JP4951917B2 - Fuel reforming system - Google Patents
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Description
本発明は、改質器を備えた燃料改質システムに関する。 The present invention relates to a fuel reforming system including a reformer.
燃料電池の燃料として用いられる水素ガスは、炭化水素燃料と水蒸気とを改質触媒を介して化学反応させることによって生成することができる。この改質触媒の効果を効率的に得るためには、改質触媒の種類に応じて変動はあるものの、改質触媒を約600℃〜800℃程度の高温に加熱する必要がある。そこで、燃料改質システムの再起動性を向上させるために、システム停止後に改質触媒温度を上昇させる技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 Hydrogen gas used as fuel for a fuel cell can be generated by chemically reacting hydrocarbon fuel and water vapor via a reforming catalyst. In order to efficiently obtain the effect of this reforming catalyst, it is necessary to heat the reforming catalyst to a high temperature of about 600 ° C. to 800 ° C., although it varies depending on the type of the reforming catalyst. Therefore, a technique for increasing the reforming catalyst temperature after the system is stopped in order to improve the restartability of the fuel reforming system is disclosed (for example, see Patent Document 1).
特許文献1の技術では、炭化水素燃料および水蒸気の供給を停止した状態で空気を改質器に供給し、空気中の酸素を用いて改質器内の可燃物を燃焼させることによって発生する酸化反応熱を用いることにより、改質触媒の温度上昇が実現されている。
In the technique of
しかしながら、特許文献1の技術では、改質器内において水蒸気改質反応のような吸熱反応が起こらない。したがって、改質触媒上に残存する炭化水素燃料が多い場合には、触媒における過度な酸化反応熱によって改質効率が劣化するおそれがある。
However, in the technique of
本発明は、改質効率を低下させることなく再起動性を向上させることができる燃料改質システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel reforming system that can improve restartability without reducing reforming efficiency.
本発明に係る燃料改質システムは、改質燃料を用いた改質反応によって水素を生成する改質手段と、改質手段に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、改質手段に改質燃料を供給する改質燃料供給手段と、改質手段に酸素ガスを供給する酸素ガス供給手段と、改質手段が運転停止する場合に改質手段への改質燃料および水蒸気の供給が維持されたまま前記改質燃料および前記水蒸気の供給量が徐々に低下しつつ酸素が改質手段における改質反応に必要な量よりも多く改質手段に供給されるように水蒸気供給手段、改質燃料供給手段および酸素ガス供給手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とするものである。 A fuel reforming system according to the present invention includes a reforming unit that generates hydrogen by a reforming reaction using a reformed fuel, a steam supply unit that supplies steam to the reforming unit, and a reformed fuel that is supplied to the reforming unit. The reformed fuel supply means to be supplied, the oxygen gas supply means for supplying oxygen gas to the reforming means, and the supply of the reformed fuel and water vapor to the reforming means are maintained when the reforming means stops operating. Steam supply means and reformed fuel supply means so that oxygen is supplied to the reforming means more than the amount required for the reforming reaction in the reforming means while the supply amounts of the reformed fuel and the steam are gradually decreased. And a control means for controlling the oxygen gas supply means.
本発明に係る燃料改質システムにおいては、水蒸気供給手段によって水蒸気が改質手段に供給され、改質燃料供給手段によって改質燃料が改質手段に供給され、酸素ガス供給手段によって酸素ガスが改質手段に供給され、改質手段によって水素が生成され、改質手段が運転停止する場合に改質手段への改質燃料および水蒸気の供給量が低下しつつ酸素が改質手段における改質反応に必要な量よりも多く改質手段に供給されるように水蒸気供給手段、改質燃料供給手段および酸素ガス供給手段が制御手段によって制御される。 In the fuel reforming system according to the present invention, the steam is supplied to the reforming means by the steam supply means, the reformed fuel is supplied to the reforming means by the reformed fuel supply means, and the oxygen gas is modified by the oxygen gas supply means. Is supplied to the reforming means, hydrogen is generated by the reforming means, and when the reforming means stops operation, the reforming reaction in the reforming means is performed while the supply amount of reformed fuel and water vapor to the reforming means decreases. The steam supply means, the reformed fuel supply means, and the oxygen gas supply means are controlled by the control means so as to be supplied to the reforming means in a larger amount than is necessary for the control.
この場合、改質手段における水蒸気改質反応の比率が徐々に低下し、部分酸化反応の比率が徐々に増加する。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、部分酸化反応は発熱反応である。それにより、改質手段における急激な温度低下を防止しつつ、改質手段における急激な温度上昇を防止することができる。また、改質手段の温度を徐々に増加させることができる。その結果、本発明に係る燃料改質システムの再起動性が向上する。 In this case, the ratio of the steam reforming reaction in the reforming means is gradually decreased, and the ratio of the partial oxidation reaction is gradually increased. The steam reforming reaction is an endothermic reaction, and the partial oxidation reaction is an exothermic reaction. Thereby, it is possible to prevent a rapid temperature rise in the reforming unit while preventing a rapid temperature drop in the reforming unit. Further, the temperature of the reforming means can be gradually increased. As a result, the restartability of the fuel reforming system according to the present invention is improved.
また、一般に、改質触媒内に残存する改質燃料量および水蒸気量は、運転停止処理開始時点の改質条件、改質触媒性能によって変化する。そのため、触媒温度検出、改質手段に供給する酸素ガス量の微調整等の複雑な制御が必要である。その結果、コストが増大してしまう。しかしながら、本発明においては、水蒸気改質反応の比率を徐々に低下させて部分酸化反応の比率を徐々に増加させる制御だけで済むので、制御則が簡略化される。したがって、コストを低下させることができる。 In general, the amount of reformed fuel and the amount of water vapor remaining in the reforming catalyst vary depending on the reforming conditions and the performance of the reforming catalyst at the start of the operation stop process. Therefore, complicated control such as catalyst temperature detection and fine adjustment of the amount of oxygen gas supplied to the reforming means is required. As a result, the cost increases. However, in the present invention, the control law is simplified because only the control for gradually decreasing the steam reforming reaction ratio and gradually increasing the partial oxidation reaction ratio is required. Therefore, the cost can be reduced.
制御手段は、前記改質手段が運転停止する場合において、改質手段におけるS/C比がカーボン析出回避限界S/C比を超えるまで改質手段への改質燃料および水蒸気の供給量が低下するように、水蒸気供給手段および改質燃料供給手段を制御してもよい。この場合、改質手段におけるカーボン析出を抑制することができる。それにより、改質手段の改質効率の低下を抑制することができる。 When the reforming unit stops operating , the control unit decreases the supply amount of reformed fuel and steam to the reforming unit until the S / C ratio in the reforming unit exceeds the carbon deposition avoidance limit S / C ratio. As such, the steam supply means and the reformed fuel supply means may be controlled. In this case, carbon deposition in the reforming means can be suppressed. Thereby, the fall of the reforming efficiency of a reforming means can be suppressed.
制御手段は、前記改質手段が運転停止する場合において、改質手段におけるS/C比がカーボン析出回避限界S/C比を超えた場合、所定の時間が経過した後に改質手段への水蒸気、改質燃料および酸素ガスの供給が停止するように、水蒸気供給手段、改質燃料供給手段および酸素ガス供給手段を制御してもよい。この場合、改質手段におけるカーボン析出を抑制しつつ、改質手段の温度低下を防止することができる。 When the reforming unit stops operating and the S / C ratio in the reforming unit exceeds the carbon deposition avoidance limit S / C ratio, the control unit is configured to supply steam to the reforming unit after a predetermined time has elapsed. The steam supply means, the reformed fuel supply means, and the oxygen gas supply means may be controlled so that the supply of the reformed fuel and oxygen gas is stopped. In this case, temperature reduction of the reforming unit can be prevented while suppressing carbon deposition in the reforming unit.
発電に伴ってカソードにおいて水蒸気が生成される燃料電池をさらに備え、水蒸気供給手段は、燃料電池において生成された水蒸気を改質手段に供給してもよい。この場合、水蒸気を発生させるための装置を新たに設ける必要がない。それにより、本発明に係る燃料改質システムを小型化することができるとともに、コストを低減させることができる。また、改質手段に供給する改質燃料量を減少させることによって燃料電池における発電生成水量は低下する。したがって、格別の制御則を導入することなく、本発明の効果が得られる。 The fuel cell may further include a fuel cell that generates water vapor at the cathode accompanying power generation, and the water vapor supply unit may supply the water vapor generated in the fuel cell to the reforming unit. In this case, it is not necessary to newly provide a device for generating water vapor. Thereby, the fuel reforming system according to the present invention can be reduced in size and the cost can be reduced. Further, the amount of power generation generated water in the fuel cell is reduced by reducing the amount of reformed fuel supplied to the reforming means. Therefore, the effect of the present invention can be obtained without introducing a special control law.
燃料電池の発電電流を検出する電流検出手段をさらに備え、制御手段は、電流検出手段の検出結果に基づいて、水蒸気供給手段による改質手段への水蒸気供給量を取得してもよい。この場合、水蒸気量を検出する装置を設けることなく、改質手段への水蒸気供給量を取得することができる。したがって、コストを低減させることができる。 Current detection means for detecting the power generation current of the fuel cell may be further provided, and the control means may acquire the amount of steam supplied to the reforming means by the steam supply means based on the detection result of the current detection means. In this case, the amount of water vapor supplied to the reforming means can be acquired without providing a device for detecting the amount of water vapor. Therefore, cost can be reduced.
酸素ガス供給手段は、燃料電池のカソードを介して改質手段に酸素ガスを供給してもよい。この場合、燃料電池の動作に必要な酸素ガス供給手段を、本発明の酸素ガス供給手段として用いることができる。それにより、新たに酸素ガス供給手段を設ける必要がない。その結果、本発明に係る燃料改質システムを小型化することができる。また、改質手段に供給する改質燃料量を減少させることによって発電生成水量が低下し、さらにカソードにおいて消費される酸素量も減少することになる。それにより、結果として改質手段における部分酸化反応の比率が上昇する。したがって、格別の制御則を導入することなく、本発明の効果が得られる。 The oxygen gas supply means may supply oxygen gas to the reforming means via the cathode of the fuel cell. In this case, the oxygen gas supply means necessary for the operation of the fuel cell can be used as the oxygen gas supply means of the present invention. Thereby, it is not necessary to newly provide oxygen gas supply means. As a result, the fuel reforming system according to the present invention can be reduced in size. Further, by reducing the amount of reformed fuel supplied to the reforming means, the amount of water generated by power generation decreases, and the amount of oxygen consumed at the cathode also decreases. As a result, the ratio of the partial oxidation reaction in the reforming means increases. Therefore, the effect of the present invention can be obtained without introducing a special control law.
本発明によれば、改質手段における急激な温度低下を防止しつつ、改質手段における急激な温度上昇を防止することができる。また、改質手段の温度を徐々に増加させることができる。その結果、本発明に係る燃料改質システムの再起動性が向上する。また、水蒸気改質反応の比率を徐々に低下させて部分酸化反応の比率を徐々に増加させる制御だけで済むので、制御則が簡略化される。したがって、コストを低下させることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the rapid temperature rise in a reforming means can be prevented, preventing the rapid temperature fall in a reforming means. Further, the temperature of the reforming means can be gradually increased. As a result, the restartability of the fuel reforming system according to the present invention is improved. Further, since only the control for gradually decreasing the ratio of the steam reforming reaction and gradually increasing the ratio of the partial oxidation reaction is required, the control law is simplified. Therefore, the cost can be reduced.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
図1は、本発明の第1実施例に係る燃料改質システム100の全体構成を示す模式図である。図1に示すように、燃料改質システム100は、制御部10、改質燃料タンク20、燃料ポンプ30、調量弁40、改質器50、燃料電池60およびエアポンプ70,80を備える。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a
改質器50は、改質部51、加熱部52、温度センサ53および空気過剰率λセンサ54を備える。温度センサ53は、改質部51内に設けられている。空気過剰率λセンサ54は、加熱部52から外部に通じる排気系に設けられている。ここで、空気過剰率λとは、加熱部52における完全燃焼に必要な酸素量に対する、加熱部52に供給される酸素量の比を示す。燃料電池60は、カソード61、アノード62、冷却部63、電圧計64および電流計65を備える。
The
本実施例においては、燃料電池60として水素分離膜電池を用いた。ここで、水素分離膜電池とは、水素分離膜層を備えた燃料電池である。水素分離膜層は水素透過性を有する金属によって形成される層である。水素分離膜電池は、この水素分離膜層及びプロトン導電性を有する電解質を積層した構造をとっている。水素分離膜電池のアノードに供給された水素は触媒を介してプロトンに変換され、プロトン導電性の電解質中を移動し、カソードにおいて酸素と結合して水となる。カソードにおいて発生した水は、水素分離膜電池の発電の際に発生する熱によって水蒸気になる。
In this example, a hydrogen separation membrane battery was used as the
制御部10は、CPU(中央演算処理装置)、ROM(リードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)等から構成される。また、制御部10には、起動スイッチ11が設けられている。制御部10は、温度センサ53、空気過剰率λセンサ54、電圧計64および電流計65から与えられる検出結果および起動スイッチ11の操作に基づいて、燃料改質システム100の各部を制御する。詳細は後述する。
The
改質燃料タンク20は、改質燃料として用いる炭化水素燃料を貯蔵している。燃料ポンプ30は、制御部10の指示に従って、改質燃料タンク20に貯蔵されている炭化水素燃料を調量弁40に供給する。調量弁40は、制御部10の指示に従って、改質部51における改質反応に必要な量の炭化水素燃料を改質部51に供給する。
The reformed
改質部51においては、炭化水素燃料と後述するカソードオフガスとから水素を含有する改質ガスが生成される。まず、炭化水素燃料中のメタンとカソードオフガス中の水蒸気とにより水蒸気改質反応が起こり、水素及び一酸化炭素が生成される。次に、生成された一酸化炭素の一部とカソードオフガス中の水蒸気とが反応し、水素及び二酸化炭素が生成される。水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足している場合には、カソードオフガス中の酸素とメタンとが部分酸化反応を起こし、水素及び一酸化炭素が生成される。
In the reforming
改質部51において生成された改質ガスは、アノード62に供給される。アノード62においては、改質ガス中の水素がプロトンに変換される。アノード62においてプロトンに変換されなかった水素、ならびに、改質部51において反応しなかったメタン、一酸化炭素および水蒸気は、アノードオフガスとして加熱部52に供給される。
The reformed gas generated in the reforming
エアポンプ70は、制御部10の指示に従って、必要量のエアを冷却部63に供給する。冷却部63に供給されたエアは、燃料電池60を冷却して加熱部52に供給される。加熱部52においては、アノードオフガスと冷却部63から供給されるエアとによって燃焼反応が起こる。加熱部52における燃焼反応によって発生する排気ガスは、燃料改質システム100の外部に排出される。また、加熱部52における燃焼反応による燃焼熱は、改質部51における水蒸気改質反応に利用される。
The
温度センサ53は、改質部51内の改質触媒の温度を検出し、その検出結果を制御部10に与える。空気過剰率λセンサ54は、加熱部52から排出される排気ガスから加熱部52における空気過剰率λを検出し、その検出結果を制御部10に与える。
The
エアポンプ80は、制御部10の指示に従って、必要量の酸素をカソード61に供給する。カソード61においては、アノード62において変換されたプロトンとカソード61に供給されたエア中の酸素とから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、蓄電池(図示せず)に蓄電されまたはモータ等の負荷に用いられる。発生した水は、燃料電池60において発生する熱によって水蒸気となる。カソード61において発生した水蒸気およびプロトンと反応しなかったエアは、カソードオフガスとして改質部51に供給され、それぞれ水蒸気改質反応および部分酸化反応に用いられる。
The
電圧計64は、燃料電池60における発電により発生した電圧を検出し、その検出結果を制御部10に与える。また、電流計65は、燃料電池60における発電反応により発生した電流を検出し、その検出結果を制御部10に与える。起動スイッチ11は、燃料改質システム100を起動させるためのスイッチである。制御部10は、起動スイッチ11が操作者によってオンされた場合には燃料改質システム100を起動させ、起動スイッチが操作者によってオフされた場合には燃料改質システム100を停止させるための運転停止処理を行う。以下、燃料改質システム100の停止時における制御部10による運転停止処理について説明する。
The
まず、制御部10は、燃料改質システム100の運転の停止指示がなされたか否かを判定する。本実施例においては、起動スイッチ11が操作者によってオフされたことによって燃料改質システム100の運転停止指示がなされたと判定される。なお、制御部10は、燃料電池60の温度が所定値を下回った場合に運転停止指示がなされたと判定してもよい。燃料電池60の発電が終了したと判断されるからである。また、制御部10は、蓄電池の蓄電量が所定の量を超えた場合に運転停止指示がなされたと判定してもよい。蓄電池の蓄電量が増加すれば燃料電池60の発電が不要になるからである。
First, the
制御部10は、運転停止指示がなされたと判定した場合、燃料改質システム100の運転停止処理を行う。まず、制御部10は、カーボン析出回避限界S/C比を取得する。ここで、S/C比とは、改質部51に供給される水蒸気と改質部51に供給される炭化水素燃料中の炭素とのモル比を示す。したがって、燃料電池60において発生する水蒸気量と調量弁40によって改質部51に供給される炭化水素燃料量とからS/C比を求めることができる。カーボン析出回避限界S/C比とは、改質部51においてカーボン析出が発生しないために必要なS/C比である。
When it is determined that the operation stop instruction has been issued, the
カーボン析出回避限界S/C比は、触媒の種類、触媒温度およびO/C比の関数である。ここで、O/C比とは、改質部51に供給される酸素と改質部51に供給される炭化水素燃料中の炭素とのモル比を示す。したがって、O/C比は、カソード61から改質部51に供給されるエア量と調量弁40によって改質部51に供給される炭化水素燃料量とから求めることができる。触媒の種類は、燃料改質システム100の運転中に変化することはないので、固定である。したがって、カーボン析出回避限界S/C比は、触媒温度およびO/C比から求めることができる。
The carbon deposition avoidance limit S / C ratio is a function of the type of catalyst, the catalyst temperature, and the O / C ratio. Here, the O / C ratio indicates a molar ratio between oxygen supplied to the reforming
図2は、カーボン析出回避限界S/C比、触媒温度およびO/C比の関係の一例を示す図である。図2の縦軸はカーボン析出回避限界S/C比を示し、図2の横軸は改質部51の触媒温度を示す。図2に示すように、カーボン析出回避限界S/C比は、触媒温度が低いほど、また、O/C比が小さいほど、大きい値になる。したがって、触媒温度が低いほど、また、O/C比が小さいほど、改質部51においてカーボンが析出しやすくなる。
FIG. 2 is a diagram showing an example of the relationship between the carbon deposition avoidance limit S / C ratio, the catalyst temperature, and the O / C ratio. 2 indicates the carbon deposition avoidance limit S / C ratio, and the horizontal axis in FIG. 2 indicates the catalyst temperature of the reforming
次に、制御部10は、現在のS/C比がカーボン析出回避限界S/C比を超えているか否かを判定する。現在のS/C比は、燃料電池60の発電によって生成される水量と改質部51に供給される炭化水素燃料量とから求めることができる。したがって、水蒸気量を検出する装置を新たに設ける必要がない。燃料電池60の発電生成水量は、下記式(1)から求めることができる。なお、式(1)中の発電電流は、電流計65の検出結果から得られる。積層セル枚数は、燃料電池60内の積層セル枚数である。
発電生成水量(mol/sec)
=(発電電流×積層セル枚数)/(2×ファラデー定数) (1)
ファラデー定数:96485
Next, the
Power generation volume (mol / sec)
= (Generated current x Number of stacked cells) / (2 x Faraday constant) (1)
Faraday constant: 96485
現在のS/C比がカーボン析出回避限界S/C比以下である場合、制御部10は、調量弁40から改質部51に供給される炭化水素燃料量を徐々に減少させるとともに、O/C比を徐々に増加させる。この場合、制御部10は、調量弁40から改質部51に供給される炭化水素燃料量を、現在の炭化水素燃料量と所定の燃料減衰係数(<1)との積によって決定することができ、現在の炭化水素燃料量から所定の燃料減衰量を差し引くことによって決定することもできる。ただし、燃料減衰係数を用いて調量弁40から改質部51に供給される炭化水素燃料量が決定されることが好ましい。エアポンプ80によるエア供給量過大等の制御破綻時における改質触媒の過熱損傷期間を短縮することができ、かつ、改質触媒のガスパージに必要な時間を容易なロジックで実現することができるからである。
When the current S / C ratio is equal to or less than the carbon deposition avoidance limit S / C ratio, the
また、制御部10は、目標O/C比を、現在のO/C比と所定のO/C比増加係数(>1)との積によって決定することができ、現在のO/C比に所定のO/C比増加量を足し合わせることによって決定することもできる。制御部10は、エアポンプ80から改質部51に供給されるエア量を制御することによって目標O/C比を実現することができる。制御部10は、S/C比がカーボン析出回避限界S/C比を超えるまで、調量弁40から改質部51に供給される炭化水素燃料量を徐々に減少させるとともに、O/C比を徐々に増加させる。この場合、改質部51におけるカーボン析出を抑制することができる。
Further, the
現在のS/C比がカーボン析出回避限界S/C比を超えた場合、制御部10は、調量弁40による改質部51への炭化水素燃料の供給量を、調量弁40が実現できる最小量に制御する。また、制御部10は、エアポンプ80からカソード61に供給されるエア量を、空気過剰率λと改質部51への炭化水素燃料供給量との積によって決定する。その後、制御部10は、所定の時間(例えば、5秒)が経過するまで待機する。その後、制御部10は、調量弁40からの改質部51への炭化水素燃料の供給、エアポンプ80からカソード61へのエアの供給およびエアポンプ70から冷却部63へのエアの供給を停止させる。それにより、燃料改質システム100の運転が完全に停止する。
When the current S / C ratio exceeds the carbon deposition avoidance limit S / C ratio, the
また、制御部10は、改質部51への現在の改質燃料供給量が調量弁40が実現できる最小量を以下である場合においても、調量弁40からの改質部51への炭化水素燃料の供給、エアポンプ80からカソード61へのエアの供給およびエアポンプ70から冷却部63へのエアの供給を停止させる。
The
図3は、制御部10による運転停止処理の結果の1例を示す図である。図3の横軸は時間を示し、図3の縦軸は改質部51の改質触媒温度、空気過剰率λ、S/C比および燃料電池60の発電量を示す。図3に示すように、運転停止処理が開始された後、S/C比が減少するとともに空気過剰率λが増加する。それに伴い、改質触媒温度は徐々に増加する。また、燃料電池60の発電は減少する。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a result of the operation stop process performed by the
このように、本実施例においては、改質部51への水蒸気供給量および炭化水素燃料供給量が徐々に低下する。また、改質部51におけるO/C比が徐々に増加する。それにより、改質部51における水蒸気改質反応の比率が徐々に低下し、部分酸化反応の比率が徐々に増加する。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、部分酸化反応は発熱反応である。この場合、改質部51における急激な温度低下を防止しつつ、改質部51における急激な温度上昇を防止することができる。また、改質部51の温度を徐々に増加させることができる。その結果、燃料改質システム100の再起動性が向上する。
Thus, in the present embodiment, the steam supply amount and the hydrocarbon fuel supply amount to the reforming
また、一般に、改質触媒内に残存する炭化水素燃料量および水蒸気量は、運転停止処理開始時点の改質条件、改質触媒性能によって変化する。そのため、触媒温度検出、改質部に供給するエア量の微調整等の複雑な制御が必要である。その結果、装置コストが増大してしまう。しかしながら、本実施例においては、水蒸気改質反応の比率を徐々に低下させて部分酸化反応の比率を徐々に増加させる制御だけで済むので、制御則が簡略化される。したがって、装置コストを低下させることができる。 In general, the amount of hydrocarbon fuel and the amount of steam remaining in the reforming catalyst vary depending on the reforming conditions and the reforming catalyst performance at the start of the operation stop process. Therefore, complicated control such as catalyst temperature detection and fine adjustment of the amount of air supplied to the reforming unit is necessary. As a result, the device cost increases. However, in this embodiment, since only the control for gradually decreasing the ratio of the steam reforming reaction and gradually increasing the ratio of the partial oxidation reaction is required, the control law is simplified. Therefore, the device cost can be reduced.
特に、本実施例に係る燃料改質システム100のように発電生成水を水蒸気改質反応に用いる場合、改質燃料量を減少させることによって発電生成水量が低下し、さらにカソード61において消費される酸素量も減少することから、結果として部分酸化反応の比率が上昇する。したがって、格別の制御則を導入することなく、本発明の効果が得られる。
In particular, when the power generation product water is used for the steam reforming reaction as in the
また、本実施例の場合、水蒸気を発生させるための装置を新たに設ける必要がない。それにより、燃料改質システム100を小型化することができるとともに、コストを低減させることができる。さらに、燃料電池60の動作に必要なエアポンプ80を、改質部51への酸素供給手段としても用いることができる。それにより、新たに酸素供給手段を設ける必要がない。その結果、燃料改質システム100を小型化することができる。
In the case of the present embodiment, there is no need to newly provide a device for generating water vapor. Thereby, the
また、本実施例においては、現在のS/C比がカーボン析出回避限界S/C比を超えた場合において調量弁40が実現できる最小量の炭化水素燃料が改質部51に供給されることによって部分酸化反応が継続する。それにより、改質部51におけるカーボン析出を抑制しつつ、改質部51の温度低下を防止することができる。なお、本実施例においてはカソードオフガスを改質部51に供給しているが、水蒸気供給手段および酸素供給手段を新たに設けてもよい。
In this embodiment, the minimum amount of hydrocarbon fuel that can be realized by the
続いて、制御部10が燃料改質システム100の運転停止処理を行う際のフローチャートの1例について説明する。図4は、上記フローチャートの1例を示す図である。制御部10は、図4のフローチャートを例えば100msごとに実行する。まず、図4に示すように、制御部10は、運転停止指示がなされたか否かを判定する(ステップS1)。この場合、制御部10は、起動スイッチ11がオフされたことによって運転停止指示がなされたと判定する。
Next, an example of a flowchart when the
ステップS1において運転停止指示がなされたと判定されなかった場合、制御部10は処理を終了する。ステップS1において運転停止指示がなされたと判定された場合、制御部10は、後述する積算燃焼時間が0よりも大きいか否かを判定する(ステップS2)。ステップS2において積算燃焼時間が0よりも大きいと判定されなかった場合、制御部10は、現在の炭化水素燃料の改質部51への供給量が、調量弁40が実現できる最小量以下であるか否かを判定する(ステップS3)。
If it is not determined in step S1 that the operation stop instruction has been issued, the
ステップS3において、現在の炭化水素燃料の改質部51への供給量が、調量弁40が実現できる最小量以下であると判定されなかった場合、制御部10は、カーボン析出回避限界S/C比を取得する(ステップS4)。この場合、制御部10は、温度センサ53の検出結果、現在のO/C比および図2を用いてカーボン析出回避限界S/C比を取得することができる。
In Step S3, when it is not determined that the current supply amount of hydrocarbon fuel to the reforming
次に、制御部10は、現在のS/C比がカーボン析出回避限界S/C比以下であるか否かを判定する(ステップS5)。ステップS5において現在のS/C比がカーボン析出回避限界S/C比以下であると判定された場合、制御部10は、調量弁40による改質部51への炭化水素燃料供給量を決定する(ステップS6)。この場合、制御部10は、現在の調量弁40から改質部51に供給される炭化水素燃料量と燃料減衰係数(例えば、0.5)との積または調量弁40が実現できる最小量のいずれか大きい方の量を、調量弁40による改質部51への炭化水素燃料供給量に設定する。
Next, the
次に、制御部10は、目標O/C比を決定する(ステップS7)。この場合、制御部10は、現在のO/C比とO/C比増加係数(例えば、1.5)との積または改質部51における改質反応の維持が可能なO/C比の上限値のいずれか小さい方の値を目標O/C比に設定する。次いで、制御部10は、エアポンプ80によってカソード61に供給されるエア量を、ステップS6において求めた炭化水素燃料供給量とステップS7において求めた目標O/C比とから求める(ステップS8)。
Next, the
この場合、制御部10は、燃料電池60における発電の際に用いられる酸素量を補正する。この補正量は、燃料電池60の発電電流に基づいて求めることができる。なお、制御部10は、調量弁40から改質部51に供給される炭化水素燃料量と燃料電池60の発電電流とに基づいて上記補正量を学習することができる。この場合、ステップS8においてエア量を正確に求めることができる。その後、制御部10は、処理を終了させる。
In this case, the
ステップS5において現在のS/C比がカーボン析出回避限界S/C比以下であると判定されなかった場合、制御部10は、積算燃焼時間を0に設定する(ステップS9)。次に、制御部10は、調量弁40から改質部51に供給される炭化水素燃料量を、調量弁40が実現できる最小量に設定する(ステップS10)。次いで、制御部10は、エアポンプ80によるカソード61へのエア供給量を、ステップS10において求めた炭化水素燃料量と空気過剰率λ(例えば、3.5)との積に設定する(ステップS11)。
If it is not determined in step S5 that the current S / C ratio is less than or equal to the carbon deposition avoidance limit S / C ratio, the
次に、制御部10は、積算燃焼時間を0.1秒増加させる(ステップS12)。次いで、制御部10は、積算燃焼時間が最大積算燃焼時間(例えば、5秒)以下であるか否かを判定する(ステップS13)。ステップS13において積算燃焼時間が最大積算燃焼時間以下であると判定された場合、制御部10は、処理を終了させる。ステップS13において積算燃焼時間が最大積算燃焼時間以下であると判定されなかった場合、制御部10は、調量弁40からの改質部51への炭化水素燃料の供給、エアポンプ80からカソード61へのエアの供給およびエアポンプ70から冷却部63へのエアの供給を停止させる(ステップS14)。
Next, the
なお、ステップS2において積算燃焼時間が0よりも大きいと判定された場合、制御部10は、ステップ12の動作を行う。また、ステップS3において現在の炭化水素燃料の改質部51への供給量が、調量弁40が実現できる最小量以下であると判定された場合、制御部10は、ステップS14の動作を行う。
If it is determined in step S2 that the accumulated combustion time is longer than 0, the
このように、図4のフローチャートに従って運転停止処理がなされることによって、改質部51における急激な温度低下を防止しつつ、改質部51における急激な温度上昇を防止することができる。また、改質部51の温度を徐々に増加させることができる。その結果、燃料改質システム100の再起動性が向上する。また、現在のS/C比がカーボン析出回避限界S/C比を超えた場合において調量弁40が実現できる最小量の炭化水素燃料が改質部51に供給されることによって部分酸化反応が継続する。それにより、改質部51におけるカーボン析出を抑制しつつ、改質部51の温度低下を防止することができる。
Thus, by performing the operation stop process according to the flowchart of FIG. 4, it is possible to prevent a rapid temperature rise in the reforming
本実施例においては、改質部51が改質手段に相当し、燃料電池60およびエアポンプ80が水蒸気供給手段に相当し、エアポンプ80が酸素ガス供給手段に相当し、調量弁40が改質燃料供給手段に相当し、制御部10が制御手段に相当し、電流計64が電流検出手段に相当する。
In this embodiment, the reforming
10 制御部
20 改質燃料タンク
40 調量弁
50 改質器
51 改質部
52 温度センサ53
54 空気過剰率λセンサ
60 燃料電池
61 カソード
62 アノード
64 電圧計
65 電流計
70,80 エアポンプ
100 燃料改質システム
DESCRIPTION OF
54 Air excess
Claims (6)
前記改質手段に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
前記改質手段に改質燃料を供給する改質燃料供給手段と、
前記改質手段に酸素ガスを供給する酸素ガス供給手段と、
前記改質手段が運転停止する場合に、前記改質手段への改質燃料および水蒸気の供給が維持されたまま前記改質燃料および前記水蒸気の供給量が徐々に低下しつつ、酸素が前記改質手段における改質反応に必要な量よりも多く前記改質手段に供給されるように、前記水蒸気供給手段、前記改質燃料供給手段および前記酸素ガス供給手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする燃料改質システム。 Reforming means for generating hydrogen by a reforming reaction using the reformed fuel;
Steam supply means for supplying steam to the reforming means;
Reformed fuel supply means for supplying reformed fuel to the reforming means;
Oxygen gas supply means for supplying oxygen gas to the reforming means;
When the reforming unit stops operating, the supply of reformed fuel and steam to the reforming unit is maintained, while the supply amounts of the reformed fuel and steam gradually decrease, and oxygen is improved. Control means for controlling the steam supply means, the reformed fuel supply means, and the oxygen gas supply means so as to be supplied to the reforming means in an amount larger than that required for the reforming reaction in the quality means. A fuel reforming system characterized by
前記水蒸気供給手段は、前記燃料電池において生成された水蒸気を前記改質手段に供給することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の燃料改質システム。 It further comprises a fuel cell in which water vapor is generated at the cathode along with power generation,
The fuel reforming system according to any one of claims 1 to 3, wherein the steam supply means supplies the steam generated in the fuel cell to the reforming means.
前記制御手段は、前記電流検出手段の検出結果に基づいて、前記水蒸気供給手段による前記改質手段への水蒸気供給量を取得することを特徴とする請求項4記載の燃料改質システム。 Further comprising current detection means for detecting the generated current of the fuel cell;
5. The fuel reforming system according to claim 4, wherein the control unit obtains a steam supply amount to the reforming unit by the steam supply unit based on a detection result of the current detection unit.
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