JP4506091B2 - How to start the evaporator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの原料ガスを液体原料から蒸発させて得る蒸発器の起動方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から液体原料を蒸発させて燃料電池システムの改質反応器に原料ガスとして供給するようにした蒸発器が知られている(特許文献1参照)。
【0003】
この蒸発器は、燃料電池のアノード排ガスを燃焼させた燃焼ガスを蒸発用熱源として蒸発室内に配置した配管内に導入し、液体原料を蒸発室上部に設けた原料噴射装置から前記配管に向けて噴射することで、原料ガスとして蒸発・ガス化するように構成している。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−124278号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、蒸発器内の蒸発用熱源を導入した配管に液体原料を噴射して蒸発・ガス化するものであるため、起動時等において、液体原料と蒸発器との温度差による熱衝撃によって蒸発器自体に過大な熱応力が発生し、蒸発器の信頼性が低下する不具合があった。
【0006】
また、改質器側で必要とする都度、液体原料を噴射して蒸発させる場合にも、前記温度差による熱衝撃によって、蒸発器に過大な熱応力が発生し、蒸発器の信頼性が低下する不具合があった。
【0007】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、熱衝撃を防止して耐久信頼性を向上できる蒸発器の起動方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、最初に蒸発させたい液体原料を蒸発器に供給し、蒸発器内に満たした状態においてその供給を停止し、次に高温側流体を蒸発器内に導入し、前記高温側流体の導入を継続しつつ蒸発器内に満たした液体原料の一部を蒸発器外に抜取り蒸発器内の液体原料量を減少させ、その後の蒸発器内の液体原料の昇温されていく過程において前記抜取った液体原料若しくは新規な液体原料を再び蒸発器へ供給するようにした。
【0010】
【発明の効果】
したがって、本発明では、最初に蒸発させたい液体原料を蒸発器に供給し、蒸発器内に満たした状態においてその供給を停止し、次に高温側流体を蒸発器内に導入するため、液体原料は、逐次、蒸発潜熱を蒸発器から奪うこととなり、蒸発器内に局所的な温度勾配の発生を抑制し、熱衝撃を防止でき、蒸発器の耐久信頼性を向上することができる。
しかも、前記高温側流体の導入を継続しつつ蒸発器内に満たした液体原料の一部を蒸発器外に抜取り蒸発器内の液体原料量を減少させ、その後の蒸発器内の液体原料の昇温されていく過程において前記抜取った液体原料若しくは新規な液体原料を再び蒸発器へ供給するため、蒸発器の昇温を早め、起動時間を短縮することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の蒸発器の起動方法を各実施形態に基づいて説明する。
【0013】
(参考例)
図1〜図3は、本発明の前提となる蒸発器の起動方法の参考例を示し、図1は参考例の蒸発器を含む燃料電池システムの概略図、図2は蒸発器の運転装置のシステム構成図、図3はコントローラによる起動方法のフローチャートである。先ず、図1により、参考例の蒸発器の運転装置を含む燃料電池システムについて説明する。
【0014】
図1において、燃料電池システムは、原料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する改質反応器1と、改質ガスに含まれる水素と空気に含まれる酸素とにより発電を行う燃料電池スタック2と、燃料電池スタック2のアノード排ガスを空気により燃焼させる燃焼器3と、改質反応器1に原料ガスを供給する原料ガス供給手段4とを備えている。
【0015】
前記改質反応器1は、原料ガス供給手段4より供給される炭化水素を主成分とする原料ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成し、燃料電池スタック2にアノードガスとして供給する。前記燃料電池スタック2は、改質反応器1より供給された改質ガス中の水素と空気供給ブロア9により送出された空気中の酸素との電気化学反応により発電する。電気化学反応に供されずに排出されたアノード排ガスは排水素燃焼器3に供給され、カソード排ガスは原料ガス供給手段4に低温側加熱ガスとして供給する。前記排水素燃焼器3は、燃料電池スタック2よりのアノード排ガスを空気供給ブロア9から送出された空気により燃焼させ、燃焼ガスを原料ガス供給手段4に高温側加熱ガスとして供給する。
【0016】
前記原料ガス供給手段4は、液体原料から原料ガスを生成して前記燃料電池システムの改質反応器1に供給するものであり、液体原料を蒸発・ガス化させる蒸発器6と、前記排水素燃焼器3の燃焼ガスおよび燃料電池スタック2のカソード排ガスを蒸発器6に熱源として選択供給する熱源制御手段7と、蒸発器6に液体原料を供給する液体原料供給手段8とで構成している。
【0017】
前記蒸発器6は、前記液体原料供給手段8から供給された液体原料を図示しない蒸発容器に貯留し、熱源制御手段7から熱源として供給される加熱ガスの熱により蒸発・ガス化させ、三方弁10を介して改質反応器1に供給する。
【0018】
前記熱源制御手段7は、例えば、アノード排ガスの蒸発器6への供給量を調整する第1流量調整弁11と、排水素燃焼器3の燃焼ガスの蒸発器6への供給量を調整する第2流量調整弁12とを備える。
【0019】
前記第1流量調整弁11としては、燃料電池スタック2のカソード排ガスを、一方の切換え位置では低温側加熱ガスとして蒸発器6に供給可能であり、他方への切換え位置では外気に排出可能とする。第1流量調整弁11は、また、中間の切換え位置ではカソード排ガスをその切換え位置を調節することにより上記両者への排出量・供給量の配分割合を調節可能である。
【0020】
前記第2流量制御弁12としては、排水素燃焼器3の燃焼ガスを、一方の切換え位置では高温側加熱ガスとして蒸発器6に供給可能であり、他方への切換え位置では蒸発器6をバイパスして外気に排出可能である。第2流量調整弁12は、また、中間の切換え位置では燃焼ガスをその切換え位置を調節することにより上記両者への排出量・供給量の配分割合を調節可能である。
【0021】
カソード排ガスの温度は、通常、60℃〜70℃程度であり、また、燃焼ガスの温度は、例えば、通常400℃前後である。このため、燃焼ガスとカソード排ガスとの混合割合を調節することで、前記蒸発器6に供給するガスの温度を調節可能であり、燃焼ガスのみを供給する場合に加熱エネルギが最大となり、カソード排ガスのみを供給する場合には加熱エネルギを最小とできる。
【0022】
前記液体原料供給手段8は、液体原料を貯蔵するタンク13と、タンク13内の液体原料を蒸発器6に供給するポンプ14と、三方弁10からタンク13に至る凝縮器15付きの戻し通路16とを備える。運転停止時には、ポンプ14は蒸発器6内の液体原料を抜いてタンク13に回収するよう逆転可能であり、また、蒸発容器から蒸発した原料ガスを、三方弁10を経由して凝縮器15により液化してタンク13に回収することを可能としている。
【0023】
以上の構成の燃料電池システムにおいては、原料ガス供給手段4からの原料ガスを改質反応器1により改質した改質ガスと空気供給ブロワ9からの空気とが燃料電池スタック2に導入され、発電に供される。発電に供されなかった改質ガスであるアノード排ガスは排水素燃焼器3に供給され、排水素燃焼器3で空気供給ブロワ9より供給される空気により燃焼され、その燃焼ガスは原料ガス供給手段4に導入される。また、燃料電池スタック2からのカソード排ガスも原料ガス供給手段4に導入される。
【0024】
次に、図2により、蒸発器の運転装置のシステム構成について説明する。
【0025】
前記蒸発器6には、排水素燃焼器3からの燃焼ガスと燃料電池スタック2からの排カソードガスとを熱源制御手段7の第1、第2流量調整弁11、12により混合して温度調整された高温ガスが供給され、また、出口バルブ17を介して高温ガスを排出するよう構成している。ここでは、第1、第2流量調整弁11、12は一個のバルブとして図示され、以下では、単に入口バルブ11とのみ称す。この場合、入口バルブ11は、排水素燃焼器3からの燃焼ガスのみが供給される場合であってもよい。これら入口バルブ11および出口バルブ17は、コントローラ5により開閉制御される。
【0026】
前記蒸発器6には、供給された液体原料の液面レベルを検知するレベルセンサ18が設けられ、レベルセンサ18のレベル信号はコントローラ5に入力される。
【0027】
前記液体原料供給手段8は、タンク13に貯蔵された液体原料を蒸発器6に供給する系統に、ポンプ14と入口バルブ19とを備え、入口バルブ19はコントローラ5により開閉制御され、ポンプ14は電動モータ20により駆動され、電動モータ20はコントローラ5によりその回転方向および回転速度が制御される。また、蒸発器6から蒸発した原料ガスはコントローラ5により開閉制御される三方弁10を介して改質反応器1に供給される。
【0028】
前記コントローラ5は、上位の燃料電池システムの制御装置21より出力される蒸発器6の起動指令により蒸発器6を起動させ、蒸発器6の停止指令により蒸発器6を停止させる。
【0029】
以上の構成の蒸発器の運転装置は、図3に示す制御フローチャートにしたがってコントローラにより起動制御がなされる。蒸発器の起動制御について図3の制御フローチャートに基づき説明する。また、蒸発器自体の温度を時間の経過に連れて示した図4のタイムチャートにより、併せて説明する。なお、図3の処理は、コントローラ5において一定周期毎に実行される。
【0030】
先ず、ステップ1において、蒸発器6の起動時制御か否かが判断される。既に蒸発器6が起動している場合には、ステップ5に進んで通常時制御が実行され、燃料電池システムの制御装置21より起動指令が発せられた起動時である場合には、ステップ2へ進む。
【0031】
蒸発器6の停止状態においては、蒸発器6内の液体原料はタンク13内に抜取られており、液体原料供給手段8のポンプは停止され、その入口バルブ19および三方弁10も遮断されている。また、熱源である、例えば、排水素燃焼器3の燃焼ガスは、入口バルブ11で遮断されて流入を阻止されており、高温ガスの出口バルブ17も閉じられている。
【0032】
ステップ2では、入口バルブ19を開放し、電動モータ20を正転させてポンプ14により低温側流体である液体原料をタンク13から入口バルブ19を経由させて蒸発器6に供給する(図4の時点t0参照)。
【0033】
ステップ3では、蒸発器6内の液体原料のレベルをレベルセンサ18で監視し、蒸発器6内に低温側流体が規定量まで満たされたか否かを判断し、規定量まで満たされるまで電動モータ20の正転を継続してポンプ14による液体原料の供給を継続する。液体原料が規定量まで満たされるとステップ4へ進む。
【0034】
ステップ4では、電動モータ20の作動を停止し、入口バルブ19を遮断して低温側流体の蒸発器6内への流入を停止させる。蒸発器6内では、液体原料が規定量だけ満たされた状態にあり、その温度は供給された液体原料の温度である低温状態にある。同時に、入口バルブ11および出口バルブ17を開放し、高温側流体の蒸発器6内への流入を開始し、蒸発器6の起動処理を終了する(図4の時点t1参照)。
【0035】
熱源よりの高温ガスは蒸発器6内に導入され、蒸発器6内の図示しない循環路を経由させて出口バルブ17より排出される。蒸発器6内では、高温側流体の循環により次第に昇温され、蒸発温度に達すると、蒸発器6内の液体原料の蒸発・ガス化が開始され、三方弁10を開放して得られた原料ガスを改質反応器1に供給する(図4の時点t2)。
【0036】
液体原料は、時点t2以降、高温側流体の供給による蒸発容器の昇温に応じて蒸発・ガス化され、蒸発による液体原料の量の減少をレベルセンサ18により検出の都度、液体原料供給手段8を作動させ、蒸発器6は定常運転に移行される。
【0037】
図5は、蒸発器6に低温側流体が満たされた状態で、高温側流体を供給した場合の蒸発器6内の温度分布を示し、流入した高温側流体は低温側流体を昇温させることで冷却され、徐々に温度低下するため、高温側流体の入口付近の範囲Aから範囲Bへと順次低温側流体が徐々に昇温される。低温側流体は、逐次、顕熱や蒸発潜熱を蒸発器から奪い、ある程度広い範囲A、Bで徐々に温度上昇され、局所的な温度勾配が生じず熱衝撃緩和に効果があることが理解できる。
【0038】
他方、図6に示す比較例は、高温側流体より蒸発器が昇温された状態で低温流体が流入した場合の蒸発器の温度分布を示すものであり、高温側流体により充分に高温となっている蒸発器は、低温側流体が流入すると、その低温側流体の流入部の範囲C、Dで局所的に温度低下され、局所的な温度勾配が生じ、蒸発器に熱衝撃を発生させ、破損等、耐久信頼性を低下させる。
【0039】
以上のように、蒸発器6に低温側流体である液体原料を供給する起動時に、高温側流体である加熱ガスよりも先に液体原料を供給し、蒸発器6内を液体原料で満たし、その後に加熱ガスを供給する。これにより、蒸発容器の温度は熱伝達のよい液体原料の温度に支配されるので、加熱ガスを一気に供給しても蒸発器6自体が急激な温度変化を起こすことがなく、これにより蒸発器6に熱衝撃による過大な応力が発生するのを抑制できる。
【0040】
本参考例においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【0041】
(ア)最初に蒸発させたい液体原料を蒸発器6内に満たし、次に高温側流体を蒸発器6内に導入することで蒸発器6を起動するため、液体原料は、逐次、蒸発潜熱を蒸発器6から奪うこととなり、蒸発器6内に局所的な温度勾配の発生を抑制し、熱衝撃を防止でき、蒸発器6の耐久信頼性を向上することができる。
【0042】
(第1実施形態)
図7および図8は、本発明を適用した蒸発器の起動方法の第1実施形態を示し、図7は蒸発器の運転装置のシステム構成図、図8はコントローラによる制御フローチャートである。本実施形態においては、蒸発器の昇温過程において蒸発器内の液体原料を一時的に抜くことにより蒸発温度への移行を早めるようにした構成を参考例に追加したものである。なお、参考例と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【0043】
図7において、蒸発器6には、配管22を経由して別タンク23が接続されており、配管22に配置したバルブ24で蒸発器6と別タンク23とは連通状態と遮断状態とを選択可能としており、また、バルブ24の開放状態において配管22中に設けたポンプ25を電動モータ26により正転若しくは逆転させることにより、蒸発器6内の液体原料を別タンク23に移送したり別タンク23内の液体原料を蒸発器6に戻すよう移送したりできるようにしている。
【0044】
前記別タンク23は、蒸発器6から一時的に抜いた液体原料を保存し、保存中の温度低下を抑制するために保温機能を備える。これら電動モータ26の回転方向、回転速度およびバルブ24の開閉はコントローラ5により制御される。また、コントローラ5には、別タンク23および蒸発器6内の温度を夫々設けた温度センサ27、28により監視するようにしている。その他の構成は、第1実施形態と同様に構成されている。
【0045】
以上の構成の蒸発器の運転装置は、コントローラにおいて一定周期毎に実行される図8に示す制御フローチャートにしたがってコントローラにより起動制御がなされる。なお、図8のステップ1〜ステップ5の処理は、第1実施形態のステップ1〜5と同様であり、ここでは、ステップ6からの蒸発器の起動制御について制御フローチャートに基づき説明する。また、蒸発器自体の温度の変化を、図9のタイムチャートにより、併せて説明する。
【0046】
ステップ6では、例えば、蒸発器6および液体の容量により変化する蒸発器6の熱容量と、例えば、蒸発器6および液体の温度により変化する使用環境状態と、温度センサ28により入力される実際の蒸発器6の温度上昇速度と、から予測した起動時間tsが、燃料電池システム21から要求される起動時間td(燃料電池システムに蒸気を供給するまでの待ち時間)よりも短時間(ts≦td)であるか否かが判断される。予測起動時間tsが要求起動時間tdより短い場合には、ステップ10へ進み、長い場合にはステップ7へ進む。予測起動時間tsが要求起動時間tdより短いと判断された場合には、後述の昇温時間短縮のステップ7〜ステップ9を経由させる必要はなく、液体原料を保持したまま高温側流体による液体原料の昇温が継続される。
【0047】
ステップ7では、バルブ24を開放し、電動モータ26によりポンプ25を駆動して蒸発器6内に溜められた低温側流体である液体原料を別タンク23に抜取る(図9の時点t3参照)。蒸発器6内の液体原料の有無をレベルセンサ18により監視し、抜取った時点で電動モータ26およびポンプ25を停止させ、バルブ24を閉じる。液体原料が抜かれた状態の蒸発器6は、その熱容量が小さくなる一方、高温側流体の供給が継続されているため、その昇温速度が上昇される。
別タンク23に抜かれた液体原料は、別タンク23の保温機能により保存中の温度低下が抑制される。
【0048】
ステップ8では、温度センサ28により監視している蒸発器6の温度が、再び所定量の液体を供給した場合に燃料電池システムに要求される起動時間td以内に蒸気を供給できると予想される温度まで昇温しているか否かを判断し、予想温度に達した場合(図9の時点t5参照)には、ステップ9へ進む。なお、所定量の液体の量は、定常運転状態で蒸発器6内に存在すべき液体の量(蒸発器の設計的事項から決まる設計値)であることが望ましい。
【0049】
ステップ9では、バルブ24を開き、電動モータ26によりポンプ25を抜取り方向とは反対の供給方向に駆動して、別タンク23に抜取った液体原料を再び蒸発器6に供給する。蒸発器6内の液体原料の量をレベルセンサ18により監視し、蒸発器6の規定量に達した時点で電動モータ26およびポンプ25を停止させ、バルブ24を閉じる。蒸発器6に戻される液体原料は、ステップ4〜ステップ5の間において蒸発器6内で温度上昇され且つ別タンク23で保温されていたものであるため、蒸発器6の温度との温度差は、タンク13の液体原料に対して小さく、蒸発器6に熱衝撃を生じさせることはなく、速やかに蒸発温度まで温度上昇され、液体原料の確実な蒸発を実現させる。
【0050】
ステップ10では、起動時間がきたら入口バルブ19を開き、電動モータ20によりポンプ14を駆動して燃料電池システム21に要求される流量の液体原料をタンク13から蒸発器6に供給し、蒸発器6は定常運転に移行される。
【0051】
図9のタイムチャートに示すように、蒸発器6は、満たされている液体原料を抜かない場合における点線図示の蒸気生成時点(図9の時点t2)よりも、液体原料を抜いた時点t3からの昇温速度が上昇し、早い段階の時点t4で蒸発温度を超えて蒸気を生成することができ、場合によっては、時点t5のように、更に温度上昇された後、別タンク23からの液体原料により一時的に温度低下される。
【0052】
なお、上記制御フローチャートでは、蒸発器6との温度差が小さいと見込まれる別タンク23の液体原料を蒸発器6に戻すようにしているが、劣化の原因となる程度の熱衝撃が蒸発器6に生じないような小さな温度差であれば、別タンク23よりも温度の低いタンク13の液体原料を蒸発器6に供給するようにしてもよい。再び液体を供給する際の蒸発器6と液体の温度差は、例えば100℃とか、200℃とかのように、熱伝導計算や実験によって求めることができる。
【0053】
また、上記制御フローチャートでは、ステップ6での判断基準を起動時間としているが、図示しないが、ステップ6の判断を省略して、ステップ4からステップ7へ進むようにしてもよい。この場合、ステップ8での判断を、蒸発器6が蒸気を生成可能な温度まで昇温されたか否か、または、昇温されてゆく蒸発器6の温度が導入する液体原料の温度に対して熱衝撃を生じない温度範囲にあるか否か、もしくは、蒸発器6の温度が導入する液体原料のその時の圧力に応じた飽和蒸気温度まで昇温されたか否かを判断させ、満足される時点で蒸発器6に液体原料を供給するようにする。これによれば、より簡単な制御で、蒸発器6の起動を早めることができ、且つ再度液体原料を導入する際の熱衝撃を有効に防止できる。
【0054】
本実施形態においては、参考例における効果(ア)に加えて以下に記載した効果を奏することができる。
【0055】
(イ)高温側流体の導入を継続しつつ蒸発器6内に満たされた液体原料を蒸発器6外に抜取り蒸発器内の液体原料量を減少させ、その後の蒸発器内の液体原料の昇温されていく過程において蒸発器6に再び液体原料を供給するため、蒸発器6の昇温を早め、蒸発器内の液体原料の蒸発・ガス化が開始できるまでの時間即ち起動時間を短縮することができる。
【0056】
(ウ)蒸発器6の液体原料の抜取りから再供給までの時間は、液体原料および蒸発器6自体の熱容量ならびに使用環境状態から決まる蒸発器内の液体原料の蒸発・ガス化が開始できるまでの時間に応じて変化させるか、もしくは、高温側流体の導入後の蒸発器6自体の温度上昇速度から決まる蒸発器内の液体原料の蒸発・ガス化が開始できるまでの時間に応じて変化させるため、蒸発器内の液体原料の蒸発・ガス化が開始できるまでの時間を燃料電池システムからの要求起動時間に合わせて、昇温でき、且つ短縮できる。
【0057】
(エ)液体原料の抜取り後の蒸発器6への再供給を、蒸発器6が蒸気を生成可能な温度まで昇温された時点で開始する場合、昇温されてゆく蒸発器6の温度が再供給する液体原料の温度に対して熱衝撃を生じない温度範囲にあるとき開始する場合、蒸発器6の温度が再供給する液体原料のその時の圧力に応じた飽和蒸気温度まで昇温された時点で開始する場合には、より簡単な制御で起動時間を短縮でき、且つ再度液体原料を再供給する際の熱衝撃を有効に防止できる。
【0058】
(オ)蒸発器6から抜取られる液体原料は、保温機能を備えた別タンクに貯留され、再供給時に蒸発器6に戻されるため、供給液体原料は一旦蒸発器6内で一時的に暖められており、確実な蒸発を実現できる。
【0059】
(第2実施形態)
図10は、本発明を適用した蒸発器の起動方法の第2実施形態を示すコントローラによる制御フローチャートである。本実施形態においては、蒸発器の昇温過程において蒸発器内の液体原料を所定量残して抜くことにより蒸発温度への移行を早めるようにした構成を第1実施形態に追加したものである。なお、第1実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。また、本実施形態における蒸発器の運転装置のシステム構成は、第1実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【0060】
本実施形態の蒸発器の運転装置は、コントローラ5において一定周期毎に実行される図10に示す制御フローチャートにしたがってコントローラ5により起動制御がなされる。なお、図10のステップ1〜ステップ5およびステップ8〜ステップ10の処理は、第2実施形態と同様であり、ここでは、ステップ6およびステップ7における蒸発器6の起動制御について説明する。また、蒸発器6自体の温度の変化を、図11のタイムチャートにより、併せて説明する。
【0061】
ステップ11では、蒸発器6および液体の容量により変化する蒸発器6の熱容量と、蒸発器6および液体の温度により変化する使用環境状態と、温度センサ28により入力される実際の蒸発器6の温度上昇速度と、から予測した起動時間tsが、燃料電池システムから要求される起動時間td(燃料電池システムに蒸気を供給するまでの待ち時間)よりも短時間(ts≦td)であるか否かが判断され、予測起動時間tsが要求起動時間tdより短い場合には、ステップ10へ進む。予測起動時間tsが要求起動時間tdより長い場合には、さらに、蒸発器6の熱容量の内の液体の容量をどれだけ減少させれば、要求される起動時間までに蒸気を供給できるか算出して求め、ステップ12へ進む。
【0062】
ステップ12では、バルブ24を開放し、電動モータ26によりポンプ25を駆動して蒸発器6内に溜められた低温側流体である液体原料を別タンク23に抜取る(図11の時点t3参照)。蒸発器6内の液体原料の有無をレベルセンサ18により監視し、ステップ11で算出された量の液体原料を抜取った時点で電動モータ26およびポンプ25を停止させ、バルブ24を閉じる。液体原料が残された蒸発器6は、その熱容量が小さくなる一方、高温側流体の供給が継続されているため、その昇温速度が上昇される。蒸発器6内には液体原料が残されているため、その温度上昇は実施形態2に比較して緩慢となり、図11の時点t6において、液体原料が蒸発温度に達する。別タンク23に抜かれた液体原料は、別タンク23の保温機能により保存中の温度低下が抑制される。
【0063】
そして、ステップ8で別タンク23の液体原料の戻しタイミング(図11の時点t6)を判断し、ステップ9で別タンク23の液体原料を蒸発器6に戻すよう作動させる。
【0064】
この実施形態においては、起動時間に応じて蒸発器6内に残す液体原料の量を調節しており、また、その量に応じて蒸発器6自体の昇温速度を調節でき、液体燃料が残っていることにより昇温時の熱衝撃を緩和しつつ、次に蒸発させたい流体を流入させる際の熱衝撃を防止する。
【0065】
なお、ステップ11およびステップ12において、蒸発器6に満たされた液体原料を少しずつ抜いて行き、実際の蒸発器6の温度上昇速度の上昇具合から、どれだけ液体を減らせば、要求される起動時間までに蒸気を供給できるかを計算して求めるようにしてもよい。
【0066】
本実施形態においては、第1実施形態における効果(イ)、(オ)に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。
【0067】
(カ)蒸発器6から抜取られる液体原料の量は、液体原料および蒸発器6自体の熱容量ならびに使用環境状態から決まる蒸発器内の液体原料の蒸発・ガス化が開始できるまでの時間、若しくは、高温側流体の導入後の蒸発器6自体の温度上昇速度から決まる蒸発器内の液体原料の蒸発・ガス化が開始できるまでの時間に応じて変化させ、残余の液体原料は蒸発器6内に残すため、起動時間に応じて蒸発器6の昇温を調節でき、再度流体を流入させる際に熱衝撃が生じないようにできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の前提となる蒸発器を含む燃料電池システムの概略図。
【図2】 本発明の参考例の蒸発器の運転装置のシステム構成図。
【図3】 参考例のコントローラによる起動方法のフローチャート。
【図4】 蒸発器自体の温度を時間の経過に連れて示したタイムチャート。
【図5】 蒸発器に低温側流体が満たされた状態で高温側流体を供給した場合の蒸発器内の温度分布図。
【図6】 高温側流体通路に高温側流体が満たされた状態で低温流体が流入した場合の蒸発器の温度分布図。
【図7】 本発明の第1実施形態の蒸発器の運転装置のシステム構成図。
【図8】 第1実施形態のコントローラによる起動方法のフローチャート。
【図9】 第1実施形態の蒸発器自体の温度を時間の経過に連れて示したタイムチャート。
【図10】 本発明の第2実施形態のコントローラによる起動方法のフローチャート。
【図11】 第2実施形態の蒸発器自体の温度を時間の経過に連れて示したタイムチャート。
【符号の説明】
1 改質反応器
2 燃料電池スタック
3 排水素燃焼器
4 原料ガス供給手段
5 コントローラ
6 蒸発器
7 熱源制御手段
8 液体原料供給手段
9 空気供給ブロア
11、12 流量調整弁、入口バルブ
13 タンク
14、25 ポンプ
18 レベルセンサ
19 入口バルブ
23 別タンク
24 バルブ
27、28 温度センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for starting an evaporator obtained by evaporating a raw material gas of a fuel cell system from a liquid raw material.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an evaporator in which a liquid raw material is evaporated and supplied as a raw material gas to a reforming reactor of a fuel cell system is known (see Patent Document 1).
[0003]
This evaporator introduces combustion gas obtained by burning the anode exhaust gas of the fuel cell into a pipe arranged in the evaporation chamber as an evaporation heat source, and directs the liquid raw material from the raw material injection device provided in the upper part of the evaporation chamber toward the pipe. By being injected, it is configured to evaporate and gasify as a raw material gas.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-124278 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional example, the liquid material is injected into a pipe into which an evaporation heat source in the evaporator is introduced to evaporate and gasify. Due to thermal shock, excessive thermal stress is generated in the evaporator itself, and the reliability of the evaporator is lowered.
[0006]
In addition, even when liquid raw material is jetted and evaporated whenever required on the reformer side, excessive thermal stress is generated in the evaporator due to the thermal shock due to the temperature difference, thereby reducing the reliability of the evaporator. There was a bug to do.
[0007]
Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a method for starting an evaporator that can prevent thermal shock and improve durability reliability.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
BookThe invention is to first evaporate the liquid raw material to be evaporated, And stop the supply when the evaporator is full,Next, introduce the hot side fluid into the evaporator.Then, while continuing the introduction of the high temperature side fluid, a part of the liquid raw material filled in the evaporator is withdrawn outside the evaporator to reduce the amount of the liquid raw material in the evaporator, and then the liquid raw material in the evaporator is increased. In the process of being heated, the extracted liquid raw material or new liquid raw material is supplied again to the evaporator.I did it.
[0010]
【The invention's effect】
Therefore,BookIn the invention, the liquid raw material to be vaporized first is, And stop the supply when the evaporator is full,Next, since the high temperature side fluid is introduced into the evaporator, the liquid raw material sequentially takes away the latent heat of evaporation from the evaporator, thereby suppressing the occurrence of a local temperature gradient in the evaporator and preventing thermal shock. The durability and reliability of the evaporator can be improved.
In addition, while continuing the introduction of the high temperature side fluid, a part of the liquid raw material filled in the evaporator is extracted outside the evaporator to reduce the amount of the liquid raw material in the evaporator, and then the liquid raw material in the evaporator is increased. In the process of being warmed, the extracted liquid raw material or new liquid raw material is again supplied to the evaporator, so that the temperature rise of the evaporator can be accelerated and the startup time can be shortened.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the starting method of the evaporator of this invention is demonstrated based on each embodiment.
[0013]
(Reference example)
1 to 3 show the present invention.Is the premise ofHow to start the evaporatorReference exampleFIG. 1 showsReference exampleFIG. 2 is a schematic diagram of a fuel cell system including the evaporator, FIG. 2 is a system configuration diagram of an evaporator operating device, and FIG. 3 is a flowchart of a starting method by a controller. First, according to FIG.Reference exampleA fuel cell system including the operation device for the evaporator will be described.
[0014]
In FIG. 1, a fuel cell system includes a reforming
[0015]
The reforming
[0016]
The raw material gas supply means 4 generates a raw material gas from a liquid raw material and supplies it to the reforming
[0017]
The evaporator 6 stores the liquid raw material supplied from the liquid raw material supply means 8 in an evaporation container (not shown), and evaporates and gasifies it by the heat of the heating gas supplied as a heat source from the heat source control means 7. 10 to the reforming
[0018]
The heat source control means 7 is, for example, a first flow
[0019]
As the first flow
[0020]
As the second flow
[0021]
The temperature of the cathode exhaust gas is usually about 60 ° C. to 70 ° C., and the temperature of the combustion gas is usually about 400 ° C., for example. For this reason, the temperature of the gas supplied to the evaporator 6 can be adjusted by adjusting the mixing ratio of the combustion gas and the cathode exhaust gas. When only the combustion gas is supplied, the heating energy becomes maximum, and the cathode exhaust gas is supplied. In the case of supplying only the heating energy, the heating energy can be minimized.
[0022]
The liquid source supply means 8 includes a
[0023]
In the fuel cell system having the above configuration, the reformed gas obtained by reforming the source gas from the source gas supply means 4 by the reforming
[0024]
Next, the system configuration of the evaporator operating device will be described with reference to FIG.
[0025]
In the evaporator 6, the combustion gas from the
[0026]
The evaporator 6 is provided with a
[0027]
The liquid material supply means 8 is provided in the tank 13.StoredThe system for supplying the liquid raw material to the evaporator 6 includes a
[0028]
The
[0029]
The operation device for the evaporator having the above configuration is controlled by the controller according to the control flowchart shown in FIG. The start-up control of the evaporator will be described based on the control flowchart of FIG. Further, the temperature of the evaporator itself will be described with reference to the time chart of FIG. 4 showing the time. Note that the processing of FIG. 3 is executed at regular intervals in the
[0030]
First, in
[0031]
When the evaporator 6 is stopped, the liquid material in the evaporator 6 is extracted into the
[0032]
In
[0033]
In
[0034]
In
[0035]
The hot gas from the heat source is introduced into the evaporator 6 and is discharged from the
[0036]
The liquid material is evaporated and gasified in accordance with the temperature rise of the evaporation container due to the supply of the high temperature side fluid after the time point t2, and the liquid material supply means 8 is detected each time the
[0037]
FIG. 5 shows a temperature distribution in the evaporator 6 when the high temperature side fluid is supplied in a state where the low temperature side fluid is filled in the evaporator 6, and the high temperature side fluid that has flowed in raises the temperature of the low temperature side fluid. The temperature of the low-temperature fluid is gradually raised from the range A near the inlet of the high-temperature fluid to the range B. It can be understood that the low-temperature side fluid gradually takes sensible heat and latent heat of vaporization from the evaporator, and gradually rises in temperature over a wide range A and B to some extent, and there is no local temperature gradient and is effective in mitigating thermal shock. .
[0038]
On the other hand, the comparative example shown in FIG. 6 shows the temperature distribution of the evaporator when the low-temperature fluid flows in the state where the evaporator is heated from the high-temperature side fluid. When the low temperature side fluid flows in the evaporator, the temperature is locally lowered in the inflow portions C and D of the low temperature side fluid, a local temperature gradient is generated, and a thermal shock is generated in the evaporator. Reduces durability and reliability such as damage.
[0039]
As described above, at the time of starting to supply the liquid raw material that is the low temperature side fluid to the evaporator 6, the liquid raw material is supplied before the heating gas that is the high temperature side fluid, and the inside of the evaporator 6 is filled with the liquid raw material. To supply heated gas. As a result, the temperature of the evaporation container is governed by the temperature of the liquid raw material with good heat transfer, so that even if the heating gas is supplied all at once, the evaporator 6 itself does not undergo a sudden temperature change. The generation of excessive stress due to thermal shock can be suppressed.
[0040]
BookReference exampleCan produce the effects described below.
[0041]
(A) First, the liquid raw material to be evaporated is filled in the evaporator 6 and then the evaporator 6 is started by introducing the high temperature side fluid into the evaporator 6. It will be taken away from the evaporator 6, generation of a local temperature gradient in the evaporator 6 can be suppressed, thermal shock can be prevented, and durability reliability of the evaporator 6 can be improved.
[0042]
(First embodiment)
FIGS. 7 and 8 show an evaporator starting method to which the present invention is applied.First embodimentFIG. 7 is a system configuration diagram of the evaporator operating device, and FIG. 8 is a control flowchart by the controller. In the present embodiment, a configuration in which the transition to the evaporation temperature is accelerated by temporarily removing the liquid raw material in the evaporator during the temperature rising process of the evaporator.Reference exampleIt is added to. In addition,Reference exampleThe same apparatus is denoted by the same reference numeral, and the description thereof is omitted or simplified.
[0043]
In FIG. 7, a
[0044]
The
[0045]
The operation device for the evaporator having the above configuration is controlled by the controller according to the control flowchart shown in FIG. 8 executed at regular intervals in the controller. 8 are the same as
[0046]
In step 6, for example, the heat capacity of the evaporator 6 that varies depending on the volume of the evaporator 6 and the liquid, the use environment state that varies depending on the temperature of the evaporator 6 and the liquid, and the actual evaporation input by the
[0047]
In
The liquid raw material withdrawn into the
[0048]
In
[0049]
In step 9, the
[0050]
In
[0051]
As shown in the time chart of FIG. 9, the evaporator 6 starts from the time t <b> 3 when the liquid raw material is extracted, rather than the vapor generation time indicated by the dotted line (time t <b> 2 in FIG. 9) when the filled liquid raw material is not extracted. The temperature rise rate increases, and steam can be generated exceeding the evaporation temperature at an early time point t4. In some cases, after the temperature is further increased as at time point t5, the liquid from the
[0052]
In the above control flowchart, the liquid raw material in another
[0053]
In the control flowchart, the determination criterion in step 6 is the activation time, but although not shown, the determination in step 6 may be omitted and the process may proceed from
[0054]
In this embodiment,Reference exampleIn addition to the effect (a), the following effects can be achieved.
[0055]
(A) The liquid raw material filled in the evaporator 6 is removed from the evaporator 6 while the introduction of the high temperature side fluid is continued.Reduce the amount of liquid raw material in the sampling evaporator,afterwardsIn the process of increasing the temperature of the liquid raw material in the evaporatorLiquid raw material is again put into the evaporator 6SupplyTo increase the temperature of the evaporator 6,Time until evaporation and gasification of the liquid material in the evaporator can startStartup time can be shortened.
[0056]
(C) The liquid raw material of the evaporator 6SamplingFromResupplyIs determined from the liquid raw material, the heat capacity of the evaporator 6 itself, and the usage environment.Time required to start evaporation and gasification of the liquid material in the evaporatorOr the temperature rise rate of the evaporator 6 itself after the introduction of the high temperature side fluid is determined.Time required to start evaporation and gasification of the liquid material in the evaporatorTo change according toTime required to start evaporation and gasification of the liquid material in the evaporatorCan be raised and shortened in accordance with the required start-up time from the fuel cell system.
[0057]
(D) Liquid raw materialsSamplingTo the later evaporator 6ResupplyIs started when the temperature of the evaporator 6 is increased to a temperature at which steam can be generated.ResupplyWhen starting when the temperature is within a temperature range that does not cause thermal shock with respect to the temperature of the liquid raw material to beResupplyWhen starting up at the time when the temperature of the liquid raw material is increased to the saturated vapor temperature corresponding to the pressure at that time, the start-up time can be shortened with simpler control, and the liquid raw material isResupplyCan effectively prevent thermal shock.
[0058]
(E) From the evaporator 6ExtractedThe liquid raw material is stored in a separate tank with a heat retaining function,ResupplySometimes returned to the evaporator 6,SupplyThe liquid raw material is temporarily warmed once in the evaporator 6, and reliable evaporation can be realized.
[0059]
(Second embodiment)
FIG. 10 shows an evaporator start-up method to which the present invention is applied.Second embodimentIt is a control flowchart by the controller which shows. In the present embodiment, a configuration in which the transition to the evaporation temperature is accelerated by leaving a predetermined amount of the liquid raw material in the evaporator during the temperature rising process of the evaporator.First embodimentIt is added to. In addition,First embodimentThe same apparatus is denoted by the same reference numeral, and the description thereof is omitted or simplified. In addition, the system configuration of the evaporator operating device in the present embodiment is:First embodimentSince this is the same, the description thereof is omitted.
[0060]
The operation device for the evaporator according to the present embodiment is controlled by the
[0061]
In
[0062]
In
[0063]
In
[0064]
In this embodiment, the amount of the liquid raw material left in the evaporator 6 is adjusted according to the startup time, and the temperature rising rate of the evaporator 6 itself can be adjusted according to the amount, so that the liquid fuel remains. Therefore, the thermal shock at the time of injecting the fluid to be evaporated next is prevented while relaxing the thermal shock at the time of temperature rise.
[0065]
In
[0066]
In this embodiment, the effect of the first embodiment is achieved.Fruit (In addition to (a) and (e), the following effects can be achieved.
[0067]
(F) From the evaporator 6ExtractedThe amount of the liquid raw material is determined by the heat capacity of the liquid raw material and the evaporator 6 itself and the use environment state.Time required to start evaporation and gasification of the liquid material in the evaporatorOr, it is determined from the temperature rise rate of the evaporator 6 itself after the introduction of the high temperature side fluid.Time required to start evaporation and gasification of the liquid material in the evaporatorSince the remaining liquid raw material is left in the evaporator 6, the temperature rise of the evaporator 6 can be adjusted according to the start-up time, and thermal shock can be prevented from occurring when the fluid is flowed again.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 of the present inventionAssumptionSchematic of a fuel cell system including an evaporator.
FIG. 2 of the present inventionReference exampleThe system block diagram of the operating device of the evaporator.
[Fig. 3]Reference exampleThe flowchart of the starting method by the controller of.
FIG. 4 is a time chart showing the temperature of the evaporator itself over time.
FIG. 5 is a temperature distribution diagram in the evaporator when the high temperature side fluid is supplied in a state where the evaporator is filled with the low temperature side fluid.
FIG. 6 is a temperature distribution diagram of an evaporator when a low temperature fluid flows in a state where the high temperature side fluid passage is filled with a high temperature side fluid.
[Fig. 7] of the present invention.First embodimentThe system block diagram of the operating device of the evaporator.
[Fig. 8]First embodimentThe flowchart of the starting method by the controller of.
FIG. 9First embodimentTime chart showing the temperature of the evaporator itself over time.
FIG. 10 shows the present invention.Second embodimentThe flowchart of the starting method by the controller of.
FIG. 11Second embodimentTime chart showing the temperature of the evaporator itself over time.
[Explanation of symbols]
1 Reforming reactor
2 Fuel cell stack
3 Exhaust hydrogen combustor
4 Raw material gas supply means
5 Controller
6 Evaporator
7 Heat source control means
8 Liquid raw material supply means
9 Air supply blower
11, 12 Flow control valve, inlet valve
13 tanks
14, 25 Pump
18 Level sensor
19 Inlet valve
23 Separate tank
24 valves
27, 28 Temperature sensor
Claims (8)
最初に蒸発させたい液体原料を蒸発器に供給し、蒸発器内に満たした状態においてその供給を停止し、
次に高温側流体を蒸発器内に導入し、
前記高温側流体の導入を継続しつつ蒸発器内に満たした液体原料の一部を蒸発器外に抜取り蒸発器内の液体原料量を減少させ、
その後の蒸発器内の液体原料の昇温されていく過程において前記抜取った液体原料若しくは新規な液体原料を再び蒸発器へ供給することを特徴とする蒸発器の起動方法。A starting method of an evaporator obtained by evaporating a raw material gas of a fuel cell system from a liquid raw material by a high temperature side fluid supplied,
First, the liquid raw material to be evaporated is supplied to the evaporator, and the supply is stopped in a state where the evaporator is filled,
Next, the hot side fluid is introduced into the evaporator ,
While continuing the introduction of the high temperature side fluid, a part of the liquid raw material filled in the evaporator is extracted outside the evaporator to reduce the amount of the liquid raw material in the evaporator,
A method for starting an evaporator, characterized in that, in the process of raising the temperature of the liquid raw material in the evaporator thereafter, the extracted liquid raw material or a new liquid raw material is supplied again to the evaporator .
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