JP4471678B2

JP4471678B2 - 水蒸気改質装置

Info

Publication number: JP4471678B2
Application number: JP2004036758A
Authority: JP
Inventors: 規寿神家
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: JP2005225725A

Description

本発明は、水蒸気発生器によって生成された水蒸気の供給を受けて原燃料の改質処理を行う改質器と、その改質器における改質反応の状態を管理する改質反応管理手段とが設けられている水蒸気改質装置に関する。

かかる水蒸気改質装置としては、改質反応の状態を管理することを目的として、改質反応に関与する炭素量に対する水蒸気量のモル比である水蒸気比を調節している装置がある。そして、改質器に供給される水蒸気量を測定するために流量計が設けられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−３２５９７５号公報

従来の水蒸気改質装置では、改質器に供給される水蒸気量を管理することで改質反応の状態を管理していた。そのため、正確な水蒸気量の測定のために特許文献１に記載されている流量計や、水蒸気圧を測定する圧力計などが設けられている。しかしながら、流量計や圧力計といった装置は高価であり、水蒸気改質装置のコストが上昇してしまうという問題がある。

また、流量計や圧力計を設けずに、水蒸気を送り込むポンプを作動させるための制御出力値によって改質反応に関与する水蒸気量を調節することも可能であるが、ポンプの経時的な性能変化やポンプ内部のフィルタの目詰まりといった様々な問題によって、改質器へと送出される水蒸気量に信頼性が得られなくなる可能性がある。その結果、水蒸気比が適正な値から逸脱してしまい、改質反応に異常が発生する可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、安価且つ確実な方法で改質反応の状態を管理可能な水蒸気改質装置を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る水蒸気改質装置の第１特徴構成は、水蒸気発生器によって生成された水蒸気の供給を受けて原燃料の改質処理を行う改質器と、前記改質器における改質反応の状態を管理する改質反応管理手段とが設けられている水蒸気改質装置であって、前記改質器の改質触媒を加熱するように設けられる燃焼器が、前記改質触媒の温度が一定温度になるように燃焼用燃料及び燃焼用空気の流量が調節されるように構成され、前記水蒸気発生器が、前記燃焼器からの排ガスによって供給される水を蒸発するように構成され、前記水蒸気発生器から前記改質器に供給される水蒸気の温度を測定する水蒸気温度測定手段が設けられ、前記改質反応管理手段が、前記水蒸気温度測定手段での測定に基づく前記水蒸気の温度が設定温度範囲内にあるか否かを監視して、前記水蒸気の温度が前記設定温度範囲よりも大きいときには前記水蒸気発生器への給水量を増大させて前記水蒸気発生器から前記改質器に供給される水蒸気量を増大させ、前記水蒸気の温度が前記設定温度範囲よりも小さいときには前記給水量を減少させて前記水蒸気発生器から前記改質器に供給される水蒸気量を減少させるように構成されている点にある。

上記第１特徴構成によれば、改質反応管理手段が、水蒸気温度測定手段での測定に基づく水蒸気の温度が設定温度範囲内にあるか否かを監視し、水蒸気の温度が設定温度範囲内にないときには改質反応が異常であると判定するように構成されていることで、改質反応の状態が、安価且つ確実に測定することができる水蒸気温度を指標として判定できることになる。その結果、水蒸気改質装置のコストを低くしながらも、行われる改質反応の状態を管理することができる。

また、第１特徴構成によれば、改質反応管理手段が、水蒸気の温度が設定温度範囲よりも大きいときには水蒸気発生器への給水量を増大させて水蒸気発生器から改質器に供給される水蒸気量を増大させるように構成されていることで、水蒸気改質反応における水蒸気比が適正な数値から逸脱していたとしても、その数値に近づくように調節されることになる。また、改質反応管理手段が、水蒸気の温度が設定温度範囲よりも小さいときには給水量を減少させて水蒸気発生器から改質器に供給される水蒸気量を減少させるように構成されていることで、水蒸気改質反応における水蒸気比が適正な数値から逸脱していたとしても、その数値に近づくように調節されることになる。その結果、水蒸気比を適正な数値に維持して、実施される改質反応の状態を良好に維持することができる。

本発明に係る水蒸気改質装置の第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記改質反応管理手段が、前記水蒸気発生器への給水量を増大させた後、又は、前記給水量を減少させた後の設定時間経過後、前記水蒸気温度測定手段での測定に基づく前記水蒸気の温度が前記設定温度範囲内にあるか否かの監視と、前記改質反応が異常であるか否かの判定とを行うように構成されている点にある。

上記第２特徴構成によれば、水蒸気発生器への給水量を増大させることにより水蒸気比を適正な数値に調節した後、又は、給水量を減少させることにより水蒸気比を適正な数値に調節した後の設定時間経過後、水蒸気温度測定手段での測定に基づく水蒸気の温度が設定温度範囲内にあるか否かの監視と、改質反応が異常であるか否かの判定とを再度行うように構成されていることで、上述の給水量を増大させたことによる作用、又は、給水量を減少させたことによる作用を確認することができる。

＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して本発明の第１実施形態の水蒸気改質装置について説明する。
図１に示す水蒸気改質装置には、メタンガスなどの炭化水素を含む原燃料ガスの脱硫を行う脱硫器１と、脱硫された原燃料ガスと水蒸気とを反応させる水蒸気改質反応を行って水素ガスを含む水素含有ガスを発生させる改質器３と、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成する一酸化炭素変成器５と、一酸化炭素変成器５を通過した水素含有ガス中に微量に含まれる一酸化炭素を酸化して、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素濃度を更に低減させる一酸化炭素除去器６とが設けられ、原燃料バルブＶ１、改質水バルブＶ２及び原燃料ポンプＰの作動をマイクロコンピュータなどによって実現される制御部Ｈが制御して、燃料電池（図示せず）にて燃料として使用される水素ガスを含む改質ガスを生成するように構成されている。

具体的には、制御部Ｈは、原燃料バルブＶ１を開き、設定された流量で原燃料ガスが流れるように原燃料ポンプＰを作動させて、原燃料ガス（例えば、メタンガス）を脱硫器１に流入させる。つまり、制御部Ｈは、改質器３における改質反応の状態を管理する改質反応管理手段として作用する。脱硫器１にて脱硫された原燃料ガスは、水蒸気発生器２において生成された水蒸気と共に改質器３に導入され、改質器３において水蒸気改質が行われる。改質器３には、改質触媒（図示せず）の温度を測定可能な改質触媒用温度センサ７が設けられており、原燃料ガスの改質反応が行われる改質運転可能な温度にその改質触媒を加熱調節するための燃焼器４が設けられている。燃焼器４には、燃焼用燃料と燃焼用空気とが供給され、それらの混合ガスが燃焼器４における燃焼を形成することになる。この燃焼燃料としては、燃料電池から排出された未反応の水素ガスを含む燃料電池排ガスや、原燃料ガスとして用いられているメタンガスなどが使用可能である。

そして、燃焼器４で燃焼された後の高温の排ガスは水蒸気発生器２に供給され、改質水バルブＶ２にて流量が調節されて供給される水を蒸発させるために利用される。本実施形態では改質触媒が一定温度になるように燃焼用燃料及び燃焼用空気の流量が調節されているので燃焼器４での発熱量はほぼ一定であり、その結果、水蒸気発生器２に供給される高温の排ガスの熱量もほぼ一定である。従って、改質水バルブＶ２を経て水蒸気発生器２に給水される改質水の量が一定であれば、水蒸気温度測定手段としての水蒸気用温度センサ８にて測定される水蒸気温度は一定となる。

このような水蒸気改質装置において実施される改質反応の状態を管理するためには、改質反応に直接関与する炭素量に対する水蒸気量のモル比である水蒸気比が一定に保たれるように改質反応を管理する制御を行うことが要求される。以下に、図２を参照して水蒸気改質装置で行われる改質反応管理制御のフローチャートについて説明する。

ステップ１００において制御部Ｈは、水蒸気用温度センサ８にて測定される水蒸気温度が設定温度範囲より大きいか否かを判定する。上述したように、燃焼器４から水蒸気発生器２に供給される高温の排ガスの単位時間当たりの熱量は一定であるため、水蒸気発生器２への単位時間当たりの給水量が多すぎると水蒸気温度が低くなり、水蒸気発生器２への給水量が少なすぎると水蒸気温度が高くなる。

従って、水蒸気温度が設定温度範囲よりも大きいときには、水蒸気発生器２への給水量が少なすぎる、つまり、改質器３へ供給される水蒸気量が少なすぎるために、改質反応に関与する水蒸気量が少なくなって改質反応が正常に実施されない（発生する水素ガス量が少なくなり、燃料電池側では燃料（水素ガス）不足に陥る）と判定することができる。同様に、水蒸気温度が設定温度範囲よりも小さいときには、水蒸気発生器２への給水量が多すぎる、つまり、改質器３へ供給される水蒸気量が多すぎるために、改質反応に関与する水蒸気量が多くなって改質反応が正常に実施されないと判定することができる。この設定温度範囲は、燃焼器４から水蒸気発生器２に供給される高温の排ガスの熱量が一定であるときに、水蒸気発生器２へ適正な設定給水量の水を給水したときに生成される水蒸気温度の範囲に基づいて設定することができる。そして、ステップ１００において水蒸気温度が設定温度範囲より大きかった場合、制御部Ｈは、改質水バルブＶ２を作動させて水蒸気発生器２への給水量を増大させる（ステップ１０４）。

他方で、ステップ１００において水蒸気温度が設定温度範囲より大きくなかった場合、制御部Ｈは、水蒸気温度が設定温度範囲より小さいか否かを判定する（ステップ１０２）。そして、ステップ１０２において水蒸気温度が設定温度範囲より小さかった場合、制御部Ｈは、改質水バルブＶ２を作動させて水蒸気発生器２への給水量を減少させる（ステップ１０６）。

例えば、設定温度範囲が１００℃から２００℃の間であるとすると、制御部Ｈは、水蒸気温度が１００℃よりも小さいときには、気化されていない１００℃以下の水が存在するほど給水量が多い状態であるため、改質水バルブＶ２を作動させて水蒸気発生器２への給水量を減少させるような制御を行い、そして、水蒸気温度が２００℃よりも大きいときには、気化された水蒸気が過熱されるほど給水量が少ない状態であるため、改質水バルブＶ２を作動させて水蒸気発生器Ｖ２への給水量を増大させるような制御を行う。

次に制御部Ｈは、ステップ１０４において給水量を増大させた後、又は、ステップ１０６において給水量を減少させた後、給水量の増大効果又は減少効果が現れるのを待つために、設定時間経過したか否かのタイムカウントを行う（ステップ１０８）。そして、設定時間経過したときには、この改質反応管理制御の初めにリターンして、再度、水蒸気温度の測定と、改質水バルブＶ２の作動調節が行われる。また、ステップ１０２において水蒸気温度が設定温度範囲よりも小さくなかった場合、つまり、水蒸気温度が設定温度範囲内であった場合、制御部Ｈは、水蒸気発生器２への給水量が適正範囲内にあり、水蒸気比が適正な状態にあって改質反応が正常に行われていると判定して、この改質反応管理制御の初めにリターンする。

以上のように、本発明の水蒸気改質装置を用いることで、水蒸気用温度センサ８による温度測定の結果に基づいて改質器３に供給されている水蒸気量が過多であるのか又は過少であるのか、つまり、温度センサという安価且つ確実な方法で改質反応の状態が正常であるのか又は異常であるのかの判定を行うことが出来る。

＜参考の実施形態＞
参考の実施形態の水蒸気改質装置は、改質反応が異常であるときに報知手段９を作動させるように構成されている点で第１実施形態と異なる。以下に図１及び図３を参照して参考の実施形態の水蒸気改質装置について説明するが、第１実施形態と同様の説明は省略する。

図３には水蒸気改質装置で行われる改質反応管理制御のフローチャートを示す。
ステップ２００において制御部Ｈは、水蒸気用温度センサ８にて測定される水蒸気温度が設定温度範囲より大きいか否かを判定する。上述したように、水蒸気温度が設定温度範囲よりも大きいときには、水蒸気発生器２への給水量が少なすぎる、つまり、改質器３へ供給される水蒸気量が少なすぎると判定することができ、水蒸気温度が設定温度範囲よりも小さいときには、水蒸気発生器２への給水量が多すぎる、つまり、改質器３へ供給される水蒸気量が多すぎると判定することができる。そして、ステップ２００において水蒸気温度が設定温度範囲より大きかった場合、制御部Ｈは、報知手段９を作動させて改質反応が適正に行われていないという異常を報知する（ステップ２０４）。

他方で、ステップ２００において水蒸気温度が設定温度範囲より大きくなかった場合、制御部Ｈは、水蒸気温度が設定温度範囲より小さいか否かを判定する（ステップ２０２）。そして、ステップ２０２において水蒸気温度が設定温度範囲より小さかった場合、制御部Ｈは、報知手段９を作動させて改質反応が適正に行われていないという異常を報知する（ステップ２０４）。

報知手段９は、水蒸気改質装置又は水蒸気改質装置が設けられている燃料電池システムに備えられているブザーや光学式の表示装置など、異常が発生していることを報知可能な装置である。例えば、報知手段９がブザーを用いて構成されているとき、制御部Ｈは、水蒸気温度が設定温度範囲よりも大きく且つ小さい場合にはブザーを鳴動させるように構成することができる。また、報知手段９が光学式の表示装置を用いて構成されているとき、制御部Ｈは、水蒸気温度が設定温度範囲よりも大きく且つ小さい場合には光学式の表示装置としてのランプを点滅作動させるように構成することができる。

上述のような報知手段９を設けることで、改質反応が適正に行われていないことが燃料電池システムの使用者や保守管理者に対して報知され、水蒸気改質装置のメンテナンスの必要性を認識させることができる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では水蒸気用温度センサ８によって測定される水蒸気の設定温度範囲を１００℃から２００℃とした場合について説明したが、設定温度範囲の値は適宜設定することができる。

＜２＞
上記参考の実施形態において説明した報知手段９による報知作動を、上記第１実施形態において実施させることもできる。例えば、水蒸気用温度センサ８によって測定された水蒸気温度が設定温度範囲から逸脱していたとき、制御部Ｈが、上記第１実施形態において説明したように改質水バルブＶ２を作動させて水蒸気発生器２への給水量を調節すると共に、上記参考の実施形態において説明したように報知手段９を作動させるように構成することもできる。その結果、改質器３で行われる改質反応での水蒸気比を適正な状態に維持できると共に、水蒸気比を異常なものとさせていた機器の故障などが燃料電池システムの使用者や保守管理者に報知されて、水蒸気改質装置のメンテナンスの必要性を認識させることができる。

また、制御部Ｈが改質水バルブＶ２を作動させて水蒸気発生器２への給水量を調節するときの設定温度範囲（以下、「給水量調節用設定温度範囲」と記す）と、制御部Ｈが報知手段９を作動させるときの設定温度範囲（以下、「報知手段作動用設定温度範囲」と記す）とを異ならせることもできる。例えば、給水量調節用設定温度範囲を１２０℃から１８０℃と設定し、報知手段作動用設定温度範囲を１００℃から２００℃と設定した場合、制御部Ｈは、水蒸気用温度センサ８によって測定される水蒸気温度が１００℃から１２０℃の間、及び、１８０℃から２００℃の間は改質水バルブＶ２を作動させて水蒸気発生器２への給水量を調節する制御のみを行い、そして、水蒸気温度が１００℃より小さく、及び、２００℃より大きくなると、改質水バルブＶ２を作動させて水蒸気発生器２への給水量を調節する制御と報知手段９の作動制御とを行うようになる。

＜３＞
上記実施形態では水蒸気発生器２への給水量を調節する手段として改質水バルブＶ２を例に挙げて説明したが、給水量を調節可能なポンプなどの装置で置き換えることも可能である。

水蒸気改質装置の構成図改質反応管理制御のフローチャート改質反応管理制御のフローチャート

符号の説明

２水蒸気発生器
３改質器
８水蒸気用温度センサ（水蒸気温度測定手段）
Ｈ制御部（改質反応管理手段）

Claims

水蒸気発生器によって生成された水蒸気の供給を受けて原燃料の改質処理を行う改質器と、前記改質器における改質反応の状態を管理する改質反応管理手段とが設けられている水蒸気改質装置であって、
前記改質器の改質触媒を加熱するように設けられる燃焼器が、前記改質触媒の温度が一定温度になるように燃焼用燃料及び燃焼用空気の流量が調節されるように構成され、
前記水蒸気発生器が、前記燃焼器からの排ガスによって供給される水を蒸発するように構成され、
前記水蒸気発生器から前記改質器に供給される水蒸気の温度を測定する水蒸気温度測定手段が設けられ、
前記改質反応管理手段が、前記水蒸気温度測定手段での測定に基づく前記水蒸気の温度が設定温度範囲内にあるか否かを監視して、前記水蒸気の温度が前記設定温度範囲よりも大きいときには前記水蒸気発生器への給水量を増大させて前記水蒸気発生器から前記改質器に供給される水蒸気量を増大させ、前記水蒸気の温度が前記設定温度範囲よりも小さいときには前記給水量を減少させて前記水蒸気発生器から前記改質器に供給される水蒸気量を減少させるように構成されている水蒸気改質装置。
前記改質反応管理手段が、前記水蒸気発生器への給水量を増大させた後、又は、前記給水量を減少させた後の設定時間経過後、前記水蒸気温度測定手段での測定に基づく前記水蒸気の温度が前記設定温度範囲内にあるか否かの監視を行うように構成されている請求項１記載の水蒸気改質装置。