JP4556316B2 - Control of raw material input to reformer - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素系化合物を含む原燃料から水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置の起動時の制御技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
改質装置では、水蒸気改質反応を利用して、炭化水素系化合物を含む原燃料から水素リッチな燃料ガスを生成する。改質装置への原燃料の供給量と、水の供給量は、改質装置内における種々の化学反応を考慮して、それぞれ適切な値に制御される。
【0003】
改質装置への原燃料と水の供給量の制御技術としては、例えば特開平11−307110号公報に記載されたものが知られている。この方法では、燃料電池の負荷の変動に応じて、改質装置に供給される水蒸気と原燃料内の炭素とのモル比(S/C)を調整している。この結果、燃料電池の負荷変動に応じた適切な量の水素ガスを得ることができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の技術では、改質装置の起動時における問題点は考慮されていなかった。すなわち、改質装置の起動時には、改質触媒の温度が十分に高くなっていないので、改質反応は十分に活性化されていない。この結果、起動時には、多量の原燃料を投入しても、その大部分が未反応のまま改質装置から排出されてしまうという問題がある。
【0005】
特に、メタノールの沸点は約65℃であり、水よりも沸点がかなり低いので、メタノール改質装置の起動時においてメタノールリッチな原料ガスが改質触媒に供給される。従って、メタノール改質装置では、起動時において未反応メタノールが大量に排出されるという問題が顕著であった。但し、このような問題は、メタノールに限らず、水よりも沸点の低い炭化水素系化合物を含む原燃料のための改質装置に共通する問題であった。
【0006】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、改質装置の起動時において、改質装置からの未反応の原燃料の排出量を低減することのできる技術を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明の燃料改質装置は、原燃料と前記原燃料の水蒸気改質反応に利用される水との両方を気化する気化部と、水蒸気改質反応を利用して前記原燃料を改質する水蒸気改質部と、前記水蒸気改質部で改質された改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化反応を利用して酸化する選択酸化部と、がこの順に配列された改質器と、前記原燃料を前記気化部に供給するための原燃料供給部と、前記水蒸気改質反応に利用される水を前記気化部に供給するための水供給部と、前記改質器の起動時の少なくとも一部の期間において、前記原燃料供給部から供給される前記原燃料に含まれる炭素のモル数Cと、前記水供給部から供給される前記水のモル数Sとの比(C/S)の値を、前記改質器の定常運転時における所定の適正値よりも小さくすることによって、前記気化部と前記水蒸気改質部と前記選択酸化部とを通過した後に排出される未反応の原燃料を減少させるように、前記原燃料供給部と前記水供給部とを制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【0008】
この構成によれば、改質器の起動時に原燃料の割合を低くしているので、未反応の原燃料の排出量を低減することが可能である。
【0009】
なお、前記制御部は、前記改質器の起動時において、前記比(C/S)の値が連続的に増大するように前記原燃料供給部と前記水供給部とを制御するようにしてもよい。
【0010】
この構成によれば、原燃料の割合が次第に連続的に増大するので、改質反応の活性化の増進に応じた量の原燃料を改質器に供給することができ、未反応の原燃料の排出量を低減することが可能である。
【0011】
また、前記原燃料は、水よりも沸点の低い炭化水素系化合物を主要な成分とするものであることが好ましい。例えば、前記原燃料としては、メタノールを使用することができる。
【0012】
起動時における未反応原燃料の排出の問題は、水よりも沸点の低い炭化水素系化合物に関してより重大なので、メタノールのように、水よりも沸点の低い炭化水素系化合物を主要な成分とする原燃料を用いた場合には、本発明の効果が特に顕著である。
【0013】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料改質装置およびその制御方法、燃料電池システムおよびその制御方法、それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の態様で実現することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.第1実施例:
B.他の実施例:
C.変形例:
【0015】
A.第1実施例:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池システムの構成を示す説明図である。この燃料電池システム200は、メタノールを貯蔵する原燃料タンク10と、水を貯蔵する水タンク20と、改質反応により原燃料から燃料ガス(「改質ガス」とも呼ぶ)を生成する改質器30と、燃料電池40と、コントローラ50とを備えている。改質器30は、改質原料を気化する気化部32と、気化部32に熱を供給する加熱部34と、改質触媒を収納した改質部36と、改質ガス中の一酸化炭素を低減するための選択酸化を行う選択酸化部38と、を有している。
なお、気化部32と加熱部34とを合わせて「蒸発部」と呼ぶこともある。
【0016】
原燃料タンク10には原燃料供給路102が接続されており、水タンク20には水供給路108が接続されている。原燃料供給路102は2つの分岐流路104,106に分岐している。第1の分岐流路104は、水供給路108と合流しており、合流後の流路110は気化部32に接続されている。一方、第2の分岐流路106は、加熱部34に接続されている。第1の分岐流路104には流量計51とポンプ52が設けられており、第2の分岐流路106にも流量計53とポンプ54が設けられている。また、水供給路108にも、流量計55とポンプ56が設けられている。
【0017】
なお、原燃料タンク10と、原燃料供給路102およびその第1の分岐流路104と、流量計51と、ポンプ52とは、本発明における原燃料供給部を構成している。また、水タンク20と、水供給路108と、流量計55と、ポンプ56とは、本発明における水供給部を構成している。
【0018】
メタノールと水は、ポンプ52,56によってそれぞれ吸い出され、混合された状態で気化部32に導入される。この混合物を、以下では「改質原料」と呼ぶ。改質原料は気化部32において気化されて蒸気(メタノール蒸気および水蒸気)となり、改質部36に供給される。このガス状の改質原料(「改質原料ガス」と呼ぶ)は、改質部36と選択酸化部38における化学反応によって水素ガスリッチな燃料ガスHRGに変換される。改質部36における化学反応については後述する。
【0019】
改質器30で生成された燃料ガスHRGは、燃料ガス流路112を介して燃料電池40内の燃料ガス通路42に導入される。また、燃料電池40内の空気通路44には、エアーポンプ46によって空気AR40が供給される。このエアーポンプ46としては、例えばブロアを利用することができる。燃料電池40内では、燃料ガスHRG内の水素と、空気AR40内の酸素との電気化学反応によって発電が行われ、この結果、燃料ガスHRG中の水素が消費される。
【0020】
燃料電池40からの燃料排ガスの排出路114は、改質器30の加熱部34に戻されている。加熱部34は、燃料排ガス中の水素を燃焼させて、その熱を気化部32に供給している。加熱部34としては、白金触媒やパラジウム触媒などの貴金属触媒を用いて燃料排ガスやメタノールの燃焼反応を促進する装置や、あるいは、バーナを用いて燃料排ガスやメタノールを燃焼させる装置を利用することができる。気化部32では、加熱部34から与えられた熱によって改質原料が気化される。燃料排ガスの燃焼による熱では熱量が不足する場合には、ポンプ54を介して原燃料であるメタノールが加熱部34に供給される。加熱部34には、さらに、第1の空気供給部64によって加熱用空気AR34が供給されている。
この空気供給部64は、エアーポンプ64aと、圧力計64bと、電動弁64cとを有している。また、これと同様な第2の空気供給部66が、改質部36の上流側の混合室36aに空気AR36を供給している。
【0021】
改質部36には、改質触媒の温度を測定するための温度センサ92が設けられている。また、改質器30と燃料電池40との間の燃料ガス流路112には、酸素濃度センサ94と一酸化炭素濃度センサ96と原燃料センサ98(本実施例ではメタノール濃度センサ)が設けられている。コントローラ50は、これらのセンサ92,94,96,98や、流量計51,53,55を含む複数のセンサで測定された測定値を制御入力として用いて、燃料電池システム200の制御を実行する。なお、図1では、コントローラ50は、図示の便宜上、一部の構成部品(センサやポンプ)への接続のみが描かれており、他の構成部品への接続は図示が省略されている。
【0022】
改質器30内の各部において利用されている主な化学反応は、以下の通りである。改質部36では、主として下記のようなメタノールの水蒸気改質反応が発生する。
【0023】
CH3OH+H2O →CO2+3H2−49.5(kJ/mol) …(1)
【0024】
メタノールの水蒸気改質反応の触媒としては、例えば銅−亜鉛系の触媒を用いることが可能である。第2の空気供給部66によって改質部36に空気AR36が投入されると、改質部36内において以下に示す部分酸化反応も発生する。
【0025】
CH3OH+(1/2)O2 →CO2+2H2+189(kJ/mol) …(2)
【0026】
上記(1)式の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、(2)式の部分酸化反応は発熱反応である。改質器30の起動時には、部分酸化反応による発熱を利用して、改質触媒を昇温することができる。また、改質器30の定常運転時には、両者を適度な比率で行わせることによって、改質部36を適切な運転温度に維持することが可能である。なお、改質部36に供給される空気AR36は、上記の部分酸化反応に利用されるので、以下ではこれを「部分酸化用空気」と呼ぶ。
【0027】
なお、上記(1)式の水蒸気改質反応は、例えば下記の2つの反応の結果であると考えることができる。
【0028】
CH3OH → CO+2H2−90.0(kJ/mol) …(3)
CO+H2O → CO2+H2+40.5(kJ/mol) …(4)
【0029】
しかし、(3)式の反応で発生した一酸化炭素の一部は、二酸化炭素に変換されずにそのまま改質部36から選択酸化部38に供給される。そこで、選択酸化部38では、以下の選択酸化反応によって一酸化炭素濃度を低下させている。
【0030】
CO+(1/2)O2 → CO2+279.5(kJ/mol)…(5)
【0031】
この選択酸化反応の触媒としては、白金触媒やルテニウム触媒などの貴金属触媒や、アルミニウム触媒などを利用することができる。選択酸化部38を通過したガスは、水素リッチな燃料ガスHRGとして燃料電池40に供給される。選択酸化部38において一酸化炭素濃度を低減させる理由は、良く知られているように、一酸化炭素が燃料電池40内の白金触媒に対して被毒作用があり、燃料電池40の起電力を低下させてしまうからである。
【0032】
ところで、上記(1)式から解るように、理想的な水蒸気改質反応では、炭素原子1モルに対して水分子1モルが必要になる。しかし、実際の改質反応では、水をやや多めに添加する方が改質効率(水素分子の生成率)が高くなることが知られている。改質部36に供給される原料ガス中の炭素原子1モルに対する水分子のモル数の比は、スチーム・カーボン比(S/C)と呼ばれている。メタノールを原燃料とする改質器30が定常運転状態にあるときには、スチーム・カーボン比(S/C)の適正値は、例えば約2.0程度の値である。
【0033】
図2は、比較例における改質原料の投入量制御の様子を示す説明図である。図2(A)は、改質器30の起動時における水の投入量の時間変化を示している。
ここで「改質器の起動」とは、室温状態からの起動を意味している。図2(B)はメタノールの投入量を示し、図2(C)はスチーム・カーボン比(S/C)の逆数を、図2(D)は出口メタノール濃度をそれぞれ示している。なお、図2(A),(B),(D)の縦軸は、相対値目盛りであるが、図2(C)の縦軸は絶対値目盛りである。水とメタノールの投入量は、それぞれの流量計55,51(図1)で測定された流量から算出されたものである。スチーム・カーボン比(S/C)の逆数は、水とメタノールの投入量から計算されたものである。また、出口メタノール濃度は、メタノール濃度センサ98で測定されたものである。
【0034】
この比較例においては、時刻t0において改質器30の運転が開始されると、時刻t1までは加熱部34のみが運転されて昇温される。加熱部34の温度がある程度高くなると、時刻t1から水とメタノールの気化部32への供給が開始される。水の投入量とメタノールの投入量は、時刻t1からほぼ一定の値LW1,LM1にそれぞれ設定されている。また、スチーム・カーボン比(S/C)の逆数も、時刻t1以降は一定値(C/S)1 (=0.5)である。この(C/S)1 の値は、定常運転時におけるスチーム・カーボン比(S/C)の適正な値(約2.0)に相当する。
【0035】
ところで、時刻t1では、改質部36内の改質触媒の温度はあまり高くなっていないので、時刻t1以降にメタノールを大量に投入しても、ほとんどのメタノールは改質部36内で化学反応を起こさない。特に、メタノールは水よりも沸点が低いので、メタノールリッチな燃料ガスが改質部36に供給され、起動時には改質器30から大量の未反応メタノールが排出される。この結果、図2(D)に示すように、出口メタノール濃度が時刻t1から急激に立ち上がるという現象が発生する。
【0036】
また、改質部36にメタノールリッチな燃料ガスが供給されるので、一部の未反応メタノールは改質部36の内部(特に改質触媒の後端側)や選択酸化部38の内部で凝縮して貯留してしまうという現象も発生する。このようにして凝縮したメタノールは、改質触媒の温度が上昇して十分な改質反応が起こり始めると徐々に蒸発するが、この蒸発が終了するまでは、出口メタノール濃度は緩慢に減少する。すなわち、この比較例では、改質触媒の温度が上昇して十分な改質反応が起こり始めた後も、出口メタノール濃度がなかなか低下せず、燃料電池40には、かなりの未反応メタノールを含む燃料ガスが供給されるという現象が発生する。
【0037】
図3は、本発明の第1実施例における改質原料の投入量制御の様子を示す説明図である。図2の場合と同様に、時刻t0から時刻t1までは加熱部34が昇温され、時刻t1から水とメタノールの供給が開始される。第1実施例においても、水の投入量は時刻t1からほぼ一定値LW1に保たれているが、メタノールの投入量が比較例と異なる。すなわち、メタノールの投入量は、時刻t1ではほぼゼロであり、その後ほぼ直線的に増加して、時刻t2でほぼ一定の値LM1に到達する。
【0038】
図3(C)に示すスチーム・カーボン比(S/C)の逆数は、メタノールの投入量の変化に応じて変化している。すなわち、この値(C/S)は、時刻t1ではほぼゼロであり、その後はほぼ直線的に増加して、時刻t2でほぼ一定の値(C/S)1 に到達する。この値(C/S)1 は約0.5であり、定常運転時におけるスチーム・カーボン比(S/C)の適正値(約2.0)に相当している。
【0039】
図3(D)に示すように、この第1実施例では、出口メタノール濃度は時刻t1から増加するが、そのピークは比較例(図2(D))に比べて低い値に留まっている。また、ピークに達した後も、出口メタノール濃度が急速に下降していることが理解できる。従って、改質器30からは、メタノール濃度の低い良質の燃料ガスHRGを、比較例よりも早い時点から燃料電池40に供給することが可能である。
【0040】
図3(D)のような出口メタノール濃度の変化は、以下のような現象に起因するものと推測される。すなわち、メタノールの投入開始直後は改質触媒の温度が十分に高まっていないが、投入されるメタノールが少量なので、投入されたメタノールのかなりの部分が部分酸化反応(上記(2)式)等の発熱反応に利用されて、改質触媒を昇温させる。従って、メタノールの投入開始直後であっても、未反応メタノールがそれほど多く排出されることはない。また、このように未反応メタノールが少ないと、改質器30内部で凝縮するメタノールも少量である。その後、改質触媒の温度が次第に上昇すると、部分酸化反応や水蒸気改質反応に使用されるメタノール量が増加するので、メタノールの投入量を徐々に増加させていっても未反応メタノールが過度に増加することは無い。そして、時刻t2付近で改質触媒が定常運転状態に適した温度にほぼ達すると、未反応メタノールは急速に低下する。また、起動直後に改質触媒中に凝縮している未反応メタノールの量は比較例の場合に比べて極めて少ないので、時刻t2付近で改質触媒が定常運転状態の温度にほぼ達すると、出口メタノール濃度も急速に低下することになる。
【0041】
第1実施例は、さらに以下のような利点も有している。第1の利点は、未反応メタノールの排出量を低減できるので、原燃料としてのメタノールを節約できる点である。従って、燃料電池システム200の発電効率を高めることが可能である。
【0042】
第2の利点は、改質器30の起動に要する時間を短縮できる点である。すなわち、第1実施例では、出口メタノール濃度が比較例に比べて早期に低下するので、より早い時点から良質な燃料ガスHRGを燃料電池40に供給して発電を開始することができる。
【0043】
第3の利点は、メタノールの投入開始直後におけるメタノール投入量を少量に抑えているので、部分酸化反応による改質触媒の急激な温度上昇を防止することができる点である。メタノールが改質触媒に過度に投入されると、部分酸化反応の発熱によって改質触媒の温度が急激に上昇する可能性がある。また、改質触媒は、高温で、かつ、メタノールリッチな環境では、劣化し易い傾向にある。第1実施例では、メタノールの投入開始直後におけるメタノールの投入量を少量に抑えているので、高温でメタノールリッチな環境を防止することができ、改質触媒の劣化を防止することができる。
【0044】
第4の利点は、起動時における一酸化炭素の発生量を低減できる点である。メタノールリッチな原料ガスが改質部36に投入されると、メタノールが上記(3)式に示すように分解して、一酸化炭素が生成される。第1実施例では、起動時に改質部36に投入される原料ガス中のメタノールが従来よりも少ないので、起動時における一酸化炭素の発生量を低減することが可能である。
【0045】
図4は、第2実施例における改質原料の投入量制御の様子を示す説明図である。第2実施例では、水の投入量は第1実施例と同じであり、メタノール投入量の時間変化が第1実施例と異なるだけである。すなわち、第2実施例では、時刻t1におけるメタノール投入量の値LM0が定常運転状態の値LM1よりもかなり低い値に設定されている(図4(B))。但し、時刻t1以降は、メタノールの投入量はほぼ直線的に増加して時刻t2でほぼ一定値LM1に到達する。スチーム・カーボン比(S/C)の逆数の値も、これに応じて変化しており、時刻t1では0よりも高い所定の値(C/S)0 に設定され、その後、ほぼ直線的に増加して時刻t2でほぼ一定値(C/S)1 に到達している。なお、第2実施例における出口メタノール濃度のグラフは、図示が省略されている。
【0046】
この第2実施例においても、メタノールの投入開始直後の期間では、スチーム・カーボン比(S/C)の逆数の値を、定常運転時における適切な値(C/S)1 よりも小さく設定しているので、上記第1実施例とほぼ同様な効果や利点がある。
【0047】
図5は、第3実施例における改質原料の投入量制御の様子を示す説明図である。第3実施例も、メタノール投入量の時間変化が第1実施例と異なるだけである。すなわち、第3実施例では、時刻t1から時刻t2の期間ではメタノール投入量が、定常運転状態の値LM1よりも低い一定値LM0に保たれており、時刻t2において、定常運転状態における値LM1にステップ状に上昇している。スチーム・カーボン比(S/C)の逆数の値も、これに応じて変化していることが理解できる(図5(C))。なお、このようなステップ状の変化は、1回に限らず、複数回行われるようにしてもよい。
【0048】
この第3実施例においても、メタノールの投入開始直後の期間において、スチーム・カーボン比(S/C)の逆数の値を、定常運転時における適切な値(C/S)1 よりも小さく設定している。従って、第3実施例も、上記第1実施例や第2実施例とほぼ同様な効果や利点を有している。
【0049】
なお、スチーム・カーボン比(S/C)の逆数の値を単調に増大させているという点では、第3実施例も、第1および第2実施例と共通している。ここで、ある値が「単調に増大する」とは、その値が実質的に減少することが無く、増大する期間と一定値に保たれる期間のみが存在することを意味している。
【0050】
但し、第3実施例では、メタノール投入量やスチーム・カーボン比(S/C)が時刻t2においてステップ状に変化しているので、時刻t2までに改質触媒の温度を十分に上昇させることができない可能性がある。従って、改質器の起動時間を短縮するという観点からは、上述した第1実施例や第2実施例のように、スチーム・カーボン比(S/C)の逆数の値を連続的に上昇させる制御方法が好ましい。
【0051】
なお、第2実施例や第3実施例のように、メタノールの投入開始直後におけるスチーム・カーボン比(S/C)の逆数を、ゼロでない値(C/S)0 に設定する場合には、この初期値(C/S)0 は、定常運転状態における適切な値の約1/2以下に設定することが好ましい。例えば、定常運転状態におけるスチーム・カーボン比(S/C)の適正値の範囲が約1.5〜約2.0であるときには、その逆数(C/S)の範囲は約0.50〜約0.67となる。この場合に、メタノールの投入開始直後におけるスチーム・カーボン比(S/C)の逆数の値(C/S)0 としては、約0.25以下の値が好ましい。このように、メタノールの投入開始直後の投入量を比較的低い値に設定すれば、起動時におけるメタノールの投入量を抑制することによる上述の効果や利点を、より効率良く発揮させることが可能である。
【0052】
図6は、第4実施例における改質原料の投入量制御の様子を示す説明図である。第4実施例では、メタノール投入量の時間変化は第1実施例と同じであるが、水の投入量の時間変化が第1実施例と異なっている。すなわち、第4実施例では、時刻t1における水の投入量が定常運転状態の値LW1よりも低い値LW0に設定されており、時刻t1から時刻t2までは水の投入量も直線的に上昇している。スチーム・カーボン比(S/C)の逆数の値も、これに応じて曲線的に変化していることが理解できる(図6(C))。
【0053】
この第4実施例においても、メタノールの投入開始直後の期間では、スチーム・カーボン比(S/C)の逆数の値を、定常運転時における適切な値(C/S)1 よりも小さく設定しているので、上記第1ないし第3実施例とほぼ同様な効果や利点がある。
【0054】
C.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【0055】
C1.変形例1:
改質器の原燃料としては、メタノール以外のアルコールや、天然ガス、ガソリン、アルデヒド、エーテルなどの種々の炭化水素系燃料を利用可能である。すなわち、メタノール以外の原燃料を用いた場合にも、改質器の起動時において、原燃料内の炭素のモル数Cと水のモル数Sとの比(C/S)の値が、改質器の定常運転時における所定の適正値よりも小さくなるように、水や原燃料の投入量が制御されていればよい。
【0056】
なお、ガソリンは、沸点が約40℃〜220℃の範囲の極めて多数の炭化水素を含んでいるが、沸点が100℃以下の炭化水素もかなり多く含んでいる。従って、ガソリン改質装置においても本発明の効果が得られる。但し、本発明は、メタノール改質装置のように、水よりも沸点が低い炭化水素系化合物を主成分とする原燃料のための改質装置に適用すると特に有効である。
【0057】
C2.変形例2:
上述した各実施例では、時刻t1〜t2の期間を改質器30の起動期間としていたが、改質器30の起動期間の定義にはかなりの任意性がある。例えば、時刻t2以降の一定の時刻までを起動期間として定義することもでき、また、改質触媒が一定温度に達した時刻までを起動期間として定義することも可能である。従って、本発明では、改質器の起動時の少なくとも一部の期間において、原燃料内の炭素のモル数Cと水のモル数Sとの比(C/S)の値が上記のように制御されていればよい。但し、上記各実施例でも説明したように、改質器の起動期間のうちで、改質器への原燃料の投入開始時点を含む初期の期間において、本発明を適用することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例としての燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図2】比較例における改質原料の投入量制御の様子を示す説明図。
【図3】第1実施例における改質原料の投入量制御の様子を示す説明図。
【図4】第2実施例における改質原料の投入量制御の様子を示す説明図。
【図5】第3実施例における改質原料の投入量制御の様子を示す説明図。
【図6】第4実施例における改質原料の投入量制御の様子を示す説明図。
【符号の説明】
10…原燃料タンク
20…水タンク
30…改質器
32…気化部
34…加熱部
36…改質部
36a…混合室
38…選択酸化部
40…燃料電池
42…燃料ガス通路
44…空気通路
46…エアーポンプ
50…コントローラ
51,53,55…流量計
52,54,56…ポンプ
64,66…空気供給部
64a,66a…エアーポンプ
64b,66b…圧力計
64c,66b…電動弁
92…温度センサ
94…酸素濃度センサ
96…一酸化炭素濃度センサ
98…原燃料センサ(メタノール濃度センサ)
102…原燃料供給路
104,106…分岐流路
108…水供給路
110…流路
112…燃料ガス流路
114…排出路
200…燃料電池システム
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control technique at the start-up of a fuel reformer for generating hydrogen-rich fuel gas from a raw fuel containing a hydrocarbon-based compound.
[0002]
[Prior art]
In the reformer, a hydrogen-rich fuel gas is generated from a raw fuel containing a hydrocarbon compound by utilizing a steam reforming reaction. The supply amount of raw fuel and the supply amount of water to the reformer are controlled to appropriate values in consideration of various chemical reactions in the reformer.
[0003]
As a technique for controlling the amount of raw fuel and water supplied to the reformer, for example, a technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-307110 is known. In this method, the molar ratio (S / C) between the water vapor supplied to the reformer and the carbon in the raw fuel is adjusted in accordance with fluctuations in the load of the fuel cell. As a result, it is possible to obtain an appropriate amount of hydrogen gas corresponding to the load variation of the fuel cell.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional technology, problems at the time of starting the reformer are not considered. That is, at the time of starting the reformer, the temperature of the reforming catalyst is not sufficiently high, so that the reforming reaction is not sufficiently activated. As a result, there is a problem in that even when a large amount of raw fuel is supplied at startup, most of the fuel is discharged from the reformer without being reacted.
[0005]
In particular, the boiling point of methanol is about 65 ° C., and the boiling point is much lower than that of water. Therefore, a methanol-rich raw material gas is supplied to the reforming catalyst when the methanol reformer is started. Therefore, in the methanol reformer, the problem that a large amount of unreacted methanol is discharged at the time of startup is remarkable. However, such a problem is not limited to methanol, but is a problem common to reformers for raw fuels containing hydrocarbon compounds having a boiling point lower than that of water.
[0006]
The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and provides a technique capable of reducing the amount of unreacted raw fuel discharged from the reformer when the reformer is started. The purpose is to do.
[0007]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
In order to achieve the above object, the fuel reformer of the present invention comprises: A vaporization unit that vaporizes both the raw fuel and water used for a steam reforming reaction of the raw fuel, a steam reforming unit that reforms the raw fuel using a steam reforming reaction, and the steam reforming A selective oxidation unit that oxidizes carbon monoxide contained in the reformed gas reformed in the mass part using a selective oxidation reaction is arranged in this order. A reformer and the raw fuel The vaporizer The raw fuel supply unit for supplying to the front Water Water used for steam reforming reaction The vaporizer A water supply unit for supplying the raw fuel, a mole number C of carbon contained in the raw fuel supplied from the raw fuel supply unit in at least a part of the period when the reformer is started, and the water supply Value of the ratio (C / S) with the number of moles S of water supplied from the section The Less than a predetermined appropriate value during steady operation of the reformer By reducing the unreacted raw fuel discharged after passing through the vaporization unit, the steam reforming unit, and the selective oxidation unit, And a control unit that controls the raw fuel supply unit and the water supply unit.
[0008]
According to this configuration, since the ratio of the raw fuel is reduced when the reformer is started, the amount of unreacted raw fuel discharged can be reduced.
[0009]
The control unit determines that the value of the ratio (C / S) is at the start of the reformer. Continuously The raw fuel supply unit and the water supply unit may be controlled to increase.
[0010]
According to this configuration, the proportion of raw fuel gradually increases. Continuously Therefore, the amount of raw fuel corresponding to the increased activation of the reforming reaction can be supplied to the reformer, and the amount of unreacted raw fuel discharged can be reduced.
[0011]
The raw fuel preferably contains a hydrocarbon compound having a boiling point lower than that of water as a main component. For example, methanol can be used as the raw fuel.
[0012]
Since the problem of emission of unreacted raw fuel at start-up is more serious with respect to hydrocarbon compounds having a boiling point lower than that of water, the main component is a hydrocarbon compound having a boiling point lower than that of water, such as methanol. The effect of the present invention is particularly remarkable when fuel is used.
[0013]
The present invention can be realized in various modes, for example, a fuel reformer and a control method thereof, a fuel cell system and a control method thereof, and a computer for realizing the functions of these methods or devices. The present invention can be realized in the form of a program, a recording medium recording the computer program, a data signal including the computer program and embodied in a carrier wave, and the like.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. First embodiment:
B. Other examples:
C. Variations:
[0015]
A. First embodiment:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of a fuel cell system as a first embodiment of the present invention. The fuel cell system 200 includes a raw fuel tank 10 that stores methanol, a water tank 20 that stores water, and a reformer that generates fuel gas (also referred to as “reformed gas”) from raw fuel by a reforming reaction. 30, a fuel cell 40, and a controller 50. The reformer 30 includes a vaporization section 32 that vaporizes the reforming raw material, a heating section 34 that supplies heat to the vaporization section 32, a reforming section 36 that contains a reforming catalyst, and carbon monoxide in the reformed gas. And a selective oxidation unit 38 that performs selective oxidation for reducing the amount of oxidation.
The vaporization unit 32 and the heating unit 34 may be collectively referred to as an “evaporation unit”.
[0016]
A raw fuel supply path 102 is connected to the raw fuel tank 10, and a water supply path 108 is connected to the water tank 20. The raw fuel supply passage 102 is branched into two branch passages 104 and 106. The first branch flow path 104 merges with the water supply path 108, and the flow path 110 after the merge is connected to the vaporization unit 32. On the other hand, the second branch channel 106 is connected to the heating unit 34. The first branch flow path 104 is provided with a flow meter 51 and a pump 52, and the second branch flow path 106 is also provided with a flow meter 53 and a pump 54. The water supply path 108 is also provided with a flow meter 55 and a pump 56.
[0017]
The raw fuel tank 10, the raw fuel supply path 102 and its first branch flow path 104, the flow meter 51, and the pump 52 constitute a raw fuel supply section in the present invention. Moreover, the water tank 20, the water supply path 108, the flow meter 55, and the pump 56 constitute a water supply unit in the present invention.
[0018]
Methanol and water are sucked out by the pumps 52 and 56, respectively, and introduced into the vaporizing section 32 in a mixed state. This mixture is hereinafter referred to as “reforming raw material”. The reforming raw material is vaporized in the vaporization unit 32 to become steam (methanol vapor and water vapor), and is supplied to the reforming unit 36. This gaseous reforming material (referred to as “reforming material gas”) is converted into a hydrogen gas-rich fuel gas HRG by a chemical reaction in the reforming unit 36 and the selective oxidation unit 38. The chemical reaction in the reforming unit 36 will be described later.
[0019]
The fuel gas HRG generated by the reformer 30 is introduced into the fuel gas passage 42 in the fuel cell 40 via the fuel gas passage 112. Air AR 40 is supplied to the air passage 44 in the fuel cell 40 by an air pump 46. As the air pump 46, for example, a blower can be used. In the fuel cell 40, power is generated by an electrochemical reaction between hydrogen in the fuel gas HRG and oxygen in the air AR40, and as a result, hydrogen in the fuel gas HRG is consumed.
[0020]
The exhaust path 114 of the fuel exhaust gas from the fuel cell 40 is returned to the heating unit 34 of the reformer 30. The heating unit 34 burns hydrogen in the fuel exhaust gas and supplies the heat to the vaporization unit 32. As the heating unit 34, a device that promotes a combustion reaction of fuel exhaust gas or methanol using a noble metal catalyst such as a platinum catalyst or a palladium catalyst, or a device that burns fuel exhaust gas or methanol using a burner may be used. it can. In the vaporization unit 32, the reforming raw material is vaporized by the heat given from the heating unit 34. When the heat generated by the combustion of the fuel exhaust gas is insufficient, methanol, which is the raw fuel, is supplied to the heating unit 34 via the pump 54. Further, the heating air AR 34 is supplied to the heating unit 34 by the first air supply unit 64.
The air supply unit 64 includes an air pump 64a, a pressure gauge 64b, and an electric valve 64c. A second air supply unit 66 similar to this supplies the air AR 36 to the mixing chamber 36 a upstream of the reforming unit 36.
[0021]
The reforming unit 36 is provided with a temperature sensor 92 for measuring the temperature of the reforming catalyst. In addition, an oxygen concentration sensor 94, a carbon monoxide concentration sensor 96, and a raw fuel sensor 98 (in this embodiment, a methanol concentration sensor) are provided in the fuel gas flow path 112 between the reformer 30 and the fuel cell 40. ing. The controller 50 executes control of the fuel cell system 200 using the measured values measured by a plurality of sensors including these sensors 92, 94, 96, 98 and the flow meters 51, 53, 55 as control inputs. . In FIG. 1, for the sake of illustration, the controller 50 shows only connections to some components (sensors and pumps), and illustrations of connections to other components are omitted.
[0022]
The main chemical reaction utilized in each part in the reformer 30 is as follows. In the reforming part 36, the following steam reforming reaction of methanol mainly occurs.
[0023]
CH Three OH + H 2 O → CO 2 + 3H 2 -49.5 (kJ / mol) (1)
[0024]
As a catalyst for the steam reforming reaction of methanol, for example, a copper-zinc catalyst can be used. When the air AR 36 is supplied to the reforming unit 36 by the second air supply unit 66, the following partial oxidation reaction also occurs in the reforming unit 36.
[0025]
CH Three OH + (1/2) O 2 → CO 2 + 2H 2 +189 (kJ / mol) (2)
[0026]
The steam reforming reaction of the above formula (1) is an endothermic reaction, and the partial oxidation reaction of the formula (2) is an exothermic reaction. When the reformer 30 is started, the temperature of the reforming catalyst can be raised using heat generated by the partial oxidation reaction. Further, during the steady operation of the reformer 30, it is possible to maintain the reforming section 36 at an appropriate operating temperature by performing both at an appropriate ratio. The air AR 36 supplied to the reforming unit 36 is used for the partial oxidation reaction described above, and is hereinafter referred to as “partial oxidation air”.
[0027]
The steam reforming reaction of the above formula (1) can be considered to be the result of the following two reactions, for example.
[0028]
CH Three OH → CO + 2H 2 -90.0 (kJ / mol) (3)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 +40.5 (kJ / mol) (4)
[0029]
However, a part of the carbon monoxide generated by the reaction of the formula (3) is supplied as it is from the reforming unit 36 to the selective oxidation unit 38 without being converted into carbon dioxide. Therefore, in the selective oxidation unit 38, the carbon monoxide concentration is reduced by the following selective oxidation reaction.
[0030]
CO + (1/2) O 2 → CO 2 +279.5 (kJ / mol) (5)
[0031]
As a catalyst for the selective oxidation reaction, a precious metal catalyst such as a platinum catalyst or a ruthenium catalyst, an aluminum catalyst, or the like can be used. The gas that has passed through the selective oxidation unit 38 is supplied to the fuel cell 40 as a hydrogen-rich fuel gas HRG. As is well known, the reason for reducing the carbon monoxide concentration in the selective oxidation unit 38 is that the carbon monoxide has a poisoning action on the platinum catalyst in the fuel cell 40, and the electromotive force of the fuel cell 40 is reduced. This is because it lowers.
[0032]
By the way, as understood from the above formula (1), in an ideal steam reforming reaction, 1 mol of water molecules is required for 1 mol of carbon atoms. However, it is known that in the actual reforming reaction, the reforming efficiency (hydrogen molecule generation rate) is higher when a little more water is added. The ratio of the number of moles of water molecules to 1 mole of carbon atoms in the raw material gas supplied to the reforming section 36 is called the steam-carbon ratio (S / C). When the reformer 30 using methanol as a raw fuel is in a steady operation state, an appropriate value of the steam-carbon ratio (S / C) is, for example, about 2.0.
[0033]
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a state of control of the amount of reforming material input in the comparative example. FIG. 2A shows the change over time in the amount of water charged when the reformer 30 is started.
Here, “activation of the reformer” means activation from a room temperature state. 2B shows the amount of methanol input, FIG. 2C shows the reciprocal of the steam-carbon ratio (S / C), and FIG. 2D shows the outlet methanol concentration. 2A, 2B, and 2D is a relative value scale, while the vertical axis in FIG. 2C is an absolute value scale. The input amounts of water and methanol are calculated from the flow rates measured by the respective flow meters 55 and 51 (FIG. 1). The reciprocal of the steam carbon ratio (S / C) is calculated from the input amounts of water and methanol. The outlet methanol concentration is measured by the methanol concentration sensor 98.
[0034]
In this comparative example, when the operation of the reformer 30 is started at time t0, only the heating unit 34 is operated and the temperature is increased until time t1. When the temperature of the heating unit 34 increases to some extent, supply of water and methanol to the vaporization unit 32 is started from time t1. The input amount of water and the input amount of methanol are set to substantially constant values LW1 and LM1 from time t1, respectively. The reciprocal of the steam-carbon ratio (S / C) is also a constant value (C / S) after time t1. 1 (= 0.5). This (C / S) 1 The value of corresponds to an appropriate value (about 2.0) of the steam carbon ratio (S / C) during steady operation.
[0035]
By the way, since the temperature of the reforming catalyst in the reforming unit 36 is not so high at the time t1, even if a large amount of methanol is added after the time t1, most of the methanol undergoes a chemical reaction in the reforming unit 36. Does not cause. In particular, since methanol has a lower boiling point than water, methanol-rich fuel gas is supplied to the reforming unit 36, and a large amount of unreacted methanol is discharged from the reformer 30 at the time of startup. As a result, as shown in FIG. 2D, a phenomenon occurs in which the outlet methanol concentration rapidly rises from time t1.
[0036]
In addition, since methanol-rich fuel gas is supplied to the reforming unit 36, some unreacted methanol is condensed inside the reforming unit 36 (particularly the rear end side of the reforming catalyst) or inside the selective oxidation unit 38. Then, the phenomenon of storing will also occur. The methanol condensed in this way gradually evaporates when the temperature of the reforming catalyst rises and a sufficient reforming reaction starts to occur, but the outlet methanol concentration slowly decreases until this evaporation is completed. That is, in this comparative example, even after the temperature of the reforming catalyst rises and a sufficient reforming reaction starts to occur, the outlet methanol concentration does not decrease easily, and the fuel cell 40 contains a considerable amount of unreacted methanol. The phenomenon that fuel gas is supplied occurs.
[0037]
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the manner of controlling the input amount of the reforming material in the first embodiment of the present invention. As in the case of FIG. 2, the heating unit 34 is heated from time t0 to time t1, and the supply of water and methanol is started from time t1. Also in the first embodiment, the amount of water input is maintained at a substantially constant value LW1 from time t1, but the amount of methanol input is different from the comparative example. That is, the amount of methanol input is substantially zero at time t1, then increases substantially linearly, and reaches a substantially constant value LM1 at time t2.
[0038]
The reciprocal of the steam-carbon ratio (S / C) shown in FIG. 3C changes according to the change in the amount of methanol input. That is, this value (C / S) is substantially zero at time t1, and thereafter increases substantially linearly, and is substantially constant (C / S) at time t2. 1 To reach. This value (C / S) 1 Is about 0.5, which corresponds to an appropriate value (about 2.0) of the steam-carbon ratio (S / C) during steady operation.
[0039]
As shown in FIG. 3 (D), in the first embodiment, the outlet methanol concentration increases from time t1, but the peak remains at a lower value compared to the comparative example (FIG. 2 (D)). In addition, it can be understood that the outlet methanol concentration rapidly decreases after reaching the peak. Therefore, it is possible to supply the fuel cell 40 from the reformer 30 with a high-quality fuel gas HRG having a low methanol concentration from a point earlier than the comparative example.
[0040]
The change in the outlet methanol concentration as shown in FIG. 3D is presumed to be caused by the following phenomenon. That is, the temperature of the reforming catalyst is not sufficiently increased immediately after the start of the methanol addition, but since a small amount of methanol is added, a considerable portion of the supplied methanol is partially oxidized (the above formula (2)), etc. This is used for exothermic reaction to raise the temperature of the reforming catalyst. Therefore, even immediately after the start of the addition of methanol, not much unreacted methanol is not discharged. In addition, when the amount of unreacted methanol is small, the amount of methanol condensed in the reformer 30 is also small. Thereafter, as the temperature of the reforming catalyst gradually rises, the amount of methanol used in the partial oxidation reaction and steam reforming reaction increases, so even if the amount of methanol input is gradually increased, the unreacted methanol is excessively increased. There is no increase. Then, when the reforming catalyst almost reaches a temperature suitable for the steady operation state near the time t2, the unreacted methanol rapidly decreases. Further, since the amount of unreacted methanol condensed in the reforming catalyst immediately after startup is extremely small compared to the case of the comparative example, when the reforming catalyst almost reaches the temperature of the steady operation state near the time t2, the outlet The methanol concentration also decreases rapidly.
[0041]
The first embodiment further has the following advantages. The first advantage is that methanol as raw fuel can be saved because the amount of unreacted methanol discharged can be reduced. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell system 200 can be increased.
[0042]
A second advantage is that the time required for starting the reformer 30 can be shortened. That is, in the first embodiment, the outlet methanol concentration decreases earlier than in the comparative example, so that it is possible to start the power generation by supplying the high-quality fuel gas HRG to the fuel cell 40 from an earlier time point.
[0043]
The third advantage is that a rapid increase in temperature of the reforming catalyst due to the partial oxidation reaction can be prevented because the amount of methanol input immediately after the start of methanol injection is suppressed to a small amount. If methanol is excessively added to the reforming catalyst, the temperature of the reforming catalyst may rapidly increase due to the heat generated by the partial oxidation reaction. In addition, the reforming catalyst tends to be easily deteriorated in a high temperature and methanol rich environment. In the first embodiment, the amount of methanol input immediately after the start of methanol injection is suppressed to a small amount, so that a methanol-rich environment at high temperatures can be prevented and deterioration of the reforming catalyst can be prevented.
[0044]
A fourth advantage is that the amount of carbon monoxide generated at startup can be reduced. When the raw material gas rich in methanol is introduced into the reforming section 36, the methanol is decomposed as shown in the above equation (3) to generate carbon monoxide. In the first embodiment, since the amount of methanol in the raw material gas introduced into the reforming unit 36 at the time of startup is smaller than that in the conventional case, the amount of carbon monoxide generated at the time of startup can be reduced.
[0045]
FIG. 4 is an explanatory view showing the manner of controlling the amount of reforming material input in the second embodiment. In the second embodiment, the input amount of water is the same as that of the first embodiment, and the time change of the input amount of methanol is different from that of the first embodiment. That is, in the second embodiment, the value LM0 of the methanol input amount at time t1 is set to a value considerably lower than the value LM1 in the steady operation state (FIG. 4B). However, after time t1, the amount of methanol input increases substantially linearly and reaches a substantially constant value LM1 at time t2. The reciprocal value of the steam carbon ratio (S / C) also changes accordingly, and at time t1, a predetermined value higher than 0 (C / S) 0 And then increases almost linearly to a substantially constant value (C / S) at time t2. 1 Has reached. The graph of the outlet methanol concentration in the second example is omitted.
[0046]
Also in the second embodiment, the value of the reciprocal of the steam-carbon ratio (S / C) is set to an appropriate value (C / S) during steady operation during the period immediately after the start of methanol addition. 1 Therefore, there are almost the same effects and advantages as the first embodiment.
[0047]
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the manner of controlling the amount of reforming material input in the third embodiment. The third embodiment also differs from the first embodiment only in the change over time in the amount of methanol input. That is, in the third embodiment, during the period from time t1 to time t2, the amount of methanol input is maintained at a constant value LM0 that is lower than the value LM1 in the steady operation state, and at time t2, the value is LM1 in the steady operation state. It rises in steps. It can be understood that the value of the reciprocal of the steam carbon ratio (S / C) also changes accordingly (FIG. 5C). Note that such a step-like change is not limited to one time but may be performed a plurality of times.
[0048]
Also in the third embodiment, the value of the reciprocal of the steam-carbon ratio (S / C) is set to an appropriate value (C / S) during steady operation in the period immediately after the start of methanol addition. 1 Is set smaller. Accordingly, the third embodiment has substantially the same effects and advantages as the first and second embodiments.
[0049]
The third embodiment is also common to the first and second embodiments in that the reciprocal value of the steam-carbon ratio (S / C) is monotonously increased. Here, a certain value “monotonously increases” means that the value does not substantially decrease, and there are only a period during which the value increases and a period during which the value is kept constant.
[0050]
However, in the third embodiment, the amount of methanol input and the steam / carbon ratio (S / C) change stepwise at time t2, so that the temperature of the reforming catalyst can be sufficiently increased by time t2. It may not be possible. Therefore, from the viewpoint of shortening the start-up time of the reformer, the value of the reciprocal of the steam carbon ratio (S / C) is continuously increased as in the first and second embodiments described above. A control method is preferred.
[0051]
As in the second and third examples, the reciprocal of the steam-carbon ratio (S / C) immediately after the start of methanol addition is a non-zero value (C / S). 0 This initial value (C / S) 0 Is preferably set to about ½ or less of an appropriate value in a steady operation state. For example, when the range of the proper value of the steam carbon ratio (S / C) in the steady operation state is about 1.5 to about 2.0, the range of the reciprocal number (C / S) is about 0.50 to about 2.0. 0.67. In this case, the reciprocal value (C / S) of the steam-carbon ratio (S / C) immediately after the start of methanol addition 0 Is preferably about 0.25 or less. In this way, if the input amount immediately after the start of methanol injection is set to a relatively low value, the above-described effects and advantages of suppressing the amount of methanol input at startup can be more efficiently exhibited. is there.
[0052]
FIG. 6 is an explanatory view showing the manner of controlling the amount of reforming material input in the fourth embodiment. In the fourth embodiment, the time change of the amount of methanol input is the same as that of the first embodiment, but the time change of the amount of water input is different from that of the first embodiment. That is, in the fourth embodiment, the amount of water input at time t1 is set to a value LW0 lower than the value LW1 in the steady operation state, and the amount of water input increases linearly from time t1 to time t2. ing. It can be understood that the reciprocal value of the steam carbon ratio (S / C) also changes in a curved manner in accordance with this (FIG. 6C).
[0053]
Also in the fourth embodiment, the value of the reciprocal of the steam-carbon ratio (S / C) is set to an appropriate value (C / S) during steady operation during the period immediately after the start of methanol addition. 1 Therefore, there are almost the same effects and advantages as the first to third embodiments.
[0054]
C. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
[0055]
C1. Modification 1:
As raw materials for the reformer, alcohols other than methanol, and various hydrocarbon fuels such as natural gas, gasoline, aldehyde, and ether can be used. That is, even when a raw fuel other than methanol is used, the ratio (C / S) of the number of moles of carbon C to the number of moles S of water in the raw fuel is changed when the reformer is started. The input amount of water or raw fuel may be controlled so as to be smaller than a predetermined appropriate value during steady operation of the mass device.
[0056]
In addition, gasoline contains a very large number of hydrocarbons having a boiling point in the range of about 40 ° C. to 220 ° C., but also contains a considerable amount of hydrocarbons having a boiling point of 100 ° C. or less. Therefore, the effects of the present invention can be obtained even in a gasoline reformer. However, the present invention is particularly effective when applied to a reforming apparatus for raw fuel mainly composed of a hydrocarbon compound having a boiling point lower than that of water, such as a methanol reforming apparatus.
[0057]
C2. Modification 2:
In each of the above-described embodiments, the period from the time t1 to the time t2 is used as the start-up period of the reformer 30. However, the definition of the start-up period of the reformer 30 is quite arbitrary. For example, it is possible to define the starting period up to a certain time after time t2, and it is also possible to define the starting period until the time when the reforming catalyst reaches a certain temperature. Therefore, in the present invention, the ratio (C / S) of the number of moles C of carbon in the raw fuel to the number of moles S of water in at least a part of the period when the reformer is started up is as described above. It only needs to be controlled. However, as described in the above embodiments, it is preferable to apply the present invention in the initial period of the reformer starting period including the starting time of the raw fuel input to the reformer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of a fuel cell system as a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing a state of control of the amount of reforming material input in a comparative example.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a state of reforming raw material input amount control in the first embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a state of control of the amount of reforming material input in the second embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a state of reforming raw material input amount control in the third embodiment.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a state of reforming raw material input amount control in the fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
10 ... Raw fuel tank
20 ... Water tank
30 ... reformer
32 ... Vaporizer
34 ... heating unit
36 ... reforming section
36a ... mixing chamber
38 ... Selective oxidation part
40 ... Fuel cell
42 ... Fuel gas passage
44 ... Air passage
46 ... Air pump
50 ... Controller
51, 53, 55 ... Flowmeter
52, 54, 56 ... pump
64, 66 ... air supply section
64a, 66a ... air pump
64b, 66b ... Pressure gauge
64c, 66b ... motorized valve
92 ... Temperature sensor
94. Oxygen concentration sensor
96 ... Carbon monoxide concentration sensor
98 ... Raw fuel sensor (methanol concentration sensor)
102 ... Raw fuel supply path
104, 106 ... Branching channel
108 ... Water supply channel
110 ... flow path
112 ... Fuel gas flow path
114 ... discharge path
200 ... Fuel cell system

Claims (5)

炭化水素系化合物を含む原燃料から水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置であって、
前記原燃料と前記原燃料の水蒸気改質反応に利用される水との両方を気化する気化部と、水蒸気改質反応を利用して前記原燃料を改質する水蒸気改質部と、前記水蒸気改質部で改質された改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化反応を利用して酸化する選択酸化部と、がこの順に配列された改質器と、
前記原燃料を前記気化部に供給するための原燃料供給部と、
記水蒸気改質反応に利用される水を前記気化部に供給するための水供給部と、
前記改質器の起動時の少なくとも一部の期間において、前記原燃料供給部から供給される前記原燃料に含まれる炭素のモル数Cと、前記水供給部から供給される前記水のモル数Sとの比(C/S)の値を、前記改質器の定常運転時における所定の適正値よりも小さくすることによって、前記気化部と前記水蒸気改質部と前記選択酸化部とを通過した後に排出される未反応の原燃料を減少させるように、前記原燃料供給部と前記水供給部とを制御する制御部と、
を備えることを特徴とする燃料改質装置。
A fuel reformer for producing hydrogen-rich fuel gas from a raw fuel containing a hydrocarbon compound,
A vaporization unit that vaporizes both the raw fuel and water used for a steam reforming reaction of the raw fuel, a steam reforming unit that reforms the raw fuel using a steam reforming reaction, and the steam A reformer in which a selective oxidation unit that oxidizes carbon monoxide contained in the reformed gas reformed in the reforming unit using a selective oxidation reaction is arranged in this order ;
A raw fuel supply unit for supplying the raw fuel to the vaporization unit ;
A water supply unit for supplying water to be available before Kisui steam reforming reaction in the vaporizing part,
The mole number C of carbon contained in the raw fuel supplied from the raw fuel supply section and the mole number of water supplied from the water supply section in at least a part of the period when the reformer is started. By making the ratio (C / S) value with S smaller than a predetermined appropriate value during steady operation of the reformer, it passes through the vaporization section, the steam reforming section, and the selective oxidation section. A control unit for controlling the raw fuel supply unit and the water supply unit so as to reduce unreacted raw fuel discharged after
A fuel reformer characterized by comprising:
請求項1記載の燃料改質装置であって、
前記制御部は、前記改質器の起動時において、前記比(C/S)の値が連続的に増大するように前記原燃料供給部と前記水供給部とを制御する、燃料改質装置。
The fuel reformer according to claim 1, wherein
The control unit controls the raw fuel supply unit and the water supply unit so that the value of the ratio (C / S) continuously increases when the reformer is started. .
請求項2記載の燃料改質装置であって、
前記原燃料は、水よりも沸点の低い炭化水素系化合物を主要な成分とするものである、燃料改質装置。
The fuel reformer according to claim 2, wherein
The fuel reformer is a fuel reforming apparatus in which a main component is a hydrocarbon compound having a boiling point lower than that of water.
請求項3記載の燃料改質装置であって、
前記原燃料はメタノールである 燃料改質装置。
The fuel reformer according to claim 3, wherein
The fuel reforming apparatus, wherein the raw fuel is methanol.
原燃料と前記原燃料の水蒸気改質反応に利用される水との両方を気化する気化部と、水蒸気改質反応を利用して前記原燃料を改質する水蒸気改質部と、前記水蒸気改質部で改質された改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化反応を利用して酸化する選択酸化部と、がこの順に配列された改質器の制御方法であって、
前記改質器の起動時の少なくとも一部の期間において、前記改質器に供給される前記原燃料内の炭素のモル数Cと水のモル数Sとの比(C/S)の値を、前記改質器の定常運転時における所定の適正値よりも小さくすることによって、前記気化部と前記水蒸気改質部と前記選択酸化部とを通過した後に排出される未反応の原燃料を減少させるように、前記原燃料と水の供給量を制御することを特徴とする制御方法。
A vaporization section that vaporizes both the raw fuel and water used for a steam reforming reaction of the raw fuel, a steam reforming section that reforms the raw fuel using a steam reforming reaction, and the steam reforming A selective oxidation unit that oxidizes carbon monoxide contained in the reformed gas reformed in the mass part using a selective oxidation reaction, and a control method of the reformer arranged in this order ,
At least part of the period at the start of the reformer, the value of the ratio (C / S) of the moles S moles C and water carbon in the raw fuel supplied to the reformer The unreacted raw fuel discharged after passing through the vaporization section, the steam reforming section, and the selective oxidation section is reduced by making it smaller than a predetermined appropriate value during steady operation of the reformer. as to the control method characterized by controlling the supply amount of the raw fuel and water.
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4176354B2 (en) * 2002-02-01 2008-11-05 三菱重工業株式会社 Fuel and water supply control device, fuel and water supply control method, and power supply system
JP4612322B2 (en) * 2004-03-31 2011-01-12 本田技研工業株式会社 Fuel gas production system and operation method thereof
JP2007103034A (en) * 2005-09-30 2007-04-19 Idemitsu Kosan Co Ltd Fuel cell system and its starting method
JP5285946B2 (en) 2007-04-06 2013-09-11 パナソニック株式会社 Method for operating hydrogen generator and method for operating fuel cell system
WO2010051557A1 (en) * 2008-11-03 2010-05-06 Societe Bic Hydrogen-generating fuel cell cartridges
JP4761260B2 (en) * 2009-05-28 2011-08-31 Toto株式会社 Solid oxide fuel cell
KR101328536B1 (en) 2011-06-21 2013-11-13 이상훈 Water supply apparatus for reformer and pump test method using it
JP5955040B2 (en) * 2012-03-09 2016-07-20 アイシン精機株式会社 Fuel cell system

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0471169A (en) * 1990-07-10 1992-03-05 Fuji Electric Co Ltd Start-up of fuel cell power generation system
JPH103936A (en) * 1996-06-12 1998-01-06 Sanyo Electric Co Ltd Solid polymer type fuel cell power generation system

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04313339A (en) * 1991-04-12 1992-11-05 Toyo Eng Corp Reactor for partial oxidization reformation using catalytic combustion
JPH06196189A (en) * 1992-12-24 1994-07-15 Osaka Gas Co Ltd Fuel cell power generating device
JP2000195532A (en) * 1998-12-24 2000-07-14 Fuji Electric Co Ltd Operation method of phosphoric acid fuel cell power generation device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0471169A (en) * 1990-07-10 1992-03-05 Fuji Electric Co Ltd Start-up of fuel cell power generation system
JPH103936A (en) * 1996-06-12 1998-01-06 Sanyo Electric Co Ltd Solid polymer type fuel cell power generation system

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