JP2004152540A

JP2004152540A - Method of stopping fuel cell system operation, and fuel cell system provided with same

Info

Publication number: JP2004152540A
Application number: JP2002314530A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ishikawa; 貴史石川; Shigehiko Kubo; 成彦久保
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2004-05-27

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of stopping a fuel cell system operation only by purging steam, simply constructed at low cost. <P>SOLUTION: The fuel cell system comprises a control device generating reformed gas obtained by the reaction of supplied fuel gas and steam, and supplying the reformed gas to the fuel cell. The control system sweeps off the fuel gas and the reformed gas in a reforming device by steam-purging the reforming device when the operation of the fuel cell is to be stopped (step 302, 304). During the steam-purging, the water remaining in the reforming device is evaporated by heating the reforming device, and the steam remaining in the reforming device is exhausted outward (step 306-326). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、供給された燃料ガスおよび水蒸気から改質ガスを生成して該改質ガスを燃料電池に供給する改質装置を備えた燃料電池システムの停止方法、およびこの停止方法による燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは燃料電池と改質装置を備えている。燃料電池は供給された水素と酸素との化学反応によって発電するものであり、改質装置は供給された燃料ガス（例えば天然ガス）および水蒸気からいわゆる水素リッチな改質ガスを生成してこの改質ガスを燃料電池に供給するものである。このような構成の燃料電池システムの運転時においては、改質装置に燃料ガスと水蒸気が供給されると、水素リッチな改質ガスが生成されこの改質ガスが燃料電池に供給されて、燃料電池が発電する。
【０００３】
一方、燃料電池システムの運転を停止するにあたっては、改質装置に残存する燃料ガス、改質ガスを一掃（パージ）する処理が施され、その後運転が停止される。この一掃処理としては、不活性ガス（例えば窒素ガス）によってパージするもの（特許文献１）、水蒸気によってパージした後、この水蒸気を空気によってパージするもの（特許文献１）、炭化水素ガスによってパージするもの（特許文献２）が知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−８７０１号公報（第４−７頁、第２図および第４図）
【０００５】
【特許文献２】
特開２００１−１８９１６５号公報（第８−１１頁、第１図および第２図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した不活性ガスによってパージする停止方法においては、この不活性ガスを供給するための装置が別に必要となり、また不活性ガスが高価であるためコスト高になるという問題がある。また、水蒸気によってパージした後、この水蒸気を空気によってパージする停止方法においては、空気でパージするために専用の補機が別に必要となり構造が複雑になるという問題があり、また改質装置に空気で酸化されない高価な触媒を用いる必要があるためコスト高になるという問題がある。さらに、炭化水素ガスによってパージする停止方法においては、改質装置内の温度がある程度下降するまで炭化水素ガスでパージする場合炭素分が析出するという問題があり、また実際には水の供給を継続する必要があるので制御が複雑になるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、水蒸気パージのみを行うことにより、コストの上昇を招くことなく簡単な構成にて燃料電池システムを停止する方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、供給された燃料ガスおよび水蒸気から改質ガスを生成してこの改質ガスを燃料電池に供給する改質装置を備えた燃料電池システムの停止方法であって、燃料電池の運転停止の際に改質装置を水蒸気パージすることにより同改質装置内の燃料ガスおよび改質ガスを一掃し、水蒸気パージの実行中、改質装置を加熱手段によって加熱して同改質装置内に残存する水を水蒸気化するとともに同改質装置内に残存する水蒸気を外部に排出することである。
【０００９】
また、請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、改質装置は、外部から供給された燃料および水蒸気から改質ガスを生成して導出する改質部と、外部から供給された水から水蒸気を生成して改質部に供給する蒸発部と、改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部と、この一酸化炭素シフト反応部から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減する一酸化炭素選択酸化部とから構成され、加熱手段は、改質部および蒸発部を加熱するバーナと、一酸化炭素シフト反応部を加熱する一酸化炭素シフト反応部用ヒータと一酸化炭素選択酸化部を加熱する一酸化炭素選択酸化部用ヒータとから構成されたことである。
【００１０】
また、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、供給された燃料ガスおよび水蒸気から改質ガスを生成してこの改質ガスを燃料電池に供給する改質装置と、燃料電池の運転停止の際に改質装置を水蒸気パージすることにより同改質装置内の燃料ガスおよび改質ガスを一掃するパージ手段と、このパージ手段による水蒸気パージの実行中、改質装置を加熱手段によって加熱して同改質装置内に残存する水を水蒸気化するとともに同改質装置内に残存する水蒸気を外部に排出する水蒸気排出手段とを設けたことである。
【００１１】
また、請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項３において、改質装置は、外部から供給された燃料および水蒸気から改質ガスを生成して導出する改質部と、外部から供給された水から水蒸気を生成して改質部に供給する蒸発部と、改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部と、この一酸化炭素シフト反応部から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減する一酸化炭素選択酸化部とから構成され、加熱手段は、改質部および蒸発部を加熱するバーナと、一酸化炭素シフト反応部を加熱する一酸化炭素シフト反応部用ヒータと一酸化炭素選択酸化部を加熱する一酸化炭素選択酸化部用ヒータとから構成されたことである。
【００１２】
また、請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項３または請求項４において、改質装置は、外部から供給された燃料および水蒸気から改質ガスを生成して導出する改質部と、外部から供給された水から水蒸気を生成して改質部に供給する蒸発部と、改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部と、この一酸化炭素シフト反応部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を別に供給された空気との酸化によってさらに低減してこの改質ガスを燃料電池に供給する一酸化炭素選択酸化部とから構成され、燃料、水蒸気および空気の改質装置への導入路、および改質ガスの導出路にこれら導入出路を遮断する遮断手段を設け、この遮断手段は所定値以上の耐圧性を有することである。
【００１３】
【発明の作用および効果】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、燃料電池システムの運転停止の際に改質装置を水蒸気パージすることにより同改質装置内の燃料ガスおよび改質ガスを一掃し、水蒸気パージの実行中、改質装置を加熱手段によって加熱して同改質装置内に残存する水を水蒸気化するとともに同改質装置内に残存する水蒸気を外部に排出するので、水蒸気を供給するための別の装置を設けることなく改質装置内をパージすることができる。したがって、コストの上昇を招くことなく簡単な構成にて燃料電池システムを停止することができる。また、改質装置内からできる限り水蒸気を排出するので、水蒸気の凝縮による改質装置へのダメージを抑制することができる。
【００１４】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、改質装置の改質部はバーナによって加熱されるので内部に水が凝縮されるのを防止するとともに内部の水蒸気は外部に排出され、蒸発部もバーナによって加熱されるので内部に残存する水が確実に水蒸気化されて外部に排出され、一酸化炭素シフト反応部は一酸化炭素シフト反応部用ヒータによって加熱されるので内部に水が凝縮されるのを防止するとともに内部の水蒸気は外部に排出され、一酸化炭素選択酸化部は一酸化炭素選択酸化部用ヒータによって加熱されるので内部に水が凝縮されるのを防止するとともに内部の水蒸気は外部に排出される。これにより、改質装置内からできる限り水蒸気を排出するので、水蒸気の凝縮による改質装置へのダメージを抑制することができる。
【００１５】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、パージ手段は、燃料電池システムの運転停止の際に改質装置を水蒸気パージすることにより同改質装置内の燃料ガスおよび改質ガスを一掃し、水蒸気排出手段は、水蒸気パージの実行中、改質装置を加熱手段によって加熱して同改質装置内に残存する水を水蒸気化するとともに同改質装置内に残存する水蒸気を外部に排出するので、水蒸気を供給するための別の装置を設けることなく改質装置内をパージすることができる。したがって、コストの上昇を招くことなく簡単な構成にて燃料電池システムを停止することができる。また、改質装置内からできる限り水蒸気を排出するので、水蒸気の凝縮による改質装置へのダメージを抑制することができる。
【００１６】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、改質装置の改質部はバーナによって加熱されるので内部に水が凝縮されるのを防止するとともに内部の水蒸気は外部に排出され、蒸発部もバーナによって加熱されるので内部に残存する水が確実に水蒸気化され、一酸化炭素シフト反応部は一酸化炭素シフト反応部用ヒータによって加熱されるので内部に水が凝縮されるのを防止するとともに内部の水蒸気は外部に排出され、一酸化炭素選択酸化部は一酸化炭素選択酸化部用ヒータによって加熱されるので内部に水が凝縮されるのを防止するとともに内部の水蒸気は外部に排出される。これにより、改質装置内からできる限り水蒸気を排出するので、水蒸気の凝縮による改質装置へのダメージを抑制することができる。
【００１７】
上記のように構成した請求項５に係る発明においては、改質装置は、外部から供給された燃料および水蒸気から改質ガスを生成して導出する改質部と、この改質部に外部から供給された水から水蒸気を生成して供給する蒸発部と、改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部と、この一酸化炭素シフト反応部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を別に供給された空気との酸化によってさらに低減して改質ガスを燃料電池に供給する一酸化炭素選択酸化部とから構成され、上述した燃料、水蒸気および空気の改質装置への導入路、および改質ガスの導出路にこれら導入出路を遮断する遮断手段を設け、この遮断手段は所定値以上の耐圧性を有するので、水蒸気パージをした後しばらくして改質装置内の温度が下降し改質装置内が負圧になっても同改質装置内に空気などの気体が進入するのを防止することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。
【００１９】
この燃料電池システムは燃料電池１０と燃料電池１０に必要な水素ガスを生成する改質装置２０を備えている。改質装置２０は、図１に示すように、天然ガス、ＬＰＧ、灯油などの燃料を水素ガスに改質する改質部２１と、改質部２１から導出された水素ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２２と、ＣＯシフト部２２から導出された水素ガスに含まれる一酸化炭素をさらに除去する一酸化炭素選択酸化部２３（以下、ＣＯ選択酸化部という）から構成されている。この改質装置２０により生成された水素ガスいわゆる水素リッチな改質ガスを供給された燃料電池１０は、この水素ガスと酸素ガスとの反応により発電するようになっている。
【００２０】
改質部２１は、触媒２１ａが充填された反応室２１ｂと、この反応室２１ｂに密接して設けられて反応室２１ｂを加熱する加熱室２１ｃと、加熱室２１ｃに高温の燃焼ガスを供給するバーナ２１ｄから構成されている。
【００２１】
反応室２１ｂには燃料供給源Ｓｆ（例えば都市ガス管）に接続された燃料供給管４１が接続されており、燃料供給源Ｓｆから燃料が供給されている。燃料供給管４１には、上流から順番に２つの第１燃料バルブ４２、燃料ポンプ４３、脱硫器４４、第２燃料バルブ４５および熱交換部４６が設けられている。第１および第２燃料バルブ４２，４５は制御装置８０により燃料供給管４１を開閉するものであり、燃料ポンプ４３は制御装置８０により燃料供給源Ｓｆから供給される燃料を吸い込み改質部２１の反応室２１ｂに吐出するものであり、脱硫器４４は燃料中のイオウ分を除去するものであり、熱交換部４６は改質部２１からの高温の水素ガス（改質ガス）との間で熱交換が行われて予熱された燃料を改質部２１の反応室２１ｂに供給するものである。これにより、燃料はイオウ分が除去され予熱されて反応室２１ｂに供給される。
【００２２】
また、燃料供給管４１の第２燃料バルブ４５と熱交換部４６との間には蒸発器５５に接続された水蒸気供給管５２が接続され、蒸発器５５から供給された水蒸気が燃料に混合されて改質部２１の反応室２１ｂに供給されている。蒸発器５５には水供給源である水タンクＳｗに接続された給水管５１が接続されている。給水管５１には、上流から順番に水ポンプ５３および水バルブ５４が設けられている。水ポンプ５３は制御装置８０により水タンクＳｗから供給される水を吸い込み蒸発器５５に吐出するものであり、水バルブ５４は制御装置８０により給水管５１を開閉するものである。給水管５１は加熱室２１ｃの外周に巻きつけられており、給水管５１内の流水が加熱室２１ｃにより予熱される。蒸発器５５は供給された予熱された水を内部を通過する排気ガスによって加熱して水蒸気にし、反応室２１ｂに供給するものである。これにより、水は予熱されて蒸発器５５に供給され、水蒸気となって反応室２１ｂに供給される。
【００２３】
反応室２１ｂ内に供給された燃料は、触媒２１ａにより反応室２１ｂ内に供給された水蒸気と反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に反応室２１ｂ内では、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素が水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は熱交換部４６を介してＣＯシフト反応部２２に導出される。なお、触媒２１ａ内には触媒２１ａの温度を検出する温度センサ２１ａ１が設けられている。この検出結果は制御装置８０に送られている。
【００２４】
バーナ２１ｄには第１オフガス供給管７２を介して燃料電池１０が接続されており、燃料電池１０にて反応に使われなかった水素ガス（オフガス）が供給されている。また、バーナ２１ｄには第１オフガス供給管７２、第２改質ガス供給管７７および第１改質ガス供給管７１を介してＣＯ選択酸化部２３が接続されており、改質ガスが供給されている。また、バーナ２１ｄには燃料ポンプ４３の上流にて燃料供給管４１から分岐した燃焼用燃料供給管４７が接続されており、燃焼用燃料が供給されている。燃焼用燃料供給管４７には燃焼用燃料ポンプ４８が設けられており、燃焼用燃料ポンプ４８は燃料供給源Ｓｆから供給される燃料を吸い込みバーナ２１ｄに吐出するものであり制御装置８０により制御されている。さらにバーナ２１ｄには空気ポンプ６３の上流にて第１空気供給管６１から分岐した燃焼用空気供給管６５が接続されており、オフガス、改質ガスまたは燃焼用燃料を燃焼させるための燃焼用空気が供給されている。燃焼用空気供給管６５には燃焼用空気ポンプ６６が設けられており、燃焼用空気ポンプ６６は空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込みバーナ２１ｄに吐出するものであり制御装置８０により制御されている。
【００２５】
バーナ２１ｄが制御装置８０により着火されると、バーナ２１ｄに供給されたオフガス、改質ガスまたは燃焼用燃料は燃焼されて高温の燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが加熱室２１ｃに供給されて反応室２１ｂが加熱されることにより触媒２１ａが加熱される。加熱室２１ｃを通過した燃焼ガスは排気管８１および蒸発器５５を通って排気ガスとして外部に排気される。なお、蒸発器５５には通過する蒸発器５５内の温度を検出する温度センサ５５ａが設けられている。この検出結果は制御装置８０に送られている。
【００２６】
上述した改質部２１から導出された改質ガスは、熱交換部４６を通ってＣＯシフト部２２に供給される。供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素は、ＣＯシフト部２２内に充填された触媒（例えば、Ｃｕ、Ｚｎ系の触媒）により水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これにより、改質ガスは前述した一酸化炭素シフト反応によって一酸化炭素濃度が低減されて導出される。なお、ＣＯシフト部２２内には、充填された触媒を加熱する一酸化炭素シフト反応部用ヒータ２２ａが設けられている。このヒータ２２ａは制御装置８０によって制御されている。
【００２７】
ＣＯシフト部２２から導出された一酸化炭素濃度が低減された改質ガスは、ＣＯ選択酸化部２３に供給される。一方、ＣＯ選択酸化部２３には、空気供給源Ｓａに接続された第１空気供給管６１が接続されており、空気供給源Ｓａ（例えば大気）から空気が供給されている。第１空気供給管６１には、上流から順番にフィルタ６２、空気ポンプ６３および空気バルブ６４が設けられている。フィルタ６２は空気を濾過するものであり、空気ポンプ６３は制御装置８０により空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込みＣＯ選択酸化部２３に吐出するものであり、空気バルブ６４は制御装置８０により第１空気供給管６１を開閉するものである。これにより、空気がＣＯ選択酸化部２３に供給される。
【００２８】
ＣＯ選択酸化部２３に供給された改質ガスに残留している一酸化炭素は、ＣＯ選択酸化部２３に充填された触媒（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）により上述のように供給された空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出される。なお、ＣＯ選択酸化部２３内には、充填された触媒を加熱する一酸化炭素選択酸化部用ヒータ２３ａが設けられている。このヒータ２３ａは制御装置８０によって制御されている。また、ＣＯ選択酸化部２３には充填された触媒の温度を検出する温度センサ２３ｂが設けられている。この検出結果は制御装置８０に送られている。
【００２９】
ＣＯ選択酸化部２３は第１改質ガス供給管７１を介して燃料電池１０の燃料極の導入口に接続され、燃料電池１０の燃料極の導出口は第１オフガス供給管７２を介してバーナ２１ｄに接続されている。第１改質ガス供給管７１には第１改質ガスバルブ７３が設けられ、第１オフガス供給管７２には燃料電池１０側から順に第１オフガスバルブ７４、凝縮器７５、第２オフガスバルブ７６が設けられている。また、第１改質ガスバルブ７３の上流にて第１改質ガス供給管７１から分岐した第２改質ガス供給管７７は凝縮器７５内にて第１オフガス供給管７２に合流しており、第２改質ガス供給管７７には第２改質ガスバルブ７８が設けられている。さらに、凝縮器７５と第２オフガスバルブ７６との間にて第１オフガス供給管７２から分岐した第２オフガス供給管７９はオフガスバーナ８２に接続されており、第２オフガス供給管７９には第３オフガスバルブ８３が設けられている。
【００３０】
第１改質ガスバルブ７３、第２改質ガスバルブ７８、第１オフガスバルブ７４、第２オフガスバルブ７６、第３オフガスバルブ８３は制御装置８０により制御されており、起動時にはそれぞれ閉、開、閉、閉、開状態とされてＣＯ選択酸化部２３から導出された改質ガスはオフガスバーナ８２に供給される。一方定常時には、それぞれ開、閉、開、開、閉状態とされてＣＯ選択酸化部２３から導出された改質ガスは燃料電池１０の燃料極に供給され、燃料電池１０の燃料極から導出されたオフガスはバーナ２１ｄに供給される。なお、凝縮器７５は改質ガスまたはオフガス中の水分を凝縮して導出するものである。
【００３１】
オフガスバーナ８２は、起動時に制御装置８０により着火されるとともにＣＯ選択酸化部２３からの改質ガスが供給され、さらに外部から空気も供給され、供給された改質ガスを燃焼して高温の燃焼ガスを排気管８４および熱交換器８５を介して外部に排出するものである。
【００３２】
熱交換器８５においては、起動時には高温の燃焼ガスと、熱交換器８５、燃料電池１０およびラジエータ８６を通過する循環路８７内を循環する水（加熱用水）との間で熱交換が行われて、燃焼ガスは降温され、加熱用水は昇温される。そして、加熱用水によって燃料電池１０が加熱される。一方、定常時には循環路８７内を循環する水（冷却用水）は燃料電池１０との間で熱交換が行われて、燃料電池１０は降温され、冷却水は昇温される。なお、昇温した冷却水はラジエータ８６によって降温される。
【００３３】
燃料電池スタック１０は、定常時にＣＯ選択酸化部２３から一酸化炭素が低減された改質ガスが供給され、さらに外部から第２空気供給管８８を介して空気も供給され、改質ガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとの反応により発電するようになっている。
【００３４】
なお、上述した燃料、水蒸気（または水）および空気の改質装置への導入路（燃料供給管４１、給水管５１、第１空気供給管６１）に同導入路を遮断する遮断手段としての第１および第２燃料バルブ４２，４５、水バルブ５４、空気バルブ６４が設けられ、改質ガスの導出路（第１および第２改質ガス供給管７１，７７、第１および第２オフガス供給管７２，７９）に同導出路を遮断する遮断手段としての第１および第２改質ガスバルブ７３，７８、第１〜第３オフガスバルブ７４，７６，８３が設けられており、これら遮断手段は所定値以上の耐圧性を有している。
【００３５】
また、上述した各温度センサ２１ａ１，２３ｂ，５５ａ、バーナ２１ｄ、オフガスバーナ８２、各バルブ４２，４５，５４，６４，７３，７４，７６，７８，８３、および各ポンプ４３，４８，５３，６３，６６は制御装置８０に接続されている（図２参照）。制御装置８０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、図３〜図５のフローチャートに対応したプログラムを実行して、燃料電池システムの運転および運転停止を行っている。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。
【００３６】
次に、上述した燃料電池システムの作動について図３から図５を参照して説明する。制御装置８０は図示しない起動スイッチがオンされると、図３に示すプログラムを実行する。制御装置８０は、プログラムをステップ１０２に進め、運転開始ルーチンを実行する。すなわち図４に示すプログラムを実行する。具体的には、制御装置８０は、ステップ２０２にて、第１改質ガスバルブ７３を閉じ第２改質ガスバルブ７８を開いてＣＯ選択酸化部２３をオフガスバーナ８２に接続し、第１燃料バルブ４２を開き第２燃料バルブ４５を閉じて燃焼用燃料ポンプ４８および燃焼用空気ポンプ６６を駆動して燃焼用燃料および燃焼空気を改質部２１のバーナ２１ｄに供給してバーナ２１ｄを着火する。これにより、燃焼用燃料が燃焼され、燃焼ガスにより改質部２１内の触媒２１ａおよび蒸発器５５が加熱される。
【００３７】
制御装置８０は、温度センサ５５ａにより蒸発器５５の温度を検出し、この検出した温度が所定温度Ｔｈａ以上となれば、水バルブ５４を開き、水ポンプ５３を駆動させ水タンクＳｗの水を蒸発器５５に供給する（ステップ２０４，２０６）。
【００３８】
制御装置８０は、蒸発器５５の温度が所定温度Ｔｈａ以上となった時点からタイマのカウントを開始し、タイマが所定時間（例えば３分）以上となれば、第２燃料バルブ４５、空気バルブ６４および第３オフガスバルブ８３を開いて燃料ポンプ４３および空気ポンプ６３を駆動させ燃料供給源Ｓｆの燃料を改質部２１の反応室２１ｂに供給する（ステップ２０８，２１０）。これにより、改質部２１では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じる。そして、改質部２１から導出された改質ガスはＣＯシフト部２２およびＣＯ選択酸化部２３により一酸化炭素ガスを低減されてＣＯ選択酸化部２３から導出され、オフガスバーナ８２に供給され燃焼される。
【００３９】
このように改質ガスの生成中において、制御装置８０は、温度センサ２３ｂによりＣＯ選択酸化部２３の触媒の温度を検出し、この検出した温度が所定温度Ｔｈｂ以上となれば、第１改質ガスバルブ７３、第１オフガスバルブ７４および第２オフガスバルブ７６を開き第２改質ガスバルブ７８および第３オフガスバルブ８３を閉じてＣＯ選択酸化部２３を燃料電池１０に接続するとともに燃料電池１０をバーナ２１ｄに接続し、燃焼用燃料ポンプ４８および燃焼用空気ポンプ６６の駆動を停止して起動運転を終了する（ステップ２１２，２１４）。そして、制御装置８０はプログラムをステップ２１６に進めこのルーチンの実行を終了し、図３のプログラムのステップ１０４に進める。
【００４０】
制御装置８０は、ステップ１０４にて燃料ポンプ４３、水ポンプ５３および空気ポンプ６３の駆動を継続させて燃料、水（水蒸気）および空気を改質装置２０に供給することにより改質ガスを燃料電池１０に供給する定常運転を開始する。
【００４１】
制御装置８０は、定常運転中において、停止スイッチ（図示しない）が作業者によって押される、または電力需要がなくなるなどの理由により燃料電池システムによる発電が停止されたと判定すると、判定した時点からタイマＴａをカウント開始し、改質装置２０を所定の待機時間Ｔｗｔ（例えば２０〜３０分）だけ待機状態に維持する（ステップ１０６〜１１６）。待機状態とはバーナ２１ｄにて燃焼させるのに必要な最小限の改質ガスを生成する状態をいう。
【００４２】
制御装置８０は、待機時間Ｔｗｔが経過するまでに、再開スイッチ（図示しない）が作業者によって押される、または電力需要が復活するなどの理由により燃料電池システムによる発電が再開されたと判定すると、改質装置２０の定常運転を再開する（ステップ１１２〜１１４）。また、待機時間Ｔｗｔが経過すると、プログラムをステップ１１８に進め、運転停止ルーチンを実行する。すなわち図５に示すプログラムを実行する。
【００４３】
具体的には、制御装置８０は、ステップ３０２にて、第２燃料バルブ４５を閉じて改質部２１への燃料の供給を停止し、第１改質ガスバルブ７３および第１オフガスバルブ７４を閉じて燃料電池１０への改質ガスの供給を停止し、第３オフガスバルブ８３を閉じ第２オフガスバルブ７６および第２改質ガスバルブ７８を開いてＣＯ選択酸化部２３からの気体（改質ガスも含まれる）をバーナ２１ｄに供給する（ステップ３０２）。これにより、燃料の供給が停止されるとともに、水が蒸発器５５に供給され酸化空気がＣＯ選択酸化部２３に供給される。
【００４４】
この水および空気のみの供給は所定タイマ値（例えば１分）分だけ行われ、これにより、蒸発器５５にて生成された水蒸気は改質装置２０内を流通し、この水蒸気によって改質装置２０内部に残存する燃料、改質ガスが一掃（パージ）される、すなわち改質装置２０において水蒸気パージが開始される（ステップ３０４）。
【００４５】
制御装置８０は、前記所定タイマ値の経過後、水バルブ５４を閉じて蒸発器５５への水の供給を停止するとともに、ＣＯシフト部用ヒータ２２ａとＣＯ選択酸化部用ヒータ２３ａの加熱（１５０℃に維持）を開始する（ステップ３０６，３０８）。制御装置８０は、ＣＯシフト部用ヒータ２２ａとＣＯ選択酸化部用ヒータ２３ａの加熱開始から所定タイマ値（例えば３分）の経過後、バーナ２１ｄによる燃焼を停止するとともに空気バルブ６４を閉じる（ステップ３１０〜３１４）。これにより、ＣＯシフト部用ヒータ２２ａとＣＯ選択酸化部用ヒータ２３ａの加熱開始から前記所定タイマ値の経過までの間には、改質部２１および蒸発器５５は水の供給が停止された状態にてバーナ２１ｄの燃焼により空焚きされるので、蒸発器５５および改質部２１に残存する水は速やかに水蒸気化される。また、ＣＯシフト部２２およびＣＯ選択酸化部２３内の各触媒は加熱されているので、これら各触媒に水蒸気が凝縮して水が付着することはない。さらに、蒸発器５５、改質部２１、ＣＯシフト部２２およびＣＯ選択酸化部２３内すなわち改質装置２０内の水蒸気は、その大半が凝縮器７５によって凝縮された後、バーナ２１ｄおよび排気管８１を通って外部へと排出される。これに伴って改質装置２０内に少量ながら残存する燃料、改質ガスが外部に排出される。なお、上記各所定タイマ値は改質装置２０の材料の仕様限界温度を超えないように設定されるのが好ましい。
【００４６】
制御装置８０は、前記所定タイマ値の経過後、タイマＴｂをカウント開始し、タイマＴｂが所定値Ｔ１以上となったら、第２オフガスバルブ７６を閉じて改質装置２０を完全に密封するとともに、ＣＯシフト部用ヒータ２２ａとＣＯ選択酸化部用ヒータ２３ａの加熱を停止する（ステップ３１６，３１８，３２４，３２６）。これをもって上記ステップ３０４から開始された水蒸気パージが終了される。これにより、タイマＴｂのカウントを開始してから所定値Ｔ１の経過までの間には、余熱により水蒸気は第２オフガスバルブ７６、バーナ２１ｄおよび排気管８１を通って外部に排出される。これに伴って改質装置２０内に少量ながら残存する燃料、改質ガスが外部に排出される。したがって、改質装置２０内の燃料、改質ガスの各濃度はさらに小さくなる。
【００４７】
そして、制御装置８０は、プログラムをステップ３２８以降に進め、改質部２１の触媒２１ａの温度Ｔｈａが冷却確認温度Ｔｈｃｌ以下となったら、改質部２１が十分冷却されたとして燃焼空気の供給を停止し、燃料電池システムの運転を停止する（ステップ３２８〜３３２）。そして、制御装置８０はプログラムをステップ３３４に進めこのルーチンの実行を終了し、図３のプログラムのステップ１２０に進め、このプログラムを終了する。なお、制御装置８０は、タイマＴｂが所定値Ｔ１未満のときに、触媒２１ａの温度Ｔｈａが冷却確認温度Ｔｈｃｌ以下となっても改質部２１が十分冷却されたとして燃焼空気の供給を停止する（ステップ３１８〜３２２）。
【００４８】
上述した説明から理解できるように、この実施の形態においては、燃料電池システムの運転停止の際に改質装置２０を水蒸気パージすることにより同改質装置２０内の燃料ガスおよび改質ガスを一掃し（ステップ３０２，３０４）、水蒸気パージの実行中、ＣＯシフト部用ヒータ２２ａとＣＯ選択酸化部用ヒータ２３ａによるＣＯシフト部２２とＣＯ選択酸化部２３の加熱、およびバーナ２１ｄの燃焼による蒸発器５５および改質部２１の加熱によって、改質装置２０内に残存する水を水蒸気化するとともに改質装置２０内に残存する水蒸気を外部に排出するので（ステップ３０６〜３２６）、水蒸気を供給するための別の装置を設けることなく改質装置２０内をパージすることができる。したがって、コストの上昇を招くことなく簡単な構成にて燃料電池システムを停止することができる。また、改質装置２０内からできる限り水蒸気を排出するので、水蒸気の凝縮による改質装置２０へのダメージを抑制することができる。
【００４９】
また、改質装置２０への導入出路に設けた遮断手段としての第１および第２燃料バルブ４２，４５、水バルブ５４、空気バルブ６４、第１および第２改質ガスバルブ７３，７８、第１〜第３オフガスバルブ７４，７６，８３は所定値以上の耐圧性を有しているので、これらバルブによって密封された改質装置２０は、水蒸気パージをした後しばらくして改質装置２０内の温度が下降し改質装置２０内が負圧になっても同改質装置２０内に空気などの気体が進入するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。
【図３】図２に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。
【図４】図３に示したプログラムの運転開始サブルーチンを示すフローチャートである。
【図５】図３に示したプログラムの運転停止サブルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池、２０…改質装置、２１…改質部、２１ａ１，２３ｂ，５５ａ…温度センサ、２１ｄ…バーナ、２２…ＣＯシフト部、２２ａ…ＣＯシフト部用ヒータ、２３…ＣＯ選択酸化部、２３ａ…ＣＯ選択酸化部用ヒータ、４２…第１燃料バルブ、４３…燃料ポンプ、４５…第２燃料バルブ、熱交換部４６、４８…燃焼用燃料ポンプ、５３…水ポンプ、５４…水バルブ、５５…蒸発器、６３…空気ポンプ、６４…空気バルブ、６６…燃焼用空気ポンプ、７３…第１改質ガスバルブ、７４…第１オフガスバルブ、７６…第２オフガスバルブ、７８…第２改質ガスバルブ、８２…オフガスバーナ、８３…第３オフガスバルブ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for stopping a fuel cell system provided with a reforming device that generates a reformed gas from supplied fuel gas and water vapor and supplies the reformed gas to a fuel cell, and a fuel cell system according to the stopping method. About.
[0002]
[Prior art]
The fuel cell system includes a fuel cell and a reformer. The fuel cell generates electric power by a chemical reaction between the supplied hydrogen and oxygen, and the reformer generates a so-called hydrogen-rich reformed gas from the supplied fuel gas (for example, natural gas) and steam to convert the reformed gas. The high-quality gas is supplied to the fuel cell. During operation of the fuel cell system having such a configuration, when a fuel gas and steam are supplied to the reformer, a hydrogen-rich reformed gas is generated, and the reformed gas is supplied to the fuel cell, and the fuel gas is supplied to the fuel cell. The battery generates electricity.
[0003]
On the other hand, when stopping the operation of the fuel cell system, a process of purging (removing) the fuel gas and the reformed gas remaining in the reformer is performed, and then the operation is stopped. The cleaning process includes purging with an inert gas (for example, nitrogen gas) (Patent Document 1), purging with water vapor, and then purging the water vapor with air (Patent Document 1), and purging with a hydrocarbon gas. An object (Patent Document 2) is known.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-8701 (pages 4-7, FIGS. 2 and 4)
[0005]
[Patent Document 2]
JP 2001-189165 A (pages 8-11, FIGS. 1 and 2)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described stopping method of purging with an inert gas, a separate device for supplying the inert gas is required, and the cost of the inert gas is high because the inert gas is expensive. Further, in the stopping method in which the steam is purged with air after purging with steam, there is a problem that a dedicated auxiliary device is separately required for purging with steam, and the structure becomes complicated. However, there is a problem that the cost increases because it is necessary to use an expensive catalyst which is not oxidized. Further, in the stopping method of purging with a hydrocarbon gas, there is a problem that carbon content precipitates when purging with a hydrocarbon gas until the temperature in the reformer is lowered to some extent, and actually, the supply of water is continued. Therefore, there is a problem that the control becomes complicated.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to provide a method of shutting down a fuel cell system with a simple configuration without causing an increase in cost by performing only steam purge. Aim.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, a structural feature of the invention according to claim 1 is a reformer that generates a reformed gas from supplied fuel gas and water vapor and supplies the reformed gas to a fuel cell. A method for stopping a fuel cell system, comprising: purging a reformer with steam when the operation of the fuel cell is stopped to purge fuel gas and reformed gas in the reformer, and performing a steam purge. Heating the reformer by a heating means to vaporize the water remaining in the reformer, and discharging the water vapor remaining in the reformer to the outside.
[0009]
Further, a structural feature of the invention according to claim 2 is that, in claim 1, the reformer includes a reforming unit that generates and derives a reformed gas from fuel and steam supplied from the outside, An evaporating unit that generates steam from the supplied water and supplies the reforming unit with the vapor; a carbon monoxide shift reaction unit that reduces carbon monoxide in the reformed gas supplied from the reforming unit; A carbon monoxide selective oxidizing unit for further reducing carbon monoxide in the reformed gas supplied from the shift reaction unit, wherein the heating means includes a burner for heating the reforming unit and the evaporating unit; and a carbon monoxide shift unit. It comprises a carbon monoxide shift reaction section heater for heating the reaction section and a carbon monoxide selective oxidation section heater for heating the carbon monoxide selective oxidation section.
[0010]
Further, the structural feature of the invention according to claim 3 is that a reforming apparatus that generates a reformed gas from the supplied fuel gas and steam and supplies the reformed gas to the fuel cell, and shuts down the operation of the fuel cell Purge means for purging the fuel gas and the reformed gas in the reformer by steam purging the reformer at the time of the reforming; and heating the reformer by the heating means during execution of the steam purge by the purge means. A steam discharging means for converting the water remaining in the reformer into steam and discharging the steam remaining in the reformer to the outside.
[0011]
Further, the structural feature of the invention according to claim 4 is that, in claim 3, the reformer includes a reformer that generates and derives a reformed gas from fuel and steam supplied from the outside, An evaporating unit that generates steam from the supplied water and supplies the reforming unit with the vapor; a carbon monoxide shift reaction unit that reduces carbon monoxide in the reformed gas supplied from the reforming unit; A carbon monoxide selective oxidizing unit for further reducing carbon monoxide in the reformed gas supplied from the shift reaction unit, wherein the heating means includes a burner for heating the reforming unit and the evaporating unit; and a carbon monoxide shift unit. It comprises a carbon monoxide shift reaction section heater for heating the reaction section and a carbon monoxide selective oxidation section heater for heating the carbon monoxide selective oxidation section.
[0012]
A structural feature of the invention according to claim 5 is that, in claim 3 or claim 4, the reformer is configured to generate and derive a reformed gas from fuel and steam supplied from the outside. And, an evaporation unit that generates steam from the water supplied from the outside and supplies it to the reforming unit, a carbon monoxide shift reaction unit that reduces carbon monoxide in the reformed gas supplied from the reforming unit, A carbon monoxide selective oxidizing section for further reducing the carbon monoxide in the reformed gas supplied from the carbon monoxide shift reaction section by oxidation with separately supplied air and supplying the reformed gas to the fuel cell; The fuel gas, water vapor and air introduction path to the reformer, and the reformed gas outlet path are provided with shut-off means for shutting off these inlet and outlet paths, and the shut-off means has a pressure resistance of a predetermined value or more. It is.
[0013]
Function and Effect of the Invention
In the invention according to claim 1 configured as described above, when the operation of the fuel cell system is stopped, the fuel gas and the reformed gas in the reformer are purged by steam purging the reformer, and the steam is removed. During the execution of the purge, since the water remaining in the reformer is steamed by heating the reformer by the heating means and the steam remaining in the reformer is discharged to the outside, the steam is supplied. It is possible to purge the inside of the reformer without providing another device. Therefore, the fuel cell system can be stopped with a simple configuration without increasing the cost. Further, since steam is discharged as much as possible from inside the reformer, damage to the reformer due to condensation of steam can be suppressed.
[0014]
In the invention according to claim 2 configured as described above, the reformer of the reformer is heated by the burner, so that water is prevented from being condensed inside and the internal steam is discharged to the outside, Since the evaporator is also heated by the burner, the water remaining inside is surely vaporized and discharged to the outside, and the carbon monoxide shift reaction part is heated by the carbon monoxide shift reaction heater, so that water is While preventing water from being condensed, the internal water vapor is discharged to the outside, and the carbon monoxide selective oxidizing unit is heated by the carbon monoxide selective oxidizing heater, thereby preventing water from condensing inside and Is discharged to the outside. Accordingly, since the steam is discharged from the reformer as much as possible, damage to the reformer due to condensation of the steam can be suppressed.
[0015]
In the invention according to claim 3 configured as described above, the purge unit purges the fuel gas and the reformed gas in the reformer by steam purging the reformer when the operation of the fuel cell system is stopped. During the steam purge, the steam discharging means heats the reformer by the heating means to convert the water remaining in the reformer into steam and to remove the steam remaining in the reformer to the outside. Since the gas is discharged, the inside of the reformer can be purged without providing another device for supplying steam. Therefore, the fuel cell system can be stopped with a simple configuration without increasing the cost. Further, since steam is discharged from the reformer as much as possible, damage to the reformer due to condensation of steam can be suppressed.
[0016]
In the invention according to claim 4 configured as described above, the reformer of the reformer is heated by the burner, so that water is prevented from being condensed inside and the internal steam is discharged to the outside, Since the evaporator is also heated by the burner, the water remaining inside is surely vaporized, and the carbon monoxide shift reaction part is heated by the carbon monoxide shift reaction heater, so that water is condensed inside. The internal water vapor is discharged to the outside and the carbon monoxide selective oxidizing unit is heated by the carbon monoxide selective oxidizing unit heater, so that water is prevented from condensing inside and the internal water vapor is discharged to the outside. Is discharged. Accordingly, since the steam is discharged from the reformer as much as possible, damage to the reformer due to condensation of the steam can be suppressed.
[0017]
In the invention according to claim 5 configured as described above, the reformer includes a reformer that generates and derives a reformed gas from fuel and steam supplied from the outside, An evaporating unit that generates and supplies steam from the supplied water, a carbon monoxide shift reaction unit that reduces carbon monoxide in the reformed gas supplied from the reforming unit, and a carbon monoxide shift reaction unit. A carbon monoxide selective oxidizing unit for further reducing carbon monoxide in the supplied reformed gas by oxidation with separately supplied air and supplying the reformed gas to the fuel cell, wherein the fuel and steam described above are provided. A shut-off means for shutting off these inlets and outlets is provided in the introduction path to the reforming device for air and the outlet path for the reformed gas. And in the reformer Degrees can be a gas such as air is prevented from entering the same reformer even at the lowered reformer negative pressure.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of this fuel cell system.
[0019]
This fuel cell system includes a fuel cell 10 and a reformer 20 that generates hydrogen gas necessary for the fuel cell 10. As shown in FIG. 1, the reformer 20 includes a reformer 21 for reforming a fuel such as natural gas, LPG, and kerosene into hydrogen gas, and a monoxide contained in hydrogen gas derived from the reformer 21. A carbon monoxide shift reaction section (hereinafter, referred to as a CO shift section) 22 for removing carbon, and a carbon monoxide selective oxidizing section 23 (hereinafter, referred to as a carbon monoxide) for further removing carbon monoxide contained in hydrogen gas derived from the CO shift section 22. , CO selective oxidation unit). The fuel cell 10 to which the hydrogen gas generated by the reformer 20 is supplied, that is, a hydrogen-rich reformed gas, is configured to generate power by a reaction between the hydrogen gas and the oxygen gas.
[0020]
The reformer 21 supplies a reaction chamber 21b filled with a catalyst 21a, a heating chamber 21c provided in close contact with the reaction chamber 21b to heat the reaction chamber 21b, and supplies a high-temperature combustion gas to the heating chamber 21c. It is composed of a burner 21d.
[0021]
A fuel supply pipe 41 connected to a fuel supply source Sf (for example, a city gas pipe) is connected to the reaction chamber 21b, and fuel is supplied from the fuel supply source Sf. The fuel supply pipe 41 is provided with two first fuel valves 42, a fuel pump 43, a desulfurizer 44, a second fuel valve 45, and a heat exchange section 46 in order from the upstream. The first and second fuel valves 42 and 45 are for opening and closing the fuel supply pipe 41 by the control device 80, and the fuel pump 43 sucks the fuel supplied from the fuel supply source Sf by the control device 80 and controls the reforming section 21. The fuel is discharged into the reaction chamber 21b, the desulfurizer 44 removes the sulfur content in the fuel, and the heat exchange unit 46 communicates with the high-temperature hydrogen gas (reformed gas) from the reforming unit 21. The preheated fuel subjected to the heat exchange is supplied to the reaction chamber 21b of the reforming section 21. As a result, the sulfur is removed from the fuel, and the fuel is preheated and supplied to the reaction chamber 21b.
[0022]
A steam supply pipe 52 connected to an evaporator 55 is connected between the second fuel valve 45 and the heat exchange section 46 of the fuel supply pipe 41, and the steam supplied from the evaporator 55 is mixed with the fuel. And supplied to the reaction chamber 21 b of the reforming section 21. The water supply pipe 51 connected to the water tank Sw, which is a water supply source, is connected to the evaporator 55. The water supply pipe 51 is provided with a water pump 53 and a water valve 54 in order from the upstream. The water pump 53 sucks water supplied from the water tank Sw by the control device 80 and discharges the water to the evaporator 55, and the water valve 54 opens and closes the water supply pipe 51 by the control device 80. The water supply pipe 51 is wound around the outer periphery of the heating chamber 21c, and the flowing water in the water supply pipe 51 is preheated by the heating chamber 21c. The evaporator 55 heats the supplied preheated water with exhaust gas passing therethrough to produce steam, and supplies the water to the reaction chamber 21b. Thereby, water is preheated and supplied to the evaporator 55, and is supplied to the reaction chamber 21b as steam.
[0023]
The fuel supplied into the reaction chamber 21b reacts with the steam supplied into the reaction chamber 21b by the catalyst 21a and is reformed to generate hydrogen gas and carbon monoxide gas (so-called steam reforming reaction). At the same time, in the reaction chamber 21b, a so-called carbon monoxide shift reaction occurs in which carbon monoxide generated by the steam reforming reaction reacts with steam to be converted into hydrogen gas and carbon dioxide. These generated gases (so-called reformed gases) are led out to the CO shift reaction unit 22 via the heat exchange unit 46. Note that a temperature sensor 21a1 for detecting the temperature of the catalyst 21a is provided in the catalyst 21a. This detection result is sent to the control device 80.
[0024]
The fuel cell 10 is connected to the burner 21d via a first off-gas supply pipe 72, and hydrogen gas (off-gas) not used in the reaction in the fuel cell 10 is supplied. In addition, the CO selective oxidizing unit 23 is connected to the burner 21d via a first off-gas supply pipe 72, a second reformed gas supply pipe 77, and a first reformed gas supply pipe 71, and the reformed gas is supplied. ing. A burner fuel supply pipe 47 branched from the fuel supply pipe 41 upstream of the fuel pump 43 is connected to the burner 21d to supply combustion fuel. The combustion fuel supply pipe 47 is provided with a combustion fuel pump 48. The combustion fuel pump 48 sucks fuel supplied from the fuel supply source Sf and discharges the fuel to the burner 21d, and is controlled by the control device 80. ing. Further, a combustion air supply pipe 65 branched from the first air supply pipe 61 upstream of the air pump 63 is connected to the burner 21d, and combustion air for burning off-gas, reformed gas, or combustion fuel is connected. Is supplied. The combustion air supply pipe 65 is provided with a combustion air pump 66. The combustion air pump 66 sucks air supplied from the air supply source Sa and discharges the air to the burner 21d, and is controlled by the control device 80. ing.
[0025]
When the burner 21d is ignited by the control device 80, the off-gas, reformed gas or combustion fuel supplied to the burner 21d is burned to generate high-temperature combustion gas, which is supplied to the heating chamber 21c. The catalyst 21a is heated by heating the reaction chamber 21b. The combustion gas that has passed through the heating chamber 21c is exhausted as exhaust gas through the exhaust pipe 81 and the evaporator 55. The evaporator 55 is provided with a temperature sensor 55a for detecting the temperature inside the evaporator 55 that passes therethrough. This detection result is sent to the control device 80.
[0026]
The reformed gas derived from the above-described reforming section 21 is supplied to the CO shift section 22 through the heat exchange section 46. The carbon monoxide contained in the supplied reformed gas reacts with water vapor by a catalyst (for example, a Cu or Zn-based catalyst) filled in the CO shift unit 22 to be converted into hydrogen gas and carbon dioxide gas. A so-called carbon monoxide shift reaction has occurred. As a result, the reformed gas is derived by reducing the concentration of carbon monoxide by the above-described carbon monoxide shift reaction. The CO shift section 22 is provided with a carbon monoxide shift reaction section heater 22a for heating the filled catalyst. The heater 22a is controlled by the control device 80.
[0027]
The reformed gas having a reduced carbon monoxide concentration derived from the CO shift unit 22 is supplied to the CO selective oxidation unit 23. On the other hand, a first air supply pipe 61 connected to the air supply source Sa is connected to the CO selective oxidation unit 23, and air is supplied from the air supply source Sa (for example, the atmosphere). The first air supply pipe 61 is provided with a filter 62, an air pump 63, and an air valve 64 in order from the upstream. The filter 62 is for filtering air, the air pump 63 is for sucking air supplied from the air supply source Sa by the control device 80 and discharging it to the CO selective oxidizing section 23, and the air valve 64 is controlled by the control device 80. The first air supply pipe 61 is opened and closed. Thereby, air is supplied to the CO selective oxidation unit 23.
[0028]
The carbon monoxide remaining in the reformed gas supplied to the CO selective oxidation unit 23 was supplied as described above by the catalyst (for example, a Ru or Pt-based catalyst) filled in the CO selective oxidation unit 23. Reacts with oxygen in the air to form carbon dioxide. As a result, the reformed gas is led out with the carbon monoxide concentration further reduced (10 ppm or less) by the oxidation reaction. In the CO selective oxidizing section 23, a carbon monoxide selective oxidizing section heater 23a for heating the filled catalyst is provided. The heater 23a is controlled by the control device 80. Further, the CO selective oxidation section 23 is provided with a temperature sensor 23b for detecting the temperature of the filled catalyst. This detection result is sent to the control device 80.
[0029]
The CO selective oxidizing unit 23 is connected to the fuel electrode inlet of the fuel cell 10 via the first reformed gas supply pipe 71, and the fuel electrode outlet of the fuel cell 10 is connected to the burner via the first off-gas supply pipe 72. 21d. The first reformed gas supply pipe 71 is provided with a first reformed gas valve 73, and the first off gas supply pipe 72 is provided with a first off gas valve 74, a condenser 75, and a second off gas valve 76 in order from the fuel cell 10 side. Is provided. Further, a second reformed gas supply pipe 77 branched from the first reformed gas supply pipe 71 upstream of the first reformed gas valve 73 joins the first off-gas supply pipe 72 in the condenser 75, The second reformed gas supply pipe 77 is provided with a second reformed gas valve 78. Further, a second off-gas supply pipe 79 branched from the first off-gas supply pipe 72 between the condenser 75 and the second off-gas valve 76 is connected to an off-gas burner 82. A three off-gas valve 83 is provided.
[0030]
The first reformed gas valve 73, the second reformed gas valve 78, the first offgas valve 74, the second offgas valve 76, and the third offgas valve 83 are controlled by the control device 80. The reformed gas that has been closed and opened and is led out of the CO selective oxidizing section 23 is supplied to the off-gas burner 82. On the other hand, in the steady state, the reformed gas that is opened, closed, opened, opened, and closed, respectively, and derived from the CO selective oxidation unit 23 is supplied to the fuel electrode of the fuel cell 10 and is derived from the fuel electrode of the fuel cell 10. The off-gas is supplied to the burner 21d. The condenser 75 is for condensing the moisture in the reformed gas or the off-gas and leading it out.
[0031]
The off-gas burner 82 is ignited by the control device 80 at the time of start-up, is supplied with reformed gas from the CO selective oxidizing unit 23, and is further supplied with air from outside, and burns the supplied reformed gas to perform high-temperature combustion. The gas is discharged to the outside through the exhaust pipe 84 and the heat exchanger 85.
[0032]
In the heat exchanger 85, at the time of startup, heat exchange is performed between high-temperature combustion gas and water (heating water) circulating in a circulation path 87 passing through the heat exchanger 85, the fuel cell 10, and the radiator 86. Then, the temperature of the combustion gas is lowered, and the temperature of the heating water is raised. Then, the fuel cell 10 is heated by the heating water. On the other hand, in a steady state, water (cooling water) circulating in the circulation path 87 exchanges heat with the fuel cell 10, the fuel cell 10 is cooled, and the cooling water is heated. The temperature of the heated cooling water is lowered by the radiator 86.
[0033]
The fuel cell stack 10 is supplied with a reformed gas in which carbon monoxide is reduced from the CO selective oxidizing unit 23 in a steady state, and is also supplied with air from the outside via a second air supply pipe 88, so that the Power is generated by a reaction between hydrogen gas and oxygen gas in the air.
[0034]
In addition, the above-mentioned introduction path (fuel supply pipe 41, water supply pipe 51, first air supply pipe 61) for the fuel, steam (or water), and air to the reformer is blocked by a second means as a shutoff means. First and second fuel valves 42 and 45, a water valve 54, and an air valve 64 are provided, and a reformed gas outlet path (first and second reformed gas supply pipes 71 and 77, first and second off gas supply pipes) is provided. 72, 79) are provided with first and second reformed gas valves 73, 78 and first to third off-gas valves 74, 76, 83 as shut-off means for shutting off the outlet path. It has a pressure resistance equal to or higher than the value.
[0035]
Further, the above-described temperature sensors 21a1, 23b, 55a, burner 21d, off-gas burner 82, valves 42, 45, 54, 64, 73, 74, 76, 78, 83, and pumps 43, 48, 53, 63. , 66 are connected to a control device 80 (see FIG. 2). The control device 80 has a microcomputer (not shown). The microcomputer has an input / output interface, a CPU, a RAM, and a ROM (all not shown) connected via a bus. The CPU executes a program corresponding to the flowcharts of FIGS. 3 to 5 to operate and stop the fuel cell system. RAM temporarily stores variables necessary for executing the program, and ROM stores the program.
[0036]
Next, the operation of the above-described fuel cell system will be described with reference to FIGS. When a start switch (not shown) is turned on, the control device 80 executes the program shown in FIG. The control device 80 advances the program to step 102, and executes an operation start routine. That is, the program shown in FIG. 4 is executed. Specifically, in step 202, the control device 80 closes the first reformed gas valve 73 and opens the second reformed gas valve 78 to connect the CO selective oxidizing unit 23 to the off-gas burner 82, and the first fuel valve 42 Is opened, the second fuel valve 45 is closed, and the combustion fuel pump 48 and the combustion air pump 66 are driven to supply the combustion fuel and combustion air to the burner 21d of the reforming section 21 to ignite the burner 21d. As a result, the combustion fuel is burned, and the combustion gas heats the catalyst 21a and the evaporator 55 in the reforming section 21.
[0037]
The control device 80 detects the temperature of the evaporator 55 by the temperature sensor 55a, and when the detected temperature becomes equal to or higher than the predetermined temperature Tha, opens the water valve 54 and drives the water pump 53 to evaporate the water in the water tank Sw. (Steps 204 and 206).
[0038]
The controller 80 starts counting the timer when the temperature of the evaporator 55 becomes equal to or higher than the predetermined temperature Tha, and when the timer becomes equal to or longer than a predetermined time (for example, three minutes), the second fuel valve 45 and the air valve 64. Then, the third off-gas valve 83 is opened to drive the fuel pump 43 and the air pump 63 to supply the fuel from the fuel supply source Sf to the reaction chamber 21b of the reforming unit 21 (steps 208 and 210). As a result, the above-described steam reforming reaction and carbon monoxide shift reaction occur in the reforming section 21. Then, the reformed gas derived from the reforming unit 21 is reduced in carbon monoxide gas by the CO shift unit 22 and the CO selective oxidizing unit 23, is derived from the CO selective oxidizing unit 23, and is supplied to the off-gas burner 82 for combustion. You.
[0039]
As described above, during the generation of the reformed gas, the control device 80 detects the temperature of the catalyst of the CO selective oxidizing unit 23 by the temperature sensor 23b, and when the detected temperature is equal to or higher than the predetermined temperature Thb, the first reforming is performed. The gas valve 73, the first off-gas valve 74 and the second off-gas valve 76 are opened, the second reformed gas valve 78 and the third off-gas valve 83 are closed, and the CO selective oxidizing unit 23 is connected to the fuel cell 10 and the fuel cell 10 is connected to the burner 21d. The driving of the combustion fuel pump 48 and the combustion air pump 66 is stopped to terminate the startup operation (steps 212 and 214). Then, control device 80 advances the program to step 216, ends the execution of this routine, and advances to step 104 of the program in FIG.
[0040]
The control device 80 supplies the fuel, water (steam) and air to the reforming device 20 by continuing to drive the fuel pump 43, the water pump 53, and the air pump 63 in step 104, thereby supplying the reformed gas to the fuel cell. The steady operation to be supplied to 10 is started.
[0041]
If the control device 80 determines that the power generation by the fuel cell system has been stopped during steady operation because a stop switch (not shown) is pressed by an operator or power demand is exhausted, the control device 80 starts the timer Ta. Is started, and the reformer 20 is maintained in a standby state for a predetermined standby time Twt (for example, 20 to 30 minutes) (steps 106 to 116). The standby state refers to a state in which a minimum amount of reformed gas required for combustion by the burner 21d is generated.
[0042]
If the controller 80 determines that power generation by the fuel cell system has been restarted before the standby time Twt elapses, for example, because a restart switch (not shown) is pressed by an operator, or power demand is restored, the renewal is performed. The steady operation of the quality device 20 is restarted (steps 112 to 114). After the elapse of the waiting time Twt, the program proceeds to step 118 to execute an operation stop routine. That is, the program shown in FIG. 5 is executed.
[0043]
Specifically, in step 302, the control device 80 closes the second fuel valve 45 to stop supplying fuel to the reforming unit 21, and closes the first reformed gas valve 73 and the first off-gas valve 74. Then, the supply of the reformed gas to the fuel cell 10 is stopped, the third offgas valve 83 is closed, the second offgas valve 76 and the second reformed gas valve 78 are opened, and the gas from the CO selective oxidizing section 23 (the reformed gas is also Is supplied to the burner 21d (step 302). Thereby, the supply of the fuel is stopped, the water is supplied to the evaporator 55, and the oxidized air is supplied to the CO selective oxidizing unit 23.
[0044]
The supply of only water and air is performed for a predetermined timer value (for example, one minute), whereby the steam generated by the evaporator 55 flows through the reformer 20, and this steam causes the steam to flow through the reformer 20. The fuel and reformed gas remaining inside are purged, that is, steam purging is started in the reformer 20 (step 304).
[0045]
After the elapse of the predetermined timer value, the control device 80 closes the water valve 54 to stop the supply of water to the evaporator 55, and also heats the CO shift section heater 22a and the CO selective oxidation section heater 23a (150 C.) (steps 306 and 308). After a predetermined timer value (for example, 3 minutes) has elapsed from the start of heating of the CO shift section heater 22a and the CO selective oxidizing section heater 23a, the control device 80 stops the combustion by the burner 21d and closes the air valve 64 (step 310-314). Thus, during the period from the start of heating of the CO shift section heater 22a and the CO selective oxidizing section heater 23a to the elapse of the predetermined timer value, the reforming section 21 and the evaporator 55 are in a state where the supply of water is stopped. Is burned by the combustion of the burner 21d, the water remaining in the evaporator 55 and the reforming section 21 is quickly turned into steam. Further, since the respective catalysts in the CO shift section 22 and the CO selective oxidizing section 23 are heated, water does not condense on the respective catalysts and adhere to water. Further, most of the steam in the evaporator 55, the reforming section 21, the CO shift section 22, and the CO selective oxidizing section 23, that is, in the reforming apparatus 20, is condensed by the condenser 75, and then the burner 21d and the exhaust pipe 81 Is discharged to the outside. Along with this, a small amount of fuel and reformed gas remaining in the reformer 20 are discharged to the outside. It is preferable that the above-mentioned predetermined timer values are set so as not to exceed the specification limit temperature of the material of the reformer 20.
[0046]
The control device 80 starts counting the timer Tb after the elapse of the predetermined timer value, and when the timer Tb becomes equal to or more than the predetermined value T1, closes the second off-gas valve 76 to completely seal the reforming device 20, and The heating of the CO shift section heater 22a and the CO selective oxidation section heater 23a is stopped (steps 316, 318, 324, 326). With this, the steam purge started from step 304 is completed. As a result, the steam is discharged to the outside through the second off-gas valve 76, the burner 21d, and the exhaust pipe 81 by the residual heat during the period from the start of counting by the timer Tb to the lapse of the predetermined value T1. Along with this, a small amount of fuel and reformed gas remaining in the reformer 20 are discharged to the outside. Therefore, the respective concentrations of the fuel and the reformed gas in the reformer 20 are further reduced.
[0047]
Then, the control device 80 advances the program to step 328 and subsequent steps. When the temperature Tha of the catalyst 21a of the reforming unit 21 becomes equal to or lower than the cooling confirmation temperature Thcl, the control unit 80 determines that the reforming unit 21 has been sufficiently cooled and supplies the combustion air. The operation is stopped, and the operation of the fuel cell system is stopped (steps 328 to 332). Then, the control device 80 advances the program to step 334, ends the execution of this routine, advances to step 120 of the program in FIG. 3, and ends the program. When the timer Tb is less than the predetermined value T1, the control device 80 stops the supply of the combustion air on the assumption that the reforming unit 21 is sufficiently cooled even if the temperature Tha of the catalyst 21a becomes equal to or lower than the cooling confirmation temperature Thcl. (Steps 318-322).
[0048]
As can be understood from the above description, in this embodiment, when the operation of the fuel cell system is stopped, the fuel gas and the reformed gas in the reformer 20 are purged by purging the reformer 20 with steam. Then, during the execution of the steam purge, the CO shift unit 22 and the CO selective oxidizing unit 23 are heated by the CO shift unit heater 22a and the CO selective oxidizing unit heater 23a, and the evaporator is burned by the burner 21d. Since the water remaining in the reformer 20 is turned into steam and the steam remaining in the reformer 20 is discharged to the outside by heating the 55 and the reforming section 21 (steps 306 to 326), steam is supplied. The inside of the reformer 20 can be purged without providing a separate apparatus for the above. Therefore, the fuel cell system can be stopped with a simple configuration without increasing the cost. Further, since steam is discharged as much as possible from the inside of the reformer 20, damage to the reformer 20 due to condensation of steam can be suppressed.
[0049]
In addition, first and second fuel valves 42 and 45, water valve 54, air valve 64, first and second reformed gas valves 73 and 78, and first and second fuel valves 42 and 45 as shutoff means provided in the introduction / exit path to reformer 20 are provided. Since the third off-gas valves 74, 76, and 83 have a pressure resistance equal to or higher than a predetermined value, the reformer 20 sealed by these valves is shortly after the steam purge, Even if the temperature falls and the inside of the reformer 20 becomes a negative pressure, it is possible to prevent gas such as air from entering the reformer 20.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of an embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing the fuel cell system shown in FIG.
FIG. 3 is a flowchart of a control program executed by the control device shown in FIG. 2;
FIG. 4 is a flowchart showing an operation start subroutine of the program shown in FIG. 3;
FIG. 5 is a flowchart showing an operation stop subroutine of the program shown in FIG. 3;
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10: fuel cell, 20: reformer, 21: reformer, 21a1, 23b, 55a: temperature sensor, 21d: burner, 22: CO shift unit, 22a: heater for CO shift unit, 23: CO selective oxidation unit , 23a: heater for CO selective oxidizing section, 42: first fuel valve, 43: fuel pump, 45: second fuel valve, heat exchange section 46, 48: fuel pump for combustion, 53: water pump, 54: water valve 55, an evaporator, 63, an air pump, 64, an air valve, 66, a combustion air pump, 73, a first reformed gas valve, 74, a first offgas valve, 76, a second offgas valve, 78, a second break Quality gas valve, 82: off-gas burner, 83: third off-gas valve.

Claims

A method for stopping a fuel cell system including a reformer that generates a reformed gas from a supplied fuel gas and water vapor and supplies the reformed gas to a fuel cell,
When the operation of the fuel cell is stopped, the fuel gas and the reformed gas in the reformer are purged by steam purging the reformer, and during the execution of the steam purge, the reformer is heated by heating means. A method for shutting down a fuel cell system, comprising heating to vaporize water remaining in the reformer and discharging the water vapor remaining in the reformer to the outside.

2. The reformer according to claim 1, wherein the reformer is configured to generate and derive the reformed gas from fuel and steam supplied from the outside, and to generate the steam from water supplied from the outside to perform the reforming. An evaporator that supplies the reformed gas, a carbon monoxide shift reaction unit that reduces carbon monoxide in the reformed gas supplied from the reformer, and the reformer that is supplied from the carbon monoxide shift reactor. A carbon monoxide selective oxidizing unit that further reduces carbon monoxide in the raw gas, wherein the heating unit heats the burner that heats the reforming unit and the evaporation unit, and heats the carbon monoxide shift reaction unit. A method for shutting down a fuel cell system, comprising: a heater for a carbon monoxide shift reaction unit; and a heater for a carbon monoxide selective oxidation unit that heats the carbon monoxide selective oxidation unit.

A reformer that generates a reformed gas from the supplied fuel gas and steam and supplies the reformed gas to the fuel cell; and a steam purge of the reformer when the operation of the fuel cell is stopped. Purge means for purging fuel gas and reformed gas in the reformer; and, during execution of steam purging by the purge means, the reformer is heated by heating means to remove water remaining in the reformer. And a steam discharging means for discharging steam remaining in the reformer to the outside.

4. The reformer according to claim 3, wherein the reformer is configured to generate and derive the reformed gas from fuel and steam supplied from the outside, and to generate the steam from water supplied from the outside to perform the reforming. An evaporator that supplies the reformed gas, a carbon monoxide shift reaction unit that reduces carbon monoxide in the reformed gas supplied from the reformer, and the reformer that is supplied from the carbon monoxide shift reactor. A carbon monoxide selective oxidizing unit that further reduces carbon monoxide in the raw gas, wherein the heating unit heats the burner that heats the reforming unit and the evaporation unit, and heats the carbon monoxide shift reaction unit. A fuel cell system comprising: a heater for a carbon monoxide shift reaction section; and a heater for a carbon monoxide selective oxidation section that heats the carbon monoxide selective oxidation section.

The reformer according to claim 3 or 4, wherein the reformer is configured to generate and derive the reformed gas from fuel and steam supplied from the outside, and to generate the steam from water supplied from the outside. An evaporating section for supplying the reforming section, a carbon monoxide shift reaction section for reducing carbon monoxide in the reformed gas supplied from the reforming section, and a supply from the carbon monoxide shift reaction section. A carbon monoxide selective oxidizing unit for further reducing the carbon monoxide in the reformed gas by oxidation with separately supplied air and supplying the reformed gas to the fuel cell, wherein the fuel comprises: A fuel supply passage for introducing steam and air to the reforming apparatus, and a shutoff means for shutting off the inlet and outlet of the reformed gas in the outlet path of the reformed gas, wherein the shutoff means has a pressure resistance of a predetermined value or more. Battery system.