JP4500092B2 - HYDROGEN GENERATOR, ITS OPERATION METHOD, AND FUEL CELL SYSTEM INCLUDING THE SAME - Google Patents
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Description
本発明は、メタン、都市ガス、プロパン、ガソリン、アルコール等の有機化合物を用いて水素を生成する水素生成装置及びその運転方法、並びに、水素を燃料として発電する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a hydrogen generation apparatus that generates hydrogen using an organic compound such as methane, city gas, propane, gasoline, and alcohol, an operating method thereof , and a fuel cell system that generates power using hydrogen as fuel.
従来から、エネルギーを有効に利用して発電する分散型発電装置として、発電効率及び総合効率の高い燃料電池コージェネレーションシステム(以下、燃料電池システムという)が注目されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell cogeneration system (hereinafter referred to as a fuel cell system) with high power generation efficiency and overall efficiency has attracted attention as a distributed power generation apparatus that generates power by effectively using energy.
この燃料電池システムでは、様々な種類の燃料電池が用いられている。例えば、現在既に実用化されている燃料電池としては、リン酸型燃料電池がある。又、実用化に向けて開発が進められている燃料電池としては、例えば、固体高分子型燃料電池がある。 In this fuel cell system, various types of fuel cells are used. For example, as a fuel cell that is already in practical use, there is a phosphoric acid fuel cell. Further, as a fuel cell being developed for practical use, for example, there is a solid polymer fuel cell.
ところで、これらの燃料電池システムで用いられる燃料電池の多くは、水素を燃料として発電する。しかしながら、この水素の供給手段は、現在、インフラストラクチャーとして整備されていない。そのため、燃料電池システムを稼働させて所定の電力を得るためには、例えばその燃料電池システムの設置場所に水素生成装置を併設して、この併設した水素生成装置によって燃料電池に供給するための水素を生成する必要がある。そのため、燃料電池システムの殆どは、その燃料電池システム内に水素生成装置を有している。 By the way, many of the fuel cells used in these fuel cell systems generate electricity using hydrogen as fuel. However, this hydrogen supply means is not currently established as an infrastructure. Therefore, in order to operate the fuel cell system and obtain a predetermined power, for example, a hydrogen generation device is installed at the installation location of the fuel cell system, and the hydrogen to be supplied to the fuel cell by the installed hydrogen generation device is used. Must be generated. Therefore, most fuel cell systems have a hydrogen generator in the fuel cell system.
水素生成装置では、通常、燃料電池に供給するための水素を、水素生成方法の1つである水蒸気改質法を用いて生成する。この水蒸気改質法は、炭化水素系原料又はアルコール系原料(以下、原料という)と水とを混合した後、その混合した原料と水とを所定の反応触媒を用いて高温下で化学反応させることによって水素を生成する方法である。この水素を生成するための水蒸気改質法で用いられる化学反応を、水蒸気改質反応という。又、この水蒸気改質反応で用いられる反応触媒を、改質触媒という。ここで、改質触媒は水素生成装置が有する改質部の内部に配設されており、その改質部において水蒸気改質反応が行われる。そして、水蒸気改質反応が行われた改質部からは、生成した水素を含む高温状態のガス(以下、改質ガスという)が排出される。尚、水蒸気改質法で用いられる炭化水素系原料としては、通常、天然ガス、液化プロパンガス(LPG)、ナフサ、ガソリン、灯油等が好適に用いられる。又、アルコール系原料としては、例えば、メタノール等が好適に用いられる。 In a hydrogen generator, hydrogen to be supplied to a fuel cell is usually generated using a steam reforming method, which is one of hydrogen generation methods. In this steam reforming method, a hydrocarbon-based raw material or an alcohol-based raw material (hereinafter referred to as raw material) is mixed with water, and then the mixed raw material and water are chemically reacted at a high temperature using a predetermined reaction catalyst. This is a method for generating hydrogen. The chemical reaction used in the steam reforming method for generating hydrogen is called a steam reforming reaction. The reaction catalyst used in this steam reforming reaction is called a reforming catalyst. Here, the reforming catalyst is disposed inside a reforming section of the hydrogen generator, and a steam reforming reaction is performed in the reforming section. A high-temperature gas containing the generated hydrogen (hereinafter referred to as reformed gas) is discharged from the reforming section where the steam reforming reaction has been performed. In addition, natural gas, liquefied propane gas (LPG), naphtha, gasoline, kerosene and the like are preferably used as the hydrocarbon-based raw material used in the steam reforming method. Moreover, as an alcohol-type raw material, methanol etc. are used suitably, for example.
水素生成装置の改質部から排出される改質ガスには、通常、一酸化炭素が副成分として含まれている。具体的には、改質ガスは、水素を主成分として含有する一方で、一酸化炭素を副成分として約10〜15%含有している。そのため、一般的には、水素生成装置に前述した改質部に加えて所定の反応触媒を有する変成部を設け、この変成部において副成分である一酸化炭素と水とを所定の温度条件下で化学反応させることによって水素を生成させ、これにより改質ガスの水素濃度を上昇させるようにしている。この変成部における一酸化炭素と水とから水素を生成する化学反応を、水性ガスシフト反応という。又、この水性ガスシフト反応で用いられる反応触媒を、変成触媒という。この変成部における一酸化炭素と水との水性ガスシフト反応により、改質ガス中の一酸化炭素濃度は約0.5%にまで低減される。 The reformed gas discharged from the reforming unit of the hydrogen generator usually contains carbon monoxide as a subcomponent. Specifically, the reformed gas contains hydrogen as a main component and contains about 10 to 15% of carbon monoxide as a subcomponent. Therefore, in general, the hydrogen generator is provided with a shift section having a predetermined reaction catalyst in addition to the reforming section described above, and in this shift section, carbon monoxide and water, which are subcomponents, are subjected to a predetermined temperature condition. In this way, hydrogen is generated by a chemical reaction in order to increase the hydrogen concentration of the reformed gas. The chemical reaction that generates hydrogen from carbon monoxide and water in this metamorphic part is called a water gas shift reaction. The reaction catalyst used in this water gas shift reaction is called a shift catalyst. The carbon monoxide concentration in the reformed gas is reduced to about 0.5% by the water gas shift reaction of carbon monoxide and water in this metamorphic part.
しかしながら、上述の如く改質ガスに含まれる一酸化炭素が変成部において約0.5%にまで低減されても、燃料電池の内部に配設されている電極触媒は、その少量残存する一酸化炭素によって被毒される。これは、燃料電池として例えば固体高分子型燃料電池を用いる場合には、特に顕著な問題となる。そのため、固体高分子型燃料電池等の被毒され易い燃料電池に改質ガスを供給する場合には、その固体高分子型燃料電池等に供給する改質ガスの一酸化炭素濃度を100ppm以下、好ましくは10ppm以下にまで低減させる必要がある。そこで、一般的には、水素生成装置に前述した改質部及び変成部に加えて所定の反応触媒を有する浄化部を更に設け、この浄化部において残存する一酸化炭素と空気中の酸素とを化学反応させることによって二酸化炭素を生成させ、これにより改質ガス中に残存する一酸化炭素を低減するようにしている。この浄化部における一酸化炭素と酸素とから二酸化炭素を生成する化学反応を、選択酸化反応という。又、この選択酸化反応で用いられる反応触媒を、浄化触媒という。この浄化部における一酸化炭素と酸素との選択酸化反応によって、改質ガス中の一酸化炭素濃度は100ppm以下にまで低減される。 However, even if the carbon monoxide contained in the reformed gas is reduced to about 0.5% in the reforming portion as described above, the electrode catalyst disposed inside the fuel cell remains in a small amount. Poisoned by carbon. This becomes a particularly significant problem when a polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell. Therefore, when supplying the reformed gas to a fuel cell that is easily poisoned such as a polymer electrolyte fuel cell, the carbon monoxide concentration of the reformed gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell or the like is 100 ppm or less, Preferably, it is necessary to reduce it to 10 ppm or less. Therefore, in general, the hydrogen generator is further provided with a purification unit having a predetermined reaction catalyst in addition to the above-described reforming unit and shift unit, and carbon monoxide remaining in the purification unit and oxygen in the air are removed. Carbon dioxide is generated by a chemical reaction, thereby reducing carbon monoxide remaining in the reformed gas. The chemical reaction that generates carbon dioxide from carbon monoxide and oxygen in this purification section is called a selective oxidation reaction. The reaction catalyst used in this selective oxidation reaction is called a purification catalyst. By the selective oxidation reaction of carbon monoxide and oxygen in the purification unit, the carbon monoxide concentration in the reformed gas is reduced to 100 ppm or less.
一酸化炭素が十分に低減され水素を豊富に含む固体高分子型燃料電池等に供給可能な良質の改質ガスは、水素生成装置の浄化部から排出された後、所定の改質ガス用配管によって燃料電池に供給される。燃料電池では、水素生成装置から供給された改質ガスに含まれる水素が燃料として用いられて、発電が行われる。 A high quality reformed gas that can be supplied to a polymer electrolyte fuel cell or the like that is sufficiently reduced in carbon monoxide and rich in hydrogen is discharged from the purification unit of the hydrogen generator, and then the predetermined reformed gas piping Is supplied to the fuel cell. In a fuel cell, power is generated by using hydrogen contained in the reformed gas supplied from the hydrogen generator as a fuel.
ところで、燃料電池システムでは、水素生成装置から燃料電池への改質ガスの供給量の調整は、水素生成装置の改質部への原料の供給量の調整によって行われるのが一般的である。具体的には、改質部への原料の供給量が多い場合には、水素生成装置から燃料電池への改質ガスの供給量は多い。反対に、改質部への原料の供給量が少ない場合には、水素生成装置から燃料電池への改質ガスの供給量は少ない。従って、例えば燃料電池の発電量が少ない場合、即ち、水素生成装置から燃料電池への改質ガスの供給量が少ない場合には、水素生成装置の改質部への原料の供給量は低量とされている。この時、改質部への原料の供給量が低量とされているので、改質部から変成部への改質ガスの供給量も低量とされている。そして、変成部への改質ガスの供給量が低量とされている場合には、改質ガスによる変成触媒の加熱量が少なく、又、変成触媒における水性ガスシフト反応による発熱量も少なく、更に水素生成装置からの放熱割合が多くなるので、変成触媒の温度は低下している。 By the way, in the fuel cell system, the supply amount of the reformed gas from the hydrogen generator to the fuel cell is generally adjusted by adjusting the supply amount of the raw material to the reforming section of the hydrogen generator. Specifically, when the amount of raw material supplied to the reforming unit is large, the amount of reformed gas supplied from the hydrogen generator to the fuel cell is large. On the contrary, when the supply amount of the raw material to the reforming unit is small, the supply amount of the reformed gas from the hydrogen generator to the fuel cell is small. Therefore, for example, when the amount of power generated by the fuel cell is small, that is, when the amount of reformed gas supplied from the hydrogen generator to the fuel cell is small, the amount of raw material supplied to the reforming section of the hydrogen generator is low. It is said that. At this time, since the supply amount of the raw material to the reforming section is low, the supply amount of the reformed gas from the reforming section to the shift section is also low. When the amount of reformed gas supplied to the shift section is low, the amount of heating of the shift catalyst by the reformed gas is small, and the amount of heat generated by the water gas shift reaction in the shift catalyst is small. Since the rate of heat release from the hydrogen generator increases, the temperature of the shift catalyst decreases.
変成部における変成触媒の温度が低下している場合、その変成部において改質ガスに含まれる一酸化炭素を十分に低減できない場合がある。これは、変成触媒の温度が低下しているため、変成部における水性ガスシフト反応が収率よく進行しない場合があるからである。この場合、その後の浄化部においては改質ガス中の一酸化炭素濃度を十分に低減することができないため、燃料電池に供給される改質ガスの品質は悪化する。従って、水素生成装置から燃料電池に対して一酸化炭素濃度が十分に低減された良質の改質ガスを安定して供給するためには、その水素生成装置における最初の一酸化炭素低減部である変成部において、改質ガスに含まれる一酸化炭素を十分に低減させる必要がある。そして、そのためには、変成部内に配設されている変成触媒の温度が、前述した水性ガスシフト反応を収率よく進行させるための所定の温度に維持されている必要がある。 When the temperature of the shift catalyst in the shift section is lowered, carbon monoxide contained in the reformed gas may not be sufficiently reduced in the shift section. This is because the temperature of the shift catalyst is lowered and the water gas shift reaction in the shift section may not proceed with good yield. In this case, since the carbon monoxide concentration in the reformed gas cannot be sufficiently reduced in the subsequent purification section, the quality of the reformed gas supplied to the fuel cell is deteriorated. Therefore, in order to stably supply a high-quality reformed gas having a sufficiently reduced carbon monoxide concentration from the hydrogen generator to the fuel cell, this is the first carbon monoxide reduction unit in the hydrogen generator. It is necessary to sufficiently reduce the carbon monoxide contained in the reformed gas at the metamorphic part. For this purpose, the temperature of the shift catalyst disposed in the shift section needs to be maintained at a predetermined temperature for allowing the above-described water gas shift reaction to proceed with high yield.
そこで、変成触媒として貴金属触媒を用い、かつ水素生成装置における変成部の上流に空気供給部を設け、その空気供給部から空気を供給して発生する改質ガス中の一酸化炭素又は水素と空気中の酸素との反応熱を利用して変成触媒の温度を所定の温度に維持する水素生成装置が提案されている(例えば、特許文献1参照。以下、第1の従来例という。)。又、水素生成装置における変成部に所定の温度調整手段を設け、この温度調整手段によって変成部の温度を調整し、これによって変成触媒の温度を所定の温度に維持する水素生成装置が提案されている(例えば、特許文献2参照。以下、第2の従来例という。)。
上述した第1、第2の従来例によれば、変成部内に配設されている変成触媒の温度は、水性ガスシフト反応を進行させるための所定の温度に常に維持される。従って、水素生成装置の変成部においては、改質部への原料の供給量が少ない場合であっても、改質ガス中の一酸化炭素濃度が十分に低減される。 According to the first and second conventional examples described above, the temperature of the shift catalyst disposed in the shift section is always maintained at a predetermined temperature for causing the water gas shift reaction to proceed. Therefore, the carbon monoxide concentration in the reformed gas is sufficiently reduced in the shift section of the hydrogen generator even when the amount of raw material supplied to the reforming section is small.
しかしながら、上述した空気供給部から変成部に空気を供給して変成触媒の温度を所定の温度に維持する第1の従来例では、変成触媒の温度を所定の温度に維持するために空気供給部から変成部へ空気が常時供給され、改質部から供給される改質ガスに含まれる水素と空気供給部から供給される空気に含まれる酸素とが反応して水素が無駄に消費されるので、水素生成装置の水素生成効率が低下する。 However, in the first conventional example in which air is supplied from the air supply unit to the shift unit to maintain the temperature of the shift catalyst at a predetermined temperature, the air supply unit is used to maintain the temperature of the shift catalyst at a predetermined temperature. Since air is constantly supplied from the gas to the transformation section, hydrogen contained in the reformed gas supplied from the reforming section reacts with oxygen contained in the air supplied from the air supply section, so that hydrogen is wasted. The hydrogen generation efficiency of the hydrogen generator decreases.
又、変成部に温度調整手段を設け、この温度調整手段によって変成触媒の温度を所定の温度に維持する第2の従来例では、その温度調整手段を構成するための部品等が更に必要となるため、水素生成装置の製造コストが上昇する。又、この従来例では、温度調整のための制御に煩雑性が伴う。 Further, in the second conventional example in which the temperature adjusting means is provided in the shift portion and the temperature of the shift catalyst is maintained at a predetermined temperature by the temperature adjusting means, parts for configuring the temperature adjusting means are further required. For this reason, the manufacturing cost of the hydrogen generator increases. In this conventional example, the control for temperature adjustment is complicated.
更に、水性ガスシフト反応を収率よく進行させるための変成触媒の最適な温度は、変成部に導入される改質ガスの導入量、即ち、改質部に供給される原料の供給量によって大きく変化する。具体的には、変成部への改質ガスの供給量の変化が小さい場合には、変成触媒の最適な温度は略一定である。しかし、変成部への改質ガスの供給量の変化が大きい場合には、変成触媒の最適な温度は大きく変化する。従って、燃料電池の発電量の増量に伴って改質部への原料の供給量が大幅に増量された場合、変成触媒の温度が所定の温度に維持される上記第1、第2の従来例では、変成部において改質ガスに含まれる一酸化炭素を十分に、又は殆ど低減できない場合がある。 Furthermore, the optimum temperature of the shift catalyst for allowing the water gas shift reaction to proceed with good yield varies greatly depending on the amount of reformed gas introduced into the shift section, that is, the amount of raw material supplied to the reformer. To do. Specifically, when the change in the amount of reformed gas supplied to the shift section is small, the optimal temperature of the shift catalyst is substantially constant. However, when the supply amount of the reformed gas to the shift section is greatly changed, the optimum temperature of the shift catalyst changes greatly. Therefore, when the supply amount of the raw material to the reforming section is greatly increased as the amount of power generated by the fuel cell is increased, the first and second conventional examples in which the temperature of the shift catalyst is maintained at a predetermined temperature. Then, in some cases, carbon monoxide contained in the reformed gas cannot be sufficiently or hardly reduced in the metamorphic part.
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の発電量の増減に対応して一酸化炭素が十分に低減されかつ水素を豊富に含む良質の改質ガスを効率よく生成することが可能な安価な水素生成装置及びその運転方法、並びにそれを備える燃料電池システムを提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a high-quality reformed gas that is sufficiently reduced in carbon monoxide and rich in hydrogen in response to the increase or decrease in the amount of power generated by the fuel cell. It aims efficiently and inexpensively hydrogen generating apparatus and method operating capable of generating, as well as to provide a fuel cell system including the same a.
上記課題を解決するために、本発明に係る水素生成装置は、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料と水とが供給されて水素を含む改質ガスを生成する改質部と、該改質部を前記改質ガスの生成に必要な温度に加熱する加熱部と、前記改質部で生成した前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減触媒を有する一酸化炭素低減部と、前記一酸化炭素低減触媒又は該一酸化炭素低減部内の前記改質ガスの温度の少なくとも一方を検出する温度検出部と、制御部とを備える水素生成装置であって、前記制御部は、前記改質部に供給される前記原料の供給量の増加を、前記温度検出部によって検出される検出温度と、前記原料の供給量に応じて設定された基準温度との比較に基づいて制御し、前記比較の結果、前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記改質部に供給される前記原料の供給量を増加させず、前記検出温度が前記基準温度以上の場合には増加させる(請求項1)。かかる構成とすると、一酸化炭素濃度が十分に低減された良質の改質ガスを得ることができる。 In order to solve the above-described problem, a hydrogen generator according to the present invention includes a reforming unit that generates a reformed gas containing hydrogen by supplying a raw material containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen and water. A heating unit that heats the reforming unit to a temperature necessary for generating the reformed gas, and a carbon monoxide reduction catalyst that reduces carbon monoxide contained in the reformed gas generated in the reforming unit. A hydrogen generator comprising: a carbon monoxide reduction unit; a temperature detection unit that detects at least one of the temperature of the reformed gas in the carbon monoxide reduction catalyst or the carbon monoxide reduction unit; and a control unit, The control unit compares an increase in the supply amount of the raw material supplied to the reforming unit with a detected temperature detected by the temperature detection unit and a reference temperature set according to the supply amount of the raw material. controlled, the results of the comparison on the basis of Wherein when the detected temperature is lower than the reference temperature, the without increasing the supply amount of the raw material supplied to the reforming unit, the detected temperature is Ru is increased if more than the reference temperature (claim 1 ). With such a configuration, it is possible to obtain a high quality reformed gas with a sufficiently reduced carbon monoxide concentration.
この場合、前記制御部は、前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記検出温度が前記基準温度以上になるよう制御し、前記基準温度以上に到達したときに、前記原料の供給量を増加させる(請求項2)。かかる構成とすると、必要に応じて検出温度が基準温度以上になるように制御されるので、燃料電池に対する改質ガスの供給がより安定化される。 In this case, when the detected temperature is lower than the reference temperature, the control unit controls the detected temperature to be equal to or higher than the reference temperature, and when the detected temperature reaches the reference temperature or higher, the supply amount of the raw material (Claim 2 ). With such a configuration, control is performed so that the detected temperature becomes equal to or higher than the reference temperature as necessary, so that the supply of the reformed gas to the fuel cell is further stabilized.
この場合、前記制御部は、前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記加熱部における加熱量を増大させ、前記検出温度が前記基準温度以上になるよう制御する(請求項3)。かかる構成とすると、燃料電池の発電量の増量時、加熱部に供給する例えばメタンガス等の燃料の供給量を制御することによって、検出温度を容易に制御することができる。 In this case, when the detected temperature is lower than the reference temperature, the control unit increases the amount of heating in the heating unit and controls the detected temperature to be equal to or higher than the reference temperature (Claim 3 ). With this configuration, the detected temperature can be easily controlled by controlling the amount of fuel such as methane gas supplied to the heating unit when the amount of power generated by the fuel cell is increased.
又、この場合、前記改質部に水を供給する水供給部を更に備え、前記制御部は、前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記水供給部より前記改質部に供給される前記水を減量させ、前記検出温度が前記基準温度以上になるよう制御する(請求項4)。かかる構成とすると、燃料電池の発電量の増量時、改質部に供給する水の供給量を制御することによって、検出温度を容易に制御することができる。 In this case, the water supply unit further supplies water to the reforming unit, and the control unit supplies the reforming unit from the water supply unit when the detected temperature is lower than the reference temperature. was reduced to the water to be, the detected temperature is controlled to be more than the reference temperature (claim 4). With this configuration, the detected temperature can be easily controlled by controlling the amount of water supplied to the reforming unit when the amount of power generated by the fuel cell is increased.
又、この場合、前記一酸化炭素低減部の内部に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部を更に備え、前記制御部は、前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記一酸化炭素低減部に前記酸化剤ガス供給部から酸化剤ガスを供給させ、前記検出温度が前記基準温度以上になるよう制御する(請求項5)。かかる構成とすると、燃料電池の発電量の増量時、一酸化炭素低減部に供給する空気等の酸化剤ガスの供給量を制御することによって、検出温度を容易に制御することができる。 In this case, the carbon monoxide reduction unit further includes an oxidant gas supply unit that supplies an oxidant gas to the inside of the carbon monoxide reduction unit, and the control unit, when the detected temperature is lower than the reference temperature, to supply the oxidant gas from the oxidant gas supply unit to the carbon reduction portion, the detected temperature is controlled to be more than the reference temperature (claim 5). With such a configuration, the detected temperature can be easily controlled by controlling the supply amount of an oxidant gas such as air supplied to the carbon monoxide reduction unit when the power generation amount of the fuel cell is increased.
又、上記の場合、前記一酸化炭素低減触媒が一酸化炭素と水とから水素と二酸化炭素とが生成する水性ガスシフト反応を進行させる変成触媒であり、前記一酸化炭素低減部が前記変成触媒を備える変成部である(請求項6)。かかる構成とすると、改質ガス中の一酸化炭素濃度を、水素生成装置の従来構成を変更することなく低減することが可能になる。
In the above case, the carbon monoxide reduction catalyst is a shift catalyst that promotes a water gas shift reaction in which hydrogen and carbon dioxide are generated from carbon monoxide and water, and the carbon monoxide reduction section is configured to convert the shift catalyst. a shift converter comprising (claim 6). With this configuration, the carbon monoxide concentration in the reformed gas can be reduced without changing the conventional configuration of the hydrogen generator.
この場合、前記変成触媒における触媒体が、少なくとも貴金属と、セリウム、ジルコニウム又はアルミニウムの内の少なくとも1元素の金属酸化物とから構成されている(請求項7)。かかる構成とすると、改質ガス中の一酸化炭素濃度を効率よく低減することが可能になる。 In this case, the catalyst bodies in said shift catalyst is at least a noble metal, cerium, and a metal oxide of at least one element of zirconium or aluminum (claim 7). With this configuration, the carbon monoxide concentration in the reformed gas can be efficiently reduced.
又、上記の場合、前記一酸化炭素低減触媒が一酸化炭素を選択酸化反応させるための一酸化炭素選択酸化触媒であり、前記一酸化炭素低減部が前記一酸化炭素選択酸化触媒を備える選択酸化部である(請求項8)。かかる構成としても、改質ガス中の一酸化炭素濃度を、水素生成装置の従来構成を変更することなく低減することが可能になる。 In the above case, the carbon monoxide reduction catalyst is a carbon monoxide selective oxidation catalyst for causing a selective oxidation reaction of carbon monoxide, and the carbon monoxide reduction unit includes the carbon monoxide selective oxidation catalyst. (Claim 8 ). Even with this configuration, the carbon monoxide concentration in the reformed gas can be reduced without changing the conventional configuration of the hydrogen generator.
又、本発明に係る燃料電池システムは、請求項1〜8のいずれかに記載の水素生成装置と、該水素生成装置によって生成される水素と酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池とを備え、前記燃料電池が、前記温度検出部によって検出される前記検出温度が前記基準温度以上に到達したときに前記制御部により前記改質部への前記原料の供給量が増量されてその発電量を増量する(請求項9)。かかる構成とすると、燃料電池の出力電圧の低下が効果的に防止され、発電効率のよい燃料電池システムを構築することができる。
又、本発明に係る水素生成装置の運転方法は、原料と水とが供給されて水素を含む改質ガスを生成する改質部と、該改質部で生成した前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減触媒を有する一酸化炭素低減部と、前記一酸化炭素低減触媒又は該一酸化炭素低減部内の前記改質ガスの温度の少なくとも一方を検出する温度検出部とを備える水素生成装置の運転方法であって、前記改質部に供給される前記原料の供給量の増加が、前記温度検出部によって検出される検出温度と、前記原料の供給量に応じて設定された基準温度との比較に基づいて制御され、前記比較の結果、前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記改質部に供給される前記原料の供給量を増加させず、前記検出温度が前記基準温度以上の場合には増加される(請求項10)。かかる構成とすると、一酸化炭素濃度が十分に低減された良質の改質ガスを得ることができる。
A fuel cell system according to the present invention includes the hydrogen generator according to any one of claims 1 to 8 , and a fuel cell that generates power using hydrogen generated by the hydrogen generator and oxidant gas. And when the detected temperature detected by the temperature detection unit reaches the reference temperature or higher, the control unit increases the supply amount of the raw material to the reforming unit and the power generation amount thereof. (Claim 9 ). With such a configuration, a decrease in the output voltage of the fuel cell can be effectively prevented, and a fuel cell system with good power generation efficiency can be constructed.
In addition, the operation method of the hydrogen generator according to the present invention includes a reforming unit that supplies a raw material and water to generate a reformed gas containing hydrogen, and the reformed gas generated in the reforming unit. A carbon monoxide reduction unit having a carbon monoxide reduction catalyst for reducing carbon monoxide; and a temperature detection unit for detecting at least one of the temperature of the reformed gas in the carbon monoxide reduction catalyst or the carbon monoxide reduction unit; The increase in the supply amount of the raw material supplied to the reforming unit is set according to the detected temperature detected by the temperature detection unit and the supply amount of the raw material Is controlled based on the comparison with the reference temperature, and as a result of the comparison, when the detected temperature is lower than the reference temperature, without increasing the supply amount of the raw material supplied to the reforming unit, Increased when the detected temperature is above the reference temperature. It is (claim 10). With such a configuration, it is possible to obtain a high quality reformed gas with a sufficiently reduced carbon monoxide concentration.
本発明は、以上に述べた手段によって実施され、燃料電池の発電量の増減に対応して一酸化炭素が十分に低減されかつ水素を豊富に含む良質の改質ガスを効率よく生成することが可能な安価な水素生成装置及びその運転方法、並びにそれを備える燃料電池システムを提供することが可能になるという効果が得られる。 The present invention is implemented by the means described above, and can efficiently generate a high quality reformed gas that is sufficiently reduced in carbon monoxide and rich in hydrogen in response to the increase or decrease in the power generation amount of the fuel cell. It is possible to provide an inexpensive hydrogen generator that can be operated, a method for operating the same , and a fuel cell system including the same.
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。 The best mode for carrying out 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に係る水素生成装置の構成を示す模式図である。尚、図1では、後述する燃料電池システムにおける水素生成装置の構成のみを抜粋して示している。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the hydrogen generator according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, only the configuration of the hydrogen generator in the fuel cell system to be described later is extracted and shown.
図1に示すように、本実施の形態に係る水素生成装置100aは、天然ガス、液化プロパンガス(LPG)、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素系原料、又は、メタノール等のアルコール系原料等に代表される、少なくとも炭素及び水素から構成される原料と水とから水蒸気改質反応によって水素を生成させる改質部1と、この改質部1から水素と共に排出される一酸化炭素を水との水性ガスシフト反応によって水素に変換する変成部7と、この変成部7から水素と共に更に排出される一酸化炭素を空気中の酸素との選択酸化反応によって二酸化炭素に変換する浄化部11と、上述した改質部1及び変成部7及び浄化部11の動作を制御する制御装置101とを有している。
As shown in FIG. 1, a
改質部1は、その改質部1へ原料を供給する原料供給部3を備えている。この原料供給部3は、上述したメタン、都市ガス、天然ガス、アルコール等に例示される少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を原料供給部3から改質部1へ送出するための原料供給用配管3aを介して、改質部1の所定の位置に接続されている。この原料供給部3としては、例えば、ブースター等が用いられる。又、この改質部1は、その改質部1へ水蒸気改質反応に必要な水を供給する水供給部4を備えている。この水供給部4は、水を水供給部4から改質部1へ送出するための水供給用配管4aを介して、改質部1の所定の位置に接続されている。一方、この改質部1は、原料供給部3から供給された原料と水供給部4から供給された水とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を進行させるための改質触媒2を有している。又、この改質触媒2を水蒸気改質反応が進行するために必要な温度に加熱及び保温するための加熱部5を有している。これらの改質触媒2及び加熱部5は、改質部1における水蒸気改質反応の反応場として好適な位置、及び改質触媒2を加熱及び保温するために好適な位置に、各々配設されている。更に、改質部1は、改質触媒2を経て排出された水素を含む改質ガスの温度を検出する温度検出部6を有している。この温度検出部6は、改質触媒2を経て排出された改質ガスの温度を検出するために好適な位置に配設されている。ここで、本実施の形態では、温度検出部6は改質触媒2の下流の所定位置に配設されている。尚、温度検出部6の設置場所は、改質触媒2の下流位置に限定されることはなく、改質部1中の改質ガス、或いは改質触媒2の温度を検出可能である位置であれば、何れの箇所に設けても構わない。この改質部1からは、その改質部1から排出される改質ガスを変成部7へ導入するための改質ガス用配管1aが変成部7へと延び出ている。
The reforming unit 1 includes a raw
又、変成部7は、その変成部7へ水性ガスシフト反応に必要な水を供給する水供給部9を備えている。この水供給部9は、水を水供給部9から変成部7へ送出するための水供給用配管9aを介して、変成部7の所定の位置に接続されている。又、変成部7は、その変成部7へ後述する変成触媒8の温度を制御するために必要な空気(空気中の酸素)を供給する空気供給部15を備えている。この空気供給部15は、空気を空気供給部15から変成部7へ送出するための空気供給用配管15aを介して、変成部7の所定の位置に接続されている。一方、この変成部7は、改質部1から改質ガス用配管1aを通って導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と、水供給部9から供給された水とを用いて水素を生成し、改質ガス中の一酸化炭素を低減する水性ガスシフト反応を進行させるための変成触媒8を有している。この変成触媒8としては、本実施の形態では、Ptを担持したCe酸化物がコーティングされたコージェライトハニカムを用いている。この変成触媒8は、変成部7における水性ガスシフト反応の反応場として好適な位置に配設されている。更に、変成部7は、変成触媒8を経て排出された水素含有率が改善された改質ガスの温度を検出する温度検出部10を有している。この温度検出手段10は、変成触媒8を経て排出された改質ガスの温度を検出するために好適な位置に配設されている。ここで、本実施の形態では、温度検出部10は変成触媒8の下流の所定位置に配設されている。尚、温度検出部10の設置場所は、変成触媒8の下流位置に限定されることはなく、変成部7中の改質ガス、或いは変成触媒8の温度を検出可能である位置であれば、何れの箇所に設けても構わない。そして、変成部7の所定の位置からは、その変成部7から排出される水素含有率が改善された改質ガスを浄化部11へ導入するための改質ガス用配管7aが浄化部11へと延び出ている。
The
一方、浄化部11は、その浄化部11へ選択酸化反応に必要な空気(空気中の酸素)を供給する空気供給部13を備えている。この空気供給部13は、空気を空気供給部13から浄化部11へ送出するための空気供給用配管13aを介して、浄化部11の所定の位置に接続されている。又、この浄化部11は、変成部7から改質ガス用配管7aを通って導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素を更に低減するために、その改質ガスに含まれる一酸化炭素と空気供給部13から供給された酸素とから二酸化炭素を生成する選択酸化反応を進行させるための浄化触媒12を有している。本実施の形態では、浄化触媒12としては、Pt及びRuを担持したアルミナがコーティングされたコージェライトハニカムを用いている。この浄化触媒12は、浄化部11における選択酸化反応の反応場として好適な位置に配設されている。更に、浄化部11は、浄化触媒12を経て排出された水素含有率が更に改善された改質ガスの温度を検出する温度検出部14を有している。この温度検出部14は、浄化触媒12を経て排出された改質ガスの温度を検出するために好適な位置に配設されている。ここで、本実施の形態では、温度検出部14は浄化触媒12の下流の所定位置に配設されている。尚、この温度検出部14の設置場所は浄化触媒12の下流位置に限定されることはなく、浄化部11中の改質ガス、或いは浄化触媒12の温度を検出可能である位置であれば、何れの箇所に設けても構わない。この浄化部11の所定の位置からは、その浄化部11から排出される選択酸化反応によって水素含有率が更に改善された改質ガスを排出するための改質ガス用配管11aが延出している。この改質ガス用配管11aは、図1では図示されない燃料電池に接続されている。改質ガスは改質ガス用配管11aを通って燃料電池に供給され、その燃料電池において発電に用いられる。尚、改質ガス中の一酸化炭素濃度を例えば100ppm以下にまで低減する必要がない場合は、浄化部11を設ける必要は無い。
On the other hand, the
上述した水素生成装置100aを構成する改質部1、変成部7及び浄化部11、ひいてはその改質部1、変成部7及び浄化部11を構成する各構成要素には、制御装置101から延出する制御用配線が接続されている。
Extending from the
次に、本実施の形態に係る水素生成装置の水素を生成する基本的な動作について説明する。尚、ここでは、炭化水素系原料としてメタンガスを用いた場合について説明する。 Next, a basic operation for generating hydrogen in the hydrogen generator according to the present embodiment will be described. Here, the case where methane gas is used as the hydrocarbon-based raw material will be described.
水素生成装置100aを動作させて水素を生成する際には、原料供給部3から改質部1に対して原料であるメタンガスを供給すると共に、水供給部4から水を供給する。又、この時、加熱部5を動作させることにより、改質触媒2の温度を、水蒸気改質反応を進行させるのに必要十分な所定の温度に加熱する。本実施の形態では、加熱部5を動作させることにより、温度検出部6で検出される温度が650℃となるように、改質触媒2の温度を制御した。すると、改質部1ではメタンガスと水との水蒸気改質反応が進行し、この水蒸気改質反応によって水素が生成される。しかし、このメタンガスと水との水蒸気改質反応では、主として水素が生成される以外に、約10〜15%の一酸化炭素と微量の二酸化炭素とが生成される。つまり、改質部1では、水素を主生成物として含有しかつ一酸化炭素及び二酸化炭素を副生成物として含有する改質ガスが生成される。ここで、一酸化炭素は燃料電池の内部に配設されている電極触媒を被毒するため、所定量以下に低減する必要がある。そのため、改質部1から排出される改質ガスを改質ガス用配管1aによって変成部7に導入し、この変成部7において改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する。
When hydrogen is generated by operating the
改質ガスが改質ガス用配管1a内を流れて変成部7に導入されると、その変成部7では一酸化炭素と水とが反応して水素及び二酸化炭素が生成する水性ガスシフト反応により、改質ガス中の一酸化炭素濃度の低減化が行われる。この時、この水性ガスシフト反応に必要な水は、水供給部9から供給される。又、水性ガスシフト反応を進行させるためには変成触媒8を所定の温度に維持する必要があるが、これは、改質部1から導入される高温状態の改質ガスによって変成触媒8が加熱されること、又、水性ガスシフト反応によって発生する反応熱によって変成触媒8が加熱されること、又、水供給部9から供給される水によって変成触媒8が冷却されること等によって適宜制御される。この変成部7における一酸化炭素と水との水性ガスシフト反応により、改質ガス中の一酸化炭素濃度は約0.3〜1%にまで低減される。
When the reformed gas flows through the reformed
変成部7で一酸化炭素濃度が約0.3〜1%まで低減された改質ガスは、改質ガス用配管7aを通って浄化部11に導入される。この浄化部11において一酸化炭素濃度を更に低減する際には、空気供給部13から浄化部11に対して所定量の空気を供給する。すると、浄化部11においては、導入された改質ガス中の一酸化炭素と供給された空気中の酸素との選択酸化反応が進行し、この選択酸化反応によって二酸化炭素が生成される。つまり、改質ガスに含まれる一酸化炭素が選択酸化反応によって消費されるので、改質ガス中の一酸化炭素濃度が更に低減する。この浄化部11における一酸化炭素と酸素との選択酸化反応によって、改質ガス中の一酸化炭素濃度は約100ppm以下にまで低減される。尚、燃料電池システム内に配設される燃料電池の種類によっては、一酸化炭素濃度は10ppm以下にまで低減される。この浄化部11において一酸化炭素濃度が更に低減された良質の改質ガスは、改質ガス用配管11aによって図1では図示されない燃料電池に供給される。そして、燃料電池では、改質ガス用配管11aを通って供給された改質ガスが用いられて、発電が行われる。
The reformed gas whose carbon monoxide concentration is reduced to about 0.3 to 1% in the
上述した水素生成装置100aを構成する改質部1、変成部7及び浄化部11の動作、ひいてはその改質部1、変成部7及び浄化部11を構成する各構成要素の動作は、制御装置101によって適宜制御される。
The operation of the reforming unit 1, the
ところで、変成部7において水性ガスシフト反応を収率よく進行させるための変成触媒8の最適な温度は、その変成部7に導入される改質ガスの導入量、即ち、改質部1に供給される原料の供給量によって大きく変化する。例えば、変成部7に導入される改質ガスの導入量が少ない場合には、変成触媒8の水性ガスシフト反応を効率よく進行させるための最適な温度は比較的低温である。しかし、変成部7に導入される改質ガスの導入量が多い場合には、変成触媒8の水性ガスシフト反応を効率よく進行させるための最適な温度は高温でなければならない。従って、図1では図示されない燃料電池システムに接続された電化製品等の負荷の消費電力が上昇し、これに伴って改質部1への原料の供給量が増量されて変成部7に供給される改質ガスの供給量が増量される場合、変成触媒8の温度が所定の温度に維持される水素生成方法では、変成部7において改質ガスに含まれる一酸化炭素を十分に低減できない可能性がある。特に、負荷の消費電力が大幅に上昇し、これに伴って改質部1への原料の供給量が大幅に増量されて変成部7に供給される改質ガスの供給量が大幅に増量される場合には、改質ガスに含まれる一酸化炭素を殆ど低減できなくなる可能性が高い。この場合、変成部7において改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を十分に、又は殆ど低減することができないので、燃料電池に対して良質の改質ガスを供給することはできない。以下、一酸化炭素と水とから水素を生成する水性ガスシフト反応の特徴について、図面を参照しながら詳細に説明する。
By the way, the optimum temperature of the
図2は、原料流量毎の変成触媒温度と変成部通過後の改質ガス中の一酸化炭素濃度との関係を示すグラフである。ここで、図2における縦軸は、変成部通過後の改質ガスに含まれる一酸化炭素濃度(%)を示しており、横軸は変成部における変成触媒の温度(℃)を示している。又、曲線aは原料流量が1.0(NL/分)である場合、曲線bは原料流量が2.0(NL/分)である場合、曲線cは原料流量が3.0(NL/分)である場合、曲線dは原料流量が4.0(NL/分)である場合を、各々示している。 FIG. 2 is a graph showing the relationship between the shift catalyst temperature for each raw material flow rate and the carbon monoxide concentration in the reformed gas after passing through the shift section. Here, the vertical axis in FIG. 2 indicates the concentration (%) of carbon monoxide contained in the reformed gas after passing through the shift section, and the horizontal axis indicates the temperature (° C.) of the shift catalyst in the shift section. . Curve a is a raw material flow rate of 1.0 (NL / min), curve b is a raw material flow rate of 2.0 (NL / min), and curve c is a raw material flow rate of 3.0 (NL / min). Min), the curve d shows the case where the raw material flow rate is 4.0 (NL / min).
図2に示すように、変成部7における水性ガスシフト反応を経た改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度は、変成触媒8の温度と原料の供給量とによって決定される。例えば、改質部1への原料の供給量が曲線aに示すように1.0(NL/分)と少ない場合には、変成触媒8が低温状態(例えば、150℃)であっても、一酸化炭素は効果的に低減される。一方、改質部1への原料の供給量が曲線dに示すように4.0(NL/分)と多い場合には、変成触媒8が低温状態(例えば、170℃以下)では、一酸化炭素は殆ど低減されない。
As shown in FIG. 2, the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas that has undergone the water gas shift reaction in the
つまり、燃料電池の発電量の低下に応じて改質部1への原料の供給量が減量され、その原料の供給量の減量に起因して改質部1から変成部7への改質ガスの供給量が減量されて変成触媒8の温度が低下した場合であっても、改質部1への原料の供給量が例えば曲線aで示す1.0(NL/分)であり、かつその時の変成触媒8の温度が150℃であれば、改質ガス中の一酸化炭素濃度を十分に低減することは可能である。より具体的には、変成部7における水性ガスシフト反応を経た改質ガスの一酸化炭素濃度を図2の破線で示すように例えば0.5%以下とする場合、改質部1への原料の供給量が曲線aとして示す1.0(NL/分)であれば、変成触媒8の温度が約150℃〜約180℃の範囲内でその要求を達成することができる。又、改質部1への原料の供給量が曲線bとして示す2.0(NL/分)である場合は、変成触媒8の温度は約160℃〜約180℃の範囲内であればよい。又、改質部1への原料の供給量が曲線cとして示す3.0(NL/分)である場合は、変成触媒8の温度は約170℃〜約180℃の範囲内であればよい。又、改質部1への原料の供給量が曲線dとして示す4.0(NL/分)である場合は、変成触媒8の温度は範囲Aとして示す温度範囲内であればよい。しかしながら、燃料電池の発電量の低下に伴って改質部1への原料の供給量が例えば曲線cで示す3.0(NL/分)となり、これに伴って変成触媒8の温度が例えば180℃より低くなっている場合、燃料電池の発電量の増量に対応するために改質部1への原料の供給量を例えば曲線dで示す4.0(NL/分)に増量させると、変成触媒8の温度が速やかに範囲Aとして示す温度範囲内にまで上昇しない限り、改質ガス中の一酸化炭素濃度は目標値である0.5%を超える濃度になる。従って、燃料電池の発電量の増量に対応するために水素生成装置100aの改質部1に供給する原料の供給量を増量させる際には、変成触媒8の温度が、その原料の供給量を増量させた後における最適な温度範囲内に予め調整されている必要がある。
That is, the supply amount of the raw material to the reforming unit 1 is reduced according to the decrease in the power generation amount of the fuel cell, and the reformed gas from the reforming unit 1 to the
そこで、本実施の形態では、燃料電池の発電量の増量に対応する際、水素生成装置100aの改質部1に供給する原料の供給量を増量させる前に、その原料の供給量を増量させた後における水性ガスシフト反応が最も収率よく進行する最適な温度(以下、基準温度という)に到達するまで空気供給部15から変成部7に対して空気を供給することによって変成触媒8を加熱し、この変成触媒8の温度が基準温度に到達した後に改質部1への原料の供給量を増量させるようにした。又、変成触媒8の温度が基準温度に到達した後は、空気供給部15から変成部7への空気の供給を停止することとした。以下、燃料電池の発電量の増量に対応する際における水素生成装置100aの動作の一例について、図面を参照しながら説明する。
Therefore, in the present embodiment, when dealing with an increase in the power generation amount of the fuel cell, the supply amount of the raw material is increased before the supply amount of the raw material supplied to the reforming unit 1 of the
図4は、燃料電池の発電量の増量に対応する際における水素生成装置の動作の一例を示すフローチャートである。 FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of the operation of the hydrogen generator when dealing with an increase in the amount of power generated by the fuel cell.
図1,2,4を参照して、例えば、燃料電池に対する負荷が長時間に渡って低負荷であり、従って燃料電池の発電量が長時間に渡って低発電量である場合、水素生成装置100aの改質部1への原料の供給量が低量であるため、その改質部1から改質ガスが供給される変成部7の変成触媒8の温度は低下している。この時、変成部7内に配設されている温度検出部10によって変成触媒8を通過する改質ガスの温度が検出され、その検出された温度(以下、検出温度という)が制御装置101の記憶部に記憶される(ステップS1)。例えば、変成部7内の変成触媒8の下流位置に配設されている温度検出部10によって変成触媒8を通過した改質ガスの温度が170℃であると検出されると、その検出された検出温度が制御装置101の記憶部に記憶される。尚、この温度検出部10によって検出される改質ガスの温度は変成触媒8の温度と近似しているため、本実施の形態では、その改質ガスの温度を検出することにより変成触媒8の温度を検出することとした。
Referring to FIGS. 1, 2, and 4, for example, when the load on the fuel cell is low for a long time, and therefore the power generation amount of the fuel cell is low for a long time, the hydrogen generator Since the supply amount of the raw material to the reforming section 1 of 100a is low, the temperature of the
一方、燃料電池に対する負荷が低負荷から高負荷へ変動する場合、その負荷の変動に対応するべく燃料電池の発電量を増量させる前に、水素生成装置100aの改質部1に供給すべき原料の供給量が制御装置101によって予測される(ステップS2)。例えば、これまで3.0(NL/分)であった改質部1への原料の供給量を、燃料電池の発電量の増量に対応するためには4.0(NL/分)に増量する必要があることが、制御装置101によって予測される。ここで、この原料の供給量の予測は、発電の反応式に基づいてなされる。
On the other hand, when the load on the fuel cell fluctuates from a low load to a high load, the raw material to be supplied to the reforming unit 1 of the
次に、燃料電池の発電量の増量に対応するための改質部1への原料の適切な供給量が制御装置101によって予測されると、その予測された適切な供給量に応じた基準温度が制御装置101によって設定される(ステップS3)。ここで、例えば、制御装置101の記憶部には、図2に示すグラフに相当するデータが記憶されている。そして、この制御装置101によって設定される基準温度は、変成部7を通過した後の改質ガス中の一酸化炭素濃度を例えば0.5%以下としたい場合には、図2に示す改質部1への原料の供給量が4.0(NL/分)である曲線dにおいては範囲Aの温度範囲内とされる。そして、変成部7において進行する水性ガスシフト反応が発熱反応であることを考慮すると、この基準温度は範囲Aの温度範囲内の低温部の温度として設定されることが望ましい。この図2に示す範囲Aの温度範囲内の低温部の温度は、図2から明らかなように改質ガス中の一酸化炭素濃度を効果的に低減させるために最適な温度である。例えば、図2から明らかなように、改質部1に供給すべき原料の流量が曲線dに示す4.0(NL/分)と予測された場合には、改質ガス中の一酸化炭素を低減するために最適な基準温度は180℃である。
Next, when an appropriate supply amount of the raw material to the reforming unit 1 corresponding to the increase in the power generation amount of the fuel cell is predicted by the
ステップS1によって現在の検出温度が記憶され、かつステップS3によって燃料電池の発電量の増量に対応するための基準温度が設定されると、その検出温度と基準温度とが制御装置101において比較される(ステップS4)。ここで、検出温度が基準温度以上であることが判明した場合(ステップS4でYES)には、制御装置101から原料供給部3に対して改質部1への原料の供給量を増量させる制御信号が出力され、これによって改質部1への原料の供給量が増量される(ステップS8)。一方、検出温度が基準温度未満であることが判明した場合(ステップS4でNO)には、その比較に基づいて検出温度と基準温度との温度差が制御装置101において算出され、これにより変成触媒8の温度上昇量が算出される(ステップS5)。例えば、検出温度が170℃であり、かつ基準温度が180℃である場合には、変成触媒8の温度を+10℃上昇させる必要があると算出される。
When the current detected temperature is stored in step S1 and the reference temperature is set in step S3 to correspond to the increase in the amount of power generated by the fuel cell, the detected temperature and the reference temperature are compared in the
燃料電池の発電量の増量に対応するための変成触媒8の温度上昇量が算出されると、温度検出部10で検出される温度がその温度上昇量に対応する温度に上昇するまで、空気供給部15から変成部7の内部へ空気が供給される(ステップS6)。尚、本実施の形態では、空気供給部15から変成部7の内部への空気供給量を0.5(NL/分)とした。これにより、変成触媒8においては改質ガス中の水素及び一酸化炭素と供給される空気中の酸素とが反応して、変成触媒8の温度は速やかに上昇する。つまり、温度検出部10で検出される検出温度が基準温度まで上昇する。
When the temperature increase amount of the
空気供給部15から変成部7の内部へ空気を供給することによって変成触媒8の温度が上昇し、これにより温度検出部10によって検出される検出温度が基準温度である例えば180℃まで到達した後は、変成部7における酸素との反応による水素の無駄な消費を防止するため、空気供給部15から変成部7への空気の供給を停止する(ステップS7)。この時、変成触媒8の温度は温度検出部10によって常に監視されており、変成触媒8の温度が基準温度を下回った際には空気供給部15から変成部7へ空気が適宜供給される。これにより、変成触媒8の温度は、常に基準温度に保持されるようになる。
By supplying air from the
温度検出部10によって検出される検出温度が基準温度に到達した後、制御装置101から原料供給部3に対して原料の供給量を増量させる制御信号が出力され、これによって改質部1への原料の供給量が燃料電池の発電量の増量に対応するための改質部1に供給すべき供給量に増量される(ステップS8)。例えば、改質部1への原料の供給量が3.0(NL/分)から4.0(NL/分)へ増量される。これにより、変成部7においては、改質部1への原料の供給量が増量された場合でも、改質ガス中の一酸化炭素が効果的に低減されるようになる。そして、燃料電池に対しては発電量の増量に対応し得る良質かつ十分な量の改質ガスが供給されるようになり、その燃料電池に対する負荷に応じた発電が効率よく行われるようになる。
After the detected temperature detected by the
上述した水素生成装置100a、及びその構成要素の動作は、制御装置101によって適宜制御される。
The operation of the above-described
このように、空気供給部15から変成部7に対して変成触媒8の温度が基準温度となるように必要に応じて空気を供給することによれば、その変成部7内の変成触媒8では改質ガス中の水素及び一酸化炭素と供給された空気中の酸素とが反応し、この反応に伴って発生する反応熱によって変成触媒8の温度は基準温度まで速やかに上昇する。そして、温度検出部10で検出される検出温度が水性ガスシフト反応を収率よく進行させるために最適な基準温度と等しくなった事が確認された後に改質部1への原料の供給量を増量させるので、変成部7においては改質ガス中の一酸化炭素が効果的に低減される。又、変成部7への空気供給部15からの空気の供給は原料の供給量を増量させる時のみ行われるので、その変成部7では必要以上の水素が消費されることが防止される。つまり、水素生成装置100aにおいては、効率よく水素を生成することが可能になる。
Thus, by supplying air from the
尚、本実施の形態では、変成部7に対して空気を0.5(NL/分)の割合で供給したが、この供給量に限らず水素生成装置の構成及び触媒種等に応じて相応に設定してもよい。又、変成触媒8の温度変化に応じて供給量を逐次変化させながら空気を供給してもよい。
In this embodiment, air is supplied to the
又、本実施の形態では、一例として180℃を基準温度として設定したが、この温度に限定されることはなく、基準温度は増量された後の改質部1への原料の供給量に応じて適宜設定される。ここで、その基準温度は、図2に示す各曲線a〜dにおける一酸化炭素濃度が最も低減され得る温度とされることが好ましい。例えば、原料の供給量が図2の曲線bで示す2.0(NL/分)である場合には、基準温度は約160℃とするのが好ましく、又、原料の流量が3.0(NL/分)である場合には、基準温度は170℃とするのが好ましい。かかる温度設定とすることにより、改質ガス中の一酸化炭素濃度を最も効率よく低減することが可能になる。 In the present embodiment, 180 ° C. is set as the reference temperature as an example, but the temperature is not limited to this temperature, and the reference temperature depends on the amount of raw material supplied to the reforming unit 1 after the amount is increased. Is set as appropriate. Here, the reference temperature is preferably a temperature at which the carbon monoxide concentration in each of the curves a to d shown in FIG. 2 can be reduced most. For example, when the supply amount of the raw material is 2.0 (NL / min) shown by the curve b in FIG. 2, the reference temperature is preferably about 160 ° C., and the flow rate of the raw material is 3.0 ( NL / min), the reference temperature is preferably 170 ° C. By setting such a temperature, the carbon monoxide concentration in the reformed gas can be reduced most efficiently.
又、本実施の形態では、変成触媒8の温度を上昇させるために用いる酸化ガスとして空気中の酸素を用いたが、これに限らず、改質ガス中の水素及び一酸化炭素を酸化して酸化熱を発生する化学種であればよい。
In the present embodiment, oxygen in the air is used as the oxidizing gas used to raise the temperature of the
又、本実施の形態では、変成触媒8における触媒体として白金(Pt)を使用したが、これに限らず、パラジウム(Pd)、ニッケル(Ni)、ロジウム(Rh)等の他の貴金属、遷移金属等を用いてもよい。
In this embodiment, platinum (Pt) is used as the catalyst body in the
又、本実施の形態では、変成触媒8における貴金属触媒の担体としてCe酸化物を使用したが、これに限らず、Ce−Zr複合酸化物、又は、Al酸化物が混合されていてもよい。
In this embodiment, Ce oxide is used as a support for the noble metal catalyst in the
又、本実施の形態では、変成触媒8の温度を検出するために、その変成触媒8の下流位置に温度検出部10を設けたが、これに限らず、温度検出部10を変成触媒8の上流位置に配設してもよい。又、変成触媒8内に温度検出部10を設け、これによって変成触媒8の温度を直接検出する構成としてもよい。尚、このように温度検出部10の位置を変更する場合には、その変更した位置における最適な基準温度を設定することによって同様の効果が得られる。
In this embodiment, in order to detect the temperature of the
又、水素生成装置100aの構成、及び変成触媒8の触媒体の種類、触媒量等のパラメータによっては、図2に示した特性曲線が変化する場合がある。そのため、各々のパラメータに相応するように基準温度を設定することが望ましい。これにより、本実施の形態と同様の効果が得られるようになる。
Further, the characteristic curve shown in FIG. 2 may change depending on the configuration of the
又、空気供給部15から変成部7への空気の供給は、燃料電池の発電量の増量に応じて改質部1への原料の供給量を増量する場合のみでなく、変成触媒8の温度を所定の温度に保持するために行われてもよい。この動作によって変成部7における水素消費量は増加するが、原料の供給量を増量させる場合の変成触媒8の温度上昇速度をより速くすることが可能になる。
The supply of air from the
又、本実施の形態では、改質部1への原料の供給量が1.0(NL/分)、2.0(NL/分)、3.0(NL/分)、4.0(NL/分)としたように1.0(NL/分)単位の流量増量に対する基準温度を例示したが、0.1(NL/分)単位の流量増量に対して基準温度を設定してもよい。 In the present embodiment, the supply amount of the raw material to the reforming unit 1 is 1.0 (NL / min), 2.0 (NL / min), 3.0 (NL / min), 4.0 ( The reference temperature for the flow rate increase in units of 1.0 (NL / min) is exemplified as NL / min), but even if the reference temperature is set for the flow rate increase in units of 0.1 (NL / min) Good.
(実施の形態2)
本実施の形態2に係る水素生成装置は、制御装置101に格納された、発電量増量に対する制御プログラムが、実施の形態1の水素生成装置と異なっており、そのハードウェア上の構成は、実施の形態1で示した水素生成装置のハードウェア上の構成と同一である。又、この水素生成装置の水素を生成するための基本的な動作も、実施の形態1で示した水素生成装置の基本的な動作と同一である。従って、ここでは、本実施の形態に係る水素生成装置のハードウェア上の構成、及びその水素を生成する基本的な動作に関する説明は省略する。
(Embodiment 2)
The hydrogen generation apparatus according to the second embodiment is different from the hydrogen generation apparatus according to the first embodiment in that the control program for increasing the amount of power generation stored in the
本実施の形態では、燃料電池の発電量の増量に対応するために水素生成装置100aにおける水素生成量を増量させる際には、実施の形態1の場合と同様、制御装置101によって温度検出部10が検出する検出温度が基準温度に到達しているか否かの判断が行われる。そして、温度検出部10が検出する検出温度が基準温度に到達していると判断されたときは、改質部1への原料の供給量が増量される。しかし、検出温度が基準温度に到達していないと判断されたときは、実施の形態1の場合とは異なり、検出温度を基準温度に到達させるための動作は行われず、かつ改質部1への原料の供給量は増量されない。
In the present embodiment, when increasing the hydrogen generation amount in the
この本実施の形態に係る水素生成装置100aの動作について図面を参照して説明すると、本実施の形態に係る水素生成装置100aの動作は、図4に示したフローチャートにおけるステップS1〜ステップS4までは同一の動作である。そして、このステップS4において温度検出部10によって検出された検出温度が基準温度以上である場合(ステップS4でYES)には、実施の形態1の場合と同様に動作して改質部1への原料の供給量が増量される。しかし、検出温度が基準温度未満である場合(ステップS4でNO)には、図4に示すステップS5〜ステップS8の動作は行われず、かつ改質部1への原料の供給量は増量されない。
The operation of the
このように、本実施の形態によれば、改質部1への原料の供給量が、温度検出部10によって検出される検出温度がその後供給しようとする原料の供給量に応じた基準温度以上に到達している場合には増量され、到達していない場合には増量されないので、改質ガス中の一酸化炭素濃度の急激な上昇を未然に防止することができる。
As described above, according to the present embodiment, the supply amount of the raw material to the reforming unit 1 is equal to or higher than the reference temperature corresponding to the supply amount of the raw material to be supplied after the detected temperature detected by the
(実施の形態3)
本実施の形態3に係る水素生成装置は、制御装置101に格納された、発電量増量に対する制御プログラムが、実施の形態1の水素生成装置と異なっており、そのハードウェア上の構成は、実施の形態1で示した水素生成装置のハードウェア上の構成と同一である。又、この水素生成装置の水素を生成するための基本的な動作も、実施の形態1で示した水素生成装置の基本的な動作と同一である。従って、ここでも、本実施の形態に係る水素生成装置のハードウェア上の構成、及びその水素を生成する基本的な動作に関する説明は省略する。
(Embodiment 3)
The hydrogen generation apparatus according to the third embodiment is different from the hydrogen generation apparatus according to the first embodiment in that the control program for increasing the amount of power generation stored in the
本実施の形態でも、燃料電池の発電量の増量に対応するために水素生成装置100aにおける水素生成量を増量させる際には、実施の形態1の場合と同様、制御装置101によって温度検出部10が検出する検出温度が基準温度に到達しているか否かの判断が行われる。そして、温度検出部10が検出する検出温度が基準温度に到達していると判断されたときは、改質部1への原料の供給量が増量される。又、実施の形態1の場合と同様、検出温度が基準温度に到達していないと判断されたときは、その検出温度を基準温度に到達させるための動作が行われる。そして、その後、改質部1への原料の供給量が増量される。ここで、本実施の形態では、制御装置101によって温度検出部10で検出される検出温度が基準温度に到達していないと判断された場合には、加熱部5の温度を上昇させることによって改質部1の温度を上昇させ、これによって改質部1から排出される改質ガスの温度を上昇させる。そして、温度が上昇された改質ガスを変成部7に供給することにより、その変成部7の内部に配設されている変成触媒8の温度を上昇させる。変成触媒8の温度が上昇すると、その変成触媒8を通過した改質ガスの温度が上昇するので、温度検出部10によって検出される検出温度も上昇する。つまり、これによって、温度検出部10により検出される検出温度が基準温度に到達するように制御される。
Also in the present embodiment, when increasing the hydrogen generation amount in the
より具体的に説明すると、燃料電池の発電量の増量に対応するために改質部1への原料の供給量を例えば1.0(NL/分)から2.0(NL/分)へ増量させようとする場合、温度検出部10によって検出される検出温度が160℃未満では、図2から明らかなように変成部7において改質ガス中の一酸化炭素濃度を効果的に低減することは困難である。そこで、本実施の形態では、改質触媒2を通過した改質ガスの温度を検出するための温度検出部6によって検出される検出温度が例えば650℃である場合には、その温度検出部6によって検出される検出温度を例えば660℃となるように、加熱部5によって改質部1の温度を上昇させる。これは、図1では図示しない燃料供給部から加熱部5に供給する燃料の供給量を増量させることによって行われる。その結果、改質部1から排出され変成部7へ供給される改質ガスの温度が上昇しているため、変成触媒8の温度が上昇すると共に、変成部7内の温度検出部10によって検出される検出温度も上昇する。そして、このようにして変成部7における変成触媒8の温度が160℃未満から160℃へと上昇することにより、改質部1への原料の供給量を1.0(NL/分)から2.0(NL/分)へ増量することが可能となる。又、同様にして、改質部1への原料の供給量を例えば2.0(NL/分)から3.0(NL/分)へ、又は、3.0(NL/分)から4.0(NL/分)へ増量させる場合においても、加熱部5への燃料の供給量を増量させて改質部1の温度を上昇させ、これによって改質ガスの温度を上昇させた後に原料の供給量を増量させれば、水素生成装置から排出される改質ガス中の一酸化炭素濃度が急激に上昇することはない。つまり、燃料電池の発電量の増量に応じて、水素生成装置における水素の生成量を増量させることができる。
More specifically, the supply amount of the raw material to the reforming unit 1 is increased from, for example, 1.0 (NL / min) to 2.0 (NL / min) in order to cope with an increase in the power generation amount of the fuel cell. When the temperature is detected by the
この本実施の形態に係る水素生成装置100aの動作について図面を参照して説明すると、本実施の形態に係る水素生成装置100aの動作も、図4に示したフローチャートにおけるステップS1〜ステップS4までは同一の動作である。そして、このステップS4において温度検出部10によって検出された検出温度が基準温度以上である場合(ステップS4でYES)には、実施の形態1の場合と同様に動作して改質部1への原料の供給量が増量される。一方、検出温度が基準温度未満である場合(ステップS4でNO)には、実施の形態1の場合と同様にしてステップS5が実行された後、ステップS6として所定の制御信号が制御装置101から出力されて加熱部5への燃料の供給量が増量される。このステップS6によって加熱部5に供給される燃料の供給量が増量されるので、改質部1の温度は上昇する。次いで、ステップS6により改質ガスの温度が上昇して変成部7における温度検出部10により検出される検出温度が基準温度まで上昇されると、加熱部5に供給する燃料の無駄な消費を防止するために、ステップS7として加熱部5に対する燃料の供給量の増量が停止される。この時、改質部1から排出され変成部7へ供給される改質ガスの温度は温度検出部6によって常に監視されており、この改質ガスの温度が所定の温度を下回った際には燃料供給部から加熱部5へ燃料が適宜供給される。これによって、変成部7における変成触媒8の温度は基準温度に保持されるようになる。そして、その後、実施の形態1の場合と同様にして、制御装置101から原料供給部3に対して原料の供給量を増量させる制御信号が出力され、この出力される制御信号によって改質部1への原料の供給量が燃料電池の発電量の増量に対応するための改質部1に供給すべき供給量にまで増量される(ステップS8)。
The operation of the
このように、本実施の形態によれば、加熱部5によって改質部1の温度が制御されることによって、その改質部1から排出され変成部7に供給される改質ガスの温度が制御される。これにより、変成触媒8の温度が適切な基準温度に制御される。そして、改質部1への原料の供給量が、温度検出部10によって検出される検出温度がその後供給しようとする原料の供給量に応じた基準温度に到達している場合には増量され、到達していない場合には基準温度に到達するよう制御された後に増量されるので、改質ガス中の一酸化炭素濃度の急激な上昇を未然に防止することができる。
As described above, according to this embodiment, the temperature of the reforming unit 1 is controlled by the
尚、温度検出部6が設置される改質部1の構成、又は改質反応における目標転化率等のパラメータによっては、温度検出部6で検出される検出温度の制御温度は異なる場合がある。この場合、温度検出部6で検出される検出温度の制御温度を、改質部1における各々の構成、又は制御パラメータに相応する最適な温度に設定することで、実施の形態1と同様の効果が得られる。 Depending on the configuration of the reforming unit 1 in which the temperature detecting unit 6 is installed or a parameter such as a target conversion rate in the reforming reaction, the control temperature of the detected temperature detected by the temperature detecting unit 6 may be different. In this case, by setting the control temperature of the detected temperature detected by the temperature detection unit 6 to an optimum temperature corresponding to each configuration or control parameter in the reforming unit 1, the same effect as in the first embodiment is obtained. Is obtained.
(実施の形態4)
本実施の形態4に係る水素生成装置は、制御装置101に格納された、発電量増量に対する制御プログラムが、実施の形態1の水素生成装置と異なっており、そのハードウェア上の構成は、実施の形態1で示した水素生成装置のハードウェア上の構成と同一である。又、この水素生成装置の水素を生成するための基本的な動作も、実施の形態1で示した水素生成装置の基本的な動作と同一である。従って、ここでも、本実施の形態に係る水素生成装置のハードウェア上の構成、及びその水素を生成する基本的な動作に関する説明は省略する。
(Embodiment 4)
The hydrogen generation apparatus according to the fourth embodiment is different from the hydrogen generation apparatus according to the first embodiment in that the control program for increasing the amount of power generation stored in the
本実施の形態でも、燃料電池の発電量の増量に対応するために水素生成装置100aにおける水素生成量を増量させる際には、実施の形態1の場合と同様、制御装置101によって温度検出部10が検出する検出温度が基準温度に到達しているか否かの判断が行われる。そして、温度検出部10が検出する検出温度が基準温度に到達していると判断されたときは、改質部1への原料の供給量が増量される。又、実施の形態1の場合と同様、検出温度が基準温度に到達していないと判断されたときは、その検出温度を基準温度に到達させるための動作が行われる。そして、その後、改質部1への原料の供給量が増量される。ここで、本実施の形態では、制御装置101によって温度検出部10で検出される検出温度が基準温度に到達していないと判断された場合には、水供給部4から改質部1への水の供給量を減量させることによって改質部1の温度を上昇させ、これによって改質部1から排出される改質ガスの温度を上昇させる。そして、温度が上昇された改質ガスを変成部7に供給することにより、その変成部7の内部に配設されている変成触媒8の温度を上昇させる。変成触媒8の温度が上昇すると、その変成触媒8を通過した改質ガスの温度が上昇するので、温度検出部10によって検出される検出温度も上昇する。つまり、これによって、温度検出部10により検出される検出温度が基準温度に到達するように制御される。
Also in the present embodiment, when increasing the hydrogen generation amount in the
より具体的に説明すると、燃料電池の発電量の増量に対応するために改質部1への原料の供給量を例えば1.0(NL/分)から2.0(NL/分)へ増量させようとする場合、温度検出部10によって検出される検出温度が160℃未満では、図2から明らかなように変成部7において改質ガス中の一酸化炭素濃度を効果的に低減することは困難である。そこで、本実施の形態では、改質触媒2を通過した改質ガスの温度を検出するための温度検出部6によって検出される検出温度が例えば650℃である場合には、その温度検出部6によって検出される検出温度を例えば660℃となるように、水供給部4から改質部1への水の供給量を減量させることによって改質部1の温度を上昇させる。その結果、改質部1から排出され変成部7へ供給される改質ガスの温度が上昇しているため、変成触媒8の温度が上昇すると共に、変成部7内の温度検出部10によって検出される検出温度も上昇する。そして、このようにして変成部7における変成触媒8の温度が160℃未満から160℃へと上昇されることにより、改質部1への原料の供給量を1.0(NL/分)から2.0(NL/分)へ増量することが可能となる。尚、改質部1への原料の供給量を例えば2.0(NL/分)から3.0(NL/分)へ、又は、3.0(NL/分)から4.0(NL/分)へ増量させる場合も同様である。
More specifically, the supply amount of the raw material to the reforming unit 1 is increased from, for example, 1.0 (NL / min) to 2.0 (NL / min) in order to cope with an increase in the power generation amount of the fuel cell. When the temperature is detected by the
この本実施の形態に係る水素生成装置100aの動作について図面を参照して説明すると、本実施の形態に係る水素生成装置100aの動作も、図4に示したフローチャートにおけるステップS1〜ステップS4までは同一の動作である。そして、このステップS4において温度検出部10によって検出された検出温度が基準温度以上である場合(ステップS4でYES)には、実施の形態1の場合と同様に動作して改質部1への原料の供給量が増量される。一方、検出温度が基準温度未満である場合(ステップS4でNO)には、実施の形態1の場合と同様にしてステップS5が実行された後、ステップS6として所定の制御信号が制御装置101から出力されて水供給部4から改質部1への水の供給量が減量される。このステップS6により改質部1に供給される水の供給量が減量されるので、改質部1の温度は上昇する。次いで、ステップS6により改質ガスの温度が上昇して変成部7における温度検出部10により検出される検出温度が基準温度まで上昇すると、改質ガスの過剰な昇温を防止するために、ステップS7として水供給部4から改質部1への水の供給量の減量状態が解除される。この時、改質部1から排出され変成部7へ供給される改質ガスの温度は温度検出部6によって常に監視されており、この改質ガスの温度が所定の温度を下回った際には水供給部4から改質部1への水の供給量が適宜減量される。これにより、変成部7における変成触媒8の温度は基準温度に保持されるようになる。その後の水素生成装置100aの動作については、実施の形態1,3の場合と同様である。
The operation of the
このように、本実施の形態によれば、水供給部4から改質部1への水の供給量が制御され、これにより改質部1の温度が制御される。そして、改質部1から排出され変成部7に供給される改質ガスの温度が制御されることによって、変成触媒8の温度が適切な基準温度に制御される。その他については、実施の形態1,3と同様である。
Thus, according to the present embodiment, the amount of water supplied from the
(実施の形態5)
本実施の形態5に係る水素生成装置は、制御装置101に格納された、発電量増量に対する制御プログラムが、実施の形態1の水素生成装置と異なっており、そのハードウェア上の構成は、実施の形態1で示した水素生成装置のハードウェア上の構成と同一である。又、この水素生成装置の水素を生成するための基本的な動作も、実施の形態1で示した水素生成装置の基本的な動作と同一である。従って、ここでも、本実施の形態に係る水素生成装置のハードウェア上の構成、及びその水素を生成する基本的な動作に関する説明は省略する。
(Embodiment 5)
The hydrogen generation apparatus according to the fifth embodiment is different from the hydrogen generation apparatus according to the first embodiment in that the control program for increasing the amount of power generation stored in the
本実施の形態では、燃料電池の発電量の増量に対応するために水素生成装置100aにおける水素生成量を増量させる際には、制御装置101によって浄化部11内に配設された温度検出部14が検出する検出温度が所定の基準温度に到達しているか否かの判断が行われる。そして、温度検出部14が検出する検出温度が所定の基準温度に到達していると判断されたときは、改質部1への原料の供給量が増量される。しかしながら、浄化部11内の温度検出部14が検出する検出温度が所定の基準温度に到達していないと判断されたときは、実施の形態2の場合と同様、その検出温度を所定の基準温度に到達させるための動作は行われず、かつ改質部1への原料の供給量は増量されない。
In the present embodiment, when increasing the amount of hydrogen generated in the
ここで、浄化部11における選択酸化反応の特徴について、図面を参照しながら詳細に説明する。
Here, the characteristics of the selective oxidation reaction in the
図3は、原料流量毎の浄化触媒温度と浄化部通過後の改質ガス中の一酸化炭素濃度との関係を示すグラフである。ここで、図3における縦軸は、浄化部通過後の改質ガスに含まれる一酸化炭素濃度(ppm)を示しており、横軸は浄化部における浄化触媒の温度(℃)を示している。又、曲線aは原料流量が1.0(NL/分)である場合、曲線bは原料流量が2.0(NL/分)である場合、曲線cは原料流量が3.0(NL/分)である場合、曲線dは原料流量が4.0(NL/分)である場合を、各々示している。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between the purification catalyst temperature for each raw material flow rate and the carbon monoxide concentration in the reformed gas after passing through the purification unit. Here, the vertical axis in FIG. 3 indicates the concentration (ppm) of carbon monoxide contained in the reformed gas after passing through the purification unit, and the horizontal axis indicates the temperature (° C.) of the purification catalyst in the purification unit. . Curve a is a raw material flow rate of 1.0 (NL / min), curve b is a raw material flow rate of 2.0 (NL / min), and curve c is a raw material flow rate of 3.0 (NL / min). Min), the curve d shows the case where the raw material flow rate is 4.0 (NL / min).
図3に示すように、浄化部11における選択酸化反応を経た改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度は、浄化触媒12の温度と原料の供給量とによって決定される。例えば、改質部1への原料の供給量が曲線aに示すように1.0(NL/分)と少ない場合には、浄化触媒12が低温状態(例えば、110℃)であっても、一酸化炭素は効果的に低減される。一方、改質部1への原料の供給量が曲線dに示すように4.0(NL/分)と多い場合には、浄化触媒12が低温状態(例えば、130℃以下)では、一酸化炭素は殆ど低減されない。
As shown in FIG. 3, the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas that has undergone the selective oxidation reaction in the
つまり、燃料電池の発電量の低下に応じて改質部1への原料の供給量が減量され、その原料の供給量の減量に起因して変成部7から浄化部11への改質ガスの流量が減量されて浄化触媒12の温度が低下した場合であっても、改質部1への原料の供給量が例えば曲線aで示す1.0(NL/分)であり、かつその時の浄化触媒12の温度が110℃であれば、改質ガス中の一酸化炭素濃度を十分に低減することは可能である。より具体的には、浄化部11における選択酸化反応を経た改質ガスの一酸化炭素濃度を図3の破線で示すように例えば10ppm以下とする場合、改質部1への原料の供給量が曲線aとして示す1.0(NL/分)であれば、浄化触媒12の温度が約110℃〜約140℃の範囲内でその要求を達成することができる。又、改質部1への原料の供給量が曲線bとして示す2.0(NL/分)である場合は、浄化触媒12の温度は約120℃〜約140℃の範囲内であればよい。又、改質部1への原料の供給量が曲線cとして示す3.0(NL/分)である場合は、浄化触媒12の温度は約130℃〜約140℃の範囲内であればよい。又、改質部1への原料の供給量が曲線dとして示す4.0(NL/分)である場合は、浄化触媒12の温度は範囲Bとして示す温度範囲内であればよい。しかしながら、燃料電池の発電量の低下に伴って改質部1への原料の供給量が例えば曲線cで示す3.0(NL/分)となり、これに伴って浄化触媒12の温度が例えば140℃より低くなっている場合、燃料電池の発電量の増量に対応するために改質部1への原料の供給量を例えば曲線dで示す4.0(NL/分)に増量させると、浄化触媒12の温度が速やかに範囲Bとして示す温度範囲内にまで上昇しない限り、改質ガス中の一酸化炭素濃度は目標値である10ppmを超える濃度になる。従って、燃料電池の発電量の増量に対応するために水素生成装置100aの改質部1に供給する原料の供給量を増量させる際には、浄化触媒12の温度が、その原料の供給量を増量させた後における最適な温度範囲内であるか否かの判断が行われる必要がある。
That is, the supply amount of the raw material to the reforming unit 1 is reduced according to the decrease in the power generation amount of the fuel cell, and the reformed gas from the
そこで、本実施の形態では、燃料電池の発電量の増量に対応する際、水素生成装置100aの改質部1に供給する原料の供給量を増量させる前に、その原料の供給量を増量させた後における選択酸化反応が最も収率よく進行する最適な温度(以下、第2の基準温度という)に浄化部11内に配設された温度検出部14が検出する検出温度が到達しているか否かを判断し、その温度検出部14が検出する検出温度が第2の基準温度に到達していると判断されたときは、改質部1への原料の供給量が増量されることとした。一方、浄化部11内の温度検出部14が検出する検出温度が第2の基準温度に到達していないと判断されたときは、実施の形態2の場合と同様、その検出温度を第2の基準温度に到達させるための動作は行われず、かつ改質部1への原料の供給量は増量されないこととした。
Therefore, in the present embodiment, when dealing with an increase in the power generation amount of the fuel cell, the supply amount of the raw material is increased before the supply amount of the raw material supplied to the reforming unit 1 of the
本実施の形態に係る水素生成装置100aの動作について図面を参照して説明すると、本実施の形態に係る水素生成装置100aの動作は、図4に示したフローチャートにおけるステップS1〜ステップS4までは基本的には同一の動作である。但し、ステップS1では、浄化部11の内部に配設された温度検出部14によって検出される検出温度が記憶される。又、ステップS3では、ステップS2で予測された原料の供給量に応じた第2の基準温度が設定される。ここで、例えば、制御装置101の記憶部には、図3のグラフに相当するデータが記憶されている。そして、この制御装置101によって設定される第2の基準温度は、浄化部11を通過した後の改質ガス中の一酸化炭素濃度を例えば10ppm以下としたい場合には、図3に示す改質部1への原料の供給量が4.0(NL/分)である曲線dにおいては範囲Bの温度範囲内とされる。そして、浄化部11において進行する選択酸化反応が発熱反応であることを考慮すると、この第2の基準温度は範囲Bの温度範囲内の低温部の温度として設定されることが望ましい。この図3に示す範囲Bの温度範囲内の低温部の温度は、図3から明らかなように改質ガス中の一酸化炭素濃度を効果的に低減させるために最適な温度である。例えば、図3から明らかなように、改質部1に供給すべき原料の流量が曲線dに示す4.0(NL/分)と予測された場合には、改質ガス中の一酸化炭素を低減するために最適な第2の基準温度は140℃である。そして、図4に示すステップS4においては、温度検出部14によって検出された検出温度と、ステップS3によって設定された第2の基準温度とが比較される。このステップ4における比較により温度検出部14によって検出された検出温度がステップS3によって設定された第2の基準温度に到達していることが確認された場合(ステップS4でYES)には、実施の形態1の場合と同様に動作して改質部1への原料の供給量が増量される。しかし、温度検出部14によって検出された検出温度が第2の基準温度に到達していないことが確認された場合(ステップS4でNO)には、図4に示すステップS5〜ステップS8に相当する動作は行われず、かつ改質部1への原料の供給量は増量されない。
The operation of the
このように、本実施の形態によれば、改質部1への原料の供給量が、温度検出部14によって検出される検出温度がその後供給しようとする原料の供給量に応じた第2の基準温度以上に到達している場合には増量され、到達していない場合には増量されないので、改質ガス中の一酸化炭素濃度の急激な上昇を未然に防止することができる。
As described above, according to the present embodiment, the supply amount of the raw material to the reforming unit 1 is the second according to the supply amount of the raw material to be supplied by the detected temperature detected by the
尚、本実施の形態でも、改質部1への原料の供給量が1.0(NL/分)、2.0(NL/分)、3.0(NL/分)、4.0(NL/分)としたように1.0(NL/分)単位の流量増量に対する第2の基準温度を例示したが、0.1(NL/分)単位の流量増量に対して第2の基準温度を設定してもよい。 Also in this embodiment, the supply amount of the raw material to the reforming unit 1 is 1.0 (NL / min), 2.0 (NL / min), 3.0 (NL / min), 4.0 ( The second reference temperature for the flow rate increase of 1.0 (NL / min) unit is illustrated as NL / min), but the second reference temperature for the flow rate increase of 0.1 (NL / min) unit is illustrated. The temperature may be set.
又、本実施の形態では、浄化触媒12における触媒体としてPt及びRuの混合物を使用したが、これに限定されず、Pt又はRuを単独で、又はPd等の他の貴金属等を用いてもよい。
In the present embodiment, a mixture of Pt and Ru is used as the catalyst body in the
又、本実施の形態では、浄化触媒12を構成する担体としてアルミナを使用したが、これに限定されず、シリカ、又はアルミナとシリカとの混合物を使用してもよい。
In the present embodiment, alumina is used as the carrier constituting the
又、水素生成装置100aの構成、及び浄化触媒12の触媒体の種類、触媒量等のパラメータによっては、図3に示した特性曲線が変化する場合がある。そのため、各々のパラメータに相応するように基準温度を設定することが望ましい。これにより、本実施の形態と同様の効果が得られるようになる。
Further, the characteristic curve shown in FIG. 3 may change depending on the configuration of the
又、本実施の形態では、浄化触媒12の温度を検出するために、その浄化触媒12の下流位置に温度検出部14を設けたが、これに限らず、温度検出部14を浄化触媒12の上流位置に配設してもよい。又、浄化触媒12内に温度検出部14を設け、これによって浄化触媒12の温度を直接検出する構成としてもよい。尚、このように温度検出部14の位置を変更する場合には、その変更した位置における最適な第2の基準温度を設定することによって同様の効果が得られる。
In the present embodiment, the
又、本実施の形態を、実施の形態3で示したように、改質ガスの温度を上昇させることにより浄化触媒12の温度を上昇させて水素生成量の増量に対応する形態としてもよい。又は、実施の形態4で示したように、改質部1への水の供給量を減量させることにより浄化触媒12の温度を上昇させて水素生成量の増量に対応する形態としてもよい。
Further, as shown in the third embodiment, the present embodiment may be configured to increase the amount of hydrogen generation by increasing the temperature of the
又、本実施の形態と、実施の形態1,3,4に示した変成触媒8に基準温度を設定する形態とを組み合わせた形態としてもよい。このような形態によれば、燃料電池の発電量の増量に応じて水素生成量を増量させる際に、更に確実に一酸化炭素の発生を抑制することが可能となる。
Moreover, it is good also as a form which combined this Embodiment and the form which sets a reference temperature to the
(実施の形態6)
図5は、本発明の実施の形態1〜5に係る水素生成装置を備えた燃料電池システムの構成を示す模式図である。尚、図5においては、水素生成装置を構成する各構成要素に付与した符号の記載は省略している。
(Embodiment 6)
FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system including the hydrogen generator according to Embodiments 1 to 5 of the present invention. In FIG. 5, the description of the reference numerals given to the respective components constituting the hydrogen generator is omitted.
図5に示すように、本実施の形態6に係る燃料電池システム100は、実施の形態1〜5の何れかに係る水素生成装置で構成される水素生成装置100aと、その水素生成装置100aから供給される改質ガスと空気とを用いて発電する燃料電池100bと、これら水素生成装置100a及び燃料電池100bの動作を制御する制御装置101とを備えている。又、図5では図示しないが、この燃料電池システム100は、発電に用いるための空気を燃料電池100bに供給する空気供給装置を有している。
As shown in FIG. 5, the
又、図5に示すように、水素生成装置100aと燃料電池100bとは、改質ガス用配管11aによって相互に接続されている。又、空気供給装置と燃料電池100bとは、図5では図示しない所定の配管によって相互に接続されている。又、水素生成装置100aを構成する改質部1、変成部7及び浄化部11、ひいてはその改質部1、変成部7及び浄化部11を構成する各構成要素と、燃料電池100bとには、制御装置101から延出する制御用配線が接続されている。
As shown in FIG. 5, the
図5に示す燃料電池システム100を動作させて発電する際には、水素生成装置100aから燃料電池100bに対して水素を豊富に含む改質ガスを供給すると共に、空気供給装置から空気を供給する。すると、燃料電池100bでは、水素生成装置100aから供給される改質ガスに含まれる水素と、空気供給装置から供給される空気に含まれる酸素とが用いられて、発電が行われる。尚、本実施の形態に係る燃料電池システム100の動作は、制御装置101によって適宜制御される。
When the
そして、本実施の形態では、燃料電池システム100に対する負荷の低負荷から高負荷への変動に対応する際、即ち、その負荷の変動に対応するために燃料電池100bの発電量を増量させる際には、水素生成装置100aの動作を本発明の実施の形態1〜5で示したように制御することによって、燃料電池100bへの改質ガスの供給量を増量させる。これにより、燃料電池100bの発電量が増量される。
In the present embodiment, when dealing with the fluctuation of the load on the
このように、本実施の形態によれば、燃料電池100bの発電量を増量させるために水素生成装置100aにおける水素生成量を増量させるべく図1で示した改質部1への原料の供給量を増量させた際においても、十分かつ確実に一酸化炭素濃度が低減された良質の改質ガスが燃料電池100bに供給される。そのため、燃料電池100bの内部に配設されている電極触媒が一酸化炭素によって被毒されて生じる燃料電池100bの出力電圧の低下が効果的に防止される。又、燃料電池100bは、確実に発電を継続することが可能になる。
Thus, according to the present embodiment, the supply amount of the raw material to the reforming unit 1 shown in FIG. 1 in order to increase the hydrogen generation amount in the
本発明に係る水素生成装置及びその運転方法、並びにそれを備える燃料電池システムは、燃料電池の発電量の増減に対応して一酸化炭素が十分に低減されかつ水素を豊富に含む良質の改質ガスを効率よく生成することが可能な水素生成装置及びその運転方法、並びにそれを備える燃料電池システムとして有用である。 A hydrogen generator according to the present invention, a method for operating the same , and a fuel cell system including the hydrogen generator are high-quality reforming in which carbon monoxide is sufficiently reduced and hydrogen is abundant in response to an increase or decrease in power generation amount of the fuel cell. It is useful as a hydrogen generator capable of efficiently generating gas, an operation method thereof, and a fuel cell system including the same.
1 改質部
1a 改質ガス用配管
2 改質触媒
3 原料供給部
3a 原料供給用配管
4 水供給部
4a 水供給用配管
5 加熱部
6 温度検出部
7 変成部
7a 改質ガス用配管
8 変成触媒
9 水供給部
9a 水供給用配管
10 温度検出部
11 浄化部
11a 改質ガス用配管
12 浄化触媒
13 空気供給部
13a 空気供給用配管
14 温度検出部
15 空気供給部
15a 空気供給用配管
100 燃料電池システム
100a 水素生成装置
100b 燃料電池
101 制御装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reforming
Claims (10)
前記制御部は、前記改質部に供給される前記原料の供給量の増加を、前記温度検出部によって検出される検出温度と、前記原料の供給量に応じて設定された基準温度との比較に基づいて制御し、
前記比較の結果、前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記改質部に供給される前記原料の供給量を増加させず、前記検出温度が前記基準温度以上の場合には増加させる、水素生成装置。 A reforming unit that generates a reformed gas containing hydrogen by being supplied with raw materials and water, a heating unit that heats the reforming unit to a temperature necessary for the generation of the reformed gas, and generated by the reforming unit A carbon monoxide reduction part having a carbon monoxide reduction catalyst for reducing carbon monoxide contained in the reformed gas, and at least a temperature of the carbon monoxide reduction catalyst or the reformed gas in the carbon monoxide reduction part A hydrogen generation device including a temperature detection unit for detecting one and a control unit,
The control unit compares an increase in the supply amount of the raw material supplied to the reforming unit with a detected temperature detected by the temperature detection unit and a reference temperature set according to the supply amount of the raw material. and control on the basis of,
As a result of the comparison, when the detected temperature is lower than the reference temperature, the supply amount of the raw material supplied to the reforming unit is not increased, and is increased when the detected temperature is equal to or higher than the reference temperature. A hydrogen generator.
前記制御部は、前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記水供給部より前記改質部に供給される前記水を減量させ、前記検出温度が前記基準温度以上になるよう制御する、請求項2記載の水素生成装置。 A water supply unit for supplying water to the reforming unit;
When the detected temperature is lower than the reference temperature, the control unit reduces the amount of water supplied from the water supply unit to the reforming unit, and controls the detected temperature to be equal to or higher than the reference temperature. The hydrogen generator according to claim 2 .
前記制御部は、前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記一酸化炭素低減部に前記酸化剤ガス供給部から酸化剤ガスを供給させ、前記検出温度が前記基準温度以上になるよう制御する、請求項2記載の水素生成装置。 An oxidant gas supply unit for supplying an oxidant gas into the carbon monoxide reduction unit;
When the detected temperature is lower than the reference temperature, the control unit causes the carbon monoxide reducing unit to supply an oxidant gas from the oxidant gas supply unit so that the detected temperature becomes equal to or higher than the reference temperature. The hydrogen generator according to claim 2 to be controlled.
前記燃料電池が、前記温度検出部によって検出される前記検出温度が前記基準温度以上に到達したときに前記制御部により前記改質部への前記原料の供給量が増量されてその発電量を増量する、燃料電池システム。 A hydrogen generator according to any one of claims 1 to 8 , and a fuel cell that generates electricity using hydrogen generated by the hydrogen generator and oxidant gas,
When the detected temperature detected by the temperature detection unit reaches the reference temperature or more, the fuel cell increases the amount of power generation by increasing the amount of the raw material supplied to the reforming unit by the control unit. A fuel cell system.
前記改質部に供給される前記原料の供給量の増加が、前記温度検出部によって検出される検出温度と、前記原料の供給量に応じて設定された基準温度との比較に基づいて制御され、
前記比較の結果、前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記改質部に供給される前記原料の供給量を増加させず、前記検出温度が前記基準温度以上の場合には増加される、水素生成装置の運転方法。 One having a reforming section for supplying a raw material and water to generate a reformed gas containing hydrogen, and a carbon monoxide reduction catalyst for reducing carbon monoxide contained in the reformed gas generated in the reforming section. A method for operating a hydrogen generator comprising: a carbon oxide reduction unit; and a temperature detection unit that detects at least one of the temperature of the reformed gas in the carbon monoxide reduction catalyst or the carbon monoxide reduction unit,
An increase in the supply amount of the raw material supplied to the reforming unit is controlled based on a comparison between a detection temperature detected by the temperature detection unit and a reference temperature set according to the supply amount of the raw material. ,
As a result of the comparison, when the detected temperature is lower than the reference temperature, the supply amount of the raw material supplied to the reforming unit is not increased, and is increased when the detected temperature is equal to or higher than the reference temperature. The operation method of the hydrogen generator.
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