JP4872760B2 - Operation control method and apparatus for fuel processor - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池へ供給する水素リッチな改質ガスを発生させるために原料の改質処理を行う燃料処理装置の運転制御方法及び装置に関するものである。 The present invention relates to an operation control method and apparatus for a fuel processor that performs reforming of a raw material to generate hydrogen-rich reformed gas to be supplied to a fuel cell.
燃料電池は、燃料を用いた他の発電方法に比して熱効率が高く、又、環境汚染が少ないため、有効な発電装置として期待されている。特に、固体高分子型燃料電池(PEFC)は、100℃以下という低温で発電が行なわれ、出力密度が高いので、他の形式の燃料電池に比して小型化でき、しかも、起動が容易であること、等の長所があることから、近年、小規模な業務用あるいは家庭用等の発電装置として使用されるようになってきている。 A fuel cell is expected to be an effective power generation device because it has higher thermal efficiency and less environmental pollution than other power generation methods using fuel. In particular, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) generates power at a low temperature of 100 ° C. or less, and has a high output density. Therefore, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) can be downsized as compared with other types of fuel cells and can be easily started. In recent years, it has come to be used as a power generator for small-scale business use or home use.
上記固体高分子型燃料電池を用いた発電装置(PEFC発電装置)の一般的な構成は、以下のようにしてある。すなわち、図2に示す如く、電解質としてフッ素系のイオン交換膜が用いられている固体高分子電解質膜の両面をカソード(空気極)2とアノード(燃料極)3の両ガス拡散電極で挟持させてなるセルを、セパレータ(図示せず)を介し積層してスタックとしてなる構成として固体高分子型燃料電池1を形成する。上記固体高分子型燃料電池1におけるアノード3の入口側には、改質器5、低温シフトコンバータ6、CO選択酸化反応器(CO除去器)7を順に備えてなる燃料処理装置4と、加湿器8を設けている。これにより、燃料供給部より供給される都市ガス(天然ガス)やLPG、灯油等の原料(原燃料)9を、脱硫器10にて脱硫した後、原料予熱器(原燃料気化器)11にて予熱してから、水蒸発器12より導かれる水蒸気13と共に上記燃料処理装置4へ供給して、該燃料処理装置4の改質器5にておよそ700℃前後に加熱して水蒸気改質を行わせるようにしてある。得られる改質ガス(燃料ガス)14は、低温シフトコンバータ6に導いておよそ250℃前後まで温度低下させてシフト反応させ、更に、上記CO選択酸化反応器7にておよそ150℃前後まで温度低下させてCO除去処理されるようにしてある。
しかる後、上記燃料処理装置4より送出される改質ガス14は、加湿器8にて加湿された後、上記固体高分子型燃料電池1のアノード3へ供給されるようにしてある。一方、上記カソード2の入口側には、酸化ガスとして空気15が、空気ブロワ16で加圧された後、上記加湿器8を経てから供給されるようにしてある。
A general configuration of a power generation device (PEFC power generation device) using the polymer electrolyte fuel cell is as follows. That is, as shown in FIG. 2, both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane in which a fluorine ion exchange membrane is used as an electrolyte are sandwiched between both gas diffusion electrodes of a cathode (air electrode) 2 and an anode (fuel electrode) 3. The solid
Thereafter, the reformed
かかる構成としてあることにより、上記固体高分子型燃料電池1にて、アノード3側に供給される改質ガス14中の水素と、カソード2側に供給される空気15中の酸素とを電気化学反応(燃料電池反応)させて、この際発生する起電力を取り出すようにしてある。
With this configuration, in the polymer
上記固体高分子型燃料電池1による燃料電池反応の後、アノード3の出口より排出されるアノードオフガス17には未反応の水素が残存している。そのために、上記アノードオフガス17は、上記燃料処理装置4の改質器5に付設された図示しないバーナへ導いて燃焼させて、上記改質器5の改質室にて吸熱反応である水蒸気改質反応を進行させるための熱源として利用するようにしてある。
After the fuel cell reaction by the polymer
更に、上記アノードオフガス17の発熱量が小さいことに鑑みて、上記燃料処理装置4のバーナには、燃料供給部より供給される都市ガスやLPG、灯油等の原料9の一部を追焚き燃料9aとして供給して燃焼させることにより、上記燃料処理装置4を運転して改質器5にて原料9の水蒸気改質を行わせる際に、上記アノードオフガス17の発熱量のみでは不足する熱量を補うようにしてある。18は固体高分子型燃料電池1における冷却部である。
Furthermore, in view of the small calorific value of the anode off-
ところで、上記改質器5、シフトコンバータ6及びCO選択酸化反応器7を備えてなる燃料処理装置4としては、図3に示す如く、1つの断熱容器19内に、上記アノードオフガス17や追焚き燃料9aを燃焼用燃料として燃焼させることができるようにしてあるバーナ(燃焼器)20を設けると共に、該バーナ20にて発生される燃焼ガス21を流通させる燃焼ガス流路22を形成し、該燃焼ガス流路22内に、上記改質器5と、該改質器5に関連する水蒸発器12と、上記低温シフトコンバータ6と、CO選択酸化反応器7とを上流側より順に備えて、これらを1つのユニットにまとめてなる形式のものが従来提案されている。
By the way, as shown in FIG. 3, the
すなわち、上記ユニット形式の燃料処理装置4は、所要の高さ寸法を有し且つ上端を閉塞した容器内筒19aと容器外筒19bとの間に断熱層としての真空断熱層19cを備えた断熱容器(真空断熱容器)19の下端側に、ベースプレート(燃料処理装置底板)23をベース外筒24を介して気密に取り付けてある。上記ベースプレート23の中心部には、上記断熱容器19の上下方向中間部付近まで立ち上がるベース内筒25を設け、該ベース内筒25の上端部内側に上記バーナ20が配設してある。
That is, the unit-type
上記バーナ20には、図示しないアノードオフガス配管を通して上記ベースプレート23の下側位置まで導かれるアノードオフガス17を、上記ベース内筒25の内側に挿通させて配設してあるアノードオフガス供給路26を通して供給できるようにしてある。又、外部より供給される追焚き燃料9aを、図3に示す如き所要の経路を経て上記アノードオフガス供給路26の先端部(上端部)の同心位置より供給できるようにしてある。これにより、上記バーナ20にて、図示しない燃料電池より上記アノードオフガス配管、アノードオフガス供給路26を経て供給されるアノードオフガス17や、上記所要の経路を経て供給される追焚き燃料9aを、上記ベース内筒25の内側を通して上記バーナ20へ下方より供給される空気15を用いて燃焼させることができるようにしてある。
The
更に、上記ベース内筒25の上側には、上記断熱容器19の天井部付近まで上下方向に延びる炉筒27を接続して、上記断熱容器19における容器内筒19aの内面と、上記炉筒27及びベース内筒25の外周面との間に、上下方向に延びる円筒状の空間部を設けて、該空間部に上記燃焼ガス流路22を形成させるようにしてある。これにより、上記バーナ20における上記アノードオフガス17や追焚き燃料9aの燃焼により発生する高温(およそ1000℃程度)の燃焼ガス21を、上記炉筒27を通して上記断熱容器19の天井付近まで一旦導いた後、ガス流れ方向を下向きに反転させ、上記燃焼ガス流路22を、上端側から断熱容器19の下端側となる上記ベース外筒24の側壁に設けた排気口28へ向けて下向きに流通させることができるようにしてある。
Further, a
上記炉筒27の外周に位置する上記燃焼ガス流路22の上部領域には、周方向所要間隔で改質器5を複数配設すると共に、その下方位置に、該各改質器5へ供給するための水蒸気13を発生させる水蒸発器12が配設してある。更に、上記ベース内筒25の外周に位置する上記燃焼ガス流路22の下部領域には、上記各改質器5の下流側に接続する低温シフトコンバータ6と、CO選択酸化反応器(選択酸化CO除去器)7が上方より順に配設してある。
In the upper region of the
上記原料予熱器(部分気化器)11は、上記低温シフトコンバータ6の外周側の燃焼ガス流路22内に配設してあり、外部より供給される改質用の原料(原燃料)9を上記水蒸発器12を通過した後の燃焼ガス21に残存する熱を利用して予熱できるようにしてある。該原料予熱器11にて予熱された原料9は、上記燃焼ガス流路22内における上記水蒸発器12と上記低温シフトコンバータ6との間に配設してある混合器(混合ヘッダ)29へ導いて、上記水蒸発器12より導かれる水蒸気13と混合して上記各改質器5へ供給できるようにしてある。
The raw material preheater (partial vaporizer) 11 is disposed in the combustion
以上の構成としてあることにより、上記バーナ20で発生させた高温の燃焼ガス21が、上記炉筒27内を上昇した後、上記燃焼ガス流路22を下向きに流れるときに、上記各改質器5がおよそ700℃程度まで加熱されるようにし、この状態にて、該各改質器5へ、上記混合器29より上記予熱した原料9と水蒸気13との混合ガスをそれぞれ供給して、水蒸気改質反応を進行させて改質ガス14が発生されるようにしてある。該発生した改質ガス14は、上記低温シフトコンバータ6へ導いてシフト反応させた後、上記CO選択酸化反応器7によりCO除去処理を行わせ、得られる改質ガス14を上記CO選択酸化反応器7の出口側に接続した改質ガス配管30を通して送出できるようにしてある。
With the above configuration, when the high-
上記各改質器5における水蒸気改質反応の熱源として供されて温度が低下させられた燃焼ガス21は、その残存する熱を、上記水蒸発器12にて外部より供給される水35を加熱して上記各改質器5へ供給する水蒸気13を発生させるための熱源として利用した後、断熱容器19の下端部の排気口28まで導いて外部へ排気させるようにしてある。
The
上記において、低温シフトコンバータ6における改質ガス14のシフト反応と、CO選択酸化反応器7にて改質ガス14のCO除去処理を行わせる反応は共に発熱反応である。
そのために、上記CO選択酸化反応器7と低温シフトコンバータ6には、共に冷却水配管31と32を装備すると共に、該各冷却水配管31と32を、冷却水ライン33に直列に接続してある。これにより、外部より該冷却水ライン33に供給される冷却水34を、上記CO選択酸化反応器7の冷却水配管31と低温シフトコンバータ6の冷却水配管32に順に流通させて、上記CO選択酸化反応器7をおよそ150℃前後の温度範囲に、又、上記低温シフトコンバータ6をおよそ250℃前後の温度範囲にそれぞれ保持できるようにしてある。上記のようにおよそ250℃前後の温度範囲に保持されるようにしてある低温シフトコンバータ6の冷却水配管を通過した後の上記冷却水34は、加熱されて水蒸気が発生されるようになる。そこで、該水蒸気は、上記水蒸発器12にて発生させる水蒸気13と同様に、原料9と混合して各改質器5へ分配供給するために利用できるようにしてある(たとえば、特許文献1参照)。
In the above, the shift reaction of the reformed
For this purpose, both the CO
ところが、上記図3に示した如く、断熱容器19内に、バーナ20にて発生される燃焼ガス21を流通させる燃焼ガス流路22を形成し、該燃焼ガス流路22内に、改質器5と水蒸発器12と低温シフトコンバータ6とCO選択酸化反応器7とを上流側より順に備えてなるユニット形式の燃料処理装置4では、上記改質器5はおよそ700℃前後、上記低温シフトコンバータ6はおよそ250℃前後、上記CO選択酸化反応器7はおよそ150℃前後と各々最適な反応温度条件が定まっている。そのため、上記燃料処理装置4の運転を最適化するためには、上記各機器の温度制御を総合的に行うことが求められるが、かかる温度制御を行う具体的な制御手法は従来提案されていないというのが実状である。
However, as shown in FIG. 3, a
そこで、本発明は、断熱容器内にバーナの燃焼ガスを流通させる燃焼ガス流路を備え、且つ該燃焼ガス流路内に、改質器、水蒸発器、低温シフトコンバータ、CO選択酸化反応器を上流側より順に備えてなる形式の燃料処理装置の運転を最適化すべく上記改質器、低温シフトコンバータ、CO選択酸化反応器の温度制御を総合的に行うことができるようにするための燃料処理装置の運転制御方法及び装置を提供しようとするものである。 Accordingly, the present invention is provided with a combustion gas passage for allowing the combustion gas of the burner to flow in the heat insulation container, and a reformer, a water evaporator, a low temperature shift converter, a CO selective oxidation reactor in the combustion gas passage. In order to optimize the operation of the fuel processing apparatus of the type that is provided in order from the upstream side, so that the temperature control of the reformer, the low-temperature shift converter, and the CO selective oxidation reactor can be comprehensively performed. It is an object of the present invention to provide an operation control method and apparatus for a processing apparatus.
本発明は、上記課題を解決するために、断熱容器内にバーナと該バーナにて発生させる燃焼ガスの流路を設け、該燃焼ガス流路内に、改質器と水蒸発器と低温シフトコンバータとCO選択酸化反応器とを上流側から順に備えてなる燃料処理装置における上記バーナで発生させる燃焼ガスの温度を検出して、該検出される燃焼ガスの温度が所要温度に保持されるように上記バーナへ供給する燃焼用燃料の供給量を定め、且つ、上記バーナで発生させた燃焼ガスが燃焼ガス流路を経て上記改質器の上流側近傍位置に達するときの温度を改質器上流側ガス温度として検出し、該検出される改質器上流側ガス温度が、上記改質器の水蒸気改質反応に所望される温度範囲と対応する温度範囲となるように、上記バーナへの燃焼用燃料の供給量を補正する燃料処理装置の運転制御方法、及び、断熱容器内にバーナと該バーナにて発生させる燃焼ガスの流路を設け、該燃焼ガス流路内に、改質器と水蒸発器と低温シフトコンバータとCO選択酸化反応器とを上流側から順に備えてなる燃料処理装置における上記バーナの近傍位置に、該バーナで発生させる燃焼ガスの温度を検出できる燃焼ガス温度センサを設けると共に、上記燃焼ガス流路における改質器の上流側近傍位置に、燃焼ガス流路を経て該改質器に達する直前の燃焼ガスの温度を改質器上流側ガス温度として検出できるようにする改質器上流側ガス温度センサを設け、且つ、上記燃焼ガス温度センサより入力される燃焼ガスの温度の検出信号を基に上記バーナへ供給する燃焼用燃料の供給量を設定し、更に、上記改質器上流側ガス温度センサより入力される改質器上流側ガス温度の検出信号を基に、上記バーナへの燃焼用燃料の供給量を補正する機能を具備した制御器を備えてなる構成を有する燃料処理装置の運転制御装置とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a heat insulating container with a burner and a flow path of combustion gas generated by the burner, and a reformer, a water evaporator, and a low temperature shift in the combustion gas flow path. The temperature of the combustion gas generated in the burner in the fuel processing apparatus comprising the converter and the CO selective oxidation reactor in order from the upstream side is detected, and the detected temperature of the combustion gas is maintained at the required temperature. The amount of combustion fuel supplied to the burner is determined, and the temperature at which the combustion gas generated by the burner reaches a position near the upstream side of the reformer through the combustion gas flow path is defined as a reformer. The upstream gas temperature is detected, and the detected upstream gas temperature of the reformer is supplied to the burner so that the temperature range corresponds to the temperature range desired for the steam reforming reaction of the reformer. Compensate the amount of fuel supplied for combustion The operation control method of the material processing apparatus, and a burner and a flow path of combustion gas generated by the burner are provided in the heat insulation container, and a reformer, a water evaporator, and a low temperature shift converter are provided in the combustion gas flow path. A combustion gas temperature sensor capable of detecting the temperature of the combustion gas generated by the burner is provided at a position in the vicinity of the burner in a fuel processing apparatus comprising a CO selective oxidation reactor in order from the upstream side, and the combustion gas flow path The reformer upstream gas temperature that enables the temperature of the combustion gas immediately before reaching the reformer via the combustion gas passage to be detected as the reformer upstream gas temperature at a position near the upstream side of the reformer in A sensor is provided, and an amount of combustion fuel to be supplied to the burner is set based on a detection signal of the temperature of the combustion gas input from the combustion gas temperature sensor, and the reformer upstream gas temperature is further set. SE Operation of a fuel processor having a configuration having a controller having a function of correcting the supply amount of combustion fuel to the burner based on a detection signal of the gas temperature upstream of the reformer input from the compressor Control device.
又、上記において、燃焼ガス流路における水蒸発器よりも下流側で且つ低温シフトコンバータよりも上流側位置を流通する燃焼ガスの温度を水蒸発器下流側ガス温度として検出して、上記水蒸発器へ供給する水の量を制御し、該検出される水蒸発器下流側ガス温度が、上記低温シフトコンバータにおけるシフト反応に所望される温度範囲と対応する温度範囲となるようにする方法、及び、燃焼ガス流路における水蒸発器よりも下流側で且つ低温シフトコンバータよりも上流側位置に、水蒸発器下流側ガス温度センサを設けて、制御器に、上記水蒸発器下流側ガス温度センサより入力される温度検出信号を基に、水蒸発器へ供給する水の量を制御する機能を備えた装置とする。 Further, in the above, the temperature of the combustion gas flowing downstream of the water evaporator in the combustion gas flow path and upstream of the low temperature shift converter is detected as the water evaporator downstream gas temperature, and the water evaporation is performed. A method of controlling the amount of water supplied to the vessel so that the detected gas temperature downstream of the water evaporator is in a temperature range corresponding to the temperature range desired for the shift reaction in the low temperature shift converter, and A water evaporator downstream gas temperature sensor is provided downstream of the water evaporator in the combustion gas flow path and upstream of the low temperature shift converter, and the water evaporator downstream gas temperature sensor is provided in the controller. The apparatus has a function of controlling the amount of water supplied to the water evaporator on the basis of the temperature detection signal input more.
更に、上記において、CO選択酸化反応器の冷却水配管と低温シフトコンバータの冷却水配管とを直列に接続して冷却水を流通させることができるようにしてある冷却水ラインにおける上記低温シフトコンバータの出口側近傍位置を流通する冷却水の温度をシフトコンバータ出口冷却水温度として検出して、冷却水ラインへ供給する冷却水の量を制御し、該検出されるシフトコンバータ出口冷却水温度が、上記低温シフトコンバータにおけるシフト反応に所望される温度範囲と対応する温度範囲となるようにする方法、及び、CO選択酸化反応器の冷却水配管と低温シフトコンバータの冷却水配管とを直列に接続して冷却水を流通させることができるようにしてある冷却水ラインにおける上記低温シフトコンバータの出口側近傍位置に、該低温シフトコンバータを通過した直後の冷却水の温度を検出するシフトコンバータ出口冷却水温度センサを設けて、制御器に、上記シフトコンバータ出口冷却水温度センサより入力される温度検出信号を基に、上記冷却水ラインへ供給する冷却水の量を制御する機能を備えた装置とする。 Further, in the above, the low temperature shift converter in the cooling water line in which the cooling water piping of the CO selective oxidation reactor and the cooling water piping of the low temperature shift converter are connected in series so that the cooling water can be circulated. The temperature of the cooling water flowing in the vicinity of the outlet side is detected as the shift converter outlet cooling water temperature, the amount of cooling water supplied to the cooling water line is controlled, and the detected shift converter outlet cooling water temperature is A method for achieving a temperature range corresponding to a temperature range desired for a shift reaction in a low temperature shift converter, and a cooling water pipe of a CO selective oxidation reactor and a cooling water pipe of a low temperature shift converter are connected in series. In the vicinity of the outlet side of the low temperature shift converter in the cooling water line in which the cooling water can be circulated, A shift converter outlet cooling water temperature sensor that detects the temperature of the cooling water immediately after passing through the shift converter is provided, and the cooling is performed based on the temperature detection signal input from the shift converter outlet cooling water temperature sensor in the controller. A device having a function of controlling the amount of cooling water supplied to the water line.
更に又、上記において、バーナで発生されて燃焼ガス流路を流通される燃焼ガスの流量が減少することに伴って低温シフトコンバータの温度が所要温度以下に低下するときに、上記バーナへ供給する空気の量を増加させるようにする方法、及び、制御器を、バーナで発生されて燃焼ガス流路を流通される燃焼ガスの流量が減少することに伴って低温シフトコンバータの温度が所要温度以下に低下するときに、上記バーナへ供給する空気の量を増加させる機能を備えてなるものとした装置とする。 Furthermore, in the above, when the flow rate of the combustion gas generated in the burner and flowing through the combustion gas flow path decreases, the temperature of the low-temperature shift converter is supplied to the burner when the temperature falls below a required temperature. A method for increasing the amount of air, and a controller, the temperature of the low-temperature shift converter is lower than the required temperature as the flow rate of the combustion gas generated in the burner and flowing through the combustion gas passage decreases. The apparatus is provided with a function of increasing the amount of air supplied to the burner when the pressure drops to the above.
上述の構成において、低温シフトコンバータの温度がシフト反応に所望される温度範囲まで昇温され、且つCO選択酸化反応器の温度がCO除去処理に所望される温度範囲まで昇温される間、水蒸発器への水の供給と、上記CO選択酸化反応器及び上記低温シフトコンバータに接続してある冷却水ラインへの冷却水の供給を停止するようにする方法、及び、制御器に、低温シフトコンバータの温度が該低温シフトコンバータにおけるシフト反応に所望される温度範囲よりも低く、且つCO選択酸化反応器の温度がCO除去処理に所望される温度範囲よりも低いときに、水蒸発器への水の供給と、上記CO選択酸化反応器及び上記低温シフトコンバータに接続してある冷却水ラインへの冷却水の供給を停止する機能を備えた装置とする。 In the above configuration, while the temperature of the low temperature shift converter is raised to the temperature range desired for the shift reaction and the temperature of the CO selective oxidation reactor is raised to the temperature range desired for the CO removal treatment, A method for stopping the supply of water to the evaporator, the supply of cooling water to the cooling water line connected to the CO selective oxidation reactor and the low-temperature shift converter, and a low-temperature shift to the controller When the temperature of the converter is lower than the temperature range desired for the shift reaction in the low temperature shift converter and the temperature of the CO selective oxidation reactor is lower than the temperature range desired for the CO removal process, The apparatus has a function of stopping water supply and cooling water supply to the cooling water line connected to the CO selective oxidation reactor and the low-temperature shift converter.
本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
(1)断熱容器内にバーナと該バーナにて発生させる燃焼ガスの流路を設け、該燃焼ガス流路内に、改質器と水蒸発器と低温シフトコンバータとCO選択酸化反応器とを上流側から順に備えてなる燃料処理装置における上記バーナで発生させる燃焼ガスの温度を検出して、該検出される燃焼ガスの温度が所要温度に保持されるように上記バーナへ供給する燃焼用燃料の供給量を定め、且つ、上記バーナで発生させた燃焼ガスが燃焼ガス流路を経て上記改質器の上流側近傍位置に達するときの温度を改質器上流側ガス温度として検出し、該検出される改質器上流側ガス温度が、上記改質器の水蒸気改質反応に所望される温度範囲と対応する温度範囲となるように、上記バーナへの燃焼用燃料の供給量を補正する燃料処理装置の運転制御方法及び装置としてあるので、上記改質器を、原料の水蒸気改質処理に適した温度範囲に加熱することができる。
(2)燃焼ガス流路における水蒸発器よりも下流側で且つ低温シフトコンバータよりも上流側位置を流通する燃焼ガスの温度を水蒸発器下流側ガス温度として検出して、上記水蒸発器へ供給する水の量を制御し、該検出される水蒸発器下流側ガス温度が、上記低温シフトコンバータにおけるシフト反応に所望される温度範囲と対応する温度範囲となるようにする方法及び装置とすることにより、上記燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスが水蒸発器を通過するときに、該燃焼ガス温度を、上記低温シフトコンバータでのシフト反応に適した温度まで温度低下させることができるため、該低温シフトコンバータへ到達する燃焼ガスにより低温シフトコンバータが過剰に加熱される虞を解消できる。
(3)CO選択酸化反応器の冷却水配管と低温シフトコンバータの冷却水配管とを直列に接続して冷却水を流通させることができるようにしてある冷却水ラインにおける上記低温シフトコンバータの出口側近傍位置を流通する冷却水の温度をシフトコンバータ出口冷却水温度として検出して、冷却水ラインへ供給する冷却水の量を制御し、該検出されるシフトコンバータ出口冷却水温度が、上記低温シフトコンバータにおけるシフト反応に所望される温度範囲と対応する温度範囲となるようにする方法及び装置とすることにより、上記低温シフトコンバータをシフト反応に適した温度に、又、上記CO選択酸化反応器をCO除去処理に適した温度に保持することができる。
(4)上記(1)(2)(3)により、上記改質器、低温シフトコンバータ及びCO選択酸化反応器に最適な温度分布を成立させることができることから、燃焼処理装置における改質用の原料の水蒸気改質反応、シフト反応、CO除去処理を良好に行わせて改質ガスを生成させることができる。
(5)バーナで発生されて燃焼ガス流路を流通される燃焼ガスの流量が減少することに伴って低温シフトコンバータの温度が所要温度以下に低下するときに、上記バーナへ供給する空気の量を増加させるようにする方法及び装置とすることにより、燃焼ガスの流量が減少する傾向にあるときにも低温シフトコンバータの温度低下を未然に防止することが可能になる。
(6)低温シフトコンバータの温度がシフト反応に所望される温度範囲まで昇温され、且つCO選択酸化反応器の温度がCO除去処理に所望される温度範囲まで昇温される間、水蒸発器への水の供給と、上記CO選択酸化反応器及び上記低温シフトコンバータに接続してある冷却水ラインへの冷却水の供給を停止するようにする方法及び装置とすることにより、上記低温シフトコンバータとCO選択酸化反応器を速やかに昇温させて、燃料処理装置の起動を速やかに行わせることが可能になる。
According to the present invention, the following excellent effects are exhibited.
(1) A burner and a flow path of combustion gas generated by the burner are provided in the heat insulating container, and a reformer, a water evaporator, a low temperature shift converter, and a CO selective oxidation reactor are provided in the combustion gas flow path. Combustion fuel supplied to the burner by detecting the temperature of the combustion gas generated by the burner in the fuel processing apparatus provided in order from the upstream side and maintaining the detected temperature of the combustion gas at a required temperature And the temperature at which the combustion gas generated by the burner reaches the position near the upstream side of the reformer through the combustion gas flow path is detected as the reformer upstream gas temperature, The amount of fuel supplied to the burner is corrected so that the detected upstream gas temperature of the reformer falls within a temperature range corresponding to the temperature range desired for the steam reforming reaction of the reformer. Operation control method for fuel processing device and Because are the location, it is possible to heat the reformer, the temperature range suitable for the steam reforming process of the raw material.
(2) The temperature of the combustion gas flowing downstream of the water evaporator in the combustion gas flow path and upstream of the low-temperature shift converter is detected as the water evaporator downstream gas temperature, and sent to the water evaporator. A method and apparatus for controlling the amount of water to be supplied so that the detected gas temperature downstream of the water evaporator falls within a temperature range corresponding to a temperature range desired for the shift reaction in the low-temperature shift converter. Thus, when the combustion gas flowing through the combustion gas flow path passes through the water evaporator, the temperature of the combustion gas can be lowered to a temperature suitable for the shift reaction in the low temperature shift converter. The possibility that the low temperature shift converter is excessively heated by the combustion gas reaching the low temperature shift converter can be eliminated.
(3) The outlet side of the low-temperature shift converter in the cooling water line in which the cooling water piping of the CO selective oxidation reactor and the cooling water piping of the low-temperature shift converter are connected in series so that the cooling water can be circulated. The temperature of the cooling water flowing in the vicinity position is detected as the shift converter outlet cooling water temperature, the amount of the cooling water supplied to the cooling water line is controlled, and the detected shift converter outlet cooling water temperature is the low temperature shift. By adopting a method and apparatus for setting the temperature range corresponding to the temperature range desired for the shift reaction in the converter, the low-temperature shift converter is set to a temperature suitable for the shift reaction, and the CO selective oxidation reactor is provided. It can be kept at a temperature suitable for CO removal treatment.
(4) The above (1), (2), and (3) can establish an optimal temperature distribution in the reformer, the low-temperature shift converter, and the CO selective oxidation reactor. The reformed gas can be generated by satisfactorily performing the steam reforming reaction, shift reaction, and CO removal treatment of the raw material.
(5) The amount of air supplied to the burner when the temperature of the low temperature shift converter decreases below the required temperature as the flow rate of the combustion gas generated in the burner and flowing through the combustion gas flow path decreases. By using the method and apparatus for increasing the temperature, it becomes possible to prevent the temperature of the low-temperature shift converter from decreasing even when the flow rate of the combustion gas tends to decrease.
(6) While the temperature of the low temperature shift converter is raised to the temperature range desired for the shift reaction and the temperature of the CO selective oxidation reactor is raised to the temperature range desired for the CO removal treatment, the water evaporator And a method and apparatus for stopping the supply of cooling water to the cooling water line connected to the CO selective oxidation reactor and the low-temperature shift converter. And the CO selective oxidation reactor can be quickly heated to quickly start the fuel processing apparatus.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1(イ)(ロ)は本発明の燃料処理装置の運転制御方法及び装置の実施の一形態を示すもので、図3に示したと同様に、所要の断熱容器19の内部に、図示しない燃料電池より導かれるアノードオフガス17や追焚き燃料9a(図3参照)を燃焼用燃料36として燃焼させるバーナ20と、該バーナ20にて発生させる燃焼ガス21を流通させるための燃焼ガス流路22を備え、且つ該燃焼ガス流路22内に、改質器5と、水蒸発器12と、低温シフトコンバータ6と、CO選択酸化反応器7とを上流側より順に備えてユニット化してなる形式の燃料処理装置4における上記バーナ20の近傍位置に、該バーナ20で発生させる燃焼ガス21の燃焼ガス温度T1を検出するための燃焼ガス温度センサ37を設ける。
1 (a) and 1 (b) show an embodiment of an operation control method and apparatus for a fuel processing apparatus according to the present invention. Similarly to the case shown in FIG. A
又、上記燃焼ガス流路22内における改質器5の上流側近傍位置に、改質器上流側ガス温度センサ38を設けて、上記改質器5に達する直前の燃焼ガス21の温度、すなわち、該改質器5の加熱用熱源として利用される燃焼ガス21の温度(以下、改質器上流側ガス温度という)T2を検出できるようにする。
Further, a reformer upstream
更に、上記燃焼ガス流路22内における水蒸発器12の下流側近傍位置に、水蒸発器下流側ガス温度センサ39を設けて、上記水蒸発器12における水蒸気発生用の熱源に供された後の燃焼ガス21に残存する温度、すなわち、上記水蒸発器12を通過した後に燃焼ガス流路22の下流側に設けてある上記低温シフトコンバータ6へ導かれるようになる燃焼ガス21の温度(以下、水蒸発器下流側ガス温度という)T3を検出できるようにする。
Further, a water evaporator downstream
更に、上記CO選択酸化反応器7の冷却水配管31と上記低温シフトコンバータ6の冷却水配管32とを直列に接続して冷却水34を流通させるようにしてある冷却水ライン33における上記低温シフトコンバータ6の出口側近傍位置に、シフトコンバータ出口冷却水温度センサ40を設けて、該低温シフトコンバータ6の冷却水配管32を通過した直後の冷却水34の温度(以下、シフトコンバータ出口冷却水温度という)T4を検出できるようにする。
Further, the low temperature shift in the
更に、図1(ロ)に示す如く、上記各温度センサ37,38,39,40から入力される温度検出信号に基づいて、上記バーナ20へ上記燃焼用燃料36を供給するバーナ燃料ブロワ41と、上記バーナ20へ燃焼用の空気15を供給する空気ブロワ42と、上記改質器5へ改質用の原料9を供給する原料ブロワ43と、上記水蒸発器12へ水蒸気発生用の水35を供給する水ポンプ44と、上記CO選択酸化反応器7と低温シフトコンバータ6の冷却水ライン33へ冷却水34を供給する冷却水ポンプ45とに指令を与える制御器46を備える。
Further, as shown in FIG. 1 (b), a
詳述すると、上記制御器46は、燃焼ガス温度センサ37より入力される燃焼ガス温度T1を基に、上記バーナ燃料ブロワ41へ指令を与えて、バーナへ供給する燃焼用燃料36の供給量をフィードバック制御する機能を備えて、上記バーナ20にて燃焼用燃料36を燃焼させて発生させる燃焼ガス21の温度をおよそ1000℃程度に保持できるようにしてある。
More specifically, the
更に、上記改質器5にて原料9の水蒸気改質処理を最適に行うためには、該改質器5がおよそ700℃程度まで加熱されることが好ましいが、該改質器5にて複雑な熱交換が行われていること、及び、改質器5が熱容量が大きいことに起因して、起動時等には温度変化速度が遅いものとなっている。そこで、上記制御器46は、上記した如く、燃焼ガス温度センサ37より入力される燃焼ガス温度T1を基に、上記バーナ燃料ブロワ41へ指令を与えてバーナ20への燃焼用燃料36の供給量の制御を行わせる際、上記燃焼ガス流路22内で上記改質器5に達する燃焼ガス21の温度がおよそ700℃に保持されるようにするために、上記改質器上流側ガスセンサ38より入力される改質器上流側ガス温度T2を基にして上記バーナ燃料ブロワ41へ与える指令に補正を加える機能を備えたものとしてある。これにより、上記改質器5は、上記バーナ20における燃焼用燃料36の燃焼により発生されて燃焼ガス流路22を流通する燃焼ガス21が、およそ700℃程度で改質器5に達するようにして、該改質器5がおよそ700℃前後に確実に加熱されるようにしてある。上記において、空気ブロワ42よりバーナ20へ供給する空気15の量は、上記バーナ燃料ブロワ41よりバーナ20へ供給する燃焼用燃料36の供給量の増減に応じて増減されるように、上記制御器46により空気ブロワ42を制御するようにしてある。
Further, in order to optimally perform the steam reforming process of the
上記改質器5における原料9の水蒸気改質用の熱源として供されることに伴って温度低下させられた燃焼ガス21は、その後、水蒸発器12に達すると、該燃焼ガス21に残存する熱が、該水蒸発器12へ上記水ポンプ44より供給される水35を蒸発させて水蒸気13とするための熱源として利用され、この水蒸気発生用の熱源に供されて更に温度低下した燃焼ガス21が、燃焼ガス流路22のより下流側に設けてある低温シフトコンバータ6へ導かれる。この際、上記低温シフトコンバータ6は、前述したように、上記改質器5より得られる改質ガス14を、およそ250℃前後まで温度低下させてシフト反応させるようにしてあるものであることから、該低温シフトコンバータ6へ上記燃焼ガス21が達するときには、該燃焼ガス21がおよそ250℃前後まで温度低下されていることが要求される。
The
そこで、上記制御器46は、上記水蒸発器下流側ガス温度センサ39より、上記水蒸発器12における水蒸気発生用の熱源に供された後の燃焼ガス21の温度である水蒸発器下流側ガス温度T3が入力されると、該水蒸発器下流側ガス温度T3を基に上記水ポンプ44へ指令を与えて、該水ポンプ44より上記水蒸発器12へ供給する水35の量をフィードバック制御する機能を備えたものとしてある。これにより、上記燃焼ガス21が水蒸発器12を通過するときに水蒸気13発生用の熱源として供される熱量を調整して、上記水蒸発器下流側ガス温度T3が、およそ250℃前後でほぼ一定に保持できるようにしてある。
Therefore, the
更に又、上記低温シフトコンバータ6では、およそ250℃前後で改質ガス14のシフト反応を確実に行わせ、又、CO選択酸化反応器7では、およそ150℃前後でのCO除去処理を確実に行うことができるようにするために、上記制御器46は、上記シフトコンバータ6の温度が反映されている上記シフトコンバータ出口冷却水温度センサ40より入力されるシフトコンバータ出口冷却水温度T4を基に、冷却水ポンプ45へ指令を与えて、該冷却水ポンプ45より冷却水ライン33を通して上記CO選択酸化反応器7の冷却水配管31と、上記低温シフトコンバータ6の冷却水配管32へ供給する冷却水34の量をフィードバック制御する機能を備えたものとしてある。これにより、上記シフトコンバータ出口冷却水温度T4がおよそ250℃前後でほぼ一定に保持されるようにすることで、上記CO選択酸化反応器6と低温シフトコンバータ7の温度を、それぞれおよそ150℃前後とおよそ250℃前後に保持できるようにしてある。
Further, the low-
ところで、上記したように、燃焼ガス温度センサ37より入力される燃焼ガス温度T1と上記改質器上流側ガスセンサ38より入力される改質器上流側ガス温度T2を基にして、上記バーナ燃料ブロワ41へ指令を与え、該バーナ燃料ブロワ41よりバーナ20へ供給する燃焼用燃料36の供給量を制御することによって、上記改質器5に達する燃焼ガス21の温度がおよそ700℃前後となるように制御している状態においても、燃焼ガス流路22における燃焼ガス21の流量が少ないと、上記低温シフトコンバータ6及びCO選択酸化反応器7の温度が次第に低下してしまう。この場合には、上記水ポンプ44より水蒸発器12へ供給する水35の供給量と、上記冷却水ポンプ45より冷却水ライン33を通して上記CO選択酸化反応器7の冷却水配管31及び上記低温シフトコンバータ6の冷却水配管32へ供給する冷却水34の供給量が共に絞られることになる。しかし、上記改質器5へは原料9を水蒸気改質するために或る程度の水蒸気13を供給できるようにする必要がある。そこで、上記制御器46は、上記のように燃焼ガス流路22を流通する燃焼ガス21の流量が少ないことに伴って上記水ポンプ44より水蒸発器12へ供給する水35の供給量と、上記冷却水ポンプ45より冷却水ライン33を通して上記CO選択酸化反応器7の冷却水配管31及び上記低温シフトコンバータ6の冷却水配管32へ供給する冷却水34の供給量があらかじめ定めてある所要の最低量に達すると、上記空気ブロワ42へ指令を与えて、バーナ20へ供給する空気15の量を増加させる制御を行う機能を有するものとしてある。これにより、上記燃焼ガス流路22に流通される燃焼ガス21の流量を増加させることができるようにして、上記水ポンプ44より水蒸発器12へ供給する水35の供給量と、上記冷却水ポンプ45より冷却水ライン33を通して上記CO選択酸化反応器7の冷却水配管31及び上記低温シフトコンバータ6の冷却水配管32へ供給される冷却水34の供給量が、それぞれ或る一定量以上確保されるようにしてある。
As described above, the burner fuel blower is based on the combustion gas temperature T1 input from the combustion
更に、上記制御器46は、燃料処理装置4の起動時用のオプションとして、該燃料処理装置4の起動時に上記低温シフトコンバータ6及びCO選択酸化反応器7が所望温度に達するまでの期間は、上記水ポンプ44及び冷却水ポンプ45を共に停止状態とする機能を備えたものとしてある。これにより、上記燃料処理装置4の起動時には、上記バーナ20の燃焼により発生された後、燃焼ガス流路22を通して改質器5まで導かれて該改質器5と熱交換した後の燃焼ガス21を、水蒸発器12で熱交換させることなく上記低温シフトコンバータ6及びCO選択酸化反応器7まで導くようにすると共に、該低温シフトコンバータ6及びCO選択酸化反応器7における冷却水配管32及び31への冷却水の流通を停止状態とさせておくことにより、上記低温シフトコンバータ6及びCO選択酸化反応器7を速やかに昇温させることができるようにしてある。
Further, as an option for starting the
なお、図1においては、上記CO選択酸化反応器7の冷却水配管31及び上記低温シフトコンバータ6の冷却水配管32を直列に接続してある冷却水ライン33の下流側端部は、上記混合器29に接続してあり、上記CO選択酸化反応器7及び低温シフトコンバータ6の冷却に伴って発生する蒸気を、上記混合器29へ直接導くことができるようにしてある。又、図示する便宜上、上記断熱容器19内に装備される各種機器のうち、上記したバーナ20、改質器5、水蒸発器12、低温シフトコンバータ6、CO選択酸化反応器7及び混合器29以外の機器の記載は省略してあるが、図3に示した従来提案されているユニット化された形式の燃料処理装置4と同様に備えているものとする。
In FIG. 1, the downstream end of the cooling
このように、本発明の燃料処理装置の運転制御方法及び装置によれば、バーナ20で発生させる燃焼ガス21を流通させる燃焼ガス流路22内における改質器5、低温シフトコンバータ6及びCO選択酸化反応器7のそれぞれの配設個所に対し、該改質器5、低温シフトコンバータ6及びCO選択酸化反応器7にそれぞれ所望される温度に応じた最適な温度分布を成立させることができる。
Thus, according to the operation control method and apparatus of the fuel processing apparatus of the present invention, the
したがって、上記改質器5における原料9の水蒸気改質反応、上記CO選択酸化反応器7における改質ガス14のシフト反応、及び、CO選択酸化反応器7における改質ガス14のCO除去処理をいずれも良好に行わせることが可能となる。
Therefore, the steam reforming reaction of the
更に、燃焼ガス流路22における燃焼ガス21の流量が少なくなると、上記空気ブロワ42よりバーナ20へ供給する空気15の量を増加させて、燃焼ガス21の流量を増加させることで、上記水蒸発器12へ供給する水35の供給量と、上記CO選択酸化反応器7及び上記低温シフトコンバータ6へ供給される冷却水34の供給量が、それぞれ或る一定量以上確保されるようにしてあるため、改質器5へ供給される水蒸気12の量をある所要レベル以上に保持することができるようにしてある。
Further, when the flow rate of the
更に、燃料処理装置4の起動時には、上記低温シフトコンバータ6及びCO選択酸化反応器7を速やかに昇温させることができるため、燃料処理装置4を速やかに起動させることができる。
Furthermore, since the temperature of the low
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、たとえば、水蒸発器下流側ガス温度センサ39は、燃焼ガス流路22における水蒸発器12よりも下流側で且つ低温シフトコンバータ6よりも上流側位置にて、上記水蒸発器12を通過した後に低温シフトコンバータ6へ導かれる燃焼ガス21の温度を、水蒸発器下流側ガス温度T3として検出できれば、図1に二点鎖線で示す如く、燃焼ガス流路21内における混合器29よりも下流側位置に配設するようにしてもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, the water evaporator downstream
所要の断熱容器19内に、バーナ20により発生させる燃焼ガス21を流通させる燃焼ガス流路22を備えると共に、該燃焼ガス流路22内に、改質器5と水蒸発器12と低温シフトコンバータ6とCO選択酸化反応器7とを上流側から順に備えてなる形式の燃料処理装置4であれば、断熱容器19の形状や断熱構造、断熱容器19内における上記燃焼ガス流路22の配置経路や流路形状、該燃焼ガス流路22内に配設する改質器5、水蒸発器12、低温シフトコンバータ6、CO選択酸化反応器7のそれぞれの形式や形状や大きさを適宜変更する等、いかなる形式の燃料処理装置の運転制御にも適用できる。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。
In a required
5 改質器
6 低温シフトコンバータ
7 CO選択酸化反応器
12 水蒸発器
15 空気
19 断熱容器
20 バーナ
21 燃焼ガス
22 燃焼ガス流路
31 冷却水配管
32 冷却水配管
33 冷却水ライン
34 冷却水
35 水
37 燃焼ガス温度センサ
38 改質器上流側ガス温度センサ
39 水蒸発器下流側ガス温度センサ
40 シフトコンバータ出口冷却水温度センサ
46 制御器
T1 燃焼ガス温度
T2 改質器上流側ガス温度
T3 水蒸発器下流側ガス温度
T4 シフトコンバータ出口冷却水温度
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