JP2008137866A - Fuel processor and operation control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料プロセッサの運転制御方法に関する。 The present invention relates to an operation control method for a fuel processor.
近年、環境に優しいエネルギー源として、水素と酸素の電気化学的反応によって発電を行う燃料電池システムが注目されている。この燃料電池システムにおいて、発電を行う燃料電池スタックに、水素を供給するために、炭化水素原料を改質して水素濃度が高い水素含有ガスを製造する燃料プロセッサが用いられる。この燃料プロセッサは、改質器と、シフト反応器と、一酸化炭素選択酸化(PROX)反応器とを含む。改質器には、炭化水素原料と水とを改質反応させて改質ガスを製造する改質触媒層が内設され、シフト反応器には、前記改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させて水素を生成させ、さらに水素濃度が増加したシフトガスを製造するシフト触媒層が内設され、一酸化炭素選択酸化反応器には、前記シフトガス中に存在する一酸化炭素を選択的酸化反応させて、一酸化炭素濃度を低減させる一酸化炭素選択酸化触媒層が内設されている。 In recent years, fuel cell systems that generate electricity by electrochemical reaction between hydrogen and oxygen have attracted attention as environmentally friendly energy sources. In this fuel cell system, a fuel processor that reforms a hydrocarbon raw material to produce a hydrogen-containing gas having a high hydrogen concentration is used to supply hydrogen to a fuel cell stack that generates power. The fuel processor includes a reformer, a shift reactor, and a carbon monoxide selective oxidation (PROX) reactor. The reformer is provided with a reforming catalyst layer for producing a reformed gas by reforming a hydrocarbon raw material and water, and the shift reactor includes carbon monoxide and steam in the reformed gas. A shift catalyst layer for producing a shift gas in which hydrogen concentration is further increased is produced by generating a shift reaction with the hydrogen monoxide, and the carbon monoxide selective oxidation reactor selects the carbon monoxide present in the shift gas. A carbon monoxide selective oxidation catalyst layer for reducing the carbon monoxide concentration by a selective oxidation reaction is provided.
この燃料プロセッサにおいて、適正な品質の水素含有ガスを製造して燃料電池スタックに安定的に供給するためには、改質器、シフト反応器およびPROX反応器のそれぞれに内設される触媒層は、各触媒による反応に適した所定の温度に保持される。特に、燃料プロセッサで処理できる炭化水素原料の供給量、すなわち、改質負荷は、改質触媒層およびシフト触媒層の温度に強く依存する。そして、改質器、シフト反応器およびPROX反応器の順に流通して処理されるために、改質負荷が燃料プロセッサP1を構成する各反応器に設けられた触媒層で処理可能な範囲を外れると、燃料プロセッサP1から燃料電池スタックに供給される水素含有ガスの品質が急速に悪化する。例えば、水素濃度が低い場合には、所期の発電量を得ることができず、一酸化炭素濃度が多い場合には、燃料電池スタックの発電セルの被毒を招く原因となる。したがって、燃料プロセッサ(改質器)に供給される炭化水素原料の単位量当たりの理論的水素生成可能量に対して、燃料プロセッサにおける実際の水素生成量が多いほど、燃料プロセッサとしての効率が向上し、また、水素含有ガスの一酸化炭素濃度が低いほど、燃料電池スタックに与える悪影響を低減できる。
また、炭化水素原料が重質な原料であるものにおいては、未反応の重質な炭化水素の含有量が多い場合に、各触媒や燃料電池スタックに致命的なダメージを与える可能性があった。
In this fuel processor, in order to produce a hydrogen-containing gas of an appropriate quality and stably supply it to the fuel cell stack, the catalyst layers provided in each of the reformer, the shift reactor and the PROX reactor are And a predetermined temperature suitable for the reaction by each catalyst. In particular, the supply amount of the hydrocarbon raw material that can be processed by the fuel processor, that is, the reforming load, strongly depends on the temperatures of the reforming catalyst layer and the shift catalyst layer. Since the reformer, the shift reactor, and the PROX reactor are distributed and processed in this order, the reforming load is out of the range that can be processed by the catalyst layer provided in each reactor constituting the fuel processor P1. Then, the quality of the hydrogen-containing gas supplied from the fuel processor P1 to the fuel cell stack deteriorates rapidly. For example, when the hydrogen concentration is low, the desired power generation amount cannot be obtained, and when the carbon monoxide concentration is high, it causes poisoning of the power generation cells of the fuel cell stack. Therefore, as the actual hydrogen production amount in the fuel processor increases with respect to the theoretical hydrogen production amount per unit amount of hydrocarbon feed supplied to the fuel processor (reformer), the efficiency as the fuel processor improves. In addition, the lower the carbon monoxide concentration of the hydrogen-containing gas, the lower the adverse effect on the fuel cell stack.
In addition, in the case where the hydrocarbon raw material is a heavy raw material, there is a possibility of fatal damage to each catalyst and fuel cell stack when the content of unreacted heavy hydrocarbon is high. .
また、燃料プロセッサは、燃料電池スタックに要求される発電量に応じて、改質負荷が調整される。すなわち、発電量に応じて必要な量の水素を燃料電池スタックに供給するために、改質負荷を増減するとともに、その改質負荷の変動に応じて各触媒層の温度を適正な範囲に保つように、運転を制御する必要がある。 In the fuel processor, the reforming load is adjusted according to the amount of power generation required for the fuel cell stack. That is, in order to supply a required amount of hydrogen to the fuel cell stack according to the amount of power generation, the reforming load is increased or decreased, and the temperature of each catalyst layer is kept in an appropriate range according to the variation of the reforming load. It is necessary to control the operation.
そこで、特許文献1には、改質部(改質器)、変成部(シフト反応器)、浄化部(一酸化炭素選択酸化反応器)からのガス温度をもとに、炭化水素原料、水および空気の供給を制御し、各反応部における触媒を効果的に動作させ、水素の安定供給に対応できるようにすることが記載されている。
Therefore,
ところで、一般に、改質負荷に対応して触媒層の温度を適正に制御するために、各反応器における改質負荷と触媒層の温度の関係を、マイクロリアクタを用いる実験によって調べることが行われる。このマイクロリアクタを用いる実験では、反応容器形状が単純(単筒等)なこと、外部ヒーター加熱等の方法により触媒層温度を(触媒入口から出口まで)一定温度に調整可能なこと、等のデータの採取条件が単純なため、触媒層で行われる反応と、反応速度の関係も単純なものとなる。そのため、このマイクロリアクタを用いる実験では、かなりの精度で、炭化水素原料の供給量と、その供給量に対応して触媒層の温度を適正な範囲に制御することが可能となる。そして、この実験データに基づいて、各反応器の制御条件をある程度予測することが行われる。
しかし、実際の反応器は、エネルギーロスが無いように内部で熱交換を行い、反応で発生した熱を効率的に別の必要部位に供給するような構造を採用していること、それにも関わらず部位によって実際に大小の放熱がある(特に、家庭用燃料電池用改質器等の処理量の小さなものは、内部の反応に関わる熱に対する、改質器表面積(放熱面積)の割合が非常に大きいため、化学プラントのような大型設備のように内部反応による発熱、吸熱がその系(装置)の熱関係を大きく支配しない。)、炭化水素原料または各ガスの流通の仕方が異なる(改質器の構造におけるデッド部を含む)、など非常に複雑な系である。そのため、反応器の設計の初期の段階では、触媒層の温度分布がでる事をある程度予測、考慮して設計するが、精度の高い炭化水素原料の供給量と触媒層の温度の関係を予測して燃料プロセッサを適正に制御することは非常に困難である。このため、実際の燃料プロセッサでは、実機の運転を行い、触媒層温度と炭化水素原料の供給量のデータを実際に測定し、この結果から、運転制御条件を決定することが行われる。しかし、このようなデータによっても、改質負荷の変動に対応して安定して適正な品質の水素含有ガスを製造して燃料電池スタックに供給することは困難であった。 However, the actual reactor adopts a structure that exchanges heat internally so that there is no energy loss, and efficiently supplies the heat generated by the reaction to another necessary site. Depending on the location, there is actually a large or small heat dissipation (especially with a small amount of processing such as a domestic fuel cell reformer, the ratio of the reformer surface area (heat radiation area) to the heat related to the internal reaction is very high. Therefore, heat generation and heat absorption due to internal reactions do not dominate the thermal relationship of the system (equipment) as in large facilities such as chemical plants.) It is a very complicated system including the dead part in the structure of the mass organ). Therefore, at the initial stage of the reactor design, the catalyst layer temperature distribution is predicted and taken into account to some extent, but the relationship between the highly accurate feed rate of hydrocarbon feedstock and the catalyst layer temperature is predicted. Therefore, it is very difficult to properly control the fuel processor. For this reason, the actual fuel processor operates the actual machine, actually measures the catalyst layer temperature and the feed amount of the hydrocarbon raw material, and determines the operation control conditions from the results. However, even with such data, it has been difficult to stably produce a hydrogen-containing gas of appropriate quality in response to the change in the reforming load and supply it to the fuel cell stack.
そこで、本発明は、前記した問題を解決し、各反応器における触媒の温度変動に対応して安定して適正な品質の水素含有ガスを製造できる燃料プロセッサの運転制御方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an operation control method for a fuel processor that can solve the above-described problems and can stably produce a hydrogen-containing gas of appropriate quality in response to temperature fluctuations of the catalyst in each reactor. And
請求項1に記載の発明は、炭化水素原料と水とを改質反応させて改質ガスを製造する改質触媒層が内設された改質器と、前記改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させて水素を生成させ、さらに水素濃度が増加したシフトガスを製造するシフト触媒層が内設されたシフト反応器と、前記シフトガス中に存在する一酸化炭素を選択的酸化反応させて、一酸化炭素濃度を低減させる一酸化炭素選択酸化触媒層が内設された一酸化炭素選択酸化反応器とを備える燃料プロセッサの運転制御方法であって、前記改質触媒層の温度における前記炭化水素原料の処理可能量Aと、前記シフト触媒層の温度における前記改質ガスの処理可能量Bと、を求め、前記処理可能量Aと前記処理可能量Bの内のいずれか少ない方の処理可能量に基づいて、前記改質器に供給する炭化水素原料の供給量を決定することを特徴とする。
ここで、本発明において、処理可能量とは、反応器に装填された触媒によって、触媒反応が完結する炭化水素原料の供給量、例えば、改質器においては、改質器に装填された改質触媒によって、その温度において炭化水素原料の改質反応が十分に行われ、反応平衡に達するときの炭化水素原料の供給量を言う。
The invention described in
Here, in the present invention, the treatable amount refers to the supply amount of hydrocarbon raw material in which the catalytic reaction is completed by the catalyst loaded in the reactor, for example, the reformer loaded in the reformer in the reformer. The amount of the hydrocarbon raw material supplied when the reforming reaction of the hydrocarbon raw material is sufficiently performed at the temperature by the quality catalyst and the reaction equilibrium is reached.
この燃料プロセッサの運転制御方法によれば、改質触媒層の温度における炭化水素原料の処理可能量Aと、シフト触媒層の温度における改質ガスの処理可能量Bと、を求め、処理可能量Aと処理可能量Bの内のいずれか少ない方の処理可能量に基づいて、改質器に供給する炭化水素原料の供給量を決定することによって、各触媒層の温度変動に応じて、適正な供給量の炭化水素原料を供給して、安定して適正な品質の水素含有ガスを製造できるように燃料プロセッサを制御することが可能となる。これによって、各触媒層の温度を適正な範囲に保ちながら、燃料プロセッサを運転できる。 According to the operation control method of the fuel processor, the processable amount A of the hydrocarbon raw material at the temperature of the reforming catalyst layer and the processable amount B of the reformed gas at the temperature of the shift catalyst layer are obtained, and the processable amount By determining the supply amount of hydrocarbon raw material to be supplied to the reformer based on the smaller processable amount of A and processable amount B, it is appropriate according to the temperature fluctuation of each catalyst layer. It is possible to control the fuel processor so that a proper amount of hydrocarbon raw material can be supplied and a hydrogen-containing gas of appropriate quality can be produced stably. Thus, the fuel processor can be operated while keeping the temperature of each catalyst layer in an appropriate range.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料プロセッサの運転制御方法において、前記処理可能量Aおよび前記処理可能量Bは、前記改質触媒および前記シフト触媒のそれぞれについて、各触媒の温度とその触媒の処理可能量に関して予め求められる非線形的関係に近似する一次式の関係に基づいて決定されることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the fuel processor operation control method according to the first aspect, the treatable amount A and the treatable amount B are different for each of the reforming catalyst and the shift catalyst. Is determined based on a linear relationship that approximates a nonlinear relationship obtained in advance with respect to the temperature of the catalyst and the amount of catalyst that can be processed.
この燃料プロセッサの運転制御方法によれば、前記処理可能量Aおよび前記処理可能量Bは、前記改質触媒および前記シフト触媒のそれぞれについて、各触媒の温度とその触媒の処理可能量に関して予め求められる非線形的関係に近似する一次式の関係に基づいて決定することによって、各触媒層の温度変動に応じて、適正な供給量の炭化水素原料を供給して、安定して適正な品質の水素含有ガスを製造できるように燃料プロセッサを制御することが可能となる。 According to this fuel processor operation control method, the treatable amount A and the treatable amount B are obtained in advance for the temperature of each catalyst and the treatable amount of the catalyst for each of the reforming catalyst and the shift catalyst. By deciding on the basis of the linear relationship that approximates the non-linear relationship, the hydrocarbon feedstock of the appropriate supply amount is supplied according to the temperature fluctuation of each catalyst layer, and the hydrogen of stable and appropriate quality is supplied. It becomes possible to control the fuel processor so that the contained gas can be produced.
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の燃料プロセッサの運転制御方法において、さらに、前記一酸化炭素選択酸化触媒の温度における前記シフトガスの処理可能量Cを求め、前記処理可能量Aおよび前記処理可能量Bの内のいずれか少ない方の処理可能量と、前記処理可能量Cの内の最も少ない方の処理可能量に基づいて、前記改質器に供給する炭化水素原料の供給量を決定することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the fuel processor operation control method according to the first aspect, a shiftable amount C of the shift gas at a temperature of the carbon monoxide selective oxidation catalyst is obtained, and the treatable amount A And supply of the hydrocarbon raw material to be supplied to the reformer based on the smaller processable quantity of the processable quantity B and the processable quantity of the smallest processable quantity C. It is characterized by determining the quantity.
この燃料プロセッサの運転制御方法によれば、前記処理可能量Aおよび前記処理可能量Bに加えて、さらに、一酸化炭素選択酸化触媒の温度における前記シフトガスの処理可能量Cをも考慮して、改質器に供給する炭化水素原料の供給量を決定することによって、各触媒層の温度変動に応じて、より適正な供給量の炭化水素原料を供給して、安定して適正な品質の水素含有ガスを製造できるように燃料プロセッサを制御することが可能となる。 According to this fuel processor operation control method, in addition to the treatable amount A and the treatable amount B, the shift gas treatable amount C at the temperature of the carbon monoxide selective oxidation catalyst is also considered. By determining the amount of hydrocarbon raw material to be supplied to the reformer, a more appropriate amount of hydrocarbon raw material is supplied according to the temperature fluctuation of each catalyst layer, and stable and appropriate quality hydrogen is supplied. It becomes possible to control the fuel processor so that the contained gas can be produced.
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の燃料プロセッサの運転制御方法において、前記処理可能量A、前記処理可能量Bおよび前記処理可能量Cは、前記改質触媒、前記シフト触媒および前記一酸化炭素選択酸化触媒のそれぞれについて、各触媒の温度とその触媒の処理可能量に関して予め求められる非線形的関係に近似する一次式の関係に基づいて決定されることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel processor operation control method according to the third aspect, the processable amount A, the processable amount B, and the processable amount C are the reforming catalyst and the shift catalyst. Each of the carbon monoxide selective oxidation catalysts is determined based on a linear relationship that approximates a nonlinear relationship obtained in advance with respect to the temperature of each catalyst and the treatable amount of the catalyst.
この燃料プロセッサの運転制御方法によれば、前記処理可能量A、前記処理可能量Bおよび前記処理可能量Cは、前記改質触媒、前記シフト触媒および前記一酸化炭素選択酸化触媒のそれぞれについて、各触媒の温度とその触媒の処理可能量に関して予め求められる非線形的関係に近似する一次式の関係に基づいて決定することによって、各触媒層の温度変動に応じて、適正な供給量の炭化水素原料を供給して、安定して適正な品質の水素含有ガスを製造できるように燃料プロセッサを制御することが可能となる。 According to this fuel processor operation control method, the treatable amount A, the treatable amount B, and the treatable amount C are determined for each of the reforming catalyst, the shift catalyst, and the carbon monoxide selective oxidation catalyst. By determining the temperature of each catalyst and the treatable amount of the catalyst based on a linear relationship that approximates a non-linear relationship obtained in advance, an appropriate amount of hydrocarbon is supplied according to the temperature variation of each catalyst layer. It is possible to control the fuel processor so that raw materials can be supplied and a hydrogen-containing gas of appropriate quality can be produced stably.
請求項5に記載の発明は、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の燃料プロセッサの運転制御方法において、前記改質触媒層の温度が、前記改質器の改質ガス出口付近における前記改質触媒層の温度であることを特徴とする。
The invention according to
この燃料プロセッサの運転制御方法によれば、前記改質器の改質ガス出口付近における改質触媒層の温度が、前記改質器からシフト反応器に供給される改質ガスの組成を決定するため、前記改質器の改質ガス出口付近における前記改質触媒層の温度によって、前記処理可能量Aを決定して炭化水素原料の供給量を制御することが有効である。 According to this fuel processor operation control method, the temperature of the reforming catalyst layer in the vicinity of the reformed gas outlet of the reformer determines the composition of the reformed gas supplied from the reformer to the shift reactor. Therefore, it is effective to control the supply amount of the hydrocarbon raw material by determining the treatable amount A according to the temperature of the reforming catalyst layer in the vicinity of the reformed gas outlet of the reformer.
請求項6に記載の発明は、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の燃料プロセッサの運転制御方法において、前記シフト触媒層の温度が、前記シフト反応器のシフトガス出口付近における前記シフト触媒層の温度であることを特徴とする。
The invention according to
この燃料プロセッサの運転制御方法によれば、前記シフト反応器のシフトガス出口付近におけるシフト触媒層の温度が、前記シフト反応器から一酸化炭素選択酸化反応器に供給されるシフトガスの組成を決定するため、前記シフト反応器の改質ガス出口付近における前記シフト触媒層の温度によって、前記処理可能量Bを決定して炭化水素原料の供給量を制御することが有効である。 According to this fuel processor operation control method, the temperature of the shift catalyst layer in the vicinity of the shift gas outlet of the shift reactor determines the composition of the shift gas supplied from the shift reactor to the carbon monoxide selective oxidation reactor. It is effective to control the supply amount of the hydrocarbon raw material by determining the treatable amount B according to the temperature of the shift catalyst layer in the vicinity of the reformed gas outlet of the shift reactor.
請求項7に記載の発明は、請求項3〜請求項6のいずれか1項に記載の燃料プロセッサの運転制御方法において、前記一酸化炭素選択酸化触媒層の温度が、前記一酸化炭素選択酸化反応器のシフトガス入口付近における前記一酸化炭素選択酸化触媒層の温度であることを特徴とする。
The invention according to
この燃料プロセッサの運転制御方法によれば、前記一酸化炭素選択酸化反応器における反応速度が非常に遅い場合は、前記一酸化炭素選択酸化反応器のシフトガス入口付近における前記一酸化炭素選択酸化触媒層の温度によって、前記処理可能量Cを決定して炭化水素原料の供給量を制御することが有効である。 According to this fuel processor operation control method, when the reaction rate in the carbon monoxide selective oxidation reactor is very slow, the carbon monoxide selective oxidation catalyst layer in the vicinity of the shift gas inlet of the carbon monoxide selective oxidation reactor. It is effective to control the supply amount of the hydrocarbon raw material by determining the treatable amount C according to the temperature of the gas.
請求項8に記載の発明は、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の燃料プロセッサの運転制御方法において、前記シフト触媒の処理可能量Bは、前記シフト反応器の改質ガス入口付近における前記シフト触媒層の温度における前記炭化水素の処理可能量B1と、前記シフト反応器のシフトガス出口付近における前記シフト触媒層の温度における前記炭化水素原料の処理可能量B2とに基づいて決定されることを特徴とする。
The invention according to claim 8 is the operation control method for the fuel processor according to any one of
この燃料プロセッサの運転制御方法によれば、前記シフト反応器における反応が比較的遅い場合は、前記シフト反応器の改質ガス入口付近における前記シフト触媒層の温度における前記炭化水素の処理可能量B1とともに、反応可能な温度範囲を広く確保することが必要なため、前記シフト反応器のシフトガス出口付近における前記シフト触媒層の温度における前記炭化水素原料の処理可能量B2をも考慮して、前記処理可能量Bを決定して炭化水素原料の供給量を制御することが有効である。 According to this fuel processor operation control method, when the reaction in the shift reactor is relatively slow, the hydrocarbon treatable amount B1 at the temperature of the shift catalyst layer in the vicinity of the reformed gas inlet of the shift reactor. In addition, since it is necessary to ensure a wide temperature range in which the reaction can be performed, the processing is performed in consideration of the processable amount B2 of the hydrocarbon raw material at the temperature of the shift catalyst layer in the vicinity of the shift gas outlet of the shift reactor. It is effective to determine the possible amount B and control the supply amount of the hydrocarbon raw material.
請求項9に記載の発明は、炭化水素原料と水とを改質反応させて改質ガスを製造する改質触媒層が内設された改質器と、前記改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させて水素を生成させ、さらに水素濃度が増加したシフトガスを製造するシフト反応触媒層が内設されたシフト反応器と、前記シフトガス中に存在する一酸化炭素を選択的酸化反応させて、一酸化炭素濃度を低減させる一酸化炭素選択酸化触媒層が内設された一酸化炭素選択酸化反応器と、前記改質器、前記シフト反応器および前記一酸化炭素選択酸化反応器の運転を制御する運転制御部と、を備える燃料プロセッサであって、前記運転制御部が、前記改質触媒層の温度を検知する改質温度検知手段と、前記シフト反応触媒層の温度を検知するシフト温度検知手段と、前記改質温度検知手段によって検知される前記改質触媒層の温度における前記炭化水素原料の処理可能量Aを求める改質反応計算手段と、前記シフト温度検知手段によって検知される前記シフト反応触媒層の温度における前記改質ガスの処理可能量Bを求めるシフト反応計算手段と、前記処理可能量Aと前記処理可能量Bの内のいずれか少ない方の処理可能量に基づいて、前記改質器に供給する炭化水素原料の供給量を制御する反応制御手段と、を有することを特徴とする。 The invention according to claim 9 is a reformer in which a reforming catalyst layer for producing a reformed gas by reforming a hydrocarbon raw material and water is provided, and carbon monoxide in the reformed gas. A shift reactor in which a shift reaction catalyst layer for producing a shift gas with increased hydrogen concentration is produced by causing a shift reaction between water and water vapor, and selective oxidation of carbon monoxide present in the shift gas. A carbon monoxide selective oxidation reactor having a carbon monoxide selective oxidation catalyst layer for reducing the carbon monoxide concentration by reacting, the reformer, the shift reactor, and the carbon monoxide selective oxidation reactor An operation control unit that controls the operation of the fuel processor, wherein the operation control unit detects a temperature of the reforming catalyst layer and a temperature of the shift reaction catalyst layer. Shift temperature detecting means to The reforming reaction calculating means for obtaining the treatable amount A of the hydrocarbon raw material at the temperature of the reforming catalyst layer detected by the reforming temperature detecting means, and the shift reaction catalyst layer detected by the shift temperature detecting means Shift reaction calculating means for obtaining the processable amount B of the reformed gas at the temperature of the reformer, and the reformer based on the smaller processable amount of the processable amount A and the processable amount B. Reaction control means for controlling the supply amount of the hydrocarbon raw material to be supplied to.
この燃料プロセッサでは、運転制御部において、改質反応計算手段が、改質触媒層の温度に応じて炭化水素原料の処理可能量Aを求め、シフト反応計算手段が、シフト反応触媒層の温度に応じて改質ガスの処理可能量Bを求め、反応制御手段が、処理可能量Aと処理可能量Bの内のいずれか少ない方の処理可能量に基づいて、改質器に供給する炭化水素原料の供給量を制御することによって、各触媒層の温度変動に応じて、適正な供給量の炭化水素原料を供給して、安定して適正な品質の水素含有ガスを製造することが可能となる。 In this fuel processor, in the operation control unit, the reforming reaction calculation means obtains the treatable amount A of the hydrocarbon raw material according to the temperature of the reforming catalyst layer, and the shift reaction calculation means sets the temperature of the shift reaction catalyst layer to Accordingly, the processable amount B of the reformed gas is obtained, and the reaction control means supplies hydrocarbons to the reformer based on the smaller processable amount of the processable amount A and the processable amount B. By controlling the feed rate of the raw material, it is possible to supply a suitable feed amount of hydrocarbon raw material according to the temperature fluctuation of each catalyst layer, and to stably produce a hydrogen-containing gas of a proper quality. Become.
請求項10に記載の発明は、請求項9に記載の燃料プロセッサにおいて、前記改質反応計算手段と、前記シフト反応計算手段とは、前記改質触媒および前記シフト反応触媒のそれぞれについて、各触媒の温度とその触媒の処理可能量に関して予め求められる非線形的関係に近似する一次式の関係に基づいて、前記処理可能量Aおよび前記処理可能量Bを求めることを特徴とする。 A tenth aspect of the present invention is the fuel processor according to the ninth aspect, wherein the reforming reaction calculating means and the shift reaction calculating means include a catalyst for each of the reforming catalyst and the shift reaction catalyst. The processable amount A and the processable amount B are obtained based on a linear relationship that approximates a nonlinear relationship obtained in advance with respect to the temperature of the catalyst and the treatable amount of the catalyst.
この燃料プロセッサでは、改質反応計算手段と、前記シフト反応計算手段とは、前記改質触媒および前記シフト反応触媒のそれぞれについて、各触媒の温度とその触媒の処理可能量に関して予め求められる非線形的関係に近似する一次式の関係に基づいて、前記処理可能量Aおよび前記処理可能量Bを求めることによって、各触媒層の温度変動に応じて、適正な供給量の炭化水素原料を供給して、安定して適正な品質の水素含有ガスを製造することが可能となる。 In this fuel processor, the reforming reaction calculating means and the shift reaction calculating means are a non-linearity determined in advance with respect to the temperature of each catalyst and the treatable amount of the catalyst for each of the reforming catalyst and the shift reaction catalyst. By obtaining the treatable amount A and the treatable amount B on the basis of the relationship of the linear expression that approximates the relationship, an appropriate amount of hydrocarbon raw material is supplied according to the temperature fluctuation of each catalyst layer. Thus, it becomes possible to stably produce a hydrogen-containing gas of appropriate quality.
請求項11に記載の発明は、炭化水素原料と水とを改質反応させて改質ガスを製造する改質触媒層が内設された改質器と、前記改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させて水素を生成させ、さらに水素濃度が増加したシフトガスを製造するシフト反応触媒層が内設されたシフト反応器と、前記シフトガス中に存在する一酸化炭素を選択的酸化反応させて、一酸化炭素濃度を低減させる一酸化炭素選択酸化触媒層が内設された一酸化炭素選択酸化反応器と、前記改質器、前記シフト反応器および前記一酸化炭素選択酸化反応器の運転を制御する運転制御部と、を備える燃料プロセッサであって、前記運転制御部が、前記改質触媒層の温度を検知する改質温度検知手段と、前記シフト反応触媒層の温度を検知するシフト温度検知手段と、前記一酸化炭素選択酸化触媒層の温度を検知する一酸化炭素選択酸化温度検知手段と、前記改質温度検知手段によって検知される前記改質触媒層の温度における前記炭化水素原料の処理可能量Aを求める改質反応計算手段と、前記シフト温度検知手段によって検知される前記シフト反応触媒層の温度における前記改質ガスの処理可能量Bを求めるシフト反応計算手段と、前記一酸化炭素選択酸化温度検知手段によって検知される前記一酸化炭素選択酸化触媒層の温度における前記シフトガスの処理可能量Cを求める一酸化炭選択酸化反応計算手段と、前記処理可能量A、前記処理可能量B、および前記処理可能量Cの内のいずれか少ない方の処理可能量に基づいて、前記改質器に供給する炭化水素原料の供給量を制御する反応制御手段と、を有することを特徴とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided a reformer in which a reforming catalyst layer for producing a reformed gas by causing a reforming reaction between a hydrocarbon raw material and water, and carbon monoxide in the reformed gas. A shift reactor in which a shift reaction catalyst layer for producing a shift gas with increased hydrogen concentration is produced by causing a shift reaction between water and water vapor, and selective oxidation of carbon monoxide present in the shift gas. A carbon monoxide selective oxidation reactor having a carbon monoxide selective oxidation catalyst layer for reducing the carbon monoxide concentration by reacting, the reformer, the shift reactor, and the carbon monoxide selective oxidation reactor An operation control unit that controls the operation of the fuel processor, wherein the operation control unit detects a temperature of the reforming catalyst layer and a temperature of the shift reaction catalyst layer. Shift temperature detecting means to A carbon monoxide selective oxidation temperature detection means for detecting the temperature of the carbon monoxide selective oxidation catalyst layer, and a processable amount A of the hydrocarbon raw material at the temperature of the reforming catalyst layer detected by the reforming temperature detection means Reforming reaction calculating means for obtaining the shift reaction calculating means for obtaining the processable amount B of the reformed gas at the temperature of the shift reaction catalyst layer detected by the shift temperature detecting means, and the carbon monoxide selective oxidation temperature A carbon monoxide selective oxidation reaction calculating means for obtaining a processable amount C of the shift gas at the temperature of the carbon monoxide selective oxidation catalyst layer detected by the detecting means, the processable amount A, the processable amount B, and the Reaction control means for controlling the supply amount of hydrocarbon raw material to be supplied to the reformer based on the smaller processable amount of the processable amount C; Characterized in that it has.
この燃料プロセッサでは、運転制御部において、改質反応計算手段が、改質触媒層の温度に応じて炭化水素原料の処理可能量Aを求め、シフト反応計算手段が、シフト反応触媒層の温度に応じて改質ガスの処理可能量Bを求め、一酸化炭選択酸化反応計算手段が、一酸化炭素選択酸化触媒層の温度に応じてシフトガスの処理可能量Cを求め、反応制御手段が、処理可能量A、処理可能量B、および処理可能量Cの内のいずれか少ない方の処理可能量に基づいて、改質器に供給する炭化水素原料の供給量を制御することによって、各触媒層の温度変動に応じて、適正な供給量の炭化水素原料を供給して、安定して適正な品質の水素含有ガスを製造することが可能となる。 In this fuel processor, in the operation control unit, the reforming reaction calculation means obtains the treatable amount A of the hydrocarbon raw material according to the temperature of the reforming catalyst layer, and the shift reaction calculation means sets the temperature of the shift reaction catalyst layer to In response, the processable amount B of the reformed gas is obtained, the carbon monoxide selective oxidation reaction calculation means obtains the processable amount C of the shift gas according to the temperature of the carbon monoxide selective oxidation catalyst layer, and the reaction control means Each catalyst layer is controlled by controlling the amount of hydrocarbon raw material supplied to the reformer based on the smaller of the possible amount A, the treatable amount B, and the treatable amount C. According to the temperature fluctuation, it is possible to supply an appropriate amount of hydrocarbon raw material and stably produce a hydrogen-containing gas having an appropriate quality.
請求項12に記載の発明は、請求項11に記載の燃料プロセッサにおいて、前記改質反応計算手段、前記シフト反応計算手段、および前記一酸化炭選択酸化反応計算手段は、前記改質触媒、前記シフト反応触媒および前記一酸化炭素選択酸化触媒のそれぞれについて、各触媒の温度とその触媒の処理可能量に関して予め求められる非線形的関係に近似する一次式の関係に基づいて、前記処理可能量A、前記処理可能量Bおよび前記処理可能量Cを求めることを特徴とする。 The invention according to claim 12 is the fuel processor according to claim 11, wherein the reforming reaction calculation means, the shift reaction calculation means, and the carbon monoxide selective oxidation reaction calculation means are the reforming catalyst, the For each of the shift reaction catalyst and the carbon monoxide selective oxidation catalyst, the treatable amount A, based on the relationship of a linear expression that approximates a nonlinear relationship obtained in advance with respect to the temperature of each catalyst and the treatable amount of the catalyst, The processable amount B and the processable amount C are obtained.
この燃料プロセッサでは、処理可能量A、処理可能量Bおよび処理可能量Cを、改質触媒、シフト触媒および一酸化炭素選択酸化触媒のそれぞれについて、各触媒の温度とその触媒の処理可能量に関して予め求められる非線形的関係に近似する一次式の関係に基づいて決定することによって、各触媒層の温度変動に応じて、適正な供給量の炭化水素原料を供給して、安定して適正な品質の水素含有ガスを製造することが可能となる。 In this fuel processor, the treatable amount A, the treatable amount B, and the treatable amount C are determined with respect to the temperature of each catalyst and the treatable amount of the catalyst for each of the reforming catalyst, the shift catalyst, and the carbon monoxide selective oxidation catalyst. By deciding based on a linear relationship that approximates the nonlinear relationship obtained in advance, an appropriate amount of hydrocarbon raw material is supplied according to the temperature fluctuation of each catalyst layer, and stable and appropriate quality It becomes possible to produce the hydrogen-containing gas.
本発明の燃料プロセッサの運転制御方法によれば、燃料プロセッサを構成する各反応器の触媒層における処理可能量に応じて、炭化水素原料の供給量、すなわち、改質負荷の変更を行うため、燃料プロセッサから燃料電池スタックに供給される水素含有ガスの品質が適正な範囲に保たれる。そして、燃料プロセッサ(改質器)に供給される炭化水素原料の単位量当たりの理論的水素生成可能量に対して、燃料プロセッサにおける実際の水素生成量を多くすることができるため、燃料プロセッサとしての効率が向上し、また、水素含有ガスの一酸化炭素濃度が低くすることができるため、燃料電池スタックに与える悪影響を低減できる。 According to the fuel processor operation control method of the present invention, in order to change the supply amount of the hydrocarbon raw material, that is, the reforming load, according to the processable amount in the catalyst layer of each reactor constituting the fuel processor, The quality of the hydrogen-containing gas supplied from the fuel processor to the fuel cell stack is maintained in an appropriate range. Since the actual hydrogen generation amount in the fuel processor can be increased with respect to the theoretical hydrogen generation amount per unit amount of the hydrocarbon raw material supplied to the fuel processor (reformer), as a fuel processor In addition, since the carbon monoxide concentration of the hydrogen-containing gas can be lowered, adverse effects on the fuel cell stack can be reduced.
また、各反応器の触媒層の温度によって処理可能量を決定するため、各反応器の性能に応じた改質負荷の上昇を実現して運転制御を適正に行うことができる。特に、請求項2および4に記載の発明では、各触媒の温度とその触媒の処理可能量に関して予め求められる非線形的関係に近似する一次式の関係に基づいて処理可能量を決定するため、非常に簡単な演算で制御が可能となる。
Further, since the processable amount is determined according to the temperature of the catalyst layer of each reactor, it is possible to realize an increase in the reforming load according to the performance of each reactor and to appropriately control the operation. In particular, in the inventions according to
本発明の燃料プロセッサは、各反応器における触媒層の温度変動に応じて、適正な供給量の炭化水素原料を供給して、安定して適正な品質の水素含有ガスを製造することが可能となる。 According to the fuel processor of the present invention, it is possible to stably supply a hydrogen-containing gas of an appropriate quality by supplying an appropriate amount of hydrocarbon raw material according to the temperature fluctuation of the catalyst layer in each reactor. Become.
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明に係る燃料電池システムの主要構成を示すブロック図である。
この燃料電池システム1は、脱硫装置2と、改質器3と、シフト反応器4と、PROX(一酸化炭素(CO)選択酸化)反応器5と、燃料電池スタック6とを備えるものである。この燃料電池システム1において、脱硫装置2と、改質器3と、シフト反応器4と、PROX反応器5と、運転制御部20とは、燃料電池スタック6のアノード電極に水素含有ガス(水素濃度を増加させるとともに、一酸化炭素濃度を低減させた改質ガス)を供給する燃料プロセッサP1を構成する。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. FIG. 1 is a block diagram showing the main configuration of a fuel cell system according to the present invention.
The
この燃料プロセッサP1の具体例として、図2に示す燃料プロセッサP12について説明する。
この燃料プロセッサP12は、脱硫装置2と、改質器3と、シフト反応器4と、PROX反応器5と、各反応器の運転を制御する運転制御部20とを備える。
As a specific example of the fuel processor P1, a fuel processor P12 shown in FIG. 2 will be described.
The fuel processor P12 includes a
脱硫装置2は、改質器3における改質触媒の機能を阻害する硫黄分を除去するため、改質器3に供給する炭化水素原料を脱硫する装置である。この脱硫装置2は、特に制限されず、炭化水素原料の性状、硫黄含有量、脱硫負荷、処理量等に応じて、適宜選択される。脱硫触媒としては、例えば、ニッケル−モリブデン系、クロム−モリブデン系の脱硫触媒が用いられる。
The
脱硫装置2によって脱硫された後、改質器3に供給される炭化水素原料は、改質器3における改質反応によって水素を製造できるものであれば、特に制限されない。例えば、灯油、軽油、重油、アスファルテン、オイルサンド油、メタノール、ナフサ、石炭液化油、石炭系重質油、ガソリン等の液状炭化水素混合物、都市ガス、LPG等の気体状炭化水素混合物などの各種の炭化水素混合物を用いることができる。液状の炭化水素原料は、脱硫装置2に供給する前に加熱し気化させて脱硫装置に供給すればよい。これらの中でも、灯油は、水素源としてのエネルギ密度が非常に高く、可搬性および貯蔵性に富むため、家庭用の小型の定置型燃料電池システム用の炭化水素原料として好適である。また、用いる炭化水素原料が、硫黄分が少なく、改質器3における改質反応に供給可能なものであれば、脱硫装置2を省略して、改質器3に、直接、気体状の炭化水素原料と水とを供給することができる。
The hydrocarbon raw material supplied to the
改質器3は、改質反応触媒の存在下に、例えば、550〜750℃の範囲の改質処理温度の下で、炭化水素原料が含む炭化水素分と水蒸気との反応によって、水素と一酸化炭素を含むガス(以下、「改質ガス」という)を生成するための装置である。この改質器3は、炭化水素分と水蒸気との反応が行なわれる改質器本体に炭化水素原料を供給するための炭化水素原料供給流路21aと、水蒸気を供給するための水供給流路21bとを備える。炭化水素原料供給流路21aには、原料供給バルブ22が配設され、改質器3に供給される炭化水素原料の供給または停止、あるいは供給量の調節が行われる。
用いられる改質反応触媒は、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)等の貴金属系触媒等が挙げられ、これらの触媒は、セラミック製の多孔質粒状体に担持され、改質器3内に、その多孔質粒状体が充填されて改質触媒層を形成している。
For example, the
Examples of the reforming reaction catalyst used include noble metal catalysts such as platinum (Pt), palladium (Pd), and ruthenium (Ru), and these catalysts are supported on a porous porous body made of ceramic. The
この改質器3には、吸熱反応である炭化水素分と水蒸気の反応の生起のために熱を供給するバーナ7が設けられている。バーナ7には、燃料として、燃料電池スタック6のアノード電極から排出された未反応の水素を含むオフガスと、炭化水素原料とが供給されるとともに、それらの燃料を燃焼させるための空気が供給される。そして、改質器3における反応温度は、改質器3の改質ガス出口3aに設けられた改質温度センサ23によって改質ガス出口3a付近における前記改質触媒層の温度(改質ガス出口3aにおける改質ガスの温度)を検出し、その温度に基づいて、燃料として用いる炭化水素原料の供給量および空気の供給量を調整することによって制御される。改質器3で生成した改質ガスは、改質ガス流路21cを通ってシフト反応器4に供給される。
The
シフト反応器4は、内部に、酸化鉄、銅−亜鉛系、銅−クロム系等のシフト触媒が充填されたシフト触媒層を有する。そして、このシフト反応器4においては、シフト触媒の存在下に、例えば120〜300°Cの温度において、改質器3で生成し、改質ガス入口4aから導入される改質ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気の発熱反応(CO+H2O→CO2+H2)によって、一酸化炭素を二酸化炭素に変成して、一酸化炭素濃度を低減させるとともに、さらに水素濃度が高くなった改質ガス(以下、「シフトガス」という)を生成する装置である。これによって、燃料電池システム1に供給される炭化水素原料および水蒸気が含む水素が、燃料電池スタック6のアノードに供給される発電用水素資源として有効利用される。シフトガスは、シフト反応器4に設けられたシフトガス出口4bからシフトガス流路21dを通ってPROX反応器5に供給される。
The
このシフト反応器4には、シフト入口温度センサ24aが改質ガス入口4a付近に設けられ、改質ガス入口4a付近におけるシフト反応触媒層の温度(改質ガス入口4aにおける改質ガスの温度)が検知される。また、シフト出口温度センサ24bがシフト反応器4のシフトガス出口4b付近に設けられ、シフトガス出口付近におけるシフト反応触媒層の温度(シフト出口4bにおけるシフトガスの温度)が検知される。
The
PROX反応器5は、燃料電池スタック6の電極の被毒の問題を回避するため、PROX触媒の存在下に、シフト反応器4から供給されるシフトガス中に微量に存在する一酸化炭素を酸化させて、シフトガスの一酸化炭素濃度をさらに低減させた改質ガス(以下、「水素含有ガス」という)を燃料電池スタック6に供給するための装置である。通常、このPROX反応器5において、シフトガス中の一酸化炭素濃度が10ppm以下に低減される。PROX反応器5における反応は、例えば、白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属系のPROX触媒の存在下に、80〜250℃の範囲の温度で行なわれる。このPROX反応器5で生成した水素含有ガスは、水素含有ガス出口5aから水素含有ガス流路21eを通って燃料電池スタック6(図1参照)に供給される。
The
このPROX反応器5には、PROX温度センサ25が水素含有ガス出口5a付近に設けられ、水素含有ガス出口5a付近におけるPROX触媒層の温度(水素含有ガス出口5aにおける水素含有ガスの温度)が検知される。
The
燃料電池スタック6は、前記PROX反応器5から供給される水素含有ガスをアノードに導入し、加湿器(図示せず)によって加湿された空気をカソードに導入して、水素と酸素の電気化学的反応によって発電を行うものである。この燃料電池スタック6は、触媒を含むアノードとカソードの間に固体高分子電解質膜等の電解質膜を挟装し、アノードに供給される水素含有ガス中の水素と、カソードに供給される空気中の酸素との反応によって水を生成する反応によって発電を行なうものである。
The
また、燃料電池スタック6における水素と酸素の電気化学的反応は、発電効率の観点から、通常、反応効率80%程度で行なわれるため、燃料電池スタック6のアノードから排出されるオフガスには、未反応の水素が含まれている。そのため、オフガスを、前記のバーナ7に供給することによって、含有する水素を燃料として有効利用して、燃料電池システム全体の熱効率の向上を図ることができる。
In addition, since the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the
運転制御部20は、改質温度検知手段26と、シフト温度検知手段27と、PROX(一酸化炭素選択酸化)温度検知手段28と、改質反応計算手段29と、シフト反応計算手段30と、PROX(一酸化炭選択酸化)反応計算手段31と、反応制御手段32とを備える。
The
改質温度検知手段26は、改質器3の改質ガス出口3aに設けられた改質温度センサ23から、改質ガス出口3a付近における前記改質触媒層の温度(改質ガス出口3aにおける改質ガスの温度)に関する信号を受信して、前記改質触媒層の温度を検知する。検知した改質触媒層の温度に関する情報は、改質反応計算手段29に伝達される。
The reforming temperature detection means 26 receives the temperature of the reforming catalyst layer in the vicinity of the reforming
シフト温度検知手段27は、シフト反応器4の改質ガス入口4aに設けられたシフト入口温度センサ24aから、改質ガス入口4a付近におけるシフト反応触媒層の温度(改質ガス入口4aにおける改質ガスの温度)に関する信号を受信して、改質ガス入口4a付近におけるシフト反応触媒層の温度を検知する。さらに、シフト温度検知手段27は、シフト反応器4のシフトガス出口4b付近に設けられたシフト出口温度センサ24bから、シフトガス出口4b付近におけるシフト反応触媒層の温度(シフトガス出口4bにおけるシフトガスの温度)に関する信号を受信して、シフトガス出口4b付近におけるシフト反応触媒層の温度を検知する。検知された、改質ガス入口4a付近におけるシフト反応触媒層の温度と、シフトガス出口4b付近におけるシフト反応触媒層の温度に関する情報は、シフト反応計算手段30に伝達される。
The shift
PROX温度検知手段28は、PROX反応器5の水素含有ガス出口5a付近に設けられたPROX温度センサ25から、水素含有ガス出口5a付近におけるPROX触媒層の温度(水素含有ガス出口5aにおける水素含有ガスの温度)に関する信号を受信して、水素含有ガス出口5a付近におけるPROX触媒層の温度を検知する。検知された水素含有ガス出口5a付近におけるPROX触媒層の温度に関する情報はPROX反応計算部31に伝達される。
The PROX temperature detection means 28 detects the temperature of the PROX catalyst layer in the vicinity of the hydrogen-containing
改質反応計算手段29は、改質温度検知手段26によって検知された改質ガス出口3a付近における前記改質触媒層の温度(改質ガス出口3aにおける改質ガスの温度)に応じて、炭化水素原料の処理可能量Aを求める。
The reforming reaction calculation means 29 is carbonized according to the temperature of the reforming catalyst layer in the vicinity of the reformed
この改質反応計算部29において、改質器3における炭化水素原料の処理可能量Aは、下記のようにして求められる。
一般に、改質器において、同一の空間速度(SV)で炭化水素原料および水の混合ガスを改質触媒層に供給して改質反応を行う場合、反応温度(改質触媒層の温度)が高いほど、生成する水素量は多い。しかし、改質触媒層の温度が低く、得られる水素量が少ない場合でも、改質反応が完結していれば、改質ガスを次段のシフト反応器4に供給してシフト反応をおこなってもシフト触媒層に何ら悪影響を及ぼすことはない、と考えられる。
In the reforming
Generally, in a reformer, when a reforming reaction is performed by supplying a mixed gas of a hydrocarbon raw material and water to a reforming catalyst layer at the same space velocity (SV), the reaction temperature (the temperature of the reforming catalyst layer) is The higher the amount, the more hydrogen is produced. However, even when the temperature of the reforming catalyst layer is low and the amount of hydrogen obtained is small, if the reforming reaction is completed, the reformed gas is supplied to the
そこで、下記の(A)および(B)のステップで、改質器3における制御線図を作成する。
(A)マイクロリアクタを用いる触媒反応試験によって、図3(A)に示すように、用いる改質触媒における処理可能量(炭化水素原料の供給比(炭化水素原料の供給量/定格運転時の炭化水素原料の必要供給量)と、改質触媒温度との関係を求める。この関係は、図3(A)に示す非線形的関係となる。
図3(A)において、「改質完結領域」は、ガス組成、ガス流量がその温度における反応平衡計算値=実測値となる領域を示し、「改質未完領域」は、ガス組成、ガス流量が反応平衡計算値≠実測値となる領域、すなわち、改質ガスに生原料ガスが含まれていると考えられる領域を示す。
Therefore, a control diagram in the
(A) By a catalytic reaction test using a microreactor, as shown in FIG. 3 (A), as shown in FIG. 3 (A), the treatable amount of the reforming catalyst used (the supply ratio of hydrocarbon raw material (the supply amount of hydrocarbon raw material / hydrocarbon during rated operation) The relationship between the required supply amount of the raw material) and the reforming catalyst temperature is obtained, which is a non-linear relationship shown in FIG.
In FIG. 3A, the “reformation completion region” indicates a region where the gas composition and gas flow rate are the reaction equilibrium calculated values at the temperature = actual measurement value, and the “reformation incomplete region” indicates the gas composition and gas flow rate. Indicates a region where reaction equilibrium calculated value ≠ actual measurement value, that is, a region where raw gas is considered to be included in the reformed gas.
(B)次に、下記の理由(1)〜(4)により、図3(B)に示すように、改質器の改質ガス出口における改質触媒層の温度(改質触媒層出口温度)に応じて改質器3の処理可能量Aおよび改質器3の運転の制御線図を作成する。
(1)定格以上の炭化水素原料の供給は必要ないため、1.0以上の炭化水素原料の供給比(炭化水素原料の供給量/定格運転時の炭化水素原料の必要供給量)での改質器3の運転は行わないことにする。
(2)前記のマイクロリアクタによる試験結果において、改質器3に供給される炭化水素原料および水の混合ガスの脈動、触媒劣化等を考慮した安全率をかけた切辺を持たせた上、制御簡略化のためこの傾きを一次式の線形式とする。この一次式によって、改質触媒層の温度に対する炭化水素原料の供給量、すなわち、処理可能量Aを求めることができる。
(B) Next, for the following reasons (1) to (4), as shown in FIG. 3B, the temperature of the reforming catalyst layer at the reforming gas outlet of the reformer (the reforming catalyst layer outlet temperature). ), The controllable diagram of the processable amount A of the
(1) Since it is not necessary to supply a hydrocarbon raw material that exceeds the rating, the supply ratio of the hydrocarbon raw material that is 1.0 or higher (the supply amount of hydrocarbon raw material / the required supply amount of hydrocarbon raw material during rated operation) The operation of the
(2) In the test result by the above microreactor, the control is given with a cutting edge multiplied by a safety factor considering the pulsation of the mixed gas of hydrocarbon raw material and water supplied to the
この一次式は、下記のようにして求めることができる。
まず、図4に示すように、マイクロリアクタによる試験結果からY:用いる改質触媒における処理可能量(炭化水素原料の供給比(炭化水素原料の供給量/定格運転時の炭化水素原料の必要供給量))と、X:改質触媒温度との非線形的関係を示す曲線(実験線)について接線を求める。そして、この接線を表す一次式:Y=aX+b(a>0,b<0)を求める。この接線は、実験線において、改質触媒の触媒活性温度の下限温度、例えば、X=Tの線との交点X1と、Y=1.0の線との交点Y2との間の区間の中間点における接線として求めることができる。
次に、改質器3に供給される炭化水素原料および水の混合ガスの脈動、触媒劣化等を考慮した安全率z1を考慮して上限線:Y=aX+b・z1を求める。さらに、触媒活性温度の下限温度、例えば、TにおけるYが0以上となるように、下限線:Y=aX+b・z2のZ2を決定する(Z1<Z2,Z1,Z2>0)。
そして、上限線:Y=aX+b・z1と、下限線:Y=aX+b・z2と、X=Tの線と、Y=1.0の線とで囲まれる領域(図4中、斜線を付した部分)を通り、X=Tのときに点2と点3の間をとおり、Y=1.0のときに点1と点4の間を通る直線を表す一次式:Y=cX+dを、前記の一次式とする。
このように求められた一次式に基づいて、処理可能量Aを求めることができる。
This linear expression can be obtained as follows.
First, as shown in FIG. 4, from the test result by the microreactor, Y: the treatable amount in the reforming catalyst to be used (the supply ratio of the hydrocarbon raw material (the supply amount of the hydrocarbon raw material / the required supply amount of the hydrocarbon raw material during rated operation) )) And X: a tangent is obtained for a curve (experimental line) showing a non-linear relationship between the reforming catalyst temperature. Then, a linear expression representing this tangent: Y = aX + b (a> 0, b <0) is obtained. This tangent is the lower limit temperature of the catalyst activation temperature of the reforming catalyst, for example, the middle of the section between the intersection X1 with the line X = T and the intersection Y2 with the line Y = 1.0 in the experimental line. It can be obtained as a tangent at the point.
Next, an upper limit line: Y = aX + b · z1 is obtained in consideration of a safety factor z1 in consideration of pulsation of a mixed gas of hydrocarbon raw material and water supplied to the
The upper limit line: Y = aX + b · z1, the lower limit line: Y = aX + b · z2, the region surrounded by the line X = T, and the line Y = 1.0 (in FIG. 4, hatched lines are attached) The linear equation Y = cX + d representing a straight line passing between
The processable amount A can be determined based on the linear expression thus determined.
ここで、一例として、マイクロリアクタによる実験によって実験線を求め、実際に接線を求めてみると、Y=0.016X−8.3が求められ、改質触媒の触媒活性温度の下限温度を例えば、T=550℃とすると、安全率Z1およびZ2を、それぞれ1〜1.2程度とすることが有効であることが分かった。 Here, as an example, when an experimental line is obtained by an experiment using a microreactor and a tangential line is actually obtained, Y = 0.016X-8.3 is obtained, and the lower limit temperature of the catalyst activation temperature of the reforming catalyst is, for example, When T = 550 ° C., it has been found that it is effective to set the safety factors Z1 and Z2 to about 1 to 1.2, respectively.
(3)改質触媒および反応器の保護(耐久性)のため、750℃以上での改質器3の運転は行わないこととする。
(4)改質触媒の保護のため低温での反応を避けるため、550℃以下での改質器3の運転は行わないこととする。
(3) In order to protect (durability) the reforming catalyst and the reactor, the
(4) To avoid the reaction at a low temperature for protecting the reforming catalyst, the
シフト反応計算手段30は、シフト温度検知手段27によって検知された、改質ガス入口4a付近におけるシフト反応触媒層の温度(改質ガス入口4aにおける改質ガスの温度)、およびシフトガス出口4b付近におけるシフト反応触媒層の温度(シフトガス出口4bにおけるシフトガスの温度)に応じて、炭化水素原料の処理可能量Bを求める。
The shift reaction calculation means 30 detects the temperature of the shift reaction catalyst layer in the vicinity of the reformed
このシフト反応計算手段30において、改質ガスの処理可能量Bは、下記のようにして求められる。
一般に、シフト反応器4におけるシフト反応においては、反応温度(シフト触媒の温度)が高いほど、反応速度を高くすることができ、その結果、処理量に対する触媒の必要量を少なくできるが、生成するシフトガス中の一酸化炭素濃度が多くなってしまう。このため、シフト反応器4における反応が完結する(反応が平衡に達する)ことは、次段のPROX反応器5における一酸化炭素選択酸化反応に移行するために必要であるが、高温のシフトガスが次段のPROX反応器5に導入されると、一酸化炭素濃度が多いために、PROX反応器5における必要な処理量が多くなる。したがって、PROX反応器5における処理可能量Cとのバランスを考慮して、シフト反応器4のシフトガス出口におけるシフト触媒層の温度も最高温度を設定して、その温度以下に制御することが必要なる。さらに、シフト反応は、シフト反応の反応温度(シフト触媒の温度)が、改質触媒の温度よりも低いため、改質反応に比べて反応が遅い特徴があるため、このことを考慮してシフト触媒層の温度を制御する必要がある。
In this shift reaction calculation means 30, the processable amount B of the reformed gas is obtained as follows.
Generally, in the shift reaction in the
そこで、下記の(A)および(B)のステップで、シフト反応器4の制御線図を作成する。
(A)マイクロリアクタを用いる触媒反応試験によって、図5(A)に示すように、用いるシフト触媒における処理可能量(炭化水素原料の供給比(炭化水素原料の供給量/定格運転時の炭化水素原料の必要供給量)と、シフト触媒温度との関係を求める。この関係は、図5(A)に示すとおり、非線形的関係となる。
図5(A)において、「シフト完結領域」は、ガス組成、ガス流量がその温度における反応平衡計算値=実測値となる領域を示し、「シフト未完領域」は、ガス組成、ガス流量が反応平衡計算値≠実測値となる領域、すなわち、改質ガスに生原料ガスが含まれ、一酸化炭素濃度の低下が十分ではないと考えられる領域を示す。
Therefore, a control diagram of the
(A) By a catalytic reaction test using a microreactor, as shown in FIG. 5 (A), as shown in FIG. 5 (A), the processable amount in the shift catalyst used (the supply ratio of hydrocarbon raw material (the supply amount of hydrocarbon raw material / the hydrocarbon raw material during rated operation) Required relationship) and the shift catalyst temperature, which is a non-linear relationship as shown in FIG.
In FIG. 5A, “shift complete region” indicates a region where the gas composition and gas flow rate are the reaction equilibrium calculated values at the temperature = actually measured value, and “shift incomplete region” indicates the gas composition and gas flow rate reacting. This is a region where the equilibrium calculation value is not equal to the actual measurement value, that is, a region where the raw material gas is included in the reformed gas and the decrease in the carbon monoxide concentration is considered insufficient.
(B)次に、下記の理由(1)〜(4)により、図5(B)に示すように、シフト反応器4の改質ガス入口におけるシフト触媒層の温度(シフト触媒層入口温度)に応じてシフト反応器4の処理可能量B1およびシフト反応器4の運転の制御線図を作成する。
(1)定格以上の炭化水素原料の供給は必要ないため、1.0以上の炭化水素原料の供給比(炭化水素原料の供給量/定格運転時の炭化水素原料の必要供給量)でのシフト反応器4の運転は行わないことにする。
(2)マイクロリアクタによる試験結果において、シフト反応器4に供給される炭化水素原料および水の混合ガスの脈動、触媒劣化等を考慮した安全率をかけた切辺を持たせた上、制御簡略化のためこの傾きを一次式の線形式とする。この一次式によって、シフト触媒層の温度に対する炭化水素原料の供給量、すなわち、処理可能量B1を求めることができる。
(B) Next, for the following reasons (1) to (4), as shown in FIG. 5B, the temperature of the shift catalyst layer at the reformed gas inlet of the shift reactor 4 (shift catalyst layer inlet temperature) Accordingly, a control diagram of the
(1) Since it is not necessary to supply a hydrocarbon raw material exceeding the rating, a shift in the supply ratio of the hydrocarbon raw material of 1.0 or more (the supply amount of the hydrocarbon raw material / the required supply amount of the hydrocarbon raw material during the rated operation) The
(2) In the test result by the microreactor, the control is simplified after giving a safety margin considering the pulsation of the mixed gas of hydrocarbon raw material and water supplied to the
この一次式を求める方法については、前記の改質触媒における一次式の決定方法と同様にして行うことができる。
そして、一例として、マイクロリアクタによる実験によって実験線を求め、実際に接線を求めてみると、Y=0.016X−1.9が求められ、シフト触媒の触媒活性温度の下限温度を例えば、T=150℃とすると、安全率Z1およびZ2を、それぞれ1〜1.6程度とすることが有効であることが分かった。
About the method of calculating | requiring this primary formula, it can carry out similarly to the determination method of the primary formula in the said reforming catalyst.
As an example, when an experimental line is obtained by an experiment using a microreactor and a tangential line is actually obtained, Y = 0.016X-1.9 is obtained, and the lower limit temperature of the catalytic activity temperature of the shift catalyst is, for example, T = It was found that it was effective to set the safety factors Z1 and Z2 to about 1 to 1.6 at 150 ° C., respectively.
(3)シフト触媒の保護(耐久性)のため、280℃以上でのシフト反応器4の運転は行わないこととする。
(4)低温すぎる反応系では反応しない場合があるので180℃以下でのシフト反応器4の運転は行わないこととする。
(3) For the protection (durability) of the shift catalyst, the
(4) Since reaction may not occur in a reaction system that is too cold, the
(C)次に、シフト反応器4のシフトガス出口におけるシフト触媒層の温度に応じてシフト反応器4の処理可能量B2およびシフト反応器4の運転を制御する条件を検討する。このとき、シフト触媒の平衡温度と、シフト反応器4のシフトガス中の一酸化炭素(CO)濃度を平衡計算値によって求めると、図6(A)に示すとおりである。この関係は、図6(A)に示すとおり、非線形的関係となる。このとき、混合原料ガスとしてSR(水/炭化水素原料:S/C)=3、700℃、常圧下での反応平衡ガスを想定する。
(C) Next, the processable amount B2 of the
(D)下記の理由(1)〜(4)により、図7に示すように、シフト反応器4のシフトガス出口におけるシフト触媒層の温度に応じてシフト反応器4の処理可能量(炭化水素原料の供給比(炭化水素原料の供給量/定格運転時の炭化水素原料の必要供給量))B2で示されるシフト反応器4の運転の制御線図を作成する。
(D) For the following reasons (1) to (4), as shown in FIG. 7, the processable amount of the shift reactor 4 (hydrocarbon feedstock) according to the temperature of the shift catalyst layer at the shift gas outlet of the
(1)定格以上の炭化水素原料の供給は必要ないため、1.0以上の炭化水素原料の供給比(炭化水素原料の供給量/定格運転時の炭化水素原料の必要供給量)でのシフト反応器4の運転は行わないことにする。
(2)実機のシフト反応器において、混合原料ガスとして炭化水素原料の供給比(炭化水素原料の供給量/定格運転時の炭化水素原料の必要供給量)を変えてシフト反応を行い、このときの改質ガス入口におけるシフト触媒層の温度(シフト触媒層入口温度)と、シフトガス出口におけるシフト触媒層の温度(シフト触媒層出口温度)との関係を調べた。そして、シフト反応器(シフトガス出口)から導出されるシフトガスの組成を調べて、適切なガス組成を示す場合、すなわち、シフト触媒層における反応が反応平衡の状態となっている場合のシフト触媒層入口温度とシフト触媒層出口温度の関係、すなわち、シフト反応器内のシフト触媒層の温度分布が適切となる場合について調べた。その結果、図6(B)に示すとおり、シフト触媒層入口温度が180℃のときにシフト触媒層出口温度が110℃である場合(このときの炭化水素原料の供給比は、図5(A)から0.4である。)、さらに、シフト触媒層入口温度が210℃のときにシフト触媒層出口温度が135℃である場合(このときの炭化水素原料の供給比は、図5(A)から1.0である。)が、それぞれシフト反応器(シフトガス出口)から導出されるシフトガスが適切なガス組成を示した。このシフト触媒層入口温度が180℃のときにシフト触媒層出口温度が110℃である場合の点(X=シフト触媒層出口温度:110℃、Y=炭化水素原料の供給比:0.4)と、シフト触媒層入口温度が210℃のときにシフト触媒層出口温度が135℃である場合の点(X=シフト触媒層出口温度:135℃、Y=炭化水素原料の供給比:1.0)とを結ぶ直線Lを作成した。この直線Lの上側が、ガス組成、ガス流量がその温度における反応平衡計算値=実測値となる領域(シフト完結領域)であり、下側が、ガス組成、ガス流量が反応平衡計算値≠実測値となる領域、すなわち、改質ガスに生原料ガスが含まれ、一酸化炭素濃度の低下が十分ではないと考えられる領域(シフト未完領域)であり、直線Lは、シフト完結領域とシフト未完領域の境界を意味する。この直線Lは、点(X=シフト触媒層出口温度:110℃、Y=炭化水素原料の供給比:0.4)と、点(X=シフト触媒層出口温度:135℃、Y=炭化水素原料の供給比:1.0)とを結ぶ線であるから、Y=0.833X−39.9と求められる。そして、この一次式:Y=0.833X−39.9の切片に安全率を掛けた式、一例として、安全率Z=0.25として、安全率を掛けた式:Y=0.833−9.98を求める。この一次式:Y=0.833−9.98によって、シフトガス出口におけるシフト触媒層の温度(シフト触媒層出口温度)に対する炭化水素原料の供給量、すなわち、処理可能量B2を求めることができる。
(1) Since it is not necessary to supply a hydrocarbon raw material exceeding the rating, a shift in the supply ratio of the hydrocarbon raw material of 1.0 or more (the supply amount of the hydrocarbon raw material / the required supply amount of the hydrocarbon raw material during the rated operation) The
(2) In the actual shift reactor, the shift reaction is carried out by changing the feed ratio of hydrocarbon feedstock as a mixed feedstock gas (feed rate of hydrocarbon feed / necessary feed rate of hydrocarbon feed during rated operation). The relationship between the temperature of the shift catalyst layer at the reformed gas inlet (shift catalyst layer inlet temperature) and the temperature of the shift catalyst layer at the shift gas outlet (shift catalyst layer outlet temperature) was investigated. Then, the composition of the shift gas derived from the shift reactor (shift gas outlet) is examined to show an appropriate gas composition, that is, the shift catalyst layer inlet when the reaction in the shift catalyst layer is in a reaction equilibrium state. The relationship between the temperature and the shift catalyst layer outlet temperature, that is, the case where the temperature distribution of the shift catalyst layer in the shift reactor is appropriate was examined. As a result, as shown in FIG. 6B, when the shift catalyst layer outlet temperature is 180 ° C. and the shift catalyst layer outlet temperature is 110 ° C. (the supply ratio of the hydrocarbon raw material at this time is shown in FIG. ) To 0.4.) Further, when the shift catalyst layer inlet temperature is 210 ° C. and the shift catalyst layer outlet temperature is 135 ° C. (the supply ratio of the hydrocarbon raw material at this time is shown in FIG. ) To 1.0)), each of the shift gases derived from the shift reactor (shift gas outlet) showed an appropriate gas composition. Points when the shift catalyst layer outlet temperature is 110 ° C. when the shift catalyst layer inlet temperature is 180 ° C. (X = shift catalyst layer outlet temperature: 110 ° C., Y = hydrocarbon feed ratio: 0.4) When the shift catalyst layer inlet temperature is 210 ° C. and the shift catalyst layer outlet temperature is 135 ° C. (X = shift catalyst layer outlet temperature: 135 ° C., Y = hydrocarbon feed ratio: 1.0 ) Was created. The upper side of the straight line L is a region where the gas composition and the gas flow rate are the reaction equilibrium calculated values at the temperature = actual measurement value (shift complete region), and the lower side is the gas composition and the gas flow rate are the reaction equilibrium calculated values ≠ the actual measurement value. That is, a region where the raw material gas is contained in the reformed gas and the carbon monoxide concentration is considered not to be sufficiently lowered (shift incomplete region), and a straight line L represents a shift complete region and a shift incomplete region. Means the boundary. This straight line L has a point (X = shift catalyst layer outlet temperature: 110 ° C., Y = hydrocarbon feed ratio: 0.4) and a point (X = shift catalyst layer outlet temperature: 135 ° C., Y = hydrocarbon). Therefore, Y = 0.833X-39.9 is obtained. Then, an equation obtained by multiplying the intercept of this primary expression: Y = 0.833X-39.9 by a safety factor, for example, a safety factor Z = 0.25, and a formula obtained by multiplying the safety factor: Y = 0.833- Obtain 9.98. By this primary expression: Y = 0.833-9.98, the supply amount of the hydrocarbon raw material with respect to the temperature of the shift catalyst layer at the shift gas outlet (shift catalyst layer outlet temperature), that is, the processable amount B2 can be obtained.
(3)PROX反応器5に供給されるシフトガス中の一酸化炭素濃度が上限以上にならないように、200℃以上でのシフト反応器4の運転は行わないこととする。ここで、前記シフト反応器のシフトガス出口におけるシフト触媒層の温度は、前記シフト反応器から一酸化炭素選択酸化反応器に供給されるシフトガスの組成を決定するため、シフト反応器4の改質ガス出口における前記シフト触媒層の温度(シフト触媒層出口温度)によって、前記処理可能量Bを決定して炭化水素原料の供給量を制御することが有効である。これは、高温のシフトガスが次段のPROX反応器5に導入されると、一酸化炭素濃度が多いために、PROX反応器5における必要な処理量が多くなるため、PROX反応器5における処理可能量Cとのバランスを考慮して、シフト反応器4のシフトガス出口におけるシフト触媒層の温度も最高温度を設定して、その温度以下に制御することが必要となるためである。
(4)低温すぎる反応系では反応が完結せずに一酸化炭素濃度が多いシフトガスがPROX反応器5に供給される可能性があるので140℃以下でのシフト反応器4の運転は行わないこととする。
(3) The
(4) In a reaction system that is too low in temperature, the
PROX反応計算手段31は、PROX温度検知手段28によって検知された、水素含有ガス出口5a付近におけるPROX触媒層の温度(水素含有ガス出口5aにおける水素含有ガスの温度)に応じて、炭化水素原料の処理可能量Cを求める。
The PROX reaction calculation means 31 detects the hydrocarbon raw material according to the temperature of the PROX catalyst layer in the vicinity of the hydrogen-containing
このPROX反応計算手段31において、炭化水素原料の処理可能量Cは、下記のようにして求められる。
まず、下記の(A)および(B)のステップで、PROX反応器5における運転の制御線図を作成する。
(A)マイクロリアクタを用いる触媒反応試験によって、図8(A)に示すように、PROX触媒の温度と、PROX反応の結果、マイクロリアクタから排出される水素含有ガス中の一酸化炭素(CO)濃度(ppm)の関係を求める。この関係は、図8(A)に示すとおり、非線形的関係となる。なお、このマイクロリアクタにおける試験結果は、PROX反応器5の実機における一定の想定条件(SV、炭化水素原料と水の混合ガスのSR、シフト反応器4における反応条件、シフトガス中の酸素および一酸化炭素の含有量等)を想定して求められるものであるため、これらの反応条件や、用いるPROX触媒の性能などによって異なるものとなる。
In this PROX reaction calculation means 31, the processable amount C of the hydrocarbon raw material is obtained as follows.
First, a control diagram of operation in the
(A) By a catalytic reaction test using a microreactor, as shown in FIG. 8A, the temperature of the PROX catalyst and the carbon monoxide (CO) concentration in the hydrogen-containing gas discharged from the microreactor as a result of the PROX reaction ( ppm). This relationship is a non-linear relationship as shown in FIG. The test results in this microreactor are based on certain assumed conditions (SV, SR of the mixed gas of hydrocarbon raw material and water, reaction conditions in the
図8(A)において、190℃以下の一酸化炭素濃度の上昇は、想定条件では、反応しきれず未反応分の一酸化炭素が残留した結果である、と考えられる。
また、190℃以上の一酸化炭素濃度の上昇は、メタン化が促進した結果、水素含有ガス中の総ガス量が減少したことと、高温側での一酸化炭素の選択酸化性が低下したことによる、と考えられる。
In FIG. 8A, the increase in the carbon monoxide concentration of 190 ° C. or lower is considered to be a result of the unreacted carbon monoxide remaining without being reacted under the assumed conditions.
In addition, the increase in the carbon monoxide concentration of 190 ° C. or higher resulted from a decrease in the total amount of gas in the hydrogen-containing gas as a result of the promotion of methanation and a decrease in the selective oxidation of carbon monoxide on the high temperature side. It is thought that.
また、燃料電池スタック6の一酸化炭素による被毒を回避するため、供給する水素含有ガス中一酸化炭素含有率を10ppm以下にする。さらに、安全率、脈動等の一酸化炭素含有率の変動因子の効果も踏まえて、燃料プロセッサP1(PROX反応器5)出口での水素含有ガスの品質として、一酸化炭素含有率を5ppm以下とする。この条件を満足するとともに、下記の(1)〜(3)により、図8(B)に示すように、PROX反応器5の水素含有ガス出口におけるPROX触媒層の温度(PROX触媒層温度)に応じてPROX反応器5の処理可能量(炭化水素原料の供給比(炭化水素原料の供給量/定格運転時の炭化水素原料の必要供給量))CおよびPROX反応器5の運転を制御する条件を検討する。
(1)、(2)PROX触媒の性能を踏まえて一酸化炭素の高濃度条件(140℃以下、230℃以上)におけるPROX反応器5の運転を行わないことにする。
(3)定格以上の炭化水素原料の供給は必要ないため、1.0以上の炭化水素原料の供給比(炭化水素原料の供給量/定格運転時の炭化水素原料の必要供給量)でのPROX反応器5の運転は行わないことにする。
Further, in order to avoid poisoning by the carbon monoxide of the
(1), (2) Based on the performance of the PROX catalyst, the
(3) PROX at a feed ratio of hydrocarbon feed of 1.0 or more (supply amount of hydrocarbon feed / necessary feed rate of hydrocarbon feed during rated operation) is not necessary because supply of hydrocarbon feed above the rating is not necessary The
以上のようにして、改質反応計算手段29、シフト反応計算手段30およびPROX反応計算手段31は、それぞれについて作成された下記の制御線図を利用して、処理可能量A、B(B1,B2)、Cを求め、これらを反応制御手段32に伝達する。
(1)改質器3の改質ガス出口温度と炭化水素原料の供給量の制御線図(図3(B))
(2)シフト反応器4の改質ガス入口温度と炭化水素原料の供給量の制御線図(図5(B))
(3)シフト反応器4のシフトガス出口温度と炭化水素原料の供給量の制御線図(図7)
(4)PROX反応器5のシフトガス入口温度と炭化水素原料の供給量の制御線図(図8(B))
As described above, the reforming reaction calculation means 29, the shift reaction calculation means 30 and the PROX reaction calculation means 31 use the following control diagrams created for each, and can process the amounts A, B (B1, B1, B2) and C are obtained and transmitted to the reaction control means 32.
(1) Control diagram of reforming gas outlet temperature of
(2) Control diagram of reformed gas inlet temperature of
(3) Control diagram of shift gas outlet temperature of
(4) Control diagram of shift gas inlet temperature of
反応制御手段32は、改質反応計算手段29によって求められた処理可能量A、シフト反応計算手段30によって求められた処理可能量B、およびPROX反応計算手段31によって求められた処理可能量Cを、各計算手段から伝達されて、それらの内のいずれか少ない方の処理可能量に基づいて、改質器3に供給する炭化水素原料の供給量を制御する。これによって、次のように、燃料プロセッサP1の運転が制御される。
The
まず、燃料プロセッサP1の運転が開始された後、改質温度センサ23、シフト入口温度センサ24a、シフト出口温度センサ24b、PROX温度センサ25のそれぞれに接続された改質温度検知手段26、シフト温度検知手段27およびPROX(一酸化炭素選択酸化)温度検知手段28によって、一定時間毎に、改質器3の改質ガス出口3aにおける改質触媒層の温度、シフト反応器4の改質ガス入口4aおよびシフトガス出口4bにおけるシフト触媒層の温度、ならびにPROX反応器5の水素含有ガス出口5aにおけるPROX触媒層の温度の各温度が検知される。改質温度検知手段26、シフト温度検知手段27およびPROX(一酸化炭素選択酸化)温度検知手段28のそれぞれから各触媒層の温度を伝達された改質反応計算手段29、シフト反応計算手段30およびPROX(一酸化炭選択酸化)反応計算手段31は、前記の制御線図、特に、前記の各処理可能量に関する一次式によって、それぞれの触媒層における処理可能量A、B(B1、B2)、Cを算出し、反応制御手段32に求めた処理可能量A、B(B1、B2)、Cを伝達する。反応制御手段32は、この処理可能量A、B(B1、B2)、Cの内の、最も少ない値を燃料プロセッサP1全体としての炭化水素原料の供給量とし、炭化水素原料供給流路21aに設けられた原料供給バルブ22を制御して、改質器3に供給される炭化水素原料の供給または停止、あるいは供給量の調節を行うことによって、燃料プロセッサP1の運転制御が行われる。これによって、燃料プロセッサを構成する各反応器の触媒層における処理可能量に応じて、炭化水素原料の供給量、すなわち、改質負荷の変更を行う際に、燃料プロセッサから燃料電池スタックに供給される水素含有ガスの品質が適正な範囲に保たれ、燃料プロセッサ(改質器)に供給される炭化水素原料の単位量当たりの理論的水素生成可能量に対して、燃料プロセッサにおける実際の水素生成量を多くすることができるため、燃料プロセッサとしての効率が向上し、また、水素含有ガスの一酸化炭素濃度を低くすることができるため、燃料電池スタックに与える悪影響を低減できる。また、用いる炭化水素原料が重質な原料で常温、常圧で液状であるものにおいては、未反応の重質な炭化水素が各触媒や燃料電池スタックに供給される危険性が少ない。また、各反応器の触媒層の温度によって処理可能量を決定するため、各反応器の性能に応じた改質負荷の上昇を実現して運転制御を適正に行うことができる。特に、請求項2および4に記載の発明では、各触媒の温度とその触媒の処理可能量に関して予め求められる非線形的関係に近似する一次式の関係に基づいて処理可能量を決定するため、非常に簡単な演算で制御が可能となる。
First, after the operation of the fuel processor P1 is started, the reforming temperature detecting means 26 connected to the reforming
このように燃料プロセッサP1が制御されることによって、図1に示す本発明の実施形態に係る燃料電池システム1の定格負荷運転においては、炭化水素原料は、脱硫装置2によって脱硫された後、改質器3に供給される。改質器3においては、改質触媒の存在下に、例えば550〜750℃の範囲の改質処理温度の下で、炭化水素原料が含む炭化水素分と水蒸気との反応(炭化水素+H2O→3H2+CO)によって、水素と一酸化炭素を含むガス(以下、「改質ガス」という)が生成される。改質器3で生成した改質ガスは、シフト反応器4に供給され、一酸化炭素と水蒸気の発熱反応(CO+H2O→CO2+H2)によって、一酸化炭素を二酸化炭素に変成して、一酸化炭素濃度を低減させるとともに、さらに水素濃度が増加されたシフトガスを生成する。シフト反応器4で生成するシフトガスは、PROX反応器5に供給され、シフトガス中に微量に存在する一酸化炭素を酸化させて、シフトガスの一酸化炭素濃度を更に低減させた水素含有ガスが生成される。そして、この水素含有ガスを、燃料電池スタック6のアノード(図示せず)に導入するとともに、加湿器(図示せず)によって加湿された空気をカソード(図示せず)に導入して、水素と酸素の電気化学的反応によって発電が行なわれる。
By controlling the fuel processor P1 in this manner, in the rated load operation of the
なお、以上の説明において、改質触媒、シフト反応触媒またはPROX触媒の温度条件等について、具体的数値を挙げて説明したが、これらの数値は、用いる改質触媒、シフト触媒およびPROX触媒の性能、性状、各反応器に充填する触媒の量、反応器の形式および規模等によって、適宜決定されるものであり、特に限定されないものである。 In the above description, the temperature conditions of the reforming catalyst, the shift reaction catalyst, or the PROX catalyst have been described with specific numerical values. These numerical values are the performance of the reforming catalyst, the shift catalyst, and the PROX catalyst to be used. , Properties, the amount of catalyst charged in each reactor, the type and scale of the reactor, and the like, and are not particularly limited.
1 燃料電池システム
2 脱硫器
3 改質器
4 シフト反応器
5 PROX(一酸化炭素選択酸化)反応器
6 燃料電池スタック
P1 燃料プロセッサ
20 運転制御部
23 改質温度センサ
24a シフト入口温度センサ
24b シフト出口温度センサ
25 PROX温度センサ
26 改質温度検知手段
27 シフト温度検知手段
28 PROX(一酸化炭素選択酸化)温度検知手段
29 改質反応計算手段
30 シフト反応計算手段
31 PROX(一酸化炭選択酸化)反応計算手段
32 反応制御手段
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記改質触媒層の温度における前記炭化水素原料の処理可能量Aと、
前記シフト反応触媒層の温度における前記改質ガスの処理可能量Bと、
を求め、前記処理可能量Aと前記処理可能量Bの内のいずれか少ない方の処理可能量に基づいて、前記改質器に供給する炭化水素原料の供給量を決定することを特徴とする燃料プロセッサの運転制御方法。 A reformer having a reforming catalyst layer for producing a reformed gas by reforming a hydrocarbon raw material and water, and a shift reaction between carbon monoxide and steam in the reformed gas to generate hydrogen And a shift reactor in which a shift reaction catalyst layer for producing a shift gas with an increased hydrogen concentration is provided, and a carbon monoxide existing in the shift gas is selectively oxidized to reduce the carbon monoxide concentration. A fuel processor operation control method comprising a carbon monoxide selective oxidation reactor in which a carbon monoxide selective oxidation catalyst layer to be reduced is provided,
A processable amount A of the hydrocarbon raw material at the temperature of the reforming catalyst layer;
A processable amount B of the reformed gas at the temperature of the shift reaction catalyst layer;
And determining the supply amount of the hydrocarbon raw material to be supplied to the reformer based on the smaller one of the treatable amount A and the treatable amount B. Fuel processor operation control method.
前記運転制御部が、
前記改質触媒層の温度を検知する改質温度検知手段と、
前記シフト反応触媒層の温度を検知するシフト温度検知手段と、
前記改質温度検知手段によって検知される前記改質触媒層の温度における前記炭化水素原料の処理可能量Aを求める改質反応計算手段と、
前記シフト温度検知手段によって検知される前記シフト反応触媒層の温度における前記改質ガスの処理可能量Bを求めるシフト反応計算手段と、
前記処理可能量Aと前記処理可能量Bの内のいずれか少ない方の処理可能量に基づいて、前記改質器に供給する炭化水素原料の供給量を制御する反応制御手段と、
を有することを特徴とする燃料プロセッサ。 A reformer having a reforming catalyst layer for producing a reformed gas by reforming a hydrocarbon raw material and water, and a shift reaction between carbon monoxide and steam in the reformed gas to generate hydrogen And a shift reactor in which a shift reaction catalyst layer for producing a shift gas with an increased hydrogen concentration is provided, and a carbon monoxide existing in the shift gas is selectively oxidized to reduce the carbon monoxide concentration. A carbon monoxide selective oxidation reactor having a carbon monoxide selective oxidation catalyst layer to be reduced, and an operation control unit for controlling operations of the reformer, the shift reactor, and the carbon monoxide selective oxidation reactor; A fuel processor comprising:
The operation control unit is
A reforming temperature detecting means for detecting the temperature of the reforming catalyst layer;
Shift temperature detection means for detecting the temperature of the shift reaction catalyst layer;
A reforming reaction calculating means for obtaining a processable amount A of the hydrocarbon raw material at the temperature of the reforming catalyst layer detected by the reforming temperature detecting means;
Shift reaction calculation means for obtaining a processable amount B of the reformed gas at the temperature of the shift reaction catalyst layer detected by the shift temperature detection means;
Reaction control means for controlling the supply amount of the hydrocarbon raw material to be supplied to the reformer, based on the smaller processable amount of the processable amount A and the processable amount B;
A fuel processor characterized by comprising:
前記運転制御部が、
前記改質触媒層の温度を検知する改質温度検知手段と、
前記シフト反応触媒層の温度を検知するシフト温度検知手段と、
前記一酸化炭素選択酸化触媒層の温度を検知する一酸化炭素選択酸化温度検知手段と、
前記改質温度検知手段によって検知される前記改質触媒層の温度における前記炭化水素原料の処理可能量Aを求める改質反応計算手段と、
前記シフト温度検知手段によって検知される前記シフト反応触媒層の温度における前記改質ガスの処理可能量Bを求めるシフト反応計算手段と、
前記一酸化炭素選択酸化温度検知手段によって検知される前記一酸化炭素選択酸化触媒層の温度における前記シフトガスの処理可能量Cを求める一酸化炭選択酸化反応計算手段と、
前記処理可能量A、前記処理可能量B、および前記処理可能量Cの内のいずれか少ない方の処理可能量に基づいて、前記改質器に供給する炭化水素原料の供給量を制御する反応制御手段と、
を有することを特徴とする燃料プロセッサ。 A reformer having a reforming catalyst layer for producing a reformed gas by reforming a hydrocarbon raw material and water, and a shift reaction between carbon monoxide and steam in the reformed gas to generate hydrogen And a shift reactor in which a shift reaction catalyst layer for producing a shift gas with an increased hydrogen concentration is provided, and a carbon monoxide existing in the shift gas is selectively oxidized to reduce the carbon monoxide concentration. A carbon monoxide selective oxidation reactor having a carbon monoxide selective oxidation catalyst layer to be reduced, and an operation control unit for controlling operations of the reformer, the shift reactor, and the carbon monoxide selective oxidation reactor; A fuel processor comprising:
The operation control unit is
A reforming temperature detecting means for detecting the temperature of the reforming catalyst layer;
Shift temperature detection means for detecting the temperature of the shift reaction catalyst layer;
A carbon monoxide selective oxidation temperature detecting means for detecting the temperature of the carbon monoxide selective oxidation catalyst layer;
A reforming reaction calculating means for obtaining a processable amount A of the hydrocarbon raw material at the temperature of the reforming catalyst layer detected by the reforming temperature detecting means;
Shift reaction calculation means for obtaining a processable amount B of the reformed gas at the temperature of the shift reaction catalyst layer detected by the shift temperature detection means;
A carbon monoxide selective oxidation reaction calculating means for obtaining a processable amount C of the shift gas at the temperature of the carbon monoxide selective oxidation catalyst layer detected by the carbon monoxide selective oxidation temperature detecting means;
A reaction for controlling the supply amount of the hydrocarbon raw material to be supplied to the reformer based on the smaller one of the treatable amount A, the treatable amount B, and the treatable amount C. Control means;
A fuel processor characterized by comprising:
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