JP5634986B2 - 水素生成装置及びこれを備える燃料電池システム - Google Patents
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Description
水素生成装置においては、600℃〜700℃程度の温度環境で、吸熱反応である改質反応が進行するので、この改質反応の進行には改質触媒層を加熱する必要がある。改質触媒層の加熱手段として、燃焼バーナを用いるのが一般的である。燃焼バーナでは、燃焼バーナの燃料として有機化合物を含む原燃料や燃料電池で使用されなかったオフ燃料ガスなどが供給されるとともに、酸化ガスとして空気などが供給され、これにより、これらの混合気の燃焼が起こる。このような混合気の燃焼を起こすには、燃焼バーナを初期に着火をさせる必要があり、着火方法として、イグナイター(着火器)などで電気的な火花を発生させるのが一般的である。
ところで、供給系のゆらぎや外乱などにより、燃焼バーナの火炎が消える場合がある(以下、このような火炎が消える事象を「失火」という)。燃焼バーナが失火すると、改質反応に必要な熱を改質器に供給できなくなるので、改質器において水素ガスを生成できない。よって、燃料電池による電力および熱の生成が継続できない。
そこで、上記水素生成装置の改質器暖機モードにおいて燃焼バーナが失火した場合、燃料電池をバイパスするバイパス管に設けた開閉弁を閉じ、水素生成装置の出口を封止し、燃焼バーナへの燃料の供給を停止して、空気などの酸化ガスにより燃焼バーナを掃気した後、再度、燃焼バーナを着火するという停止処理が提案されている(例えば、特許文献1参照)。なお、上記改質器暖機モードにおいては、改質器で水蒸気改質反応が進行し、生成された水素含有ガスがバイパス管を介して燃焼バーナに供給されるよう構成されている。
従来例の燃料電池システムでは、上述のとおり、改質反応が進行している改質器暖機モードにおいて燃焼バーナが失火した場合、バイパス管が閉止され、水素生成装置が封止された状態になる。
ここで、水素生成装置に継続投入された改質水からの水蒸気生成に伴う急激なガス量増加により封止された水素生成装置の内圧が上昇し、水素生成装置の構成部材に圧力負荷が生じる。なお、燃焼器の失火後に水素生成器内に改質水が継続的に供給されなくても、水素生成装置内に残留する改質水の水蒸発に伴い急激に内圧上昇し、上記と同様の問題が起こることが想定される。
また、本発明の水素生成装置は、前記燃焼器から排出される排気ガスと熱媒体との間の熱交換が行われる熱交換器と、前記熱媒体が流れる熱媒体経路と、前記熱媒体経路の前記熱媒体を流すためのポンプと、前記熱媒体により回収した熱が蓄えられる蓄熱器と、を備え、前記着火器による前記着火動作中において、前記制御器は、前記ポンプを動作させる。
また、本発明の水素生成装置は、前記着火動作の動作期間は、起動処理における前記燃焼器の燃焼開始時の着火動作の動作期間よりも短い。
かかる構成により、水素生成装置から送出されたガスを燃焼器に供給するガス流路を連通/遮断する開閉弁の開放を維持した状態で、着火器の着火動作を実行するという燃焼器の失火対策が試みられる。
「改質反応」は、水蒸気改質反応、オートサーマル反応のいずれの場合も含む。
また、第6の形態の水素生成装置は、第1または第2の形態の水素生成装置において、燃焼器から排出される排気ガスと熱媒体との間の熱交換が行われる熱交換器と、熱媒体が流れる熱媒体経路と、前記熱媒体経路に熱媒体を流すためのポンプと、熱媒体により回収した熱が蓄えられる蓄熱器と、を備えてもよい。
そして、着火器による着火動作中において、制御器は、上記ポンプを動作させてもよい。
かかる構成により、燃焼器において燃焼がなされていない着火器による着火動作中においても、排気ガスと熱媒体との間の熱交換が適切に行われ、ひいては、排気ガスからの熱回収が適切に行われる。
「熱交換器」は、高温の流体(加熱流体)と低温の流体(受熱流体)とが持っている熱を交換することを目的とした装置であれば、どのような構成でもよい。
ただし、燃料電池システムの熱効率を考慮すれば、排気ガス中の熱が熱交換により回収されることが好ましい。回収熱は、例えば、給湯、床暖房などの用途に用いるとよい。この場合、「熱媒体経路」は、蓄熱器(例えば、給湯用の貯湯タンクや床暖房を構成する経路)に接続される配管を用いるとよい。
「熱媒体」は、液体であることが好ましく、例えば、液体の水、不凍液などを用いることができる。
「ポンプ」は、熱媒体経路内に熱媒体を流すことができるものであれば、どのような構成でもよい。
「排気ガス」とは、燃焼器から排出されるガスを指し、燃焼燃料と燃焼空気の混合気の燃焼によって生じた燃焼排ガスや燃焼器の燃焼停止時の燃焼空気などが、「排気ガス」の一例である。
また、第7の形態の水素生成装置では、第1または第2の形態の水素生成装置において、上記着火器の着火動作の動作期間は、起動処理における燃焼器の燃焼開始時の着火器の着火動作の動作期間よりも短くしてもよい。
以下、本発明の実施の形態1の水素生成装置の具体的な構成例および動作例について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施の形態1の水素生成装置の一構成例を示したブロック図である。
以下、本発明の実施の形態1の水素生成装置100の通常の動作例を述べる。なお、以下の動作は、制御器30によって、水素生成装置100の各部が制御されることにより、遂行される。
水素生成装置100の起動処理は、起動前(例えば、後述の待機状態)の水素生成装置100を動かして高濃度の水素含有ガスを安定した生成できる状態にする工程であり、この起動処理では、水素生成器1の温度を適温にまで上昇させる昇温処理が行われる。
水素生成装置100の水素供給工程は、水素生成器1において生成された水素ガスを水素利用機器7へ供給する工程である。
水素生成装置100の停止処理は、水素生成装置100での水素ガスの生成を停止する工程である。
水素生成装置100の待機状態は、上記停止処理が完了した後に、次の起動に入る指示があるまで次回の起動に備えて待機している工程である。
燃焼器2に燃焼バーナを用いる場合、燃焼器2の火炎が消えて失火する場合がある。燃焼器2の失火の原因には、燃焼燃料の供給量と燃焼空気の供給量との間のバランスの過渡的な乱れなどが考えられている。特に、水素含有ガスの生成を行っている際には、水素生成器に供給された水が蒸発する際の急激な体積膨張に伴い燃焼器2に流入する可燃性ガス量が変動し、失火しやすい。
以下、本発明の実施の形態2の水素生成装置の具体的な構成例および動作例について、図面を参照しながら説明する。
図2は、本発明の実施の形態2の水素生成装置の一構成例を示したブロック図である。
図2に示すように、本実施形態の水素生成装置110では、実施の形態1の水素生成装置100に対し、燃焼器2から排出される排気ガスと第1熱媒体経路201を流れる第1熱媒体(例えば、液体の水や不凍液)との熱交換による排熱回収機構が追加されている。
排気ガスが、第1熱交換器11での加熱流体となる。よって、燃焼器2から排出される排気ガスが、燃焼排ガス経路10に導かれ、当該排気ガスが第1熱交換器11を用いて冷却される。また、第1熱媒体が、第1熱交換器11での受熱流体となる。よって、上記熱交換により、第1熱媒体は加熱され、第1熱交換器11を通過した高温の第1熱媒体が第1蓄熱器202に入り、そこに蓄えられる。
かかる構成により、水素生成装置110外に排出される高温の排気ガスが、上記熱交換により冷却されるので都合がよい。また、排気ガスの熱が、上記熱交換により回収され利用できるので都合がよい。
[水素生成装置の動作例]
本実施形態の水素生成装置110では、水素生成装置110の起動処理において水素含有ガスを生成している際に燃焼器2が失火した後の着火器5の着火動作期間中、及び失火異常停止処理の昇圧抑制動作中の少なくともいずれかにおいて、第1ポンプ200の作動によって、第1熱交換器11を介して排気ガスからの熱回収が第1熱媒体により行われる。
水素生成装置110の起動処理および水素供給運転では、燃焼器2での混合気の燃焼が行われる。ここで、第1ポンプ200を動作させ、このような燃焼によって高温化された排気ガス(ここでは、混合気の燃焼によって生じた燃焼排ガス)から第1熱交換器11を介して第1熱媒体経路201を流れる第1熱媒体が熱回収を行う。これにより、水素生成装置110外に排出される高温の排気ガスが、熱交換器11を介した熱回収により冷却される。
一方、上記水素生成装置110の起動処理時の燃焼器2の失火後の着火器5の着火動作期間中、及び失火異常停止処理の昇圧抑制動作中においては、燃焼器2での混合気の燃焼が行われない。但し、この場合でも、高温状態の燃焼器2や水素生成器1が、排気ガスの加熱源として存在する。特に、水素生成装置110の失火異常停止処理開始直後は、燃焼空気供給器4の操作量を大きくして燃焼空気の流速が速くなるので、多くの熱量が燃焼器2や水素生成器1から排気ガス(ここでは、主として燃焼空気)によって持ち出され、排気ガスは高温化する傾向にある。よって、燃焼器2の失火後の着火器5の着火動作期間中、及び失火異常停止処理の昇圧抑制動作中の少なくともいずれか一方において、第1ポンプ200を動作させ、第1熱交換器11を介して第1熱媒体が上記排気ガスより熱回収を行う。このように、燃焼器2での混合気の燃焼が実行されていないにも関わらず、燃焼空気供給器4の動作期間中は、第1熱交換器11を介して第1熱媒体による排気ガスからの熱回収動作を行うことが好ましい。
以上のとおり、本実施形態の水素生成装置110は、燃焼器2から排出される排気ガスと第1熱媒体との間の熱交換が行われる第1熱交換器11と、第1熱媒体が流れる第1熱媒体経路201と、第1熱媒体経路201に第1熱媒体を流す第1ポンプ200と、第1熱媒体の熱が蓄えられる第1蓄熱器202と、を備える。そして、燃焼器2の失火後の着火器5による着火動作中、及び失火異常停止処理において燃焼器2が燃焼していない状態で、燃焼空気供給器4から燃焼空気を供給する期間中の少なくともいずれか一方において、制御器30は、第1ポンプ200を作動させることにより、熱交換器11を介して第1熱媒体による排気ガスの熱回収を実行している。
(実施の形態3)
図3は、本発明の実施の形態3の燃料電池システムの一構成例を示したブロック図である。
以下、本発明の実施の形態3の燃料電池システム200の通常の動作例を述べる。なお、以下の動作は、制御器30によって、燃料電池システム200の各部が制御されることにより、遂行される。
起動処理において、水素生成器1において高濃度の水素を含む水素含有ガスが安定に生成できる温度にまで、水素生成器1の改質触媒層が充分に昇温されると、上記第1の供給例から第2の供給例に切替えて水素含有ガスを燃料電池に供給開始する。燃料電池は、水素生成装置110より供給された水素含有ガスと、酸化剤ガス供給器(図示せず)により供給された酸化剤ガス(例えば、空気)を用いて発電する。
燃料電池システムの停止処理は、燃料電池の発電と、水素生成装置110の水素含有ガスの生成を停止する工程である。
本実施形態の燃料電池システム200では、起動処理において水素生成装置110が水素含有ガスの生成を行っている状態において燃焼器2が失火した時に、実施の形態1の水素生成装置と同様に第1開閉弁8Aの開放状態を維持するとともに、原燃料供給器20による水素生成器1への原燃料供給、水供給器12による水素生成器1への水供給、及び燃焼空気供給器4からの燃焼空気の供給を継続して、着火器5による着火動作を実行するよう構成されている。これにより、本実施の形態の燃料電池システム200は、実施の形態1の水素生成装置100と同様に、燃焼器の失火後の着火動作において水蒸発に伴うガス量増加により水素生成装置に加わる圧力ダメージが従来よりも低減される。
上記実施の形態3の燃料電池システムにおいては、起動処理において水素生成装置110で水素含有ガスの生成が行われている際に、第1の供給例に従って、水素生成器1より送出された水素含有ガスが燃焼器2に供給されるよう構成されているが、本変形例1の燃料電池システムにおいては、起動処理において、第2の供給例に従って、水素生成器1より送出された水素含有ガスが燃焼器2に供給されるよう構成される。
実施の形態1、2の水素生成装置100、110、実施の形態3の燃料電池システム200、及び変形例1の燃料電池システムでは、水素生成装置の起動処理において水素含有ガスの生成を行っている際に、燃焼器2が失火した場合において、制御器30が、原燃料供給器20による原燃料の水素生成器1への供給、水素生成器1への水の供給および燃焼空気供給器4による燃焼器2への燃焼空気の供給を実行するとともに、着火器5の着火動作を実行するように構成されている。
[実施の形態2の水素生成装置の他の変形例]
以下、実施の形態2の水素生成装置110に用いられた排熱回収機構の様々な変形例を述べる。なお、ここでは、図示および説明を省略するが、以下に述べる各変形例の排熱回収機構を、実施の形態3の燃料電池システム200、および、変形例1の燃料電池システムでの排熱回収機構に用いることもできる。
なお、各図において、共通する要素には同一の符号を付して、共通要素の詳細な構成の説明を省略する場合がある。
図4では、燃焼器2から排出された排気ガスの熱を二次冷却系において回収し、この回収熱を二次冷却系の第2蓄熱器212において蓄えるように構成された排熱回収機構が示されている。
2 燃焼器
4 燃焼空気供給器
5 着火器
7 水素利用機器
7A アノード
7C カソード
8 第1ガス流路
8A 第1開閉弁
9 第2ガス流路
9A 第2開閉弁
9B 第3開閉弁
10 燃焼排ガス経路
11 第1熱交換器
12 水供給器
20 原燃料供給器
21 検知器
30 制御器
100、110、120、130、140 水素生成装置
200 燃料電池システム
201 第1熱媒体経路
202 第1蓄熱器
212 第2蓄熱器
200 第1ポンプ
210 第2ポンプ
211 第2熱媒体経路
213 第2熱交換器
220、230 放熱器
222 第1バイパス経路
232 第2バイパス経路
Claims (9)
- 原燃料及び水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する水素生成器と、前記水素生成器を加熱する燃焼器と、前記水素生成器から送出されたガスを前記燃焼器に供給するガス流路を連通/遮断する開閉弁と、前記燃焼器に設けられた着火器と、前記燃焼器の火炎の有無を検知する炎検知器と、制御器と、を備え、
前記燃焼器は、起動処理において前記水素含有ガスの生成を行っている際に、前記ガス流路から供給されるガスを用いて燃焼するよう構成され、
前記起動処理において前記水素含有ガスの生成を行っている際に、前記制御器は、前記炎検知器によって前記燃焼器の失火を検知すると、前記開閉弁の開放を維持した状態で、前記着火器の着火動作を実行する水素生成装置。 - 前記燃焼器に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器と、
前記原燃料を前記水素生成器に供給する原燃料供給器と、
水を前記水素生成器に供給する水供給器と、を備え、
前記起動処理において前記水素含有ガスの生成を行っている際に、前記制御器は、前記炎検知器によって前記燃焼器の失火を検知すると、前記開閉弁の開放を維持した状態で、前記原燃料供給器及び前記水供給器による前記原燃料及び前記水の前記水素生成器への供給及び前記燃焼空気供給器による前記燃焼器への前記燃焼空気の供給を実行するとともに、前記着火器の着火動作を実行する請求項1に記載の水素生成装置。 - 前記着火動作により前記燃焼器が着火しなかった場合、前記制御器は、前記水素生成装置の停止処理を実行する請求項1に記載の水素生成装置。
- 前記制御器は、前記着火動作により前記燃焼器が着火しなかった場合、前記燃焼空気供給器の操作量を、起動処理において前記水素含有ガスの生成を行っている際の前記操作量よりも大きくなるよう制御する、請求項2に記載の水素生成装置。
- 前記水素生成装置から送出されたガスが、前記水素含有ガスを利用する水素利用機器をバイパスして前記燃焼器に導入される第1ガス流路と、前記第1ガス流路を連通/遮断する第1開閉弁と、を備え、
起動処理において前記水素含有ガスの生成を行っている際に、前記燃焼器は、前記第1ガス流路を介して供給されるガスを燃焼するよう構成され、
前記制御器は、起動処理において前記水素含有ガスの生成を行っている際に、前記炎検知器によって前記燃焼器の失火を検知すると、前記第1開閉弁の開放を維持した状態で、前記着火器の前記着火動作を実行する請求項1ないし4のいずれかに記載の水素生成装置。 - 前記燃焼器から排出される排気ガスと熱媒体との間の熱交換が行われる熱交換器と、
前記熱媒体が流れる熱媒体経路と、
前記熱媒体経路の前記熱媒体を流すためのポンプと、
前記熱媒体により回収した熱が蓄えられる蓄熱器と、を備え、
前記着火器による前記着火動作中において、前記制御器は、前記ポンプを動作させる請求項1または2に記載の水素生成装置。 - 前記着火動作の動作期間は、起動処理における前記燃焼器の燃焼開始時の着火動作の動作期間よりも短い請求項1に記載の水素生成装置。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池システム。
- 請求項1ないし4のいずれかに記載の水素生成装置から送出されたガスが、燃料電池を経由して前記燃焼器に導入される第2ガス流路と、前記第2ガス流路を連通/遮断する第2開閉弁と、を備え、
起動処理において前記水素含有ガスの生成を行っている際に、前記燃焼器は、前記第2ガス流路を介して供給されるガスを燃焼するよう構成され、
前記制御器は、起動処理において前記水素含有ガスの生成を行っている際に、前記炎検知器によって前記燃焼器の失火を検知すると、前記第2開閉弁の開放を維持した状態で、前記着火器の前記着火動作を実行する燃料電池システム。
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