JP2014139116A - 水素生成装置及び燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】従来に比べ、改質器に過不足なく水を供給して、効率よく安定して水素を生成し得る水素生成装置及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水素生成装置100は、少なくとも炭素と水素から構成される有機化合物を含む原料から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器2と、改質器2を加熱する燃焼器4と、改質器2に原料を供給する原料供給器6と、改質器2に水を供給する水供給器7と、原料の組成の推定に用いる物理量を検知する検知器3Aと、水流量の調整に用いる水流量調整器10と、運転時に、検知器3Aで検知された物理量に基づいて原料の組成を推定し、水供給器7から改質器2への水の流量を、推定された原料の組成に相応する量に水流量調整器10を用いて制御する制御器9と、を備える。
【選択図】図1
【解決手段】水素生成装置100は、少なくとも炭素と水素から構成される有機化合物を含む原料から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器2と、改質器2を加熱する燃焼器4と、改質器2に原料を供給する原料供給器6と、改質器2に水を供給する水供給器7と、原料の組成の推定に用いる物理量を検知する検知器3Aと、水流量の調整に用いる水流量調整器10と、運転時に、検知器3Aで検知された物理量に基づいて原料の組成を推定し、水供給器7から改質器2への水の流量を、推定された原料の組成に相応する量に水流量調整器10を用いて制御する制御器9と、を備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、水素生成装置及び燃料電池システムに関する。
燃料電池システムは、発電部の本体である燃料電池に、水素含有ガスと空気等の酸素含有ガスとを供給し、水素と酸素との電気化学反応を進行させ、これによって発生した化学的なエネルギーを、電気的なエネルギーとして取り出すシステムである。高効率発電とともに、発電運転の際に発生する熱エネルギーを簡単に利用できるので、高いエネルギー利用効率を実現できる分散型の発電システムとして開発及び商品化が進められている。
一般的に、水素含有ガスのインフラストラクチャーが整備されていないことが多く、燃料電池システムには、水素含有ガス(改質ガス)を生成する改質器を備えた水素生成装置が配設されている。改質器は、既存のインフラストラクチャーから供給される都市ガス又はLPG等を原料とし、バーナ等の燃焼器により加熱される。これにより、改質器のRu触媒やNi触媒を用いて、改質反応に適した温度(例えば、600℃−700℃程度)において、原料を改質させて改質ガスが生成される。燃焼器では、原料である都市ガスやLPG等の一部又は燃料電池から排出された未反応の水素ガス(いわゆる、燃料オフガス)を用いて燃焼が行われる。
さて、既存のインフラから供給される都市ガスやLPG等を原料として水蒸気改質反応を行う水素生成装置では、効率良く安定して改質反応を行って水素を生成するには、改質器において、供給される原料の組成に適した量の水を供給する必要がある。例えば、メタンガス(CH4)やプロパンガス(C3H8)を水蒸気改質させて、H2とCO2とを生成する改質反応の場合、理論的には、1モルのCH4に対して改質反応に必要な水(水蒸気)の量は2モルである。また、1モルのC3H8に対して必要な水(水蒸気)の量は6モルである。通常は、改質器への水の供給量が不足すると、原料中の炭素が析出する等の問題が生じる。よって、かかる原料中の炭素析出を防ぐため、原料の供給流量から算出される理論水量の1.5倍程度の量の水が、改質器に供給される。そして、原料供給流量に応じて水供給流量を制御するよう、水素生成装置を運転している。
ここで、改質器に供給される原料の組成が安定している場合には、上記の水供給流量の制御で問題は生じないが、原料の組成が変化する場合、原料組成変化前の原料供給流量に応じて設定された水供給流量のままで、原料組成変化後も水を供給すると、原料組成に対応する理論水量と改質器への供給水量との比率が、最適比率からずれて、改質器に供給する水の理論水量に対する過不足が生じる場合がある。
例えば、水の供給量が、原料組成変化後の理論水量から得られる設定値と比べて多い場合、改質反応自体は速やかに進行するが、改質反応のための水蒸発に消費するエネルギーが増加するので、水素生成時のエネルギー効率が低下する可能性がある。逆に、水の供給量が、原料組成変化後の理論水量から得られる設定値と比べて少ない場合、改質器に供給された原料が熱分解して炭化する可能性がある。また、改質ガスの不均化反応によって炭素析出が生じる可能性がある。その結果、水素生成効率の低下や、水素生成装置の運転停止を招くおそれがある。
具体例で示すと、原料組成が、50%のブタンと50%のプロパンの混合ガスが、改質器に供給される場合、理論上、改質反応にはメタンの3.5倍の水量が必要となるが、70%のブタンと30%のプロパンの混合ガスが、改質器に供給される場合、メタンの3.7倍の水量が必要となる。
従って、従来の水素生成装置の運転の如く、原料供給流量に応じた水供給流量の制御だけでは、ブタンとプロパンのそれぞれの混合ガスの成分比の変化を、改質器に供給する水量に反映できない。つまり、従来の水素生成装置では、原料組成の変化が識別されずに、原料組成が変化した後でも、組成変化前の原料の供給流量を応じて設定された値の水が改質器に供給される。よって、この場合、改質器に供給する水量の過不足が生じ、上記問題が発生する場合があった。
以上の問題を解決する手段として、原料の組成を特定する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1では、水素生成装置の起動時の改質部温度から原料の組成を特定することにより、改質器への水供給量が制御されている。
しかし、特許文献1では、原料組成が変化する要因を十分に検討されていない。例えば、特許文献1では、原料の組成が刻々と変化する状況等が想定されておらず、その結果、水素生成装置の起動時にのみ、改質器に供給する原料の組成を推定している。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来に比べ、改質器に過不足なく水を供給して、効率よく安定して水素を生成し得る水素生成装置及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の水素生成装置は、少なくとも炭素と水素から構成される有機化合物を含む原料から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記改質器に前記原料を供給する原料供給器と、前記改質器に水を供給する水供給器と、前記原料の組成の推定に用いる物理量を検知する検知器と、
前記水の流量の調整に用いる水流量調整器と、運転時に、前記検知器で検知された物理量に基づいて前記原料の組成を推定し、前記水供給器から前記改質器への水の流量を、前記推定された原料の組成に相応する量に前記水流量調整器を用いて制御する制御器と、を備える。
前記水の流量の調整に用いる水流量調整器と、運転時に、前記検知器で検知された物理量に基づいて前記原料の組成を推定し、前記水供給器から前記改質器への水の流量を、前記推定された原料の組成に相応する量に前記水流量調整器を用いて制御する制御器と、を備える。
また、本発明の燃料電池システムは、上記の水素生成装置と、この水素生成装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える。
本発明によれば、従来に比べ、改質器に過不足なく水を供給して、効率よく安定して水素を生成し得る水素生成装置及び燃料電池システムが得られる。
本発明者らは、原料の組成が変化する要因について鋭意検討し、以下の知見を得た。
特許文献1の如く、水素生成装置の起動時にのみ、原料組成を推定するだけでは、原料組成の変化を適切に把握できない場合がある。例えば、原料組成が刻々と変化する場合、原料組成の変化を把握することが困難である。
一例として、沸点が異なる複数種の原料を密封するガスボンベを、原料ガス源として用いる場合がある。例えば、50%のブタンと50%のプロパンの混合ガスをガスボンベに密封し、上部の蒸気成分から混合ガスを抜き取ると、低沸点のガスの方がリッチな成分となって、ガスボンベから流出する。本例の場合、低沸点のプロパンの方が、高沸点のブタンよりも成分比が高い混合ガスが、ガスボンベから流出する。そして、ガスボンベ内に残留する混合ガスは、混合ガスを使用する量が多い程、つまり、ガスボンベ内の混合ガス量が少なくなる程、ブタンの成分比が高くなる。
そこで、本発明者らは、水素生成装置の起動時だけでなく、水素生成装置の運転中の適時に、原料組成を推定するモードが行われるよう、水素生成装置を制御すれば、従来に比べ、改質器に過不足なく水を供給して、効率よく安定して水素を生成し得ることに想到した。
よって、本発明の第1の態様に係る水素生成装置は、少なくとも炭素と水素から構成される有機化合物を含む原料から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、改質器に原料を供給する原料供給器と、改質器に水を供給する水供給器と、原料の組成の推定に用いる物理量を検知する検知器と、水の流量の調整に用いる水流量調整器と、運転時に、検知器で検知された物理量に基づいて原料の組成を推定し、水供給器から改質器への水の流量を、推定された原料の組成に相応する量に水流量調整器を用いて制御する制御器と、を備える。
上記構成によると、従来に比べ、改質器に過不足なく水を供給して、効率よく安定して水素を生成し得る。例えば、水素生成装置の運転中の適時に、原料組成を推定するモードが行われるよう、水素生成装置を制御しているので、従来に比べ、改質器に過不足なく水を供給して、効率よく安定して水素を生成し得る。
また、本発明の第2の態様に係る水素生成装置は、上記の第1の態様に係る水素生成装置において、燃焼器への空気の流量の調整に用いる空気流量調整器を備え、制御器は、燃焼器への空気の流量を、推定された原料の組成に相応する量に空気流量調整器を用いて制御する。
上記構成によると、従来に比べ、燃焼器に適量の空気を供給して、効率よく安定して水素を生成し得る。例えば、水素生成装置の運転中の適時に、原料組成を推定するモードが行われるよう、水素生成装置を制御しているので、従来に比べ、燃焼器に適量の空気を供給して、効率よく安定して水素を生成し得る。
また、本発明の第3の態様に係る水素生成装置は、上記の第1の態様又は第2の態様に係る水素生成装置において、検知器として、改質器の温度を直接的又は間接的に検知する温度検知器を備え、制御器は、温度検知器で検知された温度に基づいて原料の組成を推定する。
また、本発明の第4の態様に係る水素生成装置は、上記の第3の態様に係る水素生成装置において、制御器は、温度検知器で検知された単位時間当たりの改質器の温度上昇値、又は、温度検知器で検知された改質器の昇温速度に基づいて原料の組成を推定する。
上記構成によると、温度検知器で検知された単位時間当たりの改質器の温度上昇値と原料組成との間の対応関係を示すデータ、又は、温度検知器で検知された改質器の昇温速度と原料組成との間の対応関係を示すデータから、改質器の温度上昇値、又は、昇温速度に基づいて現在の原料組成を推定できる。
また、本発明の第5の態様に係る水素生成装置は、上記の第3の態様に係る水素生成装置において、改質器の温度を間接的に検知する温度検知器により、燃焼器の燃焼排ガス流路の出口温度が検知される。
上記構成によると、温度検知器が高温になることを抑制し、温度検知器の信頼性を向上できる。
本発明の第6の態様に係る水素生成装置は、上記の第1の態様に係る水素生成装置において、沸点が異なる複数種の原料を密封するガスボンベを備え、原料供給器は、ガスボンベから改質器へ原料を供給する。
沸点が異なる複数種の原料を密封するガスボンベを用いる場合、原料組成が刻々と変化するが、上記のとおり、本態様に係る水素生成装置では、水素生成装置の運転中の適時に、原料組成を推定するモードが行われるよう、水素生成装置を制御しているので、従来に比べ、改質器に過不足なく水を供給して、効率よく安定して水素を生成し得る。
本発明の第7の態様に係る水素生成装置は、上記の第6の態様に係る水素生成装置において、検知器として、ガスボンベの重量を検知する重量検知器を備え、制御器は、重量検知器で検知された重量に基づいて原料の組成を推定する。
上記構成によると、重量検知器で検知されたガスボンベの重量と原料組成との間の対応関係を示すデータから、ガスボンベの重量に基づいて現在の原料組成を推定できる。
本発明の第8の態様に係る燃料電池システムは、上記の第1−第7の態様のいずれかに記載の水素生成装置と、この水素生成装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える。
上記構成によると、従来に比べ、改質器に過不足なく水を供給して、効率よく安定して水素を生成し得る。例えば、燃料電池システムの運転中の適時に、原料組成を推定するモードが行われるよう、燃料電池システムを制御しているので、従来に比べ、改質器に過不足なく水を供給して、効率よく安定して水素を生成し得る。
本発明の第9の態様に係る燃料電池システムは、上記の第1−第6の態様のいずれかに記載の水素生成装置と、この水素生成装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池から燃焼器に至る経路に配された第1の開閉弁と、原料供給器から燃焼器に至る経路に配された第2の開閉弁と、を備え、原料の組成を推定する際に、制御器は、第1の開閉弁を閉じ、第2の開閉弁を開くよう、第1及び第2の開閉弁を制御し、燃焼器は、原料供給器からの原料を燃焼する。
上記構成によると、従来に比べ、改質器に過不足なく水を供給して、効率よく安定して水素を生成し得る。特に、本態様では、第1の開閉弁を閉じ、第2の開閉弁を開くよう、第1及び第2の開閉弁を制御することにより、改質器の温度上昇の影響を、燃焼器の燃焼量だけで推し量り得る。よって、本態様では、改質反応(吸熱反応)のエネルギー量及び燃焼器の燃焼量の両方を考慮する場合に比べて、原料組成の推定の精度が向上する。
本発明の第10の態様に係る燃料電池システムは、上記の第9の態様に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池から燃焼器に至る経路に配された水回収器を備え、水回収器で回収された水が水供給器に供給される。
上記構成によると、回収水を改質水として再利用できるので、改質水として外部から供給すべき水の量を削減できるとともに、燃料電池システムを効率よく安定的に動作でき、ひいては、燃料電池システの水自立運転が可能となる。
以下、第1−第7の態様に係る水素生成装置の具体例、及び、第8−第10の態様に係る燃料電池システムの具体例について図面を参照して説明する。
なお、以下では、全ての図を通じて同一又は対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する場合がある。
(実施の形態1)
[装置構成]
図1は、実施の形態1の水素生成装置を備える燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
[装置構成]
図1は、実施の形態1の水素生成装置を備える燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
図1に示すように、水素生成装置100は、改質器2と、温度検知器3Aと、原料供給器6と、水供給器7と、水蒸発器8と、燃焼器4と、水流量調整器10と、原料流量調整器11と、制御器9と、を備える。
改質器2は、原料から改質反応により水素含有ガスを生成する。改質反応は、例えば、水蒸気改質反応及びオートサーマル反応等が例示される。図1では、水蒸気改質反応において必要となる機器が示されているが、改質反応がオートサーマル反応であれば、水素生成装置100には、さらに、改質器2に空気を供給する空気供給器(図示せず)が設けられる。なお、原料は、天然ガス、LPG等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスである。改質器2からの水素含有ガスは、改質ガス流路23を介して燃料電池5等の水素利用機器に流入する。
なお、改質器2の下流の改質ガス流路23に改質器2で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するためのCO低減器を設けても構わない。CO低減器は、シフト反応により一酸化炭素を低減させる変成器と、酸化反応及びメタン化反応の少なくともいずれか一方により一酸化炭素を低減させるCO除去器との少なくともいずれか一方を備える。
原料供給器6は、改質器2に原料を供給する。具体的には、原料供給器6が、原料流路20を介して水蒸発器8に接続され、水蒸発器8が改質器2に接続されている。これにより、原料供給器6から改質器2へと原料を供給できる。原料供給器6は、例えば、原料の供給圧を上げる昇圧器を備える。昇圧器は、例えば、ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。
なお、原料供給器6は、原料ガス供給源(図1では図示せず)に接続されている。原料ガス源は、所定の供給圧を有し、例えば、原料を密封するガスボンベ等が例示される。
また、原料供給器6の下流の原料流路20に原料中の硫黄成分を除去するための脱硫器を設けても構わない。脱硫器は、例えば、水添脱硫器及び常温吸着脱硫器等が例示される。
水供給器7は、改質器2に水を供給する。具体的には、水供給器7が、水流路21を介して水蒸発器8に接続され、水蒸発器8が改質器2に接続されている。これにより、水供給器7から改質器2へと水(水蒸気)を供給できる。水供給器7は、例えば、水の供給圧を上げる昇圧器を備える。昇圧器は、例えば、ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。
水蒸発器8は、水供給器7から供給された水を加熱し、水蒸気を生成する。水蒸発器8は、水を蒸発できれば、どのような構成でも構わないが、例えば、燃焼器4から排出されて燃焼排ガス流路24を流れる燃焼排ガスの熱を水蒸発器8内の水に伝熱可能な熱交換器を用いるとよい。
燃焼器4は、改質器2を加熱する。具体的には、燃焼器4は、燃料燃焼により、改質器2内の改質触媒層を、改質反応に適した温度(例えば、600℃−700℃程度)にまで加熱する。燃焼器4の燃料は、いずれの燃料であってもよいが、本実施の形態では、改質器2から排出される水素含有ガス(例えば、燃料電池5から排出された燃料オフガス)が用いられる。
なお、本実施の形態では、燃焼器4における燃焼で生じる熱が、改質器2及び水蒸発器8の順で伝熱されるように、改質器2は、水蒸発器8よりも燃焼器4の燃焼排ガス流路24の上流側に配置されている。
原料流量調整器11は、改質器2へ供給する原料流量を調整に用いる機器である。原料流量調整器11は、原料流路20上に配され、原料流路20を流れる原料の流量を所望の量に調整できれば、どのような構成でも構わない。例えば、原料流量調整器11は、流量計と流量調整弁により構成されていてもいいし、原料供給器6が流量調整可能な定容量ポンプを備えるのであれば、流量計のみで構成されていてもいい。
水流量調整器10は、改質器2へ供給する水流量の調整に用いる機器である。水流量調整器10は、水流路21上に配され、水流路21を流れる水の流量を所望の量に調整できれば、どのような構成でも構わない。例えば、水流量調整器10は、流量計と流量調整弁により構成されていてもいいし、水供給器7が流量調整可能な定容量ポンプを備えるのであれば、流量計のみで構成されていてもいい。
検知器は、原料の組成の推定に用いる物理量を検知する。本実施の形態では、このような検知器として、改質器2の温度を直接的又は間接的に検知する温度検知器3Aが例示されている。
温度検知器3Aは、改質器2の温度を検知可能であれば、どのような構成であってもよい。温度検知器3Aとして、例えば、熱電対を用いてもよい。また、温度検知器3Aを、図1に示す如く、改質器2に直接取り付けてもいいし、改質器2の温度が高温(例えば、600℃以上)になるので、温度検知器を改質器2から離して取り付けてもいい。つまり、温度検知器3Aは、改質器2の温度を直接的に検知してもいいし、間接的に検知してもいい。
改質器2の温度を間接的に検知する温度検知器(図示せず)により、例えば、改質器2の温度よりも低い燃焼器4の燃焼排ガス流路24の出口温度が検知される。これにより、温度検知器3Aが高温になることを抑制し、温度検知器3Aの信頼性を向上できる。
制御器9は、水素生成装置100の運転時に、温度検知器3Aで検知された温度に基づいて原料の組成を推定し、水供給器7から改質器2への水の流量を、推定された原料の組成に相応する量に水流量調整器10を用いて制御する。
制御器9は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であってもよい。制御器9は、演算処理部と、制御プログラムを記憶する記憶部とを備えるとよい。例えば、制御器9は、マイクロコントローラ、PLC(Programmable Logic Controller) 等が例示される。また、演算処理部としては、MPU、CPUが例示される。記憶部としては、メモリが例示される。制御器9は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
図1に示すように、燃料電池システム200は、上記の水素生成装置100と、燃料電池5と、を備える。
燃料電池5は、水素生成装置100から供給される水素含有ガスを用いて発電する。具体的には、燃料電池5では、空気経路(図示しない)からの空気中の酸素と上記水素含有ガス中の水素とが化学反応し、発電及び発熱が行われる。燃料電池5からの燃料オフガスは、上記のとおり、燃焼器4にて燃焼され、燃焼器4からの燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路24を通過し、燃料電池システム200の外部に放出される。
燃料電池5としては、いずれの種類であっても良く、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び燐酸形燃料電池等が例示される。なお、燃料電池が、固体酸化物形燃料電池の場合は、改質器と燃料電池とが1つの筐体内に内蔵されるよう構成される。
[改質器の温度と原料組成の関係]
以下、改質器2の温度と原料組成の関係について説明する。なお、以下の具体的な数値は、例示であって、本実施の形態は、本例に限定されない。
以下、改質器2の温度と原料組成の関係について説明する。なお、以下の具体的な数値は、例示であって、本実施の形態は、本例に限定されない。
まず、原料組成が刻々と変化する一例について説明する。
図2は、原料ガスの使用状況に応じた原料の組成変化の一例を示す図である。本例では、プロパン、イソブタン及びノルマルブタンからなる混合ガスがガスボンベに密封された場合が例示されている。そして、図2の横軸は、ガスボンベ使用量(%)を表し、図2の縦軸は、プロパン、イソブタン及びノルマルブタンからなる混合ガスの成分比(%)を表す。
ガスボンベにおいて、沸点が低いガスの方が、沸点が高いガスよりも気化しやすい。
よって、図2に示すように、ガスボンベ使用量が少ない使用開始直後の段階では、低沸点のプロパンの成分比が高く、ガスボンベ使用量の増加に従って、プロパンの混合ガス中における成分比は速やかに低下する。これに対し、プロパンよりも沸点の高いイソブタンやノルマルブタンは、ガスボンベ使用量の増加に従って、イソブタンやノルマルブタンの混合ガスにおける成分比は高くなる。
以上により、ガスボンベ使用量(換言すると、ガスボンベ内の混合ガスの残量)に応じて、混合ガスに含まれる可燃ガスの成分比が変化することが分かる。よって、水素生成装置100の運転中の適時に原料組成を把握し、適量の水を改質器2に供給するよう、水素生成装置100を制御することが、水素生成装置100における高効率、安定的な水素生成に重要であると云える。
次に、原料組成の変化が改質器2の温度上昇に与える影響について説明する。
表1では、プロパン及びブタンの単位体積あたりの改質器の改質反応エネルギー量及び燃焼器の発熱量の一例が示されている。なお、表1中のブタンのデータは、イソブタンのデータとノルマルブタンのデータの平均値を取っている。
表1に示すように、ブタンの方が、プロパンよりも改質反応(吸熱反応)のエネルギー量が高いが、それ以上に、ブタンの燃焼量が大きいことが分かる。よって、このデータは、混合ガス中にブタンの成分比が高い程、改質器2の温度上昇率(昇温速度)が大きくなることを示唆している。
図3は、原料組成の変化が改質器の温度上昇に与える影響の一例を模式的に示す図である。
図3中のXは、図2のガスボンベ内のガス残量が100%の場合(つまり、プロパンの混合ガスにおける成分比が高い場合)における、改質器2の昇温プロファイルの一例を示し、図3中のYは、図2のガスボンベ内のガス残量が0%の場合(つまり、プロパンの混合ガスにおける成分比が低い場合)における、改質器2の昇温プロファイルの一例を示す。
図3に示すように、改質器2の温度上昇率は、図3中のXよりも、図3中のYの方が大きい。このような昇温プロファイルの違いは、上記表1のとおり、それぞれの場合の改質器における改質反応エネルギー量と燃焼器の燃焼量の総和が異なることで生じていると理解できる。
このようにして、プロパンとブタンの混合ガスの成分比(原料組成)が刻々と変化する場合でも、単位時間当たりの改質器2の温度上昇値に基づいて混合ガスの成分比の変化を知ることができる。
なお、ここでは、プロパンとブタンについて説明したが、他の可燃成分(例えば、メタン)を含む混合ガスでも、同様に成分比の変化を知ることがきる。
[動作]
図4は、実施の形態1の水素生成装置の動作の一例を示すフローチャートである。以下、図4を参照しつつ、本実施の形態の水素生成装置100の動作について説明する。なお、以下の動作は、制御器9の制御により行われる。
図4は、実施の形態1の水素生成装置の動作の一例を示すフローチャートである。以下、図4を参照しつつ、本実施の形態の水素生成装置100の動作について説明する。なお、以下の動作は、制御器9の制御により行われる。
水素生成装置100の運転中の適時に、原料組成推定モードが選択される。原料組成推定モードの選択は、ある一定期間(例えば、100時間)経過毎に行っても構わないし、一定量(例えば、100L)の原料使用毎に行っても構わない。
原料組成推定モードが選択された場合、ステップS401において、所定の体積流量(例えば、1L/min)の原料ガスが、原料流路20を流れるように、原料流量調整器11を用いて原料の流量が調整される。
これにより、水蒸発器8からの原料ガス及び水蒸気の混合ガスが改質器2に送られ、ここで、吸熱化学反応が行われる。改質器2の改質反応で生成された水素含有ガスは、燃料電池5のアノードに送られ、燃料電池5の発電反応で使用された後の燃料オフガスは燃焼器4おいて燃焼される。このとき、燃焼器4の熱が改質器2に伝熱され、改質器2の温度が上昇する。
そして、改質器2の温度が安定する一定時間Q(例えば、10分)が経過した後、ステップS402において、温度検知器3Aにより改質器2の温度が検知され、この改質器2の検知温度から、一定時間Qが経過した場合(単位時間あたり)の改質器2の温度上昇値ΔTが導かれる。
次いで、ステップS403において、予め制御器9の記憶部に記憶された温度上昇値ΔTと原料組成との間の対応関係を示すデータから、現在の原料組成が推定される。温度上昇値ΔTと原料組成との間の対応関係を示すデータとして、例えば、温度上昇値ΔTと単位量当たりの原料中の炭素量との関係を表したテーブル等が例示される。
次いで、ステップS404において、ステップS403の原料組成に相応する水流量W(例えば、5cc/min)が導かれる。
そして、ステップS405において、水供給器7から改質器2への水の流量が、ステップS404の水流量Wになるよう、水流量調整器10を用いて制御される。
このようにして、原料組成推定モードが終了し、水素生成装置100の通常運転に戻る。
本実施の形態の水素生成装置100では、水素生成装置100の運転中の適時に、原料組成を推定するモードが行われるよう、水素生成装置100を制御している。よって、原料組成が刻々と変化する場合でも、従来に比べ、改質器2に過不足なく水を供給して、効率よく安定して水素を生成し得る。
なお、上記ステップS403の原料組成の推定方法は、例示であって、本例に限定されるものではない。検知器で検知された物理量に基づいて原料の組成を特定可能であれば、どのような方法であっても構わない。
例えば、検知器で検知された温度以外の物理量として、ガスボンベの重量を例示できるが、詳細は後述する。
また、改質器2の温度は、高温(例えば、600℃以上)となるので、改質器2よりも低温の水素生成装置100の部分(例えば、燃焼排ガス流路24の出口)の温度上昇値ΔT’を導き、温度上昇値ΔT’と原料組成との間の対応関係を示すデータから、現在の原料組成を推定しても構わない。
また、改質器2の温度が安定する一定時間Qまで待つことなく、さらに短い時間S(例えば、3分)における改質器2の昇温速度(ΔT/ΔS)を導き、昇温速度(ΔT/ΔS)と原料組成との間の対応関係を示すデータから、現在の原料組成を推定しても構わない。
なお、燃料電池システム200の動作は、水素生成装置100から供給される水素含有ガスを利用する水素利用機器を燃料電池5と考えれば、上記の説明から理解できるので、本動作の説明は省略する。
(実施の形態2)
[装置構成]
図5は、実施の形態2の水素生成装置を備える燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
[装置構成]
図5は、実施の形態2の水素生成装置を備える燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
図5に示すように、水素生成装置100は、改質器2と、重量検知器3Bと、原料供給器6と、水供給器7と、水蒸発器8と、燃焼器4と、水流量調整器10と、ガスボンベ12と、制御器9と、を備える。また、燃料電池システム200は、上記の水素生成装置100と、燃料電池5と、を備える。
改質器2、水供給器7、水蒸発器8、燃焼器4、水流量調整器10及び燃料電池5については、実施の形態1と同じであるので説明を省略する。
ガスボンベ12は、原料ガス源の一種であり、沸点が異なる複数種の原料を密封する。原料は、天然ガス、LPG等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスであり、例えば、上記のとおり、プロパン、ブタン、メタン等が例示される。
原料供給器6は、ガスボンベ12から改質器2へ原料を供給する。原料供給器6は、実施の形態1と同様、例えば、原料の供給圧を上げる昇圧器を備える。
重量検知器3Bは、ガスボンベ12の重量を検知する。重量検知器3Bは、ガスボンベ12の重量を検知可能であれば、どのような構成であってもよい。重量検知器3Bとして、例えば、ロードセルを用いてもよい。
制御器9は、水素生成装置100の運転時に、重量検知器3Bで検知された重量に基づいて原料の組成を推定し、水供給器7から改質器2への水の流量を、推定された原料の組成に相応する量に水流量調整器10を用いて制御する。制御器9は、実施の形態1と同様、制御機能を有するものであれば、どのような構成であってもよい。
なお、本実施の形態では、実施の形態1の原料流量調整器11は、重量検知器3Bの検知重量を用いて、原料流路20を流れる原料の流量を予測できるので、必ずしも必要ではないが、原料流量調整器11を設けても構わない。
[ガスボンベの重量と原料組成の関係]
以下、ガスボンベ12の重量と原料組成の関係について説明する。なお、以下の具体的な数値は、例示であって、本実施の形態は、本例に限定されない。
以下、ガスボンベ12の重量と原料組成の関係について説明する。なお、以下の具体的な数値は、例示であって、本実施の形態は、本例に限定されない。
図2に示すように、ガスボンベ12の使用量(%)から、プロパン、イソブタン及びノルマルブタンのそれぞれの混合ガスにおける成分比(%)を知ることができる。また、ガスボンベ12の使用量は、ガスボンベ12の初期重量と、重量検知器3Bで検知された重量との差分重量に基づいて演算できる。
このようにして、プロパンとブタンの混合ガスの成分比(原料組成)が刻々と変化する場合でも、ガスボンベ12の重量に基づいて混合ガスの成分比の変化を知ることができる。
[動作]
図6は、実施の形態2の水素生成装置の動作の一例を示すフローチャートである。以下、図6を参照しつつ、本実施の形態の水素生成装置100の動作について説明する。なお、以下の動作は、制御器9の制御により行われる。
図6は、実施の形態2の水素生成装置の動作の一例を示すフローチャートである。以下、図6を参照しつつ、本実施の形態の水素生成装置100の動作について説明する。なお、以下の動作は、制御器9の制御により行われる。
水素生成装置100の運転中の適時に、原料組成推定モードが選択される。原料組成推定モードの選択は、ある一定期間(例えば、100時間)経過毎に行っても構わないし、一定量(例えば、100L)の原料使用毎に行っても構わない。
原料組成推定モードが選択された場合、ステップS601において、重量検知器3Bによりガスボンベ12の重量(例えば、10.5kg)が検知され、この検知重量からガスボンベ12の使用量が導かれる。
次いで、ステップS602において、予め制御器9の記憶部に記憶されたガスボンベ使用量と原料組成との間の対応関係を示すデータから、現在の原料組成が推定される。ガスボンベ使用量と原料組成との間の対応関係を示すデータとして、例えば、ガスボンベ使用量と単位量当たりの原料中の炭素量との関係を表したテーブル等が例示される。
次いで、ステップS603において、ステップS602の原料組成に相応する水流量W(例えば、5cc/min)が導かれる。
そして、ステップS604において、水供給器7から改質器2への水の流量が、ステップS404の水流量Wになるよう、水流量調整器10を用いて制御される。
このようにして、原料組成推定モードが終了し、水素生成装置100の通常運転に戻る。
本実施の形態の水素生成装置100では、水素生成装置100の運転中の適時に、原料組成を推定するモードが行われるよう、水素生成装置100を制御している。よって、沸点が異なる複数種の原料をガスボンベに密封することにより、原料組成が刻々と変化する場合でも、従来に比べ、改質器2に過不足なく水を供給して、効率よく安定して水素を生成し得る。
なお、上記ステップS502の原料組成の推定方法は、例示であって、本例に限定されるものではない。また、燃料電池システム200の動作は、水素生成装置100から供給される水素含有ガスを利用する水素利用機器を燃料電池5と考えれば、上記の説明から理解できるので、本動作の説明は省略する。
(実施の形態3)
[装置構成]
図7は、実施の形態3の水素生成装置を備える燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
[装置構成]
図7は、実施の形態3の水素生成装置を備える燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
図7に示すように、水素生成装置100は、改質器2と、温度検知器3Aと、原料供給器6と、水供給器7と、水蒸発器8と、燃焼器4と、水流量調整器10と、原料流量調整器11と、第1の開閉弁14と、第2の開閉弁15と、制御器9と、を備える。また、燃料電池システム200は、上記の水素生成装置100と、燃料電池5と、を備える。
改質器2、温度検知器3A、原料供給器6、水供給器7、水蒸発器8、燃焼器4と、水流量調整器10、原料流量調整器11及び燃料電池5については、実施の形態1と同じであるので説明を省略する。
第1の開閉弁14は、燃料電池5から燃焼器4に至る経路に配されている。これにより、両者間の燃料オフガスの流れが連通及び遮断される。第1の開閉弁14は、燃料電池5と燃焼器4との間の燃料オフガスの流れを連通及び遮断できれば、どのような構成であっても構わない。第1の開閉弁14は、例えば、電磁弁であってもよい。
第2の開閉弁15は、原料供給器6から燃焼器4に至る経路に配されている。これにより、両者間の原料の流れが連通及び遮断される。第2の開閉弁15は、原料供給器6と燃焼器4との間の原料の流れを連通及び遮断できれば、どのような構成であっても構わない。第2の開閉弁15は、例えば、電磁弁であってもよい。
制御器9は、水素生成装置100の運転時に、温度検知器3Aで検知された温度に基づいて原料の組成を推定する際に、第1の開閉弁14を閉じ、第2の開閉弁15を開くよう、第1及び第2の開閉弁14、15を制御する。これにより、燃焼器4は、原料供給器6からの原料を燃焼できる。
[燃焼器の燃焼量と原料組成の関係]
以下、燃焼器4の燃焼量と原料組成の関係について説明する。なお、以下の具体的な数値は例示であって、本実施の形態は、本例に限定されない。
以下、燃焼器4の燃焼量と原料組成の関係について説明する。なお、以下の具体的な数値は例示であって、本実施の形態は、本例に限定されない。
表2では、プロパン、イソブタン及びノルマルブタンからなる混合ガスがガスボンベに密封されている場合において、ガスボンベ使用量(%)に応じて変化する、これらのガスの成分比(%)及び燃焼器4の燃焼量(単位体積あたりの混合ガスの燃焼量)が示されている。
表2に示すように、上記燃焼器4の燃焼量から、プロパン、イソブタン及びノルマルブタンのそれぞれの混合ガスにおける成分比を知ることができる。また、本燃焼器4の燃焼量は、改質器2の温度上昇から予測できる。特に、本実施の形態では、第1の開閉弁14を閉じ、第2の開閉弁15を開くよう、第1及び第2の開閉弁14、15を制御することにより、改質器2の温度上昇の影響を、燃焼器4の燃焼量(単位体積あたりの混合ガスの燃焼量)だけで推し量り得る。よって、本実施の形態では、改質反応(吸熱反応)のエネルギー量及び燃焼器4の燃焼量の両方を考慮する場合に比べて、原料組成の推定の精度が向上する。
このようにして、プロパンとブタンの混合ガスの成分比(原料組成)が刻々と変化する場合でも、改質器2の温度上昇値に基づいて混合ガスの成分比の変化を知ることができる。
[動作]
図8は、実施の形態3の水素生成装置の動作の一例を示すフローチャートである。以下、図8を参照しつつ、本実施の形態の水素生成装置100の動作について説明する。なお、以下の動作は、制御器9の制御により行われる。
図8は、実施の形態3の水素生成装置の動作の一例を示すフローチャートである。以下、図8を参照しつつ、本実施の形態の水素生成装置100の動作について説明する。なお、以下の動作は、制御器9の制御により行われる。
水素生成装置100の運転中の適時に、原料組成推定モードが選択される。原料組成推定モードの選択は、ある一定期間(例えば、100時間)経過毎に行っても構わないし、一定量(例えば、100L)の原料使用毎に行っても構わない。
原料組成推定モードが選択された場合、ステップS801において、第1の開閉弁14を閉じ、第2の開閉弁15を開く。
次いで、ステップS802において、所定の体積流量(例えば、1L/min)の原料ガスが、燃焼用原料流路25を流れるように、適宜の原料流量調整器(図示せず)を用いて原料の流量が調整される。
これにより、原料供給器6から所定量の原料が、燃焼器4に供給され、燃焼器4おいて燃焼される。このとき、燃焼器4の熱が改質器2に伝熱され、改質器2の温度が上昇する。
そして、改質器2の温度が安定する一定時間Q(例えば、10分)が経過した後、ステップS803において、温度検知器3Aにより改質器2の温度が検知され、この改質器2の検知温度から、一定時間Qが経過した場合(単位時間あたり)の改質器2の温度上昇値ΔTが導かれる。
次いで、ステップS804において、温度上昇値ΔTに基づいて燃焼器4の燃焼量(単位体積当たりの原料の燃焼量)が導かれる。
次いで、ステップS805において、予め制御器9の記憶部に記憶された燃焼器4の燃焼量と原料組成との間の対応関係を示すデータから、現在の原料組成が推定される。燃焼器4の燃焼量と原料組成との間の対応関係を示すデータとして、例えば、燃焼器4の燃焼量と単位量当たりの原料中の炭素量との関係を表したテーブル等が例示される。
次いで、ステップS806において、ステップS805の原料組成に相応する水流量W(例えば、5cc/min)が導かれる。
そして、ステップS807において、水供給器7から改質器2への水の流量が、ステップS806の水流量Wになるよう、水流量調整器10を用いて制御される。
その後、ステップS808において、第1の開閉弁14を開き、第2の開閉弁15を閉じる。
このようにして、原料組成推定モードが終了し、水素生成装置100の通常運転に戻る。
本実施の形態の水素生成装置100では、水素生成装置100の運転中の適時に、原料組成を推定するモードが行われるよう、水素生成装置100を制御している。よって、原料組成が刻々と変化する場合でも、従来に比べ、改質器2に過不足なく水を供給して、効率よく安定して水素を生成し得る。特に、本実施の形態では、第1の開閉弁14を閉じ、第2の開閉弁15を開くよう、第1及び第2の開閉弁14、15を制御することにより、改質器2の温度上昇の影響を、燃焼器4の燃焼量(単位体積あたりの原料の燃焼量)だけで推し量り得る。従って、改質反応(吸熱反応)のエネルギー量及び燃焼器4の燃焼量の両方を考慮する場合に比べて、原料組成の推定の精度が向上する。
なお、上記ステップS805の原料組成の推定方法は、例示であって、本例に限定されるものではない。
また、上記ステップS803、804では、改質器2の温度は、高温(例えば、600℃以上)となるので、改質器2よりも低温の水素生成装置100の部分(例えば、燃焼排ガス流路24の出口)の温度上昇値ΔT’に基づいて燃焼器4の燃焼量を導いても構わない。
また、上記ステップS803、804では、改質器2の温度が安定する一定時間Qまで待つことなく、さらに短い時間S(例えば、3分)における改質器2の昇温速度(ΔT/ΔS)に基づいて燃焼器4の燃焼量を導いても構わない。
なお、燃料電池システム200の動作は、水素生成装置100から供給される水素含有ガスを利用する水素利用機器を燃料電池5と考えれば、上記の説明から理解できるので、本動作の説明は省略する。
(実施の形態4)
[装置構成]
図9は、実施の形態4の水素生成装置を備える燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
[装置構成]
図9は、実施の形態4の水素生成装置を備える燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
図9に示すように、水素生成装置100は、改質器2と、温度検知器3Aと、原料供給器6と、水供給器7と、水蒸発器8と、燃焼器4と、水流量調整器10と、原料流量調整器11と、第1の開閉弁14と、第2の開閉弁15と、空気流量調整器18と、制御器9と、を備える。また、燃料電池システム200は、上記の水素生成装置100と、燃料電池5と、を備える。
改質器2、温度検知器3A、原料供給器6、水供給器7、水蒸発器8、燃焼器4と、水流量調整器10、原料流量調整器11、第1の開閉弁14、第2の開閉弁15及び燃料電池5については、実施の形態3と同じであるので説明を省略する。
空気流量調整器18は、燃焼器4への空気の流量を調整に用いる機器である。空気流量調整器18は、空気流路26上に配され、空気流路26を流れる空気の流量を所望の量に調整できれば、どのような構成でも構わない。例えば、空気流量調整器18は、流量計と流量調整弁により構成されていてもいい。
制御器9は、水素生成装置100の運転時に、温度検知器3Aで検知された温度に基づいて原料の組成を推定し、燃焼器4への空気の流量を、推定された原料の組成に相応する量に空気流量調整器18を用いて制御する。
なお、本実施の形態の水素生成装置100は、第1及び第2の開閉弁14、15を備える例を示しているが、実施の形態1(図1)の如く、これらの第1及び第2の開閉弁14、15を備えなくても構わない。また、本実施の形態の水素生成装置100は、実施の形態2(図5)の如く、温度検知器3Aに代えて、重量検知器3Bを備える構成であっても構わない。
[動作]
図10は、実施の形態4の水素生成装置の動作の一例を示すフローチャートである。以下、図10を参照しつつ、本実施の形態の水素生成装置100の動作について説明する。なお、以下の動作は、制御器9の制御により行われる。
図10は、実施の形態4の水素生成装置の動作の一例を示すフローチャートである。以下、図10を参照しつつ、本実施の形態の水素生成装置100の動作について説明する。なお、以下の動作は、制御器9の制御により行われる。
水素生成装置100の運転中の適時に、原料組成推定モードが選択される。原料組成推定モードの選択は、ある一定期間(例えば、100時間)経過毎に行っても構わないし、一定量(例えば、100L)の原料使用毎に行っても構わない。
原料組成推定モードが選択された場合、ステップS1001において、第1の開閉弁14を閉じ、第2の開閉弁15を開く。
次いで、ステップS1002において、所定の体積流量(例えば、1L/min)の原料ガスが、燃焼用原料流路25を流れるように、適宜の原料流量調整器(図示せず)を用いて原料の流量が調整される。
これにより、原料供給器6から所定量の原料が、燃焼器4に供給され、燃焼器4おいて燃焼される。このとき、燃焼器4の熱が改質器2に伝熱され、改質器2の温度が上昇する。
そして、改質器2の温度が安定する一定時間Q(例えば、10分)が経過した後、ステップS1003において、温度検知器3Aにより改質器2の温度が検知され、この改質器2の検知温度から、一定時間Qが経過した場合(単位時間あたり)の改質器2の温度上昇値ΔTが導かれる。
次いで、ステップS1004において、温度上昇値ΔTに基づいて燃焼器4の燃焼量(単位体積当たりの原料の燃焼量)が導かれる。
次いで、ステップS1005において、予め制御器9の記憶部に記憶された燃焼器4の燃焼量と原料組成との間の対応関係を示すデータから、現在の原料組成が推定される。燃焼器4の燃焼量と原料組成との間の対応関係を示すデータとして、例えば、燃焼器4の燃焼量と単位量当たりの原料中の炭素量との関係を表したテーブル等が例示される。
次いで、ステップS1006において、ステップS1005の原料組成に相応する水流量W(例えば、5cc/min)が導かれ、ステップS1005の原料組成に相応する空気流量A(例えば、20L/min)が導かれる。
そして、ステップS1007において、水供給器7から改質器2への水の流量が、ステップS1006の水流量Wになるよう、水流量調整器10を用いて制御され、空気供給器(図示せず)から燃焼器4への空気の流量が、ステップS1006の空気流量Aになるよう、空気流量調整器18を用いて制御される。
その後、ステップS1008において、第1の開閉弁14を開き、第2の開閉弁15を閉じる。
このようにして、原料組成推定モードが終了し、水素生成装置100の通常運転に戻る。
本実施の形態の水素生成装置100では、水素生成装置100の運転中の適時に、原料組成を推定するモードが行われるよう、水素生成装置100を制御している。よって、原料組成が刻々と変化する場合でも、従来に比べ、改質器2に過不足なく水を供給して、効率よく安定して水素を生成し得る。また、原料組成が刻々と変化する場合でも、従来に比べ、燃焼器4に適量(例えば、原料の供給流量から算出された理論燃焼の空気流量の1.5倍程度の流量)の空気を供給して、効率よく安定して水素を生成し得る。
なお、上記ステップS1005の原料組成の推定方法は、例示であって、本例に限定されるものではない。
また、上記ステップS1003、1004では、改質器2の温度は、高温(例えば、600℃以上)となるので、改質器2よりも低温の水素生成装置100の部分(例えば、燃焼排ガス流路24の出口)の温度上昇値ΔT’に基づいて燃焼器4の燃焼量を導いても構わない。
また、上記ステップS1003、1004では、改質器2の温度が安定する一定時間Qまで待つことなく、さらに短い時間S(例えば、3分)における改質器2の昇温速度(ΔT/ΔS)に基づいて燃焼器4の燃焼量を導いても構わない。
なお、燃料電池システム200の動作は、水素生成装置100から供給される水素含有ガスを利用する水素利用機器を燃料電池5と考えれば、上記の説明から理解できるので、本動作の説明は省略する。
(実施の形態5)
[装置構成]
図11は、実施の形態5の水素生成装置を備える燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
[装置構成]
図11は、実施の形態5の水素生成装置を備える燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
図11に示すように、水素生成装置100は、改質器2と、温度検知器3Aと、原料供給器6と、水供給器7と、水蒸発器8と、燃焼器4と、水流量調整器10と、原料流量調整器11と、第1の開閉弁14と、第2の開閉弁15と、空気流量調整器18と、制御器9と、を備える。また、燃料電池システム200は、上記の水素生成装置100と、水回収器13と、燃料電池5と、を備える。
改質器2、温度検知器3A、原料供給器6、水供給器7、水蒸発器8、燃焼器4と、水流量調整器10、原料流量調整器11、第1の開閉弁14、第2の開閉弁15、空気流量調整器18、制御器9及び燃料電池5については、実施の形態4と同じであるので説明を省略する。
水回収器13は、燃料電池5から燃焼器4に至る経路に配されている。つまり、水回収器13は、燃料オフガス流路27に配され、水回収器13で回収された水が水供給器7に供給される。これにより、回収水を改質水として再利用できるので、改質水として外部から供給すべき水の量を削減できるとともに、燃料電池システム200を効率よく安定的に動作でき、ひいては、燃料電池システム200の水自立運転が可能となる。
水回収器13は、例えば、適宜の冷媒との熱交換により燃料オフガスを冷却し、これにより、燃料オフガス中の水蒸気を凝縮させて水を回収する。しかし、水回収器13は、熱交換器には限定されず、燃料オフガスから水を回収可能であれば、どのような構成であっても構わない。
なお、本実施の形態の水素生成装置100は、実施の形態4(図9)と同様に、第1及び第2の開閉弁14、15及び空気流量調整器18を備える例を示しているが、実施の形態1(図1)の如く、これらの第1及び第2の開閉弁14、15及び空気流量調整器18を備えなくても構わない。また、本実施の形態の水素生成装置100は、実施の形態2(図5)の如く、温度検知器3Aに代えて、重量検知器3Bを備える構成であっても構わない。
上記説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および/又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明によれば、従来に比べ、改質器に過不足なく水を供給して、効率よく安定して水素を生成し得る水素生成装置及び燃料電池システムが得られる。よって、本発明は、例えば、水素生成装置及び燃料電池システムとして有用である。
2 改質器
3A 温度検知器
3B 重量検知器
4 燃焼器
5 燃料電池(水素利用機器)
6 原料供給器
7 水供給器
8 水蒸発器
9 制御器
10 水流量調整器
11 原料流量調整器
12 ガスボンベ
13 水回収器
14 第1の開閉弁
15 第2の開閉弁
18 空気流量調整器
20 原料流路
21 水流路
23 改質ガス流路
24 燃焼排ガス流路
25 燃焼用原料流路
26 空気流路
27 燃料オフガス流路
100 水素生成装置
200 燃料電池システム
3A 温度検知器
3B 重量検知器
4 燃焼器
5 燃料電池(水素利用機器)
6 原料供給器
7 水供給器
8 水蒸発器
9 制御器
10 水流量調整器
11 原料流量調整器
12 ガスボンベ
13 水回収器
14 第1の開閉弁
15 第2の開閉弁
18 空気流量調整器
20 原料流路
21 水流路
23 改質ガス流路
24 燃焼排ガス流路
25 燃焼用原料流路
26 空気流路
27 燃料オフガス流路
100 水素生成装置
200 燃料電池システム
Claims (10)
- 少なくとも炭素と水素から構成される有機化合物を含む原料から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記改質器に前記原料を供給する原料供給器と、
前記改質器に水を供給する水供給器と、
前記原料の組成の推定に用いる物理量を検知する検知器と、
前記水の流量の調整に用いる水流量調整器と、
運転時に、前記検知器で検知された物理量に基づいて前記原料の組成を推定し、前記水供給器から前記改質器への水の流量を、前記推定された原料の組成に相応する量に前記水流量調整器を用いて制御する制御器と、
を備える水素生成装置。 - 前記燃焼器への空気の流量の調整に用いる空気流量調整器を備え、
前記制御器は、前記燃焼器への空気の流量を、前記推定された原料の組成に相応する量に前記空気流量調整器を用いて制御する、請求項1に記載の水素生成装置。 - 前記検知器として、前記改質器の温度を直接的又は間接的に検知する温度検知器を備え、
前記制御器は、前記温度検知器で検知された温度に基づいて前記原料の組成を推定する、請求項1又は2に記載の水素生成装置。 - 前記制御器は、前記温度検知器で検知された単位時間当たりの前記改質器の温度上昇値、又は、前記温度検知器で検知された前記改質器の昇温速度に基づいて前記原料の組成を推定する、請求項3に記載の水素生成装置。
- 前記改質器の温度を間接的に検知する温度検知器により、前記燃焼器の燃焼排ガス流路の出口温度が検知される、請求項3に記載の水素生成装置。
- 沸点が異なる複数種の原料を密封するガスボンベを備え、
前記原料供給器は、前記ガスボンベから前記改質器へ前記原料を供給する請求項1に記載の水素生成装置。 - 前記検知器として、前記ガスボンベの重量を検知する重量検知器を備え、
前記制御器は、前記重量検知器で検知された重量に基づいて前記原料の組成を推定する、請求項6に記載の水素生成装置。 - 請求項1−7のいず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。
- 請求項1−6のいず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水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池から前記燃焼器に至る経路に配された第1の開閉弁と、
前記原料供給器から前記燃焼器に至る経路に配された第2の開閉弁と、
を備え、
前記原料の組成を推定する際に、前記制御器は、前記第1の開閉弁を閉じ、前記第2の開閉弁を開くよう、前記第1及び第2の開閉弁を制御し、前記燃焼器は、前記原料供給器からの前記原料を燃焼する、燃料電池システム。 - 前記燃料電池から前記燃焼器に至る経路に配された水回収器を備え、
前記水回収器で回収された水が前記水供給器に供給される、請求項8に記載の燃料電池システム。
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JP2013008753A JP2014139116A (ja) | 2013-01-21 | 2013-01-21 | 水素生成装置及び燃料電池システム |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2016169144A (ja) * | 2015-03-13 | 2016-09-23 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 水素生成装置の運転方法、水素生成装置および燃料電池システム |
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