JP2007191335A - 改質システム、発電システム及び改質システムの制御方法 - Google Patents

改質システム、発電システム及び改質システムの制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】改質器の停止動作時において改質触媒の活性が低下するのを抑制し、改質触媒の活性を良好に維持する。
【解決手段】本発明に係る改質システム10は、燃料ガスの流入口と改質ガスの流出口とを有する第1,第2の改質器11,12と、第1の改質器11(又は第2の改質器12)の流出口から第2の改質器12(第1の改質器11)の流入口に通じる第2の連結ガス流路18(又は第1の連結ガス流路17)と、を備えている。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料ガスから改質ガスを生成する改質システムと、その改質システムを用いて電気エネルギーを生成する発電システムと、改質器の作動を停止させる際の改質ガスの流通制御方法とに関する。
近年、高いエネルギー利用効率を実現できる燃料電池についての研究・開発が盛んにおこなわれている。燃料電池は、燃料と大気中の酸素とを電気化学的に反応させて化学エネルギーから電気エネルギーを直接取り出すものであり、将来性に富む有望な電池であると位置付けられている。燃料電池に用いる燃料としては水素が挙げられるが、常温で気体であることによる取り扱い・貯蔵に問題がある。そこで、アルコール類及びガソリンといった液体燃料を用いれば液体燃料を貯蔵するためのシステムが比較的小型になるが、液体燃料と水蒸気とを高温に加熱して発電に必要な水素を生成する改質器を必要とする。燃料改質型の燃料電池を小型の電子機器の電源として用いる場合には、燃料電池だけでなく改質器も小型化する必要がある。
ところで、特許文献1には複数の基板を接合してなる小型のケミカルマイクロリアクタを用いて微量の化学反応を行うことが記載されており、当該ケミカルマイクロリアクタを改質器に用いる研究・開発も行われている。特許文献1に記載されたマイクロリアクタについて簡単に説明すると、まず一方の面に流路となる葛折り状の溝が形成されたポリスチレン製の第一の基板を準備し、この溝に蓋をするように第二の基板を第一の基板に紫外線硬化樹脂で接着することによって、これら二枚の基板の接合部に葛折り状の流路を形成している。当該ケミカルマイクロリアクタを改質器に用いる場合、葛折り状の溝に銅亜鉛系触媒等の改質触媒を担持させ、液体燃料と水蒸気とからなる燃料ガスを改質器に流入させ、当該改質触媒により水素を含む改質ガスを生成させてその改質ガスを改質器から流出させることになる。
特開2002−102681号公報
この場合において、改質器は燃料ガスから改質ガスへの改質反応を促進するため加熱源を有しており、当該改質器の作動状態を停止させるときは、燃料ガスの改質器への供給を停止するとともに改質器の加熱源自体の作動をも停止させるから、改質器内の温度降下に伴い改質器の内部圧力も低下し、改質ガスの流出口から空気が逆流して改質器内に流れ込み、葛折り状の溝に担持された改質触媒が活性を失ってしまう。その結果、改質器における作動停止後、再び起動したときには、改質触媒の活性が低下した状態で燃料ガスの改質をおこなうことになり、十分な量の水素を含む改質ガスを生成することができない。
本発明の目的は、上記のような改質器を用いる場合において、改質器の停止動作時において改質器の改質触媒の活性が低下するのを抑制し、改質触媒の活性を良好に維持することである。
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明に係る改質システムは、
燃料ガスが供給され、前記燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する複数の改質器と、
前記複数の改質器の各々に設けられる前記燃料ガスの流入口および前記改質ガスの流出口と、
前記複数の改質器の各々の前記流入口に接続され、前記燃料ガスを流入させる複数の流入ガス流路と、
前記複数の改質器の各々の前記流出口に接続され、前記改質ガスを流出させる複数の流出ガス流路と、
前記複数の改質器における少なくとも2つの前記改質器において、各々の前記改質器の前記流入口と前記流出口とを互いに連結し、前記各改質器により生成される前記改質ガスの一部を流通させるように設けられる複数の連結ガス流路と、
を備えることを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、
請求項1に記載の改質システムにおいて、
前記改質器を2つ有し、
前記複数の連結ガス流路は、一方の前記改質器の前記流入口と他方の前記改質器の前記流出口とを連結する第1の連結ガス流路と、他方の前記改質器の前記流入口と一方の前記改質器の前記流出口とを連結する第2の連結ガス流路と、を備えることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、
請求項1に記載の改質システムにおいて、
前記改質器を2つ有し、
当該改質システムの定常動作時においては、前記各改質器を全て動作状態とし、
当該改質システムの停止動作時および起動動作時においては、前記各改質器を順次停止状態および動作状態にするとともに、前記連結ガス流路を介して一方の前記改質器から他方の前記改質器に前記改質ガスを流通させ、
当該改質システムの停止動作時と起動動作時とにおいて、前記連結ガス流路を介して前記改質ガスを流通させる前記改質器を交互に変えることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、
請求項3に記載の改質システムにおいて、
前記複数の流入ガス流路の各々に設けられ、前記燃料ガスの流入を遮断又は許容する第1のバルブと、
前記複数の流出ガス流路の各々に設けられ、前記改質ガスの流出を遮断又は許容する第2のバルブと、
前記複数の連結ガス流路の各々の中途部に設けられ、前記改質ガスの流通を遮断又は許容する第3のバルブと、
前記複数の改質器の動作状態および前記第1〜第3のバルブの開閉動作を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、
請求項4に記載の改質システムにおいて、
前記制御部は、
当該改質システムの停止動作時において、一方の前記改質器への前記燃料ガスの流入を停止させ、他方の前記改質器からの前記改質ガスの一部を該一方の改質器に流入させるとともに、該一方の改質器を降温させ、該一方の改質器が停止状態となった後、前記他方の改質器への前記燃料ガスの流入を停止させ、該他方の改質器を降温させて停止状態とし、
当該改質システムの起動動作時において、前記一方の改質器へ前記燃料ガスを流入させ、該一方の改質器を昇温させるとともに、該一方の改質器からの前記改質ガスの一部を前記他方の改質器に流入させ、該一方の改質器が動作状態となった後、前記他方の改質器へ前記燃料ガスを流入させ、該他方の改質器を動作状態とするように、前記各改質器の動作および前記第1〜第3のバルブの開閉動作を制御することを特徴とする。
請求項6に記載の発明は、
請求項1に記載の改質システムにおいて、
前記改質器を3つ以上有し、
前記複数の連結ガス流路は、改質器の各々の前記流入口に接続される複数の流入口側連結ガス流路と、前記複数の改質器の各々の前記流出口に接続される複数の流出口側連結ガス流路と、前記複数の流入口側連結ガス流路と前記複数の流出口側連結ガス流路との間に設けられ、前記各流入口側連結ガス流路と前記各流出口側連結ガス流路との接続経路を切り替える合流・分岐路と、を備えることを特徴とする。
請求項7に記載の発明は、
請求項6に記載の改質システムにおいて、
前記複数の流入ガス流路の各々に設けられ、前記燃料ガスの流入を遮断又は許容する第1のバルブと、
前記複数の流出ガス流路の各々に設けられ、前記改質ガスの流出を遮断又は許容する第2のバルブと、
前記複数の流入口側連結ガス流路の各々の中途部に設けられ、前記改質ガスの流通を遮断又は許容する第3のバルブと、
前記複数の改質器の動作、前記第1〜第3のバルブの開閉動作および前記合流・分岐路における経路接続状態を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする。
請求項8に記載の発明は、
請求項7に記載の改質システムにおいて、
前記制御部は、
当該改質システムの定常動作時においては、前記各改質器へ前記燃料ガスを流入させて動作状態とし、
当該改質システムの停止動作時および起動動作時においては、前記各改質器を1つまたは複数毎に順次停止状態および動作状態にするとともに、前記連結ガス流路を介して前記改質ガスを流通させ、
当該改質システムの停止動作時と起動動作時とにおいて、前記各改質器を停止状態にする順序と動作状態にする順序を同じにするとともに、前記連結ガス流路を通じて前記改質ガスを流入させる前記改質器を逆転させるように、前記複数の改質器の動作状態、前記第1〜第3のバルブの開閉動作および前記合流・分岐路における経路接続状態を制御することを特徴とする。
請求項9に記載の発明は、
請求項1に記載の改質システムにおいて、
前記複数の流入ガス流路の各々に設けられ、前記燃料ガスの流入を遮断又は許容する第1のバルブと、
前記複数の流出ガス流路の各々に設けられ、前記改質ガスの流出を遮断又は許容する第2のバルブと、
前記複数の連結ガス流路の各々の中途部に設けられ、前記改質ガスの流通を遮断又は許容する第3のバルブと、
前記複数の流出ガス流路を介して全ての前記改質器から流出した前記改質ガス中の水素の量を測定する測定手段と、
当該改質システムの停止動作時および起動動作持において、前記測定手段の測定結果に基づいて前記連結ガス流路を通じて前記改質ガスを流入させる前記改質器を選択して、前記複数の改質器の動作および前記第1〜第3のバルブの開閉動作を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする。
請求項10に記載の発明に係る発電システムは、
少なくとも、燃料ガスが供給され、前記燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する複数の改質器と、前記複数の改質器の各々に設けられる前記燃料ガスの流入口および前記改質ガスの流出口と、前記複数の改質器の各々の前記流入口に接続され、前記燃料ガスを流入させる複数の流入ガス流路と、前記複数の改質器の各々の前記流出口に接続され、前記改質ガスを流出させる複数の流出ガス流路と、前記複数の改質器における少なくとも2つの前記改質器において、各々の前記改質器の前記流入口と前記流出口とを互いに連結し、前記各改質器により生成される前記改質ガスの一部を流通させるように設けられる複数の連結ガス流路と、を備える改質システムと、
前記改質システムから前記改質ガスの供給を受けて電気エネルギーを生成する燃料電池と、
を備えることを特徴とする。
請求項11に記載の発明は、
請求項10に記載の発電システムにおいて、
前記改質システムは前記改質器を2つ有し、
前記改質システムの定常動作時においては、前記各改質器を全て動作状態とし、
前記改質システムの停止動作時および起動動作時においては、前記各改質器を順次停止状態および動作状態にするとともに、前記連結ガス流路を介して一方の改質器から他方の改質器に改質ガスを流通させ、
前記改質システムの停止動作時と起動動作時とにおいて、前記連結ガス流路を介して改質ガスを流通させる改質器を交互に変えることを特徴とする。
請求項12に記載の発明は、
請求項10に記載の発電システムにおいて、
前記改質システムは前記改質器を3つ以上有し、
前記改質システムの停止動作時および起動動作時において、前記各改質器を順次停止状態および動作状態にするとともに、前記連結ガス流路を介して前記改質ガスを流通させ、
前記改質システムの停止動作時と起動動作時とにおいて、前記各改質器を停止状態にする順序と動作状態にする順序を同じにするとともに、前記連結ガス流路を通じて前記改質ガスを流入させる前記改質器を逆転させることを特徴とする。
請求項13に記載の発明に係る改質システムの制御方法は、
燃料ガスが供給され、前記燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成し、前記燃料ガスの流入口および前記改質ガスの流出口を有する複数の改質器を備える改質システムの制御方法であって、
前記改質システムの動作時においては、前記複数の改質器を全て動作状態にさせ、
前記複数の改質器における少なくとも2つの改質器において、
当該改質システムを停止させるとき、動作状態にある一方の前記改質器から前記改質ガスの一部を他方の前記改質器の前記流入口に流通させながら当該他方の改質器を停止状態にさせ、次いで、一方の前記各改質器を停止状態にさせ、
当該改質システムを起動させるとき、前記一方の改質器を起動状態にさせ、次いで、当該一方の改質器から前記改質ガスの一部を前記他方の改質器の前記流入口に流通させながら当該改質器を起動状態にさせる、
ことを特徴とする。
本発明によれば、燃料ガスが供給され、該燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する複数の改質器を備える改質システム及びこれを備える発電システムにおいて、少なくとも2つの改質器の流出口と流入口とを互いに連結し、各改質器により生成される改質ガスの一部を流通させる複数の連結ガス流路を備え、この連結ガス流路を通じて、改質システムの停止動作時に、動作状態にある改質器から改質ガスの一部を他の流入口に流通させながら各改質器を順次停止状態にさせることにより、停止動作時に改質器に空気が逆流して流入するのを防止して、改質器の改質触媒の活性が低下するのを抑制することができ、また、改質システムの起動動作時に、起動状態にある改質器から改質ガスの一部を流入口に流通させながら各改質器を順次起動状態させることにより、活性が低下した改質触媒の活性を回復させて、改質触媒の活性を良好に維持することができる。
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲は以下の実施形態及び図示例に限定されるものではない。
[第1の実施形態]
始めに、図1〜図5を参照しながら、本発明に係る改質システム10を搭載した小型の発電システム1の構成について説明する。
図1は、本発明に係わる実施形態における発電システム1の概略構成を示すブロック図である。
図1に示す通り、発電システム1は、燃料と水を貯留した燃料容器2と、燃料と水を気化させて燃料ガス(燃料と水との混合気)を生成する気化器3と、燃料ガスを改質ガスに改質する改質システム10と、改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器4と、改質ガス中の水素を用いて電気エネルギーを生成する燃料電池5とを、備えている。
燃料容器2内に貯留された燃料は、メタノール、エタノール等のアルコール類やガソリンといった組成に水素を含む炭化水素系の化合物が適用可能である。燃料と水は液体状態で別々に燃料容器2に貯蔵されてもよいし、混合された状態で燃料容器2に貯蔵されてもよい。本第1の実施形態では燃料としてメタノールを用いている。
気化器3はヒータあるいは触媒燃焼器等の熱源(図示略)を有するもので、当該熱源が作動することで燃料容器2から供給された燃料と水を気化させて燃料ガスを生成するようになっている。
改質システム10は第1の改質器11と第2の改質器12とを有している。第1,第2の改質器11,12は、化学反応式(1)に示すように気化器5から供給された燃料ガスを改質して改質ガス(水素、二酸化炭素及び副生成物である一酸化炭素を含む。)を生成するものである。また、改質システム10は第1,第2の改質器11,12を加熱して化学反応式(1)の各反応を良好に行うのに必要な反応温度に設定するヒータあるいは触媒燃焼器等の熱源(図示略)を有している。
CH3OH+H2O→3H2+CO2 … (1)
一酸化炭素除去器4は、第1,第2の改質器11,12において、化学反応式(1)についで逐次的に起こる化学反応式(2)によって微量に副生される一酸化炭素COを、化学反応式(3)に示すように改質システム10で生成された改質ガス中の副生成物である一酸化炭素を酸化させることによって一酸化炭素を除去するものである。
+CO→HO+CO … (2)
2CO+O2→2CO2 … (3)
燃料電池5は、触媒微粒子を担持した燃料極と、触媒微粒子を担持した空気極と、燃料極と空気極との間に介在されたフィルム状の固体高分子電解質膜とを、有している。燃料電池5の燃料極には、一酸化炭素除去器4で一酸化炭素が除去された改質ガスが当該一酸化炭素除去器4から供給され、燃料電池5の空気極には、外部から空気が供給される。
燃料極においては、電気化学反応式(4)に示すように、改質ガス中の水素が燃料極の触媒微粒子の作用を受けて水素イオンと電子とに分離する。水素イオンは固体高分子電解質膜を通じて空気極に伝導し、電子は燃料極により電気エネルギーとして取り出される。酸素極においては、電気化学反応式(5)に示すように、空気極に移動した電子と、空気中の酸素と、固体高分子電解質膜を通過した水素イオンとが反応して水が生成されて外部に排出される。
2→2H++2e- … (4)
2H++1/2O2+2e-→H2O … (5)
この発電システム1は、例えば、デスクトップ型パーソナルコンピュータ、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、PDA(Personal Digital Assistant)、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機器、遊技機、家庭用電気機器その他の電子機器に備え付けられるものであり、これらの電子機器本体を動作させるための電源として好適に用いられる。
図2は本実施形態における改質システム10の概略構成を示す図面である。
図2に示す通り、第1の改質器11には、燃料ガスを当該第1の改質器11に流入させる第1の流入ガス流路13と、生成された改質ガスを当該第1の改質器11から外部に流出させる第1の流出ガス流路14とが連結されている。第2の改質器12にも、第1の改質器11と同様に、第2の流入ガス流路15と第2の流出ガス流路16とが連結されている。
すなわち、気化器3から通じるガス流路は、第1の流入ガス流路13と第2の流入ガス流路15とに分岐して第1,第2の改質器11,12に通じ、当該第1,第2の改質器11,12から第1,第2の流出ガス流路14,16が別個の流路を形成しながら最終的に一体となって一酸化炭素除去器4に通じるようになっている。
更に、第1の流入ガス流路13と第2の流出ガス流路16との間にはこれらガス流路13,16を連結する第1の連結ガス流路17が設けられており、第1の流出ガス流路14と第2の流入ガス流路15との間にもこれらガス流路14,15を連結する第2の連結ガス流路18が設けられている。
上記したガス流路13〜18の各中途部には、燃料ガス又は改質ガスの流通を遮断又は許容するバルブ13a,14a,15a,16a,17a,18aが1つずつ設けられており、各バルブ13a,14a,15a,16a,17a,18aが制御部19に電気的に接続されている。ここで、バルブ13a,15aは本発明における第1のバルブであり、バルブ14a,16aは本発明における第2のバルブであり、バルブ17a,18aは本発明における第3のバルブである。
制御部19は例えば汎用のCPU(Central Processing Unit),RAM(Random Access Memory),ROM(Read Only Memory)等から構成されているもので、ドライバ(図示略)を介して各バルブ13a,14a,15a,16a,17a,18aに制御信号を送信し、各バルブ13a,14a,15a,16a,17a,18aの開閉動作を制御するようになっている。
図3は本実施形態における第1の改質器11の構成の一例を示す断面図である。
図3に示す通り、第1の改質器11は、例えばシリコン結晶,アルミニウム,ガラス等の材料で構成された2枚の基板21,22を互いに重ね合わせて接合した構造を有している。
図4は、第1の改質器11の一方の基板21の(a)平面図,(b)断面図,(c)底面図である。
図4(a)に示す通り、基板21(他方の基板22との接合面の反対の面)上には例えば葛折り状のヒータ23が配設されている。ヒータ23は、電気抵抗性発熱体,半導体性発熱体等を薄膜状に成膜したものである。
ヒータ23は制御部19に電気的に接続されており、当該制御部19がドライバ(図示略)を介してヒータ23に電力を供給し、ヒータ23の作動(発熱)とその停止とを制御するようになっている。
図4(c)に示す通り、基板21(他方の基板22との接合面)下には例えば葛折り状の溝24が形成されている。溝24は一端部24aから他端部24bにかけて同様の幅を有しながら延在しており、図4(b)に示す通り、断面視したときの形状が例えば弓形状を呈している。当該溝24は、基板21に対しフォトリソグラフィー,エッチング等を適宜施すことによって形成されたものである。
溝24の内壁には改質触媒(図示略)が設けられており、溝24を流通する燃料ガスを当該改質触媒により上記化学反応式(1),(2)に従い改質ガスに改質することができるようになっている。改質触媒は1種以上の金属種又は金属酸化物を含む物質であり、当該改質触媒としては例えばPd−Zn合金やCu−Zn合金等が適用可能である
図5は、第1の改質器11の他方の基板22の(a)平面図,(b)断面図である。
図5(a),(b)に示す通り、基板22には2つの貫通孔25,26が形成されている。一方の貫通孔25は溝24の一端部24a(図4(c)参照)に対応する位置に形成されており、他方の貫通孔26は溝24の他端部24b(図4(c)参照)に対応する位置に形成されている。
図3に示す通り、2枚の基板21,22が互いに接合された状態においては、第1の流入ガス流路13を構成する流入管41が一方の貫通孔25に通じており、第1の流出ガス流路14を構成する流出管42が他方の貫通孔26に通じている。
この構成から、気化器3で生成された燃料ガスは流入管41を通じて一方の貫通孔25を流入口としてマイクロリアクタ20に流入し、溝24を一端部24aから他端部24bに向けて流通しながら改質ガスとなる。当該改質ガスは、他方の貫通孔26を流出口としてマイクロリアクタ20から流出管42を通じて流出し、一酸化炭素除去器4に流入するようになっている。
なお、ここでは、上記の通り図3〜図5を参照しながら第1の改質器11についてのみその構成について説明したが、第2の改質器12についても当該第1の改質器11と同様の構成を有している。
続いて、図6を基本として図7〜図10(図7〜図10では制御部19を省略している。)を参照しながら、本発明に係る改質ガスの流通制御方法と併せて改質システム10の動作・作用について説明する。
図6は本実施形態における改質システム10において制御部19が実行する「停止・起動処理」を経時的に示すフローチャートであり、図7〜図10は制御部19による処理が実行された場合の各ヒータ23や各バルブ13a〜18a等の動作状態を示す図面である。本第1の実施形態では、改質システム10の作動状態から停止状態とする際の制御動作、及び、その後、起動状態とする際の制御動作に特徴を有するものであるから、改質システム10が作動している状態からその説明を始める。
まず、改質システム10が作動している定常動作状態では、図7に示す通り、第1,第2の改質器11,12でヒータ23が作動して発熱しており第1,第2の改質器11,12が所定の温度に設定されている。このとき、4つのバルブ13a,14a,15a,16aが開き、残り2つのバルブ17a,18aが閉じている。この状態においては、改質システム10に供給された燃料ガスは、第1,第2の流入ガス流路13,15を通じて第1,第2の改質器11,12に流入し、当該第1,第2の改質器11,12で改質ガスが生成され、その後第1,第2の改質器11,12から第1,第2の流出ガス流路14,16を通じて改質システム10の外部に流出される。
次に、この定常動作状態から停止状態とする際の制御動作(停止動作)について説明する。制御部19が改質システム10の作動の停止指令を受けると(ステップS1)、まず、当該制御部19が第1の改質器11のヒータ23と2つのバルブ13a,17aとに制御信号を送信し(ステップS2)、図8に示す通り、第1の改質器11のヒータ23の作動を停止させるとともにバルブ13aを閉じ、かつ、バルブ17aを開く。
その結果、改質システム10に供給された燃料ガスが第2の改質器12のみに流入して当該第2の改質器12でのみ改質ガスが生成され、その改質ガスの一部が第2の流出ガス流路16から第1の連結ガス流路17に分岐し、当該第1の連結ガス流路17を通じて第1の改質器11に流入する。
制御部19がステップS2の処理を終えて第1の改質器11のヒータ23の作動を停止させてから第1の改質器11が停止状態になるのに要する所定の一定時間が経過したと判断したら(ステップS3)、当該制御部19が第2の改質器12のヒータ23と3つのバルブ14a,15a,17aに制御信号を送信し(ステップS4)、図9に示す通り、第2の改質器12のヒータ23の作動を停止させるとともに各バルブ14a,15a,17aをともに閉じる。
その結果、改質システム10に供給された燃料ガスは各バルブ13a,15aでその供給が遮断され、当該改質システム10では改質ガスが生成されなくなる。更には、第2の改質器12のヒータ23が作動を停止しているから、当該第2の改質器12中の内部圧が低下して外部の空気が第2の流出ガス流路16から第2の改質器12中に逆流し、当該第2の改質器12中の改質触媒が酸化してその活性が低下する。以上によって、改質システム10が停止状態となる。
次いで、上記処理を経て停止状態とされた改質システム10を再び起動する際の制御動作(起動動作)について説明する。制御部19がステップS4の処理を終えた後、改質システム10の再起動の指令を受けると(ステップS5)、当該制御部19が第1の改質器11のヒータ23と3つのバルブ13a,14a,18aとに制御信号を送信し(ステップS6)、図10に示す通り、第1の改質器11のヒータ23を作動し始めるとともに各バルブ13a,14a,18aをともに開く。
その結果、改質システム10に供給された燃料ガスが第1の改質器11のみに流入して当該第1の改質器11でのみ改質ガスが生成され、その改質ガスの一部が第1の流出ガス流路14から第2の連結ガス流路18に分岐し、当該第2の連結ガス流路18を通じて第2の改質器12に流入する。
制御部19がステップS6の処理を終えて第1の改質器11のヒータ23を起動させてからヒータ23が所定の温度に達して、第1の改質器11が動作状態になるのに要する所定の一定時間が経過したと判断したら(ステップS7)、当該制御部19が第2の改質器12のヒータ23と2つのバルブ15a,18aとに制御信号を送信し(ステップS8)、第2の改質器12のヒータ23を作動し始めるとともにバルブ15aを開け、かつ、バルブ18aを閉じ、改質システム10が作動状態(図7参照)となる。
次に、上記処理を経て作動状態にある改質システム10を再び停止する際の制御動作(停止動作)について説明する。制御部19が改質システム10の作動の停止指令を再度受けると(ステップS9)、当該制御部19は上記ステップS2〜ステップS8と逆の処理を実行する。すなわち、当該制御部19が、先に第2の改質器12のヒータ23の作動を停止させてその後に第1の改質器11のヒータ23の作動を停止させるとともに、各バルブ13a〜18aの開閉動作を逆転させる(ステップS10〜ステップS16)。以後、制御部19は改質システム10の作動の停止指令を受けるごとに、上記ステップS1〜ステップS16の処理を繰り返し実行するようになっている。
以上の本第1の実施形態では、改質システム10が作動した状態から停止した状態に移行する場合には(ステップS1参照)、先に第1の改質器11のヒータ23の作動が停止し、バルブ13aが閉じかつバルブ17aが開く(ステップS2,図8参照)から、第1の改質器11の温度が下がりその内部圧力が低下しても、第2の改質器12で生成された改質ガスが第2の流出ガス流路16から第1の連結ガス流路17を通じて第1の改質器11に流入する。
そのため、第1の流出ガス流路14から第1の改質器11に空気が逆流して流入することはなく、第1の改質器11の改質触媒が酸化してその活性が低下するのを防止することができる。仮に、空気が逆流して第1の改質器11の改質触媒が酸化することがあっても、当該第1の改質器11には第2の改質器12で生成された改質ガスが流入するから、その改質ガスで改質触媒を水素還元することができ、第1の改質器11の改質触媒の活性を回復させることができる。
また、改質システム10が停止した状態から起動した状態に移行する場合には(ステップS5参照)、先に第1の改質器11のヒータ23が作動し始め、各バルブ13a,14a,18aが開く(ステップS6,図10参照)から、第1の改質器11で生成された改質ガスが第1の流出ガス流路14から第2の連結ガス流路18を通じて第2の改質器12に流入する。
そのため、第2の流出ガス流路16を通じた空気の逆流を受けて第2の改質器12の改質触媒が酸化していても、第1の改質器11で生成された改質ガスでその改質触媒を水素還元することができ、第2の改質器12の改質触媒の活性を回復させることができる。
更に、改質システム10の上記停止・起動処理においては、ステップS1〜S8の処理とステップS9〜S16との処理で、第1,第2の改質器11,12の各ヒータ23の作動順序と各バルブ13a〜18aの開閉順序とを改質システム10が停止するごとに交互に切り換えるから、上記停止・起動処理が実行されるたびに第1,第2の改質器11,12のいずれか一方の改質触媒が空気の逆流を受け続けるということがなく、第1,第2の改質器11,12全体における改質触媒の経時的な活性の低下を抑えることができる。
なお、本発明は本第1の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計変更をおこなってもよい。
当該改良・設計変更事項として、例えば、第1の流出ガス流路14と第2の流出ガス流路16との合流部に改質ガス中の水素の量を測定する測定器(測定手段:図示略)を設け、改質システム10の上記停止・起動処理において、制御部19が改質システム10の停止指令を受けるごとに、その測定器の測定結果に基づきステップS1〜S8の処理を実行するか又はステップS9〜S16の処理を実行するかを選択するようにしてもよい。
すなわち、制御部19がステップS2の処理直後とステップS10の処理直後とにおいて第1,第2の各改質器11,12で生成される改質ガスの生成量を比較し、その比較結果から、次に改質システム10の作動の停止指令を受けた場合において、改質ガスの生成量が少ないと判断した第1の改質器11又は第2の改質器12のヒータ23を先に停止させるステップS2〜S8の処理又はステップS10〜S16の処理を実行するようにしてもよい。
[第2の実施形態]
本第2の実施形態に係る発電システムでは、上記改質システム10に相当する改質システムが第1の実施形態に係る改質システム10と下記の点で異なっており、それ以外は上記発電システム1と同様となっている。
図11は第2の実施形態における改質システム50の概略構成を示す図面である。
図11に示す通り、改質システム50はn(n:3以上)個の第1〜第nの改質器R1〜Rnと、それに対応するn個又はn本のバルブA1〜An,B1〜Bn,C1〜Cn、第1〜第nの流入ガス流路D1〜Dn、第1〜第nの流出ガス流路E1〜En、第1〜第nの流入口側連結ガス流路F1〜Fn、第1〜第nの流出口側連結ガス流路G1〜Gnとを、備えている。
バルブA1〜An,B1〜Bn,C1〜Cnは上記バルブ13a〜18aに相当するもので、第1〜第nの流入ガス流路D1〜Dnは上記第1,第2の流入ガス流路13,15に相当するもので、第1〜第nの流出ガス流路E1〜Enは上記第1,第2の流出ガス流路14,16に相当するもので、第1〜第nの流入口側連結ガス流路F1〜Fn及び流出口側連結ガス流路G1〜Gnは上記第1,第2の連結ガス流路17,18に相当するものである。また、バルブA1〜Anは本発明における第1のバルブであり、バルブB1〜Bnは本発明における第2のバルブであり、バルブC1〜Cnは本発明における第3のバルブである。
第1〜第nの流入口側連結ガス流路F1〜Fnと流出口側連結ガス流路G1〜Gnとの中途部には、当該第1〜第nの流入口側連結ガス流路F1〜Fn及び流出口側連結ガス流路G1〜Gnを一度合流させてこれらを再度分岐させる合流・分岐路60が設けられている。合流・分岐路60は制御部19に電気的に接続されており、当該制御部19が、第1〜第nの流出ガス流路E1〜Enに連結された第1〜第nの流出口側連結ガス流路G1〜Gnを第1〜第nの流入ガス流路D1〜Dnに連結された第1〜第nの流入口側連結ガス流路F1〜Fnのいずれに通じるかを切り替えることができるようになっている。
本第2の実施形態では、第1〜第nの改質器R1〜Rnで生成された改質ガスの一部は、第1〜第nの流出口側連結ガス流路G1〜Gnを通じて合流・分岐路60で合流し、その後当該合流・分岐路60から分岐して第1〜第nの流入口側連結ガス流路F1〜Fnを通じて第1〜第nの改質器R1〜Rnに流入するようになっている。
改質システム50の停止動作及び起動動作では、前述の第1の実施形態において制御部19が第1,第2の改質器11,12のヒータ23と各バルブ13a〜18aとを制御したのと同様に、制御部19が第1〜第nの改質器R1〜Rnの各ヒータ23の作動及びその停止と、各バルブA1〜An,B1〜Bn,C1〜Cnの開閉動作と、合流・分岐路60の切替動作とを、制御する。
すなわち、改質システム50の停止動作時においては、制御部19は、まず、第1〜第m(m:(n−1)以下で任意)の改質器R1〜Rmの各ヒータ23の作動を停止させるとともに、バルブAm+1〜An,B1〜Bn,C1〜Cmを開け、バルブA1〜Am,Cm+1〜Cnを閉じ、第(m+1)〜第nの改質器R(m+1)〜Rnで生成された改質ガスを第1〜第mの改質器R1〜Rmに流入させるように合流・分岐路60の動作を制御し、次いで、改質器R1〜Rmのヒータ23の作動を停止させてから、改質器R1〜Rmが停止状態になるのに要する所定の一定時間が経過した後、改質器Rm+1〜Rnのヒータ23の作動を停止させるとともに、バルブBm+1〜Bnを開け、バルブA1〜An,B1〜Bm,C1〜Cnを閉じるように制御する(図6のステップS1〜S4の処理に相当する処理で、以下「ステップT1」という。)。
他方、改質システム50の起動動作時においては、制御部19は、まず、第1〜第mの改質器R1〜Rmの各ヒータ23を作動させ始めるとともに、バルブA1〜Am,B1〜Bn,Cm+1〜Cnを開け、バルブAm+1〜An,C1〜Cmを閉じ、第1〜第mの改質器R1〜Rmで生成された改質ガスを第(m+1)〜第nの改質器R(m+1)〜Rnに流入させるように合流・分岐路60の動作を制御し、次いで、改質器R1〜Rmのヒータ23を起動させてから、ヒータ23が所定の温度に達して、改質器R1〜Rmが動作状態になるのに要する所定の一定時間が経過した後、改質器Rm+1〜Rnのヒータ23を作動させ始めるとともに、バルブAm+1〜Anを開け、かつ、バルブCm+1〜Cnを閉じるように制御する(図6のステップS5〜S8の処理に相当する処理で、以下「ステップT2」という。)。
そしてこの場合においても、次の改質システム50の停止・起動動作時においては、第1〜第mの改質器R1〜Rmと第(m+1)〜第nの改質器R(m+1)〜Rnとで、ヒータ23の作動・停止順序と改質ガスの流入順序とを逆転させるように、制御部19が第1〜第nの改質器R1〜Rnの各ヒータ23の作動及びその停止と、各バルブA1〜An,B1〜Bn,C1〜Cnの開閉動作と、合流・分岐路60の切替動作とを制御し(図6のステップS9〜S16に相当する処理で、以下「ステップT3,T4」という。)、以後これらの処理を交互に繰り返し実行する。
なお、上記においては、3つ以上の複数の改質器を有し、複数の流入口側連結ガス流路及び流出口側連結ガス流路が全ての改質器に接続されるものとしたが、本発明はこれに限るものではなく、複数の改質器における少なくとも2つの改質器に対して設けられるものであってもよい。
また、上記においては、改質システムの停止・起動動作時において、複数の改質器毎に停止、起動動作を行うこととしたが、例えば、1つの改質器毎に順次停止、起動動作を行うこととしてもよい。
また、本発明は本第2の実施形態にも限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計変更をおこなってもよい。
一の改良・設計変更事項として、例えば、第1の実施形態で説明した改良・設計変更事項と同様に、第1〜第nの流出ガス流路E1〜Enの合流部に改質ガス中の水素の量を測定する第2の測定器(測定手段:図示略)を設け、改質システム50の上記停止・起動処理において、制御部19が改質システム50の停止指令を受けるごとに、その第2の測定器の測定結果に基づきステップT1,T2の処理を実行するか又はステップT3,T4の処理を実行するかを選択するようにしてもよい。
他の改良・設計変更事項として、第1〜第nの流出ガス流路E1〜Enの合流部に上記第2の測定器(図示略)を設け、制御部19が上記ステップT1〜T4の一連の処理を実行するごとに、次の当該一連の処理では第2の測定器の測定結果に基づき「m」の値を変更するようにしてもよい。
本発明に係わる実施形態における発電システムの概略構成を示すブロック図である。 第1の実施形態における改質システムの概略構成を示す図面である。 第1の実施形態における第1,第2の改質器の構成の一例を示す断面図である。 第1,第2の改質器の一方の基板21の構成を示す(a)平面図,(b)断面図,(c)底面図である。 第1,第2の改質器の他方の基板22の構成を示す(a)平面図,(b)断面図である。 第1の実施形態における制御部が実行する停止・起動処理を経時的に示すフローチャートである。 第1の実施形態における改質システムの定常動作状態を示す図面である。 第1の実施形態における改質システムの停止動作中の状態を示す図面である。 第1の実施形態における改質システムの停止状態を示す図面である。 第1の実施形態における改質システムの起動動作中の状態を示す図面である。 第2の実施形態における改質システムの概略構成を示す図面である。
符号の説明
1 発電システム
2 燃料容器
3 気化器
4 一酸化炭素除去器
5 燃料電池
10 改質システム
11,12 第1,第2の改質器
13,15 第1,第2の流入ガス流路
14,16 第1,第2の流出ガス流路
17,18 第1,第2の連結ガス流路
13a〜18a バルブ
19 制御部
25 貫通孔(流入口)
26 貫通孔(流出口)
50 改質システム
60 合流・分岐路
R1〜Rn 第1〜第nの改質器
A1〜An,B1〜Bn,C1〜Cn バルブ
D1〜Dn 第1〜第nの流入ガス流路
E1〜En 第1〜第nの流出ガス流路
F1〜Fn 第1〜第nの流入口側連結ガス流路
G1〜Gn 第1〜第nの流出口側連結ガス流路

Claims (13)

  1. 燃料ガスが供給され、前記燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する複数の改質器と、
    前記複数の改質器の各々に設けられる前記燃料ガスの流入口および前記改質ガスの流出口と、
    前記複数の改質器の各々の前記流入口に接続され、前記燃料ガスを流入させる複数の流入ガス流路と、
    前記複数の改質器の各々の前記流出口に接続され、前記改質ガスを流出させる複数の流出ガス流路と、
    前記複数の改質器における少なくとも2つの前記改質器において、各々の前記改質器の前記流入口と前記流出口とを互いに連結し、前記各改質器により生成される前記改質ガスの一部を流通させるように設けられる複数の連結ガス流路と、
    を備えることを特徴とする改質システム。
  2. 請求項1に記載の改質システムにおいて、
    前記改質器を2つ有し、
    前記複数の連結ガス流路は、一方の前記改質器の前記流入口と他方の前記改質器の前記流出口とを連結する第1の連結ガス流路と、他方の前記改質器の前記流入口と一方の前記改質器の前記流出口とを連結する第2の連結ガス流路と、を備えることを特徴とする改質システム。
  3. 請求項1に記載の改質システムにおいて、
    前記改質器を2つ有し、
    当該改質システムの定常動作時においては、前記各改質器を全て動作状態とし、
    当該改質システムの停止動作時および起動動作時においては、前記各改質器を順次停止状態および動作状態にするとともに、前記連結ガス流路を介して一方の前記改質器から他方の前記改質器に前記改質ガスを流通させ、
    当該改質システムの停止動作時と起動動作時とにおいて、前記連結ガス流路を介して前記改質ガスを流通させる前記改質器を交互に変えることを特徴とする改質システム。
  4. 請求項3に記載の改質システムにおいて、
    前記複数の流入ガス流路の各々に設けられ、前記燃料ガスの流入を遮断又は許容する第1のバルブと、
    前記複数の流出ガス流路の各々に設けられ、前記改質ガスの流出を遮断又は許容する第2のバルブと、
    前記複数の連結ガス流路の各々の中途部に設けられ、前記改質ガスの流通を遮断又は許容する第3のバルブと、
    前記複数の改質器の動作状態および前記第1〜第3のバルブの開閉動作を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする改質システム。
  5. 請求項4に記載の改質システムにおいて、
    前記制御部は、
    当該改質システムの停止動作時において、一方の前記改質器への前記燃料ガスの流入を停止させ、他方の前記改質器からの前記改質ガスの一部を該一方の改質器に流入させるとともに、該一方の改質器を降温させ、該一方の改質器が停止状態となった後、前記他方の改質器への前記燃料ガスの流入を停止させ、該他方の改質器を降温させて停止状態とし、
    当該改質システムの起動動作時において、前記一方の改質器へ前記燃料ガスを流入させ、該一方の改質器を昇温させるとともに、該一方の改質器からの前記改質ガスの一部を前記他方の改質器に流入させ、該一方の改質器が動作状態となった後、前記他方の改質器へ前記燃料ガスを流入させ、該他方の改質器を動作状態とするように、前記各改質器の動作および前記第1〜第3のバルブの開閉動作を制御することを特徴とする改質システム。
  6. 請求項1に記載の改質システムにおいて、
    前記改質器を3つ以上有し、
    前記複数の連結ガス流路は、改質器の各々の前記流入口に接続される複数の流入口側連結ガス流路と、前記複数の改質器の各々の前記流出口に接続される複数の流出口側連結ガス流路と、前記複数の流入口側連結ガス流路と前記複数の流出口側連結ガス流路との間に設けられ、前記各流入口側連結ガス流路と前記各流出口側連結ガス流路との接続経路を切り替える合流・分岐路と、を備えることを特徴とする改質システム。
  7. 請求項6に記載の改質システムにおいて、
    前記複数の流入ガス流路の各々に設けられ、前記燃料ガスの流入を遮断又は許容する第1のバルブと、
    前記複数の流出ガス流路の各々に設けられ、前記改質ガスの流出を遮断又は許容する第2のバルブと、
    前記複数の流入口側連結ガス流路の各々の中途部に設けられ、前記改質ガスの流通を遮断又は許容する第3のバルブと、
    前記複数の改質器の動作、前記第1〜第3のバルブの開閉動作および前記合流・分岐路における経路接続状態を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする改質システム。
  8. 請求項7に記載の改質システムにおいて、
    前記制御部は、
    当該改質システムの定常動作時においては、前記各改質器へ前記燃料ガスを流入させて動作状態とし、
    当該改質システムの停止動作時および起動動作時においては、前記各改質器を1つまたは複数毎に順次停止状態および動作状態にするとともに、前記連結ガス流路を介して前記改質ガスを流通させ、
    当該改質システムの停止動作時と起動動作時とにおいて、前記各改質器を停止状態にする順序と動作状態にする順序を同じにするとともに、前記連結ガス流路を通じて前記改質ガスを流入させる前記改質器を逆転させるように、前記複数の改質器の動作状態、前記第1〜第3のバルブの開閉動作および前記合流・分岐路における経路接続状態を制御することを特徴とする改質システム。
  9. 請求項1に記載の改質システムにおいて、
    前記複数の流入ガス流路の各々に設けられ、前記燃料ガスの流入を遮断又は許容する第1のバルブと、
    前記複数の流出ガス流路の各々に設けられ、前記改質ガスの流出を遮断又は許容する第2のバルブと、
    前記複数の連結ガス流路の各々の中途部に設けられ、前記改質ガスの流通を遮断又は許容する第3のバルブと、
    前記複数の流出ガス流路を介して全ての前記改質器から流出した前記改質ガス中の水素の量を測定する測定手段と、
    当該改質システムの停止動作時および起動動作持において、前記測定手段の測定結果に基づいて前記連結ガス流路を通じて前記改質ガスを流入させる前記改質器を選択して、前記複数の改質器の動作および前記第1〜第3のバルブの開閉動作を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする改質システム。
  10. 少なくとも、燃料ガスが供給され、前記燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する複数の改質器と、前記複数の改質器の各々に設けられる前記燃料ガスの流入口および前記改質ガスの流出口と、前記複数の改質器の各々の前記流入口に接続され、前記燃料ガスを流入させる複数の流入ガス流路と、前記複数の改質器の各々の前記流出口に接続され、前記改質ガスを流出させる複数の流出ガス流路と、前記複数の改質器における少なくとも2つの前記改質器において、各々の前記改質器の前記流入口と前記流出口とを互いに連結し、前記各改質器により生成される前記改質ガスの一部を流通させるように設けられる複数の連結ガス流路と、を備える改質システムと、
    前記改質システムから前記改質ガスの供給を受けて電気エネルギーを生成する燃料電池と、
    を備えることを特徴とする発電システム。
  11. 請求項10に記載の発電システムにおいて、
    前記改質システムは前記改質器を2つ有し、
    前記改質システムの定常動作時においては、前記各改質器を全て動作状態とし、
    前記改質システムの停止動作時および起動動作時においては、前記各改質器を順次停止状態および動作状態にするとともに、前記連結ガス流路を介して一方の改質器から他方の改質器に改質ガスを流通させ、
    前記改質システムの停止動作時と起動動作時とにおいて、前記連結ガス流路を介して改質ガスを流通させる改質器を交互に変えることを特徴とする発電システム。
  12. 請求項10に記載の発電システムにおいて、
    前記改質システムは前記改質器を3つ以上有し、
    前記改質システムの停止動作時および起動動作時において、前記各改質器を順次停止状態および動作状態にするとともに、前記連結ガス流路を介して前記改質ガスを流通させ、
    前記改質システムの停止動作時と起動動作時とにおいて、前記各改質器を停止状態にする順序と動作状態にする順序を同じにするとともに、前記連結ガス流路を通じて前記改質ガスを流入させる前記改質器を逆転させることを特徴とする発電システム。
  13. 燃料ガスが供給され、前記燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成し、前記燃料ガスの流入口および前記改質ガスの流出口を有する複数の改質器を備える改質システムの制御方法であって、
    前記改質システムの動作時においては、前記複数の改質器を全て動作状態にさせ、
    前記複数の改質器における少なくとも2つの改質器において、
    当該改質システムを停止させるとき、動作状態にある一方の前記改質器から前記改質ガスの一部を他方の前記改質器の前記流入口に流通させながら当該他方の改質器を停止状態にさせ、次いで、一方の前記各改質器を停止状態にさせ、
    当該改質システムを起動させるとき、前記一方の改質器を起動状態にさせ、次いで、当該一方の改質器から前記改質ガスの一部を前記他方の改質器の前記流入口に流通させながら当該改質器を起動状態にさせる、
    ことを特徴とする改質システムの制御方法。
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