JP2007223847A - Reforming device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、改質装置に関する。 The present invention relates to a reformer.
改質装置の一形式として、特許文献1に示されているものが知られている。特許文献1の図1および図2に示されているように、改質装置は、都市ガス(またはLPGまたは炭化水素系燃料)を原料として燃料電池発電装置に供給する水素を生成する水素生成器(改質部)1と、供給される燃焼用燃料(都市ガス6(天然ガス))を燃焼用酸化剤ガス供給手段(送風手段、空気供給手段)20によって供給される燃焼用酸化剤ガス(空気)11により燃焼してその燃焼ガスによって水素生成器(改質部)1を加熱する燃焼装置(燃焼部)5と、火炎中のイオン電流を検知する炎検知手段29と、送風手段20のコントロールなどを行う制御部21と、を備えている。
As one type of reformer, the one shown in
制御部21は、制御部21に記憶されている所定のデータと火炎検知手段29の検知データ(電圧値(電流値))を比較して、空気供給手段20を可変して燃料に対する空気比を調節して所定の電圧値(電流値)に戻す動作を行うので、燃焼状態を常に安定した状態に保つことができるようになっていた。
上述した特許文献1に記載の改質装置においては、燃焼装置(燃焼部)5の燃焼状態に基づいて燃焼装置5の吹き消えを防止することはできるが、水素生成器(改質部)1内の温度を考慮していないので、水素生成器1における改質反応(吸熱反応)に必要な熱量が不足したり、過剰に熱量が供給されたりして改質ガスの生成が不安定かつ低効率となるおそれがあった。
In the reformer described in
本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、改質装置において、燃焼部の吹き消えの抑制と安定かつ高効率の改質ガスの生成の両立を可能とすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to enable both the suppression of blow-off of the combustion section and the generation of a stable and highly efficient reformed gas in the reformer. And
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、供給された改質用燃料から改質ガスを生成する改質部と、改質部内の温度を検出する改質部温度検出手段と、燃焼用燃料供給手段によって供給される燃焼用燃料を燃焼用酸化剤ガス供給手段によって供給される燃焼用酸化剤ガスにより燃焼してその燃焼ガスによって改質部を加熱する燃焼部と、燃焼部の燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼制御を実施する燃焼制御手段と、燃焼制御手段による燃焼制御を実施した上で、改質部温度検出手段によって検出された改質部内温度が目標温度となるように燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御することにより燃焼部の燃焼量を制御する改質部温度制御を実施する改質部温度制御手段と、を備えたことである。
In order to solve the above 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、燃焼部の燃焼状態と相関関係のある物理量を検出する物理量検出手段と、燃焼状態と物理量との相関関係を示す特性を記憶する記憶手段と、をさらに備え、燃焼制御手段は、特性と、物理量検出手段によって検出された物理量とに基づいて、燃焼部の燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼制御を実施することである。
Further, the structural feature of the invention according to claim 2 is that in
また請求項3に係る発明の構成上の特徴は、請求項2において、記憶手段は、燃焼用酸化剤ガスの供給量ごとの特性を記憶し、燃焼制御手段は、記憶手段に記憶されている複数の特性のなかから燃焼用酸化剤ガスの供給量に応じて選択された特性、および物理量検出手段によって検出された物理量に基づいて、燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼制御を実施し、改質部温度制御は、改質部温度検出手段によって検出された改質部内温度が目標温度となるように燃焼制御にて選択された特性を基準にして他の異なる特性を選択して、その選択された特性に基づいて燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御することにより燃焼部の燃焼量を制御する改質部温度制御を実施することである。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the storage means stores characteristics for each supply amount of the combustion oxidant gas, and the combustion control means is stored in the storage means. Combustion fuel supply means such that the combustion state falls within a predetermined state based on the characteristics selected according to the supply amount of the combustion oxidant gas from the plurality of characteristics and the physical quantity detected by the physical quantity detection means The reforming unit temperature control is performed based on the characteristics selected in the combustion control so that the reforming unit temperature detected by the reforming unit temperature detecting means becomes the target temperature. The reforming section temperature control is performed to control the combustion amount of the combustion section by selecting the different characteristics and controlling the combustion oxidant gas supply means based on the selected characteristics.
上記のように構成した請求項1に係る発明においては、燃焼制御手段が、燃焼部の燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼制御を実施するので、燃焼部を安定的に燃焼させ、すなわち低エミッション燃焼が可能となるとともに燃焼部の吹き消えを抑制することができる。そして、このように燃焼部の吹き消えを抑制した上で、改質部温度制御手段が、改質部温度検出手段によって検出された改質部内温度が目標温度となるように燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御することにより燃焼部の燃焼量を制御する改質部温度制御を実施する。このように、燃焼制御と改質部温度制御を独立して制御するので、低エミッション燃焼が可能となるとともに燃焼部の吹き消えの抑制と安定かつ高効率の改質ガスの生成の両立が可能となる。例えば、燃料電池の発電負荷が変動する場合であって改質部温度を改質反応に必要な温度に調整する場合、改質部温度の応答性遅れがあっても燃焼状態を独立に制御するので、燃焼部の吹き消えを抑制することができる。
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、燃焼部の燃焼状態と相関関係のある物理量を検出する物理量検出手段と、燃焼状態と物理量との相関関係を示す特性を記憶する記憶手段と、をさらに備え、燃焼制御手段は、特性と、物理量検出手段によって検出された物理量とに基づいて、燃焼部の燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼制御を実施するので、簡単な構成で容易かつ確実に燃焼部の燃焼状態を所定状態内に収めることができる。
In the invention according to claim 2 configured as described above, 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2において、記憶手段は、燃焼用酸化剤ガスの供給量ごとの特性を記憶し、燃焼制御手段は、記憶手段に記憶されている複数の特性のなかから燃焼用酸化剤ガスの供給量に応じて選択された特性、および物理量検出手段によって検出された物理量に基づいて、燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼制御を実施し、改質部温度制御は、改質部温度検出手段によって検出された改質部内温度が目標温度となるように燃焼制御にて選択された特性を基準にして他の異なる特性を選択して、その選択された特性に基づいて燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御することにより燃焼部の燃焼量を制御する改質部温度制御を実施する。これにより、簡単な構成で容易かつ確実に燃焼制御と改質部温度制御を独立して制御することができる。
In the invention according to
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燃料電池10とこの燃料電池10に必要な水素ガスを含む改質ガス(燃料ガス)を生成する改質装置20を備えている。
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. The fuel cell system includes a
燃料電池10は、燃料極11と酸化剤極である空気極12と両極11,12間に介在された電解質13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に供給された酸化剤ガスである空気(カソードエア)を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。
The
改質装置20は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池10に供給するものであり、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および一酸化炭素選択酸化反応部(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。改質用燃料としては天然ガス、LPGなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。
The reformer 20 steam reforms the reforming fuel and supplies a hydrogen-rich reformed gas to the
改質部21は、燃料供給源Sfから供給された燃料に水蒸気が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。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、冷却部22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、改質部21の内部には、改質部21内の温度を検出する温度センサ(改質部温度検出手段)21cが配設されている。温度センサ21cの検出結果は、制御装置30に出力されるようになっている。
The return channel 21 a of the reforming
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(熱交換部)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、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冷却部22を介して改質部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。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
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が接続されている。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、その混合ガスが冷却部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。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。
The
COシフト部23は、改質部21から冷却部22を通って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、上面および下面を有する筒状の筐体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。
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。
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、大気に開放された酸化用空気供給管61が接続されており、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、上流から順番に空気ポンプ63および空気バルブ64が設けられている。空気ポンプ63は大気から空気を吸い込み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。この燃焼部25は、図2に示すように、本体25aと、本体25aに立設されて本体25aと連通する筒状の燃焼筒25bと、図示しない電極を備えている。燃焼部25は、制御装置30の指令に応じて着火されるものである。
The
本体25aは、燃焼用燃料、アノードオフガス、改質ガスなどの可燃ガス、および可燃ガスを燃焼(酸化)させるための燃焼用空気などの酸化剤ガスが供給されるようになっている。燃焼筒25bの基端は本体25aの噴射口25a1の内周縁部から立設されている。燃焼筒25bは本体25a内に連通しており、本体25aから導出された可燃ガスと燃焼用空気が、燃焼筒25bの基端開口25b1を通って燃焼筒25b内に投入される。
The
具体的には、図1に示すように、本体25a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(燃焼用燃料供給手段)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、本体25a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。
Specifically, as shown in FIG. 1, a combustion
さらに、本体25aには、大気に開放され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(燃焼用酸化剤ガス供給手段)66が設けられている。燃焼用空気ポンプ66は大気から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部25に供給する燃焼用空気供給量を調整するものである。
Further, a combustion
このように構成された燃焼部25においては、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、燃焼部25に供給された燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。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と蒸発部26の間に形成された第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。これにより、燃焼ガスは改質部21および蒸発部26を加熱する。
In the
燃焼部25は、燃焼部25の燃焼状態と相関関係のある物理量であるイオン電流値を検出する物理量検出手段であるイオン電流検出装置90を備えている。イオン電流検出装置90は、炎に電気伝導性があることを利用して、炎25cのすぐ側に電極91(フレームロッド)を設置して炎25cの中を流れるイオン電流を検知するものである。このイオン電流検出装置90は、電極91と、電極91と燃焼筒25b(または本体25a)との間に電圧を印加する電源92と、電極91と電源92との間に配列された電流検出用抵抗93と、電流検出用抵抗93の両端間電圧を入力し電流を検出してその検出結果を制御装置30に送信する電流検出回路94とから構成されている。
The
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(発電運転)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、基端が大気に開放され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は大気から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 inlet of the
また、改質装置は制御装置30を備えており、この制御装置30には、上述した温度センサ21c、電流検出回路94、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3参照)。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、図5に示すフローチャートに対応したプログラムを実行して、温度センサ21cから温度を入力するとともに電流検出回路94からイオン電流を入力して、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、燃料電池システムの燃焼制御および改質部温度制御を独立して実施している。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。
The reformer includes a
また、制御装置30には、記憶装置31が接続されている。記憶装置31は、図4に示すように、燃焼用空気の供給量ごとの、燃焼状態λと物理量であるイオン電流値との相関関係を示す特性を記憶するものである。λは空気比であり、実際の燃料用空気の投入量/理想の燃料用空気の投入量で表される。同一形状のバーナの場合、λにより燃焼特性(吹き消え範囲、低エミッション)が決定されるため、燃焼状態をλにて表記する。
A
この特性は、実機を使用して測定したデータに基づいて作成することができる。例えば、燃焼用空気を規定量A0で一定供給した場合、燃焼状態λを変化させて、すなわち燃焼用燃料の供給量を変化させて、イオン電流値を測定することにより特性曲線f0を作成する。同様にして、燃焼用空気を規定量…,A−1,A1,…で一定供給した場合、燃焼状態λを変化させて、すなわち燃焼用燃料の供給量を変化させて、イオン電流値を測定することにより、燃焼用空気の各規定量…,A−1,A0,A1,…における特性曲線…,f−1,f0,f1,…を作成する。なお、各規定量…,A−1,A0,A1,…は、所定値刻みに設定されている。 This characteristic can be created based on data measured using a real machine. For example, when the combustion air is supplied at a constant amount A0, the characteristic curve f0 is created by measuring the ionic current value by changing the combustion state λ, that is, changing the supply amount of the combustion fuel. Similarly, when a constant amount of combustion air is supplied at prescribed amounts..., A-1, A1,..., The ionic current value is measured by changing the combustion state λ, that is, changing the amount of fuel supplied. As a result, characteristic curves..., F-1, f0, f1,... Are created for the prescribed amounts of combustion air, A-1, A0, A1,. The prescribed amounts..., A-1, A0, A1,... Are set in increments of a predetermined value.
上述した燃料電池システムの作動について図5および図6のフローチャートを参照して説明する。制御装置30は、燃焼部25の燃焼状態を所定状態内に収める燃焼制御(図5参照)を実施した上で、改質部内温度を目標温度とするように燃焼部の燃焼量を制御する改質部温度制御(図6参照)を実施する。
The operation of the fuel cell system described above will be described with reference to the flowcharts of FIGS. The
制御装置30は、図示しない起動スイッチがオンされると、予め設定されている流量で燃焼用燃料と燃焼用空気を燃焼部25に供給し、着火する。制御装置30は、燃焼を開始したら、図5に示すプログラムを第1の所定時間毎に実行する。
When a start switch (not shown) is turned on, the
制御装置30は、ステップ102において、予め設定されている流量を燃焼用空気供給量として決定する。そして、ステップ103において、図4に示すマップの特性曲線のなかから、決定された燃焼用空気供給量を示す特性曲線を選択する。本実施形態においては、特性曲線f0を選択したとする。このとき、燃焼用空気の規定量と相関のある燃焼用燃料の規定量を燃焼用燃料の供給量として決定する。
In
制御装置30は、ステップ104において、イオン電流検出装置(物理量検出手段)90によってイオン電流値(物理量)を検出する。制御装置30は、ステップ104にて検出したイオン電流値と、先に選択した特性曲線f0に基づいて、燃焼部25の燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料供給手段である燃焼用燃料ポンプ48を制御する燃焼制御を実施する(ステップ106,108)。特性曲線f0においては、燃焼状態の所定状態(λaからλb)内に対応するイオン電流値の範囲が、所定電流値I−1a以上であり所定電流値I−1b以下の範囲である。
In
すなわち、制御装置30は、検出したイオン電流値が所定範囲(所定電流値I−1a以上であり所定電流値I−1b以下の範囲)より小さい場合には、燃焼用燃料の供給量を増大するように燃焼用燃料ポンプ48を制御して、該所定範囲内に検出したイオン電流値が入るようにする。また、制御装置30は、検出したイオン電流値が所定範囲(所定電流値I−1a以上であり所定電流値I−1b以下の範囲)より大きい場合には、燃焼用燃料の供給量を減少するように燃焼用燃料ポンプ48を制御して、該所定範囲内に検出したイオン電流値が入るようにする。
That is, when the detected ion current value is smaller than a predetermined range (a range between the predetermined current value I-1a and the predetermined current value I-1b), the
このように図5のフローチャートに沿って燃焼部25の燃焼状態を所定状態内に収める燃焼制御が実施されているなかで、蒸発部26が加熱されて蒸発部26が所定温度以上となると、蒸発部26に改質水を投入する。蒸発部26から水蒸気が改質部21に供給され始めたら(蒸発部26の出口温度によって判断する。例えば、その温度が100℃になったとき)、改質部21に予め設定されている流量で改質用燃料を投入する。
In this way, while the combustion control for keeping the combustion state of the
改質用燃料が投入されると、CO選択酸化部24から改質ガスが導出されるが、まだ一酸化炭素が多いので、燃料電池10をバイパスして燃焼部25に供給される。改質ガスまたは燃料電池10からのアノードオフガスが燃焼部25に供給されているときは、改質用燃料に供給量に応じて燃焼部25に供給される燃焼用空気に供給量が決定される(ステップ102)。また、改質ガスが導出された後には、燃焼用燃料の供給を減少し、改質ガスまたはアノードオフガスが主な可燃ガスとして燃焼部25に供給され、それらの供給量に応じて燃焼部25に供給される燃焼用空気に供給量が決定される(ステップ102)。この場合にも、図5のプログラムは燃焼用燃料を供給量を制御することによって燃焼部25の燃焼状態が所定状態内に収まるように制御する(ステップ104〜108)。
When the reforming fuel is introduced, the reformed gas is led out from the CO
すなわち、記憶手段に記憶されている複数の特性の中から先に決定された燃焼用空気の供給量に応じた特性が選択される(ステップ103)。そして、選択された特性に基づきステップ104〜108の処理が実行されることにより、燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料が供給される。 That is, the characteristic corresponding to the supply amount of combustion air determined in advance is selected from the plurality of characteristics stored in the storage means (step 103). And the fuel for combustion is supplied so that a combustion state may be settled in a predetermined state by performing the process of steps 104-108 based on the selected characteristic.
また、制御装置30は、図6に示すプログラムを第1の所定時間より長い第2の所定時間毎に実行する。制御装置30は、ステップ202において、消費水素量(燃料電池システムが必要とする水素量、燃料電池運転前には予め決められた量、燃料電池運転開始後は必要な発電量のために必要な水素量)、転化率(改質用燃料から水素に転換する比率)などを考慮して改質反応に必要な温度を改質部内温度の目標温度として設定する。
The
制御装置30は、ステップ204において、温度センサ21cによって改質部内温度T1を検出する。制御装置30は、ステップ204にて検出した改質部内温度T1が先に導出された目標温度となるように燃焼制御にて選択された特性を基準にして他の異なる特性を選択して、その選択された特性に基づいて燃焼用酸化剤ガス供給手段である燃焼用空気ポンプ66を制御することにより燃焼部25の燃焼量を制御する改質部温度制御を実施する(ステップ206,208)。他の異なる特性とは、記憶装置31に記憶されている複数の特性のうちの異なる特性のことを言っており、特性曲線f0の異なる特性は、例えば、特性曲線f1で示されるものであり、特性曲線f−1で示されるものである。
In
例えば、本改質部温度制御を開始する時点にて、燃焼制御において特性曲線f0が選択されている場合について説明する。制御装置30は、ステップ206において、ステップ204にて検出した改質部内温度T1が目標温度(または目標温度範囲内)であれば、「YES」と判定して現在の燃焼用燃料の供給量、燃焼用空気の供給量、および改質用燃料の供給量を変更することなく維持し、本プログラムをステップ210に進めて一旦終了する。
For example, the case where the characteristic curve f0 is selected in the combustion control at the time when the reforming part temperature control is started will be described. In
一方、制御装置30は、ステップ204にて検出した改質部内温度T1が目標温度(または目標温度範囲内)でなければ、「NO」と判定して、ステップ208において、燃焼用空気の供給量を調整する。具体的には、改質部内温度T1が目標温度より低い場合には、本改質部温度制御を開始する時点の特性曲線より燃焼用空気供給量の多い特性曲線を選択し、改質部内温度T1が目標温度より高い場合には、本改質部温度制御を開始する時点の特性曲線より燃焼用空気供給量の少ない特性曲線を選択する。例えば、燃焼制御において特性曲線f0が選択されており、かつ、改質部内温度T1が目標温度より低い場合には、燃焼量を増大させるために燃焼用空気をA0からA1へ増量する。それに伴い、特性曲線f0に変えて特性曲線f1を選択する。そして、制御装置30は、その選択された特性の燃焼用空気の規定量A1を燃焼用空気の供給量として設定する。制御装置30は、これら設定された供給量となるように、燃焼用空気ポンプ66および燃焼用燃料ポンプ48を制御する。
On the other hand, if reformer internal temperature T1 detected in
第2の所定時間ごとに図6に示すプログラムを行っている間も図5に示すプログラムは短い周期で行われているため、図6に示すプログラムで燃焼用空気の供給量がA1に変わり、図4に示す特性曲線がf1に移ることで、規定イオン電流量も変化する。それに伴い、図5に示すプログラムで燃焼用燃料は制御され最適な流量になる。 While the program shown in FIG. 6 is performed every second predetermined time, the program shown in FIG. 5 is executed in a short cycle, so the supply amount of combustion air is changed to A1 in the program shown in FIG. As the characteristic curve shown in FIG. 4 shifts to f1, the prescribed ion current amount also changes. Accordingly, the combustion fuel is controlled by the program shown in FIG.
なお、上述したステップ102から108の処理が燃焼制御を実施する燃焼制御手段であり、上述したステップ202から208の処理が改質部温度制御を実施する改質部温度制御手段である。
Note that the processing in
上述の説明から明らかなように、この実施形態においては、燃焼制御手段が、燃焼部25の燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料ポンプ48を制御する燃焼制御を実施するので、燃焼部25を安定的に燃焼させ、すなわち低エミッション燃焼が可能となるとともに燃焼部25の吹き消えを抑制することができる。そして、このように燃焼部25の吹き消えを抑制した上で、改質部温度制御手段が、温度センサ21cによって検出された改質部内温度T1が目標温度(目標温度範囲内)となるように燃焼用空気ポンプ66を制御することにより燃焼部25の燃焼量を制御する改質部温度制御を実施する。このように、燃焼制御と改質部温度制御を独立して制御するので、低エミッション燃焼が可能となるとともに燃焼部25の吹き消えの抑制と安定かつ高効率の改質ガスの生成の両立が可能となる。例えば、燃料電池10の発電負荷が変動する場合であって改質部内温度を改質反応に必要な温度に調整する場合、改質部温度の応答性遅れがあっても燃焼状態を独立に制御しているので、燃焼部25の吹き消えを抑制することができる。
As apparent from the above description, in this embodiment, the combustion control means performs the combustion control for controlling the
また、燃焼部25の燃焼状態と相関関係のある物理量(イオン電流値)を検出する物理量検出手段(イオン電流検出装置90)と、燃焼状態と物理量との相関関係を示す特性を記憶する記憶装置31と、をさらに備え、燃焼制御手段は、特性と、物理量検出手段によって検出された物理量とに基づいて、燃焼部25の燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料ポンプ48を制御する燃焼制御を実施するので、簡単な構成で容易かつ確実に燃焼部25の燃焼状態を所定状態内に収めることができる。
Further, a physical quantity detection means (ion current detection device 90) for detecting a physical quantity (ion current value) correlated with the combustion state of the
また、記憶装置31は、燃焼用酸化剤ガスの供給量ごとの特性を記憶し、燃焼制御手段は、記憶装置31に記憶されている複数の特性のなかから燃焼用酸化剤ガスの供給量に応じて選択された特性、および物理量検出手段(イオン電流検出装置90)によって検出された物理量(イオン電流値)に基づいて、燃焼状態が所定状態内に収まるように燃焼用燃料ポンプ48を制御する燃焼制御を実施し、改質部温度制御は、温度センサ21cによって検出された改質部内温度T1が目標温度となるように燃焼制御にて選択された特性を基準にして他の異なる特性を選択して、その選択された特性に基づいて燃焼用空気ポンプ66を制御することにより燃焼部25の燃焼量を制御する改質部温度制御を実施する。これにより、簡単な構成で容易かつ確実に燃焼制御と改質部温度制御を独立して制御することができる。
The
なお、上述した実施形態においては、物理量として、イオン電流以外に、火炎の紫外線量(UVセンサで検知する)などがあり、燃焼状態がわかるものであれば他の物理量でもよい。 In the above-described embodiment, the physical quantity includes the amount of ultraviolet rays of the flame (detected by the UV sensor) in addition to the ionic current, and other physical quantities may be used as long as the combustion state is known.
また、上述した実施形態において、気体を供給するポンプにおいてはポンプの代わりにブロアを使用するようにしてもよい。 In the above-described embodiment, a blower may be used instead of the pump in the pump that supplies gas.
10…燃料電池、11…燃料極、12…空気極、20…改質装置、21…改質部、21c…温度センサ(改質部温度検出手段)、22…冷却部(熱交換部)、23…一酸化炭素シフト反応部(COシフト部)、24…一酸化炭素選択酸化反応部(CO選択酸化部)、25…燃焼部、25a…本体、25b…燃焼筒、26…蒸発部、27…燃焼ガス流路、28…断熱部、30…制御装置(燃焼制御手段、改質部温度制御手段)、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(燃焼用燃料供給手段)、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、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(燃焼用酸化剤ガス供給手段)、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、81,82…排気管、89…接続管、90…イオン電流検出装置(物理量検出手段)、Sf…燃料供給源、Sw…水タンク。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記改質部内の温度を検出する改質部温度検出手段と、
燃焼用燃料供給手段によって供給される燃焼用燃料を燃焼用酸化剤ガス供給手段によって供給される燃焼用酸化剤ガスにより燃焼してその燃焼ガスによって前記改質部を加熱する燃焼部と、
前記燃焼部の燃焼状態が所定状態内に収まるように前記燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼制御を実施する燃焼制御手段と、
前記燃焼制御手段による燃焼制御を実施した上で、前記改質部温度検出手段によって検出された改質部内温度が目標温度となるように前記燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御することにより前記燃焼部の燃焼量を制御する改質部温度制御を実施する改質部温度制御手段と、を備えたことを特徴とする改質装置。 A reforming unit that generates reformed gas from the supplied reforming fuel;
A reforming unit temperature detecting means for detecting a temperature in the reforming unit;
A combustion section for burning the combustion fuel supplied by the combustion fuel supply means with the combustion oxidant gas supplied by the combustion oxidant gas supply means and heating the reforming section with the combustion gas;
Combustion control means for performing combustion control for controlling the fuel supply means for combustion so that the combustion state of the combustion section falls within a predetermined state;
Combustion control is performed by the combustion control means, and the combustion oxidant gas supply means is controlled so that the reformer temperature detected by the reformer temperature detection means becomes a target temperature. And a reforming section temperature control means for performing reforming section temperature control for controlling the combustion amount of the section.
前記燃焼状態と前記物理量との相関関係を示す特性を記憶する記憶手段と、をさらに備え、
前記燃焼制御手段は、前記特性と、前記物理量検出手段によって検出された物理量とに基づいて、前記燃焼部の燃焼状態が所定状態内に収まるように前記燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼制御を実施することを特徴とする改質装置。 In Claim 1, the physical quantity detection means which detects the physical quantity which has a correlation with the combustion state of the above-mentioned combustion part,
Storage means for storing a characteristic indicating a correlation between the combustion state and the physical quantity;
The combustion control means performs combustion control for controlling the fuel supply means for combustion based on the characteristics and the physical quantity detected by the physical quantity detection means so that the combustion state of the combustion section falls within a predetermined state. The reformer characterized by implementing.
前記燃焼制御手段は、前記記憶手段に記憶されている複数の特性のなかから前記燃焼用酸化剤ガスの供給量に応じて選択された特性、および前記物理量検出手段によって検出された物理量に基づいて、前記燃焼状態が所定状態内に収まるように前記燃焼用燃料供給手段を制御する燃焼制御を実施し、
前記改質部温度制御は、前記改質部温度検出手段によって検出された改質部内温度が前記目標温度となるように前記燃焼制御にて選択された特性を基準にして他の異なる特性を選択して、その選択された特性に基づいて前記燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御することにより前記燃焼部の燃焼量を制御する改質部温度制御を実施することを特徴とする改質装置。 In Claim 2, the said memory | storage means memorize | stores the said characteristic for every supply amount of the said oxidizing gas for combustion,
The combustion control means is based on a characteristic selected according to a supply amount of the combustion oxidant gas from among a plurality of characteristics stored in the storage means, and a physical quantity detected by the physical quantity detection means. Performing combustion control for controlling the fuel supply means for combustion so that the combustion state falls within a predetermined state;
In the reforming section temperature control, other different characteristics are selected based on the characteristics selected in the combustion control so that the reforming section internal temperature detected by the reforming section temperature detecting means becomes the target temperature. Then, a reforming device temperature control for controlling the combustion amount of the combustion section by controlling the combustion oxidant gas supply means based on the selected characteristics is performed.
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