JP4346943B2 - 改質器を利用したシステム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、水蒸気と炭化水素系ガスから水素ガスを生成する改質器と、その改質器を組込んだシステムに関する。そのシステムの典型例には、改質器が生成した水素ガスと空気中の酸素を反応させて発電する燃料電池発電システムを挙げることができる。
本発明は、特に、燃焼部への燃料供給量の調整作業において改質部が過熱されることを防止する技術に関する。燃焼部への燃料供給量の調整作業のために、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで燃焼部で最大加熱量で燃焼することがあるが、その状態でも改質部が過熱されることを防止する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
水蒸気と炭化水素系ガスを改質反応させて水素ガスを生成する改質器が開発されている。改質器では改質触媒を利用して改質反応を促進する。改質触媒によって改質反応を効果的に促進するためには、改質部を600℃から800℃程度の高温(以下、改質適温という)に加熱した状態に維持する必要がある。水蒸気と炭化水素系ガスの改質反応は吸熱反応である。そこで、改質反応に伴う吸熱を補償して改質部を改質適温に維持するためには、改質部を加熱する燃焼部が必要とされる。
【0003】
燃焼部では、燃料を燃焼させる。改質器の起動時には、室温程度に冷却されている改質部を600℃から800℃程度の改質適温に加熱する必要があり、多量の燃料(単位時間あたりの燃料量)を燃焼して大火力で改質部を加熱する。改質器が改質適温に加熱された後は、改質反応に伴う吸熱を補償する火力であればよく、燃焼部に送る燃料量(単位時間あたりの燃料量)は絞られる。
【0004】
燃焼部の火力(単位時間あたりの加熱量)は、単位時間あたりに供給する燃料量によって調整される。燃料供給量と、バルブより下流の燃料供給経路内の圧力(以下、燃料供給2次圧という)は比例する(バルブが大きく開放されて燃料供給量が増大すれば、燃料供給2次圧も増大する)。この場合、燃料供給2次圧を測定することで燃料供給量を測定することができる。
【0005】
改質器の利用を開始する前には、燃焼部の最小加熱量が意図した最小加熱量に調整されておりその状態で良好に燃焼することと、最大加熱量が意図した最大加熱量に調整されておりその状態で良好に燃焼することを確認する必要がある。また、そうなっていなければ調整をしなければならない。定期的に行うメインテナンス時にも、同様の調整と確認作業を必要とする。
【0006】
特許文献1は、燃料供給2次圧の調整技術を示している。最小加熱量の確認のために、電磁弁に最小加熱量用の電流を加えて燃料供給2次圧を測定し、それが予め定められている所定圧力よりも低すぎれば(電磁弁が意図したほど開かなければ)最小加熱量用の電流を加えたときのバルブ開度を開け側に調整する。所定圧力よりも高すぎれば(電磁弁が意図したよりも開けば)最小加熱量用の電流を加えたときのバルブ開度を閉じ側に調整する。同様に、最大加熱量の確認のために、電磁弁に最大加熱量用の電流を加えて燃料供給2次圧を測定し、それが予め定められている所定圧力よりも低すぎれば(電磁弁が意図したほど開かなければ)最大加熱量用の電流を加えたときのバルブ開度を開け側に調整する。所定圧力よりも高すぎれば(電磁弁が意図したよりも開けば)最大加熱量用の電流を加えたときのバルブ開度を閉じ側に調整する。特許文献1は、調整作業を必要とする電磁弁の個数が多い場合に、短時間で調整する技術を開示している。
【0007】
【特許文献1】
特開平10-311530号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
改質器の燃焼部を調整している間は、改質反応に伴って発生するCOを低減する触媒が十分に機能せず、高濃度のCOが発生する可能性がある。このために、燃焼部の調整作業時には、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで燃焼部で燃焼させる。炭化水素系ガスを供給しないと改質反応に伴う吸熱作用が得られないために、改質部が過熱される可能性がある。
また、通常運転時に燃焼部で最大加熱量で燃焼させるのは、室温程度に冷却されている改質部を改質適温に加熱するまでの一時的な期間であり、改質適温に加熱されれば加熱量を絞る。燃焼部の調整のために最大加熱量で燃焼する時間が長くなると、改質部が過熱される可能性がある。
改質部が過熱されると、改質部に収容されている改質触媒が劣化してしまう。
【0009】
従来の技術では、燃焼部の調整のために、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで燃焼部で最大加熱量で燃焼させ続けたときに、改質部が過熱されることに対して対策されていない。改質部が過熱される前にすばやく調整作業を完了しなければならない。
本発明では、燃焼部の調整のために、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで燃焼部で最大加熱量で燃焼させ続けても、改質部が過熱されないようにする技術を提供する。
【0010】
【課題を解決するための手段と作用と効果】
本発明のシステムは、改質器と、改質器を制御する制御部とを備えている。改質器は、水蒸気と炭化水素系ガスから水素ガスを生成する改質部と、燃料を燃焼することによって改質中の改質部を改質適温に維持する燃焼部と、改質部に供給する水蒸気を生成する改質水を供給する改質水供給ポンプを備えている。
本発明では、改質部に炭化水素系ガスを供給しないままに燃焼部で最大加熱量で燃焼する状態において、改質部が改質適温を超えて昇温することを防止できる水量以上の給水能力を持つ改質水供給ポンプを利用する。ここでいう「水量」とは、単位時間あたりの給水量を言う。
本発明では、制御部は、燃焼部を調整する時には、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで、改質部が改質適温を超えて昇温することを防止する水量以上の改質水を供給するように改質水供給ポンプを制御する。
【0011】
通常の運転時において改質部を改質適温に加熱維持するのに必要な熱量は、改質部の改質反応により吸熱される吸熱量と、改質部からの放熱量との和にほぼ等しい。改質反応による吸熱量に等しいだけの熱量を必要とする量の過剰な水が改質部に供給されれば、改質器に炭化水素系ガスを供給しないままに燃焼部で最大加熱量で燃焼させ続けても、改質部は改質適温以上に過熱されることがない。
改質水供給ポンプの本来の役割は、改質中の改質部で消費する水量を改質部に供給することであり、その給水能力は改質中の改質部で消費する水量をわずかに上回る水量に設定されている。それ以上に大きな給水能力を持つ改質水供給ポンプであると、改質器を保管しておく専用スペースを大きく取らなければならなかったり、製造コストを押上げたりする。また、給水能力の最小から最大までのレンジが広いと、改質水供給ポンプを制御できる精度が低下しまうことが多い。このため、従来の改質器は、改質中の改質部で消費する水量をわずかに上回る給水能力を持つ改質水供給ポンプを使用している。
本改質器では、燃焼部の調整のために、改質部に炭化水素系ガスを供給せずに燃焼部で最大加熱量で燃焼し続けることがあることを想定し、そのときでも多量の水を供給すると過熱が防止できることに着目し、通常運転時には必要とされない大型の改質水供給ポンプをあえて利用するのである。通常運転時には必要とされない大型の改質水供給ポンプを利用し、制御部によって、燃焼部を調整する時には、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで、改質部が改質適温を超えて昇温することを防止する水量以上の改質水を供給するように改質水供給ポンプを制御することによって、燃焼部の調整作業時に改質部が過熱されることを防止することができる。
【0012】
改質水供給ポンプ自体については大型化しないこともできる。この方式の改質器は、水蒸気と炭化水素系ガスから水素ガスを生成する改質部と、水から水蒸気を生成する蒸発部と、燃料を燃焼することによって改質中の改質部を改質適温に維持する燃焼部と、蒸発器に改質水を供給する改質水供給ポンプを備えている。改質水供給ポンプの給水能力は、改質中の改質部が消費する水量をわずかに上回る水量に設定されており、それ自体では調整作業時の過熱の発生を防止することができない。
本発明の改質器の特徴的なことは、蒸発器に過剰水を供給する過剰水供給ポンプの接続口を備えていることであり、過剰水を供給することによって改質部の過熱を防止する。改質水供給ポンプと過剰水供給ポンプの合計給水能力が、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで燃焼部で最大加熱量で燃焼する状態において、改質部が改質適温を超えて昇温することを防止する水量以上に設定されていれば、制御部によって、燃焼部を調整する時には、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで、改質部が改質適温を超えて昇温することを防止する水量以上の改質水を供給するように改質水供給ポンプと過剰水供給ポンプとを制御することによって、燃焼部の調整のために、改質部に炭化水素系ガスを供給しないままに燃焼部で最大加熱量で燃焼し続けても、改質部の過熱を防止することができる。
この場合、大型の改質水供給ポンプを必要とせず、燃焼部の調整作業時に過剰水供給ポンプを接続することによって、改質部の過熱を防止しながら調整作業を進めることができる。
【0013】
過剰水供給ポンプ単独の給水能力が、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで燃焼部で最大加熱量を燃焼する状態において、改質部が改質適温を超えて昇温することを防止する水量以上に設定されていることが好ましい。
この場合、改質水供給ポンプを運転しないで燃焼部の調整作業をすることができ、調整作業手順が簡単化される。
【0014】
改質部から水素ガス利用部に向けて水素ガスを供給する配管に、その配管から水蒸気を放出する放出経路が設けられていることが好ましい。
水素ガス利用部のなかには、結露現象を引き起こす水蒸気の導入が好ましくないものが存在する。水素ガス利用部に向けてガスを供給する配管に、その配管から水蒸気を放出する放出経路が設けられていると、過熱の防止のために生成される水蒸気が水素ガス利用部に導入されることを防止することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明が好適に適用される実施形態を説明する。
(形態1)燃焼部は、炭化水素系ガスを燃焼する。
(形態2)燃焼部は、炭化水素系ガスと改質ガスとオフガスの任意のガスを燃焼する。
ここで、改質ガスとは改質部が生成した水素ガスを主成分とするガスのことをいい、オフガスとは燃料電池が発電反応で消費し切れなかった水素ガスのことをいう。
(形態3)改質部に、脱イオン水から生成された水蒸気が供給される。
(形態4)改質された水素ガスは燃料電池で消費され、脱イオン水が循環して燃料電池を冷却する。
(形態5)循環ポンプが送り出した水を給水管に送る連結配管には切替弁が設けられ、切替えることによって連結経路へ水を送ることが可能となる。
(形態6)改質部から水素ガスを送り出す配管から水蒸気を放出する経路は、大気中に水蒸気を放出する。
(形態7)改質部から水素ガスを送り出す配管から水蒸気を放出する経路には、水蒸気を水に変換する凝縮器が接続されている。
(形態8)凝縮器で回収された脱イオン水は、改質水または燃料電池冷却水として再利用される。
【0017】
【実施例】
(第1実施例) 図1は、本発明を具現化した第1実施例の燃料電池発電システム2の構成を模式的に示している。燃料電池発電システム2は、主に改質器4と燃料電池発電装置56と制御部66と操作部64から構成されている。
改質器4は、改質水収容部6と改質水供給ポンプ10と蒸発器12と改質部14と原燃料ガス収容部16と燃焼部26等を備えている。図1の矢印は、原燃料ガスや水(水蒸気)が流れる方向を示している。
【0018】
原燃料ガス収容部16には、水素ガスを主成分とする改質ガスの原料になるとともに、燃焼部26の燃料になる炭化水素系の原燃料ガス(プロパンガスやブタンガス等)が収容されている。原燃料ガス収容部16は、比例弁20を介して原料ガス供給経路18によって改質部14に接続されている。原燃料ガス収容部16は、比例弁24を介して燃料ガス供給経路22によって燃焼部26にも接続されている。
比例弁20は、流れる電流量に比例して開度が変化する。比例弁20の開度が大きいと改質部14に送られる原料ガス供給量が多くなり、開度が小さいと改質部14に送られる原料ガス供給量が少なくなる。比例弁20は制御部66によって制御され、改質部14が改質運転を行うときには開かれるが、燃焼部26の調整作業時には閉じられたままである。
比例弁24も、流れる電流量に比例して開度が変化する。比例弁24の開度が大きいと燃焼部26に送られる燃料ガス供給量が多くなり、開度が小さいと燃焼部26に送られる燃料ガス供給量が少なくなる。比例弁24は制御部66によって制御され、改質部14が改質運転を行うときにも、燃焼部26の調整作業時にも開かれる。燃焼部26の調整作業時には、最大開度に長時間維持されることがある。
【0019】
改質水収容部6には、脱イオン水が収容されている。改質水供給ポンプ10は、改質水収容部6の脱イオン水を蒸発器12に送り込む。蒸発器12に送り込まれた改質水は気化して水蒸気となり、改質部14に送り込まれる。矢印13は、蒸発器12から改質部14に送り込まれる水蒸気を示している。
改質水供給ポンプ10は、改質運転時には、改質部14が必要とする量の水蒸気を生成するだけの水量(4cc〜18cc/分程度)の改質水を蒸発器12に供給する。燃焼部26の調整作業時にはそれ以上の水量(60cc/分程度)を蒸発器12に供給可能である。改質水供給ポンプ10の供給水量は、制御部66が調整する。
【0020】
燃焼部26は、バーナ28と送風ファン30を有している。バーナ28は、燃料ガスと空気を混合して燃焼させる。バーナ28の加熱量(単位時間あたりの発熱量)は、燃料ガス供給量によって調整される。燃料ガス供給量は、比例弁24で調整される。送風ファン30が回転することによって、バーナ28に空気が供給される。送風ファン30の回転数が高いとバーナ28に供給される空気量が多くなり、回転数が低いとバーナ28に供給される空気量は少なくなる。制御部66は、燃料ガス供給量に対して適量の空気がバーナ28に供給されるように、送風ファン30の回転数を調整する。
【0021】
改質部14は、原燃料ガス収容部16から供給される炭化水素系の原料ガスと、改質水収容部6から蒸発器12を介して供給される水蒸気を、高温の改質触媒下で反応させて水素を生成する。改質部14内には、改質反応を促進する改質触媒が収容されている。改質触媒の適性温度は700℃から750℃であり、しかも改質反応は吸熱反応であるために、改質部14を加熱し続けないと改質部14が冷却されて改質反応が得られなくなってしまう。改質開始に先立って改質部14は燃焼部26によって改質適温にまで加熱され、改質中は燃焼部26によって改質適温に維持される。
改質反応の副生成物としてCOが発生する。COは燃料電池48の電極を劣化させるため、燃料電池48に供給されないように除去する必要がある。このため、改質部14内には改質触媒の他に、2種類の触媒が収容されている。1つは副生成物であり有害なCOを酸化して無害なCO2に変えるシフト触媒である。このシフト触媒によって、改質ガス中のCO濃度が約1%程度に抑えられる。シフト触媒の活性温度は250℃から300℃である。もう1つはCOだけを酸化する触媒である選択酸化触媒である。この選択酸化触媒によって、CO濃度を約1%から10ppm以下に低下させる。選択酸化触媒の活性温度は100℃から200℃である。
【0022】
改質部14の内部には、触媒の温度を検出する触媒温度センサ32が設置されている。触媒温度センサ32が検出した温度を制御部66に出力することで、触媒温度を監視できる。触媒温度センサ32は、触媒の温度を直接に検出するものであってもよいが、改質部14の容器温度等のように、触媒温度に連動して変動する部分の温度から間接的に触媒温度を検出するものであってもよい。
蒸発器12は、改質部14の内部に配置されており、改質部14とともに燃焼部26によって加熱される。
【0023】
燃料電池48が必要とする水素ガス量によって、制御部66は比例弁20を制御して改質部14に供給する原料ガス量を調整する。制御部66は改質水供給ポンプ10の回転数を制御して改質部14に供給する水蒸気量を調整する。制御部66は、改質部14の運転状態と触媒温度センサ32の検知温度によって、比例弁24を制御して燃焼部26に供給する燃料ガス量を調整する。制御部66は、送風ファン30の回転数を制御して燃焼部26に供給する空気量を調整する。制御部66は、さらにバーナ28の着火装置等を制御する。
【0024】
改質部14には、改質部14が生成した水素ガスを主成分とする改質ガスを燃料電池48に送る改質ガス供給経路34が接続されている。
改質ガス供給経路34には、燃焼部26の調整作業時に改質部14の過熱を防止するために改質部14に供給された水蒸気も送られる。改質ガス供給経路34へ送られた水蒸気が燃料電池48に流入すると、燃料電池48内で結露して燃料電池48の作動を損ねる虞がある。これを防止するために改質ガス供給経路34には切替弁36が配設され、切替弁36には水蒸気放出経路38が接続されている。改質ガス供給経路34を流れる水蒸気は、切替弁36から水蒸気放出経路38へ送られる。水蒸気放出経路38には、水蒸気を凝縮して液化する凝縮器40が接続されている。凝縮器40で凝縮された水は、図示しない経路等によって改質水収容部6に送られて改質水として再利用される。あるいは、図示しない経路等によって後述するシスターン54に送られ、燃料電池発電装置56の冷却水として利用される。水を再利用しない場合は、水蒸気を切替弁36から大気に放出することもできる。
【0025】
燃料電池48は複数のセルから構成され、取り込んだ水素ガスを消費して発電する。水素ガス消費部に相当する。具体的には、水素ガスと空気中の酸素を反応させて電気を発生させる。
燃料電池48は発電の際に発熱する。燃料電池発電装置56には、発電中の燃料電池48を冷却する脱イオン水が循環する水循環経路50が設けられている。水循環経路50には循環ポンプ52が配設されている。循環ポンプ52は、冷却水を循環させて燃料電池48を通過させる。水循環経路50にはシスターン54が配設されている。燃料電池48を通過して熱せられた水は、図示しない熱回収装置を通って熱が回収された後にシスターン54に戻り、循環ポンプ52に再度送り出される。制御部66が、循環ポンプ52の水循環量を調整する。
【0026】
次に、図2から図5を参照して、制御部66の記憶部に記憶されているデータについて説明をする。
図2に示すように、制御部66の記憶部は、改質水供給ポンプ10の改質水供給量wに対して、改質中の改質部14を改質適温に維持するのに必要な燃焼部26の加熱量Qの関係76を記憶している。改質運転中の改質水供給量が最低量w1(本実施例では4cc/分)であれば、加熱量Q1で改質部14を加熱すれば改質部14を改質適温に維持することができる。改質運転中の改質水供給量が最高量w2(本実施例では18cc/分)であれば、加熱量Q2で改質部14を加熱すれば改質部14を改質適温に維持することができる。改質運転中には、改質水供給量が最低量w1と最高量w2の間で調整される。改質運転のことだけを考えれば、改質水供給ポンプ10の給水能力は、最高量w2(18cc/分)をわずかに上回るものであれば足りる。
【0027】
改質水供給量wと加熱量Qの関係76は、概ね、Q=q1+q2の関係を満たすように決定されている。ここで、q1は改質適温に維持されている改質部14からの放熱量であり、q2は、供給量wの改質水を改質反応させるのに必要な吸熱量であり、Qは改質部を改質適温に維持するのに必要な加熱量である。
実際には、改質ガスの熱量や、改質部に流入する水蒸気や原料ガスの熱量等が影響するけれども、値の大きな熱量のみを考慮すると上記の式が成立する。
【0028】
燃焼部26の調整作業時には、改質部14に炭化水素系ガスを供給しないために改質反応が進行しない。そのために、改質反応による吸熱量(q2)によって熱量が奪われることがない。調整作業時には、気化させて改質適温に加熱するのに吸熱量(q2)に等しいだけの熱量を必要とする量の過剰な水を改質部14に供給することによって前記の式が維持され、改質部14が改質適温に維持され、改質適温以上に昇温することがない。調整作業時には、改質水の最大供給量w2に対応する最大加熱量Q2で加熱し続けることがあることから、この場合には、最大供給量w2の改質水を改質反応するのに必要な吸熱量に相当する量w4(本実施例では60cc/分)の水を加えることで過熱を防止するこができる。最小熱量Q1で調整作業をする場合には、最小供給量w1の改質水を改質反応するのに必要な吸熱量に相当する量w3(本実施例では5cc/分)の水を加えることで過熱を防止することができる。
本実施例の場合、改質運転時の最低量w1は4cc/分であり、最大供給量w2は18cc/分であり、せいぜい20cc/分の流量で改質水を送り出せる程度の小型の改質水供給ポンプ10を利用すれば足りる。しかしながら、調整作業時には、最大供給量w2の改質水を改質反応するのに必要な吸熱量に相当する水量は60cc/分であり、それ以上の水量を供給できる改質水供給ポンプ10を利用している。
【0029】
図3は、予め設定され、制御部66の記憶部に記憶されている送風ファン30の回転数と、比例弁24に通電する電流値との関係を示す。送風ファン30の回転数が点82で示すものになったときに、比例弁24に最小加熱量用の電流i1が通電されていれば、理想空燃比に設定されていることとなる。それに対して、点78に示すように比例弁24の電流が低すぎれば、エアリッチとなって失火しやすいため、矢印80に示すように点82の電流となるように設定される必要がある。逆に、点86に示すように比例弁24の電流が高すぎれば、ガスリッチとなってイエローの炎が出やすいため、矢印84に示すように点82の電流となるように設定される必要がある。
送風ファン30の回転数が点92で示すものになったときに、比例弁24に最大加熱量用の電流i2が通電されていれば、理想空燃比に設定されていることとなる。それに対して、点88に示すように比例弁24の電流が低すぎれば、エアリッチとなって失火しやすいため、矢印90に示すように点92の電流となるように設定される必要がある。逆に、点96に示すように比例弁24の電流が高すぎれば、ガスリッチとなってイエローの炎が出やすいため、矢印94に示すように点92の電流となるように設定される必要がある。
このように、制御部66の記憶部には、予め設定された送風ファン30の回転数と比例弁24の通電電流の適正な関係が記憶されている。
【0030】
図4は、制御部66の記憶部に記憶されている比例弁24に通電する電流値と、実際の燃料ガス供給量の関係を示す。燃料ガス供給量は、比例弁24の下流の燃料ガス供給経路22内の圧力、すなわち、燃料供給2次圧を測定することで測定され、燃料供給2次圧が高ければ燃料供給量が多く、燃料供給2次圧が低ければ燃料供給量が少ないことがわかる。
燃料部26の加熱量を最小量に絞る場合には、比例弁24に最小加熱量用の電流i1を通電する。このとき、燃料供給2次圧が点102で示すものになっていれば、比例弁24に最小加熱量用の電流i1を通電することによって、意図した最小加熱量に調整されることが確認される。それに対して、比例弁24に最小加熱量用の電流i1を通電したときの燃料供給2次圧が点98に示すように高ければ、比例弁24が意図したよりも大きく開き、意図した最小加熱量以上の加熱量になっていることがわかる。この場合には、比例弁24を閉じ側に調整して矢印100に示すように点102の圧力となるように調整する作業が必要とされる。逆に、比例弁24に最小加熱量用の電流i1を通電したときの燃料供給2次圧が点106に示すように低ければ、比例弁24が意図したよりも小さく開き、意図した最小加熱量以下の加熱量になっていることがわかる。この場合には、比例弁24を開け側に調整して矢印104に示すように点102の圧力となるように調整する作業が必要とされる。
燃料部26の加熱量を最大量に増やす場合には、比例弁24に最大加熱量用の電流i2を通電する。このとき、燃料供給2次圧が点112で示すものになっていれば、比例弁24に最大加熱量用の電流i2を通電することによって、意図した最大加熱量に調整されることが確認される。それに対して、比例弁24に最大加熱量用の電流i2を通電したときの燃料供給2次圧が点108に示すように高ければ、比例弁24が意図したよりも大きく開き、意図した最大加熱量以上の加熱量になっていることがわかる。この場合には、比例弁24を閉じ側に調整して矢印110に示すように点112の圧力となるように調整する作業が必要とされる。逆に、比例弁24に最大加熱量用の電流i2を通電したときの燃料供給2次圧が点116に示すように低ければ、比例弁24が意図したよりも小さく開き、意図した最大加熱量以下の加熱量になっていることがわかる。この場合には、比例弁24を開け側に調整して矢印114に示すように点112の圧力となるように調整する作業が必要とされる。
通電電流に対するバルブ開度の関係は、比例弁24毎にばらつき、また経時的に変化するので、比例弁を調整して意図した最小加熱量と最大加熱量が得られるように調整する必要がある。
【0031】
次に図5を参照して燃焼部26の調整作業について詳細に説明をする。最初に切替弁36を切替えて水蒸気放出経路38をオープンにする(ステップS4)。次に、比例弁20を閉じて改質部14に原料ガスが供給されないようにする。これによって改質反応が発生することがなくなる(ステップS6)。次に、図3に示した設定値に従って、送風ファンの回転数を最高回転数にして、比例弁24に最大加熱用の電流i2を流して燃焼を開始する。これによって、最大加熱量で改質部14を加熱する(ステップS8)。この段階では、意図した最大加熱量からずれている可能性がある。ステップS8では、室温程度に冷却されている改質部14を急速に加熱し始める。ステップS10では、触媒温度センサ32に示度に応じて改質水供給ポンプ10の給水量を増大させていく。ここでは、触媒温度センサ32の示度が改質適温になるときに、改質水供給ポンプ10が60cc/分の流量となる関係を用いる。ステップS12では、触媒温度センサ32の示度が改質適温になるのを待つ。ステップS12でYESとなると、改質部14の温度は改質運転中のそれに一致する。改質水供給ポンプ10が60cc/分の流量を供給していると、最大加熱量で加熱しても、改質部14の温度は改質運転中のそれに一致し、改質適温以上には過熱されない。
【0032】
ステップS12でYESとなると、ステップS16以降で、最小加熱量を意図した最小加熱量に調整し、その最小加熱量で良好に燃焼されるように調整する作業に移行する。そのために、ステップS14では、改質水供給ポンプ10の給水量をw3に調整する。この給水量w3は、図2において説明した給水量であり、本実施例では5cc/分である。
ステップS16では、図3に示した設定値に従って、送風ファン30の回転数を最低回転数にして、比例弁24に最小加熱量用の電流i1を通電する。
そして、ステップS18では、燃料ガスの供給2次圧を測定し、測定された燃料ガスの供給2次圧が、意図した最小加熱量に対応するよりも高ければ、比例弁24を閉じ側に調整する(ステップS20であり、図4の矢印100の調整)。測定された燃料ガスの供給2次圧が、意図した最小加熱量に対応するよりも低ければ、比例弁24を開け側に調整する(ステップS22であり、図4の矢印104の調整)。測定された燃料ガスの供給2次圧が、意図した最小加熱量に対応する圧力に等しければ、意図した最小加熱量に調整されていることから、次のステップに進む。
【0033】
ステップS26以降で、最大加熱量を意図した最大加熱量に調整し、その最大加熱量で良好に燃焼されるように調整する作業に移行する。そのために、まずステップS24では、改質水供給ポンプ10の給水量をw4に調整する。この給水量w4は、図2において説明した給水量であり、本実施例では60cc/分である。60cc/分の流量で改質水を供給すると、吸熱反応が得られない状態で最大加熱量で加熱し続けても、改質部14が過熱されることがない。
ステップS26で、図3に示した設定値に従って、送風ファンの回転数を最高回転数にして、比例弁24に最大加熱用の電流i2を流す。ここで、改質水の給水量をw4に調整した直後は、改質部14の温度が一時的に下がっている可能性もある。したがって、ステップS28では、触媒温度センサ32の示度が改質適温になるのを待つ。ステップS28でYESとなると、改質部14の温度は改質運転中のそれに一致する。
そして、ステップS30では、燃料ガスの供給2次圧を測定し、測定された燃料ガスの供給2次圧が、意図した最大加熱量に対応するよりも高ければ、比例弁24を閉じ側に調整する(ステップS32であり、図4の矢印110の調整)。測定された燃料ガスの供給2次圧が、意図した最大加熱量に対応するよりも低ければ、比例弁24を開け側に調整する(ステップS34であり、図4の矢印114の調整)。測定された燃料ガスの供給2次圧が、意図した最大加熱量に対応する圧力に等しければ、意図した最大加熱量に調整されていることから、次のステップに進む。
【0034】
上記の一連の処理によって最小加熱量と最大加熱量のときの比例弁24の開度が適正に調整されていることが確認されたら、燃焼部26の調整作業が完了したので、完了処理に入る。改質水供給ポンプ10の運転を停止し、燃焼を停止し、弁36を切替えて水蒸気放出経路38を閉じる(ステップS36)。以上によって、燃焼部の調整作業が完了する。
【0035】
改質水供給ポンプ10によって過熱を防止するのに十分な量の水が供給されるため、改質部14で改質運転を行わずにバーナ28が最大加熱量で燃焼していても、各触媒が活性温度範囲を超えて昇温することが効果的に防止される。各触媒が損傷されることがない。
また、通常に使用される改質水供給ポンプよりも給水能力が高い改質水供給ポンプ10を利用するだけで、他に特別な装置等を必要とすることなく、シンプルかつコンパクトな構造によって、調整作業中の過熱を防止することができる。
改質部14を通過した水蒸気は、改質ガス供給経路34から水蒸気放出経路38に送られる。このため、燃料電池発電システム2の全体を動かしたくない場合等でも、水蒸気が改質部14内に留まって結露したり、燃料電池48内に浸入して結露することがない。また、水蒸気は凝縮器40で水に凝縮された後で再利用できるため脱イオン水を排出する必要がなく、コストアップを抑えることができる。
【0036】
(第2実施例) 次に、本発明を具現化した第2実施例について説明をする。図6は、本実施例に係る燃料電池発電システム128の構成を模式的に示した図である。ここでは主に、第1実施例の燃料電池発電システム2との相違点について説明し、同様な部品については同一符号を付すことによって説明を省略する。
図6に示すように、本実施例では、改質部14の過熱を防止するために、改質水供給ポンプ127の他に、過熱を防止するために過剰な量の脱イオン水を送り込む過剰水供給ポンプ120を接続して、燃焼部26の調整作業を行う。燃焼部26の調整作業が完了すると、過剰水収容タンク118と過剰水供給ポンプ120と過剰水供給経路122は、接続口124から取り外される。
【0037】
改質水供給ポンプ127は、従来の改質器に使用されるポンプであり、改質運転時に必要とされる18cc/分の流量をわずかに上回る20cc/分の給水能力を持つ小型のポンプである。改質運転には十分な能力を有しているが、調整作業時の過熱を防止できるだけの給水能力はない。
改質水供給経路8に接続口124が設けられており、燃焼部26の調整作業をする場合には、接続口124に、過剰水収容タンク118と過剰水供給ポンプ120と過剰水供給経路122を接続する。過剰水供給ポンプ120は、40cc/分の給水能力を持つポンプであり、改質水供給ポンプ127と過剰水供給ポンプ120の合計給水能力は60cc/分の給水能力となり、併せて用いることで過熱を防止することができる。
【0038】
改質部14を通過した水蒸気は改質ガス供給経路34から凝縮器40に送られる。凝縮された脱イオン水は、経路126によって脱イオン水収容タンク118に戻されて繰り返し利用される。これに代えて、シスターン54に送って冷却水を補充することもできる。
過剰水供給ポンプ120単独の給水能力を60cc/分以上にすると、改質水供給ポンプ127を運転しないでも過熱を防止することができる。
調整作業時に過剰水供給ポンプ120を接続する方式によると、改質水供給ポンプ127の給水能力は低くてよく、改質器4の製造コストを低減して小型化することができる。
【0039】
(第3実施例) 次に、本発明を具現化した第3実施例について説明をする。図7は、本実施例に係る燃料電池発電システム136の構成を模式的に示した図である。ここでは、第1実施例の燃料電池発電システム2と第2実施例の燃料電池発電システム128の相違点について説明し、同様な部品については同一符号を付すことによって説明を省略する。
本実施例では、改質水供給ポンプ127の供給能力が過熱防止のためには不足していることを補うために、燃料電池48を冷却する脱イオン水を送り出して循環させる循環ポンプ52を流用する。燃焼部26の調整作業時には、燃料電池48を冷却する必要がないために、循環ポンプ52を流用することが可能である。
【0040】
図7に示すように、冷却水循環経路50に切替弁130を設け、改質水供給経路8に接続口134を設け、両者の間に連結経路132を接続する。切替弁130は、調整作業時にのみ連結経路132と循環ポンプ52を接続する。改質水供給ポンプ127と循環ポンプ52を併せた給水能力は60cc/分であり、調整作業中の過熱を防止するのに必要な量の水を送ることができる。
循環ポンプ52を流用可能にすると、改質水供給ポンプ127は小型ですみ、循環ポンプ52は冷却に必要な最小容量のものですむ。加熱防止のために、大型のポンプを用意する必要がなく、シンプルかつコンパクトな構造を維持することができる。
循環ポンプ52単独の給水能力が60cc/分以上であれば、改質水供給ポンプ127を運転しないでも過熱を防止することができる。
【0041】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1実施例の燃料電池発電システムの構成を模式的に示す図である。
【図2】 改質水供給量に対して、改質中の改質部を改質適温に維持するのに必要な燃焼部の加熱量の関係を示す図である。
【図3】 比例弁に通電する電流値と、送風ファンの回転数の関係を示す図である。
【図4】 燃料部に供給する燃料量を調整する比例弁に通電する電流値と、実際の燃料ガス供給量の関係を示す図である。
【図5】 燃焼部の調整作業の手順を示すフローチャートである。
【図6】 第2実施例の燃料電池発電システムの構成を模式的に示す図である。
【図7】 第3実施例の燃料電池発電システムの構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
2 :燃料電池発電システム、
4 :改質器、
6 :改質水収容部、
8 :改質水供給経路、
10:改質水供給ポンプ、
12:蒸発器、
14:改質部、
16:原燃料ガス収容部、
18、22:原燃料ガス供給経路、
20、24:比例弁、
26:燃焼部、
28:バーナ、
30:送風ファン、
32:触媒温度センサ、
34:改質ガス供給経路、
36:切替弁、
38:水蒸気放出経路、
40:凝縮器、
48:燃料電池、
50:水循環経路、
52:循環ポンプ、
54:シスターン、
56:燃料電池発電装置、
66:制御部
Claims (4)
- 水蒸気と炭化水素系ガスから水素ガスを生成する改質部と、
燃料を燃焼することによって改質中の改質部を改質適温に維持する燃焼部と、
改質部に供給する水蒸気を生成する改質水を送る改質水供給ポンプとを備えた改質器と、
改質器を制御する制御部とを備えたシステムであって、
改質水供給ポンプの給水能力が、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで燃焼部で最大加熱量で燃焼する状態において、改質部が改質適温を超えて昇温することを防止する水量以上に設定されており、
制御部は、燃焼部を調整する時には、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで、改質部が改質適温を超えて昇温することを防止する水量以上の改質水を供給するように改質水供給ポンプを制御することを特徴とするシステム。 - 水蒸気と炭化水素系ガスから水素ガスを生成する改質部と、
水から水蒸気を生成する蒸発部と、
燃料を燃焼することによって改質中の改質部を改質適温に維持する燃焼部と、
蒸発部に改質水を供給する改質水供給ポンプと、
蒸発部に過剰水を供給する過剰水供給ポンプの接続口とを備えた改質器と、
改質器を制御する制御部とを備えたシステムであって、
改質水供給ポンプの給水能力が、改質中の改質部が消費する水量をわずかに上回る水量に設定されており、
改質水供給ポンプと過剰水供給ポンプの合計給水能力が、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで燃焼部で最大加熱量で燃焼する状態において、改質部が改質適温を超えて昇温することを防止する水量以上に設定されており、
制御部は、燃焼部を調整する時には、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで、改質部が改質適温を超えて昇温することを防止する水量以上の改質水を供給するように改質水供給ポンプと過剰水供給ポンプとを制御することを特徴とするシステム。 - 過剰水供給ポンプの単独の給水能力が、改質部に炭化水素系ガスを供給しないで燃焼部で最大加熱量で燃焼する状態において、改質部が改質適温を超えて昇温することを防止する水量以上に設定されていることを特徴とする請求項2のシステム。
- 改質部から水素ガス利用部に向けて水素ガスを供給する配管に、その配管から水蒸気を放出する放出経路が設けられていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のシステム。
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