JP5534866B2 - HYDROGEN GENERATOR AND ITS START-UP METHOD, FUEL CELL SYSTEM AND ITS START-UP METHOD - Google Patents
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Description
本発明は、水素生成装置およびその起動方法並びに燃料電池システムおよびその起動方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen generator and a startup method thereof, a fuel cell system, and a startup method thereof.
燃料電池システムは、燃料電池本体と、その燃料電池本体に供給する水素を生成する水素生成装置を有している。水素生成装置は、たとえば燃焼部と改質部とを備えていて、炭化水素系燃料を供給されて、たとえば水蒸気改質反応により水素を生成する。燃焼部は、燃焼用のバーナを備え、改質反応に必要な熱量を供給する。改質部は、燃焼部に隣接した位置に設けられ、改質触媒が充填されている。燃焼部および改質部は、それぞれ気密性を有する構造を持つ。燃焼部と改質部の間にある改質管(あるいは改質板)は、1100〜1300℃値程度の高温の燃焼ガスに曝されるため、一般的に耐熱性、耐腐食性を有する部材が使用されている。 The fuel cell system includes a fuel cell main body and a hydrogen generator that generates hydrogen to be supplied to the fuel cell main body. The hydrogen generator includes, for example, a combustion section and a reforming section, and is supplied with a hydrocarbon-based fuel and generates hydrogen by, for example, a steam reforming reaction. The combustion section is provided with a burner for combustion, and supplies the amount of heat necessary for the reforming reaction. The reforming section is provided at a position adjacent to the combustion section and is filled with a reforming catalyst. Each of the combustion section and the reforming section has an airtight structure. Since the reforming pipe (or reforming plate) between the combustion section and the reforming section is exposed to a high-temperature combustion gas of about 1100 to 1300 ° C., generally a member having heat resistance and corrosion resistance Is used.
水素生成装置の起動時において、バーナ火炎によって、燃焼部側は常温の状態から急激に温度が上昇する。この際、改質触媒が充填されている改質部は、燃焼部との隔壁である改質管を通しての伝熱によって、徐々に温度が上昇していく。このため、燃焼部と改質部との間に大きな温度差を生じる傾向にある。燃焼部と改質部の間の改質管は温度が高くなるので、改質部を構成している容器に対して大きな熱伸びが生じる。その結果、その接合部に応力が集中し、クラックが発生する要因となっている。 At the time of starting the hydrogen generator, the temperature of the combustion section is rapidly increased from the normal temperature state by the burner flame. At this time, the temperature of the reforming section filled with the reforming catalyst gradually increases due to heat transfer through the reforming pipe which is a partition wall with the combustion section. For this reason, it tends to produce a large temperature difference between the combustion section and the reforming section. Since the temperature of the reforming pipe between the combustion section and the reforming section becomes high, a large thermal elongation occurs with respect to the container constituting the reforming section. As a result, stress concentrates on the joint, which causes cracks.
たとえば特許文献1および特許文献2には、水素生成装置に生じる熱応力に対する耐性を向上させる方法が開示されている。この方法としては、より特殊な材料を使用する方法や、熱伸びを極力拘束しない構造にする方法がある。また、発生する熱応力を緩和させるために、燃焼部・改質部を構成している容器に伸縮継手を設けて耐熱サイクルを向上させる方法もある。
For example,
水素生成装置に生じる熱応力に対する耐性を向上させるために、耐熱性のある特殊な材料を使用すると、高価なものになる傾向にある。また、構造的に緩和させる方法では、熱応力の緩和の程度に限度があり、また、そのような構造は複雑であるため、高価なものになる傾向にある。 In order to improve the resistance to the thermal stress generated in the hydrogen generator, the use of a special material having heat resistance tends to be expensive. Further, in the method of structural relaxation, there is a limit to the degree of thermal stress relaxation, and since such a structure is complicated, it tends to be expensive.
そこで、本発明は、製造コストを過度に増大させずに、燃料電池システムの水素生成装置に過大な熱応力が発生しないようにすることを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to prevent an excessive thermal stress from being generated in a hydrogen generator of a fuel cell system without excessively increasing the manufacturing cost.
上述の目的を達成するため、本発明は、水素生成装置において、外壁とこの外壁に固定された仕切板で囲まれて炭化水素系燃料と水蒸気とに水蒸気改質反応を生じさせる触媒を収納した改質部と、前記仕切板に面して設けられて発熱する燃焼部と、前記仕切板の前記燃焼部側の点と前記改質部内部の点との温度差を測定する温度差測定手段と、起動時に前記温度差が所定の値以上となったときに前記燃焼部の単位時間当たりの発熱量を低減させながら前記温度差を所定の値以下に制御し前記触媒が所定の温度になるまで前記燃焼部に発熱させて前記触媒を加熱する温度差制御手段と、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above-mentioned object, the present invention accommodates a catalyst for generating a steam reforming reaction between hydrocarbon fuel and steam surrounded by an outer wall and a partition plate fixed to the outer wall in a hydrogen generator. A temperature difference measuring means for measuring a temperature difference between a reforming unit, a combustion unit provided facing the partition plate and generating heat, and a point on the combustion unit side of the partition plate and a point inside the reforming unit When the temperature difference at the time of startup becomes equal to or higher than a predetermined value, the temperature difference is controlled to be equal to or lower than the predetermined value while reducing the heat generation amount per unit time of the combustion unit, and the catalyst reaches a predetermined temperature. until allowed to exotherm to the combustion section and having a a temperature difference controlling means you heat the catalyst.
また、本発明は、燃料電池システムにおいて、燃料電池と、外壁とこの外壁に固定された仕切板で囲まれて炭化水素系燃料と水蒸気とに水蒸気改質反応を生じさせる触媒を収納した改質部と、前記仕切板に面して設けられて発熱する燃焼部と、前記仕切板の前記燃焼部側の点と前記改質部内部の点との温度差を測定する温度差測定手段と、起動時に前記温度差が所定の値以上となったときに前記燃焼部の単位時間当たりの発熱量を低減させながら前記温度差を所定の値以下に制御し前記触媒が所定の温度になるまで前記燃焼部に発熱させて前記触媒を加熱する温度差制御手段と、を備えて前記燃料電池に水素を供給する水素生成装置と、を有することを特徴とする。 Further, the present invention provides a fuel cell system in which a fuel cell, a reformer that contains a catalyst that causes a steam reforming reaction between hydrocarbon fuel and steam surrounded by an outer wall and a partition plate fixed to the outer wall. A temperature difference measuring means for measuring a temperature difference between a point on the combustion plate side facing the partition plate and generating heat, a point on the combustion portion side of the partition plate and a point inside the reforming unit, When the temperature difference becomes greater than or equal to a predetermined value at startup, the temperature difference is controlled to be equal to or less than a predetermined value while reducing the amount of heat generated per unit time of the combustion unit until the catalyst reaches a predetermined temperature. allowed to exotherm to the combustion section and having a hydrogen generating device for supplying hydrogen to the fuel cell and a temperature difference controlling means you heat the catalyst.
また、本発明は、外壁とこの外壁に固定された仕切板で囲まれて炭化水素系燃料と水蒸気とに水蒸気改質反応を生じさせる触媒を収納した改質部と前記仕切板に面して設けられて発熱する燃焼部とを備えた水素生成装置の起動方法において、前記仕切板の前記燃焼部側の点と前記改質部内部の点との温度差を測定する温度差測定工程と、前記触媒が所定の温度になるまで前記燃焼部に発熱させて前記触媒を加熱する加熱工程と、前記温度差が所定の値以上となったときに前記燃焼部の単位時間当たりの発熱量を低減させる発熱量低減工程と、を有することを特徴とする。 Further, the present invention faces a reforming section that contains a catalyst that causes a steam reforming reaction between hydrocarbon fuel and steam surrounded by an outer wall and a partition plate fixed to the outer wall, and the partition plate. In a method for starting a hydrogen generator provided with a combustion section that generates heat, a temperature difference measurement step for measuring a temperature difference between a point on the combustion section side of the partition plate and a point inside the reforming section; A heating step of heating the catalyst by causing the combustion section to generate heat until the catalyst reaches a predetermined temperature, and reducing the amount of heat generated per unit time of the combustion section when the temperature difference exceeds a predetermined value And a calorific value reduction step.
外壁とこの外壁に固定された仕切板で囲まれて炭化水素系燃料と水蒸気とに水蒸気改質反応を生じさせる触媒を収納した改質部と前記仕切板に面して設けられて発熱する燃焼部とを備えた水素生成装置と燃料電池とを備えた燃料電池システムの起動方法において、前記仕切板の前記燃焼部側の点と前記改質部内部の点との温度差を測定する温度差測定工程と、前記触媒が所定の温度になるまで前記燃焼部に発熱させて前記触媒を加熱する加熱工程と、前記温度差が所定の値以上となったときに前記燃焼部の単位時間当たりの発熱量を低減させる発熱量低減工程と、前記触媒が所定の温度以上のときに前記改質部に原燃料を供給する原燃料供給工程と、を有することを特徴とする。 Combustion that is surrounded by an outer wall and a partition plate fixed to the outer wall and contains a reforming unit that contains a catalyst that causes a steam reforming reaction between hydrocarbon fuel and steam, and that faces the partition plate and generates heat In the start-up method of the fuel cell system comprising a hydrogen generator having a section and a fuel cell, a temperature difference for measuring a temperature difference between a point on the combustion section side of the partition plate and a point inside the reforming section A measurement step, a heating step of heating the catalyst by causing the combustion portion to generate heat until the catalyst reaches a predetermined temperature, and a unit per unit time of the combustion portion when the temperature difference becomes a predetermined value or more. A heating value reduction step for reducing the heating value and a raw fuel supply step for supplying raw fuel to the reforming section when the catalyst is at a predetermined temperature or higher are provided.
本発明によれば、製造コストを過度に増大させずに、燃料電池システムの水素生成装置に過大な熱応力が発生しないようにすることができる。 According to the present invention, it is possible to prevent excessive thermal stress from being generated in the hydrogen generator of the fuel cell system without excessively increasing the manufacturing cost.
本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。 Embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawings. Note that this embodiment is merely an example, and the present invention is not limited thereto.
図1は、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態におけるブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
燃料電池システムは、燃料電池70と、水素生成装置10とを有している。水素生成装置10は、改質水供給器41から供給される純水と、原燃料供給器40から供給される炭化水素系燃料を用いて、水蒸気改質反応によって水素を生成する。水素生成装置10が生成した水素は、燃料電池70に供給されて、発電反応に用いられる。水素生成装置10は、改質器11と一酸化炭素変成器12と一酸化炭素除去器13と水蒸気発生器14と第1熱交換器51と第2熱交換器52と制御器60とを備えている。
The fuel cell system includes a
改質器11は、改質部17と燃焼部16とを備えている。改質器11は、耐熱性、耐腐食性をもつステンレス鋼を用いて形成される。
The reformer 11 includes a reforming
改質部17は、外壁21とこの外壁21に固定された仕切板22で囲まれている。改質部17の仕切板22は、円筒状に形成されている。改質器17の外壁21は、円筒状の仕切板22と同心の円筒とその軸方向の両端部に仕切板22との間を塞ぐ板とからなっている。つまり、本実施の形態において、改質部17は、環状に形成されている。
The reforming
改質部17の内部には、改質触媒23が収められている。改質触媒23は、仕切板22に沿って配置されている。改質部17の内部の改質触媒23が配置されていない部分は、空洞となっている。
A reforming
改質部17の改質触媒23が配置されている部分の近傍には、改質用の水蒸気および炭化水素系燃料が導入される導入口24が設けられている。また、改質部17には、改質触媒23が配置されていない空洞部分と連通し、改質反応によって生じた水素リッチガスを排出する排出口25が設けられている。
In the vicinity of the portion of the reforming
燃焼部16は、仕切板22に面して設けられる。本実施の形態では、円筒状の仕切板22の内側の円柱状の領域が燃焼部16となっている。燃焼部16には、空気供給器30およびバーナ燃料供給器31が接続されている。空気供給器30と燃焼部16との間には、バーナ空気調整弁64が設けられている。バーナ燃料供給器31と燃焼部16との間には、バーナ燃料調整弁63が設けられている。また、燃焼部16には、排出管32が取り付けられている。
The
改質水供給器41は、たとえば純水を貯えるタンク(図示せず)と、貯えられた純水を送出するポンプ(図示せず)などから構成されていて、水蒸気改質反応に用いる純水を供給する。この改質水供給器41は、第2熱交換器52の低温側の入口に接続されている。第2熱交換器52の低温側の出口は、水蒸気発生器14の低温側の入口に接続されている。
The reforming
原燃料供給器40は、第1熱交換器51の低温側の入口に接続されている。原燃料供給器40は、たとえば都市ガスの配管や、LPガスのタンクなどであり、水蒸気改質反応に用いる炭化水素系燃料を供給する。水蒸気発生器14の低温側の出口は、原燃料供給器40から第1熱交換器51に延びる配管の途中に接続されている。
The
第1熱交換器51の低温側の出口は、改質部17の導入口24に接続されている。改質部17の排出口25は、第1熱交換器51の高温側の入口に接続されている。第1熱交換器51の高温側の出口は、一酸化炭素変成器12の入口に接続されている。一酸化炭素変成器12の出口は、第2熱交換器52の高温側の入口に接続されている。第2熱交換器52の高温側の出口は、一酸化炭素除去器13の入口に接続されている。一酸化炭素除去器13の出口は、燃料電池70に接続されている。
The low temperature side outlet of the
仕切板22には、第1温度計61が取り付けられている。第1温度計61は、たとえば仕切板22の燃焼部16側で最も温度が高くなる位置など、仕切板22の熱膨張量を表現できるような代表的な温度を測定する位置に設けられている。
A
改質部17の内部には、温度を測定する第2温度計62が取り付けられている。第2温度計62は、改質触媒23の出口近傍など、改質部17の外壁21の熱膨張量を表現できるような代表的な温度を測定する位置に設けられている。
A
つまり、第1温度計61および第2温度計62によって、測定される温度の差は、仕切板22と改質部17の外壁21との熱膨張量差を表現できる値となっている。第1温度計61および第2温度計62は、たとえば熱電対である。
That is, the difference in temperature measured by the
第1温度計61および第2温度計62が測定した温度は、制御器60に伝達される。制御器60は、これらの温度に基づいて、バーナ燃料調整弁63およびバーナ空気調整弁64を制御する。バーナ燃料調整弁63およびバーナ空気調整弁64の開閉量を制御することによって、制御器60は、燃焼部16での燃焼、すなわち、発熱量を制御する。
The temperatures measured by the
本実施の形態では、弁の開度が連続的に可変のバーナ燃料調整弁63およびバーナ空気調整弁64を設けて、燃焼部16での発熱量を制御可能としているが、他の方法で発熱量を制御してもよい。たとえば、単に弁の開閉のみだけを行う遮断弁を用いて、燃焼部16での点火と失火の切り替えにより発熱量を変化させてもよい。あるいは、空気供給器30にブロワを用いた場合には、ブロワの回転数を変化させることによって燃焼部16への空気の供給量を変化させて発熱量を変化させることもできる。
In the present embodiment, the burner fuel adjustment valve 63 and the burner
改質水供給器41から供給される改質水は、第2熱交換器52の低温側に送られる。第2熱交換器52の低温側を通過して加熱された改質水は、水蒸気発生器14の低温側に送られる。水蒸気発生器14に送られた改質水は、加熱されて蒸気になる。蒸気となった改質水は、原燃料供給器40から送られる炭化水素系燃料と混合され、第1熱交換器51の低温側に送られる。第1熱交換器51に送られた蒸気と炭化水素系燃料との混合ガスは、第1熱交換器51で加熱された後、改質器11の改質部17に送られる。
The reformed water supplied from the reformed
改質器11の燃焼部16には、空気供給器30によって空気が、バーナ燃料供給器31によってバーナ燃焼用燃料が供給される。燃焼部16では、バーナ燃焼用燃料が燃焼する。燃焼部16での燃焼によって発生した熱は、改質器11の仕切板22を通過して改質部17に伝達される。燃焼部16の内部での燃焼の排ガスは、排出管32から排出される。排出管32から排出される燃焼部16の燃焼排ガスは、水蒸気発生器14の高温側に供給される。
Air is supplied to the
燃焼部16での発熱により温められた改質部17では、水蒸気改質反応が生じて水素が生成される。改質部17で生成された水素を含む水素リッチガスは、第1熱交換器51の高温側に送られる。第1熱交換器51の高温側を通過して、第1熱交換器51の低温側を通過する水蒸気と炭化水素系燃料との混合ガスと熱交換した水素リッチガスは、一酸化炭素変成器12に送られる。
In the reforming
一酸化炭素変成器12に送られた水素リッチガス中に含まれる一酸化炭素の大部分は、変成反応により二酸化炭素に変成される。一酸化炭素変成器12で一酸化炭素の濃度が低下した水素リッチガスは、第2熱交換器52の高温側に送られる。第2熱交換器の高温側を通過して、第2熱交換器52の低温側を通過する改質水と熱交換した水素リッチガスは、一酸化炭素除去器13に送られる。
Most of the carbon monoxide contained in the hydrogen-rich gas sent to the
一酸化炭素除去器13に送られた水素リッチガス中に含まれる一酸化炭素は、一酸化炭素除去器13でほとんど取り除かれる。一酸化炭素除去器13で一酸化炭素がほとんど取り除かれた水素リッチガスは、燃料電池70に送られる。燃料電池70に送られた水素リッチガス中に含まれる水素は、燃料電池70に別途供給される空気中の酸素とともに発電反応に用いられる。
Carbon monoxide contained in the hydrogen-rich gas sent to the
次に、このような燃料電池システムにおける水素生成装置10の起動方法を説明する。ここで、起動とは、初めての運転の開始のときだけでなく、水素生成装置で水素を生成する運転を行った後に、再び水素を生成する運転に移行する再起動のときのことも含む。このため、水素生成装置の起動を開始する際には、水素生成装置10の燃焼部16および改質部17は、定常運転の状態より温度が低い状態となっている。特に、初めての起動や定常運転が終了してから長い時間が経過した場合には、燃焼部16および改質部17の温度が設置場所の気温とほぼ等しい状態から、起動されることになる。
Next, a startup method of the
図2は、本実施の形態の水素生成装置の起動時のフローチャートである。図3は、本実施の形態における改質器の各部の温度の時間変化を示すグラフである。図3において、実線は燃焼部16に設置した第1温度計61が測定した温度TC1を、一点鎖線は改質部17に設置した第2温度計62が測定した温度TC2を、破線はこれらの温度差TC1−TC2を示す。
FIG. 2 is a flowchart at the time of startup of the hydrogen generator of the present embodiment. FIG. 3 is a graph showing the change over time in the temperature of each part of the reformer in the present embodiment. In FIG. 3, the solid line indicates the temperature TC1 measured by the
水素生成装置10の起動を開始すると、まず、第1の昇温ステップに入る(S1〜S4、S11)。第1の昇温ステップでは、改質器11の燃焼部16のパージが行われる(S1)。燃焼部16のパージは、バーナ空気調整弁64を開いて、バーナ空気供給器30から空気を燃焼部16に導入することによって行われる。
When starting of the
燃焼部16のパージが終了したら、燃焼部16に点火がされる(S2)。燃焼部16の点火は、バーナ燃料調整弁63を開いて、バーナ燃料供給器31から起動燃料が供給されるとともに、イグナイターをONとすることによって行われる。
When the purge of the
改質器11に設けた燃焼部16に点火がされると、第1の昇温ステップにおける昇温が開始する。このとき、改質触媒23が充填されている改質部17は、燃焼部16の燃焼排ガスから水蒸気発生器14で回収した熱によって加熱される。また、改質部17に加熱用ヒータを設けて、改質部17を直接加熱してもよい。
When the
第1の昇温ステップの間、燃焼部11に設置した第1温度計61が測定した温度TC1と改質部17に設置した第2温度計62が測定した温度TC2のそれぞれが監視される(S3)。TC1とTC2との差(TC1−TC2)が予め設定した基準温度差Ta以上となった場合、燃焼部16は強制的に失火される(S11)。この強制失火により、燃焼部16の温度上昇が抑制される。この基準温度差Taは、燃焼部16、改質部17を構成している部材の耐性から考慮した温度である。また、原燃料で封じ込めをしている場合は、触媒酸化防止のため、TC2が原燃料の熱分解で炭素を析出する温度Tb以上になった場合にも、燃焼部16を強制的に失火してもよい。
During the first temperature raising step, the temperature TC1 measured by the
燃焼部16を強制的に失火させた場合(S11)、バーナ空気パージ(S1)に戻る。このとき、第2温度計62が測定した温度TC2の温度が下がったことを確認した後、再度点火し(S2)、再び昇温に移行する。
When the
基準温度差Taは、第1温度計61および第2温度計62の取付位置や構成部材の材質により変化する。基準温度差Taは、次のようにして求めることができる。
The reference temperature difference Ta varies depending on the mounting positions of the
まず、仕切板22と外壁21との間に、ある温度差を繰り返し与える試験を行う。これにより、ある温度差により仕切板22と外壁21とが熱膨張差に起因する疲労によって破損に至るまでの繰り返し回数を求めることができる。このような試験を複数の温度差について行うことにより、破損までの繰り返し回数の温度差に対する依存性を求めることができる。燃料電池の寿命中に想定される温度の上昇および下降の回数が分かれば、その回数でも破損をしないような仕切板22と外壁21との温度差を基準温度差Taとすればよい。あるいは、燃料電池システム全体の寿命よりも水素生成装置10を交換する場合には、その交換頻度を考慮してもよい。
First, a test for repeatedly applying a certain temperature difference between the
熱負荷を繰り返し与える試験では、必ずしも破損に至るまで繰り返す必要はない。このような場合、まず、部材を解体し、破面調査によって部材中に進展した亀裂の長さを測定する。そこで測定された亀裂の長さから、破損に至るすなわち亀裂が部材の板厚分進展するまでの熱負荷の回数を推定することができる。 In a test in which a thermal load is repeatedly applied, it is not always necessary to repeat the process until breakage occurs. In such a case, first, the member is disassembled, and the length of the crack that has developed in the member by the fracture surface inspection is measured. Therefore, from the length of the crack measured, it is possible to estimate the number of thermal loads that lead to breakage, that is, until the crack grows by the thickness of the member.
このような試験によって、たとえば、第1温度計61を改質器11の仕切板22の温度が最も高くなる箇所に、第2温度計62を改質触媒23の出口に設け、かつ仕切板22および外壁21にステンレス鋼SUS310S(JIS規格)材を使用した場合は、基準温度差Taは150℃から250℃程度になる。
By such a test, for example, the
温度差が基準温度差Taになったときに燃焼部16での発熱量を低下させるように制御器60が制御を行う場合、この温度差は一時的に基準温度差を超えてしまう。そこで、このような場合には、基準温度差に適切な余裕を持たせておく。
When the
あるいは、基準温度差Taに対してある余裕分だけ低い目標温度差を設定し、制御器60に、この目標温度差に近づくように制御させてもよい。つまり、燃焼部11に設置した第1温度計61が測定した温度TC1と改質部12に設置した第2温度計が測定した温度TC2との差(TC1−TC2)の目標温度差に対する偏差に燃焼部16の発熱量が比例するように比例制御をおこなってもよい。
Alternatively, a target temperature difference that is lower than the reference temperature difference Ta by a certain margin may be set, and the
第1の昇温ステップは、改質触媒23の温度が水蒸気パージを行っても凝縮しない温度、たとえば100℃以上となるまで判定(S4)しながら、継続する。最終的に改質触媒23の温度が、このような温度になったら、改質水ポンプが動作し、蒸気発生器14への改質水の導入が開始される(S5)。
The first temperature raising step is continued while determining (S4) until the temperature of the reforming
改質水の導入が開始されて水蒸気発生14で蒸気が生成し、改質触媒23の蒸気パージが完了したら、熱分解による炭素析出する温度Tbの制約がなくなる。そこで、改めて点火をし(S6)、第2の昇温ステップ(S6〜S9、S21、S22)に移行する。
When the introduction of the reforming water is started and steam is generated by the
第2の昇温ステップでは、改質部17の温度TC2が600〜700℃程度の改質反応に適した温度となったか否か判定しながら(S8)、昇温を継続する。この第2の昇温ステップの間においても、常に温度TC1とTC2の温度差を監視する(S7)。TC1とTC2との差(TC1−TC2)が基準温度差Ta以上になった場合は、バーナを失火させ(S21)、バーナ空気パージを行った(S22)後、再度点火する(S6)。
In the second temperature raising step, the temperature rise is continued while determining whether or not the temperature TC2 of the reforming
このようにして、改質触媒23を含めた各燃料処理触媒の温度が反応に適正な温度になった時点で昇温完了となる。昇温が完了したら、原燃料の原燃料供給器40からの導入が開始される(S9)。これにより、原燃料が水蒸気発生器14から生成する水蒸気と混合された後、改質部17へ供給されて、改質反応が生じる。改質反応によって水素が生成されるようになると、発電運転が開始される。
In this manner, the temperature increase is completed when the temperature of each fuel processing catalyst including the reforming
このように、本実施の形態では、過大な熱応力が発生しないように、水素生成装置10を起動することができる。また、耐熱性の高い特殊な材料を使用したり、複雑な構造とする必要がない。このため、製造コストを過度に増大させずに、燃料電池システムの水素生成装置に過大な熱応力が発生しないようにすることができる。また、その結果、水素発生器10の破損の可能性を抑制できる。したがって、安価で、耐久性の高い、水素発生器およびそれを用いた燃料電池システムを提供することができる。
Thus, in this Embodiment, the
第1あるいは第2の昇温ステップの間、燃焼部16に設置した第1温度計61が測定した温度TC1と改質部17に設置した第2温度計62が測定した温度TC2の差(T1−T2)を監視して、この温度差が基準温度差Taを超えないように燃焼部16に供給される空気あるいはバーナ燃料の流量を調整してもよい。このようにして温度差が基準温度差Taを超えないように制御を行うことにより、燃焼部16に強制失火させる必要がなくなる。その結果、点火と失火との繰返し回数を減らし、昇温時間を短縮することもできる。
During the first or second temperature raising step, the difference (T1) between the temperature TC1 measured by the
10…水素生成装置、11…改質器、12…一酸化炭素変成器、13…一酸化炭素除去器、14…水蒸気発生器、16…燃焼部、17…改質部、21…外壁、22…仕切板、23…改質触媒、24…導入口、25…排出口、30…空気供給器、31…バーナ燃料供給器、32…排出管、40…原燃料供給器、41…改質水供給器、51…第1熱交換器、52…第2熱交換器、60…制御器、61…第1温度計、62…第2温度計、63…バーナ燃料調整弁、64…バーナ空気調整弁、70…燃料電池
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記仕切板に面して設けられて発熱する燃焼部と、
前記仕切板の前記燃焼部側の点と前記改質部内部の点との温度差を測定する温度差測定手段と、
起動時に前記温度差が所定の値以上となったときに前記燃焼部の単位時間当たりの発熱量を低減させながら前記温度差を所定の値以下に制御し前記触媒が所定の温度になるまで前記燃焼部に発熱させて前記触媒を加熱する温度差制御手段と、
を有することを特徴とする水素生成装置。 A reforming section containing a catalyst that causes a steam reforming reaction between hydrocarbon fuel and steam surrounded by an outer wall and a partition plate fixed to the outer wall;
A combustion section that faces the partition plate and generates heat;
A temperature difference measuring means for measuring a temperature difference between a point on the combustion part side of the partition plate and a point inside the reforming part;
When the temperature difference becomes greater than or equal to a predetermined value at startup, the temperature difference is controlled to be equal to or less than a predetermined value while reducing the amount of heat generated per unit time of the combustion unit until the catalyst reaches a predetermined temperature. Temperature difference control means for heating the catalyst by generating heat in the combustion section;
A hydrogen generator characterized by comprising:
前記温度差制御手段は単位時間当たりに前記燃焼部に供給される炭化水素系燃料の量を変化させる燃料加減手段を備える、
ことを特徴とする請求項1に記載の水素生成装置。 The combustion section is supplied with hydrocarbon fuel and burns the hydrocarbon fuel,
The temperature difference control means includes fuel adjustment means for changing the amount of hydrocarbon fuel supplied to the combustion unit per unit time.
The hydrogen generator according to claim 1.
外壁とこの外壁に固定された仕切板で囲まれて炭化水素系燃料と水蒸気とに水蒸気改質反応を生じさせる触媒を収納した改質部と、前記仕切板に面して設けられて発熱する燃焼部と、前記仕切板の前記燃焼部側の点と前記改質部内部の点との温度差を測定する温度差測定手段と、起動時に前記温度差が所定の値以上となったときに前記燃焼部の単位時間当たりの発熱量を低減させながら前記温度差を所定の値以下に制御し前記触媒が所定の温度になるまで前記燃焼部に発熱させて前記触媒を加熱する温度差制御手段と、を備えて前記燃料電池に水素を供給する水素生成装置と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell;
A reforming part that is surrounded by an outer wall and a partition plate fixed to the outer wall and contains a catalyst that causes a steam reforming reaction between hydrocarbon fuel and steam, and is provided facing the partition plate to generate heat. A temperature difference measuring means for measuring a temperature difference between the combustion part, a point on the combustion part side of the partition plate and a point inside the reforming part, and when the temperature difference becomes a predetermined value or more at start-up A temperature difference control means for controlling the temperature difference to a predetermined value or less while reducing the amount of heat generated per unit time of the combustion unit, and heating the catalyst by causing the combustion unit to generate heat until the catalyst reaches a predetermined temperature. And a hydrogen generator for supplying hydrogen to the fuel cell,
A fuel cell system comprising:
前記仕切板の前記燃焼部側の点と前記改質部内部の点との温度差を測定する温度差測定工程と、
前記触媒が所定の温度になるまで前記燃焼部に発熱させて前記触媒を加熱する加熱工程と、
前記温度差が所定の値以上となったときに前記燃焼部の単位時間当たりの発熱量を低減させる発熱量低減工程と、
を有することを特徴とする水素生成装置の起動方法。 Combustion that is surrounded by an outer wall and a partition plate fixed to the outer wall and contains a reforming unit that contains a catalyst that causes a steam reforming reaction between hydrocarbon fuel and steam, and that faces the partition plate and generates heat A start-up method of a hydrogen generator comprising:
A temperature difference measuring step of measuring a temperature difference between a point on the combustion part side of the partition plate and a point inside the reforming part;
A heating step of heating the catalyst by causing the combustion section to generate heat until the catalyst reaches a predetermined temperature;
A calorific value reduction step of reducing the calorific value per unit time of the combustion part when the temperature difference becomes a predetermined value or more;
A start-up method for a hydrogen generator characterized by comprising:
前記仕切板の前記燃焼部側の点と前記改質部内部の点との温度差を測定する温度差測定工程と、
前記触媒が所定の温度になるまで前記燃焼部に発熱させて前記触媒を加熱する加熱工程と、
前記温度差が所定の値以上となったときに前記燃焼部の単位時間当たりの発熱量を低減させる発熱量低減工程と、
前記触媒が所定の温度以上のときに前記改質部に原燃料を供給する原燃料供給工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。 Combustion that is surrounded by an outer wall and a partition plate fixed to the outer wall and contains a reforming unit that contains a catalyst that causes a steam reforming reaction between hydrocarbon fuel and steam, and that faces the partition plate and generates heat In a starting method of a fuel cell system comprising a hydrogen generator and a fuel cell comprising:
A temperature difference measuring step of measuring a temperature difference between a point on the combustion part side of the partition plate and a point inside the reforming part;
A heating step of heating the catalyst by causing the combustion section to generate heat until the catalyst reaches a predetermined temperature;
A calorific value reduction step of reducing the calorific value per unit time of the combustion part when the temperature difference becomes a predetermined value or more;
A raw fuel supply step of supplying raw fuel to the reforming section when the catalyst is at a predetermined temperature or higher;
A starting method for a fuel cell system, comprising:
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