JP4531320B2 - Operation control method for hydrogen-containing gas generator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質部加熱手段にて加熱されて、炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気にて水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理する改質部と、前記改質部から供給される改質処理ガスをその改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理する変成部と、その変成部から供給される変成処理ガスをその変成処理ガス中の一酸化炭素を選択酸化することにより選択酸化処理する選択酸化部が設けられた水素含有ガス生成装置の運転制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
かかる水素含有ガス生成装置は、炭化水素系の原燃料ガスを改質部にて水蒸気により水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理し、その改質処理ガスを変成部にて改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理し、その変成処理ガスを選択酸化部にて変成処理ガス中の一酸化炭素を選択酸化することにより選択酸化処理して、一酸化炭素濃度の低い(例えば10ppm以下)水素リッチな水素含有ガスを生成するものであり、生成水素含有ガスは、例えば、燃料電池における発電反応用の燃料ガスとして用いる。
【0003】
そして、かかる水素含有ガス生成装置の運転中は、改質部と変成部と選択酸化部をそれぞれ、改質処理に適正な温度(以下、改質処理温度と記載する場合がある)、変成処理に適正な温度(以下、変成処理温度と記載する場合がある)、選択酸化処理に適正な温度(以下、選択酸化処理温度と記載する場合がある)に維持する必要がある。ちなみに、改質処理温度は例えば600〜700°Cの範囲、変成処理温度は例えば150〜250°Cの範囲、選択酸化処理温度は80〜100°Cの範囲である。
【0004】
そこで、従来は、改質部と変成部と選択酸化部を、それぞれ改質処理温度、変成処理温度、選択酸化処理温度に維持するように運転するための運転制御方法においては、変成部を加熱する変成部加熱手段及び変成部を冷却する変成部冷却手段、並びに、選択酸化部を加熱する選択酸化部加熱手段及び選択酸化部を冷却する選択酸化部冷却手段を設けて、改質部を改質処理温度に維持するように、改質部加熱手段の加熱能力を調節し、変成部を変成処理温度に維持するように変成部加熱手段の加熱能力及び変成部冷却手段の冷却能力を調節し、並びに、選択酸化部を選択酸化処理温度に維持するように、選択酸化部加熱手段の加熱能力及び選択酸化部冷却手段の冷却能力を調節していた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従って、従来の運転制御方法においては、改質部と変成部と選択酸化部をそれぞれ改質処理温度、変成処理温度、選択酸化処理温度に維持するために、改質部、変成部及び選択酸化部それぞれの温度を各別に制御するというように、複雑な制御を必要とし、改善が望まれていた。
【0006】
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な制御にて改質部と変成部と選択酸化部をそれぞれに適正な温度に維持して運転することができる水素含有ガス生成装置の運転制御方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
〔請求項1記載の発明〕
請求項1に記載の水素含有ガス生成装置の運転制御方法の特徴は、前記選択酸化部を冷却する選択酸化部冷却手段を設け、
前記改質部、前記変成部及び前記選択酸化部を、前記改質部と前記選択酸化部との間に前記変成部が位置し、且つ、隣接するもの同士で熱伝導可能なように設け、
炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫部にて脱硫処理した脱硫原燃料ガスを、前記改質部で改質処理する炭化水素系の原燃料ガスとして供給し、
前記改質部と前記選択酸化部との間に、前記脱硫部及び前記変成部を並べて、且つ、隣接するもの同士で熱伝導可能なように設け、
前記脱硫部からの脱硫原燃料ガスと前記改質部からの改質処理ガスとを熱交換させる熱交換部を、前記改質部と前記脱硫部との間に設け、
前記改質部と前記脱硫部との間は、前記改質部の側から順に並ぶ断熱材、前記熱交換部及び断熱材にて伝熱量を設定し、
前記改質部を改質処理に適正な温度に維持するように、前記改質部加熱手段の加熱能力を調節し、且つ、前記選択酸化部を選択酸化処理に適正な温度に維持するように、前記選択酸化部冷却手段の冷却能力を調節し、
前記選択酸化部冷却手段が、通風量の調節により冷却能力を調節する冷却用ファンであり、
前記改質部加熱手段をガス燃料を燃焼させる燃焼式に構成し、
前記変成部を冷却するための変成部冷却用通流部を前記変成部と前記選択酸化部との間に設け、
ブロアからの空気を前記変成部冷却用通流部を通流させてから前記改質部加熱手段に供給する燃焼用空気路に、前記変成部冷却用通流部を迂回させて前記ブロアからの空気を通流させる燃焼用空気バイパス路を接続し、
前記燃焼用空気路を通して前記ブロアからの空気を通流させる冷却用供給状態と、前記燃焼用空気バイパス路を通して前記ブロアからの燃焼用空気を通流させるバイパス供給状態とに切換える空気経路切り換え用開閉弁を設け、
前記バイパス供給状態では前記変成部の冷却能力が不足するときには、前記冷却用供給状態に切り換えることにある。
即ち、本発明の発明者らは、改質処理温度、変成処理温度及び選択酸化処理温度においては、改質処理温度が最も高く、選択酸化処理温度が最も低く、変成処理温度は、改質処理温度と選択酸化処理温度との間にあるということに鑑みて、運転制御方法を簡略化すべく鋭意研究した。
そして、改質部、変成部及び選択酸化部を、最も高温に維持する必要のある改質部と、最も低温に維持する必要のある選択酸化部との間に、それら改質部の温度と選択酸化部の温度との間の温度に維持する必要のある変成部が位置し、且つ、隣接するもの同士で伝熱可能なように設け、そのように改質部、変成部及び選択酸化部を設けた状態で、隣接するもの同士の伝熱状態を適宜に設定することにより、改質部と選択酸化部をそれぞれ適正な温度に制御するだけで、変成部は、温度を制御することなくそれぞれに適正な温度に維持することができるということを見出した。
つまり、図9に示すように、最も高温に維持する必要のある改質部3と、最も低温に維持する必要のある選択酸化部6との間に、それら改質部3の温度と選択酸化部6の温度との間の温度に維持する必要のある変成部5が位置し、且つ、隣接するもの同士で伝熱可能なように設けると、図9において矢印にて示すように、改質部3から選択酸化部6に向かって伝熱して、選択酸化部6から放熱される。尚、図9において、4は、改質部3を加熱する燃焼式の改質部加熱手段としての燃焼部であり、10は、選択酸化部6を冷却する選択酸化部冷却手段としての冷却用ファンである。
そして、隣接するもの同士、図9では、改質部3と変成部5との間、及び、変成部5と選択酸化部6との間のそれぞれの伝熱状態を適宜に設定することにより、改質部3を改質処理温度に維持するように燃焼部4の加熱能力を調節し、且つ、選択酸化部6を選択酸化処理温度に維持するように選択酸化部冷却手段としての冷却用ファン10の風量調節により冷却能力を調節するだけで、それら改質部3と選択酸化部6との間に位置する変成部5を、温度を制御しなくても成り行きにて、変成処理温度になるようにすることができるのである。
要するに、改質部の温度と選択酸化部の温度を制御するだけの簡単な制御にて、改質部と変成部と選択酸化部をそれぞれ改質処理温度、変成処理温度、選択酸化処理温度に維持することができるようになった。
従って、簡単な制御にて改質部と変成部と選択酸化部をそれぞれに適正な温度に維持して運転することができる水素含有ガス生成装置の運転制御方法を提供することができるようになった。
又、本発明の発明者らは、炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫部にて脱硫処理した脱硫原燃料ガスを、改質部で改質処理する炭化水素系の原燃料ガスとして供給する場合に、改質処理温度、脱硫処理に適正な温度(以下、脱硫処理温度と記載する場合がある)、変成処理温度及び選択酸化処理温度においては、改質処理温度が最も高く、選択酸化処理温度が最も低く、脱硫処理温度と変成処理温度は、改質処理温度と選択酸化処理温度との間にあるということに鑑みて、運転制御方法を簡略化すべく鋭意研究した。ちなみに、脱硫処理温度は例えば150〜270°Cの範囲である。
そして、改質部、脱硫部、変成部及び選択酸化部を、最も高温に維持する必要のある改質部と、最も低温に維持する必要のある選択酸化部との間に、それら改質部の温度と選択酸化部の温度との間の温度に維持する必要のある脱硫部及び変成部が位置し、且つ、隣接するもの同士で伝熱可能なように設け、そのように改質部、脱硫部、変成部及び選択酸化部を設けた状態で、隣接するもの同士の伝熱状態を適宜に設定することにより、改質部と選択酸化部をそれぞれ適正な温度に制御するだけで、脱硫部及び変成部は、温度を制御することなくそれぞれに適正な温度に維持することができるということを見出した。
つまり、図8に示すように、最も高温に維持する必要のある改質部3と、最も低温に維持する必要のある選択酸化部6との間に、それら改質部3の温度と選択酸化部6の温度との間の温度に維持する必要のある脱硫部1及び変成部5が位置し、且つ、隣接するもの同士で伝熱可能なように設けると、図8において矢印にて示すように、改質部3から選択酸化部6に向かって伝熱して、選択酸化部6から放熱される。尚、図8において、4は、改質部3を加熱する燃焼式の改質部加熱手段としての燃焼部であり、10は、選択酸化部6を冷却する選択酸化部冷却手段としての冷却用ファンである。
そして、隣接するもの同士、図8では、改質部3と脱硫部1との間、脱硫部1と変成部5との間、及び、変成部5と選択酸化部6との間のそれぞれの伝熱状態を適宜に設定することにより、改質部3を改質処理温度に維持するように燃焼部4の加熱能力を調節し、且つ、選択酸化部6を選択酸化処理温度に維持するように選択酸化部冷却手段としての冷却用ファン10の風量調節により冷却能力を調節するだけで、それら改質部3と選択酸化部6との間に位置する脱硫部1と変成部5を、温度を制御しなくても成り行きにて、それぞれ脱硫処理温度、変成処理温度になるようにすることができるのである。
要するに、改質部の温度と選択酸化部の温度を制御するだけの簡単な制御にて、脱硫部と改質部と変成部と選択酸化部をそれぞれ脱硫処理温度、改質処理温度、変成処理温度、選択酸化処理温度に維持することができるようになった。
従って、簡単な制御にて脱硫部と改質部と変成部と選択酸化部をそれぞれに適正な温度に維持して運転することができる水素含有ガス生成装置の運転制御方法を提供することができるようになった。
又、改質部と脱硫部との間に設けた熱交換部にて、脱硫部からの脱硫原燃料ガスと改質部からの改質処理ガスとを熱交換させて、脱硫原燃料ガスを予熱して改質部に供給すると共に、改質処理ガスを冷却して変成部に供給する。
つまり、脱硫部から排出された状態の脱硫原燃料ガスは、脱硫部の温度に近い温度であり、その脱流原燃料ガスが供給される改質部の温度との差が大きく、一方、改質部から排出された状態の改質処理ガスは、改質部の温度に近い温度であり、その改質処理ガスが供給される変成部との温度差が大きい。そこで、脱硫部から排出された脱硫原燃料ガスと改質部から排出された改質処理ガスとを熱交換部にて熱交換させることにより、脱硫原燃料ガスを予熱するために余分なエネルギを消費することなく、且つ、改質処理ガスを冷却するために熱を捨てることなく、脱硫原燃料ガスを予熱して、改質部との温度差を小さくした状態で改質部に供給することができると共に、改質処理ガスを冷却して、変成部との温度差を小さくした状態で変成部に供給することができるようになる。
しかも、熱交換部に流入及び流出する各流体の温度は、改質部の温度と脱硫部の温度との間の範囲内か、あるいはその範囲に近い温度であるので、熱交換部を、改質部と脱硫部との間に設けることにより、改質部の温度、脱硫部の温度をそれぞれに適正な温度に維持し易く、延いては、水素含有ガス生成装置の各部の温度をそれぞれに適正な温度に維持し易くなる。
従って、エネルギー効率を向上して水素含有ガスを生成することができながら、脱硫部、改質部、変成部及び選択酸化部それぞれの温度を一層的確に維持して運転することができるようにする上で好ましい具体構成を提供することができる。
〔請求項2記載の発明〕
請求項2に記載の水素含有ガス生成装置の運転制御方法の特徴は、前記改質部、前記熱交換部、前記脱硫部、前記変成部及び前記選択酸化部を、外形形状が偏平な板状になるように構成し、それら板状の前記改質部、前記熱交換部、前記脱硫部、前記変成部及び前記選択酸化部を厚さ方向に並設することにある。
請求項2に記載の運転制御方法によれば、外形形状が偏平な板状の改質部、熱交換部、脱硫部、変成部及び選択酸化部を、改質部と選択酸化部との間に、熱交換部、脱硫部及び変成部が位置し、且つ、隣接するもの同士で熱伝導可能なように、厚さ方向に並設するので、改質部、熱交換部、脱硫部、変成部及び選択酸化部の各部を厚さ方向に伝熱する状態で、改質部から選択酸化部に向かって伝熱する。
つまり、改質部、熱交換部、脱硫部、変成部及び選択酸化部を、改質部と選択酸化部との間に、熱交換部、脱硫部及び変成部が位置し、且つ、隣接するもの同士で熱伝導可能な並設し、隣接するもの同士の伝熱状態を適宜に設定することにより、改質部と選択酸化部をそれぞれに適正な温度に制御するだけで、脱硫部及び変成部をそれぞれに適正な温度に維持することができるようにするに当たって、上述のように、改質部、熱交換部、脱硫部、変成部及び選択酸化部をそれぞれ偏平な板状に構成して、厚さ方向に並設することにより、改質部、熱交換部、脱硫部、変成部及び選択酸化部の各部における伝熱経路を短くして、伝熱経路に沿った温度勾配を小さくすることができ、もって、各部の温度分布を小さくすることができる。
従って、脱硫部と改質部と変成部と選択酸化部を、温度分布を小さくしながらそれぞれに適正な温度に維持して運転することができるので、本発明の運転制御方法を実施するのに好ましい具体構成を提供することができる。
【0008】
〔請求項3記載の発明〕
請求項3に記載の水素含有ガス生成装置の運転制御方法の特徴は、前記改質部における前記変成部が設けられている側とは反対側に、供給される水を前記燃焼式の改質部加熱手段から排出される燃焼ガスにて加熱して、前記改質部における改質処理用の水蒸気を生成する水蒸気生成部を設けることにある。
請求項3に記載の運転制御方法によれば、改質部加熱手段をガス燃料を燃焼させる燃焼式に構成し、水蒸気生成部にて、供給される水を燃焼式の改質部加熱手段から排出される燃焼ガスにて加熱して、改質部における改質処理用の水蒸気を生成するので、余分なエネルギーを消費することなく、改質処理用の水蒸気を生成することができる。しかも、水蒸気生成部は、改質部における変成部が設けられている側とは反対側に設けることから、改質部からの放熱を抑制することができるので、改質部加熱手段におけるエネルギーの消費量を低減することができる。
従って、エネルギー効率を向上して水素含有ガスを生成できるように運転できるようにする上で好ましい具体構成を提供することができる。
【0011】
〔請求項4記載の発明〕
請求項4に記載の水素含有ガス生成装置の運転制御方法の特徴は、前記脱硫部及び前記変成部としてそれぞれ複数ずつを、前記脱硫部と前記変成部とが交互に並ぶように、且つ、隣接するもの同士で熱伝導可能なように設けることにある。
請求項4に記載の運転制御方法によれば、脱硫部及び変成部としてそれぞれ複数ずつを、脱硫部と変成部とが交互に並ぶように、且つ、隣接するもの同士で熱伝導可能なように設け、複数の脱硫部にて、炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理し、複数の変成部にて、改質処理ガスを変成処理する。
つまり、脱硫処理温度と変成処理温度とは同様の温度範囲にあるので、脱硫部及び変成部としてそれぞれ複数ずつを、脱硫部と変成部とが交互に並ぶように、且つ、隣接するもの同士で熱伝導可能なように設けることにより、改質部と選択酸化部をそれぞれ適正な温度を制御するだけで、複数の脱硫部及び複数の変成部のそれぞれを、温度を制御することなくそれぞれに適正な温度に維持することができ、それら複数の脱硫部にて炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理することにより、脱硫処理能力を向上し、複数の変成部にて改質処理ガスを変成処理することにより、変成処理能力を向上することができる。
しかも、複数の脱硫部及び複数の変成部を、脱硫部と変成部とが交互に並ぶように設けることにより、複数の脱硫部を処理対象ガスが順次流れるように、それらを管路にて接続し、又、複数の変成部を処理対象ガスが順次流れるように、それらを管路にて接続するに当たって、通流経路の順に並ぶもの同士を接続する管路の長さを長くすることが可能となるので、管路接続作業が容易となり、低廉化を図ることが可能となる。
ちなみに、複数の脱硫部及び複数の変成部を、脱硫部同士をまとめて隣接させて設け、変成部同士をまとめて隣接させて設けると、隣接するもの同士を管路にて接続する必要があるので、接続する管路の長さが短くなって、管路接続作業がし難くなる。
従って、簡単な制御にて脱硫処理能力及び変成処理能力を向上するように運転することができる水素含有ガス生成装置の運転制御方法を、低廉化を図りながら提供することができるようになった。
【0014】
【発明の実施の形態】
〔第1実施形態〕
以下、図面に基づいて、本発明を燃料電池用の水素含有ガス生成装置に適用した場合の第1実施形態を説明する。
図1に示すように、水素含有ガス生成装置Pは、供給される天然ガス等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫部1と、供給される原料水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部Sと、燃焼式の改質部加熱手段としての燃焼部4にて加熱されて、脱硫部1から供給される脱硫原燃料ガスを水蒸気生成部Sで生成された水蒸気を用いて水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理する改質部3と、改質部3から供給される改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを水蒸気を用いて二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理する変成部5と、その変成部5から供給される変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを選択酸化することにより選択酸化処理する選択酸化部6と、水素含有ガス生成装置の運転を制御する制御部Cを備えて構成して、一酸化炭素ガス濃度の低い(例えば10ppm以下)水素リッチな水素含有ガスを生成するように構成してある。
【0015】
脱硫部1においては、例えば150〜270°Cの範囲の脱硫処理温度で、脱硫触媒にて原燃料ガス中の硫黄化合物が水素化され、その水素化物が酸化亜鉛に吸着されて脱硫される。ちなみに、脱硫部1における脱硫反応は発熱反応である。
【0016】
改質部3においては、メタンガスを主成分とする天然ガスが原燃料ガスである場合は、改質触媒の触媒作用により、例えば600〜700°Cの範囲の改質処理温度の下で、メタンガスと水蒸気とが下記の反応式にて改質反応して、水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理される。ちなみに、改質部3における改質反応は吸熱反応である。
【0017】
【化1】
CH4 +H2O→CO+3H2
【0018】
変成部5においては、改質処理ガス中の一酸化炭素ガスと水蒸気とが、変成触媒の触媒作用により、例えば150〜250°Cの範囲の変成処理温度の下で、下記の反応式にて変成反応して、一酸化炭素ガスが二酸化炭素ガスに変成処理される。ちなみに、変成部5における変成反応は発熱反応である。
【0019】
【化2】
CO+H2O→CO2 +H2
【0020】
選択酸化部6においては、白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属系の変成触媒の触媒作用によって、例えば80〜100°Cの範囲の選択酸化処理温度の下で、変成処理ガス中に残っている一酸化炭素ガスが選択酸化される。ちなみに、選択酸化部6における酸化反応は発熱反応である。
【0021】
そして、水素含有ガス生成装置にて生成された水素含有ガスは燃料ガスとして、燃料ガス路23を通じて燃料電池Gに供給される。燃料電池Gは、詳細な説明は省略するが、高分子膜を電解質とする固体高分子型であり、水素含有ガス生成装置Pから供給される燃料ガス中の水素と、ブロア(図示せず)から供給される反応用空気中の酸素との電気化学反応により発電するように構成してある。
【0022】
燃焼部4は、燃料電池Gから排出されて、オフガス路24を通じて供給されるる燃料ガスであるオフガスをガス燃料として燃焼させると共に、改質部3を改質処理可能なように加熱するに当たって、オフガスだけでは不足する分をガス燃料供給路37を通じて供給される都市ガス(13A等)をガス燃料として燃焼させる。
【0023】
水蒸気生成部Sは、燃焼部4から排出された燃焼ガスを通流させる水蒸気生成用加熱通流部11と、供給される原料水を水蒸気生成用加熱通流部11による加熱にて蒸発させる蒸発処理部2とから構成してある。
【0024】
更に、水素含有ガス生成装置Pには、改質部3から排出された高温の改質処理ガスを通流させて、改質部3を保温する保温用通流部7と、脱硫部1からの脱硫原燃料ガスと改質部3からの高温の改質処理ガスとを熱交換させて、改質部3に供給される脱硫原燃料ガスを予熱する脱硫原燃料ガス用熱交換器Ep(熱交換部に相当する)と、改質部3からの高温の改質処理ガスと脱硫部1に供給される原燃料ガスを熱交換させて原燃料ガスを予熱する原燃料ガス用熱交換器Eaと、変成部5を冷却するために冷却用流体を通流させる変成部冷却用通流部8と、同じく、変成部5を冷却するために冷却用流体を通流させる変成部冷却用通流部9と、選択酸化部6を冷却する選択酸化部冷却手段としての冷却用ファン10とを設けてある。
又、変成部5から排出された変成処理ガスと、水蒸気生成部Sへ供給する原料水とを熱交換させて、原料水を予熱する原料水予熱用熱交換器17を設けてある。
【0025】
脱硫原燃料ガス用熱交換器Epは、保温用通流部7から排出された改質処理ガスを通流させる上流側改質処理ガス通流部12と、改質部3に供給する脱硫原燃料ガスを通流させる脱硫原燃料ガス通流部13とを熱交換自在に設けて構成し、原燃料ガス用熱交換器Eaは、上流側改質処理ガス通流部12から排出された改質処理ガスを通流させる下流側改質処理ガス通流部15と、脱硫部1に供給する原燃料ガスを通流させる原燃料ガス通流部16とを熱交換自在に設けて構成してある。
【0026】
起動時に、脱硫部1を脱硫処理可能なように加熱する脱硫部用ヒータ32、変成部を変成処理可能なように加熱する2個の変成部用ヒータ33を設けてあり、それらヒータ32,33は電気ヒータから成る。
【0027】
第1実施形態においては、改質部3、脱硫部1、変成部5及び選択酸化部6を、改質部3と選択酸化部6との間に脱硫部1及び変成部5が位置し、且つ、隣接するもの同士で熱伝導可能なように設け、改質部3を改質処理に適正な温度に維持するように、燃焼部4の加熱能力を調節し、且つ、選択酸化部6を選択酸化処理に適正な温度に維持するように、冷却用ファン10の通風量を調節して冷却能力を調節することにより、脱硫部1及び変成部5がそれぞれの処理に適正な温度になるように、隣接するもの同士の伝熱状態を予め設定してある。
【0028】
説明を加えると、図1に示すように、水素含有ガス生成装置Pは、矩形板状の偏平な容器Bの複数を板状形状の厚さ方向に並べて設けて、各容器Bを用いて、脱硫部1、改質部3、燃焼部4、変成部5、選択酸化部6、水蒸気生成部S、各通流部等を夫々構成してある。
複数の容器Bのうちの一部は、一つの室を備えるように形成した単室具備容器Bmにて構成し、残りは、区画された二つの室を備えるように形成した双室具備容器Bdにて構成してある。
【0029】
図2に示すように、双室具備容器Bdは、一対の皿形状容器形成部材41の間に平板状の仕切り部材43を位置させた状態で、周辺部を溶接接続して、二つの偏平な室を区画形成し、図3に示すように、単室具備容器Bmは、皿形状容器形成部材41と平板状容器形成部材42とを周辺部を溶接接続して、一つの偏平な室を区画形成してある。
各単室具備容器Bmや、各双室具備容器Bdには、必要に応じて、流体供給用や流体排出用の接続ノズル44を内部の室と連通する状態で取り付けてある。
又、図示を省略するが、必要に応じて、容器Bの室内を蛇行状流路になるように構成して、流体の通流経路を長くしている。
【0030】
図1に示すように、本第1実施形態においては、8個の双室具備容器Bdと、1個の単室具備容器Bmを、側面視において左端から3個目に単室具備容器Bmを位置させた状態で、横方向に厚さ方向に並べて設けて、コンパクトに形成してある。
8個の双室具備容器Bdの区別が明確になるように、便宜上、双室具備容器を示す符号Bdの後に、左からの並び順を示す符号1,2,3……………8を付す。
【0031】
左端の双室具備容器Bd1にて水蒸気生成部Sを構成してあり、その双室具備容器Bd1の左側の室を備えた部分を用いて、水蒸気生成用加熱通流部11を構成し、右側の室を備えた部分を用いて蒸発処理部2を構成し、両室内にステンレスウール等からなる伝熱促進材を通気可能な状態で充填してある。
左から2個目の双室具備容器Bd2の左側の室を備えた部分を用いて燃焼部4を構成し、右側の室を備えた部分を用いて改質部3を構成してある。燃焼部4を構成する左側の室を、燃焼室に構成すると共に、その燃焼室内でガス燃料を燃焼させるように改質用バーナ4bを設け、改質部3を構成する右側の室には、ルテニウム、ニッケル、白金等の改質用触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数を通気可能な状態で充填してある。
単室具備容器Bmを用いて、保温用通流部7を構成してある。
【0032】
左から3個目の双室具備容器Bd3の左側の室を備えた部分を用いて、上流側改質処理ガス通流部12を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、脱硫原燃料ガス通流部13を構成してある。両室内には、ステンレスウール等からなる伝熱促進材を通気可能な状態で充填してある。
【0033】
左から4個目の双室具備容器Bd4の左側の室を備えた部分を用いて、脱硫部1を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、原燃料ガス通流部16を構成してある。脱硫部1を構成する左側の室内には、脱硫用触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数を通気可能な状態で充填してある。
【0034】
左から5個目の双室具備容器Bd5の左側の室を備えた部分を用いて、下流側改質処理ガス通流部15を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、変成部5を構成してある。
左から6個目の双室具備容器Bd6の左側の室を備えた部分を用いて、変成部5を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、変成部冷却用通流部8を構成してある。
左から7個目の双室具備容器Bd7を用いて、変成部5を構成してある。変成部を構成する各室内には、酸化鉄又は銅亜鉛の変成反応用触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数を通気可能な状態で充填してある。
つまり、変成部5は、左から5個目の双室具備容器Bd5、左から6個目の双室具備容器Bd6及び左から7個目の双室具備容器Bd7を用いて構成して、変成部5は3台設けてある。
【0035】
左から8個目(右端)の双室具備容器Bd8の左側の室を備えた部分を用いて、変成部冷却用通流部9を構成し、右側の室を備えた部分を用いて選択酸化部6を構成してある。選択酸化部6を構成する室内には、ルテニウムの選択酸化用触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数を通気可能な状態で充填してある。
【0036】
つまり、燃焼部4及び改質部3を構成する双室具備容器Bd2の一方側に、その双室具備容器Bd2の側から、保温用通流部7を構成する単室具備容器Bm、断熱材19、上流側改質処理ガス通流部12及び脱硫原燃料ガス通流部13、即ち脱硫原燃料ガス用熱交換器Epを構成する双室具備容器Bd3、断熱材19、脱硫部1及び原燃料ガス通流部16を構成する双室具備容器Bd4、下流側改質処理ガス通流部15及び変成部5を構成する双室具備容器Bd5、変成部5及び変成部冷却用通流部8を構成する双室具備容器Bd6、変成部5を構成する双室具備容器Bd7、変成部冷却用通流部9及び選択酸化部6を構成する双室具備容器Bd8を記載順に並ぶように互いに密接配置して設け、双室具備容器Bd2の他方側に、その双室具備容器Bd2の側から、断熱材19、水蒸気生成部Sを構成する双室具備容器Bd1を記載順に並ぶように密接配置して設けてある。
【0037】
脱硫部用ヒータ32は、脱硫部1を構成する左から4個目の双室具備容器Bd4とそれに隣接する断熱材19との間に設け、一方の変成部用ヒータ33は、1段目の変成部5を構成する左から5個目の双室具備容器Bd5と、2段目の変成部5を構成する左から6個目の双室具備容器Bd6との間に設け、他方の変成部用ヒータ33は、3段目の変成部5を構成する左から7個目の双室具備容器Bd7と変成部冷却用通流部9及び選択酸化部6を構成する左から8個目(右端)の双室具備容器Bd8との間に設けてある。
【0038】
図4及び図5に示すように、水素含有ガス生成装置Pは、複数の容器B及び断熱材19等を、上述のように並べて配置位置して、並び方向両端の容器Bに一対の保持板49を各別に当て付けた状態で、それら一対の保持板49を6組のネジ式連結手段にて連結することにより、一体的に組み付けて構成してある。
ネジ式連結手段は、ボルト45、一対のナット46及び一対のスプリングワッシャ47から成る。
各保持板49は、L字状に形成すると共に、各保持板49は、2本の補強用リブ48にて補強してある。
そして、ボルト45の両端夫々を、保持板49に挿通した状態で、両側からスプリングワッシャ47を介してナット46にて締め付けることにより、複数の容器Bを並び方向に直交する方向での相対移動を許容する状態で並び方向両側から押し付けるようにしてある。又、スプリングワッシャ47の伸縮作用により、各容器Bの並び方向での膨張収縮も許容するようにしてある。
尚、一対の保持板49を立設して、その一対の保持板49にて支持する状態で、水素含有ガス生成装置Pを設置する。
【0039】
図1において、白抜き線矢印にて示すように、原燃料ガス供給路21を原燃料ガス用熱交換器Eaの原燃料ガス通流部16に接続し、並びに、原燃料ガス通流部16、脱硫部1、脱硫原燃料ガス用熱交換器Epの脱硫原燃料ガス通流部13、改質部3、保温用通流部7、脱硫原燃料ガス用熱交換器Epの上流側改質処理ガス通流部12、原燃料ガス用熱交換器Eaの下流側改質処理ガス通流部15、3段の各変成部5、選択酸化部6の順に流れるガス処理経路を形成するように、それらをガス処理用流路22にて接続してある。
【0040】
原燃料ガス供給路21には、水素含有ガス生成装置への原燃料ガスの供給を断続する原燃料ガス断続弁20を設けてある。
最後段の変成部5と選択酸化部6とを接続するガス処理用流路22に、後述する原料水供給路25を流れる原料水を変成処理ガスにて予熱する原料水予熱用熱交換器17を設けると共に、変成処理ガスから凝縮水を除去するドレントラップ34を、その原料水予熱用熱交換器17よりも下流側の箇所に設けてある。
【0041】
選択酸化部6から排出された選択酸化処理ガスを燃料ガスとして燃料電池Gに供給するように、選択酸化部6と燃料電池Gとを燃料ガス路23にて接続し、燃料電池Gから排出された排燃料ガスを燃焼部4に供給すべく、燃料電池Gと燃焼部4とをオフガス路24にて接続してある。
オフガス路24には、ガスの逆流を防止する逆止弁39を設け、ガス燃料供給路37を、オフガス路24における逆止弁39よりも下流側の箇所に接続すると共に、そのガス燃料供給路37に、ガス燃料の供給量を調節するガス燃料供給量調整弁38を設けてある。
【0042】
図1において、実線矢印にて示すように、原料水ポンプ14から水蒸気生成用の原料水が送られる原料水供給路25を水蒸気生成部Sの蒸発処理部2に接続し、蒸発処理部2にて生成された水蒸気を送出する水蒸気路26を、脱硫部1と被改質ガス通流部13とを接続するガス処理用流路22に接続して、ガス処理用流路22を通流する脱硫原燃料ガスに改質用の水蒸気を混合させるように構成してある。
【0043】
原料水供給路25の途中に、原料水予熱用熱交換器17を設け、更に、原料水供給路25における原料水予熱用熱交換器17よりも下流側の箇所に、原料水を蛇行状に流す蛇行状通流部18を設け、その蛇行状通流部18を、水素含有ガス生成装置Pの外壁部のうちの、燃焼部4を覆う箇所に熱伝導可能に当て付けて設けて、水素含有ガス生成装置Pの外壁部からの伝導熱及び輻射熱により、蛇行状通流部18を通流する原料水を予熱するように構成してある。
【0044】
図1において、破線矢印にて示すように、燃焼部4から排出された燃焼ガスを、水蒸気生成用加熱通流部11、変成部冷却用通流部8の順に流すように、それら燃焼部4、水蒸気生成用加熱通流部11、変成部冷却用通流部8を燃焼ガス路27にて接続して、水蒸気生成用加熱通流部11においては、燃焼ガスによって蒸発処理部2を加熱し、変成部冷却用通流部8においては、燃焼ガスによって、発熱反応である変成反応が行われる変成部5を冷却するように構成してある。
【0045】
図1において、一点鎖線矢印にて示すように、ブロア28からの空気を燃焼用空気として、変成部冷却用通流部9を通流させてから、燃焼部4に供給するように、ブロア28、変成部冷却用通流部9、燃焼部4を燃焼用空気路29にて接続すると共に、燃焼用空気を変成部冷却用通流部9を迂回させて通流させるように、燃焼用空気路29に燃焼用空気バイパス路30を接続し、ブロア28からの空気を酸化用空気として選択酸化部6に供給するように、ブロア28に接続した酸化用空気供給路31を、最後段の変成部5と選択酸化部6とを接続するガス処理用流路22に接続してある。
【0046】
燃焼部4に対して、燃焼用空気を変成部冷却用通流部9を通流させて供給する冷却用供給状態と、変成部冷却用通流部9を迂回させて燃焼用空気バイパス路30を通じて供給するバイパス供給状態とに切り換えるために、空気経路切り換え用開閉弁35,36を設け、更に、燃焼用空気路29において燃焼用空気バイパス路30による迂回部分よりも下流側の箇所に、燃焼部4への燃焼用空気の供給を調節する燃焼用空気供給量調整弁40を設けてある。尚、空気経路切り換え用開閉弁35,36は、通常、バイパス供給状態に切り換えるが、変成部5の冷却能力が不足するとき、例えば、夏期の高気温時には、冷却用供給状態に切り換えて、燃焼用空気にて変成部5を冷却する。
【0047】
更に、改質部3の温度を検出する改質部温度センサT1、及び、選択酸化部6の温度を検出する選択酸化部温度センサT2を設けてある。
改質部温度センサT1は、改質部3における改質処理ガスの出口部付近の温度を検出するように設け、選択酸化部温度センサT2は、偏平形状の選択酸化部6における面方向の中央部付近の温度を検出するように設けてある。
【0048】
要するに、脱硫部1、改質部3、変成部5及び選択酸化部6を、それらのうちで最も高温に維持する必要のある改質部3と、最も低温に維持する必要のある選択酸化部6との間に、それら改質部3の温度と選択酸化部6の温度との間の温度に維持する必要のある脱硫部1と変成部5が記載順に改質部3の側から並んで位置し、且つ、隣接するもの同士で熱伝導可能なように設け、改質部3における脱硫部1が設けられている側とは反対側に、燃焼部3と、それよりも低い温度に維持する必要のある水蒸気生成部Sを、記載順に改質部3の側から並び、且つ、隣接するもの同士で伝熱可能なように設けてある。
【0049】
すると、図8において矢印にて示すように、燃焼部4にて加熱される改質部3から選択酸化部6に向かって、脱硫部1、変成部5を順次伝熱して、選択酸化部6から放熱されると共に、燃焼部4から水蒸気生成部Sに向かって伝熱する。
【0050】
一方、原燃料ガス供給路21から供給される原燃料ガスは、原燃料ガス用熱交換器Eaにて改質処理ガスとの熱交換により予熱した後、脱硫部1に供給して脱硫処理し、その脱硫原燃料ガスを水蒸気路26からの水蒸気と混合し、続いて、脱硫原燃料ガス用熱交換器Epにて改質処理ガスとの熱交換により予熱した後、改質部3に供給して燃焼部3にて加熱して改質処理し、その改質処理ガスを、脱硫原燃料ガス用熱交換器Epにて脱硫原燃料ガスとの熱交換により冷却し、更に、原燃料ガス用熱交換器Eaにて原燃料ガスとの熱交換により熱交換した後、3段の変成部5に順次供給して、一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させて変成処理し、その変成処理ガスを原料水予熱用熱交換器17にて原料水との熱交換により冷却した後、選択酸化部6に供給して一酸化炭素ガスを選択酸化させて選択酸化処理する。
【0051】
ちなみに、変成部5における変成反応は、発熱反応であるので、変成部5に供給する改質処理ガスは、脱硫原燃料ガス用熱交換器Ep及び原燃料ガス用熱交換器Eaにて、変成部5における変成処理温度よりも低い温度に、例えば、変成処理温度が250°Cのときは200°C程度に冷却する。同様に、選択酸化部6における酸化反応も発熱反応であるので、選択酸化部6に供給する変成処理ガスは、原料水予熱用熱交換器17にて、選択酸化部6における選択酸化処理温度よりも低い温度にまで冷却する。
【0052】
又、燃焼部4から排出された燃焼ガスは、水蒸気生成用加熱通流部11を通流させて水蒸気生成のために授熱させた後、変成部冷却用通流部8を通流させて、変成部5を冷却する。
【0053】
そこで、脱硫部1、改質部3、変成部5及び選択酸化部6を上述のように配置した状態で、上述の如き流体の流れを考慮して、隣接するもの同士、即ち、改質部3と脱硫部1との間、脱硫部1と変成部5との間、変成部5と選択酸化部6との間、及び、燃焼部4と水蒸気生成部Sとの間のそれぞれの伝熱状態(伝熱量)を適宜に設定することにより、改質部3を改質処理温度に維持するように燃焼部4の加熱能力を調節し、且つ、選択酸化部6を選択酸化処理温度に維持するように冷却用ファン10の通風量を調節することにより、改質部3と選択酸化部6との間に位置する脱硫部1と変成部5を、温度を制御しなくても成り行きにて、それぞれ脱硫処理温度、変成処理温度に維持することができ、並びに、水蒸気生成部Sを成り行きにて水蒸気生成に適正な温度に維持することができるのである。
【0054】
つまり、改質部3と脱硫部1との間は、改質部3の側から順に並ぶ断熱材19、脱硫原燃料ガス用熱交換器Ep及び断熱材19にて伝熱量を設定し、脱硫部1と変成部5との間は、原燃料ガス用熱交換器Eaにて伝熱量を設定し、変成部5と選択酸化部6との間は、変成部冷却用通流部9にて伝熱量を設定し、燃焼部4と水蒸気生成部Sとの間は、断熱材19にて伝熱量を設定してある。
【0055】
次に、上述のように構成した水素含有ガス生成装置Pの運転制御方法について説明する。
水素含有ガス生成装置Pを起動するときは、燃料電池Gからはオフガスが供給されないので、ガス燃料供給量調整弁38を開弁して、ガス燃料供給路37を通じて供給される都市ガスにて燃焼部4を燃焼させて、改質部3を加熱し、脱硫部用ヒータ32を加熱作動させて、脱硫部1を加熱し、変成部用ヒータ33を加熱作動させて変成部5を加熱する起動運転制御を行い、その起動運転制御は、改質部温度センサT1の検出温度が予め設定した設定改質処理温度になるまで継続する。
【0056】
起動運転制御が終了すると、脱硫部用ヒータ32及び変成部用ヒータ33を停止させ、一方、燃焼部4の燃焼は継続して、原燃料ガス断続弁20を開弁して原燃料ガスの供給を開始すると共に、原料水ポンプ14を作動させて原料水の供給を開始して、水素含有ガスを生成するガス生成運転を開始し、以降、ガス生成運転中は、脱硫部用ヒータ32及び変成部用ヒータ33を停止させた状態で、燃料電池Gから排出されるオフガスを燃焼部4にて燃焼させ、改質部3を改質処理温度に維持するに当たって、オフガスだけでは不足する分をガス燃料供給路37を通じて都市ガスを燃焼部3に供給して燃焼させる。
【0057】
次に、ガス生成運転における運転制御方法について説明する。
本発明においては、改質部3を設定改質処理温度に維持するように、燃焼部4の加熱能力を調節し、且つ、選択酸化部6を設定選択酸化処理温度に維持するように、冷却用ファン10の通風量を調節する。
すると、上述のように、改質部3と脱硫部1との間、脱硫部1と変成部5との間、変成部5と選択酸化部6との間、及び、燃焼部4と水蒸気生成部Sとの間のそれぞれの伝熱量を設定してあるので、脱硫部1と変成部5を、温度を制御しなくても成り行きにて、それぞれ脱硫処理温度、変成処理温度に維持することができ、並びに、水蒸気生成部Sを成り行きにて水蒸気生成に適正な温度に維持することができる。
【0058】
本発明においては、制御部Cを用いて、上述の如き起動運転における運転制御、及び、ガス生成運転における運転制御を自動的に行わせるように構成してある。
以下、制御部Cがガス生成運転における運転制御を実行するときの制御動作について説明する。
制御部Cは、改質部温度センサT1の検出温度が予め設定した設定改質処理温度になるように、ガス燃料供給量調整弁38及び燃焼用空気供給量調整弁40それぞれを制御して、燃焼部4の加熱能力を調節し、並びに、選択酸化部温度センサT2の検出温度が予め設定した設定選択酸化処理温度になるように、冷却用ファン10の作動を制御して冷却用の通風量、即ち、冷却能力を調節する。
【0059】
燃焼部4の加熱能力の調節について説明を加えると、加熱能力を増大するときは、例えば、都市ガスの供給量を増大するようにガス燃料供給量調整弁38を制御し、加熱能力を減少するときは、都市ガスの供給量を減少するようにガス燃料供給量調整弁38を制御する制御、及び、燃焼用空気供給量を増大するように燃焼用空気供給量調整弁40を制御する制御を、予め設定した条件にて実行する。
【0060】
以下、上記の運転制御方法にて運転して、水素含有ガス生成装置の性能を検証した結果を説明する。
【0061】
水素含有ガス生成装置の運転条件は以下の通りである。
原燃料ガス(13A)流量:4.0L(標準状態)/min
オフガス流量:10.1L(標準状態)/min
水蒸気生成用原料水(純水):12.0cc/min
選択酸化処理用空気流量:0.8L(標準状態)/min
【0062】
そして、図6に示すように、改質部3の温度に応じて、改質部3を設定改質処理温度に維持するための都市ガス(13A)の供給量、及び、燃焼用空気供給量を設定して、改質部温度制御情報として制御部Cに記憶させてある。
制御部Cは、改質部温度センサT1の検出温度及び記憶している改質部温度制御情報に基づいて、検出温度に応じた都市ガス供給量及び燃焼用空気供給量になるように、ガス燃料供給量調整弁38及び燃焼用空気供給量調整弁40それぞれを制御する、所謂フィードフォワード制御を実行する。
又、選択酸化部温度センサT2の検出温度が設定選択酸化処理温度になるように、冷却用ファン10をオンオフさせる。
【0063】
そして、設定改質処理温度を例えば642.9°Cに、並びに、設定選択酸化処理温度を例えば95.0°Cに設定して、上述のように制御したときの、脱硫部1、変成部5、及び、水蒸気生成部Sの蒸発処理部2の温度は、以下の通りに熱平衡し、それぞれ適正な温度に維持できていることが分かる。
又、そのときの燃焼部4の温度は以下の通りであり、この燃焼部4の温度は、改質部3の温度と相関があるので、上述のように、改質部3を設定改質処理温度になるように燃焼部4の加熱能力を調節するための制御情報として、改質部温度センサT1の代わりに、燃焼部4の温度を検出する燃焼部温度センサを設けて、その燃焼部温度センサの検出温度に基づいて、改質部3を設定改質処理温度になるように燃焼部4の加熱能力を調節するように制御することも可能である。
【0064】
脱硫部1の温度:261.8°C
変成部5の温度:238.9°C
水蒸気生成部Sの蒸発処理部2の温度:136.9°C
燃焼部4の温度:838.7°C
【0065】
以下、本発明の第2実施形態を説明するが、この実施形態においては、第1実施形態と同じ構成要素や同じ作用を有する構成要素については、重複説明を避けるために、同じ符号を付すことにより説明を省略し、主として、第1実施形態と異なる構成を説明する。
【0076】
〔第2実施形態〕
以下、図面に基づいて、本発明を燃料電池用の水素含有ガス生成装置に適用した場合の第2実施形態を説明する。
図7に示すように、第2実施形態においては、改質部3と選択酸化部6との間に、脱硫部1及び変成部5としてそれぞれ複数(本第2実施形態では3台)ずつを、脱硫部1と変成部5とが交互に並ぶように、且つ、隣接するもの同士で熱伝導可能なように設けてある。
そして、改質部3を改質処理に適正な温度に維持するように、燃焼部4の加熱能力を調節し、且つ、選択酸化部6を選択酸化処理に適正な温度に維持するように、冷却用ファン10の通風量を調節して冷却能力を調節することにより、複数の脱硫部1がそれぞれ脱硫処理に適正な温度になり、複数の変成部5がそれぞれ変成処理に適正な温度になるように、隣接するもの同士の伝熱状態を予め設定してある。
【0077】
説明を加えると、図7に示すように、水素含有ガス生成装置Pは、矩形板状の偏平な容器Bの複数を板状形状の厚さ方向に並べて設けて、各容器Bを用いて、脱硫部1、改質部3、燃焼部4、変成部5、選択酸化部6、水蒸気生成部S、各通流部等を夫々構成してある。第1実施形態と同様に、複数の容器Bのうちの一部は単室具備容器Bmにて構成し、残りは双室具備容器Bdにて構成してある。
第2実施形態においては、10個の双室具備容器Bdと、1個の単室具備容器Bmを、側面視において左端から3個目に単室具備容器Bmを位置させた状態で、横方向に厚さ方向に並べて設けて、コンパクトに形成してある。
10個の双室具備容器Bdの区別が明確になるように、便宜上、双室具備容器を示す符号Bdの後に、左からの並び順を示す符号1,2,3……………10を付す。
【0078】
第1実施形態と同様に、左端の双室具備容器Bd1にて水蒸気生成部Sを構成し、左から2個目の双室具備容器Bd2を用いて燃焼部4及び改質部3を構成し、単室具備容器Bmを用いて、保温用通流部7を構成し、左から3個目の双室具備容器Bd3を用いて、脱硫原燃料ガス用熱交換器Epを構成してある。
【0079】
左から4個目の双室具備容器Bd4を用いて、脱硫部1を構成し、左から5個目の双室具備容器Bd5の左側の室を備えた部分を用いて、脱硫部1を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、原燃料ガス通流部16を構成してある。
左から6個目の双室具備容器Bd6の左側の室を備えた部分を用いて、下流側改質処理ガス通流部15を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、変成部5を構成してある。
左から7個目の双室具備容器Bd7を用いて、脱硫部1を構成し、左から8個目の双室具備容器Bd8の左側の室を備えた部分を用いて、変成部5を構成し、右側の室を備えた部分を用いて変成部冷却用通流部8を構成してある。
左から9個目の双室具備容器Bd9を用いて、変成部5を構成し、左から10個目(右端)の双室具備容器Bd10の左側の室を備えた部分を用いて、変成部冷却用通流部9を構成し、右側の室を備えた部分を用いて選択酸化部6を構成してある。
つまり、脱硫部1は、左から4個目の双室具備容器Bd4、左から5個目の双室具備容器Bd5及び左から7個目の双室具備容器Bd7を用いて構成して、脱硫部1は3台設けてある。
又、変成部5は、左から6個目の双室具備容器Bd6、左から8個目の双室具備容器Bd8及び左から9個目の双室具備容器Bd9を用いて構成して、変成部5は3台設けてある。
そして、3台の脱硫部1及び3台の変成部5を、脱硫部1と変成部5とが交互に並ぶように設けてある。
【0080】
つまり、燃焼部4及び改質部3を構成する双室具備容器Bd2の一方側に、その双室具備容器Bd2の側から、保温用通流部7を構成する単室具備容器Bm、断熱材19、脱硫原燃料ガス用熱交換器Epを構成する双室具備容器Bd3、断熱材19、脱硫部1を構成する双室具備容器Bd4、脱硫部1及び原燃料ガス通流部16を構成する双室具備容器Bd5、下流側改質処理ガス通流部15及び変成部5を構成する双室具備容器Bd6、脱硫部1を構成する双室具備容器Bd7、変成部5及び変成部冷却用通流部8を構成する双室具備容器Bd8、変成部5を構成する双室具備容器Bd9、変成部冷却用通流部9及び選択酸化部6を構成する双室具備容器Bd10を記載順に並ぶように互いに密接配置して設け、双室具備容器Bd2の他方側に、その双室具備容器Bd2の側から、断熱材19、水蒸気生成部Sを構成する双室具備容器Bd1を記載順に並ぶように密接配置して設けてある。
【0081】
第2実施形態においては、燃焼部4及び改質部3を構成する双室具備容器Bd2の仕切り部材43と、その双室具備容器Bdの燃焼部4の側に隣接する断熱材19とにわたって、複数の補強部材63を架け渡してある。そして、それら複数の補強部材63により、熱膨張による双室具備容器Bdの変形を抑制するように構成してある。
【0082】
脱硫部用ヒータ32は、左から4個目の双室具備容器Bd4と左から5個目の双室具備容器Bd5との間に設け、一方の変成部用ヒータ33は、左から6個目の双室具備容器Bd6と左から7個目の双室具備容器Bd7との間に設け、他方の変成部用ヒータ33は、左から9個目の双室具備容器Bd9と左から10個目の双室具備容器Bd10との間に設けてある。
更に、第2実施形態においては、起動時に、水蒸気生成用加熱通流部11を加熱する水蒸気生成用ヒータ60、脱硫原燃料ガス通流部13を加熱する原燃料ガス用ヒータ61を設けてある。
【0083】
原燃料ガス供給路21を原燃料ガス用熱交換器Eaの原燃料ガス通流部16に接続し、並びに、原燃料ガス通流部16、3段の脱硫部1、脱硫原燃料ガス用熱交換器Epの脱硫原燃料ガス通流部13、改質部3、保温用通流部7、脱硫原燃料ガス用熱交換器Epの上流側改質処理ガス通流部12、原燃料ガス用熱交換器Eaの下流側改質処理ガス通流部15、3段の変成部5、選択酸化部6の順に流れるガス処理経路を形成するように、それらをガス処理用流路22にて接続してある。
3台の脱硫部1及び3台の変成部5を、脱硫部1と変成部5とが交互に並ぶように設けることにより、複数の脱硫部1を処理対象ガスが順次流れるようにそれらをガス処理用流路22にて接続し、又、複数の変成部5を処理対象ガスが順次流れるようにそれらをガス処理用流路22にて接続するに当たって、通流経路の順に並ぶもの同士を接続するガス処理用流路22の長さを長くすることが可能となるので、接続作業が容易となる。
【0084】
第2実施形態においては、変成部冷却用通流部8から燃焼ガス路27を通じて排出された燃焼ガスと、燃焼用空気路29を通じて燃焼部4に供給する燃焼用空気及びオフガス路24を通じて燃焼部4に供給するオフガスとを熱交換させて、燃焼用空気及びオフガスを予熱する排熱回収用熱交換器62を設けてある。
尚、図示は省略するが、第1実施形態と同様に、燃焼用空気バイパス路30、及び、空気経路切り換え用開閉弁35,36を設けてある。
【0085】
燃焼部4にて加熱される改質部3から選択酸化部6に向かって、脱硫部1、変成部5、脱硫部1、変成部5を順次伝熱して、選択酸化部6から放熱されると共に、燃焼部4から水蒸気生成部Sに向かって伝熱する。
一方、原燃料ガス供給路21から供給される原燃料ガスは、原燃料ガス用熱交換器Eaにて改質処理ガスとの熱交換により予熱した後、3段の脱硫部1に順次供給して脱硫処理し、その脱硫原燃料ガスを水蒸気路26からの水蒸気と混合し、続いて、脱硫原燃料ガス用熱交換器Epにて改質処理ガスとの熱交換により予熱した後、改質部3に供給して燃焼部3にて加熱して改質処理し、その改質処理ガスを、脱硫原燃料ガス用熱交換器Epにて脱硫原燃料ガスとの熱交換により冷却し、更に、原燃料ガス用熱交換器Eaにて原燃料ガスとの熱交換により熱交換した後、3段の変成部5に順次供給して、一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させて変成処理し、その変成処理ガスを原料水予熱用熱交換器17にて原料水との熱交換により冷却した後、選択酸化部6に供給して一酸化炭素ガスを選択酸化させて選択酸化処理する。
【0086】
そこで、3台の脱硫部1、改質部3、3台の変成部5及び選択酸化部6を上述のように配置した状態で、上述の如き流体の流れを考慮して、隣接するもの同士間のそれぞれの伝熱状態(伝熱量)を適宜に設定することにより、改質部3を改質処理温度に維持するように燃焼部4の加熱能力を調節し、且つ、選択酸化部6を選択酸化処理温度に維持するように冷却用ファン10の通風量を調節することにより、改質部3と選択酸化部6との間に位置する3台の脱硫部1と3台の変成部5を、温度を制御しなくても成り行きにて、それぞれ脱硫処理温度、変成処理温度に維持することができ、並びに、水蒸気生成部Sを成り行きにて水蒸気生成に適正な温度に維持することができるのである。
【0087】
制御部Cがガス生成運転における運転制御を実行するときの制御動作は、上記の第1実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【0088】
〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
【0093】
(イ) 燃焼部4の加熱能力を調節するための制御として、上記の実施形態においては、都市ガスの供給量を減少するようにガス燃料供給量調整弁38を制御する制御、及び、燃焼用空気供給量を増大するように燃焼用空気供給量調整弁40を制御する制御を併用する場合について例示したが、都市ガスの供給量を減少するようにガス燃料供給量調整弁38を制御のみを行うように構成しても良い。
あるいは、燃焼部4に対するオフガスの供給量を調節するオフガス供給量調整弁を設けて、そのオフガス供給量調整弁の制御によるオフガス供給量の調節により、燃焼部4の加熱能力を調節するように構成しても良い。
【0094】
(ロ) 改質部3を改質処理温度に維持すべく燃焼部4の加熱能力を調節するた
めの制御形態は、上記の実施形態において例示した如きフィードフォワード制御に限定されるものではなく、改質部温度センサT1の検出温度と改質処理温度とを比較して、検出温度が改質処理温度よりも高いときは加熱能力を減少し、検出温度が改質処理温度よりも低いときは加熱能力を増大するようにガス燃料供給量調整弁38及び燃焼用空気供給量調整弁40を制御するフィードバック制御を行うようにしたり、あるいは、フィードフォワード制御及びフィードバック制御の両方を行うようにしても良い。
【0095】
(ハ) 改質部温度センサT1及び選択酸化部温度センサT2それぞれの温度検出位置は、上記の実施形態において例示した位置に限定されるものではなく、適宜変更可能である。
【0096】
(ニ) 上記の第1実施形態においては、変成部5を3段に設ける場合について例示したが、変成部5を複数段に設ける場合の段数は適宜変更可能であり、あるいは、変成部5を1段に設けても良い。
又、上記の第2実施形態においては、脱硫部1及び変成部5をそれぞれ3台設ける場合について例示したが、脱硫部1及び変成部5を複数台設ける場合の台数は適宜変更可能であり、脱硫部1と変成部5の台数を異ならせても良い。又、脱硫部1と変成部5とを交互に並べるに当たって、その形態は上記の第2実施形態において例示した形態に限定されるものではなく、1台ずつ交互に並べても良い。
【0097】
(ホ) 改質部加熱手段の具体構成は、上記の実施形態にて例示した如き燃焼式の改質部加熱手段である燃焼部4に限定されるものではなく、例えば、電気ヒータにて構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1実施形態に係る水素含有ガス生成装置の縦断側面図
【図2】 水素含有ガス生成装置を構成する双室具備容器の斜視図
【図3】 水素含有ガス生成装置を構成する単室具備容器の斜視図
【図4】 第1実施形態に係る水素含有ガス生成装置の側面図
【図5】 第1実施形態に係る水素含有ガス生成装置の正面図
【図6】 改質部の温度と都市ガス供給量及び燃焼用空気供給量それぞれとの関係を示す図
【図7】 第2実施形態に係る水素含有ガス生成装置の縦断側面図
【図8】 水素含有ガス生成装置における伝熱を説明する図
【図9】 水素含有ガス生成装置における伝熱を説明する図
【符号の説明】
1 脱硫部
3 改質部
4 改質部加熱手段
5 変成部
6 選択酸化部
10 選択酸化部冷却手段
Ep 熱交換部
S 水蒸気生成部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a reforming unit that is heated by a reforming unit heating means and reforms a hydrocarbon-based raw fuel gas into a gas containing hydrogen gas and carbon monoxide gas with steam, and the reforming unit The modification process gas is transformed by transforming the carbon monoxide gas in the modification process gas into carbon dioxide gas, and the modification process gas supplied from the modification part is transformed. The present invention relates to an operation control method for a hydrogen-containing gas generation apparatus provided with a selective oxidation unit that selectively oxidizes carbon monoxide in a gas.
[0002]
[Prior art]
Such a hydrogen-containing gas generating apparatus reforms a hydrocarbon-based raw fuel gas into a gas containing hydrogen gas and carbon monoxide gas by steam in a reforming unit, and modifies the reformed gas in a shift unit. The carbon monoxide gas in the quality treatment gas is transformed to carbon dioxide gas, and the modification treatment gas is selectively oxidized by selectively oxidizing the carbon monoxide in the modification treatment gas in the selective oxidation section. Thus, a hydrogen-containing hydrogen-containing gas having a low carbon monoxide concentration (for example, 10 ppm or less) is generated, and the generated hydrogen-containing gas is used as, for example, a fuel gas for a power generation reaction in a fuel cell.
[0003]
During the operation of the hydrogen-containing gas generating apparatus, the reforming unit, the shift unit, and the selective oxidation unit are each set to a temperature appropriate for the reforming process (hereinafter sometimes referred to as the reforming process temperature), the shift process. Therefore, it is necessary to maintain a temperature suitable for the selective oxidation treatment (hereinafter sometimes referred to as a shift treatment temperature) and a temperature suitable for the selective oxidation treatment (hereinafter referred to as a selective oxidation treatment temperature). Incidentally, the reforming treatment temperature is, for example, in the range of 600 to 700 ° C., the modification treatment temperature is in the range of, for example, 150 to 250 ° C., and the selective oxidation treatment temperature is in the range of 80 to 100 ° C.
[0004]
Therefore, conventionally, in the operation control method for operating the reforming unit, the shift unit, and the selective oxidation unit so as to maintain the reforming temperature, the shift processing temperature, and the selective oxidation processing temperature, respectively, the shift unit is heated. The reforming section is modified by providing a transformation section heating means for cooling, a transformation section cooling means for cooling the transformation section, a selective oxidation section heating means for heating the selective oxidation section, and a selective oxidation section cooling means for cooling the selective oxidation section. The heating capacity of the reforming section heating means is adjusted to maintain the quality treatment temperature, and the heating capacity of the transformation section heating means and the cooling capacity of the transformation section cooling means are adjusted to maintain the transformation section at the transformation processing temperature. In addition, the heating capacity of the selective oxidation section heating means and the cooling capacity of the selective oxidation section cooling means are adjusted so that the selective oxidation section is maintained at the selective oxidation treatment temperature.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, in the conventional operation control method, in order to maintain the reforming section, the shift section, and the selective oxidation section at the reforming process temperature, the shift processing temperature, and the selective oxidation process temperature, respectively, As the temperature of each part is controlled separately, complicated control is required and improvement has been desired.
[0006]
The present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is hydrogen that can be operated while maintaining the reforming section, the shift section, and the selective oxidation section at appropriate temperatures with simple control. An object of the present invention is to provide an operation control method for a contained gas generator.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
[Invention of Claim 1]
The feature of the operation control method of the hydrogen-containing gas generation device according to
The reforming unit, the shift unit and the selective oxidation unit are provided such that the shift unit is located between the reforming unit and the selective oxidation unit, and adjacent ones can conduct heat,
Supplying a desulfurized raw fuel gas desulfurized in a desulfurization section for desulfurizing a hydrocarbon-based raw fuel gas as a hydrocarbon-based raw fuel gas reformed in the reforming section;
Between the reforming part and the selective oxidation part, the desulfurization part and the metamorphic part are arranged side by side, and provided so as to be able to conduct heat between adjacent ones,
A heat exchanging section for exchanging heat between the desulfurized raw fuel gas from the desulfurization section and the reforming treatment gas from the reforming section is provided between the reforming section and the desulfurization section;
Between the reforming unit and the desulfurization unit, set the amount of heat transfer in the heat insulating material, the heat exchange unit and the heat insulating material arranged in order from the reforming unit side,
Adjusting the heating capacity of the reforming unit heating means so as to maintain the reforming unit at an appropriate temperature for the reforming process, and maintaining the selective oxidation unit at an appropriate temperature for the selective oxidation process. Adjusting the cooling capacity of the selective oxidation unit cooling meansAnd
The selective oxidation unit cooling means is a cooling fan that adjusts the cooling capacity by adjusting the air flow rate,
The reforming section heating means is configured as a combustion type that burns gas fuel,
Providing a metamorphic part cooling flow passage for cooling the metamorphic part between the metamorphic part and the selective oxidation part;
The combustion air passage for supplying air to the reforming unit heating means after flowing the air from the blower through the transformation unit cooling flow part bypasses the transformation part cooling flow part from the blower. Connect the combustion air bypass to allow air to flow,
Air path switching opening / closing switching between a cooling supply state in which air from the blower flows through the combustion air passage and a bypass supply state in which combustion air from the blower flows through the combustion air bypass passage A valve,
When the cooling capacity of the metamorphic part is insufficient in the bypass supply state, the state is switched to the cooling supply state.There is.
That is, the inventors of the present invention have the highest reforming process temperature, the lowest selective oxidation process temperature, and the modification process temperature is the reforming process temperature, the reforming process temperature, and the selective oxidation process temperature. In view of the fact that it is between the temperature and the selective oxidation treatment temperature, intensive research was conducted to simplify the operation control method.
And, between the reforming section that needs to maintain the reforming section, the transformation section, and the selective oxidation section at the highest temperature and the selective oxidation section that needs to be maintained at the lowest temperature, A modification part that needs to be maintained at a temperature between the temperature of the selective oxidation part is located, and is provided so that heat can be transferred between adjacent ones, so that the reforming part, the modification part, and the selective oxidation part By appropriately setting the heat transfer state between adjacent ones, the reforming unit does not control the temperature only by controlling the reforming unit and the selective oxidation unit at appropriate temperatures. It has been found that each can be maintained at a proper temperature.
That is, as shown in FIG. 9, between the reforming
And in the adjacent ones, in FIG. 9, by appropriately setting the respective heat transfer states between the reforming
In short, by simply controlling the temperature of the reforming section and the temperature of the selective oxidation section, the reforming section, the shift conversion section, and the selective oxidation section are set to the reforming treatment temperature, the shift treatment temperature, and the selective oxidation treatment temperature, respectively. Can be maintained.
Therefore, it is possible to provide an operation control method for a hydrogen-containing gas generation device that can be operated while maintaining the reforming section, the shift section, and the selective oxidation section at appropriate temperatures with simple control. It was.
In addition, the inventors of the present invention use the desulfurized raw fuel gas desulfurized in the desulfurization section for desulfurizing hydrocarbon-based raw fuel gas as the hydrocarbon-based raw fuel gas to be reformed in the reforming section. When supplying, the reforming treatment temperature, the temperature suitable for the desulfurization treatment (hereinafter sometimes referred to as the desulfurization treatment temperature), the transformation treatment temperature and the selective oxidation treatment temperature are the highest, and the reforming treatment temperature is the highest. In view of the fact that the oxidation treatment temperature is the lowest, and that the desulfurization treatment temperature and the modification treatment temperature are between the reforming treatment temperature and the selective oxidation treatment temperature, intensive research was conducted to simplify the operation control method. Incidentally, the desulfurization treatment temperature is in the range of 150 to 270 ° C., for example.
The reforming unit, the desulfurization unit, the shift conversion unit, and the selective oxidation unit are disposed between the reforming unit that needs to be maintained at the highest temperature and the selective oxidation unit that needs to be maintained at the lowest temperature. The desulfurization part and the modification part that need to be maintained at a temperature between the temperature of the selective oxidation part and the temperature of the selective oxidation part are located, and provided so that heat can be transferred between adjacent ones, so that the reforming part, With the desulfurization section, the transformation section, and the selective oxidation section provided, the heat transfer state between adjacent ones is set appropriately, so that the reforming section and the selective oxidation section can be controlled at appropriate temperatures, respectively. It has been found that the section and the metamorphic section can be maintained at appropriate temperatures without controlling the temperature.
That is, as shown in FIG. 8, between the reforming
And in the adjacent ones, in FIG. 8, between the reforming
In short, the desulfurization section, reforming section, transformation section, and selective oxidation section are desulfurized, reformed, and modified by simple control that only controls the temperature of the reforming section and the temperature of the selective oxidation section. Temperature and selective oxidation treatment temperature can be maintained.
Therefore, it is possible to provide an operation control method for a hydrogen-containing gas generation apparatus that can be operated with simple control while maintaining the desulfurization section, reforming section, shift section, and selective oxidation section at appropriate temperatures. It became so.
Further, in the heat exchange section provided between the reforming section and the desulfurization section, the desulfurization raw fuel gas from the desulfurization section and the reformed gas from the reforming section are subjected to heat exchange, and the desulfurization raw fuel gas is supplied. While preheating and supplying to the reforming section, the reforming process gas is cooled and supplied to the shift section.
In other words, the raw desulfurization fuel gas discharged from the desulfurization section has a temperature close to the temperature of the desulfurization section and has a large difference from the temperature of the reforming section to which the desulfurization raw fuel gas is supplied. The reforming process gas discharged from the mass part has a temperature close to the temperature of the reforming part, and has a large temperature difference from the transformation part to which the reforming process gas is supplied. Therefore, by exchanging heat between the desulfurized raw fuel gas discharged from the desulfurization unit and the reformed gas discharged from the reforming unit in the heat exchange unit, excess energy is used to preheat the desulfurized raw fuel gas. Preheating the desulfurized raw fuel gas and supplying it to the reforming unit in a state where the temperature difference from the reforming unit is reduced without consuming and throwing away heat to cool the reforming treatment gas In addition, the reforming gas can be cooled and supplied to the shift section in a state where the temperature difference from the shift section is reduced.
Moreover, since the temperature of each fluid flowing into and out of the heat exchange section is within or close to the range between the temperature of the reforming section and the temperature of the desulfurization section, the heat exchange section is modified. By providing it between the mass part and the desulfurization part, the temperature of the reforming part and the temperature of the desulfurization part can be easily maintained at appropriate temperatures, respectively. It becomes easy to maintain at an appropriate temperature.
Accordingly, the hydrogen-containing gas can be generated with improved energy efficiency, and the operation can be performed while maintaining the temperatures of the desulfurization unit, the reforming unit, the transformation unit, and the selective oxidation unit more accurately. A preferred specific configuration can be provided.
[Invention of Claim 2]
The feature of the operation control method of the hydrogen-containing gas generation device according to
According to the operation control method of
That is, the reforming unit, the heat exchange unit, the desulfurization unit, the shift conversion unit, and the selective oxidation unit are located adjacent to each other between the reforming unit and the selective oxidation unit. By arranging the heat transfer state between adjacent objects and setting the heat transfer state between adjacent objects appropriately, the desulfurization part and the transformation part can be changed by controlling the reforming part and the selective oxidation part at appropriate temperatures. As described above, the reforming unit, the heat exchange unit, the desulfurization unit, the transformation unit, and the selective oxidation unit are each configured in a flat plate shape so that the parts can be maintained at appropriate temperatures. By arranging in parallel in the thickness direction, the heat transfer path in each part of the reforming section, heat exchange section, desulfurization section, transformation section and selective oxidation section is shortened, and the temperature gradient along the heat transfer path is reduced. Therefore, the temperature distribution of each part can be reduced.
Therefore, the desulfurization section, the reforming section, the transformation section, and the selective oxidation section can be operated while maintaining the appropriate temperatures while reducing the temperature distribution, so that the operation control method of the present invention is implemented. A preferred specific configuration can be provided.
[0008]
[Invention of Claim 3]
The feature of the operation control method of the hydrogen-containing gas generator according to
According to the operation control method of the third aspect, the reforming section heating means is configured as a combustion type that burns gas fuel, and the water supplied from the combustion type reforming section heating means is generated in the steam generation section. Heating with the exhausted combustion gas generates steam for reforming in the reforming section, so that steam for reforming can be generated without consuming excess energy. In addition, since the water vapor generation unit is provided on the side of the reforming unit opposite to the side where the transformation unit is provided, the heat generation from the reforming unit can be suppressed, so that the energy of the reforming unit heating means is reduced. Consumption can be reduced.
Accordingly, it is possible to provide a specific configuration that is preferable for enabling the operation so as to improve the energy efficiency and generate the hydrogen-containing gas.
[0011]
[Claims4Description of Invention]
Claim4The feature of the operation control method of the hydrogen-containing gas generation device described in the above is that the desulfurization section and the shift section are plural, and the desulfurization sections and the shift sections are alternately arranged and adjacent to each other. It is to provide heat conduction.
Claim4According to the operation control method described in the above, a plurality of desulfurization sections and shift sections are provided so that the desulfurization sections and the shift sections are alternately arranged so that adjacent ones can conduct heat, The hydrocarbon-based raw fuel gas is desulfurized in the desulfurization section, and the reforming process gas is subjected to modification treatment in the plurality of shift sections.
That is, since the desulfurization treatment temperature and the shift treatment temperature are in the same temperature range, a plurality of desulfurization sections and shift sections are respectively arranged so that the desulfurization sections and the shift sections are alternately arranged and adjacent to each other. By providing heat conduction, the reforming section and the selective oxidation section are each controlled at appropriate temperatures, and each of the multiple desulfurization sections and multiple transformation sections is appropriate for each without controlling the temperature. The desulfurization treatment of hydrocarbon-based raw fuel gas at these multiple desulfurization sections improves the desulfurization treatment capacity, and the reforming treatment gas is transformed at multiple transformation sections. By doing so, the metamorphosis processing capacity can be improved.
In addition, by providing a plurality of desulfurization sections and a plurality of transformation sections so that the desulfurization sections and the transformation sections are alternately arranged, the plurality of desulfurization sections are connected by pipes so that the gas to be treated flows sequentially. In addition, when connecting the gas to be processed through a plurality of metamorphic parts in order, the length of the pipe connecting the parts arranged in the order of the flow path can be increased. Therefore, the pipe connection work is facilitated, and the cost can be reduced.
Incidentally, if a plurality of desulfurization parts and a plurality of metamorphic parts are provided adjacent to each other, and the metamorphic parts are provided adjacent to each other, it is necessary to connect the adjacent ones by pipes. Therefore, the length of the pipe line to be connected becomes short, and the pipe line connection work becomes difficult.
Therefore, it has become possible to provide an operation control method for a hydrogen-containing gas generation apparatus that can be operated so as to improve the desulfurization treatment capacity and the modification treatment capacity with simple control while reducing the cost.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment when the present invention is applied to a hydrogen-containing gas generator for a fuel cell will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the hydrogen-containing gas generation device P generates steam by heating the supplied raw water and a
[0015]
In the
[0016]
In the reforming
[0017]
[Chemical 1]
CHFour+ H2O → CO + 3H2
[0018]
In the
[0019]
[Chemical 2]
CO + H2O → CO2+ H2
[0020]
In the
[0021]
The hydrogen-containing gas generated by the hydrogen-containing gas generator is supplied as fuel gas to the fuel cell G through the
[0022]
The
[0023]
The water vapor generation unit S is a vapor generation heating flow-through unit 11 through which the combustion gas discharged from the
[0024]
Further, the hydrogen-containing gas generation device P is supplied with a heat
In addition, a
[0025]
The desulfurization raw fuel gas heat exchanger Ep includes an upstream reforming process
[0026]
At the time of start-up, a
[0027]
In the first embodiment, the reforming
[0028]
When the description is added, as shown in FIG. 1, the hydrogen-containing gas generation device P is provided by arranging a plurality of rectangular plate-like flat containers B in the thickness direction of the plate shape, and using each container B, The
A part of the plurality of containers B is constituted by a single-chamber container Bm formed so as to have one chamber, and the rest is a twin-chamber container Bd formed so as to have two compartments. It consists of.
[0029]
As shown in FIG. 2, the two-chamber container Bd has two flattened parts with a flat plate-shaped
A
Although not shown, the interior of the container B is configured to be a meandering flow path as necessary, and the fluid flow path is lengthened.
[0030]
As shown in FIG. 1, in the first embodiment, eight twin-chamber equipped containers Bd and one single-chamber equipped container Bm are disposed, and the single-chamber equipped container Bm is disposed third from the left end in a side view. In a state where it is positioned, it is provided side by side in the thickness direction in the lateral direction, and is compactly formed.
In order to clarify the distinction between the eight twin-chamber equipped containers Bd, for convenience, the
[0031]
The steam generating section S is configured by the leftmost twin chamber equipped container Bd1, and the steam flow generating heating flow passage section 11 is configured by using the left chamber of the twin chamber equipped container Bd1. The
The
The heat retaining flow-through
[0032]
The upstream side reforming
[0033]
The
[0034]
The downstream side reforming gas flow-through
The portion having the left chamber of the sixth double-chamber equipped container Bd6 from the left is used to constitute the
The
In other words, the
[0035]
The portion provided with the left chamber of the eighth (right end) double chamber container Bd8 from the left is used to form the metamorphic portion
[0036]
That is, on one side of the twin chamber equipped container Bd2 constituting the
[0037]
The
[0038]
As shown in FIGS. 4 and 5, the hydrogen-containing gas generation device P has a plurality of containers B, a
The screw type connecting means includes a
Each holding
Then, with both ends of the
The hydrogen-containing gas generation device P is installed in a state where the pair of holding
[0039]
In FIG. 1, the raw fuel
[0040]
The raw fuel
A raw material water preheating
[0041]
The
The off
[0042]
In FIG. 1, as shown by a solid line arrow, a raw material
[0043]
A raw material water preheating
[0044]
In FIG. 1, as indicated by broken line arrows, the combustion gas discharged from the
[0045]
In FIG. 1, as indicated by a one-dot chain line arrow, the
[0046]
A cooling supply state in which combustion air is supplied to the
[0047]
Furthermore, a reforming unit temperature sensor T1 that detects the temperature of the reforming
The reforming unit temperature sensor T1 is provided so as to detect the temperature near the outlet of the reforming process gas in the reforming
[0048]
In short, the
[0049]
ThenFIG.As shown by the arrows in FIG. 1, heat is sequentially transferred through the
[0050]
On the other hand, the raw fuel gas supplied from the raw fuel
[0051]
Incidentally, since the shift reaction in the
[0052]
Further, the combustion gas discharged from the
[0053]
Therefore, in the state where the
[0054]
That is, between the reforming
[0055]
Next, an operation control method of the hydrogen-containing gas generation device P configured as described above will be described.
When the hydrogen-containing gas generator P is started, off gas is not supplied from the fuel cell G, so the gas fuel supply
[0056]
When the start-up operation control is completed, the
[0057]
Next, an operation control method in the gas generation operation will be described.
In the present invention, the heating capacity of the
Then, as described above, between the reforming
[0058]
In the present invention, the control unit C is used to automatically perform the operation control in the start-up operation as described above and the operation control in the gas generation operation.
Hereinafter, the control operation when the control unit C executes the operation control in the gas generation operation will be described.
The control unit C controls the gas fuel supply
[0059]
If the heating capacity is increased, for example, when the heating capacity is increased, for example, the gas fuel supply
[0060]
Hereinafter, the result of verifying the performance of the hydrogen-containing gas generator by operating with the above-described operation control method will be described.
[0061]
The operating conditions of the hydrogen-containing gas generator are as follows.
Raw fuel gas (13A) flow rate: 4.0 L (standard state) / min
Off-gas flow rate: 10.1 L (standard state) / min
Raw water for water vapor generation (pure water): 12.0cc / min
Air flow for selective oxidation treatment: 0.8L (standard state) / min
[0062]
Then, as shown in FIG. 6, the supply amount of city gas (13A) and the combustion air supply amount for maintaining the reforming
Based on the detected temperature of the reforming unit temperature sensor T1 and the stored reforming unit temperature control information, the control unit C controls the gas so that the city gas supply amount and the combustion air supply amount correspond to the detected temperature. So-called feed-forward control is performed to control the fuel supply
Further, the cooling
[0063]
Then, the
Further, the temperature of the
[0064]
Temperature of desulfurization part 1: 261.8 ° C
Temperature of the
Temperature of the combustion part 4: 838.7 ° C
[0065]
Hereinafter, the present invention2 fruitsI will explain the embodiment,thisIn the embodiment, the same constituent elements as those in the first embodiment and the constituent elements having the same action are denoted by the same reference numerals in order to avoid duplicate description, and the description thereof is mainly omitted. The configuration is mainly different from the first embodiment. Will be explained.
[0076]
[No.2Embodiment)
Hereinafter, based on the drawings, the present invention is applied to a hydrogen-containing gas generator for a fuel cell.2An embodiment will be described.
Figure7As shown in2In the embodiment, a plurality of
Then, the heating capacity of the
[0077]
Adding a description, figure7As shown in FIG. 2, the hydrogen-containing gas generation device P includes a plurality of rectangular plate-like flat containers B arranged side by side in the thickness direction of the plate shape, and each vessel B is used to desulfurize
First2In the embodiment, 10 double-chamber equipped containers Bd and one single-chamber equipped container Bm are thick in the lateral direction in a state where the single-chamber equipped container Bm is positioned third from the left end in a side view. They are arranged side by side in the vertical direction and are compact.
In order to make the distinction between the ten double-chamber containers Bd clear, for the sake of convenience, the
[0078]
Similarly to the first embodiment, the steam generating unit S is configured by the leftmost twin chamber equipped container Bd1, and the
[0079]
The
The downstream side reforming
The
Using the ninth double chamber container Bd9 from the left, the
In other words, the
The
And the three
[0080]
That is, on one side of the twin chamber equipped container Bd2 constituting the
[0081]
First2In the embodiment, the
[0082]
The
In addition2In the embodiment, a
[0083]
The raw fuel
By providing three
[0084]
First2In the embodiment, the combustion gas discharged from the metamorphic portion
Although not shown, a
[0085]
The
On the other hand, the raw fuel gas supplied from the raw fuel
[0086]
Therefore, in the state where the three
[0087]
Since the control operation when the control unit C executes the operation control in the gas generation operation is the same as that in the first embodiment, the description thereof is omitted.
[0088]
[Another embodiment]
Next, another embodiment will be described.The
[0093]
(I) As control for adjusting the heating capacity of the
Alternatively, an off-gas supply amount adjustment valve that adjusts the supply amount of off-gas to the
[0094]
(B) To adjust the heating capacity of the
The control mode is not limited to the feedforward control as exemplified in the above embodiment, and the detected temperature is improved by comparing the detected temperature of the reforming unit temperature sensor T1 with the reforming process temperature. The gas fuel supply
[0095]
(C) The temperature detection positions of the reforming unit temperature sensor T1 and the selective oxidation unit temperature sensor T2 are not limited to the positions exemplified in the above embodiment, and can be changed as appropriate.
[0096]
(DIn the first embodiment, the case where the
Further, in the second embodiment, the case where three
[0097]
(Ho) The specific configuration of the reforming section heating means is not limited to the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal side view of a hydrogen-containing gas generator according to a first embodiment.
FIG. 2 is a perspective view of a twin-chamber container that constitutes a hydrogen-containing gas generator.
FIG. 3 is a perspective view of a single-chamber container that constitutes a hydrogen-containing gas generator.
FIG. 4 is a side view of the hydrogen-containing gas generator according to the first embodiment.
FIG. 5 is a front view of the hydrogen-containing gas generator according to the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the temperature of the reforming section and the supply amount of city gas and the supply amount of combustion air.
FIG. 7 is a vertical side view of the hydrogen-containing gas generation device according to the second embodiment.
FIG. 8 is a diagram for explaining heat transfer in the hydrogen-containing gas generator.
FIG. 9 illustrates heat transfer in a hydrogen-containing gas generator.Figure
[Explanation of symbols]
1 Desulfurization section
3 reforming department
4 Reforming part heating means
5 Metamorphosis Department
6 Selective oxidation part
10 Selective oxidation part cooling means
Ep heat exchanger
S water vapor generator
Claims (4)
前記選択酸化部を冷却する選択酸化部冷却手段を設け、
前記改質部、前記変成部及び前記選択酸化部を、前記改質部と前記選択酸化部との間に前記変成部が位置し、且つ、隣接するもの同士で熱伝導可能なように設け、
炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫部にて脱硫処理した脱硫原燃料ガスを、前記改質部で改質処理する炭化水素系の原燃料ガスとして供給し、
前記改質部と前記選択酸化部との間に、前記脱硫部及び前記変成部を並べて、且つ、隣接するもの同士で熱伝導可能なように設け、
前記脱硫部からの脱硫原燃料ガスと前記改質部からの改質処理ガスとを熱交換させる熱交換部を、前記改質部と前記脱硫部との間に設け、
前記改質部と前記脱硫部との間は、前記改質部の側から順に並ぶ断熱材、前記熱交換部及び断熱材にて伝熱量を設定し、
前記改質部を改質処理に適正な温度に維持するように、前記改質部加熱手段の加熱能力を調節し、且つ、前記選択酸化部を選択酸化処理に適正な温度に維持するように、前記選択酸化部冷却手段の冷却能力を調節し、
前記選択酸化部冷却手段が、通風量の調節により冷却能力を調節する冷却用ファンであり、
前記改質部加熱手段をガス燃料を燃焼させる燃焼式に構成し、
前記変成部を冷却するための変成部冷却用通流部を前記変成部と前記選択酸化部との間に設け、
ブロアからの空気を前記変成部冷却用通流部を通流させてから前記改質部加熱手段に供給する燃焼用空気路に、前記変成部冷却用通流部を迂回させて前記ブロアからの空気を通流させる燃焼用空気バイパス路を接続し、
前記燃焼用空気路を通して前記ブロアからの空気を通流させる冷却用供給状態と、前記燃焼用空気バイパス路を通して前記ブロアからの燃焼用空気を通流させるバイパス供給状態とに切換える空気経路切り換え用開閉弁を設け、
前記バイパス供給状態では前記変成部の冷却能力が不足するときには、前記冷却用供給状態に切り換える水素含有ガス生成装置の運転制御方法。A reforming unit that is heated by the reforming unit heating means to reform the hydrocarbon-based raw fuel gas into a gas containing hydrogen gas and carbon monoxide gas with steam, and is supplied from the reforming unit A reforming section that transforms the reforming process gas by transforming carbon monoxide gas in the reforming process gas into carbon dioxide gas, and a modification process gas supplied from the reforming section An operation control method for a hydrogen-containing gas generation device provided with a selective oxidation unit for performing a selective oxidation treatment by selectively oxidizing carbon oxide,
Providing a selective oxidation part cooling means for cooling the selective oxidation part;
The reforming unit, the shift unit and the selective oxidation unit are provided such that the shift unit is located between the reforming unit and the selective oxidation unit, and adjacent ones can conduct heat,
Supplying a desulfurized raw fuel gas desulfurized in a desulfurization section for desulfurizing a hydrocarbon-based raw fuel gas as a hydrocarbon-based raw fuel gas reformed in the reforming section;
Between the reforming part and the selective oxidation part, the desulfurization part and the metamorphic part are arranged side by side, and provided so as to be able to conduct heat between adjacent ones,
A heat exchanging section for exchanging heat between the desulfurized raw fuel gas from the desulfurization section and the reforming treatment gas from the reforming section is provided between the reforming section and the desulfurization section;
Between the reforming unit and the desulfurization unit, set the amount of heat transfer in the heat insulating material, the heat exchange unit and the heat insulating material arranged in order from the reforming unit side,
Adjusting the heating capacity of the reforming unit heating means so as to maintain the reforming unit at an appropriate temperature for the reforming process, and maintaining the selective oxidation unit at an appropriate temperature for the selective oxidation process. , Adjusting the cooling capacity of the selective oxidation unit cooling means ,
The selective oxidation unit cooling means is a cooling fan that adjusts the cooling capacity by adjusting the air flow rate,
The reforming section heating means is configured as a combustion type that burns gas fuel,
Providing a metamorphic part cooling flow passage for cooling the metamorphic part between the metamorphic part and the selective oxidation part;
The combustion air passage for supplying air to the reforming unit heating means after flowing the air from the blower through the transformation unit cooling flow part bypasses the transformation part cooling flow part from the blower. Connect the combustion air bypass to allow air to flow,
Air path switching opening / closing switching between a cooling supply state in which air from the blower flows through the combustion air passage and a bypass supply state in which combustion air from the blower flows through the combustion air bypass passage A valve,
An operation control method for a hydrogen-containing gas generation device that switches to the cooling supply state when the cooling capacity of the shift section is insufficient in the bypass supply state .
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