WO2006088018A1 - 水素生成装置及びその運転方法並びに燃料電池システム - Google Patents

水素生成装置及びその運転方法並びに燃料電池システム Download PDF

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Akira Maenishi
Tomonori Asou
Yuji Mukai
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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Definitions

  • Hydrogen generator operating method thereof, and fuel cell system
  • the present invention relates to a hydrogen generator that generates a hydrogen-rich gas by a steam reforming reaction using a hydrocarbon-based material such as natural gas, LPG, gasoline, naphtha, kerosene, and methanol as a main raw material, an operating method thereof, and a fuel cell. More particularly, the present invention relates to a hydrogen generation apparatus that generates hydrogen gas to be supplied to a hydrogen-using device such as a fuel cell, an operation method thereof, and a fuel cell system.
  • a hydrogen-using device such as a fuel cell, an operation method thereof, and a fuel cell system.
  • a hydrogen generator performs steam reforming of a raw material containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen in a reforming section provided with a reforming catalyst layer.
  • a hydrogen rich gas hereinafter referred to as hydrogen gas
  • water is directly supplied to the reforming catalyst layer during the reforming reaction, the reforming characteristics may be deteriorated due to non-uniform evaporation, or the catalyst may be damaged by water evaporation on the reforming catalyst. Therefore, water is supplied to the modified catalyst layer in the state of water vapor.
  • a water supply channel communicating with the reforming catalyst layer of the reforming unit having a rising structure and a water evaporation unit provided at the bottom of the channel formed by this structure (for example, Patent Document 1).
  • the supplied water evaporates in the water evaporating unit and is supplied to the reforming catalyst layer, and water that has not evaporated in the water evaporating unit is stored in the bottom.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-252604
  • the hydrogen generator is provided with a water evaporation section in the apparatus, and water is supplied thereto to generate water vapor. If the supplied water with sufficient evaporation capacity of this water evaporation section cannot be evaporated 100%, only the water vapor for the evaporation will be supplied to the reforming catalyst layer, which is an important feed material for the reforming reaction.
  • the SZC which is the ratio of the number of moles of water vapor supplied to the number of moles of carbon atoms in it, deviates from the set value and becomes a small value. On the other hand, can it evaporate?
  • the water is stored as liquid water in the water evaporation section.
  • liquid water If liquid water is stored in the water evaporation section, the stored liquid water will evaporate when the capacity to evaporate the supplied water is sufficiently obtained due to changes in the operating conditions, and the water vapor will exceed the amount of water supplied. Is supplied and szc becomes larger than the set value until the stored liquid water has evaporated. The deviation from the set value of szc not only affects the reforming reaction characteristics with respect to the reforming catalyst temperature, but if s / c becomes too small, the disproportionation reaction of the gas after the reforming reaction or the high temperature of the feedstock This may cause clogging of the flow path due to carbon deposition, and change of the dew point of the generated gas sent to the hydrogen generator, which may affect the hydrogen generator and the system using the hydrogen generator.
  • the present invention solves these problems, and it is possible to operate the hydrogen generator so that liquid water does not accumulate in the water evaporation section, and to provide a highly reliable and economical hydrogen generator and the same. It is an object of the present invention to provide a fuel cell power generation system provided with the hydrogen generation apparatus.
  • a hydrogen generator includes a reforming unit that steam-reforms a raw material containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen to generate a hydrogen-containing gas.
  • a water evaporating unit for supplying water vapor to the reforming unit, a water evaporating unit temperature detecting unit for detecting the temperature of the water evaporating unit, a fuel and air are combusted, and the reforming unit and the water evaporating unit
  • a heating unit that supplies combustion gas that sequentially heats the heat transfer by heat transfer, and a control unit, the control unit, When the detected temperature of the temperature detecting unit for the water evaporation unit is lower than a predetermined first threshold temperature, the amount of air to the heating unit and the heating unit are set so that the detected temperature increases.
  • One of the fuel amount and the water amount to the water evaporation unit is controlled.
  • the hydrogen generator of the present invention includes a heating unit, a combustion unit that burns fuel and air to generate combustion gas, a fuel supply unit that supplies fuel to the combustion unit, and air that is supplied to the combustion unit If the detected temperature is lower than the first threshold temperature, the control unit controls the first air supply unit to increase the amount of air to the combustion unit. You can also.
  • the control unit may increase the amount of air to the heating unit so that the air ratio specified by the ratio of the supplied air amount to the theoretical air amount for complete combustion of the fuel becomes large. it can. For example, the control unit can increase the amount of air to the heating unit so that the air ratio is 1.5 or more.
  • a second air supply unit that supplies air to the combustion gas is provided in the heating unit, and the control unit detects when the temperature detected by the temperature detector for the water evaporation unit is lower than a predetermined first threshold temperature. Increases the air volume by the second air supply unit! It can also be controlled.
  • the hydrogen generator of the present invention includes a heating unit, a combustion unit that burns fuel and air to generate combustion gas, a fuel supply unit that supplies fuel to the combustion unit, and an air that flows into the combustion unit.
  • the control unit can control the fuel supply unit to increase the amount of fuel to the combustion unit when the detected temperature is lower than the first threshold temperature.
  • the hydrogen generator of the present invention includes a raw material supply unit that supplies a raw material and a water supply unit that supplies water to the water evaporation unit, and when the detected temperature is lower than the first threshold temperature.
  • the control unit modifies the raw material supply unit while maintaining szc, which is the ratio of the number of moles of water vapor supplied to the reforming unit to the number of moles of carbon atoms in the raw material supplied to the reforming unit, at a predetermined value. This means that the amount of raw material to the mass part and the amount of water to the water evaporation part by the water supply part are controlled to decrease.
  • any one supply amount is controlled by the control unit. It is also possible to lower the temperature of the water evaporation section and maintain the temperature of the water evaporation section between the first threshold temperature and the second threshold temperature.
  • the control unit supplies the first air supply.
  • the supply unit can be controlled to reduce the amount of air to the combustion unit. Also, the control unit
  • the fuel supply unit can reduce the amount of fuel to the combustion unit.
  • the control unit maintains the SZC at a predetermined value while maintaining the amount of raw material to the reforming unit by the raw material supply unit and the water supply unit to the water evaporation unit. It can also be controlled to increase the amount of water.
  • the hydrogen generator of the present invention provides a time variation of the detected temperature calculated from the first detected temperature detected by the temperature detector for the water evaporation unit and the second detected temperature after a predetermined time has elapsed. If the control value is smaller than the preset first threshold value with respect to the time change of the detected temperature, the control unit controls any one supply amount so that the time change value of the detected temperature increases.
  • the heating unit includes a combustion unit that burns fuel and air to generate combustion gas, a fuel supply unit that supplies fuel to the combustion unit, and a first air supply unit that supplies air to the combustion unit If the time change value of the detected temperature is smaller than the first threshold value, the control unit can increase the amount of air to the combustion unit by the first air supply unit.
  • the heating unit includes a combustion unit that burns fuel and air to generate combustion gas, a fuel supply unit that supplies fuel to the combustion unit, and a first air supply unit that supplies air to the combustion unit.
  • the control unit can control the fuel supply unit to increase the amount of fuel to the heating unit.
  • the apparatus includes a raw material supply unit that supplies the raw material and a water supply unit that supplies water to the water evaporation unit, and when the time change value of the detected temperature is smaller than the first threshold value, while maintaining szc, which is the ratio of the number of moles of water vapor supplied to the water evaporation section to the number of moles of carbon atoms in the raw material supplied to the reforming section, to a predetermined value, the raw material supply section supplies the reforming section to the reforming section. It can also be controlled to reduce the amount of raw material and the amount of water supplied to the water evaporation section by the water supply section.
  • the control unit controls any one supply amount to lower the time change value of the detected temperature value.
  • the time change value of the detected temperature of the water evaporation part is maintained between the first threshold temperature and the second threshold temperature.
  • the reforming section and the water evaporation section are arranged in this order around the combustion section.
  • it is also possible to use a structure in which the combustion gas passages that are concentrically arranged in the outer peripheral direction and in which the combustion gas passages are arranged to transfer heat from the reforming portion to the water evaporation portion can be used.
  • a fuel cell system includes at least a hydrogen generator according to any one of claims 1 to 17, a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas supplied from the hydrogen generator. And a fuel cell that generates electricity by using the fuel cell.
  • the operation method of the hydrogen generator according to the present invention includes a reforming unit that generates a hydrogen-containing gas by steam reforming a raw material containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen, and the reforming unit.
  • a raw material supply unit that supplies raw materials, a water evaporation unit that supplies water vapor to the reforming unit, a temperature detection unit for a water evaporation unit that detects the temperature of the water evaporation unit, and fuel and air are burned and modified.
  • the amount of air to the heating unit, the amount of fuel to the heating unit, or the amount of water to the water evaporation unit is set so that the detected temperature increases.
  • the supply amount of any one of the above is controlled.
  • the amount of air to the heating unit can be increased.
  • the temperature of the water evaporation unit is controlled by controlling any one of the supply amounts.
  • the temperature of the water evaporation part can be lowered and maintained between the first threshold temperature and the second threshold temperature.
  • the amount of air to the heating unit is reduced, and the temperature of the water evaporation unit is set to the first threshold temperature and the second threshold temperature. It can be maintained between the threshold temperature.
  • the time change of the detected temperature calculated from the first detected temperature detected by the temperature detector for the water evaporation unit and the second detected temperature after a predetermined time has elapsed.
  • any one supply amount can be controlled so that the time change value of the detected temperature increases.
  • the value of time change of the detected temperature falls below the second threshold value which is larger than the first threshold value.
  • the amount of heat transferred to the water evaporation section is controlled according to the temperature state of the water evaporation section, thereby preventing water accumulation in the water evaporation section during operation, and all the supplied water reacts as water vapor. Parts can be supplied.
  • it is possible to operate under a predetermined szc condition, and to realize stable reforming reaction characteristics and prevention of carbon deposition in the flow path.
  • it is possible to realize the stability of the start time and start-up characteristics at the next start-up that can be done with force if no anti-freezing measures are required.
  • the above contents can be achieved with as little raw material and fuel supply as possible. Therefore, a hydrogen generator with high reliability and economy can be realized.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a configuration of a reforming unit of a hydrogen generator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the air ratio in the reforming section of FIG. 1 and the temperature of the water evaporation section.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the air ratio in the reforming section of FIG. 1, the amount of heat transferred to the reforming catalyst layer, and the amount of heat transferred to the water evaporation section.
  • FIG. 4 is an example of a flowchart of an operation operation of the hydrogen generator of Embodiment 1.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the air ratio and hydrogen generation efficiency in the reforming section of FIG.
  • FIG. 6 shows an example of a flowchart of the operation operation of the hydrogen generator of Embodiment 1.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the amount of combustion in the reforming section of FIG. 1 and the temperature of the water evaporation section.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the raw material flow rate in the reforming section of FIG. 1 and the temperature of the water evaporation section.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the reforming unit of the hydrogen generator according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the air amount of the second air supply unit force shown in FIG. 9 and the temperature of the water evaporation unit
  • FIG. 11 is a block diagram showing an example of the configuration of a fuel cell power generation system according to Embodiment 6 of the present invention. Explanation of symbols
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the hydrogen generator according to Embodiment 1 of the present invention, and particularly shows in detail the configuration of the reforming unit that is the main component of the hydrogen generator.
  • the hydrogen generator is composed of a cylindrical main body 50 whose upper and lower ends are closed, and a raw material containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen is subjected to steam reforming to produce hydrogen.
  • the reforming unit 3 that generates the contained gas
  • the water evaporation unit 4 that supplies water vapor to the reforming unit 3
  • the temperature detection unit 16 for the water evaporation unit that detects the temperature of the water evaporation unit 4
  • a control unit 20 for supplying combustion gas that burns fuel and air and heats the reforming unit 3 and the water evaporation unit 4 sequentially by heat transfer. I have.
  • a plurality of cylindrical vertical walls 51 having different radii and axial lengths are concentrically disposed inside the cylindrical main body 50, whereby the main body 50 The inside is partitioned in the radial direction.
  • a disc-like or hollow disc-like lateral wall 52 is appropriately disposed at a predetermined end of the vertical wall 51. More specifically, a plurality of vertical walls 51 are concentrically arranged upright inside the main body 50 to form a gap 53 between the vertical walls 51, and a desired gas flow path is formed using the gap 53. As shown, the predetermined end of the vertical wall 51 is appropriately closed by the horizontal wall 52.
  • the reforming raw material flow path a, the combustion gas flow path bl, the reforming gas flow path c, the reforming catalyst layer 5, and the combustion gas flow path b2 are formed inside the main body 50.
  • the flow paths are arranged in this order from the outer peripheral side in the radial direction of the main body toward the center.
  • the reforming raw material flow path a has an upstream end connected to the raw material supply unit 1 and the water supply unit 2 provided outside the main body 50, and the downstream end has It is connected to the upper end surface of the reforming catalyst layer 5.
  • the reforming raw material flow path a has a double structure, and has a rising structure formed so that the moving direction of the substance moving in the flow path changes downward in the axial direction and upward in the axial direction.
  • a water evaporation section 4 is formed at the bottom of the reforming raw material flow path a. As will be described later, the water supplied from the water supply unit 2 to the reforming unit 3 is evaporated by being supplied to the water evaporation unit 4.
  • the water evaporating unit 4 is provided with a temperature detecting unit 16 for detecting the temperature of the water evaporating unit 4.
  • a thermocouple is installed as a temperature detecting means.
  • the installation location of the temperature detection unit 16 is not particularly limited as long as the temperature of the water evaporation unit 4 can be detected in the vicinity of the lower portion of the water evaporation unit 4 that initially stores water when it starts to accumulate. .
  • the structure wall that constitutes the water evaporation section 4 is directly detected, but it is installed inside the water evaporation section 4 and the temperature of the gas and water vapor flowing inside it, or the temperature of the water that has started to accumulate. It may be configured to directly detect the degree.
  • the detection location, the detection target medium, and the detection target medium may be any.
  • the temperature of the water evaporation unit 4 detected by the temperature detection unit 16 is transmitted to the control unit 20.
  • the force control unit 20, which will be described later regarding the configuration and functions of the control unit 20, outputs signals to the air supply unit 7, the fuel supply unit 8, the raw material supply unit 1, and the water supply unit 2 based on the detected temperature. , Control each supply amount.
  • the air supply unit 7 supplies air to the heating unit 12
  • the fuel supply unit 8 supplies fuel to the heating unit 12
  • the raw material supply unit 1 supplies the raw material to the reforming unit 3.
  • the reforming catalyst layer 5 is formed by filling the gap 53 with the reforming catalyst, and is disposed along the upper end surface and the outer peripheral surface of the radiant cylinder 13 of the heating unit 12 to be described later.
  • a reforming catalyst containing Ru as a main component is used, but the reforming catalyst is not particularly limited as long as a reforming reaction is possible.
  • a noble metal such as Pt or Rh or a reforming catalyst composed of Ni or the like may be used.
  • the upper end surface of the reforming catalyst layer 5 is connected to the reforming raw material channel a, and the lower end surface is connected to the upstream end of the reformed gas channel c.
  • the downstream end of the reformed gas flow path c is configured so that the reformed gas can be taken out of the reforming unit 3.
  • a reforming temperature detecting means 15 for detecting the temperature of the gas passing through the reforming catalyst layer 5 and flowing in the flow path is disposed.
  • a thermocouple is provided as the reforming temperature detection means 15.
  • the heating unit 12 surrounds, for example, a combustion unit 9 that also serves as a burner, an air flow path 6 that is formed on the outer periphery of the combustion unit 9, and a portion that protrudes upward from the air flow path 6 of the combustion unit 9.
  • the radiation cylinder 13 is disposed above the air flow path 6, and the radiation cylinder 13 is housed inside the main body 50 of the reforming unit 3 and is disposed concentrically.
  • the combustion unit 9 is connected to the fuel supply unit 8, and the air flow path 6 is connected to the first air supply unit 7.
  • Combustion fuel is supplied from the combustion section 9 to the inside of the radiant tube 13, and air is supplied, and combustion is performed to form a flame.
  • the combustion space 14 is formed inside the radiation tube 13.
  • the combustion space 14 communicates with the combustion gas flow path b2 of the reforming unit 3 through an opening 13a formed at the upper end of the radiation tube 13.
  • the combustion gas flow path b2 and the combustion gas flow path bl communicate with each other at the bottom of the reforming section 3, and the downstream end of the combustion gas flow path bl allows the combustion gas to be taken out of the reforming section 3. It is composed.
  • the raw material supply unit 1, the water supply unit 2, the first air supply unit 7, and the fuel supply unit 8 are configured to be able to control the flow rate of the supply object.
  • these supply units 1, 2, 7, and 8 may include a driving unit such as a pump and a fan, and the driving unit may be controlled by the control unit 20 to control each supply flow rate.
  • a flow rate control means such as a valve is further provided in the downstream flow path of the drive means. The stage may be controlled by the control unit 20 to control each supply amount.
  • a flame is formed by the air from the first air supply unit 7 and the fuel from the fuel supply unit 8.
  • the air amount and the fuel amount are normally supplied to the heating unit 12 by the control unit 20 so that 1.3 times the theoretical air amount in the complete combustion of the fuel supplied to the heating unit 12 is supplied to the heating unit 12.
  • the high-temperature combustion gas generated by this combustion passes through the inside of the radiation cylinder 13 and then exchanges heat with the reforming catalyst layer 5 while passing through the flow path b2 between the radiation cylinder 13 and the reforming catalyst layer 5.
  • the temperature of the reforming catalyst layer 5 is raised to a temperature at which a good reforming reaction can be performed.
  • the combustion gas exchanges heat with the water evaporation unit 4 by passing through the flow path bl inside the water evaporation unit 4, and the amount of heat that can evaporate water is converted into the water evaporation unit. 4 and the water evaporation unit 4 is heated.
  • water is supplied from the water supply unit 2
  • water vapor is generated in the water evaporation unit 4
  • the raw material supplied from the raw material supply unit 1 and the water vapor are mixed to form the reforming catalyst layer 5.
  • the reforming catalyst layer 5 and the water evaporation unit 4 are both heated by the combustion gas from the heating unit 12, and the reforming catalyst layer 5 located on the upstream side of the heat transfer path is disposed on the downstream side.
  • the water is heated prior to the water evaporation section 4 located at, so that the reforming catalyst layer 5 is heated to a high temperature of 600 to 700 ° C where the reforming reaction is good while effectively using the heat of the heating section 12.
  • the water evaporation part 4 is realized in a state of 100 ° C or higher where water can be evaporated.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the air ratio in the heating unit 12 and the temperature of the water evaporation unit 4 during operation under a condition where the raw material flow rate is constant.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the heat transfer amount of the combustion gas to the reforming catalyst layer 5 and the heat transfer amount to the water evaporation section 4 with respect to the air ratio.
  • step S10 the control unit 20 compares the detected temperature of the water evaporation unit 4 sent from the temperature detection unit 16 with a first threshold temperature, for example, 110 ° C.
  • step S10 when it is determined that the detected temperature is 110 ° C. or higher, it is determined that all the water supplied to the water evaporation unit 4 has evaporated, the process returns to step S10, and the control unit 20 supplies air. Control part 7 and operate at an air ratio of 1.3. On the other hand, if the control unit 20 determines that the temperature of the water evaporation unit 4 is lower than 1 10 ° C, it is determined that water is starting to accumulate in the water evaporation unit 4, and the process proceeds to step S30 where the air supply unit 7 is turned on. Control to change the air ratio to 1.5 and increase the heat transfer to the water evaporation section 4 to promote evaporation. Then, the process returns to step S20, the temperature of the water evaporation unit 4 is measured by the temperature detection unit 16, and the steps after step S20 are repeated.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship of the hydrogen generation efficiency to the air ratio.
  • the hydrogen production efficiency is defined by the calorific value of the produced hydrogen with respect to the calorific value of the supplied gas, and the larger the value, the more effectively the gas is used to produce hydrogen.
  • the reforming efficiency tends to decrease.
  • this is the air ratio
  • the value increases, the amount of heat transferred to the reforming catalyst layer 5 decreases and the amount of heat transferred to the water evaporation unit 4 increases. This is because heat is dissipated from the water evaporation part 4 in the area.
  • the greater the air ratio the greater the amount of heat released from the surroundings (heat dissipation loss), and the lower the hydrogen generation efficiency. Therefore, if the air ratio is set to a large value at all times, it is possible to prevent water accumulation in the water evaporation section 4 in any operation state, but the hydrogen generation efficiency is reduced.
  • the operation method according to the present embodiment it is possible to prevent water accumulation while maintaining a high hydrogen generation efficiency by operating at a higher air ratio than during normal operation only at a necessary timing. it can.
  • the control unit 20 recognizes the temperature detection unit 16 due to disturbance of the temperature detection state or disturbance of the signal at the control unit 20.
  • the temperature of the water evaporation part 4 changes instantaneously to li e or 109 ° C.
  • the control value of the air ratio continues to change instantaneously between 1.3 and 1.5, and the control of the combustion air supply unit 7 also continues to change instantaneously. This may cause instability in the control of the combustion air supply unit 7 and other related equipment that uses a fan.
  • step S10 the air ratio is 1.3.
  • the control unit 20 compares the detected temperature from the temperature detecting unit 16 with a first threshold temperature, for example, 110 ° C. Therefore, if it is determined that the detected temperature is 110 ° C. or higher, it is determined that all of the water supplied to the water evaporation unit 4 has evaporated, and the process returns to step S10.
  • the control unit 20 determines that the temperature of the water evaporation unit 4 is lower than 110 ° C, it is determined that liquid water is starting to accumulate in the water evaporation unit 4, and the process proceeds to step S30 to control the air supply unit 7. Change the air ratio to 1.5.
  • the control unit 20 compares the detected temperature from the temperature detecting unit 16 with a second threshold temperature, for example, 115 ° C. Therefore, if it is determined that the detected temperature is 115 ° C or higher, the process returns to step S10 and operates at an air ratio of 1.3.
  • step S30 the process returns to step S30, and the operation is continued at an air ratio of 1.5, and the steps after step S30 are repeated. If such an operation is used, the temperature of the water evaporation section 4 will not change instantaneously between 110 ° C and 115 ° C. Therefore, it is possible to set a time interval in the timing for controlling the air ratio, and it is possible to prevent instability of control due to instantaneous changes.
  • the force using 110 ° C. as the threshold temperature is an example, and other values can be used depending on the configuration of the water evaporation unit, the installation location of the temperature detection unit, and the like.
  • the air ratio was set to 1.3 as the initial value and 1.5 when evaporating was promoted, but these are only examples, and other types suitable for the hydrogen generator are used depending on the characteristics of the reforming part and combustion part. A value can be used.
  • the detected temperature of the water evaporation unit is compared with the threshold temperature, and when it is determined that liquid water has started to accumulate in the water evaporation unit, the air ratio is increased. When it is determined that water is not stored, the air ratio is reduced to control the amount of air to the heating section, preventing water from being accumulated during operation while minimizing the decrease in hydrogen generation efficiency. High reliability can be realized.
  • the control unit determines whether liquid water has started to accumulate in the water evaporation unit based on a threshold value that is a time-varying value of the detected temperature instead of the threshold temperature.
  • the configuration is the same as that of Embodiment 1 except that it has a function.
  • the detected temperature of the water evaporation part 4 is 130 ° C
  • the time change value ATw of the detected temperature is 1.OdegZmin
  • liquid water does not start to accumulate even after 10 minutes, but ⁇ Tw is -2.
  • ATw is -0.5 degZmin
  • liquid water does not start to accumulate even after 10 minutes, but when ATw is -l.Odeg / min. In 5 minutes, water begins to accumulate.
  • the operation method of the hydrogen generator according to the present embodiment is, for example, the threshold value—1.5 deg / min when the temperature of the water evaporation section 4 is 130 ° C., and the threshold value—0.8 deg / when the temperature is 120 ° C.
  • the threshold value of the time change value for each temperature such as min. For example, normal luck at an air ratio of 1.3 Assume the case of rolling.
  • the control unit 20 the time change value of the actual detection temperature (first detection temperature) calculated using the detection temperature sent from the temperature detection unit 16 and the first detection temperature set for the first detection temperature are set.
  • the control unit 20 determines that the actual time change value is greater than the threshold value, it determines that the liquid water does not accumulate and maintains the air ratio 1.3.
  • the actual time change value is calculated from the first detection temperature and the second detection temperature after a predetermined time has elapsed, and is set for the time change value of the first detection temperature and the first detection temperature. Contrast with the first threshold.
  • the hydrogen generator according to the present embodiment by predicting in advance that liquid water is stored in the water evaporation section 4, it is possible to operate without reducing liquid water at all and with the air ratio as low as possible. Therefore, the hydrogen generation apparatus and the operation method thereof can be realized with high hydrogen generation efficiency and reliability.
  • Embodiment 3 In the hydrogen generator according to the present embodiment, when the control unit determines that liquid water has started to be stored in the water evaporation unit, the heating unit is configured to evaporate the liquid water and prevent the amount of liquid water from increasing. It has the same configuration as that of Embodiment 1 except that it has a function of controlling the amount of fuel to the heating unit instead of controlling the amount of air to the heater.
  • the control unit 20 increases the amount of fuel supplied from the fuel supply unit 8.
  • a threshold temperature for example, 110 ° C.
  • the control unit 20 increases the amount of fuel supplied from the fuel supply unit 8.
  • the specified value of 1.5NLM is increased by 0.2NLM to 1.7NLM.
  • the fuel amount is returned to the predetermined flow rate of 1.5 NLM.
  • FIG. 7 is a graph showing the temperature of the water evaporation unit 4 with respect to the combustion amount.
  • the amount of combustion increases, the amount of heat transferred to the water evaporation section 4 increases, and the temperature of the water evaporation section 4 rises. Therefore, when liquid water begins to accumulate in the water evaporation unit 4, the amount of fuel from the fuel supply unit 8 is increased to increase the combustion amount and promote evaporation in the water evaporation unit 4.
  • the fuel supply amount is returned to a predetermined value to prevent excessive heat supply. As a result, it is possible to realize a hydrogen generator having high reliability and high hydrogen generation efficiency and its operation method.
  • the actual time change value of the detected temperature may be used as in the second embodiment as a reference for determining whether or not the liquid water starts to accumulate in the water evaporation section 4! ,.
  • control unit controls the amount of raw material to the reforming unit instead of controlling the amount of air to the heating unit in order to increase the amount of water vapor in the water evaporation unit.
  • the configuration is the same as that of Embodiment 1 except that
  • a normal operation is performed with a predetermined amount of raw material, for example, 4.0 NLM.
  • a threshold temperature for example, 110 ° C
  • the control unit 20 determines that liquid water has started to be stored, and reduces the amount of raw material supplied from the raw material supply unit 1.
  • city gas 13A is used as a raw material
  • the specified 4.0NLM supply capacity is also reduced by 0.5NLM to 3.5NLM.
  • the control unit 20 determines that no liquid water is stored, and returns the raw material amount from the raw material supply unit 1 to a predetermined value of 4.0 NLM.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the raw material flow rate (raw material amount) and the temperature of the water evaporation unit 4 under the condition of a constant air ratio.
  • the temperature of the water evaporation section 4 rises.
  • SZC usually operates in a constant state regardless of the amount of raw material, so the amount of water vapor required also decreases as the amount of raw material decreases.
  • the amount of water supplied also decreases, so the amount of heat required for evaporation decreases.
  • the temperature of the water evaporation section 4 rises as shown in FIG. As a result, a highly reliable operation method can be realized.
  • the hydrogen generator according to the present embodiment has the same configuration as the hydrogen generator of Embodiment 1 except that a second air supply unit that supplies air to the combustion gas is provided.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the hydrogen generator according to the present embodiment.
  • the air from the second air supply unit 30 can be supplied to a position where the combustion state of the heating unit 12 of the radiation tube 13 is not disturbed.
  • the second air supply unit 30 can control the air supply amount by a signal from the control unit 20.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the amount of air from the second air supply unit and the temperature of the water evaporation unit 4.
  • the temperature of the water evaporation section 4 increases. This is achieved by mixing the high-temperature combustion gas generated in the heating unit 12 with the air from the second air supply unit 30 to reduce the temperature of the combustion gas while maintaining the same amount of heat retained by the combustion gas. This is because the amount of heat transferred to the water evaporation unit 4 is increased by suppressing the amount of heat transfer to the catalyst layer 5 and increasing the amount of heat held by the combustion gas to the water evaporation unit 4. [0060] In the present embodiment, unlike the first embodiment, air is mixed with the combustion gas generated by the heating unit 12, so that the water evaporation unit does not change the combustion reaction state in the combustion unit 3. The amount of heat transfer to 4 is controlled, and the generation of water pools in the water evaporation section 4 is suppressed. As a result, a hydrogen generator with high reliability and high hydrogen generation efficiency can be realized.
  • the second air supply section force is supplied to the radiation tube as long as the combustion state is not disturbed by the supply of air in the combustion gas passage leading to the water evaporation section 4.
  • the combustion gas flow path b2 after the combustion gas is sent out from the radiation tube 13 may also be used. However, when it is provided in the combustion gas flow path b2, a place close to the water evaporation section 4 is not preferable. When the supply location is close to the water evaporation section 4, the amount of heat transfer to the reforming catalyst layer 5 leading to the water evaporation section 4 is reduced, resulting in a small increase in heat transfer to the water evaporation section 4. Is the power
  • FIG. 11 is a block diagram schematically showing the configuration of the fuel cell power generation system according to the present embodiment.
  • This fuel cell power generation system includes a hydrogen generator 100, a fuel cell 101, a heat recovery device 102, and a blower 103 as main components.
  • the fuel cell 101 is, for example, a solid polymer fuel cell.
  • any one of the hydrogen generators of Embodiments 1 to 5 can be used.
  • the CO conversion unit 20 and the CO And a selective acid chamber 21 In addition to the reforming unit 3 and the heating unit 12 described above, the CO conversion unit 20 and the CO And a selective acid chamber 21.
  • the reformed gas flow path c of the reforming section 3 in FIG. 1 is connected to the CO shift section 20, and the CO shift section 20 and the CO selective oxidation section 21 are connected by the shift gas flow path d. ing.
  • the reformed gas generated in the reforming catalyst layer 5 is supplied to the CO shift section 20 via the reformed gas flow path c, where the CO concentration is reduced. Is done.
  • the shift gas obtained in the CO shift section 20 is supplied to the CO selective acid section 21 via the shift gas flow path d, where the CO concentration is further reduced.
  • the CO conversion unit 20 and the CO selective acid unit 21 perform the CO reduction process.
  • a hydrogen rich gas (hydrogen gas) having a low CO concentration can be obtained.
  • the hydrogen generator 100 is connected to the fuel cell 101 via the power generation fuel pipe 104 and the fuel off gas pipe 105.
  • the fuel cell 101 is connected to the blower 103 via the air pipe 106.
  • the heat recovery device 102 is configured to be able to recover heat generated when the combustion battery 101 generates power.
  • the heat recovery device 102 is composed of a hot water generating device having a hot water storage tank, and the hot water is generated by recovering the heat generated by the fuel cell 101 using the water in the hot water storage tank.
  • the fuel cell power generation system is configured to be able to supply electric power obtained by power generation to the power load terminal, and the heat recovered by the heat recovery device 102 is used as the heat load terminal. It is configured to be able to supply.
  • the hydrogen gas produced by the hydrogen generator 100 is supplied to the fuel electrode side of the fuel cell 101 through the power generation fuel pipe 104 as power generation fuel.
  • air is supplied from the blower 103 to the air electrode side of the fuel cell 101 via the air pipe 106.
  • the supplied hydrogen gas and air react (hereinafter referred to as a power generation reaction) to generate power, and heat is generated along with this power generation reaction.
  • the electric power obtained from the power generation reaction is supplied to the power load terminal (not shown) for use.
  • the heat generated by the power generation reaction is recovered by the heat recovery means 102 and then supplied to a heat load terminal (not shown) for use in various applications.
  • unused hydrogen gas (so-called fuel off-gas) that has not been used for the power generation reaction is recovered from the fuel cell 101 and supplied to the heating unit 12 of the hydrogen generator 100 via the fuel off-gas pipe 105 as combustion fuel. .
  • the fuel cell power generation system of the present embodiment can be operated so that liquid water is not stored in the water evaporation section 4 of the hydrogen generator 100. It is. Therefore, highly reliable hydrogen gas production can be performed, and hydrogen gas can be stably supplied to the fuel cell 101. Therefore, in the fuel cell 101, it is possible to efficiently and stably generate electric power energy and heat energy, and it is possible to realize a cogeneration system excellent in energy saving and economy. It should be noted that the hydrogen generator used in the present embodiment can be used other than the fuel cell power generation system.
  • reducing the amount of power generation corresponds to reducing the amount of raw material. Therefore, a method of reducing the amount of generated electricity can also be used as an operation method for preventing water accumulation in the water evaporation section. For example, in a fuel cell power generation system operating in a power generation state of lkW, when the control unit determines that the detected temperature of the water evaporation unit 4 is below a threshold temperature, for example, 110 ° C, and water is starting to accumulate, It is also possible to control the power generation amount to be lowered to 900W by sending a signal from the system to the system control unit (not shown).
  • a threshold temperature for example, 110 ° C
  • the fuel is supplied by the fuel supply unit 8.
  • the power is supplied by using the off-gas of the fuel cell power of the fuel cell power generation system as in the sixth embodiment. I'll do it.
  • the hydrogen generator according to the present invention is useful as a hydrogen generator capable of performing a highly reliable operation without storing water in the water evaporation section during operation.
  • a fuel cell system equipped with this hydrogen generator it is possible to stably perform a cogeneration operation excellent in economy and energy saving.

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Abstract

　本発明の水素生成装置は、少なくとも炭素原子と水素原子を含む原料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質部と、その改質部に原料を供給する原料供給部と、その改質部に水蒸気を供給する水蒸発部と、その水蒸発部の温度を検知する水蒸発部用温度検知部と、燃料と空気とを燃焼させ、改質部と水蒸発部とを伝熱により順次加熱する燃焼ガスを供給する加熱部と、制御部とからなる。制御部は、原料供給部からの原料供給量と水供給部からの水供給量を制御する一方、水蒸発部用温度検知部からの検出温度に基づいて、水蒸発部内に水が貯まらないように、加熱部への空気量、加熱部への燃料量又は改質部への原料量のいずれか一つを制御する。 これにより、水蒸発部に水が貯まらないように水素生成装置を運転することが可能であり、信頼性と経済性の高い水素生成装置の運転方法及びそれに用いる水素生成装置、並びにその水素生成装置を備えた燃料電池発電システムを提供することが可能となる。

Description

明 細 書
水素生成装置及びその運転方法並びに燃料電池システム
技術分野
[0001] 本発明は、天然ガス、 LPG、ガソリン、ナフサ、灯油、メタノール等の炭化水素系物 質を主原料として水蒸気改質反応により水素リッチガスを生成する水素生成装置及 びその運転方法並びに燃料電池システムに関し、特に、燃料電池等の水素利用機 器に供給する水素ガスを生成する水素生成装置及びその運転方法並びに燃料電池 システムに関する。
背景技術
[0002] 水素生成装置は、改質触媒層を備えた改質部において、少なくとも炭素および水 素から構成される有機化合物を含む原料の水蒸気改質を行う。この改質反応により、 改質ガスとして、水素リッチガス（以下、水素ガスと呼ぶ）が生成する。改質反応の際 に改質触媒層に水が直接供給されると、不均一蒸発による改質特性の低下や、改質 触媒上での水蒸発により触媒がダメージを受ける可能性がある。したがって、改質触 媒層には、水蒸気の状態で水が供給される。
[0003] 例えば、改質部の改質触媒層に連通する水の供給流路が立ち上がり構造を有する とともにこの構造によって形成された流路の底部に水蒸発部を設けたものがある (例 えば、特許文献 1参照)。かかる構成では、供給された水が水蒸発部で蒸発して改質 触媒層に供給され、水蒸発部で蒸発しなかった水がこの底部に溜められる。
特許文献 1：特開 2003— 252604号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] 水素生成装置は、装置内に水蒸発部を設け、ここに水を供給することで水蒸気を 生成している。この水蒸発部の蒸発能力が十分でなぐ供給された水を 100%蒸発 できなければ、蒸発分だけの水蒸気しか改質触媒層には供給されず、改質反応で 重要な、供給される原料中の炭素原子のモル数に対する供給される水蒸気のモル 数の比である SZCが設定値力 ずれて小さな値となる。また、反対に蒸発できなか つた水は、水蒸発部に液水として貯まることになる。水蒸発部に液水が貯まれば、運 転条件の変化により供給した水を蒸発させる能力が十分得られる条件になったときに 貯まっている液水が蒸発し、供給している水量以上に水蒸気が供給され、貯まって いる液水が蒸発し終わるまで szcが設定値より大きな値となる。 szcの設定値から のズレは、改質触媒温度に対する改質反応特性に影響を与えるばかりでなぐ s/c が小さくなりすぎると、改質反応後のガスの不均化反応や供給原料の高温化による 炭素析出による流路の閉塞、さらには水素生成装置力 送出する生成ガスの露点の 変化をもたらし、水素生成装置や水素生成装置を利用したシステムへ影響を与える 可能性がある。
[0005] また、液水が貯まっている状態で水素生成装置の運転が停止すれば、周囲温度が 低下して o°cを下回るような条件では水が凍結し、水蒸発部の破壊により水素生成装 置が機能しなくなる可能性がある。さらに、液水が貯まった状態での停止は、停止時 にたとえ水が凍結しなくても、次回起動時に液水が貯まった分だけ水蒸発まで時間 力 Sかかったり、貯まった液水の蒸発により想定していない条件での水蒸気供給が起こ り、下流側の昇温していない触媒で水蒸気が凝縮して触媒の水濡れ劣化や水による 流路閉塞などを引き起こす可能性がある。また、常に液水が貯まらないように過剰に 水蒸発部を加熱するような運転とすると、水素をつくるために必要な原料や燃料が増 えて水素生成効率が低くなり、経済性の悪い水素生成装置となってしまう。
[0006] 本発明はこれらの課題を解決するもので、水蒸発部に液水が貯まらないように水素 生成装置を運転することが可能であり、信頼性と経済性の高い水素生成装置及びそ の運転方法、並びにその水素生成装置を備えた燃料電池発電システムを提供する ことを目的とする。
課題を解決するための手段
[0007] 上記課題を解決するため、本発明に係る水素生成装置は、少なくとも炭素及び水 素から構成される有機化合物を含む原料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成す る改質部と、該改質部に水蒸気を供給する水蒸発部と、該水蒸発部の温度を検知す る水蒸発部用温度検知部と、燃料と空気とを燃焼させ、改質部と水蒸発部とを伝熱 により順次加熱する燃焼ガスを供給する加熱部と、制御部とを備え、前記制御部は、 前記水蒸発部用温度検知部の検出温度が、予め定められた第 1の閾温度より小さい 場合には、前記検出温度が上昇するように、前記加熱部への空気量、前記加熱部へ の燃料量又は前記水蒸発部への水量のいずれか一つを制御することを特徴とする。
[0008] 本発明の水素生成装置は、加熱部を、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成さ せる燃焼部と、燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、燃焼部に空気を供給する第 1空気供給部とで構成し、検出温度が第 1の閾温度より小さい場合には、制御部によ り第 1空気供給部により燃焼部への空気量を増力 tlさせるよう制御することもできる。こ こで、制御部は、燃料を完全燃焼するための理論空気量に対する供給される空気量 の比で規定される空気比が大きくなるように、加熱部への空気量を増カロさせることも できる。例えば、制御部は、空気比を 1. 5以上とするように加熱部への空気量を増加 させることができる。さらに、加熱部に燃焼ガスに空気を供給する第 2空気供給部を 設け、制御部が、水蒸発部用温度検知部の検出温度が、予め定められた第 1の閾温 度より小さい場合には、第 2空気供給部により空気量を増力！]させるよう制御することも できる。
[0009] また、本発明の水素生成装置は、加熱部を、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生 成させる燃焼部と、燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、燃焼部に空気を供給す る第 1空気供給部とで構成し、検出温度が第 1の閾温度より小さい場合には、制御部 により燃料供給部により燃焼部への燃料量を増加させるよう制御することもできる。
[0010] また、本発明の水素生成装置は、原料を供給する原料供給部と、水蒸発部に水を 供給する水供給部とを備え、検出温度が第 1の閾温度より小さい場合には、制御部 は、改質部に供給される原料中の炭素原子のモル数に対する改質部に供給される 水蒸気のモル数の比である szcを所定値に維持しながら、原料供給部による改質 部への原料量及び水供給部による水蒸発部への水量を減少させるよう制御すること ちでさる。
[0011] また、本発明の水素生成装置は、検出温度が、第 1の閾温度よりも高い第 2の閾温 度を超える場合には、制御部によりいずれか一つの供給量を制御して水蒸発部の温 度を下降させ、水蒸発部の温度を第 1の閾温度と第 2の閾温度との間に維持すること もできる。ここで、制御部は、検出温度が第 2の閾温度を超える場合には、第 1空気供 給部により燃焼部への空気量を減少させるよう制御することができる。また、制御部は
、検出温度が第 2の閾温度を超える場合には、燃料供給部により燃焼部への燃料量 を減少させることもできる。また、制御部は、検出温度が第 2の閾温度より小さい場合 には、 SZCを所定値に維持しながら、原料供給部による改質部への原料量及び水 供給部による水蒸発部への水量を増加させるよう制御することもできる。
[0012] また、本発明の水素生成装置は、水蒸発部用温度検知部により検出される第 1の 検出温度と所定時間経過後の第 2の検出温度とから算出された検出温度の時間変 化値が、検出温度の時間変化に対して予め設定された第 1の閾値より小さい場合に は、制御部により検出温度の時間変化値が上昇するようにいずれか一つの供給量を 制御することちでさる。
[0013] ここで、加熱部を、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、燃焼部 に燃料を供給する燃料供給部と、燃焼部に空気を供給する第 1空気供給部とで構成 し、検出温度の時間変化値が第 1の閾値より小さい場合には、制御部が第 1空気供 給部により燃焼部への空気量を増加させることができる。
[0014] また、加熱部を、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、燃焼部 に燃料を供給する燃料供給部と、燃焼部に空気を供給する第 1空気供給部とで構成 し、検出温度の時間変化値が第 1の閾値より小さい場合には、制御部が燃料供給部 により加熱部への燃料量を増加させるよう制御することもできる。
[0015] また、原料を供給する原料供給部と、水蒸発部に水を供給する水供給部とを備え、 検出温度の時間変化値が第 1の閾値より小さい場合には、制御部により、改質部に 供給される原料中の炭素原子のモル数に対する水蒸発部に供給される水蒸気のモ ル数の比である szcを所定値に維持しながら、原料供給部による改質部への原料 量及び水供給部による水蒸発部への水量を減少させるよう制御することもできる。
[0016] また、制御部により、検出温度の時間変化値が第 1の閾値よりも大きい第 2の閾値を 超えるときにはいずれか一つの供給量を制御して検出温度の時間変化値を下降さ せ、水蒸発部の検出温度の時間変化値を第 1の閾温度と第 2の閾温度との間に維持 することちでさる。
[0017] また、本発明の水素生成装置は、燃焼部の周囲には改質部と水蒸発部とがこの順 で外周方向に同心的に配設され、かつ燃焼ガスの流路となる燃焼ガス路が改質部か ら水蒸発部へと伝熱可能に配設されてなるものを用いることもできる。
[0018] 本発明に係る燃料電池システムは、少なくとも、請求項 1から 17のいずれか一つに 記載の水素生成装置と、該水素生成装置から供給される水素含有ガスと酸素含有ガ スとを用いて発電する燃料電池とを有することを特徴とするものである。
[0019] 本発明に係る水素生成装置の運転方法は、少なくとも炭素及び水素から構成され る有機化合物を含む原料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質部と、該改 質部に原料を供給する原料供給部と、該改質部に水蒸気を供給する水蒸発部と、該 水蒸発部の温度を検知する水蒸発部用温度検知部と、燃料と空気とを燃焼させ、改 質部と水蒸発部とを伝熱により順次加熱する燃焼ガスを供給する加熱部とを有する 水素生成装置の運転方法であって、前記水蒸発部用温度検知部の検出温度が、前 記検出温度が予め設定された第 1の閾温度より小さい場合には、前記検出温度が上 昇するように、前記加熱部への空気量、前記加熱部への燃料量又は前記水蒸発部 への水量のいずれか一つの供給量を制御することを特徴とするものである。
[0020] 本発明の運転方法においては、検出温度が第 1の閾温度より小さいときには、加熱 部への空気量を増カロさせることもできる。
[0021] また、本発明の運転方法においては、検出温度が、第 1の閾温度よりも高い第 2の 閾温度を超えるときには前記いずれか一つの供給量を制御して水蒸発部の温度を 下降させ、水蒸発部の温度を第 1の閾温度と第 2の閾温度との間に維持することもで きる。
[0022] また、本発明の運転方法においては、検出温度が第 2の閾温度を超えるときには加 熱部への空気量を減少させ、水蒸発部の温度を第 1の閾温度と第 2の閾温度との間 に維持することちできる。
[0023] また、本発明の運転方法においては、水蒸発部用温度検知部により検出される第 1の検出温度と所定時間経過後の第 2の検出温度とから算出された検出温度の時間 変化値が、検出温度の時間変化値に対して予め設定された第 1の閾値より小さいと きには検出温度の時間変化値が上昇するようにいずれか一つの供給量を制御する こともできる。ここで、検出温度の時間変化値が第 1の閾値より大きい第 2の閾値を下 回るときにはいずれか一つの供給量を制御して検出温度の時間変化値を下降させ、 検出温度の時間変化値を第 1の閾値と第 2の閾値との間に維持することもできる。 発明の効果
[0024] 本発明によれば、水蒸発部の温度状態に応じて水蒸発部への伝熱量を制御する ことで運転時に水蒸発部での水溜まりを防止し、供給した水は全て水蒸気として反応 部に供給することができる。それにより、所定の szcの条件で運転することができ、 安定した改質反応特性ゃ流路内の炭素析出防止を実現することができる。また、停 止時にも水蒸発部内には水が存在しないので、凍結防止対策も不要となるば力りで なぐ次回起動時の起動時間や起動特性の安定ィ匕を実現することができる。さらに上 記内容をできるだけ少ない原料および燃料供給により可能とする。よって、信頼性と 経済性の高 、水素生成装置を実現することができる。
図面の簡単な説明
[0025] [図 1]本発明の実施の形態 1に係る水素生成装置の改質部の構成の一例を示す模 式的な断面図。
[図 2]図 1の改質部における空気比と水蒸発部の温度との関係を示す図。
[図 3]図 1の改質部における空気比と改質触媒層への伝熱量及び水蒸発部への伝 熱量との関係を示す図。
[図 4]実施の形態 1の水素生成装置の運転動作のフローチャートの一例。
[図 5]図 1の改質部における空気比と水素生成効率との関係を示す図。
[図 6]実施の形態 1の水素生成装置の運転動作のフローチャートの一例。
[図 7]図 1の改質部における燃焼量と水蒸発部の温度との関係を示す図。
[図 8]図 1の改質部における原料流量と水蒸発部の温度との関係を示す図。
[図 9]本発明の実施の形態 5に係る水素生成装置の改質部の構成の一例を示す模 式的な断面図。
[図 10]図 9に示す第 2空気供給部力 の空気量と水蒸発部の温度との関係を示す図
[図 11]本発明の実施の形態 6に係る燃料電池発電システムの構成の一例を示すプロ ック図。 符号の説明
[0026] 1 原料供給部
2 水供給部
3 改質部
4 水蒸発部
5 改質触媒層
6 空気流路
7 第 1空気供給部
8 燃料供給部
9 燃焼部
12 加熱部
15 改質温度検知部
16 水蒸発部用温度検知部
20 制御部
30 第 2空気供給部
100 水素生成装置
101 燃料電池
102 熱回収装置
103 ブロワ
発明を実施するための最良の形態
[0027] 以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態 1.
図 1は、本発明の実施の形態 1に係る水素生成装置の構成を示す模式的な断面図 であり、特に、水素生成装置の主要構成要素である改質部の構成を詳細に示してい る。図 1に示すように、水素生成装置は、上端及び下端が閉鎖された円筒状の本体 5 0から構成され、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を水 蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質部 3と、その改質部 3に水蒸気を供給す る水蒸発部 4と、その水蒸発部 4の温度を検知する水蒸発部用温度検知部 16 (以下 、温度検知部と略す)と、燃料と空気とを燃焼させ、改質部 3と水蒸発部 4とを伝熱に より順次加熱する燃焼ガスを供給する加熱部 12と、制御部 20とを備えている。
[0028] 改質部 3では、円筒状の本体 50の内部に、半径及び軸方向の長さがそれぞれ異 なる円筒状の複数の縦壁 51が同心的に配置され、それにより、本体 50の内部が半 径方向に区画されている。この縦壁 51の所定の端部に、円板状又は中空円板状の 横壁 52が適宜配設されている。詳細には、本体 50の内部に複数の縦壁 51が同心 的に直立配置されることにより縦壁 51間に間隙 53が形成され、この間隙 53を利用し て所望のガス流路が形成されるように、縦壁 51の所定端部が横壁 52によって適宜 閉鎖されている。それにより、本体 50の内部に、改質原料流路 aと、燃焼ガス流路 bl と、改質ガス流路 cと、改質触媒層 5と、燃焼ガス流路 b2とが形成され、これらの流路 が、本体半径方向の外周側から中心に向けてこの順に配置されて 、る。
[0029] 改質原料流路 aは上流側の端部が、本体 50の外部に設けられた原料供給部 1及 び水供給部 2に接続されており、また、下流側の端部が、改質触媒層 5の上端面に 接続されている。改質原料流路 aは二重構造を有し、流路内を移動する物質の移動 方向が軸方向下向き力 軸方向上向きに変化するように形成された立ち上がり構造 となっている。そして、改質原料流路 aの底部に、水蒸発部 4が形成されている。後述 するように、水供給部 2から改質部 3に供給された水は、この水蒸発部 4に供給される ことにより蒸発する。この水蒸発部 4には水蒸発部 4の温度を検知する温度検知部 1 6が配設されており、ここでは温度検知手段として熱電対が設置されている。温度検 知部 16の設置場所は、水が貯まり始めたときに初めに貯まる水蒸発部 4の下部近傍 で、水蒸発部 4の温度を検知できる場所であれば、特に限定されるものではない。こ こでは、水蒸発部 4を構成する構造体壁を直接検知する構成としているが、水蒸発 部 4内に設置し、内部を流れているガスや水蒸気の温度、または貯まり始めた水の温 度を直接検知する構成でも良い。また、水蒸発部 4に水が貯まり始めることが検知で きれば、温度検知部の設置場所ゃ検知方法、検知対象媒体はどのようなものでも良 い。温度検知部 16により検知された水蒸発部 4の温度は、制御部 20に伝達される。 制御部 20の構成及び機能については後述する力 制御部 20は、この検出温度に基 づいて、空気供給部 7、燃料供給部 8、原料供給部 1及び水供給部 2に信号を出力し 、各供給量を制御する。ここで、空気供給部 7は加熱部 12に空気を供給し、燃料供 給部 8は加熱部 12に燃料を供給し、原料供給部 1は改質部 3に原料を供給する。
[0030] 改質触媒層 5は、間隙 53に改質触媒が充填されて形成されており、後述する加熱 部 12の輻射筒 13の上端面及び外周面に沿って配置されている。ここでは、 Ruを主 成分とする改質触媒が用いられているが、改質反応が可能であれば、改質触媒は特 に限定されるものではない。例えば、 Ptや Rhのような貴金属や Ni等カゝら構成される 改質触媒であってもよい。改質触媒層 5の上端面は改質原料流路 aに接続されてお り、下端面は改質ガス流路 cの上流側端部に接続されている。改質ガス流路 cの下流 側端部は、改質ガスを改質部 3の外部に取り出し可能に構成されている。この改質ガ ス流路 cの内部には、改質触媒層 5を通過して該流路内を流れるガスの温度を検知 する改質温度検知手段 15が配設されており、ここでは、改質温度検知手段 15として 、熱電対が設けられている。
[0031] 加熱部 12は、例えばバーナカもなる燃焼部 9と、燃焼部 9の外周に形成された空気 流路 6と、燃焼部 9の空気流路 6から上方に突出した部分を囲むように空気流路 6の 上に配置された輻射筒 13とを備え、輻射筒 13が、改質部 3の本体 50内部に収納さ れ同心的に配置されている。燃焼部 9は燃料供給部 8に接続されており、空気流路 6 は第 1空気供給部 7に接続されている。
[0032] 輻射筒 13の内部に燃焼部 9から燃焼燃料が供給されるとともに空気が供給され、 燃焼が行われて火炎が形成される。このように、輻射筒 13の内部に燃焼空間 14が 形成される。燃焼空間 14は、輻射筒 13の上端に形成された開口 13aを介して改質 部 3の燃焼ガス流路 b2に連通して 、る。燃焼ガス流路 b2と燃焼ガス流路 blとは改質 部 3の底部で連通しており、燃焼ガス流路 blの下流側端部は、燃焼ガスを改質部 3 の外部に取り出し可能に構成されて 、る。
[0033] なお、図示を省略しているが、原料供給部 1、水供給部 2、第 1空気供給部 7、及び 燃料供給部 8は、供給対象物の流量を制御可能に構成されている。例えば、これら の供給部 1, 2, 7, 8は、ポンプやファン等の駆動手段を備え、この駆動手段が制御 部 20によって制御されて各供給流量の制御が行われる構成であってもよぐまた、駆 動手段の下流側流路にバルブ等の流量制御手段がさらに設けられこの流量制御手 段が制御部 20によって制御されて各供給量の制御が行われる構成であってもよい。
[0034] 次に、水素生成装置の運転時の動作について説明する。
加熱部 12では、第 1空気供給部 7からの空気と燃料供給部 8からの燃料により火炎 が形成される。ここで、空気量と燃料量は制御部 20により、通常、加熱部 12に供給さ れる燃料の完全燃焼における理論空気量の 1. 3倍の空気が加熱部 12に供給され、 安定した燃焼を実現する。この燃焼により生じた高温の燃焼ガスは輻射筒 13内を通 つた後、輻射筒 13と改質触媒層 5の間の流路 b2を通過しながら、改質触媒層 5と熱 交換を行い、改質触媒層 5を良好な改質反応を行うことができる温度に昇温する。改 質触媒層 5と熱交換を行った後、燃焼ガスは水蒸発部 4の内側の流路 blを通過する ことで水蒸発部 4と熱交換を行い、水が蒸発できる熱量を水蒸発部 4に与え、水蒸発 部 4を昇温する。このような状態において、水供給部 2から水が供給されることで水蒸 発部 4で水蒸気がつくられ、原料供給部 1から供給された原料と水蒸気とが混合され て改質触媒層 5に送られる。改質触媒層 5では改質反応に十分な温度状態となって いるため改質反応が起こり、水素を含む改質ガスは改質ガス流路 Cを通って改質部 5 0から送出される。
[0035] このように、改質触媒層 5と水蒸発部 4とは共に加熱部 12からの燃焼ガスによりカロ 熱され、伝熱経路の上流側に位置する改質触媒層 5が、下流側に位置する水蒸発 部 4に先んじて加熱されることにより、加熱部 12の熱を有効に利用しながら、改質触 媒層 5を改質反応が良好な 600〜700°Cの高温に、水蒸発部 4を水が蒸発できる 10 0°C以上の状態に実現している。
[0036] 図 2は、原料流量一定の条件下における運転時の加熱部 12における空気比と水 蒸発部 4の温度との関係を示した図である。また、図 3は空気比に対する燃焼ガスの 改質触媒層 5への伝熱量と水蒸発部 4への伝熱量の関係を示した図である。
[0037] 空気比が大きくなると加熱部 12での火炎温度が低くなり燃焼ガスの温度が低くなる ため、改質触媒層 5への伝熱量が少なくなり、その結果、改質触媒層 5と熱交換した 後の燃焼ガスに含まれる熱量が多くなるので、水蒸発部 4への伝熱量が多くなる。し たがって、空気比が大きい方が、水蒸発部の温度が高くなる。ちなみに、空気比が 1 . 4よりも小さければ水蒸発部の温度が約 100°Cとほぼ一定となっているのは、水蒸 発部 4内に少しでも液水があれば、水の蒸発潜熱が大きいため、水蒸発部 4の底部 等で液水が貯まっている量にかかわらずほぼ 100°Cとなるためと考えられる。なお、 空気比に対する水蒸発部 4が 100°Cとなる領域は、周囲温度や運転条件、さらに運 転条件の時間変化などにより変わる。図 2では、その中で水が最も貯まりやすい条件 で運転した時の一例を示して ヽる。
[0038] 図 2において、空気比 1. 3で運転すると、水蒸発部 4の温度が 100°Cであるので、 水蒸発部 4に液水が、例えば水蒸発部 4の底部に貯まり始める。そこで、図 4に示す フローチャートのように制御することで水蒸発部 4への水溜まりを防止することができ る。つまり、起動力も暖気運転を経て通常運転に移行した状態において、空気比 1. 3で運転するステップ S 10に進む。そして、次のステップ S 20では、制御部 20は、温 度検知部 16から送られた水蒸発部 4の検出温度を第 1の閾温度、例えば 110°Cと対 比する。そこで、検出温度が 110°C以上であると判定した場合には、水蒸発部 4に供 給された水は全量蒸発していると判断してステップ S10に戻り、制御部 20で空気供 給部 7を制御して空気比 1. 3で運転する。一方、制御部 20で水蒸発部 4の温度が 1 10°Cより低いと判定すれば、水蒸発部 4に水が貯まり始めていると判断して、ステツ プ S30に進み、空気供給部 7を制御して空気比を 1. 5に変更し、水蒸発部 4への伝 熱量を増やして蒸発を促進させる。そして、ステップ S20に戻り、温度検知部 16によ り水蒸発部 4の温度を測定し、ステップ S20以降を繰り返す。
[0039] このような運転を行うことで、運転条件によって水蒸発部 4に液水が貯まりにくくなり 、仮に水蒸発部 4に液水が、例えば水蒸発部 4の底部等に貯まり始めたとしても貯ま る量を最小限に抑えることができる。これにより、水が貯まり始めた時と貯まっている水 が蒸発する時に生じる SZC (供給される原料中の炭素原子のモル数に対する供給 される水蒸気のモル数の比）のずれの大きさとずれの «続時間をできるだけ小さく抑 えることが可能となる。
[0040] 図 5は空気比に対する水素生成効率の関係を示した図である。ここで、水素生成効 率は、供給したガスの熱量に対する生成した水素の熱量で規定され、その値が大き い方がガスを有効に利用して水素を生成したことになる。図 5からわ力るように、空気 比を大きくすると改質効率は低下する傾向となる。これは図 3に示したように、空気比 が大きくなるほど、改質触媒層 5への伝熱量が少なくなり水蒸発部 4への伝熱量が多 くなる一方、水蒸発部 4では、水の蒸発に使用する熱量以上の熱は、最外周部にあ る水蒸発部 4から周囲に放熱されるからである。つまり、空気比が大きいほど周囲から の放熱量 (放熱ロス）が大きくなるため水素生成効率が低くなる。よって、空気比を常 に大きく設定しておけば、どのような運転状態でも水蒸発部 4での水溜まりを防止す ることができるが水素生成効率が低下する。しかし、本実施の形態に係る運転方法に よれば、必要なタイミングでのみ通常運転時よりも大きい空気比で運転することで、水 素生成効率が高い状態を維持しつつ水溜まりを予防することができる。
[0041] なお、実際の制御上、閾温度を 110°Cと一点で行うと、温度検知部 16の温度検知 状態の乱れや制御部 20での信号の乱れなどにより、制御部 20で認識する水蒸発部 4の温度が瞬間的に li eや 109°Cと変化する可能性がある。その様な状態では、 空気比の制御値が 1. 3と 1. 5を瞬間的に変わり続けることになり、燃焼空気供給部 7 の制御も瞬間的に変化し続ける。そうすると、ファンなどを使用している燃焼空気供 給部 7やその他の関連した機器の制御に不安定さを引き起こす可能性がある。
[0042] そこで、図 6に示すように閾温度を 2つ設け、水蒸発部 4の温度が上昇している場合 と下降して!/ヽる場合とで閾温度を使 、分け運転状態の安定性を確保しても良 ヽ。つ まり、起動力 暖気運転を経て通常運転に移行した状態において、空気比 1. 3で運 転するステップ S 10に進む。次のステップ S20では、制御部 20は、温度検知部 16か らの検出温度を第 1の閾温度、例えば 110°Cと対比する。そこで、検出温度が 110°C 以上であると判定した場合には、水蒸発部 4に供給された水は全量蒸発していると判 断してステップ S10に戻り、制御部 20で空気制御部 7を制御して空気比 1. 3で運転 する。一方、制御部 20で水蒸発部 4の温度が 110°Cより低いと判定すれば、水蒸発 部 4に液水が貯まり始めていると判断して、ステップ S30に進み、空気供給部 7を制 御して空気比を 1. 5に変更する。次のステップ S40では、制御部 20は、温度検知部 16からの検出温度を第 2の閾温度、例えば 115°Cと対比する。そこで、検出温度が 1 15°C以上であると判定した場合にはステップ S10に戻り、空気比 1. 3で運転する。 一方、検出温度が 115°Cより低いと判定すればステップ S30に戻り、空気比 1. 5でそ のまま運転し、ステップ S30以降を繰り返す。 このような動作を用いれば、水蒸発部 4の温度が 110°Cと 115°Cを瞬間的に変化す ることはない。そのため、空気比を制御するタイミングに時間間隔を設けることが可能 となり、瞬間的な変化により制御の不安定さを引き起こすことを防止することができる
[0043] また別の方法として、ひとつの閾温度に対して、一度空気比の設定値が変わった後 に設定後の空気比を維持する時間を設けて、一定時間空気比を変化させないように することにより、制御の安定ィ匕を図ってもよい。
[0044] なお、上記説明では閾温度に 110°Cを用いた力 これは一例であり、水蒸発部の 構成や温度検知部の設置場所などにより別の値を用いることができる。また、空気比 の設定も初期値に 1. 3、蒸発促進時には 1. 5を用いたが、これらは一例であり、改 質部や燃焼部の特性に応じて水素生成装置に適した別の値を用いることができる。
[0045] 以上のように、本実施の形態に係る水素生成装置では、水蒸発部の検出温度と閾 温度とを対比し、水蒸発部に液水が貯まりはじめたと判断した時には空気比を大きく し、水が貯まっていないと判断した時には空気比を小さくすることで、加熱部への空 気量を制御し、水素生成効率の低下を最小限に抑えた状態で運転時の水溜まりを 防止し、高い信頼性を実現することができる。
[0046] 実施の形態 2.
本実施の形態に係る水素生成装置は、制御部が、水蒸発部に液水が貯まり始めた か否かの判断を、閾温度に代えて検出温度の時間変化値力 なる閾値に基づいて 行う機能を有する以外は、実施の形態 1と同様の構成を有している。
例えば、水蒸発部 4の検出温度が 130°Cの時、その検出温度の時間変化値 ATw が 1. OdegZminの時は 10分経つても液水が貯まり始めないが、 Δ Twがー 2. Odeg/m inの時は 5分すると水が貯まり始める。また、検出温度が 120°Cの時には、その検出 温度の時間変化値 ATwがー 0.5degZminの時は 10分経っても液水が貯まり始めな いが、 ATwがー l.Odeg/minの時は 5分すると水が貯まり始める。
[0047] そこで、本実施の形態に係る水素生成装置の運転方法は、例えば、水蒸発部 4の 温度が 130°Cの時には閾値— 1.5deg/min、 120°Cの時には閾値— 0.8deg/minという ように各温度に対して時間変化値の閾値を設定する。例えば、空気比 1. 3で通常運 転を行っている場合を想定する。制御部 20では、温度検知部 16から送られた検出 温度を用いて算出した実際の検出温度 (第 1の検出温度)の時間変化値と、第 1の検 出温度について設定された第 1の閾値とを対比し、実際の時間変化値がその閾値よ り小さいと判定すると、暫くすると液水が貯まり始めると判断し、空気供給部 7を制御し て空気比を当初の 1. 3から 1. 5に変える。一方、制御部 20が、実際の時間変化値が 閾値より大きいと判定すると、液水は貯まらないと判断し、空気比 1. 3を維持する。な お、実際の時間変化値は、第 1の検出温度と所定時間経過後の第 2の検出温度から 算出し、この第 1の検出温度の時間変化値と、第 1の検出温度について設定された 第 1の閾値とを対比する。
[0048] 本実施の形態に係る水素生成装置によれば、水蒸発部 4で液水が貯まるのを事前 に予測することで液水を全く貯めることなぐかつできるだけ空気比を低い状態で運 転することが可能となるので、水素生成効率と信頼性の高 、水素生成装置及びその 運転方法を実現することができる。
[0049] なお、水素生成装置の運転に際し、一つの閾値のみを設定すると、実際の時間変 化値がその一の閾値前後で変化すると、空気比が瞬間的に変化する状態が続く可 能性がある。そのため、本実施の形態においても、実施の形態 1の場合と同様に閾 値を 2つ設け、図 6のフローチャートに示したと同様な運転方法により瞬間的に空気 比が変化する状態が続力ないようにしても良い。すなわち、第 1の検出温度について 第 1の閾値に加え、その第 1の閾値より大きい第 2の閾値を設定し、実際の時間変化 値が第 2の閾値を超えな 、ように空気比を変化させる。
[0050] また、一つの閾値のみを用いる場合であっても、変化後の空気比を所定時間維持 させることにより、空気比が瞬間的に変化する状態が続くことを防止できる。
さらに、上記のように単にある時点での第 1の検出温度における時間変化値だけで 判断するのではなぐ検出温度とその時間変化を常に把握して水蒸発部温度が第 1 の閾温度以下になるかどうかを何らかの予測手法を用いて判断し、より精度良く制御 を行えば、水蒸発部に液水を貯めることなぐかつ水素生成効率の高い状態で運転 することができる。
[0051] 実施の形態 3. 本実施の形態に係る水素生成装置は、制御部が、水蒸発部に液水が貯まり始めた と判断した際に、液水を蒸発させ、液水量を増加させないようにするために、加熱部 への空気量の制御に代えて加熱部への燃料量の制御を行う機能を有する以外は、 実施の形態 1と同様の構成を有して 、る。
所定の燃料量、例えば 1.5NLMで通常運転を行っている状態を想定する。水蒸発 部 4の検出温度が閾温度、例えば 110°Cを下回ったときには、制御部 20は燃料供給 部 8から供給する燃料量を増加させる。燃料として都市ガス 13Aを供給している場合 、所定値の 1.5NLMを 0.2NLM増加させ 1.7NLMとする。一方、検出温度が 110°Cを上 回ったときには、燃料量を所定の流量 1.5NLMに戻す。
[0052] 図 7は燃焼量に対する水蒸発部 4の温度を示した図である。この図からわ力るように 燃焼量が増えると水蒸発部 4への伝熱量が増えるため水蒸発部 4の温度が上昇する 。よって、水蒸発部 4に液水が貯まり始めた時、燃料供給部 8からの燃料量を増やす ことで燃焼量を増やして水蒸発部 4での蒸発を促進させる。一方、水蒸発部 4に液水 が貯まっていないときには、燃料供給量を所定値に戻し、過剰な熱の供給を防止す る。これにより、信頼性と水素生成効率の高い水素生成装置及びその運転方法を実 現することができる。
[0053] なお、水蒸発部 4に液水が貯まり始めた力否かを判断する基準として、実施の形態 2のように検出温度の実際の時間変化値を用いても良！、。
[0054] 実施の形態 4.
本実施の形態に係る水素生成装置は、制御部が、水蒸発部内の水蒸気量を増加 させるために、加熱部への空気量の制御に代えて改質部への原料量の制御を行う 機能を有する以外は、実施の形態 1と同様の構成を有している。
所定の原料量、例えば 4.0NLMで通常運転を行っている状態を想定する。蒸発部 4の検出温度が閾温度、例えば 110°Cを下回ったときには、制御部 20は液水が貯ま り始めたと判断し、原料供給部 1から供給する原料量を減らす。原料として都市ガス 1 3Aを使用している場合、所定値 4.0NLM供給力も 0.5NLM減らして 3.5NLMとする。一 方、検出温度が 110°Cを上回ったときには制御部 20は液水が貯まっていないと判断 し、原料供給部 1からの原料量を所定値の 4.0NLMに戻す。 [0055] 図 8は、空気比一定の条件における原料流量 (原料量)と水蒸発部 4の温度との関 係を示した図である。この図からわ力るように原料量が減ると水蒸発部 4の温度が上 昇する。これは、通常、水素生成装置では、原料量によらず SZCが一定の状態で運 転するため、原料量が減少すると必要な水蒸気量も減少する力もである。水蒸気量 が減少すると供給する水量も減るため、蒸発に必要な熱量が少なくなる。そのため、 原料量が減少すると図 8のように水蒸発部 4の温度が上昇する。これにより、信頼性 の高 ヽ運転方法を実現することができる。
[0056] なお、水蒸発部 4に液水が貯まり始めた力否かを判断する基準として、実施の形態 2のように検出温度の実際の時間変化値とその閾値とを対比する方法を用いても良 い。
[0057] 実施の形態 5.
本実施の形態に係る水素生成装置は、燃焼ガスに空気を供給する第 2空気供給部 を設けた以外は、実施の形態 1の水素生成装置と同様の構成を有している。
図 9は、本実施の形態に係る水素生成装置の構成を示す模式的な断面図である。 輻射筒 13の加熱部 12の燃焼状態を乱さない位置に、第 2空気供給部 30からの空 気が供給できる構成になっている。第 2空気供給部 30は制御部 20からの信号により 空気供給量が制御できるようになつている。
[0058] 上記構成において、水蒸発部 4に液水が貯まり始めたと判断したときの運転方法を 説明する。温度検知部 16から送られた検出温度と閾温度、例えば 110°Cとを対比し 、検出温度が 110°Cより低いと判定し、液水が貯まり始めたと判断すると、制御部 20 は第 2空気供給部 30から空気を、例えば 5NLM供給する。これに対し、液水が貯まつ ていないと判断したときには、第 2空気供給部 30からの空気の供給を行わない。
[0059] 図 10は第 2空気供給部からの空気量と水蒸発部 4の温度の関係を示す図である。
空気量が増えると水蒸発部 4の温度が上昇する。これは、加熱部 12で生じた高温の 燃焼ガスに第 2空気供給部 30からの空気を混合することで、燃焼ガスの保有熱量を 同じ状態に維持しながら燃焼ガスの温度を下げて改質触媒層 5への伝熱量を抑え、 水蒸発部 4への燃焼ガスの保有熱量を増加させて、水蒸発部 4への伝熱量を増やし ているためである。 [0060] 本実施の形態では、空気を加熱部 12で生成する燃焼ガスに混合することで、実施 の形態 1とは異なり、燃焼部 3での燃焼反応状態に変化を与えることなく水蒸発部 4 への伝熱量を制御し、水蒸発部 4の水溜まりの生成を抑制している。これにより信頼 性と水素生成効率の高い水素生成装置を実現することができる。
[0061] なお、第 2空気供給部力 空気を供給する場所としては、水蒸発部 4に至るまでの 燃焼ガス流路で空気の供給により燃焼状態が乱れないところであればよぐ輻射筒 1 3内でも燃焼ガスが輻射筒 13から送出された後の燃焼ガス流路 b2であってもよい。 ただ、燃焼ガス流路 b2に設ける場合、水蒸発部 4に近い場所は好ましくない。供給 場所が水蒸発部 4に近くなると、水蒸発部 4に至るまでの改質触媒層 5などへの伝熱 の抑制量が少なくなる結果、水蒸発部 4への伝熱量の増加分が少なくなる力 である
[0062] なお、水蒸発部 4に液水が貯まり始めた力否かを判断する基準として、実施の形態 2のように検出温度の実際の時間変化値とその閾値とを対比する方法を用いても良 い。
[0063] 実施の形態 6.
図 11は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を模式的に示すブロッ ク図である。この燃料電池発電システムは、水素生成装置 100と、燃料電池 101と、 熱回収装置 102と、ブロワ 103とを主たる構成要素として備えている。この燃料電池 1 01は、例えば、固体高分子型燃料電池である。
水素生成装置 100には、実施の形態 1から 5の 、ずれか一つの水素生成装置を用 いることができ、前述した改質部 3及び加熱部 12の他に、さらに CO変成部 20と CO 選択酸ィ匕部 21とを備えている。具体的には、図 1の改質部 3の改質ガス流路 cが CO 変成部 20に接続されており、 CO変成部 20と CO選択酸化部 21とが変成ガス流路 d によって接続されている。カゝかる構成の水素生成装置 100では、改質触媒層 5で生 成された改質ガスが改質ガス流路 cを介して CO変成部 20に供給され、ここで CO濃 度の低減化が行われる。 CO変成部 20で得られた変成ガスは、変成ガス流路 dを介 して CO選択酸ィ匕部 21に供給され、ここでさらに CO濃度の低減ィ匕が行われる。この ように CO変成部 20及び CO選択酸ィ匕部 21によって CO低減ィ匕処理が行われること により、水素生成装置 100では、 CO濃度の低い水素リッチガス (水素ガス）が得られ る。
[0064] 燃料電池発電システムでは、水素生成装置 100が発電燃料配管 104及び燃料ォ フガス配管 105を介して燃料電池 101に接続されている。また、燃料電池 101は、空 気配管 106を介してブロワ 103に接続されている。また、熱回収装置 102は、燃焼電 池 101の発電時に発生する熱を回収可能に構成されている。ここでは、熱回収装置 102が、貯湯タンクを備えた温水生成装置から構成され、この貯湯タンク内の水によ つて燃料電池 101の発電時の熱を回収して温水を生成する。なお、ここでは図示を 省略しているが、燃料電池発電システムは、発電により得られた電力を電力負荷端 末に供給可能に構成されるとともに、熱回収装置 102で回収した熱を熱負荷端末に 供給可能に構成されている。
[0065] 水素生成装置 100で製造された水素ガスは、発電燃料として、発電燃料配管 104 を通じて燃料電池 101の燃料極側に供給される。一方、燃料電池 101の空気極側に は、空気配管 106を介して、ブロワ 103から空気が供給される。燃料電池 101では、 供給された水素ガスと空気とが反応 (以下、発電反応と呼ぶ)して発電が行われるとと もに、この発電反応に伴って熱が発生する。発電反応で得られた電力は、電力負荷 端末 (図示せず）に供給されて使用される。また、発電反応に伴って発生した熱は、 熱回収手段 102に回収され、その後、熱負荷端末（図示せず）に供給されて種々の 用途で利用される。また、発電反応に利用されなかった未使用の水素ガス (いわゆる 燃料オフガス）は、燃料電池 101から回収され、燃料オフガス配管 105を介して水素 生成装置 100の加熱部 12に燃焼燃料として供給される。
[0066] 本実施の形態の燃料電池発電システムでは、実施の形態 1から 5において説明し たように、水素生成装置 100の水蒸発部 4に液水が貯まらな 、ように運転することが 可能である。そのため、信頼性の高い水素ガス製造を行うことができ、燃料電池 101 に安定して水素ガスの供給を行うことが可能となる。それゆえ、燃料電池 101におい て、効率よく安定して電力エネルギー及び熱エネルギーを発生させることが可能とな り、省エネルギー性及び経済性に優れたコージェネレーションシステムを実現するこ とが可能となる。 なお、本実施の形態に用いた水素生成装置は、燃料電池発電システム以外にも用 いることがでさる。
[0067] なお、本燃料電池発電システムにお ヽて、発電量を減らすことは原料量を減らすこ とに対応する。そのため、水蒸発部における水溜まりを防止する運転方法として、発 電量を下げる方法を用いることもできる。例えば、 lkWの発電状態で動いている燃料 電池発電システムにおいて、水蒸発部 4の検出温度が閾温度、例えば 110°Cを下回 り、水が溜まり始めていると制御部が判断した時、制御部からシステムの制御部（不 図示）に信号を送り発電量を 900Wと下げるように制御することもできる。一方、水蒸 発部 4の温度が 110°Cを上回り液水が貯まっていないと判断したときには、発電量を lkWに戻す運転とする。これにより、水蒸発部 4での水溜まりを防止することができ、 信頼性の高 ヽ燃料電池発電システムを実現できる。
[0068] なお、実施の形態 1から 5において、燃料の供給は燃料供給部 8により供給している 力 実施の形態 6のように燃料電池発電システムの燃料電池力 のオフガスを用いて 行うことちでさる。
産業上の利用可能性
[0069] 本発明に係る水素生成装置は、運転時に水蒸発部に水を貯めることのない信頼性 の高い運転を実施することが可能な水素生成装置として有用である。特に、この水素 生成装置を備えた燃料電池システムでは、経済性及び省エネルギー性に優れたコ 一ジェネレーション運転を安定して行うことが可能となる。

Claims

請求の範囲
[1] 少なくとも炭素及び水素力 構成される有機化合物を含む原料を水蒸気改質して 水素含有ガスを生成する改質部と、
該改質部に水蒸気を供給する水蒸発部と、
該水蒸発部の温度を検知する水蒸発部用温度検知部と、
燃料と空気とを燃焼させ、改質部と水蒸発部とを伝熱により順次加熱する燃焼ガス を供給する加熱部と、
制御部とを備え、
前記制御部は、前記水蒸発部用温度検知部の検出温度が、予め定められた第 1 の閾温度より小さい場合には、前記検出温度が上昇するように、前記加熱部への空 気量、前記加熱部への燃料量又は前記水蒸発部への水量の!/、ずれか一つを制御 することを特徴とする水素生成装置。
[2] 前記加熱部は、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、
該燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、
該燃焼部に空気を供給する第 1空気供給部を有し、
前記制御部は、前記検出温度が前記第 1の閾温度より小さい場合には、前記第 1 空気供給部により前記燃焼部への空気量を増加させるよう制御する請求項 1に記載 の水素生成装置。
[3] 前記制御部は、前記燃料を完全燃焼するための理論空気量に対する供給される 空気量の比で規定される空気比が大きくなるように加熱部への空気量を増加させる 請求項 2に記載の水素生成装置。
[4] 前記制御部は、前記空気比を 1. 5以上とするように加熱部への空気量を増加させ る請求項 3に記載の水素生成装置。
[5] 前記加熱部は、さらに、前記燃焼ガスに空気を供給する第 2空気供給部を備え、前 記制御部は、前記水蒸発部用温度検知部の検出温度が、予め定められた第 1の閾 温度より小さい場合には、第 2空気供給部により空気量を増力！]させるよう制御する請 求項 2に記載の水素生成装置。
[6] 前記加熱部は、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、 該燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、
該燃焼部に空気を供給する第 1空気供給部とを備え、
前記制御部は、前記検出温度が前記第 1の閾温度より小さい場合には、前記燃料 供給部により前記燃焼部への燃料量を増加させるよう制御する請求項 1に記載の水 素生成装置。
[7] 前記原料を供給する原料供給部と、前記水蒸発部に水を供給する水供給部とを備 え、前記検出温度が前記第 1の閾温度より小さい場合には、前記制御部は、前記改 質部に供給される原料中の炭素原子のモル数に対する前記改質部に供給される水 蒸気のモル数の比である szcを所定値に維持しながら、前記原料供給部による前 記改質部への原料量及び前記水供給部による前記水蒸発部への水量を減少させる よう制御する請求項 1に記載の水素生成装置。
[8] 前記制御部は、前記検出温度が、前記第 1の閾温度よりも高い第 2の閾温度を超え る場合には、前記いずれか一つの供給量を制御して前記水蒸発部の温度を下降さ せ、前記水蒸発部の温度を前記第 1の閾温度と前記第 2の閾温度との間に維持する 請求項 1に記載の水素生成装置。
[9] 前記制御部は、前記検出温度が前記第 2の閾温度を超える場合には、前記第 1空 気供給部により前記燃焼部への空気量を減少させるよう制御する請求項 8に記載の 水素生成装置。
[10] 前記制御部は、前記検出温度が前記第 2の閾温度を超える場合には、前記燃料供 給部により前記燃焼部への燃料量を減少させる請求項 8に記載の水素生成装置。
[11] 前記制御部は、前記検出温度が前記第 2の閾温度より小さい場合には、 SZCを所 定値に維持しながら、前記原料供給部による前記改質部への原料量及び前記水供 給部による前記水蒸発部への水量を増加させるよう制御する請求項 8に記載の水素 生成装置。
[12] 前記制御部は、前記水蒸発部用温度検知部により検出される第 1の検出温度と所 定時間経過後の第 2の検出温度とから算出された前記検出温度の時間変化値が、 前記検出温度の時間変化に対して予め設定された第 1の閾値より小さい場合には、 前記検出温度の時間変化値が上昇するように前記いずれか一つの供給量を制御す る請求項 1に記載の水素生成装置。
[13] 前記加熱部は、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、
該燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、
該燃焼部に空気を供給する第 1空気供給部を有し、
前記制御部は、前記検出温度の時間変化値が、前記第 1の閾値より小さい場合に は、前記第 1空気供給部により前記燃焼部への空気量を増加させる請求項 12に記 載の水素生成装置。
[14] 前記加熱部は、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、
該燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、
該燃焼部に空気を供給する第 1空気供給部を有し、
前記制御部は、前記検出温度の時間変化値が、前記第 1の閾値より小さい場合に は前記燃料供給部により前記加熱部への燃料量を増加させるよう制御する請求項 1 2に記載の水素生成装置。
[15] 前記原料を供給する原料供給部と、
前記水蒸発部に水を供給する水供給部とを備え、
前記制御部は、前記検出温度の時間変化値が、前記第 1の閾値より小さい場合に は、前記改質部に供給される原料中の炭素原子のモル数に対する前記水蒸発部に 供給される水蒸気のモル数の比である SZCを所定値に維持しながら、前記原料供 給部による前記改質部への原料量及び前記水供給部による前記水蒸発部への水量 を減少させるよう制御する請求項 12に記載の水素生成装置。
[16] 前記制御部は、前記検出温度の時間変化値が前記第 1の閾値よりも大きい第 2の 閾値を超えるときには前記いずれか一つの供給量を制御して前記検出温度の時間 変化値を下降させ、前記水蒸発部の検出温度の時間変化値が前記第 1の閾温度と 前記第 2の閾温との間に維持する請求項 12に記載の水素生成装置。
[17] 前記燃焼部の周囲には前記改質部と前記水蒸発部とがこの順で外周方向に同心 的に配設され、かつ燃焼ガスの流路となる燃焼ガス路が改質部力 水蒸発部へと伝 熱可能に配設されている請求項 1または 12に記載の水素生成装置。
[18] 少なくとも、請求項 1から 17のいずれか一つに記載の水素生成装置と、該水素生 成装置から供給される水素含有ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する燃料電池と を有する燃料電池システム。
[19] 少なくとも炭素及び水素力 構成される有機化合物を含む原料を水蒸気改質して 水素含有ガスを生成する改質部と、該改質部に原料を供給する原料供給部と、該改 質部に水蒸気を供給する水蒸発部と、該水蒸発部の温度を検知する水蒸発部用温 度検知部と、燃料と空気とを燃焼させ、改質部と水蒸発部とを伝熱により順次加熱す る燃焼ガスを供給する加熱部とを有する水素生成装置の運転方法であって、 前記水蒸発部用温度検知部の検出温度が、前記検出温度が予め設定された第 1 の閾温度より小さい場合には、前記検出温度が上昇するように、前記加熱部への空 気量、前記加熱部への燃料量又は前記水蒸発部への水量の!/、ずれか一つの供給 量を制御する水素生成装置の運転方法。
[20] 前記検出温度が該第 1の閾温度より小さいときには、前記加熱部への空気量を増 加させる請求項 19記載の水素生成装置の運転方法。
[21] 前記検出温度が、前記第 1の閾温度よりも高い第 2の閾温度を超えるときには前記 V、ずれか一つの供給量を制御して前記水蒸発部の温度を下降させ、前記水蒸発部 の温度を前記第 1の閾温度と前記第 2の閾温度との間に維持する請求項 19に記載 の水素生成装置の運転方法。
[22] 前記検出温度が第 2の閾温度を超えるときには前記加熱部への空気量を減少させ 、前記水蒸発部の温度を第 1の閾温度と第 2の閾温度との間に維持する請求項 19に 記載の水素生成装置の運転方法。
[23] 前記水蒸発部用温度検知部により検出される第 1の検出温度と所定時間経過後の 第 2の検出温度とから算出された前記検出温度の時間変化値が、前記検出温度の 時間変化値に対して予め設定された第 1の閾値より小さいときには前記検出温度の 時間変化値が上昇するように前記 、ずれか一つの供給量を制御する請求項 19記載 の水素生成装置の運転方法。
[24] 前記検出温度の時間変化値が第 1の閾値より大きい第 2の閾値を下回るときには前 記!、ずれか一つの供給量を制御して前記検出温度の時間変化値を下降させ、前記 検出温度の時間変化値を第 1の閾値と第 2の閾値との間に維持する請求項 23記載 の水素生成装置の運転方法。
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