JP2001250573A - Fuel cell power generating system and operation method therefor - Google Patents
Fuel cell power generating system and operation method thereforInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、メタノールあるい
はジメチルエーテルなど常温において液体である燃料を
用いる燃料電池発電システム及びその運転方法の改良に
関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell power generation system using a fuel which is liquid at room temperature, such as methanol or dimethyl ether, and to an improvement in an operation method thereof.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、燃料の有する化学的エネルギーを
直接電気的エネルギーに変換する装置として燃料電池発
電システムが知られている。図６は、燃料電池発電シス
テムの一例を示すもので、この燃料電池発電システム
は、燃料電池１と、この燃料電池１に燃料及び空気をそ
れぞれ供給するための燃料供給手段及び空気供給手投
と、を備えている。2. Description of the Related Art In recent years, a fuel cell power generation system has been known as a device for directly converting chemical energy of fuel into electric energy. FIG. 6 shows an example of a fuel cell power generation system. The fuel cell power generation system includes a fuel cell 1, a fuel supply unit for supplying fuel and air to the fuel cell 1, and an air supply unit. , Is provided.
【０００３】このうち燃料供給手段は、液体の原燃料を
改質した改質ガスを燃料電池１に供給する手段であり、
燃料タンク４、制御弁６１，７３、燃料ポンプ８１、改
質器２などから構成される。また、空気供給手段は、反
応用の空気を燃料電池１に供給する手段であり、空気ブ
ロア８２、制御弁７２などから構成される。また、図６
の燃料電池発電システムは、これら各部分を制御する制
御装置１０を備えている。[0003] Among them, the fuel supply means is a means for supplying a reformed gas obtained by reforming a liquid raw fuel to the fuel cell 1,
It comprises a fuel tank 4, control valves 61 and 73, a fuel pump 81, a reformer 2, and the like. The air supply means is a means for supplying reaction air to the fuel cell 1 and includes an air blower 82, a control valve 72, and the like. FIG.
The fuel cell power generation system includes a control device 10 for controlling these components.
【０００４】ここで、燃料電池の燃料としては、最初か
ら水素を用意しそのまま使用する場合もあるが、運搬、
貯蔵等の制約から液体の炭化水素燃料を原燃料とし、こ
れを改質器で改質した気体の改質ガスを反応に用いるの
が一般的である。この場合の液体原燃料としては、液体
天然ガスあるいは、液体プロパンガスが主に用いられる
が、特に携帯用や車載用の燃料電池発電システムの場合
は常温で液体のメタノールやジメチルエーテル、ガソリ
ン等が用いられる。Here, as fuel for a fuel cell, hydrogen may be prepared from the beginning and used as it is.
In general, a liquid hydrocarbon fuel is used as a raw fuel due to restrictions on storage and the like, and a gas reformed gas obtained by reforming the raw fuel in a reformer is used for the reaction. As the liquid raw fuel in this case, liquid natural gas or liquid propane gas is mainly used. Particularly, in the case of a portable or vehicle-mounted fuel cell power generation system, methanol, dimethyl ether, gasoline, etc., which are liquid at room temperature, are used. Can be
【０００５】この場合、メタノール等の燃料は、改質器
で水素を主成分とするガスに改質され、燃料電池に供給
される。また、このようにメタノールを燃料とする時の
燃料供給手段の反応としては、原燃料と水蒸気とを原料
とする水蒸気改質反応が一般的であり、その反応式は次
式の通りである。[0005] In this case, a fuel such as methanol is reformed into a gas containing hydrogen as a main component in a reformer and supplied to a fuel cell. As a reaction of the fuel supply means when methanol is used as a fuel, a steam reforming reaction using a raw fuel and steam as raw materials is general, and the reaction formula is as follows.
【化１】 ＣＨ３ＯＨ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ ３Ｈ２ … （１）Embedded image CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 3H 2 (1)
【０００６】このように供給される気体燃料を用いる燃
料電池は、通常、電解質を挟んで一対の多孔質電極を配
すると共に、一方の電極の背面に水素などの気体燃料を
接触させ、また、他方の電極の背面に空気あるいは酸素
などの酸化剤を接触させ、このときに起こる電気化学反
応により発生する電気エネルギーを前記一対の電極から
取り出すようにしたものである。[0006] A fuel cell using a gaseous fuel supplied in this manner usually has a pair of porous electrodes disposed with an electrolyte interposed therebetween, and a gaseous fuel such as hydrogen contacting the back surface of one of the electrodes. An oxidant such as air or oxygen is brought into contact with the back surface of the other electrode, and electric energy generated by an electrochemical reaction occurring at this time is extracted from the pair of electrodes.
【０００７】このような燃料電池としては各種知られて
いるが、その中で、固体高分子電解質型燃料電池（以下
ＰＥＦＣと呼ぶ）は、上記電解質として一般にパーフル
オロスルホン酸からなるプロトン導電性を有する固体高
分子電解質膜を使用しており、この固体高分子電解質膜
は低温でプロトン導電性を有する。したがって、ＰＥＦ
Ｃは従来のその他の種類の燃料電池に比べて低温（６０
℃〜１２０℃）で動作し、電池を構成する材料に対する
制約が少なく、短時間に起動可能という特徴を持ってい
る。Various types of such fuel cells are known. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) has a proton conductivity generally composed of perfluorosulfonic acid as the electrolyte. The solid polymer electrolyte membrane has proton conductivity at a low temperature. Therefore, PEF
C has a lower temperature (60%) than other types of conventional fuel cells.
(120 ° C. to 120 ° C.), there is little restriction on the materials constituting the battery, and the battery can be started in a short time.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
燃料電池発電システムは、起動時にまず燃料供給手段を
十分な温度まで昇温させるのに時間がかかり、その間燃
料電池に燃料を供給できないため短時間で起動すること
ができないという問題を有していた。However, in the conventional fuel cell power generation system, it takes time to first raise the temperature of the fuel supply means to a sufficient temperature at the time of startup, and during that time, fuel cannot be supplied to the fuel cell. Had the problem that it could not be started.
【０００９】すなわち、改質器は、原燃料を水素を主成
分とするガスに改質するが、上記（１）式の改質反応が
吸熱反応であるために、通常の発電状態を実現できる分
量の燃料ガスを単位時間当たり供給するためには、起動
時において、改質器を含む燃料供給手段を、原燃料に対
応して必要とされる所定の目標温度まで昇温する必要が
ある。その温度は例えば、メタノール燃料の場合は約３
００℃である。In other words, the reformer reforms the raw fuel into a gas containing hydrogen as a main component. Since the reforming reaction of the above formula (1) is an endothermic reaction, a normal power generation state can be realized. In order to supply a small amount of fuel gas per unit time, it is necessary to raise the temperature of the fuel supply means including the reformer to a predetermined target temperature required for the raw fuel at the time of startup. The temperature is, for example, about 3 for methanol fuel.
00 ° C.
【００１０】なお、このように燃料供給手段が起動する
間に、燃料電池本体の温度も昇温する必要があるが、Ｐ
ＥＦＣは比較的低温で運転可能であり、起動にかかる時
間は燃料供給手段の方が長くかかる。すなわち、燃料供
給手段の昇温完了後に、燃料供給手段に原燃料が導入さ
れ、これにより燃料電池に気体燃料が導入されて通常の
発電状態に至るため、燃料供給手段の昇温完了までは無
駄な待ち時間となっていた。[0010] While the fuel supply means is activated, the temperature of the fuel cell body also needs to be increased.
The EFC can be operated at a relatively low temperature, and the startup time is longer for the fuel supply means. That is, after the heating of the fuel supply means is completed, the raw fuel is introduced into the fuel supply means, whereby the gaseous fuel is introduced into the fuel cell to reach a normal power generation state. It was a waiting time.
【００１１】この待ち時間は、例えば、メタノールを原
燃料とした場合でも、少なくとも数分以上、例えば２０
分程度であり、特に車載用の場合には起動直後から発電
することが要求されるため大きな障害となり、燃料電池
の用途の拡大を妨げていた。The waiting time is at least several minutes, for example, 20 minutes even when methanol is used as a raw fuel.
In particular, in the case of an in-vehicle device, it is required to generate power immediately after startup, which is a major obstacle, and has hindered the expansion of fuel cell applications.
【００１２】ところで、ＰＥＦＣは、燃料として液体の
メタノールを直接ＰＥＦＣに導入しても発電できること
が知られている。このような燃料電池は直接メタノール
型燃料電池（以下ＤＭＦＣと呼ぶ）と呼ばれ、現在のと
ころ高性能化・高効率化開発が進められている。すなわ
ち、ＤＭＦＣでは、電池内でメタノールの酸化反応が起
こり直接発電できるため、燃料供給手段である改質器を
必要としないという利点を有し、この点では上記のよう
な改質器の昇温待ち時間といった問題の回避には適して
いる。しかし、ＤＭＦＣでは、メタノールが膜を透過す
るためと、十分な活性を有する触媒が開発されていない
ために、ＰＥＦＣに比較して電圧が低く、発電効率が低
いという課題を残している。By the way, it is known that PEFC can generate power even when liquid methanol is directly introduced into PEFC as fuel. Such a fuel cell is called a direct methanol fuel cell (hereinafter, referred to as DMFC), and development of higher performance and higher efficiency is currently being promoted. That is, the DMFC has an advantage in that the methanol oxidation reaction takes place in the battery and direct power generation is possible, so that there is no need for a reformer which is a fuel supply means. It is suitable for avoiding problems such as waiting time. However, DMFCs have a problem that the voltage is lower and the power generation efficiency is lower than that of PEFC because methanol permeates the membrane and a catalyst having sufficient activity has not been developed.
【００１３】そこで、特開平７−１６９４９０号公報で
は、通常の運転では、液体原燃料として改質温度が高温
の天然ガス等を使用する燃料電池発電システムにおい
て、低温で改質反応が進むメタノールを起動時の燃料と
して用いる燃料電池発電プラントを開示している。この
場合、第一ステップとして、改質器の温度がメタノール
改質温度に達した時点でメタノールを改質器に導入し、
改質された水素を主成分とする改質ガスを燃料電池に導
入することで発電を開始する。その後改質器の温度が天
然ガス等の改質温度に達すると天然ガス等の液体原燃料
を改質器に導入する切替操作を行うものである。しか
し、このシステムでは、２種類の燃料タンクを装備する
必要があり、構成の複雑化、費用の増大、燃料供給の負
担といった問題があった。In Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-169490, in a normal operation, in a fuel cell power generation system using natural gas or the like having a high reforming temperature as a liquid raw fuel, methanol whose reforming reaction proceeds at a low temperature is used. Disclosed is a fuel cell power plant used as fuel during startup. In this case, as a first step, when the temperature of the reformer reaches the methanol reforming temperature, methanol is introduced into the reformer,
Power generation is started by introducing a reformed gas mainly containing reformed hydrogen into the fuel cell. Thereafter, when the temperature of the reformer reaches the reforming temperature of natural gas or the like, a switching operation for introducing a liquid raw fuel such as natural gas into the reformer is performed. However, in this system, it is necessary to equip two types of fuel tanks, and there are problems such as a complicated configuration, an increase in cost, and a burden on fuel supply.
【００１４】また、特開平９−２６６００６号公報にお
いては、水素タンクを具備し起動時に必要な水素を燃料
電池に供給する燃料電池発電システムが提案されてい
る。しかし、水素タンクを使用する燃料電池発電システ
ムではタンクの安全性が問題となり、特に自動車の場合
は、水素供給スタンド等といったインフラ（社会的基
盤）整備や交通事故等における安全性の観点から、水素
の搭載は困難である。Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-266006 proposes a fuel cell power generation system having a hydrogen tank and supplying necessary hydrogen to the fuel cell at the time of startup. However, in a fuel cell power generation system using a hydrogen tank, the safety of the tank is a problem. Particularly in the case of automobiles, hydrogen is required from the viewpoint of the maintenance of infrastructure (social infrastructure) such as a hydrogen supply station and the safety in a traffic accident. Mounting is difficult.
【００１５】さらに、特開平６−１４００６５号公報、
特開平８−１８２２０８号公報、特開平９−２３１９９
１号公報においては、起動時に通常の発電状態に到達す
るまでの間、必要な電力を二次電池から供給する燃料電
池発電システムが提案されている。しかし、起動中に二
次電池から電力を代替的に供給するためには、大容量の
二次電池とその重量が問題となる。例えば、従来の自動
車では鉛蓄電池が使用されるが、鉛蓄電池で定常運転に
必要な電力を供給するためには、重量が重すぎて自動車
に搭載することは現実的には困難である。Further, JP-A-6-140065,
JP-A-8-182208, JP-A-9-23199
In Japanese Patent Application Publication No. 2005-115, a fuel cell power generation system that supplies necessary power from a secondary battery until a normal power generation state is reached at startup is proposed. However, in order to alternatively supply power from the secondary battery during startup, a large-capacity secondary battery and its weight pose a problem. For example, a lead-acid battery is used in a conventional vehicle, but it is actually difficult to mount it on a vehicle because the lead-acid battery is too heavy to supply power required for steady operation.
【００１６】また、軽量の二次電池としては、ニッケル
−水素二次電池、リチウム二次電池、リチウムイオン二
次電池なども考えられるが、例えばリチウムは空気に触
れると容易に燃焼する性質もあり、交通事故の可能性を
考慮するとこれらを自動車に搭載することは安全上回避
することが望まれる。As a lightweight secondary battery, a nickel-hydrogen secondary battery, a lithium secondary battery, a lithium ion secondary battery, and the like can be considered. For example, lithium has a property of easily burning when exposed to air. Considering the possibility of traffic accidents, it is desirable to avoid mounting them on a car for safety reasons.
【００１７】本発明は、上記のような従来技術の問題点
を解決するために提案されたもので、その目的は、常温
で液体の燃料を用いながら、短時間で起動しかつ安全性
の高い燃料電池発電システムおよびその運転方法を提供
することを目的とする。The present invention has been proposed to solve the above-mentioned problems of the prior art. It is an object of the present invention to start up in a short time while using a liquid fuel at room temperature, and to provide a high safety. An object of the present invention is to provide a fuel cell power generation system and an operation method thereof.
【００１８】[0018]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、固体高分子電解質型燃料電池と、液体
燃料を水素を主成分とする気体燃料へ改質する改質器
と、を備えた燃料電池発電システム又はその運転方法に
おいて、以下のような技術的特徴を有する。In order to achieve the above object, the present invention provides a solid polymer electrolyte fuel cell, a reformer for reforming a liquid fuel into a gaseous fuel containing hydrogen as a main component. And a method of operating the fuel cell power generation system having the following features.
【００１９】請求項１の燃料電池発電システムは、前記
燃料電池に前記改質器からの改質ガスを供給する改質ガ
ス供給ラインと、前記改質器をバイパスして原燃料であ
る液体燃料を直接前記燃料電池に供給するバイパスライ
ンと、前記燃料電池への燃料供給源を、前記各ラインと
の接続を切替えることにより切替える切替手段と、を備
えたことを特徴とする。請求項１の発明では、燃料電池
の燃料供給源を、制御装置などからの命令により改質ガ
ス供給ラインとバイパスラインとの間で切替えることが
可能となるので、起動直後から、常温の液体燃料を燃料
電池に直接供給して発電運転することができる。なお、
改質器が十分昇温後は、燃料供給源を改質ガス供給ライ
ンに切替えることにより、改質で得られた気体燃料を燃
料電池に供給し、優れた発電効率による定常運転へ移行
する。A fuel cell power generation system according to claim 1, wherein a reformed gas supply line for supplying a reformed gas from the reformer to the fuel cell, and a liquid fuel which is a raw fuel bypassing the reformer. And a switching unit for switching a fuel supply source to the fuel cell by switching a connection between each line and the fuel supply source. According to the first aspect of the present invention, the fuel supply source of the fuel cell can be switched between the reformed gas supply line and the bypass line according to a command from a control device or the like. Can be supplied directly to the fuel cell for power generation operation. In addition,
After the temperature of the reformer is sufficiently raised, the fuel supply source is switched to the reformed gas supply line to supply the gaseous fuel obtained by the reforming to the fuel cell, and shift to a steady operation with excellent power generation efficiency.
【００２０】請求項２の発明は、請求項１記載の燃料電
池発電システムにおいて、前記改質器に温度検出器を設
け、前記切替手段は、前記温度検出器によって検出され
る前記改質器の温度が所定の値に到達したときに、前記
燃料電池への燃料供給を前記バイパスラインから前記改
質ガス供給ラインに切替えて切替えるように構成された
ことを特徴とする。請求項７の発明は、請求項２の発明
を方法という見方から捉えたもので、固体高分子電解質
型燃料電池と、液体燃料を水素を主成分とする気体燃料
へ改質する改質器と、前記燃料電池に前記改質器からの
気体燃料を供給する改質ガス供給ラインと、前記改質器
をバイパスして原燃料である液体燃料を直接前記燃料電
池に供給するバイパスラインと、前記改質器に温度検出
器を設けて成る燃料電池発電システムの運転方法におい
て、前記温度検出器によって検出される前記改質器の温
度が所定の値に到達したときに、前記燃料電池の燃料供
給を前記バイパスラインから前記改質ガス供給ラインに
切替えることにより切替えることを特徴とする。請求項
２，７の発明では、改質器の温度が、改質反応が正常に
進行する所定の温度値になったことを、制御装置などが
温度検出器からの信号に基づいて判定し、自動的に固体
高分子電解質型燃料電池を改質ガスによる発電に切替え
ることができる。すなわち、起動直後にも発電が可能な
だけでなく、起動後所定時間後、例えば５分程度経過し
十分昇温したときには、そのことを外気温などに影響さ
れず正確に検出し、水素を主成分とする改質ガスを燃料
とした通常発電運転に移行でき、必要十分なタイミング
で発電効率についても所望の目標値を容易に達成するこ
とが可能となる。According to a second aspect of the present invention, in the fuel cell power generation system according to the first aspect, a temperature detector is provided in the reformer, and the switching means is configured to detect the temperature of the reformer by the temperature detector. When the temperature reaches a predetermined value, the fuel supply to the fuel cell is switched from the bypass line to the reformed gas supply line. The invention of claim 7 captures the invention of claim 2 from the viewpoint of a method, and comprises a solid polymer electrolyte fuel cell, a reformer for reforming a liquid fuel into a gaseous fuel containing hydrogen as a main component. A reformed gas supply line for supplying gaseous fuel from the reformer to the fuel cell, a bypass line for bypassing the reformer and directly supplying liquid fuel as raw fuel to the fuel cell, In the operating method of a fuel cell power generation system including a reformer provided with a temperature detector, when the temperature of the reformer detected by the temperature detector reaches a predetermined value, the fuel supply of the fuel cell is performed. By switching from the bypass line to the reformed gas supply line. In the invention of claims 2 and 7, the control device or the like determines, based on a signal from the temperature detector, that the temperature of the reformer has reached a predetermined temperature value at which the reforming reaction proceeds normally. It is possible to automatically switch the polymer electrolyte fuel cell to power generation using the reformed gas. That is, not only is it possible to generate power immediately after startup, but also when the temperature has risen sufficiently after a predetermined time after startup, for example, approximately 5 minutes, without being affected by the outside temperature, etc., it is accurately detected, and hydrogen is mainly detected. It is possible to shift to a normal power generation operation using the reformed gas as a fuel, and it is possible to easily achieve a desired target value of the power generation efficiency at a necessary and sufficient timing.
【００２１】請求項３の発明は、請求項１又は２記載の
燃料電池発電システムにおいて、前記改質器から前記改
質ガス供給ラインを経て供給される改質ガスを、前記改
質器を昇温する加熱用バーナーと、前記燃料電池と、の
少くとも一方に供給する供給制御手段を備えたことを特
徴とする。請求項８の燃料電池発電システムの運転方法
は、請求項３の発明を方法という見方から捉えたもの
で、固体高分子電解質型燃料電池と、液体燃料を水素を
主成分とする気体燃料へ改質する改質器と、前記燃料電
池に前記改質器からの気体燃料を供給する改質ガス供給
ラインと、前記改質器をバイパスして原燃料である液体
燃料を直接前記燃料電池に供給するバイパスラインと、
を用いて成る燃料電池発電システムの運転方法におい
て、前記燃料電池への燃料供給を、前記各ラインとの接
続を切替えることにより、前記改質器から前記改質ガス
供給ラインを経て供給される改質ガスを、前記改質器を
昇温する加熱用バーナーと、前記燃料電池との少くとも
一方に供給することを特徴とする。請求項３，８の発明
では、改質ガスの組成が安定するまで、改質器からの排
出燃料を改質器のバーナーに供給して改質器を昇温する
ことができるので、燃料を有効に活用でき、かつ、改質
器が十分昇温して改質ガスが所定の成分組成に達した時
点で燃料を切替えることが可能となる。According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell power generation system according to the first or second aspect, the reformed gas supplied from the reformer through the reformed gas supply line is supplied to the reformer. It is characterized by comprising a supply control means for supplying at least one of a heating burner for heating and at least one of the fuel cell. The operation method of the fuel cell power generation system according to claim 8 is based on the invention of claim 3 in terms of a method, and converts a solid polymer electrolyte fuel cell and a liquid fuel into a gaseous fuel containing hydrogen as a main component. Reformer, a reformed gas supply line for supplying gaseous fuel from the reformer to the fuel cell, and a liquid fuel that is a raw fuel directly supplied to the fuel cell, bypassing the reformer. A bypass line
In a method for operating a fuel cell power generation system using a fuel cell, a fuel supply to the fuel cell is switched from the line to each of the lines, so that the fuel is supplied from the reformer through the reformed gas supply line. The fuel gas is supplied to at least one of a heating burner for raising the temperature of the reformer and the fuel cell. According to the third and eighth aspects of the present invention, the fuel discharged from the reformer can be supplied to the burner of the reformer to raise the temperature of the reformer until the composition of the reformed gas is stabilized. The fuel can be effectively used, and the fuel can be switched when the reformer reaches a predetermined component composition by sufficiently raising the temperature of the reformer.
【００２２】請求項４の発明は、請求項３記載の燃料電
池発電システムにおいて、前記改質ガスについて、水素
濃度を検出する水素濃度検出器、流量を計測する流量
計、又は圧力を検出する圧力検出器のうち少なくとも１
つを設けたことを特徴とする。請求項４の発明では、改
質器から排出される改質ガスなどの流体について、水素
濃度、流量又は圧力を監視し、所定の改質ガス組成にな
った時点でその改質ガスを燃料電池に供給することがで
きるので、燃料電池の燃料となる改質ガスについて安定
した特性を維持することができる。なお、各監視項目す
なわち水素濃度、流量、圧力は、複数同時に組合せて用
いることもできる。According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell power generation system according to the third aspect, a hydrogen concentration detector for detecting a hydrogen concentration, a flow meter for measuring a flow rate, or a pressure for detecting a pressure of the reformed gas. At least one of the detectors
One is provided. According to the fourth aspect of the invention, the hydrogen concentration, flow rate, or pressure of a fluid such as a reformed gas discharged from the reformer is monitored, and when the reformed gas reaches a predetermined reformed gas composition, the reformed gas is supplied to the fuel cell. Therefore, stable characteristics of the reformed gas serving as the fuel of the fuel cell can be maintained. It should be noted that a plurality of monitoring items, that is, a hydrogen concentration, a flow rate, and a pressure, may be used in combination.
【００２３】請求項５の発明は、請求項１から４のいず
れか１つに記載の燃料電池発電システムにおいて、前記
液体燃料が、メタノール、ジメチルエーテル又はジエチ
ルエーテルのうち少なくとも１つであることを特徴とす
る。請求項５の発明では、液体燃料としてメタノール、
ジメチルエーテル又はジエチルエーテルを用いるので、
液体燃料をそのまま直接、固体高分子電解質型燃料電池
に供給されたときにも有効に発電することが可能とな
る。なお、これら複数種類の混合燃料を用いることも自
由である。According to a fifth aspect of the present invention, in the fuel cell power generation system according to any one of the first to fourth aspects, the liquid fuel is at least one of methanol, dimethyl ether and diethyl ether. And In the invention of claim 5, methanol is used as the liquid fuel,
Since dimethyl ether or diethyl ether is used,
Even when the liquid fuel is directly supplied to the solid polymer electrolyte fuel cell, power can be effectively generated. It is to be noted that the use of these plural types of mixed fuels is also optional.
【００２４】請求項６の燃料電池発電システムの運転方
法は、前記燃料電池発電システムの起動時から、前記改
質器の昇温開始とともに、前記液体燃料を前記改質器を
経由して前記燃料電池に供給することで発電を開始させ
る過程と、前記改質器を所定の温度に昇温以後、所定の
成分の気体燃料を前記燃料電池に供給し発電を行う過程
と、を含むことを特徴とする。請求項６の発明では、起
動直後に、改質器の昇温が開始される時点から、液体燃
料を改質器を経由して固体高分子電解質型燃料電池に供
給する。これにより、まず起動直後から、メタノール等
の液体燃料そのものによる発電が行われ、改質器の温度
上昇とともに次第に改質反応が進み、改質器から供給さ
れる流体は過渡的改質ガスを経て水素を主成分とする気
体燃料に移行してゆく。そして、例えば起動数分後には
最終的に、通常の水素を主成分とする気体燃料による発
電に全面的に切り替わる。これにより、前記バイパスラ
インを装備することなく、請求項１から５記載と同じ作
用効果が得られる。The method of operating the fuel cell power generation system according to claim 6, wherein the liquid fuel is passed through the reformer at the same time as the temperature of the reformer is started from the start of the fuel cell power generation system. Starting the power generation by supplying the battery to the battery, and supplying power of a gaseous fuel having a predetermined component to the fuel cell after the temperature of the reformer is raised to a predetermined temperature to generate power. And According to the invention of claim 6, the liquid fuel is supplied to the solid polymer electrolyte fuel cell via the reformer immediately after the start, when the temperature of the reformer starts rising. As a result, immediately after the start, power is generated by the liquid fuel itself such as methanol, and the reforming reaction proceeds gradually as the temperature of the reformer rises, and the fluid supplied from the reformer passes through the transient reformed gas. Transfer to gaseous fuel containing hydrogen as a main component. Then, for example, a few minutes after the start, the entire power generation is finally switched to the normal power generation using gaseous fuel containing hydrogen as a main component. Thereby, the same operation and effect as those of the first to fifth aspects can be obtained without providing the bypass line.
【００２５】[0025]
【発明の実施の形態】次に、本発明の複数の実施の形態
（それぞれ実施形態と呼ぶ）について、図面を参照して
以下に説明する。なお、各実施形態の図及び説明におい
て、それ以前の実施形態又は従来技術に関する図又は説
明で示した部材については、例えば同じ符号を付け、説
明は省略する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, a plurality of embodiments of the present invention (each referred to as an embodiment) will be described below with reference to the drawings. In the drawings and descriptions of each embodiment, the same reference numerals are given to members shown in the drawings and descriptions related to the previous embodiment or the related art, and the description is omitted.
【００２６】〔１．第１実施形態〕第１実施形態は、請
求項１，２，５，７に対応する燃料電池発電システム及
びその運転方法に関するもので、常温で液体の燃料を用
いながら、短時間で起動しかつ優れた安全性を確保した
ものである。[1. First Embodiment] A first embodiment relates to a fuel cell power generation system and an operation method thereof according to the first, second, fifth, and seventh aspects of the present invention. Excellent safety is ensured.
【００２７】〔１−１．第１実施形態の構成〕第１実施
形態における燃料電池発電システム（本システムと呼
ぶ）は、図１の模式図に示すように、従来と同様に構成
された固体高分子電解質型燃料電池１と、液体燃料を水
素を主成分とする気体燃料へ改質する改質器２と、を備
えている。このうち改質器２は、昇温用バーナー３を備
え、燃料電池１に水素を主成分とする気体燃料を供給す
る燃料供給手段の主要構成要素である。[1-1. Configuration of First Embodiment] As shown in the schematic diagram of FIG. 1, a fuel cell power generation system according to the first embodiment (referred to as the present system) includes a solid polymer electrolyte fuel cell 1 configured in a conventional manner. And a reformer 2 for reforming the liquid fuel into a gaseous fuel containing hydrogen as a main component. The reformer 2 is a main component of a fuel supply unit that includes a burner 3 for raising the temperature and supplies a gaseous fuel containing hydrogen to the fuel cell 1 as a main component.
【００２８】また、本システムにおいて、メタノール４
１を提供する燃料タンク４からの配管は燃料ポンプ８１
を経て、次の３系統に分岐する。 （１）改質器２のバーナー３への系統 （２）改質ガス供給ライン （３）バイパスラインIn this system, methanol 4
1 is connected to a fuel pump 81
, And branches into the following three systems. (1) System to burner 3 of reformer 2 (2) Reformed gas supply line (3) Bypass line
【００２９】このうち、バーナー３への系統は、改質器
２のバーナー３へ昇温用燃料を供給するもので、制御弁
７３及び配管６２を含む。また、改質ガス供給ライン
は、燃料電池１に改質器２からの気体燃料を供給するも
ので、主に制御弁７１、配管６３，６４，燃料切替弁７
４、配管６６により構成される。また、バイパスライン
は、改質器２をバイパスして原燃料であるメタノール４
１を燃料電池１に直接供給するもので、主に配管６５、
燃料切替弁７４及び配管６６により構成される。The system to the burner 3 supplies fuel for raising the temperature to the burner 3 of the reformer 2, and includes a control valve 73 and a pipe 62. The reformed gas supply line supplies gaseous fuel from the reformer 2 to the fuel cell 1, and mainly includes a control valve 71, pipes 63 and 64, and a fuel switching valve 7.
4. It is constituted by piping 66. In addition, the bypass line bypasses the reformer 2 and feeds methanol 4 as raw fuel.
1 is directly supplied to the fuel cell 1 and mainly includes a pipe 65,
It is constituted by a fuel switching valve 74 and a pipe 66.
【００３０】また、本システムは、燃料電池１への燃料
供給源を、前記各ライン間で切替えることにより切替え
る切替手段として、燃料切替弁７１及び７４並びにこれ
ら制御弁７１及び７４を含む各部分を制御する制御装置
１０１を備えている。Further, in the present system, as switching means for switching the fuel supply source to the fuel cell 1 by switching between the respective lines, the fuel switching valves 71 and 74 and each part including these control valves 71 and 74 are provided. A control device 101 for controlling is provided.
【００３１】また、改質器２には温度検出器５が設けら
れ、前記切替手段を構成する制御装置１０１は、温度検
出器５によって検出される改質器２の温度が所定の値に
到達したときに、制御弁７１及び７４を制御することに
より、燃料電池１の燃料供給源をバイパスライン（６
５，６６）から改質ガス供給ライン（６３，６４，６
６）に切替えるように構成されている。Further, a temperature detector 5 is provided in the reformer 2, and the control device 101 constituting the switching means makes the temperature of the reformer 2 detected by the temperature detector 5 reach a predetermined value. Then, by controlling the control valves 71 and 74, the fuel supply source of the fuel cell 1 is connected to the bypass line (6).
5, 66) to the reformed gas supply line (63, 64, 6).
It is configured to switch to 6).
【００３２】また、本システムは、燃料電池１に空気を
供給する空気供給手段として空気ブロア８２を備え、空
気ブロア８２から送出される空気は、制御弁７２を経て
燃料電池の空気極１２及び改質器２のバーナー３に供給
されている。Further, the present system includes an air blower 82 as an air supply means for supplying air to the fuel cell 1, and the air sent from the air blower 82 passes through a control valve 72 to the air electrode 12 of the fuel cell and to the air electrode 12. The burner 3 of the porcelain 2 is supplied.
【００３３】また、第１実施形態における液体燃料とし
ては、メタノール、ジメチルエーテル又はジエチルエー
テルのうち少なくとも１つを用いることができるが、典
型的にはメタノールを用いるものとし、第２実施形態以
降でも同様とする。As the liquid fuel in the first embodiment, at least one of methanol, dimethyl ether and diethyl ether can be used. Typically, methanol is used, and the same applies to the second and subsequent embodiments. And
【００３４】〔１−２．第１実施形態の作用〕上記のよ
うに構成された第１実施形態は次のように作用する。こ
こで、図２は、第１実施形態における燃料電池発電シス
テムの起動の状態を概念的に示すフロー図である。すな
わち、図２に示すように、第１実施形態の燃料電池発電
システムでは、起動時には運転者の指令により制御装置
１０１が、燃料電池本体に液体燃料を導入する（ステッ
プ２１）。[1-2. Operation of First Embodiment] The first embodiment configured as described above operates as follows. Here, FIG. 2 is a flow chart conceptually showing a starting state of the fuel cell power generation system in the first embodiment. That is, as shown in FIG. 2, in the fuel cell power generation system according to the first embodiment, at the time of startup, the control device 101 introduces liquid fuel into the fuel cell main body in response to a driver's command (step 21).
【００３５】すなわち、制御装置１０１は、図示しない
二次電池などの電源によって燃料ポンプ８１及びブロア
８２を作動させるとともに、制御弁７２を「開」制御
し、制御弁７４については、配管６５→６６通流の開制
御を行う。これにより、液体燃料であるメタノール４１
は、燃料供給手段をバイパスする配管６５→燃料切替え
弁７４→配管６６を経由して燃料電池１の燃料極１１に
導入され、同時に空気が制御弁７２を経由して空気極１
２に導入される。そこで、燃料電池１は、まず液体燃料
を用いたＤＭＦＣとして発電を開始する（ステップ２
２）。That is, the control device 101 operates the fuel pump 81 and the blower 82 by a power source such as a secondary battery (not shown), and also controls the control valve 72 to "open". Performs flow opening control. As a result, the liquid fuel methanol 41
Is introduced into the fuel electrode 11 of the fuel cell 1 via the pipe 65 bypassing the fuel supply means → the fuel switching valve 74 → the pipe 66, and at the same time, air is passed through the control valve 72 to the air electrode 1
2 is introduced. Therefore, the fuel cell 1 starts power generation as a DMFC using liquid fuel (step 2).
2).
【００３６】ここで得られた電力は図示しない前記二次
電池に蓄え、図示しない電気配線を経由して燃料ポンプ
８１、空気ブロア８２、制御装置１０１等の駆動電力と
して使用されるように、制御装置１０１により電気配線
系は切替えられる。さらにシステム維持運転以外の電力
は外部にも供給される。なお、外部に供給する電力が不
足するような場合には、二次電池からも電力を供給する
ことも可能であるが、システムが定常運転している間に
二次電池の充電を行う。The electric power obtained here is stored in the secondary battery (not shown), and is controlled so as to be used as driving power for the fuel pump 81, the air blower 82, the control device 101 and the like via electric wiring (not shown). The electric wiring system is switched by the device 101. Further, power other than the system maintenance operation is also supplied to the outside. In the case where the power to be supplied to the outside is insufficient, power can be supplied from the secondary battery, but the secondary battery is charged while the system is operating normally.
【００３７】また、燃料電池１のメタノール４１による
直接発電開始と（ステップ２１，２２）と並行して、改
質器２の昇温が開始される（ステップ２３）。すなわ
ち、制御装置１０１の指令により制御弁７３が開制御さ
れ、燃料供給手段の改質器２を昇温するバーナー３にメ
タノール４１が供給されると、バーナー３にてメタノー
ル４１を燃焼させて、改質器２の昇温が開始される。In parallel with the start of direct power generation by the methanol 41 of the fuel cell 1 (steps 21 and 22), the temperature rise of the reformer 2 is started (step 23). That is, when the control valve 73 is controlled to open by a command from the control device 101 and methanol 41 is supplied to the burner 3 that raises the temperature of the reformer 2 of the fuel supply means, the methanol 41 is burned by the burner 3 and The temperature rise of the reformer 2 is started.
【００３８】また、制御装置１０１は、燃料供給手段の
温度を温度検出器５で検知して、改質反応が進行する予
め記憶している所定の温度にまで到達し昇温が終了した
時点で（ステップ２４）、改質器２に液体燃料を導入す
る（ステップ２５）。すなわち、制御装置１０１は、燃
料切替え弁７１を開とし、燃料切替え弁７４を改質ガス
が燃料電池１に供給される方向すなわち配管６４→６６
通流に切替え、すなわち配管６６へ燃料を供給するライ
ンを配管６５から６４に切替える。この操作により、メ
タノール４１を改質器２を含む燃料供給手段に導入し、
改質器２における改質反応で得られる気体燃料を燃料電
池１に導入する（ステップ２６，２７）。その結果、燃
料電池発電システムは通常の発電運転すなわち定常運転
に入る（ステップ２８）。Further, the control device 101 detects the temperature of the fuel supply means with the temperature detector 5, and when the temperature reaches a predetermined temperature stored in advance in which the reforming reaction proceeds and the temperature rise is completed. (Step 24) Liquid fuel is introduced into the reformer 2 (Step 25). That is, the control device 101 opens the fuel switching valve 71 and changes the fuel switching valve 74 in the direction in which the reformed gas is supplied to the fuel cell 1, that is, the pipes 64 → 66.
The flow is switched to flow, that is, the line for supplying fuel to the pipe 66 is switched from the pipes 65 to 64. By this operation, methanol 41 is introduced into the fuel supply means including the reformer 2,
The gaseous fuel obtained by the reforming reaction in the reformer 2 is introduced into the fuel cell 1 (steps 26 and 27). As a result, the fuel cell power generation system enters a normal power generation operation, that is, a steady operation (step 28).
【００３９】〔１−３．第１実施形態の効果〕以上説明
したとおり、第１実施形態によれば、起動開始直後から
発電可能な燃料電池発電システム及びその運転方法を提
供することができるので、システムの起動からシステム
外部への電力供給までの時間を短縮することを可能とな
り、また、システムの起動に必要な電源の容量を小容量
にすることを可能となる。[1-3. Effect of First Embodiment] As described above, according to the first embodiment, it is possible to provide a fuel cell power generation system capable of generating power immediately after the start of startup and a method of operating the fuel cell power generation system. This makes it possible to reduce the time required to supply power to the power supply, and to reduce the capacity of the power supply required to start up the system.
【００４０】つまり、燃料電池の燃料供給源を、制御装
置１０１などからの命令により改質ガス供給ラインとバ
イパスラインとの間で切替えることが可能となるので、
燃料供給手投の起動後数１０分後に発電を開始する従来
技術に比べて、燃料電池発電システムの起動直後から、
常温の液体燃料を燃料電池に直接供給して発電運転する
ことが可能となる。従って、たとえば起動とほぼ同時に
車を発進することが可能となる。また、燃料電池以外の
電源例えば二次電池を小容量化することが可能となる。
なお、改質器が十分昇温後は、燃料供給源を改質ガス供
給ラインに切替えることにより、改質で得られた気体燃
料を燃料電池に供給し、優れた発電効率による定常運転
へ移行する。That is, the fuel supply source of the fuel cell can be switched between the reformed gas supply line and the bypass line according to a command from the control device 101 or the like.
Immediately after the start of the fuel cell power generation system,
The power generation operation can be performed by directly supplying the normal temperature liquid fuel to the fuel cell. Therefore, for example, the vehicle can be started almost simultaneously with the start. Further, it is possible to reduce the capacity of a power source other than the fuel cell, for example, a secondary battery.
After the temperature of the reformer has risen sufficiently, the fuel supply source is switched to the reformed gas supply line to supply the gaseous fuel obtained by reforming to the fuel cell, and shift to steady operation with excellent power generation efficiency. I do.
【００４１】特に、第１実施形態では、改質器の温度
が、改質反応が正常に進行する所定の温度値になったこ
とを、制御装置１０１などが温度検出器からの信号に基
づいて判定し、自動的に固体高分子電解質型燃料電池を
改質ガスによる発電に切替えることができる。すなわ
ち、起動直後にも発電が可能なだけでなく、起動後所定
時間後、例えば５分程度経過し十分昇温したときには、
そのことを外気温などに影響されず正確に検出し、水素
を主成分とする改質ガスを燃料とした通常発電運転に移
行でき、必要十分なタイミングで発電効率についても所
望の目標値を容易に達成することが可能となる。In particular, in the first embodiment, the controller 101 and the like notify the fact that the temperature of the reformer has reached a predetermined temperature value at which the reforming reaction normally proceeds, based on a signal from the temperature detector. By making the determination, the solid polymer electrolyte fuel cell can be automatically switched to the power generation using the reformed gas. That is, not only can power be generated immediately after startup, but also after a predetermined time after startup, for example, when about 5 minutes have passed and the temperature has risen sufficiently,
This can be accurately detected without being affected by the outside temperature, etc., and it can be shifted to the normal power generation operation using the reformed gas mainly composed of hydrogen as fuel, and the desired target value of the power generation efficiency can be easily obtained at the necessary and sufficient timing. Can be achieved.
【００４２】また、第１実施形態では、液体燃料として
メタノール、ジメチルエーテル又はジエチルエーテルを
用いるので、液体燃料をそのまま直接、固体高分子電解
質型燃料電池に供給されたときにも有効に発電すること
が可能となる。なお、これら複数種類の混合燃料を用い
ることも自由である。In the first embodiment, since methanol, dimethyl ether or diethyl ether is used as the liquid fuel, it is possible to effectively generate power even when the liquid fuel is directly supplied to the solid polymer electrolyte fuel cell. It becomes possible. It is to be noted that the use of these plural types of mixed fuels is also optional.
【００４３】〔２．第２実施形態〕第２実施形態は、請
求項１，３，４，５，８に対応する燃料電池発電システ
ムであり、改質器から改質ガス供給ラインを経て供給さ
れる改質ガスを、改質器を昇温する加熱用バーナーと、
燃料電池と、に切替えて供給するように構成したもので
ある。[2. Second Embodiment] A second embodiment is a fuel cell power generation system according to Claims 1, 3, 4, 5, and 8, wherein a reformed gas supplied from a reformer via a reformed gas supply line is supplied. A heating burner for raising the temperature of the reformer,
And a fuel cell.
【００４４】〔２−１．第２実施形態の構成〕すなわ
ち、第２実施形態では、図３に示す通り、第１実施形態
と同様の構成に加え、改質器２を含む燃料供給手段の下
流すなわち気体燃料を供給する配管６４と、燃料電池１
の上流の燃料切替え弁７４との間に、燃料切替え三方弁
７５を設けることで、改質器２から供給される改質ガス
を、バーナー３につながる配管６７にも流せるように構
成されている。また、配管６４には、改質ガスのための
水素濃度検出器９が設けられている。[2-1. Configuration of Second Embodiment] That is, in the second embodiment, as shown in FIG. 3, in addition to the same configuration as that of the first embodiment, a pipe downstream of the fuel supply means including the reformer 2, that is, a gas fuel supply pipe 64 and fuel cell 1
A fuel switching three-way valve 75 is provided between the fuel switching valve 74 and the upstream fuel switching valve 74 so that the reformed gas supplied from the reformer 2 can also flow to the pipe 67 connected to the burner 3. . The pipe 64 is provided with a hydrogen concentration detector 9 for the reformed gas.
【００４５】〔２−２．第２実施形態の作用〕上記のよ
うに構成された第２実施形態は、上記第１実施形態と同
様の作用・効果に加え、次のよう作用する。すなわち、
燃料電池発電システムの起動時においては、改質器２の
温度が所定の値に到達した時点で、メタノールを改質器
２に導入するが、改質器２を含む燃料供給手段から当初
出て来る改質ガスについては、制御装置１０２により制
御弁７５を配管６４→６７通流に開制御することで、バ
ーナー３に導入して燃焼させる。[2-2. Operation of the Second Embodiment] The second embodiment configured as described above has the following operation in addition to the same operation and effect as the first embodiment. That is,
At the time of starting the fuel cell power generation system, when the temperature of the reformer 2 reaches a predetermined value, methanol is introduced into the reformer 2. The coming reformed gas is introduced into the burner 3 and burned by controlling the control valve 75 so that the control valve 75 flows through the pipe 64 → 67.
【００４６】これは、液体燃料を燃料供給手投に導入し
てから、定常運転に必要なだけの水素を含む組成の気体
燃料が生成され始めるまでに時間を要するために、その
間は生成された気体を燃料電池本体に導入することがで
きないからである。This is because it takes time from the introduction of the liquid fuel into the fuel supply to the start of the production of gaseous fuel having a composition containing hydrogen necessary for steady-state operation. This is because gas cannot be introduced into the fuel cell body.
【００４７】その後、制御装置１０２は、燃料供給手段
からの気体が供給されるライン６４に設置された水素濃
度計９によって、バーナー３に導入されている気体中の
水素濃度を測定し、水素の生成量が所定量以上になった
かどうかを確認する。すなわち、制御装置１０２は、水
素濃度検出器９からの信号を受け、その値が所定量を越
えた時点で、燃料切替え弁７３を改質ガスが燃料電池に
供給される方向すなわち配管６４→６８通流に切替える
ことで、それまで配管６７に供給されていた気体燃料を
配管６８に供給する。After that, the control device 102 measures the hydrogen concentration in the gas introduced into the burner 3 by the hydrogen concentration meter 9 installed in the line 64 to which the gas from the fuel supply means is supplied, and It is checked whether or not the generation amount has exceeded a predetermined amount. That is, the control device 102 receives the signal from the hydrogen concentration detector 9, and when the value exceeds a predetermined amount, sets the fuel switching valve 73 in the direction in which the reformed gas is supplied to the fuel cell, that is, the pipe 64 → 68. By switching to the flow, the gaseous fuel previously supplied to the pipe 67 is supplied to the pipe 68.
【００４８】同時に制御装置１０２は、制御弁７４を操
作して配管６８→６６通流に切替えることで、配管６６
に燃料を供給するラインを配管６５から配管６８に切り
替える。これらの操作により、燃料電池１に供給する燃
料をメタノールから気体燃料である改質ガスヘ切替え、
燃料電池発電システムを通常の状態で運転する。At the same time, the controller 102 operates the control valve 74 to switch the flow from the pipe 68 to the flow through the 66 so that the pipe 66
Is switched from the pipe 65 to the pipe 68. By these operations, the fuel supplied to the fuel cell 1 is switched from methanol to the reformed gas which is a gaseous fuel,
Operate the fuel cell power generation system in a normal state.
【００４９】また、第１実施形態と同様に燃料供給手段
の改質器２の温度を測定し、所定の温度以上になったこ
とを確認して、切り替えを行うことも可能である。ま
た、燃料供給手段から出てくる気体については水素濃度
検出器の替わりに流量計に置き換えても、同様の効果を
得ることができる。これは、改質反応によって液体が気
体に変換されるため、燃料供給手投出口での気体流量を
測定すれば、気体燃料の生成量を捉えることが可能とな
るからである。As in the first embodiment, it is also possible to measure the temperature of the reformer 2 of the fuel supply means and confirm that the temperature has reached a predetermined temperature or higher, and then switch over. Further, the same effect can be obtained by replacing the hydrogen concentration detector with a flow meter for the gas coming out of the fuel supply means. This is because the liquid is converted into gas by the reforming reaction, so that the amount of gaseous fuel produced can be determined by measuring the gas flow rate at the fuel supply outlet.
【００５０】さらに、燃料供給手段から出てくる気体の
水素濃度検出器の替わりに、燃料供給手投の出口側配管
内部の圧力を検知する圧力検出器に置き換えても、同様
の効果を得ることができる。Further, the same effect can be obtained by replacing the hydrogen concentration detector of the gas coming out of the fuel supply means with a pressure detector which detects the pressure inside the outlet pipe of the fuel supply means. Can be.
【００５１】〔２−３．第２実施形態の効果〕以上のよ
うに、第２実施形態では、燃料電池発電システムの起動
時において、起動直後に必要最低限の発電が可能とな
り、例えば車の発進が可能となる。また、第２実施形態
では、改質ガスの組成が安定するまで、改質器２からの
排出燃料を改質器２のバーナー３に供給して改質器を昇
温することができるので、燃料を有効に活用できる。[2-3. Effect of Second Embodiment] As described above, in the second embodiment, when starting up the fuel cell power generation system, it is possible to generate the minimum necessary power immediately after startup, for example, to start a car. In the second embodiment, the fuel discharged from the reformer 2 can be supplied to the burner 3 of the reformer 2 to raise the temperature of the reformer until the composition of the reformed gas becomes stable. Fuel can be used effectively.
【００５２】さらに、改質器２が十分昇温し、改質器２
を含む燃料供給手段の出口の改質ガスの組成が所定の正
常範囲の成分組成に達した時点、例えば起動信号発生後
数分後には、液体燃料から気体燃料による発電に移行す
る時期を的確に捉えて燃料の切り替えを行い、燃料電池
１に改質ガスを供給することによって、安定且滑らかに
改質ガスによる発電に移行することが可能となる。Further, the temperature of the reformer 2 is sufficiently raised, and
When the composition of the reformed gas at the outlet of the fuel supply means reaches a component composition within a predetermined normal range, for example, a few minutes after the start signal is generated, the timing to shift from liquid fuel to power generation by gas fuel is accurately determined. By switching the fuel in response to the supply of the reformed gas to the fuel cell 1, it is possible to stably and smoothly shift to the power generation by the reformed gas.
【００５３】特に、第２実施形態では、改質器２から排
出される改質ガスなどの流体について、水素濃度、流量
又は圧力を監視し、所定の改質ガス組成になった時点で
その改質ガスを燃料電池１に供給することができるの
で、燃料電池１の燃料となる改質ガスについて安定した
特性を維持することができる。なお、各監視項目すなわ
ち水素濃度、流量、圧力は、複数同時に組合せて用いる
こともできる。In particular, in the second embodiment, the hydrogen concentration, flow rate or pressure of the fluid such as the reformed gas discharged from the reformer 2 is monitored, and when the reformed gas reaches a predetermined reformed gas composition, the reforming is performed. Since the high-quality gas can be supplied to the fuel cell 1, stable characteristics of the reformed gas serving as the fuel of the fuel cell 1 can be maintained. It should be noted that a plurality of monitoring items, that is, a hydrogen concentration, a flow rate, and a pressure, may be used in combination.
【００５４】〔３．第３実施形態〕第３実施形態は、請
求項６に対応するもので、固体高分子電解質型燃料電池
１と、液体燃料を気体燃料へ改質する改質器２と、を備
えた燃料電池発電システムの運転方法に関するものであ
る。[3. Third Embodiment] A third embodiment corresponds to claim 6, and includes a solid polymer electrolyte fuel cell 1 and a reformer 2 for reforming a liquid fuel to a gaseous fuel. The present invention relates to an operation method of a power generation system.
【００５５】〔３−１．第３実施形態の構成〕具体的に
は、第３実施形態における燃料電池発電システムでは、
図４の模式図に示すように、燃料タンク４から供給され
るメタノール４１を配管６１→制御弁７１→燃料ポンプ
８１→配管６３→改質器２→配管６４を経て燃料電池１
の燃料極１１に導き、一方、空気ブロア８２から供給さ
れる空気は制御弁７２を経て燃料電池１の空気極１２に
導いている。また、第３実施形態では、燃料極１１から
の排気を配管６９で、また、空気極１２からの排気を配
管７０で、それぞれ改質器２のバーナー３に導いてい
る。また、これら各部を制御する制御装置１０３を設け
ている。[3-1. Configuration of Third Embodiment] Specifically, in the fuel cell power generation system according to the third embodiment,
As shown in the schematic diagram of FIG. 4, the methanol 41 supplied from the fuel tank 4 is supplied to the fuel cell 1 via a pipe 61 → a control valve 71 → a fuel pump 81 → a pipe 63 → a reformer 2 → a pipe 64.
The air supplied from the air blower 82 is guided to the air electrode 12 of the fuel cell 1 via the control valve 72. In the third embodiment, the exhaust from the fuel electrode 11 is led to the burner 3 of the reformer 2 by the pipe 69, and the exhaust from the air electrode 12 is led to the burner 3 of the reformer 2 by the pipe 70. Further, a control device 103 for controlling these components is provided.
【００５６】〔３−２．第３実施形態の作用〕第３実施
形態において、以上のように構成された燃料電池発電シ
ステムは、次のような各過程を経て起動される。 （１）改質器２の昇温開始とともに、液体燃料であるメ
タノール４１を改質器２を経由して燃料電池１に供給す
ることで発電を開始させる過程。 （２）改質器２の昇温とともに改質器２から燃料電池１
へ供給される液体燃料を気体燃料に移行させる過程。 （３）改質器２を所定の温度に昇温以後、所定の成分の
気体燃料を燃料電池１に供給し発電を行う過程。[3-2. Operation of Third Embodiment] In the third embodiment, the fuel cell power generation system configured as described above is started through the following steps. (1) A step of starting power generation by supplying methanol 41, which is a liquid fuel, to the fuel cell 1 via the reformer 2 together with the start of the temperature rise of the reformer 2. (2) When the temperature of the reformer 2 rises, the fuel cell 1
Of transferring liquid fuel supplied to the gas to gaseous fuel. (3) A step of supplying gaseous fuel of a predetermined component to the fuel cell 1 to generate power after the reformer 2 is heated to a predetermined temperature.
【００５７】ここで、図５は、図４に示す燃料電池発電
システムにおける起動順序を概念的に示したフロー図で
ある。この図５に示す通り、第３実施形態における起動
時には、まず、制御弁７１及び７２を開制御すること
で、燃料電池１の空気極１２に空気ブロア８２からの空
気を導入するとともに、改質器２を含む燃料供給手段に
メタノール４１を導入する。FIG. 5 is a flow chart conceptually showing a starting sequence in the fuel cell power generation system shown in FIG. As shown in FIG. 5, at the time of start-up in the third embodiment, first, the control valves 71 and 72 are controlled to open, thereby introducing air from the air blower 82 to the air electrode 12 of the fuel cell 1 and reforming. The methanol 41 is introduced into the fuel supply means including the vessel 2.
【００５８】このとき、メタノール４１については、配
管６１、制御弁７１、燃料ポンプ８１、配管６３、改質
器２、配管６４を経由して燃料電池１に至る流路が構成
されるが、起動直後は、改質器２はまだ温度が低く改質
機能を発揮出来ないため、メタノールは改質されないで
そのままの状態で液体燃料として燃料電池１に導入され
る（ステップ３１）。しかし、この場合でも燃料電池１
はメタノール４１によりＤＭＦＣとして直接発電する
（ステップ３２）。At this time, a flow path for the methanol 41 through the pipe 61, the control valve 71, the fuel pump 81, the pipe 63, the reformer 2, and the pipe 64 to the fuel cell 1 is formed. Immediately after that, since the reformer 2 is still too low in temperature to perform its reforming function, methanol is introduced into the fuel cell 1 as liquid fuel without being reformed (step 31). However, even in this case, the fuel cell 1
Generates power directly from the methanol 41 as a DMFC (step 32).
【００５９】この発電で生じた電力は、第１実施形態と
同様に使用する。さらに、燃料電池１で消費されずに残
ったメタノールは燃料電池１出口配管６５からバーナー
３に導入され、バーナー３ではこのメタノールを燃焼
し、燃料供給手段の改質器２を昇温する（ステップ３
３）。The power generated by this power generation is used in the same manner as in the first embodiment. Further, the methanol remaining without being consumed in the fuel cell 1 is introduced into the burner 3 from the outlet pipe 65 of the fuel cell 1, and the burner 3 burns the methanol to raise the temperature of the reformer 2 of the fuel supply means (step). 3
3).
【００６０】このように改質器２が十分に昇温されるに
したがい、燃料供給手段の改質器２に導入されたメタノ
ールの改質反応が進行して、水素を主成分とする気体燃
料が生成されるようになる。従って、改質器２を経て燃
料電池に導入される燃料は、液体のメタノールから気体
燃料へと次第に自動的に切り替わっていく。そして、改
質器２の昇温が終了することにより（ステップ３４）、
燃料電池発電システムは定常運転への移行が終了する
（ステップ３５）。As described above, as the temperature of the reformer 2 is sufficiently raised, the reforming reaction of methanol introduced into the reformer 2 of the fuel supply means progresses, and the gaseous fuel containing hydrogen as a main component. Will be generated. Therefore, the fuel introduced into the fuel cell via the reformer 2 automatically switches gradually from liquid methanol to gaseous fuel. When the temperature rise of the reformer 2 is completed (step 34),
The transition to the steady operation of the fuel cell power generation system ends (step 35).
【００６１】〔３−３．第３実施形態の効果〕以上説明
したように、第３実施形態では、起動直後に、改質器の
昇温が開始される時点から、液体燃料を改質器を経由し
て固体高分子電解質型燃料電池に供給する。これによ
り、まず起動直後から、メタノール等の液体燃料そのも
のによる発電が行われ、改質器の温度上昇とともに次第
に改質反応が進み、改質器から供給される流体は過渡的
改質ガスを経て水素を主成分とする気体燃料に移行して
ゆく。そして、例えば起動数分後には最終的に、通常の
水素を主成分とする気体燃料による発電に全面的に切り
替わる。これにより、前記バイパスラインを装備するこ
となく、第１及び第２実施形態に準じた作用効果が得ら
れる。[3-3. Effect of Third Embodiment] As described above, in the third embodiment, the liquid fuel is supplied to the solid polymer electrolyte via the reformer immediately after the start of the temperature rise of the reformer immediately after startup. To the fuel cell. As a result, immediately after the start, power is generated by the liquid fuel itself such as methanol, and the reforming reaction proceeds gradually as the temperature of the reformer rises, and the fluid supplied from the reformer passes through the transient reformed gas. Transfer to gaseous fuel containing hydrogen as a main component. Then, for example, a few minutes after the start, the entire power generation is finally switched to the normal power generation using gaseous fuel containing hydrogen as a main component. Thereby, the operation and effect according to the first and second embodiments can be obtained without providing the bypass line.
【００６２】このような第３実施形態によれば、燃料供
給手段をバイパスするバイパスラインについて第１及び
第２実施形態で示したような構成要素、すなわち配管６
５、燃料の切り替えを行う燃料切替弁７４、それらの弁
を制御する制御装置の機能は削減でき、かつ、第１及び
第２実施形態と同様の効果を得ることができる。According to the third embodiment, the bypass line bypassing the fuel supply means has the same components as those shown in the first and second embodiments, that is, the piping 6
5. The functions of the fuel switching valve 74 for switching the fuel and the control device for controlling those valves can be reduced, and the same effects as in the first and second embodiments can be obtained.
【００６３】〔４．他の実施形態〕なお、本発明は、以
上のような各実施形態に限定されるものではなく、次に
例示するような他の実施形態も包含するものである。例
えば、図１、図３、図４に示した構成は一例にすぎず、
具体的な配管構成や各構成要素の種類や配置などの詳細
は自由に決定することができる。また、上記各実施形態
では原燃料として主にメタノールを用いる場合を中心に
記述したが、原燃料としてメタノ−ルの替わりにジメチ
ルエーテルあるいはジエチルエーテルを用いることもで
きる。[4. Other Embodiments] The present invention is not limited to the above embodiments, but also includes other embodiments as exemplified below. For example, the configurations shown in FIGS. 1, 3, and 4 are merely examples,
Details such as the specific piping configuration and the type and arrangement of each component can be freely determined. Further, in each of the above embodiments, description has been made mainly on the case where methanol is mainly used as the raw fuel, but dimethyl ether or diethyl ether may be used instead of methanol as the raw fuel.
【００６４】[0064]
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、常温で
液体の燃料を用いながら、短時間で起動しかつ安全性の
高い燃料電池発電システム及びその運転方法を提供する
ことができるので、燃料電池を自動車など多くの用途に
適用することが容易になる。As described above, according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell power generation system which can be started in a short time and has high safety while using a liquid fuel at room temperature, and a method of operating the same. This makes it easy to apply the fuel cell to many uses such as automobiles.
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池発電シ
ステムの模式図FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell power generation system according to a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明の第１実施形態における燃料電池発電シ
ステムの運転方法を概念的に示すフロー図FIG. 2 is a flowchart conceptually showing an operation method of the fuel cell power generation system according to the first embodiment of the present invention.
【図３】本発明の第２実施形態における燃料電池発電シ
ステムの模式図FIG. 3 is a schematic diagram of a fuel cell power generation system according to a second embodiment of the present invention.
【図４】本発明の第３実施形態における燃料電池発電シ
ステムの模式図FIG. 4 is a schematic diagram of a fuel cell power generation system according to a third embodiment of the present invention.
【図５】本発明の第３実施形態における燃料電池発電シ
ステムの運転方法を概念的に示すフロー図FIG. 5 is a flowchart conceptually showing an operation method of a fuel cell power generation system according to a third embodiment of the present invention.
【図６】従来の燃料電池発電システムの模式図。FIG. 6 is a schematic diagram of a conventional fuel cell power generation system.
１…燃料電池 １０，１０１，１０２，１０３…制御装置 １１…燃料極 １２…空気極 ２…改質器 ３…バーナー ４…燃料タンク ５…温度検出器 ４１…メタノール ６１〜７０…配管 ７２，７３，７５，７６…制御弁 ７１，７４…燃料切替え弁 ８１…燃料ポンプ ８２…空気ブロア ９…水素濃度検出器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell 10, 101, 102, 103 ... Control device 11 ... Fuel electrode 12 ... Air electrode 2 ... Reformer 3 ... Burner 4 ... Fuel tank 5 ... Temperature detector 41 ... Methanol 61-70 ... Piping 72, 73 , 75, 76 ... control valves 71, 74 ... fuel switching valve 81 ... fuel pump 82 ... air blower 9 ... hydrogen concentration detector
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青木 努 神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号 株 式会社東芝浜川崎工場内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 AA08 5H027 AA06 AA08 BA01 KK10 KK25 KK31 KK42 MM09 MM12 MM13 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Tsutomu Aoki 2-1 Ukishima-cho, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture F-term in the Toshiba Hamakawasaki Plant (reference) 5H026 AA06 AA08 5H027 AA06 AA08 BA01 KK10 KK25 KK31 KK42 MM09 MM12 MM13
Claims (8)
料を水素を主成分とする気体燃料へ改質する改質器と、
を備えた燃料電池発電システムにおいて、 前記燃料電池に前記改質器からの改質ガスを供給する改
質ガス供給ラインと、 前記改質器をバイパスして原燃料である液体燃料を直接
前記燃料電池に供給するバイパスラインと、 前記燃料電池への燃料供給源を、前記各ラインとの接続
を切替えることにより切替える切替手段と、 を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。1. A solid polymer electrolyte fuel cell, a reformer for reforming a liquid fuel into a gaseous fuel containing hydrogen as a main component,
A fuel cell power generation system comprising: a reformed gas supply line for supplying a reformed gas from the reformer to the fuel cell; and a liquid fuel which is a raw fuel and bypasses the reformer. A fuel cell power generation system, comprising: a bypass line for supplying a battery; and switching means for switching a fuel supply source to the fuel cell by switching a connection between the line and the fuel supply source.
記改質器の温度が所定の値に到達したときに、前記燃料
電池への燃料供給を前記バイパスラインから前記改質ガ
ス供給ラインに切替えて切替えるように構成されたこと
を特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。2. A fuel cell system, comprising: a temperature detector provided in the reformer; wherein the switching unit is configured to connect the fuel cell to the fuel cell when the temperature of the reformer detected by the temperature detector reaches a predetermined value. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the fuel supply is switched from the bypass line to the reformed gas supply line.
を経て供給される改質ガスを、前記改質器を昇温する加
熱用バーナーと、前記燃料電池と、の少くとも一方に切
替えて供給する供給制御手段を備えたことを特徴とする
請求項１又は２記載の燃料電池発電システム。3. A reforming gas supplied from the reformer via the reforming gas supply line is switched to at least one of a heating burner for raising the temperature of the reformer and the fuel cell. 3. The fuel cell power generation system according to claim 1, further comprising a supply control unit that supplies the fuel cell.
する水素濃度検出器、流量を計測する流量計、又は圧力
を検出する圧力検出器のうち少なくとも１つを設けたこ
とを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電システム。4. The apparatus according to claim 1, wherein at least one of a hydrogen concentration detector for detecting hydrogen concentration, a flow meter for measuring flow rate, and a pressure detector for detecting pressure is provided for the reformed gas. Item 4. The fuel cell power generation system according to Item 3.
エーテル又はジエチルエーテルのうち少なくとも１つで
あることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに
記載の燃料電池発電システム。5. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the liquid fuel is at least one of methanol, dimethyl ether, and diethyl ether.
料を気体燃料へ改質する改質器と、を備えた燃料電池発
電システムの運転方法において、 前記燃料電池発電システムの起動時から、前記改質器の
昇温開始とともに、前記液体燃料を前記改質器を経由し
て前記燃料電池に供給することで発電を開始させる過程
と、 前記改質器を所定の温度に昇温以後、所定の成分の気体
燃料を前記燃料電池に供給し発電を行う過程と、 を含むことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方
法。6. A method for operating a fuel cell power generation system comprising a solid polymer electrolyte fuel cell and a reformer for reforming a liquid fuel to a gaseous fuel, comprising: A step of starting power generation by supplying the liquid fuel to the fuel cell via the reformer together with the start of temperature rise of the reformer, and after raising the temperature of the reformer to a predetermined temperature, Supplying a gaseous fuel of a predetermined component to the fuel cell to generate electric power.
器と、 前記燃料電池に前記改質器からの気体燃料を供給する改
質ガス供給ラインと、 前記改質器をバイパスして原燃料である液体燃料を直接
前記燃料電池に供給するバイパスラインと、 前記改質器に温度検出器を設けて成る燃料電池発電シス
テムの運転方法において、 前記温度検出器によって検出される前記改質器の温度が
所定の値に到達したときに、前記燃料電池の燃料供給を
前記バイパスラインから前記改質ガス供給ラインに切替
えることにより切替えることを特徴とする燃料電池発電
システムの運転方法。7. A solid polymer electrolyte fuel cell, a reformer for reforming a liquid fuel into a gaseous fuel containing hydrogen as a main component, and a reformer for supplying gaseous fuel from the reformer to the fuel cell. Operation of a fuel cell power generation system including a reformate gas supply line, a bypass line for bypassing the reformer and directly supplying liquid fuel as raw fuel to the fuel cell, and a temperature detector provided in the reformer. Switching the fuel supply of the fuel cell from the bypass line to the reformed gas supply line when the temperature of the reformer detected by the temperature detector reaches a predetermined value. A method for operating a fuel cell power generation system, comprising:
器と、 前記燃料電池に前記改質器からの気体燃料を供給する改
質ガス供給ラインと、 前記改質器をバイパスして原燃料である液体燃料を直接
前記燃料電池に供給するバイパスラインと、を用いて成
る燃料電池発電システムの運転方法において、 前記燃料電池への燃料供給を、前記各ラインとの接続を
切替えることにより、前記改質器から前記改質ガス供給
ラインを経て供給される改質ガスを、前記改質器を昇温
する加熱用バーナーと、前記燃料電池との少くとも一方
に供給することを特徴とする燃料電池発電システムの運
転方法。8. A solid polymer electrolyte fuel cell, a reformer for reforming liquid fuel to gaseous fuel containing hydrogen as a main component, and a reformer for supplying gaseous fuel from the reformer to the fuel cell. A fuel gas power supply line, and a bypass line for directly supplying liquid fuel as raw fuel to the fuel cell by bypassing the reformer. Fuel supply, by switching connection with each of the lines, a reformed gas supplied from the reformer through the reformed gas supply line, a heating burner for raising the temperature of the reformer, A method for operating a fuel cell power generation system, characterized in that the fuel cell power is supplied to at least one of the fuel cell and the fuel cell.
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|---|---|---|---|
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-
2000
- 2000-03-06 JP JP2000060237A patent/JP2001250573A/en active Pending
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