JPH10134838A - 燃料電池用改質器及びその制御方法 - Google Patents

燃料電池用改質器及びその制御方法

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JPH10134838A
JPH10134838A JP8286302A JP28630296A JPH10134838A JP H10134838 A JPH10134838 A JP H10134838A JP 8286302 A JP8286302 A JP 8286302A JP 28630296 A JP28630296 A JP 28630296A JP H10134838 A JPH10134838 A JP H10134838A
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JP
Japan
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reformer
temperature
fuel cell
fuel
reforming
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JP8286302A
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Masatsuru Umemoto
真鶴 梅本
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H01M8/0631Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料電池用改質器の改質管内の改質触媒層の粒
状改質触媒がシステムの起動、停止時に圧壊することの
ない改質器の制御方法を提供する。 【解決手段】システムの停止中、バーナ2に燃料および
空気を供給して改質器30内の温度を所定の温度レベル
に保つように制御する。例えば、A部の温度Pを温度セ
ンサー21で監視し、この温度センサー21からの信号
をもとにして、流量制御弁制御部22および燃料流量制
御弁23によりバーナ燃料を、VVVF24により燃焼
用空気を制御し、温度Pが所定の値を維持するようにす
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素系の原燃
料を改質管に通流し、この原燃料を改質触媒により水蒸
気改質して水素に富む改質ガスに改質する燃料電池用改
質器及びその制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】天然ガスやナフサ等の炭化水素系の原燃
料から、水蒸気を付加したうえで熱媒体により加熱しつ
つ、改質触媒により水素に富む改質ガスを生成し、この
改質ガスを一酸化炭素変成器を経て燃料電池に供給する
改質器として、図4に示すものが特願平2ー40038
として既に提案されている。図4において、1は少なく
とも下部を炉容器3で覆われている改質管であり、その
内側にバーナ2が配設されている。改質管1は直立した
仕切円筒4と、これを挟んでこの内外に同心円状に配設
され下部を仕切円筒4の下端から離してリング状の底板
7で接続された内筒5と外筒6とで形成されている。こ
のような構成により、改質管1には、下端部で通じる内
側環状空間8および外側環状空間9の二重環状空間が形
成される。外側環状空間9の上部には、原料ガスマニホ
ールド10を介して原料ガス入口11が形成され、また
内側環状空間8の上部には、改質ガスマニホールド12
を介して改質ガス出口13が形成されている。改質管1
には、改質ガスマニホールド12を除く内側環状空間8
の全部に、粒状改質触媒14が充填される。バーナ2
は、改質管1の内側に配設されている。改質管1の下方
および周囲には、改質管1と間隔を置いて耐火断熱材1
5が配設され、改質管1との間に、バーナ2からの熱媒
体を導く熱媒体通路16が形成されている。この熱媒体
通路16の上部には、熱媒体マニホールド17を介して
熱媒体出口18が形成されている。
【0003】以上のような構成の改質器30において、
バーナ2には、燃料入口19から燃料(燃料電池運転時
には燃料電池本体からの排出燃料ガス)が導入され、空
気入口20からの燃焼空気により燃焼し、燃焼ガスとし
ての熱媒体を生成する。熱媒体は、改質管1の内側を改
質触媒充填部に沿って下方に流れ、引き続いて熱媒体通
路16を流れ、熱媒体マニホールド17を通って熱媒体
出口18から排出される。一方、原燃料と水蒸気とから
なる原料ガスは、原料ガス入口11から流入し、原料ガ
スマニホールド10を通って外側環状空間9を下方に流
れ、仕切円筒4の下端部に折り返し内側環状空間8に入
り、内側環状空間8に充填された改質触媒層中を上向き
に流れ、水素に富んだ改質ガスに改質され、改質ガスマ
ニホールド12を通って改質ガス出口13から出てい
く。なお、熱媒体通路16の間隙を狭くして熱媒体の流
速を上げることにより、外側環状空間9を流れる原料ガ
スへの熱伝達を良好にし、これに伴って熱媒体排出ガス
の温度を下げることができる。
【0004】上述のような改質器30において、天然ガ
スのような原燃料を水蒸気改質する際には、高温の運転
温度で改質反応が行われ、改質管1を形成している耐熱
鋼の表面温度は、運転条件にもよるが700〜900℃
にもなる。また上述の改質器30は、この改質器30で
得られた水素に富む改質ガスを一酸化炭素変成器にて一
酸化炭素濃度の低いガスにした改質ガスを、燃料電池の
燃料として供給して、燃料電池により発電する燃料電池
発電装置に組み込まれる。このような燃料電池発電装置
全体の起動ならびに停止期間は、発電装置であるという
必要性から、より短いことがのぞまれており、1〜2時
間程度とすることが目標となっている。また最も頻度が
高い場合には毎日起動、停止を繰り返す場合がある。こ
れらは化学プラント用に用いられている改質器と比較し
て起動時間は約10〜100分の1、起動、停止頻度は
約250倍であり、極めて過酷な条件下で起動、停止が
行われる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】前記した従来技術によ
る燃料電池発電装置用改質器は、化学プラント用の改質
器と比較して極めて過酷な温度変化条件下で、頻繁な起
動、停止が繰り返され、これに伴い改質管を構成してい
る金属板は膨張、収縮を繰り返す。特に図4で示す改質
管のバーナ2に近い部分Aと、原料ガスの入口に近い部
分Bの起動時の昇温曲線は、図5に示すように、A部の
バーナ近接部改質管表面温度Pは、バーナの点火ととも
に急速に上昇するのに対して、B部の原料ガス入口部改
質管表面温度Qは、バーナ点火直後は熱媒体の持つ熱量
が改質管等の加熱に費やされるため、温度の上昇度が遅
く、このためバーナ点火直後には、改質管に大きい温度
差の温度分布が生じる。この大きい温度差の温度分布に
よって、改質管の外筒や仕切円筒よりも内筒の方が急速
に熱膨張することとなり、改質触媒層はいったん半径方
向に加圧力を受ける。この加圧力を受けた粒状改質触媒
14は、仕切円筒に阻止されて半径方向には移動できな
いため、原料ガスの移動する方向と一致する方向の軸方
向に移動しようとし、結果として粒状改質触媒14は軸
方向に加圧力を受けることとなる。こうした加圧力によ
って粒状改質触媒14は、最悪の場合は圧壊応力を受け
ることとなり、粒状改質触媒14が圧壊して粉状になる
と、改質触媒層の流体に対する圧力損失が大きくなり、
最悪の場合燃料電池発電装置の運転の継続を不可能にす
ることとなる。
【0006】これを回避する対策として、粒状改質触媒
に所要の圧壊強度を持たせることが必要となり、触媒自
体の圧壊強度を増大させるには、触媒の担体であるアル
ミナの強度を増加させることが必要となる。このために
は、担体製作時の焼成温度を上昇させるか焼成時間を長
くするかのいずれかの方法によって、γアルミナをαア
ルミナに変成して結晶度を上げるようにする。しかしな
がら結晶度を上げると、その結果として担体内部の細孔
容積が減少してしまうことになる。ところで担体内部の
細孔は触媒反応速度に直接寄与し、細孔容積が大きいほ
ど触媒反応速度が上昇し、触媒活性が向上する関係にあ
るため、細孔容積の減少は触媒活性を低下させてしまう
こととなる。
【0007】このように、触媒の圧壊強度と活性との関
係は相反する関係にあり、このために燃料電池発電装置
用改質器の改質触媒は、圧壊強度と触媒活性とを適度に
バランスさせて製作しており、この結果改質触媒容積を
減少させることができず、たとえばオンサイト用の燃料
電池発電装置のような場合には、改質器のサイズをある
程度以下にすることが出来ないという問題があった。
【0008】本発明の目的は、改質管内の改質触媒層の
粒状改質触媒がシステムの起動、停止時に圧壊すること
のない改質器及びその制御方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明は、システムの停止中に改質器バーナに燃料
および空気を供給して、改質器内の温度を所定の温度レ
ベルに保つように制御する。このシステム停止中の改質
器内の温度は500℃以上、好ましくは600〜800
℃に制御されるものとする。
【0010】また前記改質器は、改質器内部の温度を検
出する温度センサーと、改質器用バーナ燃料の流量を制
御する流量制御弁と、前記温度センサーからの信号によ
りバーナ燃料の流量が所定の値を維持するように前記流
量制御弁に指令する流量制御部と、前記温度センサーか
らの信号により前記改質器用燃焼用空気の流量が所定の
値を維持するように燃焼用空気を供給する空気ブロアを
回転数制御する機器とを備えてなるものとする。このよ
うな改質器において、システムの停止中に改質器内の温
度を所定の値に保持することにより、システム起動時に
おける改質器の昇温の際にも、バーナ近傍部の改質管表
面温度と原料ガス入口部の改質管表面温度の温度差を最
小限とすることが出来る。これにより、改質触媒層の粒
状改質触媒へ作用する触媒圧壊力を低減し、触媒が圧壊
して粉化するのを防止することが出来る。
【0011】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の実施例を示すシ
ステムフロー図である。図4と共通する部位には同じ記
号を付して説明を省略する。図1において、21は改質
管1のバーナ2に近いA部の温度を検出する温度センサ
ー、22は流量制御弁制御部であり温度センサー21か
らの信号により燃料ポンプ25から供給されるバーナ燃
料の流量が所定の値を維持するように燃料流量制御弁2
3に制御指令信号を与えるものである。24は燃焼用空
気を供給する空気ブロア26のモータを回転数制御する
VVVFであり、温度センサー21からの信号により空
気流量が所定の値を維持するように制御するものであ
る。
【0012】システムの停止期間中、A部の温度Pを監
視し、例えば760℃まで低下したならばバーナ2に燃
料(都市ガス13A、LPG等)と燃焼用空気とを供給
して温度を上げ、所定の温度(例えば790℃)になっ
た時点で供給を停止するようにする。その結果、図2に
示すようにB部の温度Qも低下することなく、従って、
図3に示すように触媒層に発生する応力も小さく抑える
ことができる。
【0013】なおシステム停止中の改質器内の温度は、
触媒保護のためにシステム運転中の温度より100〜1
50℃程度低い値の600〜800℃が望ましく、した
がってシステム運転中の制御をする場合には、手動また
は外部からの起動/停止指令信号により流量制御弁制御
部22およびVVVF24の目標値を切り換えれてやれ
ばよい。
【0014】
【発明の効果】本発明によれば、システム停止中も改質
器の温度を所定の値に保持することにより、システム起
動時における改質器の急激な昇温の際にも、改質管のバ
ーナ近傍部と燃料入口部との表面温度の差を小さくする
ことが可能となったので、改質管の延び差から生じる粒
状改質触媒への圧壊応力を低減でき、システムの頻繁な
起動、停止に耐える改質器とすることが出来た。
【0015】また、停止中の温度が高いことから起動時
間の短縮を図ることも出来た。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例を示すシステムフロー図。
【図2】この発明の実施例による燃料電池用改質器内の
温度の起動、運転、停止に伴う変化を示す図。
【図3】燃料電池用改質器内温度差と触媒層に発生する
圧縮応力との関係を示す図。
【図4】燃料電池用改質器の断面図。
【図5】燃料電池用改質器の起動時の改質管の昇温特性
を示す図。
【符号の説明】 1…改質管、2…バーナ、3…炉容器、14…粒状改質
触媒、21…温度センサ、22…流量制御弁制御部、2
3…燃料流量制御弁、24…VVVF、25…燃料ポン
プ、26…空気ブロア、30…改質器。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】炭化水素系の原燃料を改質触媒により水素
    に富む改質ガスに改質する燃料電池用改質器の運転停止
    中における温度を高温に保つことを特徴とする燃料電池
    用改質器の制御方法。
  2. 【請求項2】燃料電池用改質器の運転停止中における温
    度を500℃以上、望むらくは600〜800℃に保つ
    ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用改質器の
    制御方法。
  3. 【請求項3】改質器内部の温度を検出する温度センサー
    と、改質器用バーナ燃料の流量を制御する流量制御弁
    と、前記温度センサーからの信号によりバーナ燃料の流
    量が所定の値を維持するように前記流量制御弁に指令す
    る流量制御部と、前記温度センサーからの信号により前
    記改質器用燃焼用空気の流量が所定の値を維持するよう
    に燃焼用空気を供給する空気ブロアを回転数制御する機
    器とを備えてなり、かつシステム停止中に前記改質器内
    の温度を600℃乃至800℃に制御することを特徴と
    する燃料電池用改質器。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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