体の温度が、前記変成触媒体の上流温度および下流温度のそれぞれに対して設けられた一対の温度値である目標温度以上に到達したと直接的または間接的に判定した場合に、前記目標温度で規定される上限流量値まで原料流量を増加させることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a first hydrogen generator according to the present invention includes a reforming unit that reacts a raw material containing an organic compound with water to generate a reformed gas containing at least hydrogen and carbon monoxide. , A shift section having a shift catalyst body for reducing carbon monoxide in the reformed gas by a shift reaction, and a control section, and the control section is configured so that the temperature of the shift catalyst body during the apparatus start-up operation is The upper limit flow rate defined by the target temperature when it is determined directly or indirectly that the target temperature, which is a pair of temperature values provided for each of the upstream temperature and downstream temperature of the shift catalyst body, has been reached. It is characterized by increasing the raw material flow rate to a value.
ここで、前記第1の水素発生装置において、前記目標温度には、前記原料流量が前記上限流量値の場合に、前記水素生成装置の運転停止時間または起動開始時の前記水素生成装置内の温度に拘わらず、前記変成部通過後の改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定の許容一酸化炭素濃度以下になる前記変成触媒体の上流温度及び下流温度の1対の温度値を用いることができる。 Here, in the first hydrogen generator, when the raw material flow rate is the upper limit flow value, the target temperature is the temperature within the hydrogen generator when the hydrogen generator is stopped or started. Regardless of whether the carbon monoxide concentration in the reformed gas after passing through the shift section is equal to or lower than a predetermined allowable carbon monoxide concentration, a pair of temperature values of the upstream temperature and the downstream temperature of the shift catalyst body are used. it can.
また、前記変成触媒体の上流側の改質ガスの温度を検知する上流温度検知手段と、下流側の改質ガスの温度を検知する下流温度検知手段とをさらに備え、前記制御部は、上流温度検知手段により検知された上流温度と下流温度検知手段により検知された下流温度とが共に前記一対の温度値以上になった場合に、変成触媒体の温度が目標温度以上に到達したと直接的に判定することもできる。 The control unit further includes upstream temperature detection means for detecting the temperature of the reformed gas upstream of the shift catalyst body, and downstream temperature detection means for detecting the temperature of the reformed gas on the downstream side. When both the upstream temperature detected by the temperature detecting means and the downstream temperature detected by the downstream temperature detecting means are equal to or higher than the pair of temperature values, it is directly determined that the temperature of the shift catalyst body has reached the target temperature or higher. It can also be determined.
また、前記変成触媒体の下流温度を検知する下流温度検知手段を備え、制御部は、水素生成装置の停止から起動動作開始までの経過時間に基づき、その経過時間での予め測定された起動動作開始後の変成触媒体の上流温度及び下流温度の温度プロファイルを参照し、下流温度検知手段により検知される下流温度が、温度プロファイルから上流温度及び下流温度が共に一対の温度値以上になると推定される下流温度以上になった場合に、変成触媒体の温度が、目標温度以上に到達したと間接的に判定することもできる。 In addition, a downstream temperature detection means for detecting the downstream temperature of the shift catalyst body is provided, and the control unit is based on the elapsed time from the stop of the hydrogen generator to the start of the startup operation, and the startup operation measured in advance at the elapsed time With reference to the temperature profile of the upstream temperature and downstream temperature of the shift catalyst body after the start, the downstream temperature detected by the downstream temperature detecting means is estimated from the temperature profile that both the upstream temperature and the downstream temperature are equal to or higher than a pair of temperature values. When the temperature becomes equal to or higher than the downstream temperature, it can be indirectly determined that the temperature of the shift catalyst body has reached the target temperature or higher.
また、前記変成触媒体の下流温度を検知する下流温度検知手段を備え、制御部は、水素生成装置の起動動作開始時に下流温度検知手段により検知される下流温度に基づき、その下流温度での予め測定された起動動作開始後の変成触媒体の上流温度及び下流温度の温度プロファイルを参照し、下流温度検知手段により検知される下流温度が、温度プロファイルから上流温度及び下流温度が共に一対の温度値以上になると推定される下流温度以上になった場合に、変成触媒体の温度が、目標温度以上に到達したと間接的に判定することもできる。 In addition, a downstream temperature detection unit that detects a downstream temperature of the shift catalyst body is provided, and the control unit preliminarily determines the downstream temperature based on the downstream temperature detected by the downstream temperature detection unit at the start of the start-up operation of the hydrogen generator. Referring to the measured temperature profile of the upstream and downstream temperatures of the shift catalyst body after starting the start-up operation, the downstream temperature detected by the downstream temperature detecting means is a pair of temperature values from the temperature profile. When the temperature becomes equal to or higher than the downstream temperature estimated to be above, it can be indirectly determined that the temperature of the shift catalyst body has reached the target temperature or higher.
本発明に係る第2の水素生成装置は、有機化合物を含む原料と水とを反応させ、少なくとも水素および一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質部と、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減する変成触媒体を有する変成部と、制御部とを備え、その制御部は、装置起動動作において変成触媒体の温度が所定の目標温度以上になってから目標温度により規定される上限流量値までに原料流量を増加させる際に、装置停止時間または装置起動開始時の装置内温度に応じて、目標温度を変更することを特徴とする。 A second hydrogen generator according to the present invention includes a reforming unit that reacts a raw material containing an organic compound with water to generate a reformed gas containing at least hydrogen and carbon monoxide, and one of the reformed gases. A shift unit having a shift catalyst body for reducing carbon oxide by a shift reaction, and a control unit, the control unit, depending on the target temperature after the temperature of the shift catalyst body becomes equal to or higher than a predetermined target temperature in the apparatus start-up operation When the raw material flow rate is increased to a predetermined upper limit flow rate value, the target temperature is changed according to the apparatus stop time or the apparatus internal temperature at the start of the apparatus start.
ここで、前記第2の水素発生装置において、前記制御部は、装置停止時間または装置起動開始後の装置内温度に応じて規定される、原料流量が上限流量値の場合に変成部通過後の改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定の許容一酸化炭素濃度以下になる変成触媒体の温度に目標温度を変更することもできる。 Here, in the second hydrogen generator, the control unit is defined according to the apparatus stop time or the apparatus internal temperature after the apparatus start-up, and when the raw material flow rate is the upper limit flow rate value, The target temperature can be changed to the temperature of the shift catalyst body in which the carbon monoxide concentration in the reformed gas is equal to or lower than a predetermined allowable carbon monoxide concentration.
また、前記変成触媒体の下流側の改質ガスの温度を検知する下流温度検知手段を備え、
制御部は、水素生成装置の運転停止後から運転開始時までの経過時間である装置停止時間に応じて下流温度検知手段で検知される下流温度に対する所定の目標温度を変更することもできる。
In addition, it comprises a downstream temperature detection means for detecting the temperature of the reformed gas downstream of the shift catalyst body,
The control unit can also change a predetermined target temperature with respect to the downstream temperature detected by the downstream temperature detecting means according to the apparatus stop time that is an elapsed time from the stop of the operation of the hydrogen generator to the start of the operation.
また、前記変成触媒体の下流側の改質ガスの温度を検知する下流温度検知手段からなり、さらに、水素生成装置は、起動動作開始時に、下流温度検知手段で検知される下流温度である装置内温度に応じて、下流温度検知手段で検知される下流温度に対する所定の目標温度を変更することができる。 The apparatus further comprises a downstream temperature detecting means for detecting the temperature of the reformed gas downstream of the shift catalyst body, and the hydrogen generator is a downstream temperature detected by the downstream temperature detecting means at the start of the starting operation. The predetermined target temperature with respect to the downstream temperature detected by the downstream temperature detecting means can be changed according to the internal temperature.
さらに、本発明に係る第1及び/又は第2の水素発生装置においては、前記目標温度を、段階的に増加する複数の目標温度から構成する一方、上限流量値を複数の目標温度によってそれぞれ規定される複数の上限流量値から構成することができ、制御部は、上限流量値の上昇に伴って、改質部の温度を低下させることができる。また、制御部は、上限流量値の上昇に伴って、原料に対する水の比率を低下させることもできる。また、制御部は、上限流量値の上昇に伴って、原料流量の増加速度を低下させることもできる。 Further, in the first and / or second hydrogen generator according to the present invention, the target temperature is constituted by a plurality of target temperatures that increase in stages, and an upper limit flow rate value is defined by the plurality of target temperatures, respectively. The control unit can lower the temperature of the reforming unit as the upper limit flow rate value increases. Moreover, the control part can also reduce the ratio of the water with respect to a raw material with the raise of an upper limit flow value. Moreover, the control part can also reduce the increase rate of a raw material flow rate with a raise of an upper limit flow rate value.
また、本発明に係る第1及び/又は第2の水素発生装置においては、制御部は、目標温度を、装置の起動回数及び運転時間の少なくとも一方に連動して上昇させることもできる。 Moreover, in the 1st and / or 2nd hydrogen generator which concerns on this invention, a control part can also raise target temperature in conjunction with at least one of the frequency | count of starting of an apparatus, and operation time.
本発明に係る燃料電池システムは、請求項1から13のいずれか一つに記載の水素生成装置と、酸素を含有する酸化剤ガスと前記水素生成装置から供給される水素を含有する燃料ガスとを用いて発電する燃料電池とを備えることを特徴とする。
A fuel cell system according to the present invention includes a hydrogen generator according to any one of
本発明によれば、水素生成装置を起動させるに際し、変成部の温度状態に応じて段階的に原料流量を増加させるようにしたので、変成部流通後の改質ガス中のCO濃度を抑制しながら最適な原料流量の増加を行うことができる。これにより、起動が早く、安定動作を実現する水素生成装置および燃料電池発電システムを提供することができる。 According to the present invention, when starting the hydrogen generator, the raw material flow rate is increased stepwise in accordance with the temperature state of the shift section, so that the CO concentration in the reformed gas after the shift of the shift section is suppressed. However, the optimum raw material flow rate can be increased. Accordingly, it is possible to provide a hydrogen generator and a fuel cell power generation system that can be started up quickly and realize stable operation.
以下では、本発明に係る実施の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態1.
図1は、本実施の形態に係る水素生成装置を含む燃料電池発電システムの構成の一例を示すブロック図である。改質部1は改質触媒を充填した反応器であり、加熱部2は改質部1を加熱する燃焼バーナーである。また、改質部1に少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を供給する原料供給部3、改質部1に水を供給する改質水供給部4を設置してある。改質部1の下流側にはCO変成部5、CO変成部5の下流側には、酸素を含有する酸素含有ガス(本実施の形態では空気)を供給する選択酸化空気供給部6とCO選択酸化部7、さらにCO選択酸化部7の下流側には燃料電池発電部8を設置している。燃料電池発電部8を通過した後のメタンや水素を含んだオフガスは加熱部2に供給して、改質部1の加熱に用いる。また、燃焼ガス供給部9は装置起動時や改質部1を加熱するための加熱量が不足した場合に燃焼ガスを供給する。
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a configuration of a fuel cell power generation system including a hydrogen generator according to the present embodiment. The reforming
また、改質部1の内部にはRuをアルミナに担持した改質触媒体を充填し、改質触媒体の温度を検知する改質部熱電対(図示せず)を設置してある。
In addition, a reforming unit thermocouple (not shown) for detecting the temperature of the reforming catalyst body is installed in the reforming
また、CO変成部5の内部には図2に示すように、CO変成触媒体22として銅亜鉛系触媒を充填し、CO変成触媒体22の上流側と下流側にそれぞれ温度を検知する変成部上流熱電対23と変成部下流熱電対24を設置してある。さらに、CO変成触媒体22の温度を制御する変成部熱交換部26を変成部改質ガス入口21に設置してある。
Further, as shown in FIG. 2, the inside of the
また、CO選択酸化部7の内部には、Ruをアルミナに担持したCO選択酸化触媒体を充填し、CO選択酸化触媒体の温度を検知する選択酸化部熱電対を(図示せず)を設置してある。
In addition, a CO selective oxidation catalyst body in which Ru is supported on alumina is filled in the CO
なお、改質部1及びCO選択酸化部7に用いた触媒体の形状は2〜3mmの球状のもの、CO変成部5に用いた触媒体には円柱状のものを用いている。これらの触媒は、水素生成装置において一般的に用いられている触媒であり、同様な機能を有する他の触媒を用いても本発明における効果は変わらない。例えば、改質触媒としてはNi触媒、CO変成触媒としてはPt触媒や鉄−クロム触媒、CO選択酸化触媒としてはPt触媒やPt−Ru合金触媒等も用いることができる。また、形状も球状や円柱形状に加えてハニカム形状等のものも用いることができる。
The catalyst bodies used in the reforming
また、CO変成部5とCO選択酸化部7には昇温を早めるための加熱用電気ヒーターを設置している(図示せず)。
In addition, an electrical heater for heating is installed in the
また、制御装置10は、改質部1、CO変成部5、そしてCO選択酸化部7に設置した熱電対の検知データによって、原料供給部3と改質水供給部4から供給される原料と水の供給量と、加熱部2での加熱量等をコントロールするものである。
In addition, the
また、流路切替弁11は、水素生成装置の起動時にCO選択酸化部7通過後の改質ガス中のCO濃度が充分に低減できていない間に燃料電池発電部8に改質ガスを供給せず、直接加熱部2に改質ガスを供給して燃焼させるための切替弁である。
Further, the flow
次に、本実施の形態における水素生成装置の動作について説明する。
改質部1に供給する原料としては、メタン、プロパン、都市ガス、天然ガス、LPG、メタノール等のアルコール、ガソリン、灯油、ナフサなどに例示される少なくとも炭素及び水素を含む有機化合物がある。改質方法には、水蒸気を加える水蒸気改質、空気を加えておこなう部分改質などがあるが、ここでは、天然ガスを水蒸気改質して改質ガスを得る場合について説明する。
Next, the operation of the hydrogen generator in this embodiment will be described.
Examples of the raw material supplied to the reforming
原料である天然ガスを原料供給部3から改質部1に供給する。改質水供給部4から水を供給して、改質部1内で蒸発させるとともに原料と混合し、改質部1内に充填された改質触媒体に接触させる。
Natural gas as a raw material is supplied from the raw material supply unit 3 to the reforming
改質部1では、改質部1に供給される水蒸気のモル数/改質部1に供給される原料中の炭素原子のモル数で表される比率(スチームカーボン比、以下S/Cと示す)が2.5〜3.5となるように、原料と改質水の供給量を調節することが好ましい。S/Cが2.5より低い場合には改質触媒上に炭素が析出したり、原料から水素への転換率が低下する。逆にS/Cが3.5より高い場合には、水を蒸発させるために加熱部2での加熱量を大きくする必要があり、水素生成装置の効率が低下する場合がある。本実施の形態ではS/Cを3となるようにした。
In the reforming
改質触媒体を600℃〜700℃に加熱し、原料と水蒸気を反応させて水素を主成分とする改質ガスに転換する。生成した改質ガスの組成は、改質触媒体の温度や水蒸気と原料の比率によって多少変化するが、水蒸気を除いた平均的な値として、水素が約80体積%、二酸化炭素、一酸化炭素がそれぞれ約10体積%含まれる。この改質ガスは、改質部1の下流側に設置されたCO変成部5において、250℃〜300℃程度の温度でシフト反応によりCOと水蒸気を反応させ、CO濃度を0.5体積%〜1体積%まで低減する。次にCO浄化部7で選択酸化空気供給部6から供給された空気中の酸素とCOを100℃〜200℃の温度で反応させ、10ppm以下までCO濃度を除去する。こうしてCOを除去された改質ガスは燃料電池発電部8に供給される。燃料電池発電部8を通過した後のオフガスは発電に使用されなかった水素や改質部で水素に転換しなかったメタンが残留しているため、燃焼ガス供給部9から供給される燃焼ガスとともに加熱部2で燃焼させる。
The reforming catalyst body is heated to 600 ° C. to 700 ° C., and the raw material and water vapor are reacted to convert to a reformed gas containing hydrogen as a main component. The composition of the generated reformed gas varies somewhat depending on the temperature of the reforming catalyst body and the ratio of steam and raw material. As an average value excluding steam, hydrogen is about 80% by volume, carbon dioxide, carbon monoxide. About 10% by volume. This reformed gas reacts with CO and water vapor by a shift reaction at a temperature of about 250 ° C. to 300 ° C. in the
水素生成装置を起動する時には、加熱部2に燃焼ガス供給部より燃料を供給して着火し、原料供給部3と改質水供給部4から原料と水を供給して、改質部1で改質反応を行う。また、同時にCO変成部5とCO選択酸化部7に設置してある電気ヒーターに通電し、加熱を始める。改質部1の温度が上昇するとCO変成部5に供給される改質ガスの温度が上昇する。CO変成部5では、変成部の上流側と下流側にそれぞれ変成部上流熱電対23と変成部下流熱電対24を設置しており、上流熱電対23は変成触媒体を通過前の改質ガスの温度を検知し、下流熱電対24は変成触媒体を通過後の改質ガスの温度を検知することにより、変成部5の温度状態を検知する。
When the hydrogen generator is started, fuel is supplied to the
CO変成部5の温度が所定の温度まで上昇すると、CO変成部5を通過後のCO濃度が所定の値まで低下する。CO変成部5を通過後のCO濃度が所定の濃度(本実施の形態ではCO濃度約0.5%)まで低下すると、CO選択酸化部7でCOを燃料電池発電部8に供給可能な濃度にまで除去可能となる。すなわち、CO選択酸化部7通過後のCO濃度が10ppm以下となるので、流路切替弁11によって、燃料電池発電部8に改質ガスの供給を始める。同時にCO変成部5とCO選択酸化部7の電気ヒーターを停止させ、無駄な電力の消費を抑制する。なお、本実施の形態でのCO選択酸化部7での許容CO濃度は0.5%であり、これ以下であればCO選択酸化部7通過後のCO濃度を10ppm以下まで除去することができる。
When the temperature of the
燃料電池発電部8での発電出力は、家庭での必要電力に応じて、変化できるようにするのが一般的である。本実施の形態では1000Wから300Wまで変化できる様にしている。このため、水素生成装置では、燃料電池発電部8での出力に応じて原料供給部3の流量を制御して発生させる水素量(改質ガス量)を変化させる。
In general, the power generation output of the fuel cell
水素生成装置の起動時には、触媒容量の大きいCO変成部5の温度を充分に暖めるには時間を要し、いきなり燃料電池発電部8の最大出力に対応する原料流量を供給するとCO変成部5を通過後のCO濃度が高くなり、CO選択酸化部7でも除去しきれず、燃料電池発電部8に改質ガスの供給し、発電を開始するまでには相当の時間を要し、エネルギー効率が悪い。そこで、本発明においては、起動時にCO変成部5が所定の温度まで暖まるまで、最低出力(本実施の形態では300W)から発電を開始させる方法を用い、これにより早く発電を始めることができる。このとき300Wの発電量に対応する原料流量の上限流量値は1分当たり1.5NL(0℃換算の流量)となり、この流量でCO濃度をCO変成部5で充分低減可能な(例えば、CO濃度0.5%以下に低減可能な)温度になった時点で燃料電池発電部8に改質ガスの供給し、発電を開始する。さらにCO変成部5の温度が上昇すると、500W、750W、1000Wと順に出力の上限値を上げていき、これに対応して原料流量の上限流量値を1分当たりそれぞれ2NL、3NL、4NLと上昇させた。原料流量が、上限流量値以下であればCO変成部5の処理能力が対応できるため自由に原料流量を変化させてもCO濃度が上昇することがない。
When the hydrogen generator is started, it takes time to sufficiently warm the temperature of the
ここで、水素生成装置の起動時の運転方法について、図5のフローチャートを用いて説明する。起動開始後、原料流量は低流量の初期流量値に設定する。ステップS1では、制御部10は、変成部上流熱電対23と変成部下流熱電対24の2点で計測された変成部の上流温度と下流温度とを、予め上流温度と下流温度についてそれぞれ設定された1対の温度値である目標温度と対比し、実際の上流温度と下流温度が目標温度より大きいと判断した時には、ステップS2に進み、燃料電池発電部8への改質ガスの供給を開始する。次いで、ステップS3に進み、目標温度を、より高い新たな目標温度に変更する。そして、ステップS4に進み、この目標温度と対比し、実際の上流温度と下流温度が目標温度より大きいと判断した時には、ステップS5に進み、その目標温度により規定され、初期流量値よりも大きい上限流量値まで原料流量を増加させる。次いで、ステップS6では、その上限流量値が予め設定された最大流量値よりも小さいか否かを判断し、小さいと判断した場合には、ステップS3に進み、ステップS3以降を繰り返す。また、ステップS6で、上限流量値が最大流量値であると判断した場合には、その最大流量値を維持し、起動は完了する。一方、ステップS1で、実際の上流温度と下流温度がその目標温度より小さいと判断した時には、初期流量値を維持し、変成部の温度が上昇し、目標温度に到達するまで、ステップS1を繰り返す。
Here, the operation method at the time of starting the hydrogen generator will be described with reference to the flowchart of FIG. After starting, the raw material flow rate is set to a low initial flow rate value. In step S1, the
図6は、変成部通過後のCO濃度を0.5%以下にすることが可能な原料の上限流量値と、変成部の上流温度及び下流温度の関係の一例を示したものである。原料の上限流量値は、1.5、2、3、4NL/minの4段階に設定しており、4NL/minが最大流量値である。また、変成部の上流温度の上限は200℃である。図に示すように、変成部上流と変成部下流の温度が(130℃、105℃)になった際に、CO濃度が0.5%以下にまで低減できていると判定し、燃料電池発電部8に改質ガスの供給を開始し、さらに(140℃、135℃)、(160℃、150℃)、(190℃、160℃)を上回った時にそれぞれ2NL/min、3NL/min及び4NL/minまで 原料流量の上限流量値を上昇させるように設定している。装置の起動後、上流温度と下流温度が上昇して図中の上限流量値2NL/minの領域の温度に到達すれば原料流量を2NL/minまで増加させても変成部通過後のCO濃度を許容濃度の0.5%以下に抑制することが出来る。また、3NL/min、4NL/min(最大流量)の領域に変成部温度が到達しても同様である。
FIG. 6 shows an example of the relationship between the upper limit flow rate value of the raw material that can reduce the CO concentration after passing through the transformation section to 0.5% or less, and the upstream temperature and downstream temperature of the transformation section. The upper limit flow rate value of the raw material is set in four stages of 1.5, 2, 3, 4 NL / min, and 4 NL / min is the maximum flow rate value. The upper limit of the upstream temperature of the metamorphic part is 200 ° C. As shown in the figure, when the temperatures upstream of the metamorphic part and downstream of the metamorphic part reach (130 ° C, 105 ° C), it is determined that the CO concentration can be reduced to 0.5% or less, and the fuel cell power generation When the supply of the reformed gas to the
通常、触媒反応は温度が高いほど反応速度が上昇するため、原料ガスの上限流量値を上げることができる。一方、CO変成部で進行するシフト反応は通常用いられる温度領域では反応速度が比較的に遅く、触媒の容量を多くする必要があり、触媒に温度分布がつきやすい。特に起動時には上流側から改質ガスを流通させたり、電気ヒーターなどで加熱するため、触媒の温度分布は様々な状態が考えられ、温度分布の把握は困難であるが、通常、定常状態ではCO変成部は変成触媒体の下流部で計測される温度を変成触媒体の代表温度として用いている。 Usually, since the reaction rate of the catalytic reaction increases as the temperature increases, the upper limit flow rate value of the raw material gas can be increased. On the other hand, the shift reaction proceeding in the CO shift zone has a relatively slow reaction rate in the temperature range usually used, and it is necessary to increase the capacity of the catalyst, and the catalyst tends to have a temperature distribution. In particular, since the reformed gas is circulated from the upstream side or heated by an electric heater or the like at the time of start-up, the temperature distribution of the catalyst can be considered in various states, and it is difficult to grasp the temperature distribution. The shift section uses the temperature measured at the downstream portion of the shift catalyst body as the representative temperature of the shift catalyst body.
ところが、変成触媒体の下流温度のみを代表温度として用い、この下流温度に対してのみ目標温度を設定し、上述のような変成触媒体温度に基づき原料流量を上昇させる制御を行おうとすると、起動開始時の装置内(特に、変成部)の温度により変成部通過後の改質ガス中のCO濃度を許容CO濃度にまで低減できない場合が生じる可能性がある。
具体的には、家庭用で用いる場合には様々な運転状態が考えられ、夜間遅くに停止して、朝早く起動する場合もある。この場合、反応器が充分に冷え切っていないうちの起動(ホットスタート)となる。ホットスタートでは、起動を始めてから変成触媒体の下流温度が所定の温度まで上昇する時間が短い。したがって、CO変成部5の下流側の温度は所定の温度に達していても、上流側の温度が低くなる。より具体的には上流温度と下流温度が、停止してからの時間で異なるが、(135℃、135℃)、(150℃、150℃)、(170℃、160℃)という温度状態となった。この場合、装置内温度が外気温と同程度まで低減するほど十分な停止期間を経てから水素生成装置を再度起動した場合(コールドスタート)よりも変成触媒体の上流温度が低いため、触媒上流部での反応速度が低く、下流温度にのみ目標温度を設定し、上述のような変成触媒体温度に基づき原料流量を上昇させる制御を行うと、CO変成部5通過後のCO濃度が上昇し、CO選択酸化部7の許容CO濃度である0.5%を超過した。これに対し、本実施の形態のように、CO変成部5の上流温度と下流温度の組み合わせとして許容CO濃度にまで低減可能な目標温度を設定しておくと、CO変成部の温度状態を正確に把握でき、ホットスタートの場合とコールドスタートの場合の両方において、CO変成部5後の改質ガス中のCO濃度を許容CO濃度以下に維持しながら、変成触媒の検知温度と目標温度との対比に基づいて、燃料電池の最大出力に対応した原料流量にまで段階的に原料流量上限値を上昇させることが可能となる。
However, if only the downstream temperature of the shift catalyst body is used as a representative temperature, the target temperature is set only for this downstream temperature, and control is performed to increase the raw material flow rate based on the shift catalyst body temperature as described above, the startup There is a possibility that the CO concentration in the reformed gas after passing through the shift section cannot be reduced to the allowable CO concentration due to the temperature in the apparatus (particularly the shift section) at the start.
Specifically, when using it for home use, various driving states are conceivable, and it may stop at night and start early in the morning. In this case, start-up (hot start) is performed while the reactor is not sufficiently cooled down. In the hot start, the time for the downstream temperature of the shift catalyst body to rise to a predetermined temperature after the start is short is short. Therefore, even if the temperature on the downstream side of the
なお、本実施の形態において、変成部上流熱電対23と変成部下流熱電対24とはそれぞれCO変成触媒体の通過前と通過後の改質ガスの温度を検知するように構成したが、CO変成触媒体本体の上流部分及び下流側部分に熱電対が接触するようにしても、またCO変成触媒体本体の上流部分及び下流側部分をそれぞれ流れる改質ガス温度を熱電対が測定するように構成し、それぞれ、熱電対で検知される温度を変成部の上流温度及び下流温度の代表温度として用いても構わない。また、温度検知手段として熱電対を用いたが、抵抗の変化で温度を計測するサーミスタ等でも良い。
In this embodiment, the shift section
また、速やかにCO変成部5の温度を昇温させて原料を最大流量値まで上昇させるためには、上述の制御に基づき原料流量を最大流量値にまで上昇させる間は、CO変成部5に供給される改質ガス温度、すなわち改質部の温度を原料流量を最大流量値にまで上昇した後の、定常運転時の改質部の温度よりも高くすることが好ましい。このため、原料の上限流量値が低い間は改質部1の温度を高くしておくと良い。例えば、本実施の形態では定常運転時に640℃に改質部1の温度を制御しているが、原料の上限流量値が1分あたり1.5NL、2NL、3NLの場合に、改質部の制御温度をそれぞれ、670℃、660℃、650℃とした場合には、原料の上限流量値を最大の4NL/minまで上昇させるまでの時間が5分間短縮することができた。
Further, in order to quickly raise the temperature of the
また、速やかにCO変成部5の温度を昇温させて原料を最大流量値まで上昇させるためには、上述の制御に基づき原料流量を最大流量値にまで上昇させる間、原料に対する水の比率を高めることが好ましい。改質ガスの保有熱量を増加させて、CO変成部5の昇温を早めることができるからである。例えば、原料の上限流量値が1分あたり1.5NL、2NL、3NLでそれぞれ、スチームカーボン比(S/C)を3.6、3.4、および3.2とした場合には、原料の上限流量値を最大の4NLまで上昇させるまでの時間を3分間短縮することができた。
Further, in order to quickly raise the temperature of the
通常原料流量は一定速度で増加させており、原料流量を急激に増加させると、CO変成部5を通過後のCO濃度が上昇する。例えば、原料の上限流量値が1分あたり1.5NL、2NL、3NL、4NLにおける増加速度をそれぞれ1分当たり0.1NLの一定速度で増加させた場合、最大出力まで増加させるのに25分を要した。このとき、変成部通過後のCO濃度は0.3%以下である。これに対し、1分当たり0.2NLの一定速度で増加させた場合、最大出力まで上昇させるのに13分と約半分の時間に短縮できたが、3NLから4NLまで上昇させた時にCO濃度が上昇し、CO変成部5を通過後のCO濃度が0.5%を超過した。
Normally, the raw material flow rate is increased at a constant rate, and when the raw material flow rate is rapidly increased, the CO concentration after passing through the
しかしながら、燃料電池発電部8の最大出力付近での原料流量の増加速度を遅くすることによって、CO濃度を許容CO濃度以上に上昇させることなく燃料電池発電部8の出力を上昇させることができる。1.5NLから2NLまでの増加は1分当たり0.2NL、2NLから3NLまでは1分当たり0.15NL、そして3NLから4NLまでの上昇は0.1NLの速度とした場合には19分であった。このように、原料流量の上限流量値が上昇するに伴い、原料流量の増加速度を遅くすることにより、CO濃度を上昇させることなく、燃料電池発電部8の最大出力までの上昇時間を短縮することができる。
However, the output of the fuel cell
また、目標温度を、装置の起動回数、停止回数及び累積運転時間の少なくとも一つに連動させて上昇させることが好ましい。例えば、過去の所定時間内における起動回数を記憶し、その起動回数が所定の回数より多い場合には、起動時の装置の温度が所定の温度以上であると判断して、その所定の温度未満である場合よりも低い目標温度を設定する方法を用いることができる。また、停止直前の運転時間を記憶し、停止直前の運転時間が所定の運転時間よりも長い場合には、起動時の装置の温度が所定の温度以上であると判断して、その所定の温度未満である場合よりも低い目標温度を設定する方法を用いることができる。また、過去の所定時間内における起動回数と停止直前の運転時間の両方を記憶し、その起動回数と運転時間が所定の回数及び運転時間より大きい場合には、低い場合に比べ低い目標温度を設定することもできる。 Moreover, it is preferable to raise the target temperature in conjunction with at least one of the number of start-up times, the number of stoppages, and the cumulative operation time. For example, memorize the number of activations within a predetermined time in the past, and if the number of activations is greater than the predetermined number of times, it is determined that the temperature of the device at the time of activation is equal to or higher than the predetermined temperature, and is less than the predetermined temperature It is possible to use a method of setting a target temperature lower than that in the case of. Further, the operation time immediately before the stop is stored, and when the operation time immediately before the stop is longer than the predetermined operation time, it is determined that the temperature of the apparatus at the start-up is equal to or higher than the predetermined temperature, and the predetermined temperature It is possible to use a method of setting a lower target temperature than when the temperature is less than In addition, it stores both the number of activations in the past predetermined time and the operation time immediately before the stop, and if the number of activations and the operation time is greater than the predetermined number and operation time, a lower target temperature is set than when it is low You can also
実施の形態2.
本実施の形態に係る水素生成装置は、制御部に水素生成装置が停止してから起動動作開始するまでの経過時間を計測するタイマーと、このタイマーにより計測された経過時間からCO変成部5の下流温度に対し、段階的に増加する1以上の目標温度を算定する演算部とを設け、制御部10は、経過時間に応じて、この演算部により算定された目標温度に変更する。それ以外の点については、CO変成部5の上流温度の検知を行わない、あるいは上流温度検知手段を設けない以外、実施の形態1と同様の構成を有している。
The hydrogen generator according to the present embodiment includes a timer that measures an elapsed time from when the hydrogen generator is stopped to the start of the start-up operation in the control unit, and from the elapsed time measured by the timer, A calculation unit that calculates one or more target temperatures that increase stepwise with respect to the downstream temperature is provided, and the
CO変成部5の上流温度と下流温度は、装置の停止後に時間の関数として低下する。水素生成装置の起動時にCO変成部5の温度が高いほど、所定の温度まで上昇する時間は短くなるが、実施の形態1で説明したように、CO変成部5の下流温度が同じであっても上流温度が低い場合は、原料流量を増加させたときにCO濃度が高くなって許容量を超える場合がある。本実施の形態では、演算部が、タイマーで計測された経過時間に応じて下流温度に対し、段階的に増加する1以上の目標温度を算定し、制御部10は、この算定された目標温度を新たな目標温度として設定変更し、下流温度がその各目標温度以上に到達したと判断した場合に、各目標温度により規定される上限流量値まで原料流量を増加させる制御を行う。なお、上記目標温度は、演算部により、装置停止から装置起動開始までの経過時間に応じて、原料流量が上限流量値の場合に変成部通過後の改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定の許容一酸化炭素濃度以下になる変成触媒体の温度として算定された値となる。具体的な算定方法としては、例えば、装置停止から装置起動開始までの経過時間毎に装置起動開始後の変成部上流温度及び下流温度の温度プロファイルを測定し、この温度プロファイルと図6に示す各上限流量値において許容一酸化炭素濃度以下になる変成部上流温度及び下流温度を示す境界線との交点における変成部下流側温度、すなわち所定の経過時間における変成部上流温度及び変成部下流温度のいずれもが図6に示す許容一酸化炭素濃度以下を実現する変成部上流温度以上及び変成部下流温度以上になる変成部下流温度が、目標温度として算定される。これにより、上述の実施の形態1と同様に、装置停止から装置起動開始までの経過時間によらず(すなわちホットスタートの場合とコールドスタートの場合の両方において)、CO変成部5後の改質ガス中のCO濃度を許容CO濃度以下に維持しながら、変成触媒の検知温度と目標温度との対比に基づいて、燃料電池の最大出力に対応した原料流量にまで段階的に原料流量上限値を上昇させることが可能となる。
The upstream temperature and downstream temperature of the
図3は、本実施の形態に用いる制御部の構成を示すブロック図である。制御部10には、水素生成装置が停止してから起動開始までの経過時間を計測するタイマー13と、その経過時間から下流温度に対し、段階的に増加する1以上の目標温度を算定する演算部12とが設けられている。
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the control unit used in the present embodiment. The
次に、水素生成装置の起動時の運転方法について、図7のフローチャートを用いて説明する。起動開始後、原料流量を低流量の初期流量値に設定する。ステップS10では、演算部は水素生成装置が停止してからの経過時間を記憶するとともに、その経過時間に応じた下流温度の目標温度を算定する。次いで、ステップS11では、制御部10は、変成部の検知した下流温度を、演算部の算定した目標温度と対比し、実際の下流温度が目標温度より大きいと判断した時には、ステップS12に進み、燃料電池発電部8への改質ガスの供給を開始する。次いで、ステップS13に進み、目標温度を、より高い新たな目標温度に変更する。そして、ステップS14に進み、この目標温度と対比し、実際の下流温度が目標温度より大きいと判断した時には、ステップS15に進み、その目標温度により規定され初期流量値よりも大きい上限流量値まで原料流量を増加させる。次いで、ステップS16では、その上限流量値が予め設定された最大流量値よりも小さいか否かを判断し、小さいと判断した場合には、ステップS13に戻り、ステップS13以降を繰り返す。また、ステップS16で、上限流量値が最大流量値であると判断した場合には、その最大流量値を維持し、起動は完了する。一方、ステップS11で、実際の下流温度がその目標温度より小さいと判断した時には、初期流量値を維持し、変成部の温度が上昇し、新たな目標温度に到達するまで、ステップS11を繰り返す。
Next, the operation method at the time of starting the hydrogen generator will be described with reference to the flowchart of FIG. After starting, the raw material flow rate is set to a low initial flow rate value. In step S <b> 10, the calculation unit stores the elapsed time since the hydrogen generator is stopped and calculates a target temperature of the downstream temperature corresponding to the elapsed time. Next, in step S11, when the
図8は原料の上限流量値と、水素生成装置の停止から起動までの時間と変成部の下流温度の目標温度との関係の一例を示したものである。装置を停止させてから1時間未満であれば、原料の上限流量値を最大流量値にすることができる。また、停止から1時間以上経過した場合には、演算部により経過時間に応じた変成部の下流温度に対する目標温度を算定し、この目標温度と変成部の下流温度とを対比しながら段階的に上限流量値を増加させる図7のフローで原料流量の制御を行う。経過時間が1時間以上経過した時点で起動開始した場合の各上限流量値に対する目標温度は、長期に渡って停止して起動停止した場合の目標温度に比べて高いが、停止から起動までの時間が長くなるに伴い、下流温度の目標温度は徐々に下がっていく。なお、8時間以上経過した場合、温度は室温まで低下するので、経過時間が8時間以上の場合は、長期に渡って停止して起動停止した場合の目標温度に収束する。具体的には、本実施の形態では、水素生成装置の停止から起動までの時間が8時間以上では、変成部の下流温度が目標温度105℃を上回った時点で燃料電池発電部8に改質ガスの供給を開始し、さらに、目標温度135℃、150℃、160℃を上回った時にそれぞれ1分当たり2NL、3NL、および4NLまで 原料流量の上限流量値を上昇させるように設定している。同様に4時間以上8時間未満では、変成部の下流温度が、目標温度110℃を上回った時点で燃料電池発電部8に改質ガスの供給を開始し、さらに、変成部の下流温度が、目標温度140℃、155℃、165℃を上回った時にそれぞれ1分当たり2NL、3NL、および4NLまで 原料流量の上限流量値を上昇させるように設定し、2時間以上4時間未満では、目標温度115℃を上回った時点で燃料電池発電部8に改質ガスの供給を開始し、さらに、目標温度を145℃、160℃、170℃を上回った時にそれぞれ1分当たり2NL、3NL、および4NLまで 原料流量の上限流量値を上昇させるように設定した。さらに1時間以上2時間未満では、変成部の下流温度が、目標温度115℃を上回った時点で燃料電池発電部8に改質ガスの供給を開始し、さらに、目標温度150℃、165℃、175℃を上回った時にそれぞれ1分当たり2NL、3NL、および4NLまで 原料流量の上限流量値を上昇させるように設定した。さらに停止後1時間未満の場合は、触媒温度が充分に高いため、目標温度は特に設定されず、上限流量値が最大流量値4NL/minとして設定され、上記最大流量値に達した時点で燃料電池発電部8に改質ガスの供給を開始するよう制御される。この結果、上述のように実施の形態1の場合と同じくCO変成部5後の改質ガス中のCO濃度を許容CO濃度以下に維持しながら、燃料電池の最大出力に対応した原料流量にまで段階的に原料流量上限値を上昇させることが可能となる。
FIG. 8 shows an example of the relationship between the upper limit flow rate value of the raw material, the time from the stop to the start of the hydrogen generator and the target temperature of the downstream temperature of the metamorphic part. If it is less than 1 hour after stopping the apparatus, the upper limit flow rate value of the raw material can be set to the maximum flow rate value. In addition, when one hour or more has passed since the stop, the calculation unit calculates a target temperature for the downstream temperature of the transformation unit according to the elapsed time, and compares the target temperature with the downstream temperature of the transformation unit step by step. The raw material flow rate is controlled by the flow of FIG. 7 in which the upper limit flow rate value is increased. The target temperature for each upper limit flow rate value when starting after the elapsed time of 1 hour or more has passed is higher than the target temperature when stopping and starting and stopping for a long time, but the time from stop to start As becomes longer, the target temperature of the downstream temperature gradually decreases. In addition, since temperature will fall to room temperature when 8 hours or more pass, when elapsed time is 8 hours or more, it will stop for a long term and will converge to the target temperature at the time of starting and stopping. Specifically, in the present embodiment, when the time from the stop to the start of the hydrogen generator is 8 hours or longer, the reforming is performed on the fuel cell
実施の形態3.
本実施の形態に係る水素生成装置は、制御部に、水素生成装置停止後、下流温度の時間変化を記憶する下流温度記憶部を有し、起動開始時の変成部下流温度から、変成部の下流温度に対し段階的に増加する1以上の目標温度を決定する演算部を設け、変成部の上流温度の検知を行わない、あるいは上流温度検知手段を設けない以外は、実施の形態1と同様の構成を有している。
Embodiment 3 FIG.
The hydrogen generator according to the present embodiment has a downstream temperature storage unit that stores a temporal change in downstream temperature after the hydrogen generator is stopped in the control unit, and from the downstream temperature of the transformation unit at the start of startup, The same as in the first embodiment except that a calculation unit that determines one or more target temperatures that increase stepwise with respect to the downstream temperature is provided, and the upstream temperature of the transformation unit is not detected or the upstream temperature detection means is not provided. It has the composition of.
CO変成部5の上流温度と下流温度は、装置の停止後に時間の関数として低下する。水素生成装置の起動時にCO変成部5の温度が高いほど、所定の温度まで上昇する時間は短くなるが、実施の形態1で説明したように、CO変成部5の下流温度が同じであっても上流温度が低い場合は、原料流量を増加させたときにCO濃度が高くなって許容量を超える場合がある。本実施の形態では、演算部が、装置起動開始時の変成部の下流温度に応じて変成部下流温度に対し、段階的に増加する1以上の目標温度を算定し、制御部10は、この算定された目標温度を新たな目標温度として設定変更し、下流温度がその各目標温度以上に到達したと判断した場合に、各目標温度により規定される上限流量値まで原料流量を増加させる制御を行う。なお、上記目標温度は、演算部により、装置起動開始時の変成部下流温度に応じて、原料流量が上限流量値の場合に変成部通過後の改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定の許容一酸化炭素濃度以下になる変成触媒体の温度として算定された値となる。具体的な算定方法としては、例えば、変成部下流温度の時間変化データを下流温度記憶部に記憶し、装置起動開始時の変成部下流温度からこの時間変化データを参照し、装置停止から装置起動開始までの経過時間を求め、この経過時間を基に上述の実施の形態2と同様の手法で変成部下流温度に対する目標温度を算定される。これにより、上述の実施の形態1と同様に、装置停止から装置起動開始までの経過時間によらず(すなわちホットスタートの場合とコールドスタートの場合の両方において)、CO変成部5後の改質ガス中のCO濃度を許容CO濃度以下に維持しながら、変成触媒の検知温度と目標温度との対比に基づいて、燃料電池の最大出力に対応した原料流量にまで段階的に原料流量上限値を上昇させることが可能となる。
The upstream temperature and downstream temperature of the
図4は、本実施の形態に用いる制御部の構成を示すブロック図である。制御部10には、水素生成装置停止後、下流温度の時間変化を記憶する下流温度記憶部14と、下流温度に対し段階的に増加する1以上の目標温度を決定する演算部12が設けられている。
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the control unit used in the present embodiment. The
次に、水素生成装置の起動時の運転方法について、図9のフローチャートを用いて説明する。起動開始後、原料流量を低流量の初期流量値に設定する。ステップS20では、演算部が、起動開始直後の変成部下流温度に応じて変成部下流温度に対する目標温度を算定する。次いで、ステップS21では、制御部10は、検知された変成部の下流温度を、演算部の算定した目標温度と対比し、実際の下流温度が目標温度より大きいと判断した時には、ステップS22に進み、燃料電池発電部8への改質ガスの供給を開始する。次いで、ステップS23に進み、目標温度を、より高い新たな目標温度に変更する。そして、ステップS24に進み、この目標温度と対比し、実際の下流温度が目標温度より大きいと判断した時には、ステップS25に進み、その目標温度により規定され初期流量値よりも大きい上限流量値まで原料流量を増加させる。次いで、ステップS26では、その上限流量値が予め設定された最大流量値よりも小さいか否かを判断し、小さいと判断した場合には、ステップS23に戻り、ステップS23以降を繰り返す。また、ステップS26で、上限流量値が最大流量値であると判断した場合には、その最大流量値を維持し、起動は完了する。一方、ステップS21で、実際の下流温度がその目標温度より小さいと判断した時には、初期流量値を維持し、変成部の温度が上昇し、新たな目標温度に到達するまで、ステップS21を繰り返す。
Next, the operation method at the time of starting the hydrogen generator will be described with reference to the flowchart of FIG. After starting, the raw material flow rate is set to a low initial flow rate value. In step S <b> 20, the calculation unit calculates a target temperature for the transformation unit downstream temperature according to the transformation unit downstream temperature immediately after the start of startup. Next, in step S21, when the
図10は原料の上限流量値と、起動時の下流温度及び下流温度の目標温度との関係の一例を示したものである。起動開始時の変成部下流温度が80℃未満では、変成部下流温度が、目標温度105℃を上回った時点で燃料電池発電部8に改質ガスの供給を開始し、さらに、変成部下流温度が目標温度の135℃、150℃、160℃を上回った時にそれぞれ1分あたり2NL、3NL、および4NLまで 原料の上限流量値を上昇させるように設定している。同様に起動開始時の変成部下流温度が80℃以上120℃未満では、目標温度110℃を上回った時点で燃料電池発電部8に改質ガスの供給を開始し、さらに、目標温度140℃、155℃、165℃を上回った時にそれぞれ1分あたり2NL、3NL、および4NLまで 原料の上限流量値を上昇させるように設定し、起動開始時の変成部下流温度が120℃以上140未満では、変成部下流温度が、目標温度115℃を上回った時点で燃料電池発電部8に改質ガスの供給を開始し、さらに、目標温度145℃、160℃、170℃を上回った時にそれぞれ1分あたり2NL、3NL、および4NLまで 原料の上限流量値を上昇させるように設定した。さらに、起動開始時の変成部下流温度が、140℃以上150℃未満では、目標温度120℃を上回った時点で燃料電池発電部8に改質ガスの供給を開始し、さらに、変成部下流温度が目標温度を150℃、165℃、175℃を上回った時にそれぞれ1分あたり2NL、3NL、および4NLまで 原料の上限流量値を上昇させるように設定した。なお、起動開始時の変成部下流温度が150℃以上では、触媒温度が充分に高いため、変成部下流温度に目標温度は設定せず上限流量値は最大流量値4NLとし、上記最大流量値に達した時点で燃料電池発電部8に改質ガスの供給を開始するよう制御される。この結果、実施の形態1と同じくCO変成部5後の改質ガス中のCO濃度を許容CO濃度以下に維持しながら、燃料電池の最大出力に対応した原料流量にまで段階的に原料流量上限値を上昇させることが可能となる。
なお、起動開始時の変成部下流温度が、150℃以上の場合に、140℃以上150℃未満時点での最大流量値4NLに対する目標温度175℃に達していないにも拘わらず上限流量値を最大流量値に設定できるのは、原料流量を徐々に(例えば0.2NL/min)最大流量値にまで上昇させている間に変成部下流温度は175℃以上に達し、CO変成部5後の改質ガス中のCO濃度はCO許容濃度を超えることなく最大流量値にまで到達することができる。
FIG. 10 shows an example of the relationship between the upper limit flow rate value of the raw material, the downstream temperature at the time of startup, and the target temperature of the downstream temperature. If the downstream temperature of the transformation section at the start of startup is less than 80 ° C., the supply of the reformed gas to the fuel cell
When the downstream temperature of the transformation section at the start of startup is 150 ° C or higher, the upper limit flow rate value is maximized even though the target temperature 175 ° C for the maximum flow rate value 4NL at 140 ° C or higher and lower than 150 ° C is not reached. The flow rate value can be set because the downstream temperature of the transformation unit reaches 175 ° C. or more while the raw material flow rate is gradually increased (for example, 0.2 NL / min) to the maximum flow rate value. The CO concentration in the gas can reach the maximum flow rate value without exceeding the CO allowable concentration.
以上説明したように、本発明によれば、水素生成装置を起動させるに際し、制御部が、変成部の温度検知手段からの検知温度と装置停止からの経過時間によらず所定原料流量において変成部後の改質ガス中のCO濃度が許容CO濃度以下であることを保証し、段階的に増加する1以上の目標温度とを順次対比し、各目標温度で規定される上限流量値まで原料流量を増加させるようにしたので、変成部を流通後の改質ガス中のCO濃度を抑制しながら最適な原料流量の増加を行うことができる。これにより、起動が早く、安定動作を実現する水素生成装置および燃料電池発電システムを提供することができる。 As described above, according to the present invention, when the hydrogen generator is started up, the control unit is not limited to the temperature detected from the temperature detection means of the shift unit and the elapsed time since the stop of the device, and the shift unit is at a predetermined raw material flow rate. It is ensured that the CO concentration in the reformed gas after that is equal to or less than the allowable CO concentration, and one or more target temperatures that increase stepwise are sequentially compared, and the raw material flow rate reaches the upper limit flow rate value defined by each target temperature. Therefore, the optimum raw material flow rate can be increased while suppressing the CO concentration in the reformed gas after flowing through the shift section. Accordingly, it is possible to provide a hydrogen generator and a fuel cell power generation system that can be started up quickly and realize stable operation.
1 改質部
2 加熱部
3 原料供給部
4 改質水供給部
5 CO変成部
6 選択酸化空気供給部
7 CO選択酸化部
8 燃料電池発電部
9 燃焼ガス供給部
10 制御装置
11 流路切替弁
12 演算部
13 タイマー
14 下流温度記憶部
21 変成部改質ガス入口
22 CO変成触媒体
23 変成部上流熱電対
24 変成部下流熱電対
25 変成部改質ガス出口
26 変成部熱交換部
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減する変成触媒体を有する変成部と、
制御部とを備え、
前記制御部は、装置起動動作時に、前記変成触媒体の温度が、前記変成触媒体の上流温度および下流温度のそれぞれに対して設けられた一対の温度値である目標温度以上に到達したと直接的または間接的に判定した場合に、前記目標温度で規定される上限流量値まで原料流量を増加させる水素生成装置。 A reforming unit that reacts a raw material containing an organic compound with water to generate a reformed gas containing at least hydrogen and carbon monoxide;
A shift section having a shift catalyst body for reducing carbon monoxide in the reformed gas by a shift reaction;
A control unit,
The control unit directly determines that the temperature of the shift catalyst body has reached a target temperature that is a pair of temperature values provided for each of the upstream temperature and the downstream temperature of the shift catalyst body during the apparatus start-up operation. A hydrogen generator that increases the raw material flow rate to an upper limit flow rate value defined by the target temperature when determined manually or indirectly.
前記制御部は、前記水素生成装置の停止から起動動作開始までの経過時間に基づき、該経過時間での予め測定された起動動作開始後の前記変成触媒体の上流温度及び下流温度の温度プロファイルを参照し、前記下流温度検知手段により検知される下流温度が、前記温度プロファイルから前記上流温度及び下流温度が共に前記一対の温度値以上になると推定される下流温度以上になった場合に、前記変成触媒体の温度が、前記目標温度以上に到達したと間接的に判定する請求項1または2記載の水素生成装置。 A downstream temperature detecting means for detecting a downstream temperature of the shift catalyst body;
The controller, based on the elapsed time from the stop of the hydrogen generator to the start of the start-up operation, the temperature profile of the upstream temperature and the downstream temperature of the shift catalyst body after the start of the start-up operation measured in the elapsed time The transformation is performed when the downstream temperature detected by the downstream temperature detecting means is equal to or higher than the downstream temperature estimated from the temperature profile that both the upstream temperature and the downstream temperature are equal to or higher than the pair of temperature values. The hydrogen generator according to claim 1 or 2, wherein the temperature of the catalyst body is indirectly determined as having reached the target temperature or higher.
前記制御部は、前記水素生成装置の起動動作開始時に前記下流温度検知手段により検知される下流温度に基づき、該下流温度での予め測定された起動動作開始後の前記変成触媒体の上流温度及び下流温度の温度プロファイルを参照し、前記下流温度検知手段により検知される下流温度が、前記温度プロファイルから前記上流温度及び下流温度が共に前記一対の温度値以上になると推定される下流温度以上になった場合に、前記変成触媒体の温度が、前記目標温度以上に到達したと間接的に判定する請求項1または2記載の水素生成装置。 A downstream temperature detecting means for detecting a downstream temperature of the shift catalyst body;
The control unit, based on the downstream temperature detected by the downstream temperature detection means at the start of the startup operation of the hydrogen generator, the upstream temperature of the shift catalyst body after the start of the startup operation measured in advance at the downstream temperature and With reference to the temperature profile of the downstream temperature, the downstream temperature detected by the downstream temperature detection means is equal to or higher than the downstream temperature estimated from the temperature profile that both the upstream temperature and the downstream temperature are equal to or higher than the pair of temperature values. 3. The hydrogen generator according to claim 1, wherein the temperature of the shift catalyst body is indirectly determined as having reached the target temperature or higher.
前記改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減する変成触媒体を有する変成部と、
制御部とを備え、
前記制御部は、装置起動動作において前記変成触媒体の温度が所定の目標温度以上になってから前記目標温度により規定される上限流量値までに原料流量を増加させる際に、装置停止時間または装置起動開始時の装置内温度に応じて、前記目標温度を変更する水素生成装置。 A reforming unit that reacts a raw material containing an organic compound with water to generate a reformed gas containing at least hydrogen and carbon monoxide;
A shift section having a shift catalyst body for reducing carbon monoxide in the reformed gas by a shift reaction;
A control unit,
When the raw material flow rate is increased by the control unit from the time when the temperature of the shift catalyst body becomes equal to or higher than a predetermined target temperature to the upper limit flow rate value defined by the target temperature in the device startup operation, A hydrogen generator that changes the target temperature in accordance with the temperature inside the apparatus at the start of startup.
前記制御部は、前記水素生成装置の運転停止後から運転開始時までの経過時間である前記装置停止時間に応じて前記下流温度検知手段で検知される下流温度に対する前記所定の目標温度を変更する請求項7記載の水素生成装置。 A downstream temperature detecting means for detecting the temperature of the reformed gas downstream of the shift catalyst body;
The control unit changes the predetermined target temperature with respect to the downstream temperature detected by the downstream temperature detecting means according to the apparatus stop time which is an elapsed time from the stop of operation of the hydrogen generator to the start of operation. The hydrogen generator according to claim 7.
さらに、前記水素生成装置は、起動動作開始時に、前記下流温度検知手段で検知される下流温度である前記装置内温度に応じて、前記下流温度検知手段で検知される下流温度に対する所定の目標温度を変更する請求項8記載の水素生成装置。 Comprising downstream temperature detecting means for detecting the temperature of the reformed gas downstream of the shift catalyst body,
Further, the hydrogen generating device has a predetermined target temperature with respect to the downstream temperature detected by the downstream temperature detecting means according to the internal temperature which is the downstream temperature detected by the downstream temperature detecting means at the start of the starting operation. The hydrogen generator according to claim 8, wherein
前記制御部は、前記上限流量値の上昇に伴って、前記改質部の温度を低下させる請求項1または6に記載の水素生成装置。 The target temperature consists of a plurality of target temperatures that increase stepwise, and the upper limit flow rate value consists of a plurality of upper limit flow rate values respectively defined by the plurality of target temperatures,
The hydrogen generation apparatus according to claim 1, wherein the control unit decreases the temperature of the reforming unit as the upper limit flow rate value increases.
前記制御部は、前記上限流量値の上昇に伴って、原料に対する水の比率を低下させる請求項1または6に記載の水素生成装置。 The target temperature consists of a plurality of target temperatures that increase stepwise, and the upper limit flow rate value consists of a plurality of upper limit flow rate values respectively defined by the plurality of target temperatures,
The said control part is a hydrogen generator of Claim 1 or 6 which reduces the ratio of the water with respect to a raw material with the raise of the said upper limit flow value.
前記制御部は、前記上限流量値の上昇に伴って、原料流量の増加速度を低下させる請求項1または6に記載の水素生成装置。 The target temperature consists of a plurality of target temperatures that increase stepwise, and the upper limit flow rate value consists of a plurality of upper limit flow rate values respectively defined by the plurality of target temperatures,
The hydrogen generation apparatus according to claim 1, wherein the control unit decreases the increase rate of the raw material flow rate as the upper limit flow rate value increases.
A hydrogen generator according to any one of claims 1 to 13, and a fuel cell that generates electric power using an oxidant gas containing oxygen and a fuel gas containing hydrogen supplied from the hydrogen generator. A fuel cell system provided.
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