JP2009149478A - Reformer - Google Patents
Reformer Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009149478A JP2009149478A JP2007330048A JP2007330048A JP2009149478A JP 2009149478 A JP2009149478 A JP 2009149478A JP 2007330048 A JP2007330048 A JP 2007330048A JP 2007330048 A JP2007330048 A JP 2007330048A JP 2009149478 A JP2009149478 A JP 2009149478A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- unit
- passage
- water
- temperature
- heat exchange
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】運転条件が変化するときであっても、あるいは、定常運転のときであっても、有害成分浄化部の温度を安定化させるのに有利な改質装置を提供する。
【解決手段】改質装置2は、改質ガスを生成する改質部34と;改質ガスの有害成分を低減させる有害成分浄化部5Aと;第1通路4aを流れる水と、第2通路4cを流れて改質部34から有害成分浄化部5Aに向かう改質ガスとを熱交換させる熱交換部4と;熱交換部4の第1通路4aに水を供給する給水部36,27mと;熱交換部4の第1通路4aに流入する前の水の気液混合状態を直接または間接的に検知し、熱交換部4の第1通路4aの冷却能および/または有害成分浄化部5Aの温度を制御する制御部500とをもつ。
【選択図】図1The present invention provides a reformer that is advantageous for stabilizing the temperature of a harmful component purification section even when operating conditions change or during steady operation.
A reformer includes a reforming unit that generates reformed gas; a harmful component purifying unit that reduces harmful components of the reformed gas; water flowing through a first passage and a second passage. A heat exchanging unit 4 for exchanging heat with the reformed gas flowing through the reforming unit 34 and flowing from the reforming unit 34 toward the harmful component purification unit 5A; water supply units 36 and 27m for supplying water to the first passage 4a of the heat exchanging unit 4; The gas-liquid mixing state of the water before flowing into the first passage 4a of the heat exchange section 4 is detected directly or indirectly, and the cooling capacity and / or harmful component purification section 5A of the first passage 4a of the heat exchange section 4 is detected. And a control unit 500 for controlling the temperature.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は燃料原料から改質反応により改質ガスを生成する改質装置に関する。
The present invention relates to a reformer that generates a reformed gas from a fuel material by a reforming reaction.
従来、燃料原料から改質反応により改質ガスを生成する改質装置が提供されている(特許文献1)。この改質装置は、燃料原料から改質反応により改質ガスを生成する改質部と、改質部で生成された改質ガスの有害成分としての一酸化炭素をシフト反応により低減させるCOシフト部と、COシフト部を経て改質ガスに含まれる一酸化炭素を酸素と結合させて二酸化炭素として低減させるCO酸化除去部と、熱交換部と、熱交換部に水蒸気化された水を供給する給水部とを備えている。熱交換部は、互いに熱交換可能な第1通路と第2通路とをもつ。第1通路を流れる相対的に低温の水と、改質部から第2通路を流れて有害成分浄化部に向かう相対的に高温の改質ガスとを熱交換させる。これにより改質ガスを冷却して有害成分浄化部に供給する。このようにすれば有害成分浄化部に流入される改質ガスの温度が適温域となるため、有害成分浄化部における浄化性能が確保される。 Conventionally, a reformer that generates a reformed gas from a fuel material by a reforming reaction has been provided (Patent Document 1). This reformer has a reforming unit that generates reformed gas from a fuel material by a reforming reaction, and a CO shift that reduces carbon monoxide as a harmful component of the reformed gas generated in the reforming unit by a shift reaction. A CO oxidation removal unit that combines carbon monoxide contained in the reformed gas with oxygen through the CO shift unit to reduce it as carbon dioxide, a heat exchange unit, and water vaporized water is supplied to the heat exchange unit And a water supply section. The heat exchange unit has a first passage and a second passage that can exchange heat with each other. Heat exchange is performed between the relatively low temperature water flowing through the first passage and the relatively high temperature reformed gas flowing from the reforming section through the second passage toward the harmful component purification section. As a result, the reformed gas is cooled and supplied to the harmful component purification section. In this way, the temperature of the reformed gas flowing into the harmful component purification unit becomes an appropriate temperature range, so that purification performance in the harmful component purification unit is ensured.
また、特許文献2では、COシフト部(変性触媒部)を流れる改質ガスと、改質反応に使用される原料水とをCOシフト部(変性触媒部)において熱交換させる燃料処理装置が開示されている。このものによれば、COシフト部(変性触媒部)の温度を検知する温度センサを設け、COシフト部(変性触媒部)の温度に基づいて、原料水の供給量を制御している。
上記した改質装置においては、負荷変動などで改質装置の運転条件が変化するとき、あるいは、定常運転であっても外乱等の影響で、有害成分浄化部の温度の安定性が損なわれるおそれがある。この場合、有害成分を浄化する性能の安定性が損なわれるおそれがある。 In the above reformer, the stability of the temperature of the harmful component purification unit may be impaired when the operating conditions of the reformer change due to load fluctuations, or due to disturbances or the like even in steady operation. There is. In this case, the stability of the performance of purifying harmful components may be impaired.
そこで、特許文献2によれば、COシフト部(変性触媒部)の温度を検知する温度センサを設け、この温度信号に基づいて、給水部に供給する水の供給量を調節する方式を採用することにより、COシフト部(変性触媒部)の安定化を図っている。しかしながら、上記した方式ではCOシフト部(変性触媒部)の温度の安定化には必ずしも充分ではない。
Therefore, according to
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、負荷変動などで運転条件が変化するときであっても、あるいは、定常運転のときであっても、COシフト部やCO酸化除去部等といった有害成分浄化部の温度を安定化させるのに有利な改質装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and even when operating conditions change due to load fluctuation or the like, or during steady operation, a CO shift unit, a CO oxidation removal unit, etc. An object of the present invention is to provide a reformer that is advantageous for stabilizing the temperature of the harmful component purification section.
本発明者は、COシフト部やCO酸化除去部等といった有害成分浄化部の温度を安定化させるためには、有害成分浄化部に供給される改質ガスの流れ経路において、有害成分浄化部の上流に位置する熱交換部の温度を制御することが重要であること、更に、熱交換部の温度を制御するためには、熱交換部に流入する前の熱交換用の水の状態を検知することが重要であることを知見し、試験で確認し、本発明を完成した。 In order to stabilize the temperature of the harmful component purification unit such as the CO shift unit and the CO oxidation removal unit, the inventor of the harmful component purification unit in the flow path of the reformed gas supplied to the harmful component purification unit. It is important to control the temperature of the heat exchange section located upstream, and in order to control the temperature of the heat exchange section, the state of the water for heat exchange before flowing into the heat exchange section is detected. It was found that it was important to do this, and it was confirmed by a test, and the present invention was completed.
本発明に係る改質装置は、(i)燃料原料から改質反応により改質ガスを生成する改質部と、(ii)改質部で生成された改質ガスの有害成分を低減させる有害成分浄化部と、(iii)互いに熱交換可能な第1通路と第2通路とをもち、第1通路を流れる水と、第2通路を流れて改質部から有害成分浄化部に向かう改質ガスとを熱交換させることにより、改質ガスを冷却して有害成分浄化部に供給する熱交換部と、(iv)熱交換部の第1通路に水通路を介して水を供給する給水部と、(v)熱交換部の第1通路に流入する前の水の状態に関する物理量を直接的または間接的に検知し、検知された物理量に応じて、熱交換部の第1通路の冷却能および/または有害成分浄化部の温度を制御する制御部とを具備することを特徴とする。 The reformer according to the present invention includes (i) a reforming unit that generates reformed gas from a fuel raw material by a reforming reaction, and (ii) a harmful component that reduces harmful components of the reformed gas generated in the reforming unit. A component purification unit, and (iii) a first passage and a second passage that can exchange heat with each other, water flowing through the first passage, and reforming from the reforming unit to the harmful component purification unit through the second passage. A heat exchanging unit that cools the reformed gas by supplying heat to the gas and supplying the reformed gas to the harmful component purifying unit; and (iv) a water supply unit that supplies water to the first passage of the heat exchanging unit through the water passage. And (v) a physical quantity relating to the state of water before flowing into the first passage of the heat exchange section is detected directly or indirectly, and the cooling capacity of the first passage of the heat exchange section is detected according to the detected physical quantity. And / or a control unit that controls the temperature of the harmful component purification unit.
有害成分浄化部は、改質部で生成された改質ガスの有害成分を低減させるものである。有害成分としては一酸化炭素が例示される。従って、有害成分浄化部は、一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により一酸化炭素を酸化させて二酸化炭素に変化させる形態、および/または、一酸化炭素を酸素と反応させて二酸化炭素に変化させる形態が例示される。一般的には、有害成分浄化部の活性温度域は、改質部で生成された改質ガスの温度よりも低い。従って、改質部で生成された改質ガスを有害成分浄化部に供給するにあたり、改質ガスを冷却することが好ましい。そこで、熱交換部の第1通路を流れる水(液相および/または気相)と、熱交換部の第2通路を流れる高温の改質ガスとを熱交換させ、第2通路を介して有害成分浄化部に向けて流れる改質ガスを冷却させることにしている。 The harmful component purification unit reduces harmful components of the reformed gas generated in the reforming unit. Examples of harmful components include carbon monoxide. Therefore, the harmful component purification unit oxidizes carbon monoxide by the shift reaction between carbon monoxide and water vapor to change it to carbon dioxide, and / or reacts carbon monoxide with oxygen to change it to carbon dioxide. The form is illustrated. Generally, the active temperature range of the harmful component purification unit is lower than the temperature of the reformed gas generated in the reforming unit. Therefore, it is preferable to cool the reformed gas when supplying the reformed gas generated in the reforming unit to the harmful component purification unit. Therefore, the water (liquid phase and / or gas phase) flowing through the first passage of the heat exchange section and the high-temperature reformed gas flowing through the second passage of the heat exchange section are subjected to heat exchange, and harmful through the second passage. The reformed gas flowing toward the component purification unit is cooled.
ここで、熱交換部の第1通路の水の状態において、液相が過剰であり、水の冷却能が高すぎると、熱交換部の第1通路の冷却能が高すぎ、有害成分浄化部に流れる改質ガスの温度が過剰に低温化し、有害成分浄化部の温度が活性温度域に対して低めとなるおそれがある。この場合、有害成分浄化部が有する本来の浄化性能が発揮できなくなるおそれがある。 Here, in the state of the water in the first passage of the heat exchange section, if the liquid phase is excessive and the cooling capacity of water is too high, the cooling capacity of the first passage of the heat exchange section is too high, and the harmful component purification section. There is a possibility that the temperature of the reformed gas flowing in the gas will be excessively lowered, and the temperature of the harmful component purification unit will be lower than the active temperature range. In this case, the original purification performance of the harmful component purification unit may not be exhibited.
そこで、制御部は、熱交換部の第1通路に流入する前の水の状態に関する物理量を直接的または間接的に検知する。直接的検知とは、熱交換部の第1通路に流入する前の水の状態に関する物理量(温度、圧力等)を直接検知することをいう。間接的検知は、(i)熱交換部の第1通路を流れている水の物理量(温度、圧力等)から、第1通路に流入する前の水の状態に関する物理量(温度、圧力等)を推測する形態と、(ii)熱交換部の第1通路から流出する水の物理量(温度、圧力等)から、第1通路に流入する前の水の状態に関する物理量(温度、圧力等)を推測する形態とを含む。 Then, a control part detects the physical quantity regarding the state of the water before flowing in into the 1st channel | path of a heat exchange part directly or indirectly. Direct detection means directly detecting a physical quantity (temperature, pressure, etc.) relating to the state of water before flowing into the first passage of the heat exchange section. Indirect detection is based on (i) the physical quantity (temperature, pressure, etc.) related to the state of water before flowing into the first passage from the physical quantity (temperature, pressure, etc.) of the water flowing through the first passage of the heat exchange section. Estimate the physical quantity (temperature, pressure, etc.) related to the state of water before flowing into the first passage from the form to be guessed and (ii) the physical quantity (temperature, pressure, etc.) of the water flowing out from the first passage of the heat exchange section Including the form to be performed.
熱交換部の第1通路に流入する前の『水』は、液相状でも良いし、気相状でも良いし、気相と液相とが混合した気液混合流体でも良い。従って、水の状態に関する物理量としては、液相の水の温度、気相の水の温度、気相の水の圧力、気液混合流体の圧力が挙げられる。水の温度が高いと、水は液相から気相に変化するため、気相の比率が高くなり、水の圧力が増加する。このため水の圧力は水の温度、ひいては水の状態(気液混合状態)を間接的に示すパラメータとなり得る。液相の水の蒸発潜熱(気化熱)は大きいため、液相と気相との比率は水の冷却能に影響を与える。 The “water” before flowing into the first passage of the heat exchange unit may be in a liquid phase, a gas phase, or a gas-liquid mixed fluid in which a gas phase and a liquid phase are mixed. Therefore, the physical quantity relating to the state of water includes the temperature of liquid phase water, the temperature of gas phase water, the pressure of gas phase water, and the pressure of gas-liquid mixed fluid. If the temperature of the water is high, the water changes from the liquid phase to the gas phase, so the ratio of the gas phase increases and the water pressure increases. For this reason, the water pressure can be a parameter that indirectly indicates the temperature of the water, and thus the state of the water (gas-liquid mixed state). Since the latent heat of vaporization (heat of vaporization) of liquid phase water is large, the ratio between the liquid phase and the gas phase affects the cooling ability of water.
従って、第1通路に流入する前の水の状態に関する物理量は、第1通路に流入する前の液相の水の状態に関する物理量、気相の水の状態に関する物理量、気液混合の状態の水に関する物理量に相当することができる。 Therefore, the physical quantity relating to the state of water before flowing into the first passage is the physical quantity relating to the state of liquid phase water before flowing into the first passage, the physical quantity relating to the state of gas phase water, and the water in the state of gas-liquid mixing. Can correspond to physical quantities.
そして、制御部は、検知された物理量に応じて、熱交換部の第1通路の冷却能および/または有害成分浄化部の温度を制御する。即ち、検知された物理量(温度、圧力等)に基づいて熱交換部の第1通路の水の液相の比率が高く、水の冷却能が過剰に高いと判断されるときには、有害成分浄化部が過剰に降温するおそれがある。このため、制御部は、熱交換部の第1通路の冷却能を低減させ、有害成分浄化部の温度を昇温させる制御を行うことができる。ここで、第1通路の冷却能を低減させるためには、給水部に供給する水(液相)の単位時間あたりの流量を減少させる手段が例示される。 And a control part controls the cooling capacity of the 1st channel | path of a heat exchange part, and / or the temperature of a harmful | toxic component purification | cleaning part according to the detected physical quantity. That is, when it is determined that the ratio of the liquid phase of the water in the first passage of the heat exchange unit is high based on the detected physical quantity (temperature, pressure, etc.) and the cooling capacity of the water is excessively high, the harmful component purification unit May drop excessively. For this reason, the control part can perform the control which reduces the cooling capacity of the 1st channel | path of a heat exchange part, and raises the temperature of a harmful | toxic component purification | cleaning part. Here, in order to reduce the cooling capacity of the first passage, means for reducing the flow rate per unit time of water (liquid phase) supplied to the water supply unit is exemplified.
また、検知された物理量(温度、圧力等)に基づいて熱交換部の第1通路の水の気相の比率が過剰であり、冷却能が過剰に低いと判断されるときには、有害成分浄化部が過剰に昇温するおそれがある。このため、制御部は、熱交換部の第1通路の冷却能を高め、有害成分浄化部の温度を降温させる制御を行うことができる。第1通路の冷却能を高めるためには、給水部に供給する水(液相)の流量を増加させる手段、および/または、水通路の水を加熱要素で加熱する手段が例示される。 Further, when the ratio of the gas phase of the water in the first passage of the heat exchange unit is excessive based on the detected physical quantity (temperature, pressure, etc.) and the cooling capacity is determined to be excessively low, the harmful component purification unit May overheat. For this reason, the control part can perform the control which raises the cooling capacity of the 1st channel | path of a heat exchange part, and lowers the temperature of a harmful | toxic component purification | cleaning part. In order to increase the cooling capacity of the first passage, means for increasing the flow rate of water (liquid phase) supplied to the water supply unit and / or means for heating the water in the water passage with a heating element are exemplified.
以上説明したように本発明によれば、有害成分浄化部に供給される改質ガスの流れ経路において、有害成分浄化部の上流に位置する熱交換部の第1通路に流入する前の水の状態に関する物理量を直接または間接的に検知し、検知された物理量に応じて、熱交換部の第1通路の冷却能および/または有害成分浄化部の温度を制御することにしている。このため負荷変動などで改質装置の運転条件が変化するときであっても、あるいは、定常運転において外乱が発生するようなときであっても、改質ガスの有害成分を低減させる有害成分浄化部の温度を安定化させるのに有利となる。 As described above, according to the present invention, the water before flowing into the first passage of the heat exchange unit located upstream of the harmful component purification unit in the flow path of the reformed gas supplied to the harmful component purification unit. A physical quantity related to the state is detected directly or indirectly, and the cooling capacity of the first passage of the heat exchange section and / or the temperature of the harmful component purification section is controlled according to the detected physical quantity. Therefore, even when the operating conditions of the reformer change due to load fluctuations or when disturbances occur in steady operation, harmful component purification that reduces the harmful components of the reformed gas It is advantageous to stabilize the temperature of the part.
制御部は、熱交換部の第1通路に流入する前の水の状態に関する物理量として、当該水の温度および/または圧力を検知し、検知結果に応じて、熱交換部の第1通路の冷却能および/または有害成分浄化部の温度を制御する形態が例示される。熱交換部の第1通路に流入する前の水の温度は、第1通路の冷却能に直接影響を与え、ひいては有害成分浄化部の温度に大きな影響を与える。第1通路に流入する前の水の温度および/または圧力は、水の状態に関する物理量として使用できる。 The control unit detects the temperature and / or pressure of the water as a physical quantity related to the state of the water before flowing into the first passage of the heat exchange unit, and cools the first passage of the heat exchange unit according to the detection result. The form which controls the temperature of a performance and / or a harmful | toxic component purification part is illustrated. The temperature of the water before flowing into the first passage of the heat exchange section directly affects the cooling capacity of the first passage, and thus greatly affects the temperature of the harmful component purification section. The temperature and / or pressure of water before flowing into the first passage can be used as a physical quantity relating to the state of water.
給水部は、水を加熱して液相の水および気相の水を含む気液混合流体を発生させると共に水通路に繋がる気液混合流体発生部(蒸発部等)と、原料水を気液混合流体発生部に供給する原料水供給部(ポンプ等)とを備えている形態が例示される。熱交換部の第1通路で暖められ第1通路から流出した水は、改質部に改質反応を実行するために供給される形態が例示される。場合によっては、熱交換部の第1通路から流出した水は、他の用途に使用しても良い。 The water supply unit heats water to generate a gas-liquid mixed fluid containing liquid-phase water and gas-phase water, and a gas-liquid mixed fluid generating unit (evaporating unit or the like) connected to the water passage; The form provided with the raw material water supply part (pump etc.) supplied to a mixed fluid generation | occurrence | production part is illustrated. An example is shown in which the water that has been heated in the first passage of the heat exchange section and has flowed out of the first passage is supplied to the reforming section in order to perform the reforming reaction. Depending on the case, you may use the water which flowed out from the 1st channel | path of the heat exchange part for another use.
第1通路の冷却能が所定値よりも過剰であるとき、制御部は、気液混合流体発生部に供給する原料水の単位時間あたりの流量を低減させる形態が例示される。原料水の流量が低減されると、第1通路を流れる液相の水の量が低減されるため、第1通路の冷却能が低減される。所定値は、有害成分浄化部の材質、改質装置の使用環境等に応じて適宜設定される。 When the cooling capacity of the first passage is excessive beyond a predetermined value, the control unit may be configured to reduce the flow rate per unit time of the raw water supplied to the gas-liquid mixed fluid generation unit. When the flow rate of the raw material water is reduced, the amount of liquid phase water flowing through the first passage is reduced, so that the cooling capacity of the first passage is reduced. The predetermined value is appropriately set according to the material of the harmful component purification unit, the use environment of the reformer, and the like.
また、制御部は、第1通路に流入する前の水の状態に関する物理量を直接的または間接的に検知する検知部をもつ形態が例示される。水の状態に関する物理量としては、水の温度そのもの、水の温度を間接的に示すパラメータ(気相状の水または気液混合流体が示す圧力等)が挙げられる。 Moreover, the form with a detection part which detects directly or indirectly the physical quantity regarding the state of the water before flowing into a 1st channel | path is illustrated for a control part. Examples of the physical quantity related to the water state include the temperature of the water itself and a parameter (such as a pressure exhibited by gas-phase water or a gas-liquid mixed fluid) that indirectly indicates the temperature of the water.
また、制御部は、第1通路に流入する前の水の温度に関する物理量の降温微分値を求め、降温微分値に基づいて、第1通路の冷却能および/または有害成分浄化部の温度を制御する形態が例示される。例えば、降温の降温微分値が大きいときには、第1通路に流入する前の水の降温量が大きいため、給水部に供給する水(液相)の流量を低減させること、および/または、水通路の水を加熱することが好ましい。 In addition, the control unit obtains a temperature lowering differential value of the physical quantity related to the temperature of the water before flowing into the first passage, and controls the cooling capacity of the first passage and / or the temperature of the harmful component purification unit based on the temperature lowering differential value. The form to do is illustrated. For example, when the temperature drop differential value of the temperature drop is large, the temperature drop amount of water before flowing into the first passage is large, so that the flow rate of water (liquid phase) supplied to the water supply unit is reduced and / or the water passage It is preferable to heat the water.
また水通路には加熱要素が設けられている形態が例示される。この場合、第1通路の冷却能が所定値よりも過剰であるとき、制御部は、加熱要素の作動させる操作または加熱要素の発熱量を増加させる操作を行うことが好ましい。
この場合、第1通路の冷却能が過剰に高くなることが抑制される。
Moreover, the form by which the heating element is provided in the water channel is illustrated. In this case, when the cooling capacity of the first passage is excessive beyond a predetermined value, the control unit preferably performs an operation for operating the heating element or an operation for increasing the heat generation amount of the heating element.
In this case, the cooling capacity of the first passage is suppressed from becoming excessively high.
以下、本発明の実施例1について図1を参照して具体的に説明する。本実施例に係る改質装置は燃料電池システムに適用したものである。図1に示すように、
改質装置2は、改質用燃料(燃料原料)と水(水蒸気)との改質反応により改質ガスを生成する改質部34と、改質部34で生成された改質ガスの有害成分を低減させる有害成分浄化部5A(一酸化炭素浄化部)と、互いに熱交換可能な第1通路4aと第2通路4cとをもつ熱交換部4とを備えている。改質部34は、改質反応を促進させる改質触媒を有する。
The
給水部は、原料水を燃焼部30で加熱して液相の水および気相の水を含む気液混合流体を発生させる気液混合流体発生部として機能する蒸発部36と、原料水を蒸発部36に供給する原料水供給部としてのポンプ27m(原料水搬送源)とを備えている。蒸発部36で生成された気液混合流体(水)は、水蒸気通路300(水通路)を介して熱交換部4に向かう。
The water supply unit evaporates the raw material water by evaporating the raw material water and the
燃焼部30は、蒸発部36および改質部34に隣設しており、蒸発部36を加熱すると共に改質部34を加熱する。蒸発部36に供給された原料水は蒸発部36において水蒸気化される。水蒸気化した水は、蒸発部36と熱交換部4とを繋ぐ水蒸気通路300(水搬送通路)を介して、熱交換部4の第1通路4aに流れる。水蒸気通路300には、燃料通路62を流れる燃料原料と合流する合流域M1が設けられている。従って水蒸気通路300において合流域M1よりも上流では、一般的には、液相の水と気相の水とが混合した気液混合流体が流れる。水蒸気通路300において合流域M1よりも下流では、液相の水と気相の水と改質用の燃料原料(ガス)とが混合した気液混合流体が熱交換部4の第1通路4aを流れる。改質部34で生成された改質ガスは、熱交換部4の第2通路4cを流れて有害成分浄化部5Aに向かう。
The
熱交換部4は、第1通路4aを流れる相対的に低温(例えば70〜120℃)の気液混合流体と、第2通路4cを流れて改質部34から有害成分浄化部5Aに向かう相対的に高温の改質ガス(例えば300〜900℃)とを熱交換させる。これにより改質部34で生成された直後の高温の改質ガスを、熱交換部4における熱交換により冷却し、有害成分浄化部5Aに供給する。
The
有害成分浄化部5Aは、改質部34で生成された改質ガスの有害成分(一酸化炭素)を低減させるものである。有害成分が低減された改質ガスはアノードガスとして燃料電池に供給され、カソードガスと共に発電反応に使用される。有害成分浄化部5Aは、一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により一酸化炭素を酸化させて二酸化炭素に変化させるCOシフト部5と、一酸化炭素を酸素と反応させて二酸化炭素に変化させるCO酸化除去部37とを備えている。COシフト部5は一般的には、シフト反応を促進させる触媒を有する。CO酸化除去部37は、一般的には、酸化反応を促進させる触媒を有する。
The harmful
有害成分浄化部5Aにおける温度T2は温度センサ55で検知される。温度センサ55の検知信号は制御部500に入力される。ここで、有害成分浄化部5Aの活性温度域は、改質部34で生成された直後の改質ガスの温度(例えば300超〜900℃の範囲内)よりも低い。例えば、COシフト部5の活性温度域は200〜300℃の範囲内であり、CO酸化除去部37の活性温度域は80〜300℃の範囲内である。但し、活性温度域はこれに限定されるものではない。
The
改質部34で生成された高温の改質ガスを有害成分浄化部5Aに供給するにあたり、改質ガスを適温域に冷却し、その改質ガスを有害成分浄化部5Aに供給することが好ましい。改質ガスが適温域とされていないと、有害成分浄化部5Aにおける一酸化酸素浄化能力が充分に発揮されないおそれがある。
In supplying the high-temperature reformed gas generated in the reforming
そこで本実施例によれば、熱交換部4の第1通路4aを流れる水(液相および/または気相,改質ガスよりも低温)と、熱交換部4の第2通路4cを流れる相対的に高温の改質ガスとを積極的に熱交換させる。これにより熱交換部4の第2通路4cを介して有害成分浄化部5Aに向けて流れる改質ガスは、有害成分浄化部5Aに流入する前の段階で冷却される。
Therefore, according to the present embodiment, water (liquid phase and / or gas phase, lower temperature than the reformed gas) flowing through the
ここで、仮に熱交換部4の第1通路4aに流れる水において気相の比率が過剰に高いと、液相が過少であるため、水の水蒸気化による蒸発潜熱(気化熱)が期待できず、ひいては水の冷却能が低下し、熱交換部4の第1通路4aによる冷却能(熱交換能)が低下するおそれがあり、有害成分浄化部5Aに供給される改質ガスが過剰に昇温化するおそれがある。
Here, if the ratio of the gas phase in the water flowing through the
その反面、熱交換部4の第1通路4aを流れる水の液相の比率が過剰に高いと、水による蒸発潜熱(気化熱)が過剰に増加し、第1通路4aによる冷却能が過剰となり、結果として、有害成分浄化部5Aに流れる改質ガスの温度が低温化し、有害成分浄化部5Aが活性温度域に対して相対的に低めとなるおそれがある。この場合、有害成分浄化部5Aの浄化性能が損なわれるおそれがある。
On the other hand, if the ratio of the liquid phase of the water flowing through the
そこで本実施例によれば、制御部500は、制御則1として、有害成分浄化部5Aにおける温度T2を温度センサ55により検知し、温度T2が活性温度域となるように、燃焼部30に供給される燃焼用燃料および燃焼用空気の単位時間当たりの流量、更にはポンプ27mの単位時間あたりの回転数(単位時間あたりの水搬送量)のうちの少なくとも一つを制御している。これにより燃焼部30の燃焼を制御し、蒸発部36で発生する気液混合流体における液相/気相の比率を適度に設定し、温度T2が有害成分浄化部5Aの活性温度域となるようにしている。このように熱交換部4の第1通路4aに流入する前の水の気液混合状態(液相/気相の比率)を適度に設定し、その気液混合流体を熱交換部4の第1通路4aに供給することにしている。これにより熱交換部4の第1通路4aによる冷却能(熱交換能)が良好に維持され、ひいては熱交換部4の熱交換量が良好に維持され、これにより有害成分浄化部5Aの浄化性能が充分に発揮できる。
Therefore, according to the present embodiment, as the
しかしながら燃料電池等の負荷変動が発生し、改質装置2の運転条件が変化する場合、あるいは、定常運転であっても外乱の影響が大きい場合には、熱交換部4等の熱バランスが崩れるおそれがある。この場合、熱交換部4の第1通路4aに流入する前の水の状態が大きく変化するおそれがある。即ち、水の液相/気相の比率が大きく変化するおそれがある。この結果、熱交換部4の第1通路4aの冷却能が過剰に変動し、ひいては有害成分浄化部5Aにおける温度T2の安定性が損なわれるおそれがある。
However, when the load fluctuation of the fuel cell or the like occurs and the operation condition of the
そこで本実施例によれば、制御部500は、制御則1の他に制御則2を採用し、熱交換部4の第1通路4aに流入する前の水の状態(水蒸気通路300における水の状態)に応じて、熱交換部4の第1通路4aの冷却能を制御し、ひいては有害成分浄化部5Aの温度T2の安定化を図ることにしている。
Therefore, according to the present embodiment, the
以下、更に説明を加える。すなわち、制御部500は、水蒸気通路300の合流域M1の水の状態(水の温度T1)を検知する検知部としての温度センサ65をもつ。温度センサ65の検知信号は制御部500に入力される。これにより制御部500は、水蒸気通路300の合流域M1における水の温度を検知することができる。つまり、制御部500は、温度T1に基づいて、熱交換部4の第1通路4aに流入する前の水の冷却能、即ち、水の状態(液相の比率および/または気相の比率)を検知することができる。
Further explanation will be given below. That is, the
ここで、第1通路4aに流入する前の水の温度T1が相対的に低いと、水蒸気通路300の合流域M1を流れる水の状態において液相状の水の比率が多いことになり、熱交換部4の第1通路4aを流れる水(気液混合流体)の冷却能が高いことになる。また、温度T1が相対的に高いと、水蒸気通路300の合流域M1を流れる水の状態において液相状の水の比率が少なく、気相状の水の比率が高くなり、熱交換部4の第1通路4aを流れる水(気液混合流体)の冷却能が小さいことになる。ここで、液相状の水の比率が過剰であると、液相状の水が気化するときの蒸発潜熱(気化熱)が大きいため、熱交換部4の第1通路4aの冷却能が所定値よりも過剰であり、このとき、有害成分浄化部5Aに向かう改質ガスの温度が過剰に降温し、有害成分浄化部5Aの温度T2も過剰に降温するおそれがある。
Here, when the temperature T1 of the water before flowing into the
そこで、第1通路4aに流入する前の水の温度T1が相対的に低いとき、制御部500は、ポンプ27mの単位時間あたりの回転数(原料水搬送量)を低減させる指令をポンプ27mに出力する。よって、蒸発部36に供給される原料水の単位時間あたりの流量が低減される。これにより燃焼部30の燃焼を維持しつつ、水蒸気通路300を流れる気液混合流体において液相の水の比率が相対的に低下すると共に、気相の水の比率が相対的に増加する。この結果、熱交換部4の第1通路4aの冷却能が抑えられて適性化される。ひいては熱交換部4の第1通路4aと第2通路4cとの熱交換量が適性化される。従って、第2通路4cを流れる改質ガスの過剰低温化が抑制され、有害成分浄化部5Aの温度T2が活性温度域に良好に維持される。このようにして制御部500は、熱交換部4の第1通路4aの冷却能を制御し、有害成分浄化部5Aの温度を活性温度域に制御する。このため上記したように負荷変動が発生し改質装置2の運転条件が変化するときであっても、あるいは、定常運転において外乱の影響が大きいときであっても、有害成分浄化部5Aによる浄化性能が維持される。なおポンプ27mの回転数について、制御則1による指令値と制御則2による指令値とが異なる場合には、制御則2を優先させる。
Therefore, when the temperature T1 of the water before flowing into the
ところで、図2は実際の改質装置2を用いて改質運転を実施しつつ測定した実機データ(制御則1を実施するものの、制御則2を実施していない場合)を示す。図2において横軸は時間を示す。縦軸は、温度センサ65の温度T1(特性線W1)および温度センサ55の温度T2(特性線W2)を示すと共に、蒸発部36に供給される原料水の単位時間あたりの流量(特性線WA)を示す。
By the way, FIG. 2 shows actual machine data (in the case where the
燃料電池の負荷が変動するときには、それに応じて改質装置2の運転条件を変化させる。例えば、燃料電池の負荷が増加し発電電流を増加させるときには、蒸発部36に供給される原料水の流量を増加させる。図2において、原料水の流量を上昇させる時刻をt1とする。図2の特性線W1に示すように、水蒸気通路300の合流域M1の温度T1が時刻t2において、降温し始める。時刻t2は時刻t1の直後である(t2>t1)。また、図2の特性線W2に示すように、時刻t1から所定時間が経過した時刻t3(t3>t2>t1)において、原料水の増加の影響で有害成分浄化部5Aの温度T2が降温し始める。時刻t3は時刻t2に対して時間差Δt遅延している。上記したように有害成分浄化部5Aが過剰に降温すると、有害成分浄化部5Aの浄化性能が損なわれるおそれがある。
When the load of the fuel cell fluctuates, the operating conditions of the
ところで、有害成分浄化部5Aの温度T2を安定化させる制御においては、水蒸気通路300の合流域M1の温度T1に基づくのではなく、有害成分浄化部5Aの温度T2をフィードバック制御し、温度T2が降温したらポンプ82の回転数を低下させる制御も考えられる。
By the way, in the control for stabilizing the temperature T2 of the harmful
この場合においても、ポンプ82の回転数を低下させ蒸発部36に供給する原料水の流量を低下させれば、有害成分浄化部5Aの温度T2の過剰の降温が抑制される。しかしながら図2の特性線W2から理解できるように、有害成分浄化部5Aの温度T2が降温を開始する時刻t3は、合流域M1の温度T1が降温を開始する時刻t2よりもΔt遅延している。このため有害成分浄化部5Aの温度T2の降温を回復させる制御応答が遅延し、有害成分浄化部5Aにおける浄化性能が損なわれるおそれがある。従って上記した本実施例のように、改質ガスの流れ流路において有害成分浄化部5Aよりも上流に位置する熱交換部4の第1通路4aに流入する前の水の温度、即ち、水蒸気通路300の合流域M1の温度T1を検知し、温度T1に基づいてポンプ27mによる単位時間あたりの給水量(回転数)を制御すれば、外乱に対して応答性を早くでき、有害成分浄化部5Aの温度T2を活性温度域に良好に維持することができる。
Even in this case, if the rotational speed of the
図3は実施例2を示す。本実施例は実施例1と基本的には同様の構成、作用効果を有するため、図1および図2を準用する。以下、実施例1と相違する部分を中心として説明する。図3は制御部500が実行する制御のフローチャートを示す。図3に示すように、まず燃料電池が発電中か否か判定する(ステップS104)。発電中でなければ(ステップS104のNo)、ステップS122に進む。発電中であれば(ステップS104のYes)、センサ65,55の信号を読み込み、温度T1,温度T2を計測する(ステップS106)。温度T1,温度T2をフィルタ処理してノイズを除去する(ステップS108)。有害成分浄化部5Aの温度T2の目標値を演算で求める(ステップS110)。有害成分浄化部5Aの温度T2が目標値となるように、温度T2に対してPID制御を行い(ステップS112)、ポンプ27mの単位時間あたりの回転数、燃焼部30に供給される燃焼用燃料および燃焼用空気の単位時間あたりの流量を制御する。PID制御に限らず、P制御またはPI制御としても良い。
FIG. 3 shows a second embodiment. Since the present embodiment basically has the same configuration and effect as the first embodiment, FIGS. 1 and 2 are applied mutatis mutandis. Hereinafter, a description will be given centering on portions different from the first embodiment. FIG. 3 shows a flowchart of control executed by the
水蒸気通路300の合流域M1における温度T1が所定温度TX(例えば110℃)未満か否か判定する(ステップS114)。
It is determined whether or not the temperature T1 in the merge region M1 of the
ここで、ステップS114は、熱交換部4の第1通路4aに流入する前の水(水蒸気通路300の合流域M1)の状態を判定する手段として機能できる。即ち、ステップS114は、熱交換部4の第1通路4aに流入する前の水において、気相および/または液相の比率を判定する手段として機能できる。換言すると、ステップS114は、熱交換部4の第1通路4aに供給させる直前の水(水蒸気通路300の合流域M1を流れる水)の冷却能が、有害成分浄化部5Aを過剰に降温させる程、過剰であるか否かを判定する手段として機能できる。
Here, step S114 can function as a means for determining the state of the water before flowing into the
温度T1が所定温度TX(例えば110℃)以上であれば、熱交換部4の第1通路4aを流れる前の水(水蒸気通路300の合流域M1)が気相となっている比率はかなり高く、液相となっている比率はかなり低いため、当該水の冷却能はあまり高くなく、有害成分浄化部5Aを過剰に降温させる確率が低いと考えられる。また温度T1が所定温度TX(例えば110℃)以下であれば、熱交換部4の第1通路4aを流れる前の水(水蒸気通路300の合流域M1)が液相となっている比率が高く、気相となっている比率は低いため、当該水の冷却能は高く、有害成分浄化部5Aを過剰に降温させる確率が高いと考えられる。
If the temperature T1 is equal to or higher than a predetermined temperature TX (for example, 110 ° C.), the ratio of the water before flowing through the
なお、上記した所定温度TXは例えば110℃に設定されているが、これに限らず、場合によっては、使用環境等に応じて、95℃、100℃、115℃、120℃としても良い。制御部500は、夏期モードおよび/または冬季モードにおいて所定温度TXを変化させても良い。
In addition, although the above-mentioned predetermined temperature TX is set to 110 degreeC, for example, it is not restricted to this, According to use environment etc., it is good also as 95 degreeC, 100 degreeC, 115 degreeC, and 120 degreeC. The
ステップS114の判定結果、水蒸気通路300の合流域M1における水の温度T1が所定温度(例えば110℃)未満であれば(ステップS114のNo)、当該水の冷却能は過剰ではなく、従って、有害成分浄化部5Aが過剰に降温する確率が低く、このため蒸発部36に供給する原料水の単位時間あたりの流量を減少させる必要がないため、ステップS122に進む。
As a result of the determination in step S114, if the water temperature T1 in the merge area M1 of the
これに対して、ステップS114の判定の結果、水蒸気通路300の合流域M1における温度T1が所定温度(110℃)未満であれば(ステップS114のYes)であれば、当該水の冷却能はかなり高く、従って、有害成分浄化部5Aが過剰に降温する確率が高く、このため蒸発部36に供給する原料水の単位時間あたりの流量を減少させる必要が高い。
On the other hand, as a result of the determination in step S114, if the temperature T1 in the merge region M1 of the
そこで、制御部500は、温度T1の降温微分値(基準時間(例えば10sec)における温度変化量)を求める(ステップS116)。温度T1の降温微分値が所定微分値γ(例えば10℃)を超えていれば(ステップS118のYes)、水蒸気通路300を流れる水の液相の比率が過剰に高く、温度T1が急激に低温化しており、熱交換部4の第1通路4aの冷却能が過剰となり、有害成分浄化部5Aの温度T2を過剰に低温化させるおそれが高いと考えられる。
Therefore, the
そこで、制御部500は、原料水減算処理を実行し、蒸発部36に供給する原料水を減算させる単位時間あたりの流量を求める(ステップS120)。この場合、温度T1および温度T2等に応じて減算流量を求める。更に、合流域M1に供給されるガス状の改質用燃料の単位時間あたりの流量を考慮し、蒸発部36に供給する原料水の単位時間あたりの目標流量を演算で求める(ステップS122)。これにより蒸発部36に供給される水の単位時間あたりの流量が低下することになる。演算にあたり、合流域M1に供給されるガス状の改質用燃料の流量、温度T1,T2等の関係は、制御装置500のメモリの所定のエリアにマップとして予め格納されている。
Therefore, the
更に、改質運転時において改質部34でコーキングを発生させないコーキング防止用のS/Cとして、最低基準値αが制御部500のメモリの所定のエリアに設定されている。S/Cは、Steam/Carbonの比率を意味し、改質部34に供給されるH2Oのモル数と、改質部34に供給される燃料原料に含まれるCのモル数との比率に相当する。S/C比が過剰に低いときには、燃料原料量に対して水蒸気量が過少であり、改質部34において炭素が生成してコーキングが発生するおそれがあり、好ましくない。
Further, a minimum reference value α is set in a predetermined area of the memory of the
制御部500は、上記したように演算で求められた原料水の目標流量に相当するS/C比としてα1を求める(ステップS124)。最低基準値αとα1とを比較する(ステップS126)。最低基準値α(=S/C)よりもα1(=S/C)が小さいときには(α>α1)、水蒸気が過少となり、改質運転時において改質部34においてコーキングが発生するおそれがあると考えられる。このため、演算で求めた水の目標流量に補正流量βを加算する(ステップS128)。補正流量βを加算した目標流量に対応する回転数指令をポンプ27mに出力する(ステップS130)。
The
また、ステップS126の判定の結果、αよりもα1が大きいときには(α≦α1)、蒸発部36に供給される原料水の流量を低減させたとしても、改質部34においてコーキングが発生するおそれが少ないか無いと考えられるため、目標流量に対応する回転数指令(ポンプ27mが搬送する水の単位時間あたり流量を減少させる指令)をポンプ27mに出力し(ステップS130)、メインルーチンにリターンする。
Further, as a result of the determination in step S126, when α1 is larger than α (α ≦ α1), coking may occur in the reforming
これにより改質部34におけるコーキングを防止しつつ、蒸発部36に供給される原料水の単位時間あたりの流量を低下させる。これにより熱交換部4の第1通路4aを流れる水の状態(液相および気相の比率)を適性化し、ひいては熱交換部4の第1通路4aを流れる水の気液混合状態を適性化させる。この結果、熱交換部4における冷却能の過剰化が抑制される。ひいては有害成分浄化部5Aの温度T2は活性温度域に維持される。この結果、有害成分浄化部5Aの温度T2における一酸化炭素低減効果が良好に得られ、改質ガスが良好に浄化される。このように本実施例によれば、熱交換部4の第1通路4aに流入する前の水の気液混合状態(水の液相/気相の比率)に応じて、熱交換部4の第1通路4aの冷却能および/または有害成分浄化部5Aの温度を制御することにしている。
Thereby, the flow rate per unit time of the raw material water supplied to the
本実施例は実施例1,2と基本的には同様の構成、作用効果を有するため、図1〜図3を準用する。前記した実施例1,2では、制御部500は、制御則1として、有害成分浄化部5Aにおける温度T2を温度センサ55により検知し、温度T2が活性温度域となるように、燃焼部30に供給される燃焼用燃料および燃焼用空気の単位時間当たりの流量、ポンプ27mの単位時間あたり回転数を制御している。更に実施例1,2では、制御部500は、制御則2として、水蒸気通路300の合流域M1の水の状態(水の温度T1)を温度センサ65で検知し、温度T1に基づいて、ポンプ27mの単位時間あたり回転数(搬送水量に相当)を制御している。
Since this embodiment has basically the same configuration and operation effects as the first and second embodiments, FIGS. 1 to 3 are applied mutatis mutandis. In the first and second embodiments, the
しかし本実施例によれば、制御則1を実施せず、制御則2を実施している。
However, according to the present embodiment, the
図4は実施例4を示す。本実施例は実施例1と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、実施例1と相違する部分を中心として説明する。本実施例によれば、蒸発部36から熱交換部4に向かう水蒸気通路300に圧力センサ65pが設けられている。圧力センサ65pの検知信号は制御部500に入力される。圧力センサ65pは、水蒸気通路300を流れる水(液相の水と気相の水とが混合した気液混合流体)の圧力を検知する。圧力が高いことは、水の気相の比率が高いことを意味し、水蒸気通路300の水の温度T1が高いことを意味し、水蒸気通路300の水の気相の比率が高いことを意味する。ここで、圧力センサ65pが計測する圧力値と温度T1と気相の比率は、実験等により求められ、制御部500のメモリに予め格納されている。
FIG. 4 shows a fourth embodiment. The present embodiment basically has the same configuration and operational effects as the first embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on portions different from the first embodiment. According to the present embodiment, the pressure sensor 65p is provided in the
制御部500は、圧力センサ65pの信号に基づいて、水蒸気通路300の水の温度T1を求め、当該水の状態(気相および/または液相の比率)を検知する。このように制御部500は、熱交換部4の第1通路4aに流入する前の水の状態を間接的に検知し、ポンプ27mの単位時間あたりの回転数を調整する指令を出力する。これにより、前記した実施例と同様に、制御部500は、熱交換部4の第1通路4aの冷却能および/または有害成分浄化部5Aの温度を制御する。
The
図5は実施例5を示す。本実施例は前記した実施例1と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、実施例1と相違する部分を中心として説明する。本実施例によれば、蒸発部36から熱交換部4の第1通路4aに向かう水蒸気通路300には、加熱要素330が設けられている。加熱要素330は水蒸気通路300を流れる水を加熱するものであり、電気的ヒータおよび/またはガス燃焼ヒータが例示される。
FIG. 5 shows a fifth embodiment. The present embodiment basically has the same configuration and function as the first embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on portions different from the first embodiment. According to the present embodiment, the
第1通路4aに流入する前(水蒸気通路300)の水の温度T1が過剰に低いときには、制御部500は、加熱要素330をオンさせたり、オンしている加熱要素330の発熱量を増加させたりする指令を出力する。この結果、水蒸気通路300の合流域M1を流れる水の状態において、気相状の水の比率が高くなり、熱交換部4の第1通路4aを流れる水(気液混合流体)の冷却能が小さくなる。このため、有害成分浄化部5Aに向かう改質ガスの温度が過剰に降温することが抑制され、有害成分浄化部5Aの温度T2も過剰に降温するおそれが抑制される。
When the temperature T1 of the water before flowing into the
図6は実施例6を示す。本実施例は実施例1と基本的には同様の構成、作用硬化を有する。以下、実施例1と相違する部分を中心として説明する。本実施例によれば、熱交換部4の第1通路4aから流出した後の水の状態(水の液相/気相の比率)に応じて、熱交換部4の第1通路4aの冷却能および/または有害成分浄化部5Aの温度を制御することにしている。以下、更に説明を加える。すなわち、制御部500は、水の温度T1aを検知する検知部としての温度センサ65aをもつ。温度T1aは、熱交換部4の第1通路4aから流出し、且つ、改質部34に流入する前の温度である。
FIG. 6 shows a sixth embodiment. The present embodiment basically has the same configuration and action hardening as the first embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on portions different from the first embodiment. According to the present embodiment, the cooling of the
温度センサ65aの検知信号は制御部500に入力される。これにより制御部500は、温度T1aに基づいて、熱交換部4の第1通路4aに流入する前の水の温度(第1通路4aに流入する前の水の状態)を間接的に検知することができる。つまり、制御部500は、熱交換部4の第1通路4aに流入する前の水の状態(液相の比率または気相の比率)を間接的に検知することができる。
A detection signal of the
ここで、温度T1aが相対的に低いと、熱交換部4の第1通路4aに流入する前の水において、液相状の水の比率が高く、水の冷却能が相対的に高いことになる。また、温度T1aが相対的に高いと、熱交換部4の第1通路4aに流入する前の水において、気相状の水の比率が高く、水の冷却能が相対的に低いことになる。
Here, when the temperature T1a is relatively low, in the water before flowing into the
従って、液相状の水の比率が過剰であると、熱交換部4の第1通路4aの冷却能が所定値よりも過剰であり、このとき、有害成分浄化部5Aの温度が過剰に降温し、これの活性温度域よりも低くなる。そこで、制御部500は、ポンプ27mの単位時間あたりの回転数(原料水搬送量)を低減させる指令をポンプ27mに出力する。よって、蒸発部36に供給される原料水の単位時間あたりの流量を低減させる。これにより水蒸気通路300を流れる気液混合流体において液相の水の比率が相対的に低下すると共に、気相の水の比率が相対的に増加する。この結果、熱交換部4の第1通路4aの冷却能が適性化される。ひいては熱交換部4の第1通路4aと第2通路4cとの熱交換量が適性化される。従って、第2通路4cを流れる改質ガスの過剰低温化が抑制され、有害成分浄化部5Aの温度T2が良好に維持される。
Therefore, if the ratio of the liquid phase water is excessive, the cooling capacity of the
図7は実施例7を示す。本実施例は実施例1と基本的には同様の構成、作用硬化を有する。本実施例は実施例1と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、実施例1と相違する部分を中心として説明する。本実施例によれば、図7に示すように、制御部500は、熱交換部4の内部において、第1通路4aを流れる水の温度T1bを検知する検知部としての温度センサ65bをもつ。温度T1bが相対的に低いと、熱交換部4の第1通路4aに流入する前の水において、液相状の水の比率が多いことになる。液相状の水の比率が過剰であると、熱交換部4の第1通路4aの冷却能が所定値よりも過剰であり、このとき、有害成分浄化部5Aの温度T2が過剰に降温し、所定温度よりも低くなるおそれがある。そこで、制御部500は、ポンプ27mの単位時間あたりの回転数(原料水搬送量)を低減させる指令をポンプ27mに出力する。これにより前述同様に、水蒸気通路300を流れる気液混合流体において液相の水の比率が相対的に低下すると共に、気相の水の比率が相対的に増加する。この結果、熱交換部4の第1通路4aの冷却能(熱交換量)が適性化される。従って、第2通路4cを流れる改質ガスの過剰低温化が抑制され、有害成分浄化部5Aの温度T2が良好に維持される。このため上記したように運転条件が変化するときであっても、有害成分浄化部5Aによる浄化性能が維持される。
FIG. 7 shows a seventh embodiment. The present embodiment basically has the same configuration and action hardening as the first embodiment. The present embodiment basically has the same configuration and operational effects as the first embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on portions different from the first embodiment. According to the present embodiment, as shown in FIG. 7, the
図8は実施例8を示す。本実施例は実施例1と基本的には同様の構成、作用効果を有する。図8に示すように、燃料電池1は、プロトン伝導性をもつ固体高分子膜10を燃料極11と酸化剤極12とで厚み方向に挟持する膜電極接合体13を複数組み付けて形成されている。固体高分子膜10の材質としては、炭化フッ素系樹脂(例えばパーフルオロスルホン酸樹脂)または炭化水素系樹脂が例示される。燃料電池1としては、シート状の膜電極接合体13を厚み方向に複数積層する方式でも良いし、チューブ状の膜電極接合体13を複数配置する方式でも良い。
FIG. 8 shows an eighth embodiment. The present embodiment basically has the same configuration and operational effects as the first embodiment. As shown in FIG. 8, the
図8に示すように、改質装置2は、燃焼バーナで形成された燃焼部30と、燃焼部30により加熱される改質部34と、燃焼部30に対面する燃焼通路32と、燃焼通路32に連通する燃焼通路33と、燃焼通路33に連通する燃焼通路35と、原料水を蒸発させる蒸発部36と、CO酸化除去部37(CO選択酸化部ともいう)とを備えている。
As shown in FIG. 8, the
改質部34は燃焼通路32と燃焼通路33との間に配置されており、内通路34iと外通路34pと折返部34mとをもつ。改質部34の回りを包囲するように、筒状の燃焼通路33が配置されている。燃焼通路35は、燃焼通路33から折り返した筒状通路である。燃焼通路33,35の間には、筒状の断熱部31が配置されている。燃焼通路35の回りを包囲するように、筒状の蒸発部36が同軸的に配置されている。燃焼通路35は蒸発部36の内周側に同軸的に配置されている。蒸発部36は、燃焼通路35を通過する燃焼ガスにより加熱される。蒸発部36の回りを包囲するように、通常のCO酸化除去部37が配置されている。従って、蒸発部36とCO酸化除去部37とは互いに熱交換される。
The reforming
CO酸化除去部37の外周には、保温用の筒状の断熱層39が配置されている。
On the outer periphery of the CO
改質部34は、改質反応を促進させる改質触媒34eを担持する担体を有する。改質触媒34eの活性温度域は一般的には500〜800℃であるが、これに限定されるものではない。改質部34は下記の式(1)に基づいて、改質用燃料と水蒸気とに基づいて水蒸気改質を行い、水素を主要成分とする改質ガスを生成する。改質ガスは一酸化炭素を含む。
The reforming
更に、図8に示すように、改質装置2は、改質部34の下方に配置された熱交換部4と、熱交換部4の下方に配置されたCOシフト部5(有害成分浄化部)と、COシフト部5と熱交換部4との間に配置された暖機部47(ヒータ)とを備えている。ここで、蒸発部36の下流に熱交換部4が設けられ、熱交換部4の下流にCOシフト部5が設けられている。
Further, as shown in FIG. 8, the
COシフト部5は、下記の(2)式に基づいて、水蒸気を利用して一酸化酸素を低減させるシフト反応を促進させ、改質ガスに含まれているCOを低減させる。COシフト部5はシフト触媒5e(例えば銅−亜鉛系触媒)を担持する担体を有する。シフト触媒5eの活性温度域は一般的には200〜300℃であるが、これに限定されるものではない。COシフト部5の温度がこれの活性温度域から大きく外れると、COシフト部5のシフト反応が損なわれ、一酸化炭素が充分に浄化されないおそれがある。COシフト部5で浄化された改質ガスに含まれているCOの濃度は、改質用燃料にもよるが、一般的にはモル比で0.2〜1%である。但しこれに限られるものではない。COシフト部5は通路5iと通路5vと折返部5mとをもつ。COシフト部5の出口5pと酸化用空気通路75とは、第2合流域M2を介して浄化通路400により接続されている。
Based on the following formula (2), the
CO酸化除去部37(有害成分浄化部)は、COシフト部5の下流に配置されており、COシフト部5を通過した改質ガスに含まれているCOを二酸化炭素に下記の式(3)に基づいて、酸化させて低減させる酸化反応を促進させるものである。CO酸化除去部37は、選択酸化触媒37e(例えばルテニウム系)を担持する担体を有する。選択酸化触媒37eの活性温度域は一般的には100〜200℃である。但しこれに限られるものではない。CO酸化除去部37の温度がこれの活性温度域から大きく外れると、CO酸化除去部37における酸化反応が損なわれるおそれがある。CO酸化除去部37で浄化された改質ガスに含まれているCOの濃度は一般的には10ppm以下である。但しこれに限られるものではない。
式(1)…CH4+H2O→3H2+CO(吸熱反応)
式(2)…CO+H2O→H2+CO2(発熱反応)
式(3)…CO+1/2O2→CO2(発熱反応)
本実施例によれば、COシフト部5はCO酸化除去部37の上流に配置されているため、式(2)→式(3)の順に実行される。
The CO oxidation removing unit 37 (hazardous component purifying unit) is disposed downstream of the
Formula (1) ... CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO (endothermic reaction)
Formula (2): CO + H 2 O → H 2 + CO 2 (exothermic reaction)
Formula (3): CO + 1 / 2O 2 → CO 2 (exothermic reaction)
According to the present embodiment, since the
次に通路系について説明する。図8に示すように、燃料通路62が設けられている。燃料通路62を流れる燃焼供給源61の燃料としては気体燃料でも、液体燃料でも、粉化燃料でも良い。具体的には、炭化水素系燃料、例えば都市ガス、LPG、灯油、メタノール、ジメチルエーテル、バイオガス、アルコール系燃料(例えばメタノール、エタノール等)が例示される。燃料通路62は、弁25a,ポンプ37aを介して改質部34の燃焼部30に繋がる燃焼用燃料通路62xと、熱交換部4の入口4iにポンプ37bおよび弁25bを介して繋がる改質用燃料通路62y(改質用燃料供給部)とをもつ。空気供給源71に繋がる空気通路72(酸素供給部)が設けられている。空気通路72は、ポンプ37cを介して改質部34の燃焼部30に繋がる燃焼用空気通路73と、ポンプ37dおよび弁25dを介してCO酸化除去部37の入口37iに繋がる酸化用空気通路75とをもつ。
Next, the passage system will be described. As shown in FIG. 8, a
図8に示すように、水タンク81と蒸発部36の入口36iとをポンプ27mおよび弁25mを介して繋ぐ改質水通路82が設けられている。CO酸化除去部37の出口37pと燃料電池1の燃料極11の入口11iとを弁25eを介して繋ぐアノードガス通路100が設けられている。燃料電池1の燃料極11の出口11pと燃焼部30とを弁25fを介して繋ぐオフガス通路110が設けられている。オフガス通路110は発電反応後のアノードオフガスを排出させる。オフガス通路110とアノードガス通路100とを弁25hを介して繋ぐバイパス通路150が設けられている。
As shown in FIG. 8, a reforming
図8に示すように、空気供給源71と燃料電池1の酸化剤極12の入口12iにポンプ37kおよび弁25kを介して連通するカソードガス通路200が設けられている。改質部34で燃焼された燃焼排ガスを外部に放出させる燃焼排ガス通路250が設けられている。蒸発部36の出口36pと改質用燃料通路62とを第1合流域M1を介して繋ぐ水蒸気通路300が設けられている。水蒸気通路300の上端部300eは出口36pに繋がる。水蒸気通路300の下端部300fは合流域M1に繋がる。
As shown in FIG. 8, a
図8に示すように、COシフト部5の出口5pとCO酸化除去部37の入口37iとは、浄化通路400で接続されている。COシフト部5の出口5pから吐出された改質ガス(水素および一酸化炭素を含有)は、浄化通路400を上向きに矢印W2方向に流れ、第2合流域M2を経てCO酸化除去部37の入口37iに供給される。
As shown in FIG. 8, the
次に改質装置2を起動させるときについて説明する。この場合、ポンプ37cにより燃焼用空気通路73を介して燃焼用空気を燃焼部30に供給する。また、弁25aおよびポンプ37aにより燃焼用燃料通路62xを介して燃焼用燃料を燃焼部30に供給する。これにより燃焼部30が着火されて加熱され、ひいては改質部34が改質反応に適するように加熱される。改質部34と共に蒸発部36も高温に加熱される。
Next, the case where the
その後、水タンク81および改質水通路82からポンプ27mおよび弁25mを介して、改質水(液相,原料水)が蒸発部36の入口36iに供給される。改質水は蒸発部36において水蒸気化される。生成された水蒸気は、蒸発部36の出口36pから水蒸気通路300を経て第1合流域M1に到達する。第1合流域M1は、水蒸気通路300を流れる水蒸気または凝縮水と、改質用燃料通路62yを流れる改質用燃料とが合流する領域である。これに対して、改質用燃料は弁25a,ポンプ37b,弁25bにより、改質用燃料通路62yおよび第1合流域M1を経て熱交換部4の入口4iに供給される。第1合流域M1において、改質用燃料通路62yの改質用燃料と水蒸気通路300の水(液相+気相)とが合流して混合される。合流した混合流体が熱交換部4の入口4iに供給される。混合流体は熱交換部4の低温側の第1通路4aを通過する。このとき熱交換部4の高温側の第2通路4cを流れる高温の改質ガスと熱交換する。このため、改質反応前の混合流体が加熱される。混合流体は改質部34の外通路34pに流入し、矢印A1方向に流れ、折返部34mを経て内通路34iに流入し、矢印A2方向に流れる。このとき水蒸気(または凝縮水)および改質用燃料が混合した混合流体は、上記した(1)に示す改質反応により、水素リッチな改質ガスとなる。この改質ガスは一酸化炭素を含む。
Thereafter, the reforming water (liquid phase, raw material water) is supplied from the
更に、改質反応を経た高温の改質ガスは、改質部34から熱交換部4の高温側の第2通路4cを通過することにより、低温側の第1通路4aの混合流体(液相+気相)を加熱する。すなわち熱交換が行われる。更に、熱交換部4で冷却された改質ガスは、暖機部47を経て、COシフト部5の入口5iからCOシフト部5の内部に流入する。COシフト部5においては、上記した式(2)に示すように、水蒸気を利用したシフト反応が行われる。これにより改質ガスに含まれている一酸化炭素が低減されて、改質ガスは浄化される。
Further, the high-temperature reformed gas that has undergone the reforming reaction passes through the
更に、COシフト部5において浄化された改質ガスは、COシフト部5の出口5pから浄化通路400を経て矢印W2方向に流れ、第2合流域M2に至る。更に改質ガスは、酸化用空気通路75(酸素供給部)の酸化用空気(酸素成分,CO酸化除去部37における選択反応に使用される選択酸化用空気)と第2合流域M2において合流する。第2合流域M2は、浄化通路400を流れる改質ガスと、酸化用空気通路75を流れる酸化用空気とが合流する領域である。そして、合流した改質ガスは、入口37iからCO酸化除去部37に流入する。CO酸化除去部37においては、上記した式(3)に示すように、酸素を利用した酸化反応(CO+1/2O2→CO2)が行われる。この結果、改質ガスに含まれているCOが浄化されて更に低減される。酸化反応は発熱を伴う。
Further, the reformed gas purified in the
このように浄化された改質ガスは、CO酸化除去部37の出口37pからアノードガスとして、アノードガス通路100,弁25eを経て燃料電池1の燃料極11の入口11iに供給される。カソードガスとして機能する空気は、ポンプ37k,弁25kによりカソ−ドガス通路200を経て燃料電池1の酸化剤極12の入口12iに供給される。これにより燃料電池1において発電反応が発生し、電気エネルギが生成される。アノードガスの発電反応後のオフガスは、発電反応が行われなかった水素を含むことがある。このためオフガスはオフガス通路110を経て改質部34の燃焼部30に供給されて燃焼され、燃焼部30の熱源となる。
The reformed gas thus purified is supplied as an anode gas from the
なお、改質装置2の起動開始時では、改質ガスの組成の安定性が必ずしも充分でないときがある。このため、起動開始時では、弁25e,弁25fが閉鎖されている。この状態で、CO酸化除去部37から吐出される改質ガスは、弁25hを通過しバイパス通路150およびオフガス通路110を介して燃焼部30に送られ、燃焼部30の熱源となる。改質装置2の起動開始から時間が経過すると、改質ガスの組成が安定する。この場合、弁25hが閉鎖され、弁25e,弁25hが開放される。このため、CO酸化除去部37から吐出される改質ガスは、アノードガスとして、アノードガス通路100,弁25eを経て燃料電池1の燃料極11の入口11iに供給され、発電反応に使用される。
In addition, at the time of starting the reforming
図8に示すように、COシフト部5のうち上流側(通路5iの入口側)の温度T2を検知する温度センサ55が設けられている。CO酸化除去部37のうち上流側の温度T3を検知する温度センサ38が設けられている。更に、改質部34の内側部34の出口側の温度T4を検知する改質部温度センサ31tが設けられている。水蒸気と改質用燃料とが合流する第1合流域M1の温度T1を検知する温度センサ65が設けられている。
As shown in FIG. 8, a
本実施例においても、負荷変動などで改質装置2の運転条件が変化するときであっても、あるいは、定常運転において外乱が発生するようなときであっても、改質ガスの有害成分を低減させるCOシフト部5の温度T2を安定化させるのに有利となる。COシフト部5の温度T2が安定化すれば、CO酸化除去部37の温度T3を安定化させるのにも有利である。
Even in this embodiment, even when the operating conditions of the
(その他)
本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更可能である。有害成分浄化部5Aは、一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により一酸化炭素を酸化させて二酸化炭素に変化させるCOシフト部5と、一酸化炭素を酸素と反応させて二酸化炭素に変化させるCO酸化除去部37とを備えている。これに限らず、COシフト部5およびCO酸化除去部37のうちのいずれか一方のみを有するタイプでも良い。
(Other)
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be modified as appropriate without departing from the scope of the invention. The harmful
図8に示す実施例では、蒸発部36およびCO酸化除去部37は改質部34と一体化されているが、これに限らず、改質部34から距離的に分離されていても良く、更に、COシフト部5は改質部34から距離的に分離されていても良い。図8に示す実施例では、改質部34の下方に熱交換部4およびCOシフト部5が設けられているが、改質部34の上方に熱交換部4およびCOシフト部5が設けられていても良い。
In the embodiment shown in FIG. 8, the
本発明は燃料電池システム等に使用される改質装置に利用することができる。 The present invention can be used for a reformer used in a fuel cell system or the like.
1は燃料電池、2は改質装置、30は燃焼部、27mはポンプ(原料水供給部)、300は水蒸気通路(水通路)、34は改質部、36は蒸発部(気液混合流体発生部)、37はCO酸化除去部、4は熱交換部、4aは第1通路、4cは第2通路、5Aは有害成分浄化部、5はCOシフト部、81は水タンク、82は改質水通路(改質水供給部)500は制御部、55は温度センサ、65は温度センサ(検知部)、330は加熱要素を示す。 1 is a fuel cell, 2 is a reformer, 30 is a combustion section, 27m is a pump (raw water supply section), 300 is a steam passage (water passage), 34 is a reforming section, and 36 is an evaporation section (gas-liquid mixed fluid) Generating section), 37 is a CO oxidation removing section, 4 is a heat exchange section, 4a is a first passage, 4c is a second passage, 5A is a harmful component purification section, 5 is a CO shift section, 81 is a water tank, and 82 is a modified tank. A quality water passage (reformed water supply unit) 500 is a control unit, 55 is a temperature sensor, 65 is a temperature sensor (detection unit), and 330 is a heating element.
Claims (7)
前記改質部で生成された前記改質ガスの有害成分を低減させる有害成分浄化部と、
互いに熱交換可能な第1通路と第2通路とをもち、前記第1通路を流れる水と、前記第2通路を流れて前記改質部から前記有害成分浄化部に向かう前記改質ガスとを熱交換させることにより、前記改質ガスを冷却して前記有害成分浄化部に供給する熱交換部と、
前記熱交換部の前記第1通路に水通路を介して水を供給する給水部と、
前記熱交換部の前記第1通路に流入する前の水の状態に関する物理量を直接的または間接的に検知し、検知された物理量に応じて、前記熱交換部の前記第1通路の冷却能および/または前記有害成分浄化部の温度を制御する制御部とを具備することを特徴とする改質装置。 A reforming section for generating reformed gas from a fuel raw material by a reforming reaction;
A harmful component purification unit for reducing harmful components of the reformed gas generated in the reforming unit;
Water having a first passage and a second passage that can exchange heat with each other, water flowing through the first passage, and the reformed gas that flows through the second passage and travels from the reforming section to the harmful component purification section. A heat exchange part that cools the reformed gas and supplies the harmful gas purification part by heat exchange;
A water supply unit for supplying water to the first passage of the heat exchange unit through a water passage;
A physical quantity relating to a state of water before flowing into the first passage of the heat exchange section is detected directly or indirectly, and according to the detected physical quantity, the cooling capacity of the first passage of the heat exchange section and And / or a control unit that controls the temperature of the harmful component purification unit.
前記熱交換部の前記第1通路で熱交換により暖められ前記第1通路から流出した水は、前記改質部に前記改質反応を実行するために供給されることを特徴とする改質装置。 5. The gas-liquid mixing according to claim 1, wherein the water supply unit heats the raw water to generate a gas-liquid mixed fluid containing liquid-phase water and gas-phase water and leads to the water passage. A fluid generation unit, and a raw water supply unit for supplying the raw water to the gas-liquid mixed fluid generation unit,
The water that is heated by heat exchange in the first passage of the heat exchange section and flows out of the first passage is supplied to the reforming section to perform the reforming reaction. .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007330048A JP2009149478A (en) | 2007-12-21 | 2007-12-21 | Reformer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007330048A JP2009149478A (en) | 2007-12-21 | 2007-12-21 | Reformer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2009149478A true JP2009149478A (en) | 2009-07-09 |
Family
ID=40919102
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007330048A Pending JP2009149478A (en) | 2007-12-21 | 2007-12-21 | Reformer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2009149478A (en) |
-
2007
- 2007-12-21 JP JP2007330048A patent/JP2009149478A/en active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100466381B1 (en) | Fuel reforming system | |
| KR100427165B1 (en) | Hydrogen generator | |
| JP5446184B2 (en) | Power generation system and power generation system control device | |
| US20110117460A1 (en) | Fuel cell system and operation method thereof | |
| WO2007145218A1 (en) | Hydrogen generation device and fuel cell system equipped with it | |
| WO2007091632A1 (en) | Fuel cell system | |
| JP2008019159A (en) | Hydrogen generator and fuel cell system including the same | |
| JP5135209B2 (en) | HYDROGEN GENERATOR, FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAME, AND METHOD FOR OPERATING THE SAME | |
| US20050129997A1 (en) | Hydrogen generator, method of operating hydrogen generator, and fuel cell system | |
| JP2008266118A (en) | Reformer system | |
| JP4147659B2 (en) | Control device for reformer | |
| JP2004006093A (en) | Fuel processor, fuel cell power generation system | |
| JP2005170784A (en) | Hydrogen generator, operating method thereof, and fuel cell power generation system | |
| JP3532458B2 (en) | Fuel reformer for solid oxide fuel cell | |
| US20080280171A1 (en) | Hydrogen Generation Device, Operation Method Thereof, and Fuel Cell System | |
| JP2006169068A (en) | Hydrogen generator and fuel cell system using the same | |
| JP2009149478A (en) | Reformer | |
| JP2008103278A (en) | Fuel cell system | |
| JP7422007B2 (en) | Solid oxide fuel cell system | |
| JP4902165B2 (en) | Fuel cell reformer and fuel cell system comprising the fuel cell reformer | |
| JP2008074688A (en) | Reformer | |
| JP4610097B2 (en) | Fuel reforming system | |
| JP5467334B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP2008081331A (en) | Reformer | |
| JP4847759B2 (en) | Operation method of hydrogen production apparatus, hydrogen production apparatus, and fuel cell power generation apparatus |