JP2007269538A - 改質装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】改質装置において、コストアップを招くことなく改質水を低流量でも安定供給でき、また、定常運転中の圧力変動を抑制して安定運転できる。
【解決手段】改質装置20は、改質ガスを生成する改質部21と、改質水を加熱して生成した水蒸気を改質部21に供給する蒸発部26と、改質水を貯水するとともに蒸発部26に供給する改質水タンク90と、を備えている。改質水タンク90の改質水出口90bが蒸発部26の改質水入口26aより上方に位置している。
【選択図】 図1
【解決手段】改質装置20は、改質ガスを生成する改質部21と、改質水を加熱して生成した水蒸気を改質部21に供給する蒸発部26と、改質水を貯水するとともに蒸発部26に供給する改質水タンク90と、を備えている。改質水タンク90の改質水出口90bが蒸発部26の改質水入口26aより上方に位置している。
【選択図】 図1
Description
本発明は、改質装置に関する。
改質装置の一形式として、特許文献1に示されているものが知られている。特許文献1に示されているように、燃料処理装置(改質装置)のプロセス水量調節装置5は、炭化水素系原料流量とあらかじめ設定されたS/C範囲とから算出される流量範囲内で改質用プロセス水41の供給量を増減する。このプロセス水量調節装置5は、燃料処理装置の運転中、変成触媒部14の温度を検出する温度検出器17で検出される温度に基づいて改質用プロセス水41の供給量を調節する。プロセス水量調節装置5による改質用プロセス水41の流量制御は改質用プロセス水ポンプ3の回転数を調節することにより行われている。
特開2004−6093号公報
上述した特許文献1に記載の改質装置においては、必要とされる改質ガス量が少ない場合(改質ガスの供給先である燃料電池が最低出力である場合など)に、改質用プロセス水41の供給量が数cm3/minと微量となる。このような微量流量を制御するためには、改質用プロセス水ポンプ3を微量供給できるものにする必要があるが、ポンプの能力が上がるためポンプのコストアップに繋がる。また、運転中においては改質用プロセス水41の供給量を可変とするため、圧力変動などが生じやすく、改質装置の安定性低下を招くという問題もあった。
本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、改質装置において、コストアップを招くことなく改質水を低流量でも安定供給でき、また、定常運転中の圧力変動を抑制して安定運転できることを目的とする。
上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明の構成上の特徴は、改質ガスを生成する改質部と、改質水を加熱して生成した水蒸気を改質部に供給する蒸発部と、改質水を貯水するとともに蒸発部に供給する改質水タンクと、を備えてなり、改質水タンクの改質水出口が蒸発部の改質水入口より上方に位置することである。
また請求項2に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、改質水タンクに改質水を供給する改質水供給装置と、改質水タンク内の改質水量を検出する改質水量検出装置と、をさらに備え、改質水量検出装置によって検出された改質水量に基づいて改質水供給装置を制御して、改質水タンク内の改質水量を所定範囲内に調整することである。
また請求項3に係る発明の構成上の特徴は、請求項1または請求項2において、燃焼用燃料を燃焼用酸化剤ガスにより燃焼した燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路と、改質部から改質ガスを導入し同改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、をさらに備え、蒸発部は、燃焼ガス流路と一酸化炭素低減部との間にそれぞれ互いに熱交換可能に配設されていることである。
また請求項4に係る発明の構成上の特徴は、改質ガスを生成する改質部と、改質水を加熱して生成した水蒸気を改質部に供給する蒸発部と、改質水を貯水する改質水タンクと、改質水を改質水タンクから蒸発部に供給する第1給水管と、改質水タンク内の改質水量を所定範囲内に調整する改質水量調整手段とが、設けられていることである。
また請求項5に係る発明の構成上の特徴は、請求項4において、所定範囲は、改質ガスの生成量が相対的に多い第1運転状態の場合には改質水量が相対的に多い第1所定範囲に設定され、改質ガスの生成量が第1運転状態より少ない第2運転状態の場合には改質水量が第1所定範囲より少ない第2所定範囲に設定されていることである。
上記のように構成した請求項1に係る発明においては、改質水タンクの改質水出口が蒸発部の改質水入口より上方に位置しているので、改質水タンク内の改質水が自重で蒸発部に供給される。また、改質装置の運転中においては、改質装置内の圧力と改質水タンク内の改質水の自重による圧力とはバランスが取れているので、蒸発部から改質部に供給されて減少した分は、自動的に改質水タンクから供給される。したがって、改質水タンクの配置を変更するだけでコストアップを招くことなく、低流量の改質水でも安定して供給できる。
上記のように構成した請求項2に係る発明においては、改質装置の運転中においては、改質装置内の圧力と改質水タンク内の改質水の自重による圧力とはバランスが取れており、改質水タンク内の水位(水量)と蒸発部内の水位(水量)は所定差圧でバランスが取れているので、改質水タンク内の改質水量を所定範囲内に調整することにより、蒸発部内の改質水量を所定範囲内に維持することができる。したがって、運転中の圧力変動がほとんどなくなり安定運転が可能となる。
上記のように構成した請求項3に係る発明においては、蒸発部は、燃焼ガス流路と一酸化炭素低減部との間にそれぞれ互いに熱交換可能に配設されているので、蒸発部内の改質水量が所定範囲内に維持された場合、一酸化炭素低減部から効率良く熱を回収して一酸化炭素低減部の温度を適正範囲に安定して維持することができ、また、燃焼ガスから効率良く熱を回収して熱回収効率を向上させることができる。
上記のように構成した請求項4に係る発明においては、改質ガスを生成する改質部と、改質水を加熱して生成した水蒸気を改質部に供給する蒸発部と、改質水を貯水する改質水タンクと、改質水を改質水タンクから蒸発部に供給する第1給水管と、改質水タンク内の改質水量を所定範囲内に調整する改質水量調整手段とが、設けられている。これにより、改質水量調整手段によって改質水タンク内の改質水量を所定範囲内に調整することができるので、改質水タンクの水位が蒸発部の水位より高くなるように調整することができる。したがって、両水位の高低差分の改質水による圧力によって改質水タンク内の改質水が蒸発部に供給される。また、改質装置の運転中においては、改質装置内の圧力と改質水タンク内の改質水の自重による圧力とはバランスが取れているので、蒸発部から改質部に供給されて減少した分は、自動的に改質水タンクから供給される。したがって、改質水タンクの配置を変更するだけでコストアップを招くことなく、低流量の改質水でも安定して供給できる。
上記のように構成した請求項5に係る発明においては、請求項4に係る発明において、所定範囲は、改質ガスの生成量が相対的に多い第1運転状態の場合には改質水量が相対的に多い第1所定範囲に設定され、改質ガスの生成量が第1運転状態より少ない第2運転状態の場合には改質水量が第1所定範囲より少ない第2所定範囲に設定されている。これにより、燃料電池の発電出力が変動し改質装置に投入される改質用燃料の供給量がそれに応じて変動して改質装置内の圧力が変動しても、それら変動に応じて適切な改質水量を供給することができる。
以下、本発明による改質装置を適用した燃料電池システムの一実施形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池10とこの燃料電池10に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する改質装置20を備えている。
燃料電池10は、燃料極11と酸化剤極である空気極12と両極11,12間に介在された電解質13を備えており、燃料極11に供給された改質ガスおよび空気極12に供給された酸化剤ガスである空気(カソードエア)を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。
改質装置20は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池10に供給するものであり、改質部21、冷却部22、一酸化炭素シフト反応部(以下、COシフト部という)23および一酸化炭素選択酸化反応部(以下、CO選択酸化部という)24、燃焼部25、および蒸発部26から構成されている。COシフト部23が一番下に配置され、その上に順番に冷却部22、改質部21が設置されている。改質用燃料としては天然ガス、LPGなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。
改質部21は、改質用燃料に水蒸気が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部21は有底円筒状に形成されており、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路21aを備えている。
改質部21の折り返し流路21a内には、触媒21b(例えば、RuまたはNi系の触媒)が充填されており、冷却部22から導入された改質用燃料と水蒸気供給管51から導入された水蒸気との混合ガスが触媒21bによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)は冷却部(熱交換部)22に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
冷却部22は、改質部21から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水(水蒸気)との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器(熱交換部)であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してCOシフト部23に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部21に導出するようになっている。
具体的には、冷却部22には図示しない燃料供給源(例えば都市ガス管)に接続された燃料供給管41が接続されている。燃料供給管41には、上流から順番に改質用燃料ポンプ42および改質用燃料バルブ43が設けられている。改質用燃料バルブ43は燃料供給管41を開閉するものである。改質用燃料ポンプ42は改質用燃料を供給しその供給量を調整するものである。また、燃料供給管41の改質用燃料バルブ43と冷却部22との間には蒸発部26に接続された水蒸気供給管51が接続されている。蒸発部26から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部22を通って改質部21に供給されている。
COシフト部23は、改質部21から冷却部22を通って供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。COシフト部23は、内部に上下方向に沿って延在する折り返し流路23aを備えている。折り返し流路23a内には触媒23b(例えば、Cu−Zn系の触媒)が充填されている。COシフト部23においては、冷却部22から導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気は、触媒23bにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
CO選択酸化部24は、COシフト部23から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池10に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部である。CO選択酸化部24は、円筒状に形成されて、蒸発部26の外周壁を覆って当接して設けられている。CO選択酸化部24の内部には、触媒24a(例えば、RuまたはPt系の触媒)が充填されている。
このCO選択酸化部24の側壁面下部および側壁面上部には、COシフト部23に接続された接続管89および燃料電池10の燃料極11に接続された改質ガス供給管71がそれぞれ接続されている。接続管89には、酸化用空気供給管61が接続されている。これにより、CO選択酸化部24には、COシフト部23からの改質ガスと酸化用空気供給管61を介して大気からの酸化用空気が導入されるようになっている。なお、酸化用空気供給管61には、上流から順番に空気ポンプ62および空気バルブ63が設けられている。空気ポンプ62は酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。空気バルブ63は酸化用空気供給管61を開閉するものである。
したがって、CO選択酸化部24内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒24aによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて(10ppm以下)導出され、燃料電池10の燃料極11に供給されるようになっている。
燃焼部25は、改質部21を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部21の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。
燃焼部25には、図示しない燃料供給源(例えば都市ガス管)に接続された燃焼用燃料供給管44が接続されるとともに、燃料極11の導出口に一端が接続されているオフガス供給管72の他端が接続されている。燃料電池10の起動当初、燃焼用燃料が燃焼部25に供給され、燃料電池10の起動運転中、CO選択酸化部24からの改質ガスが燃料電池10を経由しないで燃焼部25に供給され、燃料電池10の定常運転中、燃料電池10から排出されるアノードオフガス(燃料極11にて未使用な水素を含んだ改質ガス)が燃焼部25に供給されるようになっている。また、改質ガスやオフガスの不足分を燃焼用燃料で補っている。
また、燃焼部25には、燃焼用空気供給管64が接続されており、燃焼用燃料、アノードオフガス、改質ガスなどの可燃ガス、および可燃ガスを燃焼(酸化)させるための燃焼用空気が供給されるようになっている。
なお、燃焼用燃料供給管44には上流から順番に燃焼用燃料ポンプ45および燃焼用燃料バルブ46が設けられている。燃焼用燃料ポンプ45は燃焼用燃料を供給しその供給量を調整するものである。燃焼用燃料バルブ46は燃焼用燃料供給管44を開閉するものである。また、燃焼用空気供給管64には上流から順番に燃焼用空気ポンプ65および燃焼用空気バルブ66が設けられている。燃焼用空気ポンプ65は燃焼用空気を供給しその供給量を調整するものである。燃焼用空気バルブ66は燃焼用空気供給管64を開閉するものである。
このように構成された燃焼部25は着火されると、供給されている燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスが燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは、燃焼ガス流路27を流通し、排気管81を通って燃焼排ガスとして排気される。これにより、燃焼ガスは改質部21および蒸発部26を加熱する。燃焼ガス流路27は、改質部21の内周壁に沿って当接して配設され、折り返されて改質部21の外周壁と断熱部28との間に当接して配設され、折り返されて断熱部28と蒸発部26の間に当接して配設された流路である。
蒸発部26は、改質水を加熱して沸騰させて水蒸気を生成して冷却部22を介して改質部21に供給するものである。蒸発部26は、円筒状(筒状)に形成されて燃焼ガス流路27の最も外側の流路の外周壁を覆って当接して設けられている。すなわち、蒸発部26は、燃焼ガス流路27とCO選択酸化部24との間にそれぞれ互いに熱交換可能に当接して配設されている。
この蒸発部26の下部(例えば側壁面下部、底面)には改質水入口26aが形成されており、改質水入口26aには改質水タンク90に接続された第1給水管52が接続されている。蒸発部26の上部(例えば側壁面上部)には水蒸気出口26bが形成されており、水蒸気出口26bには水蒸気供給管51が接続されている。改質水入口26aから導入された改質水は、蒸発部26内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびCO選択酸化部24からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気出口26bから導出するようになっている。
改質水タンク90は改質水を貯水するとともにその改質水を蒸発部26に供給するものである。改質水タンク90は改質水入口90aと改質水出口90bを備えている。改質水入口90aは、改質水タンク90の上部(例えば側壁面上部)に形成されている。改質水入口90aには、第2給水管54の一端が接続されている。
第2給水管54の他端は、燃料電池システムに備えられている凝縮器(図示省略)からの凝縮水を回収して精製する回収水精製装置(図示省略)に接続されている。また、第2給水管54の他端は、回収水精製装置から導出された精製水を一旦貯水するタンクに接続するようにしてもよい。第2給水管54には、上流から順番に改質水ポンプ55および第2改質水バルブ56が設けられている。改質水ポンプ55は、改質水量調整手段である改質水供給装置であり、改質水タンク90に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。第2改質水バルブ56は第2給水管54を開閉するものである。なお、第2改質水バルブ56は省略してもよい。
改質水タンク90には、改質水タンク90内の改質水量を検出する改質水量検出装置91が設けられている。改質水量検出装置91は、例えばフロート式、静電容量式などの水位計である。改質水ポンプ55は、改質水量検出装置91によって検出された改質水量に基づいて制御されており、改質水タンク90内の改質水量を所定範囲内に調整するようになっている。
具体的には、図3に示すように、改質水タンク90に対して例えば3つの水位範囲(所定範囲)L1〜L3を設定し、各水位範囲L1〜L3は燃料電池10の発電出力範囲に対応するものとする。燃料電池10の発電出力が変動すると、改質装置20に投入される改質用燃料の供給量がそれに応じて変動し、ひいては、改質装置20内の圧力が変動するためである。L1は水位がxa〜xbの範囲であり、250W〜500Wの出力範囲に対応している。L2は水位がxb〜xcの範囲であり、500W〜750Wの出力範囲に対応している。L3は水位がxc〜xdの範囲であり、750W〜1000Wの出力範囲に対応している。したがって、燃料電池10の発電出力が600Wのとき、水位が範囲L2より下であれば、改質水ポンプ55を駆動して水位が範囲L2内に収まるようにする。
また、改質水タンク90内の改質水量の上下限値を設定し、燃料電池10の発電出力に関係なく、上下限値内に改質水の水位が収まるように改質水ポンプ55を駆動するようにしてもよい。上限値と下限値で所定範囲が規定される。すなわち、水位が下限値(例えば図3に示すxa)になった場合、改質水ポンプ55の駆動を開始し、水位が上限値(例えば図3に示すxd)に到達すると、改質水ポンプ55の駆動を停止すればよい。なお、改質水タンク90内の改質水量の下限値のみを設定し、改質水の水位が下限値以上に収まるように改質水ポンプ55を駆動するようにしてもよい。すなわち、水位が下限値になった場合、改質水ポンプ55の駆動を開始し、開始した時点から所定時間経過した時点に改質水ポンプ55の駆動を停止すればよい。
燃料電池10の出力が大きいほど、改質装置20の改質ガス生成量を多くする必要がある。上記で示したように、燃料電池10の出力範囲が相対的に大きい場合すなわち改質ガスの生成量が相対的に多い(例えば750W〜1000Wの場合)第1運転状態の場合には改質水タンク90の改質水量が相対的に多い(改質水タンク90の水位が相対的に高い)第1所定範囲L3になっている。それに対して、燃料電池10の出力範囲が相対的に小さい場合すなわち改質ガスの生成量が第1運転状態より少ない(例えば250W〜500W、500W〜750Wの場合)第2運転状態の場合には改質水タンク90の改質水量が第1所定範囲L3より少ない(改質水タンク90の水位が相対的に低い)第2所定範囲L1,L2に設定されている。
なお、この実施形態では、L1,L2,L3の各水位範囲はオーバラップしていないが、オーバラップしていてもよい。その場合、改質水量の所定範囲の大小は、所定範囲の最小値同士を比較して行う。
また、改質水タンク90の改質水出口90bは、蒸発部26の改質水入口26aより上方に位置するように設けられている。本実施形態においては、改質水出口90bは改質水タンク90の下部(例えば底面、または側壁面の下部)に形成されている。改質水出口90bには、第1給水管52が接続されている。第1給水管52には、第1給水管52を開閉する第1改質水バルブ53が設けられている。第1改質水バルブ53が開けられると、改質水タンク90内に貯水されている改質水が自重で蒸発部26に流入する。一方、改質装置20の運転中は、改質装置20(改質部21)内の圧力が高まっているので、改質装置20内の圧力と改質水の自重による圧力とがバランスすることにより、改質水タンク90からの改質水の流入が自動的に調整されるようになっている。改質水タンク90は、その底が蒸発部26の底より上方に配設されるのが好ましい。改質水出口90bが蒸発部26の改質水入口26aより確実に上方に配置することができる。
改質水タンク90は、その底が蒸発部26の水蒸気出口26bより低いことが好ましい。あるいは改質水タンク90の改質水出口90bは蒸発部26の水蒸気出口26bより低いことが好ましい。蒸発部26の水蒸気出口26bから改質水が水状態(水蒸気でない状態)のままの排出を抑制できる。水蒸気出口26bから改質水が水状態(水蒸気でない状態)のままの排出を防止するためには、燃料電池10が最大発電出力の場合の改質水タンク90の最上位水位xdが、蒸発部26の水蒸気出口26bに所定の高さを加えた高さより低くすればよい。所定高さは、改質装置20内の圧力によって決められる値である。水蒸気出口26bから水状態での排出をより確実に防止するためには、改質水タンク90の最上位水位xdが、蒸発部26の水蒸気出口26bより低くすればよい。なお、水蒸気出口26bから改質水が水状態で多少排出されても、冷却部22などによって蒸発するので必ずしも問題ではない。
燃料電池10の燃料極11の導入口には改質ガス供給管71を介してCO選択酸化部24が接続されるとともに、燃料極11の導出口にはオフガス供給管72を介して燃焼部25が接続されている。バイパス管73は燃料電池10をバイパスして改質ガス供給管71およびオフガス供給管72を直結するものである。改質ガス供給管71にはバイパス管73との分岐点と燃料電池10との間に第1改質ガスバルブ74が設けられている。オフガス供給管72にはバイパス管73との合流点と燃料電池10との間にオフガスバルブ75が設けられている。バイパス管73には第2改質ガスバルブ76が設けられている。
起動運転中には、改質装置20から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池10に供給するのを回避するため、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を閉じ第2改質ガスバルブ76を開き、定常運転(発電運転)中には、改質装置20からの改質ガスを燃料電池10に供給するため、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を開き第2改質ガスバルブ76を閉じている。
また、燃料電池10の空気極12の導入口には、カソード用空気供給管67が接続されるとともに、空気極12の導出口には、排気管82が接続されている。空気極12に空気が供給され、オフガスが排気されるようになっている。なお、カソード用空気供給管67には上流から順にカソード用空気ポンプ68およびカソード用空気バルブ69が設けられている。カソード用空気ポンプ68はカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ69はカソード用空気供給管67を開閉するものである。
次に、上述した燃料電池システムの作動について説明する。図示しない起動スイッチがオンされると、燃焼用空気バルブ66が開かれ燃焼用空気ポンプ65が駆動されて、燃焼用空気が予め設定されている流量で燃焼部25に供給される。燃焼用燃料バルブ46が開かれ燃焼用燃料ポンプ45が駆動されて、燃焼用燃料が予め設定されている流量で燃焼部25に供給される。そして、燃焼部25が着火されて、燃焼用燃料の燃焼が開始される。この燃焼が開始されると、その燃焼ガスが燃焼ガス用流路27を通る際に、燃焼ガスによって改質部21、蒸発部26が加熱されて昇温する。
蒸発部26が加熱されて蒸発部26が所定温度以上となると、第1改質水バルブ53が開かれて、改質水タンク90内の改質水が自重で第1給水管52を通って蒸発部26に流入する。このとき、改質部21内の圧力と改質水の自重による圧力とがバランスする位置に、蒸発部26内の水位が維持される。
蒸発部26から水蒸気が生成され始めると、蒸発部26内の改質水は減少するが、その減少分は、改質部21内の圧力と改質水の自重による圧力とがバランスを取ることにより、改質水タンク90から自動的に補充されている。また、改質水タンク90内の改質水は、上述したように改質水ポンプ55によって供給され所定範囲内に維持されるようになっている。
蒸発部26から水蒸気が改質部21に供給され始めたら、改質部21に予め設定されている流量で改質用燃料が投入される。なお、水蒸気の供給開始は蒸発部26の出口温度によって判断する。例えば、その温度が100℃になったときに供給開始と判断する。また、改質用燃料バルブ43が開かれ改質用燃料ポンプ42が駆動されて、改質用燃料が予め設定されている流量で冷却部22を通って改質部21に供給される。
改質用燃料が投入されると、改質部21では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成され、CO選択酸化部24から改質ガスが導出されるが、まだ一酸化炭素が多いので、燃料電池10をバイパスして燃焼部25に供給される。また、改質用燃料の投入と同時に、空気バルブ64が開かれて空気ポンプ63が駆動され予め設定されている酸化用空気がCO選択酸化部24に供給される。改質ガスはCO選択酸化部24にて一酸化炭素をさらに低減されてCO選択酸化部24から導出される。
改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定値より低くなると、CO選択酸化部24からの改質ガスが燃料電池10に供給され、発電が開始される。なお、発電開始は改質装置20の所定部位(例えばCOシフト部23の触媒温度)の温度によって判断する。
このような起動運転中において、改質水タンク90から蒸発部26への改質水の供給は、改質部21内の圧力と改質水の自重による圧力とがバランスを取ることにより、改質水タンク90から自動的に補充されている。
また、発電運転中においても、改質水タンク90から蒸発部26への改質水の供給は、改質部21内の圧力と改質水の自重による圧力とがバランスを取ることにより、改質水タンク90から自動的に補充されている。改質水タンク90への改質水の供給は、上述したように、改質水タンク90内の改質水量を所定範囲内に調整するように、改質水ポンプ55が改質水量検出装置91によって検出された改質水量に基づいて制御されている。
上述の説明から明らかなように、この実施形態においては、改質水タンク90の改質水出口90bが蒸発部26の改質水入口26aより上方に位置しているので、改質水タンク90内の改質水が自重で蒸発部26に供給される。また、改質装置20の運転中においては、改質装置20内の圧力と改質水タンク90内の改質水の自重による圧力とはバランスが取れているので、蒸発部26から改質部21に供給されて減少した改質水は、自動的に改質水タンク90から供給される。したがって、改質水タンク90の配置を変更するだけでコストアップを招くことなく、低流量の改質水でも安定して供給できる。
また、改質装置20の運転中においては、改質装置20内の圧力と改質水タンク90内の改質水の自重による圧力とはバランスが取れており、改質水タンク90内の水位(水量)と蒸発部内の水位(水量)は所定差圧でバランスが取れているので、改質水タンク90内の改質水量を所定範囲内に調整することにより、蒸発部26内の改質水量を所定範囲内に維持することができる。したがって、運転中の圧力変動がほとんどなくなり安定運転が可能となる。
また、蒸発部26は、燃焼ガス流路27と一酸化炭素低減部であるCO選択酸化部24との間にそれぞれ互いに熱交換可能に配設されているので、蒸発部26内の改質水量が所定範囲内に維持された場合、一酸化炭素低減部24から効率良く熱を回収して一酸化炭素低減部24の温度を適正範囲に安定して維持することができ、また、燃焼ガスから効率良く熱を回収して熱回収効率を向上させることができる。
また、改質ガスを生成する改質部21と、改質水を加熱して生成した水蒸気を改質部21に供給する蒸発部26と、改質水を貯水する改質水タンク90と、改質水を改質水タンク90から蒸発部26に供給する第1給水管52と、改質水タンク90内の改質水量を所定範囲(上記L1,L2,L3)内に調整する改質水量調整手段である改質水ポンプ55とが、設けられている。これにより、改質水ポンプ55によって改質水タンク90内の改質水量を所定範囲内に調整することができるので、改質水タンク90の水位が蒸発部26の水位より高くなるように調整することができる。したがって、両水位の高低差分の改質水による圧力によって改質水タンク90内の改質水が蒸発部26に供給される。また、改質装置20の運転中においては、改質装置20内の圧力と改質水タンク90内の改質水の自重による圧力とはバランスが取れているので、蒸発部26から改質部21に供給されて減少した分は、自動的に改質水タンク90から供給される。したがって、改質水タンク90の配置を変更するだけでコストアップを招くことなく、低流量の改質水でも安定して供給できる。
また、所定範囲(上記L1,L2,L3)は、改質ガスの生成量が相対的に多い第1運転状態の場合には改質水量が相対的に多い第1所定範囲(例えばL1)に設定され、改質ガスの生成量が第1運転状態より少ない第2運転状態の場合には改質水量が第1所定範囲より少ない第2所定範囲(例えばL2,L3)に設定されている。これにより、燃料電池10の発電出力が変動し改質装置20に投入される改質用燃料の供給量がそれに応じて変動して改質装置20内の圧力が変動しても、それら変動に応じて適切な改質水量を供給することができる。
また、上述した実施形態において、気体を供給するポンプにおいてはポンプの代わりにブロアを使用するようにしてもよい。
10…燃料電池、11…燃料極、12…空気極、20…改質装置、21…改質部、22…冷却部(熱交換部)、23…一酸化炭素シフト反応部(COシフト部)、24…一酸化炭素選択酸化反応部(CO選択酸化部)、25…燃焼部、26…蒸発部、26a…改質水入口、26b…水蒸気出口、27…燃焼ガス流路、28…断熱部、41…燃料供給管、42…改質用燃料ポンプ、43…改質用燃料バルブ、44…燃焼用燃料供給管、45…燃焼用燃料ポンプ、46…燃焼用燃料バルブ、51…水蒸気供給管、52…第1給水管、53…第1改質水バルブ、54…第2給水管、55…改質水ポンプ(改質水量調整手段)、56…第1改質水バルブ、61…酸化用空気供給管、62…空気ポンプ、63…空気バルブ、64…燃焼用空気供給管、65…燃焼用空気ポンプ、66…燃焼用空気バルブ、67…カソード用空気供給管、68…カソード用空気ポンプ、69…カソード用空気バルブ、71…改質ガス供給管、72…オフガス供給管、73…バイパス管、74…第1改質ガスバルブ、75…オフガスバルブ、76…第2改質ガスバルブ、81,82…排気管、89…接続管、90…改質水タンク、90a…改質水入口、90b…改質水出口、91…改質水量検出装置。
Claims (5)
- 改質ガスを生成する改質部と、
改質水を加熱して生成した水蒸気を前記改質部に供給する蒸発部と、
前記改質水を貯水するとともに前記蒸発部に供給する改質水タンクと、を備えてなり、
前記改質水タンクの改質水出口が前記蒸発部の改質水入口より上方に位置することを特徴とする改質装置。 - 請求項1において、前記改質水タンクに改質水を供給する改質水供給装置と、
前記改質水タンク内の改質水量を検出する改質水量検出装置と、をさらに備え、
前記改質水量検出装置によって検出された改質水量に基づいて前記改質水供給装置を制御して、前記改質水タンク内の改質水量を所定範囲内に調整することを特徴とする改質装置。 - 請求項1または請求項2において、燃焼用燃料を燃焼用酸化剤ガスにより燃焼した燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路と、
前記改質部から前記改質ガスを導入し同改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、をさらに備え、
前記蒸発部は、前記燃焼ガス流路と前記一酸化炭素低減部との間にそれぞれ互いに熱交換可能に配設されていることを特徴とする改質装置。 - 改質ガスを生成する改質部と、
改質水を加熱して生成した水蒸気を前記改質部に供給する蒸発部と、
前記改質水を貯水する改質水タンクと、
前記改質水を前記改質水タンクから前記蒸発部に供給する第1給水管と、
前記改質水タンク内の改質水量を所定範囲内に調整する改質水量調整手段とが、
設けられていることを特徴とする改質装置。 - 請求項4において、前記所定範囲は、前記改質ガスの生成量が相対的に多い第1運転状態の場合には前記改質水量が相対的に多い第1所定範囲に設定され、前記改質ガスの生成量が前記第1運転状態より少ない第2運転状態の場合には前記改質水量が前記第1所定範囲より少ない第2所定範囲に設定されていることを特徴とする改質装置。
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JP2009104935A (ja) * | 2007-10-24 | 2009-05-14 | Gyoseiin Genshino Iinkai Kakuno Kenkyusho | 固体酸化物燃料電池構造 |
JP2009196866A (ja) * | 2008-02-22 | 2009-09-03 | Aisin Seiki Co Ltd | 改質装置 |
WO2011122419A1 (ja) * | 2010-03-30 | 2011-10-06 | Jx日鉱日石エネルギー株式会社 | 水素製造装置及び燃料電池システム |
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2006
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