JP2005050563A

JP2005050563A - Fuel reforming system

Info

Publication number: JP2005050563A
Application number: JP2003203262A
Authority: JP
Inventors: Fumihiro Haga; 史浩羽賀
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2005-02-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact fuel reforming system with high starting up capability. <P>SOLUTION: The fuel reforming system is equipped with a reformer 1 for producing reformed gas containing hydrogen, a combustor 5 for introducing high temperature combustion gas at a warm-up time of the reformer, and a heat exchanger 2 for exchanging the heat between the reformed gas that flows out of the reformer and the water to vaporize the water and supplying generated steam to the reformer. In the system, a means for supplying to the reformer a reformed raw fuel for producing the reformed gas, and a means for supplying an oxidant to the heat exchanger, are arranged. At a warm-up time of the fuel cell system, the heat exchanger burns therein inflammable gas containing the reformed raw material exhausted from the reformer with the oxidant supplied by the means, and generates steam by vaporizing the water utilizing the heat of combustion and supplying the steam to the reformer. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料改質システムで、起動時に不活性ガスを使用とせず、システム全体の迅速な立ち上げを達成するために、まず燃料と空気の混合比を空気過剰状態で燃焼器を燃焼させて、燃焼排気ガスで直接システム内を加熱した後、改質部に水蒸気を供給すると同時に燃料と空気の混合比を燃料過剰状態に切り替えることにより燃料改質システムを起動させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１８０９０８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料改質システムでは、起動時に水蒸気の供給が必要であり、水蒸発器を別途設置および起動させる必要があるので、起動時間の遅れやシステムの大型化といった課題が生じる。
【０００５】
したがって、本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、コンパクトでかつ起動性に優れた燃料改質システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料改質システムの暖機時に、熱交換器に改質器から排出される改質原燃料を含む可燃性ガスと酸化剤とを供給して燃焼させ、この燃焼熱を用いて水を気化して水蒸気を発生し、この水蒸気を前記改質器に供給することを特徴とする。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、通常運転までに必要な水蒸気を速やかに発生させ、燃料改質システムの起動性を向上できる。また、通常運転時に改質器に水蒸気を供給する熱交換器から水蒸気を起動時に改質器に供給するため、起動時に必要な水蒸気を発生するために新たに水蒸気発生装置を設置する必要がなく、システムの大型化やコストアップを防止することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料改質システムの構成を説明する構成図である。燃料改質システムは、炭化水素系燃料（改質原燃料）と水蒸気と空気（酸化剤）から水素リッチの改質ガスを生成する改質器１と、生成された改質ガスと水または空気との間で熱交換を行う熱交換器２と、改質ガス中の一酸化炭素（以下、ＣＯと示す。）を水蒸気を用いて除去するシフト反応器３と、改質ガス中のＣＯを空気を用いて除去するＣＯ選択酸化器４とから構成され、さらに起動時に高温のガスを改質器１に供給する起動用燃焼器５が改質器１の上流に設置される。ＣＯ選択酸化器４から排出された改質ガスは所定濃度までＣＯが低減されており、例えば、図示しない燃料電池に供給される。
【０００９】
起動用燃焼器５には空気と炭化水素系燃料（例えば、メタノールやガソリン）とが供給され、システム起動時には起動用燃焼器５で空気と炭化水素系燃料の燃焼で生じた高温の燃焼ガスが改質器１に送られ、改質器１の暖機に用いられる。また通常運転時には起動用燃焼器５に供給される空気が改質器１に供給される。改質器１にはさらに炭化水素系燃料と熱交換器２からの水蒸気が供給され、改質器１に収装された触媒で改質反応が生じ、改質ガスが生成される。また熱交換器２には空気が供給される。熱交換器２の高温部（上流部）には水素と酸素との間で燃焼反応を生じる触媒が収装されており、熱交換器２内の低温部には水と空気が流通する配管が収装される。熱交換器２内では、触媒の作用により高温部で生じた燃焼反応の燃焼熱により、低温部に流通する水が加熱されて水蒸気となり、この水蒸気が改質器１へ供給される。なお、高温部で生じる燃焼反応は以下の反応式で示される。
【００１０】
【数１】

【００１１】
【数２】

【００１２】
さらに改質器１と熱交換器２には、それぞれの温度を検出する温度センサ６、７が設置され、これら温度センサ６、７の出力信号はコントローラ８に入力される。コントローラ８は、入力された改質器１と熱交換器２の温度に基づいて、改質器１と熱交換器２とシフト反応器３とＣＯ選択酸化器４の運転状態を制御するとともに、各構成への炭化水素系燃料や空気等の供給状態を制御する。なお、燃料改質システム中には、図示しないが各構成に空気を供給する手段として、例えばコンプレッサや、炭化水素系燃料を供給する手段として、例えばインジェクタが備えられている。
【００１３】
このように構成された、図２はコントローラ８が実施する燃料改質システムの起動時の制御内容を説明するフローチャートである。
【００１４】
まずステップ１で、起動用燃焼器５に空気と炭化水素系燃料を供給する。続くステップ２でこれら燃料に着火し、燃焼させる。ステップ３では、起動用燃焼器５からの燃焼ガスにより昇温した改質器１の温度を温度センサ６により検出する。そしてステップ４で改質器１の温度Ｔ１が第１所定温度Ｔａを越えているかを判定し、超えている場合にはステップ５に進み第１所定温度Ｔａ以下の場合にはステップ３に戻る。
【００１５】
ステップ５では起動用燃焼器５への炭化水素系燃料の供給を停止し、ステップ６とステップ７で、改質器１への炭化水素系燃料の供給と熱交換器２への空気の供給を行う。この炭化水素系燃料を含む可燃性ガスと空気の供給により熱交換器２の高温部に塗布された触媒により炭化水素系燃料と空気が燃焼反応を生じる。続くステップ８で、熱交換器２の低温部に水と空気とを供給する。低温部に水と空気を供給することで、この水が高温部で生じた燃焼熱により蒸発して水蒸気となり、この水蒸気は改質器１へと供給され、水蒸気改質により改質ガスを生成するために用いられる。なおステップ８で供給される水と空気は、少なくともどちらかを供給すればよい。
【００１６】
ステップ９で、温度センサ７からの出力信号に基づいて熱交換器２の温度Ｔ２を検出し、ステップ１０で温度Ｔ２が第２所定温度Ｔｂを超えているか判定する。越えていればステップ１１に進み、第２所定温度Ｔｂ以下であればステップ９に戻る。ステップ１１では、熱交換器２の暖機が終了したと判断して熱交換器２への空気の供給を停止し、通常運転へと移行する。
【００１７】
通常運転時には、改質器１に水蒸気と炭化水素系燃料が供給されて触媒の改質反応により改質ガスが生成される。改質ガスの熱は熱交換器２に送られて水を水蒸気に気化するために用いられる。熱交換器２で生じた水蒸気は改質器１に送られて改質ガスの原燃料となる。また、熱交換器２から排出された改質ガスはシフト反応器３とＣＯ選択反応器４によりＣＯが除去されて燃料電池に供給される。
【００１８】
このように、起動用燃焼器５による改質器１の暖機を終えた後、通常運転までに必要となる水蒸気を通常運転時に水蒸気を改質器に供給する熱交換器２で生成する。これは、改質器１から排出された炭化水素系燃料を含む可燃性ガスに空気を混合して熱交換器２に供給し、熱交換器２の高温部に収装された触媒により燃焼（酸化）反応を生じさせて、その燃焼熱を熱交換器２の低温側を流通する水（または空気）に伝熱して気化させて水蒸気を生成するものである。したがって、改質器１の起動後、通常運転までに必要な水蒸気を速やかに発生させ、燃料改質システムの起動性を向上できる。また、この起動時に必要な水蒸気を熱交換器２で発生するために新たに水蒸気発生装置を設置する必要がなく、システムの大型化やコストアップを防止することができる。
【００１９】
図３は、本発明の第２の実施形態の構成を示す構成図であり、第１の実施形態に対して、シフト反応器３の温度を検出する温度センサ１４とシフト反応部１４に空気を供給する機能を備えた点が異なる。なお、温度センサ１４の出力信号はコントローラ８に出力される。
【００２０】
図４は、第２の実施形態の制御内容を説明するためのフローチャートであり、コントローラ８により制御される。
【００２１】
図２に示す第１の実施形態の制御内容に対してステップ１０までは同じ制御内容であるため説明は省略する。
【００２２】
ステップ１１では、熱交換器２への空気の供給を停止するとともに、シフト反応器３への空気の供給を開始する。シフト反応器３へ空気を供給することによりシフト反応器３に収装された触媒で発熱反応が生じてシフト反応器３が昇温する。続くステップ１２で昇温したシフト反応器３の温度Ｔ３を温度センサ１４により検出し、ステップ１３で検出した温度Ｔ３が第３所定温度Ｔｃを超えているか判定する。越えていればステップ１４に進み、所定温度以下であればステップ１２に戻る。
【００２３】
ステップ１４では、シフト反応器３の暖機が終了したと判断してシフト反応器３への空気の供給を停止して、通常運転へと移行する。
【００２４】
このようにして、第１の実施形態の効果とともに、シフト反応器３の暖機を速やかに行うことができる。
【００２５】
なお、本実施形態に用いた温度センサの代わりに燃料改質システムの運転状態等を検出して温度を推定する手段としてもよい。
【００２６】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料改質システムの構成図である。
【図２】燃料改質システムの制御内容を説明するフローチャートである。
【図３】第２の実施形態の燃料改質システムの構成図である。
【図４】同じく燃料改質システムの制御内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１改質器
２熱交換器
３シフト反応器
４ＣＯ選択酸化器
５起動用燃焼器
６、７温度センサ
８コントローラ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel reforming system.
[0002]
[Prior art]
In order to achieve a rapid start-up of the entire system without using an inert gas at start-up in a fuel reforming system, the combustor is first combusted with an excess of air in the fuel / air mixture ratio, and combustion exhaust There has been proposed a method of starting a fuel reforming system by heating the interior of the system directly with gas and then supplying water vapor to the reforming section and simultaneously switching the fuel / air mixture ratio to an excess fuel state (for example, a patent) Reference 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-2001-180908 [0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a fuel reforming system, it is necessary to supply steam at the time of start-up, and it is necessary to separately install and start the water evaporator, which causes problems such as a delay in start-up time and an increase in the size of the system.
[0005]
Accordingly, the present invention has been made in view of such problems of the conventional technology, and an object of the present invention is to provide a fuel reforming system that is compact and has excellent startability.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, when the fuel reforming system is warmed up, a combustible gas containing reforming raw fuel discharged from the reformer and an oxidant are supplied to the heat exchanger and burned, and this combustion heat is used. Water is vaporized to generate water vapor, and this water vapor is supplied to the reformer.
[0007]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to quickly generate steam necessary for normal operation and improve the startability of the fuel reforming system. In addition, since steam is supplied to the reformer at start-up from a heat exchanger that supplies steam to the reformer during normal operation, there is no need to install a new steam generator to generate steam necessary for start-up. Therefore, it is possible to prevent an increase in system size and cost.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating the configuration of the fuel reforming system of the present invention. The fuel reforming system includes a reformer 1 that generates a hydrogen-rich reformed gas from hydrocarbon-based fuel (reforming raw fuel), steam and air (oxidant), and the generated reformed gas and water or air. A heat exchanger 2 that exchanges heat with the gas, a shift reactor 3 that removes carbon monoxide (hereinafter referred to as CO) in the reformed gas using water vapor, and CO in the reformed gas. A start-up combustor 5 configured to include a CO selective oxidizer 4 that is removed using air and supplies a high-temperature gas to the reformer 1 at the time of start-up is installed upstream of the reformer 1. The reformed gas discharged from the CO selective oxidizer 4 has CO reduced to a predetermined concentration, and is supplied to, for example, a fuel cell (not shown).
[0009]
Air and hydrocarbon fuel (for example, methanol or gasoline) are supplied to the start-up combustor 5, and high-temperature combustion gas generated by combustion of air and hydrocarbon-based fuel in the start-up combustor 5 at the time of system start-up. It is sent to the reformer 1 and used for warming up the reformer 1. Further, during normal operation, air supplied to the start-up combustor 5 is supplied to the reformer 1. The reformer 1 is further supplied with hydrocarbon fuel and water vapor from the heat exchanger 2, and a reforming reaction occurs in the catalyst accommodated in the reformer 1 to generate a reformed gas. Air is supplied to the heat exchanger 2. A catalyst that generates a combustion reaction between hydrogen and oxygen is accommodated in the high temperature portion (upstream portion) of the heat exchanger 2, and a pipe through which water and air circulate is disposed in the low temperature portion in the heat exchanger 2. To be stowed. In the heat exchanger 2, the water flowing through the low temperature part is heated by the combustion heat of the combustion reaction generated in the high temperature part due to the action of the catalyst to become steam, and this steam is supplied to the reformer 1. The combustion reaction occurring in the high temperature part is represented by the following reaction formula.
[0010]
[Expression 1]

[0011]
[Expression 2]

[0012]
Furthermore, the reformer 1 and the heat exchanger 2 are provided with temperature sensors 6 and 7 for detecting respective temperatures, and output signals from these temperature sensors 6 and 7 are input to the controller 8. The controller 8 controls the operating states of the reformer 1, the heat exchanger 2, the shift reactor 3, and the CO selective oxidizer 4 based on the input temperatures of the reformer 1 and the heat exchanger 2. Control the supply status of hydrocarbon fuel and air to each component. Although not shown, the fuel reforming system is provided with, for example, an injector as means for supplying air to each component, for example, as a means for supplying air or a hydrocarbon fuel.
[0013]
FIG. 2 is a flowchart for explaining the control contents at the time of starting the fuel reforming system implemented by the controller 8.
[0014]
First, in step 1, air and hydrocarbon fuel are supplied to the start-up combustor 5. In subsequent step 2, these fuels are ignited and burnt. In step 3, the temperature sensor 6 detects the temperature of the reformer 1 raised in temperature by the combustion gas from the startup combustor 5. In step 4, it is determined whether the temperature T1 of the reformer 1 exceeds the first predetermined temperature Ta. If it exceeds, the process proceeds to step 5, and if it is equal to or lower than the first predetermined temperature Ta, the process returns to step 3.
[0015]
In step 5, the supply of hydrocarbon fuel to the start-up combustor 5 is stopped, and in steps 6 and 7, the supply of hydrocarbon fuel to the reformer 1 and the supply of air to the heat exchanger 2 are stopped. Do. The hydrocarbon fuel and air undergo a combustion reaction by the catalyst applied to the high temperature portion of the heat exchanger 2 by supplying the combustible gas containing the hydrocarbon fuel and air. In subsequent step 8, water and air are supplied to the low temperature portion of the heat exchanger 2. By supplying water and air to the low temperature part, this water is evaporated by the combustion heat generated in the high temperature part to become steam, and this steam is supplied to the reformer 1 to generate reformed gas by steam reforming. Used to do. In addition, what is necessary is just to supply at least one of water and air supplied at step 8.
[0016]
In step 9, the temperature T2 of the heat exchanger 2 is detected based on the output signal from the temperature sensor 7, and in step 10, it is determined whether the temperature T2 exceeds the second predetermined temperature Tb. If it exceeds, the process proceeds to Step 11, and if it is equal to or lower than the second predetermined temperature Tb, the process returns to Step 9. In step 11, it is determined that the heat exchanger 2 has been warmed up, the supply of air to the heat exchanger 2 is stopped, and the normal operation is started.
[0017]
During normal operation, steam and hydrocarbon fuel are supplied to the reformer 1, and reformed gas is generated by the reforming reaction of the catalyst. The heat of the reformed gas is sent to the heat exchanger 2 and used to vaporize water into steam. The steam generated in the heat exchanger 2 is sent to the reformer 1 and becomes a raw fuel for the reformed gas. Further, the reformed gas discharged from the heat exchanger 2 is supplied with the fuel cell after the CO is removed by the shift reactor 3 and the CO selective reactor 4.
[0018]
As described above, after the warm-up of the reformer 1 by the start-up combustor 5 is completed, the steam necessary for the normal operation is generated by the heat exchanger 2 that supplies the steam to the reformer during the normal operation. This is because air is mixed with combustible gas containing hydrocarbon fuel discharged from the reformer 1, supplied to the heat exchanger 2, and burned by the catalyst accommodated in the high temperature portion of the heat exchanger 2 ( Oxidation) reaction is caused, and the combustion heat is transferred to water (or air) flowing through the low temperature side of the heat exchanger 2 and vaporized to generate water vapor. Therefore, after the reformer 1 is started, steam necessary for normal operation can be generated quickly, and the startability of the fuel reforming system can be improved. In addition, it is not necessary to newly install a water vapor generating device in order to generate the water vapor necessary at the start-up in the heat exchanger 2, and it is possible to prevent the system from becoming large and costing up.
[0019]
FIG. 3 is a configuration diagram showing the configuration of the second embodiment of the present invention. Compared to the first embodiment, air is supplied to the temperature sensor 14 for detecting the temperature of the shift reactor 3 and the shift reaction unit 14. The difference is that it has a function to supply. The output signal of the temperature sensor 14 is output to the controller 8.
[0020]
FIG. 4 is a flowchart for explaining the control contents of the second embodiment, and is controlled by the controller 8.
[0021]
The control content up to step 10 is the same as the control content of the first embodiment shown in FIG.
[0022]
In step 11, the supply of air to the heat exchanger 2 is stopped and the supply of air to the shift reactor 3 is started. By supplying air to the shift reactor 3, an exothermic reaction occurs in the catalyst accommodated in the shift reactor 3, and the shift reactor 3 is heated. Subsequently, the temperature T3 of the shift reactor 3 raised in step 12 is detected by the temperature sensor 14, and it is determined whether the temperature T3 detected in step 13 exceeds the third predetermined temperature Tc. If it exceeds, the process proceeds to step 14, and if the temperature is lower than the predetermined temperature, the process returns to step 12.
[0023]
In step 14, it is determined that the warming-up of the shift reactor 3 has been completed, the supply of air to the shift reactor 3 is stopped, and the routine shifts to normal operation.
[0024]
In this way, the shift reactor 3 can be quickly warmed up together with the effects of the first embodiment.
[0025]
In addition, it is good also as a means which detects the driving | running state etc. of a fuel reforming system, and estimates temperature instead of the temperature sensor used for this embodiment.
[0026]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that various modifications can be made within the scope of the technical idea of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel reforming system of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart for explaining the control content of the fuel reforming system.
FIG. 3 is a configuration diagram of a fuel reforming system according to a second embodiment.
FIG. 4 is a flowchart for explaining the control contents of the fuel reforming system.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reformer 2 Heat exchanger 3 Shift reactor 4 CO selective oxidizer 5 Start-up combustor 6, 7 Temperature sensor 8 Controller

Claims

水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
改質器の暖機時に高温の燃焼ガスを導入する起動時燃焼器と、
前記改質器から流出した改質ガスと水とを熱交換して水を気化し、発生した水蒸気を前記改質器に供給する熱交換器と、
を備えた燃料改質システムにおいて、
前記改質器に改質ガスを生成するための改質原燃料を供給する手段と、
前記熱交換器に酸化剤を供給する手段とを設け、
燃料電池システム暖機時に、
前記熱交換器に前記改質器から排出される改質原燃料を含む可燃性ガスと前記酸化剤とを供給して燃焼させ、この燃焼熱を用いて水を気化して水蒸気を発生し、この水蒸気を前記改質器に供給することを特徴とする燃料改質システム。A reformer that produces reformed gas containing hydrogen;
A start-up combustor that introduces high-temperature combustion gas when the reformer warms up;
A heat exchanger that exchanges heat between the reformed gas flowing out of the reformer and water to vaporize the water, and supplies the generated steam to the reformer;
In a fuel reforming system equipped with
Means for supplying reforming raw fuel for generating reformed gas to the reformer;
Means for supplying an oxidant to the heat exchanger;
When the fuel cell system warms up,
Combusting by supplying a combustible gas containing reformed raw fuel discharged from the reformer and the oxidant to the heat exchanger, and using this combustion heat to vaporize water to generate steam, A fuel reforming system, wherein the steam is supplied to the reformer.

前記熱交換器は、前記可燃性ガスが直接供給されるように前記改質器の直下流に設置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質システム。The fuel reforming system according to claim 1, wherein the heat exchanger is installed immediately downstream of the reformer so that the combustible gas is directly supplied.

前記熱交換器は、前記可燃性ガスと前記酸化剤とを用いて酸化反応を生じる触媒を収装したことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質システム。The fuel reforming system according to claim 1 or 2, wherein the heat exchanger contains a catalyst that generates an oxidation reaction using the combustible gas and the oxidant.

前記改質器の温度を検出または推定する手段を設け、前記改質器の温度に応じて前記起動用燃焼器の運転を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料改質システム。The means for detecting or estimating the temperature of the reformer is provided, and the operation of the start-up combustor is controlled according to the temperature of the reformer. The fuel reforming system described.

前記熱交換器の温度を検出または推定する手段を設け、前記熱交換器の温度に応じて前記酸化剤供給手段の酸化剤供給量を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料改質システム。The means for detecting or estimating the temperature of the heat exchanger is provided, and the oxidant supply amount of the oxidant supply means is controlled according to the temperature of the heat exchanger. The fuel reforming system according to one.

前記改質器の下流に前記改質ガス中の一酸化炭素を低減するシフト反応器と、
このシフト反応器に酸化剤を供給する手段とを備え、
前記シフト反応器の温度を検出または推定する手段を設け、前記シフト反応器の温度に応じて前記酸化剤供給手段の酸化剤供給量を制御することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料改質システム。A shift reactor for reducing carbon monoxide in the reformed gas downstream of the reformer;
Means for supplying an oxidant to the shift reactor,
The means for detecting or estimating the temperature of the shift reactor is provided, and the oxidant supply amount of the oxidant supply means is controlled in accordance with the temperature of the shift reactor. The fuel reforming system according to one.