JP2007331951A - Hydrogen generator and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】少なくとも改質、変成部を一体化した一体型水素生成装置において、起動時に炭素析出等の不具合の発生を防止するとともに、通常運転時に一体型に特有な熱バランスを確保することの両立が可能な構成が必要であった。
【解決手段】バーナ12、燃料供給路14、バーナ12に空気を供給する第1空気供給路21、第1空気供給路の外周を覆い、燃焼室に空気を供給する第2空気供給路22、及び燃焼室13を有する燃焼器と、燃焼器を覆う燃焼排ガス流路28と、燃焼排ガス流路28を覆い、改質器を有する第1のガス流路29と、第1のガス流路29を覆い、変成器を有する第2のガス流路と、第2空気供給路の空気量を調整する流量調整器と、制御器27とを備え、制御器27は、起動動作において、流量調整器により燃焼室13に空気が供給され、通常運転において流量調整器により第2空気供給路に空気を通流させないよう制御する。
【選択図】図1In an integrated hydrogen generator that integrates at least a reforming and metamorphic unit, it is possible to prevent the occurrence of defects such as carbon deposition during start-up and to ensure a heat balance peculiar to the integrated type during normal operation. It was necessary to have a configuration capable of.
A burner, a fuel supply passage, a first air supply passage that supplies air to the burner, a second air supply passage that covers the outer periphery of the first air supply passage and supplies air to a combustion chamber, A combustion chamber 13, a combustion exhaust gas passage 28 covering the combustor, a first gas passage 29 covering the combustion exhaust passage 28 and having a reformer, and a first gas passage 29. , A second gas flow path having a transformer, a flow rate regulator for adjusting the amount of air in the second air supply path, and a controller 27. The controller 27 is a flow rate regulator in the start-up operation. Thus, air is supplied to the combustion chamber 13, and control is performed so that air does not flow through the second air supply path by the flow rate regulator in normal operation.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、炭化水素系燃料と水蒸気とを反応させて水素を生成する水素生成装置に関するものであり、特に家庭用等比較的小型の燃料電池システムに好適な水素生成装置に関する。 The present invention relates to a hydrogen generator that generates hydrogen by reacting a hydrocarbon fuel with water vapor, and more particularly to a hydrogen generator suitable for a relatively small fuel cell system for home use.
家庭用の燃料電池コージェネシステムに適した方式として高分子形(PEM)燃料電池システムの開発が盛んであるが、燃料の水素はいまだインフラが不備であるため、都市ガス、LPガス、灯油等の燃料を改質して水素含有ガスを生成するための水素生成装置がシステムに必須となっている。改質の方法としては水蒸気改質反応の利用、部分酸化反応の利用、それらを両方利用したオートサーマル法が知られているが、家庭用の高分子形燃料電池システムに対しては、高濃度の水素が得られやすい水蒸気改質反応を利用した水素生成装置が多く検討されている。 Polymer type (PEM) fuel cell systems are being developed as a suitable method for household fuel cell cogeneration systems. However, the hydrogen of fuel is still inadequate, so city gas, LP gas, kerosene, etc. A hydrogen generator for reforming fuel to generate a hydrogen-containing gas is essential for the system. As reforming methods, the use of a steam reforming reaction, the use of a partial oxidation reaction, and the autothermal method using both of them are known, but for high-concentration polymer fuel cell systems, a high concentration is required. Many hydrogen generators using a steam reforming reaction in which hydrogen is easily obtained have been studied.
水蒸気改質反応を行う場合、通常水素生成装置は、改質触媒を用いた改質器、改質ガス中の一酸化炭素(以下、CO)を水性シフト反応で低減するための変成触媒を有するCO変成器、CO変成器より送出される水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応で低減するための酸化触媒を有するCO除去器で構成される。改質器には炭化水素系燃料と水を導入し、バーナで700℃程度に加熱して吸熱反応である改質反応に必要な熱を供給して改質反応を進行させる。このときCOが10%程度発生するので、下流のCO変成器では触媒温度を200℃〜300℃程度に制御し変成反応を進行させCO濃度を0.5%以下程度にまで低減する。さらにCO除去器では100℃〜200℃程度に触媒温度を制御し少量の空気を導入してCOを触媒上で酸化反応させてその濃度を10ppm以下程度にまで低減する。その結果、CO除去器出口では、水素濃度70%〜75%程度の水素含有ガスが得られ、これが燃料電池等の水素利用機器に供給されることになる。 When performing a steam reforming reaction, the hydrogen generator usually has a reformer using a reforming catalyst and a shift catalyst for reducing carbon monoxide (hereinafter, CO) in the reformed gas by an aqueous shift reaction. The CO converter includes a CO remover having an oxidation catalyst for reducing carbon monoxide in the hydrogen-containing gas sent from the CO converter by an oxidation reaction. A hydrocarbon-based fuel and water are introduced into the reformer, heated to about 700 ° C. with a burner, and heat required for the reforming reaction, which is an endothermic reaction, is supplied to advance the reforming reaction. At this time, about 10% of CO is generated, so in the downstream CO converter, the catalyst temperature is controlled to about 200 ° C. to 300 ° C., and the shift reaction proceeds to reduce the CO concentration to about 0.5% or less. Further, in the CO remover, the catalyst temperature is controlled to about 100 ° C. to 200 ° C., a small amount of air is introduced, and CO is oxidized on the catalyst to reduce its concentration to about 10 ppm or less. As a result, a hydrogen-containing gas with a hydrogen concentration of about 70% to 75% is obtained at the outlet of the CO remover, and this is supplied to hydrogen-using equipment such as a fuel cell.
このような水素生成装置においては、改質器で改質反応に必要な熱はバーナから供給されるが、改質器では同時に反応原料である水を気化させる必要があり、この気化熱は、改質器を加熱した後の燃焼排ガスの残有熱が用いられる。したがって、燃焼排ガスの流れ方向に沿ってその上流側に改質器が、下流側に水蒸発部が配される構成になるのが普通である。 In such a hydrogen generator, the heat required for the reforming reaction in the reformer is supplied from the burner. However, in the reformer, it is necessary to vaporize water as a reaction raw material at the same time. The residual heat of the combustion exhaust gas after heating the reformer is used. Therefore, it is common that the reformer is arranged upstream of the combustion exhaust gas in the flow direction and the water evaporation section is arranged downstream.
このような水素生成装置を起動するときには、まずバーナに着火されると、燃焼排ガスは改質器を加熱し、その後水蒸発部を加熱するように流れる。このとき改質器の内部には炭化水素系燃料ガスが滞留しているか、流れるかの状態にあることが多い。その場合、水蒸気が供給されないままに改質器の温度が上昇しすぎると、燃料の熱分解による炭素析出が起こり、改質器の流路圧損が上昇することになり、最悪の場合は改質器内部が析出した炭素で閉塞してしまうこともある。これを避けるために、燃焼を断続させる方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 When starting up such a hydrogen generator, when the burner is first ignited, the flue gas flows so as to heat the reformer and then the water evaporation section. At this time, the hydrocarbon fuel gas often stays or flows inside the reformer. In that case, if the temperature of the reformer rises too much without supplying water vapor, carbon deposition occurs due to thermal decomposition of the fuel, leading to an increase in the pressure loss of the reformer flow path. The inside of the vessel may be clogged with precipitated carbon. In order to avoid this, a method of intermittent combustion has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
また、上記問題を避けるために燃焼に関与しない空気を導入する方法(例えば、特許文献2参照)も提案されている。 In order to avoid the above problem, a method of introducing air that is not involved in combustion (see, for example, Patent Document 2) has also been proposed.
また、燃料電池システム等に用いられる水素生成装置は、大きさがコンパクトであること、低コストであること、改質効率が高いこと、扱いやすいこと、高耐久性であること、等々の要求を最大限満たすことが重要である。これらの観点から、改質器およびバーナ、変成器、選択酸化器をコンパクトに一体化した改質システムの開発が行われている(例え
ば、特許文献3、特許文献4参照)。
改質に関わる各反応部を集積した一体型水素生成装置においては、それぞれの反応部における吸熱・発熱分に相当する熱を反応部あるいは流路の壁面等を利用して効果的に熱交換させることによって、それぞれの部位を適切な温度に保ち水素生成装置としての機能を発揮させるとともに、外部へ放散する熱を極力小さくして改質効率を高くすることを目指した構成設計を行う。その結果、目的とする条件下において水素生成装置全体が熱的にバランスして、各反応部を目的の温度に保つことが可能となる。しかしその際、装置の入力条件の何れかが変化した場合全体の熱バランスが崩れて水素生成装置としての機能を保てなくなることがある。 In an integrated hydrogen generator that integrates each reaction unit involved in reforming, heat corresponding to the endothermic and exothermic components in each reaction unit is effectively exchanged using the reaction unit or the wall surface of the flow path. In this way, the respective parts are maintained at appropriate temperatures to perform the function as a hydrogen generator, and the structural design is aimed at increasing the reforming efficiency by minimizing the heat dissipated to the outside. As a result, the entire hydrogen generator is thermally balanced under the target conditions, and each reaction section can be maintained at the target temperature. However, in this case, if any of the input conditions of the apparatus changes, the overall heat balance may be lost and the function as a hydrogen generator may not be maintained.
例えば、外気温度が変化したときは燃焼用空気の温度が変化するため、燃焼用空気が水素生成装置中の他の流体(例えば、原料)と熱交換可能な構成になっていると、このことが起点となって水素生成装置全体の熱バランスが徐々に崩れる現象が起こることがある。各部の各流体間で有効な熱交換、熱回収を行って熱効率、改質効率を高める意図で設計される一体型水素生成装置においては、このような現象はある意味不可避であるため、それらを考慮した構造、構成設計が望まれている。 For example, when the temperature of the outside air changes, the temperature of the combustion air changes. Therefore, if the combustion air is configured to exchange heat with other fluids (for example, raw materials) in the hydrogen generator, this is the case. As a starting point, a phenomenon may occur in which the thermal balance of the entire hydrogen generator is gradually lost. In an integrated hydrogen generator designed to increase heat efficiency and reforming efficiency by performing effective heat exchange and heat recovery between each fluid in each part, such a phenomenon is unavoidable in a sense. A structure and configuration design that takes into consideration are desired.
このような一体型水素生成装置を起動するときにも、上述した炭素析出等の不具合は避けられるような構成、あるいはその運転操作が可能な構成にしておく必要がある。特に一体型水素生成装置は各機能部がそれぞれ相互に熱的に影響しあう環境にあるため、通常運転状態のときはもちろんであるが、起動、停止等の過渡状態下においても、各部温度等において不具合を起こさないような構成にしておく必要がある。そのために各種水素生成装置において、起動時に改質器を加熱するための燃焼を断続させて、蒸発部温度が上昇するまでそれを繰り返す方法(例えば特許文献1参照)、燃焼に関与しない空気を導入する方法(例えば特許文献2参照)等が提案されていたが、燃焼断続の方法に関しては、起動時間が長くなるとか、着火、消火の際にCO等の未燃焼ガスが排出される等の課題があり、燃焼に関与しない空気を導入する方法を一体型水素生成装置に適用するためには、上述のような一体型に特有な熱バランスを確保することとの両立が必要であるとの課題が残されていた。 Even when such an integrated hydrogen generator is started, it is necessary to have a configuration that can avoid the above-described problems such as carbon deposition, or a configuration that can be operated. In particular, the integrated hydrogen generator is in an environment where each functional unit thermally affects each other, so that it is not only during normal operation, but also under transient conditions such as starting and stopping, It is necessary to make the configuration so as not to cause a malfunction. Therefore, in various hydrogen generators, a method for intermittently heating the heater to heat the reformer at startup and repeating it until the temperature of the evaporation section rises (see, for example, Patent Document 1), introducing air that is not involved in combustion. (For example, refer to Patent Document 2) and the like have been proposed, but regarding the method of intermittent combustion, problems such as long start-up time and unburned gas such as CO are discharged during ignition and extinguishing In order to apply the method of introducing air that is not involved in combustion to the integrated hydrogen generator, it is necessary to achieve both the above-described heat balance unique to the integrated hydrogen generator. Was left.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、起動動作において炭素析出の心配なく円滑に起動動作ができ、通常運転においても効率的な改質反応が行えるとともに、環境温度の変化等の外乱に対しても安定な運転が可能な各反応部を一体化した水素生成装置の提供を目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and can be started smoothly without worrying about carbon deposition in the starting operation, can perform an efficient reforming reaction even in normal operation, and can be used for disturbances such as changes in environmental temperature. An object of the present invention is to provide a hydrogen generator that integrates each reaction section capable of stable operation.
上記課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、内部にバーナ本体、該バーナに燃料を供給する燃料供給路、前記バーナに空気を供給する第1空気供給路と、前記空気供給路の外周を覆い、前記燃焼室に空気を供給する第2空気供給路、及び燃焼室を有する筒状の燃焼器と、該燃焼器の外周を覆い、前記燃焼室から送出される燃焼排ガスが流れる環状の燃焼ガス流路と、前記燃焼ガス流路の外周を覆い、原料及び水蒸気から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器、ならびに該改質器に供給される前記原料及び水蒸気の混合ガスが流れる混合ガス流路を有する環状の第1のガス流路と、該第1のガス流路と伝
熱可能な構成で前記第1のガス流路の外周に設けられ、前記改質器より送出される水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するシフト反応部を少なくとも有する環状の第2のガス流路と、第2空気供給路を流れる空気の流量を調整する流量調整器と、制御器とを備え、前記制御器は、起動動作において前記流量調整器により前記燃焼室へ空気を供給し、起動動作後の通常運転においては前記流量調整器により前記燃焼室へ空気の供給を停止するよう制御することを特徴とする。
In order to solve the above problems, a hydrogen generator of the present invention includes a burner body, a fuel supply path for supplying fuel to the burner, a first air supply path for supplying air to the burner, and the air supply path. A cylindrical combustor having a second air supply passage for supplying air to the combustion chamber and a combustion chamber, and a combustion exhaust gas that covers the outer periphery of the combustor and is sent from the combustion chamber flows An annular combustion gas channel, a reformer that covers the outer periphery of the combustion gas channel, generates a hydrogen-containing gas from the raw material and steam by a reforming reaction, and the raw material and steam supplied to the reformer An annular first gas passage having a mixed gas passage through which a mixed gas flows, and an outer periphery of the first gas passage having a configuration capable of transferring heat with the first gas passage, and the reforming Carbon monoxide in the hydrogen-containing gas delivered from the vessel An annular second gas flow path having at least a shift reaction unit, a flow rate regulator for adjusting a flow rate of air flowing through the second air supply path, and a controller, wherein the controller is configured to perform the flow rate in a starting operation. Air is supplied to the combustion chamber by a regulator, and control is performed so that the supply of air to the combustion chamber is stopped by the flow rate regulator in a normal operation after the start-up operation.
このような構成にすることで、起動動作においては流量調整器により第2空気供給路より燃焼室に空気を供給し、燃焼排ガスを適宜冷却することで改質器において原料が炭素析出しないよう温度範囲で一体型の水素生成装置の各反応部を速やかに適切な温度に昇温するよう制御可能になるとともに、通常運転時には第2空気供給路の空気流通を止めるため、同部分が空気断熱層となり、外気温が変化した場合においても第1の空気供給路を流れる空気の温度が第1のガス流路及び第2のガス流路内の反応部及び流通ガスに熱的影響をほとんど与えなくなり、外的要因の変化に対して安定な運転が可能となる。 With such a configuration, in the start-up operation, air is supplied from the second air supply path to the combustion chamber by the flow rate regulator, and the combustion exhaust gas is appropriately cooled so that the raw material does not precipitate carbon in the reformer. In addition to being able to control each reaction part of the integrated hydrogen generator within a range to quickly raise the temperature to an appropriate temperature and to stop air flow in the second air supply path during normal operation, this part is an air insulation layer Thus, even when the outside air temperature changes, the temperature of the air flowing through the first air supply path has little thermal effect on the reaction part and the flow gas in the first gas flow path and the second gas flow path. Therefore, stable operation is possible against changes in external factors.
また、本発明の水素生成装置は、前記第2空気供給路は、隔壁を介して前記第1のガス流路の内側に設けられることを特徴とする。 Moreover, the hydrogen generator of the present invention is characterized in that the second air supply path is provided inside the first gas flow path via a partition wall.
また、本発明の水素生成装置は、前記燃料供給路は、前記第2空気供給路の内側に設けられることを特徴とする。 Moreover, the hydrogen generator of the present invention is characterized in that the fuel supply path is provided inside the second air supply path.
このような構成にすることで、通常運転時の外気温に連動した燃料の温度変動が、第2の空気流路の空気層により燃焼排ガス流路の燃焼排ガスに対して影響が低減され、さらに、よりコンパクトな構成の水素生成装置とすることが可能となる。 With such a configuration, the influence of the temperature fluctuation of the fuel linked to the outside air temperature during normal operation on the flue gas in the flue gas passage is reduced by the air layer in the second air passage, Thus, a more compact configuration of the hydrogen generator can be achieved.
本発明の水素生成装置は、送風機と、前記送風機の下流側に分流器とを備え、前記送風機により供給される空気が前記分流器により第1空気供給路と第2空気供給路に分流あるいは切り替え可能であることを特徴とする。 The hydrogen generator of the present invention comprises a blower and a flow divider downstream of the blower, and the air supplied by the blower is diverted or switched between the first air supply path and the second air supply path by the flow divider. It is possible.
また、本発明の水素生成装置は、前記第1空気供給路に空気を供給するための第1送風機と、前記第2空気供給路に空気を供給するための第2送風機とを備え、前記第1の空気供給路及び前記第2の空気供給路の少なくとも一方に閉止弁あるいは逆流防止弁が設けられていることを特徴とする。 The hydrogen generator of the present invention includes a first blower for supplying air to the first air supply path and a second blower for supplying air to the second air supply path, A closing valve or a backflow prevention valve is provided in at least one of the first air supply path and the second air supply path.
また、本発明の水素生成装置は、改質器の温度を検知する温度検知器を備え、起動動作において、前記制御器は、前記温度検知器で検知される温度に基づいて前記流量調整器により前記燃焼室へ供給する空気量が調整されるよう制御することを特徴とする。 In addition, the hydrogen generator of the present invention includes a temperature detector that detects the temperature of the reformer, and in the start-up operation, the controller uses the flow rate regulator based on the temperature detected by the temperature detector. Control is performed so that the amount of air supplied to the combustion chamber is adjusted.
このように一体型の水素生成装置においては、起動動作において、改質器において原料が炭素析出しないよう温度範囲で一体型の水素生成装置の各反応部を速やかに適切な温度に昇温するよう制御可能にするために、改質器の温度に基づいて空気流量調整器により第2空気供給路より供給される空気量を調整することが有効である。 As described above, in the integrated hydrogen generator, in the start-up operation, each reaction part of the integrated hydrogen generator is quickly heated to an appropriate temperature in the temperature range so that the raw material does not precipitate carbon in the reformer. In order to enable control, it is effective to adjust the amount of air supplied from the second air supply path by the air flow rate regulator based on the temperature of the reformer.
また、本発明の燃料電池システムは、上記本発明の水素生成装置と、前記水素生成装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備えることを特徴とする。 A fuel cell system according to the present invention includes the hydrogen generator according to the present invention and a fuel cell that generates electric power using a hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator.
本発明の水素生成装置によれば、起動動作においては改質器において原料が炭素析出しないよう温度範囲で水素生成装置の各反応部を速やかに適切な温度に昇温するよう制御可能になるとともに、通常運転運転時には外気温度等の外的要因に対しても熱ロスが少なく
、その特性が左右されにくく安定した運転が可能な一体型の水素生成装置を提供することができる。
According to the hydrogen generator of the present invention, in the start-up operation, it becomes possible to control each reaction part of the hydrogen generator to be quickly heated to an appropriate temperature in a temperature range so that the raw material does not precipitate carbon in the reformer. In addition, it is possible to provide an integrated hydrogen generator that is less susceptible to external factors such as the outside air temperature during normal operation and that is less affected by its characteristics and can be operated stably.
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における水素生成装置の要部縦断面図である。図1において、内側から順に1が第1円筒体、2が第2円筒体、3が第3円筒体、4が第4円筒体であり、それぞれは略同心状に配置されている。そして第1円筒体1と第2円筒体2との間の空間で燃焼排ガス流路28を構成し、第2円筒体2と第3円筒体3との間の空間で環状の第1のガス流路29を構成し、第3円筒体3と第4円筒体4との空間で環状の第2のガス流路30を構成し、第1円筒体1の内空間にバーナ12と、バーナ12に燃料を供給する燃料供給路14と、燃焼用空気を供給する第1空気供給路21、第2空気供給路22と、燃焼室13とを設けている。なお、本発明の燃焼器は、これらの上記バーナ12、燃料供給路14、第1空気流路21、第2空気流路及び燃焼室13より全体としての筒状に構成されている。燃焼室13と燃焼排ガス流路28は端部近傍で排気折り返し部23を介して連通している。また、第1のガス流路29と第2のガス流路30は端部近傍で原料折り返し部24を介して同様に連通している。そして、第1のガス流路29には改質触媒を充填した改質器5を設けている。改質触媒はここではアルミナ担体に金属ルテニウムを担持した球状の触媒を使用しているが、このほかにニッケル触媒、白金系触媒、ロジウム等の白金族系触媒等用いることができる。形状も球状のほかに、円柱状等の一般に言われるペレット状触媒はもちろん、コージエライト等のセラミックあるいは耐熱金属薄板をハニカム状に成形したいわゆるモノリスタイプの形状の触媒を用いることも可能である。第2のガス流路29には変成触媒を充填した変成器6と選択酸化触媒を充填したCO除去器7を設けている。ここでは変成触媒には球状の白金系触媒を用いているが、当然銅を主体とした銅/亜鉛系触媒等を用いることも当然できる。また、選択酸化触媒はルテニウム系の球状触媒を用いているが、白金系触媒等も目的に応じて選択することが可能である。さらに、変成触媒、選択酸化触媒どちらもここでは球状のものを用いているが、改質触媒と同様にこれと形状の異なるペレット状触媒や、モノリス状触媒を当然用いることができる。25はCO除去器7の選択酸化触媒で酸化反応を行わせるための空気供給管であり、8は原料導入管であり、ここから水蒸気改質反応の原料である炭化水素系燃料と水とが供給される。ここでは燃料として都市ガスを用いているが、当然のことながらLPガス等他の炭化水素系燃料も用いることができる。これら炭化水素系燃料は付臭剤として添加される硫黄化合物を含むが、それらは原料導入管8の上流側に設置された脱硫部(図略)を通過するときに除去され、脱硫後の炭化水素系燃料が改質器に供給される。また、ここではもう一方の原料の水はイオン交換水を用いた。10は改質され生成した水素含有ガスが排出される改質ガス出口であり、この先にこのガスを利用して発電する燃料電池が接続される。9は第1のガス流路29の一部に設けられた流路規定部材であり、らせん状に設置されたこの部材間にらせん状の第1のガス流路が形成され、原料がその空間を通過しながら、燃焼排ガス流路28を流れる燃焼排ガスの熱により水が蒸発しつつ都市ガスと混合され、改質器5に導入される。26は断熱材であり水素生成装置全体を覆い、水素生成装置からの放熱を防ぎ改質効率の低下を防止する。断熱材としてここではセラミックファイバーを成形した部材を用いているが、これに限られるものではない。15は空気を供給するための送風機、送風機15から送られる空気は分流器16で分流され第1空気供給管17、第2空気供給管18に分岐される。19、20は第1空気供給管17、第2空気供給管18にそれぞれ設けた第1空気閉止弁、第2空気閉止弁であるが、分流器16に閉止機能がある場合には両方ともあるいは一方を省略することも可能である。なお、本発明の流量調整器は、送風機15及び分流器16の少なくとも一方、ならびに第1空気閉止弁に相当する。11は温度検知器であり、ここでは熱電対を用いたが、高温耐熱性サーミスタ、測温抵抗体
等を用いることも可能である。27は上記本発明の流量制御器を制御する制御器であり、特に、起動動作においては温度検知器11の出力信号に応じて、送風機15と分流器16の少なくとも一方を制御する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an essential part of the hydrogen generator in
次に、かかる水素生成装置の構成での動作について説明する。この水素生成装置の起動前においては、改質触媒を充填した改質器5、変成触媒を充填した変成器6、選択酸化触媒を充填したCO除去器7を含めた第1のガス流路29、第2のガス流路30(いわゆる水素生成装置内部)には、反応用の各触媒の劣化を極力防止するために燃料ガス(ここでは都市ガス)が充填されている。各触媒は空気の混入による酸化、残留水蒸気の凝縮による水濡れ等の履歴を受けることにより活性の劣化が起こることがあるためである。
Next, the operation of the configuration of the hydrogen generator will be described. Before the hydrogen generator is started, the first
この状態から水素生成装置の起動が開始される。燃料供給路14から燃焼用燃料がバーナ12に供給される。燃料は都市ガスであるが、燃料供給部(図略)より流量調節器等を介して直接供給することもできるが、原料導入管8から水素生成装置の内部を経由させて燃料電池システムのオフガス経路(図略)を介して供給することも可能である。これらからどの方法を用いるかは、燃料電池システム全体の構成に応じて適宜選択することができる。ここでは原料導入管8から水素生成装置の内部を経由させて、起動時は燃料電池をバイパスさせる経路および燃料電池システムのオフガス経路(図略)を介して都市ガスが供給されるようにしている。したがって、燃料電池が発電中は、燃料電池を経由するとともに、スタックで消費された水素の残りのアノードオフガスが燃焼用燃料として原料導入管8より供給されることになる。
In this state, the hydrogen generator is started. Combustion fuel is supplied to the
このとき、当然ながら燃料供給部からの都市ガスを適宜混入させて燃焼させることもできる。燃焼用燃料の供給と同時に、送風機15を動作させ、必要に応じて分流器16を操作し、第1空気供給管17上の第1空気閉止弁19を開放することで、燃焼用空気もバーナ12に供給され、着火器(図略)を動作させることによりバーナ12に着火し燃焼室13で燃焼が開始される。なお、第1空気供給管17上の第1空気閉止弁19、第2空気供給管18上の第2空気閉止弁は、それぞれ送風機15から第1空気供給路21、第2空気供給路22に向かう方向で開放し、逆方向で閉塞する逆流防止弁で代用することも可能である。
At this time, of course, the city gas from the fuel supply unit can be appropriately mixed and burned. Simultaneously with the supply of the combustion fuel, the
バーナ12での燃焼開始とともに燃焼熱及び燃焼排ガスの保有熱により燃焼室13、燃焼排ガス流路28の温度が上昇し、隣接する第1のガス流路29およびその中に設けられた改質器5が加熱される。このとき、原料導入管8からは都市ガスだけが供給されているが、改質反応をさせるためには水を水蒸気の状態で改質器5に供給しなければならない。そのため、第1のガス流路29の原料導入管8と改質器5の間の空間には流量規定部材9を設けて原料の通過距離を長くし、燃焼排ガス流路と熱交換が十分にできるようにしてある。したがって、原料水供給時にその部分は原料水の蒸発部および原料都市ガスとの混合部として機能することになる(この部分を蒸発部31とする)。しかしこの蒸発部は燃焼室から離れているため温度が上がりにくく、一方改質器5は燃焼室に近いために容易に温度が上がる。
The
このとき、第1のガス流路29に原料の都市ガスだけ流しながら過度な温度上昇をさせると、改質器5あるいはその近傍の第1のガス流路29中で都市ガスが熱分解して炭素析出をしてしまうことがある。これは流路圧損の上昇、流路の閉塞等水素生成装置に与えるダメージが大きいので避ける必要がある。よって、改質器5の温度を熱分解しない温度以下(約500℃望ましくは400℃以下)に保ったまま、その下流の蒸発部31の温度を水が十分蒸発できる温度以上(約100℃以上)にすばやく上昇させる必要がある。そのためにはバーナ12の燃焼量を絞りつつ燃焼用空気を多くして、燃焼排ガスの保有熱を改質器5よりももっと下流側に伝える方法が有効であるが、単に燃焼用空気を多くするとバ
ーナ12での燃焼が高空気比で希薄燃焼となるため、燃焼が不安定となり消火してしまう可能性も高くなる。それを回避するためには燃焼に直接関与しない空気を送る方法が有効である。
At this time, if an excessive temperature rise is caused while only the raw city gas flows through the first
ここでは、送風機15の回転数を上昇させ、分流器16を操作し、第2空気閉止弁を開放して第2空気供給路22に空気を流す。第2空気供給路22に送る空気は結果的に燃焼室13に供給されるが、燃焼には関与しないので燃焼の質を下げることなく空気比を高くした場合の排気ガス状態を作り出すことができる。こうすることで改質器5の温度を400℃以下に保ったまま円滑に蒸発部31の温度を100℃以上にすることが可能となった。
Here, the rotational speed of the
このとき、改質器5の温度は温度検知器11で検知し、送風機15、及び分流器16少なくとも一方を制御器27で制御し、適切な空気量を第1空気供給路21、第2空気供給路22に供給する。一方蒸発部31の温度は、蒸発部31あるいはその近傍に取付けた温度検知器で検知することが望ましいが、隣接した第2のガス流路30の変成器6あるいはCO除去器7に取付けた温度検知器の検知温度で代用することもできる。
At this time, the temperature of the
蒸発部31が100℃を越えた時点で、第2空気供給路への空気供給を停止するとともに、原料導入管8から原料水の供給を始めると、改質器5には都市ガスと水蒸気の混合ガスが供給され改質反応が開始される。ほぼ同時期に空気供給管25から選択酸化反応用空気が供給されると、改質器5、変成器6、CO除去器7の反応が開始され、全体が水素生成装置として機能し始める。
When the
この後は各反応部の温度が通常運転状態に至ったと判断できた時点で、燃料電池に接続して水素含有ガスの供給を開始し、燃料電池では発電を開始する。通常運転(発電)時においては、第2空気供給路22は空気が滞留しているだけであり空気の流れがない。燃焼用の空気は第1空気供給路21から供給されるが、例えば夏季と冬季では供給空気の温度は20〜40度程度変化する。このとき第2空気供給路22中に滞留している空気は断熱層として働くため、第1空気供給路21の温度変化は燃焼排ガス流路21の温度に影響を与えない。第2空気供給路22がないと、その部分の温度変化は燃焼排ガス流路21の燃焼排ガスと熱交換して燃焼排ガス流路21の温度に影響を与え、その温度変化は内側の第1のガス流路29の温度に影響を与え、全体の温度バランスを狂わせてしまい、正常な改質運転が損なわれることがある。このように各部が熱交換しながら全体の温度バランスを保つよう設計されている一体型の水素生成装置においては、1箇所の温度等入力条件の変化が全体の性能に大きな影響を及ぼしやすいので、そのことを考慮した設計が必要である。
After that, when it can be determined that the temperature of each reaction part has reached the normal operation state, the fuel cell is connected to start supplying hydrogen-containing gas, and the fuel cell starts power generation. During normal operation (power generation), the second
(実施例1)
本実施の形態1で開示した水素生成装置の構成で、燃料電池の発電で約1kW相当の水素量(約1m3/h)を供給できる水素生成装置を製作して起動試験を実施した。上記説明のように第2空気供給路22を利用した起動ではバーナ12の着火からスタックの発電開始までに約40分となった。
Example 1
With the configuration of the hydrogen generator disclosed in the first embodiment, a hydrogen generator that can supply a hydrogen amount equivalent to about 1 kW (about 1 m 3 / h) by power generation of the fuel cell was manufactured and a start-up test was performed. As described above, in the activation using the second
(比較例1)
一方、同じ水素生成装置を用い、第2空気供給路22を利用しないで改質温度を400℃以下に保ちつつ蒸発部31を昇温するためバーナ12の燃焼をON/OFFさせた起動試験では、バーナ12の最初の着火からスタックの発電開始までに約60分かかった。このときバーナ12のON/OFF回数は3回であったが、その着火、消化の際には若干の未燃ガス(CO、HC)発生が観察された。
(Comparative Example 1)
On the other hand, in the start-up test in which the same hydrogen generator is used and the combustion of the
このように上記実施例によれば、燃焼に直接影響を与えない空気を燃焼室に導入する第2空気供給路22を設けることで、起動時間が短縮されるとともに、非常に円滑なかつクリーンな起動が可能となるものである。さらに、この第2空気供給路22は、起動動作を終えた通常運転時においては第2空気供給路に空気を通流させないため空気断熱層として機能し、空気温度の変化等の外乱の影響を極力排して、一体型水素生成装置の通常運転時の安定運転を可能とする。
As described above, according to the above embodiment, by providing the second
(実施の形態2)
図2は、本発明の実施の形態2における水素生成装置の要部縦断面図である。図2において、図1と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a main part of the hydrogen generator according to
図2において、第1空気供給路21に供給する空気用に第1送風機41を設け、第2空気供給路22用に第2送風機42を設けた構成を開示している。他の部分は図1と同じであるが、第1空気供給管17上の第1空気閉止弁19、第2空気供給管18上の第2空気閉止弁20は、それぞれ第1、第2送風機41、42から第1空気供給路21、第2空気供給路22に向かう方向で開放し、逆方向で閉塞する逆流防止弁で代用することが可能であるのも図1の場合と同様である。
In FIG. 2, the structure which provided the
本実施の形態での起動動作においては、第2空気供給路22への空気供給は、第2送風機42の動作開始と第2空気閉止弁20の開放動作とで行う。この動作で図1のときと同様に円滑な起動が実施できることになる。また、蒸発部31が適温になった状態でそれらの動作を停止するのも、そのタイミング等図1における実施の形態1と同様である。
In the start-up operation in the present embodiment, air supply to the second
本発明にかかる水素生成装置は、水蒸気改質反応を利用して都市ガス、LPガス等の炭化水素系燃料から効果的に水素を生成する機能を有し、コージェネレーションシステム等に活用が期待されている燃料電池システム用燃料水素生成装置として有用である。特に家庭用、小型業務用程度の比較的小型のシステムに適用性が高い。また、この装置単独で水素生成装置として工業用等の用途にも応用できる。 The hydrogen generator according to the present invention has a function of effectively generating hydrogen from hydrocarbon fuels such as city gas and LP gas using a steam reforming reaction, and is expected to be used in cogeneration systems and the like. It is useful as a fuel hydrogen generator for a fuel cell system. In particular, it is highly applicable to relatively small systems for home use and small business use. In addition, this apparatus alone can be applied to industrial uses as a hydrogen generator.
1 第1円筒体
2 第2円筒体
3 第3円筒体
4 第4円筒体
5 改質器
6 変成器
7 CO除去器
11 温度検知器
12 バーナ
13 燃焼室
19 第1空気閉止弁
20 第2空気閉止弁
21 第1空気供給路
22 第2空気供給路
28 燃焼排ガス流路
29 第1のガス流路
30 第2のガス流路
DESCRIPTION OF
Claims (7)
該燃焼器の外周を覆い、前記燃焼室から送出される燃焼排ガスが流れる環状の燃焼排ガス流路と、
前記燃焼ガス流路の外周を覆い、原料及び水蒸気から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器、ならびに該改質器に供給される前記原料及び水蒸気の混合ガスが流れる混合ガス流路を有する環状の第1のガス流路と、該第1のガス流路と伝熱可能な構成で前記第1のガス流路の外周に設けられ、前記改質器より送出される水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するシフト反応部を少なくとも有する環状の第2のガス流路と、第2空気供給路を流れる空気の流量を調整する流量調整器と、制御器とを備え、
前記制御器は、起動動作において前記流量調整器により前記燃焼室へ空気を供給し、起動動作後の通常運転においては前記流量調整器により前記燃焼室へ空気の供給を停止するよう制御することを特徴とする水素生成装置。 A burner main body, a fuel supply path for supplying fuel to the burner, a first air supply path for supplying air to the burner, and a second air for covering the outer periphery of the air supply path and supplying air to the combustion chamber A cylindrical combustor having a supply path and a combustion chamber;
An annular flue gas passage that covers the outer periphery of the combustor and through which flue gas sent from the combustion chamber flows;
A reformer that covers the outer periphery of the combustion gas flow path and generates a hydrogen-containing gas from the raw material and steam by a reforming reaction, and a mixed gas flow path through which a mixed gas of the raw material and steam supplied to the reformer flows A hydrogen-containing gas that is provided on the outer periphery of the first gas flow path in a configuration capable of transferring heat with the first gas flow path and that is delivered from the reformer An annular second gas flow path having at least a shift reaction part for reducing carbon monoxide therein, a flow rate regulator for adjusting the flow rate of air flowing through the second air supply path, and a controller,
The controller controls to supply air to the combustion chamber by the flow rate regulator in the startup operation, and to stop supplying air to the combustion chamber by the flow rate regulator in normal operation after the startup operation. Characteristic hydrogen generator.
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