JP2009196834A - 水素生成装置および燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水素生成装置50Aは、原料と水を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器13と、原料を改質器13に供給する原料供給器17と、改質器に供給される原料の流量を測定する流量測定器18と、水を改質器13に供給する水供給器19と、制御器30Aと、を備え、制御器30Aは、流量測定器18の検出値に基づいて原料供給器17の操作量をフィードバック制御するとともに、原料の改質器13への供給中において、改質器13に水の供給が開始された以降の原料供給器17の操作量に基づいて、水の供給異常報知、または、前記原料の前記改質器への供給停止を行うように構成されている。
【選択図】図1
Description
図6は、従来の水素生成装置の構成例を示した図であり、特許文献1記載の水素生成装置に準拠する装置のブロック図である。
従来の水素生成装置50は、例えば、改質器13と、変成器14と、選択酸化器15とから構成されている。
また、水素生成装置50は、上述の各機器13、14、15の他、図6に示すように、改質器13への反応熱供給用の熱供給手段としてのバーナ16と、原料を改質器13に供給するための原料供給器17(例えば、ブースターポンプ)と、改質器13に改質反応用に水を供給する水供給器19(例えば、プランジャーポンプ)と、改質器13の温度を検知できる温度検知器21と、を備える。
改質器13では、原料供給器17および水供給器19を用いて、原料および原料改質に必要な水(以下、改質水と称する)が供給され、バーナ16を用いて改質反応用の熱が供給されている。このため、改質触媒の温度(温度検知器21により検知)が適温に加熱され、このような改質触媒において、原料と改質水を用いた水蒸気改質反応によって水素リッチな燃料ガスが生成される。
上述の水蒸気改質反応後の水素リッチな燃料ガス中には、約10%濃度の一酸化炭素が含まれている。この一酸化炭素は燃料電池にとって被毒物質となるので、水蒸気改質反応後の燃料ガスを固体高分子型燃料電池に直接、供給すると、燃料電池の発電性能が著しく損なわれる。そこで、改質器13の下流側には上述の変成器14および選択酸化器15が設けられており、これにより、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を適切に低減できる。
変成器14では、水蒸気および一酸化炭素を、水素および二酸化炭素にシフト反応させ、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が低減される。
選択酸化器15では、一酸化炭素を二酸化炭素に変える一酸化炭素選択酸化反応がなされ、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が更に低減される。
このようにして、一酸化炭素濃度10ppm以下の水素リッチな燃料ガスを生成できる。そして、この水素リッチな燃料ガスを燃料電池システムの反応ガスとして用いる場合には、当該水素リッチな燃料ガスが燃料電池(図示せず)のアノードに供給され、燃料電池において発電が行われる。なお、水素生成装置50により生成された水素を利用できる機器は、燃料電池システムに限定されない。このため、水素利用機器の種類によっては、変成器14や選択酸化器15の設置を省略できる場合がある。
なお、上述の改質水の適量とは、改質器13に供給される水分子と原料(炭素原子数)との比(以下、「S/C」と略す場合がある)を所定の値(例えば、「S/C」=3)に安定的に維持できる改質水量を指す。つまり、制御器30は、水流量調整器20を用いて、流量測定器18により測定された原料流量と予め設定された「S/C」の好適な範囲とから算出される改質水の好適な流量となるように、水供給器19による改質水の供給量を増減している。
また、「S/C」が低下すると、改質器13での水素の生成量が低下するので、燃料電池システムにおいて様々な不都合が生じる。
例えば、「S/C」の低下により、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が上昇して、水素生成装置の信頼性が低下する。また、「S/C」の低下により、燃料電池の発電に必要な水素が供給されず、燃料電池の発電量が低下して、燃料電池の発電停止に至る場合がある。その結果、燃料電池システム全体の信頼性も低下する。
そこで、「S/C」の低下に起因する様々な不都合を防止する方策として、改質水の流量をモニタできる改質水流量計の設置が想定される。これにより、改質水流量計の測定値が改質水流量の目標値からずれた場合、改質水の供給異常報知や原料の強制的な供給停止を行えると期待できる。
また、水検知器を用いずに、水の供給異常に適切に対応できるので、水素生成装置のコンパクト化および低コスト化も図れる。
また、本発明の水素生成装置では、前記制御器は、前記水の供給開始以降の所定の期間における前記原料供給器の操作量の変化量が、第3閾値以上である場合、または、前記水の供給開始以降の所定の期間における前記原料供給器の操作量の変化量が、第4閾値以下である場合、前記水の供給異常報知、または、前記原料の前記改質器への供給停止を行ってもよい。
また、本発明の水素生成装置では、前記制御器は、前記水の供給開始以降の所定の期間における前記原料供給器の操作量の変化率が、第5閾値以上である場合、または、前記水の供給開始以降の所定の期間における前記原料供給器の操作量の変化率が、第6閾値以下である場合、前記水の供給異常報知、または、前記原料の前記改質器への供給停止を行ってもよい。
図1は、本発明の実施の形態1の水素生成装置の構成例を示したブロック図である。
本異常判定技術では、図2(b)に示すように、「原料流量の取得」→「制御演算」→「操作量の出力」→「原料流量の取得」→・・・の如く流量測定器18の検出値(原料流量)に基づいて原料供給器17の操作量のフィードバック制御がなされる際に、この操作量が制御器30Aに取得され、操作量検知タイミング(詳細は後述)において上述の操作量に基づいて改質水の供給異常判定がなされている。
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2の水素生成装置50Bは、ハードウェア構成上、図1に示した水素生成装置50Aと同じであるので、本実施形態の水素生成装置50Bの図示および構成の説明を省略する。
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3の水素生成装置50Cは、ハードウェア構成上、図1に示した水素生成装置50Aと同じであるので、本実施形態の水素生成装置50Cの図示および構成の説明を省略する。
(変形例)
実施の形態1の操作量検知タイミング、実施の形態2の第2操作量検知タイミング、および、実施の形態3の第2操作量検知タイミングは、上述のとおり、改質器13への原料の供給中において、改質水供給正常時の原料供給器17の操作量変化の安定化以降に設定されている。また、これらの操作量検知タイミングは、改質水供給開始以降において、原料供給器17から供給される原料の目標流量が一定に維持されている期間内に設定されている。
14 変成器
15 選択酸化器
16 バーナ
17 原料供給器
18 流量測定器
19 水供給器
20 水流量調整器
21 温度検知器
30A、30B、30C 制御器
50A、50B、50C 水素生成装置
Claims (8)
- 原料と水を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
前記原料を前記改質器に供給する原料供給器と、
前記改質器に供給される原料の流量を測定する流量測定器と、
前記水を前記改質器に供給する水供給器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記流量測定器の検出値に基づいて前記原料供給器の操作量をフィードバック制御するとともに、前記原料の前記改質器への供給中において、前記改質器に前記水の供給が開始された以降の前記原料供給器の操作量に基づいて、前記水の供給異常報知、または、前記原料の前記改質器への供給停止を行う、水素生成装置。 - 前記制御器は、前記水の供給開始以降の所定の時点における前記原料供給器の操作量が、第1閾値以下である場合、または、前記水の供給開始以降の所定の時点における前記原料供給器の操作量が、第2閾値以上である場合、前記水の供給異常報知、または、前記原料の前記改質器への供給停止を行う、請求項1記載の水素生成装置。
- 前記制御器は、前記水の供給開始以降の所定の期間における前記原料供給器の操作量の変化量が、第3閾値以上である場合、または、前記水の供給開始以降の所定の期間における前記原料供給器の操作量の変化量が、第4閾値以下である場合、前記水の供給異常報知、または、前記原料の前記改質器への供給停止を行う、請求項1記載の水素生成装置。
- 前記制御器は、前記水の供給開始以降の所定の期間における前記原料供給器の操作量の変化率が、第5閾値以上である場合、または、前記水の供給開始以降の所定の期間における前記原料供給器の操作量の変化率が、第6閾値以下である場合、前記水の供給異常報知、または、前記原料の前記改質器への供給停止を行う、請求項1記載の水素生成装置。
- 前記制御器は、前記流量測定器の検出値が、前記水の流量との関係において所定の目標値になるように前記原料供給器の操作量をフィードバック制御している、請求項1乃至4記載の何れかに記載の水素生成装置。
- 前記改質器の温度を検知する温度検知器を備え、
前記制御器は、前記温度検知器の検知温度が第7閾値以下である場合の前記原料供給器の操作量を用いて、前記水の供給異常報知、または、前記原料の前記改質器への供給停止を行う、請求項1乃至4の何れかに記載の水素生成装置。 - 前記所定の時点または前記所定の期間は、前記水の供給開始以降において前記原料供給器から供給される原料の目標流量が一定に維持されている期間内に設定されている、請求項1乃至6の何れかに記載の水素生成装置。
- 請求項1乃至7の何れかに記載の水素生成装置と、
前記水素生成装置から供給される前記水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、
を備える燃料電池システム。
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