JP4295817B2 - 水素生成装置および水素生成装置の運転方法、ならびに燃料電池発電システム - Google Patents
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Description
空気比=Vb/Va
空気比は1となることが理想的であるが、実際に供給される空気量が低下すると、燃焼排ガス中のCO濃度が高くなるので、燃焼器の種類にもよるが通常は空気比が1.3〜1.8程度になるように設定される。
以下、本発明による水素生成装置の第1の実施形態を説明する。
図3は、本発明による第1の実施形態の水素生成装置の構成図である。水素生成装置1は、水素生成装置1に水を供給する水供給器3と、付臭成分として硫黄成分を含む炭化水素系の原料を通過させて、原料に含まれる硫黄成分を吸着する吸着脱硫部(付臭成分除去部)5と、吸着脱硫部5を通過させた後の原料と水供給器3から供給される水とを用いて水素含有ガスを生成させる改質器30と、吸着脱硫部5に供給される原料の流量(原料流量)Mを制御するための原料供給器(原料供給部)4と、原料供給器4や水供給器3の動作を制御する制御器(「運転制御部」ともいう。)16とを備えている。本実施形態における改質器30は、原料と水蒸気との改質反応を進行させる水蒸気改質部20と、水蒸気改質部20で生成した水素含有ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させて、水素含有ガスの一酸化炭素濃度を低減させる変成部24と、変成部24を通過した後の水素含有ガスに空気を供給する空気供給器19と、空気供給器19から供給される空気を用いて、変成部24を通過した後の水素含有ガス中に残留する一酸化炭素を主に酸化させて除去する選択酸化部26とを有している。水蒸気改質部20、変成部24および選択酸化部26の構成は、一般的な構成と同様であるので、詳細な説明は省略する。
次に、水素生成装置1の通常時の運転動作を説明する。
次に、吸着脱硫部5を交換した後の水素生成装置1の運転方法を説明する。
本実施形態の水素生成装置1は燃料電池発電システムに好適に使用され得る。本実施形態の水素生成装置1を用いた燃料電池発電システムの概略図を図4に示す。なお、簡単のため、図3と同様の構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。
図8は、本発明による水素生成装置の第2の実施形態を例示する構成図である。本実施形態の水素生成装置は、ガスインフララインから供給された原料の一部を、吸着脱硫部を通過させないで燃焼ガスとして燃焼器に送ることができるように構成されている点で、図4に示す水素生成装置1と異なっている。
以下、図面を参照しながら、本発明による水素生成装置の第3の実施形態を説明する。
本変形例では、上述の水素生成装置200において、吸着剤又は吸着脱硫部107の交換・再生情報取得手段が変更されている。
本変形例では、上述の水素生成装置200において、吸着剤又は吸着脱硫部107の交換・再生情報取得手段が変更されている。
図11は、第4の実施形態の水素生成装置における付臭成分除去部材交換に関連する制御プログラムの内容を示すフローチャートである。図11において、図10と同一又は相当するステップには同じ符号を付して、その説明を省略する。以下、図11を参照しながら、本実施形態の水素生成装置について説明する。
図12は、本発明の水素生成装置に用いる吸着脱硫部の炭化水素成分の吸着能力を調べるための実験装置の構成を示す概略図である。以下、図12を参照しながら、本実験装置について説明する。
実験例1では、マスフローコントローラ182により、吸着脱硫部107に供給される都市ガス(原料ガス)の流量を1.5L/minに設定した。供給される都市ガス中の各成分の濃度は、メタンが88.9体積%、エタンが6.8体積%、プロパンが3.1体積%、ブタンが1.2体積%であった。また、ガスインフラ101により供給される都市ガスを燃焼させた際の燃焼熱は、マイナス67kJ(発熱反応のため、符号がマイナス)であった。また、吸着脱硫部107として、新品のものを用いた。この条件で、吸着脱硫部107から流出するガスの流量及び各成分の濃度を測定した。
実験例2においては、マスフローコントローラ182を用いて、吸着脱硫部107に供給される都市ガスの積算流量が7Lに達するまでは1.8L/minの流量に調整し、上記積算流量が7Lを超え40Lになるまでは1.6L/minの流量に調整し、上記積算流量が40Lを超えて以降は1.5L/minの流量に調整して、吸着脱硫部107に都市ガスを供給した。この場合において、吸着脱硫部107から流出するガスの流量を流量計183により測定し、ガスの組成をガスクロマトグラフィー85により測定した。このガス流量とガス組成とから吸着脱硫部107から流出するガスをバーナ187で燃焼させたときの燃焼熱を計算した。図16は、実験例1及び実験例2において、吸着脱硫部から流出するガスを燃焼させた際に発生するそれぞれの燃焼熱の計算値を比較するグラフである。
2 燃焼器
3 水供給器
4 原料供給器
5 吸着脱硫部(付臭成分除去部)
6 ガスインフラライン
7 接続部
7’ 分岐部
8 燃料電池
9a、9b ガス切り替え部
10 原料供給経路
11 改質器バイパス経路
12 水素ガス供給経路
13 燃料電池バイパス経路
14 オフガス経路
15 燃焼ガス供給経路
16 制御器(制御器)
17 入力部
18 燃焼ファン(燃焼空気供給器)
19 空気供給器
20 水蒸気改質部
24 変成部
26 選択酸化部
30 改質器
100、500 燃料電池発電システム
101 ガスインフラ
102 原料供給器
103 積算流量計
104 原料供給経路
105 第1開閉弁
106 センサ(交換・再生情報取得器)
107 吸着脱硫部(付臭成分除去部)
109 第2開閉弁
200 水素生成装置
111 分岐部
113 第3開閉弁
114 燃焼用原料ガス供給流路
115 流量調整弁
117 改質器
119 燃焼器
120 燃料処理器
121 燃焼空気供給器
125 水供給器
127 水素ガス供給経路
131 燃料ガス排出経路
133 燃料電池バイパス経路
140 制御器
150 燃料電池
151 高分子電解質膜
152 アノード
153 カソード
160 酸化剤ガス供給器
162 酸化剤ガス供給流路
164 酸化剤ガス排出流路
171 第1の三方弁
172 第2の三方弁
181 昇圧ポンプ
182 マスフローコントローラ
183 流量計
184 分岐部
185 ガスクロマトグラフ
186 ファン
187 バーナ
301、302 原料ガスの流れ
303 燃料ガスの流れ
304 オフガスの流れ
Claims (17)
- 炭化水素および付臭成分を含む原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置であって、
外部から供給される前記原料の流量を制御する原料供給器と、
前記原料に含まれる前記付臭成分を吸着する吸着剤を含む付臭成分除去部と、
前記原料を燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器から供給される燃焼熱を用いて、前記付臭成分除去部を通過した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、
前記吸着剤若しくは前記付臭成分除去部が交換された後、または前記吸着剤が再生された後の運転において、前記交換または再生される直前の運転時よりも前記外部から供給される前記原料の流量が増加するよう、前記原料供給器を制御する制御器と
を備える水素生成装置。 - 前記吸着剤若しくは前記付臭成分除去部が交換されたこと、または前記吸着剤が再生されたことを示す付臭成分除去部材交換・再生情報を取得する交換・再生情報取得器をさらに備え、
前記制御器は、前記交換・再生情報取得器により前記付臭成分除去部材交換・再生情報が取得された場合、該取得の直前の運転時よりも前記原料の流量を増加させるよう、前記原料供給器を制御する請求項1に記載の水素生成装置。 - 前記制御器は、前記交換後の運転の少なくとも起動処理において、前記交換または再生直前の起動処理よりも前記原料の流量を増加させるよう、前記原料供給器を制御する請求項2に記載の水素生成装置。
- 前記制御器は、前記交換または再生後の運転の少なくとも起動処理において、前記燃焼器の燃焼量が前記交換または再生直前の起動処理における前記燃焼器の燃焼量と同等となるように、前記交換または再生直前の起動処理よりも前記原料の流量を増加させるよう前記原料供給器を制御する請求項1に記載の水素生成装置。
- 前記燃焼器に燃焼空気を供給する空気供給器をさらに備え、
前記制御器は、前記交換または再生後の運転の少なくとも起動処理において、前記燃焼器の空気比が前記交換直前の起動処理における前記燃焼器の空気比と同等となるように、前記燃焼器に供給される燃焼空気の流量を変化させるよう、前記空気供給器を制御する請求項1に記載の水素生成装置。 - 前記制御器は、前記交換または再生後の運転において、前記付臭成分除去部に供給される前記原料の積算量が所定の閾値以上になった場合、前記原料の流量を前記交換または再生前の運転時における前記原料の流量に戻すよう、前記原料供給器を制御する請求項3に記載の水素生成装置。
- 前記制御器は、前記交換または再生後の運転において、前記付臭成分除去部に供給される前記原料の積算量が所定の閾値以上になった場合、前記燃焼器に供給する燃焼空気の流量を前記交換または再生前の運転時における燃焼空気の流量に戻すよう、前記燃焼空気供給器を制御する請求項5に記載の水素生成装置。
- 前記制御器は、前記原料に含まれる所定の炭化水素成分に対する前記付臭成分除去部の吸着能力に応じて、前記所定の閾値を変更する請求項6に記載の水素生成装置。
- 前記制御器は、前記交換または再生後に前記付臭成分除去部に供給される前記原料の積算量に応じて、前記原料の流量を、前記交換または再生前の運転時における原料の流量に段階的に戻すよう、前記原料供給器を制御する請求項6に記載の水素生成装置。
- 前記制御器は、前記原料の流量を、前記交換または再生前の運転時における原料の流量に段階的に戻すよう、前記原料供給器を制御する請求項6に記載の水素生成装置。
- 前記制御器は、前記燃焼器に供給される燃焼空気の流量を、前記交換または再生後に前記付臭成分除去部に供給される原料の積算量に応じて、前記交換または再生前の運転時における燃焼空気の流量に段階的に戻すよう、前記空気供給器を制御する請求項7に記載の水素生成装置。
- 前記制御器は前記燃焼器に供給される燃焼空気の流量を、前記付臭成分除去部の炭化水素成分に対する吸着能力に応じて、前記交換または再生前の運転時における燃焼空気の流量に段階的に戻すよう、前記空気供給器を制御する請求項7に記載の水素生成装置。
- 請求項1に記載の水素生成装置と、該水素生成装置により生成された水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える燃料電池発電システム。
- 付臭成分を含む炭化水素系の原料を通過させて、前記原料中の前記付臭成分を吸着する吸着剤を含む付臭成分除去部を着脱可能に保持する機構と、
水を供給する水供給器と、
前記付臭成分除去部を通過した原料と前記水供給器から供給される水との改質反応から水素含有ガスを生成する改質器と、
前記付臭成分除去部に供給する前記原料の流量を制御する原料供給器と、
前記原料供給器の動作を制御する制御器と
を備え、
前記制御器は、
前記付臭成分除去部若しくは前記吸着剤の交換または前記吸着剤の再生が検知されると、前記原料の流量を交換または再生前の流量よりも増加させるように前記原料供給器の動作を制御し、かつ、
前記交換または再生後において、前記原料の積算流量が予め設定される量に達すると、前記増加させた原料の流量を前記交換または再生前の流量に戻すように前記原料供給器の動作を制御する水素生成装置。 - 炭化水素および付臭成分を含む原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置の運転方法であって、
前記水素生成装置は、
外部から供給される前記原料の流量を制御する原料供給器、
前記原料に含まれる前記付臭成分を吸着する吸着剤を含む付臭成分除去部、
前記原料を燃焼する燃焼器、および
前記燃焼器から供給される燃焼熱を用いて、前記付臭成分除去部を通過した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を備え、
前記吸着剤若しくは前記付臭成分除去部が交換された後、または前記吸着剤が再生された後の運転において、前記原料供給器は、前記交換または再生される直前の運転時よりも前記外部から供給される前記原料の流量を増加させる水素生成装置の運転方法。 - 炭化水素および付臭成分を含む原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置と、前記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を行う燃料電池とを備える燃料電池発電システムの運転方法であって、
前記水素生成装置は、
前記水素生成装置に供給される前記原料の流量を制御する原料供給器、
前記原料に含まれる付臭成分を吸着する吸着剤を含む付臭成分除去部、
前記原料を燃焼する燃焼器、および
前記燃焼器から供給される燃焼熱を用いて、前記付臭成分除去部を通過した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を備え、
前記吸着剤若しくは前記付臭成分除去部が交換された後、または前記吸着剤が再生された後の運転において、前記原料供給器は、前記交換または再生される直前の運転時よりも前記水素生成装置に供給される前記原料の流量を増加させる燃料電池発電システムの運転方法。 - 炭化水素および付臭成分を含む原料を、前記原料中の前記付臭成分を吸着除去する付臭成分除去部に導入した後、前記付臭成分除去部を通過した前記原料と水との改質反応から水素含有ガスを生成する水素生成装置の運転方法であって、
前記付臭成分除去部における炭化水素成分の吸着率が実質的にゼロのときに前記付臭成分除去部に供給する前記原料の流量をベース流量とすると、前記付臭成分除去部における炭化水素成分の吸着率が所定値よりも高いときに、前記ベース流量よりも増加させた流量で、前記付臭成分除去部に前記原料を供給する水素生成装置の運転方法。
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