[go: up one dir, main page]

JP2011040259A - Hydrotreating system - Google Patents

Hydrotreating system Download PDF

Info

Publication number
JP2011040259A
JP2011040259A JP2009185980A JP2009185980A JP2011040259A JP 2011040259 A JP2011040259 A JP 2011040259A JP 2009185980 A JP2009185980 A JP 2009185980A JP 2009185980 A JP2009185980 A JP 2009185980A JP 2011040259 A JP2011040259 A JP 2011040259A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
hydrogen
electrode
hydrogen treatment
anode
combustor
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
Application number
JP2009185980A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Daisuke Kurashina
大輔 倉品
Manabu Iwaida
学 岩井田
Hiroshi Machida
博 町田
Hisashi Nagaoka
久史 長岡
Jun Takeuchi
淳 武内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to JP2009185980A priority Critical patent/JP2011040259A/en
Publication of JP2011040259A publication Critical patent/JP2011040259A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

【課題】電極構造体での水素処理の停止を、燃焼器が高温になることを防止すると共に、無駄な運転によるエネルギー損失を抑制して行う水素処理システムを提供する。
【解決手段】電極構造体20をイオンポンプとして機能させる水素精製モードでの運転の実行中に、STEP1でシステム停止指示がなされたときに、運転制御手段61は、STEP2,3で改質装置30の熱交換器31への原燃料と改質空気の供給を停止して、STEP4でタイマをスタートし、STEP5〜STEP7のループを実行して水素精製モードでの運転を継続する。STEP6で電極構造体20の電極間電圧Vcellの変化率がVRth以下となり、且つSTEP7でタイマがタイムアップしたときに、STEP8に進んで、運転制御手段61は水素精製モードでの運転を停止する。
【選択図】 図3
A hydrogen treatment system that stops hydrogen treatment in an electrode structure while preventing a combustor from becoming high temperature and suppressing energy loss due to wasteful operation.
When a system stop instruction is issued in STEP 1 during execution of an operation in a hydrogen purification mode in which an electrode structure 20 functions as an ion pump, an operation control means 61 is provided with a reformer 30 in STEP 2 and 3. The supply of raw fuel and reformed air to the heat exchanger 31 is stopped, the timer is started in STEP4, the loop of STEP5 to STEP7 is executed, and the operation in the hydrogen purification mode is continued. When the change rate of the inter-electrode voltage Vcell of the electrode structure 20 becomes equal to or lower than VRth in STEP 6 and the timer times out in STEP 7, the process proceeds to STEP 8, and the operation control means 61 stops the operation in the hydrogen purification mode.
[Selection] Figure 3

Description

本発明は、改質装置により生成した改質ガス中の水素を処理する水素処理システムに関する。   The present invention relates to a hydrogen treatment system for treating hydrogen in reformed gas generated by a reformer.

従来より、炭化水素を主体とする原燃料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質装置と、アノード電極とカソード電極の間に電解質膜を配置して構成された電極構造体(DMS:Dual Mode Stack)とを備えて、改質装置から電極構造体に改質ガスを供給し、電極構造体で改質ガス中の水素を処理する水素処理システムが知られている(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, a reformer that reforms a raw fuel mainly composed of hydrocarbons to generate a hydrogen-rich reformed gas, and an electrode structure configured by disposing an electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode (DMS: Dual Mode Stack) is known, and a hydrogen treatment system is known in which reformed gas is supplied from a reformer to an electrode structure, and hydrogen in the reformed gas is treated by the electrode structure (for example, , See Patent Document 1).

特許文献1に記載された水素処理システムにおいては、電極構造体をイオンポンプとして機能させて、改質装置により得られる改質ガスから水素を精製する水素精製モードでの運転と、電極構造体を燃料電池として機能させて、改質ガス中の水素と酸化剤ガスとの反応により電流を出力する発電モードでの運転とが行なわれている。   In the hydrogen treatment system described in Patent Document 1, an operation in a hydrogen purification mode in which the electrode structure functions as an ion pump to purify hydrogen from the reformed gas obtained by the reformer, and the electrode structure is An operation in a power generation mode is performed in which a current is output by a reaction between hydrogen in the reformed gas and an oxidant gas by functioning as a fuel cell.

水素精製モード或いは発電モードでの運転時には、電極構造体での精製又は発電の処理に伴なって改質ガスの水素が消費されるが、改質ガス中の全ての水素が消費されるわけではなく、消費されなかった水素が残存するオフガスが改質装置の燃焼器に排気される。   During operation in the hydrogen purification mode or power generation mode, hydrogen in the reformed gas is consumed with the purification or power generation processing in the electrode structure, but not all hydrogen in the reformed gas is consumed. In other words, off-gas in which hydrogen that has not been consumed remains is exhausted to the combustor of the reformer.

そして、燃焼器でオフガス中の水素が燃焼し、その燃焼熱により、原燃料と水が供給される熱交換器が加熱されて原燃料と水蒸気との混合燃料が生成され、この混合燃料が改質器に送出されて水蒸気改質により改質ガスが生成される。   Then, the hydrogen in the off-gas burns in the combustor, and the heat of combustion heats the heat exchanger to which the raw fuel and water are supplied to produce a mixed fuel of the raw fuel and steam. The reformed gas is generated by steam reforming.

特開2009−120421号公報JP 2009-120421 A

上述した水素精製モード或いは発電モードでの運転を停止するときには、改質装置に対する原燃料の供給を停止するが、原燃料の供給を停止しても直ちには改質装置での改質処理が終了しないため、ある程度の間は電極構造体に改質ガスが供給される状態が継続する。   When the operation in the hydrogen purification mode or the power generation mode is stopped, the supply of the raw fuel to the reformer is stopped, but the reforming process in the reformer is finished immediately even if the supply of the raw fuel is stopped. Therefore, the state in which the reformed gas is supplied to the electrode structure continues for some time.

そして、このように、電極構造体に改質ガスが供給された状態で水素精製モード或いは発電モードでの運転を停止すると、電極構造体で水素が消費されなくなるため、水素濃度が高いオフガスが燃焼器に供給されて燃焼器での燃焼量が増大する。この場合、燃焼器が高温になることにより、燃焼器自身の劣化や燃焼器の周辺デバイスの破損等が生じるおそれがある。   As described above, when the operation in the hydrogen purification mode or the power generation mode is stopped while the reformed gas is supplied to the electrode structure, hydrogen is not consumed in the electrode structure, and off-gas having a high hydrogen concentration is burned. The amount of combustion in the combustor is increased by being supplied to the combustor. In this case, when the combustor becomes hot, the combustor itself may be deteriorated or peripheral devices of the combustor may be damaged.

そこで、燃料量の増大に対応できる能力を有する大型の燃焼器(大容量の触媒燃焼器等)を備えることも考えられるが、この場合には、水素処理システムのサイズが大きくなってしまうという不都合がある。   Thus, it is conceivable to provide a large combustor (such as a large-capacity catalytic combustor) having the ability to cope with an increase in the amount of fuel. In this case, however, the size of the hydrogen treatment system becomes large. There is.

また、小型の燃焼器で対処するには、改質装置に対する原燃料の供給量を徐々に減少させてから水素精製モード或いは発電モードでの運転を停止し、これにより、水素濃度が高いオフガスが燃焼器に排気されることを防止することが考えられる。しかし、この場合には、改質装置を停止するまでの時間が長くなり、また、水素精製モードでの運転又は発電モードでの運転を停止するまでの時間も長くなる。そのため、無駄な運転を行なうことによるエネルギー損失が生じるという不都合がある。   In order to cope with a small combustor, the supply amount of raw fuel to the reformer is gradually decreased, and then the operation in the hydrogen purification mode or the power generation mode is stopped. It is conceivable to prevent exhausting to the combustor. However, in this case, the time until the reformer is stopped becomes longer, and the time until the operation in the hydrogen purification mode or the operation in the power generation mode is stopped becomes longer. Therefore, there is an inconvenience that energy loss occurs due to useless operation.

そこで、本発明は、電極構造体での水素処理の停止を、改質装置の燃焼器が高温になることを防止すると共に、無駄な運転によるエネルギー損失を抑制して行うことができる水素処理システムを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a hydrogen treatment system capable of stopping the hydrogen treatment in the electrode structure while preventing the combustor of the reformer from becoming high temperature and suppressing energy loss due to wasteful operation. The purpose is to provide.

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、原燃料を改質して改質ガスを生成すると共に、改質処理の熱源として燃焼器を有する改質装置と、ガス流路を有するアノード電極及びカソード電極を、電解質膜を挟んで配置して構成された電極構造体と、前記アノード電極のガス流路と前記燃焼器間を接続したアノードオフガス流路と、前記アノード電極と前記カソード電極間に所定電圧を印加した状態で、前記アノード電極に前記改質ガスを供給することにより、前記電極構造体をイオンポンプとして機能させて、前記改質ガス中の水素を電解質膜を透過させてカソード電極側に移送する水素精製モードでの運転と、前記アノード電極に前記改質ガスを供給すると共に、前記カソード電極に酸化剤ガスを供給することにより、前記電極構造体を燃料電池として機能させて、前記アノード電極と前記カソード電極間に接続された電気負荷に電力を供給する発電モードでの運転とのうちの少なくともいずれか一方を含む水素処理運転を行う運転制御手段とを備えた水素処理システムの改良に関する。   The present invention has been made to achieve the above object, and reforming raw fuel to generate reformed gas, a reformer having a combustor as a heat source for reforming processing, and a gas flow path. An electrode structure having an anode electrode and a cathode electrode arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween, an anode off-gas channel connecting the gas channel of the anode electrode and the combustor, the anode electrode, and the anode electrode By supplying the reformed gas to the anode electrode with a predetermined voltage applied between the cathode electrodes, the electrode structure is caused to function as an ion pump, and hydrogen in the reformed gas is transmitted through the electrolyte membrane. The hydrogen purification mode of transferring to the cathode electrode side, supplying the reformed gas to the anode electrode, and supplying the oxidizing gas to the cathode electrode, A hydrogen treatment operation including at least one of an operation in a power generation mode for supplying electric power to an electric load connected between the anode electrode and the cathode electrode by causing the polar structure to function as a fuel cell The present invention relates to an improvement of a hydrogen treatment system provided with operation control means.

そして、本発明の第1の態様は、前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、所定時間が経過したときに前記水素処理運転を停止することを特徴とする。   In the first aspect of the present invention, the operation control means stops the supply of raw fuel to the reformer when a predetermined operation stop condition is satisfied during execution of the hydrogen treatment operation. The hydrogen treatment operation is stopped when a predetermined time has elapsed.

かかる本発明によれば、前記水素処理運転の実行中に前記運転停止条件が成立したときに、前記運転制御手段は、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、所定時間が経過したときに前記水素処理運転を停止する。この場合、前記改質装置に対する原燃料の供給が停止した後も、前記水素処理運転が継続して前記電極構造体で水素が消費される。そのため、前記アノードオフガス流路を介して前記燃焼器に水素濃度が高いオフガスが排気され、燃焼量の増加により前記燃焼器が高温になることを防止することができる。そして、改質装置に対する原燃料の供給停止により、前記電極構造体への改質ガスの供給量が急速に減少して、前記燃焼器に排気されるオフガス中の水素濃度が急速に低下するため、前記所定時間は短時間に設定することができる。そのため、前記水素処理運転を停止するときの前記改質装置及び前記電極構造体と、前記電極構造体に接続された機器での無駄なエネルギー損失を抑制することができる。   According to the present invention, when the operation stop condition is satisfied during the execution of the hydrogen treatment operation, the operation control unit has stopped supplying a raw fuel to the reformer and a predetermined time has elapsed. Sometimes the hydrogen treatment operation is stopped. In this case, even after the supply of raw fuel to the reformer is stopped, the hydrogen treatment operation continues and hydrogen is consumed in the electrode structure. Therefore, offgas having a high hydrogen concentration is exhausted to the combustor through the anode offgas flow path, and the combustor can be prevented from becoming high temperature due to an increase in the combustion amount. Further, the supply of raw fuel to the reformer is stopped, so that the amount of reformed gas supplied to the electrode structure decreases rapidly, and the hydrogen concentration in the off-gas exhausted to the combustor decreases rapidly. The predetermined time can be set to a short time. Therefore, useless energy loss in the reformer and the electrode structure when the hydrogen treatment operation is stopped, and the equipment connected to the electrode structure can be suppressed.

また、上記第1の態様において、前記電極構造体のアノード電極とカソード電極間の電圧を検出する電極間電圧検出手段を備え、前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記電極間電圧検出手段の検出電圧が所定の電圧安定条件を満たし、且つ、前記所定時間が経過したときに、前記水素処理運転を停止することを特徴とする。   Further, in the first aspect, the apparatus includes an interelectrode voltage detection unit that detects a voltage between the anode electrode and the cathode electrode of the electrode structure, and the operation control unit is configured to perform a predetermined operation during the execution of the hydrogen treatment operation. When the operation stop condition is satisfied, after the supply of raw fuel to the reformer is stopped, the detection voltage of the inter-electrode voltage detection means satisfies a predetermined voltage stabilization condition and the predetermined time has elapsed. The hydrogen treatment operation is stopped.

かかる本発明において、前記電極間電圧検出手段により検出される前記電極構造体のアノード電極とカソード電極間の電圧が、前記電圧安定条件を満たしているときは、前記改質装置の各構成要素の温度が、性能を維持できる適正な温度範囲に入っていると判断することができる。そこで、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記電極間電圧検出手段の検出電圧が前記電圧安定条件を満たし、且つ、前記所定時間が経過したときに、前記水素処理運転を停止することによって、前記燃焼器を含めて前記改質装置が適正な状態となっているときに前記水素処理運転を停止して、前記燃焼器に水素濃度が高いオフガスが排気されることをより確実に防止することができる。   In the present invention, when the voltage between the anode electrode and the cathode electrode of the electrode structure detected by the interelectrode voltage detection means satisfies the voltage stabilization condition, each component of the reformer is It can be determined that the temperature is within an appropriate temperature range in which performance can be maintained. Therefore, after the supply of raw fuel to the reformer is stopped, the hydrogen treatment operation is stopped when the detection voltage of the interelectrode voltage detection means satisfies the voltage stabilization condition and the predetermined time has elapsed. By doing so, the hydrogen treatment operation is stopped when the reformer including the combustor is in an appropriate state, and it is more reliable that off-gas having a high hydrogen concentration is exhausted to the combustor. Can be prevented.

次に、本発明の第2の態様は、前記燃焼器の温度を検出する燃焼器温度検出手段を備え、前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記燃焼器温度検出手段の検出温度が所定温度以下になったときに、前記水素処理運転を停止することを特徴とする。   Next, a second aspect of the present invention includes combustor temperature detection means for detecting the temperature of the combustor, and the operation control means satisfies a predetermined operation stop condition during execution of the hydrogen treatment operation. In this case, after the supply of the raw fuel to the reformer is stopped, the hydrogen treatment operation is stopped when the temperature detected by the combustor temperature detecting means becomes a predetermined temperature or lower.

かかる本発明によれば、前記水素処理運転の実行中に前記運転停止条件が成立したときに、前記運転制御手段は、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記燃焼機器温度検出手段の検出温度が前記所定温度以下になったときに、前記水素処理運転を停止する。この場合、前記改質装置に対する原燃料の供給が停止した後も、前記水素処理運転が継続して前記電極構造体で水素が消費される。そのため、前記アノードオフガス流路を介して前記燃料器に水素濃度の高いオフガスが排気され、燃焼量の増加により前記燃焼器が高温になることを防止することができる。そして、前記改質装置に対する原燃料の供給停止により、前記電極構造体への改質ガスの供給量が急速に減少して、前記燃焼器に排気されるオフガス中の水素濃度が急速に低下するため、前記燃焼器の温度は短時間で前記所定温度以下になる。そのため、前記水素処理運転を停止するときの前記改質装置及び前記電極構造体と、前記電極構造体に接続された機器での無駄なエネルギー損失を抑制することができる。   According to the present invention, when the operation stop condition is satisfied during the execution of the hydrogen treatment operation, the operation control means stops the supply of raw fuel to the reformer, and then detects the combustion equipment temperature. When the detected temperature of the means becomes equal to or lower than the predetermined temperature, the hydrogen treatment operation is stopped. In this case, even after the supply of raw fuel to the reformer is stopped, the hydrogen treatment operation continues and hydrogen is consumed in the electrode structure. For this reason, off gas having a high hydrogen concentration is exhausted to the fuel device via the anode off gas flow path, and it is possible to prevent the combustor from reaching a high temperature due to an increase in the combustion amount. Then, the supply of raw fuel to the reformer stops, the supply amount of reformed gas to the electrode structure decreases rapidly, and the hydrogen concentration in the off-gas exhausted to the combustor decreases rapidly. Therefore, the temperature of the combustor falls below the predetermined temperature in a short time. Therefore, useless energy loss in the reformer and the electrode structure when the hydrogen treatment operation is stopped, and the equipment connected to the electrode structure can be suppressed.

また、上記第2の態様において、前記電極構造体のアノード電極とカソード電極間の電圧を検出する電極間電圧検出手段を備え、前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記電極間電圧検出手段の検出電圧が所定の電圧安定要件を満たし、且つ、前記燃焼器温度検出手段の検出温度が前記所定温度以下になったときに、前記水素処理運転を停止することを特徴とする。   Further, in the second aspect, it further comprises an interelectrode voltage detection means for detecting a voltage between the anode electrode and the cathode electrode of the electrode structure, and the operation control means is configured to perform a predetermined operation during the execution of the hydrogen treatment operation. When the operation stop condition is satisfied, after the supply of raw fuel to the reformer is stopped, the detection voltage of the interelectrode voltage detection means satisfies a predetermined voltage stability requirement, and the detection of the combustor temperature detection means The hydrogen treatment operation is stopped when the temperature falls below the predetermined temperature.

かかる本発明において、前記電極間電圧検出手段により検出される前記電極構造体のアノード電極とカソード電極間の電圧が、前記電圧安定条件を満たしているときは、前記改質装置の各構成要素の温度が、性能を維持できる適正な温度範囲に入っていると判断することができる。そこで、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記電極間電圧検出手段の検出電圧が前記電圧安定条件を満たし、且つ、前記燃焼器温度検出手段の検出温度が前記所定温度以下になったときに、前記水素処理運転を停止することによって、前記燃焼器を含めて前記改質装置が適正な状態となっているときに前記水素処理運転を停止することで、前記燃焼器に水素濃度が高いオフガスが排気されることをより確実に防止することができる。   In the present invention, when the voltage between the anode electrode and the cathode electrode of the electrode structure detected by the interelectrode voltage detection means satisfies the voltage stabilization condition, each component of the reformer is It can be determined that the temperature is within an appropriate temperature range in which performance can be maintained. Therefore, after the supply of raw fuel to the reformer is stopped, the detection voltage of the interelectrode voltage detection means satisfies the voltage stability condition, and the detection temperature of the combustor temperature detection means is less than the predetermined temperature. When the hydrogen treatment operation is stopped, the hydrogen treatment operation is stopped when the reformer including the combustor is in an appropriate state. It is possible to more reliably prevent off-gas having a high concentration from being exhausted.

水素処理システムの水素精製モードでの作動状態を示した説明図。Explanatory drawing which showed the operation state in the hydrogen purification mode of a hydrogen treatment system. 水素処理システムの発電モードでの作動状態を示した説明図。Explanatory drawing which showed the operating state in the electric power generation mode of a hydrogen treatment system. 水素処理システムの停止処理の第1実施形態によるフローチャート。The flowchart by 1st Embodiment of the stop process of a hydrogen treatment system. 原燃料の供給停止と電極構造体での水素消費の停止を同じタイミングで行った場合の触媒燃焼器の温度変化を示した説明図。Explanatory drawing which showed the temperature change of the catalytic combustor at the time of stopping supply of raw fuel and stopping hydrogen consumption in the electrode structure at the same timing. 原燃料の供給停止後に、電極構造体での水素消費を停止した場合の触媒燃焼器の温度変化を示した説明図。Explanatory drawing which showed the temperature change of the catalytic combustor when the hydrogen consumption in an electrode structure is stopped after the supply of raw fuel is stopped. 水素処理システムの停止処理の第2実施形態によるフローチャート。The flowchart by 2nd Embodiment of the stop process of a hydrogen treatment system.

本発明の実施の形態について、図1〜6を参照して説明する。図1を参照して、本実施形態の水素処理システム10は、燃料電池及びイオンポンプとして機能する電極構造体20(以下、DMS(Dual Mode Stack)20という)、炭化水素を主体とする原燃料(都市ガス等)と水蒸気との混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質装置30、DMS20に酸化剤ガスとして空気を供給するブロワ50、DMS20により精製された水素ガスを除湿してさらに精製する水素高純度化処理器55、及び、水素処理システム10の全体的な制御を行うコントローラ60を備えている。なお、水素高純度化処理器55で精製された水素ガスは、図示しない圧縮部により圧縮され、図示しない充填部により燃料電池車両の水素ボンベ等に充填される。   Embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. Referring to FIG. 1, a hydrogen treatment system 10 of this embodiment includes a fuel cell and an electrode structure 20 functioning as an ion pump (hereinafter referred to as DMS (Dual Mode Stack) 20), and a raw fuel mainly composed of hydrocarbons. A reformer 30 that reforms a mixed fuel of (city gas, etc.) and steam to generate reformed gas, a blower 50 that supplies air as an oxidant gas to the DMS 20, and hydrogen gas purified by the DMS 20 is dehumidified. In addition, a hydrogen purification processor 55 for further purification and a controller 60 that performs overall control of the hydrogen treatment system 10 are provided. Note that the hydrogen gas purified by the hydrogen purification processor 55 is compressed by a compression unit (not shown) and filled in a hydrogen cylinder of a fuel cell vehicle or the like by a filling unit (not shown).

改質装置30は、原燃料に含まれるメタン(CH)、エタン(C)、プロパン(C)、ブタン(C10)等の炭化水素に、水蒸気を混合して混合燃料を生成する熱交換器(蒸発器)31、熱交換器31に水蒸気発生用の熱を付与する触媒燃焼器35(本発明の燃焼器に相当する)、混合燃料を水蒸気改質することにより改質ガスを生成する改質器32、シフト反応により改質ガス中の一酸化炭素(CO)及び水蒸気を二酸化炭素(CO)及び水素(H)に変換するCO変成器(シフト反応器)33、及び、少量の空気を改質ガスに付加し、選択的に吸収した一酸化炭素と空気中の酸素を反応させて二酸化炭素に変換するCO除去器(選択酸化反応器)34を備えている。 The reformer 30 mixes steam with hydrocarbons such as methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 6 ), and butane (C 4 H 10 ) contained in the raw fuel. A heat exchanger (evaporator) 31 for generating a mixed fuel, a catalytic combustor 35 (corresponding to the combustor of the present invention) for applying heat for generating steam to the heat exchanger 31, and steam reforming the mixed fuel A reformer 32 for generating a reformed gas, and a CO converter (shift for converting carbon monoxide (CO) and water vapor in the reformed gas into carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ) by a shift reaction. Reactor) 33 and a CO remover (selective oxidation reactor) 34 for adding a small amount of air to the reformed gas and reacting selectively absorbed carbon monoxide with oxygen in the air to convert it into carbon dioxide. It has.

熱交換器31には、原燃料と水と改質用の空気(以下、改質空気という)が供給され、熱交換器31内で加熱されることによって、原燃料と水蒸気との混合燃料が改質空気と混ざった状態で、改質器32に供給される。   The heat exchanger 31 is supplied with raw fuel, water, and air for reforming (hereinafter referred to as reformed air), and is heated in the heat exchanger 31, so that the mixed fuel of the raw fuel and water vapor is changed. It is supplied to the reformer 32 in a state mixed with the reformed air.

改質器32は、内部に改質触媒としてパラジウム(Pd)系の貴金属触媒を備えたオートサーマル式の改質器であり、熱交換器31で生成された混合燃料を改質空気によって部分酸化させて、水素リッチな改質ガスを生成する。   The reformer 32 is an autothermal reformer having a palladium (Pd) noble metal catalyst as a reforming catalyst therein, and the mixed fuel generated in the heat exchanger 31 is partially oxidized by reformed air. Thus, a hydrogen-rich reformed gas is generated.

触媒燃焼器35には、触媒燃焼器35の温度を検出する温度センサ35a(本発明の燃焼器温度検出手段に相当する)が設けられている。同様に、改質器32、CO変成器33、及びCO除去器34にも、これらの温度を検出する温度センサ32a,33a,34aが個別に設けられている。また、DMS20のアノード電極22とカソード電極23間の電圧を検出する電極間電圧センサ65(本発明の電極間電圧検出手段に相当する)が設けられている。   The catalytic combustor 35 is provided with a temperature sensor 35a (corresponding to the combustor temperature detecting means of the present invention) for detecting the temperature of the catalytic combustor 35. Similarly, the reformer 32, the CO converter 33, and the CO remover 34 are individually provided with temperature sensors 32a, 33a, and 34a that detect these temperatures. Further, an inter-electrode voltage sensor 65 (corresponding to the inter-electrode voltage detection means of the present invention) for detecting the voltage between the anode electrode 22 and the cathode electrode 23 of the DMS 20 is provided.

DMS20は、固体高分子電解質膜21をアノード電極22とカソード電極23で挟んだ電解質膜・電極構造部を有し、この電解質膜・電極構造部を図示しないセパレータと交互に積層したスタックを構成している。この場合、電解質膜・電極構造部とセパレータの間にガス流路が形成される。   The DMS 20 has an electrolyte membrane / electrode structure portion in which a solid polymer electrolyte membrane 21 is sandwiched between an anode electrode 22 and a cathode electrode 23, and constitutes a stack in which the electrolyte membrane / electrode structure portion is alternately laminated with a separator (not shown). ing. In this case, a gas flow path is formed between the electrolyte membrane / electrode structure and the separator.

DMS20は、改質ガスをアノード電極22に供給するためのアノード入口24、アノード電極22から使用済みの改質ガス(アノードオフガス)を排出するためのアノード出口25、カソード電極23に酸化剤ガスとして空気を供給するためのカソード入口27、及び、カソード電極23から使用済みの空気(カソードオフガス)を排出し、又、改質ガスから精製された水素を排出するためのカソード出口26を備えている。   The DMS 20 has an anode inlet 24 for supplying the reformed gas to the anode electrode 22, an anode outlet 25 for discharging the used reformed gas (anode offgas) from the anode electrode 22, and an oxidant gas on the cathode electrode 23. A cathode inlet 27 for supplying air and a cathode outlet 26 for discharging used air (cathode off-gas) from the cathode electrode 23 and discharging purified hydrogen from the reformed gas are provided. .

アノード入口24とCO除去器34は、改質ガス流路40により接続され、アノード出口25と触媒燃焼器35は、アノードオフガス流路44により接続されている。改質ガス流路40には、三方電磁弁41が配置されている。三方電磁弁41には、アノードオフガス流路44と連通したアノードバイパス流路42が接続されている。   The anode inlet 24 and the CO remover 34 are connected by a reformed gas channel 40, and the anode outlet 25 and the catalytic combustor 35 are connected by an anode offgas channel 44. A three-way electromagnetic valve 41 is disposed in the reformed gas flow path 40. Connected to the three-way solenoid valve 41 is an anode bypass passage 42 communicating with the anode off-gas passage 44.

三方電磁弁41は、改質ガス流路40がアノード入口24と連通すると共にアノードバイパス流路42から遮断されたガス流通状態と、改質ガス流路40がアノードバイパス流路42に連通すると共にアノード入口24から遮断されたガス遮断状態とを切換える。   The three-way solenoid valve 41 includes a gas flow state in which the reformed gas passage 40 communicates with the anode inlet 24 and is blocked from the anode bypass passage 42, and the reformed gas passage 40 communicates with the anode bypass passage 42. The gas cutoff state blocked from the anode inlet 24 is switched.

アノードオフガス流路44のアノードバイパス流路42との合流箇所の上流側には、電磁弁43が設けられている。カソード入口27には、カソード入口流路52が接続されている。カソード入口流路52には、電磁弁51とブロワ50が設けられている。   An electromagnetic valve 43 is provided on the upstream side of the joining point between the anode off-gas channel 44 and the anode bypass channel 42. A cathode inlet channel 52 is connected to the cathode inlet 27. The cathode inlet channel 52 is provided with an electromagnetic valve 51 and a blower 50.

カソード出口26にはカソードオフガス流路45が接続され、カソードオフガス流路45には電磁弁48が設けられている。また、カソードオフガス流路45は、電磁弁48の上流側でカソードパージ流路46と連通し、カソードパージ流路46は電磁弁47を介してアノードオフガス流路44に連通している。カソードオフガス流路45には、水素ガス流路53が接続されており、水素ガス流路53の下流側は、電磁弁54を介して水素高純度化処理器55に接続されている。   A cathode offgas passage 45 is connected to the cathode outlet 26, and an electromagnetic valve 48 is provided in the cathode offgas passage 45. Further, the cathode off-gas channel 45 communicates with the cathode purge channel 46 on the upstream side of the electromagnetic valve 48, and the cathode purge channel 46 communicates with the anode off-gas channel 44 via the electromagnetic valve 47. A hydrogen gas flow channel 53 is connected to the cathode off-gas flow channel 45, and a downstream side of the hydrogen gas flow channel 53 is connected to a hydrogen purification processor 55 via an electromagnetic valve 54.

コントローラ60は、CPU(Central Processing Unit)やメモリ等により構成された電子ユニットであり、温度センサ32a,33a,34a,35aの温度検出信号と、電極間電圧センサ65の電圧検出信号が、コントローラ60に入力される。また、コントローラ60から出力される制御信号によって、三方電磁弁41、電磁弁43,47,48,51,54、ブロワ50の作動と、熱交換器31への原燃料及び改質空気の供給/停止が制御される。   The controller 60 is an electronic unit configured by a CPU (Central Processing Unit), a memory, and the like. The temperature detection signals of the temperature sensors 32a, 33a, 34a, and 35a and the voltage detection signal of the interelectrode voltage sensor 65 are the controller 60. Is input. In addition, according to the control signal output from the controller 60, the three-way solenoid valve 41, the solenoid valves 43, 47, 48, 51, 54 and the blower 50 are actuated and the raw fuel and reformed air are supplied / Stop is controlled.

また、CPUに水素処理システム10の制御用プログラムを実行させることによって、コントローラ60が、運転制御手段61として機能する。運動制御手段61は、本発明の水素処理運転として、DMS20をイオンポンプとして機能させる水素精製モードでの運転と、DMS20を燃料電池として機能させる発電モードでの運転とを切換えて実行する。   Further, the controller 60 functions as the operation control means 61 by causing the CPU to execute a control program for the hydrogen treatment system 10. The motion control means 61 executes the hydrogen treatment operation of the present invention by switching between the operation in the hydrogen purification mode in which the DMS 20 functions as an ion pump and the operation in the power generation mode in which the DMS 20 functions as a fuel cell.

以下、水素精製モード及び発電モードでの水素処理システム10の動作について説明する。   Hereinafter, the operation of the hydrogen treatment system 10 in the hydrogen purification mode and the power generation mode will be described.

先ず、水素精製モードでの運転を行なうときの水素処理システムの動作について、図1を参照して説明する。運転制御手段61は、電磁弁47,48,51を閉弁状態にすると共に、電磁弁43,54を開弁状態とする。また、運転制御手段61は、三方電磁弁41を、改質ガス流路40がアノード入口24に連通すると共にアノードバイパス流路42から遮断されたガス流通状態として、改質装置30からアノード電極22に改質ガスを供給する。   First, the operation of the hydrogen treatment system when operating in the hydrogen purification mode will be described with reference to FIG. The operation control means 61 closes the solenoid valves 47, 48, 51 and opens the solenoid valves 43, 54. Further, the operation control means 61 changes the three-way electromagnetic valve 41 from the reforming device 30 to the anode electrode 22 with the reformed gas flow path 40 in communication with the anode inlet 24 and shut off from the anode bypass flow path 42. To supply reformed gas.

そして、運転制御手段61は、DMS20のアノード電極22とカソード電極23間に、アノード電極22を高電位側として、所定電圧を印加する。これにより、アノード電極22では、以下の式(1)の反応が起こって水素イオン(H)が発生する。 Then, the operation control means 61 applies a predetermined voltage between the anode electrode 22 and the cathode electrode 23 of the DMS 20 with the anode electrode 22 as a high potential side. Thereby, in the anode electrode 22, reaction of the following formula | equation (1) occurs and hydrogen ion (H <+> ) generate | occur | produces.

→ 2H+2e・・・・・ (1)
そして、水素イオンは、固体高分子電解質膜21を透過してカソード電極23に移動し、カソード電極23では、以下の式(2)の反応が惹起されると共に昇圧される。
H 2 → 2H + + 2e - ····· (1)
Then, hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane 21 and move to the cathode electrode 23, where the reaction of the following formula (2) is induced and the pressure is increased.

2H+2e → H・・・・・ (2)
このようにして、アノード電極22からカソード電極23に、水素イオンが移動することにより、改質ガスから高純度の水素ガスが精製される。この水素ガスは、水素ガス流路53を介して水素高純度化処理器55に送出され、水素高純度化処理器55により除湿と精製の処理が施される。
2H + + 2e → H 2 (2)
In this way, the hydrogen ions move from the anode electrode 22 to the cathode electrode 23, whereby the high-purity hydrogen gas is purified from the reformed gas. This hydrogen gas is sent to the hydrogen purification processor 55 through the hydrogen gas flow path 53, and is subjected to dehumidification and purification by the hydrogen purification processor 55.

また、アノード電極22で水素イオンが抽出された後の改質ガス(抽出されなかった水素を含む)は、アノードオフガスとして、アノード出口25からアノードオフガス流路44を経由して触媒燃焼器35に送出される。アノードオフガス中の水素は触媒燃焼器35で燃焼し、その燃焼熱が熱交換器31に与えられる。   In addition, the reformed gas (including unextracted hydrogen) after the extraction of hydrogen ions at the anode electrode 22 is supplied as an anode off-gas from the anode outlet 25 to the catalytic combustor 35 via the anode off-gas passage 44. Sent out. Hydrogen in the anode off gas burns in the catalytic combustor 35, and the combustion heat is given to the heat exchanger 31.

次に、発電モードでの運転を行うときの水素処理システム10の動作について、図2を参照して説明する。発電モードでは、DMS20のアノード電極22とカソード電極23の間に接続される電気負荷70が利用される。   Next, the operation of the hydrogen treatment system 10 when operating in the power generation mode will be described with reference to FIG. In the power generation mode, an electrical load 70 connected between the anode electrode 22 and the cathode electrode 23 of the DMS 20 is used.

運転制御手段61は、電磁弁47,54を閉弁状態とすると共に、電磁弁43,48,51を開弁状態とする。また、運転制御手段61は、三方電磁弁41を、改質ガス流路40がアノード入口24に連通されると共にアノードバイパス流路42から遮断されたガス供給状態として、改質装置30からアノード電極22に改質ガスを供給する。   The operation control means 61 closes the solenoid valves 47, 54 and opens the solenoid valves 43, 48, 51. Further, the operation control means 61 changes the three-way solenoid valve 41 from the reformer 30 to the anode electrode with the reformed gas channel 40 in communication with the anode inlet 24 and the gas supply state shut off from the anode bypass channel 42. The reformed gas is supplied to 22.

また、運転制御手段61は、ブロワ50を作動させて、カソード入口流路52を介してカソード入口27に空気(酸化剤ガス)を供給する。これにより、DMS20では、アノード電極22で、以下の式(3)の反応が起こり、水素ガス(H)が電子eを放出して水素イオン(H)となる。 In addition, the operation control means 61 operates the blower 50 to supply air (oxidant gas) to the cathode inlet 27 via the cathode inlet channel 52. Thus, the DMS 20, the anode electrode 22, a reaction occurs in the following equation (3), hydrogen gas (H 2) electron e - the hydrogen ions (H +) to release the.

→ 2H+2e・・・・・ (3)
水素イオンは、固体高分子電解質膜21中を透過し、カソード電極23において、カソード入口27から供給される空気中の酸素ガス(O)と、カソード電極23に供給される電子eとにより、以下の式(4)の反応が起こって水が生成される。
H 2 → 2H + + 2e (3)
Hydrogen ions permeate through the solid polymer electrolyte membrane 21, and at the cathode electrode 23, the oxygen gas (O 2 ) in the air supplied from the cathode inlet 27 and the electrons e supplied to the cathode electrode 23. The reaction of the following formula (4) occurs to generate water.

1/2O+2H+2e→ HO ・・・・・ (4)
そして、上記式(3)、(4)に示したように、アノード電極22から電気負荷70を介してカソード電極23に電流が流れ、DMS20から電気負荷70に電力が供給される。
1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (4)
Then, as shown in the above formulas (3) and (4), current flows from the anode electrode 22 to the cathode electrode 23 via the electric load 70, and power is supplied from the DMS 20 to the electric load 70.

また、アノード電極22で水素イオンが抽出された後の改質ガス(抽出されなかった水素を含む)は、アノードオフガスとして、アノード出口25からアノードオフガス流路44を経由して触媒燃焼器35に送出される。アノードオフガス中の水素は、触媒燃焼器35で燃焼してその燃焼熱が熱交換器31に与えられる。   In addition, the reformed gas (including unextracted hydrogen) after the extraction of hydrogen ions at the anode electrode 22 is supplied as an anode off-gas from the anode outlet 25 to the catalytic combustor 35 via the anode off-gas passage 44. Sent out. Hydrogen in the anode off gas is burned in the catalytic combustor 35 and the combustion heat is given to the heat exchanger 31.

次に、図3に示したフローチャートに従って、水素精製モードでの運転実行中に、水素処理システム10の停止指示がなされたときの運転制御手段61による処理の第1実施形態について説明する。   Next, according to the flowchart shown in FIG. 3, a first embodiment of the process by the operation control means 61 when an instruction to stop the hydrogen treatment system 10 is given during the execution of the operation in the hydrogen purification mode.

[第1実施形態]
水素精製モードでの運転実行中に、STEP1でシステム停止指示がなされると、STEP2に進む。そして、運転制御手段61は、STEP2,3で熱交換器31への原燃料と改質空気の供給を停止する。
[First Embodiment]
If an instruction to stop the system is given in STEP1 during operation in the hydrogen purification mode, the process proceeds to STEP2. And the operation control means 61 stops supply of the raw fuel and the reformed air to the heat exchanger 31 in STEPs 2 and 3.

次のSTEP4で、運転制御手段61はタイマをスタートさせ、続くSTEP5〜STEP7のループを、STEP7でタイマがタイムアップするまで繰り返し実行する。STEP5〜STEP7のループにおいて、運転制御手段61は、STEP5で水素精製モードでの運転(DMS20のアノード電極22とカソード電極23間に、所定電圧が印加された状態)を継続しながら、STEP6で電極間電圧センサ65により検出されるDMS20のアノード電極22とカソード電極23間の電圧Vcellの変化率(所定時間あたりの電圧Vcellの変化幅)が所定値VRth以下(本発明の所定の電圧安定条件に相当する)であるか否かを判断する。   In the next STEP 4, the operation control means 61 starts a timer, and repeatedly executes the subsequent loop of STEP 5 to STEP 7 until the timer expires in STEP 7. In the loop of STEP5 to STEP7, the operation control means 61 continues the operation in the hydrogen purification mode in STEP5 (a state in which a predetermined voltage is applied between the anode electrode 22 and the cathode electrode 23 of the DMS 20), and the electrode in STEP6. The change rate of the voltage Vcell (the change width of the voltage Vcell per predetermined time) between the anode electrode 22 and the cathode electrode 23 of the DMS 20 detected by the inter-voltage sensor 65 is equal to or less than a predetermined value VRth (under the predetermined voltage stabilization condition of the present invention). Or the like).

ここで、所定値VRthは、DMS20における水素の精製が安定的に行われており、その前提として、触媒燃焼器35の温度及び改質器32の温度が、規定性能を維持できる温度範囲に入っていると判断することができる値に設定されている。   Here, the predetermined value VRth is that hydrogen purification in the DMS 20 is stably performed. As a precondition, the temperature of the catalytic combustor 35 and the temperature of the reformer 32 fall within a temperature range in which specified performance can be maintained. It is set to a value that can be determined to be.

なお、本発明の所定の電圧安定条件を、DMS20のアノード電極22とカソード電極23間の電圧Vcellが、予め設定された所定時間内で予め設定された電圧範囲内に維持されることに設定してもよい。   Note that the predetermined voltage stabilization condition of the present invention is set such that the voltage Vcell between the anode electrode 22 and the cathode electrode 23 of the DMS 20 is maintained within a preset voltage range within a preset predetermined time. May be.

そして、STEP6で、DMS20のアノード電極22とカソード電極23間の電圧Vcellの変化率がVRth以下であるときはSTEP7に進み、この変化率がVRthよりも高いときにはSTEP5に分岐する。   In STEP 6, when the change rate of the voltage Vcell between the anode electrode 22 and the cathode electrode 23 of the DMS 20 is equal to or less than VRth, the process proceeds to STEP 7, and when this change rate is higher than VRth, the process branches to STEP5.

STEP7で、運転制御手段61は、タイマがタイムアップしているか否かを判断し、タイマがタイムアップしているときはSTEP8に進み、タイマがタイムアップしてないときにはSTEP5に分岐する。ここで、タイマがタイムアップするまでの設定時間(本発明の所定時間に相当する)は、熱交換器31への原燃料と改質空気の供給を停止した時点から、DMS20のアノード極に供給される改質ガスの量が減少して、水素精製モードでの運転を停止しても、触媒燃焼器35の温度が閾値Tth(触媒燃焼器35の劣化や周辺デバイスの劣化が生じることを防止し得る温度)以下になるまでに要する時間を想定して設定される。   In STEP 7, the operation control means 61 determines whether or not the timer has timed up. If the timer has timed out, the operation proceeds to STEP 8, and if the timer has not timed out, branches to STEP 5. Here, the set time until the timer expires (corresponding to the predetermined time of the present invention) is supplied to the anode electrode of the DMS 20 from the time when the supply of the raw fuel and reformed air to the heat exchanger 31 is stopped. Even if the amount of reformed gas is reduced and the operation in the hydrogen purification mode is stopped, the temperature of the catalytic combustor 35 is kept at the threshold value Tth (the catalytic combustor 35 and peripheral devices are prevented from deteriorating). It is set on the assumption of the time required for the temperature to be equal to or lower.

STEP8で、運転制御手段61は、DMS20のアノード電極22とカソード電極23間への所定電圧の印加を停止して水素精製モードでの運転を停止し、STEP9に進んで水素処理システム10の停止処理を終了する。   In STEP 8, the operation control means 61 stops applying the predetermined voltage between the anode electrode 22 and the cathode electrode 23 of the DMS 20 to stop the operation in the hydrogen purification mode, and proceeds to STEP 9 to stop the hydrogen treatment system 10. Exit.

次に、図4,5を参照して、図3に示した水素処理システム10の停止処理による効果について説明する。図4,5は、横軸を時間(t)に設定し、縦軸を触媒燃焼器35の温度(Tcat),DMS20での水素消費量(水素の精製量),及び熱交換器31への原燃料の供給量に設定して、触媒燃焼器35の温度変化と、熱交換器31への原燃料の停止タイミング及び水素精製モードでの運転停止のタイミングを示したものである。   Next, with reference to FIGS. 4 and 5, the effect of the stop process of the hydrogen treatment system 10 shown in FIG. 3 will be described. 4 and 5, the horizontal axis is set to time (t), and the vertical axis is the temperature (Tcat) of the catalytic combustor 35, the hydrogen consumption (hydrogen purification amount) in the DMS 20, and the heat exchanger 31. It shows the temperature change of the catalytic combustor 35, the stop timing of the raw fuel to the heat exchanger 31, and the stop timing of the operation in the hydrogen purification mode by setting the supply amount of the raw fuel.

先ず、図4は、水素精製モードでの運転停止の停止処理を、熱交換器31への原燃料と改質空気の供給停止のタイミングと、DMS20の水素精製モードでの運転停止のタイミングを同一にして行った場合を示している。この場合は、t10で熱交換器31への原燃料と改質空気の供給が停止すると共に、DMS20の水素精製モードでの運転が停止して、DMS20での水素消費量がゼロになっている。 First, in FIG. 4, the stop processing of the shutdown in the hydrogen purification mode is the same as the timing of stopping the supply of raw fuel and reformed air to the heat exchanger 31 and the shutdown timing of the DMS 20 in the hydrogen purification mode. The case where it went to is shown. In this case, the supply of raw fuel and reformed air to the heat exchanger 31 is stopped at t 10 , and the operation of the DMS 20 in the hydrogen purification mode is stopped, and the hydrogen consumption in the DMS 20 becomes zero. Yes.

ここで、t10で熱交換器31への原燃料と改質空気の供給を停止しても、改質装置30での改質処理が停止するまでには、ある程度の遅れ時間が生じる。そのため、t10でDMSでの水素消費量がゼロになると、DMS20のアノード電極22に供給された水素リッチな改質ガスが、水素の精製処理がなされずにそのままアノードオフガス流路44を経由して、触媒燃焼器35に排気される。 Here, even if the supply of the raw fuel and the reformed air to the heat exchanger 31 is stopped at t 10 , a certain delay time occurs until the reforming process in the reformer 30 is stopped. For this reason, when the hydrogen consumption in the DMS becomes zero at t 10 , the hydrogen-rich reformed gas supplied to the anode electrode 22 of the DMS 20 passes through the anode off-gas channel 44 without being subjected to hydrogen purification. And exhausted to the catalytic combustor 35.

そのため、触媒燃焼器35での燃焼量が急増して、触媒燃焼器35の温度Tcatが急速に上昇し、触媒燃焼器35の温度Tcatが上限閾値Tthを超えている。この場合には、触媒燃焼器35の劣化や、触媒燃焼器35の周辺デバイスの劣化が生じるおそれがある。   Therefore, the amount of combustion in the catalytic combustor 35 increases rapidly, the temperature Tcat of the catalytic combustor 35 rapidly increases, and the temperature Tcat of the catalytic combustor 35 exceeds the upper limit threshold Tth. In this case, there is a possibility that the catalytic combustor 35 and the peripheral devices of the catalytic combustor 35 may deteriorate.

それに対して、図5は、図3に示したフローチャートの処理により、水素精製モードでの運転の停止処理を、熱交換器31への原燃料と改質空気の供給停止のタイミングよりも、DMS20の水素精製モードでの運転停止のタイミングを遅くした場合を示している。この場合は、t20で熱交換器31への原燃料の供給が停止しているが、DMS20の水素精製モードでの運転は、水素の精製量を減少させて継続している。なお、DMS20の水素精製モードでの運転を、水素の精製量を減少させずに継続してもよい。 On the other hand, in FIG. 5, the process of stopping the operation in the hydrogen purification mode is performed by the process of the flowchart shown in FIG. 3 rather than the timing of stopping the supply of the raw fuel and reformed air to the heat exchanger 31. This shows a case where the operation stop timing in the hydrogen purification mode is delayed. In this case, the supply of the raw fuel to the heat exchanger 31 is stopped at t 20 , but the operation of the DMS 20 in the hydrogen purification mode is continued by reducing the amount of hydrogen purification. The operation of the DMS 20 in the hydrogen purification mode may be continued without decreasing the amount of hydrogen purification.

そして、t21(図3のSTEP6,STEP7の条件が共に成立した時点)で、DMS20の水素モードでの運転が停止して、DMS20での水素の消費量がゼロになっている。このように、t20〜t21の間は、水素精製モードでの運転が継続されて、DMS20のアノード電極22に供給される改質ガス中の水素が、精製処理により消費される。 At t 21 (when the conditions of STEP 6 and STEP 7 in FIG. 3 are both satisfied), the operation of the DMS 20 in the hydrogen mode is stopped, and the hydrogen consumption in the DMS 20 is zero. As described above, during the period from t 20 to t 21 , the operation in the hydrogen purification mode is continued, and the hydrogen in the reformed gas supplied to the anode electrode 22 of the DMS 20 is consumed by the purification process.

そのため、アノードオフガス流量44を経由して、触媒燃焼器35に排気されるアノードオフガス中の水素濃度が低下し、触媒燃焼器35での燃焼量の増加が抑制されて、触媒燃焼器35の温度Tcatが閾値Tth以下に維持されている。これにより、触媒燃焼器35の温度Tcatが閾値Tthを超える高温となって、触媒燃焼器35の劣化や、触媒燃焼器35の周辺デバイスの劣化が生じること防止することができる。   Therefore, the hydrogen concentration in the anode off-gas exhausted to the catalytic combustor 35 via the anode off-gas flow rate 44 is reduced, and an increase in the combustion amount in the catalytic combustor 35 is suppressed, so that the temperature of the catalytic combustor 35 is increased. Tcat is maintained below the threshold Tth. As a result, the temperature Tcat of the catalytic combustor 35 becomes a high temperature exceeding the threshold value Tth, and it is possible to prevent the catalytic combustor 35 and the peripheral devices of the catalytic combustor 35 from being deteriorated.

次に、図6に示したフローチャートに従って、水素精製モードでの運転実行中に、水素処理システム10の停止指示がなされたときの運転制御手段61による処理の第2実施形態について説明する。   Next, according to the flowchart shown in FIG. 6, a second embodiment of the processing by the operation control means 61 when an instruction to stop the hydrogen processing system 10 is given during the execution of the operation in the hydrogen purification mode.

[第2実施形態]
図6のSTEP20〜STEP22の処理は、上述した図3のSTEP1〜STEP3の処理と同様であり、STEP20でシステム停止指示がなされたときにSTEP21に進み、運転制御手段61は、STEP21,22で熱交換器31への原燃料と改質空気の供給を停止する。
[Second Embodiment]
The processing of STEP 20 to STEP 22 in FIG. 6 is the same as the processing of STEP 1 to STEP 3 in FIG. 3 described above. When the system stop instruction is given in STEP 20, the process proceeds to STEP 21. The supply of raw fuel and reformed air to the exchanger 31 is stopped.

そして、運転制御手段61は、次のSTEP23〜STEP25のループを、STEP25で、温度センサ35aによって検出される触媒燃焼器35の温度TcatがTth(本発明の所定温度に相当する)以下になるまで、繰り返し実行する。   Then, the operation control means 61 goes through the next loop of STEP23 to STEP25 until the temperature Tcat of the catalytic combustor 35 detected by the temperature sensor 35a is equal to or lower than Tth (corresponding to the predetermined temperature of the present invention) in STEP25. , Repeat.

STEP23〜STEP25のループにおいて、運転制御手段61は、STEP23で水素精製モードでの運転(DMS20のアノード電極22とカソード電極23間に、所定電圧が印加された状態)を継続しながら、STEP24で電極間電圧センサ65により検出されるDMS20のアノード電極22とカソード電極23間の電圧Vcellの変化率が、上述したVRth以下(本発明の所定の電圧安定条件に相当する)であるか否かを判断する。   In the loop of STEP23 to STEP25, the operation control means 61 continues the operation in the hydrogen purification mode in STEP23 (a state where a predetermined voltage is applied between the anode electrode 22 and the cathode electrode 23 of the DMS 20), and the electrode in STEP24. It is determined whether the change rate of the voltage Vcell between the anode electrode 22 and the cathode electrode 23 of the DMS 20 detected by the inter-voltage sensor 65 is equal to or less than the above-described VRth (corresponding to the predetermined voltage stabilization condition of the present invention). To do.

そして、STEP24で、DMS20のアノード電極22とカソード電極23間の電圧Vcellの変化率がVRth以下であるときはSTEP25に進み、この変化率がVRthよりも高いときにはSTEP23に分岐する。   In STEP 24, when the change rate of the voltage Vcell between the anode electrode 22 and the cathode electrode 23 of the DMS 20 is equal to or lower than VRth, the process proceeds to STEP 25, and when this change rate is higher than VRth, the process branches to STEP 23.

STEP25で、運転制御手段61は、触媒燃焼器35の温度TcatがTth以下であるか否かを判断する。そして、燃焼触媒器35の温度TcatがTth以下であるときはSTEP26に進み、触媒燃焼器35の温度TcatがTthを超えているときにはSTEP23に分岐する。ここで、Tthは、触媒燃焼器35の劣化や、触媒燃焼器35の周辺デバイスの劣化を抑制するための上限温度に設定されている。   In STEP 25, the operation control means 61 determines whether the temperature Tcat of the catalytic combustor 35 is equal to or lower than Tth. When the temperature Tcat of the combustion catalyst 35 is equal to or lower than Tth, the process proceeds to STEP26, and when the temperature Tcat of the catalyst combustor 35 exceeds Tth, the process branches to STEP23. Here, Tth is set to an upper limit temperature for suppressing deterioration of the catalytic combustor 35 and deterioration of peripheral devices of the catalytic combustor 35.

このように、STEP25で触媒燃焼器35の温度TcatがTth以下となるまで、水素精製モードでの運転を継続することによって、上述した第1の実施形態と同様に、改質装置30からDMS20のアノード電極22に供給される改質ガス中の水素が消費される。そのため、アノード電極22からアノードオフガス流路44を経由して、触媒燃焼器35に排気されるアノードオフガス中の水素濃度が低下する。そして、これにより、水素濃度の高いアノードオフガスが触媒燃焼器35に排気されて、触媒燃焼器35の燃焼量が急増し、触媒燃焼器35の温度上昇による触媒燃焼器35自体の劣化や触媒燃焼器35の周辺デバイスの劣化を抑制することができる。   In this manner, by continuing the operation in the hydrogen purification mode until the temperature Tcat of the catalytic combustor 35 becomes equal to or lower than Tth in STEP25, the reformer 30 to the DMS20 are similar to the first embodiment described above. Hydrogen in the reformed gas supplied to the anode electrode 22 is consumed. Therefore, the hydrogen concentration in the anode off gas exhausted from the anode electrode 22 to the catalytic combustor 35 via the anode off gas flow path 44 is lowered. As a result, the anode off-gas having a high hydrogen concentration is exhausted to the catalytic combustor 35, the amount of combustion in the catalytic combustor 35 increases rapidly, and the catalytic combustor 35 itself deteriorates due to the temperature rise of the catalytic combustor 35 or catalytic combustion. Deterioration of peripheral devices of the device 35 can be suppressed.

なお、図4,6に示したフローチャートでは、水素精製モードでの運転を停止する場合の処理を示したが、発電モードでの運転実行中に、水素処理システム10の運転を停止する場合についても、同様の処理により本発明を適用することができる。この場合には、運転制御手段61は、図3のSTEP5及び図6のSTEP23で発電モードでの運転を継続し、図3のSTEP8及び図6のSTEP26で、DMS20と電気負荷70との接続を遮断して発電モードでの運転を停止すればよい。   In the flowcharts shown in FIGS. 4 and 6, the process in the case of stopping the operation in the hydrogen purification mode is shown. However, the operation of the hydrogen treatment system 10 is also stopped during the operation in the power generation mode. The present invention can be applied by the same processing. In this case, the operation control means 61 continues the operation in the power generation mode at STEP 5 in FIG. 3 and STEP 23 in FIG. 6, and connects the DMS 20 and the electric load 70 at STEP 8 in FIG. 3 and STEP 26 in FIG. It is only necessary to shut off and stop the operation in the power generation mode.

また、本実施の形態では、図3のSTEP6及び図6のSTEP24で、DMS20のアノード電極22とカソード電極23間の電圧Vcellが安定していることを、DMS20の運転(水素精製モードでの運転、及び発電モードでの運転)を停止する条件として設定しているが、この条件を設定しない場合であっても、本発明の効果を得ることができる。   Further, in the present embodiment, in STEP 6 in FIG. 3 and STEP 24 in FIG. 6, the voltage Vcell between the anode electrode 22 and the cathode electrode 23 of the DMS 20 is stable. , And the operation in the power generation mode) is set as a condition for stopping, but the effect of the present invention can be obtained even when this condition is not set.

また、本実施形態では、電極構造体(DMS20)について、水素精製モードでの運転と発電モードでの運転を行なう水素処理システムを示したが、水素精製モードでの運転のみ、或いは発電モードでの運転のみを行なう水素処理システムに対しても、本発明の適用が可能である。   Further, in the present embodiment, the hydrogen treatment system that performs the operation in the hydrogen purification mode and the operation in the power generation mode is shown for the electrode structure (DMS20), but only the operation in the hydrogen purification mode or in the power generation mode is shown. The present invention can also be applied to a hydrogen treatment system that operates only.

また、本実形態では、本発明の燃焼器として触媒燃焼器35を示したが、バーナを用いてもよい。   In this embodiment, the catalytic combustor 35 is shown as the combustor of the present invention, but a burner may be used.

10…水素処理システム、20…電極構造体(DMS:Dual Mode Stack)、21…固体高分子電解質膜、22…アノード電極、23…カソード電極、30…改質装置、31…熱交換器、35…触媒燃焼器、35a…(触媒燃焼器の)温度センサ、41…三方電磁弁、60…コントローラ、61…運転制御手段、65…電極間電圧センサ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Hydrogen treatment system, 20 ... Electrode structure (DMS: Dual Mode Stack), 21 ... Solid polymer electrolyte membrane, 22 ... Anode electrode, 23 ... Cathode electrode, 30 ... Reformer, 31 ... Heat exchanger, 35 ... Catalyst combustor, 35a ... (Catalyst combustor) temperature sensor, 41 ... Three-way solenoid valve, 60 ... Controller, 61 ... Operation control means, 65 ... Interelectrode voltage sensor.

Claims (4)

原燃料を改質して改質ガスを生成すると共に、改質処理の熱源として燃焼器を有する改質装置と、
ガス流路を有するアノード電極及びカソード電極を、電解質膜を挟んで配置して構成された電極構造体と、
前記アノード電極のガス流路と前記燃焼器間を接続したアノードオフガス流路と、
前記アノード電極と前記カソード電極間に所定電圧を印加した状態で、前記アノード電極に前記改質ガスを供給することにより、前記電極構造体をイオンポンプとして機能させて、前記改質ガス中の水素を電解質膜を透過させてカソード電極側に移送する水素精製モードでの運転と、前記アノード電極に前記改質ガスを供給すると共に、前記カソード電極に酸化剤ガスを供給することにより、前記電極構造体を燃料電池として機能させて、前記アノード電極と前記カソード電極間に接続された電気負荷に電力を供給する発電モードでの運転とのうちの少なくともいずれか一方を含む水素処理運転を行う運転制御手段とを備えた水素処理システムにおいて、
前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、所定時間が経過したときに前記水素処理運転を停止することを特徴とする水素処理システム。
A reformer having a combustor as a heat source for reforming treatment while reforming raw fuel to generate reformed gas,
An electrode structure comprising an anode electrode and a cathode electrode each having a gas flow path and an electrolyte membrane interposed therebetween;
An anode off-gas channel connecting the gas channel of the anode electrode and the combustor;
By supplying the reformed gas to the anode electrode with a predetermined voltage applied between the anode electrode and the cathode electrode, the electrode structure functions as an ion pump, and hydrogen in the reformed gas The electrode structure by operating in a hydrogen purification mode in which the electrolyte is permeated through the electrolyte membrane and transferred to the cathode electrode side, supplying the reformed gas to the anode electrode and supplying an oxidant gas to the cathode electrode Operation control for performing a hydrogen treatment operation including at least one of an operation in a power generation mode in which a body functions as a fuel cell and supplies power to an electric load connected between the anode electrode and the cathode electrode A hydrogen treatment system comprising:
When the predetermined operation stop condition is satisfied during the execution of the hydrogen treatment operation, the operation control means stops the supply of raw fuel to the reformer and then performs the hydrogen treatment operation when a predetermined time has elapsed. The hydrogen treatment system characterized by stopping.
請求項1記載の水素処理システムにおいて、
前記電極構造体のアノード電極とカソード電極間の電圧を検出する電極間電圧検出手段を備え、
前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記電極間電圧検出手段の検出電圧が所定の電圧安定条件を満たし、且つ、前記所定時間が経過したときに、前記水素処理運転を停止することを特徴とする水素処理システム。
The hydrogen treatment system according to claim 1,
An inter-electrode voltage detection means for detecting a voltage between the anode electrode and the cathode electrode of the electrode structure;
When the predetermined operation stop condition is satisfied during execution of the hydrogen treatment operation, the operation control means stops the supply of raw fuel to the reformer, and then the detection voltage of the interelectrode voltage detection means is predetermined. The hydrogen treatment system is characterized in that the hydrogen treatment operation is stopped when the predetermined voltage stability condition is satisfied and the predetermined time has elapsed.
原燃料を改質して改質ガスを生成すると共に、改質処理の熱源として燃焼器を有する改質装置と、
ガス流路を有するアノード電極及びカソード電極を、電解質膜を挟んで配置して構成された電極構造体と、
前記アノード電極のガス流路と前記燃焼器間を接続したアノードオフガス流路と、
前記アノード電極と前記カソード電極間に所定電圧を印加した状態で、前記アノード電極に前記改質ガスを供給することにより、前記電極構造体をイオンポンプとして機能させて、前記改質ガス中の水素を電解質膜を透過させてカソード電極側に移送する水素精製モードでの運転と、前記アノード電極に前記改質ガスを供給すると共に、前記カソード電極に酸化剤ガスを供給することにより、前記電極構造体を燃料電池として機能させて、前記アノード電極と前記カソード電極間に接続された電気負荷に電力を供給する発電モードでの運転とのうちの少なくともいずれか一方を含む水素処理運転を行う運転制御手段とを備えた水素処理システムにおいて、
前記燃焼器の温度を検出する燃焼器温度検出手段を備え、
前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記燃焼器温度検出手段の検出温度が所定温度以下になったときに、前記水素処理運転を停止することを特徴とする水素処理システム。
A reformer having a combustor as a heat source for reforming treatment while reforming raw fuel to generate reformed gas,
An electrode structure comprising an anode electrode and a cathode electrode each having a gas flow path and an electrolyte membrane interposed therebetween;
An anode off-gas channel connecting the gas channel of the anode electrode and the combustor;
By supplying the reformed gas to the anode electrode with a predetermined voltage applied between the anode electrode and the cathode electrode, the electrode structure functions as an ion pump, and hydrogen in the reformed gas The electrode structure by operating in a hydrogen purification mode in which the electrolyte is permeated through the electrolyte membrane and transferred to the cathode electrode side, supplying the reformed gas to the anode electrode and supplying an oxidant gas to the cathode electrode Operation control for performing a hydrogen treatment operation including at least one of an operation in a power generation mode in which a body functions as a fuel cell and supplies power to an electric load connected between the anode electrode and the cathode electrode A hydrogen treatment system comprising:
Combustor temperature detection means for detecting the temperature of the combustor,
When the predetermined operation stop condition is satisfied during execution of the hydrogen treatment operation, the operation control means stops the supply of raw fuel to the reformer, and then the temperature detected by the combustor temperature detection means is predetermined. The hydrogen treatment system is characterized in that the hydrogen treatment operation is stopped when the temperature falls below the temperature.
請求項3記載の水素処理システムにおいて、
前記電極構造体のアノード電極とカソード電極間の電圧を検出する電極間電圧検出手段を備え、
前記運転制御手段は、前記水素処理運転の実行中に、所定の運転停止条件が成立したときには、前記改質装置に対する原燃料の供給を停止した後、前記電極間電圧検出手段の検出電圧が所定の電圧安定要件を満たし、且つ、前記燃焼器温度検出手段の検出温度が前記所定温度以下になったときに、前記水素処理運転を停止することを特徴とする水素処理システム。
The hydrogen treatment system according to claim 3,
An inter-electrode voltage detection means for detecting a voltage between the anode electrode and the cathode electrode of the electrode structure;
When the predetermined operation stop condition is satisfied during execution of the hydrogen treatment operation, the operation control means stops the supply of raw fuel to the reformer, and then the detection voltage of the interelectrode voltage detection means is predetermined. The hydrogen treatment operation is stopped when the voltage stability requirement is satisfied and the detected temperature of the combustor temperature detecting means becomes equal to or lower than the predetermined temperature.
JP2009185980A 2009-08-10 2009-08-10 Hydrotreating system Pending JP2011040259A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009185980A JP2011040259A (en) 2009-08-10 2009-08-10 Hydrotreating system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009185980A JP2011040259A (en) 2009-08-10 2009-08-10 Hydrotreating system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2011040259A true JP2011040259A (en) 2011-02-24

Family

ID=43767822

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009185980A Pending JP2011040259A (en) 2009-08-10 2009-08-10 Hydrotreating system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2011040259A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015117139A (en) * 2013-12-16 2015-06-25 国立大学法人山梨大学 Hydrogen purifying/boosting system, and method for operating the same
WO2020059301A1 (en) * 2018-09-20 2020-03-26 パナソニックIpマネジメント株式会社 Hydrogen purifier and operation method thereof
WO2020230417A1 (en) * 2019-05-14 2020-11-19 パナソニックIpマネジメント株式会社 Hydrogen system

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015117139A (en) * 2013-12-16 2015-06-25 国立大学法人山梨大学 Hydrogen purifying/boosting system, and method for operating the same
WO2020059301A1 (en) * 2018-09-20 2020-03-26 パナソニックIpマネジメント株式会社 Hydrogen purifier and operation method thereof
WO2020230417A1 (en) * 2019-05-14 2020-11-19 パナソニックIpマネジメント株式会社 Hydrogen system
CN113039153A (en) * 2019-05-14 2021-06-25 松下知识产权经营株式会社 Hydrogen system
JPWO2020230417A1 (en) * 2019-05-14 2021-09-13 パナソニックIpマネジメント株式会社 Hydrogen system
CN113039153B (en) * 2019-05-14 2024-04-19 松下知识产权经营株式会社 Hydrogen system
CN113039153B9 (en) * 2019-05-14 2024-06-18 松下知识产权经营株式会社 Hydrogen system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11081709B2 (en) Fuel cell system
JP2003229156A (en) Fuel cell power generation system and fuel cell purging method
JP5081574B2 (en) Operation method when load of fuel cell system increases
JP4531800B2 (en) Hydrogen production power generation system and method for stopping the same
JP5173326B2 (en) Fuel cell system and operation method thereof
JP4463846B2 (en) Hydrogen production power generation system
JP2013211107A (en) High temperature fuel cell system and operation method thereof
JP2011040259A (en) Hydrotreating system
JP5081573B2 (en) Operation method when load of fuel cell system decreases
JP4727642B2 (en) Operation method of hydrogen production power generation system
WO2009090718A1 (en) Hydrogen generator, fuel cell power generation system including the same, and method for stopping the operation of hydrogen generator
JP2011100610A (en) Hydrogen processing system
JP5580641B2 (en) Fuel cell system and method for stopping the same
JP2009087568A (en) Fuel cell system
WO2012132409A1 (en) Hydrogen producing device and method for operating same
JP5525997B2 (en) Fuel cell power generation system and starting method thereof
JP2009117170A (en) Hydrogen production power generation system and load following power generation method thereof
JP2011037686A (en) Hydrogen treatment system
JP2017027668A (en) Fuel battery system and operation method for the same
JP5592760B2 (en) Fuel cell power generation system
JP2015140285A (en) Method for operating hydrogen-containing gas generation apparatus, and hydrogen-containing gas generation apparatus
JP2009081112A (en) Operation method of fuel cell power generator and fuel cell power generator
JP2014116069A (en) Fuel cell system
JP2010108770A (en) Fuel cell power generation system, and control method of fuel cell power generation system
JP2008230867A (en) Fuel reformer