JP5643707B2 - 水素含有ガス生成装置 - Google Patents
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前記水蒸気改質部又は前記燃焼部の温度が目標温度範囲となるように、前記燃焼部に供給する燃焼用燃料及び燃焼用空気の供給量を制御する通常温度制御を行う通常制御手段と、その通常制御手段による通常温度制御中において前記変成処理部の温度低下を検出した場合に、前記通常制御手段による通常温度制御を一時中止させて、前記燃焼部に供給する燃焼用燃料及び燃焼用空気の両者の供給量を前記通常温度制御の場合よりも増加させる燃焼用燃料・燃焼用空気供給量増加制御を行う増加制御手段とを備え、
前記増加制御手段は、前記燃焼用燃料・燃焼用空気供給量増加制御において、前記水蒸気改質部の温度が設定上限温度に達するまで、前記燃焼部に供給する燃焼用燃料及び燃焼用空気の両者の供給量の増加量を増大させ、前記水蒸気改質部の温度が設定上限温度に達した場合に、前記燃焼部に供給する燃焼用燃料及び燃焼用空気の両者の供給量の増加量の増大を停止させるように構成されている。
以上のことから、起動時における昇温用の電気ヒーターを用いることなく、運転中における変成処理部の温度低下を防止することができ、生成した水素含有ガスを燃料電池の燃料として用いる場合であっても、効率の低下を招くことがない。
て前記水蒸気改質部に供給する原燃料に水蒸気が混合された被改質ガスを予熱する被改質ガス予熱部を構成する被改質ガス予熱部用の容器が備えられている点にある。
そして、増加制御手段は、燃焼部に供給する燃焼用燃料及び燃焼用空気の両者の供給量を増加させるので、その増加によって燃焼部から排出されて水蒸気生成部に供給される燃焼排ガスが有する熱が増大する。これにより、水蒸気生成部にて生成される水蒸気の温度が上昇することになり、その水蒸気と原燃料との混合ガスである被改質ガスの温度も上昇して、被改質ガス予熱部全体の温度が上昇することになる。その為に、被改質ガス予熱部から排出されて変成処理部に供給される改質ガスの温度が上昇することになり、変成処理部の温度を上昇させることができる。したがって、運転中における変成処理部の温度低下を的確に防止することができる。
この水素含有ガス生成装置の装置本体1は、図1に示すように、流体を処理する処理空間を形成する容器Bを密接状態に複数並べて形成されている。装置本体1は、水素ガスを主成分とする改質ガスを生成するための複数の反応器(脱硫処理部2、水蒸気生成部3、燃焼部4、水蒸気改質部5、変成処理部6、選択酸化部7)を備えており、それら複数の反応器の夫々が装置本体1を形成する容器Bにて構成されている。図1は、装置本体1の断面図を示している。
図1に示すように、脱硫処理部2に原燃料ガス供給路21を接続しており、原燃料ガス供給路21を通して原燃料ガスを脱硫処理部2に供給している。原燃料ガス供給路21には、第1制御弁S1が備えられており、その第1制御弁S1の開度を制御することで、脱硫処理部2への原燃料ガスの供給を断続自在であり且つその供給量も調整自在に構成されている。そして、脱硫処理部2、被改質ガス予熱用熱交換器E1の被改質ガス通流部11、水蒸気改質部5、保温用通流部12、被改質ガス予熱用熱交換器E1の改質ガス通流部13、変成処理部6、原料水予熱用熱交換器E2の変成処理後改質ガス通流部16の順に流れるガス処理経路を形成するように、それらをガス処理用流路22で接続している。原料水予熱用熱交換器E2の変成処理後改質ガス通流部16に変成処理後改質ガス排出路23を接続しており、変成処理後改質ガス通流部16を通流した変成処理後の改質ガスを変成処理後改質ガス排出路23にて装置本体1の外部に排出している。また、選択酸化部7に変成処理後改質ガス流入路24を接続して、装置本体1の外部に排出された変成処理後の改質ガスを変成処理後改質ガス流入路24にて選択酸化部7に供給している。
CH4+H2O→CO+3H2
〔化2〕
CH4+2H2O→CO2+4H2
CO+H2O→CO2+H2
次に、水蒸気生成部3の蒸発部15への原料水(水)の供給経路について説明する。
原料水予熱用熱交換器E2の原料水通流部17に原料水供給路28を接続して、原料水ポンプ42により原料水を原料水供給路28にて原料水予熱用熱交換器E2に供給する。原料水通流部17と水蒸気生成部3の蒸発部15とを原料水処理用流路29にて接続しており、原料水予熱用熱交換器E2にて予熱された原料水を原料水処理用流路29にて水蒸気生成部3の蒸発部15に供給している。
燃焼部4には、一対のパイプバーナ41が備えられており、一方のパイプバーナ41から燃焼用燃料ガスを噴出させ、他方のパイプバーナ41から燃焼用燃料ガスに衝突させるように燃焼用空気を噴出させて、火炎を形成する状態で燃焼させている。
上述の如く、パイプバーナ41に供給する燃焼用燃料ガスとしては、燃料電池Nから排出された排燃料ガス(発電反応に用いられなかった水素を含むガス)を用いることができ、必要に応じて原燃料ガスを追加することができる。原燃料ガス供給路21から分岐された原燃料ガス分岐路27をパイプバーナ41に接続して、原燃料ガスを原燃料ガス供給路21及び原燃料ガス分岐路27にてパイプバーナ41に供給している。原燃料ガス分岐路27には、第2制御弁S2が備えられ、第2制御弁S2の開度を制御することで、パイプバーナ41への原燃料ガスの供給を断続自在で且つその供給量も調整自在に構成されている。排燃料ガス路26には、その途中部位に逆止弁Gが備えられており、原燃料ガス分岐路27の途中部位に接続されている。これにより、燃料電池Nから排出された排燃料ガスを排燃料ガス路26及び原燃料ガス分岐路27にてパイプバーナ41に供給している。
図1において一点鎖線矢印にて示すように、燃焼用空気供給路30をパイプバーナ41に接続して、燃焼用空気を燃焼用空気ブロア43から燃焼用空気供給路30にてパイプバーナ41に供給している。燃焼用空気ブロア43を作動させるか否か及び燃焼用空気ブロア43の回転速度を制御することで、パイプバーナ41への燃焼用空気の供給を断続自在で且つその供給量を調整自在に構成されている。
次に、装置本体1を通流するガスの熱交換について説明する。
装置本体1には、水蒸気改質部5から排出された高温の改質ガスを通流させて、水蒸気改質部5を保温する保温用通流部12と、高温の改質ガスにより水蒸気改質部5に供給される被改質ガスを加熱する被改質ガス予熱用熱交換器E1(被改質ガス予熱部に相当する)と、変成処理部6にて変成処理された改質ガスにより水蒸気生成部3に供給する原料水を予熱する原料水予熱用熱交換器E2とが備えられている。また、図示は省略するが、変成処理部6及び選択酸化部7を冷却する冷却用ファンも設けられている。
原料水予熱用熱交換器E2では、変成処理部6にて変成処理された改質ガスを通流させる変成処理後改質ガス通流部16と、原料水供給路28にて供給される原料水を通流させる原料水通流部17との間で熱交換が行われる。
原燃料ガス供給路21から供給される原燃料ガスを脱硫処理部2で脱硫処理し、その脱硫原燃料ガスと水蒸気路31からの水蒸気とを混合する。具体的には、図1に示すように、蒸発部15にて生成された水蒸気を送出する水蒸気路31を、脱硫処理部2と被改質ガス予熱用熱交換器E1の被改質ガス通流部11とを接続するガス処理用流路22に接続する。これにより、ガス処理用流路22を通流する脱硫原燃料ガスに改質用の水蒸気が混合される。
図1において、破線矢印にて示すように、燃焼部4から排出された燃焼排ガスを、水蒸気生成部3の水蒸気生成用加熱通流部14に供給して通流させた後、装置本体1の外部に排出するように、燃焼部4と水蒸気生成用加熱通流部14とが燃焼排ガス路32により接続されている。そして、水蒸気生成用加熱通流部14においては、燃焼排ガスによって蒸発部15を加熱している。
図1及び図2に示すように、装置本体1に備えられる複数の反応器(脱硫処理部2、水蒸気生成部3、燃焼部4、水蒸気改質部5、変成処理部6、選択酸化部7)は、上記改質ガスの生成処理工程で用いられる処理空間を内部に備えた平板型モジュールとしての容器Bを用いて構成されている。図2は、平板型モジュールとしての容器Bについての斜視図である。また、装置本体1には、上述の複数の反応器だけでなく、熱交換器(被改質ガス予熱用熱交換器E1、原料水予熱用熱交換器E2)も備えられており、これらの熱交換器も平板型モジュールとしての容器Bを用いて構成されている。
また、装置本体1には、水蒸気改質部5及び変成処理部6の温度を検出するために第1〜第4温度センサT1〜T4が備えられている。第1温度センサT1は、水蒸気改質部5の温度を検出するものであり、例えば、水蒸気改質部用の容器である第2容器B2の壁部等に設置されている。第2〜第4温度センサT2〜T4は、変成処理部6の温度を検出するものであり、例えば、変成処理部用の容器である第6容器B6及び第7容器B7の壁部等に設置されている。
水素ガス生成装置の運転中には、通常制御手段C1が通常温度制御を行っている(ステップ#1)。この通常温度制御では、通常制御手段C1が、第1温度センサT1の検出温度から水蒸気改質部5の温度を検出しており、その検出した水蒸気改質部5の温度が目標温度範囲となる燃焼用燃料及び燃焼用空気の目標供給量を求めている。そして、通常制御手段C1は、パイプバーナ41に供給する燃焼用燃料の供給量がその求めた燃焼用燃料の目標供給量となるように、第2制御弁S2の開度を制御するとともに、パイプバーナ41に供給する燃焼用空気の供給量がその求めた燃焼用空気の目標供給量となるように、燃焼用空気ブロア43の回転速度を制御している。
そして、増加制御手段C2は、変成処理部6の温度が設定温度範囲内であると判別すると、燃焼用燃料・燃焼用空気供給量増加制御を中止させて、通常制御手段C1による通常温度制御の実行に復帰させている(ステップ#4のYesの場合、ステップ#5)。
(1)上記実施形態では、通常制御手段C1が通常温度制御を行うに当たり、水蒸気改質部5の温度が目標温度範囲となるように、燃焼部4に供給する燃焼用燃料及び燃焼用空気の供給量を制御しているが、これに代えて、燃焼部4の温度が目標温度範囲となるように、燃焼部4に供給する燃焼用燃料及び燃焼用空気の供給量を制御することもできる。
また、第2〜第4温度センサT2〜T4の平均温度が適切に変成処理を行うことができる温度範囲(例えば、200℃〜300℃程度)から設定温度(例えば、200℃)以下に低下している場合に、変成処理部6の温度が温度低下していると判別しているが、単に、温度低下判別用の閾値を設定して、その閾値よりも平均温度が低下していると、変成処理部6の温度が温度低下していると判別することもできる。
2 脱硫処理部
3 水蒸気生成部
4 燃焼部
5 水蒸気改質部
6 変成処理部
7 選択酸化部
B 容器
B1 第1容器(水蒸気生成用の容器)
B2 第2容器(燃焼部用の容器、水蒸気改質部用の容器)
B3 第3容器(被改質ガス予熱用熱交換器用の容器、被改質ガス予熱部用の容器)
B6 第6容器(変成処理部用の容器)
B8 第8容器(変成処理部用の容器)
C1 通常制御手段
C2 増加制御手段
E1 被改質ガス予熱用熱交換器(被改質ガス予熱部)
Claims (4)
- 供給される炭化水素系の原燃料を水蒸気により改質処理して水素ガスを主成分とする改質ガスを生成する水蒸気改質部と、燃焼用燃料を燃焼用空気にて燃焼させて前記水蒸気改質部を加熱する燃焼部と、その燃焼部から排出された燃焼排ガスにて水を加熱して前記水蒸気改質部に供給する水蒸気を生成する水蒸気生成部と、前記水蒸気改質部にて生成された改質ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成処理する変成処理部とを備えた水素含有ガス生成装置であって、
前記水蒸気改質部又は前記燃焼部の温度が目標温度範囲となるように、前記燃焼部に供給する燃焼用燃料及び燃焼用空気の供給量を制御する通常温度制御を行う通常制御手段と、その通常制御手段による通常温度制御中において前記変成処理部の温度低下を検出した場合に、前記通常制御手段による通常温度制御を一時中止させて、前記燃焼部に供給する燃焼用燃料及び燃焼用空気の両者の供給量を前記通常温度制御の場合よりも増加させる燃焼用燃料・燃焼用空気供給量増加制御を行う増加制御手段とを備え、
前記増加制御手段は、前記燃焼用燃料・燃焼用空気供給量増加制御において、前記水蒸気改質部の温度が設定上限温度に達するまで、前記燃焼部に供給する燃焼用燃料及び燃焼用空気の両者の供給量の増加量を増大させ、前記水蒸気改質部の温度が設定上限温度に達した場合に、前記燃焼部に供給する燃焼用燃料及び燃焼用空気の両者の供給量の増加量の増大を停止させるように構成されている水素含有ガス生成装置。 - 前記増加制御手段は、前記水蒸気改質部の温度が設定上限温度に達した場合に、前記水蒸気改質部に供給する水の供給量を増加させるように構成されている請求項1に記載の水素含有ガス生成装置。
- 流体を処理する処理空間を形成する容器を密接状態に複数並べて装置本体が形成され、その装置本体を形成する前記容器として、前記水蒸気改質部を構成する水蒸気改質部用の容器と、前記燃焼部を構成する燃焼部用の容器と、前記水蒸気生成部を構成する水蒸気生成部用の容器と、前記変成処理部を構成する変成処理部用の容器とに加え、前記水蒸気改質部から排出された改質ガスにて前記水蒸気改質部に供給する原燃料に水蒸気が混合された被改質ガスを予熱する被改質ガス予熱部を構成する被改質ガス予熱部用の容器が備えられている請求項1または2に記載の水素含有ガス生成装置。
- 前記増加制御手段は、前記燃焼用燃料・燃焼用空気供給量増加制御中において、前記変成処理部の温度が設定温度範囲内になると、前記燃焼用燃料・燃焼用空気供給量増加制御を停止させて、前記通常制御手段による前記通常温度制御の実行に復帰させるように構成されている請求項1〜3の何れか1項に記載の水素含有ガス生成装置。
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