JP4610097B2 - Fuel reforming system - Google Patents
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- B01B1/005—Evaporation for physical or chemical purposes; Evaporation apparatus therefor, e.g. evaporation of liquids for gas phase reactions
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体用燃料電池装置に好適な燃料改質システムに関する。
【0002】
【従来の技術と解決すべき課題】
燃料電池自動車で代表される移動体用燃料電池装置に適合する改質システムとして、従来次のようなものが知られている。すなわち、燃料であるメタノールと水の混合液を蒸発器に送り、この蒸発器にて気化させた水とメタノールの混合蒸気を混合器に供給する。また混合器には圧縮器により空気を圧送する。混合蒸気と空気は、混合器で混合した後、ATR(オートサーマル反応器)に送る。ATRは、燃料であるメタノールを、水ならびに空気内の酸素を用いて触媒反応により燃料改質し、これにより燃料電池に供給する水素リッチな改質ガスを生成する。
【0003】
ところで、このような燃料改質システムでは、起動時、加速時等の過渡運転条件においては、蒸発器に供給される混合液が一時的に増加するため、蒸発器内の温度が一時的に低下する。このため、混合液内の高沸点成分である水の蒸発が遅れることにより低沸点成分であるメタノールの割合が増加し、蒸発器出口での混合蒸気の成分は、蒸発器入口での混合液の成分に対してメタノール分の多い燃料成分となる。この燃料成分の変化は、過渡での運転条件の変化によってさまざまな状態に変化する。その結果、起動時、加速時の等の過渡運転条件においては、ATRに供給される燃料成分が、定常運転状態においてATRでの反応に最適となるように調整された水とメタノールの混合液の比率から変動し、未反応のメタノールやCO成分や煤の量が増加し、水素の量が低下するという問題が生じる。(関連技術の公知文献としては、たとえば特開2000−154002公報を参照。)
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたもので、蒸発器から燃料改質器に供給される蒸気成分が大きく変化する場合でも、その発生蒸気成分に応じて燃料電池で利用可能な改質ガス組成の得られる移動体用燃料改質システムを提供することを目的としている。
【0004】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、液体燃料と水の混合液から成る原燃料蒸気を生成する蒸発器と前記原燃料蒸気と酸素を含む気体とを用いて、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質器と、前記改質器に供給する酸素を含む気体の量を制御する手段とを備える燃料改質システムにおいて、前記原燃料蒸気の量を検出する手段と、前記原燃料蒸気中の水蒸気の濃度を検出する手段とを有し、前記水蒸気の濃度と原燃料蒸気の量に基づき前記酸素を含む気体の量を制御する。
【0005】
第2の発明は、前記第1の発明において、前記水蒸気の濃度に基づき、前記原燃料中の液体燃料の量と改質器に供給される酸素を含む気体の量の比率を所定値から補正し、前記補正した比率に基づいて前記酸素を含む気体の量を算出する。
【0006】
第3の発明は、前記第1または第2の発明において、水または液体燃料を熱面加熱により蒸発し改質器に供給する手段を備え、前記検出した水蒸気の濃度が所定の濃度となる量の水または液体燃料を供給する。
【0007】
第4の発明は、前記第1から第3の発明において、前記水蒸気の濃度を検出する手段として、ペルチェ素子を冷却、加熱、熱電対として機能させた濃度センサを用いた。
【0008】
第5の発明は、前記第1から第3の発明において、前記水蒸気の濃度を検出する手段として、ヘリウムネオンレーザを用いた。
【0009】
【作用・効果】
第1または第2の発明によれば、燃料改質器に供給されるガスの濃度に応じて、酸素を含むガスの流量を補正する構成としたことから、燃料改質器に供給されるガスの濃度が変化しても、CO濃度、未燃メタノール量を燃料電池で使用可能な許容値レベルにまで低減した仕様の改質ガスを得ることができる。
【0010】
第3の発明によれば、燃料改質器に供給されるガスの濃度に応じて水または燃料の蒸気を熱面加熱により供給して、所定の濃度になるように補正することで、燃料電池で使用可能なCO濃度未燃メタノールが極めて低レベルに低減された仕様の改質ガスと最大の水素発生量とを得ることができる。
【0011】
第4または第5の発明によれば、蒸気濃度データを高応答で検知可能となり、これにより前記第1、第2の発明の制御精度をより高めることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の第1の実施形態を示す。まず燃料改質システムとしての基本的な構成および動作につき説明する。図において、燃料タンク100内の燃料であるメタノールと水の混合液101は蒸発器102に送られて加熱蒸発され、水とメタノールの混合蒸気181となって混合器180に供給される。また圧縮器104より混合器180に空気182が圧送される。混合蒸気181と空気182は、混合器180で混合された後、ATR103に供給される。ATR103は、燃料であるメタノールを、水ならびに空気内の酸素を用いて、下記の触媒反応により燃料改質し、水素リッチな改質ガスを生成する。
CH3OH+H2O ⇔ CO2+3H2 … (1)
CH3OH+O2/2 ⇔ CO2+2H2 … (2)
式(1)はメタノールの水蒸気反応(吸熱反応)であり、式(2)はメタノールの部分酸化反応(発熱反応)である。式(1)の反応は、主として下記に示されるように段階的に進行する。
CH3OH ⇔ CO+2H2 … (3)
CO+H2O ⇔ CO2+H2 … (4)
式(3)はメタノールの分解反応(吸熱反応)であり、式(4)は一酸化炭素のシフト反応(発熱反応)である。ATR103は、これらの反応式の、発熱ならびに吸熱のバランスするオートサーマル条件で運転される。従って反応器のサイズや構成、あるいは触媒の性能が決まれば、燃料であるメタノールの流量に対する水蒸気の流量、そして空気の流量といった流量比はほぼ定まる。なお本案では、部分酸化反応(POX)に消費されるメタノール流量の、供給された全メタノール流量に対する比をPOX率と定義し、供給された酸素のほぼ全量が式(2)の部分酸化反応に使用されることから、POX率から全メタノール流量に対する必要な空気流量が定まるものとしている。
【0013】
また、触媒の温度が低い起動時では、さらに下記の副反応が併発する。
CH3OH ⇔ HCHO+H2 … (5)
HCHO ⇔ CO+H2 … (6)
ATR103の運転温度は300〜600℃であり、熱力学的化学平衡により数%オーダーの一酸化炭素を含む改質ガスが得られる。一酸化炭素は固体高分子型燃料電池200の、白金等からなる燃料極電極触媒を被毒し、その活性を著しく低下させてしまうため、シフト反応器105ならびにPROX反応器(選択酸化反応器)106からなる一酸化炭素クリーナシステムにより、数十〜数百ppmにまで一酸化炭素を低減した上で燃料電池200に供給する必要がある。
【0014】
数%オーダーの一酸化炭素を含む改質ガスは、シフト反応器105に送られ、式(4)のシフト反応の早い触媒により、一酸化炭素が低減される。シフト反応器105の運転温度は200〜300℃であり、熱力学的化学平衡により0.数%オーダーの一酸化炭素を含む改質ガスとなる。シフト反応器がATR103に一体化される場合もある。シフト反応により一酸化炭素の低減された改質ガスはPROX反応器106に送られ、次式(7)の触媒酸化反応(発熱反応)により、さらに一酸化炭素が数十〜数百ppmにまで低減される。必要な酸素は圧縮器104により空気として供給される。
CO+O2/2 ⇔ CO2 … (7)
PROX反応器106では、水素雰囲気下で酸化反応を行うため、下記の水素の燃焼反応(発熱反応)も併発し、次式(8)に対する式(7)の選択性が改質システムの効率に大きな影響を及ぼす。
H2+O2/2 ⇔ H2O … (8)
PROX反応器106は、式(7)ならびに(8)による発熱を除去し、運転温度100数十℃に維持するために、図示しない冷却手段により空気あるいはLLC(冷却液)またはオイル等により冷却される。
【0015】
このようにして極めて低レベルな濃度にまで一酸化炭素が低減された改質ガスと圧縮器104からの空気とが燃料電池200の燃料極と空気極に送気され、発電が行われる。
【0016】
燃料電池200において、改質ガス中の水素を全て利用することは困難であり、一部の水素を残した、発電に使用済みの改質ガスと、一部の酸素を残した、発電に使用済みの空気とを、触媒燃焼器107に送り燃焼させる。得られた高温の排気ガスは、蒸発器102に送られ、メタノールと水の蒸発のエネルギーとして再利用される。
【0017】
500は、PROX反応器106に供給される空気の流量を制御する流量制御弁、501は、ATR103に供給される空気の流量を制御する流量制御弁、502は、燃料電池200の空気極に供給される空気の流量を制御する流量制御弁である。510は燃料電池200の燃料極の運転圧力を調整するための圧力制御弁、511は燃料電池200の空気極の運転圧力を調整するための圧力制御弁である。520、521は燃料電池200の燃料極側ならびに空気極側の運転圧力を検出する圧力センサであり、これらの圧力が同一となるように圧力調整がなされる。
【0018】
400は燃料電池自動車等の移動体のエネルギー管理を行うコントローラであり、改質システムの運転負荷信号402を、コントローラ401に送る。コントローラ401は運転負荷信号402にもとづき、ATR103に必要な燃料蒸気ならびに空気の流量となるように、ポンプ170を駆動し、蒸発器102に供給する液体燃料の流量を制御するとともに、流量制御弁501を制御する。601、602は流量センサである。
【0019】
本発明では、たとえばこのような燃料改質システムにおいて、蒸発器102からの蒸気流量を検出する手段である流量センサ601に加えて、当該蒸気の成分濃度を検出する手段として濃度センサ600を設け、これらの検出結果に基づいて供給空気流量等を適切に制御することにより、未反応のメタノールやCO成分、煤の量を抑制し、燃料電池で利用可能な適正な改質ガス組成の得られる移動体用燃料改質システムを提供するものである。以下、このような制御動作の具体的内容につき、図2以下の各図を用いて説明する。
【0020】
図2は、コントローラ401により周期的に実行される制御プログラムの処理内容を示している。以下、順を追って本制御動作における処理内容を説明する。なお、以下の説明中で符号「S」は図2の処理ステップ(Step)に対応している。
S1:コントローラ400から送られる改質システムの運転負荷信号402を読み込む。
S2:前記運転負荷信号402に基づき、必要な流量の液体燃料を蒸発器102に供給する。
S3:濃度センサ600の蒸気濃度の信号値を読み込む。
S4:濃度センサ600の蒸気濃度の信号値から図3,4に示す未燃メタノールおよびCO濃度が許容値に収まるPOX率の補正係数Kpox(%)をマップA(図5参照)より求める。
S5:流量センサ601の燃料の蒸気流量の信号値を読み込む。
S6:燃料の蒸気流量の信号値とS4で求めたPOX率の補正係数Kpox(%)から、マップB(図6参照)を用いて、供給すべき空気流量を求める。なお前記マップBは、下記の換算式を図にしたものである。
Fair = (1+Kpox/100)k1 (rpox,0/100)FFuel,vap … (9)
ただし、Fair:空気の流量(g/sec)
FFuel,vap:燃料蒸気の流量(g/sec)
rpox,0:設計仕様のPOX率(ほぼオートサーマル条件で約30%)
k1:定数
S7:Step6で定まった空気流量になるように流量制御弁501のバルブ開度を調整する。
【0021】
以上の処理により、蒸発器102から供給される蒸気流量と蒸気温度応じて、マップA(図5)で補正されたPOX率となるように、空気流量が常に制御されてATR103に供給される。
【0022】
前記処理による作用について詳述する。ATR103からシフト反応器105に供給される改質ガス中の未燃メタノール濃度の、ATR103に供給される蒸気濃度への依存性を図3に示す。同じくシフト反応器105からPROX反応器106に供給される改質ガス中のCO濃度の、ATR103に供給される蒸気濃度への依存性を図4に示す。図3,4のライン320、321は、ATR103からシフト反応器105およびシフト反応器105からPROX反応器106に供給すべき改質ガスのメタノールならびにCO濃度の上限を規定する仕様濃度である。
【0023】
図3のライン300は、オートサーマル条件での、すなわちPOX率を固定している場合に相当し、a点が設計点である。蒸気濃度が高くなった場合には未燃メタノール濃度がb点まで上がり、シフト反応器105に供給すべき改質ガスのメタノール濃度の仕様を満たさなくなる(この場合はc点まで低減要)。また、POX率rpox(%)が大きくなるように補正をかけた場合には未燃メタノール濃度が下がる。
【0024】
図4のライン301は、オートサーマル条件でのすなわちPOX率を固定している場合に相当し、a点が設計点である。蒸気濃度が高くなってしまった場合にはCO濃度が上がり(b点)また,POX率rpox(%)が大きくなるように補正をかけた場合にもCO濃度が上がる(未燃メタノールを許容値320に収めるに伴いCO濃度はc点まで上昇する)。すなわちMeOH(低沸点成分)濃度が高くなることは未燃メタノール,CO各々の許容値に対して厳しい方向で濃度が高くなるほど双方を各々の許容値に収める補正係数αの許容幅(図4の白抜き矢印部)は狭くなる。
【0025】
次に、図7〜図11により濃度センサ600の構造と測定法ついて説明する。図7〜図9は温度検出による例を示している。図7において、蒸気通路に臨むように断熱材10を介して保持した伝熱ブロック11の端面は蒸気通路に僅かに突出しており、その表面温度を伝熱ブロック11に組み込まれた熱電対12により求める。伝熱ブロック11の他方の端面はペルチエ素子13に流す電流の方向に応じて冷却または加熱し、このときの蒸気181に面した伝熱ブロック11端面における凝縮温度を検知する。たとえばペルチエ素子13により伝熱ブロック11を冷却し、凝縮による伝熱ブロック11表面の伝達状態の変化に基づいて伝熱ブロック11の表面温度変化の変曲点温度を検知する(図8参照)。その温度から気液相平衡線図に相当するマップ(図9参照)を参照して蒸気濃度を特定する。なお、凝縮温度に対し伝熱ブロック11の表面温度が低い場合にはペルチエ素子13をヒータとして用い、検索領域温度を上昇させて凝縮点を検知する。
【0026】
図10は、ペルチエ素子を冷却・加熱手段に加え熱電対としても用いた例を示す。ペルチエ素子を冷却・加熱手段として用いることと測定法については図7のものと同様であるが、この例ではペルチエ素子回路の電源をオフとしその時の電圧(V)より蒸気と接する金属表面S部の温度を検知する。この場合、センサの小型化によりレスポンスの向上とコスト低減が図れる。
【0027】
図11はHe-Neレーザを用いて蒸気濃度を検知する例であり、20はレーザ発振器、21はチョッパ、22はフィルタ、23は検知器である。この場合、炭化水素系の蒸気が波長3.3μm付近の電磁波を吸収する吸光特性を利用して、例えば波長3.392μmのレーザを蒸気通路の蒸気中に透過させることで蒸気濃度を検出する。なお蒸気濃度(モル濃度)の算出式は次のとおりである。
【0028】
c=−1/(ε・d)Log(I/IO)
ただし、c:吸収気体モル濃度(mol/cm3),
ε:モル消光係数(cm2/mol),
IO:入射光強度,
I:透過光強度,
d:吸収気体行路長(cm)
次に、本発明の第2の実施形態を図12に示す。この実施形態は、蒸発器102下流側の濃度センサ600と流量センサ601との間に熱面蒸発器603を設けた点で第1の実施形態と異なる。第1の実施形態では、MeOH(低沸点成分)濃度の上昇に伴い補正係数αの許容領域が狭まり、ある濃度を超えると許容領域が無くなる可能性がある。これに対して、この実施形態では熱面蒸発器603を備えたことによりMeOH(低沸点成分)濃度に応じて水またはメタノールを蒸発させ混合器180への蒸気濃度をより適正に保つことが可能となる。前記構成以外は第1の実施形態と同一であるので、同一の部分に同一の符号を付してその説明を省略する。
【0029】
図13は前記第2の実施形態のコントローラ401により周期的に実行される制御プログラムの処理内容を示している。以下、順を追って本制御動作における処理内容を説明する。
S1:コントローラ401から送られる改質システムの運転負荷信号402を読み込む。
S2:前記運転負荷信号402に基づき、必要な流量の液体燃料を蒸発器102に供給する。
S3:濃度センサ600の蒸気濃度の信号値を読み込む。
S4:流量センサ601の蒸気流量信号を読み込む。
S5:前記蒸気濃度と蒸気流量とから、液面蒸発器603での水の液面蒸発量を算出する。
S6:前記蒸気濃度と蒸気流量とから、液面蒸発器603でのメタノールの液面蒸発量を算出する。
S7:前記算出した水とメタノールの蒸発量相当分を供給する。
【0030】
以上の処理により、混合器180に供給する蒸気濃度がより適正化される。
【0031】
なお、燃料改質器に供給されるガスの温度を検知し前記の濃度同様、酸素を含むガスの流量を補正する構成とすることにより、燃料改質器に供給されるガスの温度が変化しても、燃料電池で使用可能なCO濃度に低減することが可能である。すなわち、燃料改質器に供給される気体燃料ないしは液体燃料の蒸気の温度、前記燃料改質器に供給される酸素を含む気体の温度、前記気体燃料ないしは液体燃料の蒸気と前記酸素を含む気体とが混合された気体の温度の少なくとも一つの温度を検出する手段とを設け、該温度を検出する手段の信号値に応じて、前記気体燃料ないしは液体燃料の蒸気の流量に対する前記酸素を含む気体の流量の比率を補正し、該補正された比率に応じて前記酸素を含む気体を供給する構成とすることにより、CO濃度を所要限度にまで低減した改質ガスを供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による改質システムの第1の実施形態の概略構成図。
【図2】前記第1の実施形態の制御動作内容を表す流れ図。
【図3】ATR出口部の未燃メタノール濃度と蒸気濃度との関係を表す特性図。
【図4】ATR出口部のCO濃度と蒸気濃度との関係を表す特性図。
【図5】発生蒸気濃度に応じてPOX率補正係数を与えるマップの説明図。
【図6】蒸気流量とPOX率とから供給空気流量を与えるマップの説明図。
【図7】蒸気濃度検出手段に関する第1の実施形態の概略構成図。
【図8】前記濃度検出手段による濃度検出手法に用いる温度特性の説明図。
【図9】前記濃度検出手段による濃度検出手法に用いる相変化特性の説明図。
【図10】蒸気濃度検出手段に関する第2の実施形態の概略構成図。
【図11】蒸気濃度検出手段に関する第3の実施形態の概略構成図。
【図12】本発明による改質システムの第2の実施形態の概略構成図。
【図13】前記第2の実施形態の制御動作内容を表す流れ図。
【符号の説明】
100 燃料タンク
102 蒸発器
103 ATR
104 空気圧縮器
105 シフト反応器
106 PROX反応器
107 燃焼器
180 混合器
200 燃料電池
401 コントローラ
600 濃度センサ
601 流量センサ
603 熱面蒸発器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel reforming system suitable for a mobile fuel cell device.
[0002]
[Prior art and problems to be solved]
As a reforming system suitable for a mobile fuel cell device represented by a fuel cell vehicle, the following is known. That is, a mixed liquid of methanol and water as fuel is sent to an evaporator, and a mixed vapor of water and methanol vaporized by the evaporator is supplied to the mixer. In addition, air is pumped into the mixer by a compressor. The mixed vapor and air are mixed in a mixer and then sent to an ATR (autothermal reactor). ATR fuel reforms methanol, which is fuel, by catalytic reaction using water and oxygen in the air, thereby generating a hydrogen-rich reformed gas to be supplied to the fuel cell.
[0003]
By the way, in such a fuel reforming system, the liquid mixture supplied to the evaporator temporarily increases under transient operation conditions such as startup and acceleration, so that the temperature in the evaporator temporarily decreases. To do. For this reason, the proportion of methanol, which is a low-boiling component, increases due to the delay in evaporation of water, which is a high-boiling component, in the mixed solution, and the component of the mixed vapor at the evaporator outlet It becomes a fuel component with a large amount of methanol relative to the component. This change in the fuel component changes into various states depending on the change in the operating condition in the transient state. As a result, under transient operation conditions such as startup and acceleration, the fuel component supplied to the ATR is a mixture of water and methanol adjusted so as to be optimal for the reaction in the ATR in the steady operation state. There is a problem that the amount of unreacted methanol, CO component and soot increases, and the amount of hydrogen decreases due to fluctuation from the ratio. (For example, see Japanese Patent Laid-Open No. 2000-154002 as a related art document.)
The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and even when the steam component supplied from the evaporator to the fuel reformer changes greatly, it is used in the fuel cell according to the generated steam component. It is an object of the present invention to provide a fuel reforming system for a moving body that can obtain a possible reformed gas composition.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
A first aspect of the present invention is a fuel reformer that generates a reformed gas containing hydrogen using an evaporator that generates a raw fuel vapor composed of a liquid mixture of liquid fuel and water, and the raw fuel vapor and a gas containing oxygen. And a means for controlling the amount of gas containing oxygen to be supplied to the reformer, the means for detecting the amount of the raw fuel vapor, and the concentration of water vapor in the raw fuel vapor And detecting the amount of gas containing oxygen based on the concentration of water vapor and the amount of raw fuel vapor.
[0005]
In a second aspect based on the first aspect, the ratio of the amount of liquid fuel in the raw fuel and the amount of gas containing oxygen supplied to the reformer is corrected from a predetermined value based on the concentration of the water vapor. Then, the amount of the gas containing oxygen is calculated based on the corrected ratio.
[0006]
According to a third invention, in the first or second invention, there is provided means for evaporating water or liquid fuel by hot surface heating and supplying the water or liquid fuel to a reformer, wherein the detected water vapor concentration is a predetermined concentration Supply water or liquid fuel.
[0007]
According to a fourth invention, in the first to third inventions, a concentration sensor in which a Peltier element functions as a cooling, heating, and thermocouple is used as means for detecting the concentration of the water vapor.
[0008]
According to a fifth invention, in the first to third inventions, a helium neon laser is used as means for detecting the concentration of the water vapor.
[0009]
[Action / Effect]
According to the first or second aspect of the invention, since the flow rate of the gas containing oxygen is corrected according to the concentration of the gas supplied to the fuel reformer, the gas supplied to the fuel reformer Even if the concentration of CO2 changes, it is possible to obtain a reformed gas having a specification in which the CO concentration and the amount of unburned methanol are reduced to an allowable level that can be used in a fuel cell.
[0010]
According to the third aspect of the invention, by supplying water or fuel vapor by hot surface heating according to the concentration of the gas supplied to the fuel reformer and correcting it to a predetermined concentration, the fuel cell The reformed gas and the maximum amount of hydrogen generated can be obtained with the CO concentration unburned methanol that can be used in 1) reduced to an extremely low level.
[0011]
According to the fourth or fifth invention, it is possible to detect the vapor concentration data with high response, and thereby the control accuracy of the first and second inventions can be further improved.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. First, the basic configuration and operation of the fuel reforming system will be described. In the figure, a mixed liquid 101 of methanol and water, which is fuel in the
CH 3 OH + H 2 O⇔CO 2 + 3H 2 (1)
CH 3 OH + O 2/2 ⇔
Formula (1) is a water vapor reaction (endothermic reaction) of methanol, and Formula (2) is a partial oxidation reaction (exothermic reaction) of methanol. The reaction of the formula (1) proceeds stepwise mainly as shown below.
CH 3 OH⇔CO + 2H 2 (3)
CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2 (4)
Equation (3) is a methanol decomposition reaction (endothermic reaction), and Equation (4) is a carbon monoxide shift reaction (exothermic reaction). The ATR 103 is operated under autothermal conditions that balance the heat generation and endotherm of these reaction formulas. Therefore, if the size and configuration of the reactor or the performance of the catalyst is determined, the flow rate ratio such as the flow rate of water vapor and the flow rate of air is almost determined. In this proposal, the ratio of the methanol flow rate consumed in the partial oxidation reaction (POX) to the total methanol flow rate supplied is defined as the POX rate, and almost all of the supplied oxygen is converted into the partial oxidation reaction of formula (2). Since it is used, the required air flow rate with respect to the total methanol flow rate is determined from the POX rate.
[0013]
Further, at the time of start-up where the temperature of the catalyst is low, the following side reactions further occur.
CH 3 OH⇔HCHO + H 2 (5)
HCHO CO CO + H 2 (6)
The operating temperature of the ATR103 is 300 to 600 ° C., and a reformed gas containing carbon monoxide on the order of several percent is obtained by thermodynamic chemical equilibrium. Since carbon monoxide poisons the fuel electrode electrode catalyst made of platinum or the like of the solid
[0014]
The reformed gas containing carbon monoxide on the order of several percent is sent to the
CO + O 2/2 ⇔ CO 2 ... (7)
Since the
H 2 + O 2 / 2⇔H 2 O (8)
The
[0015]
In this way, the reformed gas in which carbon monoxide is reduced to a very low concentration and the air from the
[0016]
In the
[0017]
500 is a flow rate control valve that controls the flow rate of air supplied to the
[0018]
[0019]
In the present invention, for example, in such a fuel reforming system, in addition to the
[0020]
FIG. 2 shows the processing contents of a control program periodically executed by the
S1: Read the
S2: A liquid fuel having a required flow rate is supplied to the
S3: The signal value of the vapor concentration of the concentration sensor 600 is read.
S4: From the signal value of the vapor concentration of the concentration sensor 600, the correction coefficient K pox (%) of the POX rate at which the unburned methanol and CO concentrations shown in FIGS. 3 and 4 fall within the allowable values is obtained from the map A (see FIG. 5).
S5: The fuel vapor flow rate signal value of the
S6: The flow rate of air to be supplied is obtained from the signal value of the fuel vapor flow rate and the correction coefficient K pox (%) of the POX rate obtained in S4 using the map B (see FIG. 6). The map B is the following conversion formula.
F air = (1 + K pox / 100) k 1 (r pox, 0/100 ) F Fuel, vap (9)
Where F air : Air flow rate (g / sec)
F Fuel, vap : Flow rate of fuel vapor (g / sec)
r pox, 0 : Design specification POX rate (approximately 30% under auto-thermal conditions)
k 1 : Constant S7: The valve opening of the
[0021]
Through the above processing, the air flow rate is always controlled and supplied to the
[0022]
The effect | action by the said process is explained in full detail. FIG. 3 shows the dependence of the unburned methanol concentration in the reformed gas supplied from the
[0023]
A
[0024]
A
[0025]
Next, the structure and measurement method of the density sensor 600 will be described with reference to FIGS. 7 to 9 show examples based on temperature detection. In FIG. 7, the end face of the heat transfer block 11 held via the
[0026]
FIG. 10 shows an example in which the Peltier element is used as a thermocouple in addition to the cooling / heating means. The use of the Peltier element as a cooling and heating means and the measuring method are the same as those in FIG. 7, but in this example, the power of the Peltier element circuit is turned off and the metal surface S part in contact with the vapor from the voltage (V) at that time Detect the temperature of In this case, the response can be improved and the cost can be reduced by downsizing the sensor.
[0027]
FIG. 11 shows an example in which the vapor concentration is detected using a He—Ne laser. 20 is a laser oscillator, 21 is a chopper, 22 is a filter, and 23 is a detector. In this case, the vapor concentration is detected by transmitting, for example, a laser having a wavelength of 3.392 μm into the vapor in the vapor path by utilizing a light absorption characteristic that the hydrocarbon vapor absorbs an electromagnetic wave having a wavelength of about 3.3 μm. The formula for calculating the vapor concentration (molar concentration) is as follows.
[0028]
c = −1 / (ε · d) Log (I / I O )
Where c: molar concentration of absorbed gas (mol / cm 3 ),
ε: molar extinction coefficient (cm 2 / mol),
I O : Incident light intensity,
I: transmitted light intensity,
d: Absorption gas path length (cm)
Next, a second embodiment of the present invention is shown in FIG. This embodiment differs from the first embodiment in that a hot surface evaporator 603 is provided between the concentration sensor 600 and the
[0029]
FIG. 13 shows processing contents of a control program periodically executed by the
S1: Read the
S2: A liquid fuel having a required flow rate is supplied to the
S3: The signal value of the vapor concentration of the concentration sensor 600 is read.
S4: The steam flow signal of the
S5: The liquid level evaporation amount of water in the liquid level evaporator 603 is calculated from the vapor concentration and the vapor flow rate.
S6: The liquid level evaporation amount of methanol in the liquid level evaporator 603 is calculated from the vapor concentration and the vapor flow rate.
S7: Supply the amount corresponding to the calculated amount of evaporation of water and methanol.
[0030]
By the above processing, the vapor concentration supplied to the
[0031]
Note that the temperature of the gas supplied to the fuel reformer changes by detecting the temperature of the gas supplied to the fuel reformer and correcting the flow rate of the gas containing oxygen in the same manner as the above concentration. However, it is possible to reduce the CO concentration usable in the fuel cell. That is, the temperature of the gas fuel or liquid fuel vapor supplied to the fuel reformer, the temperature of the gas containing oxygen supplied to the fuel reformer, the gas fuel or liquid fuel vapor and the gas containing oxygen Means for detecting at least one temperature of the temperature of the mixed gas, and the gas containing oxygen with respect to the flow rate of the vapor of the gaseous fuel or liquid fuel according to the signal value of the means for detecting the temperature By correcting the flow rate ratio and supplying the gas containing oxygen in accordance with the corrected ratio, it is possible to supply the reformed gas with the CO concentration reduced to the required limit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a first embodiment of a reforming system according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing the contents of a control operation of the first embodiment.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the unburned methanol concentration at the ATR outlet and the vapor concentration.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the CO concentration at the ATR outlet and the vapor concentration.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a map that gives a POX rate correction coefficient according to the generated vapor concentration.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a map that gives a supply air flow rate from a steam flow rate and a POX rate.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a first embodiment relating to a vapor concentration detection means.
FIG. 8 is an explanatory diagram of temperature characteristics used in a concentration detection method by the concentration detection means.
FIG. 9 is an explanatory diagram of phase change characteristics used in a concentration detection method by the concentration detection means.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a second embodiment relating to a vapor concentration detection means.
FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a third embodiment relating to a vapor concentration detection means.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a second embodiment of the reforming system according to the present invention.
FIG. 13 is a flowchart showing the contents of a control operation of the second embodiment.
[Explanation of symbols]
100
Claims (5)
前記原燃料蒸気と酸素を含む気体とを用いて、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質器と、
前記改質器に供給する酸素を含む気体の量を制御する手段と
を備える燃料改質システムにおいて、
前記原燃料蒸気の量を検出する手段と、
前記原燃料蒸気中の水蒸気の濃度を検出する手段とを有し、
前記水蒸気の濃度と原燃料蒸気の量に基づき前記酸素を含む気体の量を制御する燃料改質システム。A fuel reformer that produces a reformed gas containing hydrogen using an evaporator that produces a raw fuel vapor comprising a mixture of liquid fuel and water, and a gas containing the raw fuel vapor and oxygen;
A fuel reforming system comprising: means for controlling the amount of gas containing oxygen supplied to the reformer;
Means for detecting the amount of the raw fuel vapor;
Means for detecting the concentration of water vapor in the raw fuel vapor,
A fuel reforming system that controls the amount of gas containing oxygen based on the concentration of water vapor and the amount of raw fuel vapor.
前記水蒸気の濃度に基づき、前記原燃料中の液体燃料の量と改質器に供給される酸素を含む気体の量の比率を所定値から補正し、前記補正した比率に基づいて前記酸素を含む気体の量を算出する燃料改質システム。The fuel reforming system according to claim 1, wherein
Based on the concentration of the water vapor, the ratio of the amount of liquid fuel in the raw fuel and the amount of gas containing oxygen supplied to the reformer is corrected from a predetermined value, and the oxygen is included based on the corrected ratio. A fuel reforming system that calculates the amount of gas.
水または液体燃料を熱面加熱により蒸発し改質器に供給する手段を備え、
前記検出した水蒸気の濃度が所定の濃度となる量の水または液体燃料を供給する燃料改質システム。In the fuel reforming system according to claim 1 or 2,
Means for evaporating water or liquid fuel by hot surface heating and supplying it to the reformer;
A fuel reforming system that supplies water or liquid fuel in an amount such that the detected water vapor concentration becomes a predetermined concentration.
前記水蒸気の濃度を検出する手段として、ペルチェ素子を冷却、加熱、熱電対として機能させた濃度センサを用いた燃料改質システム。In the fuel reforming system according to any one of claims 1 to 3,
A fuel reforming system using a concentration sensor in which a Peltier element functions as a cooling, heating, and thermocouple as means for detecting the concentration of water vapor.
前記水蒸気の濃度を検出する手段として、ヘリウムネオンレーザを用いた燃料改質システム。In the fuel reforming system according to any one of claims 1 to 3,
A fuel reforming system using a helium neon laser as means for detecting the concentration of the water vapor.
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