JP4973080B2

JP4973080B2 - 改質器の起動方法

Info

Publication number: JP4973080B2
Application number: JP2006247943A
Authority: JP
Inventors: 邦幸高橋
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2026-09-13
Also published as: JP2008069029A

Description

本発明は、都市ガス、LPガス、灯油等の炭化水素化合物を、燃焼部を有する改質器にて改質して水素を生成する改質器の起動方法に関する。

炭化水素化合物を改質して水素を生成する改質器は、水素化社会の形成に向けて重要な装置であり、近年、種々の分野で多く採用され始めている。特に、改質水素を燃料ガスとする燃料電池発電装置においては不可欠である。即ち、燃料電池本体に供給される燃料ガスとして、燃料改質器にて天然ガス等の炭化水素系あるいはメタノール等のアルコール系の原燃料を改質触媒の下で水素に富むガスに改質した改質ガスが使用される。

炭化水素化合物を改質するには改質触媒を改質可能な温度にまで昇温しなければならない。そこで改質器中に燃焼部を設け、燃焼部で炭化水素化合物と空気を混合して燃やすことにより発生した燃焼熱を改質触媒層に伝熱することにより昇温する改質器の起動方法が一般的に行なわれている。

特許文献１には、「内管とこれを囲む外管との間に触媒層を内蔵する円筒式の反応管をバーナによる燃焼で生じた熱媒体により加熱して炭化水素系の原燃料を改質する燃料改質器の起動停止のヒートサイクルの際、起動時に生じる内管と外管との熱膨脹差による触媒層にかかる圧縮力を小さくして触媒の圧壊を減少すること」を目的として、「燃料改質器の起動時、バーナによる燃焼量を燃焼開始から順次増加する、この方法として燃焼量を階段状に順次増加させ、内管と外管との温度差を小さくする改質器の起動方法」が開示されている。

特許文献１に開示された改質器の構成とその起動方法について、特許文献１の記載を一部引用して、以下にその概要を述べる。図３は、特許文献１において図７として開示された円筒式の反応管を備えた燃料改質器の断面図である。なお、図３に示す改質器は、本発明の対象とする改質器の一例でもある。図３において炉容器１０は上部中央にバーナタイル１１に囲まれたバーナ１２と、側壁上部にバーナ１２からの燃料が燃焼して生じる燃焼ガスを排出する排ガス出口１３とを備え、さらに反応管２１を有する改質管１４を内蔵している。

改質管１４はバーナ１２がその内側に臨む内管１５と、これを囲む外囲管１６と、この下部開口部を閉鎖する底板１７と、内管１５と外囲管１６との間に底板１７から離して介挿される外管１８とから構成され、内管１５と外管１８との間の環状空間には改質触媒１９が充填されてなる触媒層２０を内蔵して反応管２１が形成されている。なお、外管１８と外囲管１６との間は改質原料ガスが流れる改質原料ガス通路２２を形成している。

改質管１４の外管１８と外囲管１６との上部開口は炉容器１０の上部に設けられた改質原料ガスマニホールド２３に連通し、改質原料ガスマニホールド２３は改質原料ガスが流入する改質原料ガス入口２４を備えている。また内管１５と外管１８との上部開口は炉容器１０の上部に設けられた改質ガスマニホールド２５に連通し、改質ガスマニホールド２５は改質ガスを外部に送出する改質ガス出口２６を備えている。なお、内管１５の内側は燃焼室２７を形成し、外囲管１６と炉容器１０との間は燃焼ガス通路２８を形成している。

このような構成により、バーナ１２からの燃料を燃焼させると燃焼ガスは矢印のように内管１５の内側面に沿って燃焼室２７を下方に流れ、改質管１４の下端部で折返して外囲管１６の外側面に沿って燃焼ガス通路２８を流れて反応管２１を有する改質管２４を加熱した後、排ガス出口１３から外部に排出される。

一方、改質原料ガスは、改質原料ガス入口２４から改質原料ガスマニホールド２３を経て改質原料ガス通路２２を下方に流れ、その下端部で触媒層２０に流入する。そして改質原料ガスは燃焼ガスにより加熱された触媒層２０を下方から上方に向かって流れ、触媒作用の下に水素に富むガスに水蒸気改質されて改質ガスマニホールド２５を経て改質ガス出口２６から燃料電池に送出される。

なお、上記のような燃料改質器を冷状態から起動するときにはつぎのようにして行われる。燃焼開始時は燃焼量を従来の燃焼量より少なくし、起動時間の経過に伴って燃焼量をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄのように階段状にして増加する。図２は、特許文献１において図１として開示された改質器の起動方法に係り、燃焼量と起動時間との関係を概念的に示す図である。

ところで、上記特許文献１の発明のように、経過時間に従い燃焼量を階段状に増加する場合、下記のような問題がある。
（１）外気温が高温の場合と低温の場合では改質器の昇温にかかる時間が変化してしまう。（２）改質器を構成する燃焼ガス通路や燃焼排ガス配管が十分に昇温する前に燃焼量を増加すると安定に燃焼せず不完全燃焼を引起し、燃えずに排出した炭化水素化合物を含む可燃性ガスや一酸化炭素が基準値以上排出される問題がある。安定に燃焼しない原因としては改質器を構成する燃焼ガス通路や燃焼排ガス配管が十分に昇温する前に高温の排ガスを流通させると排ガスが冷やされ凝縮することで圧力振動や流量変動を引起し燃焼部で失火を引起す。失火後も燃焼部の着火装置が継続して動作していると着火と失火を繰返し、安定燃焼しない。
（３）安定燃焼しないと燃焼熱の発生も少なく改質器の昇温にも時間がかかる。また投入した炭化水素化合物を燃やしきらないため起動エネルギーも過剰に必要である。
特開平５−１１５７７０号公報

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、起動時間を短縮し、改質器を昇温する過程で燃焼部から排気される燃焼排ガス中に含まれる有害物質を低減するとともに、改質器の起動に要するエネルギー量を低減することが可能な改質器の起動方法を提供することにある。

上記課題は、以下により達成される。即ち、炭化水素化合物を、燃焼部を有する改質器にて改質して水素を生成する改質器の起動方法であって、炭化水素化合物と燃焼用空気とを前記燃焼部で燃焼することによって発生する燃焼熱により改質器の温度を上昇させ、前記燃焼部における燃焼量を燃焼開始から起動時間経過に伴って順次増加させ改質器の温度を改質に適する所定の温度に昇温する改質器の起動方法において、改質器の起動時において、前記燃焼量を、改質器の予め定めた所定位置における温度測定値に基づいて制御し、起動初期においては、所定の炭化水素化合物および燃焼用空気量に基づく所定の燃焼量により、燃焼量を変化させずに改質器の温度を上昇させ、前記温度測定値が所定の温度に到達した際には、前記炭化水素化合物および燃焼用空気の供給量を増加させて燃焼量を時間の経過とともに比例的に増加させ、その後、改質器の温度を改質に適する所定の温度に昇温することを特徴とする（請求項１）。

また、前記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし３の発明が好ましい。

即ち、前記請求項１に記載の起動方法において、前記温度測定を行なう所定位置は、改質器の燃焼部から大気に燃焼排ガスを排出する配管部とする（請求項２）。また、前記請求項１または２に記載の起動方法において、前記改質器は、燃料電池発電装置に使用されるものとする（請求項３）。

なお、本発明において、改質器の構成は、前記図３に記載された構成には限定されない。改質器の構成としては、一般に、反応管の形式（単管式、二重管式、円筒式等）、燃焼部の形式（バーナ、触媒燃焼、配置が上部か下部か等）など、全体構成にわたって種々相違するものが知られているが、本発明においては特定の改質器構成に限定されるものではない。また、測定する改質器の温度としては、上記配管部の温度には限定されない。改質触媒の温度や反応管の温度など、改質器を代表する場所の温度であれば適宜採用できる。

この発明によれば、改質器の起動時に燃焼部に導入する炭化水素化合物と燃焼用空気の燃焼量をまず安定に燃焼できる量から燃焼を開始し、次に改質器の温度、例えば改質触媒の温度や排ガス配管の温度測定値に基づいて炭化水素化合物および燃焼用空気の供給量を増加させて燃焼量を増加することにより、燃焼部の失火を防ぎ、安定燃焼させることで可燃性ガスや一酸化炭素の排出量を基準値以下に抑え、起動時間を短縮し、かつ起動エネルギーも低減できる。

次に、この発明の実施形態に関して、図１に基いて説明する。図１は本発明の実施形態に係る改質器の起動方法における燃焼量の増加方法を模式的に示す図である。以下に、起動方法の実施例を示す。下記の実施例における改質器の構成は前記図３に示すものと同等である。いずれの実施例においても、図１に示すような燃焼量の増加方法とすることにより、所期の改質器の起動方法が実現できることが確認された。

着火時には安定燃焼させるため、炭化水素系燃料（都市ガス）を0.3 NL/minの流量、燃焼用空気を5.6 NL/minの流量で、改質器の燃焼部に導入しイグナイタにより着火した。そして図３に示す改質触媒１９の温度（触媒層における改質ガス出口部の触媒温度）が150℃になるまで燃焼量を変化させずに昇温した。その後、改質触媒１９の温度が150℃から540℃の間は都市ガスを0.3〜0.8 NL/minへ、燃焼用空気は5.6〜16 NL/minへと一次関数的に増加させ、改質器の昇温を行った。

着火時には安定燃焼させるため、炭化水素系燃料（都市ガス）を0.3 NL/minの流量、燃焼用空気を5.6 NL/min改質器の燃焼部に導入しイグナイタにより着火した。そして図３に示す改質器燃焼部の排気ガス配管１３の温度が40℃になるまで燃焼量を変化させずに昇温した。排気ガス配管１３の温度が40℃から60℃の間は都市ガスを0.3〜0.8 NL/minへ、燃焼用空気は5.6〜16 NL/minへと一次関数的に増加させ、改質器の昇温を行った。

表１は、上記本発明の実施例のように燃焼部が安定燃焼している時と、従来技術におけるように着火と失火を繰り返している時の排ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）濃度と、燃焼せずに排出された排ガス中可燃性ガス濃度を示す。いずれの濃度も、本発明の場合の方が、従来技術に比較して格段に小さい値を示す。

本発明の実施例によれば、上述したように燃焼部で安定燃焼を保ちながら燃焼量を増加することで起動中に有害物質の排出量を低減出来る。また起動時間を短縮し、起動に要するエネルギーも低減することが出来る。

本発明の実施形態に係る改質器の起動方法における燃焼量の増加方法を模式的に示す図。特許文献１において図１として開示された改質器の起動方法に係り、燃焼量と起動時間との関係を概念的に示す図。特許文献１において図７として開示された円筒式の反応管を備えた燃料改質器の断面図。

符号の説明

１２：バーナ、１３：燃焼排ガス出口、１９：改質触媒、２１：反応管。

Claims

炭化水素化合物を、燃焼部を有する改質器にて改質して水素を生成する改質器の起動方法であって、炭化水素化合物と燃焼用空気とを前記燃焼部で燃焼することによって発生する燃焼熱により改質器の温度を上昇させ、前記燃焼部における燃焼量を燃焼開始から起動時間経過に伴って順次増加させ改質器の温度を改質に適する所定の温度に昇温する改質器の起動方法において、
改質器の起動時において、前記燃焼量を、改質器の予め定めた所定位置における温度測定値に基づいて制御し、起動初期においては、所定の炭化水素化合物および燃焼用空気量に基づく所定の燃焼量により、燃焼量を変化させずに改質器の温度を上昇させ、前記温度測定値が所定の温度に到達した際には、前記炭化水素化合物および燃焼用空気の供給量を増加させて燃焼量を時間の経過とともに比例的に増加させ、その後、改質器の温度を改質に適する所定の温度に昇温することを特徴とする改質器の起動方法。
請求項１に記載の起動方法において、前記温度測定を行なう所定位置は、改質器の燃焼部から大気に燃焼排ガスを排出する配管部とすることを特徴とする改質器の起動方法。
請求項１または２に記載の起動方法において、前記改質器は、燃料電池発電装置に使用されるものであることを特徴とする改質器の起動方法。