JP2010180128A

JP2010180128A - Fuel processing system

Info

Publication number: JP2010180128A
Application number: JP2010066226A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Ogawa; 雅弘小川; Yuji Nagata; 裕二永田
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2024-10-15
Also published as: JP5291029B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel processing system having a stable carbon monoxide removing characteristics, through holding a selective oxidation catalyst at a proper temperature at all times. <P>SOLUTION: A vapor separator (gas-water separator) 52 and a selective inlet cooler (heat exchanger) 53 are incorporated into a selective oxidation reactor 51 in an integrated manner. The vapor separator 52 and a selective oxidation catalyst 202 are hold through an annular partition wall 54 within a container 201 comprising the selective oxidation reactor 51 so as to be in contact with the inside-outside. Heat generated by the selective oxidation catalyst 202 of an outer peripheral part is transmitted to the vapor separator 52 of a surrounded center part. The partition wall 54 increases a surface area per volume by continuing V-shaped folds in order to enhance the heat transfer rate. The selective inlet cooler 53 is provided in the vapor separator 52, and the heat to be absorbed from reforming gas which passes the selective inlet cooler 53 is transmitted to the vapor separator 52. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、一酸化炭素除去器により燃料中の一酸化炭素を除去し、一酸化炭素の量を低下させた燃料を燃料利用側に供給する燃料処理システムに関するものであり、特に、一酸化炭素除去器の一酸化炭素除去特性を安定させるための技術に関するものである。 The present invention relates to a fuel processing system that removes carbon monoxide in a fuel by a carbon monoxide remover and supplies fuel with a reduced amount of carbon monoxide to a fuel utilization side, and in particular, carbon monoxide. The present invention relates to a technique for stabilizing carbon monoxide removal characteristics of a remover.

従来から、燃料の有している化学エネルギーを電気に直接変換するシステムとして、燃料電池が知られている。この燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて、電気を直接取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで有害な排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を有するシステムである。最近では、小型の燃料電池の開発が活発化し、家庭用燃料電池の普及も間近な状況となっている。 Conventionally, a fuel cell is known as a system that directly converts chemical energy of a fuel into electricity. In this fuel cell, hydrogen, which is a fuel, and oxygen, which is an oxidant, are reacted electrochemically to take out electricity directly. It can take out electric energy with high efficiency, and at the same time, it is quiet and harmful. It is a system with excellent environmental characteristics that does not emit exhaust gas. Recently, the development of small-sized fuel cells has become active, and the popularization of household fuel cells has become imminent.

また、燃料電池において使用するガスのうち、酸素については、空気中の酸素を供給することとしているが、純水素は高価でありかつ汎用性に欠けることから、通常は、都市ガス等の原燃料を燃料処理システムにて改質して燃料電池に供給している。固体高分子形燃料電池では、電池の運転温度が１００℃以下と比較的低めであることから、電池に供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度をある一定値以下まで下げる必要がある。通常、管理値として目安となるのは１０ｐｐｍ以下であり、これを越える場合は、電池の電圧特性に影響を与える可能性がある。 Of the gases used in fuel cells, oxygen is supplied in the air, but pure hydrogen is expensive and lacks versatility. Is reformed by a fuel processing system and supplied to a fuel cell. In a polymer electrolyte fuel cell, the operating temperature of the battery is relatively low at 100 ° C. or lower, so it is necessary to lower the carbon monoxide concentration in the reformed gas supplied to the battery to a certain value or lower. Usually, the standard value for the control value is 10 ppm or less, and if it exceeds this, the voltage characteristics of the battery may be affected.

一般に、供給ガス中の一酸化炭素を１０ｐｐｍ以下に下げる手段として、燃料処理システム中に選択酸化器が用いられる。この選択酸化器は、改質ガスに導入した空気中の酸素により、改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素化することで一酸化炭素濃度を下げる手段であり、選択酸化触媒の温度を適正に保ちかつ改質ガス量に対し適切な空気を混合していくことで動作する。１つの選択酸化器では、常時安定して１０ｐｐｍ以下まで低下させることが難しいことから、シリーズに接続し、選択酸化器を２段式とする場合が多い。 Generally, a selective oxidizer is used in a fuel processing system as a means for reducing carbon monoxide in a feed gas to 10 ppm or less. This selective oxidizer is a means to reduce the carbon monoxide concentration by carbonizing carbon monoxide in the reformed gas with oxygen in the air introduced into the reformed gas, and the temperature of the selective oxidation catalyst is set appropriately. It is operated by mixing the appropriate air with respect to the reformed gas amount. In one selective oxidizer, since it is difficult to constantly reduce it to 10 ppm or less, it is often connected to a series and the selective oxidizer has a two-stage type.

図８は、燃料電池発電システム用として従来使用されている典型的な燃料処理システムの構成を示すブロック図である。 FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a typical fuel processing system conventionally used for a fuel cell power generation system.

この図８に示す燃料処理システムにおいて、シリーズに接続された２段の選択酸化器１，２と、その前後中間に位置する、選択酸化器入口冷却器３、選択酸化器中間冷却器４、燃料電池入口冷却器５、という計３台の冷却器が、改質器やシフトコンバータ等からなる燃料改質系６および燃料電池本体７の間に設置されている。このうち、２段の選択酸化器１，２は、容器１０１中に一酸化炭素を除去する選択酸化触媒１０２を収納して構成されている。また、２段の選択酸化器１，２に酸化剤となる空気を供給するために、回転制御式のブロア８が設けられている。 In the fuel processing system shown in FIG. 8, the two-stage selective oxidizers 1 and 2 connected in series, the selective oxidizer inlet cooler 3, the selective oxidizer intermediate cooler 4, and the fuel located in the middle before and after the series. A total of three coolers, the battery inlet cooler 5, are installed between the fuel reforming system 6 and the fuel cell body 7 including a reformer and a shift converter. Among these, the two-stage selective oxidizers 1 and 2 are configured such that a selective oxidation catalyst 102 for removing carbon monoxide is housed in a container 101. In addition, a rotation control type blower 8 is provided to supply air as an oxidant to the two-stage selective oxidizers 1 and 2.

さらに、ブロア８から供給される空気流量を制御するために、各段の選択酸化器１，２に対して空気を供給する部分には、各選択酸化器１，２に供給される空気流量を計測する空気流量計９，１０、および、空気ライン間のバイパスフローを防ぐための空気逆止弁１１，１２がそれぞれ設けられると共に、ブロア８から供給される空気流量を設定値に制御するための制御信号Ｓｃを出力する制御装置２０が設けられている。この制御装置２０は、燃料改質系６からの燃料流量信号Ｓｆと、空気流量計９，１０からの空気流量計測信号Ｓａ１，Ｓａ２に基づいて、空気流量計測信号Ｓａ１，Ｓａ２が適切な値となるようにブロア８を制御するための制御信号Ｓｃを出力する手段である。 Further, in order to control the flow rate of air supplied from the blower 8, the flow rate of air supplied to each selective oxidizer 1, 2 is set in the portion that supplies air to the selective oxidizers 1, 2 of each stage. Air flow meters 9 and 10 to be measured and air check valves 11 and 12 for preventing a bypass flow between the air lines are provided, respectively, and the air flow rate supplied from the blower 8 is controlled to a set value. A control device 20 that outputs a control signal Sc is provided. Based on the fuel flow rate signal Sf from the fuel reforming system 6 and the air flow rate measurement signals Sa1 and Sa2 from the air flow meters 9 and 10, the control device 20 sets the air flow rate measurement signals Sa1 and Sa2 to appropriate values. It is a means for outputting a control signal Sc for controlling the blower 8 in such a manner.

図９は、制御装置２０の構成を示すブロック図である。この図９に示すように、制御装置２０は、燃料流量入力部２１、関数演算部（燃料流量ｖｓ空気設定値）２２、空気流量計測信号入力部２３、偏差計算器２４、ＰＩＤ制御器２５、制御信号出力部２６、等を備えている。 FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration of the control device 20. As shown in FIG. 9, the control device 20 includes a fuel flow rate input unit 21, a function calculation unit (fuel flow rate vs air set value) 22, an air flow rate measurement signal input unit 23, a deviation calculator 24, a PID controller 25, A control signal output unit 26 and the like are provided.

以上のような図８の燃料処理システムの動作は次の通りである。改質器、シフトコンバータ等からなる燃料改質系６で発生した改質ガスは、選択酸化器入口冷却器３にて適正な温度に冷却された後、空気と混合されて１段目の選択酸化器１に流入し、ガス中の一酸化炭素が概ね除去される。改質ガスは次に、選択酸化器中間冷却器４により冷却され、再度微量の空気と混合されて２段目の選択酸化器２に流入し、ガス中の一酸化炭素が１０ｐｐｍ以下までほぼ完全に除去される。改質ガスはこの後、燃料電池入口冷却器５により冷却されて、燃料利用主体である燃料電池本体７に供給され、発電に寄与する。 The operation of the fuel processing system of FIG. 8 as described above is as follows. The reformed gas generated in the fuel reforming system 6 including a reformer, a shift converter, etc. is cooled to an appropriate temperature in the selective oxidizer inlet cooler 3 and then mixed with air to select the first stage. The gas flows into the oxidizer 1 and carbon monoxide in the gas is generally removed. Next, the reformed gas is cooled by the selective oxidizer intercooler 4, mixed again with a small amount of air, and flows into the second-stage selective oxidizer 2, so that the carbon monoxide in the gas is almost completely reduced to 10 ppm or less. Removed. Thereafter, the reformed gas is cooled by the fuel cell inlet cooler 5 and supplied to the fuel cell main body 7 which is the main body of fuel use, and contributes to power generation.

また、２段の選択酸化器１，２に対して供給される空気流量の制御は、制御装置２０により回転制御式のブロア８の回転を制御することで行われる。すなわち、制御装置２０は、燃料改質系６からの燃料流量信号Ｓｆと、空気流量計９，１０からの空気流量計測信号Ｓａ１，Ｓａ２に基づいて、ブロア８から各段の選択酸化器１，２に供給される空気流量の適切な値を設定し、設定した値に応じた制御信号Ｓｃを出力することにより、空気流量計測信号Ｓａ１，Ｓａ２が適切な値となるようにブロア８を制御する。 The flow rate of air supplied to the two-stage selective oxidizers 1 and 2 is controlled by controlling the rotation of the rotation control blower 8 by the control device 20. In other words, the control device 20 controls the selective oxidizers 1 and 2 of each stage from the blower 8 based on the fuel flow rate signal Sf from the fuel reforming system 6 and the air flow rate measurement signals Sa1 and Sa2 from the air flow meters 9 and 10. By setting an appropriate value for the air flow rate supplied to the air flow 2 and outputting a control signal Sc corresponding to the set value, the blower 8 is controlled so that the air flow rate measurement signals Sa1 and Sa2 become appropriate values. .

この場合、制御装置２０の各部の動作は次の通りである。すなわち、燃料流量入力部２１により、燃料改質系６からの燃料流量信号Ｓｆが入力されると共に、空気流量計測信号入力部２３により空気流量計９，１０からの空気流量計測信号Ｓａ１，Ｓａ２が入力される。関数演算部２２により、入力された燃料流量に基づいて、燃料流量に対して供給する空気流量を設定する設定関数等を使用した関数演算が行われ、供給すべき空気流量の設定値が算出される。偏差計算器２４により、関数演算部２２で設定された空気流量の設定値に対する入力された空気流量の計測値の偏差が求められ、ＰＩＤ制御器２５により、その偏差がゼロとなるようにブロア８に対する要求値が設定され、制御信号出力部２６からその要求値を含む制御信号Ｓｃが出力される。 In this case, the operation of each part of the control device 20 is as follows. That is, the fuel flow rate signal Sf from the fuel reforming system 6 is input from the fuel flow rate input unit 21, and the air flow rate measurement signals Sa 1 and Sa 2 from the air flow meters 9 and 10 are input from the air flow rate measurement signal input unit 23. Entered. Based on the input fuel flow rate, the function calculation unit 22 performs a function calculation using a setting function for setting an air flow rate to be supplied with respect to the fuel flow rate, and calculates a set value for the air flow rate to be supplied. The The deviation calculator 24 obtains the deviation of the measured value of the input air flow rate from the set value of the air flow rate set by the function calculation unit 22, and the blower 8 so that the deviation becomes zero by the PID controller 25. The control signal Sc including the required value is output from the control signal output unit 26.

特開２００１−９３５５０公報JP 2001-93550 A

ところで、前述した従来の燃料処理システムにおいて、整定状態での安定化は比較的容易であるものの、負荷変化時や起動直後等には選択酸化器の温度が適正範囲を逸脱する可能性がある。また、負荷上昇時等には、選択酸化器の選択酸化触媒温度が低下する傾向にあることから、選択酸化器から供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度が管理値以上に上昇する可能性が高く、その対策として、選択酸化器を２段式にする等の複雑なシステム構成が必要であるため、システムの簡素化やコストダウンを目指して選択酸化器を１段式とすることは難しい。 By the way, in the above-described conventional fuel processing system, although stabilization in a settling state is relatively easy, there is a possibility that the temperature of the selective oxidizer deviates from an appropriate range when the load changes or immediately after startup. In addition, when the load increases, the selective oxidation catalyst temperature of the selective oxidizer tends to decrease, so the carbon monoxide concentration in the reformed gas supplied from the selective oxidizer can rise above the control value. As a countermeasure, a complex system configuration such as a two-stage selective oxidizer is required as a countermeasure. Therefore, a single-stage oxidizer can be used to simplify the system and reduce costs. difficult.

なお、このような燃料処理システムの問題点は、燃料電池発電システム用の燃料処理システムに限らず、選択酸化器等の一酸化炭素除去器を使用した各種の燃料処理システムに同様に存在している。 Such a problem of the fuel processing system is not limited to the fuel processing system for the fuel cell power generation system, but also exists in various fuel processing systems using a carbon monoxide remover such as a selective oxidizer. Yes.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、負荷変化時や起動直後等においても一酸化炭素除去器の安定した一酸化炭素除去特性が得られ、かつ、１段式の一酸化炭素除去器でも一酸化炭素を管理値以下まで十分に低下させることが可能な、高性能で簡素化やコストダウンに優れた燃料処理システムとその制御方法、制御プログラムを提供することである。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The object of the present invention is to obtain a stable carbon monoxide removal characteristic of a carbon monoxide remover even when the load changes or immediately after startup, and 1 Providing a high-performance, simplified and cost-effective fuel treatment system, its control method, and control program that can sufficiently reduce carbon monoxide below the control value even with a staged carbon monoxide remover. That is.

本発明は、容器中に一酸化炭素を除去する触媒を収納してなる一酸化炭素除去器に対して、一酸化炭素を含む燃料を酸化剤と共に供給することにより、この燃料中の一酸化炭素を除去し、一酸化炭素の量を低下させた燃料を燃料利用側に供給する燃料処理システムにおいて、前記一酸化炭素除去器と一体的に気水分離器が設けられ、一酸化炭素除去器で発生する熱が気水分離器に伝達されるように構成されている。 The present invention provides a carbon monoxide remover that contains a catalyst for removing carbon monoxide in a container, and supplies a fuel containing carbon monoxide together with an oxidant to thereby produce carbon monoxide in the fuel. In the fuel processing system for supplying the fuel with a reduced amount of carbon monoxide to the fuel use side, a steam separator is provided integrally with the carbon monoxide remover. The generated heat is transmitted to the steam separator.

以上のように、本発明によればシステム内で合理的な熱伝達を行うことにより、選択酸化触媒を、構造的に常時適正温度に保つことができるため、安定した一酸化炭素除去特性を得ることが可能となる。 As described above, according to the present invention, by performing rational heat transfer in the system, the selective oxidation catalyst can be structurally always kept at an appropriate temperature, so that stable carbon monoxide removal characteristics can be obtained. It becomes possible.

本発明を燃料電池発電システム用として適用した参考例における燃料処理システムの構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the fuel processing system in the reference example which applied this invention for fuel cell power generation systems. 図１に示す制御装置の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the control apparatus shown in FIG. 図２に示す制御装置の動作の概略を示すフローチャート。The flowchart which shows the outline of operation | movement of the control apparatus shown in FIG. 図１に示す燃料処理システムにおいて、温度計を異なる部分に設けた一変形例を示すブロック図。The block diagram which shows the one modification which provided the thermometer in a different part in the fuel processing system shown in FIG. 図１に示す燃料処理システムにおいて、温度計を異なる部分に設けた別の変形例を示すブロック図。The block diagram which shows another modification which provided the thermometer in a different part in the fuel processing system shown in FIG. 図１に示す燃料処理システムにおいて、温度計を異なる部分に設けた別の変形例を示すブロック図。The block diagram which shows another modification which provided the thermometer in a different part in the fuel processing system shown in FIG. 本発明を燃料電池発電システム用として適用した実施例１における燃料処理システムの選択酸化器部分の構成を示す模式的平面図と模式的縦断面図。The typical top view and typical longitudinal section showing the composition of the selective oxidizer part of the fuel processing system in Example 1 to which the present invention is applied as an object for fuel cell power generation systems. 燃料電池発電システム用として従来使用されている典型的な燃料処理システムの構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the typical fuel processing system conventionally used as an object for fuel cell power generation systems. 図８に示す制御装置の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the control apparatus shown in FIG.

［参考例］
図１は、本発明を燃料電池発電システム用として適用した参考例における燃料処理システムの構成を示すブロック図である。すなわち、本発明は、この参考例における選択酸化器部分に適用することができる。 [Reference example]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel processing system in a reference example in which the present invention is applied to a fuel cell power generation system. That is, the present invention can be applied to the selective oxidizer portion in this reference example.

この図１に示すように、参考例の燃料処理システムにおいては、１段の選択酸化器１と、その前後に位置する、選択酸化器入口冷却器３、燃料電池入口冷却器５、という計２台の冷却器のみが、改質器やシフトコンバータ等からなる燃料改質系６および燃料電池本体７の間に設置されている。すなわち、１段の選択酸化器（一酸化炭素除去器）１のみを使用した１段構成としているため、２段構成としていた図８の従来技術に比べて、２段目の選択酸化器２と１台の選択酸化器中間冷却器４が省略されていると共に、２段目の選択酸化器２の空気流量計１０と空気逆止弁１２が省略されている。そして、回転制御式のブロア８は、酸化剤となる空気を１段の選択酸化器１のみに供給するようになっている。 As shown in FIG. 1, in the fuel processing system of the reference example, a total of 2 units including a single-stage selective oxidizer 1 and a selective oxidizer inlet cooler 3 and a fuel cell inlet cooler 5 positioned before and after the selective oxidizer 1. Only the stand cooler is installed between the fuel reforming system 6 and the fuel cell main body 7 including a reformer and a shift converter. That is, since the single-stage configuration using only the single-stage selective oxidizer (carbon monoxide remover) 1 is used, the second-stage selective oxidizer 2 and the second-stage selective oxidizer 2 are compared with the conventional technique shown in FIG. One selective oxidizer intermediate cooler 4 is omitted, and the air flow meter 10 and the air check valve 12 of the second-stage selective oxidizer 2 are omitted. The rotation control type blower 8 supplies air as an oxidizing agent only to the one-stage selective oxidizer 1.

また、ブロア８から供給される空気流量を制御するために、選択酸化器１に供給される空気流量を計測する空気流量計９に加えて、本発明に従い、選択酸化器１における容器１０１の出口部分には、選択酸化器１から供給される改質ガスの温度を計測する温度計３０が設けられている。なお、選択酸化器を１段構成とした結果、空気ラインの分岐がなくなり、バイパスフローを防ぐ必要がなくなったことから、図８の従来技術に比べて、選択酸化器１の空気逆止弁１１が省略されている。 In addition to the air flow meter 9 for measuring the air flow rate supplied to the selective oxidizer 1 in order to control the air flow rate supplied from the blower 8, the outlet of the container 101 in the selective oxidizer 1 according to the present invention. The part is provided with a thermometer 30 for measuring the temperature of the reformed gas supplied from the selective oxidizer 1. As a result of the selective oxidizer having a single stage configuration, there is no need to prevent branching of the air line and it is not necessary to prevent the bypass flow. Therefore, the air check valve 11 of the selective oxidizer 1 is compared with the prior art of FIG. Is omitted.

そして、ブロア８を制御するための制御信号Ｓｃを出力する制御装置としては、温度計３０からの温度計測信号Ｓｔを利用する制御装置４０が設けられている。この制御装置４０は、本発明に従い、燃料改質系６からの燃料流量信号Ｓｆ、空気流量計９からの空気流量計測信号Ｓａ、および温度計３０からの温度計測信号Ｓｔに基づいて、空気流量計測信号Ｓａおよび温度計測信号Ｓｔが適切な値となるようにブロア８を制御するための制御信号Ｓｃを出力するようになっている。 A control device 40 that uses the temperature measurement signal St from the thermometer 30 is provided as a control device that outputs a control signal Sc for controlling the blower 8. In accordance with the present invention, the control device 40 performs air flow based on the fuel flow rate signal Sf from the fuel reforming system 6, the air flow rate measurement signal Sa from the air flow meter 9, and the temperature measurement signal St from the thermometer 30. A control signal Sc for controlling the blower 8 is output so that the measurement signal Sa and the temperature measurement signal St have appropriate values.

図２は、制御装置４０の構成を示すブロック図である。この図２に示すように、制御装置４０はまず、図９に示した従来の制御装置２０と同様に、燃料流量入力部２１、関数演算部（燃料流量ｖｓ空気設定値）２２、空気流量計測信号入力部２３、偏差計算器２４、ＰＩＤ制御器２５、制御信号出力部２６、等を備えている。この制御装置４０は、これらの構成に加えて、温度計測信号入力部４１、関数演算部（燃料流量ｖｓ温度設定値）４２、偏差計算器４３、ＰＩＤ制御器４４、関数演算部（空気設定値ｖｓブロア開度）４５、加算器４６，４７、ＬＥＡＤ制御器４８、等を備えている。 FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the control device 40. As shown in FIG. 2, first, the control device 40 is similar to the conventional control device 20 shown in FIG. 9, a fuel flow rate input unit 21, a function calculation unit (fuel flow rate vs air set value) 22, an air flow rate measurement. A signal input unit 23, a deviation calculator 24, a PID controller 25, a control signal output unit 26, and the like are provided. In addition to these components, the control device 40 includes a temperature measurement signal input unit 41, a function calculation unit (fuel flow rate vs temperature set value) 42, a deviation calculator 43, a PID controller 44, and a function calculation unit (air set value). VS blower opening) 45, adders 46 and 47, a LEAD controller 48, and the like.

なお、このような制御装置４０は、具体的には、コンピュータのメインメモリとそれに記憶された燃料処理システム用またはブロア制御用として特化されたプログラム、そのプログラムによって制御されるＣＰＵなどの演算処理部、必要なデータを記憶する補助記憶装置、等により実現される。ここで挙げたハードウェア資源は、コンピュータが一般的に備えている基本的な構成要素であるため、これ以上の説明は省略する。 Specifically, the control device 40 includes a computer main memory, a program specialized for the fuel processing system or blower control stored therein, and arithmetic processing such as a CPU controlled by the program. And an auxiliary storage device for storing necessary data. The hardware resources listed here are basic components that are generally provided in computers, and thus further description thereof is omitted.

以上のような参考例における燃料処理システムの動作は次の通りである。改質器、シフトコンバータ等からなる燃料改質系６で発生した改質ガスは、選択酸化器入口冷却器３にて適正な温度に冷却された後、空気と混合されて選択酸化器１に流入し、ガス中の一酸化炭素が１０ｐｐｍ以下までほぼ完全に除去される。改質ガスはこの後、燃料電池入口冷却器５により冷却されて、燃料利用主体である燃料電池本体７に供給され、発電に寄与する。 The operation of the fuel processing system in the reference example as described above is as follows. The reformed gas generated in the fuel reforming system 6 including a reformer, a shift converter and the like is cooled to an appropriate temperature by the selective oxidizer inlet cooler 3 and then mixed with air to the selective oxidizer 1. The carbon monoxide in the gas is almost completely removed to 10 ppm or less. Thereafter, the reformed gas is cooled by the fuel cell inlet cooler 5 and supplied to the fuel cell main body 7 which is the main body of fuel use, and contributes to power generation.

また、選択酸化器１に対して供給される空気流量の制御は、制御装置４０により回転制御式のブロア８の回転を制御することで行われる。すなわち、制御装置４０は、燃料改質系６からの燃料流量信号Ｓｆ、空気流量計９からの空気流量計測信号Ｓａ、および温度計３０からの温度計測信号Ｓｔに基づいて、ブロア８から選択酸化器１に供給される空気流量の適切な値を設定し、設定した値に応じた制御信号Ｓｃを出力することにより、空気流量計測信号Ｓａおよび温度計測信号Ｓｔが適切な値となるようにブロア８を制御する。 The flow rate of air supplied to the selective oxidizer 1 is controlled by controlling the rotation of the rotation control blower 8 by the control device 40. That is, the control device 40 selectively oxidizes from the blower 8 based on the fuel flow rate signal Sf from the fuel reforming system 6, the air flow rate measurement signal Sa from the air flow meter 9, and the temperature measurement signal St from the thermometer 30. By setting an appropriate value for the air flow rate supplied to the vessel 1 and outputting a control signal Sc corresponding to the set value, the air flow rate measurement signal Sa and the temperature measurement signal St are set to appropriate values. 8 is controlled.

図３は、制御装置４０の動作の概略を示すフローチャートである。この図３に示すように、温度計測信号Ｓｔの値（温度計測値）が温度設定値と乖離していない場合、すなわち、予め設定された温度設定値に対する温度計測値の偏差が、予め設定された所定レベル以下である場合（Ｓ３０１のＹＥＳ）には、燃料流量信号Ｓｆに基づいて、空気流量の適切な値を設定し、空気流量計測信号Ｓａの値（空気計測値）が空気設定値と一致するようにブロア８を制御する基本的なブロア制御のみが行われる（Ｓ３０２）。ここで、制御装置４０が燃料改質系６から受け取る燃料流量信号Ｓｆは、燃料流量の設定値あるいは実際の計測値である。 FIG. 3 is a flowchart showing an outline of the operation of the control device 40. As shown in FIG. 3, when the value of the temperature measurement signal St (temperature measurement value) does not deviate from the temperature set value, that is, the deviation of the temperature measurement value from the preset temperature set value is set in advance. If it is equal to or lower than the predetermined level (YES in S301), an appropriate value of the air flow rate is set based on the fuel flow rate signal Sf, and the value of the air flow rate measurement signal Sa (air measurement value) is the air set value. Only basic blower control for controlling the blower 8 so as to coincide is performed (S302). Here, the fuel flow rate signal Sf received from the fuel reforming system 6 by the control device 40 is a set value or actual measured value of the fuel flow rate.

すなわち、ある一定の負荷設定においては、燃料電池本体７で発生させる直流電流値に基づき、燃料改質系６から供給される燃料流量は一定の値に設定されて制御されるため、制御装置４０は、燃料改質系６から、その燃料流量の設定値あるいは実際に供給される燃料流量の計測値を燃料流量信号Ｓｆとして受け取り、この燃料流量信号Ｓｆに基づいて、基本的なブロア制御を行う。 That is, at a certain load setting, the flow rate of fuel supplied from the fuel reforming system 6 is set to a constant value and controlled on the basis of the direct current value generated by the fuel cell main body 7. Receives a set value of the fuel flow rate or a measured value of the actually supplied fuel flow rate from the fuel reforming system 6 as a fuel flow rate signal Sf, and performs basic blower control based on the fuel flow rate signal Sf. .

このような基本的なブロア制御に係る制御装置４０の各部の動作は、図９に示した制御装置２０の各部の動作と同様である。関数演算部２２により燃料流量に応じた空気流量設定値が算出され、ＰＩＤ制御器２５により、空気流量計測信号Ｓａの値（空気計測値）を空気設定値と一致させるための要求値がブロア８に対して設定され、制御信号出力部２６からその要求値を含む制御信号Ｓｃが出力される。 The operation of each part of the control device 40 related to such basic blower control is the same as the operation of each part of the control device 20 shown in FIG. An air flow rate setting value corresponding to the fuel flow rate is calculated by the function calculation unit 22, and a request value for making the value of the air flow rate measurement signal Sa (air measurement value) coincide with the air setting value by the PID controller 25 is the blower 8. The control signal Sc including the required value is output from the control signal output unit 26.

また、負荷変化時や起動直後等の、温度計測信号Ｓｔとして得られる温度計測値が温度設定値と乖離した場合、すなわち、予め設定された温度設定値に対する温度計測値の偏差が、予め設定された所定レベルを越えている場合（Ｓ３０１のＮＯ）には、上記の基本的なブロア制御に加えて、温度制御用のブロア制御が行われる（Ｓ３０３）。この温度制御用のブロア制御は、温度計測信号Ｓｔに基づいて空気流量設定値を増減することにより、温度計測信号Ｓｔの値（温度計測値）が温度設定値と一致するようにブロア８を制御するものである。 Also, when the temperature measurement value obtained as the temperature measurement signal St deviates from the temperature set value, such as when the load changes or immediately after startup, that is, the deviation of the temperature measurement value from the preset temperature set value is preset. If the predetermined level is exceeded (NO in S301), blower control for temperature control is performed in addition to the basic blower control described above (S303). This blower control for temperature control increases or decreases the air flow rate setting value based on the temperature measurement signal St, thereby controlling the blower 8 so that the value of the temperature measurement signal St (temperature measurement value) matches the temperature setting value. To do.

この場合、温度制御用のブロア制御に係る制御装置４０の各部の動作は、次の通りである。すなわち、関数演算部４２により燃料流量に応じた温度設定値が算出され、ＰＩＤ制御器４４により、温度計測信号Ｓｔの値（温度計測値）を温度設定値と一致させるような空気設定値の増減を行い、その空気設定値を実現するための要求値がブロア８に対して設定され、制御信号出力部２６からその要求値を含む制御信号Ｓｃが出力される。その結果、最終的には、温度計測値が適正値となるように制御される。 In this case, the operation of each part of the control device 40 related to the blower control for temperature control is as follows. That is, a temperature setting value corresponding to the fuel flow rate is calculated by the function calculation unit 42, and an increase / decrease in the air setting value is performed by the PID controller 44 so that the value of the temperature measurement signal St (temperature measurement value) matches the temperature setting value. Then, a required value for realizing the air set value is set for the blower 8, and a control signal Sc including the required value is output from the control signal output unit 26. As a result, the temperature measurement value is finally controlled to be an appropriate value.

なお、ＰＩＤ制御器４４には上下限機能が付いており、温度計３０（温度計測信号Ｓｔ）に基づく空気の増減はある一定幅内で行われる。また、負荷上昇時（Ｓ３０４のＹＥＳ）には、ＬＥＡＤ制御器４８により、ブロア開度を制御して、先行的な空気増量用のブロア制御を行う（Ｓ３０４のＹＥＳ）。この場合、ブロア開度は、関数演算部４５により空気設定値に応じて算出される。 The PID controller 44 has an upper / lower limit function, and the increase / decrease of air based on the thermometer 30 (temperature measurement signal St) is performed within a certain range. Further, when the load increases (YES in S304), the blower control is performed by controlling the blower opening degree by the LEAD controller 48 (YES in S304). In this case, the blower opening is calculated by the function calculation unit 45 in accordance with the air set value.

以上のような参考例によれば、次のような効果が得られる。すなわち、選択酸化器の容器出口部分の温度を計測し、計測される温度計測値に基づいて選択酸化器に供給する酸化剤の流量を制御することにより、選択酸化器部分の温度を、適正な範囲内となるように制御できる。その結果、起動時や負荷変化時に選択酸化器の選択酸化触媒の温度が変化した場合でも、その温度変化にリアルタイムに対応して、酸化剤の流量の設定値を最適な値に変化させることで、選択酸化器部分の温度を常に適正な範囲内に維持することができるため、選択酸化器の安定した一酸化炭素除去特性が得られる。 According to the reference example as described above, the following effects can be obtained. That is, the temperature of the selective oxidizer portion is measured by measuring the temperature of the vessel outlet portion of the selective oxidizer and controlling the flow rate of the oxidant supplied to the selective oxidizer based on the measured temperature measurement value. It can be controlled to be within the range. As a result, even if the temperature of the selective oxidation catalyst of the selective oxidizer changes at startup or when the load changes, the set value of the oxidant flow rate can be changed to an optimum value in response to the temperature change in real time. Since the temperature of the selective oxidizer portion can always be maintained within an appropriate range, stable carbon monoxide removal characteristics of the selective oxidizer can be obtained.

また、このように、選択酸化器の安定した一酸化炭素除去特性が得られることから、２段式の一酸化炭素除去器とする等の複雑なシステム構成を行うことなく、１段式（単体）の選択酸化器を使用した場合でも、一酸化炭素を管理値以下まで十分に低下させることができるため、システムの簡素化やコストダウンも可能になる。 In addition, since the stable carbon monoxide removal characteristic of the selective oxidizer can be obtained in this way, a single-stage type (single unit) can be used without performing a complicated system configuration such as a two-stage type carbon monoxide remover. Even when the selective oxidizer (2) is used, the carbon monoxide can be sufficiently lowered to the control value or less, so that the system can be simplified and the cost can be reduced.

なお、参考例の制御装置４０において、ＰＩＤ制御器２５を停止させることで、選択酸化器１からの空気流量計測信号Ｓａを使用せずに制御することも可能である。通常、ブロア回転数と空気流量の関係の再現性には限界があり、選択酸化器の空気流量を使用しない場合、一酸化炭素除去特性が不安定となる可能性が高い。しかし、参考例の制御装置４０においては、選択酸化器部分の温度に基づく温度制御により、選択酸化器の空気流量を用いることなしに安定した一酸化炭素除去特性を得ることができる。 In the control device 40 of the reference example, the PID controller 25 can be stopped to control without using the air flow rate measurement signal Sa from the selective oxidizer 1. Usually, there is a limit to the reproducibility of the relationship between the blower rotation speed and the air flow rate, and when the air flow rate of the selective oxidizer is not used, there is a high possibility that the carbon monoxide removal characteristics become unstable. However, in the control device 40 of the reference example, stable carbon monoxide removal characteristics can be obtained without using the air flow rate of the selective oxidizer by temperature control based on the temperature of the selective oxidizer portion.

［参考例の変形例］
なお、参考例の変形例として、図４〜図６に示すように、温度計を選択酸化器１の異なる部分に設けることも可能である。この変形例の選択酸化器部分にも、本発明を適用することが可能である。 [Modification of Reference Example]
As a modification of the reference example, as shown in FIGS. 4 to 6, thermometers can be provided in different portions of the selective oxidizer 1. The present invention can also be applied to the selective oxidizer portion of this modification.

ここで、図４は、選択酸化器１の選択酸化触媒１０２中に温度計３１を設けて、選択酸化触媒１０２中の温度を計測するように構成した変形例を示すブロック図であり、図５は、選択酸化器１における容器１０１の表面部分に温度計３２を設けて、容器１０１の表面部分の温度を計測するように構成した変形例を示すブロック図である。これらの変形例においても、温度計３１，３２により計測される温度計測信号Ｓｔを温度計測値として使用することにより、参考例と同様の作用・効果を得ることができる。 Here, FIG. 4 is a block diagram showing a modification in which the thermometer 31 is provided in the selective oxidation catalyst 102 of the selective oxidizer 1 and the temperature in the selective oxidation catalyst 102 is measured. These are block diagrams which show the modification which provided the thermometer 32 in the surface part of the container 101 in the selective oxidizer 1, and measured the temperature of the surface part of the container 101. FIG. Also in these modified examples, by using the temperature measurement signal St measured by the thermometers 31 and 32 as the temperature measurement value, it is possible to obtain the same operation and effect as the reference example.

また、図６は、選択酸化器１における容器１０１の出口部分の温度計３０に加えて、容器１０１の入口部分にも温度計３３を設けて、容器１０１の出口部分と入口部分の両方の温度を計測するようにした変形例を示すブロック図である。この変形例においては、温度上昇値、すなわち、出口温度計測値（出口温度計測信号Ｓｔ１）と入口温度計測値（入口温度計測信号Ｓｔ２）の差を温度計測値として使用することにより、参考例と同様の作用・効果を得ることができる。 Further, FIG. 6 shows that in addition to the thermometer 30 at the outlet portion of the container 101 in the selective oxidizer 1, a thermometer 33 is also provided at the inlet portion of the container 101, so that the temperatures of both the outlet portion and the inlet portion of the container 101 are provided. It is a block diagram which shows the modification which made it measure. In this modification, the temperature rise value, that is, the difference between the outlet temperature measurement value (outlet temperature measurement signal St1) and the inlet temperature measurement value (inlet temperature measurement signal St2) is used as the temperature measurement value. Similar actions and effects can be obtained.

図７は、前記参考例に示す本発明を燃料電池発電システム用として適用した実施例１における燃料処理システムの選択酸化器部分の構成を示す図であり、（ａ）は模式的平面図、（ｂ）は模式的縦断面図である。 FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a selective oxidizer portion of a fuel processing system in Example 1 in which the present invention shown in the reference example is applied to a fuel cell power generation system, (a) is a schematic plan view, b) is a schematic longitudinal sectional view.

この図７に示すように、実施例１の燃料処理システムは、選択酸化器５１に、蒸気セパレータ（気水分離器）５２と選択酸化器入口冷却器（熱交換器）５３を一体的に組み込んだものである。すなわち、選択酸化器５１を構成する容器２０１内には、蒸気セパレータ５２と選択酸化触媒２０２が環状の隔壁５４を経て内外に接するように収納されており、外周部分の選択酸化触媒２０２で発生する熱がそれに囲まれた中央部分の蒸気セパレータ５２に伝達されるように構成されている。 As shown in FIG. 7, in the fuel processing system of the first embodiment, a steam separator (gas / water separator) 52 and a selective oxidizer inlet cooler (heat exchanger) 53 are integrated into a selective oxidizer 51. It is a thing. In other words, the vapor separator 52 and the selective oxidation catalyst 202 are accommodated in the container 201 constituting the selective oxidizer 51 so as to contact the inside and outside through the annular partition wall 54 and are generated by the selective oxidation catalyst 202 in the outer peripheral portion. The heat is transferred to the steam separator 52 in the central portion surrounded by the heat.

ここで、隔壁５４は、熱伝達率を高めるために深いＶ字状のひだを連続させて体積当たりの表面面積を増大させた断面形状とされている。また、選択酸化器入口冷却器５３は、蒸気セパレータ５２内に設けられており、この選択酸化器入口冷却器５３を通る改質ガスから吸収される熱が蒸気セパレータ５２に伝達されるように構成されている。なお、蒸気セパレータ５２には、蒸気を供給するための蒸気供給ライン５５が設けられている。 Here, the partition wall 54 has a cross-sectional shape in which deep V-shaped pleats are continued to increase the surface area per volume in order to increase the heat transfer coefficient. The selective oxidizer inlet cooler 53 is provided in the steam separator 52, and the heat absorbed from the reformed gas passing through the selective oxidizer inlet cooler 53 is transmitted to the steam separator 52. Has been. The steam separator 52 is provided with a steam supply line 55 for supplying steam.

以上のような実施例１における燃料処理システムの作用は次の通りである。すなわち、図示していない燃料改質系上流からの反応用空気の混合された改質ガスは、蒸気セパレータ５２内に設けられた選択酸化器入口冷却器５３を通過して蒸気セパレータ５２温度付近まで降温した後、選択酸化触媒２０２に導かれ、一酸化炭素除去反応後、燃料電池入口冷却器へ送られる。隔壁５４により、選択酸化触媒２０２と蒸気セパレータ５２の間の熱伝達率は高められているため、選択酸化触媒２０２の酸化反応で発生する熱は効率よく蒸気セパレータ５２に伝達される。 The operation of the fuel processing system in the first embodiment as described above is as follows. That is, the reformed gas mixed with the reaction air from the upstream of the fuel reforming system (not shown) passes through the selective oxidizer inlet cooler 53 provided in the steam separator 52 and reaches the vicinity of the temperature of the steam separator 52. After the temperature is lowered, it is guided to the selective oxidation catalyst 202, and is sent to the fuel cell inlet cooler after the carbon monoxide removal reaction. Since the heat transfer coefficient between the selective oxidation catalyst 202 and the steam separator 52 is increased by the partition wall 54, the heat generated by the oxidation reaction of the selective oxidation catalyst 202 is efficiently transmitted to the steam separator 52.

また、蒸気セパレータ５２は、二層流で通常圧力制御されていることから、温度はほぼ一定であるため、選択酸化触媒２０２の温度は、冷えすぎることなく、常に理想的な温度に保たれる。そのため、負荷変化時や、何らかの原因で選択酸化器空気の量が適正以上に導入された場合においても、構造的に適正温度が維持される。 Further, since the steam separator 52 is normally pressure-controlled in a two-layer flow, the temperature is almost constant, so that the temperature of the selective oxidation catalyst 202 is always kept at an ideal temperature without being overcooled. . Therefore, the structurally appropriate temperature is maintained even when the load changes or when the amount of the selective oxidizer air is introduced more than appropriate for some reason.

以上のような実施例１によれば、システム内で合理的な熱伝達を行うことにより、選択酸化触媒を、構造的に常時適正温度に保つことができるため、安定した一酸化炭素除去特性を得ることが可能となる。なお、実施例１の変形例として、選択酸化器から燃料利用側である燃料電池本体に改質ガスを供給する部分に使用される燃料電池入口冷却器を蒸気セパレータ内に設けることも可能である。この場合には、選択酸化触媒を通過した改質ガスを、蒸気セパレータ内に設けられた燃料電池入口冷却器を通過して蒸気セパレータ温度付近まで降温した後、燃料利用側である燃料電池本体に供給することができる。 According to Example 1 as described above, since the selective oxidation catalyst can be structurally always kept at an appropriate temperature by performing reasonable heat transfer in the system, stable carbon monoxide removal characteristics can be obtained. Can be obtained. As a modification of the first embodiment, a fuel cell inlet cooler used for supplying a reformed gas from the selective oxidizer to the fuel cell main body on the fuel utilization side may be provided in the steam separator. . In this case, the reformed gas that has passed through the selective oxidation catalyst passes through the fuel cell inlet cooler provided in the steam separator and is lowered to the vicinity of the temperature of the steam separator, and then is supplied to the fuel cell body on the fuel utilization side. Can be supplied.

［他の実施例］
前記実施例１における蒸気セパレータ一体型の選択酸化器は、前記参考例またはその変形例のいずれかの燃料処理システムに適用することが可能であり、その場合には、実施例１と参考例の各効果を組合せた相乗的な効果が得られる。 [Other embodiments]
The vapor separator-integrated selective oxidizer in the first embodiment can be applied to the fuel processing system of any one of the reference example or the modified example thereof. A synergistic effect combining each effect is obtained.

さらに、本発明は、燃料電池発電システム用の燃料処理システムとして好適であるが、これに限定されるものではなく、選択酸化器等の一酸化炭素除去器を使用して燃料を処理する各種の燃料処理システムに同様に適用可能であり、同様に優れた効果が得られるものである。 Furthermore, the present invention is suitable as a fuel processing system for a fuel cell power generation system. However, the present invention is not limited to this, and various types of fuel processing using a carbon monoxide remover such as a selective oxidizer. The present invention can be similarly applied to a fuel processing system, and similarly excellent effects can be obtained.

１，２…選択酸化器
２…母線
３…選択酸化器入口冷却器
４…選択酸化器中間冷却器
５…燃料電池入口冷却器
６…燃料改質系
７…燃料電池本体
８…ブロア
９，１０…空気流量計
１１，１２…空気逆止弁
２０，４０…制御装置
２１…燃料流量入力部
２２…関数演算部（空気流量ｖｓ空気設定値）
２３…空気流量計測信号入力部
２４，４３…偏差計算器
２５，４４…ＰＩＤ制御器
２６…制御信号出力部
３０〜３３…温度計
４１…温度計測信号入力部
４２…関数演算部（燃料流量ｖｓ温度設定値）
４５…関数演算部（空気設定値ｖｓブロア開度）
４６，４７…加算器
４８…ＬＥＡＤ制御器
５１…選択酸化器
５２…蒸気セパレータ
５３…選択酸化器入口冷却器
５４…隔壁
５５…蒸気供給ライン
１０１，２０１…容器
１０２，２０２…選択酸化触媒 1, 2, selective oxidizer 2, bus 3, selective oxidizer inlet cooler 4, selective oxidizer intermediate cooler 5, fuel cell inlet cooler 6, fuel reforming system 7, fuel cell body 8, blowers 9, 10 ... Air flow meters 11, 12 ... Air check valves 20, 40 ... Control device 21 ... Fuel flow rate input unit 22 ... Function calculation unit (air flow rate vs. air set value)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 23 ... Air flow measurement signal input part 24, 43 ... Deviation calculator 25, 44 ... PID controller 26 ... Control signal output part 30-33 ... Thermometer 41 ... Temperature measurement signal input part 42 ... Function calculating part (fuel flow rate vs Temperature setting value)
45 ... function calculation section (air set value vs blower opening)
46, 47 ... adder 48 ... LEAD controller 51 ... selective oxidizer 52 ... steam separator 53 ... selective oxidizer inlet cooler 54 ... partition 55 ... steam supply lines 101, 201 ... containers 102, 202 ... selective oxidation catalyst

Claims

Carbon monoxide in the fuel is removed by supplying a fuel containing carbon monoxide together with an oxidant to a carbon monoxide remover containing a catalyst for removing carbon monoxide in a container. In a fuel processing system that supplies fuel with a reduced amount of carbon monoxide to the fuel use side,
A steam separator is provided integrally with the carbon monoxide remover, and heat generated in the carbon monoxide remover is transmitted to the steam separator.
A fuel processing system.

A heat exchanger for cooling the fuel supplied to the carbon monoxide remover is provided integrally with the steam / water separator, and heat absorbed from the fuel passing through the heat exchanger is separated by steam / water. Configured to be transmitted to the vessel,
The fuel processing system according to claim 1.

A heat exchanger for cooling the fuel supplied from the carbon monoxide remover to the fuel use side is provided integrally with the steam separator, and is absorbed from the fuel passing through the heat exchanger. Configured to transfer heat to the steam separator,
The fuel processing system according to claim 1 or 2, characterized by the above.