JP2004288387A

JP2004288387A - Fuel cell power generation system

Info

Publication number: JP2004288387A
Application number: JP2003075812A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Takagi; 裕登高木; Yoshihiro Hori; 義宏堀
Original assignee: Ebara Ballard Corp
Current assignee: Ebara Ballard Corp
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2004-10-14

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell power generation system starting power generation after the temperature of a conversion part reaches a prescribed temperature, capable of starting in a short time. <P>SOLUTION: A fuel cell power generation system 1 comprises a fuel processing device 2 having a reforming section 21 for introducing carbon hydride-based fuel h and reforming it into a reformed gas g mainly composed of hydrogen and a transforming section 22 for introducing the reformed gas g and transforming a carbon monoxide gas in the reformed gas g; a fuel cell stack 3 for introducing the reformed gas g in which the carbon monoxide gas is transformed and generating power; a temperature detecting section 40 for detecting the temperature at the transforming section 22; and a control section 4 calculating a flow rate of the hydrocarbon group fuel h that can be appropriately introduced in the processing device 2, calculating a power generation amount that can be generated by the fuel cell stack 3 when the hydrocarbon group fuel h with the introducible amount is introduced, and making the fuel cell stack 3 generate the power within the range of not more than the possible amount of the power generation, under the detected temperature at the transformation section 22, when the fuel cell stack 3 starts the power generation. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに関し、特に変成部の温度が所定の値に達してから発電を開始するように制御を行う燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池発電システムは、ＣＯ変成触媒温度が最低運転温度に達するまで、改質ガスを燃料処理装置のバーナー部で燃焼させるいわゆるホットホールド状態で待機し、ＣＯ変成触媒温度が当該温度に到達してから燃料処理装置から燃料電池スタックへの改質ガスの供給を開始し、燃料電池スタックが発電を開始するのが通常であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ホットホールド状態では、発電を開始していないので、燃料電池スタックからの電力出力が全く得られないだけでなく、ＣＯ変成触媒温度等が低いので燃料処理装置が生成する改質ガス流量が少なく、変成部を改質部からの熱で温める熱媒体が少なく、変成部の昇温も遅く、その結果、起動時間が長くなっていた。
【０００４】
そこで、本発明は、短時間で起動することができる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による燃料電池発電システム１は、例えば図１、図２に示すように、炭化水素系燃料ｈを導入し、水素を主成分とする改質ガスｇに改質する改質部２１と、改質ガスｇを導入し、改質ガスｇ中の一酸化炭素ガスを変成する変成部２２とを有する燃料処理装置２と；前記一酸化炭素ガスが変成された改質ガスｇを導入して発電する燃料電池スタック３と；前記変成部２２の温度Ｔを検出する温度検出部４０と；燃料電池スタック３の発電開始時に、前記検出された変成部２２の温度Ｔ下における、燃料処理装置２が適正に導入可能な炭化水素系燃料ｈの流量Ｑを演算し、前記導入可能流量の炭化水素系燃料ｈが導入された場合に燃料電池スタック３が発電可能な発電量Ｗを演算し、燃料電池スタック３に前記可能発電量Ｗ以下の範囲での発電を行わせる制御部４とを備える。
【０００６】
このように構成すると、燃料処理装置２と、燃料電池スタック３と、温度検出部４０と、制御部４とを備えるので、燃料電池スタック３の発電開始時に、温度検出部４０によって変成部２２の温度Ｔを検出し、検出された変成部２２の温度Ｔ下における、燃料処理装置２が適正に導入可能な炭化水素系燃料ｈの流量Ｑを制御部４によって演算し、導入可能な流量Ｑの炭化水素系燃料ｈが導入された場合に燃料電池スタック３が発電可能な発電量Ｗを演算し、燃料処理装置２によって導入可能な炭化水素系燃料ｈの流量Ｑを導入し、改質部２１で可能な流量の改質ガスｇを生成し、変成部２２で改質ガスｇの変成反応を行ない改質ガスｇ中の一酸化炭素ガスを除去し、制御部４によって燃料電池スタック３に可能発電量Ｗ以下の範囲での発電を行わせることができる。よって、変成部２２の温度Ｔに適した流量Ｑの炭化水素系燃料ｈを燃料処理装置２に導入し、変成部２２の温度Ｔに適した発電量Ｗ以下の範囲での発電を燃料電池スタック３に行わせ、変成部２２において、改質部２１で生成された改質ガスｇから十分に一酸化炭素ガスを除去することができ、燃料電池スタック３に供給される改質ガスｇ中の一酸化炭素ガス濃度が増加し燃料電池スタック３の発電量Ｗが低下するのを回避することができ、燃料電池発電システム１を燃料電池スタック３にＣＯ被毒による負担をかけずに短時間で起動することができる。また、改質部２１が可能な流量の改質ガスｇを生成するので、変成部２２を加熱する熱媒体の流量を最大限可能な流量とすることができ、変成部２２の昇温を速めることができ、燃料電池発電システム１を短時間で起動することができる。なお、可能なとは、可能な最大のを意味し、例えば導入可能なとは、導入可能な最大のを意味する。
【０００７】
なお、燃料電池スタック３の発電開始時とは、発電を開始したその時を意味する場合だけでなく、発電を開始した後時間遅れを持たせて前述の演算、発電を行わせる場合をも意味するものとする。また、制御部４は、燃料電池スタック３の発電開始時に前述の制御をすることに加えて、発電開始後に検出された変成部２２の温度Ｔ下における、燃料処理装置２が適正に導入可能な炭化水素系燃料ｈの流量Ｑを演算し、導入可能流量の炭化水素系燃料ｈが導入された場合に燃料電池スタック３が発電可能な発電量Ｗを演算し、燃料電池スタック３に可能発電量Ｗ以下の範囲での発電を行わせるものであってもよい。発電開始後とは、発電を開始してから時間遅れを超える時間が経過したときをいう。また、演算とは、関数を用いて演算する場合と、経験的な測定データから演算する場合を含む。
【０００８】
請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、例えば図１に示すように、制御部４が、目標発電量Ｗ_０を入力可能なように構成され、前記目標発電量Ｗ_０を発電した場合に燃料電池スタック３に流れるスタック電流Ｉを演算し、前記演算したスタック電流Ｉを発生させるために燃料処理装置２に必要な炭化水素系燃料ｈの必要流量を演算し、前記必要流量を燃料処理装置２が導入した場合の変成部２２の目標温度Ｔ_０を演算し、前記目標温度Ｔ_０に変成部２２が到達してから、スタック電流Ｉおよび炭化水素系燃料ｈの流量Ｑを増加させるようにしてもよい。
【０００９】
このように構成すると、制御部４を備えるので、目標発電量Ｗ_０を制御部４に入力し、変成部２２が目標改質ガス流量（燃料電池スタック３が目標発電量Ｗ_０を発電することができるスタック電流Ｉを発生させることができる改質ガス流量）を処理することができる温度に到達してから、制御部４が、スタック電流Ｉおよび炭化水素系燃料ｈの流量を増加させ、目標発電量Ｗ_０を発電することができるスタック電流Ｉとして目標発電量Ｗ_０を発電し、目標発電量Ｗ_０を発電することができる流量の改質ガスｇを生成することができる炭化水素系燃料ｈの流量Ｑとすることができる。よって、変成部２２において、改質部２１で生成された改質ガスｇから十分に一酸化炭素ガスを除去することができ、燃料電池スタック３に供給される改質ガスｇ中の一酸化炭素ガス濃度が増加し燃料電池スタック３の発電量Ｗが低下することを回避することができ、燃料電池発電システム１を短時間で起動することができる。
【００１０】
なお、燃料電池発電システム１は、目標発電量Ｗ_０を制御部４に入力する入力部５６を備えるようにしてもよい。入力部５６は、目標発電量Ｗ_０を入力した後に、新たな目標発電量Ｗ_０を制御部４に入力して、目標発電量Ｗ_０を更新するようにしてもよい。また、入力部５６は、制御部４に入力される目標発電量Ｗ_０の値を徐々に増加させて更新するようにしてもよい。典型的には、入力部５６に起動前に目標発電量Ｗ_０を記憶させておく。
【００１１】
上記目的を達成するために、例えば図１に示すように、炭化水素系燃料ｈを導入し、水素を主成分とする改質ガスｇに改質する改質部２１と、改質ガスｇ導入し、改質ガスｇ中の一酸化炭素ガスを変成する変成部２２とを有する燃料処理装置２と；前記一酸化炭酸ガスが変成された改質ガスｇを導入して発電する燃料電池スタック３と；前記変成部の温度を検出する温度検出部４０と；目標発電量Ｗ_０を入力可能なように構成され、燃料電池スタック３の燃料処理装置２への接続時に検出された変成部２２の温度下における、燃料処理装置２が適正に導入可能な炭化水素系燃料ｈの流量を演算し、前記導入可能流量の前記炭化水素系燃料ｈが導入された場合に燃料電池スタック３が発生可能なスタック電流Ｉを演算し、システムの運転点を前記導入可能流量および発生可能スタック電流Ｉを有する点まで移行させ、前記目標発電量Ｗ_０を発電した場合に燃料電池スタック３に流れるスタック電流Ｉを演算し、前記演算したスタック電流Ｉを発生させるために燃料処理装置２に必要な前記炭化水素系燃料ｈの流量を演算し、前記必要流量を燃料処理装置２が導入した場合の変成部２２の目標温度Ｔ_０を演算し、前記目標温度Ｔ_０に変成部２２が到達したことを確認し、スタック電流Ｉおよび炭化水素系燃料ｈの流量Ｑを増加させる制御部４を備える燃料電池発電システム１としてもよい。
【００１２】
このように構成すると、燃料電池発電システム１は、制御部４によって、接続時に検出された変成部２２の温度に適した炭化水素系燃料ｈの流量の導入のもと、検出された変成部２２の温度下において発電可能な発電量Ｗ_０を発電するように制御され、入力された目標発電量Ｗ_０を発電するのに適した温度に変成部２２が到達したことを確認した後、スタック電流Ｉを増加させて、目標発電量Ｗ_０を発電し、同時に、入力された目標発電量Ｗ_０を発電するの適した変成部２２の温度に適した流量の炭化水素系燃料ｈを導入することができる。よって、変成部２２において、改質部２１で生成された改質ガスｇから十分に一酸化炭素ガスを除去することができ、燃料電池スタック３に供給される改質ガスｇ中の一酸化炭素ガス濃度が増加し燃料電池スタック３の発電量Ｗが低下することを回避することができ、燃料電池発電システム１を短時間で燃料電池スタック３にＣＯ被毒による負担をかけずに起動することができる。
【００１３】
なお、接続時とは、接続したその時を意味する場合だけでなく、接続した後時間遅れを持たせて前述の温度検出、演算、発電を行わせる場合をも意味するものとする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム１の構成を示すブロック図である。燃料電池発電システム１は、燃料処理装置２と、固体高分子電解質型燃料電池である燃料電池スタック３と、制御部４と、燃料供給ライン１１と、改質ガス搬送ライン１６と、オフガス搬送ライン１７と、切替ライン６７とを含んで構成される。燃料供給ライン１１は、流体昇圧装置としてのブロワ３１と流量調節装置としての調節弁３２と流量計測装置としての流量計４７とを備える。
【００１６】
燃料処理装置２は、改質部２１と、変成部２２と、選択酸化部２３と、水蒸気発生部２４と、バーナー部２５とを備える。
改質部２１には、燃料供給ライン１１が接続され、燃料供給ライン１１は、改質部２１に炭化水素系燃料ｈ（以後単に燃料ｈという）を供給する。改質部２１では、供給された燃料ｈを改質し水素を主成分（例えば、水素の成分がモル％で約７０〜７５％）とする改質ガスｇにする改質反応が行われる。変成部２２では、改質ガスｇのＣＯ変成反応が行われる。選択酸化部２３には、選択酸化用空気供給ライン（不図示）が接続され、選択酸化用空気供給ラインは、選択酸化部２３に選択酸化用空気（不図示）を供給する。選択酸化部２３では、改質ガスｇ中に残存する一酸化炭素ガスの選択的酸化が行われる。
【００１７】
水蒸気発生部２４には、プロセス水供給ライン（不図示）が接続され、プロセス水供給ラインは、水蒸気発生部２４にプロセス水（図１に不図示）を供給する。水蒸気発生部２４は、供給されたプロセス水によって、変成反応が行われる変成部２２を冷却し、変成部２２は、変成部２２の熱により水蒸気発生部２４中のプロセス水を蒸発させ改質用蒸気ｓを発生させる。
【００１８】
バーナー部２５には、燃焼用ガス供給ライン（不図示）と燃焼用空気供給ライン（不図示）が接続され、バーナー部２５にそれぞれ燃焼用ガス（不図示）と燃焼用空気（不図示）とを供給する。バーナー部２５は燃焼用ガスを燃焼用空気で燃焼させ改質反応、変成反応に必要な熱を供給する。
燃料ｈは、典型的には、都市ガス（エタン、メタン、プロパン、ブタン等を主成分とする１３Ａ）である。なお、燃料ｈは気体だけでなく液体であってもよく、液体の場合はブロワ３１の代わりにポンプ（不図示）が使用される。
【００１９】
改質用蒸気供給ライン１５は、水蒸気発生部２４で燃料供給装置２に接続され、さらに調節弁３２および流量計４７の下流側で燃料供給ライン１１に接続され、水蒸気発生部２４と燃料供給ライン１１を繋ぎ、水蒸気発生部２４で発生した改質用蒸気ｓを、燃料供給ライン１１を介して改質部２１に搬送する。
【００２０】
制御部４は、流量制御信号ｉ１を調節弁３２に送る。調節弁３２は、制御部４から流量制御信号ｉ１を受け、燃料ｈの改質部２１への供給量を調節する。
【００２１】
ブロワ３１は、不図示のモータにより駆動され、燃料ｈを昇圧し、定常状態で回転数はほぼ一定である。これらを例えば蒸気タービン（不図示）により駆動し、回転数制御により流量Ｑが制御されるようにしてもよいし、回転数制御が可能なモータ（不図示）により駆動し、流量Ｑが制御されるようにしてもよい。回転数制御を行う場合、調節弁３２は設置しなくてもよい。
【００２２】
改質部２１、変成部２２、選択酸化部２３には、改質部２１、変成部２２、選択酸化部の２３の温度を検出する温度検出部としての温度検出器３９、４０、４１がそれぞれ設置されている。温度検出器３９、４０、４１によって検出された温度は、温度信号ｉ２としてそれぞれ制御部４に送られる。流量計４７は、改質部２１に供給される燃料ｈの流量Ｑを計測し、計測された流量Ｑは流量信号ｉ５として制御部４に送られる。
【００２３】
改質ガス搬送ライン１６は、燃料処理装置２の選択酸化部２３と燃料電池スタック３を繋ぎ、選択酸化部２３から燃料電池スタック３に改質ガスｇを搬送する。改質ガス搬送ライン１６には、三方切替弁６８が設置されている。三方切替弁６８には、制御部４より三方切替弁６８を切り替えるための切替信号ｉ６が送られる。オフガス搬送ライン１７は、燃料電池スタック３とバーナー部２５とを繋ぎ、後述のオフガスｆを燃料電池スタック３からバーナー部２５へ搬送する。三方切替弁６８には、切替ライン６７の一端が接続され、切替ライン６７の他端は、オフガス搬送ライン１７に接続されている。
【００２４】
三方切替弁６８は、通常運転時はａ１側（燃料電池スタック３へ向かうライン）が開となり、選択酸化部２３を出た改質ガスｇは燃料処理装置２から改質ガス搬送ライン１６を通り燃料電池スタック３側に流れる。起動運転が始まる直前に三方切替弁６８のｂ１側（切替ライン６７へ向かい、燃料電池スタック３をバイパスするライン）への切り替えが行われ、切替後は、選択酸化部２３を出た改質ガスｇは、改質ガス搬送ライン１６から切替ライン６７を通り、オフガス搬送ライン１７に達し、バーナー部２５へ送られる。オフガス搬送ライン１７の切替ライン６７との合流部の上流側には逆止弁６９が設置され、オフガス搬送ライン１７に流れ込んだ改質ガスｇが燃料電池スタック３へ逆流しないようになっている。発電開始直前に三方切替弁６８のａ１側への切替が行われる。
【００２５】
燃料電池スタック３は、固定高分子膜（不図示）とセパレータ（不図示）とが交互に重ねられた多重構造である。燃料電池スタック３には、スタック用空気供給ライン（不図示）が接続され、燃料電池スタック３にスタック用空気（不図示）を供給する。燃料電池スタック３は、供給された改質ガスｇと酸化剤ガスとしてのスタック用空気とを電気化学的に反応させて発電を行うと共に、オフガスｆ（未利用改質ガス）を発生する。ここでオフガスｆは、燃料電池スタック３において、水素が発電に利用された後の余剰改質ガスであり、改質ガスｇに含まれる水素のうち、例えば８０パーセント（モルパーセント）が発電に使用された場合、残り２０パーセント（モルパーセント）相当量の水素を含むいわゆる水素リッチガスである。
【００２６】
燃料電池スタック３は、負荷５（何らかの電気機器、例えばＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータで系統と連係し、一般家庭に電力を供給する。）に電気的に接続されている。燃料電池スタック３は、スタック電圧Ｖを検出するスタック電圧検出器４５と、スタック電流Ｉを検出するスタック電流検出器４６とを有する。スタック電圧検出器４５によって検出されたスタック電圧Ｖは、電圧信号ｉ３として制御部４に送られる。スタック電流検出器４６によって検出されたスタック電流Ｉは、電流信号ｉ４として制御部４に送られる。制御部４は、電圧信号ｉ３と電流信号ｉ４から燃料電池スタック３の発電量を計算する。発電量を計算するとは典型的には電流値と電圧値を計算することをいう。
【００２７】
制御部４は、改質部２１の適正温度範囲（適正上限温度と適正下限温度の間の範囲）（例えば、６５０〜７５０℃）を記憶する適正温度記憶部５５を有する。適正温度記憶部５５に、改質部２１に充填された改質触媒（不図示）の改質反応、変成部２２に充填されたＣＯ変成触媒（不図示）の変成反応に適した適正温度範囲を運転開始前にそれぞれ記憶させておく。制御部４は、目標発電量を外部から入力する入力部５６を有する。
【００２８】
次に、燃料電池発電システム１の作用を説明する。バーナー部２５には、起動時、助燃時に燃焼用ガス（不図示）が燃焼用ガス供給ライン（不図示）から供給される。通常運転時にはバーナー部２５には、オフガス搬送ライン１７を介して燃料電池スタック３からオフガスｆが供給される。
【００２９】
バーナー部２５で発生する燃焼熱は、起動時には改質部２１を加熱し改質触媒（不図示）の温度を早い上昇率で上昇させる。改質部２１で生成された改質ガスｇは改質部２１によって加熱され、加熱された改質ガスｇは、変成部２２に送られて変成部２２を加熱し、変成部２２の温度を徐々に上昇させる。バーナー部２５で発生する燃焼熱は、通常運転時には改質部２１での改質反応熱に利用され、改質部２１に充填された改質触媒（不図示）、変成部２２に充填されたＣＯ変成触媒（不図示）を反応に適した所定の温度に維持するために利用される。
【００３０】
燃料ｈは、ブロワ３１により搬送され燃料供給ライン１１を介して改質部２１に供給される。燃料供給ライン１１に設置された調節弁３２は、制御部４からの流量制御信号ｉ１を受け、流量制御信号ｉ１に対応する流量Ｑの燃料ｈを流すよう所定の開度に制御される。燃料ｈの流量Ｑは流量計４７により計測され、計測された流量Ｑは、流量信号ｉ５として制御部４に送られる。
【００３１】
プロセス水（図１に不図示）は、プロセス水供給ライン（不図示）を介して水蒸気発生部２４に供給される。水蒸気発生部２４に供給されたプロセス水は、水蒸気発生部２４で蒸発し改質用蒸気ｓとして、改質用蒸気供給ライン１５から燃料供給ライン１１を介して改質部２１に供給され、改質用水蒸気ｓとして利用される。すなわち、改質部２１では、燃料ｈが例えばメタンの場合は、改質触媒によりＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２で表せる水蒸気改質反応が行われ、改質ガスｇとなる。
【００３２】
改質ガスｇは、前述のように改質部２１から変成部２２に送られ、変成部２２で、ＣＯ変成触媒によりＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２で表せる変成反応が行われる。さらに、改質ガスｇは、変成部２２から選択酸化部２３に送られる。選択酸化用空気（不図示）は、選択酸化用空気供給ライン（不図示）から選択酸化部２３に供給される。改質ガスｇ中に残留するＣＯガスは、選択酸化部２３で選択酸化用空気により選択的に酸化され、ＣＯ＋（１／２）Ｏ_２→ＣＯ_２で表される反応が行われる。ＣＯガスが除去された改質ガスｇは、改質ガス搬送ライン１６を通って燃料電池スタック３に向けて供給される。
【００３３】
燃料電池スタック３は、改質ガスｇと、スタック用空気供給ライン（不図示）から燃料電池スタック３に供給されるスタック用空気（不図示）とを電気化学的に反応させ、発電が行われ、負荷５に電力が供給される。
【００３４】
次に、図２を参照し、適宜図１を参照して本実施の形態に係る燃料電池発電システム１の制御部４による起動方法を説明する。図２中、起動前の準備運転を含んでいる。
【００３５】
まず、起動前に制御部４の入力部５６に目標発電量Ｗ_０を入力する（ステップＳ１）。入力部５６に目標発電量Ｗ_０が入力されると、制御部４は、当該目標発電量Ｗ_０を基に演算を行い、目標発電量Ｗ_０を発電した場合に燃料電池スタック３に流れる電流値である目標スタック電流値Ｉ_０を求める（ステップＳ２）。ここで、Ｉ_０＝Ｆ１（Ｗ_０）と表すことができる。三方切替弁６８は、制御部４からの切替信号ｉ６によりポジションがｂ１側に切り替えられる（ステップＳ３）。この場合、三方切替弁６８は、改質ガス搬送ライン１６を通る流体が、切替ライン６７を通るようにし、当該流体は、オフガス搬送ライン１７を通り、燃料電池スタック３をバイパスして、バーナー部２５に供給される。
【００３６】
燃料ｈの改質部２１への供給、および燃焼用空気（図１に不図示）のバーナー部２５への供給を開始し、燃料ｈの流量をＱ_１とし（ステップＳ４）、燃焼用空気の燃料をｑ_１とし（ステップＳ５）、燃焼空気比が１．２となるようにする。改質部２１に供給された燃料ｈは、変成部２２、選択酸化部２３、改質ガス搬送ライン１６、切替ライン６７、オフガス搬送ライン１７を経て、バーナー部２５へ送られ、バーナー部２５で燃焼される。改質部２１は、バーナー部２５の近傍に位置しているので、燃料ｈの燃焼により改質部２１が加熱され、改質部２１の温度が上昇する。変成部２２の温度、選択酸化部２３の温度は、燃料処理装置２内部のバーナー部２５から燃焼熱が伝達することにより徐々に上昇する。また、改質部２１を通った燃料ｈは、改質部２１によって加熱される。加熱された燃料ｈは、変成部２２、選択酸化部２３を通る際に、変成部２２、選択酸化部２３を加熱する。この加熱によっても、変成部２２、選択酸化部２３の温度は徐々に上昇する。流量Ｑ_１、ｑ_１は、これらの温度上昇に適するように、前もって決められる。
【００３７】
温度検出器３９により、改質部２１の温度を検出する（ステップＳ６）。改質部２１の温度が、炭化水素系燃料ｈが炭化を起こさない上限値Ｔ_Ｕ１（４００℃）に到達したか否かが判断され（ステップＳ７）、上限値Ｔ_Ｕ１に到達していない場合（ステップＳ７がＮＯの場合）、ステップＳ６に戻り、改質部２１の温度が上限値Ｔ_Ｕ１に到達するまでステップＳ６が繰り返される。上限値Ｔ_Ｕ１に到達した場合（ステップＳ７がＹＥＳの場合）、水蒸気発生部２４にプロセス水（図１に不図示）の供給が開始され（ステップＳ８）、選択酸化部２３に選択酸化用空気（図１に不図示）の供給が開始される（ステップＳ９）。
【００３８】
燃料処理装置２各部（改質部２１、変成部２２、選択酸化部２３）の温度を検出する（ステップＳ１０Ａ）。改質部２１の温度は温度検出器３９により、変成部２２の温度は温度検出器４０により、選択酸化部２３の温度は温度検出器４１により検出する。燃料処理装置２各部の温度が、すべて下限値Ｔ_Ｌ１〜Ｔ_Ｌ３に到達したか否かが判断される（ステップＳ１０Ｂ）。改質部２１の下限値Ｔ_Ｌ１が６００℃、変成部２２の下限値Ｔ_Ｌ２が２５０℃、選択酸化部２３の下限値Ｔ_Ｌ３が１１０℃である。それぞれ改質反応、変成反応、選択酸化反応が適切に行われ、燃料電池スタック３に送ることができる改質ガスｇを製造することができる下限値Ｔ_Ｌ１〜Ｔ_Ｌ３である。燃料処理装置２各部温度がすべて下限値Ｔ_Ｌ１〜Ｔ_Ｌ３に到達した場合（ステップＳ１０ＢがＹＥＳの場合）、三方切替弁６８のポジションがａ１側に切り替えられ（ステップＳ１０Ｃ）、改質部２１で生成された改質ガスｇは、燃料電池スタック３へ送られ、燃料電池スタック３で発電が開始される。燃料処理装置２各部温度の少なくとも一つが下限値Ｔ_Ｌ１〜Ｔ_Ｌ３に達していない場合（ステップＳ１０ＢがＮＯの場合）、ステップＳ１０Ａに戻り、燃料処理装置２各部の温度が全て下限値Ｔ_Ｌ１〜Ｔ_Ｌ３に到達するまでステップＳ１０Ａが繰り返される。改質部２１の温度の上限値Ｔ_Ｕ１、燃料処理装置２各部の下限値Ｔ_Ｌ１〜Ｔ_Ｌ３は、適正温度記憶部５５に記憶されている。
【００３９】
改質ガスｇが燃料電池スタック３に供給されると同時に、改質ガスｇと電気化学的に反応するスタック用空気（図１に不図示）が、スタック用空気供給ライン（図１に不図示）から燃料電池スタック３に供給される。燃料電池スタック３で発電が開始されると、燃料電池スタック３からバーナー部２５へオフガスｆが供給される。三方切替弁６８のポジションがａ１側に切り替えられ、改質ガスｇが燃料電池スタック３に送られるときが、本発明の発電開始時であり、燃料電池スタック３の燃料処理装置２への接続時である。
【００４０】
水蒸気発生部２４に供給されたプロセス水（図１に不図示）は、変成部２２と選択酸化部２３によって加熱され蒸発し、改質蒸気ｓとして改質部２１へ送られる。改質部２１では燃料ｈの水蒸気改質反応により、改質ガスｇが生成する。改質部２１で生成した改質ガスｇは、変成部２２と選択酸化部２３を通り、変成部２２と選択酸化部２３を加熱し、改質ガス搬送ライン１６を経て燃料電池スタック３に送られ、発電が行なわれる。
【００４１】
温度検出器４０により、変成部２２の温度Ｔを検出する（ステップＳ１１）。検出された変成部２２の温度Ｔ_２を基に、制御部４が演算を行い、変成部２２の温度Ｔ_２において供給可能な、燃料ｈの流量Ｑ_２を求め（ステップＳ１２）、流量Ｑ_２を流した場合のスタック電流値Ｉ_２を求める（ステップＳ１３）。ここで、Ｑ_２＝Ｆ２（Ｔ_２）、Ｉ_２＝Ｆ３（Ｑ_２）と表すことができる。燃料ｈの流量Ｑ_２は、温度Ｔ_２を有する変成部２２を備えた燃料処理装置２が適切に処理できる最大流量である。
【００４２】
制御部４は、スタック電流値Ｉ_２から相当する発電量Ｗ_２を演算し（ステップＳ１４）、演算した発電量Ｗ_２の出力を許可し（ステップＳ１５）、燃料ｈの流量Ｑを、別途設定された増加速度（例えば、１Ｌ／ｍｉｎ／ｍｉｎ）で、演算された流量Ｑ_２まで増加させ（ステップＳ１６）、燃焼用空気の流量をｑ_２まで増加させ（ステップＳ１７）、スタック電流を、別途設定された増加速度（例えば、８Ａ／ｍｉｎ）で演算されたスタック電流値Ｉ_２に向けて増加させる。ここで、Ｗ_２＝Ｆ４（Ｉ_２）と表せる。燃焼用空気の流量ｑ_２は、燃焼空気比が１．２になるように決められる。スタック電流Ｉの増加速度は、改質ガスｇが行き渡るよう、燃料ｈの増加速度に比べ若干遅くなるように設定され、燃料ｈの増加速度は、燃料処理装置２各反応部が負荷の変動に対し十分に追随できる程度の速度に設定される。
【００４３】
次に、スタック電流値が演算されたＩ_２に到達したか否かを判断し（ステップＳ１８）、スタック電流値がＩ_２に到達していない場合（ステップＳ１８がＮＯの場合）、ステップＳ１８の前に戻り、ステップＳ１８を繰り返す。スタック電流値がＩ_２に到達した場合（ステップＳ１８がＹＥＳの場合）、スタック電流値がＩ_０に到達したか否かが判断される（ステップＳ１９）。スタック電流値がＩ_０に到達していない場合（ステップＳ１９がＮＯの場合）、ステップＳ１１に戻り、温度検出器４０により変成部２２の温度Ｔを検出する。検出された変成部２２の温度Ｔ_３を基に、制御部４が演算を行い、変成部２２の温度Ｔ_３において供給可能な、燃料ｈの流量Ｑ_３を求め（ステップＳ１２）、流量Ｑ_３を流した場合のスタック電流値Ｉ_３を求める（ステップＳ１３）。ここで、Ｑ_３＝Ｆ２（Ｔ_３）、Ｉ_３＝Ｆ３（Ｑ_３）で表される。燃料ｈの流量Ｑ_３は、温度Ｔ_３を有する変成部２２を備えた燃料処理装置２が適切に処理できる最大流量である。
【００４４】
制御部４は、スタック電流値Ｉ_３から相当する発電量Ｗ_３（Ｗ_３＝Ｆ４（Ｉ_３））を演算し（ステップＳ１４）、発電量Ｗ_３の出力を許可し（ステップＳ１５）、前述のスタック電流Ｉの増加速度および、燃料ｈの増加速度で、スタック電流値を演算されたＩ_３に向けて増加し、燃料ｈの流量を演算されたＱ_３まで増加し（ステップＳ１６）、燃焼用空気の流量をｑ_３まで増加する（ステップＳ１７）。流量ｑ_３は、燃焼空気比が１．２になるように決められる。次に、スタック電流値が演算されたＩ_３に到達したか否かを判断する（ステップＳ１８）。制御部４は、以上の制御を、スタック電流がＩ_０に到達するまで繰り返す。スタック電流がＩ_０に到達し、スタック電流がＩ_０に到達した（ステップＳ１９がＹＥＳの場合）後、流量Ｑの増加を停止させ（ステップＳ２０）、通常運転に移行し、発電量Ｗ_０、スタック電流Ｉ_０の状態での運転が続行される（ステップＳ２１）。
【００４５】
以上、ステップＳ６において改質部２１の温度検出を行い、ステップＳ１１において変成部２２の温度検出を行ない、ステップＳ１０Ａにおいて、改質部２１、変成部２２、選択酸化部２３の温度検出を行うよう説明したが、改質部２１、変成部２２、選択酸化部２３の温度検出は運転中常に行い、改質部２１、変成部２２、選択酸化部２３の温度を常に監視するようにしてもよい。
【００４６】
以上述べた本実施の形態に係る燃料電池発電システム１の制御部４による起動方法によれば、検出された変成部２２の温度Ｔに適した流量Ｑの燃料ｈを改質部２１に供給し、検出された変成部２２の温度Ｔに適した発電量Ｗの発電を燃料電池スタック３に行わせるので、変成部２２において、改質部２１で生成された改質ガスｇから十分に一酸化炭素ガスを除去することができ、燃料電池スタック３に供給される改質ガスｇ中の一酸化炭素ガス濃度が増加し燃料電池スタック３の発電量Ｗが低下するのを回避することができ、燃料電池発電システム１を短時間で起動することができる。また、改質部２１が最大可能な流量の改質ガスｇを生成するので、変成部２２を加熱する熱媒体の流量を最大限可能な流量とすることができ、変成部２２の昇温を速めることができ、燃料電池発電システム１を短時間で起動することができる。
【００４７】
次に、図３および図４を参照し、適宜図１を参照して本実施の形態に係る燃料電池発電システム１の制御部４による他の起動方法を説明する。図３中、縦軸は、燃料ｈの流量Ｑ、および変成部２２の温度Ｔ、スタック電流Ｉの電流値を表し、横軸は、時間の経過を表す。また、図３中、折れ線Ｒ１は、燃料ｈの流量Ｑの時間的変化、曲線Ｒ２は、変成部２２の温度Ｔの時間的変化、折れ線Ｒ３はスタック電流Ｉの電流値の時間的変化を表す。制御部４は、システム冷起時に以下の制御を行う。
【００４８】
起動前に、目標発電量Ｗ_０を入力する（ステップＳ１）。目標スタック電流値Ｉ_０（＝Ｆ１（Ｗ_０））を演算し（ステップＳ２）、およびスタック電流値Ｉ_０を基に目標燃料流量Ｑ_０（＝Ｆ５（Ｉ_０））を演算し（ステップＳ２Ａ）、目標燃料流量Ｑ_０を基に目標変成部温度Ｔ_０（＝Ｆ６（Ｑ_０））を演算する（ステップＳ２Ｂ）。次に、三方切替弁６８のポジションをｂ１側に切り替える（ステップＳ３）。燃料ｈの目標流量Ｑ_０は、燃料電池スタック３が目標発電量Ｗ_０を発電するのに燃料処理装置２に供給する燃料ｈの流量であり、目標変成部温度Ｔ_０とは、この場合の変成部２２の温度をいう。
【００４９】
時間ｔ０に、燃料ｈの供給を開始し（ステップＳ４）、および燃焼用空気の供給を開始する（ステップＳ５）。その後、改質部２１の温度を検出し（ステップＳ６）、改質部２１の温度が炭化水素系の燃料ｈが炭化析出しない上限値Ｔ_Ｕ１（４００℃）に到達したか否かの判断が行なわれる（ステップＳ７）。改質部２１の温度が上限値Ｔ_Ｕ１未満の場合（ステップＳ７がＮＯの場合）は、ステップＳ６に戻る。
【００５０】
時間ｔａ（例えば、時間ｔ０から３０秒経過）に、燃料ｈ、燃焼用空気の流量が、それぞれＱ１、ｑ１に到達する。改質部２１に供給された燃料ｈは、バーナー部２５へ送られ、バーナー部２５で燃焼する。改質部２１は、バーナー部２５の近傍に位置しているので燃料ｈの燃焼により改質部２１が加熱され、改質部２１の温度が急速に上昇する。変成部２２の温度は、燃料処理装置２内部の燃焼熱熱の伝達により、さらには改質部２１に加熱された燃料ｈによる加熱により徐々に上昇する。
【００５１】
改質部２１の温度を検出する（ステップＳ６）。改質部２１の温度が、上限値Ｔ_Ｕ１（４００℃）に到達したか否かが判断され（ステップＳ７）、改質部２１の温度が上限値Ｔ_Ｕ１に到達しない場合（ステップＳ７がＮＯの場合）、ステップＳ６に戻る。
【００５２】
時間ｔｂ（例えば、時間ｔａから１０分経過）に、改質部２１の温度が、上限値Ｔ_Ｕ１（４００℃）に到達する（ステップＳ７がＹＥＳの場合）と、改質部２１にプロセス水（図１に不図示）が供給され（ステップＳ８）、選択酸化空気（図１に不図示）の供給が開始される（ステップＳ９）。燃料処理装置２各部（改質部２１、変成部２２、選択酸化部２３）の温度を検出する（ステップＳ１０Ａ）。燃料処理装置２各部の温度が、すべて下限値Ｔ_Ｌ１〜Ｔ_Ｌ３に到達したか否かが判断される（ステップＳ１０Ｂ）。燃料処理装置２各部温度がすべて下限値Ｔ_Ｌ１〜Ｔ_Ｌ３に到達した場合（ステップＳ１０ＢがＹＥＳの場合）、三方切替弁６９のポジションがａ１側に切り替わり（ステップＳ１０Ｃ）、改質部２１で燃料ｈの改質反応によって生成した改質ガスｇが、変成部２２と選択酸化部２３を通り、燃料電池スタック３へ送られ、燃料電池スタック３で発電が開始される。燃料処理装置２各部温度の少なくとも一つが下限値Ｔ_Ｌ１〜Ｔ_Ｌ３に達していない場合（ステップＳ１０ＢがＮＯの場合）、ステップＳ１０Ａに戻り、燃料処理装置２各部の温度が全て下限値Ｔ_Ｌ１〜Ｔ_Ｌ３に到達するまでステップＳ１０Ａ、ステップＳ１０Ｂが繰り返される。
【００５３】
そして、変成部２２の温度Ｔが検出され（ステップＳ１１）、検出された温度Ｔ_２に基づいて、制御部４が演算を行い、変成部２２の温度Ｔ_２において供給可能な、燃料ｈの流量Ｑ_２を求め（ステップＳ１２）、流量Ｑ_２（＝Ｆ２（Ｔ_２））を流した場合のスタック電流値Ｉ_２（＝Ｆ３（Ｑ_２））を求める（ステップＳ１３）。制御部４は、スタック電流値Ｉ_２から相当する発電量Ｗ_２（＝Ｆ４（Ｉ_２））を演算し（ステップＳ１４）、発電量Ｗ_２の出力を許可する（ステップＳ１５）。さらに、燃料ｈを、流量Ｑ_２に向けて増加させ（ステップＳ１６）、燃焼用空気の流量をｑ_２向けて増加させ（ステップＳ１７）燃焼空気比が１．２となるようにし、スタック電流を、電流値Ｉ_２に向けて増加させる。
【００５４】
時間ｔｃ（例えば、時間ｔｂから３分経過）には、増加した燃料ｈの流量がＱ_２に達し、増加した燃焼用空気の流量がｑ_２に達し、スタック電流が電流値Ｉ_２に達する。その後、スタック電流は電流値Ｉ_２に固定される。改質ガスｇは、変成部２２で変成反応により一酸化炭素が減少され、選択酸化部２３で一酸化炭素が選択的に除去される。改質ガスｇは、変成部２２、選択酸化部２３を通過する際に、変成部２２、選択酸化部２３を加熱し、変成部２２および選択酸化部２３の温度を上昇させる。
【００５５】
ステップＳ１７の後に、温度検出器４０により、変成部２２の温度Ｔを検出し（ステップＳ１１８）、変成部２２の温度がＴ_０に到達したか否かの判断が行なわれ（ステップＳ１１９）、変成部２２の温度がＴ_０未満の場合（ステップＳ１１９がＮＯの場合）、ステップＳ１１９の前に戻り、ステップＳ１１９が繰り返される。
【００５６】
時間ｔｄ（例えば、時間ｔｃから１０分経過）に、変成部２２の温度がＴ_０に到達し（ステップＳ１１９がＹＥＳの場合）、燃料ｈの流量がＱ_０に向けて増加され（ステップＳ１２０）、燃焼用空気の流量がｑ_０に向けて増加される（ステップＳ１２１）。燃焼用空気の流量がｑ_０は、燃焼空気比が１．２になるように決められる。
【００５７】
時間ｔｅ（例えば、時間ｔｄから５分経過）には、増加した燃料ｈの流量がＱ_０に達し、増加した燃焼用空気の流量がｑ_０に達する。このときスタック電流は、電流値Ｉ_０に到達し、発電量Ｗ_０の発電が行なわれる（ステップＳ１２２）。
【００５８】
以上改質部２１の温度検出は、ステップＳ６において行い、変成部２２の温度検出は、ステップＳ１１、Ｓ１１８において行なうよう説明したが、改質部２１と変成部２２の温度検出は運転中常に行い、改質部２１の温度と変成部２２の温度とを常に監視するようにしてもよい。
【００５９】
なお、以上説明した他の起動方法の説明で述べたステップＳ１からステップＳ１７まで（ステップＳ２Ａ、ステップＳ２Ｂを除く）は、前述の起動方法で述べたステップＳ１からステップＳ１７までと同じである。
【００６０】
以上述べた本実施の形態に係る燃料電池発電システム１の制御部４による他の起動方法によれば、検出された変成部２２の温度Ｔに適した流量Ｑの燃料ｈを改質部２１に供給し、検出された変成部２２の温度Ｔに適した発電量Ｗの発電を燃料電池スタック３に行わせるので、変成部２２において、改質部２１で生成された改質ガスｇから十分に一酸化炭素ガスを除去することができ、燃料電池スタック３に供給される改質ガスｇ中の一酸化炭素ガス濃度が増加し燃料電池スタック３の発電量が低下するのを回避することができ、燃料電池発電システム１を短時間で起動することができる。発電開始後の処理がシンプルであり、計算量が少ないため制御部４に与える付加が少ないほか、詳細なデータベースを作るほどデータの蓄積のないシステム１に対しても簡単に適用することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、燃料処理装置と、燃料電池スタックと、温度検出部と、制御部とを備えるので、燃料電池スタックの発電開始時に、温度検出部によって変成部の温度を検出し、制御部によって、検出された変成部の温度下における、燃料処理装置が適正に導入可能な炭化水素系燃料の流量を演算し、導入可能な流量の炭化水素系燃料が導入された場合に燃料電池スタックが発電可能な発電量を演算し、導入可能な炭化水素系燃料の流量を燃料処理装置に導入し、改質部で可能な流量の改質ガスを生成し、変成部で改質ガスの変成反応を行わせて改質ガス中の一酸化炭素ガスを除去し、燃料電池スタックに可能発電量以下の範囲での発電を行わせることができる。よって、変成部の温度に適した流量の炭化水素系燃料を燃料処理装置に導入し、変成部の温度に適した発電量の発電を燃料電池スタックに行わせ、変成部において、改質部で生成された改質ガスから十分に一酸化炭素ガスを除去することができ、燃料電池スタックに供給される改質ガス中の一酸化炭素ガス濃度が増加し燃料電池スタック発電量が低下するのを回避することができ、燃料電池発電システムを短時間で起動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１の燃料電池発電システムの起動方法を説明するチャートである。
【図３】図１の燃料電池発電システムの他の起動方法における燃料の流量等の時間的変化を示すグラフである。
【図４】図１の燃料電池発電システムの他の起動方法を説明するチャートである。
【符号の説明】
１燃料電池発電システム
２燃料処理装置
３燃料電池スタック
４制御部
２１改質部
２２変成部
２３選択酸化部
３９、４０、４１温度検出部
５６入力部
ｇ改質ガス
ｈ燃料（炭化水素系燃料）
Ｉスタック電流
Ｑ流量
Ｔ温度
Ｗ発電量[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generation system, and more particularly to a fuel cell power generation system that performs control so that power generation is started after the temperature of a metamorphic section reaches a predetermined value.
[0002]
[Prior art]
The conventional fuel cell power generation system waits in a so-called hot-hold state in which the reformed gas is burned in the burner section of the fuel processor until the temperature of the CO conversion catalyst reaches the minimum operating temperature, and the temperature of the CO conversion catalyst reaches the temperature. After that, the supply of the reformed gas from the fuel processor to the fuel cell stack was started, and the fuel cell stack usually started generating power.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the hot hold state, since power generation has not been started, not only is there no power output from the fuel cell stack, but also because the temperature of the CO shift catalyst is low, the flow rate of the reformed gas generated by the fuel processor is low. The number of heat mediums for heating the metamorphic section with the heat from the reforming section was small, and the temperature rise of the metamorphic section was slow, resulting in a long start-up time.
[0004]
Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell power generation system that can be started in a short time.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a fuel cell power generation system 1 according to the first aspect of the present invention, as shown in FIG. 1 and FIG. A fuel processor 2 having a reformer 21 for reforming the gas g, and a reformer 22 for introducing the reformed gas g and transforming the carbon monoxide gas in the reformed gas g; A fuel cell stack 3 that generates electricity by introducing the reformed gas g that has been transformed; a temperature detection unit 40 that detects the temperature T of the transformation unit 22; and the detected transformation when the fuel cell stack 3 starts power generation. The fuel processor 2 calculates the flow rate Q of the hydrocarbon fuel h that can be properly introduced under the temperature T of the section 22 and, when the hydrocarbon fuel h of the flow rate that can be introduced is introduced, the fuel cell stack 3 Calculates the amount of power W that can be generated by the fuel cell And a control unit 4 to perform power generation at the possible power generation amount W following range click 3.
[0006]
With this configuration, since the fuel processor 2, the fuel cell stack 3, the temperature detecting unit 40, and the control unit 4 are provided, the temperature detecting unit 40 starts the power generation of the fuel cell stack 3, The temperature T is detected, and the flow rate Q of the hydrocarbon-based fuel h that can be properly introduced by the fuel processor 2 under the detected temperature T of the shift converter 22 is calculated by the control unit 4, and the flow rate Q that can be introduced is calculated. When the hydrocarbon fuel h is introduced, the fuel cell stack 3 calculates the amount of power W that can be generated, and the fuel processor 2 introduces the flow rate Q of the hydrocarbon fuel h that can be introduced. The reforming unit 22 generates a reformed gas g with a flow rate that is possible in the above, performs a shift reaction of the reformed gas g in the shift unit 22, removes carbon monoxide gas in the reformed gas g, and enables the control unit 4 to control the fuel cell stack 3. Power generation within the range of power generation W or less It is possible to 's. Therefore, the hydrocarbon-based fuel h having a flow rate Q suitable for the temperature T of the shift unit 22 is introduced into the fuel processor 2, and the power generation in the range of the power generation W or less suitable for the temperature T of the shift unit 22 is performed by the fuel cell stack. 3 in the reforming section 22, the carbon monoxide gas can be sufficiently removed from the reformed gas g generated in the reforming section 21. It is possible to avoid a decrease in the power generation amount W of the fuel cell stack 3 due to an increase in the concentration of carbon monoxide gas, and the fuel cell power generation system 1 can operate the fuel cell stack 3 in a short time without burdening the fuel cell stack 3 with CO poisoning. Can be launched. In addition, since the reforming unit 21 generates the reformed gas g at a flow rate that is possible, the flow rate of the heat medium that heats the shift unit 22 can be set to the maximum possible flow rate, and the temperature rise of the shift unit 22 is accelerated. Therefore, the fuel cell power generation system 1 can be started in a short time. Note that “possible” means the maximum possible, and for example, “introducable” means the maximum possible.
[0007]
The start of power generation of the fuel cell stack 3 means not only the time when power generation is started but also the case where the above-described calculation and power generation are performed with a time delay after power generation is started. Shall be. In addition to the above-described control at the time of starting power generation of the fuel cell stack 3, the control unit 4 can appropriately introduce the fuel processing device 2 under the temperature T of the shift unit 22 detected after the start of power generation. The flow rate Q of the hydrocarbon fuel h is calculated, and the power generation amount W that can be generated by the fuel cell stack 3 when the flow rate of the hydrocarbon fuel h that can be introduced is calculated. The power generation in the range of W or less may be performed. The term "after power generation" refers to a time when a time exceeding a time delay has elapsed since the start of power generation. The calculation includes a case where the calculation is performed using a function and a case where the calculation is performed based on empirical measurement data.
[0008]
In the fuel cell power generation system according to claim 1, for example, as shown in FIG.₀And the target power generation amount W₀Calculates the stack current I flowing through the fuel cell stack 3 when the power is generated, calculates the required flow rate of the hydrocarbon-based fuel h required for the fuel processor 2 to generate the calculated stack current I, Target temperature T of the shift section 22 when the flow rate is introduced by the fuel processor 2₀To calculate the target temperature T₀May be increased after the shift unit 22 arrives at the stack current I and the flow rate Q of the hydrocarbon fuel h.
[0009]
With this configuration, since the control unit 4 is provided, the target power generation amount W₀Is input to the control unit 4, and the shift unit 22 outputs the target reformed gas flow rate (the fuel cell stack 3 outputs the target power generation amount W₀After reaching a temperature at which a stack gas I capable of generating a stack current I can be generated, the control unit 4 adjusts the stack current I and the flow rate of the hydrocarbon-based fuel h. Increase the target power generation W₀Target power generation amount W as stack current I that can generate power₀And the target power generation W₀The flow rate Q of the hydrocarbon-based fuel h capable of generating the reformed gas g at a flow rate capable of generating power. Therefore, in the shift section 22, the carbon monoxide gas can be sufficiently removed from the reformed gas g generated in the reforming section 21, and the carbon monoxide in the reformed gas g supplied to the fuel cell stack 3 can be reduced. It is possible to avoid that the gas concentration increases and the power generation amount W of the fuel cell stack 3 decreases, and the fuel cell power generation system 1 can be started in a short time.
[0010]
Note that the fuel cell power generation system 1 has a target power generation amount W₀May be provided to the control unit 4. The input unit 56 outputs the target power generation amount W₀After inputting the new target power generation amount W₀Is input to the control unit 4, and the target power generation amount W₀May be updated. In addition, the input unit 56 outputs the target power generation amount W input to the control unit 4.₀May be updated by gradually increasing the value of. Typically, the target power generation amount W₀Is stored.
[0011]
In order to achieve the above object, for example, as shown in FIG. 1, a reforming section 21 for introducing a hydrocarbon-based fuel h and reforming into a reformed gas g containing hydrogen as a main component, and introducing a reformed gas g A fuel processing device 2 having a conversion unit 22 for converting carbon monoxide gas in the reformed gas g; and a fuel cell stack 3 for generating electricity by introducing the reformed gas g converted from the carbon monoxide gas. A temperature detecting section 40 for detecting the temperature of the metamorphic section; and a target power generation amount W.₀And the flow rate of the hydrocarbon fuel h that can be properly introduced by the fuel processor 2 under the temperature of the shift section 22 detected when the fuel cell stack 3 is connected to the fuel processor 2. Is calculated, and a stack current I that can be generated by the fuel cell stack 3 when the hydrocarbon-based fuel h having the introduced flow rate is introduced is calculated. I to the point having₀Calculates the stack current I flowing through the fuel cell stack 3 when the fuel cell stack 3 generates power, calculates the flow rate of the hydrocarbon-based fuel h necessary for the fuel processor 2 to generate the calculated stack current I, Target temperature T of the shift section 22 when the flow rate is introduced by the fuel processor 2₀To calculate the target temperature T₀The fuel cell power generation system 1 may be provided with the control unit 4 that confirms that the shift unit 22 has reached the temperature and increases the stack current I and the flow rate Q of the hydrocarbon fuel h.
[0012]
With such a configuration, the fuel cell power generation system 1 causes the control unit 4 to introduce the flow rate of the hydrocarbon-based fuel h suitable for the temperature of the shift unit 22 detected at the time of connection, and Power generation W that can generate power under the temperature of₀And the input target power generation amount W₀After confirming that the metamorphic section 22 has reached a temperature suitable for generating power, the stack current I is increased and the target power generation amount W₀And at the same time, the input target power generation amount W₀Can be introduced at a flow rate suitable for the temperature of the shift section 22 suitable for generating power. Therefore, in the shift section 22, the carbon monoxide gas can be sufficiently removed from the reformed gas g generated in the reforming section 21, and the carbon monoxide in the reformed gas g supplied to the fuel cell stack 3 can be reduced. It is possible to avoid a decrease in the power generation amount W of the fuel cell stack 3 due to an increase in the gas concentration, and to start the fuel cell power generation system 1 in a short time without burdening the fuel cell stack 3 with CO poisoning. Can be.
[0013]
Note that the connection time means not only the case where the connection is made but also the case where the above-described temperature detection, calculation, and power generation are performed with a time delay after the connection.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding members are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
[0015]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell power generation system 1 according to an embodiment of the present invention. The fuel cell power generation system 1 includes a fuel processor 2, a fuel cell stack 3, which is a solid polymer electrolyte fuel cell, a control unit 4, a fuel supply line 11, a reformed gas transport line 16, and an off gas transport line. 17 and a switching line 67. The fuel supply line 11 includes a blower 31 as a fluid pressure increasing device, a regulating valve 32 as a flow regulating device, and a flow meter 47 as a flow measuring device.
[0016]
The fuel processor 2 includes a reforming section 21, a shift section 22, a selective oxidizing section 23, a steam generating section 24, and a burner section 25.
The fuel supply line 11 is connected to the reforming unit 21, and the fuel supply line 11 supplies a hydrocarbon-based fuel h (hereinafter simply referred to as fuel h) to the reforming unit 21. In the reforming section 21, a reforming reaction is performed to reform the supplied fuel h into a reformed gas g containing hydrogen as a main component (for example, a hydrogen component is about 70 to 75% by mol%). In the shift section 22, a CO shift reaction of the reformed gas g is performed. A selective oxidation air supply line (not shown) is connected to the selective oxidation unit 23, and the selective oxidation air supply line supplies selective oxidation air (not shown) to the selective oxidation unit 23. In the selective oxidation unit 23, the carbon monoxide gas remaining in the reformed gas g is selectively oxidized.
[0017]
A process water supply line (not shown) is connected to the steam generator 24, and the process water supply line supplies process water (not shown in FIG. 1) to the steam generator 24. The steam generating unit 24 cools the shift unit 22 where the shift reaction is performed by the supplied process water, and the shift unit 22 evaporates the process water in the steam generating unit 24 by the heat of the shift unit 22 for reforming. Generates steam s.
[0018]
A combustion gas supply line (not shown) and a combustion air supply line (not shown) are connected to the burner section 25, and a combustion gas (not shown) and combustion air (not shown) are respectively connected to the burner section 25. Supply. The burner 25 burns the combustion gas with the combustion air and supplies heat required for the reforming reaction and the shift reaction.
The fuel h is typically city gas (13A whose main component is ethane, methane, propane, butane, etc.). The fuel h may be a liquid instead of a gas. In the case of a liquid, a pump (not shown) is used instead of the blower 31.
[0019]
The reforming steam supply line 15 is connected to the fuel supply device 2 at the steam generation section 24, and further connected to the fuel supply line 11 downstream of the control valve 32 and the flow meter 47. 11, and the reforming steam s generated in the steam generating section 24 is transported to the reforming section 21 via the fuel supply line 11.
[0020]
The control unit 4 sends the flow control signal i1 to the control valve 32. The control valve 32 receives the flow control signal i1 from the control unit 4 and adjusts the supply amount of the fuel h to the reforming unit 21.
[0021]
The blower 31 is driven by a motor (not shown) to increase the pressure of the fuel h, and the rotation speed is substantially constant in a steady state. These may be driven by, for example, a steam turbine (not shown) and the flow rate Q may be controlled by controlling the number of revolutions, or may be driven by a motor (not shown) capable of controlling the number of revolutions to control the flow rate Q. You may make it so. When performing the rotation speed control, the control valve 32 may not be provided.
[0022]
The reforming unit 21, the shift unit 22, and the selective oxidizing unit 23 include temperature detectors 39, 40, and 41 as temperature detecting units that detect the temperatures of the reforming unit 21, the shift unit 22, and the selective oxidizing unit 23, respectively. is set up. The temperatures detected by the temperature detectors 39, 40, and 41 are sent to the control unit 4 as temperature signals i2. The flow meter 47 measures the flow rate Q of the fuel h supplied to the reforming section 21, and the measured flow rate Q is sent to the control section 4 as a flow rate signal i5.
[0023]
The reformed gas transfer line 16 connects the selective oxidizing unit 23 of the fuel processor 2 to the fuel cell stack 3, and transports the reformed gas g from the selective oxidizing unit 23 to the fuel cell stack 3. A three-way switching valve 68 is provided in the reformed gas transfer line 16. A switching signal i6 for switching the three-way switching valve 68 is sent from the control unit 4 to the three-way switching valve 68. The off-gas transfer line 17 connects the fuel cell stack 3 and the burner unit 25, and transfers an off-gas f described later from the fuel cell stack 3 to the burner unit 25. One end of a switching line 67 is connected to the three-way switching valve 68, and the other end of the switching line 67 is connected to the off-gas transfer line 17.
[0024]
During normal operation, the three-way switching valve 68 is open on the a1 side (line toward the fuel cell stack 3), and the reformed gas g that has exited the selective oxidizing section 23 passes from the fuel processor 2 through the reformed gas transport line 16. It flows to the fuel cell stack 3 side. Immediately before the start-up operation is started, the three-way switching valve 68 is switched to the b1 side (a line that goes to the switching line 67 and bypasses the fuel cell stack 3). g reaches the off-gas transfer line 17 from the reformed gas transfer line 16 through the switching line 67, and is sent to the burner unit 25. A check valve 69 is provided upstream of the junction of the off-gas transfer line 17 with the switching line 67 so that the reformed gas g flowing into the off-gas transfer line 17 does not flow back to the fuel cell stack 3. Immediately before the start of power generation, the three-way switching valve 68 is switched to the a1 side.
[0025]
The fuel cell stack 3 has a multiplex structure in which fixed polymer membranes (not shown) and separators (not shown) are alternately stacked. A stack air supply line (not shown) is connected to the fuel cell stack 3 to supply stack air (not shown) to the fuel cell stack 3. The fuel cell stack 3 electrochemically reacts the supplied reformed gas g with the stack air as the oxidizing gas to generate power, and generates off-gas f (unused reformed gas). Here, the off-gas f is surplus reformed gas after hydrogen is used for power generation in the fuel cell stack 3, and for example, 80% (mol%) of hydrogen contained in the reformed gas g is used for power generation. If so, it is a so-called hydrogen-rich gas containing the remaining 20 percent (mole percent) of hydrogen.
[0026]
The fuel cell stack 3 is electrically connected to a load 5 (an electric device, such as a DC / DC converter and an inverter, which is linked to the system and supplies power to a general household). The fuel cell stack 3 has a stack voltage detector 45 for detecting a stack voltage V and a stack current detector 46 for detecting a stack current I. The stack voltage V detected by the stack voltage detector 45 is sent to the control unit 4 as a voltage signal i3. The stack current I detected by the stack current detector 46 is sent to the control unit 4 as a current signal i4. The control unit 4 calculates the power generation amount of the fuel cell stack 3 from the voltage signal i3 and the current signal i4. Calculating the amount of power generation typically means calculating a current value and a voltage value.
[0027]
The control unit 4 includes an appropriate temperature storage unit 55 that stores an appropriate temperature range of the reforming unit 21 (a range between an appropriate upper limit temperature and an appropriate lower limit temperature) (for example, 650 to 750 ° C.). An appropriate temperature range suitable for the reforming reaction of the reforming catalyst (not shown) charged in the reforming section 21 and the shift reaction of the CO shift catalyst (not shown) charged in the shift section 22 are stored in the appropriate temperature storage section 55. Are stored before starting operation. The control unit 4 has an input unit 56 for inputting the target power generation amount from outside.
[0028]
Next, the operation of the fuel cell power generation system 1 will be described. A combustion gas (not shown) is supplied to the burner section 25 from a combustion gas supply line (not shown) at the time of start-up and combustion. During normal operation, the burner section 25 is supplied with off-gas f from the fuel cell stack 3 via the off-gas transfer line 17.
[0029]
The combustion heat generated in the burner section 25 heats the reforming section 21 at the time of startup, and raises the temperature of a reforming catalyst (not shown) at a rapid rate. The reformed gas g generated in the reforming unit 21 is heated by the reforming unit 21, and the heated reformed gas g is sent to the shift unit 22 to heat the shift unit 22, and the temperature of the shift unit 22 is reduced. Gradually raise. The combustion heat generated in the burner section 25 is used for the reforming reaction heat in the reforming section 21 during the normal operation, and the reforming catalyst (not shown) filled in the reforming section 21 and the reforming section 22 are charged. It is used to maintain a CO conversion catalyst (not shown) at a predetermined temperature suitable for the reaction.
[0030]
The fuel h is conveyed by the blower 31 and supplied to the reforming section 21 via the fuel supply line 11. The control valve 32 provided in the fuel supply line 11 receives the flow control signal i1 from the control unit 4, and is controlled to a predetermined opening so as to flow the fuel h having the flow rate Q corresponding to the flow control signal i1. The flow rate Q of the fuel h is measured by the flow meter 47, and the measured flow rate Q is sent to the control unit 4 as a flow rate signal i5.
[0031]
Process water (not shown in FIG. 1) is supplied to the steam generator 24 via a process water supply line (not shown). The process water supplied to the steam generating section 24 is evaporated in the steam generating section 24 and supplied as reforming steam s from the reforming steam supply line 15 to the reforming section 21 via the fuel supply line 11. Used as quality steam s. That is, in the reforming section 21, when the fuel h is, for example, methane, CH 2₄+ H₂O → CO + 3H₂ The steam reforming reaction represented by the formula is performed, and the reformed gas g is obtained.
[0032]
The reformed gas g is sent from the reforming section 21 to the shift section 22 as described above, where the CO + H₂O → CO₂+ H₂ A transformation reaction represented by Further, the reformed gas g is sent from the shift section 22 to the selective oxidation section 23. The selective oxidation air (not shown) is supplied to the selective oxidation section 23 from a selective oxidation air supply line (not shown). The CO gas remaining in the reformed gas g is selectively oxidized by the selective oxidizing air in the selective oxidizing section 23, so that CO + (1/2) O₂→ CO₂ Is carried out. The reformed gas g from which the CO gas has been removed is supplied to the fuel cell stack 3 through the reformed gas transport line 16.
[0033]
The fuel cell stack 3 electrochemically reacts the reformed gas g with the stack air (not shown) supplied to the fuel cell stack 3 from a stack air supply line (not shown) to generate power. , And the load 5 is supplied with power.
[0034]
Next, a starting method by the control unit 4 of the fuel cell power generation system 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 includes a preparatory operation before starting.
[0035]
First, the target power generation amount W is input to the input unit 56 of the control unit 4 before starting.₀Is input (step S1). The target power generation amount W is input to the input unit 56.₀Is input, the control unit 4 sets the target power generation amount W₀Is calculated based on the target power generation amount W₀Stack current value I, which is the value of the current flowing through the fuel cell stack 3 when power is generated₀Is obtained (step S2). Where I₀= F1 (W₀)It can be expressed as. The position of the three-way switching valve 68 is switched to the b1 side by the switching signal i6 from the control unit 4 (step S3). In this case, the three-way switching valve 68 allows the fluid passing through the reformed gas transport line 16 to pass through the switching line 67, and the fluid passes through the off-gas transport line 17, bypasses the fuel cell stack 3, and burns. 25.
[0036]
The supply of the fuel h to the reforming section 21 and the supply of combustion air (not shown in FIG. 1) to the burner section 25 are started, and the flow rate of the fuel h is reduced to Q.₁ (Step S4), and the fuel of the combustion air is q₁(Step S5) so that the combustion air ratio becomes 1.2. The fuel h supplied to the reforming section 21 is sent to the burner section 25 via the shift section 22, the selective oxidizing section 23, the reformed gas transport line 16, the switching line 67, and the off gas transport line 17, and is sent to the burner section 25. Burned. Since the reforming section 21 is located near the burner section 25, the combustion of the fuel h heats the reforming section 21 and the temperature of the reforming section 21 rises. The temperature of the shift section 22 and the temperature of the selective oxidation section 23 gradually increase due to the transfer of combustion heat from the burner section 25 inside the fuel processor 2. Further, the fuel h that has passed through the reforming section 21 is heated by the reforming section 21. The heated fuel h heats the shift unit 22 and the selective oxidation unit 23 when passing through the shift unit 22 and the selective oxidation unit 23. This heating also causes the temperatures of the shift section 22 and the selective oxidation section 23 to gradually rise. Flow Q_1,q₁Are predetermined to be suitable for these temperature rises.
[0037]
The temperature of the reforming section 21 is detected by the temperature detector 39 (Step S6). The temperature of the reforming section 21 is the upper limit value T at which the hydrocarbon fuel h does not cause carbonization._U1(400 ° C.) is determined (step S7), and the upper limit T_U1If the temperature of the reforming unit 21 has not reached the upper limit value T (step S7 is NO), the process returns to step S6._U1Step S6 is repeated until the time is reached. Upper limit T_U1(Step S7 is YES), the supply of the process water (not shown in FIG. 1) to the steam generating section 24 is started (Step S8), and the selective oxidizing section 23 supplies the selective oxidizing air (FIG. 1). (Not shown) is started (step S9).
[0038]
The temperature of each section (reforming section 21, shift section 22, selective oxidation section 23) of the fuel processor 2 is detected (step S10A). The temperature of the reforming section 21 is detected by a temperature detector 39, the temperature of the shift section 22 is detected by a temperature detector 40, and the temperature of the selective oxidation section 23 is detected by a temperature detector 41. The temperature of each part of the fuel processor 2 is lower than the lower limit T_L1~ T_L3Is determined (step S10B). Lower limit value T of reforming section 21_L1Is 600 ° C., the lower limit T of the metamorphic section 22_L2Is 250 ° C., the lower limit value T of the selective oxidation section 23_L3Is 110 ° C. The lower limit value T at which the reforming reaction, the shift reaction, and the selective oxidation reaction are appropriately performed and the reformed gas g that can be sent to the fuel cell stack 3 can be produced._L1~ T_L3It is. The temperature of each part of the fuel processor 2 is lower limit value T_L1~ T_L3Is reached (when step S10B is YES), the position of the three-way switching valve 68 is switched to the a1 side (step S10C), and the reformed gas g generated in the reforming section 21 is sent to the fuel cell stack 3. Then, power generation is started in the fuel cell stack 3. At least one of the temperatures of each part of the fuel processor 2 is lower limit value T_L1~ T_L3If the temperature of the fuel processor 2 has not reached the lower limit T (step S10B is NO), the process returns to step S10A._L1~ T_L3Are repeated until step S10A is reached. Upper limit value T of temperature of reforming section 21_U1, The lower limit value T of each part of the fuel processor 2_L1~ T_L3Are stored in the appropriate temperature storage unit 55.
[0039]
At the same time as the reformed gas g is supplied to the fuel cell stack 3, a stack air (not shown in FIG. 1) electrochemically reacting with the reformed gas g is supplied to a stack air supply line (not shown in FIG. 1). ) Is supplied to the fuel cell stack 3. When power generation is started in the fuel cell stack 3, off-gas f is supplied from the fuel cell stack 3 to the burner unit 25. The time when the position of the three-way switching valve 68 is switched to the a1 side and the reformed gas g is sent to the fuel cell stack 3 is the time of the start of power generation according to the present invention, and the time when the fuel cell stack 3 is connected to the fuel processor 2. It is.
[0040]
The process water (not shown in FIG. 1) supplied to the steam generation unit 24 is heated and evaporated by the shift unit 22 and the selective oxidation unit 23, and is sent to the reforming unit 21 as reforming steam s. In the reforming section 21, a reformed gas g is generated by a steam reforming reaction of the fuel h. The reformed gas g generated in the reforming section 21 passes through the shift section 22 and the selective oxidizing section 23, heats the shift section 22 and the selective oxidizing section 23, and is sent to the fuel cell stack 3 through the reformed gas transport line 16. Power is generated.
[0041]
The temperature T of the shift section 22 is detected by the temperature detector 40 (step S11). The detected temperature T of the metamorphic section 22₂Is calculated by the control unit 4 based on the temperature T₂Flow rate of fuel h that can be supplied at₂(Step S12), and the flow rate Q₂The stack current I when flowing₂Is obtained (step S13). Where Q₂= F2 (T₂), I₂= F3 (Q₂)It can be expressed as. Flow rate Q of fuel h₂Is the temperature T₂This is the maximum flow rate that can be appropriately processed by the fuel processor 2 including the shift unit 22 having
[0042]
The control unit 4 determines the stack current value I₂Generated power W equivalent to₂(Step S14), and the calculated power generation amount W₂(Step S15), and the flow rate Q of the fuel h is increased at a separately set increase rate (for example, 1 L / min / min).₂(Step S16), and the flow rate of the combustion air is set to q₂(Step S17), and the stack current is increased by a stack current value I calculated at a separately set increase speed (for example, 8 A / min).₂Increase towards. Where W₂= F4 (I₂). Combustion air flow rate q₂Is determined such that the combustion air ratio becomes 1.2. The increasing speed of the stack current I is set so as to be slightly slower than the increasing speed of the fuel h so that the reformed gas g can be distributed. The speed is set to a level that can sufficiently follow the movement.
[0043]
Next, I where the stack current value is calculated₂Is determined (step S18), the stack current value becomes I₂(Step S18 is NO), the process returns to before Step S18, and Step S18 is repeated. Stack current value is I₂(When step S18 is YES), the stack current value becomes I₀Is determined (step S19). Stack current value is I₀Is not reached (if Step S19 is NO), the process returns to Step S11, and the temperature T of the transformation unit 22 is detected by the temperature detector 40. The detected temperature T of the metamorphic section 22₃Is calculated by the control unit 4 based on the temperature T₃Flow rate of fuel h that can be supplied at₃(Step S12), and the flow rate Q₃The stack current I when flowing₃Is obtained (step S13). Where Q₃= F2 (T₃), I₃= F3 (Q₃). Flow rate Q of fuel h₃Is the temperature T₃This is the maximum flow rate that can be appropriately processed by the fuel processor 2 including the shift unit 22 having
[0044]
The control unit 4 determines the stack current value I₃Generated power W equivalent to₃(W₃= F4 (I₃)) (Step S14), and the power generation amount W₃Is output (step S15), and the stack current value is calculated based on the increasing speed of the stack current I and the increasing speed of the fuel h.₃And the flow rate of the fuel h is calculated as Q₃(Step S16), and the flow rate of the combustion air is reduced to q₃(Step S17). Flow rate q₃Is determined such that the combustion air ratio becomes 1.2. Next, I where the stack current value is calculated₃Is determined (Step S18). The control unit 4 performs the above control when the stack current becomes I₀Repeat until you reach. Stack current is I₀And the stack current becomes I₀Is reached (when step S19 is YES), the increase of the flow rate Q is stopped (step S20), the operation is shifted to the normal operation, and the power generation amount W₀, Stack current I₀The operation in the state described above is continued (step S21).
[0045]
As described above, the temperature of the reforming unit 21 is detected in step S6, the temperature of the shift unit 22 is detected in step S11, and the temperatures of the reforming unit 21, the shift unit 22, and the selective oxidation unit 23 are detected in step S10A. As described above, the temperatures of the reforming unit 21, the shift unit 22, and the selective oxidizing unit 23 may be constantly detected during the operation, and the temperatures of the reforming unit 21, the shift unit 22, and the selective oxidizing unit 23 may be constantly monitored. .
[0046]
According to the starting method by the control unit 4 of the fuel cell power generation system 1 according to the present embodiment described above, the fuel h having the flow rate Q suitable for the detected temperature T of the shift unit 22 is supplied to the reforming unit 21. In addition, since the fuel cell stack 3 is caused to generate a power generation amount W suitable for the detected temperature T of the shift unit 22, the shift unit 22 sufficiently converts the reformed gas g generated by the reforming unit 21 into monoxide. Carbon gas can be removed, and it is possible to avoid that the concentration of carbon monoxide gas in the reformed gas g supplied to the fuel cell stack 3 increases and the power generation amount W of the fuel cell stack 3 decreases, The fuel cell power generation system 1 can be started in a short time. Further, since the reforming unit 21 generates the reformed gas g with the maximum possible flow rate, the flow rate of the heat medium for heating the shift unit 22 can be set to the maximum possible flow rate, and the temperature of the shift unit 22 can be increased. The fuel cell power generation system 1 can be started up in a short time.
[0047]
Next, another starting method by the control unit 4 of the fuel cell power generation system 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3, the vertical axis represents the flow rate Q of the fuel h, the temperature T of the shift unit 22, and the current value of the stack current I, and the horizontal axis represents the passage of time. In FIG. 3, a broken line R1 indicates a temporal change in the flow rate Q of the fuel h, a curve R2 indicates a temporal change in the temperature T of the shift unit 22, and a broken line R3 indicates a temporal change in the current value of the stack current I. . The control unit 4 performs the following control when the system is cold.
[0048]
Before starting, target power generation amount W₀Is input (step S1). Target stack current value I₀(= F1 (W₀)) (Step S2), and the stack current value I₀Target fuel flow Q based on₀(= F5 (I₀)) (Step S2A), and the target fuel flow rate Q₀Target transformation temperature T based on₀(= F6 (Q₀)) Is calculated (step S2B). Next, the position of the three-way switching valve 68 is switched to the b1 side (step S3). Target flow Q of fuel h₀Means that the fuel cell stack 3 has the target power generation amount W₀Is the flow rate of the fuel h supplied to the fuel processor 2 to generate power, and the target temperature T₀Means the temperature of the shift part 22 in this case.
[0049]
At time t0, the supply of fuel h is started (step S4), and the supply of combustion air is started (step S5). Thereafter, the temperature of the reforming unit 21 is detected (step S6), and the temperature of the reforming unit 21 is set to the upper limit T at which the hydrocarbon fuel h is not carbonized and precipitated._U1(400 ° C.) is determined (step S7). When the temperature of the reforming section 21 is the upper limit value T_U1If it is less than (if step S7 is NO), the process returns to step S6.
[0050]
At time ta (for example, 30 seconds have elapsed from time t0), the flow rates of the fuel h and the combustion air reach Q1 and q1, respectively. The fuel h supplied to the reforming section 21 is sent to the burner section 25 and burns in the burner section 25. Since the reforming section 21 is located near the burner section 25, the combustion of the fuel h heats the reforming section 21, and the temperature of the reforming section 21 rises rapidly. The temperature of the shift section 22 gradually rises due to the transfer of the heat of combustion inside the fuel processor 2 and the heating by the fuel h heated in the reforming section 21.
[0051]
The temperature of the reforming section 21 is detected (Step S6). When the temperature of the reforming section 21 reaches the upper limit T_U1(Step S7) whether the temperature of the reforming unit 21 has reached the upper limit value T or not._U1(Step S7 is NO), the process returns to Step S6.
[0052]
At time tb (for example, 10 minutes after time ta), the temperature of the reforming section 21 is changed to the upper limit value T._U1When the temperature reaches (400 ° C.) (YES in step S7), process water (not shown in FIG. 1) is supplied to the reforming section 21 (step S8), and the selective oxidizing air (not shown in FIG. 1) is supplied. Supply is started (step S9). The temperature of each section (reforming section 21, shift section 22, selective oxidation section 23) of the fuel processor 2 is detected (step S10A). The temperature of each part of the fuel processor 2 is lower than the lower limit T_L1~ T_L3Is determined (step S10B). The temperature of each part of the fuel processor 2 is lower limit value T_L1~ T_L3Is reached (when step S10B is YES), the position of the three-way switching valve 69 is switched to the a1 side (step S10C), and the reformed gas g generated by the reforming reaction of the fuel h in the reforming section 21 is converted. The fuel is passed to the fuel cell stack 3 through the section 22 and the selective oxidation section 23, and power generation is started in the fuel cell stack 3. At least one of the temperatures of each part of the fuel processor 2 is lower limit value T_L1~ T_L3If the temperature of the fuel processor 2 has not reached the lower limit T (step S10B is NO), the process returns to step S10A._L1~ T_L3Are repeated until step S10 is reached.
[0053]
Then, the temperature T of the shift portion 22 is detected (step S11), and the detected temperature T₂Is calculated by the control unit 4 based on the temperature T₂Flow rate of fuel h that can be supplied at₂(Step S12), and the flow rate Q₂(= F2 (T₂)), The stack current value I₂(= F3 (Q₂)) (Step S13). The control unit 4 determines the stack current value I₂Generated power W equivalent to₂(= F4 (I₂)) (Step S14), and the power generation amount W₂Is permitted (step S15). Further, the fuel h is supplied to the flow rate Q₂(Step S16), and the flow rate of the combustion air is set to q₂(Step S17) so that the combustion air ratio becomes 1.2, and the stack current is increased to a current value I₂Increase towards.
[0054]
At time tc (for example, 3 minutes after time tb), the increased flow rate of the fuel h becomes Q₂And the increased combustion air flow rate is q₂And the stack current reaches the current value I₂Reach After that, the stack current becomes the current value I₂Fixed to. In the reformed gas g, carbon monoxide is reduced by the shift reaction in the shift section 22, and carbon monoxide is selectively removed in the selective oxidation section 23. When the reformed gas g passes through the shift section 22 and the selective oxidizing section 23, the reformed gas g heats the shift section 22 and the selective oxidizing section 23, and raises the temperatures of the shift section 22 and the selective oxidizing section 23.
[0055]
After step S17, the temperature T of the metamorphic unit 22 is detected by the temperature detector 40 (step S118).₀Is determined (step S119), and the temperature of the metamorphic unit 22 becomes T₀If it is less than (NO in step S119), the process returns to step S119, and step S119 is repeated.
[0056]
At time td (for example, 10 minutes after time tc), the temperature of₀(If step S119 is YES), and the flow rate of the fuel h becomes Q₀(Step S120), and the flow rate of the combustion air becomes q₀(Step S121). The flow rate of combustion air is q₀Is determined such that the combustion air ratio becomes 1.2.
[0057]
At time te (for example, 5 minutes after time td), the increased flow rate of the fuel h is Q₀And the increased combustion air flow rate is q₀Reach At this time, the stack current has a current value I₀And the power generation amount W₀Is generated (step S122).
[0058]
As described above, the temperature detection of the reforming unit 21 is performed in step S6, and the temperature detection of the shift unit 22 is performed in steps S11 and S118. However, the temperature detection of the reforming unit 21 and the shift unit 22 is always performed during operation. Alternatively, the temperature of the reforming section 21 and the temperature of the shift section 22 may be constantly monitored.
[0059]
Steps S1 to S17 (excluding steps S2A and S2B) described in the description of the other activation methods described above are the same as steps S1 to S17 described in the above-described activation method.
[0060]
According to the other starting method by the control unit 4 of the fuel cell power generation system 1 according to the present embodiment described above, the fuel h having the flow rate Q suitable for the detected temperature T of the shift unit 22 is supplied to the reforming unit 21. Since the fuel cell stack 3 is supplied with the power generation amount W suitable for the detected temperature T of the shift unit 22, the shift unit 22 sufficiently converts the reformed gas g generated by the reforming unit 21 in the shift unit 22. The carbon monoxide gas can be removed, and it can be avoided that the concentration of the carbon monoxide gas in the reformed gas g supplied to the fuel cell stack 3 increases and the power generation amount of the fuel cell stack 3 decreases. Thus, the fuel cell power generation system 1 can be started in a short time. Since the processing after the start of power generation is simple and the amount of calculation is small, the addition to the control unit 4 is small, and the present invention can be easily applied to the system 1 in which data is not accumulated as a detailed database is created.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the fuel processing device, the fuel cell stack, the temperature detection unit, and the control unit are provided, the temperature detection unit detects the temperature of the shift unit at the start of power generation of the fuel cell stack. The control unit calculates the flow rate of the hydrocarbon-based fuel that can be properly introduced by the fuel processor under the detected temperature of the metamorphic unit. The fuel cell stack calculates the amount of power that can be generated, introduces the flow rate of hydrocarbon-based fuel that can be introduced into the fuel processor, generates reformed gas at a flow rate that is possible in the reforming section, and reforms in the shift section. A gas shift reaction is performed to remove carbon monoxide gas in the reformed gas, and the fuel cell stack can generate power within a range of possible power generation or less. Therefore, a hydrocarbon-based fuel at a flow rate suitable for the temperature of the shift unit is introduced into the fuel processor, and the fuel cell stack is caused to generate an amount of power suitable for the temperature of the shift unit. It is possible to sufficiently remove carbon monoxide gas from the generated reformed gas, and to prevent the concentration of carbon monoxide gas in the reformed gas supplied to the fuel cell stack from increasing and the power generation amount from the fuel cell stack from decreasing. The fuel cell power generation system can be started in a short time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a chart illustrating a method of starting the fuel cell power generation system of FIG. 1;
FIG. 3 is a graph showing a temporal change of a fuel flow rate or the like in another starting method of the fuel cell power generation system of FIG. 1;
FIG. 4 is a chart illustrating another starting method of the fuel cell power generation system of FIG. 1;
[Explanation of symbols]
1 fuel cell power generation system
2 Fuel processor
3 Fuel cell stack
4 control unit
21 Reforming unit
22 Metamorphic department
23 Selective oxidation unit
39, 40, 41 Temperature detector
56 Input section
g Reformed gas
h Fuel (hydrocarbon fuel)
I Stack current
Q flow rate
T temperature
W Power generation

Claims

A reforming unit for introducing a hydrocarbon-based fuel and reforming into a reformed gas containing hydrogen as a main component, and a reforming unit for introducing the reformed gas and transforming a carbon monoxide gas in the reformed gas. A fuel processor having:
A fuel cell stack for generating electricity by introducing the reformed gas in which the carbon monoxide gas is transformed;
A temperature detector for detecting the temperature of the metamorphic unit;
At the start of power generation of the fuel cell stack, the fuel processor calculates the flow rate of the hydrocarbon fuel that can be properly introduced under the detected temperature of the metamorphic section, and the hydrocarbon fuel having the introduceable flow rate is calculated. A control unit that calculates a power generation amount that can be generated by the fuel cell stack when introduced, and causes the fuel cell stack to generate power in a range equal to or less than the possible power generation amount;
Fuel cell power generation system.