專利名稱：重整裝置的停機方法
技術領域：
本發明涉及重整裝置的停機方法。
背景技術：
作為重整裝置的停機方法的一種形式，已知在專利文獻l中描述的一種方法。如專利文獻l的圖4中所示，在聚合物電解質燃料電池的停 機方法中，在停機時通過使蒸汽在重整器系統中流動吹掃可燃氣體，然 后在重整器中重整催化劑的溫度低于重整催化劑氧化的溫度時通過將 空氣引入重整器中吹掃蒸汽。此外，如專利文獻l的圖5中所示，在用 于聚合物電解質燃料電池的停機方法中，將來自重整器的燃燒廢氣引入 CO氧化單元中，而不是引入空氣，然后燃燒廢氣流過CO轉化單元和 重整器以吹掃所述重整器系統。作為另一形式，已知專利文獻2所示的一種方法。如專利文獻2的 圖4中所示，在用于聚合物電解質燃料電池的重整器的停機方法中，在 停機時降低重整器的重整部中重整催化劑層的溫度，用蒸汽吹掃重整器 中的重整氣體，此后將重整催化劑層的溫度降低到原料氣體不熱解的溫 度(等于或高于蒸汽的冷凝溫度)或更低，然后，引入原料氣體吹掃重 整器內的蒸汽。此外，在重整器的重整部中暫時燃燒排出的原料氣體。作為另一形式，已知專利文獻3所示的一種方法。如專利文獻3的 圖9中所示，在用于重整器的停機方法中，在重整催化劑的溫度降低到 40(TC之前，通過使蒸汽和原料氣體的混合氣體流動進行冷卻；在400~ 300。C下通過流動蒸汽吹掃原料氣體進行冷卻；在300'C以下通過流動空 氣以吹掃蒸汽進行冷卻。此外，如專利文獻3的圖10中所示，在重整器的停機方法中，在 重整催化劑的溫度降低到400'C之前，通過停止蒸汽和用于重整的氣體 的自然冷卻進行冷卻；在400 ~ 300'C下用流動蒸汽吹掃原料氣體進行冷 卻；在300'C以下通過流動空氣吹掃蒸汽進行冷卻。此外，如專利文獻3的圖11中所示，在用于重整器的停機方法中， 在重整催化劑的溫度降低到40(TC之前通過流動蒸汽和原料氣體的混合 物卻進行冷卻，在400。C或以下通過用流動氮氣吹掃蒸汽和原料氣體進 行冷卻。此外，如專利文獻3的圖12中所示，在重整器的停機方法中，在 重整催化劑的溫度降低到400。C之前通過停止蒸汽和原料氣體進行的自 然冷卻來進行冷卻，在400'C以下通過用流動氮氣吹掃蒸汽和原料氣體 進行冷卻。專利文獻1:未審的日本專利申請公開NO.2002-8701 專利文獻2:未審的日本專利申請公開NO.2002-151124 專利文獻3:未審的日本專利申請公開NO.2002-93447發明內容本發明所要解決的問題在每個前述專利文獻中記載的重整裝置的停機方法中，盡管用蒸 汽、空氣、原料氣體(重整燃料)等吹掃重整氣體，但是在停機期間停 止供給用于減少一氧化碳的氧化空氣，因此，出現重整氣體中的一氧化 碳未經處理而排放的問題。在每個前述專利文獻1和3中記載的重整裝置的停機方法中，當最 終用空氣密封重整裝置時，重整裝置中的催化劑輕度氧化。此外，在重 整裝置啟動時，重整裝置中的催化劑由重整氣體脫氧。也就是說，由于 重復的脫氧和氧化，出現了重整裝置的重復啟動和停機使催化劑的耐久 性降低的問題。在前述專利文獻2中記載的重整裝置的停機方法中，由于在用原料 氣體進行吹掃中原料氣體過多地流動并且過多流動的原料氣體暫時在 燃燒器中燃燒，所以該過剩造成能量損失。在前述專利文獻1中記載的重整裝置的停機方法中，出現如下問題 因為在用燃燒廢氣進行吹掃時在燃燒器部中進行燃燒，所以重整部在空的狀態下加熱，由于熱引起的劣化，重整部的耐久性降低。在前述專利文獻3中記載的重整裝置的停機方法中，盡管通過停止 蒸汽和原料氣體的自然冷卻進行冷卻，直至重整催化劑的溫度降低到 400°C，但是通常用作重整部的構成材料的是不銹鋼，因此，出現了不 銹鋼在400'C ~ 500°C或更高的范圍內逐漸冷卻的情況下易于遭受晶粒 間腐蝕的問題。本發明用于解決前述不同的問題，本發明的一個目的是在不排放未 處理的一氧化碳的情況下進行停機，以防止降低催化劑的耐久性，即使 重復啟動和停機時也是如此；以重整部的耐久性難以劣化的方式進行停 機；和在能量損失小的情況下進行停機。解決問題的措施為了解決前述問題，在重整裝置的停機方法中，其中該重整裝置設置 有供給有重整燃料和蒸汽以產生重整氣體的重整部；用于加熱并使重整水 沸騰以將蒸汽供給到重整部的蒸發器部；和用于通過用供給的氧化空氣氧 化重整氣體降低由重整部供給的重整氣體中的一氧化碳并隨后排放重整 氣體的一氧化碳減少部，根據權利要求l所述的本發明的特征在于，通過 停止將重整燃料供給到重整部、停止將重整水供給到蒸發器部和通過在利 用重整裝置的余熱蒸發重整水的同時將殘留在蒸發器部中的重整水供給 到重整部，開始吹掃重整裝置中的殘留氣體；并且從開始吹掃的時間點起 使氧化空氣流動預定的時間段。在根據權利要求2的本發明的特征在于，在根據權利要求1所述的本 發明中，在停止氧化空氣的流動之后，如果所述重整裝置的內部壓力升高， 則進行壓力釋放，并且在所述重整裝置的內部壓力停止升高時密封該重整 裝置。根據權利要求3的本發明的特征在于，在根據權利要求2所述的本發 明中，剛好在所述重整裝置停機之前給所述重整裝置充入重整燃料。根據權利要求4的本發明的特征在于，在根據權利要求1 ~3中任一項 所述的本發明中，所述重整裝置還^:置有燃燒器部，所述燃燒器部用于利 用燃燒氧化劑氣體使燃燒燃料燃燒以利用燃燒氣體加熱重整部，并且在進 行吹掃期間，所述燃燒器部在重整部降低至預定溫度之前僅供給有燃燒氧 化劑氣體。本發明的效果在如上構建的根據權利要求l的本發明中，由于通過停止將重整燃料 供給到重整部、停止將重整7jC供給到蒸發器部和通過在利用該重整裝置的 余熱蒸發重整水的同時供給殘留在蒸發器部中的重整水，進行重整裝置中 殘留氣體例如重整氣體的吹掃，所以重整裝置的吹掃過程可以以低的成本在現有結構中進行，并且不需要提^H壬何特殊的結構，例如用于供給吹掃用氮氣的裝置。此外，由于從開始吹掃時的時間起使氧化空氣流動預定的 時間段，所以殘留氣體中的 一 氧化碳可以通it^ 一氧化碳減少部中用氧化 空氣氧化而減少，并且可以從重整裝置中排放。因此，可以在將來自重整 裝置的廢氣中的一氧化碳抑制到低密度的情況下進行停機。此外，由于不 使用燃燒廢氣，所以不會出現加熱處于空狀態的重整部的情況，因此可以 實現對因熱致劣化而降低重整部的耐久性的抑制。在如上構建的根據權利要求2的本發明中，由于在停止氧化空氣的流動流之后，如果所述重整裝置的內部壓力升高，則進行壓力釋，放，當所述 重整裝置的內部壓力停止升高時密封該重整裝置。因此，由蒸發器部所產 生的蒸汽壓力所導致的重整裝置的壓力載荷降低，4吏得可以防止重整裝置 的耐久性降低。同時，可以防止重整裝置的內部壓力降低，并且這防止允 許空氣進入重整裝置，使得可以防止重整裝置中催化劑的耐久性降低。在如上構建的根據權利要求3的本發明中，由于剛好在重整裝置停機 之前該重整裝置充入有重整燃料，所以重整裝置可以在從重整裝置完成停 機到下一次啟動的時間段內保持在合適的壓力狀態，因此，重整裝置的載 荷壓力降低，使得可以防止重整裝置的耐久性降低。此外，由于最終用重 整氣體密封重整裝置，所以可以可靠地防止重整裝置中的催化劑在從重整 裝置的關機完成到下次啟動的時間段內氧化。因此，盡管重復啟動和停止 重整裝置，但是可以防止催化劑的耐久性因重復的脫氧和氧化而劣化。而 且，由于重整裝置在該時間段內充入有重整燃料，所以重整燃料沒有過多 地使用，使得可以在基本沒有能量損失的情況下進行停機。事實上，因為 所注入的重整燃料在下次啟動時用作燃燒燃料，所以能量損失極小。在如上構建的根據權利要求4的本發明中，由于在進行吹掃期間在重 整部降低到預定溫度之前僅將燃燒氧化劑氣體供給到燃燒器部，所以可以 利用燃燒氧化劑氣體快速冷卻重整部。因此，在使用不銹鋼作為構造材料 的情況下，進行快速冷卻以將溫度降低到低于不銹鋼易于發生晶粒間腐蝕的溫度，因此防止重整部的耐久性劣化。
圖l是顯示應用根據本發明的重整裝置的燃料電池系統的一個實施 方案的概要的示意圖。圖2是顯示圖l所示重整裝置的框圖。圖3是顯示根據本發明的重整裝置的停機操作的時間圖。附圖標記說明10…燃料電池,11…燃料極，12…空氣極，20…重整裝置，21…重整 部，21c…溫度傳感器，22…冷卻器部(熱交換部)，23…一氧化碳轉化反 應部(CO轉化部)，24…一氧化碳選擇氧化反應部(CO選擇氧化部)，25… 燃燒器部，26…蒸發器部，27…燃燒氣體流動通道，28…絕熱部，41…燃 料供給管，42…重整燃料泵，43…重整燃料閥，44…燃燒燃料供給管，45… 燃燒燃料泵，46…燃燒燃料閥，51…蒸汽供給管，52…進水管，53…重整 水泵，54…重整水閥，61…氧化空氣供給管，62…氧化空氣泵，63…氧化 空氣閥，64…助燃空氣供給管，65…助燃空氣泵，66…助燃空氣閥，67… 陰極空氣供給管，68…陰極空氣泵，69…陰極空氣閥，71…重整氣體供給 管，72…廢氣供給管，73…旁通管，74…第一重整氣體閥，75…廢氣閥， 76…第二重整氣體岡，81、 82…排放管，89…連接管，90…壓力傳感器。
具體實施方式
在下文中，將對于使用根據本發明的重整裝置的燃料電池系統的一 個實施方案進行描述。圖l是顯示該燃料電池系統概要的示意圖。該燃 料電池系統設置有燃料電池10和用于產生燃料電池10所需的含氫氣的 重整氣體的重整裝置20。燃料電池10設置有燃料極11、作為氧化劑極的空氣極12和插在所 述極ll、 12兩者之間的電解質13,所述燃料電池10可操作為通過使用 供給到燃料極11的重整氣和供給到空氣極12的作為氧化劑氣體的空氣 (陰極空氣)發電。也可以供給富氧空氣代替空氣。重整裝置20用于利用蒸汽重整燃料以將富氫重整氣體供給到燃料電池10,重整裝置20由重整部21、冷卻器部22、 一氧化碳轉化反應部 (在下文稱為"CO轉化部")23、 一氧化碳選擇氧化反應部(下文稱為 "CO選擇氧化部")24、燃燒器部25和蒸發器部26構成。可以采用諸如天然氣、LPG等用于重整的氣體燃料或諸如煤油、汽油、曱醇等用于重整的液體燃料作為重整燃料。將以利用天然氣的形式描述本實施方案。重整部21從作為重整原料的混合物氣體中產生并導出重整氣體， 所述混合物氣體中混有蒸汽和重整燃料。重整部21采用有底的圓筒形 形式，并且設置在環形圓筒中，所述環形圓筒具有沿所述環形圓筒的軸 延伸的環形折返流動通道21a。重整部21由不銹鋼制成。催化劑21b (例如Ru或Ni基催化劑)填充在重整部21的折返流 動通道21a中，其中由冷卻器部22供給的重整燃料和由蒸汽供給管51 供給的蒸汽的混合物氣體通過催化劑21b反應，并被重整以產生氳氣和 一氧化碳氣體(所謂的蒸汽重整反應)。同時，發生所謂的一氧化碳轉 化反應，其中通過蒸汽重整反應產生的一氧化碳與蒸汽反應以轉化成氫 氣和二氧化碳。所產生的氣體(所謂的重整氣體)排出到冷卻器部(熱 交換部)22。蒸汽重整部是吸熱反應，而一氧化碳轉化反應是放熱反應。此外，重整部21中設置有溫度傳感器21c，用于測量重整部21中 的溫度，例如靠近燃燒器部25的壁附近的溫度(Tl)。溫度傳感器21c 的檢測結果傳送到控制裝置30。冷卻器部22是熱交換器(熱交換部)，用于在從重整部21排出的 重整氣體和包括重整燃料與重整水(蒸汽)的混合物之間進行熱交換。 冷卻器部22在利用高溫重整氣體升高低溫混合物氣體的溫度以將混合 物氣體排出到重整部21的同時，利用低溫混合物氣體降低高溫重整氣 體的溫度以將重整氣體排出到CO轉化部23。特別地，冷卻器部22連接至燃料供給管41，燃料供給管41連接至 未圖示的燃料供給源(例如，城市煤氣管)。燃料供給管41上以從上游 側的順序設置有重整燃料泵42和重整燃料閥43。重整燃料閥43操作以 打開或關閉燃料供給管41 。重整燃料泵42用于供給重整燃料和用于調 節供給量。此外，連接至蒸發器部26的蒸汽供給管51連接至位于重整 燃料閥43和冷卻器部22之間的燃料供給管41。從蒸發器部26供給的蒸汽與重整燃料混合，然后混合物氣體經由冷卻器部22供給到重整部 21。CO轉化部23用于減少從重整部21經由冷卻器部22供給的重整氣 體中的一氧化碳，也就是說，CO轉化部23是一氧化碳減少部。CO轉 化部23中設置有在豎直方向上延伸的折返流動通道23a。折返流動通道 23a填充有催化劑23b (例如，Cu-Zn基催化劑)。在CO轉化部23中， 進行所謂的一氧化碳轉化反應，其中從冷卻器部22供給的重整氣體中 包含的一氧化碳和蒸汽通過催化劑23b反應，以轉化成氫氣和二氧化碳 氣體。該一氧化碳轉化反應是放熱反應。CO選擇氧化部24用于進一步減少從CO轉化部23供給的重整氣 體中的一氧化碳以將重整氣體供給到燃料電池10，也就是說，CO選擇 氧化部24是一氧化碳減少部。CO選擇氧化部24釆用環形的圓筒形式， 并設置為接觸蒸發器部26的外周壁以覆蓋所述外周壁。CO選擇氧化部 24中填充有催化劑24a (例如，Ru或Pt基催化劑)。CO選擇氧化部24在其側壁表面的下部和上部分別連接至連接到 CO轉化部23的連接管89和連接到燃料電池10的燃料極11的重整氣 體供給管71。連接管89具有連接到其的氧化空氣供給管61。因此，CO 選擇氧化部24可以供給有來自CO轉化部23的重整氣體、和來自大氣 的氧化空氣。氧化空氣供給管61上以從上游側的順序設置有氧化空氣 泵62和氧化空氣閥63。氧化空氣泵62用于供給氧化空氣和用于調節供 給量。氧化空氣岡63操作以打開或關閉氧化空氣供給管61。因此，導入CO選擇氧化部24中的重整氣體中的一氧化碳與氧化 空氣中的氧反應(被氧化)以形成二氧化碳。該反應是放熱反應，并且 由催化劑24a加速。因此，重整氣體的一氧化碳密度通過氧化反應進一 步減小(小于10ppm),并供給到燃料電池10的燃料極ll。此外，重整氣體供給管71上設置有用于測量密封的重整裝置20中 的壓力的壓力傳感器卯。壓力傳感器90的檢測結果傳送到控制裝置30。燃燒器部25利用燃燒氧化劑氣體(例如空氣)使燃燒燃料燃燒， 并利用燃燒氣體加熱重整部21。也就是^兌，燃燒器部25產生燃燒氣體， 該燃燒氣體通過加熱重整部21供給蒸汽重整反應所必需的熱。燃燒器 部25設置在重整部21中，其下端部插入重整部21的內圓周壁內，并且與內圓周壁間隔開。燃燒器部25連接至燃燒燃料供給管44并且還連接至廢氣供給管72 的一端，所述燃燒燃料供給管44連接至未圖示的燃料供給源(例如城 市煤氣管)，所述廢氣供給管72的另一端連接至燃料極11的出口。在 燃料電池10開始啟動時，燃燒燃料供給到燃燒器部25，并且在燃料電 池10的啟動操作期間，來自CO選擇氧化部24的重整氣體供給到燃燒 器部25,而不經過燃料電池IO。此外，在燃料電池IO的正常運行期間， 從燃料電池10排出的陽極廢氣(在燃料極11處沒有消耗的含氫重整氣 體)供給到燃燒器部25。重整氣體或廢氣的不足由燃燒燃料補足。此外，助燃空氣供給管64連接至燃燒器部25，并且從大氣供給助 燃空氣用于燃燒(氧化)可燃氣體例如燃燒燃料、陽極廢氣、重整氣體 等。燃燒燃料供給管44上以從上游側的順序設置有燃燒燃料泵45和燃 燒燃料閥46。燃燒燃料泵45用于供給燃燒燃料和用于調節供給量。燃 燒燃料閥46操作以打開或關閉燃燒燃料供給管44。此外，助燃空氣供 給管64上以從上游側的順序設置有助燃空氣泵65和助燃空氣閥66。助 燃空氣泵65用于供給助燃空氣和調節供給量。助燃空氣閥66操作以打 開或關閉助燃空氣供給管64。當點燃如上構建的燃燒器部25時，利用助燃空氣燃燒供給的燃燒 燃料、重整氣體或陽極廢氣，以產生高溫燃燒氣體。燃燒氣體流過燃燒 氣體流動通道27，并作為燃燒廢氣通過排放管81排放。因此，燃燒氣 體加熱重整部21和蒸發器部26。燃燒氣體流動通道27是如下的流動通 道該流動通道布置為沿重整部21的內圓周壁與該壁接觸地延伸，然 后在向下折返之后在重整部21的外圓周壁和絕熱部28之間與重整部21 的外圓周壁和絕熱部28接觸地延伸，并且最后在向上折返之后在絕熱 部28和蒸發器部26之間與絕熱部28和蒸發器部26接觸地延伸。蒸發器部26用于通過加熱并使重整水沸騰來產生蒸汽，并且用于 經由冷卻器部22將蒸汽供給到重整部21。蒸發器部26形成為圓筒形狀， 并且設置為覆蓋用于燃燒氣體流動通道27的最外部分的外圓周壁，并 與該壁接觸。蒸發器部26在其下部(例如側壁表面的下部或底表面)連接至進水管52，該進水管52連接至重整水箱(未顯示)。蒸發器部26在其上 部(例如在側壁表面的上部)連接至前述蒸汽供給管51。從重整水箱導 入的重整水在流過蒸發器部26的過程中被燃燒氣體的熱和來自CO選 擇氧化部24的熱加熱，并且轉變成蒸汽以經過蒸汽供給管51和冷卻器 部22導入重整部21。進水管52上以從上游側的順序設置有重整水泵 53和重整水閥54。重整水泵53用于將重整水供給到蒸發器部26和用 于調節重整水的供給量。重整水閥54操作以打開或關閉進水管52。
燃料電池10的燃料極11在其入口處通過重整氣體供給管71連接至 CO選擇氧化部24，在其出口處通過廢氣供給管72連接至燃燒器部25。 旁通管73為燃料電池10設立旁路以直接連接在重整氣體供給管71和 廢氣供給管72之間。重整氣體供給管71上在通向旁通管73的分支點 和燃料電池10之間設置有第一重整氣體閥74。廢氣供給管72上在與旁 通管73的匯聚點和燃料電池10之間設置有廢氣閥75。旁通管73設置 有第二重整氣體閥76。
在啟動操作期間，第一重整氣體閥74和廢氣閥75關閉，第二重整 氣體閥76打開，以避免將一氧化碳密度高的重整氣體從重整裝置20供 給到燃料電池IO。在正常運行期間(在發電運行期間)，第一重整氣體 閥74和廢氣閥75打開，第二重整氣體閥關閉，以將重整氣體從重整裝 置20供給到燃料電池IO。
燃料電池10的空氣極12在其入口處連接至陰極空氣供給管67，在 其出口處連接至排放管82。空氣極12供給有空氣并排出廢氣。陰極空 氣供給管67上以從上游側的順序設置有陰極空氣泵68和陰極空氣閥 69。陰極空氣泵68用于供給陰極空氣和用于調節供給量。陰極空氣閥 69操作以打開或關閉陰極空氣供給管67。
此外，燃料電池系統設置有控制裝置30，該控制裝置30連接至所 有前述的溫度傳感器21c、壓力傳感器90、各個泵42、 45、 53、 62、 65、 68、各個閥43、 46、 54、 63、 66、 69、 74、 75、 76和燃燒器部25 (參 考圖3 )。控制器裝置30中設置有微型計算機(未顯示)，該微型計算機 具有輸入/輸出接口、 CPU、 RAM和ROM (全部都未顯示)。CPU通 過基于來自溫度傳感器21c的溫度和來自壓力傳感器卯的壓力控制各 個泵42、 45、 53、 62、 65、 68、各個閥43、 46、 54、 63、 66、 69、 74、 75、 76和燃燒器部25來執行燃料電池系統的停機。RAM暫時存儲執行程序所需的變量，ROM存儲程序。
應當注意，在發電運行期間，重整部21的溫度為600~700°C， CO 轉化部23的溫度為200~300。C, CO選擇氧化部24的溫度為100 ~ 200 。C。
下面將描述上述燃料電池系統的運行。當打開啟動開關(未顯示) 時，控制裝置30開始啟動操作。更具體而言，打開助燃空氣閥66并驅 動助燃空氣泵65，由此將助燃空氣以預定流量供給到燃燒器部25。打 開燃燒燃料閥46并驅動燃燒燃料泵45，由此將燃燒燃料以預定流量供 給到燃燒器部25。然后，點燃燃燒器部25以開始燃燒燃料的燃燒。在 燃燒開始后，在燃燒氣體經過燃燒氣體流動通道27時重整部21和蒸發 部26因被燃燒氣體加熱而使得它們的溫度升高。
當蒸發器部26加熱至預定溫度或更高的溫度時，打開重整水閥54 并驅動重整水泵53以將重整水供給到蒸發器部26。蒸汽一開始從蒸發 器部26供給到重整部21,就將重整燃料以預定流量供給到重整部21。 蒸汽供給的開始是基于蒸發器部26的出口溫度來確定的。例如，當溫 度升高到100。C時確定供給開始。此外，打開重整燃料岡43并驅動重整 燃料泵42，以將重整燃料經由冷卻器部22以預定流量供給到重整部21。
當供給有重整燃料時，重整部21通過進行前述蒸汽重整反應和一 氧化碳轉化反應產生重整氣體，并且從CO選擇氧化部24排出重整氣 體。然而，由于在該階段包含大量一氧化碳，所以在重整氣體旁路通過 燃料電池10而供給到燃燒器部25。此外，在供給重整燃料的同時，打 開空氣閥64并驅動空氣泵63以將預定的氧化空氣供給到CO選擇氧化 部24。重整氣體中的一氧化碳在CO選擇氧化部24中進一步減少，并 且從CO選擇氧化部24排出重整氣體。
當重整氣體中一氧化碳的密度低于預定值時，終止啟動操作，并且 將來自CO選擇氧化部24的重整氣體供給到燃料電池10以開始發電。 也就是說，開始發電運行(正常運行)。應當注意，發電的開始是基于 預定部分的溫度(例如CO轉化部23中的催化劑溫度)來確定的。
下面將參照圖3描述燃料電池系統的停機。在燃料電池系統的發電 運行中，當例如打開停止開關(未顯示)時(時刻t0),控制裝置30啟 動停機控制。在時刻t0時，控制裝置30停止驅動重整燃料泵42和重整水泵53 以停止供給重整燃料和重整水，并關閉重整燃料閥43和重整水閥54， 其中重整燃料泵42和重整水泵53此前一直以流量Ncl和流量Ndl進 行各自的供給。此外，打開第二重整氣體閥76,并且關閉第一重整氣體 岡74和廢氣岡75，由此使重整部21通過冷卻器部22、 CO轉化部23、 CO選擇氧化部24、燃燒器部25、燃燒氣體流動通道27和排放管81 與外部(大氣)連通。此外，控制裝置30停止驅動此前一直以流量Nbl 進行供給的燃燒燃料泵45,以停止供給燃燒燃料，并且關閉燃燒燃料岡 46。
因此，出現了重整部21沒有任何供給和燃燒器部25停止燃燒的情 形。然而，在該情形中，由于在燃料電池系統停止發電運行之后經過的 時間不長，所以重整裝置20仍然處于高溫狀態，并且余熱使蒸發部26 中殘留的重整水蒸發，由此通過蒸汽吹掃重整裝置20中的殘留氣體。
此外，在時刻t0時，控制裝置30將氧化空氣泵62從此前的供給流 量Nel轉換到另一流量Ne2 (例如0.5升/分種(正常狀態))并且繼續 將氧化空氣供給到CO選擇氧化部24預定時間段Tl。也就是說，在從 時刻tO起的預定時間段Tl期間僅使氧化空氣流動。因此，當殘留氣體 穿過CO選擇氧化部24時，通過氧化空氣氧化至少在從重整部21到 CO轉化部23的通道中殘留的殘留氣體中的一氧化碳，并且從重整裝置 20中排出一氧化碳密度降低的殘留氣體。
預定時間Tl是考慮到來自蒸發部26的蒸汽流量和從蒸發部21到 CO轉化部23的空間的體積所確定的值。也就是說，優選將預定時間 Tl設定為足以用來自蒸發部26的蒸汽吹掃殘留在從重整部21到CO 轉化部23的空間中的殘留氣體的時間段。
優選流量Ne2低于流量Nel。流量Ne2設定為獲得足夠的體積以處 理殘留在從重整部21到CO轉化部23的空間中的殘留氣體，并且設定 為供給不將催化劑24a氧化超過所要求程度的體積。
此外，在時刻t0時，控制裝置30將助燃空氣泵65從此前供給空氣 的流量Nal轉換到流量Na2，并且繼續將氧化空氣供給到燃燒器部25， 直至(時刻t4 )重整部21的溫度達到預定溫度(例如200'C )或更低。 該預定溫度設定為比形成重整部21的不銹鋼易于經受晶粒間腐蝕的溫度更低的溫度。優選地，流量Na2是比流量Nal更高的流量。
在從時刻t0起經過預定時間Tl的時間點的時刻tl時，控制裝置 30關閉第二重整氣體閥76以密封重整裝置20。在密封的重整裝置20 中，因為重整裝置20仍然處于高溫下，所以在蒸發器部26中繼續蒸發， 因此，該蒸汽壓使重整裝置20中的壓力Pl升高。另一方面，通過壓力 傳感器90檢測重整裝置20中的壓力Pl,并且當重整裝置20中的壓力 Pl達到預定值(例如5kPaG (表壓))(時刻t2)時，只打開第二重整 氣體閥76幾秒以進行壓力釋放。
進行壓力釋放處理，直至因為蒸發器部26中的重整水耗盡或重整 裝置20中的溫度降低，即直至重整裝置20中的壓力Pl不超過預定值 時，不再產生蒸汽。在本實施方案中，假定蒸發器部26中的重整水在 時刻t2和時刻t3之間耗盡。另一方面，如下文所述，由于供給到燃燒 器部25的助燃空氣冷卻重整部21并由此冷卻重整裝置20，所以重整裝 置20中的壓力Pl在時刻t3或之后變成負壓。
剛好在完成停機之前(時刻t4 )的預定時間T2，控制裝置30打開 重整燃料閥43并且驅動重整燃料泵42,僅用重整燃料填充重整裝置20。 預定時間T2是考慮到來自重整燃料泵42的流量和從重整部21到CO 選擇氧化部24的空間中的體積所設定的值。也就是說，優選預定時間 T2設定為長到足以將重整燃料充入從重整部21到CO選擇氧化部24 的空間的時間段。因此，不會出現多余的重整燃料從重整裝置20流出 的情況。
在時刻t4時，控制裝置30關閉助燃空氣岡66并停止驅動助燃空氣 泵65。在僅從時刻t4經過預定時間T2的時間點(時刻t5)時，控制 裝置30關閉重整燃料閥43，并且停止驅動重整燃料泵42以完成停機。
此外，進一步冷卻重整裝置20以在從重整裝置20完成停機(時刻 t5)到下一次啟動期間降低到負壓。然而，由于重整裝置20剛好在停 機(時刻t4)之前已經充有接近大氣壓的重整燃料，所以重整裝置20 可以保持在合適的壓力狀態下，因此降低對重整裝置20施加的壓力載 荷，使得可以防止重整裝置20的耐久性降低。此外，由于充有接近大 氣壓的重整燃料，所以可以防止允許空氣進入重整裝置20，使得可以防 止重整裝置20中催化劑的耐久性降低。從前述說明清楚地可見，在本實施方案中，通過以下方式進行殘留氣體例如重整氣體在重整裝置20中的吹掃停止將重整燃料供給到重 整部21、停止將重整水供給到蒸發器部26、和在通過利用重整裝置20 的余熱蒸發重整水的同時將殘留在蒸發器部26中的重整水供給到重整 部21。因此，可以在現有的結構中進行重整裝置20的吹掃過程，而不 用提供任何特殊的結構，例如用于供給吹掃用氮氣的裝置。在此處，重整裝置20的余熱包括燃燒器部25的燃燒氣體流動通道 27處的余熱和供給到燃燒器部25的燃燒氧化劑氣體在接收重整部21 的余熱之后傳遞到燃燒氣體流動通道27的熱。應當注意，在重整部為 利用作為放熱反應的部分重整反應的類型的情況下，燃燒器部不是必須 的。在該情況下，重整部的余熱作為重整裝置的余熱。此外，由于當吹掃開始時在從時間點(時刻tO)起的預定時間Tl 流動氧化空氣，所以可以通過在作為一氧化碳減少部的CO選擇氧化部 24處利用氧化空氣氧化來減少殘留氣體中的 一氧化碳，并且可以從重整 裝置20中排出殘留氣體。因此，可以在將來自重整裝置20的廢氣中的 一氧化碳抑制到低密度的情況下進行停機。此外，由于不使用燃燒廢氣， 所以不出現加熱處于空狀態的重整部21的情況，因此，可以防止熱致 劣化引起的重整部21的耐久性降低。此外，在停止流動氧化空氣(時刻tl)之后，如果重整裝置20的 內部壓力升高，則進行壓力釋放，并且在重整裝置20的內部壓力停止 升高時密封重整裝置20。因此，由蒸發器部26產生的蒸汽壓力所引起 的對重整裝置20的壓力載荷降低，使得可以防止重整裝置20的耐久性 降低。同時，可以防止重整裝置20的內部壓力降低，并且防止空氣進 入重整裝置20，使得可以防止重整裝置20中的催化劑的耐久性降低。此外，由于最后用重整燃料密封重整裝置20,所以可以在從重整裝 置20完成停機到下一次啟動的時間段內可靠地防止重整裝置20中的催 化劑被氧化。因此，盡管重復啟動和停止重整裝置20，但是可以防止催 化劑的耐久性因重復的脫氧和氧化而劣化。此外，由于在該時間段內重 整裝置20充有重整燃料，所以未多余地使用重整燃料，使得可以在基 本沒有能量損失的情況下停機。應當注意，因為所充入的重整燃料在下 次啟動時用作燃燒燃料，所以能量損失小。此外，由于在進行吹掃期間，在重整部21降低到預定溫度之前僅 將燃燒氧化劑氣體供給到燃燒器部25，所以可以用燃燒氧化劑氣體快速 冷卻重整部21。因此，在使用不銹鋼作為構造材料的情況下，進行快速 冷卻以將溫度降低到低于不銹鋼易發生晶粒間腐蝕的溫度，使得防止重 整部21的耐久性劣化。應當注意，可以用鼓風機代替用于供給氣體的各個泵。 工業實用性如上所述，根據本發明的重整裝置適于在不排放未處理一氧化碳的 情況下進行停機、以防止盡管重復啟動和停機時的催化劑耐久性的降 低、在不降低重整部的耐久性情況下進行停機、和在能量損失小的情況 下進行停機。
權利要求
1.一種重整裝置的停機方法，所述重整裝置設置有供給有重整燃料和蒸汽以產生重整氣體的重整部；用于加熱并使重整水沸騰以將所述蒸汽供給到所述重整部的蒸發器部；和一氧化碳減少部，該一氧化碳減少部用于通過用供給的氧化空氣氧化所述重整氣體來減少從所述重整部供給的所述重整氣體中的一氧化碳并隨后用于排出所述重整氣體；重整裝置的所述停機方法的特征在于，通過停止將所述重整燃料供給到所述重整部、通過停止將所述重整水供給到所述蒸發器部、和通過在利用所述重整裝置的余熱蒸發所述重整水的同時將殘留在所述蒸發器部中的所述重整水供給到所述重整部，開始所述重整裝置中的殘留氣體的吹掃；和從開始所述吹掃的所述時間點起，使所述氧化空氣流動預定的時間段。
2. 根據權利要求1所述的重整裝置的停機方法，其特征在于，在停止 所述氧化空氣的流動之后，如果所述重整裝置的內部壓力升高，則進行 壓力釋放，和當所述重整裝置的內部壓力停止升高時密封所述重整裝 置。
3. 根據權利要求2所述的重整裝置的停機方法，其特征在于，剛好在所 述重整裝置的所述停機之前給所述重整裝置充入所述重整燃料。
4. 根據權利要求1~3中任一項所述的重整裝置的停機方法，其特征在 于，所述重整裝置還^L置有燃燒器部，所述燃燒器部用于利用燃燒氧化劑 氣體4吏燃燒燃料燃燒，以利用所述燃燒氣體加熱所述重整部，和在進行所述吹掃期間，所述燃燒器部在所述重整部降低至預定溫度之 前僅供給有所述燃燒氧化劑氣體。
全文摘要
一種重整裝置的停機方法，其中在未處理的一氧化碳保持完整而不排放的情況下進行停機，并且其中甚至在重復啟動和停機時，也可以使催化劑耐久性的降低最小化，并且其中在不降低重整部的耐久性的情況下進行停機，并且其中在減少能量損失的情況下進行停機。提供了一種重整裝置的控制單元，該控制單元適于不僅停止將待重整的燃料供給到重整部，而且停止將重整水供給到蒸發部，并且適于利用重整裝置的任何余熱蒸發殘留在蒸發部中的重整水并將蒸汽送入重整部，由此開始吹掃殘留在重整裝置內的氣體(時刻t0)，并且適于在從開始吹掃的時間起的指定時間段(T1)內循環氧化空氣。
文檔編號H01M8/04GK101405217SQ20078001020
公開日2009年4月8日 申請日期2007年3月13日 優先權日2006年3月27日
發明者桑葉孝一 申請人:豐田自動車株式會社