JP2016117632A - 水素生成装置及びその運転方法並びに燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
化による効率低下を抑制することができる。第9流量が第7流量より小さい場合、構造体や触媒の過昇温を抑制でき温度の制御性を向上させることができる。
これにより、通常運転時に比べ、高い熱量で水素生成装置を加熱することによる構造体、触媒の熱劣化を最小限に抑えることができる。また手動起動時には通常起動時より高い加熱量で水素生成装置を加熱するため、通常起動時に比べ触媒の温度分布が異なり、水素含有ガス生成時の効率低下、あるいは生成した水素含有ガスの品質低下が発生することがあるが、これを抑制できる。なお、第3加熱量が第2加熱量より大きい場合、構造体や触媒の過昇温を抑えつつ、通常起動よりも速い起動が可能となる。第3加熱量が第2加熱量と等しい場合、高温域での昇温速度を通常起動と同等にすることができるため、構造体内部で温度分布ができることにより生じる応力からのダメージを抑えることができる。第3加熱量が第2加熱量より小さい場合、構造体や触媒の過昇温を抑制でき温度の制御性を向上させることができる。
これにより、手動起動を繰り返すことによる改質器構造体への負荷や触媒の熱劣化を抑えることができ、耐久性を維持することができる。
するステップと、を備える。
なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
図1は、本発明の実施の形態1〜3における水素生成装置の構成の一例を示すブロック図である。
る酸素含有ガス供給器6と、選択酸化器の温度を検知する選択酸化器温度検知器15と、水素生成装置100を制御する制御器50と、制御器50の動作を手動で操作できる操作部51とを備える。
、x≧AのときS102へ移行する(S101)。手動起動回数xの初期値は0であり制御器50にあらかじめ記憶されている。なお、許容手動起動回数Aは水素生成装置の構造体及び触媒の耐久性の観点からみて、手動起動による負荷が許容できる回数であり、たとえば30とする。これにより通常起動より負荷のかかる手動起動での負荷を抑制することができるため水素生成装置の耐久性を維持することができる。
る。酸素含有ガス供給開始タイミングは、選択酸化器温度検知器15で検知される選択酸化器温度が所定の温度条件を満たしたときとし、所定温度はたとえば180℃とする。なお、酸素含有ガス供給開始タイミングは、加熱開始から所定時間経過後でもよい(たとえば15分)。
速で起動できる手動起動モードに移行する。加熱器4において、図示されない点火装置により点火された原料ガスは燃焼用空気と共に燃焼する。原料ガスは加熱器による加熱量がQ2より大きい第1加熱量なるように供給され、燃焼により発生した熱は、改質器1およびCO低減器12および選択酸化器14に伝わり、改質器1およびCO低減器12および選択酸化器14を昇温する。なお、同時にヒーターによる加熱を併用してもよい(S105)。ここで、第1加熱量をQ1と設定し、Q1はたとえば700Wとする。
これにより改質器1およびCO低減器12および選択酸化器14は通常起動時より大きい熱量で加熱されるので、昇温を早めることができる。
minとする。酸素含有ガス供給開始タイミングは、選択酸化器温度検知器15で検知される選択酸化器温度が所定の温度条件を満たしたときとし、所定温度はたとえば180℃とする。なお、酸素含有ガス供給開始タイミングは、加熱開始から所定時間経過後でもよい(たとえば15分)。
とによる熱的損傷、さらには火炎長が通常起動時と異なることによって生じる、加熱部位の変化による性能低下を抑制できる。ここで、第3加熱量をQ3と設定し、Q3はたとえば400Wとする。
温を抑えつつ、通常起動よりも速い起動が可能となる。F9がF7と等しい場合、触媒の過昇温を抑えつつ、水素含有ガスの酸化による効率低下を抑制することができる。F9がF7より小さい場合(たとえば0.6L/min)、構造体や触媒の過昇温を抑制でき温
度の制御性を向上させることができる。
上述の第1の実施の形態では、パラメータ変更動作を改質温度および選択酸化器温度に基づいて行っているが、本変形例は、パラメータ変更動作において、改質器温度、あるいは選択酸化器によらず、加熱開始からの時間によって制御を行う。それ以外の点は、第1
の実施の形態と同様の構成であるので、同一の符号及び用語を付して、その説明を省略する。
これにより、改質器温度検知器7と、酸素含有ガス供給器6が故障等により機能しなかったとしても、水素生成装置100の昇温を早めることができる。
本実施形態における水素生成装置の構成も図1となる。
、x≧AのときS202へ移行する(S201)。手動起動回数xの初期値は0であり制御器50にあらかじめ記憶されている。なお、許容手動起動回数Aは水素生成装置の構造体及び触媒の耐久性の観点からみて、手動起動による負荷が許容できる回数であり、たとえば30とする。これにより通常起動より負荷のかかる手動起動での負荷を抑制することができるため水素生成装置の耐久性を維持することができる。
ば250℃とする。ここで、第1流量をF1と設定し、F1はたとえば3ml/minと
する。
選択酸化器14が所定の温度に到達したことが選択酸化器温度検知器15で検知された場合に、酸素含有ガス供給器6から酸素含有ガスがF7で選択酸化器14に供給される(S205)。F7とはたとえば0.7L/minとする。
速で起動できる手動起動モードに移行する。加熱器4において、図示されない点火装置により点火された原料ガスは燃焼用空気と共に燃焼する。燃焼により発生した熱は、改質器1およびCO低減器12および選択酸化器14に伝わり、改質器1およびCO低減器12および選択酸化器14を昇温する。なお、同時にヒーターによる加熱を併用してもよい(S206)。
始タイミングは、選択酸化器温度検知器15で検知される選択酸化器温度が所定の温度条件を満たしたときとし、所定温度はたとえば180℃とする。なお、酸素含有ガス供給開始タイミングは、加熱開始から所定時間経過後でもよい(たとえば15分)。
含有ガスが増量されることにより、選択酸化器14での水素の酸化反応が促進され、反応熱により触媒が加熱される為、S205に比べ、選択酸化器14の昇温が早くなる。
次に手動起動回数xに1を加算する(S210)。水素生成装置100の改質器1、CO低減器12、選択酸化器14の温度がそれぞれ所定の温度に到達し、水素生成装置100から水素利用機器150に水素が供給される。所定の温度とは、たとえば、改質温度は500℃、CO低減器温度が200℃、選択酸化器温度が150℃とする(S211)。
図6は本発明の実施の形態2における水素生成装置の制御パラメータ変更動作の一例を示すフローチャートである。
通常起動より多くなるため、CO低減器への伝熱を大きくでき触媒の昇温速度を大きくすることができる。F3がF1と等しい場合、水量過多で起こる触媒の水濡れによる劣化や、水不足による改質触媒上での炭素析出を抑え触媒の性能を維持することができる。F3がF1より小さい場合(たとえば2.5ml/min)、水の蒸発に使用される熱量を小
さくでき、構造体や触媒に与える熱量を大きくできるため水素生成装置の昇温速度を大きくすることができる。
さない場合、S226に移行する(S224)。
や触媒の過昇温を抑制でき温度の制御性を向上させることができる。
上述の第2の実施の形態では、パラメータ変更動作をCO低減器温度および選択酸化器温度に基づいて行っているが、本変形例は、パラメータ変更動作において、CO低減器温度、あるいは選択酸化器によらず、加熱開始からの時間によって制御を行う。それ以外の点は、実施の形態2と同様の構成であるので、同一の符号及び用語を付して、その説明を省略する。
4に置換したものである。 その他のステップは第2の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
上述の第2の実施の形態では、手動起動が選択された場合の起動方法について、水供給開始タイミングを改質器の温度に基づいて制御を行っているが、本変形例は、水供給開始タイミングを加熱開始後の経過時間に基づいて制御を行う点であり、それ以外の点は、第2の実施の形態と同様の構成であるので、同一の符号及び用語を付して、その説明を省略する。
本フローは図5に示した実施の形態2のステップ203をS233に、S207をS237に置換したものである。 その他のステップは実施の形態2と同様であるので説明を省略する。
これにより、改質器温度検知器7が故障等により機能しなかったとしても、水素生成装置100の昇温を早めることができる。
本実施形態における水素生成装置の構成も図1となる。
図9は、本発明の実施の形態3における水素生成装置の手動起動が選択されたときの動作の一例を示すフローチャートである。
、x≧AのときS302へ移行する(S301)。手動起動回数xの初期値は0であり制御器50にあらかじめ記憶されている。なお、許容手動起動回数Aは水素生成装置の構造体及び触媒の耐久性の観点からみて、手動起動による負荷が許容できる回数であり、たとえば30とする。これにより通常起動より負荷のかかる手動起動での負荷を抑制することができるため水素生成装置の耐久性を維持することができる。
は、選択酸化器温度検知器15で検知される選択酸化器温度が所定の温度条件を満たしたときとし、所定温度はたとえば180℃とする。なお、酸素含有ガス供給開始タイミングは、加熱開始から所定時間経過後でもよい(たとえば15分)。
速で起動できる手動起動モードに移行する。加熱器4において、図示されない点火装置により点火された原料ガスは燃焼用空気と共に燃焼する。燃焼により発生した熱は、改質器1およびCO低減器12および選択酸化器14に伝わり、改質器1およびCO低減器12および選択酸化器14を昇温する。なお、同時にヒーターによる加熱を併用しても良い(S305)。
また、ここで、第5流量をF5と設定し、F5はたとえば5ml/minとする。
加し、下流側にあるCO低減器12及び選択酸化器14を流通する。改質器1での水蒸気改質反応はCO低減器12及び選択酸化器14での反応より温度が高いので、改質ガスからCO低減器12及び選択酸化器14に熱移動が生じる。
始タイミングは、選択酸化器温度検知器15で検知される選択酸化器温度が所定の温度条件を満たしたときとし、所定温度はたとえば180℃とする。なお、酸素含有ガス供給開始タイミングは、加熱開始から所定時間経過後でもよい(たとえば15分)。
る(S312)。ここで、第5温度をT5と設定し、T5はたとえば100℃とする。
温を抑えつつ、通常起動よりも速い起動が可能となる。F9がF7と等しい場合、触媒の過昇温を抑えつつ、水素含有ガスの酸化による効率低下を抑制することができる。F9がF7より小さい場合(たとえば0.6L/min)、構造体や触媒の過昇温を抑制でき温
度の制御性を向上させることができる。
上述の第3の実施の形態では、パラメータ変更動作をCO低減器温度および選択酸化器温度に基づいて行っているが、本変形例は、パラメータ変更動作において、CO低減器温度、あるいは選択酸化器によらず、加熱開始からの時間によって制御を行う。それ以外の点は、第3の実施の形態と同様の構成であるので、同一の符号及び用語を付して、その説明を省略する。
る。条件を充たさない場合、S324に移行する。ここで第5時間をt5と設定し、t5はたとえば15分とする。
これにより、改質器温度検知器7と、酸素含有ガス供給器6が故障等により機能しなかったとしても、水素生成装置100の昇温を早めることができる。
本実施形態の燃料電池システムは、第1〜3の実施の形態のいずれかの水素生成装置と、水素生成装置より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。
を向上させることができるので、水素生成装置及び燃料電池システムに利用できる。
2 原料供給器
3 水供給器
4 加熱器
5 空気供給器
6 酸素含有ガス供給器
7 改質器温度検知器
8 封止器
9 水素供給路
10 燃料供給器
11 燃料供給路
12 CO低減器
13 CO低減器温度検知器
14 選択酸化器
15 選択酸化器温度検知器
50 制御器
51 操作部
100 水素生成装置
150 水素利用機器
151 燃料電池
200 燃料電池システム
Claims (18)
- 炭化水素を含む原料を改質して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加熱器と、
手動起動が選択された場合に、前記加熱器で加熱される第1加熱量が、通常起動時に前記加熱器で加熱される第2加熱量より大きくなるよう制御する制御器と、
を備えた、水素生成装置。 - 前記改質器の温度を検知する改質器温度検知器を備え、
前記制御器は、前記手動起動が選択された場合に、前記改質器温度検知器によって検知される改質温度が第1温度以上となった場合又は前記加熱器の加熱開始から第1時間経過した場合に、前記加熱器で加熱される加熱量が、前記第1加熱量より低い第3加熱量となるよう制御する、請求項1に記載の水素生成装置。 - 炭化水素を含む原料を改質して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加熱器と、
前記改質器に水を供給する水供給器と、
手動起動が選択された場合に、前記改質器の加熱開始から前記水供給器から前記改質器への水供給を開始するまでの第2時間が、通常起動時に、前記改質器の加熱開始から前記水供給器から前記改質器への水供給を開始するまでの第3時間よりも短くなるよう制御する制御器と、を備えた、水素生成装置。 - 炭化水素を含む原料を改質して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加熱器と、
前記改質器に水を供給する水供給器と、
前記改質器の温度を検知する改質器温度検知器と、
通常起動時に、前記改質器温度検知器によって検知される改質温度が第2温度になると前記改質器への水供給を開始し、手動起動が選択された場合に、改質温度が前記第2温度より低い第3温度になると前記改質器への水供給を開始するよう制御する制御器と、
を備えた水素生成装置。 - 前記制御器は、通常起動時に、第1流量で前記改質器へ水を供給し、前記手動起動が選択された場合に、前記第1流量より少ない第2流量で前記改質器へ水を供給するよう制御する、請求項3又は4に記載の水素生成装置。
- 前記改質器が生成する水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するCO低減器と、
前記CO低減器の温度を検知するCO低減器温度検知器と、を備え、
前記制御器は、前記手動起動が選択された場合に、前記CO低減器温度検知器によって検知されるCO低減器温度が第4温度以上となった場合又は前記加熱器の加熱開始から第4時間経過した場合に、前記第1流量より多い第3流量で前記改質器へ水を供給するよう制御する、請求項5に記載の水素生成装置。 - 炭化水素を含む原料を改質して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加熱器と、
前記改質器に水を供給する水供給器と、
通常起動時に、第4流量で前記改質器へ水を供給し、手動起動が選択された場合に、前記第4流量より多い第5流量で前記改質器へ水を供給するよう制御する制御器と、
を備えた、水素生成装置。 - 前記改質器が生成する水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するCO低減器と、
前記CO低減器の温度を検知するCO低減器温度検知器と、を備え、
前記制御器は、前記手動起動が選択された場合に、前記CO低減器温度検知器によって検知されるCO低減器温度が第5温度以上となった場合又は前記加熱器の加熱開始から第5時間経過した場合に、前記第5流量より少ない第6流量で前記改質器へ水を供給するよう制御する、請求項7に記載の水素生成装置。 - 前記CO低減器は、前記改質器が生成する水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応により低減する選択酸化器を含み、
前記選択酸化器に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給器を備え、
前記制御器は、通常起動時に、第7流量で前記選択酸化器へ酸素含有ガスを供給し、前記手動起動が選択された場合に、前記第7流量より多い第8流量で前記選択酸化器へ酸素含有ガスを供給するよう制御する、請求項6又は8に記載の水素生成装置。 - 前記選択酸化器の温度を検知する選択酸化器温度検知器を備え、
前記制御器は、前記手動起動が選択された場合に、前記選択酸化器温度検知器によって検知される選択酸化器温度が第6温度以上となった場合又は前記加熱器の加熱開始から第6時間経過した場合に、酸素含有ガスを前記第8流量より少ない第9流量で前記選択酸化器へ供給するよう制御する、請求項9に記載の水素生成装置。 - 前記制御器は、手動起動が選択された場合に、前記加熱器で加熱される第1加熱量が、通常起動時に前記加熱器で加熱される第2加熱量より大きくなるよう制御する制御器と、を備えた、請求項3〜10のいずれか1つに記載の水素生成装置。
- 前記制御器は、前記手動起動が選択された場合に、前記改質器温度検知器によって検知される改質温度が第1温度以上となった場合又は前記加熱器の加熱開始から第1時間経過した場合に、前記加熱器で加熱される加熱量が、前記第1加熱量より低い第3加熱量となるよう制御する、請求項3〜11のいずれかに記載の水素生成装置。
- 前記制御器は、前記手動起動の使用回数を記憶し、前記手動起動の使用回数が所定の回数を上回った場合に、前記手動起動が選択された場合でも通常起動を行うよう制御する、請求項1〜12のいずれか1つに記載の水素生成装置。
- 請求項1〜13のいずれかに記載の水素生成装置と、酸化剤ガスおよび前記水素生成装置からの水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備えた、燃料電池システム。
- 炭化水素を含む原料を改質して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加熱器と、を備えた水素生成装置の運転方法であって、
手動起動が選択されたか確認する入力ステップと、
手動起動が選択された場合に、加熱器で加熱される第1加熱量が、通常起動時に前記加熱器で加熱される第2加熱量より大きくなるよう制御する制御ステップと、
を備えた、水素生成装置の運転方法。 - 炭化水素を含む原料を改質して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加熱器と、前記改質器に水を供給する水供給器と、を備えた水素生成装置の運転方法であって、
前記改質器に水を供給する水供給ステップと、
手動起動が選択されたか確認する入力ステップと、
手動起動が選択された場合に、前記加熱器による前記改質器の加熱開始から前記水供給ステップを開始するまでの第2時間が、通常起動時に、前記改質器の加熱開始から前記水供給ステップを開始するまでの第3時間よりも短くするよう制御するステップと、
を備えた、水素生成装置の運転方法。 - 炭化水素を含む原料を改質して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加熱器と、前記改質器に水を供給する水供給器と、を備えた水素生成装置の運転方法であって、
前記改質器に水を供給する水供給ステップと、
手動起動が選択されたか確認する入力ステップと、
通常起動時に、前記改質器の温度が第2温度になると前記水供給ステップを開始し、手動起動が選択された場合に、前記改質器の温度が前記第2温度より低い第3温度になると前記水供給ステップを開始するよう制御するステップと、
を備えた、水素生成装置の運転方法。 - 炭化水素を含む原料を改質して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加熱器と、前記改質器に水を供給する水供給器と、を備えた水素生成装置の運転方法であって、
前記改質器に水を供給する水供給ステップと、
手動起動が選択されたか確認する入力ステップと、
通常起動時に、第4流量で水供給ステップを行い、手動起動選択された場合に、前記第4流量より多い第5流量で水供給ステップを行うよう制御するステップと、
を備えた、水素生成装置の運転方法。
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