JP3765989B2 - Reformer heating method and heating apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素ガスを水素ガスを含む改質ガスに改質する改質器の加熱方法と加熱装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
改質器で炭化水素ガスを水素ガスを含む改質ガスに改質するためには、改質器を高温に加熱する必要がある。従来の改質器の加熱装置の一例を図3を参照して説明する。図3は改質器によって改質された改質ガスを燃料電池に供給して発電するシステムの一部を示している。
図3に示す燃料電池発電システムは、改質器42と、燃料電池36と、バーナ46で主に構成されている。改質器42は、原燃料ガス(炭化水素ガス)を加熱して水素リッチな改質ガスを生成する。燃料電池36は、改質器42で生成された水素リッチな改質ガスを使って発電する。バーナ46は、ガスと、燃焼ファン46cによって供給された一次空気を混合室46bで混合して予混合ガスとし、バーナ部46aで全一次燃焼させ、その燃焼熱で改質器42を加熱して改質反応を促進する。
【0003】
ここで、バーナ46に供給されるガスには3種類ある。
1つ目は、改質器42で生成された改質ガスであって、燃料電池36を通過しない改質ガスである。改質器42の運転開始から一定時間の間は、改質器42の温度が上昇しないため、改質ガスの成分が安定しない。改質ガスの成分が安定せず、改質ガス中の水素の量が安定しない状態の改質ガスを燃料電池36に供給しても効率的な発電を行えない。このため、改質器42の運転開始から一定時間の間に生成された改質ガスは、燃料電池36を通さずにバーナ46に戻し、改質器42を加熱するための燃料として利用する。なお、改質ガスをバーナ46に供給する場合は、安全弁SV1を開放し、安全弁SV2とSV3を遮断する。
2つ目は、燃料電池36を通過したオフガスである。燃料電池36で発電に利用できる水素は最大でも改質ガス中の水素の約75〜80%程度であり、残りの約20〜25%の水素は利用されないまま燃料電池36を通過する。このため、オフガスを改質器42を加熱するための燃料として用いることで、オフガスの有効利用を図る。なお、このオフガスも、燃料電池36の発電開始から一定時間の間は、ガス成分が安定しないという特性を持っている。オフガスをバーナ46に供給する場合は、安全弁SV1を遮断し、安全弁SV2とSV3を開放する。
3つ目は、都市ガスやプロパンガス等の炭化水素を含む原燃料ガスである。この原燃料ガスは、バーナ46に上記したオフガスが供給されるまでは主たる燃料として供給され、オフガスが供給され始めた後は補助の燃料として供給される。なお、原燃料ガスの供給量は比例弁RVで調整される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
改質器42を加熱するバーナ46に、一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式のバーナを用いると、空気過剰率を低く設定することができるために燃焼温度を高くすることができる。このために、効率よく改質器42を加熱できる。
しかしながら、バーナ46に供給されるガスのうち、燃料電池36に供給できないガス成分が不安定でかつ水素濃度の高い改質ガスを全一次燃焼方式のバーナ46で燃焼させると、逆火(燃焼速度が混合気の流速を上回って火炎がバーナ部46a内に侵入する現象)が生じやすいという問題があった。全一次燃焼方式は燃焼に必要な空気全てを燃焼前にガスと混合させることから燃焼速度が速く、そのうえ成分が安定していないとはいえ水素を多量に含んだ改質ガスやオフガスを燃焼させるので、燃焼速度が非常に速くなってしまうからである。
また、配管A、Bをオフガスが流れて全一次燃焼方式のバーナ46へ供給されるまでには時間差がある。配管A、B内にはエアが入っている場合もあり、オフガスとしての発熱量が予測できない。このため、全一次燃焼方式のバーナ46での発生熱量が極端に落ち込み、リフトや失火等の燃焼不良が生じやすいという問題もあった。
このように従来の改質器加熱技術では、燃焼効率の高いにもかかわらず、一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式のバーナを利用しにくいという問題があった。
上記した問題のうち、改質器の運転開始直後に発生する改質ガスを燃焼させるのに燃焼効率の高いバーナを利用しにくいという問題は、燃料電池に水素リッチな改質ガスを供給する改質器に限られず、炭化水素ガスを水素ガスを含む改質ガスに改質する改質器に共通する問題である。例えば、得られた水素を燃料電池以外で用いるために使用される改質器にも同じ問題が存在する。
【0005】
本発明は、上記の問題を解決し、一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式のバーナを用いて効率的に改質器を加熱することができ、しかも、ガス成分が安定しない間の改質ガスやオフガスを安全に燃焼させて改質器を加熱する技術を実現する。
【0006】
【課題を解決するための手段および作用と効果】
本発明の一つの加熱方法は、炭化水素ガスを水素ガスを含む改質ガスに改質する改質器の加熱方法であり、炭化水素ガスを一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第1バーナに供給して改質器を加熱する工程と、改質器の運転開始時からガス成分が安定するまでの間の改質ガスを一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第2バーナに供給する工程を有する(請求項1)。
ここで、「一次空気比が高いブンゼン燃焼方式」とは、一次空気比が約0.7〜1.0の場合をいい、「一次空気比が低いブンゼン燃焼方式」とは、一次空気比が約0〜0.5の場合をいう。
第1バーナは、一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式であるため、燃焼効率が高いというメリットがある。反面、逆火しやすいというデメリットもある。一方、第2バーナは、一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式であるため、逆火等の燃焼不良が生じる可能性は小さいというメリットがある。
本加熱方法によると、炭化水素ガスを第1バーナに供給して改質器を加熱することで、改質器の加熱効率を高くすることができる。炭化水素ガスの場合、一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式で燃焼させても、燃焼不良は生じない。また、第2バーナに供給する改質ガスの成分が不安定でも、一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式で燃焼させるために、燃焼不良は生じない。
【0007】
本発明の他の一つの加熱方法は、改質器の運転開始時からガス成分が安定するまでの間の改質ガスを一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第2バーナに供給する工程と、ガス成分が安定した後の改質ガスを燃料電池に供給し、燃料電池を通過したオフガスを一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第1バーナに供給して改質器を加熱する工程を有する(請求項2)。
本加熱方法によると、改質器の運転開始時から改質ガス成分が安定するまでの間の改質ガスを第2バーナに供給することで、逆火を生じにくくすることができる。また、改質ガス成分が安定した後の改質ガスを燃料電池に供給し、燃料電池から通過したオフガスを第1バーナに供給して改質器を加熱することで、改質器の加熱効率を高くすることができる。
【0008】
上記の加熱方法では、改質器の運転開始からの経過時間及び/または改質器の温度に関する指標に基づいて、第2バーナへの改質ガスの供給を停止することが好ましい(請求項3)。
この加熱方法によると、簡単な方法で改質ガスの成分が安定するまでの間は第2バーナを用い、安定した後には燃焼効率の高い第1バーナを用いることができる。
【0009】
本発明の他の一つの加熱方法は、改質ガスを燃料電池に供給開始した時から燃料電池通過後のオフガス成分が安定するまでの間にオフガスを一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第2バーナに供給する工程と、ガス成分が安定した後のオフガスを一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第1バーナに供給して改質器を加熱する工程を有する(請求項4)。
本加熱方法によると、改質ガスを燃料電池に供給開始した時からガス成分が安定するまでの間に燃料電池を通過したガス成分が不安定なオフガスを第2バーナに供給するのでリフトや失火等の燃焼不良を生じにくくすることができる。また、オフガス成分が安定した後のオフガスを第1バーナに供給して改質器を加熱することで、改質器の加熱効率を高くすることができる。
【0010】
上記の加熱方法では、燃料電池の運転開始からの経過時間に基づいて、第2バーナへのオフガスの供給を停止することが好ましい(請求項5)。
この加熱方法によると、簡単な方法でオフガスのガス成分が安定するまでは第2バーナを利用し、安定した後は燃焼効率の高い第1バーナを利用することができる。
【0011】
本発明の他の一つの加熱方法は、改質器の運転開始時からガス成分が安定するまでの間の改質ガスを一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第2バーナに供給する工程と、ガス成分が安定した後の改質ガスを燃料電池に供給し、改質ガスを燃料電池に供給開始した時からガス成分が安定するまでの間に燃料電池を通過したオフガスを前記第2バーナに供給する工程と、ガス成分が安定した後のオフガスを一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第1バーナに供給して改質器を加熱する工程を有する(請求項6)。
本加熱方法によると、成分が安定するまでの間の改質ガスまたはオフガスを第2バーナに供給することで、逆火、あるいはリフトや失火等の燃焼不良の発生を防止することができる。また、オフガス成分が安定した後のオフガスを第1バーナに供給して改質器を加熱することで、改質器の加熱効率を高くすることができる。
【0012】
上記の加熱方法では、オフガスを第2バーナに供給開始した後に第2バーナの点火を再度行うことが好ましい(請求項7)。
第2バーナに供給するガスを改質ガスからオフガスに切替える場合、第2バーナに供給されるガスは、改質ガスからはオフガスに直接に切替わるのではなく、オフガス流路内に滞留していたエア等がオフガスに先立って供給される。この結果、第2バーナに供給されるガスは、改質ガスからエア、エアからオフガスの順に切替わる。第2バーナにエアが供給される間に、第2バーナが失火する場合も多い。この加熱方法によると、オフガスを第2バーナに供給し始めた後に第2バーナの点火を再度行うことから、エア等によって失火しても、オフガスを燃焼させることができる。
【0013】
本発明は、また、炭化水素ガスを水素ガスを含む改質ガスに改質する改質器の新たな加熱装置を実現した。この加熱装置は、一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第1バーナと、一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第2バーナと、炭化水素ガスを第1バーナに供給する第1配管と、改質ガスを第2バーナに供給する第2配管を備える(請求項8)。
本加熱装置によると、第1配管を通じて炭化水素ガスを第1バーナに供給して改質器を加熱することで、改質器の加熱効率を高くすることができる。また、改質器の運転開始時から改質ガス成分が安定するまでの間の改質ガスを第2配管を通じて第2バーナに供給して改質器を加熱することで、逆火を生じにくくすることができる。
【0014】
本発明の他の一つの加熱装置は、第1バーナと、第2バーナと、改質ガスを第2バーナに供給する第2配管と、改質ガスを燃料電池に供給する第3配管と、燃料電池を通過したオフガスを第1バーナに供給する第5配管と、第2配管と第3配管の一方を開放して他方を遮断する切替え弁を備える(請求項9)。
本加熱装置によると、改質器の運転開始時から改質ガス成分が安定するまでの間の改質ガスを、第2配管を通じて第2バーナに供給することで、逆火を生じにくくすることができる。また、改質ガス成分が安定した後の改質ガスを第3配管を通じて燃料電池に供給し、燃料電池を通過したオフガスを第5配管を通じて第1バーナに供給して改質器を加熱することで、改質器の加熱効率を高くすることができる。
【0015】
上記の加熱装置では、改質ガス成分が安定した時に切替え弁を切替えて第2配管を遮断して第3配管を開放することが好ましい(請求項10)。
この加熱装置のように切替え弁を切替えることで、各ガスの各バーナへの供給を適切に行うことができる。
【0016】
本発明の他の一つの加熱装置は、第1バーナと、第2バーナと、燃料電池を通過したオフガスを第2バーナに供給する第4配管と、オフガスを第1バーナに供給する第5配管と、第4配管と第5配管の一方を開放して他方を遮断する切替え弁を備える(請求項11)。
本加熱装置によると、改質ガスを燃料電池に供給開始した時からオフガス成分が安定するまでの間に燃料電池から通過したオフガスを第4配管を通じて第2バーナに供給することで、逆火を生じにくくすることができる。また、オフガス成分が安定した後のオフガスを第5配管を通じて第1バーナに供給して改質器を加熱することで、改質器の加熱効率を高くすることができる。
【0017】
上記の加熱装置では、オフガス成分が安定した時に切替え弁を切替えて第4配管を遮断して第5配管を開放することが好ましい(請求項12)。
この加熱装置のように切替え弁を切替えることで、オフガスの各バーナへの供給を適切に行うことができる。
【0018】
本発明の他の一つの加熱装置は、第1バーナと、第2バーナと、改質ガスを第2バーナに供給する第2配管と、改質ガスを燃料電池に供給する第3配管と、燃料電池を通過したオフガスを第2バーナに供給する第4配管と、オフガスを第1バーナに供給する第5配管と、第2配管と第3配管の一方を開放して他方を遮断する第1切替え弁と、第4配管と第5配管の一方を開放して他方を遮断する第2切替え弁を備える(請求項13)。
本発明の加熱装置によると、成分が安定するまでの間の改質ガスまたはオフガスを、それぞれ第2配管と第4配管を通じて第2バーナに供給することで、逆火を生じにくくすることができる。また、オフガス成分が安定した後のオフガスを、第5配管を通じて第1バーナに供給して改質器を加熱することで、改質器の加熱効率を高くすることができる。
【0019】
上記の加熱装置では、改質ガス成分が安定した時に第1切替え弁を切替えて第2配管を遮断して第3配管を開放し、オフガス成分が安定した時に第2切替え弁を切替えて第4配管を遮断して第5配管を開放することが好ましい。(請求項14)。
本発明の加熱装置のように切替え弁を切替えることで、各ガスの各バーナへの供給を適切に行うことができる。
【0020】
上記の加熱装置では、第1切替え弁を切替えた時から所定時間の間、点火動作を行なう点火装置を備えることが好ましい(請求項15)。
本加熱装置によると、点火装置によって第1切替え弁を切替えた時から所定時間点火を行うことから、エア等が流入して失火していても、オフガスを燃焼させることができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明を具現化した好適な実施例について、図を参照して説明する。まず、本実施例の燃料電池発電システムの構成を図1を参照して説明する。
図1に示すように、原燃料ガス供給ユニット22は、改質器バーナ46と改質器42の両方に向けてプロパンガス等の炭化水素系燃料から構成される原燃料ガスを供給する。改質器バーナ46には、第1配管23aと、この第1配管23aに設けられた元弁V2と、安全弁SV1と、比例弁RVを通じて原燃料ガス供給される。一方、改質器42へ向けて供給される原燃料ガスは、元弁V1を通じてまず脱硫器24に入る。脱硫器24は、原燃料ガス中の硫黄成分を除去する部分である。この硫黄成分が元で生成された二酸化硫黄は改質器42の触媒活性を無くさせるため、硫黄成分を除去する必要がある。脱硫器24から出た原燃料ガスは水と混合される。
【0022】
水と混合された原燃料ガスは改質器42に入り、水は水蒸気となる。改質器42は、原燃料ガスを加熱して水素リッチな改質ガスを生成する部分である。改質反応は触媒を使用した熱分解反応であり、生成された改質ガスは、H2、H2O、CO、CO2、CH4の成分から構成される。コールドスタートの場合、10分程度で改質が始まり、水素リッチな改質ガスが徐々に生成される。そして約1時間ほど経過すると、改質器42は約700〜800℃に昇温され、成分の安定した改質ガスが生成される。
【0023】
改質器42から出た改質ガスはシフト部30に入る。シフト部30は、生成された改質ガス(約1%のCOを含む)の温度を約200〜300℃にすることで、COを酸化させCO2にすることによってCO濃度を低下させる部分である。COは燃料電池36を被毒し性能を低下させるため、燃料電池36が固体高分子型の場合、CO濃度を10ppm以下に抑える必要がある。シフト部30から出た改質ガスは選択酸化部32に入る。選択酸化部32は、改質ガスの温度を約100〜200℃に下げるとともに少量の空気を入れることでCOだけをさらに酸化させ、CO濃度を10ppm以下にする部分である。シフト部30だけではCO濃度が充分に下がらないからである。
【0024】
選択酸化部32から出た改質ガスは第3配管23cと安全弁SV5を通じて燃料電池36に入るか、あるいは第2配管23bと安全弁SV4を通じて水供給ユニット38に入る。燃料電池36では、改質器42で生成された水素リッチな改質ガスと空気中の酸素を元に発電する。空気は燃料電池36に接続されたエアーポンプ34によって供給される。燃料電池36からはオフガスが出され、このオフガスは第4配管23d(この部分は第5配管23eと共用している)と安全弁SV6を通じて水供給ユニット38に入る。水供給ユニット38は、改質ガスまたはオフガス中の水分が改質器バーナ46や後記するパイロットバーナ54に入らないようにするためのトラップの役割を果たす。また、水供給ユニット38は、ウォータポンプ28を介して改質器42に水を供給する役割も果たす。水供給ユニット38から出たオフガスは第4配管23dと安全弁SV3を通じてパイロットバーナ54に供給されるか、あるいは第5配管23eと安全弁SV2を通じて改質器バーナ46に供給される。
【0025】
改質器バーナ46は全一次燃焼方式であり、バーナ部(セラミックバーナ)46aと、混合室46bと、燃焼ファン46cを備えており、バーナ部46aの炎を検知するフレームロッド44が取り付けられている。改質器バーナ46は、ガスと、燃焼ファン46cによって供給された一次空気を混合室46bで混合して予混合ガスとし、バーナ部46aで全一次燃焼させ、その燃焼熱を改質器42に加えて改質反応を促進する。一方、パイロットバーナ54は全二次燃焼方式であり、バーナ部(3本のブンゼンバーナ)54aと、混合室54bと、燃焼ファン54cを備えており、バーナ部54aの炎を検知するフレームロッド52が取り付けられている。パイロットバーナ54は、ノズル(図示省略)から噴出したガスと、その周囲の空気(二次空気)を混合して燃焼させる。なお、改質器バーナ46とパイロットバーナ54には、点火装置であるスパーカ50が接続されている。
【0026】
上記した安全弁SV1〜SV3、比例弁RV、燃焼ファン46c、54c、フレームロッド44、52、スパーカ50等は、電子基板58に接続されている。この電子基板58はメイン基板40に接続されている。
電子基板58は、メイン基板40からの運転開始・停止信号に応じて燃料電池発電システムの運転を開始・停止する。また、メイン基板40からの必要インプット信号に応じて、比例弁RVに供給する電流の量や、改質器バーナ46の燃焼ファン46cの回転数を調整する。また、メイン基板40からの燃焼モード切替信号に応じて、各安全弁SV1〜SV3の開放・遮断状態を切替える。
【0027】
次に、本実施例の燃料電池発電システムの動作を図2のタイミングチャートを主に参照して説明する。
図2に示すように、時間T1に、図1に示すメイン基板40から電子基板58に運転開始信号が送られると、改質器バーナ46は燃焼ファン46cにより、またパイロットバーナ54は燃焼ファン54cにより、それぞれ混合室46b、54b内の未燃ガスを追い出すためにプリパージが行われる。時間T2には、点火動作が開始され、点火時の爆発的点火を防止するためにまず緩点火での点火動作が行われる。この結果、各燃焼ファン46c、54cは緩点火における回転数で回転する。時間T3には、各ガス弁(安全弁SV1、SV3、SV4、比例弁RV、元弁V1、V2)が開放されるとともに、スパーカ50が作動して改質器バーナ46とパイロットバーナ54の点火が行われる。この結果、改質器42には元弁V1を通じて原燃料ガスが供給される。一方、改質器バーナ46には、第1配管23aと、元弁V2、安全弁SV1、比例弁RVを通じて原燃料ガスが供給されて燃焼が開始される。パイロットバーナ54には、第2配管23bと、安全弁SV4、SV3を通じて改質器42で生成された改質ガス(燃料電池36に供給される前のガス)が供給されて燃焼が開始される。
【0028】
なお、この時点では安全弁SV5、SV6は遮断状態となっているため、燃料電池36に改質ガスは供給されていない。このため、燃料電池36からはオフガスは出されていない。また、この時点では安全弁SV2は遮断状態となっているため、改質器42で生成された改質ガスは改質器バーナ46には供給されていない。
【0029】
時間T4に改質器バーナ46のフレームロッド(FR)44が炎を検知してオンすると、電子基板58は、改質器バーナ46が最大の燃焼状態となるように各部を制御する。具体的には、改質器バーナ46の燃焼ファン46cを最大ガス量の燃焼状態になる回転数とし、比例弁RVに最大電流を流す。同様に、時間T5にパイロットバーナ54のフレームロッド52が炎を検知してオンすると、電子基板58は、パイロットバーナ54の燃焼ファン54cを全二次に近い燃焼状態になる回転数とするとともに、スパーカ50を停止する。時間T5以後に、改質器42の温度が上昇してくると、目標に到達するのに必要なガス量がメイン基板40で演算される。そして、その必要なガス量に応じた必要インプット信号が電子基板58に適宜送られる。この信号に応じて電子基板58は、比例弁RVに流す電流の量や改質器バーナ46の燃焼ファン46cの回転数を適宜制御する。
【0030】
その後、改質器42で生成される改質ガスの成分が安定したと検知された時間T6において、メイン基板40から電子基板58に燃焼モード切替信号が送られる。本実施例では、改質器42の温度によって改質ガス成分が安定したことを検知する。具体的には、改質器42の温度が所定温度(約700〜800℃が好適である)になったこと検知した時点でメイン基板40から燃焼モード切替信号が送られる。なお、メイン基板40で改質器42の運転開始からの時間が所定時間(約50〜70分が好適である)計時された時点で改質ガス成分が安定したと検知して燃焼モード切替信号を送ってもよい。また、所定値内の温度変動幅(例えば基準値を750℃とした場合に、基準値に対し約±50℃以内の変動幅)が所定時間(例えば約5分程度)続いた場合に改質ガス成分が安定したと検知して燃焼モード切替信号を送ってもよい。
【0031】
このように時間T6に電子基板58が燃焼モード切替信号を受信すると、電子基板58は、他の制御基板(図示省略)に制御信号を送り、その制御基板は安全弁SV4を遮断し、安全弁SV5とSV6を開放するように制御する。この結果、燃料電池36を通過したオフガスが、第3配管23cと第4配管23dを通じてパイロットバーナ54に供給される。即ち、パイロットバーナ54に供給されるガスは、燃料電池36に入る前の改質ガスから、燃料電池36を通過したオフガスに切替えられる。
【0032】
パイロットバーナ54に供給するガスをオフガスに切替えても、パイロットバーナ54には、オフガスが直ちに流入せずにオフガス流路内に滞留していたエア等がまず流入するのが通常である。このため、時間T6にパイロットバーナ54に供給されるガスがオフガスに切替えられた後は、上記エア等によってパイロットバーナ54は失火する場合がある。このため、本実施例では、時間T6にパイロットバーナ54に供給されるガスがオフガスに切替えられた後の所定時間、スパーカ50によってパイロットバーナ54の点火を再度行う。これにより、エア等が流入してパイロットバーナ54が失火していても、オフガスを燃焼させることができる。
そして、パイロットバーナ54内にオフガスが供給され、時間T7でパイロットバーナ54が再度点火して、パイロットバーナ54のフレームロッド52が炎を検知してオンすると、スパーカ50が停止する。
【0033】
その後、上記した改質ガスの場合と同様に、改質器42から通過したオフガスの成分が安定したと検知された時間T8において、メイン基板40から電子基板58に燃焼モード切替信号が送られる。本実施例では、メイン基板40で燃料電池36の運転開始からの時間が所定時間(約10〜50分が好適である)計時された時点でオフガス成分が安定したと推定して燃焼モード切替信号を送る。このように時間T8に電子基板58が燃焼モード切替信号を受信すると、電子基板58は、安全弁SV2を開放し、安全弁SV3を遮断するように制御する。この結果、燃料電池36を通過したオフガスは、第5配管23eを通じて改質器バーナ46に供給される。即ち、オフガスの供給先がパイロットバーナ54から改質器バーナ46に切替えられる。
【0034】
時間T8での安全弁SV2とSV3の切替え動作によって改質器バーナ46が失火するおそれがあるため、予備動作としてスパーカ50を作動させる。同時に、燃焼が停止したパイロットバーナ54は燃焼ファン54cにより混合室54b内の未燃ガス等を追い出すためにポストパージが行われる。その後、時間T9にメイン基板40から電子基板58に運転停止信号が送られると、この信号に応じて電子基板58は各弁(安全弁SV1、SV2、SV5、SV6、比例弁RV)を遮断し、燃料電池発電システムの運転を停止する。ただし、時間T9からT10にかけて改質器バーナ46では、燃焼ファン46cによりポストパージを行う。
【0035】
以上、本発明の実施例の燃料電池発電システムについて説明したが、本発明の適用範囲は上記の実施例になんら限定されるものではない。すなわち、本発明は、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例の燃料電池発電システムを示した図。
【図2】同システムのタイミングチャートを示した図。
【図3】従来の燃料電池発電システムの一部を示した図。
【符号の説明】
V1、V2:元弁
SV1〜SV6:安全弁
RV:比例弁
22:原燃料ガス供給ユニット
23a〜e:第1〜第5配管
24:脱硫器
28:ウォータポンプ
30:シフト部
32:選択酸化部
34:エアーポンプ
36:燃料電池
38:水供給ユニット
40:メイン基板
42:改質器
44:フレームロッド(改質器バーナ用)
46:改質器バーナ(第1バーナの一例)
46a:バーナ部、46b:混合室、46c:燃焼ファン
50:スパーカ
52:フレームロッド(パイロットバーナ用)
54:パイロットバーナ(第2バーナの一例)
54a:バーナ部、54b:混合室、54c:燃焼ファン
58:電子基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heating method and a heating apparatus for a reformer that reforms a hydrocarbon gas into a reformed gas containing hydrogen gas.
[0002]
[Prior art]
In order to reform the hydrocarbon gas into a reformed gas containing hydrogen gas in the reformer, it is necessary to heat the reformer to a high temperature. An example of a conventional reformer heating apparatus will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows a part of a system for generating electricity by supplying a reformed gas reformed by a reformer to a fuel cell.
The fuel cell power generation system shown in FIG. 3 mainly includes a
[0003]
Here, there are three types of gas supplied to the
The first is reformed gas generated by the
The second is off gas that has passed through the
The third is raw fuel gas containing hydrocarbons such as city gas and propane gas. This raw fuel gas is supplied as the main fuel until the above-described off-gas is supplied to the
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
When a bunsen combustion type or all primary combustion type burner having a high primary air ratio is used as the
However, when the reformed gas having an unstable hydrogen component and a high hydrogen concentration among the gases supplied to the
Further, there is a time difference until the off gas flows through the pipes A and B and is supplied to the
As described above, the conventional reformer heating technique has a problem in that it is difficult to use a burner of the Bunsen combustion method or the all primary combustion method having a high primary air ratio in spite of high combustion efficiency.
Among the above-mentioned problems, the problem that it is difficult to use a burner with high combustion efficiency to burn the reformed gas generated immediately after the start of operation of the reformer is the problem of improving the supply of hydrogen-rich reformed gas to the fuel cell. This is a problem common to reformers that reform a hydrocarbon gas into a reformed gas containing hydrogen gas. For example, the same problem also exists in the reformer used for using the obtained hydrogen in other than the fuel cell.
[0005]
The present invention solves the above-described problem, can efficiently heat the reformer using a bunsen combustion type or all primary combustion type burner having a high primary air ratio, and the gas component is not stable. The technology to heat the reformer by safely combusting the reformed gas and off-gas.
[0006]
[Means for solving the problem, operation and effect]
One heating method of the present invention is a reformer heating method for reforming a hydrocarbon gas into a reformed gas containing hydrogen gas. The Bunsen combustion method or the all primary combustion method with a high primary air ratio of the hydrocarbon gas. The reformer gas is supplied to the first burner to heat the reformer, and the reformed gas from the start of the reformer operation until the gas component is stabilized is a Bunsen combustion method or a secondary that has a low primary air ratio. And supplying to the second burner of the combustion system.
Here, the “Bunsen combustion method with a high primary air ratio” means a case where the primary air ratio is about 0.7 to 1.0, and the “Bunsen combustion method with a low primary air ratio” means that the primary air ratio is The case of about 0-0.5 is said.
Since the 1st burner is a Bunsen combustion system or all primary combustion system with a high primary air ratio, there exists a merit that combustion efficiency is high. On the other hand, there is a demerit that it is easy to backfire. On the other hand, since the 2nd burner is a Bunsen combustion system or a total secondary combustion system with a low primary air ratio, there is a merit that there is little possibility that a combustion failure such as flashback will occur.
According to this heating method, the heating efficiency of the reformer can be increased by supplying hydrocarbon gas to the first burner and heating the reformer. In the case of hydrocarbon gas, combustion failure does not occur even when burned by the Bunsen combustion method or the all primary combustion method with a high primary air ratio. Further, even if the component of the reformed gas supplied to the second burner is unstable, combustion failure does not occur because combustion is performed by the Bunsen combustion method or the total secondary combustion method with a low primary air ratio.
[0007]
According to another heating method of the present invention, the reformed gas from the start of operation of the reformer until the gas component is stabilized is supplied to the second burner of the Bunsen combustion method or the all secondary combustion method with a low primary air ratio. Supplying the reformed gas after the gas component is stabilized to the fuel cell, and supplying the off-gas that has passed through the fuel cell to the first burner of the Bunsen combustion method or the all primary combustion method having a high primary air ratio. And heating the reformer (claim 2).
According to the present heating method, by supplying the reformed gas from the start of operation of the reformer to the time when the reformed gas component is stabilized to the second burner, backfire can be made difficult to occur. Also, the reformed gas after the reformed gas component is stabilized is supplied to the fuel cell, and the off-gas that has passed from the fuel cell is supplied to the first burner to heat the reformer, thereby heating the reformer. Can be high.
[0008]
In the above heating method, it is preferable to stop the supply of the reformed gas to the second burner based on an index relating to the elapsed time from the start of operation of the reformer and / or the temperature of the reformer. ).
According to this heating method, the second burner can be used until the components of the reformed gas are stabilized by a simple method, and the first burner having a high combustion efficiency can be used after stabilization.
[0009]
Another heating method of the present invention is a bunsen combustion method in which the primary air ratio is low or all of the two times from when the reformed gas is supplied to the fuel cell until the offgas component after passing through the fuel cell is stabilized. A step of supplying the second burner of the secondary combustion method, and a step of heating the reformer by supplying the off-gas after stabilization of the gas component to the first burner of the Bunsen combustion method or the all primary combustion method having a high primary air ratio (Claim 4).
According to this heating method, the gas component that has passed through the fuel cell is supplied to the second burner during the period from when the reformed gas is supplied to the fuel cell until the gas component becomes stable. It is possible to make it difficult for defective combustion such as the above to occur. Further, the heating efficiency of the reformer can be increased by supplying the offgas after the offgas component is stabilized to the first burner and heating the reformer.
[0010]
In the above heating method, it is preferable to stop the supply of off-gas to the second burner based on the elapsed time from the start of operation of the fuel cell.
According to this heating method, the second burner can be used until the gas component of the off-gas is stabilized by a simple method, and the first burner having high combustion efficiency can be used after stabilization.
[0011]
According to another heating method of the present invention, the reformed gas from the start of operation of the reformer until the gas component is stabilized is supplied to the second burner of the Bunsen combustion method or the all secondary combustion method with a low primary air ratio. To the fuel cell, the reformed gas after the gas component is stabilized is supplied to the fuel cell, and the off-gas that has passed through the fuel cell after the reformed gas is supplied to the fuel cell until the gas component is stabilized And supplying the second gas to the second burner and supplying the off-gas after stabilization of the gas component to the first burner of the Bunsen combustion method or the all primary combustion method having a high primary air ratio to heat the reformer. (Claim 6).
According to this heating method, by supplying the reformed gas or off-gas until the components are stabilized to the second burner, it is possible to prevent the occurrence of defective combustion such as flashback or lift or misfire. Further, the heating efficiency of the reformer can be increased by supplying the offgas after the offgas component is stabilized to the first burner and heating the reformer.
[0012]
In the above heating method, it is preferable to ignite the second burner again after starting the supply of off-gas to the second burner.
When the gas supplied to the second burner is switched from the reformed gas to the off gas, the gas supplied to the second burner is not directly switched from the reformed gas to the off gas, but stays in the off gas flow path. Air or the like is supplied prior to off-gas. As a result, the gas supplied to the second burner is switched from the reformed gas to the air and from the air to the off gas. In many cases, the second burner misfires while air is supplied to the second burner. According to this heating method, since the second burner is ignited again after starting to supply the off gas to the second burner, the off gas can be combusted even if misfire is caused by air or the like.
[0013]
The present invention has also realized a new heating device for a reformer that reforms a hydrocarbon gas into a reformed gas containing hydrogen gas. This heating apparatus has a first burner with a high primary air ratio or a bunsen combustion method or an all primary combustion method, a second burner with a low primary air ratio or a bunsen combustion method or an all secondary combustion method, and a first hydrocarbon gas. A first pipe for supplying the burner and a second pipe for supplying the reformed gas to the second burner are provided.
According to the present heating apparatus, the heating efficiency of the reformer can be increased by supplying hydrocarbon gas to the first burner through the first pipe to heat the reformer. Further, by supplying the reformed gas from the start of the reformer operation until the reformed gas component is stabilized to the second burner through the second pipe and heating the reformer, backfire hardly occurs. can do.
[0014]
Another heating device of the present invention includes a first burner, a second burner, a second pipe for supplying reformed gas to the second burner, a third pipe for supplying reformed gas to the fuel cell, A fifth pipe for supplying off gas that has passed through the fuel cell to the first burner, and a switching valve that opens one of the second pipe and the third pipe and shuts off the other are provided.
According to the present heating device, by supplying the reformed gas from the start of the reformer operation until the reformed gas component is stabilized to the second burner through the second piping, it is difficult to cause backfire. Can do. Further, the reformed gas after the reformed gas component is stabilized is supplied to the fuel cell through the third pipe, and the off-gas that has passed through the fuel cell is supplied to the first burner through the fifth pipe to heat the reformer. Thus, the heating efficiency of the reformer can be increased.
[0015]
In the heating apparatus described above, it is preferable that when the reformed gas component is stabilized, the switching valve is switched to shut off the second pipe and open the third pipe.
By switching the switching valve as in this heating device, it is possible to appropriately supply each gas to each burner.
[0016]
Another heating device according to the present invention includes a first burner, a second burner, a fourth pipe for supplying off gas that has passed through the fuel cell to the second burner, and a fifth pipe for supplying off gas to the first burner. And a switching valve that opens one of the fourth pipe and the fifth pipe and shuts off the other (claim 11).
According to the present heating apparatus, backfire is prevented by supplying offgas that has passed from the fuel cell to the second burner through the fourth pipe from when the reformed gas is supplied to the fuel cell until the offgas component is stabilized. It can be made difficult to occur. Moreover, the heating efficiency of the reformer can be increased by supplying the offgas after the offgas component is stabilized to the first burner through the fifth pipe to heat the reformer.
[0017]
In the heating apparatus described above, it is preferable that when the off-gas component is stabilized, the switching valve is switched to shut off the fourth pipe and open the fifth pipe.
By switching the switching valve as in this heating device, it is possible to appropriately supply off-gas to each burner.
[0018]
Another heating device of the present invention includes a first burner, a second burner, a second pipe for supplying reformed gas to the second burner, a third pipe for supplying reformed gas to the fuel cell, A first pipe for supplying off-gas that has passed through the fuel cell to the second burner; a fifth pipe for supplying off-gas to the first burner; and a first pipe that opens one of the second and third pipes and blocks the other. A switching valve and a second switching valve that opens one of the fourth pipe and the fifth pipe and shuts off the other are provided (claim 13).
According to the heating device of the present invention, by supplying the reformed gas or off-gas until the components are stabilized to the second burner through the second piping and the fourth piping, respectively, backfire can be made difficult to occur. . Further, the heating efficiency of the reformer can be increased by supplying the offgas after the offgas component is stabilized to the first burner through the fifth pipe to heat the reformer.
[0019]
In the above heating device, when the reformed gas component is stabilized, the first switching valve is switched to shut off the second piping and the third piping is opened, and when the off-gas component is stabilized, the second switching valve is switched to switch the fourth switching valve. It is preferable to shut off the pipe and open the fifth pipe. (Claim 14).
By switching the switching valve as in the heating device of the present invention, it is possible to appropriately supply each gas to each burner.
[0020]
Preferably, the above heating device includes an ignition device that performs an ignition operation for a predetermined time from when the first switching valve is switched.
According to the present heating device, since ignition is performed for a predetermined time from when the first switching valve is switched by the ignition device, off-gas can be burned even if air or the like flows and misfires.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the configuration of the fuel cell power generation system of this embodiment will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, the raw fuel
[0022]
The raw fuel gas mixed with water enters the
[0023]
The reformed gas output from the
[0024]
The reformed gas output from the
[0025]
The
[0026]
The safety valves SV1 to SV3, the proportional valve RV, the
The
[0027]
Next, the operation of the fuel cell power generation system of the present embodiment will be described with reference mainly to the timing chart of FIG.
As shown in FIG. 2, when an operation start signal is sent from the
[0028]
At this time, since the safety valves SV5 and SV6 are in a shut-off state, the reformed gas is not supplied to the
[0029]
When the flame rod (FR) 44 of the
[0030]
Thereafter, a combustion mode switching signal is sent from the
[0031]
Thus, when the
[0032]
Even when the gas supplied to the
Then, the off gas is supplied into the
[0033]
Thereafter, as in the case of the reformed gas described above, a combustion mode switching signal is sent from the
[0034]
Since the
[0035]
The fuel cell power generation system according to the embodiment of the present invention has been described above, but the scope of application of the present invention is not limited to the above embodiment. In other words, the present invention can be implemented in various modifications and improvements based on the knowledge of those skilled in the art.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a fuel cell power generation system according to the present embodiment.
FIG. 2 is a view showing a timing chart of the system.
FIG. 3 is a diagram showing a part of a conventional fuel cell power generation system.
[Explanation of symbols]
V1, V2: Main valve
SV1 to SV6: Safety valve
RV: Proportional valve
22: Raw fuel gas supply unit
23a-e: 1st-5th piping
24: Desulfurizer
28: Water pump
30: Shift section
32: Selective oxidation part
34: Air pump
36: Fuel cell
38: Water supply unit
40: Main board
42: reformer
44: Frame rod (for reformer burner)
46: Reformer burner (example of first burner)
46a: burner section, 46b: mixing chamber, 46c: combustion fan
50: Sparker
52: Frame rod (for pilot burner)
54: Pilot burner (example of second burner)
54a: burner section, 54b: mixing chamber, 54c: combustion fan
58: Electronic substrate
Claims (15)
炭化水素ガスを一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第1バーナに供給して改質器を加熱する工程と、
改質器の運転開始時からガス成分が安定するまでの間の改質ガスを一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第2バーナに供給する工程を有する改質器の加熱方法。A reformer heating method for reforming hydrocarbon gas into reformed gas containing hydrogen gas,
Supplying a hydrocarbon gas to a first burner of a Bunsen combustion system or an all primary combustion system having a high primary air ratio to heat the reformer;
Heating of a reformer having a step of supplying a reformed gas from the start of operation of the reformer to the second burner of the Bunsen combustion method or the total secondary combustion method having a low primary air ratio from when the gas component is stabilized Method.
改質器の運転開始時からガス成分が安定するまでの間の改質ガスを一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第2バーナに供給する工程と、
ガス成分が安定した後の改質ガスを燃料電池に供給し、燃料電池を通過したオフガスを一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第1バーナに供給して改質器を加熱する工程を有する改質器の加熱方法。A reformer heating method for reforming a hydrocarbon gas into a reformed gas containing hydrogen gas and supplying the reformed gas to a fuel cell,
Supplying the reformed gas from the start of operation of the reformer to the stabilization of the gas component to the second burner of the Bunsen combustion method or the all secondary combustion method having a low primary air ratio;
The reformed gas after the gas component is stabilized is supplied to the fuel cell, and the off-gas that has passed through the fuel cell is supplied to the first burner of the Bunsen combustion method or the all primary combustion method having a high primary air ratio to heat the reformer. The heating method of the reformer which has the process to do.
改質ガスを燃料電池に供給開始した時から燃料電池通過後のオフガス成分が安定するまでの間にオフガスを一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第2バーナに供給する工程と、
ガス成分が安定した後のオフガスを一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第1バーナに供給して改質器を加熱する工程を有する改質器の加熱方法。A reformer heating method for reforming a hydrocarbon gas into a reformed gas containing hydrogen gas and supplying the reformed gas to a fuel cell,
The step of supplying the off gas to the second burner of the Bunsen combustion method or the all secondary combustion method having a low primary air ratio from when the reformed gas is supplied to the fuel cell until the off gas component after passing through the fuel cell is stabilized. When,
A method of heating a reformer comprising a step of heating the reformer by supplying the off-gas after the gas component is stabilized to a first burner of a Bunsen combustion method or an all primary combustion method having a high primary air ratio.
改質器の運転開始時からガス成分が安定するまでの間の改質ガスを一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第2バーナに供給する工程と、
ガス成分が安定した後の改質ガスを燃料電池に供給し、改質ガスを燃料電池に供給開始した時からガス成分が安定するまでの間に燃料電池を通過したオフガスを前記第2バーナに供給する工程と、
ガス成分が安定した後のオフガスを一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第1バーナに供給して改質器を加熱する工程を有する改質器の加熱方法。A reformer heating method for reforming a hydrocarbon gas into a reformed gas containing hydrogen gas and supplying the reformed gas to a fuel cell,
Supplying the reformed gas from the start of operation of the reformer to the stabilization of the gas component to the second burner of the Bunsen combustion method or the all secondary combustion method having a low primary air ratio;
After the gas component is stabilized, the reformed gas is supplied to the fuel cell, and the off-gas that has passed through the fuel cell from when the reformed gas is supplied to the fuel cell until the gas component is stabilized is supplied to the second burner. Supplying, and
A method of heating a reformer comprising a step of heating the reformer by supplying the off-gas after the gas component is stabilized to a first burner of a Bunsen combustion method or an all primary combustion method having a high primary air ratio.
一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第1バーナと、
一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第2バーナと、
炭化水素ガスを第1バーナに供給する第1配管と、
改質ガスを第2バーナに供給する第2配管を備えた改質器の加熱装置。A reformer heating device for reforming hydrocarbon gas into reformed gas containing hydrogen gas,
A first burner with a high primary air ratio of Bunsen combustion method or all primary combustion method,
A second burner with a low primary air ratio, a Bunsen combustion method or an all-secondary combustion method,
A first pipe for supplying hydrocarbon gas to the first burner;
A heating device for a reformer including a second pipe for supplying the reformed gas to the second burner.
一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第1バーナと、
一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第2バーナと、
改質ガスを第2バーナに供給する第2配管と、
改質ガスを燃料電池に供給する第3配管と、
燃料電池を通過したオフガスを第1バーナに供給する第5配管と、
第2配管と第3配管の一方を開放して他方を遮断する切替え弁を備えた改質器の加熱装置。A reformer heating device that reforms a hydrocarbon gas into a reformed gas containing hydrogen gas and supplies the reformed gas to a fuel cell.
A first burner with a high primary air ratio of Bunsen combustion method or all primary combustion method,
A second burner with a low primary air ratio, a Bunsen combustion method or an all-secondary combustion method,
A second pipe for supplying the reformed gas to the second burner;
A third pipe for supplying the reformed gas to the fuel cell;
A fifth pipe for supplying off-gas that has passed through the fuel cell to the first burner;
A reformer heating device comprising a switching valve that opens one of the second pipe and the third pipe and shuts off the other.
一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第1バーナと、
一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第2バーナと、
燃料電池を通過したオフガスを第2バーナに供給する第4配管と、
オフガスを第1バーナに供給する第5配管と、
第4配管と第5配管の一方を開放して他方を遮断する切替え弁を備えた改質器の加熱装置。A reformer heating device that reforms a hydrocarbon gas into a reformed gas containing hydrogen gas and supplies the reformed gas to a fuel cell.
A first burner with a high primary air ratio of Bunsen combustion method or all primary combustion method,
A second burner with a low primary air ratio, a Bunsen combustion method or an all-secondary combustion method,
A fourth pipe for supplying off-gas that has passed through the fuel cell to the second burner;
A fifth pipe for supplying off-gas to the first burner;
A reformer heating device comprising a switching valve that opens one of a fourth pipe and a fifth pipe and shuts off the other.
一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第1バーナと、
一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第2バーナと、
改質ガスを第2バーナに供給する第2配管と、
改質ガスを燃料電池に供給する第3配管と、
燃料電池を通過したオフガスを第2バーナに供給する第4配管と、
オフガスを第1バーナに供給する第5配管と、
第2配管と第3配管の一方を開放して他方を遮断する第1切替え弁と、
第4配管と第5配管の一方を開放して他方を遮断する第2切替え弁を備えた改質器の加熱装置。A reformer heating device that reforms a hydrocarbon gas into a reformed gas containing hydrogen gas and supplies the reformed gas to a fuel cell.
A first burner with a high primary air ratio of Bunsen combustion method or all primary combustion method,
A second burner with a low primary air ratio, a Bunsen combustion method or an all-secondary combustion method,
A second pipe for supplying the reformed gas to the second burner;
A third pipe for supplying the reformed gas to the fuel cell;
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A reformer heating device comprising a second switching valve that opens one of a fourth pipe and a fifth pipe and shuts off the other.
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