JP4664808B2 - 水素製造装置及び燃料電池発電装置 - Google Patents
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Description
図1は、発明の実施の形態1に係る水素製造装置の構成を模式的に示すブロック図である。また、図2は、図1の改質反応部の構成を模式的に示す断面図である。また、図3は、図1の制御部の構成を模式的に示すブロック図である。
本発明の実施の形態2に係る水素製造装置は、実施の形態1と同様の装置構成を有する。このような本実施の形態の水素製造装置では、実施の形態1と同様、停止動作の開始時の装置の温度状態に応じて装置内ガス置換方法が適宜選択されるが、実施の形態1では停止動作の開始時の改質反応部2の温度を検出して装置の温度状態を判定したのに対して、本実施の形態では、停止動作の開始時以前の運転動作時間に基づいて装置の温度状態の判定が行われる。
図8は、本発明の実施の形態3に係る水素製造装置の構成を示す模式図である。図8に示すように、本実施の形態の水素製造装置は、実施の形態1の水素製造装置と同様の装置構成を有するが、以下の点が実施の形態1とは異なっている。
本発明の実施の形態4に係る水素製造装置は、実施の形態3の水素製造装置と同様の構成を有し、実施の形態1の場合と同様にして改質温度測定部3で検出される改質反応部2の温度に基づき装置の温度状態の判定を行うものであるが、ここでは、運転停止以前の装置の運転状況に関するデータ、具体的には、停止以前の運転動作時間や、起動時及び運転時の各部の温度等のデータ(以下、これらのデータを運転データと呼ぶ)が制御部9の記憶部62に記憶されており、停止動作の開始時における装置の温度状態の判定では、改質反応部2の温度とともに、この運転データを考慮して装置の温度状態の判定が行われる。
図11は、本発明の実施の形態5に係る燃料電池発電装置の構成を示す模式的なブロック図である。図11に示すように、本実施の形態の燃料電池発電装置は、実施の形態3の水素製造装置100’と、固体高分子型燃料電池(以下、単に燃料電池と呼ぶ)101と、水回収装置102と、ブロワ103と、制御装置9とを主たる構成要素として備えている。制御装置9は、水素製造装置100’、燃料電池101、水回収装置102、及びブロワ103の制御を行うものであり、ここでは、制御装置9に燃料電池発電装置の停止の制御信号が出力された時点を燃料電池発電装置の停止動作の開始時とし、全ての構成要素100’,101,102,103の動作が停止した状態が燃料電池発電装置の停止である。そして、この燃料電池発電装置の停止動作の開始時が、水素製造装置100’の停止動作の開始時に相当する。
図12は本発明の実施の形態6に係る水素製造装置の改質反応部の要部の構成を示す模式的な断面図、図13は図12の改質温度測定部を拡大して示す部分拡大断面図である。図12及び図13において図2と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
2 改質反応部
3 改質温度測定部
4 燃焼部
5 燃焼ファン
6 原料供給部
7 水供給部
8 予熱部
9 制御部
10 一酸化炭素変成部
11 一酸化炭素選択酸化部
16 変成温度測定部
17 選択酸化温度測定部
20 改質触媒層
30 本体
31 間隙
32 縦壁
33 横壁
40 輻射筒
41 バーナ
42 火炎
43 空気の流路
44 燃焼空間
51 シース管
51a フランジ
51b 底部
52 蓋材
53 充填材
54 熱電対
54a 先端
55 パッキング
61 処理制御部
62 記憶部
63 操作入力部
64 表示部
65 時計部
100,100’ 水素製造装置
101 燃料電池
102 水回収装置
103 ブロワ
c 混合原料流路
d 改質ガス流路
e 改質触媒収容部
g 燃焼後ガス流路
Claims (15)
- 少なくとも炭素と水素とから構成される有機化合物を含む原料を、触媒を用いて水蒸気と反応させて水素リッチな改質ガスを生成する改質反応部を備えた水素生成部と、
少なくとも前記改質反応部を加熱する加熱部と、
前記水素生成部に前記原料を供給する原料供給部と、
前記水蒸気のもととなる水を前記水素生成部に供給する水供給部と、
少なくとも前記加熱部、前記原料供給部、及び前記水供給部を制御する制御部と、
前記改質反応部の温度を検出する改質温度検出手段と、を備え、
運転停止動作の開始時に、前記加熱部における加熱が停止され、前記運転停止動作において、装置内の前記水素リッチなガスを置換するための置換ガスを通流させて装置内ガス置換動作が行われる水素製造装置であって、
前記装置内ガス置換動作では、前記原料供給部から供給される前記原料、前記水供給部から供給される前記水から生成された前記水蒸気、装置外部から供給される空気、装置外部から供給される不活性ガス、又は、これらを二種以上混合したガス、が前記置換ガスとして用いられ、
前記制御部には、前記運転停止動作の開始時における少なくとも改質反応部の温度を含む装置の異なる温度状態に応じて使用する前記置換ガスの組成が予め設定されており、
前記制御部には、前記運転停止動作における前記改質反応部が、水蒸気の水凝縮が生じる状態であるか否か、前記原料の熱分解が起こる状態であるか否か、一酸化炭素及び二酸化炭素の不均化反応が起こる状態であるか否か、又は、前記触媒の酸化が起こる状態であるか否か、の判定基準となる基準温度が設定され、
前記制御部は、前記運転停止動作の開始時において、前記改質温度検出手段で検出された前記改質反応部の温度を前記基準温度と比較することにより前記装置の温度状態を判定し、前記判定結果に応じて前記設定から選択される前記置換ガスを用いて前記装置内ガス置換動作を行うよう前記加熱部、前記原料供給部、及び前記水供給部を制御することを特徴とする水素製造装置。 - 前記改質反応部以外の所定部分の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、前記温度検出手段で検出された前記運転停止動作における前記所定部分の温度も考慮して前記装置の温度状態を判定する請求項1記載の水素製造装置。
- 前記改質反応部で生成された水素リッチなガスから変成反応により一酸化炭素を除去する一酸化炭素変成部と、
前記一酸化炭素変成部から得られた変成後ガスを選択酸化してさらに一酸化炭素を除去する一酸化炭素選択酸化部と、
前記一酸化炭素変成部の温度を検出する変成温度検出手段と、
前記一酸化炭素選択酸化部の温度を検出する選択酸化温度検出手段と、をさらに備え、
前記制御部は、前記運転停止動作において前記変成温度検出手段によって検出される前記一酸化炭素変成部の温度と前記選択酸化温度検出手段によって検出される前記一酸化炭素選択酸化部の温度とに基づき、前記運転停止動作における前記一酸化炭素変成部及び前記一酸化炭素選択酸化部が水蒸気の水凝縮が生じる状態であるか否かを判定し、その判定結果と前記改質反応部の温度状態の判定結果とに基づいて前記装置の温度状態を判定する請求項2記載の水素製造装置。 - 前記制御部は、前記運転停止動作以前の装置の運転状態を記憶し、前記運転停止動作においては、前記記憶された前記装置の運転状態から該運転停止動作における前記装置の温度状態を推測する請求項1記載の水素製造装置。
- 運転動作の継続時間と装置の温度状態との相関関係が予め制御部に記憶されるとともに、前記運転停止動作の開始時までの運転動作の継続時間が前記運転停止動作以前の装置の運転状態として前記制御部により取得され、
前記制御部は、前記取得された前記運転停止動作の開始時までの運転動作の継続時間から、前記予め記憶された相関関係に基づいて、前記運転動作における装置が、水蒸気から水の凝縮が生じる状態であるか否か、前記原料の熱分解が起こる状態であるか否か、一酸化炭素及び二酸化炭素の不均化反応が起こる状態であるか否か、又は、前記触媒の酸化が起こる状態であるか否か、を判定する請求項4記載の水素製造装置。 - 前記制御部には、前記運転停止動作における装置の温度状態が前記水の凝縮が生じる状態である時、前記水蒸気のみの組成を除く組成の前記置換ガスで前記装置内ガス置換動作を行うよう第1の置換ガス設定が記憶されている請求項1記載の水素製造装置。
- 前記制御部には、前記運転停止動作における装置の温度状態が前記水の凝縮及び前記原料の熱分解を回避可能な状態である時、前記原料、前記水蒸気、前記空気、前記不活性ガス、又はこれらを二種以上含む前記混合ガスで前記装置内ガス置換動作を行うよう第2の置換ガス設定が記憶されている請求項1記載の水素製造装置。
- 前記制御部には、前記運転停止動作における装置の温度状態が前記原料の熱分解を起こす状態である時、前記原料のみの組成を除く組成を有する前記置換ガスで前記装置内ガス置換動作を行うよう第3の置換ガス設定が記憶されている請求項1記載の水素製造装置。
- 前記制御部には、前記運転停止動作における装置の温度状態が前記不均化反応を起こす状態である時、前記水蒸気を含む前記置換ガスで前記装置内ガス置換動作を行うよう第4の置換ガス設定が記憶されている請求項1記載の水素製造装置。
- 前記制御部には、前記運転停止動作における装置の温度状態が前記触媒の酸化を起こす状態である時、前記空気のみの組成を除く組成を有する前記置換ガスで前記装置内ガス置換動作を行うよう第5の置換ガス設定が記憶されている請求項1記載の水素製造装置。
- 前記制御部には、
前記改質反応部が水蒸気から水の凝縮が生じる状態であるか否かの判定基準となる第1の基準温度と、前記原料の熱分解が起こる状態であるか否かの判定基準となる前記第1の基準温度よりも高い第2の基準温度と、前記不均化反応が起こる状態であるか否かの判定基準となる前記第2の基準温度よりも高い第3の基準温度と、前記触媒の酸化が起こる状態であるか否かの判定基準となる前記第3の温度よりも高い第4の基準温度とが予め設定されるとともに、
前記運転停止動作において検出された前記改質反応部の温度が
前記第1の基準温度未満であれば、前記第1の置換ガス設定に基づいて前記原料を前記置換ガスとし、
前記第1の基準温度以上かつ前記第2の基準温度未満であれば、前記第2の置換ガス設定に基づいて前記原料を前記置換ガスとし、
前記第2の基準温度以上かつ前記第3の基準温度未満であれば、前記第3の置換ガス設定に基づいて前記水蒸気を前記置換ガスとし、
前記第3の基準温度以上かつ前記第4の基準温度未満であれば、前記第4の置換ガス設定に基づいて前記原料と前記水蒸気とを含み前記原料由来の炭素原子Cに対する水分子Sの比S/Cが2以上である混合ガスを前記置換ガスとし、
前記第4の基準温度以上であれば、前記第5の置換ガス設定に基づいて水素生成動作時と同様の供給量で供給される前記原料と前記水蒸気との混合ガスを前記置換ガスとして、前記装置内ガス置換動作が行われる請求項6記載の水素製造装置。 - 前記制御部には、前記運転動作の継続時間と前記改質反応部の温度との相関関係に基づいて、運転停止動作における前記改質反応部が水蒸気から水の凝縮が生じる状態であるか否かの判定基準となる第1の基準時間と、前記原料の熱分解が起こる状態であるか否かの判定基準となる前記第1の基準時間よりも長い第2の基準時間と、前記不均化反応が起こる状態であるか否かの判定基準となる前記第2の基準時間よりも長い第3の基準時間と、前記触媒の酸化が起こる状態であるか否かの判定基準となる前記第3の基準時間よりも長い第4の基準時間と、が予め設定されており、
前記運転の継続時間が、
前記第1の基準時間未満であれば、前記第1の置換ガス設定に基づいて前記原料を前記置換ガスとし、
前記第1の基準時間以上かつ前記第2の基準時間未満であれば、前記第2の置換ガス設定に基づいて前記原料を前記置換ガスとし、
前記第2の基準時間以上かつ前記第3の基準時間未満であれば、前記第3の置換ガス設定に基づいて前記水蒸気を前記置換ガスとし、
前記第3の基準時間以上かつ前記第4の基準時間未満であれば、前記第4の置換ガス設定に基づいて前記原料と前記水蒸気とを含み前記原料由来の炭素原子Cに対する水分子Sの比S/Cが2以上である混合ガスを前記置換ガスとし、
前記第4の基準温度以上であれば、前記第5の置換ガス設定に基づいて水素生成動作時と同様の供給量で供給される前記原料と前記水蒸気との混合ガスを前記置換ガスとして、前記装置内ガス置換動作が行われる請求項6記載の水素製造装置。 - 前記制御部は、前記運転停止動作中の前記装置内ガス置換動作において、前記運転停止動作に伴う前記装置の温度状態変化に応じて前記装置内ガス置換動作を制御する請求項1記載の水素製造装置。
- 前記制御部は、前記運転停止動作中の前記装置の温度状態を判定し、その判定結果から適切な前記置換ガスの設定を選択する請求項13記載の水素製造装置。
- 請求項1に記載の水素製造装置と、前記水素製造装置で生成された水素リッチガスが原料として供給されるとともに酸素が酸化剤として供給されて前記水素リッチガスの酸化により熱と電気とを発生させる燃料電池と、を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
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