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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料と水蒸気とから改質ガスを生成する改質部と、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素ガスと水素ガスに変成するシフト部と、シフト部を通過した改質ガスに残存する一酸化炭素ガスを空気と反応させて二酸化炭素ガスに酸化するCO浄化部を備えた改質装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料と改質水を水蒸気改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成する改質部と、該改質ガスに含有する一酸化炭素ガスを水蒸気と反応させて低減させるシフト部と、該シフト部を通過した改質ガスに残存する一酸化炭素ガスを空気により酸化させるCO浄化部と、前記改質部に燃焼ガスを供給する燃焼部を備えた改質装置において、改質水が蒸発器で前記燃焼部から供給される燃焼ガスにより気液混合水蒸気に蒸発され、該気液混合水蒸気がCO浄化部を冷却した後に、改質ガスとの間で熱交換して加熱され、改質部に供給される改質装置が特開2001−163601号公報に記載されている。
【0003】
【特許文献1】
特開2001−163601号公報(第3,4頁、図4)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の改質装置では、CO浄化部を冷却した気液混合水蒸気が改質ガスとの間で熱交換し、改質ガスがシフト部触媒の活性温度域に冷却されてシフト部に供給され、且つ水蒸気が改質部触媒の活性温度域に加熱されて改質部に供給されるような熱バランスが取られていないので、水で温度制御した燃焼ガスをシフト部に供給してシフト部の温度を調整しなければならなかった。また、燃料が水蒸気とは別に改質部に供給されるので、燃料は改質ガスにより加熱されずに燃焼ガスにより加熱しなければならず、その分熱エネルギーが効率的に利用されない不具合があった。
【0005】
本発明は、係る従来の不具合を解消するためになされたもので、CO浄化部の改質ガスの温度、シフト部に流入する改質ガスの温度および改質部に供給される水蒸気の温度が各触媒の活性温度域となるように装置全体の熱バランスが取られた状態で改質ガスと水蒸気との間で熱交換することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明の構成上の特徴は、改質水を気液混合水蒸気に蒸発させる蒸発器と、燃焼部で生成された燃焼ガスにより活性温度域に加熱された改質部触媒により燃料と水蒸気とを改質ガスに改質する改質部と、該改質部で生成された改質ガスと前記気液混合水蒸気との間で熱交換し、前記改質ガスをシフト部触媒の活性温度域に冷却してシフト部に供給し、前記水蒸気を改質部触媒の活性温度域に加熱して前記改質部に供給する主熱交換器と、該主熱交換器で冷却された改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスと水蒸気とをシフト部触媒により水素ガスと二酸化炭素ガスに変成させるシフト部と、前記シフト部から導出された改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスをCO浄化部触媒により空気と反応させて二酸化炭素ガスに酸化するCO浄化部と、前記蒸発器と前記主熱交換器との間に接続され前記気液混合水蒸気により前記CO浄化部を流れる改質ガスの温度をCO浄化部触媒の活性温度域に低下させるCO浄化部熱交換器を備えたことである。
【0007】
請求項2に係る発明の構成上の特徴は、改質水を気液混合水蒸気に蒸発させる蒸発器と、該蒸発器で生成された気液混合水蒸気に燃料を混合する混合部と、燃焼部で生成された燃焼ガスにより活性温度域に加熱された改質触媒により燃料と水蒸気とを改質ガスに改質する改質部と、該改質部で生成された改質ガスと前記混合部で燃料が混合された気液混合水蒸気との間で熱交換し、前記改質ガスをシフト部触媒の活性温度域に冷却してシフト部に供給し、前記混合された水蒸気と燃料とを改質部触媒の活性温度域に加熱して前記改質部に供給する主熱交換器と、該主熱交換器で冷却された改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスと水蒸気とをシフト部触媒により水素ガスと二酸化炭素ガスに変成させるシフト部と、前記シフト部から導出された改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスをCO浄化部触媒により空気と反応させて二酸化炭素ガスにするCO浄化部と、前記蒸発器と前記主熱交換器との間に前記混合部の前または後で接続され前記気液混合水蒸気により前記CO浄化部を流れる改質ガスの温度をCO浄化部触媒の活性温度域に低下させるCO浄化部熱交換器を備えたことである。
【0008】
請求項3に係る発明の構成上の特徴は、請求項2において、前記主熱交換器の気液混合水蒸気の流入口と前記CO浄化部熱交換器の気液混合水蒸気の流出口とを接近して配置し、該気液混合水蒸気の流入口と流出口との間に前記混合部を設けたことである。
【0009】
請求項4に係る発明の構成上の特徴は、請求項1乃至3のいずれかにおいて、前記シフト部の温度を測定する測定装置と、該測定装置により測定されたシフト部の温度が低温しきい値より低い場合、前記改質水量を減少し、前記CO浄化部に供給する空気量を増加し、シフト部の温度が高温しきい値より高い場合、前記改質水量を増加し、前記CO浄化部に供給する空気量を増加する制御装置を備えたことである。
【0010】
請求項5に係る発明の構成上の特徴は、請求項4において、前記制御装置は、前記シフト部の温度が低温しきい値より低いときに前記改質水量を減少し、前記CO浄化部に供給する空気量を増加しても、前記シフト部の温度が下限値より低下した場合、または前記シフト部の温度が高温しきい値より高いときに前記改質水量を増加し、前記CO浄化部に供給する空気量を増加しても前記シフト部の温度が上限値より上昇した場合、異常処置を行うことである。
【0011】
【発明の作用・効果】
上記のように構成した請求項1に係る発明においては、燃焼部で生成された燃焼ガスにより改質部触媒が活性温度域に加熱され燃料と水蒸気とが改質ガスに改質される。改質部で生成された改質ガスが、蒸発器で生成された気液混合水蒸気と主熱交換器で熱交換し、改質ガスがシフト部触媒の活性温度域に冷却されてシフト部に供給され、水蒸気が改質部触媒の活性温度域に加熱されて改質部に供給される。冷却された改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスと水蒸気とがシフト部で触媒により水素ガスと二酸化炭素ガスに変成される。シフト部から導出された改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスがCO浄化部で触媒により空気と反応して二酸化炭素に酸化される。CO浄化部を流れる改質ガスの温度が、蒸発器と主熱交換器との間に接続されたCO浄化部熱交換器で気液混合水蒸気によりCO浄化部触媒の活性温度域に低下される。
【0012】
このように、水蒸気を熱バランスが取られた状態で循環することによりCO浄化部の改質ガスの温度、シフト部に流入する改質ガスの温度および改質部に供給される水蒸気の温度を各部の触媒の活性温度域に制御することができ、外部に排出する熱エネルギーを低減し、改質効率の高い改質装置を提供することができる。また、シフト部の温度制御を行うための熱交換器に改質水を分流して供給する必要が無く、そのために必要なポンプ、バルブ等が不要になり動力が低減して効率が向上し、補機点数が減少して設備コストを低減することができる。さらに、CO浄化部を流れる改質ガスを気液混合水蒸気により沸騰冷却することにより改質ガスの温度を温度制御がシビアなCO浄化部触媒の活性温度域に良好に保つことができる。
【0013】
上記のように構成した請求項2に係る発明においては、蒸発器で生成された気液混合水蒸気に燃料が混合される。燃焼部で生成された燃焼ガスにより改質部の触媒が活性温度域に加熱され燃料と水蒸気とが改質ガスに改質される。改質部で生成された改質ガスが、燃料が混合された気液混合水蒸気と主熱交換器で熱交換し、改質ガスがシフト部触媒の活性温度域に冷却されてシフト部に供給され、燃料が混合された水蒸気が改質部触媒の活性温度域に加熱されて改質部に供給される。冷却された改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスと水蒸気とがシフト部で触媒により水素ガスと二酸化炭素ガスに変成される。シフト部から導出された改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスがCO浄化部で触媒により空気と反応して二酸化炭素に酸化される。CO浄化部を流れる改質ガスの温度が、蒸発器と主熱交換器との間に接続されたCO浄化部熱交換器で気液混合水蒸気によりCO浄化部触媒の活性温度域に低下される。これにより、請求項1に記載の発明の効果に加え、燃料が水蒸気と共に改質ガスにより改質部触媒の活性温度域に加熱されて改質部に供給されるので、熱エネルギーを一層有効に利用して改質効率を高めることができる。
【0014】
上記のように構成した請求項3に係る発明においては、主熱交換器の気液混合水蒸気の流入口とCO浄化部熱交換器の気液混合水蒸気の流出口とを接近して配置し、該気液混合水蒸気の流入口と流出口との間で気液混合水蒸気に燃料を混合するので、気液混合水蒸気がCO浄化部の温度を正確に制御した後に、冷却することなくCO浄化部熱交換器から主熱交換器に流入することができる。
【0015】
上記のように構成した請求項4に係る発明においては、測定装置により測定されたシフト部の温度が低温しきい値より低い場合、改質水量を減少し、CO浄化部に供給する空気量を増加する。高温しきい値より高い場合、改質水量を増加し、CO浄化部に供給する空気量を増加する。これにより、熱バランスが若干崩れた場合にも、CO浄化部、シフト部、改質部の温度を各触媒の活性温度域に維持することができる。
【0016】
上記のように構成した請求項5に係る発明においては、測定装置により測定されたシフト部の温度が低温しきい値より低いときに改質水量を減少し、且つCO浄化部に供給する空気量を増加しても、シフト部の温度が下限値より低下した場合、またはシフト部の温度が高温しきい値より高いときに改質水量を増加し、且つCO浄化部に供給する空気量を増加しても、シフト部の温度が上限値より上昇した場合、異常処置を行うので、熱バランスが崩れて改質ガスが各触媒の活性温度域から外れた状態で運転が継続されることを防止することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る改質装置の実施の形態について説明する。図1はこの改質装置20を使用した燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池10と燃料電池10に必要な一酸化炭素濃度が極めて低い水素リッチな改質ガスを生成する改質装置20とを備えている。改質装置20は、都市ガス、LPG、灯油などの燃料と水蒸気とを水蒸気改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成する改質部30と、改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスを一酸化炭素シフト反応させて低減するシフト部40と、シフト部40から導出された改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に酸化してさらに減少させるCO浄化部60から構成されている。即ち、改質部30では、供給された燃料と水蒸気が触媒により反応して水素リッチな改質ガスが生成される。改質部30の反応室31に充填された改質部触媒31aは、燃焼部36から供給される燃焼ガスにより、改質部30での反応を促進する改質部触媒31aの活性温度域(550〜700℃)に加熱される。改質部30から導出された改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスは、シフト部40でシフト部触媒40aにより水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素ガスに変成される。改質部30から流出した高温の改質ガスは、シフト部40での一酸化炭素シフト反応を促進するシフト部触媒40aの活性温度域(200〜300℃)に主熱交換器34により低下される。シフト部40から導出された改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスは、CO浄化部60でCO浄化部触媒60aにより空気中の酸素と反応して二酸化炭素に酸化される。CO浄化部60を流れる改質ガスは、CO浄化部60に設けられたCO浄化部熱交換器70によりCO浄化部触媒60aの活性温度域(100〜200℃)に低下される。この改質装置20により生成された改質ガスを供給された燃料電池10は、改質ガスの水素ガスと酸素ガスとの反応により発電する。なお、本実施の形態において使用する燃料は都市ガス(メタンガスを主成分とする)である。
【0018】
改質部30は、改質反応を促進する改質部触媒31aが充填された反応室31と、この反応室31に密接して設けられて反応室31を加熱する加熱室32とから構成され、加熱室32には燃焼部36で生成された燃焼ガスが供給されて改質部触媒31aを活性温度域(550〜700℃)に加熱する。反応室31に充填された改質部触媒31aは、ほぼ一定の大きさの粒状のものであり、例えばルテニウム、ニッケルなどの金属をセラミックス製の球体に担持させたものである。燃焼部36は燃焼用燃料、燃料電池10からのオフガス、燃焼空気が供給され、高温の燃焼ガスを加熱室32に供給するバーナ33等から構成されている。
【0019】
反応室31には、燃料(メタンガス)が混合された水蒸気が改質部触媒31aの活性温度域に加熱されて供給され、燃料は下記化1に示すように、触媒31aにより水蒸気と反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成される(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に反応室31内では、下記化2に示すように、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素ガスが水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。水素リッチな改質ガスがこのようにして改質部30で生成される。
【0020】
【化1】
CH4+H2O → 3H2+CO
【0021】
【化2】
CO+H2O → H2+CO2
【0022】
上述した水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質部触媒31aをバーナ33により加熱するようになっている。バーナ33には、燃料電池10に接続されたオフガス供給管33aが接続されており燃料電池10にて反応に使われなかった水素ガス(オフガス)が供給される。また、改質装置の起動時等の必要時には、燃料供給源に接続された燃焼用燃料供給管33bが接続され、燃焼用燃料が供給されるようになっている。さらにバーナ33にはこれら供給されたオフガスまたは燃焼用燃料を燃焼させるための燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給管33cが接続されている。バーナ33にてオフガスまたは燃焼用燃料が燃焼されて高温の燃焼ガスが発生され、この燃焼ガスが加熱室32に供給されて反応室31が加熱されることにより改質部触媒31aが活性温度域に加熱される。
【0023】
加熱室32の燃焼ガスは、排気管32aにより蒸発器35に供給された後に排気ガスとして外部に排気される。蒸発器35では、給水源から給水管35bを通って供給された改質水が排気管32aから供給される高温の燃焼ガスにより加熱され気液が混合した飽和状態の気液混合水蒸気となって水蒸気供給管35aに導出される。なお、給水管35bは加熱室32の外周に巻きつけられており、給水源から供給された水は加熱室32により予熱される。水蒸気供給管35aはCO浄化部熱交換器70の流入口に接続され、気液混合水蒸気はCO浄化部60を流れる改質ガスの温度をCO浄化部熱交換器70によりCO浄化部触媒60aの活性温度域に冷却する。CO浄化部熱交換器70の流出口は、改質部30とシフト部40との間に設けられた主熱交換機34の流入口に接近して配置され、これら流出口と流入口とを接続する水蒸気供給管35aに燃料供給管37が混合部71で接続され、蒸発器35で生成された気液混合水蒸気に燃料が混合されるようになっている。主熱交換器34は改質部30で生成された改質ガスと混合部71で燃料が混合された気液混合水蒸気との間で熱交換し、高温の改質ガスをシフト部触媒40aの活性温度域に冷却してシフト部40に供給し、混合された水蒸気と燃料とを改質部触媒31aの活性温度域に加熱して改質部30の反応室31に供給する。この場合、燃料が混合された気液混合水蒸気の加熱温度は、改質部触媒31aの活性温度域より若干低くてもよく、実質的に改質部触媒31aの活性温度域に加熱されればよい。
【0024】
シフト部40内に充填されたシフト部触媒40aは例えば銅、亜鉛などの酸化物からなるほぼ一定の大きさの粒状のもので、円柱状に成型されている。この触媒40aは、主熱交換器34から導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気とを一酸化炭素シフト反応(下記化3参照)させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成し、一酸化炭素濃度を低減させる。このシフト部触媒40aは、活性温度域が200〜300℃で、熱伝導性のよいものである。なお、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
【0025】
【化3】
CO+H2O → H2+CO2
【0026】
上述したシフト部40から導出された一酸化炭素濃度が低減された改質ガスは、CO浄化部60に供給される。供給された改質ガスに残留している一酸化炭素は、下記化4に示すように、供給されたCO酸化空気とCO浄化部触媒60aの作用により酸化反応して二酸化炭素になる。CO浄化部触媒60aは、例えば白金、等をアルミナやジルコニア等からなる担持体に担持させたもので、活性温度域は、100〜200℃である。CO浄化部60からは一酸化炭素濃度が10ppm以下である改質ガスが導出され、この一酸化炭素濃度が極めて低い水素リッチな改質ガスが燃料電池10に供給される。
【0027】
【化4】
CO+1/2O2 → CO2
【0028】
CO浄化部60は改質ガス供給管61を介して燃料電池10の燃料極に接続されている。改質ガス供給管61にはオフガス燃焼器(図示省略)に接続されたバイパス管63が接続された切換装置62が設けられており、切換装置62は改質装置20の起動時にはCO浄化部60をオフガス燃焼器に接続し、定常時にはCO浄化部60を燃料電池10に接続するようになっている。燃料電池10はその燃料極および空気極にそれぞれ改質ガスおよび空気が供給されると、所定の反応を起こして発電する。このとき、燃料電池10の燃料極および空気極からはそれぞれオフガスおよび水(気体)が導出される。
【0029】
次に、上述した改質装置20の作動について説明する。改質装置20を起動する際には、切換装置62によりCO浄化部60をオフガス燃焼器に接続するとともに改質部30のバーナ33に燃焼用燃料を供給して燃焼させる。これにより、改質部30内の触媒31aおよび蒸発器35が加熱される。蒸発器35が所定温度まで加熱されると蒸発器35への改質水の供給が開始され、蒸発器35にて生成された気液混合水蒸気が、CO浄化部熱交換器70、主熱交換器34を介して改質部30に供給される。その後、混合部71への燃料の供給が開始され、改質部30では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じる。そして、改質部30から導出された改質ガスはシフト部40およびCO浄化部60により一酸化炭素ガスを低減されてCO浄化部60から導出される。その後、導出された改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定値以下となれば、切換装置62によりCO浄化部60を燃料電池10に接続して、起動運転を終了して定常運転を開始する。
【0030】
この定常運転時においては、改質装置20全体の熱バランスが取られた状態となり、図2に示すように、蒸発器35で生成された乾き度0.6の気液混合水蒸気は、CO浄化部熱交換器70でCO浄化部60を流れる改質ガスを約250℃から約100℃に沸騰冷却して乾き度0.9の水蒸気となる。気液混合水蒸気は、凝縮熱伝導率が大きいので、改質ガスの温度をCO浄化部触媒60aの活性温度域に正確に良好に低下して残留する一酸化炭素ガスを酸化して二酸化炭素ガスにすることができる。
【0031】
CO浄化部熱交換器70から流出し、混合部71で燃料が混合された気液混合水蒸気は、短い水蒸気管35aを通って殆ど熱エネルギーを放出することなく主熱交換器34に流入する。燃料が混合された気液混合水蒸気は、主熱交換器34において改質部30で生成された改質ガスを約650℃から約200℃に冷却し、自らは約100℃から約550℃に加熱されて改質部30に供給される。改質部30では、混合された燃料と水蒸気が燃焼ガスにより加熱された改質部触媒31aから反応熱を供給されて水蒸気改質反応するとともに、一酸化炭素シフト反応し、水素リッチな改質ガスを生成する。
【0032】
主熱交換器34で約200℃に冷却されてシフト部40に送られた改質ガスは、シフト部40で触媒40aの作用により改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスと水蒸気とが一酸化炭素シフト反応して水素ガスと二酸化炭素ガスに変成され約250℃に温度上昇する。シフト部40で約250℃に温度上昇してCO浄化部60送られた改質ガスはCO浄化部熱交換器70により約100℃に冷却され、CO浄化部60で触媒60aの作用により改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスが供給されたCO酸化空気と反応して二酸化炭素ガスに酸化され、CO浄化部60からは一酸化炭素濃度が10ppm以下の改質ガスが導出され、この水素リッチな改質ガスが燃料電池10に供給される。
【0033】
改質装置20が全体として熱バランスがとれた状態で運転されている場合における改質ガスの熱収支、改質水の受熱量、燃焼ガスの与熱量の一例を示す。改質装置20の運転条件は、燃料として都市ガスを1.5mol/min、改質水を5.13mol/min(スチームカーボン比2.85)、CO酸化空気を9NL/min、燃焼ガスとして都市ガスを13NL/min供給し、10kWの電気を燃料電池10が出力している場合である。改質ガスの熱収支は、改質部30では供給された燃料が転化率85%で改質されて4.4kW吸熱し、主熱交換器34では650℃から200℃に冷却されて2.5kW放熱し、シフト部では一酸化炭素ガスの含有率が11%から0.5%に減少して0.5kW放熱し、CO浄化部60では出口温度が100℃に冷却されて0.7kW放熱する。改質水の受熱量は、主熱交換器34では100℃から550℃に加熱されて2.3kW受熱し、CO浄化部熱交換器70では沸騰冷却して0.6kW受熱し、蒸発器35では2.4kW受熱する。なお、沸騰開始までの改質水の受熱量は、0.55kW、蒸発潜熱としての受熱量は3.48kW、沸騰終了から550℃までの受熱量は1.39kWである。燃焼ガスの与熱量は、改質部30では燃焼ガスの温度が1000℃から580℃になって5.1kW与熱し、蒸発器35では580℃から100℃になって2.65kW与熱し、100℃の燃焼ガスが排気されて1.25kW排熱される。
【0034】
次に、改質装置20が全体として熱バランスを崩した場合の制御について説明する。72はシフト部40に貼付された熱電対で、シフト部40の温度を測定する測定装置として機能する。熱電対72により測定されたシフト部40の温度が低温しきい値、例えば190℃と高温しきい値、例えば280℃の間にあるときは、改質装置20は全体として熱バランス状態にあることが実験により確認された。そして、図3に示すように、シフト部40の温度が低温しきい値より低下したとき、改質水の流量を10%程度減少してスチームカーボン比を3から2.7にし、CO浄化部60に供給するCO酸化空気量を20%程度増加して酸素と一酸化炭素との比を3から3.6にするとシフト部40の温度が上昇し、改質装置20の熱バランスが回復することが経験的に認識され、実験により確認された。図4に示すように、シフト部40の温度が高温しきい値より上昇したとき、改質水の流量を10%程度増加してスチームカーボン比を3から3.3にし、CO浄化部60に供給するCO酸化空気量を20%程度増加して酸素と一酸化炭素との比を3から3.6にするとシフト部40の温度が下降し、改質装置20の熱バランスが回復することが経験的に認識され、実験により確認された。
【0035】
制御装置73は、熱電対72からシフト部40の温度を取り込み、図5,6に示すプログラムを実行してシフト部40の温度に応じて改質水量、CO酸化空気量を制御する流量制御バルブ74、75を制御する。図5において、シフト部40の温度Tsが低温しきい値TL1、例えば190℃より低いことが判定されると(ステップ81)、流量制御バルブ74を絞って改質水量を10%減少して(ステップ82)、主熱交換器34での冷却量を減らす。シフト部40での温度低下によるシフト部触媒42aの活性低下、および水蒸気量の減少により平行組成が移動して一酸化炭素濃度が増加することを見込んで、流量制御バルブ75を開いてCO酸化空気量を20%増加する(ステップ83)。シフト部40の温度Tsが低温しきい値TL1以上に戻ったか否か判定され(ステップ84)、低温しきい値TL1以上になると改質水量を定格に戻す(ステップ85)。水蒸気の発生に遅れが生じるため2分程度の間はCO酸化空気量を増加したままとし、2分経過後に(ステップ86)、CO酸化空気量も定格に戻して(ステップ87)、定常運転状態にする。温度Tsが低温しきい値TL1以上に戻らない場合、下限値TL2、例えば175℃より低下したか否か判定され(ステップ88)、下限値より低下すると改質装置20から燃料電池10への改質ガスの供給停止、警報ランプの点灯等の異常処置が行われる(ステップ89)。
【0036】
図6において、シフト部40の温度Tsが高温しきい値TH1、例えば280℃より高いことが判定されると(ステップ91)、流量制御バルブ74を開いて改質水量を10%増加して(ステップ92)主熱交換器34での冷却量を増加する。シフト部40の温度上昇により平衡組成が移動して一酸化炭素濃度が増加することを見込んで、流量制御バルブ75を開いてCO酸化空気量を20%増加する(ステップ93)。シフト部40の温度Tsが高温しきい値TH1以下に戻ったか否か判定され(ステップ94)、高温しきい値TH1以下になると改質水量を定格に戻し(ステップ95)、CO酸化空気量も定格に戻し(ステップ96)、定常運転状態になる。シフト部40の温度Tsが高温しきい値TH1以下に戻らない場合、シフト部40の温度が上限値TH2、例えば295℃より上昇したか否か判定され(ステップ97)、上限値より上昇すると改質装置20から燃料電池10への改質ガスの供給停止、警報ランプの点灯等の異常処置が行われる(ステップ98)。
【0037】
上記実施の形態においては、気液混合水蒸気がCO浄化部熱交換器70を通過した後で、燃料を気液混合水蒸気に混合しているが、CO浄化部熱交換器70の前で燃料を気液混合水蒸気に混合してもよい。また、燃料を水蒸気とは別に改質部30の反応室31に直接供給するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る改質装置の実施の形態を示す概要図。
【図2】 改質ガスおよび水蒸気の改質装置各部での温度変化を示す図。
【図3】 シフト部の温度が低温しきい値より低くなった場合の対応を示す図。
【図4】 シフト部の温度が高温しきい値より高くなった場合の対応を示す図。
【図5】 シフト部の温度が低温しきい値より低くなった場合の対応プログラムを示す図。
【図6】 シフト部の温度が高温しきい値より高くなった場合の対応プログラムを示す図。
【符号の説明】
10…燃料電池、20…改質装置、30…改質部、34…主熱交換器、35…蒸発器、36…燃焼部、40…シフト部、60…CO浄化部、70…CO浄化部熱交換器、71…混合部、72…測定装置、73…制御装置、74,75…流量制御バルブ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a reforming unit that generates reformed gas from fuel and water vapor, a shift unit that reacts carbon monoxide contained in the reformed gas with water vapor to convert it into carbon dioxide gas and hydrogen gas, and a shift unit. It is related with the reformer provided with the CO purification part which reacts with the air the carbon monoxide gas which remains in the reformed gas which passed through, and oxidizes to carbon dioxide gas.
[0002]
[Prior art]
A reforming section that generates a hydrogen-rich reformed gas by reacting fuel and reformed water with a steam reforming reaction; a shift section that reacts and reduces the carbon monoxide gas contained in the reformed gas with steam; and The reforming water evaporates in a reforming apparatus including a CO purifying unit that oxidizes carbon monoxide gas remaining in the reformed gas that has passed through the shift unit with air, and a combustion unit that supplies combustion gas to the reforming unit. The gas is vaporized into the gas-liquid mixed steam by the combustion gas supplied from the combustion section in the cooler, and after the gas-liquid mixed steam cools the CO purifying section, the heat is exchanged with the reformed gas and heated. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-163601 describes a reformer supplied to the section.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laying-Open No. 2001-163601 (
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the above conventional reformer, the gas-liquid mixed steam that has cooled the CO purification section exchanges heat with the reformed gas, and the reformed gas is cooled to the activation temperature range of the shift section catalyst and supplied to the shift section. In addition, since the heat balance is not taken so that the steam is heated to the reforming section activation temperature range and supplied to the reforming section, the combustion gas temperature-controlled with water is supplied to the shifting section. Had to adjust the temperature. In addition, since the fuel is supplied to the reforming unit separately from the steam, the fuel must be heated by the combustion gas without being heated by the reformed gas, and there is a problem that the heat energy is not efficiently used. It was.
[0005]
The present invention has been made in order to solve the conventional problems, and the temperature of the reformed gas in the CO purification unit, the temperature of the reformed gas flowing into the shift unit, and the temperature of the steam supplied to the reforming unit are The heat exchange is performed between the reformed gas and the steam in a state where the heat balance of the entire apparatus is taken so as to be in the active temperature range of each catalyst.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the structural feature of the invention according to claim 1 is that the reforming water is evaporated to gas-liquid mixed water vapor and heated to the activation temperature range by the combustion gas generated in the combustion section. Heat exchange between the reformed part that reforms fuel and steam into reformed gas by the reformed part catalyst, the reformed gas generated in the reformed part and the gas-liquid mixed steam, A main heat exchanger that cools the reformed gas to the active temperature region of the shift unit catalyst and supplies the gas to the shift unit, heats the steam to the active temperature region of the reformer unit catalyst, and supplies the steam to the reforming unit; The shift unit converts carbon monoxide gas and water vapor contained in the reformed gas cooled by the main heat exchanger into hydrogen gas and carbon dioxide gas by the shift unit catalyst, and the reformed gas derived from the shift unit Carbon monoxide gas contained in the catalyst is reacted with air by a CO purification unit catalyst to produce carbon dioxide. A temperature of the reformed gas that is connected between the evaporator and the main heat exchanger and that flows between the CO purifying unit by the gas-liquid mixed water vapor and that is an active temperature of the CO purifying unit catalyst. A CO purification section heat exchanger that lowers the temperature to the region.
[0007]
The structural features of the invention according to claim 2 are: an evaporator for evaporating the reformed water into gas-liquid mixed steam; a mixing section for mixing fuel with the gas-liquid mixed steam generated by the evaporator; and a combustion section A reforming section for reforming fuel and water vapor into a reformed gas by a reforming catalyst heated to an activation temperature range by the combustion gas generated in step 1, and the reformed gas generated in the reforming section and the mixing section Heat-exchanged with the gas-liquid mixed steam mixed with the fuel in the step, the reformed gas is cooled to the active temperature range of the shift section catalyst and supplied to the shift section, and the mixed steam and fuel are modified. A main heat exchanger that is heated to an active temperature range of the mass catalyst and supplied to the reforming section, and a carbon monoxide gas and water vapor contained in the reformed gas cooled by the main heat exchanger are shifted to the shift section catalyst. A shift unit that converts the gas into hydrogen gas and carbon dioxide gas, and a modification derived from the shift unit. The carbon monoxide gas contained in the gas is reacted with air by CO purification unit catalyst and CO purification unit to the carbon dioxide gas, between the main heat exchanger and the evaporatorBefore or after the mixing sectionA CO purification unit heat exchanger is provided which is connected and reduces the temperature of the reformed gas flowing through the CO purification unit by the gas-liquid mixed water vapor to the activation temperature range of the CO purification unit catalyst.
[0008]
The structural feature of the invention according to
[0009]
The structural feature of the invention according to claim 4 is that in any one of claims 1 to 3, the measuring device for measuring the temperature of the shift unit, and the temperature of the shift unit measured by the measuring device is a low threshold. When the temperature is lower than the value, the amount of reforming water is decreased, the amount of air supplied to the CO purification unit is increased, and when the temperature of the shift unit is higher than a high temperature threshold, the amount of reforming water is increased and the CO purification is performed. A control device for increasing the amount of air supplied to the unit.
[0010]
A structural feature of the invention according to claim 5 is that, in claim 4, the control device reduces the amount of the reformed water when the temperature of the shift unit is lower than a low temperature threshold, and causes the CO purification unit to Even if the amount of air supplied is increased, the amount of reforming water is increased when the temperature of the shift unit falls below a lower limit value or when the temperature of the shift unit is higher than a high temperature threshold, and the CO purification unit If the temperature of the shift part rises above the upper limit value even if the amount of air supplied to is increased, an abnormality treatment is performed.
[0011]
[Operation and effect of the invention]
In the invention according to claim 1 configured as described above, the reforming section catalyst is heated to the active temperature range by the combustion gas generated in the combustion section, and the fuel and the steam are reformed into the reformed gas. The reformed gas generated in the reforming section exchanges heat with the gas-liquid mixed steam generated in the evaporator in the main heat exchanger, and the reformed gas is cooled to the activation temperature range of the shift section catalyst and is transferred to the shift section. Then, the steam is heated to the activation temperature range of the reforming part catalyst and supplied to the reforming part. Carbon monoxide gas and water vapor contained in the cooled reformed gas are converted into hydrogen gas and carbon dioxide gas by the catalyst in the shift section. Carbon monoxide gas contained in the reformed gas derived from the shift unit reacts with air by the catalyst in the CO purification unit and is oxidized to carbon dioxide. The temperature of the reformed gas flowing through the CO purification unit is lowered to the activation temperature range of the CO purification unit catalyst by the gas-liquid mixed steam in the CO purification unit heat exchanger connected between the evaporator and the main heat exchanger. .
[0012]
In this way, the temperature of the reformed gas in the CO purifying unit, the temperature of the reformed gas flowing into the shift unit, and the temperature of the steam supplied to the reforming unit are circulated by circulating the steam in a heat balanced state. It is possible to control the activation temperature range of the catalyst in each part, to reduce the heat energy discharged to the outside, and to provide a reformer with high reforming efficiency. In addition, it is not necessary to divert and supply the reforming water to the heat exchanger for controlling the temperature of the shift unit, so that the necessary pumps, valves, etc. are no longer required and the power is reduced and the efficiency is improved. Equipment costs can be reduced by reducing the number of auxiliary equipment. Furthermore, the reformed gas flowing through the CO purifying section is boiled and cooled with gas-liquid mixed steam, whereby the temperature of the reformed gas can be kept well in the active temperature range of the CO purifying section catalyst whose temperature control is severe.
[0013]
In the invention which concerns on Claim 2 comprised as mentioned above, a fuel is mixed with the gas-liquid mixing water vapor | steam produced | generated with the evaporator. The combustion gas generated in the combustion section heats the catalyst in the reforming section to the active temperature range, and the fuel and water vapor are reformed into the reformed gas. The reformed gas generated in the reforming section exchanges heat with the gas-liquid steam mixed with fuel in the main heat exchanger, and the reformed gas is cooled to the activation temperature range of the shift section catalyst and supplied to the shift section. The steam mixed with the fuel is heated to the activation temperature range of the reforming section catalyst and supplied to the reforming section. Carbon monoxide gas and water vapor contained in the cooled reformed gas are converted into hydrogen gas and carbon dioxide gas by the catalyst in the shift section. Carbon monoxide gas contained in the reformed gas derived from the shift unit reacts with air by the catalyst in the CO purification unit and is oxidized to carbon dioxide. The temperature of the reformed gas flowing through the CO purification unit is lowered to the activation temperature range of the CO purification unit catalyst by the gas-liquid mixed steam in the CO purification unit heat exchanger connected between the evaporator and the main heat exchanger. . Thereby, in addition to the effect of the invention of claim 1, the fuel is heated to the activation temperature region of the reforming catalyst by the reformed gas together with the steam and is supplied to the reforming section, so that the thermal energy can be made more effective. It can be used to improve the reforming efficiency.
[0014]
In the invention according to
[0015]
In the invention according to claim 4 configured as described above, when the temperature of the shift unit measured by the measuring device is lower than the low temperature threshold, the amount of reformed water is reduced and the amount of air supplied to the CO purification unit is reduced. To increase. When the temperature is higher than the high temperature threshold, the amount of reforming water is increased and the amount of air supplied to the CO purification unit is increased. Thereby, even when the heat balance is slightly lost, the temperatures of the CO purification unit, the shift unit, and the reforming unit can be maintained within the activation temperature range of each catalyst.
[0016]
In the invention which concerns on Claim 5 comprised as mentioned above, when the temperature of the shift part measured by the measuring apparatus is lower than a low temperature threshold value, the amount of reforming water is decreased, and the air quantity supplied to the CO purification part Even when the temperature of the shift unit falls below the lower limit even when the value is increased, or when the temperature of the shift unit is higher than the high temperature threshold, the amount of reforming water is increased and the amount of air supplied to the CO purification unit is increased. However, if the temperature of the shift section rises above the upper limit value, abnormal treatment is performed, preventing the operation from being continued in a state where the heat balance is lost and the reformed gas deviates from the activation temperature range of each catalyst. can do.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the reformer according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of a fuel cell system using the
[0018]
The reforming
[0019]
The
[0020]
[Chemical 1]
CH4+ H2O → 3H2+ CO
[0021]
[Chemical formula 2]
CO + H2O → H2+ CO2
[0022]
Since the steam reforming reaction described above is an endothermic reaction, the reforming
[0023]
The combustion gas in the
[0024]
The
[0025]
[Chemical 3]
CO + H2O → H2+ CO2
[0026]
The reformed gas having a reduced carbon monoxide concentration derived from the
[0027]
[Formula 4]
CO + 1 / 2O2 → CO2
[0028]
The
[0029]
Next, the operation of the above-described
[0030]
During this steady operation, the
[0031]
The gas-liquid mixed water vapor flowing out from the CO purification
[0032]
The reformed gas cooled to about 200 ° C. by the
[0033]
An example of the heat balance of the reformed gas, the amount of heat received by the reforming water, and the amount of heat applied to the combustion gas when the
[0034]
Next, the control when the
[0035]
The
[0036]
In FIG. 6, when it is determined that the temperature Ts of the
[0037]
In the above embodiment, after the gas-liquid mixed water vapor passes through the CO purification
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of a reformer according to the present invention.
FIG. 2 is a view showing temperature changes in each part of the reformer for reformed gas and steam.
FIG. 3 is a diagram illustrating a response when the temperature of the shift unit becomes lower than a low temperature threshold value.
FIG. 4 is a diagram showing correspondence when the temperature of the shift unit becomes higher than a high temperature threshold value.
FIG. 5 is a diagram showing a corresponding program when the temperature of the shift unit becomes lower than a low temperature threshold value.
FIG. 6 is a diagram showing a corresponding program when the temperature of the shift unit becomes higher than a high temperature threshold value.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell, 20 ... Reformer, 30 ... Reforming part, 34 ... Main heat exchanger, 35 ... Evaporator, 36 ... Combustion part, 40 ... Shift part, 60 ... CO purification part, 70 ... CO purification part Heat exchanger, 71 ... mixing section, 72 ... measuring device, 73 ... control device, 74, 75 ... flow control valve.
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