JP5235368B2 - Fuel reformer - Google Patents
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Description
本発明は、原燃料を、燃料電池において使用される改質ガスに改質する燃料電池用の燃料改質装置に関する。 The present invention relates to a fuel reformer for a fuel cell that reforms raw fuel into reformed gas used in the fuel cell.
固体高分子形燃料電池は、水素が有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発生する。実用的には固体高分子形燃料電池の燃料となる水素は、比較的容易かつ安価に入手可能な天然ガス、ナフサ等の炭化水素系ガスまたはメタノール等のアルコール類の原燃料ガスと水蒸気とを混合して、燃料改質装置で改質することにより得られる。改質により得られた水素ガスは燃料電池の燃料極に供給され、発電に用いられる。 A polymer electrolyte fuel cell generates electric power by converting chemical energy of hydrogen into electric energy. Practically, hydrogen used as a fuel for a polymer electrolyte fuel cell is obtained by using natural gas, a hydrocarbon gas such as naphtha, or a raw fuel gas such as alcohol such as methanol and water vapor, which are relatively easy and inexpensive to obtain. It is obtained by mixing and reforming with a fuel reformer. Hydrogen gas obtained by reforming is supplied to the fuel electrode of the fuel cell and used for power generation.
改質の過程では、まず、バーナーの加熱により改質用の触媒温度が400〜600℃に達してから、改質に必要な水蒸気となる改質水を供給する。更なる加熱により改質用触媒温度が600〜700℃に達した後、原燃料が供給され、改質が開始される。
改質を一旦停止させた後、改質を再度開始させる場合、燃料改質装置が十分に冷えていることが必要である。十分に冷えていない場合、供給される改質水が燃料改質装置内の余熱によって突沸を起こし、供給される水蒸気の量が不安定になる。こうした状態で改質を行うと、改質水と原燃料の比率を表すS/C(スチーム/カーボン)比が低下し、改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度が大幅に上昇する。一酸化炭素の濃度が高い改質ガスが燃料電池の燃料極に供給されると、一酸化炭素が燃料極の触媒粒子に付着し、触媒の機能を低下させる。 When reforming is once stopped and then reforming is started again, it is necessary that the fuel reformer is sufficiently cooled. When the cooling water is not sufficiently cooled, the supplied reforming water causes bumping due to the residual heat in the fuel reformer, and the amount of the supplied steam becomes unstable. When reforming is performed in such a state, the S / C (steam / carbon) ratio representing the ratio of reformed water and raw fuel is lowered, and the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas is significantly increased. When the reformed gas having a high carbon monoxide concentration is supplied to the fuel electrode of the fuel cell, the carbon monoxide adheres to the catalyst particles of the fuel electrode, thereby reducing the function of the catalyst.
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、改質開始後の改質水の突沸を抑制することで、改質ガス内の一酸化炭素濃度を低減できる技術の提供にある。 The present invention has been made in view of such problems, and its purpose is to provide a technique capable of reducing the carbon monoxide concentration in the reformed gas by suppressing the bumping of the reformed water after the start of reforming. is there.
本発明のある態様は、燃料改質装置である。当該燃料改質装置は、原燃料および水蒸気から改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に原燃料を供給する燃料供給手段と、前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記燃料供給手段による原燃料の供給を制御する制御部と、を備える燃料改質装置であって、前記水蒸気供給手段は、前記改質器に供給する水蒸気を生成する水蒸気供給部と、前記水蒸気供給部内の水の温度を検知する第1温度検知手段と、を備え、前記制御部は、前記第1温度検知手段により検知される温度に応じて原燃料の供給を制御し、前記水蒸気供給部は、非過熱蒸気を生成する第1加熱部と、前記第1加熱部により生成された非過熱蒸気から過熱蒸気を生成すると共に、生成された過熱蒸気を前記改質器へと供給する第2加熱部と、を備え、前記第1加熱部から前記第2加熱部へと供給される非過熱蒸気が流通する経路上に前記第1温度検知手段が設けられており、前記改質器は、触媒を含み、原燃料と水蒸気を反応させる反応部と、前記反応部を加熱するための燃焼部と、前記反応部の温度を検知する第2温度検知手段と、を備え、前記第2温度検知手段により検知された温度が、触媒反応時に未反応物質および副生成物の発生が抑制されるのに必要な温度を超え、かつ前記第1温度検知手段により検知された温度が、水の沸点を超えて上昇を続け、前記第1温度検知手段により検知される温度の単位時間当たりの変化量が正から負または正からゼロに変化した後に、当該温度が改質水の突沸が生じない温度範囲に該当する場合、前記制御部は、前記燃料供給手段による原燃料の供給を開始させることを特徴とする。
One embodiment of the present invention is a fuel reformer. The fuel reformer includes a reformer that generates reformed gas from raw fuel and steam, a fuel supply unit that supplies raw fuel to the reformer, and a steam supply unit that supplies steam to the reformer And a control unit for controlling the supply of raw fuel by the fuel supply unit, wherein the steam supply unit generates a steam to be supplied to the reformer, First temperature detection means for detecting the temperature of water in the water vapor supply section, and the control section controls the supply of raw fuel according to the temperature detected by the first temperature detection means, and the water vapor A supply part produces | generates superheated steam from the 1st heating part which produces | generates non-superheated steam, and the non-superheated steam produced | generated by the said 1st heating part, and supplies the produced | generated superheated steam to the said reformer. A second heating unit, and the first heating unit The first temperature detecting means is provided on a path through which the non-superheated steam supplied from the section to the second heating section flows, and the reformer includes a catalyst and causes the raw fuel and steam to react with each other. A reaction part, a combustion part for heating the reaction part, and a second temperature detection means for detecting the temperature of the reaction part, the temperature detected by the second temperature detection means being at the time of the catalyst reaction The temperature exceeding the temperature necessary for suppressing the generation of unreacted substances and by-products, and the temperature detected by the first temperature detection means continues to rise above the boiling point of water, and the first temperature detection After the amount of change per unit time of the temperature detected by the means changes from positive to negative or from positive to zero, when the temperature falls within a temperature range where no reforming water bumps occur, the control unit Starting supply of raw fuel by fuel supply means And characterized in that.
本発明によれば、改質開始後の改質水の突沸を抑制することで、改質ガス内の一酸化炭素濃度を低減できる。 According to the present invention, the carbon monoxide concentration in the reformed gas can be reduced by suppressing the bumping of the reformed water after the start of reforming.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、燃料改質装置100を模式的に示すブロック図である。当該燃料改質装置100は、原燃料及び水蒸気から改質ガスを生成する改質器200と、改質器200に原燃料を供給する燃料供給手段と、改質器200に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、制御部900とを備える。制御部900は、主に燃料供給手段による原燃料の供給を制御するが、燃料改質装置100内のその他の部材をも制御することができる。
FIG. 1 is a block diagram schematically showing the
改質器200は、供給された原燃料と水蒸気を反応させる反応部220と、反応部220を加熱するためのバーナー230と、反応部220の温度を測定するための温度計210とを備える。反応部220には原燃料と水蒸気を反応させる際の触媒が含まれる。バーナー230では、図示しない燃料電池で消費されなかった改質ガスが燃焼されてもよい。
The
燃料供給手段は、原燃料源300と、脱硫器310とを備える。原燃料源300は、改質される前の燃料である原燃料を改質器200に供給する。原燃料源300は、原燃料である炭化水素系ガス等を内部に含むガスボンベのような形態であってもよいし、都市ガスを供給源としてガス管と接続されることにより原燃料を供給してもよい。脱硫器310は、原燃料に含まれる硫黄化合物を除去するために使用される。原燃料は、脱硫器310を通過した後、絞り420を通過した水蒸気と混合されて、改質器200に供給される。原燃料源300と脱硫器310の間には、図示しないポンプ、流量計、弁等の制御部材が設けられている。なお、図1において、燃料の移動は二重線によって示される。
The fuel supply means includes a
水蒸気供給手段は、改質器200に供給する水蒸気を生成する水蒸気供給部と、当該水蒸気供給部内の水の温度を検知する温度計430と、水タンク800から供給される水の流量を測定する流量計820とを備える。水蒸気供給部は水タンク800、ポンプ810、蒸発器700、蒸発器610、蒸発器510、過熱蒸気発生部400、フィルタ410及び絞り420を備える。
The steam supply means measures the flow rate of water supplied from the water supply unit that generates steam supplied to the
水タンク800には、図示しない燃料電池から回収された水が貯えられている。回収された水はイオン交換樹脂により濾過された上で水タンク800に収容される。水タンク800内の水が不足した場合には外部から供給される。ポンプ810は、水タンク800内の水を蒸発器700へと供給する。流量計820は、水タンク800から供給される流量を調整するために使用される。制御部900は、流量計820により測定された値を参照し、改質に必要な水量をポンプ810を制御することにより調整する。なお、図1において、水及び水蒸気の移動は破線によって示される。
The
流量計820を通過した水は蒸発器700により約100℃へと加熱され、気体と液体が併存する沸騰状態となる。蒸発器700は熱交換器を含み、バーナー230により加熱された気体であって改質器200から排出された気体の熱が当該熱交換器により水へと供給される。蒸発器700を通過した気体は、燃料改質装置100の外部へと排出される。なお、図1において、改質器200から排出された気体の移動は三重線によって示される。
The water that has passed through the
蒸発器700を通過した沸騰状態の水は、蒸発器610によりさらに加熱される。蒸発器610も熱交換器を含み、CO除去器600で発生する熱が当該熱交換器により沸騰状態の水へと供給される。蒸発器610を通過した沸騰状態の水は、蒸発器510によりさらに加熱される。蒸発器510も熱交換器を含み、CO変成器500で発生する熱が当該熱交換器により沸騰状態の水へと供給される。蒸発器610と蒸発器510を通過した水はまだ沸騰状態であり、2つの蒸発器により供給される熱は潜熱として沸騰状態の水に吸収される。
The boiling water that has passed through the
蒸発器510を通過した沸騰状態の水は、過熱蒸気発生部400によりさらに加熱される。過熱蒸気発生部400による過熱によって気体と液体が併存する沸騰状態の水は、気体のみが存在する過熱蒸気となる。つまり、過熱蒸気は水の沸点を超える温度になった蒸気のことをいう。過熱蒸気発生部400も熱交換器を含み、改質器200により改質された改質ガスの熱が当該熱交換器により沸騰状態の水へと供給され、過熱蒸気が生成される。過熱蒸気発生部400から送り出される過熱蒸気は150℃以上である。
The boiling water that has passed through the
蒸発器510と過熱蒸気発生部400との間には温度計430が設けられている。温度計430は、蒸発器510から過熱蒸気発生部400へと供給される沸騰状態の水の温度を測定する。水蒸気供給手段が改質器200に安定的に水蒸気を供給するためには、図1に示すように複数の蒸発器及び過熱蒸気発生部400により段階的に水を加熱することが好適である。極端な高温加熱によって水から加熱蒸気を急激に生成する場合、水は、突然激しく沸騰する突沸状態となり、改質器200に供給される水蒸気の量が不安定となるためである。蒸発器700、蒸発器610および蒸発器510(第1加熱部)では、過熱蒸気ではない非過熱蒸気が加熱により生成され、過熱蒸気発生部400(第2加熱部)は、これらの蒸発器により生成された非過熱蒸気から過熱蒸気を加熱により生成する。
A
温度計430は、蒸発器510から供給される水が沸点を超えていないことを確認するべく水の温度を測定する。温度計430の位置は、蒸発器510と過熱蒸気発生部400を結ぶ配管に設けられるのが望ましい。蒸発器510および過熱蒸気発生部400の内部に含まれる熱交換器による影響を低減するためである。
The
過熱蒸気発生部400により生成された過熱蒸気はフィルタ410を通過する。フィルタ410の内部にはメッシュ状のSUSが三次元的に配置されている。完全に気化していない水蒸気が存在する場合、フィルタ410により捕捉される。フィルタ410を経由した過熱蒸気は絞り420を通過し、脱硫器310を通過した原燃料と共に改質器200へと供給される。絞り420は、通過する過熱蒸気の抵抗として機能する。改質器200に供給される過熱蒸気の供給量を絞り420によって安定させることができる。
The superheated steam generated by the
反応部220で改質された改質ガスは改質器200から過熱蒸気発生部400へと向かう。なお、図1において、改質ガスの移動は実線によって示される。過熱蒸気発生部400に達する改質ガスの温度は400〜500℃であり、過熱蒸気発生部400内の熱交換器を通して熱が供給される。また、バーナー230により加熱された気体は改質器200から排出される。排出された気体は蒸発器700へと向かい、蒸発器700内の熱交換器を通して熱を供給する。図1では改質器200から排出された気体は直接蒸発器700へと向かうが、過熱蒸気発生部400を経由して熱を供給してから蒸発器700へと向かってもよい。
The reformed gas reformed by the
過熱蒸気発生部400を通過した改質ガスはCO変成器500へと向かう。CO変成器500は、改質器200により生成された改質ガスに含まれる不要生成物である一酸化炭素を低減する。CO変成器500では改質ガス中の一酸化炭素濃度を低下させるため、一酸化炭素と水と反応させ二酸化炭素と水素を生成する。CO変成器500で行われる反応は発熱反応であるが、反応を開始する際には熱が必要である。そのために必要な熱はヒーター520(第3加熱部)により供給され、ヒーター520はCO変成器500内の触媒を加熱する。CO変成器500での反応熱とヒーター520からの熱は、蒸発器510内の熱交換器を通して沸騰状態の水に供給される。
The reformed gas that has passed through the
CO変成器500を通過した改質ガスはCO除去器600へと向かう。CO除去器600も同様に、改質器200により生成された改質ガスに含まれる不要生成物である一酸化炭素を低減する。つまり、CO変成器500とCO除去器600は燃料改質装置100内において不要生成物処理を担当する。改質ガス内の一酸化炭素濃度はCO変成器500により低減されるが、燃料電池で燃料として使用するには一酸化炭素の濃度をさらに低下させる必要がある。CO除去器600では一酸化炭素と酸素とを反応させて二酸化炭素を生成することにより、使用可能な水準まで一酸化炭素濃度を低減する。CO除去器600で行われる反応は発熱反応であるが、反応開始する際には熱が必要である。そのために必要な熱はヒーター620により供給され、ヒーター620はCO除去器600内の触媒を加熱する。CO除去器600での反応熱とヒーター620からの熱は、蒸発器610内の熱交換器を通して沸騰状態の水に供給される。
The reformed gas that has passed through the
CO除去器600を通過した改質ガスは、燃料改質装置100の外部にある燃料電池の燃料極へと供給される。
The reformed gas that has passed through the
図2は、燃料改質装置100の通常時の起動シーケンスを示すフローチャートである。燃料改質装置100が起動されると、改質器200内のバーナー230が反応部220の加熱を開始する。さらにCO変成器500内のヒーター520、CO除去器600内のヒーター620も加熱を開始する。制御部900は、反応部220の温度を測定する温度計210の測定値を監視する。測定値が500℃未満の場合(S10のN)、制御部900は測定値の監視を続ける。温度計210の測定値が500℃以上になると(S10のY)、制御部900はポンプ810を起動させ、水タンク800から改質水の供給を開始させる(S12)。
FIG. 2 is a flowchart showing a normal startup sequence of the
改質水の供給が開始された後も制御部900は温度計210の測定値を監視する。測定値が600℃未満の場合(S14のN)、制御部900は測定値の監視を続ける。温度計210の測定値が600℃以上になると(S14のY)、制御部900は原燃料源300から原燃料の供給を開始させる(S16)。これにより、改質器200では、原燃料と水蒸気による改質が行われる。
The
図3は、起動シーケンスにおける温度計210及び温度計430の温度変化を模式的に示すグラフである。図3を用いて図2の起動シーケンスを説明する。図2において説明した通常時の起動シーケンスは図3において破線で示される。
FIG. 3 is a graph schematically showing temperature changes of the
燃料改質装置100が起動されるとバーナー230により反応部220の加熱が開始されるため、温度計210の測定値が上昇し始める。燃料改質装置100の起動開始から時間t3が経過した時点で温度計210の測定値は500℃に達する。図2のS12で示されるように水タンク800から改質水の供給が開始される。
When the
改質水の供給開始に伴い、時間t3後、温度計430の測定値は約100℃まで急速に上昇する。時間t3以前の温度計430の測定値が低い値で推移しているのは、まだ改質水が供給されていないため、温度計430は過熱蒸気発生部400と蒸発器510を繋ぐ配管の温度を測定しているにすぎないからである。
With the start of the supply of the reforming water, the measured value of the
温度計210の測定値は時間t3以後も上昇を続け、時間t4に600度に達する。図2のS16で示されるように原燃料源300から原燃料が供給され、改質器200で改質が開始される。温度計210の測定値が時間t4以後も600℃を超えた状態で安定しているのは、600℃を下回らないように制御部900によりバーナー230の加熱が調整されているためである。600℃を下回った状態で改質が行われると、反応部220内での触媒反応時に未反応物質および副生成物が発生するためである。ここでの未反応物質とは原燃料であり、副生成物には二酸化炭素、原燃料よりも炭素数が少ない炭化水素、炭素(カーボン)などが含まれる。
Measurement of the
温度計430の測定値は、時間t3以後、100℃前後で安定している。時間t3からt4まで供給される改質水は蒸発器700による加熱、ヒーター620の熱による蒸発器610での加熱、ヒーター520の熱による蒸発器510での加熱を経て、温度計430の位置では沸騰状態の水となる。そのため、時間t3からt4で温度計430の測定値は100℃前後の値で推移する。
The measured value of the
一方、時間t4以後は改質が開始されるため、改質水は蒸発器700による加熱、CO除去器600での反応熱による蒸発器610での加熱、CO変成器500での反応熱による蒸発器510での加熱を経て、温度計430の位置で沸騰状態の水となる。その結果、時間t3からt4と同様に温度計430の測定値は100℃前後で推移する。
On the other hand, since the reforming is started after time t 4 , the reformed water is heated by the
次に、ホットスタート時の燃料改質装置100の起動について説明する。ホットスタートとは、燃料改質装置100を停止させた後、蒸発器700、蒸発器610及び蒸発器510内に余熱が存在する状態で燃料改質装置100を再度起動させることをいう。一方、図2で説明した通常時の起動とは、燃料改質装置100の停止後、蒸発器700、蒸発器610及び蒸発器510が十分に冷やされ、これらの蒸発器内に余熱が存在しない状態で燃料改質装置100を起動させるこという。
Next, activation of the
ホットスタート時の起動は図3において実線で示される。ホットスタートの場合、反応部220内にも余熱が残っているため、起動の際の温度計210の測定値が通常時に比べて高い。その後、通常時の時間t3よりも早い時間t1において温度計210の測定値が500℃に達する。制御部900は改質水の供給を開始させる。これにより、温度計430の測定値も上昇し始める。
The activation at the hot start is indicated by a solid line in FIG. In the case of a hot start, since residual heat remains in the
ホットスタートの場合、温度計210の測定値が500℃を超えてから600℃に達するまでの時間が短く、時間t2で600℃に達する。この時点で温度計430の測定値はまだ上昇を続けており、通常時のように100℃前後の値で推移していない。これは蒸発器700、蒸発器610及び蒸発器510内に存在する余熱によって、改質水が急激に加熱されるためである。そのため、時間t2後も温度計430の測定値はしばらく上昇を続ける。
In the case of hot start, the time until the measured value of the
温度計430の測定値が100℃前後で推移する前に100℃を超えて上昇を続けるのは、通常時と異なり、供給される改質水が過熱蒸気発生部400に達する前に加熱蒸気となっているからである。通常時であれば複数の蒸発器により改質水は段階的に加熱され、過熱蒸気発生部400において過熱蒸気が生成されるが、ホットスタート時の起動では余熱により複数の蒸発器のいずれかにおいて過熱蒸気が発生している。そのため、温度計430が水の沸点を超えて上昇を続ける。
Unlike the normal time, the measured value of the
通常時のように改質水が徐々に加熱され、昇温される場合、改質水は改質器200に安定的に供給される。しかし、ホットスタート時のように改質水が急激に加熱されると、改質水は突沸を起こし、改質器200に供給される過熱蒸気の量が不安定になる。その結果、改質ガス内の一酸化炭素濃度が大幅に上昇する。よって、ホットスタート時の起動においても過熱蒸気を改質器200に安定的に供給する必要がある。
When the reforming water is gradually heated and raised in temperature as usual, the reforming water is stably supplied to the
図4は、ホットスタート時の問題を考慮した燃料改質装置100の起動シーケンスを示すフローチャートである。燃料改質装置100が起動されると、制御部900は、温度計210の測定値を監視する。測定値が500℃未満の場合(S18のN)、制御部900は測定値の監視を続ける。温度計210の測定値が500℃以上になると(S18のY)、制御部900はポンプ810を起動させ、改質水の供給を開始させる(S20)。ここまでは、通常時の起動シーケンスと同様である。
FIG. 4 is a flowchart showing a startup sequence of the
改質水の突沸が生じないためには、温度計430の測定値が90℃以上120℃以下に該当すればよい。温度計430の測定値が100℃前後で推移していれば、温度計430を通過する改質水は沸騰状態であり、複数の蒸発器のいずれにおいても改質水が過熱蒸気となるような急激な加熱が行われていないからである。1気圧下において水の沸点は100℃であるが、燃料改質装置100が使用される環境の変化を考慮して設定値に幅を持たせるために温度範囲を90℃以上120℃以下に設定している。
In order to prevent bumping of the reformed water, the measured value of the
しかし、ホットスタート時の起動では温度計210の測定値が500℃を超えた後、温度計430の測定値が100℃前後で推移する前に90℃以上120℃以下の範囲に該当する場合がある。例えば、図3において時間t1で温度計210の測定値が500℃に達した後、温度計430の測定値は上昇を続け、時間t2の手前で90℃以上120℃以下の範囲に該当する。これは温度計430の測定値が100℃前後で推移しているためではなく、蒸発器内の余熱により当該測定値が上昇を続けているためである。
However, in the start-up at the time of hot start, after the measured value of the
こうした場合にも対応するため、温度計430の測定値の単位時間当たりの変化量(すなわち図3のグラフにおける傾き)が正から負または正からゼロへと変化(S21のY)した後に、制御部900は、温度計430の測定値が90℃以上120℃以下の範囲に該当するか否かを判定する(S22)。なお、当該変化量が正から負または正からゼロへと変化していない場合(S21のN)、制御部900は当該変化量の監視を続ける。
In order to cope with such a case, after the change amount per unit time of the measured value of the thermometer 430 (that is, the slope in the graph of FIG. 3) changes from positive to negative or from positive to zero (Y in S21), the control is performed. The
温度計430の測定値がその範囲に該当しない場合(S22のN)、制御部900は温度計430の測定値の監視を続ける。温度計430の測定値がその範囲に該当する場合(S22のY)、制御部900は温度計210の測定値が600℃以上であることを確認し(S24のY)、原燃料の供給を開始させる(S26)。こうした手順により、温度計430の測定値が未だ100℃前後で推移していない場合であって90℃以上120℃以下の範囲に該当する場合であれば、改質水の突沸を抑制しつつ、改質を行うことができる。
When the measured value of the
[実施例1]
図4による起動シーケンスを実証するため、ホットスタートに対して通常時の起動シーケンスを行う場合と、ホットスタートに対して図4による起動シーケンスを行う場合の実験を行った。図5は、通常時の起動シーケンスを行った場合の温度計210の測定値、温度計430の測定値および改質ガス内に含まれる一酸化炭素濃度を示すグラフである。
[Example 1]
In order to verify the startup sequence according to FIG. 4, experiments were performed in the case where the normal startup sequence is performed for the hot start and the case where the startup sequence is performed according to FIG. 4 for the hot start. FIG. 5 is a graph showing the measured value of the
通常時の起動シーケンスの場合、図2に示されるように制御部900は温度計430の測定値を参照しない。つまり、温度計210の測定値が500℃に達する時間t5で改質水の供給が開始され、温度計210の測定値が600℃に達する時間t6で原燃料の供給が開始される。温度計430の測定値は、t6以後に120℃を超える水準まで上昇しており、改質水は過熱蒸気発生部400に達する前に過熱蒸気となっていることがわかる。
In the normal startup sequence, the
一酸化炭素濃度は、温度計430の測定値が120℃を超えた後に急激に上昇し、30分前後では800ppmを超える。燃料電池内の触媒の機能を保護するためには改質ガス内の一酸化炭素濃度を10ppm以下に抑える必要がある。図5では、一酸化炭素濃度が800ppmを超えていることから、ホットスタートに対して通常時の起動シーケンスを行った場合、生成される改質ガスは燃料電池での使用に適さない。
The carbon monoxide concentration rises rapidly after the measured value of the
図6は、図4の起動シーケンスを行った場合の温度計210の測定値、温度計430の測定値および改質ガス内に含まれる一酸化炭素濃度を示すグラフである。時間t7で温度計210の測定値は500℃に達する。その後、15分の手前で温度計210の測定値は600℃に達するが、温度計430測定値の単位時間当たりの変化量は正である。当該変化量は15分過ぎに正から負へと変化し、温度計430の測定値は20分の手前で120℃以下となる。しかし、その時点では温度計210の測定値が600℃を下回っているため、原燃料の供給は開始されない。時間t8で温度計210の測定値が再度600℃に達し、制御部900は原燃料の供給を開始させる。
FIG. 6 is a graph showing the measured value of the
図4の起動シーケンスを行った場合、改質ガスに含まれる一酸化炭素濃度は、改質が開始される時間t8以後もほとんど変化がない。実験データによれば時間t8以後の一酸化炭素濃度は2〜3ppmで安定している。図4の起動シーケンスによれば、改質水の突沸が落ち着いた後に改質の開始することができ、燃料電池での使用に適合する改質ガスを生成できる。 When performing the activation sequence of FIG. 4, the carbon monoxide concentration in the reformed gas, there is little change time t 8 subsequent reforming is started. The carbon monoxide concentration time t 8 after According to the experimental data is stable at 2~3Ppm. According to the startup sequence of FIG. 4, reforming can be started after the sudden boiling of reforming water has settled, and reformed gas suitable for use in a fuel cell can be generated.
[実施例2]
図7は、ホットスタートに対応する起動シーケンスであって時間に着目した起動シーケンスを示すフローチャートである。温度計210の測定値が500℃に達すると(S28のY)、制御部900は改質水の供給を開始させる(S30)。複数の蒸発器内に存在する余熱は、供給される改質水によって徐々に奪われる。改質水の供給後、ある程度の時間が経過した後であれば、余熱が十分に奪われ、これら蒸発器で改質水が突沸することはない。
[Example 2]
FIG. 7 is a flowchart showing an activation sequence corresponding to hot start and focusing on time. When the measured value of the
改質水の供給後、制御部900は、余熱が十分に奪われるまで所定の時間待機する(S32)。その後は同様に、制御部900は温度計430の測定値が90℃以上120℃以下の範囲に該当するかを確認し(S34)、温度計210の測定が600℃に達した上で(S36のY)原燃料の供給を開始させる(S38)。
After supplying the reforming water, the
起動シーケンスを待機させる所定の時間について実験により確認したところ、改質水の供給後、5分以上待機させることにより、改質ガス内の一酸化炭素濃度を10ppm未満に抑えることができた。 When a predetermined time for waiting for the start-up sequence was confirmed by experiments, the carbon monoxide concentration in the reformed gas could be suppressed to less than 10 ppm by waiting for 5 minutes or longer after the reforming water was supplied.
[実施例3]
図8は、ホットスタートに対応する起動シーケンスであって改質反応をより早く開始させるための起動シーケンスを示すフローチャートである。温度計210の測定値が500℃に達すると(S40のY)、制御部900は改質水の供給を開始させる(S42)。複数の蒸発器内に存在する余熱は、供給される改質水によって徐々に奪われる。
[Example 3]
FIG. 8 is a flowchart showing an activation sequence corresponding to the hot start and for starting the reforming reaction earlier. When the measured value of the
制御部900は温度計430の測定値を監視する。温度計430の測定値が100℃前後で推移するまでに120℃を超えない場合(S44のN)、複数の蒸発器内のいずれにおいても改質水の突沸が生じていないため、制御部900は、温度計210の測定値が600℃に達した上で(S50のY)原燃料の供給を開始させる(S52)。
The
温度計430の測定値が100℃前後で推移する前に120℃を超える場合(S44のY)、複数の蒸発器内のいずれかで改質水の突沸が生じている。これらの蒸発器内には余熱がまだ十分に存在するため、制御部900は改質水の流量を増量させることで(S46)、蒸発器内の余熱をより早く奪うことができる。流量の増量後、温度計430測定値の単位時間当たりの変化量が正から負へと変化し、温度計430の測定値が120℃以下になれば(S48のY)、制御部900は改質水の流量を元に戻す(S49)。制御部900は、温度計210の測定が600℃に達した上で(S50のY)原燃料の供給を開始させる(S52)。
If the measured value of the
図8の起動シーケンスを実際に行ったところ、流量を変化させない場合に比べより短時間で温度計430の測定値が120℃以下となり、改質反応をより早く開始させることができた。また、改質ガス内の一酸化炭素濃度を10ppm未満に抑えることができた。
When the startup sequence in FIG. 8 was actually performed, the measured value of the
[実施例4]
図9は、ホットスタートに対応する起動シーケンスであって改質反応をより早く開始させるための起動シーケンスを示すフローチャートである。温度計210の測定値が500℃に達すると(S54のY)、制御部900は改質水の供給を開始させる(S56)。複数の蒸発器内に存在する余熱は、供給される改質水によって徐々に奪われる。
[Example 4]
FIG. 9 is a flowchart showing an activation sequence corresponding to the hot start and for starting the reforming reaction earlier. When the measured value of the
制御部900は、温度計430の測定値を監視する。温度計430の測定値が100℃前後で推移するまでに120℃を超えない場合(S58のN)、複数の蒸発器内のいずれにおいても改質水の突沸が生じていないため、制御部900は、温度計210の測定値が600℃に達した上で(S66のY)原燃料の供給を開始させる(S68)。
The
温度計430の測定値が100℃前後で推移する前に120℃を超える場合(S58のY)、複数の蒸発器内のいずれかで改質水の突沸が生じている。よって、これらの蒸発器内にはまだ余熱が十分に存在する。
When the measured value of the
燃料改質装置100で起動シーケンスが開始されると、改質器200のバーナー230による加熱が開始される。バーナー230により加熱された気体は蒸発器700へと送られ、余熱を奪う改質水に更に熱を供給する。そのため、制御部900はバーナー230による加熱を停止させることで(S60)、複数の蒸発器内の余熱をより早く奪うことができる。
When the start-up sequence is started in the
バーナー230の停止後、温度計430測定値の単位時間当たりの変化量が正から負へと変化し、温度計430の測定値が120℃以下になれば(S62のY)、制御部900はバーナー230による加熱を再開させる(S64)。制御部900は、温度計210の測定値が600℃に達した上で(S66のY)原燃料の供給を開始させる(S68)。
If the amount of change per unit time of the
図9の起動シーケンスを実際に行ったところ、バーナー230を停止しない場合に比べより短時間で温度計430の測定値が120℃以下となり、改質反応をより早く開始させることができた。また、改質ガス内の一酸化炭素濃度を10ppm未満に抑えることができた。
When the starting sequence of FIG. 9 was actually performed, the measured value of the
[実施例5]
図10は、ホットスタートに対応する起動シーケンスであって改質反応をより早く開始させるための起動シーケンスを示すフローチャートである。温度計210の測定値が500℃に達すると(S70のY)、制御部900は改質水の供給を開始させる(S72)。複数の蒸発器内に存在する余熱は、供給される改質水によって徐々に奪われる。
[Example 5]
FIG. 10 is a flowchart showing an activation sequence corresponding to the hot start and for starting the reforming reaction earlier. When the measured value of the
制御部900は、温度計430の測定値を監視する。温度計430の測定値が100℃前後で推移するまでに120℃を超えない場合(S74のN)、複数の蒸発器内のいずれにおいても改質水の突沸が生じていないため、制御部900は、温度計210の測定が600℃に達した上で(S82のY)原燃料の供給を開始させる(S84)。
The
温度計430の測定値が100℃前後で推移する前に120℃を超える場合(S74のY)、複数の蒸発器内のいずれかで改質水の突沸が生じている。よって、これらの蒸発器内にはまだ余熱が十分に存在する。
If the measured value of the
燃料改質装置100で起動シーケンスが開始されると、CO変成器500およびCO除去器600内の触媒を加熱するべくヒーター520およびヒーター620がそれぞれ加熱を開始する。これらヒーターからの熱の一部は、蒸発器510および蒸発器610内の熱交換器により、余熱を奪う改質水に更に供給される。そのため、制御部900はこれらのヒーターによる加熱を停止させることで(S76)、蒸発器内の余熱をより早く奪うことができる。
When the start-up sequence is started in the
ヒーター520およびヒーター620の停止後、温度計430測定値の単位時間当たりの変化量が正から負へと変化し、温度計430の測定値が120℃以下になれば(S78のY)、制御部900はバーナー230による加熱を再開させる(S80)。制御部900は、温度計210の測定値が600℃に達した上で(S82のY)原燃料の供給を開始させる(S84)。
After the
図10の起動シーケンスを実際に行ったところ、ヒーターを停止しない場合に比べより短時間で温度計430の測定値が120℃以下となり、改質反応をより早く開始させることができた。また、改質ガス内の一酸化炭素濃度を10ppm未満に抑えることができた。
When the startup sequence of FIG. 10 was actually performed, the measured value of the
[実施例6]
図11は、ホットスタートに対応する起動シーケンスを示すフローチャートである。温度計210の測定値が500℃に達すると(S86のY)、制御部900は改質水の供給を開始させる(S88)。
[Example 6]
FIG. 11 is a flowchart showing an activation sequence corresponding to hot start. When the measured value of the
制御部900は、温度計210の測定値を監視する。温度計210の測定値が600℃未満の場合(S90のN)、制御部900は監視を続ける。温度計210の測定値が600℃以上の場合(S90のY)、制御部900は温度計430の測定値を監視する。温度計430の測定値が90℃以上120℃以下に該当しない場合(S92のN)、制御部900は監視を続ける。温度計430の測定値が90℃以上120℃以下に該当する場合(S92のY)、制御部900は原燃料の供給を開始させる(S94)。
The
図10までの起動シーケンスは、温度計430の測定値が90℃以上120℃以下に該当した後に、温度計210の測定値が600℃以上であることを確認していた。しかし、図11の起動シーケンスは、その判断の順序を入れ替えている。図11の起動シーケンスを実際に行ったところ、改質ガス内の一酸化炭素濃度を10ppm未満に抑えることができた。
The startup sequence up to FIG. 10 confirms that the measured value of the
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えたり、実施の形態を組み合わせたりすることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes and combinations of the embodiments can be made based on the knowledge of those skilled in the art. Embodiments to which various modifications are added can also be included in the scope of the present invention.
100 燃料改質装置、 200 改質器、 210 温度計、 220 反応部、 230 バーナー、 300 原燃料源、 310 脱硫器、 400 過熱蒸気発生部、 410 フィルタ、 420 絞り、 430 温度計、 500 CO変成器、 510 蒸発器、 520 ヒーター、 600 CO除去器、 610 蒸発器、 620 ヒーター、 700 蒸発器、 800 水タンク、 810 ポンプ、 820 100 fuel reformer, 200 reformer, 210 thermometer, 220 reactor, 230 burner, 300 raw fuel source, 310 desulfurizer, 400 superheated steam generator, 410 filter, 420 throttle, 430 thermometer, 500 CO conversion , 510 evaporator, 520 heater, 600 CO remover, 610 evaporator, 620 heater, 700 evaporator, 800 water tank, 810 pump, 820
Claims (5)
前記改質器に原燃料を供給する燃料供給手段と、
前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
前記燃料供給手段による原燃料の供給を制御する制御部と、
を備える燃料改質装置であって、
前記水蒸気供給手段は、
前記改質器に供給する水蒸気を生成する水蒸気供給部と、
前記水蒸気供給部内の水の温度を検知する第1温度検知手段と、
を備え、
前記制御部は、前記第1温度検知手段により検知される温度に応じて原燃料の供給を制御し、
前記水蒸気供給部は、
非過熱蒸気を生成する第1加熱部と、
前記第1加熱部により生成された非過熱蒸気から過熱蒸気を生成すると共に、生成された過熱蒸気を前記改質器へと供給する第2加熱部と、
を備え、
前記第1加熱部から前記第2加熱部へと供給される非過熱蒸気が流通する経路上に前記第1温度検知手段が設けられており、
前記改質器は、
触媒を含み、原燃料と水蒸気を反応させる反応部と、
前記反応部を加熱するための燃焼部と、
前記反応部の温度を検知する第2温度検知手段と、
を備え、
前記第2温度検知手段により検知された温度が、触媒反応時に未反応物質および副生成物の発生が抑制されるのに必要な温度を超え、かつ
前記第1温度検知手段により検知された温度が、水の沸点を超えて上昇を続け、前記第1温度検知手段により検知される温度の単位時間当たりの変化量が正から負または正からゼロに変化した後に、当該温度が改質水の突沸が生じない温度範囲に該当する場合、
前記制御部は、前記燃料供給手段による原燃料の供給を開始させることを特徴とする燃料
改質装置。 A reformer that generates reformed gas from raw fuel and steam;
Fuel supply means for supplying raw fuel to the reformer;
Steam supply means for supplying steam to the reformer;
A control unit for controlling supply of raw fuel by the fuel supply means;
A fuel reformer comprising:
The water vapor supply means
A steam supply section for generating steam to be supplied to the reformer;
First temperature detection means for detecting the temperature of water in the water vapor supply unit;
With
The control unit controls the supply of raw fuel according to the temperature detected by the first temperature detection means,
The water vapor supply unit
A first heating unit that generates non-superheated steam;
A second heating unit that generates superheated steam from the non-superheated steam generated by the first heating unit and supplies the generated superheated steam to the reformer;
With
The first temperature detection means is provided on a path through which the non-superheated steam supplied from the first heating unit to the second heating unit flows;
The reformer is
A reaction section containing a catalyst and reacting raw fuel with water vapor;
A combustion section for heating the reaction section;
Second temperature detection means for detecting the temperature of the reaction section;
With
The temperature detected by the second temperature detecting means exceeds the temperature necessary for suppressing the generation of unreacted substances and by-products during the catalytic reaction, and the temperature detected by the first temperature detecting means is After the boiling point of water continues to rise and the amount of change per unit time of the temperature detected by the first temperature detecting means changes from positive to negative or from positive to zero, If it falls within the temperature range where no
The said control part starts supply of the raw fuel by the said fuel supply means, The fuel reformer characterized by the above-mentioned.
前記制御部は、前記水蒸気供給手段により供給する改質水の流量を増加させることにより、当該温度を低下させることを特徴とする請求項1に記載の燃料改質装置。2. The fuel reformer according to claim 1, wherein the control unit decreases the temperature by increasing a flow rate of reforming water supplied by the steam supply unit.
前記制御部は、前記燃焼部による加熱を抑制することにより、当該温度を低下させることを特徴とする請求項1に記載の燃料改質装置。The fuel reformer according to claim 1, wherein the control unit reduces the temperature by suppressing heating by the combustion unit.
前記不要生成物処理部内の触媒を加熱するための第3加熱部と、A third heating unit for heating the catalyst in the unnecessary product processing unit;
をさらに備え、Further comprising
前記第1温度検知手段により検知された温度が、前記第3加熱部の熱で加熱された改質水の突沸が生じない温度範囲を高温側に超えている場合、When the temperature detected by the first temperature detecting means exceeds the temperature range where no bumping of the reformed water heated by the heat of the third heating unit occurs on the high temperature side,
前記制御部は、前記第3加熱部による加熱を抑制することにより、当該温度を低下させることを特徴とする請求項1に記載の燃料改質装置。2. The fuel reformer according to claim 1, wherein the control unit reduces the temperature by suppressing heating by the third heating unit.
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