JP2006273619A - Reformer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、改質用燃料および改質水がそれぞれ供給されその供給された改質用燃料を内部に充填された改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスを生成して燃料電池に供給する改質装置に関する。 The present invention supplies a reforming fuel and reforming water, and reforms the supplied reforming fuel with a reforming catalyst filled therein, thereby generating a reformed gas containing hydrogen to generate fuel. The present invention relates to a reformer that supplies a battery.
従来から、この種の改質装置の一例として、特許文献1「燃料処理装置、燃料電池発電システム」に示されているものが知られている。特許文献1に示されているように、燃料処理装置は、炭化水素系原料(40、40a)を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガス44に改質する改質部11と、改質部11に改質用プロセス水41を供給するプロセス水供給系統3と、改質ガス44を変成して、改質ガス44中の一酸化炭素含有量を減少させる変成触媒部14、並びに改質用プロセス水41と変成触媒部14との間で熱交換させる第1の熱交換部13を有する変成部12と、変成触媒部14(または選択酸化触媒部19)の温度を検出する温度検出器17(または温度検出器20)で検出される温度に基いて、改質用プロセス水41の供給量を調節するプロセス水量調節装置5を備え、プロセス水量調節装置5は炭化水素系原料流量とあらかじめ設定されたS/C範囲とから算出される流量範囲内で改質用プロセス水41の供給量を増減するようになっている。これにより、簡単な構成でありながら、燃料電池発電システムの負荷変動時などにも安定した一酸化炭素除去能力を有する燃料処理装置を提供している。
上述した特許文献1に記載の燃料処理装置においては、図3に示されているように、変成触媒部14(または選択酸化触媒部19)の温度は過昇温しきい値と過降温しきい値で規定される所定範囲を挟む範囲に制御することができ、また、図4に示されているように、変成触媒部14(または選択酸化触媒部19)の温度は過昇温しきい値を挟む範囲に制御することができるが、変成触媒部14(または選択酸化触媒部19)の温度が過昇温しきい値を挟んで変動した時点でスチームカーボン比の設定が大きく変動していた。これにより、改質部においては、投入される改質用燃料の供給量が同じであっても、投入される改質水の供給量が変動するため、圧力変動、メタン転化率変動などが誘発されてその結果安定した改質ガスの供給すなわち安定した改質装置の運転が困難となるというおそれがあった。
In the fuel processing apparatus described in
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、圧力変動、メタン転化率変動などを抑制し、安定した改質ガスの供給ができ、安定した改質装置の運転ができる改質装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and is capable of suppressing pressure fluctuations, methane conversion fluctuations, etc., supplying a stable reformed gas, and capable of operating a stable reforming apparatus. An object is to provide an apparatus.
上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明の構成上の特徴は、改質用原料として改質用燃料および改質水が供給されその供給された改質用燃料を改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスを生成して導出する改質部と、改質水を加熱して沸騰させてその水蒸気を改質部に供給する蒸発部と、改質部から改質ガスを導入し同改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、改質用燃料を改質部に供給する改質燃料供給手段と、改質水を改質部に供給する改質水供給手段と、改質燃料供給手段により供給される改質用燃料の供給量を導出する改質用燃料供給量導出手段と、改質用原料のスチームカーボン比を制御するためのスチームカーボン比制御指示値を導出するスチームカーボン比制御指示値導出手段と、スチームカーボン比制御指示値導出手段により導出されたスチームカーボン比制御指示値と改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量とに基づいて改質部に供給する改質水の目標供給量を導出する目標改質水供給量導出手段と、目標改質水供給量導出手段により導出された目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御する改質水供給制御手段と、を備えた改質装置において、スチームカーボン比制御指示値導出手段は、改質用燃料供給量、一酸化炭素低減部の温度、水蒸気の温度の少なくとも一つに基づいてスチームカーボン比制御指示値を導出することである。
In order to solve the above-mentioned problem, the structural feature of the invention according to
また、請求項2に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、当該改質装置が収容される筐体内の温度を検出する筐体内温度検出手段をさらに備え、スチームカーボン比制御指示値導出手段は、筐体内温度検出手段により検出された筐体内温度も加味してスチームカーボン比制御指示値を導出することである。
Further, the structural feature of the invention according to
また、請求項3に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、スチームカーボン比制御指示値導出手段は、改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第1のマップまたは演算式から、改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第1のスチームカーボン比制御指示値を導出し、この第1のスチームカーボン比制御指示値をスチームカーボン比制御指示値とすることである。
Further, the structural feature of the invention according to
また、請求項4に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、スチームカーボン比制御指示値導出手段は、改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第1のマップまたは演算式から、改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第1のスチームカーボン比制御指示値を導出し、一酸化炭素低減部の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第2のマップまたは演算式から、一酸化炭素低減部の温度に応じた第2のスチームカーボン比制御指示値を導出し、第1および第2のスチームカーボン比制御指示値を加算してスチームカーボン比制御指示値を導出することである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect, the steam carbon ratio control instruction value deriving means is a first map showing a correlation between the reforming fuel supply amount and the steam carbon ratio. Alternatively, a first steam carbon ratio control instruction value corresponding to the reforming fuel supply amount derived by the reforming fuel supply amount deriving means is derived from the arithmetic expression, and the temperature and steam carbon ratio of the carbon monoxide reduction unit are derived. The second steam carbon ratio control instruction value corresponding to the temperature of the carbon monoxide reduction unit is derived from the second map or the arithmetic expression indicating the correlation with the first and second steam carbon ratio control instruction values. Is added to derive the steam carbon ratio control instruction value.
また、請求項5に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、スチームカーボン比制御指示値導出手段は、改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第1のマップまたは演算式から、改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第1のスチームカーボン比制御指示値を導出し、水蒸気の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第3のマップまたは演算式から、水蒸気の温度に応じた第3のスチームカーボン比制御指示値を導出し、第1および第3のスチームカーボン比制御指示値を加算してスチームカーボン比制御指示値を導出することである。
Further, the structural feature of the invention according to
また、請求項6に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、スチームカーボン比制御指示値導出手段は、改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第1のマップまたは演算式から、改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第1のスチームカーボン比制御指示値を導出し、一酸化炭素低減部の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第2のマップまたは演算式から、一酸化炭素低減部の温度に応じた第2のスチームカーボン比制御指示値を導出し、水蒸気の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第3のマップまたは演算式から、水蒸気の温度に応じた第3のスチームカーボン比制御指示値を導出し、第1から第3のスチームカーボン比制御指示値を加算してスチームカーボン比制御指示値を導出することである。
Further, the structural feature of the invention according to claim 6 is that, in
また、請求項7に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、スチームカーボン比制御指示値導出手段は、当該改質装置が収容される筐体内の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第4のマップまたは演算式から、筐体内の温度に応じた第4のスチームカーボン比制御指示値を導出し、この第4のスチームカーボン比制御指示値も加味してスチームカーボン比制御指示値を導出することである。
Further, the structural feature of the invention according to claim 7 is that in
また、請求項8に係る発明の構成上の特徴は、請求項3乃至請求項7の何れか一項において、各マップまたは演算式が示すスチームカーボン比との各相関関係が連続的であることである。
Further, the structural feature of the invention according to claim 8 is that, in any one of
また、請求項9に係る発明の構成上の特徴は、請求項3乃至請求項7の何れか一項において、各マップまたは演算式が示すスチームカーボン比との各相関関係は正常時の第一関係だけでなくこの第一関係と異なる第二関係も有することである。
Further, the structural feature of the invention according to claim 9 is that, according to any one of
上記のように構成した請求項1に係る発明においては、スチームカーボン比制御指示値導出手段が、改質用燃料供給量、一酸化炭素低減部の温度、水蒸気の温度の少なくとも一つに基づいてスチームカーボン比制御指示値を導出し、改質用燃料供給量導出手段が、改質燃料供給手段により供給される改質用燃料の供給量を導出し、目標改質水供給量導出手段が、先に導出したスチームカーボン比制御指示値と改質用燃料供給量とに基づいて改質部に供給する改質水の目標供給量を導出し、改質水供給制御手段が、目標改質水供給量導出手段により導出された目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御する。これにより、改質部に投入される改質用燃料の供給量の変動がした場合、投入される改質水の供給量が投入される改質用燃料の供給量の変動に応じて調整されるので、圧力変動、メタン転化率変動などが抑制され、その結果安定した改質ガスの供給すなわち安定した改質装置の運転を実現することができる。また、一酸化炭素低減部の温度が変動した場合、投入される改質水の供給量が一酸化炭素低減部の温度の変動に応じて調整されるので、一酸化炭素低減部の触媒温度を適正に保つことができ、より安定した改質ガスの供給すなわちより安定した改質装置の運転を実現することができる。さらに、水蒸気の温度が変動した場合、投入される改質水の供給量が水蒸気の温度の変動に応じて調整されるので、水蒸気すなわち改質水を適正に供給することができ、より安定した改質ガスの供給すなわちより安定した改質装置の運転を実現することができる。
In the invention according to
上記のように構成した請求項2に係る発明においては、請求項1に係る発明において、スチームカーボン比制御指示値導出手段が、筐体内温度検出手段により検出された筐体内温度も加味してスチームカーボン比制御指示値を導出することにより、改質部に投入される改質水の供給量が、改質装置が収容されている筐体内の温度も加味して調整されるので、環境温度が変動しても安定した改質ガスの供給すなわち安定した改質装置の運転を実現することができる。
In the invention according to
上記のように構成した請求項3に係る発明においては、請求項1に係る発明において、スチームカーボン比制御指示値導出手段が、改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第1のマップまたは演算式から、改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第1のスチームカーボン比制御指示値を導出し、この第1のスチームカーボン比制御指示値をスチームカーボン比制御指示値とするので、容易かつ確実に改質水の目標供給量を導出し、その目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御することができる。
In the invention according to
上記のように構成した請求項4に係る発明においては、請求項1に係る発明において、スチームカーボン比制御指示値導出手段が、改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第1のマップまたは演算式から、改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第1のスチームカーボン比制御指示値を導出し、一酸化炭素低減部の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第2のマップまたは演算式から、一酸化炭素低減部の温度に応じた第2のスチームカーボン比制御指示値を導出し、第1および第2のスチームカーボン比制御指示値を加算してスチームカーボン比制御指示値を導出するので、容易かつ確実に改質水の目標供給量を導出し、その目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御することができる。
In the invention according to
上記のように構成した請求項5に係る発明においては、請求項1に係る発明において、スチームカーボン比制御指示値導出手段が、改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第1のマップまたは演算式から、改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第1のスチームカーボン比制御指示値を導出し、水蒸気の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第3のマップまたは演算式から、水蒸気の温度に応じた第3のスチームカーボン比制御指示値を導出し、第1および第3のスチームカーボン比制御指示値を加算してスチームカーボン比制御指示値を導出するので、容易かつ確実に改質水の目標供給量を導出し、その目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御することができる。
In the invention according to
上記のように構成した請求項6に係る発明においては、請求項1に係る発明において、スチームカーボン比制御指示値導出手段が、改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第1のマップまたは演算式から、改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第1のスチームカーボン比制御指示値を導出し、一酸化炭素低減部の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第2のマップまたは演算式から、一酸化炭素低減部の温度に応じた第2のスチームカーボン比制御指示値を導出し、水蒸気の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第3のマップまたは演算式から、水蒸気の温度に応じた第3のスチームカーボン比制御指示値を導出し、第1から第3のスチームカーボン比制御指示値を加算してスチームカーボン比制御指示値を導出するので、容易かつ確実に改質水の目標供給量を導出し、その目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御することができる。
In the invention according to claim 6 configured as described above, in the invention according to
上記のように構成した請求項7に係る発明においては、請求項1に係る発明において、スチームカーボン比制御指示値導出手段は、当該改質装置が収容される筐体内の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第4のマップまたは演算式から、筐体内の温度に応じた第4のスチームカーボン比制御指示値を導出し、この第4のスチームカーボン比制御指示値も加味してスチームカーボン比制御指示値を導出するので、容易かつ確実に改質水の目標供給量を導出し、その目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御することができる。
In the invention according to claim 7 configured as described above, in the invention according to
上記のように構成した請求項8に係る発明においては、請求項3乃至請求項7の何れか一項に係る発明において、各マップまたは演算式が示すスチームカーボン比との各相関関係が連続的であるので、スチームカーボン比制御指示値導出手段により導出されるスチームカーボン比は、急峻な変化をすることなく連続的に変化する。したがって、投入される改質水の供給量の急峻な変化が抑制され、圧力変動、メタン転化率変動などが抑制され、その結果安定した改質ガスの供給すなわち安定した改質装置の運転を実現することができる。
In the invention according to claim 8 configured as described above, in the invention according to any one of
上記のように構成した請求項9に係る発明においては、請求項3乃至請求項7の何れか一項に係る発明において、各マップまたは演算式が示すスチームカーボン比との各相関関係は正常時の第一関係だけでなくこの第一関係と異なる第二関係も有するので、正常運転時には正常時の第一関係に基づいてスチームカーボン比を導出し改質水の目標供給量を導出して、その目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御することができる。また、第二関係を改質水流量が異常に減少した場合の関係を示すように設定すれば、その異常時には、第二関係に基づいてスチームカーボン比を導出し改質水の目標供給量を導出して、その目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御することにより、異常時が発生しても他の制御手段を設けなくても的確に対処することができる。
In the invention according to claim 9 configured as described above, in the invention according to any one of
以下、本発明による改質装置を適用した燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、図1に示すように、燃料電池10と燃料電池10に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する水蒸気改質方式の改質装置20を備えている。燃料電池10は、燃料極11と空気極12を備えており、燃料極11に供給された改質ガスおよび空気極12に供給された空気(カソードエア)を用いて発電するものである。
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system to which a reformer according to the present invention is applied will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of this fuel cell system. As shown in FIG. 1, the fuel cell system includes a
燃料電池10にはインバータ(電力変換器)13が接続されている。インバータ13は、燃料電池10の発電出力(発電電流)を交流電力(交流電流)に変換して送電線14を介してユーザ先である電力使用場所15に供給するものである。電力使用場所15には、電灯、アイロン、テレビ、洗濯機、電気コタツ、電気カーペット、エアコン、冷蔵庫などの電気器具である負荷装置(図示省略)が設置されており、インバータ13から供給される交流電力が必要に応じて負荷装置に供給されている。なお、インバータ13と電力使用場所15とを接続する送電線14には電力会社の系統電源16も接続されており(系統連系)、燃料電池10の発電出力より負荷装置の合計消費電力が上回った場合、その不足電力を系統電源16から受電して補うようになっている。インバータ13は燃料電池10から入力した直流電流値を測定する機能も有しており(燃料電池10の出力電流を検出する出力電流検出手段である。)、測定信号を制御装置30に出力するようになっている。電力計15aは、ユーザ負荷電力(ユーザ消費電力)を検出するユーザ負荷電力検出手段であり、電力使用場所15で使用される全ての負荷装置の合計消費電力を検出して、制御装置30に出力するようになっている。
An inverter (power converter) 13 is connected to the
改質装置20は、改質部21、冷却部22、一酸化炭素シフト反応部(以下、COシフト部という。)23、一酸化炭素選択酸化部(以下、CO選択酸化部という)24、燃焼部25、および蒸発部26から構成されている。
The
改質部21は、外部から供給された燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。燃料としては天然ガス、LPG、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。この改質部21は有底円筒状に形成されており、それぞれ環状に形成された外側流路21a1と環状の内側流路21a2から構成される、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路21aを備えている。
The reforming
改質部21の折り返し流路21a内には、触媒21b(例えば、RuまたはNi系の触媒)が充填されており、燃料供給管41から導入された改質用燃料と水蒸気供給管52から導入された水蒸気との混合ガスが触媒21bによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)は冷却部(熱交換部)22に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。また、改質用燃料および改質水は改質用原料である。
The
冷却部22は、改質部21から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水(水蒸気)との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してCOシフト部23に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部21に導出するようになっている。具体的には、冷却部22には燃料供給源Sf(例えば都市ガス管)に接続された燃料供給管41が接続されており、燃料供給源Sfから改質用燃料が供給されている。燃料供給管41には、上流から順番に第1燃料バルブ42、燃料ポンプ43、改質用燃料流量計85、脱硫器44および第2燃料バルブ45が設けられている。第1および第2燃料バルブ42,45は制御装置30の指令によって燃料供給管41を開閉するものである。燃料ポンプ43は燃料供給源Sfから供給される改質用燃料を吸い込み改質部21に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて改質用燃料供給量を調整するものである。改質用燃料流量計85は改質部21に供給(投入)される改質用燃料の供給(投入)量を検出するものであり、その検出信号が制御装置30に出力されるようになっている。脱硫器44は改質用燃料中の硫黄分(例えば、硫黄化合物)を除去するものである。これにより、改質用燃料は硫黄分が除去されて改質部21に供給される。
The cooling
また、燃料供給管41の第2燃料バルブ45と冷却部22との間には蒸発部26に接続された水蒸気供給管52が接続され、蒸発部26から供給された水蒸気が改質用燃料に混合されて冷却部22を通って改質部21に供給されている。蒸発部26には改質水供給源である水タンクSwに接続された給水管51が接続されている。給水管51には、上流から順番に水ポンプ53、改質水流量計86および水バルブ54が設けられている。水ポンプ53は水タンクSwから供給される改質水を吸い込み蒸発部26に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて改質水供給量を調整するものである。改質水流量計86は改質部21に供給(投入)される改質水の供給(投入)量を検出するものであり、その検出信号が制御装置30に出力されるようになっている。水バルブ54は制御装置30の指令によって給水管51を開閉するものである。
Further, a
蒸発部26は、改質水を加熱して沸騰させて水蒸気を生成して冷却部22を介して改質部21に供給するものであり、円筒状に形成されて燃焼ガス流路27の第2外周流路27cの外周壁を覆って当接して設けられている。この蒸発部26は、側壁面下部および側壁面上部に給水管51および水蒸気供給管52がそれぞれ接続されており、給水管51から導入された水が蒸発部26内を流通し加熱されて水蒸気となって水蒸気供給管52に導出するようになっている。これにより、導入時低温であった水(例えば20℃)は、第2外周流路27cを流通する燃焼ガスと熱交換して昇温されて沸騰状態(100℃以上)となりその温度で導出されるようになっている。また、蒸発部26には内部温度を検出する温度センサ26aが設けられており、その検出信号は制御装置30に出力されるようになっている。また、水蒸気供給管52または燃料供給管41の水蒸気供給管52との合流点より下流の部位には水蒸気の温度または混合ガスの温度を検出する温度センサ87が設けられており、その検出信号は制御装置30に出力されるようになっている。なお、図1においてはこれら両方の温度センサを設けた場合を示しているが、実際には何れか一方を設ければよい。
The
COシフト部23は、冷却部22を通って改質部21から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。COシフト部23は、筒状の筐体23aと、筐体23a内に同軸に配置された内筒23bを備えている。内筒23bは、外周端を筐体23a内周面に接続された環状の支持部材23cの内周端に上端が接続されている。筐体23aの上面には改質ガス導入口23a1が設けられ、筐体23aの側面には一端がCO選択酸化部24に接続されている接続管89の他端が接続されている。COシフト部23の内筒23b内および内筒23bと筐体23aとの間には触媒23d(例えば、Cu−Zn系の触媒)が充填されている。また、COシフト部23内にはCOシフト部23内の温度例えばCOシフト部23の改質ガス導入口付近の温度を検出する温度センサ23eが設けられており、その検出信号が制御装置30に出力されるようになっている。この温度センサ23eはCOシフト部23内の改質ガス流路のうち導入口23a1側に設けるのが望ましい。これにより、温度センサ23eを改質ガス流路の導出側に設けた場合と比べて、触媒23dの温度を応答性よく制御することができる。
The CO shift unit 23 is a unit that reduces carbon monoxide in the reformed gas supplied from the reforming
このように構成されたCOシフト部23においては、冷却部22から導出された改質ガスは、改質ガス導入口23a1を通っておよび内筒23b内の触媒23dを通り、折り返して内筒23bと筐体23aとの間の触媒23d内を通ってCO選択酸化部24に導出される。このとき、導入した改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が触媒23dにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
In the CO shift unit 23 configured as described above, the reformed gas led out from the cooling
CO選択酸化部24は、COシフト部23から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池10に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部であり、円筒状に形成されて、蒸発部26の外周壁を覆って当接して設けられている。このCO選択酸化部24は、側壁面下部および側壁面上部に接続管89および改質ガス供給管71がそれぞれ接続され、内部に触媒24a(例えば、RuまたはPt系の触媒)が充填されており、接続管89を通って導入された改質ガスがCO選択酸化部24内を流通し改質ガス供給管71から導出するようになっている。また、CO選択酸化部24内には触媒24aの温度を検出する温度センサ24bが設けられており、その検出信号が制御装置30に出力されるようになっている。
The CO
また、CO選択酸化部24に供給される改質ガスには、酸化用空気が混合されるようになっている。すなわち、接続管89には、空気供給源Saに接続された酸化用空気供給管61が接続されており、空気供給源Sa(例えば大気)から酸化用空気が供給されている。酸化用空気供給管61には、上流から順番にフィルタ62、空気ポンプ63および空気バルブ64が設けられている。フィルタ62は空気を濾過するものである。空気ポンプ63は空気供給源Saから供給される空気を吸い込みCO選択酸化部24に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて空気供給量を調整するものである。空気バルブ64は制御装置30の指令によって酸化用空気供給管61を開閉するものである。これにより、酸化用空気がCOシフト部23からの改質ガスに混合されてCO選択酸化部24に供給される。
Further, the reforming gas supplied to the CO
したがって、CO選択酸化部24内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒24aによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて(10ppm以下)導出され、燃料電池10の燃料極11に供給されるようになっている。
Therefore, carbon monoxide in the reformed gas introduced into the CO
燃焼部25は、改質部21を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部21の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。この燃焼ガスは、改質部21の内周壁に沿う内周流路27aと、内周流路27aから折り返されて改質部21の外周壁に沿う第1外周流路27bと、第1外周流路27bから折り返されて断熱部28に沿う第2外周流路27cから構成される燃焼ガス流路27を流通し、排気管81を通って燃焼排ガスとして排気される。なお、燃焼ガス流路27は断熱部28によって覆われており、内周流路27aおよび第1外周流路27bを流れる燃焼ガスの熱は断熱部28によって外部への放熱が抑制されるので改質部21の加熱に有効利用され、第2外周流路27cを流れる燃焼ガスの熱は断熱部28によって第1外周流路27bへの放熱が抑制されるので蒸発部26の加熱に有効利用される。
The
この燃焼部25には、燃料ポンプ43の上流にて燃料供給管41から分岐した燃焼用燃料供給管47が接続されており、燃焼用燃料が供給されるようになっている。燃焼用燃料供給管47には燃焼用燃料ポンプ48が設けられている。燃焼用燃料ポンプ48は燃料供給源Sfから供給される燃焼用燃料を吸い込み燃焼部25に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて燃焼用燃料供給量を調整するものである。また、燃焼部25には燃料極11の導出口に一端が接続されているオフガス供給管72の他端が接続されており、燃料電池10の起動運転時に改質装置20からの改質ガスが改質ガス供給管71、バイパス管73およびオフガス供給管72を通って供給され、燃料電池10の定常運転時に燃料電池10から排出されるアノードオフガス(燃料極11にて未使用な水素を含んだ改質ガス)が供給されるようになっている。
A combustion
さらに燃焼部25には空気ポンプ63の上流にて酸化用空気供給管61から分岐した燃焼用空気供給管65が接続されており、燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスを燃焼させるための燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気が供給されるようになっている。燃焼用空気供給管65には燃焼用空気ポンプ66が設けられており、燃焼用空気ポンプ66は空気供給源Saから供給される燃焼用空気を吸い込み燃焼部25に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて燃焼用空気供給量を調整するものである。燃焼部25が制御装置30の指令によって着火されると、燃焼部25に供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスは燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。
Further, a combustion
燃料電池10の燃料極11の導入口には改質ガス供給管71を介してCO選択酸化部24が接続されており、燃料極11に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極11の導出口にはオフガス供給管72を介して燃焼部25が接続されており、燃料電池10から排出されるアノードオフガスを燃焼部25に供給するようになっている。バイパス管73は燃料電池10をバイパスして改質ガス供給管71およびオフガス供給管72を直結するものである。改質ガス供給管71にはバイパス管73との分岐点と燃料電池10との間に第1改質ガスバルブ74が設けられている。オフガス供給管72にはバイパス管73との合流点と燃料電池10との間にオフガスバルブ75が設けられている。バイパス管73には第2改質ガスバルブ76が設けられている。第1および第2改質ガスバルブ74,76およびオフガスバルブ75はそれぞれの管を開閉するものであり、制御装置30により制御されている。起動運転時には、改質装置20から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池10に供給するのを回避するため、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を閉じ第2改質ガスバルブ76を開き、定常運転時には、改質装置20からの改質ガスを燃料電池10に供給するため、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を開き第2改質ガスバルブ76を閉じている。
A CO
また、燃料電池10の空気極12の導入口には、空気ポンプ66の上流にて燃焼用空気供給管65から分岐したカソード用空気供給管67の先端が接続されており、空気極12内に空気が供給されるようになっている。カソード用空気供給管67には上流から順にカソード用空気ポンプ68およびカソード用空気バルブ69が設けられている。カソード用空気ポンプ68は空気供給源Saから供給される空気を吸い込み燃料電池10の空気極12に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じてカソード用空気供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ69は制御装置30の指令によってカソード用空気供給管67を開閉するものである。さらに、燃料電池10の空気極12の導出口には、他端が外部に開放されている排気管82の一端が接続されている。
The tip of a cathode
また、改質ガス供給管71、オフガス供給管72および排気管82の途中には、それぞれ改質ガス用凝縮器77、アノードオフガス用凝縮器78およびカソードオフガス用凝縮器79が設けられている。改質ガス用凝縮器77は改質ガス供給管71中を流れる燃料電池10の燃料極11に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器78はオフガス供給管72中を流れる燃料電池10の燃料極11から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器79は排気管82中を流れる燃料電池10の空気極12から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。なお、各凝縮器77〜79には、図示しない貯湯槽の低温液体またはラジエータおよび冷却ファンによって冷却された液体が供給される冷媒管が貫設されており、この液体との熱交換によって各ガス中の水蒸気を凝縮している。
A reformed
これら凝縮器77,78,79は配管84を介して純水器95に連通しており、各凝縮器77,78,79にて凝縮された凝縮水は、純水器95に導出され回収されるようになっている。純水器95は、各凝縮器77,78,79から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を水タンクSwに導出するものである。なお、純水器95には水道水供給源(例えば水道管)から供給される補給水(水道水)を導入する給水管91が接続されており、純水器95内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。
These
また、上述した燃料電池システムは筐体Aに収容されており、その筐体A内には内部温度を検出する温度センサ88が設けられており、その検出信号が制御装置30に出力されるようになっている。
The fuel cell system described above is housed in the casing A, and a
また、燃料電池システムは制御装置30を備えており、この制御装置30には、上述した各温度センサ23e,24b,26a,87,88、各流量計85,86、インバータ13、電圧計15a、各ポンプ43,48,53,63,66,68、各バルブ42,45,54,64,69,74,75,76、および燃焼部25が接続されている(図2参照)。制御装置30はマイクロコンピュータ(図示省略)を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、CPU、RAMおよびROM(いずれも図示省略)を備えている。CPUは、各温度センサ23e,24b,26a,87,88からの各温度、各流量計85,86からの各供給量、インバータ13からの出力電流(燃料電池10の出力電流)、および電力計15aからの消費電力を入力して、各ポンプ43,48,53,63,66,68、各バルブ42,45,54,64,69,74,75,76、および燃焼部25を制御することにより、所望の出力電流(負荷装置で消費される電流・電力)となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気および改質水の各投入量を制御している。RAMは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ROMは前記プログラムを記憶するものである。
Further, the fuel cell system includes a
図3に示すように、制御装置30は、スチームカーボン比制御指示値(以下、S/C制御指示値という。)を導出するS/C制御指示値導出部31と、S/C制御指示値導出部31により導出されたS/C制御指示値と改質用燃料供給量導出手段である改質用燃料流量計85により検出された改質用燃料供給量とに基づいて改質部21に供給する改質水の目標供給量を導出する目標改質水供給量導出部32と、目標改質水供給量導出部32により導出された目標改質水供給量となるように改質水供給手段である水ポンプ53を制御する改質水供給制御部33と、第1〜第4のマップまたは演算式(後述する)をそれぞれ記憶する第1〜第4のマップ記憶部34a〜34dを備えている。なお、S/C制御指示値は、改質部21にそれぞれ投入される水蒸気(改質水)モル数と改質用燃料中の炭素モル数との比(水蒸気のモル数÷改質用燃料中の炭素モル数)を表す改質用原料のスチームカーボン比(S/C)の制御指示値である。
As shown in FIG. 3, the
S/C制御指示値導出部31は、改質用燃料流量計85により検出された改質用燃料供給量に基づいて第1のS/C制御指示値を導出する第1のS/C制御指示値導出部31aと、温度センサ23eにより検出されたCOシフト部温度に基づいて第2のS/C制御指示値を導出する第2のS/C制御指示値導出部31bと、温度センサ87により検出された水蒸気温度に基づいて第3のS/C制御指示値を導出する第3のS/C制御指示値導出部31cと、温度センサ88により検出された筐体内温度に基づいて第4のS/C制御指示値を導出する第4のS/C制御指示値導出部31dと、各加算器31e〜31gとから構成されている。
The S / C control instruction
具体的には、第1のS/C制御指示値導出部31aは、改質用燃料供給量を入力し第1のマップ記憶部34aから改質用燃料供給量とS/Cとの相関関係を示す第1のマップまたは演算式を読み込み、第1のマップまたは演算式から改質用燃料供給量に応じた第1のS/C制御指示値を導出して、加算器31eに出力している。
Specifically, the first S / C control instruction
第2のS/C制御指示値導出部31bは、COシフト部温度を入力し第2のマップ記憶部34bからCOシフト部温度とS/Cとの相関関係を示す第2のマップまたは演算式を読み込み、第2のマップまたは演算式からCOシフト部温度に応じた第2のS/C制御指示値を導出して、加算器31eに出力している。
The second S / C control instruction
第3のS/C制御指示値導出部31cは、水蒸気温度を入力し第3のマップ記憶部34cから水蒸気温度とS/Cとの相関関係を示す第3のマップまたは演算式を読み込み、第3のマップまたは演算式から水蒸気温度に応じた第3のS/C制御指示値を導出して、加算器31fに出力している。
The third S / C control instruction
第4のS/C制御指示値導出部31dは、筐体内温度を入力し第4のマップ記憶部34dから筐体内温度とS/Cとの相関関係を示す第4のマップまたは演算式を読み込み、第4のマップまたは演算式から筐体内温度に応じた第4のS/C制御指示値を導出して、加算器31gに出力している。
The fourth S / C control instruction
加算器31eは、第1および第2のS/C制御指示値導出部31a,31bからの各第1および第2のS/C制御指示値を加算して、加算器31fに出力している。加算器31fは、加算器31eからの第1および第2のS/C制御指示値の合計値と第3のS/C制御指示値を加算して、加算器31gに出力している。加算器31gは、加算器31eからの第1乃至第3のS/C制御指示値の合計値と第4のS/C制御指示値を加算して、目標改質水供給量導出部32に出力している。
The
このように、S/C制御指示値導出部31は、それぞれ導出した第1〜第4のS/C制御指示値を加算してS/C制御指示値を導出するようになっている。したがって、S/C制御指示値導出部31は、改質用燃料供給量、COシフト部温度、水蒸気温度および筐体内温度に基づいてS/C制御指示値を導出することになる。
As described above, the S / C control instruction
また、S/C制御指示値は、第1のS/C制御指示値を基本値として設定されるものであり、第1のS/C制御指示値を単独でS/C制御指示値として設定することもできるし、基本値である第1のS/C制御指示値に第2〜第4のS/C制御指示値の少なくとも一つを補正値として加算してその加算値をS/C制御指示値として設定することもできる。 Further, the S / C control instruction value is set with the first S / C control instruction value as a basic value, and the first S / C control instruction value is set as an S / C control instruction value alone. It is also possible to add at least one of the second to fourth S / C control instruction values as a correction value to the first S / C control instruction value, which is the basic value, and to add the added value to the S / C It can also be set as a control instruction value.
次に、第1〜第4のマップ記憶部34a〜34dに記憶されている第1〜第4のマップまたは演算式について図4〜図7を参照して説明する。図4に示すように、第1のマップまたは演算式は、改質用燃料供給量(改質13A流量)とS/Cとの相関関係を示している。この関係は、燃料電池10の最大出力電流(電力)と最低出力電流(電力)の範囲に相当する改質用燃料供給量の範囲において、改質用燃料供給量が増大するにつれてS/Cが所定の範囲内で連続的に減少するようになっている。これは以下の理由による。改質用燃料供給量の低下にともない、改質用燃料供給量に対する改質器20からの放熱量が相対的に増加し、燃焼用燃料供給量を改質用燃料供給量と同一比率で低下させると水素発生効率(または燃料転化率)が低下する。低下した水素発生効率を補い、安定したシステム運転を維持するため、燃焼用燃料供給量の低下率は改質用燃料供給量の低下率より小さくしている。この場合、一定のS/CではCOシフト部23、CO選択酸化部24の温度が上昇し適正な温度範囲からはずれることになる。したがって、過剰の燃焼用燃料供給量に見合うだけのS/Cを増加し、これらの温度バランスを保つようにしている。
Next, the 1st-4th map or arithmetic expression memorize | stored in the 1st-4th map memory | storage parts 34a-34d is demonstrated with reference to FIGS. As shown in FIG. 4, the first map or arithmetic expression indicates the correlation between the reforming fuel supply amount (reforming 13A flow rate) and S / C. This relationship indicates that the S / C increases as the reforming fuel supply amount increases in the reforming fuel supply amount range corresponding to the range of the maximum output current (power) and the minimum output current (power) of the
また、第1のマップまたは演算式は、燃料電池10の最大出力電流(電力)と最低出力電流(電力)の範囲に相当する改質用燃料供給量の範囲において、S/Cと改質用燃料供給量の相関関係が連続的である。図4のように直線的である場合もあるが、これに限られず例えばステップ状など極端に変化しなければ折れ線状である場合もある。
なお、改質用燃料の投入量は、改質装置20にて生成するべき水素量に基づいて決定されるものであり、基本的には燃料電池10の発電出力(発電電流)に基づいて決定されるものである。
In addition, the first map or the arithmetic expression indicates that the S / C and the reforming are within the range of the reforming fuel supply amount corresponding to the range of the maximum output current (power) and the minimum output current (power) of the
Note that the amount of reforming fuel input is determined based on the amount of hydrogen to be generated by the
また、図5に示すように、第2のマップまたは演算式は、COシフト部温度(例えばシフト部入口温度T1)とS/Cとの相関関係を示している。この関係は、COシフト部入口温度T1が所定温度(本実施の形態においては200℃)以上となった範囲において、COシフト部入口温度T1が昇温するにつれてS/Cが連続的に増大するようになっている。所定温度は、COシフト部23の触媒23dの温度がその触媒の活性温度域(例えば250℃〜300℃)に対応して設定されるものである。したがって、COシフト部入口温度T1が所定温度であればCOシフト部23の触媒23dは活性温度域にあり、COシフト部入口温度T1が所定温度を越えるとCOシフト部23の触媒23dは活性温度域を超える。そこで、COシフト部入口温度T1が所定温度を越える場合には、COシフト部23の温度上昇を回避するため熱量の受け口として改質水の投入量を増加するようにしている。
また、第2のマップまたは演算式は、COシフト部入口温度T1が所定温度(本実施の形態においては200℃)以上となった範囲において、S/CとCOシフト部入口温度T1の相関関係が連続的である。
As shown in FIG. 5, the second map or calculation expression indicates the correlation between the CO shift part temperature (for example, the shift part inlet temperature T1) and S / C. This relationship indicates that the S / C continuously increases as the CO shift portion inlet temperature T1 rises in a range where the CO shift portion inlet temperature T1 is equal to or higher than a predetermined temperature (200 ° C. in the present embodiment). It is like that. The predetermined temperature is set such that the temperature of the
Further, the second map or the calculation formula shows that the correlation between the S / C and the CO shift unit inlet temperature T1 is within a range where the CO shift unit inlet temperature T1 is equal to or higher than a predetermined temperature (200 ° C. in the present embodiment). Is continuous.
また、第2のマップまたは演算式は、S/CとCOシフト部入口温度T1の相関関係は正常時の第一関係Sだけでなくこの第一関係Sと異なる第二関係Tも有するようになっている。第一関係Sは改質装置20(または燃料電池システム)が正常動作している場合の温度範囲(200℃≦T1≦240℃)におけるS/Cとの関係を示すものであり、第二関係Tは正常動作していない場合、例えば改質水を供給する水ポンプ53の故障により改質水投入量が少なくなってCOシフト部23の温度が上昇するなどの異常が生じた場合の温度範囲(240℃≦T1≦270℃)におけるS/Cとの関係を示すものである。これにより、改質装置20(または燃料電池システム)が正常動作している場合、その温度範囲におけるS/Cとの関係を示す第一関係SからCOシフト部入口温度T1に応じたS/Cを導出することができる。また、改質装置20(または燃料電池システム)が異常動作している場合、その温度範囲におけるS/Cとの関係を示す第二関係SからCOシフト部入口温度T1に応じたS/Cを導出して極力改質水を投入するように制御することができる。これにより、異常が生じてCOシフト部23の触媒23dの温度が活性温度域を越えてもその温度上昇による触媒23dへのダメージを低減することができる。
Further, in the second map or the arithmetic expression, the correlation between the S / C and the CO shift portion inlet temperature T1 has not only the first relationship S at the normal time but also the second relationship T different from the first relationship S. It has become. The first relationship S indicates the relationship with S / C in the temperature range (200 ° C. ≦ T1 ≦ 240 ° C.) when the reformer 20 (or the fuel cell system) is operating normally. T is a temperature range in a case where an abnormality such as an increase in the amount of reforming water input and an increase in the temperature of the CO shift unit 23 occurs due to a failure of the
また、図6に示すように、第3のマップまたは演算式は、水蒸気温度(例えば冷却部水入口温度T2)とS/Cとの相関関係を示している。この関係は、冷却部水入口温度T2が所定温度(本実施の形態においては100℃)以上となった範囲において、冷却部水入口温度T2が昇温するにつれてS/Cが連続的に増大するようになっている。所定温度は、水の沸点に設定されている。したがって、冷却部水入口温度T2が所定温度であれば蒸発部26に改質水が適正に供給されて水蒸気化され、冷却部水入口温度T2が所定温度を越える場合は蒸発部26に十分な改質水が供給されておらず蒸発部26が過熱されている。そこで、冷却部水入口温度T2が所定温度を越える場合には、蒸発部26の過熱を回避するため不足している改質水の投入量を増加するようにしている。
また、第3のマップまたは演算式は、冷却部水入口温度T2が所定温度(本実施の形態においては100℃)以上となった範囲において、S/Cと冷却部水入口温度T2の相関関係が連続的である。
Further, as shown in FIG. 6, the third map or the arithmetic expression indicates the correlation between the water vapor temperature (for example, the cooling section water inlet temperature T2) and S / C. This relationship is that S / C continuously increases as the cooling section water inlet temperature T2 rises in a range where the cooling section water inlet temperature T2 is equal to or higher than a predetermined temperature (100 ° C. in the present embodiment). It is like that. The predetermined temperature is set to the boiling point of water. Therefore, if the cooling unit water inlet temperature T2 is a predetermined temperature, the reforming water is appropriately supplied to the
Further, the third map or calculation formula shows that the correlation between S / C and the cooling section water inlet temperature T2 is within a range where the cooling section water inlet temperature T2 is equal to or higher than a predetermined temperature (100 ° C. in the present embodiment). Is continuous.
また、図7に示すように、第4のマップまたは演算式は、筐体内温度T3または環境温度(雰囲気温度)とS/Cとの相関関係を示している。この関係は、筐体内温度T3が所定温度(本実施の形態においては50℃)以上となった範囲において、筐体内温度T3が昇温するにつれてS/Cが連続的に増大するようになっている。所定温度は、筐体内温度T3がその温度を超えると改質装置20から筐体A内の放熱効率が悪くなる温度に設定されている。したがって、筐体内温度T3が所定温度未満であれば放熱効率は悪くないので改質装置20内の熱量を余分に奪う必要はないが、筐体内温度T3が所定温度を越える場合は改質装置20内の余分な熱量を奪う必要がある。そこで、筐体内温度T3が所定温度を越える場合には、改質水の投入量を増加して余分な熱量を奪うようにしている。
また、第4のマップまたは演算式は、筐体内温度T3が所定温度(本実施の形態においては50℃)以上となった範囲において、S/Cと筐体内温度T3の相関関係が連続的である。
Further, as shown in FIG. 7, the fourth map or the arithmetic expression indicates the correlation between the in-casing temperature T3 or the environmental temperature (atmosphere temperature) and S / C. This relationship is such that the S / C continuously increases as the housing temperature T3 rises in the range where the housing temperature T3 is equal to or higher than a predetermined temperature (50 ° C. in the present embodiment). Yes. The predetermined temperature is set to a temperature at which the heat dissipation efficiency in the housing A from the
Further, in the fourth map or arithmetic expression, the correlation between S / C and the casing internal temperature T3 is continuous in a range where the casing internal temperature T3 is equal to or higher than a predetermined temperature (50 ° C. in the present embodiment). is there.
上述した燃料電池システムの作動について説明する。なお、上述した燃料電池システムが、改質用燃料供給量が増大するにつれてS/Cが所定の範囲内で連続的に減少する仕様である場合について説明する。制御装置30は、時刻t0にて図示しない起動スイッチがオンされると、燃料電池システムの起動運転を開始する。制御装置30は、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を閉じ第2改質ガスバルブ76を開いてCO選択酸化部24を燃焼部25に接続し、第1燃料バルブ42を開き第2燃料バルブ45を閉じて燃焼用燃料ポンプ48および燃焼用空気ポンプ66を駆動して燃焼用燃料および燃焼用空気を燃焼部25に供給して燃焼部25を着火する。これにより、燃焼用燃料が燃焼されその燃焼ガスが燃焼ガス流路27を流通して、その燃焼ガスにより改質部21内の改質触媒21aおよび蒸発部26が加熱される。
The operation of the fuel cell system described above will be described. The case where the above-described fuel cell system has a specification in which the S / C continuously decreases within a predetermined range as the reforming fuel supply amount increases will be described. When a start switch (not shown) is turned on at time t0,
制御装置30は、温度センサ26aにより蒸発部26の温度を検出し、この検出した温度が第1の所定温度Th1以上となれば(時刻t1)、水バルブ54を開き、水ポンプ53を駆動させ水タンクSwの水を所定流量だけ蒸発部26を介して改質部21に供給する。
The
制御装置30は、蒸発部26の温度が所定温度Th1以上となった時点(時刻t1)からタイマのカウントを開始する。タイマが第1所定時間T1(例えば1分)以上となれば、第2燃料バルブ45を開いて燃料ポンプ43を駆動させ燃料供給源Sfの燃料を所定流量だけ改質部21に供給するとともに、空気バルブ64を開いて空気ポンプ63を駆動させ空気供給源Saの空気を所定流量(所定供給量)だけCO選択酸化部24に供給する。これにより、改質部21に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、改質部21では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部21から導出された改質ガスはCOシフト部23およびCO選択酸化部24により一酸化炭素ガスを低減されてCO選択酸化部24から導出され、燃焼部25に供給され燃焼される。
The
このように改質ガスの生成中において、制御装置30は、温度センサ24bによりCO選択酸化部24の触媒24aの温度を検出し、この検出した温度が第2の所定温度Th2以上となれば(時刻t4)、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を開き第2改質ガスバルブ76を閉じてCO選択酸化部24を燃料電池10の燃料極11の導入口に接続するとともに燃料極11の導出口を燃焼部25に接続する。これにより、燃料電池システムを暖機する起動運転が終了して続いて定常運転が開始される。
Thus, during the generation of the reformed gas, the
制御装置30は、定常運転(燃料電池10を発電させる運転モード)を開始すると、改質装置20で生成される水素量が所定量となるようにすなわち燃料電池システムの出力電流が電力使用場所15で消費される電流・電力に基づいて決定される所望の出力電流となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気、酸化用空気、カソード用空気および改質水を供給するようになっている。制御装置30は、水素量が所定量となるように目標改質用燃料供給量を演算しその供給量となるように燃料ポンプ43を駆動させ、改質用燃料流量計85により検出した改質用燃料供給量およびS/C制御指示値に基づいて目標改質水供給量を演算しその供給量となるように水ポンプ53を駆動させ、アノードオフガスの燃焼熱だけでは燃焼部25にて必要な熱エネルギーが不足する場合、起動運転時である場合などに、燃焼部25に供給する燃焼用燃料の供給量を演算しその供給量となるように燃焼用燃料ポンプ48を駆動させ、改質用燃料供給量などに基づいて燃焼用空気の供給量を演算しその供給量となるように燃焼用空気ポンプ66を駆動させ、一酸化炭素を所定量以下とするように酸化用空気の供給量を演算しその供給量となるように空気ポンプ63を駆動させ、そして改質装置20から供給された改質ガスと反応するに適切なカソード用空気の供給量を演算しその供給量となるようにカソード用空気ポンプ68を駆動させている。そして、停止スイッチが押されると、燃料電池システムは停止する。
When the
さらに、目標改質水供給量の演算および改質水の供給について詳述する。制御装置30において、まず、S/C制御指示値導出部31がS/C制御指示値を導出する。具体的には、第1のS/C制御指示値導出部31aが、第1マップまたは演算式から、改質用燃料流量計85により検出された改質用燃料供給量に応じて第1のS/C制御指示値を導出する。第2のS/C制御指示値導出部31bが、第2のマップまたは演算式から、温度センサ23eにより検出されたCOシフト部温度に応じて第2のS/C制御指示値を導出する。第3のS/C制御指示値導出部31cが、第3のマップまたは演算式から、温度センサ87により検出された水蒸気温度に応じて第3のS/C制御指示値を導出する。第4のS/C制御指示値導出部31dが、第4のマップまたは演算式から、温度センサ88により検出された筐体内温度に応じて第4のS/C制御指示値を導出する。そして、各加算器31e〜31gが、第1〜第4のS/C制御指示値をそれぞれ加算してS/C制御指示値を導出している。
Further, calculation of the target reforming water supply amount and supply of reforming water will be described in detail. In the
そして、目標改質水供給量導出部32が、S/C制御指示値導出部31により導出されたS/C制御指示値と改質用燃料供給量導出手段である改質用燃料流量計85により検出された改質用燃料供給量とに基づいて改質部21に供給する改質水の目標供給量を導出する。そして、改質水供給制御部33が、目標改質水供給量導出部32により導出された目標改質水供給量となるように改質水供給手段である水ポンプ53を制御している。
Then, the target reforming water supply
上述した説明から明らかなように、本実施の形態においては、改質部21に投入される改質用燃料の供給量の変動がした場合でも、投入される改質水の供給量が投入される改質用燃料の供給量の変動に応じて調整されるので、圧力変動、メタン転化率変動などが抑制され、その結果安定した改質ガスの供給すなわち安定した改質装置の運転を実現することができる。また、投入される改質水の供給量が投入される改質用燃料の供給量の変動に直接応じて調整されるので、応答性よく改質装置を制御することができる。
As is clear from the above description, in this embodiment, even when the supply amount of the reforming fuel supplied to the reforming
また、改質部21に投入される改質水の供給量が、投入される改質用燃料の供給量の変動に応じて調整されるのに加えて、さらにCOシフト部23の温度変動も加味して調整されるので、COシフト部23の触媒温度を適正に保つことができ、より安定した改質ガスの供給すなわちより安定した改質装置の運転を実現することができる。
In addition, the amount of reforming water supplied to the reforming
また、改質部21に投入される改質水の供給量が、投入される改質用燃料の供給量の変動に応じて調整されるのに加えて、さらに改質部21に供給される水蒸気の温度変動も加味して調整されるので、水蒸気すなわち改質水を適正に供給することができ、より安定した改質ガスの供給すなわちより安定した改質装置の運転を実現することができる。
In addition, the amount of reforming water supplied to the reforming
また、改質部21に投入される改質水の供給量が、改質装置20が収容されている筐体A内の温度も加味して調整されるので、環境温度(雰囲気温度)が変動しても安定した改質ガスの供給すなわち安定した改質装置の運転を実現することができる。
Further, since the supply amount of the reforming water supplied to the reforming
また、S/C制御指示値導出部31が、改質用燃料供給量とS/Cとの相関関係を示す第1のマップまたは演算式から、改質用燃料流量計85により検出された改質用燃料供給量に応じた第1のS/C制御指示値を導出し、COシフト部温度とS/Cとの相関関係を示す第2のマップまたは演算式から、温度センサ23eにより検出されたCOシフト部温度に応じた第2のS/C制御指示値を導出し、水蒸気温度とS/Cとの相関関係を示す第3のマップまたは演算式から、温度センサ87により検出された水蒸気温度に応じた第3のS/C制御指示値を導出し、筐体内温度とS/Cとの相関関係を示す第4のマップまたは演算式から、温度センサ88により検出された筐体内温度に応じた第4のS/C制御指示値を導出し、第1から第4のS/C制御指示値を加算してS/C制御指示値を導出するので、容易かつ確実に改質水の目標供給量を導出し、その目標改質水供給量となるように水ポンプ53を制御することができる。 In addition, the S / C control instruction value deriving unit 31 detects the reform detected by the reforming fuel flow meter 85 from the first map or the arithmetic expression indicating the correlation between the reforming fuel supply amount and the S / C. A first S / C control instruction value corresponding to the quantity of fuel for quality is derived, and is detected by the temperature sensor 23e from the second map or arithmetic expression indicating the correlation between the CO shift portion temperature and the S / C. The second S / C control instruction value corresponding to the CO shift portion temperature is derived, and the water vapor detected by the temperature sensor 87 from the third map or the arithmetic expression indicating the correlation between the water vapor temperature and the S / C. A third S / C control instruction value corresponding to the temperature is derived, and the temperature inside the casing detected by the temperature sensor 88 is calculated from the fourth map or arithmetic expression indicating the correlation between the temperature inside the casing and the S / C. A corresponding fourth S / C control instruction value is derived, and the first to fourth Since the S / C control instruction value is derived by adding the / C control instruction value, the target supply amount of reforming water is easily and reliably derived, and the water pump 53 is set so as to obtain the target reforming water supply amount. Can be controlled.
また、第1〜第4のマップまたは演算式が示すS/Cとの各相関関係が連続的であるので、S/C制御指示値導出部31により導出されるS/Cは、急峻な変化をすることなく連続的に変化する。したがって、投入される改質水の供給量の急峻な変化が抑制され、圧力変動、メタン転化率変動などが抑制され、その結果安定した改質ガスの供給すなわち安定した改質装置の運転を実現することができる。
In addition, since each correlation with the S / C indicated by the first to fourth maps or arithmetic expressions is continuous, the S / C derived by the S / C control instruction
また、第2のマップまたは演算式が示すS/Cとの相関関係は正常時の第一関係Sだけでなくこの第一関係Sと異なる第二関係Tも有するので、正常運転時には正常時の第一関係Sに基づいてS/Cを導出し改質水の目標供給量を導出して、その目標改質水供給量となるように水ポンプ53を制御することができる。また、第二関係Tを改質水流量が異常に減少した場合の関係を示すように設定すれば、その異常時には、第二関係Tに基づいてS/Cを導出し改質水の目標供給量を導出して、その目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御することにより、異常時が発生しても他の制御手段を設けなくても的確に対処することができる。
In addition, since the correlation with S / C indicated by the second map or the arithmetic expression has not only the first relationship S at the normal time but also the second relationship T different from the first relationship S, Based on the first relationship S, the S / C is derived to derive the target supply amount of reforming water, and the
なお、上記実施の形態において、改質用燃料供給量導出手段として改質用燃料流量計85を採用したが、これに代えて他のパラメータに基づいて導出(推定)する方式を採用するようにしてもよい。
In the above embodiment, the reforming
また、上記実施の形態において、第2のS/C制御指示値導出部31bは、COシフト部23の温度に基づいて第2のS/C制御指示値を導出するようにしたが、他の一酸化炭素低減部例えばCO選択酸化部24の温度に基づいて第2のS/C制御指示値を導出するようにしてもよい。
In the above embodiment, the second S / C control instruction
また、上記実施の形態において、第2のマップまたは演算式が示すS/Cとの相関関係が正常時の第一関係Sだけでなく第一関係Sと異なる第二関係Sも有するようにしているが、第3および第4のマップまたは演算式が第一関係および第二関係を有するようにしてもよい。 Further, in the above embodiment, the correlation with S / C indicated by the second map or the arithmetic expression has not only the first relationship S at normal time but also the second relationship S different from the first relationship S. However, the third and fourth maps or arithmetic expressions may have a first relationship and a second relationship.
また、上述した実施の形態において、改質用燃料供給手段として燃料ポンプ43を、燃焼用燃料供給手段として燃焼用燃料ポンプ48を、酸化剤ガス供給手段として各空気ポンプ63,66,68を採用したが、これらに代えてブロワ(送風機)を採用するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the
また、上述した実施の形態においては、燃料電池システムが、改質用燃料供給量が増大するにつれてS/Cが所定の範囲内で連続的に減少する仕様であったが、これに限られず、燃料電池システムが改質用燃料供給量が増大してもS/Cが一定となる仕様である場合にも、本発明を適用することができる。 In the above-described embodiment, the fuel cell system has a specification in which the S / C continuously decreases within a predetermined range as the reforming fuel supply amount increases, but is not limited thereto. The present invention can also be applied to the case where the fuel cell system has a specification in which the S / C is constant even when the reforming fuel supply amount increases.
この場合、制御装置30は、図3において、第1のスチームカーボン比制御指示値導出部31aおよび第1のマップ記憶部34aを削除され、改質用燃料供給量は目標改質水供給量導出部32にのみ供給されている。また、加算器31eは、第1のスチームカーボン比制御指示値導出部31aからの第1のS/C制御指示値に代えて、第5のS/C制御指示値を入力し、これに第2のスチームカーボン比制御指示値導出部31bからの第2のS/C制御指示値を加算して、加算器31fに出力している。第5のS/C制御指示値は、図示しない記憶部に記憶されている。第5のS/C制御指示値は、改質部21、COシフト部23、CO選択酸化部24での水蒸気改質反応などの化学反応の化学式から算出される理想のS/Cに基づいて水ポンプ53の能力などを参照して導出される実機固有の目標S/Cである。
In this case, in FIG. 3, the
これにより、燃料電池システムが改質用燃料供給量が増大してもS/Cが一定となる仕様である場合にも、S/C制御指示値導出部31は、第5のS/C制御指示値に第2〜第4のS/C制御指示値を加算してS/C制御指示値を導出するようになっている。したがって、S/C制御指示値は一酸化炭素低減部の温度、水蒸気の温度および筐体内温度に基づいて導出されるため、投入される改質水供給量が、一酸化炭素低減部の温度の変動、水蒸気の温度の変動、および筐体A内温度を加味して適切に調整されるので、圧力変動、メタン転化率変動などが抑制され、その結果安定した改質ガスの供給すなわち安定した改質装置の運転を実現することができる。
As a result, even when the fuel cell system has a specification in which the S / C is constant even when the reforming fuel supply amount increases, the S / C control instruction
なお、一酸化炭素低減部の温度、あるいは水蒸気の温度のいずれかが変動した場合にも、投入される改質水供給量が、一酸化炭素低減部の温度の変動、あるいは水蒸気の温度の変動を加味して適切に調整される。 Even when either the temperature of the carbon monoxide reduction unit or the temperature of the steam fluctuates, the amount of reformed water supplied is changed in the temperature of the carbon monoxide reduction unit or the temperature of the steam. Is adjusted appropriately.
10…燃料電池、11…燃料極、12…空気極、13…インバータ、20…改質装置、21…改質部、21a…折り返し流路、21b…触媒、22…冷却部、23…COシフト部、23d…触媒、23e…温度センサ、24…CO選択酸化部、24a…触媒、24b…温度センサ、25…燃焼部、26…蒸発部、26a…温度センサ、27…燃焼ガス流路、28…断熱部、30…制御装置、31…S/C制御指示値導出部、32…目標改質水供給量導出部、33…改質水供給制御部、41…燃料供給管、42…第1燃料バルブ、43…燃料ポンプ、44…脱硫器、45…第2燃料バルブ、47…燃焼用燃料供給管、48…燃焼用燃料ポンプ、51…給水管、52…水蒸気供給管、53…水ポンプ、54…水バルブ、61…酸化用空気供給管、62…フィルタ、63…空気ポンプ、64…空気バルブ、65…燃焼用空気供給管、66…燃焼用空気ポンプ、67…カソード用空気供給管、68…カソード用空気ポンプ、69…カソード用空気バルブ、71…改質ガス供給管、72…オフガス供給管、73…バイパス管、74…第1改質ガスバルブ、75…オフガスバルブ、76…第2改質ガスバルブ、77,78,79…凝縮器、81,82…排気管、84…配管、85…改質用燃料流量計、86…改質水流量計、87,88…温度センサ、89…接続管、91…給水管、95…純水器、A…筐体、Sa…空気供給源、Sf…燃料供給源、Sw…改質水供給源。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記改質水を加熱して沸騰させてその水蒸気を前記改質部に供給する蒸発部と、
前記改質部から前記改質ガスを導入し同改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、
前記改質用燃料を前記改質部に供給する改質燃料供給手段と、
前記改質水を前記改質部に供給する改質水供給手段と、
前記改質燃料供給手段により供給される改質用燃料の供給量を導出する改質用燃料供給量導出手段と、
前記改質用原料のスチームカーボン比を制御するためのスチームカーボン比制御指示値を導出するスチームカーボン比制御指示値導出手段と、
前記スチームカーボン比制御指示値導出手段により導出されたスチームカーボン比制御指示値と前記改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量とに基づいて前記改質部に供給する改質水の目標供給量を導出する目標改質水供給量導出手段と、
前記目標改質水供給量導出手段により導出された目標改質水供給量となるように前記改質水供給手段を制御する改質水供給制御手段と、を備えた改質装置において、
前記スチームカーボン比制御指示値導出手段は、前記改質用燃料供給量、前記一酸化炭素低減部の温度、前記水蒸気の温度の少なくとも一つに基づいて前記スチームカーボン比制御指示値を導出することを特徴とする改質装置。 A reforming section for supplying reforming fuel and reforming water as reforming raw materials and reforming the supplied reforming fuel with a reforming catalyst to generate and derive reformed gas containing hydrogen; ,
An evaporating section for heating and boiling the reforming water and supplying the steam to the reforming section;
A carbon monoxide reduction unit that introduces the reformed gas from the reforming unit and reduces carbon monoxide in the reformed gas; and
Reformed fuel supply means for supplying the reforming fuel to the reforming section;
A reforming water supply means for supplying the reforming water to the reforming unit;
A reforming fuel supply amount deriving unit for deriving a supply amount of the reforming fuel supplied by the reforming fuel supply unit;
Steam carbon ratio control instruction value deriving means for deriving a steam carbon ratio control instruction value for controlling the steam carbon ratio of the reforming raw material;
Based on the steam carbon ratio control instruction value derived by the steam carbon ratio control instruction value deriving means and the reforming fuel supply amount derived by the reforming fuel supply amount deriving means, the fuel is supplied to the reforming unit. Target reforming water supply amount deriving means for deriving a target supply amount of reforming water;
A reforming apparatus comprising: reforming water supply control means for controlling the reforming water supply means so as to be the target reforming water supply quantity derived by the target reforming water supply quantity deriving means;
The steam carbon ratio control instruction value deriving means derives the steam carbon ratio control instruction value based on at least one of the reforming fuel supply amount, the temperature of the carbon monoxide reduction unit, and the temperature of the water vapor. A reformer characterized by.
前記スチームカーボン比制御指示値導出手段は、前記筐体内温度検出手段により検出された筐体内温度も加味して前記スチームカーボン比制御指示値を導出することを特徴とする改質装置。 In Claim 1, further comprising a temperature detection means in the casing for detecting the temperature in the casing in which the reformer is accommodated,
The reforming apparatus characterized in that the steam carbon ratio control instruction value deriving means derives the steam carbon ratio control instruction value in consideration of the temperature in the casing detected by the temperature detection means in the casing.
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