JP2008105900A - Reforming apparatus - 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4に示されているように、水素生成装置においては、ステップ4Sにて起動時に天然ガス量を減少させるかあるいは送風部8からの空気量を増加させることで、第1の所定温度である350℃以下とならないときには、ステップ15Sにて制御手段16は開閉弁15を閉止し原料である天然ガスの供給を停止させる。天然ガスの供給停止により燃焼部7を失火させることで、改質部1の温度を低下させる。次に、ステップ16Sにて改質部1の温度が本発明の第3の所定温度の一例である約300℃以下まで低下したことが検知された後、ステップ17Sにて送風部8、点化器(図示せず)を動作させて、開閉弁15を開く。そして、制御手段16は原料供給部2を動作させ、原料を改質部1に供給し、燃焼部7での燃焼を再開できる。
上述した特許文献1に記載の改質装置においては、図19で示すように、改質部1の触媒の活性温度域の低い温度範囲(300℃から350℃)で改質部1の温度を制御している。すなわち、燃焼部7の着火・消火を比較的頻繁に繰り返しながら水蒸気温度が所定温度(100℃)に到達するようになっている。したがって、着火回数が多いので燃焼部の耐久性が悪化するおそれがあった。また、繰り返し熱負荷により改質部の熱疲労、熱応力のため改質部の耐久性が悪化するおそれがあった。 In the reforming apparatus described in Patent Document 1 described above, as shown in FIG. 19, the temperature of the reforming unit 1 is set within a low temperature range (300 ° C. to 350 ° C.) of the activation temperature range of the catalyst of the reforming unit 1. I have control. That is, the water vapor temperature reaches a predetermined temperature (100 ° C.) while repeating the ignition / extinguishing of the combustion section 7 relatively frequently. Therefore, since the number of times of ignition is large, there is a risk that the durability of the combustion part is deteriorated. Further, the durability of the reformed portion may be deteriorated due to thermal fatigue and thermal stress of the reformed portion due to repeated heat loads.
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、改質装置において、燃焼部の着火・消火の繰り返し回数を少なくして燃焼部・改質部の耐久性を高く維持して改質装置を暖機することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. In the reformer, the number of repetitions of ignition / extinguishing of the combustion section is reduced, and the durability of the combustion section / reformation section is maintained to be high. The purpose is to warm up the quality device.
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、改質用燃料と改質水が供給されて改質ガスを生成する改質部と、改質水を蒸発させて改質部に供給する蒸発部と、燃焼用燃料、改質部および燃料電池の燃料極からの各可燃ガスのうち少なくとも何れか一つおよび燃焼用酸化剤ガスが供給可能であり、可燃ガスのうち少なくとも何れか一つを燃焼用酸化剤ガスで燃焼し燃焼ガスを生成する燃焼部と、燃焼部からの燃焼ガスが改質部および蒸発部をその順番に加熱する燃焼ガス流路と、当該改質装置の起動時は、燃焼用燃料および燃焼用酸化剤ガスを供給し燃焼部を着火し、蒸発部に改質水を供給する燃焼開始手段と、燃焼部の燃焼開始後に、改質部の温度が第1所定温度まで昇温すると、燃焼部への燃焼用燃料の供給を停止して燃焼部を消火する第1消火手段と、燃焼部の消火中に燃焼用酸化剤ガスを供給する燃焼用酸化剤ガス供給手段と、を含む制御装置と、を備えたことである。 In order to solve the above-mentioned problem, the structural feature of the invention according to claim 1 is that a reforming unit that supplies reforming fuel and reforming water to generate reformed gas, and evaporates the reforming water. An evaporating section that is supplied to the reforming section, and at least one of the combustible fuel, the reforming section, and each combustible gas from the fuel electrode of the fuel cell, and an oxidizing gas for combustion can be supplied. A combustion part that burns at least one of them with combustion oxidant gas to generate combustion gas, a combustion gas flow path in which the combustion gas from the combustion part heats the reforming part and the evaporation part in that order, At the time of starting the reformer, combustion start means for supplying combustion fuel and combustion oxidant gas, igniting the combustion section and supplying reforming water to the evaporation section, and reforming after the combustion section starts combustion When the temperature of the section rises to the first predetermined temperature, the supply of combustion fuel to the combustion section is stopped A first extinguishing means for extinguishing the combustion portion Te is to and a control unit; and a combustion oxidizing gas supply means for supplying combustion oxidizer gas during extinguishing of the combustion section.
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、前記制御装置は、第1消火手段による燃焼部の消火後に、改質部の温度および改質部に供給される改質水の温度のうち少なくとも何れか一方に基づいて燃焼用燃料または改質用燃料を供給して燃焼部を再着火する第1再着火手段と、をさらに含むことである。 Further, the structural feature of the invention according to claim 2 is that in claim 1, the control device, after the fire extinguishing of the combustion section by the first fire extinguishing means, the temperature of the reforming section and the reforming supplied to the reforming section And a first re-ignition means for supplying combustion fuel or reforming fuel based on at least one of the water temperatures to re-ignite the combustion section.
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、第1再着火手段は、第1消火手段による燃焼部の消火後に、改質部に供給される改質水の温度が水蒸気用所定温度まで昇温する前に改質部の温度が第1所定温度より低温の第2所定温度まで降温すると、燃焼部への燃焼用燃料の供給を再開し燃焼部を再着火することである。 Further, the structural feature of the invention according to claim 3 is that in claim 2, the first re-ignition means is configured such that the temperature of the reforming water supplied to the reforming part is reduced after the combustion part is extinguished by the first fire extinguishing means. When the temperature of the reforming section is lowered to the second predetermined temperature lower than the first predetermined temperature before the temperature is increased to the predetermined temperature for steam, the supply of the fuel for combustion to the combustion section is resumed and the combustion section is reignited. It is.
また請求項4に係る発明の構成上の特徴は、請求項3において、第1再着火手段により燃焼用燃料で再着火した後に改質部の温度が第1所定温度まで昇温する前に、改質部に供給される改質水の温度が水蒸気用所定温度以上となっている場合には、燃焼部への燃焼用燃料の供給のみを停止する第2消火手段と、その後、改質部へ改質用燃料を供給し燃焼部を再着火する第2再着火手段と、をさらに備えたことである。 Further, the structural feature of the invention according to claim 4 is that, in claim 3, before the temperature of the reforming portion is raised to the first predetermined temperature after reignition with the fuel for combustion by the first reignition means, When the temperature of the reforming water supplied to the reforming unit is equal to or higher than the predetermined temperature for steam, the second fire extinguishing means for stopping only the supply of the fuel for combustion to the combustion unit, and then the reforming unit And a second re-ignition means for supplying reforming fuel to re-ignite the combustion section.
また請求項5に係る発明の構成上の特徴は、請求項2において、第1再着火手段は、第1消火手段による燃焼部の消火後に、改質部の温度が第1所定温度より低温の第2所定温度まで降温する前に改質部に供給される改質水の温度が水蒸気用所定温度まで昇温すると、燃焼部への燃焼用燃料の供給を再開し燃焼部を再着火することである。 Further, the structural feature of the invention according to claim 5 is that in claim 2, the first re-ignition means is such that the temperature of the reforming part is lower than the first predetermined temperature after the combustion part is extinguished by the first fire extinguishing means. When the temperature of the reforming water supplied to the reforming section is raised to the predetermined temperature for steam before the temperature is lowered to the second predetermined temperature, the supply of the fuel for combustion to the combustion section is resumed and the combustion section is re-ignited. It is.
また請求項6に係る発明の構成上の特徴は、請求項5において、第1再着火手段は、燃焼部へ燃焼用燃料を供給する代わりに改質用燃料を燃焼部に供給し燃焼部を再着火することである。 According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect, the first re-ignition means supplies the reforming fuel to the combustion section instead of supplying the combustion fuel to the combustion section. It is to reignite.
また請求項7に係る発明の構成上の特徴は、請求項2において、第1再着火手段は、改質部の温度が第1所定温度と第2所定温度との間の第3所定温度まで降温する前に改質部に供給される改質水の温度が水蒸気用所定温度まで昇温する場合、改質部の温度が第3所定温度まで降温すると、燃焼部への燃焼用燃料の供給を開始し燃焼部を再着火することである。 Further, the structural feature of the invention according to claim 7 is that in claim 2, the first re-ignition means is configured such that the temperature of the reforming section reaches a third predetermined temperature between the first predetermined temperature and the second predetermined temperature. When the temperature of the reforming water supplied to the reforming section rises to a predetermined temperature for steam before the temperature is lowered, the supply of combustion fuel to the combustion section when the temperature of the reforming section drops to the third predetermined temperature And reigniting the combustion section.
また請求項8に係る発明の構成上の特徴は、請求項7において、第1再着火手段は、燃焼部へ燃焼用燃料を供給する代わりに改質用燃料を改質部に供給し燃焼部を再着火することである。 Further, the structural feature of the invention according to claim 8 is that in claim 7, the first re-ignition means supplies the reforming fuel to the reforming section instead of supplying the combustion fuel to the combustion section. Is to reignite.
また請求項9に係る発明の構成上の特徴は、請求項2において、第1再着火手段は、改質部に供給される改質水の温度が水蒸気用所定温度まで昇温する前に改質部の温度が第1所定温度と第2所定温度との間の第3所定温度まで降温する場合には、改質部に供給される改質水の温度が水蒸気用所定温度まで昇温すると、燃焼部への燃焼用燃料の供給を開始し燃焼部を再着火することである。 Further, the structural feature of the invention according to claim 9 is that in claim 2, the first re-ignition means is modified before the temperature of the reforming water supplied to the reforming section rises to a predetermined temperature for steam. When the temperature of the mass part is lowered to a third predetermined temperature between the first predetermined temperature and the second predetermined temperature, the temperature of the reforming water supplied to the reforming part is increased to the predetermined temperature for steam. Then, the supply of the fuel for combustion to the combustion part is started and the combustion part is reignited.
また請求項10に係る発明の構成上の特徴は、請求項9において、第1再着火手段により燃焼用燃料で再着火した後に改質部の温度が第1所定温度まで昇温した時点で、改質部に供給される改質水の温度が水蒸気用所定温度以上となっている場合には、改質部の温度が第1所定温度まで昇温した時点に燃焼部への燃焼用燃料の供給のみを停止する第2消火手段と、その後、改質部の温度が第3所定温度まで降温すると、改質部へ改質用燃料を供給し燃焼部を再着火する第2再着火手段と、をさらに備えたことである。
The structural feature of the invention according to
上記のように構成した請求項1に係る発明においては、燃焼開始手段が、当該改質装置の起動時は、燃焼用燃料および燃焼用酸化剤ガスを供給し燃焼部を着火し、蒸発部に改質水を供給し、第1消火手段が、燃焼部の燃焼開始後に、改質部の温度が第1所定温度まで昇温すると、燃焼部への燃焼用燃料の供給を停止して燃焼部を消火し、燃焼用酸化剤ガス供給手段が、燃焼部の消火中に燃焼用酸化剤ガスを供給する。これにより、改質部をより速やかに温度低下でき、再着火が可能となる。また、改質装置のケーシングが腐食しやすい温度を避けることができる。 In the invention according to claim 1 configured as described above, the combustion start means supplies the combustion fuel and the combustion oxidant gas to ignite the combustion section when the reformer is started up, When the reforming water is supplied and the first fire extinguishing means raises the temperature of the reforming section to the first predetermined temperature after the combustion of the combustion section starts, the supply of the fuel for combustion to the combustion section is stopped and the combustion section The combustion oxidant gas supply means supplies the combustion oxidant gas during the fire extinguishing of the combustion section. As a result, the temperature of the reforming section can be lowered more quickly, and re-ignition becomes possible. Further, it is possible to avoid a temperature at which the casing of the reformer is likely to corrode.
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、第1再着火手段が、第1消火手段による燃焼部の消火後に、改質部の温度および改質部に供給される改質水の温度のうち少なくとも何れか一方に基づいて燃焼用燃料または改質用燃料を供給して燃焼部を再着火する。これにより、改質部を比較的高温である第1所定温度まで昇温した後であって一旦消火し再着火するまでは改質部の熱を燃焼用空気を介して改質部の下流に位置する蒸発部に伝えて加熱することができる。したがって、燃焼部の着火・消火の繰り返し回数を少なくして燃焼部・改質部の耐久性を高く維持して改質装置を暖機することができる。 In the invention according to claim 2 configured as described above, in the invention according to claim 1, the first reignitioning unit is configured to reduce the temperature of the reforming unit and the reforming unit after extinguishing the combustion unit by the first extinguishing unit. A combustion fuel or a reforming fuel is supplied based on at least one of the temperatures of the reforming water supplied to the combustion chamber to reignite the combustion section. As a result, after the temperature of the reforming section has been raised to the first predetermined temperature, which is a relatively high temperature, until the fire is extinguished and reignited, the heat of the reforming section is downstream of the reforming section via the combustion air. It can be transmitted to the evaporation section located and heated. Therefore, the number of repetitions of ignition / extinguishing of the combustion section can be reduced to maintain the durability of the combustion section / reformation section high, and the reformer can be warmed up.
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に係る発明において、第1再着火手段は、第1消火手段による燃焼部の消火後に、改質部に供給される改質水の温度が水蒸気用所定温度まで昇温する前に改質部の温度が第1所定温度より低温の第2所定温度まで降温すると、燃焼部への燃焼用燃料の供給を再開し燃焼部を再着火するので、改質部を必要以上に降温することなく、燃焼部の着火・消火の繰り返し回数を少なくすることができる。 In the invention according to claim 3 configured as described above, in the invention according to claim 2, the first re-ignition means is the reforming supplied to the reforming part after extinguishing the combustion part by the first extinguishing means. If the temperature of the reforming section falls to a second predetermined temperature lower than the first predetermined temperature before the temperature of the water rises to the predetermined temperature for steam, the supply of combustion fuel to the combustion section is resumed and the combustion section is Since reignition is performed, the number of repetitions of ignition and extinguishing of the combustion section can be reduced without lowering the temperature of the reforming section more than necessary.
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3に係る発明において、第1再着火手段により燃焼用燃料で再着火した後に改質部の温度が第1所定温度まで昇温する前に、改質部に供給される改質水の温度が水蒸気用所定温度以上となっている場合には、燃焼部への燃焼用燃料の供給のみを停止する第2消火手段と、その後、改質部へ改質用燃料を供給し燃焼部を再着火する第2再着火手段と、をさらに備えたので、改質部の温度を高く維持した状態で改質用燃料を投入し、改質部のコーキングを確実に防止することができる。 In the invention according to claim 4 configured as described above, in the invention according to claim 3, the temperature of the reforming section is raised to the first predetermined temperature after re-ignition with the fuel for combustion by the first re-ignition means. If the temperature of the reforming water supplied to the reforming section is equal to or higher than the predetermined temperature for steam before performing the second extinguishing means for stopping only the supply of the fuel for combustion to the combustion section, The second re-ignition means for supplying the reforming fuel to the reforming section and re-igniting the combustion section, so that the reforming fuel is charged while maintaining the temperature of the reforming section high, Coking in the reforming section can be reliably prevented.
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2に係る発明において、第1再着火手段は、第1消火手段による燃焼部の消火後に、改質部の温度が第1所定温度より低温の第2所定温度まで降温する前に改質部に供給される改質水の温度が水蒸気用所定温度まで昇温すると、燃焼部への燃焼用燃料の供給を再開し燃焼部を再着火するので、改質部を不必要に降温することなく、起動時間を短縮することができる。 In the invention according to claim 5 configured as described above, in the invention according to claim 2, the first re-ignition means has a first predetermined temperature after the extinguishing of the combustion part by the first extinguishing means. When the temperature of the reforming water supplied to the reforming section rises to the predetermined temperature for steam before the temperature is lowered to the second predetermined temperature lower than the temperature, the supply of the combustion fuel to the combustion section is resumed and the combustion section is Since reignition is performed, the startup time can be shortened without unnecessarily lowering the temperature of the reforming section.
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5に係る発明において、第1再着火手段は、燃焼部へ燃焼用燃料を供給する代わりに改質用燃料を改質部に供給し燃焼部を再着火するので、改質用燃料のみの使用で改質装置を起動することが可能となるので、装置を簡素化することができる。 In the invention according to claim 6 configured as described above, in the invention according to claim 5, the first re-ignition means supplies the reforming fuel to the reforming section instead of supplying the combustion fuel to the combustion section. Since supplying and re-igniting the combustion section, it becomes possible to start the reforming apparatus by using only the reforming fuel, so that the apparatus can be simplified.
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2に係る発明において、第1再着火手段は、改質部の温度が第1所定温度と第2所定温度との間の第3所定温度まで降温する前に改質部に供給される改質水の温度が水蒸気用所定温度まで昇温する場合、改質部の温度が第3所定温度まで降温すると、燃焼部への燃焼用燃料の供給を開始し燃焼部を再着火する。これにより、改質部の温度を必ず第3所定温度まで降温させて燃焼部を再着火するので、燃焼部に供給される可燃ガスが改質ガスである場合の過燃焼による改質部の熱ダメージを抑制することができる。 In the invention according to claim 7 configured as described above, in the invention according to claim 2, the first re-ignition means has a temperature of the reforming section between the first predetermined temperature and the second predetermined temperature. 3 When the temperature of the reforming water supplied to the reforming section rises to the predetermined temperature for steam before the temperature is lowered to the predetermined temperature, when the temperature of the reforming section falls to the third predetermined temperature, the combustion to the combustion section Fuel supply starts and the combustion section is ignited again. As a result, the temperature of the reforming section is always lowered to the third predetermined temperature and the combustion section is re-ignited, so that the heat of the reforming section due to overcombustion when the combustible gas supplied to the combustion section is the reformed gas. Damage can be suppressed.
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7に係る発明において、第1再着火手段は、燃焼部へ燃焼用燃料を供給する代わりに改質用燃料を改質部に供給し燃焼部を再着火するので、請求項8に係る発明の作用・効果に加えて、改質用燃料のみの使用で改質装置を起動することが可能となるので、装置を簡素化することができる。 In the invention according to claim 8 configured as described above, in the invention according to claim 7, the first re-ignition means supplies the reforming fuel to the reforming section instead of supplying the combustion fuel to the combustion section. Since the combustion portion is supplied and re-ignited, in addition to the operation and effect of the invention according to claim 8, it is possible to start the reformer by using only the reforming fuel, thus simplifying the device. be able to.
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2に係る発明において、第1再着火手段は、改質部に供給される改質水の温度が水蒸気用所定温度まで昇温する前に改質部の温度が第1所定温度と第2所定温度との間の第3所定温度まで降温する場合には、改質部に供給される改質水の温度が水蒸気用所定温度まで昇温すると、燃焼部への燃焼用燃料の供給を開始し燃焼部を再着火する。これにより、改質部の温度を必ず第3所定温度よりさらに降温させて燃焼部を再着火するので、燃焼部に供給される可燃ガスが改質ガスである場合の過燃焼による改質部の熱ダメージをより抑制することができる。 In the invention according to claim 9 configured as described above, in the invention according to claim 2, the first re-ignition means raises the temperature of the reformed water supplied to the reforming section to a predetermined temperature for steam. In the case where the temperature of the reforming section is lowered to a third predetermined temperature between the first predetermined temperature and the second predetermined temperature before the reforming, the temperature of the reforming water supplied to the reforming section is the predetermined temperature for steam. When the temperature is raised to, the supply of combustion fuel to the combustion section is started and the combustion section is reignited. As a result, the temperature of the reforming section is always lowered further than the third predetermined temperature and the combustion section is re-ignited, so that the reforming section due to overcombustion when the combustible gas supplied to the combustion section is a reformed gas. Thermal damage can be further suppressed.
上記のように構成した請求項10に係る発明においては、請求項9に係る発明において、第1再着火手段により燃焼用燃料で再着火した後に改質部の温度が第1所定温度まで昇温した時点で、改質部に供給される改質水の温度が水蒸気用所定温度以上となっている場合には、改質部の温度が第1所定温度まで昇温した時点に燃焼部への燃焼用燃料の供給のみを停止する第2消火手段と、その後、改質部の温度が第3所定温度まで降温すると、改質部へ改質用燃料を供給し燃焼部を再着火する第2再着火手段と、をさらに備えたので、請求項9に係る発明の作用・効果に加えて、改質部の温度を高く維持した状態で改質用燃料を投入し、改質部のコーキングを確実に防止することができる。 In the invention according to claim 10 configured as described above, in the invention according to claim 9, the temperature of the reforming portion is raised to the first predetermined temperature after re-ignition with the fuel for combustion by the first re-ignition means. When the temperature of the reforming water supplied to the reforming unit is equal to or higher than the predetermined temperature for steam at the time when the temperature of the reforming unit is raised to the first predetermined temperature, A second fire extinguishing means for stopping only the supply of the fuel for combustion, and then, when the temperature of the reforming section drops to the third predetermined temperature, the second extinguishing means supplies the reforming fuel to the reforming section and reignites the combustion section. In addition to the operation and effect of the invention according to claim 9, in addition to the action and effect of the invention according to claim 9, the reforming fuel is introduced in a state where the temperature of the reforming section is kept high, and coking of the reforming section is performed. It can be surely prevented.
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. This 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
改質部21は、改質用燃料に改質水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、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。この改質部21は、ステンレスで形成されている。
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51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。改質部21の触媒21bの活性温度域は400℃から800℃である。
The
また、改質部21内には、改質部21内の温度例えば燃焼部25との間の壁付近の温度(TR)を測定する温度センサ21cが設けられている。温度センサ21cの検出結果は制御装置30に送信されている。
Further, a
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。
The cooling
具体的には、冷却部22には図示しない燃料供給源(例えば都市ガス管)に接続された燃料供給管41が接続されている。燃料供給管41には、上流から順番に改質用燃料ポンプ42および改質用燃料バルブ43が設けられている。改質用燃料バルブ43は燃料供給管41を開閉するものである。改質用燃料ポンプ42は改質用燃料を供給しその供給量を調整する改質用燃料供給手段である。また、燃料供給管41の改質用燃料バルブ43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51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。
Specifically, a
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、内部に上下方向に沿って延在する折り返し流路23aを備えている。折り返し流路23a内には触媒23b(例えば、Cu−Zn系の触媒)が充填されている。COシフト部23においては、冷却部22から導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気は、触媒23b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。
The CO shift unit 23 is a unit that reduces carbon monoxide in the reformed gas supplied from the reforming
また、COシフト部23内には、COシフト部23内の温度を測定する温度センサ23cが設けられている。温度センサ23cの検出結果は制御装置30に送信されている。
In the CO shift unit 23, a
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る。CO選択酸化部24は、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。CO選択酸化部24の内部には、触媒24a(例えば、RuまたはPt系の触媒)が充填されている。
The CO
また、CO選択酸化部24内には、CO選択酸化部24内の温度を測定する温度センサ24bが設けられている。温度センサ24bの検出結果は制御装置30に送信されている。
In the CO
このCO選択酸化部24の側壁面下部および側壁面上部には、COシフト部23に接続された接続管89および燃料電池10の燃料極11に接続された改質ガス供給管71がそれぞれ接続されている。接続管89には、酸化用空気供給管61が接続されている。これにより、CO選択酸化部24には、COシフト部23からの改質ガスと大気からの酸化用空気が導入されるようになっている。なお、酸化用空気供給管61には、上流から順番に酸化用空気ポンプ62および酸化用空気バルブ63が設けられている。酸化用空気ポンプ62は酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ63は酸化用空気供給管61を開閉するものである。
A connecting
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(酸化)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、燃焼用燃料ポンプ45によって供給される燃焼用燃料および改質部21から供給される改質ガスの少なくとも何れか一方を、燃焼用空気ポンプ65によって供給される燃焼用空気により燃焼してその燃焼ガスによって改質部21を加熱するものである。この燃焼部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。
The
燃焼部25には、図示しない燃料供給源(例えば都市ガス管)に接続された燃焼用燃料供給管44が接続されるとともに、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いる。基本的には、燃料電池10の起動当初、燃焼用燃料が燃焼部25に供給され、燃料電池10の起動運転中、CO選択酸化部24からの改質ガスが燃料電池10を経由しないで燃焼部25に供給され、燃料電池10の定常運転中、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)が燃焼部25に供給されるようになっている。また、改質ガスやオフガスの不足分を燃焼用燃料で補っている。
A combustion
また、燃焼部25には、燃焼用空気供給管64が接続されており、燃焼用燃料、アノードオフガス、改質ガスなどの可燃ガスを燃焼(酸化)させるための燃焼用空気が大気から供給されるようになっている。
Further, a combustion
なお、燃焼用燃料供給管44には上流から順番に燃焼用燃料ポンプ45および燃焼用燃料バルブ46が設けられている。燃焼用燃料ポンプ45は燃焼用燃料を供給しその供給量を調整する燃焼用燃料供給手段である。燃焼用燃料バルブ46は燃焼用燃料供給管44を開閉するものである。また、燃焼用空気供給管64には上流から順番に燃焼用空気ポンプ65および燃焼用空気バルブ66が設けられている。燃焼用空気ポンプ65は燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気を供給しその供給量を調整する燃焼用酸化剤ガス供給手段である。燃焼用空気バルブ66は燃焼用空気供給管64を開閉するものである。
The combustion
このように構成された燃焼部25は着火されると、供給されている燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスが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、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をこの順番で加熱する。燃焼ガス流路27は、改質部21の内周壁に沿って当接して配設され、折り返されて改質部21の外周壁と断熱部28との間に当接して配設され、折り返されて断熱部28と蒸発部26の間に当接して配設された流路である。
When the
蒸発部26は、改質水を蒸発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る。蒸発部26は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路27の外周壁を覆って当接して設けられている。
The
この蒸発部26の下部(例えば側壁面下部、底面)には改質水タンク(図示省略)に接続された給水管52が接続されている。蒸発部26の上部(例えば側壁面上部)には水蒸気供給管51が接続されている。改質水タンクから導入された改質水は、蒸発部26内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびCO選択酸化部24からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気供給管51および冷却部22を介して改質部21へ導出するようになっている。なお、給水管52には、上流から順番に改質水ポンプ53および改質水バルブ54が設けられている。改質水ポンプ53は、蒸発部26に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。改質水バルブ54は給水管52を開閉するものである。
A
また、蒸発部26には、蒸発部26内の水蒸気の温度(TS)を検出する温度センサ26aが設けられている。温度センサ26aの検出結果は制御装置30に送信されている。なお、水蒸気の温度が検出できれば、例えば冷却部22の入口付近や、蒸発部26と冷却部22との間の水蒸気供給管51に温度センサ26aを設けるようにしてもよい。この水蒸気の温度TSは、改質部21に供給される改質水の温度である。
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が接続されるとともに、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。
A CO
起動運転中には、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)中には、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。
During the start-up operation, the first reformed
また、燃料電池10の空気極12の導入口には、カソード用空気供給管67が接続されるとともに、空気極12の導出口には、排気管82が接続されている。空気極12に空気が供給され、オフガスが排気されるようになっている。なお、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はカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ69はカソード用空気供給管67を開閉するものである。
A cathode air supply pipe 67 is connected to the inlet of the
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、上述した温度センサ21c,23c,24b,26a、各ポンプ42,45,53,62,65,68、各バルブ43,46,54,63,66,69,74,75,76、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、温度センサ21c,23c,24b,26aからの温度に基づいて、各ポンプ42,45,53,62,65,68、各バルブ43,46,54,63,66,69,74,75,76、および燃焼部25を制御することにより、改質装置の起動運転を実施している。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 fuel cell system also includes a
次に、上述した燃料電池システムの作動の第1実施例について図3および図4を参照して説明する。制御装置30は、図示しない起動スイッチがオンされると、起動運転を開始する(ステップ100)。まず、制御装置30は起動に際して燃焼部25の燃焼を開始する(燃焼開始手段)。具体的には、制御装置30は、燃焼用空気バルブ66を開き燃焼用空気ポンプ65を駆動して、燃焼部25に燃焼用空気を予め設定されている規定流量C1で供給する(ステップ102)。
Next, a first embodiment of the operation of the fuel cell system described above will be described with reference to FIGS. When a start switch (not shown) is turned on,
そして、制御装置30は、改質用燃料バルブ43および第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を閉じたまま、燃焼用燃料バルブ46および第2改質ガスバルブ76を開き、燃焼用燃料ポンプ45を駆動して、燃焼部25に燃焼用燃料を予め設定されている規定流量B1で供給する(ステップ104)。
Then, the
そして、制御装置30は、燃焼部25に内蔵のイグナイタ(図示省略)を通電する(ステップ106。イグナイタの代わりにグロープラグでもよい。)。これにより、燃焼部25は着火する。さらに、制御装置30は、着火検知またはイグナイタ通電した時点から所定時間経過後にイグナイタ通電を停止する。なお、着火はイグナイタやグロープラグによる着火だけでなく触媒点火などでもよい。
Then, the
このように燃焼用燃料の燃焼が開始されると、その燃焼ガスが燃焼ガス用流路27を通る際に、燃焼ガスによって改質部21、蒸発部26がこの順番で加熱されて昇温する。
When combustion of the combustion fuel is started in this way, when the combustion gas passes through the combustion
そして、制御装置30は、蒸発部26が加熱されて所定温度以上となると、改質水バルブ54を開き改質水ポンプ53を駆動して、改質水を蒸発部26に供給する(ステップ108)。なお、改質水の供給開始は、蒸発部26の温度とは関係なく、燃焼用燃料の供給開始と同時でもよいし、所定時間経過後でもよい。
When the
燃焼部25の燃焼開始後に、改質部21が加熱されて改質部21の温度が第1所定温度TR1(例えば600℃)まで昇温すると、制御装置30は、燃焼部25への燃焼用燃料の供給のみを停止して燃焼部25を消火する(第1消火手段)。具体的には、常温状態から起動が開始されたとすると、改質部21の温度が第1所定温度TR1まで昇温しても水蒸気温度は水蒸気用所定温度TS1(例えば80℃)に到達しないので、制御装置30は、ステップ110,112で「NO」、「YES」と判定し、燃焼用燃料ポンプ45の駆動を停止して、燃焼部25への燃焼用燃料の供給を停止する(ステップ114)。第1所定温度TR1は、改質部21の触媒21bの活性温度域の上部温度に設定されるのが望ましい。
When the reforming
これにより、燃焼用燃料の供給が停止されて燃焼部25は消火されるものの、燃焼部25への燃焼用空気の供給は継続されているので、燃焼ガス流路を流れる燃焼用空気が改質部21の熱を奪って昇温しその高温となった燃焼用空気が蒸発部26を昇温する。
Thereby, although the supply of combustion fuel is stopped and the
なお、ステップ110で「YES」の場合、すなわち改質部の温度TRが第1所定温度TR1に到達しているか否かにかかわらず水蒸気温度が水蒸気用所定温度TS1に到達した場合は改質用燃料の供給を開始する。
If “YES” in
このような燃焼部25の消火後に、水蒸気の温度が水蒸気用所定温度TS1まで昇温する前に改質部21の温度が第1所定温度TR1より低温の第2所定温度TR2(例えば400℃)まで降温すると、制御装置30は燃焼部25への燃焼用燃料の供給を再開し燃焼部を再着火する(第1再着火手段)。具体的には、制御装置30は、改質部21の温度が第2所定温度TR2(例えば400℃)まで降温するまでは、ステップ116で「NO」の判定を繰り返し実行する。そして、制御装置30は、改質部21の温度が第2所定温度TR2まで降温すると、ステップ116で「YES」と判定し、燃焼用燃料ポンプ45の駆動を再開し(ステップ104)、燃焼部25を着火し(ステップ106)、改質水を供給する(ステップ108)。第2所定温度TR2は、改質部21のケーシングが粒界腐食しやすい温度より低温となるように設定されるのが望ましい。粒界腐食しやすい温度には領域があり、この領域を速やかに通過させるためである。
After extinguishing the
この燃焼用燃料での燃焼部25の再着火によって、改質部21および蒸発部26が昇温し、改質部21の温度が第1所定温度TR1に到達する前に水蒸気温度が水蒸気用所定温度TS1に到達した場合、制御装置30はステップ110で「YES」と判定し、改質用燃料の供給を開始する(ステップ118)。すなわち、制御装置30は、改質用燃料バルブ43を開き改質用燃料ポンプ42を駆動して、改質用燃料を予め設定されている規定流量A1で改質部21に供給する。
The re-ignition of the
このように改質用燃料の投入が開始されると、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、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。
When charging of the reforming fuel is started in this way, the reforming
そして、改質装置20の所定各部位(改質部21、COシフト部23、CO選択酸化部24)の温度がそれぞれの所定温度以上に到達すると(ステップ120)、制御装置30は、起動運転を終了し(ステップ122)、CO選択酸化部24からの改質ガスを燃料電池10に供給し、燃料電池10の発電を開始する。すなわち発電運転(定常運転)が開始される。なお、発電開始は、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定値より低くなることによって判断するようにしてもよい。
When the temperature of each predetermined part (the reforming
上述の説明から明らかなように、この第1実施例においては、燃焼開始手段(ステップ102〜108)が、当該改質装置の起動時は、燃焼用燃料および燃焼用酸化剤ガスを供給し燃焼部25を着火し、蒸発部26に改質水を供給し、第1消火手段(ステップ114)が、燃焼部の燃焼開始後に、改質部21の温度が第1所定温度TR1まで昇温すると、燃焼部25への燃焼用燃料の供給を停止して燃焼部25を消火し、燃焼用酸化剤ガス供給手段(ステップ102)が、燃焼部25の消火中に燃焼用酸化剤ガスを供給する。これにより、改質部21をより速やかに温度低下でき、再着火が可能となる。また、改質装置20のケーシングが腐食しやすい温度を避けることができる。
As is apparent from the above description, in this first embodiment, the combustion start means (
また、第1再着火手段(ステップ116,104,106)が、第1消火手段による燃焼部25の消火後に、改質部21の温度および水蒸気の温度(改質部に供給される改質水の温度)のうち少なくとも何れか一方に基づいて燃焼用燃料または改質用燃料を供給して燃焼部を再着火する。これにより、改質部21を比較的高温である第1所定温度TR1まで昇温した後であって一旦消火し再着火するまでは改質部21の熱を燃焼用空気を介して改質部21の下流に位置する蒸発部26に伝えて水蒸気を加熱することができる。したがって、燃焼部25の着火・消火の繰り返し回数を少なくして燃焼部25・改質部21の耐久性を高く維持して改質装置20を暖機することができる。
Further, after the first reignition means (
また、第1所定温度TR1は、改質部21の触媒21bの活性温度域の上部温度に設定されているので、改質部21の触媒21bにダメージを与えることなく、燃焼部25の着火・消火の繰り返し回数を少なくして燃焼部24・改質部21の耐久性を高く維持して改質装置20を暖機することができる。
In addition, since the first predetermined temperature TR1 is set to the upper temperature of the activation temperature range of the
また、第1再着火手段(ステップ116,104,106)は、第1消火手段による燃焼部25の消火後に、水蒸気の温度が水蒸気用所定温度TS1まで昇温する前に改質部21の温度が第1所定温度TR1より低温の第2所定温度TR2まで降温すると、燃焼部25への燃焼用燃料の供給を再開し燃焼部25を再着火するので、改質部21を必要以上に降温することなく、燃焼部25の着火・消火の繰り返し回数を少なくすることができる。
The first re-ignition means (
また、第2所定温度TR2は、改質部21のケーシングが粒界腐食しやすい温度より高温となるように設定されているので、改質部21のケーシングにダメージを与えることなく、燃焼部25の着火・消火の繰り返し回数を少なくして燃焼部25・改質部21の耐久性を高く維持して改質装置20を暖機することができる。
Further, since the second predetermined temperature TR2 is set to be higher than the temperature at which the casing of the reforming
次に、上述した燃料電池システムの作動の第2実施例について図5および図6を参照して説明する。本第2実施例は、前述した第1実施例において、燃焼部25での燃焼を開始した後、改質部21の温度TRが第1所定温度TR1に到達する前に、水蒸気温度TSが水蒸気用所定温度TS1に到達した場合に、燃焼用燃料の供給を停止して燃焼部25を消火し、その後、燃焼用燃料で再着火するようにしたものである。
Next, a second embodiment of the operation of the fuel cell system described above will be described with reference to FIGS. In the second embodiment, in the first embodiment described above, after the combustion in the
この場合、燃焼部25の燃焼を開始した後に、水蒸気の温度が水蒸気用所定温度TS1に到達したと判定した場合、その判定が1回目であれば、燃焼部25への燃焼用燃料の供給のみを停止し、判定が2回目以降であれば、燃焼部25への燃焼用燃料の供給を停止しないで、改質部21への改質用燃料の供給を開始する切替手段(ステップ130)をさらに備えるようにすればよい。
In this case, if it is determined that the temperature of the water vapor has reached the predetermined temperature TS1 for water vapor after starting the combustion of the
ステップ130は、ステップ110とステップ118の間に設けられている。水蒸気の温度が水蒸気用所定温度TS1に到達したとの判定が2回目以降であるか否かを判定が実行される。制御装置30は、その判定が1回目であれば「NO」と判定し、燃焼用燃料の供給を停止する(ステップ114)。その後、制御装置30はステップ116以降の処理を実行する。
Step 130 is provided between
一方、制御装置30は、その判定が2回目以降であれば「YES」と判定し、改質用燃料の供給を開始する(ステップ118)。その後、制御装置30はステップ120以降の処理を実行する。
On the other hand, if the determination is second or later,
このような制御によれば、例えば図6に示すように、制御装置30は、燃焼部25での燃焼を開始した後、改質部21の温度が第1所定温度TR1に到達する前に、水蒸気温度が水蒸気用所定温度TS1に到達すると、燃焼用燃料の供給を停止することにより燃焼部25を消火し、改質部21の温度が降温して第2所定温度TR2に到達すると、燃焼部25を燃焼用燃料で再着火する。この再着火した時点で、水蒸気温度が水蒸気用所定温度TS1まで昇温している場合、水蒸気の温度が水蒸気用所定温度TS1に到達したと2回目の判定を行って、燃焼部25の燃焼を維持したまま、改質部21へ改質用燃料の供給を開始する。したがって、例えば、燃料電池システムの停止後まもなく運転を開始した場合など改質装置20がまだ暖かい場合には、暖機時間を短縮することができる。なお、再着火した時点で、水蒸気温度が水蒸気用所定温度TS1まで昇温していない場合、上記と同様な処理が行われる。
According to such control, for example, as shown in FIG. 6, the
次に、上述した燃料電池システムの作動の第3実施例(請求項5に対応する実施例)について図7および図8を参照して説明する。本第3実施例は、上述した第1実施例において、燃焼部25での燃焼を開始した後、改質部21の温度が第1所定温度TR1に到達すると、燃焼用燃料の供給を停止することにより燃焼部25を消火し、その後改質部21の温度が降温して第2所定温度TR2に到達する前に、水蒸気温度が水蒸気用所定温度TS1まで昇温した場合に、水蒸気温度が水蒸気用所定温度TS1に到達した時点に、燃焼部25を燃焼用燃料で再着火し改質部21に改質用燃料の供給を開始するようにしたものである。
Next, a third embodiment (an embodiment corresponding to claim 5) of the operation of the fuel cell system described above will be described with reference to FIGS. In the third embodiment, after the combustion in the
この場合、ステップ114とステップ116の間に、ステップ140を設ければよい。ステップ140は、水蒸気温度が水蒸気用所定温度TS1以上であるか否かを判定するものである。
In this case, step 140 may be provided between
制御装置30は、ステップ140にて、水蒸気温度が水蒸気用所定温度TS1以上であれば「YES」と判定し、燃焼部25を燃焼用燃料で再着火する(ステップ104,106)。その後、制御装置30はステップ108以降の処理を実行する。一方、制御装置30は、ステップ140にて、水蒸気温度が水蒸気用所定温度TS1未満であれば「NO」と判定し、改質部温度が第2所定温度TR2まで降温したか否かを判定する(ステップ116)。その後、制御装置30はその判定結果に応じた処理を上述のように実行する。
In
このような制御によれば、例えば図8に示すように、制御装置30は、燃焼部25での燃焼を開始した後、改質部21の温度が第1所定温度TR1に到達すると、燃焼用燃料の供給を停止することにより燃焼部25を消火した後に、改質部21の温度が第1所定温度TR1より低温の第2所定温度TR2まで降温する前に水蒸気の温度が水蒸気用所定温度TS1まで昇温すると、燃焼部25への燃焼用燃料の供給を再開し燃焼部25を再着火するので、改質部21を不必要に降温することなく、起動時間を短縮することができる。
According to such control, as shown in FIG. 8, for example, the
次に、上述した燃料電池システムの作動の第4実施例(請求項7,9に対応する実施例)について図9〜図11を参照して説明する。本第4実施例は、上述した第1実施例において、改質部温度に対して第1所定温度TR1と第2所定温度TR2との間の温度である第3所定温度TR3を設定し、改質部温度と第3所定温度TR3の関係も考慮して改質装置20の起動運転を実行する。
Next, a fourth embodiment (an embodiment corresponding to claims 7 and 9) of the operation of the above-described fuel cell system will be described with reference to FIGS. In the fourth embodiment, the third predetermined temperature TR3, which is a temperature between the first predetermined temperature TR1 and the second predetermined temperature TR2, is set with respect to the reforming portion temperature in the first embodiment described above, and the modification is made. The start-up operation of the
この場合、ステップ114とステップ116の間に、ステップ140に加えてステップ142を設ければよい。ステップ140は、水蒸気温度が水蒸気用所定温度TS1以上であるか否かを判定するものである。ステップ142は、改質部21の温度が第3所定温度TR3以下であるか否かを判定するものである。
In this case, step 142 may be provided between
制御装置30は、改質部21の温度が第3所定温度TR3まで降温する前に水蒸気温度が水蒸気用所定温度TS1まで昇温する場合、改質部21の温度が第3所定温度TR3まで降温すると、水蒸気温度は水蒸気用所定温度TS1以上であるので、ステップ140,142でそれぞれ「YES」と判定し、燃焼部25を燃焼用燃料で再着火する(ステップ104,106)。その後、制御装置30はステップ108以降の処理を実行する。
When the water vapor temperature rises to the steam predetermined temperature TS1 before the temperature of the reforming
なお、水蒸気温度が水蒸気用所定温度TS1を超えると、制御装置30は、ステップ140で「YES」と判定し、その後改質部21の温度が第3所定温度TR3まで降温するまでは、制御装置30は、ステップ142で「NO」と判定し続ける。
When the water vapor temperature exceeds the predetermined temperature TS1 for water vapor, the
このような制御によれば、図10に示すように、制御装置30は、燃焼部25での燃焼を開始した後、改質部21の温度が第1所定温度TR1に到達すると、燃焼用燃料の供給を停止することにより燃焼部25を消火した後に、改質部21の温度が第3所定温度TR3まで降温する前に水蒸気の温度が水蒸気用所定温度TS1まで昇温する場合、改質部21の温度が第3所定温度TR3まで降温するのを待って、燃焼部25への燃焼用燃料の供給を再開し燃焼部25を再着火し改質部21に改質用燃料の供給を開始する。これにより、改質部21の温度を必ず第3所定温度TR3まで降温させて燃焼部25を再着火するので、燃焼部25に供給される可燃ガスが燃焼用燃料に比べて熱量が大きい改質ガスである場合の過燃焼による改質部21の熱ダメージを抑制することができる。
According to such control, as shown in FIG. 10, when the temperature of the reforming
また、制御装置30は、水蒸気の温度が水蒸気用所定温度TS1まで昇温する前に改質部21の温度が第3所定温度TR3まで降温する場合には、先に改質部21の温度が第3所定温度TR3まで降温するが、水蒸気温度は水蒸気用所定温度TS1まで昇温していないので、水蒸気温度が水蒸気用所定温度TS1に昇温するまでステップ140,116でそれぞれ「NO」と判定し続ける。そして、水蒸気温度が水蒸気用所定温度TS1に昇温すると、制御装置30は、ステップ140,142でそれぞれ「YES」と判定し、燃焼部25を燃焼用燃料で再着火する(ステップ104,106)。その後、制御装置30はステップ108以降の処理を実行する。
In addition, when the temperature of the reforming
このような制御によれば、図11に示すように、制御装置30は、燃焼部25での燃焼を開始した後、改質部21の温度が第1所定温度TR1に到達すると、燃焼用燃料の供給を停止することにより燃焼部25を消火した後に、水蒸気の温度が水蒸気用所定温度TS1まで昇温する前に改質部21の温度が第3所定温度TR3まで降温する場合には、水蒸気の温度が水蒸気用所定温度TS1まで昇温するのを待って、燃焼部25への燃焼用燃料の供給を開始し燃焼部25を再着火し改質部21に改質用燃料の供給を開始する。これにより、改質部21の温度を必ず第3所定温度よりさらに降温させて燃焼部25を再着火するので、燃焼部25に供給される可燃ガスが燃焼用燃料に比べて熱量が大きい改質ガスである場合の過燃焼による改質部21の熱ダメージを抑制することができる。また、改質部21に水蒸気を確実に供給することができる。
According to such control, as shown in FIG. 11, when the temperature of the reforming
次に、上述した燃料電池システムの作動の第5実施例(請求項4,6に対応する実施例)について図12〜図14を参照して説明する。本第5実施例は、上述した第3実施例において、制御装置30は、燃焼部25での燃焼を開始した後、改質部21の温度が第1所定温度TR1に到達すると、燃焼用燃料の供給を停止することにより燃焼部25を消火した後に、改質部21の温度が第1所定温度TR1より低温の第2所定温度TR2まで降温する前に水蒸気の温度が水蒸気用所定温度TS1まで昇温すると、燃焼部25への燃焼用燃料の供給を再開し燃焼部25を再着火する代わりに、改質部21への改質用燃料を供給しその結果生成される改質ガス(燃料電池10を通らない)で燃焼部25を再着火する。
Next, a fifth embodiment (embodiment corresponding to claims 4 and 6) of the operation of the above-described fuel cell system will be described with reference to FIGS. In the fifth embodiment, in the third embodiment described above, when the
この場合、図7に示すフローチャートからステップ110を削除するとともに、ステップ140で「YES」と判定した場合、プログラムをステップ104に戻す代わりにステップ118に進めるとともに、ステップ118とステップ120の間にステップ150を追加する。ステップ150は、ステップ106と同様に燃焼部25を着火するものである。
In this case,
このような制御によれば、図13に示すように、制御装置30は、燃焼部25での燃焼を開始した後、改質部21の温度が第1所定温度TR1に到達すると、燃焼用燃料の供給を停止することにより燃焼部25を消火した後に、改質部21の温度が第1所定温度TR1より低温の第2所定温度TR2まで降温する前に水蒸気の温度が水蒸気用所定温度TS1まで昇温すると、改質部21への改質用燃料を供給しその結果生成される改質ガス(燃料電池10を通らない)で燃焼部25を再着火する。これにより、改質用燃料のみの使用で改質装置20を起動することが可能となるので、燃焼用燃料を燃焼部25に供給するための燃焼用燃料供給管44,燃焼用燃料ポンプ45,燃焼用燃料バルブ46を削除することができるため、装置を簡素化することができる。ただし、改質用燃料ポンプ42から燃焼部25に燃料を供給するため(改質部21と燃焼部25を切り替えるため)のバルブが1個追加される。
According to such control, as shown in FIG. 13, the
また、図14に示すように、制御装置30は、燃焼部25での燃焼を開始した後、改質部21の温度が第1所定温度TR1に到達すると、燃焼用燃料の供給を停止することにより燃焼部25を消火した後に、水蒸気の温度が水蒸気用所定温度TS1まで昇温する前に改質部21の温度が第2所定温度TR2まで降温する場合、改質部21の温度が第2所定温度TR2まで降温した時点で、ステップ116で「YES」と判定し、燃焼用燃料で燃焼部25を再着火する(ステップ104,106)。この再着火の後、制御装置30は、改質部21の温度が再び第1所定温度TR1まで昇温する前に、水蒸気の温度が水蒸気用所定温度Ts1以上となっている場合には、ステップ112で「YES」と判定し、燃焼部25への燃焼用燃料の供給のみを停止し(ステップ114。第2消火手段。)、その後、ステップ140で「YES」と判定し、改質部21への改質用燃料を供給しその結果生成される改質ガス(燃料電池10を通らない)で燃焼部25を再着火する(ステップ150。第2再着火手段。)。これにより、改質部21の温度を高く維持した状態で改質燃料を投入し、改質部21のコーキングを抑制することができる。
Further, as shown in FIG. 14, after starting combustion in the
次に、上述した燃料電池システムの作動の第6実施例(請求項8,10に対応する実施例)について図15〜図17を参照して説明する。本第6実施例は、上述した第3実施例において、第1消火手段により燃焼部25が消火された後に、燃焼部25への燃焼用燃料の供給を再開し燃焼部25を再着火する代わりに、改質部21への改質用燃料を供給しその結果生成される改質ガス(燃料電池10を通らない)で燃焼部25を再着火する。
Next, a sixth embodiment (an embodiment corresponding to claims 8 and 10) of the operation of the above-described fuel cell system will be described with reference to FIGS. In the sixth embodiment, in the third embodiment described above, after the
この場合、図9に示すフローチャートからステップ110を削除するとともに、ステップ142で「YES」と判定した場合、プログラムをステップ104に戻す代わりにステップ118に進めるとともに、ステップ118とステップ120の間にステップ150を追加する。ステップ150は、ステップ106と同様に燃焼部25を着火するものである。
In this case,
このような制御によれば、図16に示すように、制御装置30は、燃焼部25での燃焼を開始した後、改質部21の温度が第1所定温度TR1に到達すると、燃焼用燃料の供給を停止することにより燃焼部25を消火した後に、改質部21の温度が第3所定温度TR3まで降温する前に水蒸気の温度が水蒸気用所定温度TS1まで昇温すると、改質部21への改質用燃料を供給しその結果生成される改質ガス(燃料電池10を通らない)で燃焼部25を再着火する。これにより、改質部21の温度を必ず第3所定温度TR3まで降温させて燃焼部25を再着火するので、燃焼部25に供給される可燃ガスが改質ガスである場合の過燃焼による改質部21の熱ダメージを抑制することができる。これに加えて、改質用燃料のみの使用で改質装置20を起動することが可能となるので、燃焼用燃料を燃焼部25に供給するための燃焼用燃料供給管44,燃焼用燃料ポンプ45,燃焼用燃料バルブ46を削除することができるため、装置を簡素化することができる。
According to such control, as shown in FIG. 16, when the temperature of the reforming
また、図17に示すように、制御装置30は、燃焼部25での燃焼を開始した後、改質部21の温度が第1所定温度TR1に到達すると、燃焼用燃料の供給を停止することにより燃焼部25を消火した後に、水蒸気の温度が水蒸気用所定温度TS1まで昇温する前に改質部21の温度が第2所定温度TR2まで降温する場合、改質部21の温度が第2所定温度TR2まで降温した時点で、ステップ116で「YES」と判定し、燃焼用燃料で燃焼部25を再着火する(ステップ104,106)。この再着火の後、制御装置30は、改質部21の温度が再び第1所定温度TR1まで昇温した時点で、水蒸気の温度が水蒸気用所定温度Ts1以上となっている場合には、ステップ112で「YES」と判定し、改質部21の温度が第1所定温度まで昇温した時点に燃焼部への燃焼用燃料の供給のみを停止する(ステップ114。第2消火手段。)。これにより、改質部21が降温するが水蒸気温度は水蒸気用所定温度Ts1以上であるので、制御装置30はステップ140で「YES」と判定し、改質部21の温度が第3所定温度TR3まで降温するまでステップ142で「NO」と判定し続ける。そして、改質部21の温度が第3所定温度TR3まで降温すると、制御装置30は、ステップ142で「YES」と判定し、改質部21への改質用燃料を供給しその結果生成される改質ガス(燃料電池10を通らない)で燃焼部25を再着火する(ステップ150。第2再着火手段。)。
Further, as shown in FIG. 17, after starting the combustion in the
したがって、改質部21の温度を必ず第3所定温度TR3よりさらに降温させて燃焼部25を再着火するので、燃焼部25に供給される可燃ガスが改質ガスである場合の過燃焼による改質部21の熱ダメージをより抑制することができる。さらに、改質部21の温度を高く維持した状態で改質燃料を投入し、改質部21のコーキングを確実に防止することができる。
Therefore, since the temperature of the reforming
次に、上述した燃料電池システムの作動の第7実施例について図18を参照して説明する。本第7実施例は、改質装置20の起動運転が開始されて、改質部21の温度が第1所定温度TR1に昇温する前に、水蒸気温度が水蒸気用所定温度TS1に昇温する場合の制御である。
Next, a seventh embodiment of the operation of the fuel cell system described above will be described with reference to FIG. In the seventh embodiment, the start-up operation of the
この場合、図12に示すフローチャートにステップ110の処理をステップ108とステップ112の間に設ければよい。ステップ110は、水蒸気温度が水蒸気用所定温度TS1以上であるか否かを判定する処理である。ステップ110で「YES」と判定するとステップ112の処理をジャンプしてステップ114の処理を実行し、ステップ110で「NO」と判定するとステップ112の処理を実行する。また、ステップ112で「YES」と判定するとステップ114の処理を実行し、ステップ112で「NO」と判定するとプログラムをステップ110に戻してステップ110の処理を実行する。
In this case, the processing of
なお、上述した各実施形態において、燃焼用燃料の供給停止と同時に燃焼用酸化剤ガスも供給停止し、その後、燃焼用酸化剤ガスのみ供給する場合、燃焼用酸化剤ガスの供給を停止する期間がある場合もある。 In each of the embodiments described above, when the supply of combustion fuel is stopped simultaneously with the supply of combustion oxidant gas, and then only the combustion oxidant gas is supplied, the period during which the supply of combustion oxidant gas is stopped There can be.
また、上述した各実施形態において、水蒸気温度が所定温度以上に上昇しない場合には、2回以上の再着火もある。 Moreover, in each embodiment mentioned above, when the water vapor temperature does not rise above a predetermined temperature, there are two or more re-ignitions.
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、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)、23c…温度センサ、24…一酸化炭素選択酸化反応部(CO選択酸化部)、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、41…燃料供給管、42…改質用燃料ポンプ、43…改質用燃料バルブ、44…燃焼用燃料供給管、45…燃焼用燃料ポンプ、46…燃焼用燃料バルブ、51…水蒸気供給管、52…給水管、53…改質水ポンプ、54…改質水バルブ、61…酸化用空気供給管、62…酸化用空気ポンプ、63…酸化用空気バルブ、64…燃焼用空気供給管、65…燃焼用空気ポンプ、66…燃焼用空気バルブ、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。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記改質水を蒸発させて前記改質部に供給する蒸発部と、
燃焼用燃料、前記改質部および前記燃料電池の燃料極からの各可燃ガスのうち少なくとも何れか一つおよび燃焼用酸化剤ガスが供給可能であり、前記可燃ガスのうち少なくとも何れか一つを前記燃焼用酸化剤ガスで燃焼し燃焼ガスを生成する燃焼部と、
前記燃焼部からの前記燃焼ガスが前記改質部および前記蒸発部をその順番に加熱する燃焼ガス流路と、
当該改質装置の起動時は、前記燃焼用燃料および前記燃焼用酸化剤ガスを供給し前記燃焼部を着火し、前記蒸発部に前記改質水を供給する燃焼開始手段と、
前記燃焼部の燃焼開始後に、前記改質部の温度が第1所定温度まで昇温すると、前記燃焼部への前記燃焼用燃料の供給を停止して前記燃焼部を消火する第1消火手段と、
前記燃焼部の消火中に前記燃焼用酸化剤ガスを供給する燃焼用酸化剤ガス供給手段と、を含む制御装置と、を備えたことを特徴とする改質装置。 A reforming section that is supplied with reforming fuel and reforming water to generate reformed gas;
An evaporation unit that evaporates the reformed water and supplies the reformed water to the reforming unit;
Combustion fuel, at least one of the combustible gases from the reforming unit and the fuel electrode of the fuel cell and combustion oxidant gas can be supplied, and at least one of the combustible gases is supplied. A combustion section that burns with the combustion oxidant gas to generate combustion gas;
A combustion gas flow path in which the combustion gas from the combustion section heats the reforming section and the evaporation section in that order;
Combustion starting means for supplying the combustion fuel and the combustion oxidant gas to ignite the combustion section and supplying the reforming water to the evaporation section when starting the reformer;
A first fire extinguishing means for stopping the supply of the combustion fuel to the combustion section and extinguishing the combustion section when the temperature of the reforming section rises to a first predetermined temperature after the combustion of the combustion section starts; ,
And a control device including a combustion oxidant gas supply means for supplying the combustion oxidant gas during extinguishing of the combustion section.
その後、前記改質部へ前記改質用燃料を供給し前記燃焼部を再着火する前記第2再着火手段と、をさらに備えたことを特徴とする改質装置。 The reforming water supplied to the reforming unit according to claim 3, wherein the reforming unit is re-ignited with the combustion fuel by the first reignition unit and before the temperature of the reforming unit is raised to a first predetermined temperature. When the temperature of the water vapor is equal to or higher than a predetermined temperature for water vapor,
And a second re-ignition means for supplying the reforming fuel to the reforming section and re-igniting the combustion section.
その後、前記改質部の温度が前記第3所定温度まで降温すると、前記改質部へ前記改質用燃料を供給し前記燃焼部を再着火する前記第2再着火手段と、をさらに備えたことを特徴とする改質装置。 The reforming water supplied to the reforming section according to claim 9, wherein the reforming section is heated to a first predetermined temperature after the first re-ignition means re-ignites with the combustion fuel. When the temperature of the fuel is higher than or equal to a predetermined temperature for steam, when the temperature of the reforming section rises to the first predetermined temperature, only the supply of the combustion fuel to the combustion section is stopped. Fire extinguishing means,
After that, when the temperature of the reforming section is lowered to the third predetermined temperature, the second re-ignition means for supplying the reforming fuel to the reforming section and re-igniting the combustion section is further provided. A reformer characterized by that.
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