JP2005228583A - Fuel cell power generation system and starting method of fuel cell power generation system - Google Patents

Fuel cell power generation system and starting method of fuel cell power generation system Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell battery power generation system and a starting method of the fuel cell power generation system wherein a fuel cell as well as a fuel treatment device can be pre-heated to a prescribed operation temperature before starting power generation. <P>SOLUTION: This system is provided with a fuel cell 30; a storing device 71 to recover and store water as the recovered water 42a; the fuel processing device 7 having a reforming part 9 to form a reformed gas, a heat exchange part 12 which is formed at the circumference of the reforming part 9 and carries out the heat exchange, a heating part 8 to heat the reforming part 9, and a carbon monoxide reduction part 14 to form a fuel gas 3a; a water heating device 130 for preheating to carry out heat exchange between the recovered water 42a and water 24a for preheating to preheat the fuel cell 30; a recovered water circulation flow passage of the recovered water 42a from the storing device 71 to the heat exchange part 12, the water heating device 130 for preheating, and the storing device 71; and a water circulation flow passage for preheating the water 24a for preheating from the fuel cell 30 to the water heating device 130 for preheating and the fuel cell 30. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの起動方法に関し、特に燃料処理装置と共に燃料電池をも発電開始までに所定の温度に予熱することができ、燃料電池システムの起動時間が短い燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの起動方法に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell power generation system and a fuel cell power generation system start-up method, and more particularly to a fuel cell that can preheat a fuel cell together with a fuel processing device to a predetermined temperature before the start of power generation and has a short start-up time. The present invention relates to a power generation system and a method for starting a fuel cell power generation system.

都市ガス、LPG、消化ガス、メタノール、GTLや灯油のような原料燃料を燃料処理装置により水素に富む燃料ガスを生成し燃料電池の燃料極に供給すると共に、空気等の酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池の空気極に供給して電気化学的反応により発電する燃料電池発電システムや、燃料電池発電電力と燃料電池の発電排熱等の排熱を熱エネルギーとして回収して供給する燃料電池コージェネレーションシステム等では、システムが起動し発電を開始するまでの時間あるいは定格発電達成までに要する時間、すなわちシステム起動時間はシステムの経済性や利便性にとって重要である。   Source gas such as city gas, LPG, digestion gas, methanol, GTL and kerosene is generated by a fuel processing device and is supplied to the fuel electrode of the fuel cell, and an oxidant gas containing oxygen such as air A fuel cell power generation system that generates electricity through an electrochemical reaction by supplying to the air electrode of a fuel cell, or a fuel cell cogeneration system that collects and supplies exhaust heat such as fuel cell power and fuel cell exhaust heat as heat energy In a generation system or the like, the time required to start power generation after the system is started or the time required to achieve rated power generation, that is, the system startup time is important for the economics and convenience of the system.

従来の燃料電池発電システムでは、用いる原料燃料が水素ガス以外で燃料処理装置を必要とする燃料電池発電システムの起動方法として、例えば、原料燃料を燃焼して燃料処理装置の改質部を所定の温度に加熱し、次いで原料燃料を改質部に導入して改質ガスを生成し、生成した改質ガスを一酸化炭素低減部に導いて一酸化炭素低減部を加熱し、一酸化炭素低減部を出た一酸化炭素低減ガスを燃焼燃料として燃焼部に導いて燃焼し、そして一酸化炭素低減部の温度が所定の温度に到達し一酸化炭素低減ガスの一酸化炭素濃度が十分に低下してから、かかる一酸化炭素低減ガスを燃料ガスとして燃料電池に供給して発電を開始し、発電発熱により燃料電池を所定の温度に上昇させるのが一般的である。   In a conventional fuel cell power generation system, as a starting method of a fuel cell power generation system that requires a fuel processing device other than hydrogen gas as a raw material fuel to be used, for example, a reforming portion of the fuel processing device is set in a predetermined manner by burning raw material fuel Heat to temperature, then introduce raw material fuel into the reforming section to generate reformed gas, guide the generated reformed gas to the carbon monoxide reducing section and heat the carbon monoxide reducing section to reduce carbon monoxide The carbon monoxide reducing gas exiting the section is led to the combustion section as combustion fuel and burned, and the temperature of the carbon monoxide reducing section reaches a predetermined temperature and the carbon monoxide concentration of the carbon monoxide reducing gas sufficiently decreases Thereafter, the carbon monoxide reducing gas is supplied to the fuel cell as a fuel gas to start power generation, and the fuel cell is generally raised to a predetermined temperature by heat generation.

しかしながら、従来の燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの起動方法では、例えば、起動時間を短縮すべく改質ガスの流量を増やすと、一酸化炭素低減ガスの流量が増大し、よって燃焼部における燃焼量が増大し、その結果改質部の温度が過上昇し改質触媒の劣化を招くため、充分に起動時間を短縮することができなかった。   However, in the conventional fuel cell power generation system and the method for starting the fuel cell power generation system, for example, if the flow rate of the reformed gas is increased in order to shorten the startup time, the flow rate of the carbon monoxide reduced gas increases, so that Since the amount of combustion increases and as a result, the temperature of the reforming section excessively rises and the reforming catalyst is deteriorated, the start-up time cannot be shortened sufficiently.

そこで本発明は、燃料処理装置と共に燃料電池をも発電開始までに所定の温度に予熱することができ、燃料電池システムの起動時間が短い燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの起動方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides a fuel cell power generation system and a fuel cell power generation system startup method that can preheat a fuel cell together with a fuel processing apparatus to a predetermined temperature before power generation starts, and that the startup time of the fuel cell system is short. For the purpose.

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は、例えば図1に示すように、燃料ガス3aと酸化剤ガス61aとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池30と;発生した水を回収水42aとして回収し貯留する貯留装置71と;原料燃料4aと、回収水42a又は空気とを供給して原料燃料4aを改質し、改質ガスを生成する改質部9と、改質部9の周囲に形成され熱交換をする熱交換部12と、改質部9を加熱する加熱部8と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガス3aを生成する一酸化炭素低減部14とを有する燃料処理装置7と;回収水42aと燃料電池30を予熱する予熱用水24aとの熱交換を行う予熱用水加熱器130と;貯留装置71から、熱交換部12と、予熱用水加熱器130と、貯留装置71に至る回収水42aの回収水循環流路と;燃料電池30から、予熱用水加熱器130と、燃料電池30に至る予熱用水24aの予熱用水循環流路とを備えるように構成されている。   In order to achieve the above object, the fuel cell power generation system according to the first aspect of the present invention generates water by generating an electrochemical reaction between the fuel gas 3a and the oxidant gas 61a, for example, as shown in FIG. A fuel cell 30 that performs recovery; a storage device 71 that recovers and stores the generated water as recovered water 42a; a raw material fuel 4a and recovered water 42a or air are supplied to reform the raw material fuel 4a, Reducing the carbon monoxide in the reformed gas, the heat exchanger 12 that is formed around the reformer 9 to exchange heat, the heating unit 8 that heats the reformer 9, and the reformed gas A fuel treatment device 7 having a carbon monoxide reduction unit 14 for generating fuel gas 3a; a preheating water heater 130 for exchanging heat between the recovered water 42a and the preheating water 24a for preheating the fuel cell 30; and a storage device 71, heat exchanger 12 and preheating water A recovery water circulation passage for the recovery water 42a leading to the storage device 71; a preheating water heater 130 leading from the fuel cell 30; and a preheating water circulation passage for the preheating water 24a leading to the fuel cell 30. It is configured.

このように構成すると、貯留装置から、熱交換部と、予熱用水加熱器と、貯留装置に至る回収水の回収水循環流路と、燃料電池から、予熱用水加熱器と、燃料電池に至る予熱用水の予熱用水循環流路とを備え、改質部が回収水で冷却され過上昇せず、熱交換部を通過した回収水と、燃料電池を予熱する予熱用水とが熱交換を行うので、燃料処理装置と共に燃料電池をも発電開始までに所定の温度に予熱することができ、燃料電池システムの起動時間が短い燃料電池発電システムを提供することができる。   If comprised in this way, the heat exchange part, the preheating water heater from the storage device, the recovery water circulation flow path of the recovered water reaching the storage device, the preheating water heater from the fuel cell, and the preheating water reaching the fuel cell Since the reforming section is cooled by the recovered water and does not rise excessively, the recovered water that has passed through the heat exchanging section and the preheating water that preheats the fuel cell perform heat exchange. The fuel cell as well as the processing device can be preheated to a predetermined temperature before the start of power generation, and a fuel cell power generation system with a short startup time of the fuel cell system can be provided.

また請求項2に記載のように、請求項1に記載の燃料電池発電システムでは、貯留装置71と一体に構成され、回収水42aを循環して酸化剤ガス61aを加湿する酸化剤ガス加湿装置70と、貯留装置71と熱交換部12との間の回収水循環流路に配設され、回収水循環流路を分岐させる分岐手段135と、分岐手段135から酸化剤ガス加湿装置70に至る流路と、分岐手段135と熱交換部12との間の回収水循環流路に配設され、回収水循環流路を閉止する回収水循環流路閉止手段133を備えるように構成してもよい。   Further, as described in claim 2, in the fuel cell power generation system according to claim 1, the oxidant gas humidifier is configured integrally with the storage device 71 and circulates the recovered water 42a to humidify the oxidant gas 61a. 70, a branching means 135 for branching the recovered water circulation flow path, and a flow path extending from the branching means 135 to the oxidant gas humidifier 70, disposed in the recovered water circulation flow path between the storage device 71 and the heat exchange unit 12. And a recovery water circulation channel closing means 133 that is disposed in the recovery water circulation channel between the branching unit 135 and the heat exchange unit 12 and closes the recovery water circulation channel.

このように構成すると、燃料電池の予熱とともに、酸化剤ガス加湿装置も予熱されるので、燃料電池の発電効率が高く寿命が長い燃料電池発電システムを提供することを提供することができる。   With this configuration, the oxidant gas humidifier is preheated together with the preheating of the fuel cell, so that it is possible to provide a fuel cell power generation system having a high power generation efficiency and a long life.

また、典型的には、燃料電池発電システムは、予熱用水24aと冷媒流体43aとの熱交換を行う予熱用水冷却器110と、冷媒流体43aを貯留する貯湯タンク120を備える。   Typically, the fuel cell power generation system includes a preheating water cooler 110 that performs heat exchange between the preheating water 24a and the refrigerant fluid 43a, and a hot water storage tank 120 that stores the refrigerant fluid 43a.

このように構成すると、予熱用水に回収した燃料電池で発電したときに発生した熱は、貯湯タンクの排熱温水中に蓄えられ、熱源として利用することが可能となる。また、予熱用水の温度が所定の温度以上に上昇することは防止されるので、燃料電池は予熱用水により適切な温度に保持される。   If comprised in this way, the heat | fever generate | occur | produced when it generate | occur | produces with the fuel cell collect | recovered in the water for preheating will be stored in the waste heat warm water of a hot water storage tank, and it will become possible to utilize as a heat source. Further, since the temperature of the preheating water is prevented from rising above a predetermined temperature, the fuel cell is maintained at an appropriate temperature by the preheating water.

また請求項3に記載のように、請求項2に記載の燃料電池発電システムでは、改質部9を加熱し、改質部9が第1の温度(例えば、図2で説明する循環水・回収水循環開始温度T1)になった際に、予熱用水24aを予熱用水循環流路に循環させ、回収水42aを回収水循環流路に循環させて予熱用水24aを加熱し、予熱用水加熱器130と燃料電池30との間の予熱用水24aの温度が第2の温度(例えば、図2で説明する循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2)、又は一酸化炭素低減部14の温度が第3の温度(例えば、図2で説明する一酸化炭素低減部反応好適温度T3)になった際に、回収水循環流路閉止手段133を閉止する制御装置18を備えるように構成してもよい。   Further, as described in claim 3, in the fuel cell power generation system according to claim 2, the reforming unit 9 is heated, and the reforming unit 9 has a first temperature (for example, circulating water / When the recovered water circulation start temperature T1) is reached, the preheating water 24a is circulated through the preheating water circulation flow path, the recovered water 42a is circulated through the recovered water circulation flow path to heat the preheating water 24a, and the preheating water heater 130 and The temperature of the preheating water 24a to the fuel cell 30 is the second temperature (for example, the recovered water circulation stop temperature T2 based on the circulating water temperature described in FIG. 2), or the temperature of the carbon monoxide reducing unit 14 is the third temperature. You may comprise so that the control apparatus 18 which closes the collection | recovery water circulation flow path closing means 133 may be provided when it becomes temperature (for example, carbon monoxide reduction part reaction suitable temperature T3 demonstrated in FIG. 2).

第1の温度(例えば、図2で説明する循環水・回収水循環開始温度T1)は、好ましくは500℃から800℃、さらに好ましくは600℃から750℃程度である。第2の温度(例えば、図2で説明する循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2)は、好ましくは40℃から90℃、さらに好ましくは50℃から80℃程度である。第3の温度(例えば、図2で説明する一酸化炭素低減部反応好適温度T3)は、好ましくは180℃から500℃、さらに好ましくは200℃から350℃程度である   The first temperature (for example, circulating water / recovered water circulation start temperature T1 described in FIG. 2) is preferably about 500 ° C. to 800 ° C., more preferably about 600 ° C. to 750 ° C. The second temperature (for example, the recovered water circulation stop temperature T2 based on the circulating water temperature described in FIG. 2) is preferably about 40 ° C. to 90 ° C., more preferably about 50 ° C. to 80 ° C. The third temperature (for example, the carbon monoxide reducing portion reaction suitable temperature T3 described in FIG. 2) is preferably about 180 ° C. to 500 ° C., more preferably about 200 ° C. to 350 ° C.

このように構成すると、制御装置にて温度に基づいて各部が制御されるので、迅速、確実に、かつ、人為的エラーを排除して、燃料処理装置と共に燃料電池をも発電開始までに所定の温度に予熱することができ、燃料電池システムの起動時間が短い燃料電池発電システムを提供することができる。   With this configuration, each part is controlled based on the temperature by the control device, so that a human error can be quickly and reliably eliminated with the human error, and the fuel cell and the fuel processing device are also It is possible to provide a fuel cell power generation system that can be preheated to a temperature and has a short startup time of the fuel cell system.

上記目的を達成するために、請求項4に係る発明による燃料電池発電システムの起動方法は、例えば図1又は図2に示すように、原料燃料4aと、水42a又は空気とを供給して原料燃料4aを改質し、改質ガスを生成する改質部9を加熱する改質部予熱工程(S102)と;改質部9が第1の温度(例えば、循環水・回収水循環開始温度T1)になった際に、改質ガスと第1の媒体42aとの熱交換をする第1熱交換工程(S202)と;第1の媒体42aと第2の媒体24aとの熱交換をする第2熱交換工程(S203)と;第2の媒体24aが燃料ガス3aと酸化剤ガス61aとの電気化学的反応により発電する燃料電池30を加熱する燃料電池予熱工程(S204)と;第2の媒体24aが第2の温度(循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2)、又は改質ガス中の一酸化炭素を低減して一酸化炭素低減ガスを燃料ガス3aとして生成する一酸化炭素低減部14の温度が第3の温度(一酸化炭素低減部反応好適温度T3)になった際に、改質ガスと第1の媒体42aとの熱交換を停止する第1熱交換停止工程(S207)と;第1の媒体42aと第2の媒体24aとの熱交換を停止する第2熱交換停止工程(S208)とを備えるように構成されている。   In order to achieve the above object, a fuel cell power generation system start-up method according to a fourth aspect of the present invention provides a raw material fuel 4a and water 42a or air as shown in FIG. A reforming section preheating step (S102) for reforming the fuel 4a and heating the reforming section 9 that generates reformed gas; and the reforming section 9 has a first temperature (for example, circulating water / recovered water circulation start temperature T1). ), The first heat exchanging step (S202) for exchanging heat between the reformed gas and the first medium 42a; and the first exchanging heat between the first medium 42a and the second medium 24a. A second heat exchange step (S203); a fuel cell preheating step (S204) in which the second medium 24a heats the fuel cell 30 that generates electricity by an electrochemical reaction between the fuel gas 3a and the oxidant gas 61a; The medium 24a has a second temperature (recovered water circulation based on the circulating water temperature). The temperature of the carbon monoxide reduction unit 14 that generates carbon monoxide reduction gas as the fuel gas 3a by reducing the carbon monoxide in the reformed gas is the third temperature (carbon monoxide reduction unit reaction). A first heat exchange stop step (S207) for stopping the heat exchange between the reformed gas and the first medium 42a when the preferred temperature T3) is reached; and the first medium 42a and the second medium 24a A second heat exchange stopping step (S208) for stopping the heat exchange.

このように構成すると、改質ガスと第1の媒体との熱交換をし、第1の媒体と第2の媒体との熱交換をし、第2の媒体が燃料電池を加熱するので、燃料処理装置と共に燃料電池をも発電開始までに燃料電池を所定の温度に予熱することができ、燃料電池システムの起動時間が短い燃料電池発電システムの起動方法を提供することができる。   With this configuration, the heat exchange between the reformed gas and the first medium, the heat exchange between the first medium and the second medium, and the second medium heat the fuel cell. In addition to the processing device, the fuel cell can be preheated to a predetermined temperature before the start of power generation, and a startup method of the fuel cell power generation system with a short startup time of the fuel cell system can be provided.

以上のように本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池と;発生した水を回収水として回収し貯留する貯留装置と;原料燃料と、回収水又は空気とを供給して原料燃料を改質し、改質ガスを生成する改質部と、改質部9の周囲に形成され熱交換をする熱交換部と、改質部を加熱する加熱部と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスを生成する一酸化炭素低減部とを有する燃料処理装置と;回収水と燃料電池を予熱する予熱用水との熱交換を行う予熱用水加熱器と;貯留装置から、熱交換部と、予熱用水加熱器と、貯留装置に至る回収水の回収水循環流路と;燃料電池から、予熱用水加熱器と、燃料電池に至る予熱用水の予熱用水循環流路とを備えるので、改質部が回収水で冷却され過上昇せず、加熱部の熱と熱交換部を通過した回収水と、燃料電池を予熱する予熱用水とが熱交換を行うので、燃料処理装置と共に燃料電池をも発電開始までに所定の温度に予熱することができ、燃料電池システムの起動時間が短い燃料電池発電システムを提供することができる。   As described above, according to the present invention, a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas to generate water; a storage device that recovers and stores the generated water as recovered water; A reforming unit that reforms the raw material fuel by supplying fuel and recovered water or air to generate reformed gas, a heat exchange unit that is formed around the reforming unit 9 and exchanges heat, A fuel treatment device having a heating part for heating the heating part, and a carbon monoxide reduction part for reducing the carbon monoxide in the reformed gas to generate a fuel gas; and a preheating water for preheating the recovered water and the fuel cell A preheating water heater for performing heat exchange; a storage device, a heat exchanging unit, a preheating water heater, a recovered water circulation channel for recovered water reaching the storage device; a fuel cell, a preheating water heater, and a fuel cell The preheating water circulation path that leads to the Since the heat of the heating section and the recovered water that has passed through the heat exchange section and the preheating water that preheats the fuel cell exchange heat without excessive rise, the fuel cell together with the fuel processing device has a predetermined temperature before the start of power generation. Therefore, it is possible to provide a fuel cell power generation system that can be preheated to a short time and that has a short startup time.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、図1中、「a」を添えた符号及び「42A」、「42B」、「42C」は物を表し、これらの符号で示されるときに線は物の流れを、これらの符号を添えていない符号で示されるときに線は配管を表す。また、破線は、電気信号を表す。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In FIG. 1, the symbols with “a” and “42A”, “42B”, and “42C” represent objects, and when indicated by these symbols, the line indicates the flow of the object, and these symbols are appended. Lines represent piping when not indicated by a symbol. A broken line represents an electric signal.

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の模式的ブロック図である。燃料電池発電システム1は、燃料ガス3aと酸化剤ガス61aとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池30と、発生した水を回収水42aとして回収し貯留する貯留装置としての貯液部71と、都市ガス、LPG、消化ガス、メタノール、GTLや灯油のような原料燃料4aから水素に富む燃料ガス3aを生成する燃料処理装置7と、回収水42aと燃料電池30を予熱する予熱用水としての循環水24aとの熱交換を行う予熱用水加熱器としての循環水加熱器130と、貯液部71から燃料処理装置7の熱交換部としてのジャケット12と循環水加熱器130と貯液部71に至る回収水42aの回収水循環流路と、燃料電池30から循環水加熱器130と燃料電池30に至る予熱用水の予熱用水循環流路としての循環水循環流路とを備えている。   FIG. 1 is a schematic block diagram of a fuel cell power generation system 1 according to an embodiment of the present invention. The fuel cell power generation system 1 generates power by an electrochemical reaction between the fuel gas 3a and the oxidant gas 61a, and serves as a fuel cell 30 that generates water, and a storage device that recovers and stores the generated water as recovered water 42a. Preheating the liquid storage unit 71, the fuel treatment device 7 that generates the hydrogen-rich fuel gas 3a from the raw material fuel 4a such as city gas, LPG, digestion gas, methanol, GTL, and kerosene, the recovered water 42a, and the fuel cell 30 A circulating water heater 130 as a preheating water heater for exchanging heat with the circulating water 24a as the preheating water, and a jacket 12 and a circulating water heater 130 as a heat exchange section of the fuel processing device 7 from the liquid storage section 71. And a circulating water circulation channel as a preheating water circulation channel for preheating water from the fuel cell 30 to the circulating water heater 130 and the fuel cell 30. And a flow path.

燃料処理装置7は、原料燃料4aと、回収水42aとを供給して原料燃料4aを改質し、改質ガスを生成する改質部9と、改質部9の周囲に形成され熱交換をする熱交換部としてのジャケット12と、改質部9を加熱する加熱部としての燃焼部8と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガス3aを生成する一酸化炭素低減部14とを備えており、さらに不図示の原料燃料供給部と、燃焼空気供給部を備えている。   The fuel processing device 7 supplies the raw material fuel 4a and the recovered water 42a to reform the raw material fuel 4a, generates reformed gas, and heat exchange formed around the reforming unit 9. A jacket 12 as a heat exchanging part, a combustion part 8 as a heating part for heating the reforming part 9, and a carbon monoxide reducing part for reducing the carbon monoxide in the reformed gas to generate the fuel gas 3a 14, and further includes a raw material fuel supply unit (not shown) and a combustion air supply unit.

さらに、燃料電池発電システム1は、貯液部71と一体に構成され、回収水42aを循環して酸化剤ガス61aを加湿する酸化剤ガス加湿装置70と、貯液部71とジャケット12との間の回収水循環流路に配設され、回収水循環流路を分岐させる分岐手段としての分岐管135と、分岐管135から酸化剤ガス加湿装置70に至る流路としての回収水分岐流路41と、分岐管135とジャケット12との間の回収水循環流路に配設され、回収水循環流路を閉止する回収水循環流路閉止手段としての回収水閉止バルブ133を備える。なお、典型的には、酸化剤ガス加湿装置70と貯液部71とは一体となって気液接触塔170を構成している。   Further, the fuel cell power generation system 1 is configured integrally with the liquid storage unit 71, and includes an oxidant gas humidifier 70 that circulates the recovered water 42 a and humidifies the oxidant gas 61 a, and the liquid storage unit 71 and the jacket 12. A branch pipe 135 that is disposed in the recovered water circulation channel between the branch pipe 135 as a branching means for branching the recovered water circulation channel, and a recovered water branch channel 41 as a channel from the branch pipe 135 to the oxidant gas humidifier 70. A recovery water closing valve 133 is provided as a recovery water circulation channel closing means that is disposed in the recovery water circulation channel between the branch pipe 135 and the jacket 12 and closes the recovery water circulation channel. Typically, the oxidant gas humidifier 70 and the liquid storage part 71 constitute a gas-liquid contact tower 170 integrally.

またさらに、燃料電池発電システム1は、回収水42aと燃焼ガスとの熱交換を行う燃焼ガス熱交換器83と、燃料処理装置7から導入される燃料ガス3aと気液接触塔170から導入される酸化剤ガス61aと循環水循環流路を循環する循環水24aの三流体の熱交換をする燃料ガス熱交換器114と、循環水24aを冷却する循環水冷却器110と、循環水冷却器110で循環水24aと熱交換を行う排熱温水43aを貯留する貯湯タンク120と、燃料電池発電システム1の各部を制御する制御装置としての制御部18と、気液分離器45、55、89と、ブロワ84と、ポンプ82、85、108、125と、水処理装置86、93とを備えている。さらに、燃料ガス3aを燃料処理装置7の一酸化炭素低減部14から燃料ガス熱交換器114に導入する流路には、燃料ガス3aの流路を燃焼部8に至る流路に切り替える三方弁13とを備える。   Still further, the fuel cell power generation system 1 is introduced from a combustion gas heat exchanger 83 that performs heat exchange between the recovered water 42a and the combustion gas, a fuel gas 3a introduced from the fuel processing device 7, and a gas-liquid contact tower 170. A fuel gas heat exchanger 114 that exchanges heat between the three fluids of the oxidant gas 61a and the circulating water 24a that circulates in the circulating water circulation channel, the circulating water cooler 110 that cools the circulating water 24a, and the circulating water cooler 110. A hot water storage tank 120 for storing the exhaust heat hot water 43a that exchanges heat with the circulating water 24a, a control unit 18 that controls each part of the fuel cell power generation system 1, gas-liquid separators 45, 55, and 89, , A blower 84, pumps 82, 85, 108 and 125, and water treatment devices 86 and 93. Furthermore, a three-way valve for switching the flow path of the fuel gas 3a to the flow path leading to the combustion section 8 is provided in the flow path for introducing the fuel gas 3a from the carbon monoxide reduction section 14 to the fuel gas heat exchanger 114. 13.

燃料処理装置7の原料燃料供給部(不図示)は、都市ガス、LPG、消化ガス、メタノール、GTLや灯油のような原料燃料4aを定量的に供給するように構成されている。原料燃料4aを貯蔵するタンクを備えていてもよいし、原料燃料4aを系外から導入してもよい。都市ガスやLPGのように供給元の気体の圧力が高く維持されている場合には、流量調節弁を備える。供給元の圧力が高くない場合には、ブロワを備え、原料燃料を改質部9内へ供給するための圧力を確保する。また、GTLや灯油のように原料燃料4aが液体の場合には、定量ポンプを備えてもよいし、流量調節機能を有さないポンプと流量調節弁とを備えてもよい。   The raw material fuel supply unit (not shown) of the fuel processing device 7 is configured to quantitatively supply raw material fuel 4a such as city gas, LPG, digestion gas, methanol, GTL, and kerosene. A tank for storing the raw material fuel 4a may be provided, or the raw material fuel 4a may be introduced from outside the system. When the pressure of the gas at the supply source is kept high, such as city gas or LPG, a flow control valve is provided. When the pressure at the supply source is not high, a blower is provided to secure a pressure for supplying the raw material fuel into the reforming unit 9. Further, when the raw material fuel 4a is liquid like GTL or kerosene, a metering pump may be provided, or a pump and a flow rate adjusting valve that do not have a flow rate adjusting function may be provided.

燃焼空気供給部(不図示)は、燃焼部8での燃焼で消費される酸素を供給する装置である。ブロワにより大気を燃焼空気5aとして送り込む構成でよく、大気中の浮遊物の混入を防止するためのフィルターを有するのが好適である。また、燃焼空気5aの供給量を調整するための流量調整弁を有するのが好適である。なお、以下の説明では、特に断りのない限り2つの機器等が「接続される」とは、直接接続されている場合、配管を介して接続される場合をともに含むものとして説明する。   The combustion air supply unit (not shown) is a device that supplies oxygen consumed by combustion in the combustion unit 8. It may be configured to send the atmosphere as combustion air 5a by a blower, and it is preferable to have a filter for preventing contamination of suspended matters in the atmosphere. It is also preferable to have a flow rate adjustment valve for adjusting the supply amount of the combustion air 5a. In the following description, unless otherwise specified, “connected” means that the two devices and the like are “connected”, including the case where they are directly connected and the case where they are connected via piping.

燃焼部8は、原料燃料4a、一酸化炭素低減部14で生成される一酸化炭素低減ガスとしての燃料ガス3aであってガス中の一酸化炭素が充分に減じられずに一酸化炭素低減部14から送出される燃焼用ガス3a’あるいは後述する燃料電池30のアノード極のオフガスであるアノードオフガス21aを、燃焼空気5aと共に燃焼させて、改質部9を加熱するように構成されている。原料燃料4aが灯油などの液体であるときに備え、好適には気化器を有している。灯油、都市ガス、LPGなどの原料燃料4a、一酸化炭素低減部14から送出される燃焼用ガス3a’あるいはアノードオフガス21aと多種の燃料に対応できるバーナーノズルを有している。あるいはそれぞれ異なるバーナーノズルを有していてもよい。改質部9を加熱する装置であるので、改質部9と一体で形成されることが好ましく、改質部9の中央に配置され、燃焼部8で燃焼することにより周囲の改質部9を加熱する構成としてもよいし、燃焼部8で燃焼した高温ガスが改質部9の周囲に流れ改質部9を加熱する構成としてもよく、改質部9を加熱すればどのような構成であってもよい。   The combustion unit 8 is a fuel gas 3a as a carbon monoxide reduction gas generated by the raw material fuel 4a and the carbon monoxide reduction unit 14, and the carbon monoxide reduction unit without sufficiently reducing the carbon monoxide in the gas. Combustion gas 3 a ′ delivered from 14 or anode off gas 21 a which is an off-gas of the anode electrode of fuel cell 30 to be described later is burned together with combustion air 5 a to heat reforming section 9. In preparation for when the raw material fuel 4a is a liquid such as kerosene, it preferably has a vaporizer. It has a burner nozzle that can be used for various fuels such as kerosene, city gas, LPG and other raw material fuel 4a, combustion gas 3a 'delivered from the carbon monoxide reduction unit 14, or anode offgas 21a. Or you may have a different burner nozzle, respectively. Since it is a device for heating the reforming unit 9, it is preferably formed integrally with the reforming unit 9, disposed in the center of the reforming unit 9, and combusted in the combustion unit 8, thereby surrounding reforming units 9. The high temperature gas combusted in the combustion unit 8 may flow around the reforming unit 9 to heat the reforming unit 9, and any configuration as long as the reforming unit 9 is heated can be used. It may be.

燃焼部8は、典型的には、起動時に原料燃料4aあるいは一酸化炭素低減部14から送出される燃焼用ガス3a’を燃料として燃焼空気5aと共に燃焼させ、定格運転時にアノードオフガス21aを燃料として燃焼空気5aと共に燃焼させて改質部9を加熱するように構成されている。燃焼部8で燃焼した後の排ガスである燃焼ガス6aは、配管37を介して後述する燃焼ガス熱交換器83に導入される。また、燃料ガス3aの燃料電池30への供給と、燃焼用ガス3a’の燃焼部8への供給とが三方弁13によって適宜切り替えられるように構成されている。   The combustion section 8 typically burns the combustion gas 3a ′ delivered from the raw material fuel 4a or the carbon monoxide reduction section 14 together with the combustion air 5a at the time of start-up, and the anode offgas 21a as the fuel during rated operation. The reforming unit 9 is heated by burning together with the combustion air 5a. The combustion gas 6 a that is the exhaust gas after burning in the combustion unit 8 is introduced into the combustion gas heat exchanger 83 described later via the pipe 37. Further, the supply of the fuel gas 3 a to the fuel cell 30 and the supply of the combustion gas 3 a ′ to the combustion unit 8 are appropriately switched by the three-way valve 13.

三方弁13は、一つの入口部と二つの出口部を有し流路を切替える弁であり、ソレノイドあるいはモータ駆動により作動する構成ように構成されている。三方弁13には、後述する制御部18から送信される制御信号i1を伝達する信号ケーブルが配線され、三方弁13は、当該制御信号i1を受信し、作動するように構成されている。なお、切り替えるための手段は、三方弁ではなく、分岐管と仕切弁との組合せで構成してもよいが、三方弁とすると、場所をとらず燃料電池発電システム1を小型化することができる。   The three-way valve 13 has a single inlet and two outlets and switches the flow path, and is configured to operate by a solenoid or a motor drive. The three-way valve 13 is wired with a signal cable for transmitting a control signal i1 transmitted from a control unit 18 to be described later, and the three-way valve 13 is configured to receive the control signal i1 and operate. The means for switching may be configured by a combination of a branch pipe and a gate valve instead of a three-way valve. However, when the three-way valve is used, the fuel cell power generation system 1 can be downsized without taking up space. .

改質部9は、改質触媒(不図示)が充填された改質触媒充填層(不図示)とを含んで構成され、原料燃料4aと回収水42aから改質反応により水素に富む改質ガスを生成するように構成されている。改質反応は、高温下において改質触媒により原料燃料4a中の炭化水素と水分とから、水素と二酸化炭素、一酸化炭素を生成する反応である。改質反応は、吸熱反応であり、改質反応のために外部より熱を供給する必要がある。改質部9は、改質触媒を収容した略円筒形状とするのが、強度的にも製造上も好適である。ただし、高温に保つために、その内部に、略同軸に燃焼部8が配置されているとよい。   The reforming unit 9 includes a reforming catalyst packed bed (not shown) filled with a reforming catalyst (not shown), and reforming rich in hydrogen by a reforming reaction from the raw fuel 4a and the recovered water 42a. It is configured to generate gas. The reforming reaction is a reaction in which hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide are generated from hydrocarbon and moisture in the raw material fuel 4a by a reforming catalyst at a high temperature. The reforming reaction is an endothermic reaction, and it is necessary to supply heat from the outside for the reforming reaction. The reforming section 9 is preferably formed in a substantially cylindrical shape containing the reforming catalyst, in terms of strength and production. However, in order to maintain a high temperature, it is preferable that the combustion section 8 is disposed substantially coaxially within the interior.

改質触媒(不図示)は、改質反応を促進するものであれば何でもよく、例えば触媒の種類としてNi系改質触媒やRu系改質触媒などが用いられる。また、改質触媒の形状は、効率的に反応を行うために粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状とするとよい。   Any reforming catalyst (not shown) may be used as long as it promotes the reforming reaction. For example, a Ni-based reforming catalyst or a Ru-based reforming catalyst is used as the type of catalyst. In addition, the shape of the reforming catalyst is preferably a granular shape, a cylindrical shape, a honeycomb shape, or a monolith shape in order to perform the reaction efficiently.

ジャケット12は、改質部9の周囲に形成される。ジャケット12は、改質部9と改質部9の周囲に配設される隔壁とによって画成される空間に、回収水循環流路を循環する回収水42aが流れることで、改質部9との熱の授受を行わせて冷却するように構成されている。すなわち、ジャケット12が改質部9、典型的には改質ガスと回収水42aとの熱交換部となる。改質部9と回収水42aとの熱交換部をジャケットとすることで、製作が容易となり、かつ、回収水42aの圧力損失の増大も防げる。しかし、改質部9と回収水42aとの熱交換部はジャケットでなく、回収水42aが流れる配管を改質部9内に挿入してもよい。このように構成すると、改質触媒の温度分布が均一に成りやすい。改質部9は、循環する回収水42aと熱交換することで、過度に加熱されることが防止され、また、循環する回収水42aは、その温度が上昇する。   The jacket 12 is formed around the reforming unit 9. The jacket 12 has a structure in which the recovered water 42a circulating in the recovered water circulation passage flows in a space defined by the reforming section 9 and a partition wall disposed around the reforming section 9, It is configured to cool by allowing the heat to be transferred. That is, the jacket 12 becomes the reforming unit 9, typically a heat exchange unit between the reformed gas and the recovered water 42a. By using the heat exchange part between the reforming part 9 and the recovered water 42a as a jacket, the manufacture becomes easy and an increase in pressure loss of the recovered water 42a can be prevented. However, the heat exchange unit between the reforming unit 9 and the recovered water 42 a is not a jacket, and a pipe through which the recovered water 42 a flows may be inserted into the reforming unit 9. With this configuration, the temperature distribution of the reforming catalyst tends to be uniform. The reforming unit 9 is prevented from being heated excessively by exchanging heat with the circulating recovered water 42a, and the temperature of the circulating recovered water 42a rises.

一酸化炭素低減部14は、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガス3aを生成するように構成されている。一酸化炭素低減部14は、典型的には、改質ガス中の一酸化炭素を変成する変成触媒を充填した変成触媒充填層(不図示)を有する変成部10と、前記改質ガス中の前記一酸化炭素を除去する選択酸化触媒を充填した選択酸化触媒充填層(不図示)を有する選択酸化部11とを含んで構成される。   The carbon monoxide reduction unit 14 is configured to reduce the carbon monoxide in the reformed gas and generate the fuel gas 3a. The carbon monoxide reduction unit 14 typically includes a shift unit 10 having a shift catalyst packed bed (not shown) filled with a shift catalyst that converts carbon monoxide in the reformed gas, and the reformed gas in the reformed gas. And a selective oxidation unit 11 having a selective oxidation catalyst packed layer (not shown) filled with a selective oxidation catalyst for removing the carbon monoxide.

変成部10は、一酸化炭素低減部14の前段部として、改質ガス中の一酸化炭素を改質ガス中の水分との変成反応により二酸化炭素と水素とに分解するように構成されている。変成反応は、発熱反応であり、反応温度を低くすれば、変成後の一酸化炭素濃度が低くなるが、反応速度は遅くなる。   The shift unit 10 is configured to decompose carbon monoxide in the reformed gas into carbon dioxide and hydrogen by a shift reaction with moisture in the reformed gas as a front stage of the carbon monoxide reducing unit 14. . The modification reaction is an exothermic reaction. If the reaction temperature is lowered, the carbon monoxide concentration after modification is lowered, but the reaction rate is lowered.

変成触媒は、典型的には、鉄Fe−クロムCr系高温変成触媒、プラチナPt系中高温変成触媒、銅Cu−亜鉛Zn系低温変成触媒などが用いられる。変成部10は、典型的には全体として略円筒形をしている。触媒の形状としては、粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状などが挙げられる。なおここで、変成部10により改質ガス中の一酸化炭素を低減したガスを、特に断りのない限り変成ガスという。   As the shift catalyst, typically, an iron Fe-chromium Cr-based high-temperature shift catalyst, a platinum Pt-based medium-high-temperature shift catalyst, a copper Cu-zinc Zn-based low-temperature shift catalyst, or the like is used. The metamorphic portion 10 typically has a generally cylindrical shape as a whole. Examples of the shape of the catalyst include a granular shape, a columnar shape, a honeycomb shape, and a monolith shape. Here, a gas in which carbon monoxide in the reformed gas is reduced by the shift unit 10 is referred to as a shift gas unless otherwise specified.

選択酸化部11は、一酸化炭素低減部14の後段部として、変成ガス中の一酸化炭素を外部より供給される空気中の酸素との一酸化炭素選択酸化反応により、さらに低減・除去するように構成されている。燃料電池30として、固体高分子型燃料電池を用いると、燃料ガス3a中の一酸化炭素により、アノード極(燃料極)32のプラチナPt触媒が被毒し、発電効率の低下が起こるという問題がある。そこで、一酸化炭素に対する選択酸化性が高い選択酸化触媒を用いて、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する。   The selective oxidation unit 11 is used as a rear stage of the carbon monoxide reduction unit 14 to further reduce and remove carbon monoxide in the shift gas by a carbon monoxide selective oxidation reaction with oxygen in the air supplied from the outside. It is configured. When a polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 30, the platinum Pt catalyst of the anode electrode (fuel electrode) 32 is poisoned by the carbon monoxide in the fuel gas 3a, resulting in a decrease in power generation efficiency. is there. Therefore, carbon monoxide is oxidized to carbon dioxide using a selective oxidation catalyst having high selective oxidizability for carbon monoxide.

選択酸化触媒は、一酸化炭素に対する選択酸化性が高いものであれば何でもよく、例えばPt系選択酸化触媒、Ru系選択酸化触媒やPt−Ru系選択酸化触媒などが用いられる。触媒の形状として粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状などが挙げられる。ここで、変成ガス及び選択酸化部11により変成ガス中の一酸化炭素をさらに低減・除去した選択酸化ガスを、特に断りのない限り広義に一酸化炭素低減ガスといい、本実施の形態では、燃料電池30等の燃料ガス3aとして用いている。   The selective oxidation catalyst is not particularly limited as long as it has a high selective oxidation property with respect to carbon monoxide. For example, a Pt-based selective oxidation catalyst, a Ru-based selective oxidation catalyst, a Pt-Ru-based selective oxidation catalyst, or the like is used. Examples of the shape of the catalyst include a granular shape, a cylindrical shape, a honeycomb shape, and a monolith shape. Here, the selective oxidation gas obtained by further reducing / removing carbon monoxide in the conversion gas by the conversion gas and the selective oxidation unit 11 is referred to as a carbon monoxide reduction gas in a broad sense unless otherwise specified. It is used as fuel gas 3a for the fuel cell 30 or the like.

なお、本実施の形態では、燃料処理装置7は、変成部10と選択酸化部11とを備え、一酸化炭素を低減しているが、いずれか一つだけを備える構成としても、一酸化炭素濃度が低減されればよい。ただし、変成部10と選択酸化部11とを備えることにより、変成部10で、一酸化炭素濃度が低減させられると共に、燃料としての水素濃度が高められ、さらに、選択酸化部11で一酸化炭素濃度が充分に低下させられるので、好適である。   In the present embodiment, the fuel processor 7 includes the shift unit 10 and the selective oxidation unit 11 to reduce carbon monoxide. However, the carbon monoxide may be configured to include only one of them. It is sufficient if the concentration is reduced. However, by providing the shift conversion unit 10 and the selective oxidation unit 11, the concentration of carbon monoxide is reduced in the shift conversion unit 10, and the hydrogen concentration as fuel is increased. This is preferable because the concentration can be lowered sufficiently.

改質部9と、変成部10に、それぞれ内部の温度を検知する改質部温度検知器15、変成部温度検知器16が備えられている。改質部温度検知器15、変成部温度検知器16は、例えば熱電対、サーミスタ、赤外式温度計等を用いられる。改質部温度検知器15、変成部温度検知器16には、それぞれ検知した温度を改質部温度信号i2、変成部温度信号i3として制御部18に伝達する信号ケーブルが配線され、改質部温度検知器15、変成部温度検知器16は、当該改質部温度信号i2、変成部温度信号i3を制御部18に送信するように構成されている。   The reforming unit 9 and the shift unit 10 are provided with a reforming unit temperature detector 15 and a shift unit temperature detector 16 for detecting the internal temperature, respectively. For example, a thermocouple, a thermistor, an infrared thermometer, or the like is used as the reforming unit temperature detector 15 and the transformation unit temperature detector 16. The reforming unit temperature detector 15 and the transformation unit temperature detector 16 are wired with signal cables that transmit the detected temperatures to the control unit 18 as the reforming unit temperature signal i2 and the transformation unit temperature signal i3, respectively. The temperature detector 15 and the shift section temperature detector 16 are configured to transmit the reforming section temperature signal i2 and the shift section temperature signal i3 to the control section 18.

燃料処理装置7で生成された燃料ガス3aは、選択酸化部11と後述する燃料ガス熱交換器114とを接続する配管38を介して燃料ガス熱交換器114に導入され、次段の燃料電池30の燃料ガス3aとして供給される。なお、前述した、三方弁13は、この配管38上に配設されている。   The fuel gas 3a generated by the fuel processing device 7 is introduced into the fuel gas heat exchanger 114 via a pipe 38 connecting the selective oxidation unit 11 and a fuel gas heat exchanger 114 described later, and the next stage fuel cell. 30 fuel gas 3a is supplied. The three-way valve 13 described above is disposed on the pipe 38.

燃料電池30は、例えば積層型の固体高分子型燃料電池を使用することができ、循環水流路31と燃料極32と空気極33とを有する。燃料極32には、燃料処理装置7で生成され、燃料ガス熱交換器114を経て供給される燃料ガス3aを導入するノズル(不図示)と、燃料ガス3aのオフガスであるアノードオフガス21aを排出するノズル(不図示)が配置される。空気極33には、気液接触塔170から燃料ガス熱交換器114を経て送出される酸化剤ガス61aを導入するノズル(不図示)と、酸化剤ガス61aのオフガスであるカソードオフガス22aを排出するノズル(不図示)が配置される。循環水流路31には、ポンプ108から圧送されて燃料ガス熱交換器114を経て供給される循環水24aを導入するノズル(不図示)と、循環水24aを流出するノズル(不図示)が配置される。燃料電池30は、各ノズル(不図示)に配管を接続することで、各部と接続している。   As the fuel cell 30, for example, a stacked polymer electrolyte fuel cell can be used, and has a circulating water flow path 31, a fuel electrode 32, and an air electrode 33. A nozzle (not shown) for introducing the fuel gas 3a generated by the fuel processing device 7 and supplied via the fuel gas heat exchanger 114 and an anode offgas 21a that is an offgas of the fuel gas 3a are discharged to the fuel electrode 32. A nozzle (not shown) is arranged. A nozzle (not shown) for introducing an oxidant gas 61a sent from the gas-liquid contact tower 170 via the fuel gas heat exchanger 114 and a cathode offgas 22a which is an offgas of the oxidant gas 61a are discharged to the air electrode 33. A nozzle (not shown) is arranged. A nozzle (not shown) for introducing the circulating water 24a pumped from the pump 108 and supplied via the fuel gas heat exchanger 114 and a nozzle (not shown) for discharging the circulating water 24a are arranged in the circulating water flow path 31. Is done. The fuel cell 30 is connected to each part by connecting piping to each nozzle (not shown).

燃料電池30は、燃料ガス3aと酸化剤ガス61aとの電気化学的反応により電力を出力し、水を発生する。この電気化学的反応は、発熱反応であり、冷却するために循環水24aが導入されている。   The fuel cell 30 outputs electric power by the electrochemical reaction between the fuel gas 3a and the oxidant gas 61a to generate water. This electrochemical reaction is an exothermic reaction, and circulating water 24a is introduced for cooling.

また、固体高分子型燃料電池を用いる場合には、プロトン交換膜(不図示)の電気伝導度を高く維持するために、燃料極32に供給する燃料ガス3aと空気極33に供給する酸化剤ガス61aを所定の露点まで加湿する必要がある。使用する燃料電池の作動温度等運転条件によって変わるが、要求される燃料ガス3aの露点は50〜80℃の範囲であるのが一般的であり、要求される酸化剤ガス61aの露点は50〜80℃の範囲であるのが一般的である。   When a polymer electrolyte fuel cell is used, the oxidant supplied to the fuel electrode 3a and the air electrode 33 is supplied to the fuel electrode 32 in order to maintain high electrical conductivity of the proton exchange membrane (not shown). It is necessary to humidify the gas 61a to a predetermined dew point. The required dew point of the fuel gas 3a is generally in the range of 50 to 80 ° C., depending on the operating conditions such as the operating temperature of the fuel cell to be used, and the required dew point of the oxidant gas 61a is 50 to 50 ° C. Generally, it is in the range of 80 ° C.

燃料電池30の循環水流路31には循環水24aが流れるように構成されている。燃料電池30の燃料極32から排出されたアノードオフガス21aは、前述したように、燃焼部8に導入され、定格運転時には燃焼燃料として用いられる。燃料電池30の空気極33から排出されたカソードオフガス22aと、燃料処理装置7から排出された燃焼ガス6aとは混合し、加熱ガスとしての混合ガス63aとなり、配管37を介して燃焼ガス熱交換器83に導入される。   The circulating water flow path 31 of the fuel cell 30 is configured so that the circulating water 24a flows. As described above, the anode off-gas 21a discharged from the fuel electrode 32 of the fuel cell 30 is introduced into the combustion unit 8 and used as combustion fuel during rated operation. The cathode off-gas 22a discharged from the air electrode 33 of the fuel cell 30 and the combustion gas 6a discharged from the fuel processing device 7 are mixed to form a mixed gas 63a as a heating gas, and combustion gas heat exchange is performed via the pipe 37. Introduced into the vessel 83.

燃焼ガス熱交換器83は、混合ガス63aである気体と回収水42aである液体との顕熱および潜熱の一部を熱交換をするように構成されており、プレート型熱交換器が好適に用いられる。あるいは、多管式熱交換器が好適に用いられる。更に好適には、混合ガス63aの流路にフィンを備えた多管式熱交換器が用いられる。燃焼ガス熱交換器83で、混合ガス63aと回収水42aとが熱交換することで回収水42aは昇温される。   The combustion gas heat exchanger 83 is configured to exchange a part of sensible heat and latent heat between the gas that is the mixed gas 63a and the liquid that is the recovered water 42a, and a plate heat exchanger is preferable. Used. Alternatively, a multitubular heat exchanger is preferably used. More preferably, a multitubular heat exchanger having fins in the flow path of the mixed gas 63a is used. The temperature of the recovered water 42a is increased by heat exchange between the mixed gas 63a and the recovered water 42a in the combustion gas heat exchanger 83.

燃焼ガス熱交換器83の混合ガス63aの出口からは、気液分離器89を経て系外102へ至る配管40が接続され、気液分離器89で水分が回収される。気液分離器89で混合ガス63aから水分が回収された残りの排ガス64aは、配管40により系外102へ放出される。   From the outlet of the mixed gas 63 a of the combustion gas heat exchanger 83, a pipe 40 is connected to the outside of the system 102 through the gas-liquid separator 89, and moisture is recovered by the gas-liquid separator 89. The remaining exhaust gas 64 a from which moisture has been recovered from the mixed gas 63 a by the gas-liquid separator 89 is discharged to the outside of the system 102 through the pipe 40.

気液分離器89は、混合ガス63aと混合ガス63a中に含まれる凝縮した水とを分離し、当該分離された水は、回収水42Cとして気液接触塔170の貯液部71へ送出され、該貯液部71で回収水42aとして貯留される。   The gas-liquid separator 89 separates the mixed gas 63a and the condensed water contained in the mixed gas 63a, and the separated water is sent to the liquid storage unit 71 of the gas-liquid contact tower 170 as recovered water 42C. The liquid storage unit 71 stores the recovered water 42a.

ここで、燃焼ガス熱交換器83の下流側で気液分離器89の上流側に接続された(一点鎖線矢印にて図示)冷却器100を追加することにより、排ガス64aとして系外102に排出される混合ガス63aの熱および水分をさらに回収することもできる。   Here, by adding a cooler 100 connected to the upstream side of the gas-liquid separator 89 on the downstream side of the combustion gas heat exchanger 83 (illustrated by a one-dot chain line arrow), the exhaust gas 64a is discharged to the outside of the system 102. Further, the heat and moisture of the mixed gas 63a can be recovered.

循環水流路31の先は、燃料電池30の循環水24aを流出するノズル(不図示)から順に、回収水42aと循環水24aとの熱交換を行う循環水加熱器130、循環水24aと冷媒流体、典型的には熱を回収する冷媒流体との熱交換を行う循環水冷却器110、ポンプ108、燃料ガス熱交換器114を経て、再び循環水流路31に接続される。このように、循環水流路31から循環水加熱器130、循環水冷却器110、ポンプ108、燃料ガス熱交換器114を経て循環水流路31に循環する循環水42aの循環水循環経路が構成される。   At the tip of the circulating water flow path 31, the circulating water heater 130 that performs heat exchange between the recovered water 42a and the circulating water 24a, the circulating water 24a, and the refrigerant in order from a nozzle (not shown) that flows out the circulating water 24a of the fuel cell 30. It is connected to the circulating water flow path 31 again via a circulating water cooler 110 that performs heat exchange with a fluid, typically a refrigerant fluid that recovers heat, a pump 108, and a fuel gas heat exchanger 114. In this way, a circulating water circulation path of the circulating water 42a that circulates from the circulating water flow path 31 to the circulating water flow path 31 through the circulating water heater 130, the circulating water cooler 110, the pump 108, and the fuel gas heat exchanger 114 is configured. .

循環水加熱器130は、起動時に、改質部9のジャケット12で改質部9と熱交換することで温度が上昇した回収水42aと循環水24aとの熱交換を行うように構成されており、温度差の比較的小さな液体同士で熱交換を行うためにプレート型熱交換器が好適に用いられる。あるいは、多管式熱交換器が好適に用いられる。循環水24aは、循環水加熱器130で回収水42aと熱交換することで、その温度が上昇する。起動時に、当該循環水加熱器130で温度が上昇した循環水24aによって、燃料電池30を所定の温度まで予熱するように構成されている。   The circulating water heater 130 is configured to perform heat exchange between the recovered water 42a and the circulating water 24a whose temperature has been increased by exchanging heat with the reforming unit 9 using the jacket 12 of the reforming unit 9 at the time of startup. In order to exchange heat between liquids having a relatively small temperature difference, a plate heat exchanger is preferably used. Alternatively, a multitubular heat exchanger is preferably used. The temperature of the circulating water 24a is increased by exchanging heat with the recovered water 42a by the circulating water heater 130. At the time of start-up, the fuel cell 30 is configured to be preheated to a predetermined temperature by the circulating water 24a whose temperature has been increased by the circulating water heater 130.

循環水冷却器110は、貯湯タンク120に貯えられ、ポンプ125によって昇圧されて送出される冷媒流体としての排熱温水43aと、循環水24aとを熱交換する熱交換器であり、温度差の比較的小さな液体同士で熱交換を行うためにプレート型熱交換器が好適に用いられる。循環水冷却器110により、排熱温水43aは加熱され、循環水24aは冷却される。すなわち、排熱温水43aにより循環水24a中の排熱を回収する。これにより、定格運転時には、循環水24aは所定の温度に維持される。また、循環水冷却器110の排熱温水43aの出口ノズル(不図示)は、貯湯タンク120に接続され、排熱温水43aが排熱を回収した後に貯湯タンク120に貯留されることにより、排熱は貯湯タンク120に回収熱として貯えられる。すなわち、排熱温水43aは、ポンプ125、貯湯タンク120、循環水冷却器110間を循環する。   The circulating water cooler 110 is a heat exchanger for exchanging heat between the exhaust hot water 43a as the refrigerant fluid stored in the hot water storage tank 120 and pressurized and sent out by the pump 125, and the circulating water 24a. A plate-type heat exchanger is preferably used in order to exchange heat between relatively small liquids. The circulating water cooler 110 heats the exhaust heat hot water 43a and cools the circulating water 24a. That is, the exhaust heat in the circulating water 24a is recovered by the exhaust heat hot water 43a. Thereby, the circulating water 24a is maintained at a predetermined temperature during rated operation. The outlet nozzle (not shown) of the exhaust hot water 43a of the circulating water cooler 110 is connected to the hot water storage tank 120, and the exhaust heat hot water 43a collects the exhaust heat and is stored in the hot water storage tank 120. The heat is stored in the hot water storage tank 120 as recovered heat. That is, the exhaust heat hot water 43 a circulates between the pump 125, the hot water storage tank 120, and the circulating water cooler 110.

ポンプ125には、制御部18から送信されるポンプ制御信号i4を伝達する信号ケーブルが配線され、ポンプ125は、当該ポンプ制御信号i4を受信し、排熱温水43aの循環水冷却器110への循環開始、停止を行うように構成されている。   A signal cable for transmitting a pump control signal i4 transmitted from the control unit 18 is wired to the pump 125. The pump 125 receives the pump control signal i4 and supplies the exhaust heat hot water 43a to the circulating water cooler 110. It is configured to start and stop circulation.

なお、貯湯タンク120には、排熱温水43aを供給又は循環させることにより系外の熱需要に熱を供給する装置(不図示)が接続されている。例えば、貯湯タンク120に貯留される排熱温水43aが系外に循環し、排熱を供給した後に、貯湯タンク120に戻される。すなわち、排熱温水43aに回収された排熱が、熱源として有効利用される。   The hot water storage tank 120 is connected to a device (not shown) that supplies heat to the heat demand outside the system by supplying or circulating the exhaust hot water 43a. For example, the waste heat hot water 43 a stored in the hot water storage tank 120 circulates outside the system and supplies the exhaust heat, and then is returned to the hot water storage tank 120. That is, the exhaust heat recovered in the exhaust heat hot water 43a is effectively used as a heat source.

典型的には定格運転時に、ポンプ125を作動させることで排熱温水43aを循環し、当該循環水冷却器110で温度が低下した循環水24aによって、燃料ガス3aと酸化剤ガス61aとの電気化学的反応により発生した熱を吸収して、燃料電池30を冷却するように構成されている。   Typically, during rated operation, the pump 125 is operated to circulate the exhaust heat hot water 43a, and the circulating water 24a whose temperature has been lowered by the circulating water cooler 110 causes the electric power between the fuel gas 3a and the oxidant gas 61a. The fuel cell 30 is cooled by absorbing heat generated by a chemical reaction.

すなわち、燃料電池発電システム1では、循環水24aは、起動時に、当該循環水加熱器130で温度が上昇した循環水24aによって、燃料電池30を所定の温度まで予熱し、燃料電池30が一定量の電力を発電する定格運転時には、燃料ガス3aと酸化剤ガス61aとの電気化学的反応により発生した熱を吸収して、燃料電池30を冷却するように構成されている。   That is, in the fuel cell power generation system 1, the circulating water 24a preheats the fuel cell 30 to a predetermined temperature by the circulating water 24a whose temperature has been increased by the circulating water heater 130 at the time of startup, and the fuel cell 30 has a certain amount. During the rated operation for generating the electric power, the fuel cell 30 is cooled by absorbing the heat generated by the electrochemical reaction between the fuel gas 3a and the oxidant gas 61a.

ポンプ108は、循環水24aを圧送して循環させるもので、循環水冷却器110と燃料ガス熱交換器114との間でなくても、循環する循環水24aの経路上に配置されればよい。ポンプ108には、制御部18から送信されるポンプ制御信号i8を伝達する信号ケーブルが配線され、ポンプ108は、当該ポンプ制御信号i8を受信し、循環水24aの循環水循環流路での循環開始、停止を行うように構成されている。   The pump 108 pumps and circulates the circulating water 24a, and may be arranged on the path of the circulating water 24a that circulates, not between the circulating water cooler 110 and the fuel gas heat exchanger 114. . The pump 108 is wired with a signal cable for transmitting a pump control signal i8 transmitted from the control unit 18, and the pump 108 receives the pump control signal i8 and starts circulating the circulating water 24a in the circulating water circulation passage. Configured to stop.

燃料ガス熱交換器114は、燃料電池30の循環水流路31から排出される循環水24aと、気液接触装置170から送出される酸化剤ガス61aとを熱交換し、さらに循環水24aと、燃料処理装置7から送出される燃料ガス3aとを熱交換する3流体の熱交換器であって、多管式熱交換器が好適に用いられる。更に好適には、気体である酸化剤ガス61aと燃料ガス3aとの流路にフィンを設けた管を備える多管式熱交換器とする。あるいは、3重管型熱交換器も好適に用いられる。燃料ガス熱交換器114では、燃料ガス3aは循環水24aで冷却され、酸化剤ガス61aも循環水24aで冷却される。   The fuel gas heat exchanger 114 exchanges heat between the circulating water 24a discharged from the circulating water passage 31 of the fuel cell 30 and the oxidant gas 61a delivered from the gas-liquid contact device 170, and further, the circulating water 24a, A three-fluid heat exchanger for exchanging heat with the fuel gas 3a delivered from the fuel processing device 7 is preferably used. More preferably, a multi-tube heat exchanger including a pipe provided with fins in the flow path between the oxidizing gas 61a, which is a gas, and the fuel gas 3a is used. Alternatively, a triple tube heat exchanger is also preferably used. In the fuel gas heat exchanger 114, the fuel gas 3a is cooled by the circulating water 24a, and the oxidant gas 61a is also cooled by the circulating water 24a.

燃料ガス熱交換器114の燃料ガス3aの出口ノズル(不図示)は、気液分離器45を経て、燃料電池30の燃料極32に接続される。燃料ガス熱交換器114の酸化剤ガス61aの出口ノズル(不図示)は、気液分離器55を経て、燃料電池30の空気極33に接続される。燃料ガス熱交換器114の循環水24aの出口ノズル(不図示)は、燃料電池30の循環水流路31に接続される。   An outlet nozzle (not shown) of the fuel gas 3 a of the fuel gas heat exchanger 114 is connected to the fuel electrode 32 of the fuel cell 30 via the gas-liquid separator 45. The outlet nozzle (not shown) of the oxidant gas 61 a of the fuel gas heat exchanger 114 is connected to the air electrode 33 of the fuel cell 30 via the gas-liquid separator 55. An outlet nozzle (not shown) of the circulating water 24 a of the fuel gas heat exchanger 114 is connected to the circulating water passage 31 of the fuel cell 30.

循環水冷却器110とポンプ108との間の循環水循環流路には、循環水冷却器110と燃料電池30との間の循環水24aの温度を検知する循環水温度検知器17が配設されている。循環水温度検知器17は、改質部温度検知器15等と同様の構成であり、検知した温度を循環水温度信号i5として制御部18に伝達する信号ケーブルが配線され、循環水温度信号i5を制御部18に送信するように構成されている。   A circulating water temperature detector 17 that detects the temperature of the circulating water 24 a between the circulating water cooler 110 and the fuel cell 30 is disposed in the circulating water circulation passage between the circulating water cooler 110 and the pump 108. ing. The circulating water temperature detector 17 has the same configuration as the reforming unit temperature detector 15 and the like, and is wired with a signal cable for transmitting the detected temperature as the circulating water temperature signal i5 to the control unit 18, and the circulating water temperature signal i5. Is transmitted to the control unit 18.

気液分離器45は、燃料ガス熱交換器114によって冷却された燃料ガス3a中の水分を分離する装置で、分離された水を回収水42Aとして気液接触塔170に導入する配管が接続される。気液分離器55は、気液接触塔170からブロワ84によって送出される酸化剤ガス61a中の水分を分離する装置で、分離された水を回収水42Bとして気液接触塔170に導入する配管が接続される。回収水42Aとして気液接触塔170に導入する配管が接続される。回収水42A、回収水42Bはともに、気液接触塔170の貯液部71へ送出され、貯液部71で前述した回収水42Cと同様に回収水42aとして貯留される。   The gas-liquid separator 45 is a device that separates moisture in the fuel gas 3a cooled by the fuel gas heat exchanger 114, and is connected to a pipe for introducing the separated water into the gas-liquid contact tower 170 as recovered water 42A. The The gas-liquid separator 55 is a device that separates moisture in the oxidant gas 61a delivered from the gas-liquid contact tower 170 by the blower 84, and is a pipe that introduces the separated water into the gas-liquid contact tower 170 as recovered water 42B. Is connected. A pipe to be introduced into the gas-liquid contact tower 170 as the recovered water 42A is connected. Both the recovered water 42A and the recovered water 42B are sent to the liquid storage part 71 of the gas-liquid contact tower 170 and stored as recovered water 42a in the liquid storage part 71 in the same manner as the recovery water 42C described above.

気液接触塔170は、回収水42aを循環して酸化剤ガス61aを加湿する酸化剤ガス加湿装置70と回収水42aを貯留する貯液部71を含んで構成されている。   The gas-liquid contact tower 170 includes an oxidant gas humidifier 70 that circulates the recovered water 42a to humidify the oxidant gas 61a and a liquid storage unit 71 that stores the recovered water 42a.

気液接触塔170は、その下部に、気液分離器45、55、89から送出された回収水42A、42B、42Cが導入される回収水入口73と、導入された回収水42A、42B、42Cを回収水42aとして貯留する貯液部71と、ポンプ82、85によって回収水42aが外に向けて吸引される回収水吸引口74と、所定の水位レベルを超える回収水42aが溢れ出て流れ込む溢流管75と、回収水42aが溢流管75に溢れて流れ込む溢流口76とを有し、酸化剤ガス61aが入り込む酸化剤ガス入口72を溢流口76の上方に有する。所定の水位レベルとは、溢流口76が設定された水位レベルである。回収水42aは溢流管75から気液接触塔170の系外に流れ出る。なお、本実施の形態で例示する酸化剤ガス入口72は、大気開放されており、大気中の空気を酸化剤ガス61aとして用いる。   The gas-liquid contact tower 170 has a recovery water inlet 73 into which the recovered water 42A, 42B, 42C sent from the gas-liquid separators 45, 55, 89 are introduced, and the recovered water 42A, 42B, Liquid storage unit 71 storing 42C as recovered water 42a, recovered water suction port 74 through which recovered water 42a is sucked outward by pumps 82 and 85, and recovered water 42a exceeding a predetermined water level overflow. The overflow pipe 75 flows in, and the overflow port 76 into which the recovered water 42 a flows into the overflow pipe 75 flows. The oxidant gas inlet 72 into which the oxidant gas 61 a enters is located above the overflow port 76. The predetermined water level is a water level at which the overflow port 76 is set. The recovered water 42a flows out of the system of the gas-liquid contact tower 170 from the overflow pipe 75. Note that the oxidant gas inlet 72 exemplified in this embodiment is open to the atmosphere, and air in the atmosphere is used as the oxidant gas 61a.

気液接触塔170は、その上部に、酸化剤ガス61aが燃料ガス熱交換器114に向けて流れ出る酸化剤ガス出口77と、貯液部71から導出され、燃焼ガス熱交換器83を循環し昇温された回収水42aが注入される回収水注入口78と、回収水注入口78に注入された回収水42aを細かい水滴として気液接触塔170内に撒き散らす水分散器79とを有する酸化剤ガス加湿装置70を備える。また、上部に配置する水分散器79と酸化剤ガス出口77との間に、デミスタ91が設けられる。デミスタ91により、上昇する酸化剤ガス61aに随伴したミストが除去される。   The gas-liquid contact tower 170 is led from the oxidant gas outlet 77 through which the oxidant gas 61 a flows out toward the fuel gas heat exchanger 114 and the liquid storage unit 71, and circulates through the combustion gas heat exchanger 83. A recovered water inlet 78 into which the recovered water 42a having been heated is injected, and a water disperser 79 that scatters the recovered water 42a injected into the recovered water inlet 78 into the gas-liquid contact tower 170 as fine water droplets. An oxidant gas humidifier 70 is provided. In addition, a demister 91 is provided between the water disperser 79 and the oxidant gas outlet 77 disposed in the upper part. The mist accompanying the rising oxidant gas 61a is removed by the demister 91.

気液接触塔170は、その上部と下部の間に、注入された回収水42aと酸化剤ガス61aとの気液接触を促進するための充填物を充填した充填部80と、充填部80を支持する充填物支持板81とを有する。   The gas-liquid contact tower 170 includes a filling unit 80 filled with a filling for promoting gas-liquid contact between the injected recovered water 42a and the oxidant gas 61a between an upper part and a lower part, and a filling part 80. And a filling support plate 81 for supporting.

気液接触塔170の酸化剤ガス出口77には、酸化剤ガス61aを燃料電池30に圧送するブロワ84が接続される。ブロワ84により気液接触塔170内の酸化剤ガス61aが吸引される。酸化剤ガス入口72から吸引された酸化剤ガス61aと、回収水注入口78から注入された回収水42aとは、充填部80にて向流接触することにより、酸化剤ガス61aが昇温された回収水42aによって洗浄されると共に、昇温及び加湿される。ブロワ84の出口は、燃料ガス熱交換器114に接続されており、酸化剤ガス出口77から導出される酸化剤ガス61aは燃料ガス熱交換器114に供給される。   A blower 84 that pumps the oxidant gas 61 a to the fuel cell 30 is connected to the oxidant gas outlet 77 of the gas-liquid contact tower 170. The oxidant gas 61 a in the gas-liquid contact tower 170 is sucked by the blower 84. The oxidant gas 61a sucked from the oxidant gas inlet 72 and the recovered water 42a injected from the recovered water injection port 78 are brought into countercurrent contact at the filling unit 80, whereby the temperature of the oxidant gas 61a is increased. The recovered water 42a is washed and the temperature is raised and humidified. The outlet of the blower 84 is connected to the fuel gas heat exchanger 114, and the oxidant gas 61 a led out from the oxidant gas outlet 77 is supplied to the fuel gas heat exchanger 114.

定格運転時では、気液接触塔170で水蒸気飽和またはそれに近い状態とされた酸化剤ガス61aは、燃料ガス熱交換器114で循環水24aにより冷却され、その結果として温度が下がり相対湿度が上がることになる。また、燃料ガス3aも同様に、燃料処理装置7から導出される際には、高温で湿度も高い状態となっており、燃料ガス熱交換器114で循環水24aにより冷却され、その結果として温度が下がり相対湿度が上がることになる。すなわち、酸化剤ガス61a、燃料ガス3aは、水蒸気飽和またはそれに近い状態になる。このような相対湿度が高い(湿った)燃料ガス3a、酸化剤ガス61aが燃料電池30に供給されると、燃料電池30の固体高分子膜は電気抵抗が上昇することによる発電効率の低下を招くことがなく、また、固体高分子膜が損傷を受け寿命が短くなる恐れがなくなる。   During the rated operation, the oxidant gas 61a that has been saturated or close to water vapor in the gas-liquid contact tower 170 is cooled by the circulating water 24a in the fuel gas heat exchanger 114, resulting in a decrease in temperature and an increase in relative humidity. It will be. Similarly, when the fuel gas 3a is derived from the fuel processing device 7, it is in a high temperature and high humidity state, and is cooled by the circulating water 24a in the fuel gas heat exchanger 114. As a result, the temperature Will decrease and the relative humidity will increase. That is, the oxidant gas 61a and the fuel gas 3a are saturated with water vapor or close to it. When the fuel gas 3a and the oxidant gas 61a having such a high relative humidity (wet) are supplied to the fuel cell 30, the solid polymer film of the fuel cell 30 has a decrease in power generation efficiency due to an increase in electrical resistance. In addition, there is no possibility that the solid polymer film is damaged and its life is shortened.

また、ブロワ84による酸化剤ガス61aの昇圧の結果、酸化剤ガス61aの露点が上昇する。例えば、ブロワ84による酸化剤ガス61aの圧力上昇を12kPaとして、酸化剤ガス出口77における酸化剤ガス61aの露点が50℃の場合は、酸化剤ガス61aの露点が約2℃上昇し約52℃になる。よって、酸化剤ガス61aの達成すべき露点が一定の場合、酸化剤ガス61aのブロワ84を気液接触塔170の下流側に配置することにより、気液接触塔170の加湿負荷を軽減し、気液接触塔170をコンパクト化することができる。また、ブロワ84を酸化剤ガス入口72側に配置した場合と違って、気液接触塔170内はブロワ84により加圧されることがない。   As a result of the pressure increase of the oxidant gas 61a by the blower 84, the dew point of the oxidant gas 61a increases. For example, when the pressure increase of the oxidant gas 61a by the blower 84 is 12 kPa and the dew point of the oxidant gas 61a at the oxidant gas outlet 77 is 50 ° C., the dew point of the oxidant gas 61a is increased by about 2 ° C. and about 52 ° C. become. Therefore, when the dew point to be achieved by the oxidant gas 61a is constant, the humidifying load of the gas-liquid contact tower 170 is reduced by arranging the blower 84 of the oxidant gas 61a downstream of the gas-liquid contact tower 170, The gas-liquid contact tower 170 can be made compact. Unlike the case where the blower 84 is disposed on the oxidant gas inlet 72 side, the inside of the gas-liquid contact tower 170 is not pressurized by the blower 84.

また、気液接触塔170内の貯液部71は、酸化剤ガス入口72にて大気開放状態を維持することにより大気圧の状態にあるので、気液分離器45、55、89とのレベル差によって気液分離器45、55、89から回収水42A、42B、42Cを貯液部71へ導入することができる。したがって、回収水42A、42B、42Cを液送する送液ポンプ等を不要にすることができる。さらに、余剰の回収水42aは、追加の送液ポンプや液面センサ等の系外排出機器を用いることなく、貯液部71内に配置する溢流管75の底部排出口から燃料電池発電システム1の系外へ排出することができる利点もある。   Further, since the liquid storage unit 71 in the gas-liquid contact tower 170 is in an atmospheric pressure state by maintaining the open state to the atmosphere at the oxidant gas inlet 72, the level with the gas-liquid separators 45, 55, 89 is reached. Due to the difference, the recovered water 42A, 42B, 42C can be introduced from the gas-liquid separators 45, 55, 89 into the liquid storage unit 71. Therefore, a liquid feed pump for feeding the recovered water 42A, 42B, and 42C can be eliminated. Further, the surplus recovered water 42a can be discharged from the bottom discharge port of the overflow pipe 75 disposed in the liquid storage unit 71 without using an extra-system discharge device such as an additional liquid feed pump or a liquid level sensor. There is also an advantage that it can be discharged out of the system.

気液接触塔170の貯液部71に貯留されるの回収水42aは、酸化剤ガス61aによって脱炭酸され、冷却される。回収水42aの脱炭酸処理工程により少量の炭酸ガスが酸化剤ガス61aに混入するが、炭酸ガスが燃料電池30内の空気極触媒に対する触媒被毒作用をほとんど有しないので、燃料電池30の劣化や寿命に影響することはない。   The recovered water 42a stored in the liquid storage part 71 of the gas-liquid contact tower 170 is decarboxylated by the oxidant gas 61a and cooled. A small amount of carbon dioxide gas is mixed into the oxidant gas 61a by the decarbonation process of the recovered water 42a. However, since the carbon dioxide gas has almost no catalyst poisoning action on the air electrode catalyst in the fuel cell 30, the fuel cell 30 is deteriorated. There is no effect on life.

気液接触塔170の回収水吸引口74の先は、回収水吸引口74から順に、ポンプ82、後述する水処理装置93、燃料処理装置7のジャケット12、循環水加熱器130を経て、気液接触塔170上部の回収水注入口78に接続される。このように、貯液部71から回収水吸引口74、ポンプ82、水処理装置93、燃料処理装置7のジャケット12、回収水注入口78、水分散器79、充填部80を経て貯液部71に循環する回収水42aの回収水循環流路が構成される。気液接触塔170内で脱炭酸され、冷却された回収水42aは回収水循環流路を循環する。   The recovered water suction port 74 of the gas-liquid contact tower 170 is connected in order from the recovered water suction port 74 through the pump 82, the water treatment device 93 described later, the jacket 12 of the fuel treatment device 7, and the circulating water heater 130. It is connected to the recovered water inlet 78 at the top of the liquid contact tower 170. As described above, the liquid storage unit 71 passes through the recovered water suction port 74, the pump 82, the water treatment device 93, the jacket 12 of the fuel processing device 7, the recovered water injection port 78, the water disperser 79, and the filling unit 80. A recovered water circulation flow path for recovered water 42a circulating to 71 is formed. The recovered water 42a decarboxylated and cooled in the gas-liquid contact tower 170 circulates in the recovered water circulation channel.

さらに、水処理装置93とジャケット12との間の回収水循環流路には、水処理装置93側から順に、回収水循環流路を分岐させる分岐管135と、回収水循環流路を閉止し、回収水循環流路を流れる回収水42aの流れを停止する回収水閉止バルブ133が配設されている。   Further, the recovered water circulation channel between the water treatment device 93 and the jacket 12 is closed in order from the water treatment device 93 side, the branch pipe 135 that branches the recovered water circulation channel, and the recovered water circulation channel is closed. A recovered water closing valve 133 for stopping the flow of the recovered water 42a flowing through the flow path is provided.

ポンプ82には、制御部18から送信されるポンプ制御信号i6を伝達する信号ケーブルが配線され、ポンプ82は、当該ポンプ制御信号i6を受信し、回収水42aの回収水循環流路での循環開始、停止を行うように構成されている。   A signal cable for transmitting a pump control signal i6 transmitted from the control unit 18 is wired to the pump 82. The pump 82 receives the pump control signal i6 and starts circulating the recovered water 42a in the recovered water circulation passage. Configured to stop.

回収水閉止バルブ133は、ソレノイド、モータなどのアクチュエータで動作するように構成されており、制御部18から送信されるバルブ開閉信号i7を伝達する信号ケーブルが配線され、当該弁開閉信号i7を受信し、回収水循環流路を開閉し、回収水循環流路を流れる回収水42aの流れを開始、停止するように構成されている。   The recovered water closing valve 133 is configured to operate by an actuator such as a solenoid or a motor, and a signal cable for transmitting the valve opening / closing signal i7 transmitted from the control unit 18 is wired to receive the valve opening / closing signal i7. The recovery water circulation channel is opened and closed, and the flow of the recovery water 42a flowing through the recovery water circulation channel is started and stopped.

分岐管135は、回収水42aの流れを分岐するように構成されている。分岐管135の先は、絞り弁134、回収水分岐流路41を介して、上述した燃焼ガス熱交換器83を経て、酸化剤ガス加湿装置70の回収水注入口78に接続される。絞り弁134は、回収水42aの流れを調節するように構成されている。このように、貯液部71から回収水吸引口74、ポンプ82、水処理装置93、分岐管135、絞り弁134、燃焼ガス熱交換器83、回収水注入口78、水分散器79、充填部80を経て貯液部71に循環する回収水42aの回収水分岐循環流路が構成される。   The branch pipe 135 is configured to branch the flow of the recovered water 42a. The tip of the branch pipe 135 is connected to the recovered water inlet 78 of the oxidant gas humidifier 70 through the throttle valve 134 and the recovered water branch flow path 41 via the combustion gas heat exchanger 83 described above. The throttle valve 134 is configured to adjust the flow of the recovered water 42a. Thus, the recovered water suction port 74, the pump 82, the water treatment device 93, the branch pipe 135, the throttle valve 134, the combustion gas heat exchanger 83, the recovered water inlet 78, the water disperser 79, the filling from the liquid storage part 71 A recovered water branch circulation path for the recovered water 42a that circulates to the liquid storage section 71 via the section 80 is configured.

回収水分岐循環流路は、典型的には、燃焼ガス熱交換器83と回収水注入口78との間で回収水循環流路と合流するように構成されており、燃焼ガス熱交換器83で昇温された回収水42aは、回収水注入口78の略上流側で、循環水加熱器130を通過してきた回収水42aと合流する。   The recovered water branch circulation channel is typically configured to join the recovered water circulation channel between the combustion gas heat exchanger 83 and the recovered water inlet 78, and the combustion gas heat exchanger 83 The recovered water 42 a that has been heated joins the recovered water 42 a that has passed through the circulating water heater 130 on the substantially upstream side of the recovered water inlet 78.

また、気液接触塔170内で脱炭酸され、冷却された回収水42aは、回収水吸引口74に接続するポンプ82とは別のポンプ85により水処理装置86に送られるように構成されている。回収水42aは、水処理装置86で純水に精製された後に、燃料処理装置7の改質部9に液送され、改質反応に用いられる。   Further, the recovered water 42 a decarboxylated and cooled in the gas-liquid contact tower 170 is configured to be sent to the water treatment device 86 by a pump 85 different from the pump 82 connected to the recovered water suction port 74. Yes. The recovered water 42a is purified to pure water by the water treatment device 86, and then sent to the reforming unit 9 of the fuel treatment device 7 for use in the reforming reaction.

水処理装置86、93はそれぞれ、イオン交換樹脂充填カラム87、94を有している。この水処理装置86、93のイオン交換樹脂充填カラム87、94に用いるイオン交換樹脂としては、陰イオン交換樹脂が望ましい。本実施の形態において、酸化剤ガス61a中に含まれる酸性ガス汚染物質、例えば、硫黄酸化物SOは下式のように反応する。
SO + OH → HSO ・・・(1)
硫黄酸化物SOは、反応式(1)により、充填部80にて接触する回収水42aの中の水酸化イオンOHと反応してイオン化し、回収水42aに吸収されている。 そして、吸収された回収水42a中のHSO は、下式のように反応する。
HSO + R−OH → R−HSO + OH ・・・(2)
HSO は、反応式(1)により、イオン交換樹脂充填カラム87、94にて陰イオン交換樹脂の水酸化イオンOHとイオン交換をしてイオン交換樹脂充填カラム87、94内のイオン交換樹脂に吸着される。この時に、水酸化イオンOHが回収水42aに供給される。
The water treatment devices 86 and 93 have ion exchange resin packed columns 87 and 94, respectively. As the ion exchange resin used for the ion exchange resin packed columns 87 and 94 of the water treatment devices 86 and 93, an anion exchange resin is desirable. In the present embodiment, an acidic gas pollutant contained in the oxidant gas 61a, for example, sulfur oxide SO 2 reacts as shown in the following equation.
SO 2 + OH → HSO 3 (1)
The sulfur oxide SO 2 is ionized by reacting with the hydroxide ions OH in the recovered water 42 a in contact with the filling section 80 according to the reaction formula (1), and is absorbed in the recovered water 42 a. And the absorbed HSO 3 in the recovered water 42a reacts as shown in the following equation.
HSO 3 + R—OH → R-HSO 3 + OH (2)
HSO 3 is ion-exchanged with ion-exchange resin-filled columns 87 and 94 by ion exchange with anion-exchange resin hydroxide ions OH in ion-exchange resin-filled columns 87 and 94 according to reaction formula (1). Adsorbed on resin. At this time, hydroxide ions OH are supplied to the recovered water 42a.

また、イオン交換樹脂充填カラム87、94の下流側に、それぞれフィルタ88、95を設置することで、イオン交換樹脂が回収水42aに混入することを防止する。更に、酸化剤ガス61aに粉塵等の固形汚染物質が多量に含まれる場合には、イオン交換樹脂充填カラム94の上流側に固形物フィルタを追加することもできる。   In addition, by installing filters 88 and 95 on the downstream side of the ion exchange resin packed columns 87 and 94, respectively, the ion exchange resin is prevented from being mixed into the recovered water 42a. Furthermore, when the oxidizing gas 61a contains a large amount of solid contaminants such as dust, a solid filter can be added upstream of the ion exchange resin-filled column 94.

本実施の形態では、回収水42aが循環する流路に、陰イオン交換樹脂を用いた水処理装置86、93を備えることによって、気液接触塔170で酸化剤ガス61aと気液接触する回収水42aに水酸化イオンOHを常に供給する。すなわち、循環する回収水42aが常にアルカリ性に保たれ、酸化剤ガス61aに含有されるNOx、SOx等の酸性ガスの汚染物質が効果的に除去される。但し、水処理装置86、93は、備えられていなくてもよい。 In the present embodiment, by providing the water treatment devices 86 and 93 using anion exchange resin in the flow path through which the recovered water 42a circulates, the recovery in gas-liquid contact with the oxidant gas 61a in the gas-liquid contact tower 170 is performed. The hydroxide ion OH is always supplied to the water 42a. That is, the recovered water 42a that circulates is always kept alkaline, and pollutants of acidic gas such as NOx and SOx contained in the oxidant gas 61a are effectively removed. However, the water treatment devices 86 and 93 may not be provided.

制御部18は、改質部9を加熱し、改質部9が第1の温度としての循環水・回収水循環開始温度T1になった際に、循環水24aを循環水循環流路に循環させ、回収水42aを回収水循環流路に循環させて循環水24aを加熱し、循環水加熱器130と燃料電池30との間の循環水24aの温度が第2の温度としての循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2、又は前記一酸化炭素低減部14の変成部10の温度が第3の温度として一酸化炭素低減部反応好適温度T3になった際に、回収水閉止バルブ133を閉止するように各部を制御している。   The control unit 18 heats the reforming unit 9 and circulates the circulating water 24a through the circulating water circulation channel when the reforming unit 9 reaches the circulating water / recovered water circulation start temperature T1 as the first temperature, The recovered water 42a is circulated through the recovered water circulation channel to heat the circulating water 24a, and the temperature of the circulating water 24a between the circulating water heater 130 and the fuel cell 30 is recovered based on the circulating water temperature as the second temperature. When the water circulation stop temperature T2 or the temperature of the shift section 10 of the carbon monoxide reduction section 14 reaches the carbon monoxide reduction section reaction suitable temperature T3 as the third temperature, the recovered water closing valve 133 is closed. Each part is controlled.

制御部18は、具体的には、改質部温度信号i2、変成部温度信号i3、循環水温度信号i5等のを受信し、これらの信号に基づいて、三方弁13に当該制御信号i1を、ポンプ125にポンプ制御信号i4を、ポンプ82にポンプ制御信号i6を、回収水閉止バルブ133にバルブ開閉信号i7、ポンプ108にポンプ制御信号i8をそれぞれ送信し、各部を制御するように構成されている。   Specifically, the control unit 18 receives the reforming unit temperature signal i2, the transformation unit temperature signal i3, the circulating water temperature signal i5, and the like, and based on these signals, sends the control signal i1 to the three-way valve 13. The pump control signal i 4 is transmitted to the pump 125, the pump control signal i 6 is transmitted to the pump 82, the valve opening / closing signal i 7 is transmitted to the recovered water closing valve 133, and the pump control signal i 8 is transmitted to the pump 108. ing.

なお、制御部18は、本実施の形態では、三方弁13、ポンプ125、回収水閉止バルブ133、ポンプ108の制御の他にも、燃料電池発電システム1を構成する各部分の制御も行うように構成されており、これにより燃料電池発電システム1をより合理的な構成とすることができる。   In the present embodiment, the control unit 18 controls each part of the fuel cell power generation system 1 in addition to the control of the three-way valve 13, the pump 125, the recovered water closing valve 133, and the pump 108. Thus, the fuel cell power generation system 1 can be configured more rationally.

以下では制御部18によって制御される燃料電池発電システム1の起動方法を説明する。 以下で説明する運転方法は、総て制御部18にて制御されるので、迅速、確実に、かつ、人為的エラーを排除して、起動方法を制御することができる。   Below, the starting method of the fuel cell power generation system 1 controlled by the control part 18 is demonstrated. Since all the operation methods described below are controlled by the control unit 18, it is possible to control the start-up method quickly, reliably, and with the elimination of human error.

図2は、制御部18による燃料電池発電システム1の起動制御について示した流れ図である。本図を参照して燃料電池発電システム1の起動方法について説明する。なお、構成の符号に関しては適宜図1を参照するものとする。   FIG. 2 is a flowchart showing the start-up control of the fuel cell power generation system 1 by the control unit 18. A method for starting the fuel cell power generation system 1 will be described with reference to FIG. Note that FIG. 1 is referred to as appropriate for the reference numerals of the components.

まず、原料燃料着火工程として、原料燃料供給部(不図示)から原料燃料4aの燃焼部8への供給と、燃焼空気供給部(不図示)から燃焼部8に燃焼空気5aの供給を開始し、燃焼部8では、バーナーノズルから噴出する原料燃料4aが着火し、燃焼を開始する (S101)。   First, as a raw material fuel ignition process, supply of raw material fuel 4a from the raw material fuel supply unit (not shown) to the combustion unit 8 and supply of combustion air 5a from the combustion air supply unit (not shown) to the combustion unit 8 are started. In the combustion section 8, the raw material fuel 4a ejected from the burner nozzle is ignited and starts combustion (S101).

続いて、改質部予熱工程として、燃焼部8での燃焼熱により改質部9が加熱され、改質部9は昇温、予熱される(S102)。制御部18は、改質部温度検知器15によって検知、送信される改質部温度信号i2を受信し、改質部9の温度が循環水・回収水循環開始温度T1以上に達しているか否かを判定する(S103)。改質部9の温度が循環水・回収水循環開始温度T1以上に達していなければ、S102に戻り改質部予熱工程を継続し、改質部9の温度が循環水・回収水循環開始温度T1以上に達していると判定されたら次段に移行する。   Subsequently, as the reforming section preheating step, the reforming section 9 is heated by the combustion heat in the combustion section 8, and the reforming section 9 is heated and preheated (S102). The control unit 18 receives the reforming unit temperature signal i2 detected and transmitted by the reforming unit temperature detector 15, and determines whether the temperature of the reforming unit 9 has reached the circulating water / recovered water circulation start temperature T1 or more. Is determined (S103). If the temperature of the reforming unit 9 has not reached the circulating water / recovered water circulation start temperature T1 or higher, the process returns to S102 to continue the reforming unit preheating step, and the temperature of the reforming unit 9 is equal to or higher than the circulating water / recovered water circulation start temperature T1. If it is determined that the value has reached, the process proceeds to the next stage.

ここで、循環水・回収水循環開始温度T1は、原料燃料4aが改質反応をする温度より高く設定してあり、好ましくは500℃から800℃、さらに好ましくは600℃から750℃、例えば、改質反応をする温度が650℃であるときには、700℃に設定する。   Here, the circulating water / recovered water circulation start temperature T1 is set higher than the temperature at which the raw material fuel 4a undergoes the reforming reaction, and is preferably 500 ° C. to 800 ° C., more preferably 600 ° C. to 750 ° C. When the temperature for the quality reaction is 650 ° C., the temperature is set to 700 ° C.

改質部9の温度が循環水・回収水循環開始温度T1以上に達すると、一酸化炭素が充分に低減された燃料ガス3aを燃料電池30に供給し発電工程を開始するメインルーチン(S104からS109)と、循環水24aにより燃料電池30を予熱するサブルーチン(S201からS208)とが並行して実行される。   When the temperature of the reforming unit 9 reaches the circulating water / recovered water circulation start temperature T1 or more, the main routine (S104 to S109) starts supplying the fuel gas 3a with sufficiently reduced carbon monoxide to the fuel cell 30 and starting the power generation process. ) And a subroutine (S201 to S208) for preheating the fuel cell 30 with the circulating water 24a are executed in parallel.

メインルーチン(S104からS109)では、S103で改質部9の温度が循環水・回収水循環開始温度T1以上に達していると判定されると、改質開始工程として、制御部18の制御により、原料燃料供給部(不図示)から原料燃料4aの改質部9への供給、貯液部71から予め貯留されている回収水42aの供給を開始し、改質部9での改質反応を開始させる (S104)。   In the main routine (S104 to S109), when it is determined in S103 that the temperature of the reforming unit 9 has reached the circulating water / recovered water circulation start temperature T1 or more, as a reforming start step, by the control of the control unit 18, The supply of the raw fuel 4a to the reforming unit 9 from the raw material fuel supply unit (not shown) and the supply of the recovered water 42a stored in advance from the liquid storage unit 71 are started, and the reforming reaction in the reforming unit 9 is started. Start (S104).

なお、原料燃料4aの改質部9への供給は、典型的には、制御部18によって不図示の三方弁を作動することにより行われ、 貯液部71から予め貯留されている42aの供給は、典型的には、制御部18によってポンプ85を作動することにより行われる。   The supply of the raw fuel 4a to the reforming unit 9 is typically performed by operating a three-way valve (not shown) by the control unit 18, and the supply of 42a stored in advance from the liquid storage unit 71 is performed. Is typically performed by operating the pump 85 by the controller 18.

ここで、原料燃料4aが三方弁(不図示)の作動により改質部9に供給されることになると、燃焼部8では燃焼するための燃料が供給されなくなるので、燃焼が停止する。これにより、改質部9の燃焼部8からの加熱は停止するが、改質部の容器(不図示)や改質触媒(不図示)に熱が蓄熱されているので、温度の低下は緩やかで、さらに、典型的には、改質部9が改質反応する温度より高い温度以上に加熱されており、多少温度が低下しても、改質反応は継続される。   Here, when the raw material fuel 4a is supplied to the reforming unit 9 by the operation of a three-way valve (not shown), the combustion unit 8 is not supplied with fuel for combustion, and the combustion stops. Thereby, the heating from the combustion unit 8 of the reforming unit 9 is stopped, but since the heat is stored in the container (not shown) and the reforming catalyst (not shown) of the reforming unit, the temperature decrease is slow. Further, typically, the reforming unit 9 is heated to a temperature higher than the temperature at which the reforming reaction is performed, and the reforming reaction is continued even if the temperature is somewhat lowered.

改質部9では、原料燃料4aと、回収水42aとによる水蒸気改質反応が行われる。例えば改質原料がメタンの場合、次式による水蒸気改質反応が行われる。回収水42aは、改質部9に供給される際に加熱され、蒸発することで発生する水蒸気となっている。
CH+HO→CO+3H ・・・(3)
改質部9で生成される改質ガスは、変成部10に導入され下式の変成反応が行われる。
CO+HO→CO+H ・・・(4)
さらに、変成部10で生成される変成ガスは、選択酸化部11に導入され選択酸化用の空気との間で下式の一酸化炭素選択酸化反応が行われる。
CO+(1/2)O→CO ・・・(5)
In the reforming unit 9, a steam reforming reaction is performed by the raw fuel 4a and the recovered water 42a. For example, when the reforming raw material is methane, a steam reforming reaction according to the following formula is performed. The recovered water 42a is heated when supplied to the reforming unit 9 and becomes water vapor generated by evaporation.
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (3)
The reformed gas produced in the reforming section 9 is introduced into the shift section 10 and the following shift reaction is performed.
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (4)
Further, the shift gas generated in the shift unit 10 is introduced into the selective oxidation unit 11 and the following carbon monoxide selective oxidation reaction is performed with the selective oxidation air.
CO + (1/2) O 2 → CO 2 (5)

起動直後の時点では、変成部10、選択酸化部11は温度が低く改質ガスが供給されても十分に変成反応、選択酸化反応は行われず、生成される燃料ガス3aを燃料電池30に供給するのには適さない。   Immediately after startup, the shift unit 10 and the selective oxidation unit 11 are low in temperature, and even if the reformed gas is supplied, the shift reaction and the selective oxidation reaction are not sufficiently performed, and the generated fuel gas 3a is supplied to the fuel cell 30. Not suitable for doing.

そこで、変成部・選択酸化部予熱工程として、変成部10、選択酸化部11に、供給される高温の改質ガスにより、変成部10、選択酸化部11の温度を変成反応、選択酸化反応に適した温度まで上昇させる(S105)。なお、変成反応及び選択酸化反応はともに発熱反応なので、変成部10、選択酸化部11は自らの反応発熱によっても昇温する。   Therefore, as a preheating process for the shift unit / selective oxidation unit, the temperature of the shift unit 10 and the selective oxidation unit 11 is converted into a shift reaction and a selective oxidation reaction by the high-temperature reformed gas supplied to the shift unit 10 and the selective oxidation unit 11. The temperature is raised to a suitable temperature (S105). Since both the shift reaction and the selective oxidation reaction are exothermic reactions, the shift unit 10 and the selective oxidation unit 11 are heated by their own reaction heat generation.

上述したような起動直後に、燃料ガス3aであってガス中の一酸化炭素が充分に減じられずに選択酸化部11から送出される燃焼用ガス3a’は、三方弁13に至る。そこで、制御部18は、三方弁13を制御して、燃焼用ガス3a’を燃焼部8に供給し、燃焼部8では、この燃焼用ガス3a’と燃焼空気5aによる燃焼を開始する。   Immediately after the start-up as described above, the combustion gas 3a 'which is the fuel gas 3a and is delivered from the selective oxidation unit 11 without sufficiently reducing carbon monoxide in the gas reaches the three-way valve 13. Therefore, the control unit 18 controls the three-way valve 13 to supply the combustion gas 3a 'to the combustion unit 8, and the combustion unit 8 starts combustion using the combustion gas 3a' and the combustion air 5a.

次に、制御部18は、変成部温度検知器16によって検知、送信される変成部温度信号i3を受信し、昇温中の変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3以上に達しているか否かを判定する(S106)。   Next, the control unit 18 receives the transformation unit temperature signal i3 detected and transmitted by the transformation unit temperature detector 16, and the temperature of the transformation unit 10 during the temperature rise is equal to or higher than the carbon monoxide reduction unit reaction suitable temperature T3. It is determined whether or not it has been reached (S106).

変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3以上に達していなければ、S105に戻り変成部・選択酸化部予熱工程以降の工程を継続する。変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3以上に達していると判定されたら次段に移行する。   If the temperature of the shift part 10 has not reached the carbon monoxide reduction part reaction suitable temperature T3 or more, the process returns to S105 and the process after the shift part / selective oxidation part preheating step is continued. If it is determined that the temperature of the shift section 10 has reached the carbon monoxide reducing section reaction preferable temperature T3 or more, the process proceeds to the next stage.

ここで、一酸化炭素低減部反応好適温度T3は、変成部10での変成反応に適した温度であり、好ましくは180℃から500℃、さらに好ましくは200℃から350℃程度である。変成部10の温度がこの温度に達すると変成反応の適切、効率的に行われるようになるからである。   Here, the carbon monoxide reduction portion reaction suitable temperature T3 is a temperature suitable for the shift reaction in the shift section 10, and is preferably about 180 ° C. to 500 ° C., more preferably about 200 ° C. to 350 ° C. This is because when the temperature of the shift section 10 reaches this temperature, the shift reaction is appropriately and efficiently performed.

変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3に達していると判定される、すなわち、変成部10の温度が変成反応に適した温度になると、一酸化炭素低減部14で改質ガス中の一酸化炭素が充分に低減され、生成された燃料ガス3aを燃料電池30に供給するのに適するようになる。   When it is determined that the temperature of the shift unit 10 has reached the carbon monoxide reduction unit reaction suitable temperature T3, that is, when the temperature of the shift unit 10 reaches a temperature suitable for the shift reaction, the carbon monoxide reduction unit 14 performs reforming. Carbon monoxide in the gas is sufficiently reduced, so that the generated fuel gas 3a is suitable for supplying to the fuel cell 30.

そこで、燃料ガス流路切替工程として、制御部18は、選択酸化部11からのガスを燃料電池30に供給するように三方弁13を作動する制御信号i1を三方弁13に送信し、燃料ガス3aの流路を切り替える(S107) 。三方弁13を切り替えることにより、燃焼用ガス3a’の燃焼部8への供給が止まり、燃焼部8での燃焼が停止する。しかし、すぐに燃料電池30で発生するアノードオフガス21aが燃焼部8に送出される。アノードオフガス21aには、燃料電池での反応に用いられなかった水素が残留しているので、燃焼部8では、アノードオフガス21aと燃焼空気5aにより燃焼を開始し、通常運転移移行する。   Therefore, as the fuel gas flow path switching step, the control unit 18 transmits a control signal i1 for operating the three-way valve 13 to supply the gas from the selective oxidation unit 11 to the fuel cell 30 to the three-way valve 13, and the fuel gas The flow path of 3a is switched (S107). By switching the three-way valve 13, the supply of the combustion gas 3 a ′ to the combustion unit 8 is stopped, and the combustion in the combustion unit 8 is stopped. However, the anode off gas 21 a generated immediately in the fuel cell 30 is sent to the combustion unit 8. Since hydrogen that has not been used for the reaction in the fuel cell remains in the anode offgas 21a, the combustion section 8 starts combustion with the anode offgas 21a and the combustion air 5a, and shifts to normal operation.

一酸化炭素が充分に低減された燃料ガス3aが燃料電池30に供給され、発電が始まると、燃料電池30は運転開始温度まで立ち上がり、発電電流の増段過程を経て、定常的な発電が開始される(S108)。これが、発電工程に該当する。燃料電池30で発電が開始された後は、燃料電池30で燃料ガス3aを発電に利用し、そのアノードオフガス21aが燃焼部8に供給され、燃焼部8での燃焼は継続される。   When the fuel gas 3a in which carbon monoxide is sufficiently reduced is supplied to the fuel cell 30 and power generation is started, the fuel cell 30 rises to an operation start temperature, and after a step of increasing the power generation current, steady power generation starts. (S108). This corresponds to the power generation process. After power generation is started in the fuel cell 30, the fuel cell 3 uses the fuel gas 3 a for power generation, the anode off gas 21 a is supplied to the combustion unit 8, and combustion in the combustion unit 8 is continued.

つぎに、排熱温水循環工程として、制御部18は、ポンプ125に起動する旨のポンプ制御信号i4を送信し、ポンプ125を起動して、排熱温水43aの循環水冷却器110への循環を開始し(S109)、メインルーチンは終了する。燃料電池30は、発電により発熱するが、少なくとも定格運転時には、排熱温水43aの循環が開始され、循環水24aと排熱温水43aとが熱交換し、循環水24aは冷却され、冷却された循環水24aが燃料電池30を冷却する。循環水24aは燃料電池30を冷却すると昇温するが、循環水冷却器110で、排熱温水43aによって冷却されるので、その温度は一定に維持され、したがって、燃料電池30の温度も最適な温度で維持される。なお、排熱温水43aはこのとき加温される。   Next, as the exhaust heat / hot water circulation step, the control unit 18 transmits a pump control signal i4 to start the pump 125, activates the pump 125, and circulates the exhaust heat / hot water 43a to the circulation water cooler 110. (S109), and the main routine ends. The fuel cell 30 generates heat by power generation, but at least during rated operation, the circulation of the exhaust hot water 43a is started, the circulating water 24a and the exhaust hot water 43a exchange heat, and the circulating water 24a is cooled and cooled. The circulating water 24 a cools the fuel cell 30. The circulating water 24a rises in temperature when the fuel cell 30 is cooled, but the circulating water cooler 110 cools the circulating water 24a by the exhaust heat water 43a, so that the temperature is kept constant, and therefore the temperature of the fuel cell 30 is also optimal. Maintained at temperature. The exhaust heat hot water 43a is heated at this time.

次にS103の後から並行して実行される循環水24aにより燃料電池30を予熱するサブルーチン(S201からS208)について説明する。   Next, a subroutine (S201 to S208) for preheating the fuel cell 30 with the circulating water 24a executed in parallel after S103 will be described.

前述した変成部・選択酸化部予熱工程(S105)では、変成部10、選択酸化部11に供給される高温の改質ガスにより、変成部10、選択酸化部11の温度は上昇する。つまり、変成部10、選択酸化部11をそれぞれ変成反応、選択酸化反応に適した温度まで素早く上昇させるには、改質部9に供給される原料燃料4a等の流量を増加させ、変成部10、選択酸化部11に導入される改質ガスの流量を増加させることが効果的である。これにより、燃料処理装置7の起動時間、ひいては、燃料電池発電システム1の起動時間を短くすることができる。   In the above-described shift section / selective oxidation section preheating step (S105), the temperatures of the shift section 10 and the selective oxidation section 11 are increased by the high-temperature reformed gas supplied to the shift section 10 and the selective oxidation section 11. That is, in order to quickly raise the shift unit 10 and the selective oxidation unit 11 to temperatures suitable for the shift reaction and the selective oxidation reaction, respectively, the flow rate of the raw material fuel 4a supplied to the reforming unit 9 is increased, and the shift unit 10 It is effective to increase the flow rate of the reformed gas introduced into the selective oxidation unit 11. Thereby, the start-up time of the fuel processing apparatus 7, and hence the start-up time of the fuel cell power generation system 1, can be shortened.

しかしながら、変成部10、選択酸化部11に導入される改質ガスの流量を増加させると、燃焼部8に供給される燃焼用ガス3a’の流量も増加し、燃焼部8での燃焼量も増す。その結果、改質部9の温度が過度に上昇して、改質触媒等の劣化を招いてしまう。   However, if the flow rate of the reformed gas introduced into the shift unit 10 and the selective oxidation unit 11 is increased, the flow rate of the combustion gas 3a ′ supplied to the combustion unit 8 also increases, and the combustion amount in the combustion unit 8 also increases. Increase. As a result, the temperature of the reforming unit 9 rises excessively, leading to deterioration of the reforming catalyst and the like.

そこで、サブルーチン(S201からS208)では、まず、S103で改質部9の温度が循環水・回収水循環開始温度T1以上に達していると判定されると、回収水・循環水循環工程として、制御部18は、回収水閉止バルブ133にバルブ開閉信号i7を送信して開として、ポンプ108に起動する旨のポンプ制御信号i8を、ポンプ82に起動する旨のポンプ制御信号i6を送信し、ポンプ82、ポンプ108を起動して、回収水42a、循環水24aをそれぞれ回収水循環流路、循環水循環流路に循環させる(S201)。   Therefore, in the subroutine (S201 to S208), first, when it is determined in S103 that the temperature of the reforming unit 9 has reached the circulating water / recovered water circulation start temperature T1, the control unit 18 sends a valve open / close signal i7 to the recovered water shut-off valve 133 to open it, sends a pump control signal i8 to start the pump 108, and sends a pump control signal i6 to start the pump 82, Then, the pump 108 is activated to circulate the recovered water 42a and the circulating water 24a through the recovered water circulating channel and the circulating water circulating channel, respectively (S201).

そして、第1熱交換工程として、改質部9の周囲に形成されたジャケット12内を流れる第1の熱媒体としての回収水42aと、改質部9の改質ガスとの熱交換を行う(S202)。ジャケット12に導入される回収水42aは、気液接触塔170の貯液部71に貯留、冷却されているので、改質ガスとの熱交換を行うことで、改質部9の温度が過度に上昇することが防止される。また、ジャケット12で熱交換を行った回収水42aは、その温度が上昇する。温度が上昇した回収水42aは、循環水加熱器130に導入される。   In the first heat exchange step, heat is exchanged between the recovered water 42a as the first heat medium flowing in the jacket 12 formed around the reforming unit 9 and the reformed gas in the reforming unit 9. (S202). Since the recovered water 42a introduced into the jacket 12 is stored and cooled in the liquid storage part 71 of the gas-liquid contact tower 170, the temperature of the reforming part 9 becomes excessive by exchanging heat with the reformed gas. Is prevented from rising. In addition, the temperature of the recovered water 42a that has undergone heat exchange with the jacket 12 rises. The recovered water 42a whose temperature has risen is introduced into the circulating water heater 130.

次に、第2熱交換工程として、循環水加熱器130によって、循環水加熱器130に導入される回収水42aと第2の媒体としての循環水24aとの熱交換が行われる(S203)。循環水加熱器130に導入される回収水42aは温度が上昇しているので、循環水24aとの熱交換を行うことで、循環水24aの温度は上昇し、回収水42aの温度は下降する。   Next, as the second heat exchange step, the circulating water heater 130 performs heat exchange between the recovered water 42a introduced into the circulating water heater 130 and the circulating water 24a as the second medium (S203). Since the temperature of the recovered water 42a introduced into the circulating water heater 130 is increasing, the temperature of the circulating water 24a is increased and the temperature of the recovered water 42a is decreased by performing heat exchange with the circulating water 24a. .

つづいて、燃料電池予熱工程(S204)として、温度が上昇した循環水24aを燃料電池30等に導入し、燃料電池30を効率的な発電を行うための運転開始温度に加熱する。燃料電池は、温度が上昇すると、電気抵抗、不可逆過程による損失、いわゆる電極反応抵抗が小さくなるので発電性能が向上する。他方、等温変化で化学エネルギーから電気エネルギーに変換できる最大値、いわゆる理論効率は、燃料電池の温度が上昇するとともに減少する。そこで、燃料電池で効率的な発電を行うためには、電気抵抗、電極反応抵抗と理論効率とを勘案して最もバランスのとれた運転開始温度までいち早く温度を上昇させ、運転開始温度付近の温度を維持することが燃料電池発電システムの効率のよい運転にとって有効となる。さらにここでは、運転開始温度は、固体高分子型燃料電池の場合、用いるプロトン交換膜の耐熱温度を考慮して、好ましくは40℃から90℃、さらに好ましくは50℃から80℃程度である。   Subsequently, as the fuel cell preheating step (S204), the circulating water 24a whose temperature has increased is introduced into the fuel cell 30 and the like, and the fuel cell 30 is heated to the operation start temperature for efficient power generation. When the temperature of the fuel cell rises, the electric resistance, loss due to an irreversible process, so-called electrode reaction resistance is reduced, and thus power generation performance is improved. On the other hand, the maximum value that can be converted from chemical energy to electrical energy by isothermal change, the so-called theoretical efficiency, decreases as the temperature of the fuel cell increases. Therefore, in order to perform efficient power generation with a fuel cell, the temperature is quickly raised to the most balanced operation start temperature in consideration of the electrical resistance, electrode reaction resistance, and theoretical efficiency, and the temperature near the operation start temperature. This is effective for efficient operation of the fuel cell power generation system. Further, here, in the case of a polymer electrolyte fuel cell, the operation start temperature is preferably about 40 ° C. to 90 ° C., more preferably about 50 ° C. to 80 ° C., considering the heat resistant temperature of the proton exchange membrane used.

さらに、酸化剤ガス加湿装置予熱工程として、循環水加熱器130で循環水24aと熱交換を行った回収水42aは、貯液部71から、分岐管134、絞り弁134、回収水分岐流路41、燃焼ガス熱交換器83を通過して昇温された回収水42aと、回収水注入口78の略上流側でと合流し、酸化剤ガス加湿装置70を予熱する(S205)。これにより発電工程開始直後からすぐに酸化剤ガス61aを加温、加湿でき、酸化剤ガス61aを加温した状態で水蒸気を供給することで、燃料電池内30における酸化剤ガスが水蒸気飽和またはそれに近い状態を維持される。   Further, as the oxidant gas humidifier preheating step, the recovered water 42a heat-exchanged with the circulating water 24a by the circulating water heater 130 is supplied from the liquid storage unit 71 to the branch pipe 134, the throttle valve 134, the recovered water branch flow path. 41, the recovered water 42a that has been heated through the combustion gas heat exchanger 83 and the recovered water inlet 78 are joined approximately upstream, and the oxidant gas humidifier 70 is preheated (S205). As a result, the oxidant gas 61a can be heated and humidified immediately after the start of the power generation process, and water vapor is supplied in a state where the oxidant gas 61a is heated, so that the oxidant gas in the fuel cell 30 is saturated with water vapor. Stay close.

次に、制御部18は、変成部温度検知器16によって検知、送信される変成部温度信号i3及び循環水温度検知器17によって検知、送信される循環水温度信号i5を受信し、変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3以上、あるいは、循環水加熱器130と燃料電池30との間の昇温中の循環水24aの温度が循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2以上に達しているか否かを判定する(S206)。   Next, the control unit 18 receives the transformation unit temperature signal i3 detected and transmitted by the transformation unit temperature detector 16 and the circulating water temperature signal i5 detected and transmitted by the circulating water temperature detector 17, and the transformation unit 10 Is the carbon monoxide reducing portion reaction preferable temperature T3 or higher, or the temperature of the circulating water 24a during the temperature rise between the circulating water heater 130 and the fuel cell 30 is higher than the recovered water circulation stop temperature T2 based on the circulating water temperature. Is determined (S206).

変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3以上、あるいは、循環水加熱器130と燃料電池30との間の循環水24aの温度が循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2以上に達していなければ、S202に戻り第1熱交換工程以降の工程を継続する。どちらか一方が所定の温度に達していると判定されたら次段に移行する。   The temperature of the shift unit 10 is equal to or higher than the carbon monoxide reducing unit reaction preferable temperature T3, or the temperature of the circulating water 24a between the circulating water heater 130 and the fuel cell 30 is higher than the recovered water circulation stop temperature T2 based on the circulating water temperature. If not, it returns to S202 and continues the process after a 1st heat exchange process. If it is determined that either one has reached a predetermined temperature, the process proceeds to the next stage.

ここで、一酸化炭素低減部反応好適温度T3は上述した温度である。循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2は、燃料電池30の運転開始温度とほぼ同じ温度に設定してあり、好ましくは40℃から90℃、さらに好ましくは50℃から80℃程度である。循環水24aの温度が、これ以上高温になってしまうと、燃料電池30がオーバーヒートしてしまったり、燃料電池30の効率のよい発電の妨げとなってしまうからである。   Here, carbon monoxide reduction part reaction suitable temperature T3 is the temperature mentioned above. The recovered water circulation stop temperature T2 based on the circulating water temperature is set to substantially the same temperature as the operation start temperature of the fuel cell 30, and is preferably about 40 ° C to 90 ° C, more preferably about 50 ° C to 80 ° C. This is because if the temperature of the circulating water 24a becomes higher than this, the fuel cell 30 may be overheated or the fuel cell 30 may be prevented from generating power efficiently.

変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3以上、あるいは、循環水加熱器130と燃料電池30との間の循環水24aの温度が循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2以上に達していると判定されると、第1熱交換停止工程として、制御部18は、回収水閉止バルブ133に回収水循環流路を閉止する旨のバルブ開閉信号i7を送信して回収水閉止バルブ133を閉止し、回収水循環流路の回収水42aの循環を停止し、ジャケット12での改質ガスと回収水42aとの熱交換を停止する(S207)。   The temperature of the shift unit 10 is equal to or higher than the carbon monoxide reducing unit reaction preferable temperature T3, or the temperature of the circulating water 24a between the circulating water heater 130 and the fuel cell 30 is higher than the recovered water circulation stop temperature T2 based on the circulating water temperature. When it is determined that the temperature has reached, as the first heat exchange stop process, the control unit 18 transmits a valve opening / closing signal i7 for closing the recovered water circulation passage to the recovered water closing valve 133 to return the recovered water closing valve 133. Is closed, the circulation of the recovered water 42a in the recovered water circulation passage is stopped, and the heat exchange between the reformed gas and the recovered water 42a in the jacket 12 is stopped (S207).

さらに、第2熱交換停止工程として、回収水42aの循環を停止することによって、循環水加熱器130での回収水42aと循環水24aとの熱交換も停止し(S208)、循環水24aにより燃料電池30を予熱するサブルーチン(S201からS208)は終了する。 Further, as the second heat exchange stop step, the circulation of the recovered water 42a is stopped, whereby the heat exchange between the recovered water 42a and the circulating water 24a in the circulating water heater 130 is also stopped (S208). The subroutine (S201 to S208) for preheating the fuel cell 30 ends.

なお、S206で、変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3以上に達するよりも先に、循環水加熱器130と燃料電池30との間の循環水24aの温度が循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2以上に達した場合には、サブルーチンでは、第1熱交換停止工程(S207)、第2熱交換停止工程(S208)が実行され、メインルーチンでは、変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3以上に達するのを待ってから、燃料ガス流路切替工程(S107)、発電工程(S108)、排熱温水循環工程(S109)が実行される。また、循環水24aの温度が循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2以上に達するよりも先に、変成部10の温度が一酸化炭素低減部反応好適温度T3以上に達した場合には、サブルーチンでは、第1熱交換停止工程(S207)、第2熱交換停止工程(S208)が、メインルーチンでは、燃料ガス流路切替工程(S107)、発電工程(S108)、排熱温水循環工程(S109)が、ほぼ同時に実行される。   In S206, the temperature of the circulating water 24a between the circulating water heater 130 and the fuel cell 30 is changed to the circulating water temperature before the temperature of the shift unit 10 reaches the carbon monoxide reducing unit reaction preferable temperature T3 or higher. When the recovery water circulation stop temperature T2 or higher is reached, the first heat exchange stop step (S207) and the second heat exchange stop step (S208) are executed in the subroutine, and in the main routine, the temperature of the shift section 10 is reached. After the temperature reaches the carbon monoxide reducing portion reaction preferable temperature T3 or higher, the fuel gas flow path switching step (S107), the power generation step (S108), and the exhaust heat / hot water circulation step (S109) are performed. Further, if the temperature of the shift unit 10 reaches the carbon monoxide reduction unit reaction preferable temperature T3 or higher before the temperature of the circulating water 24a reaches the recovered water circulation stop temperature T2 or higher based on the circulating water temperature, a subroutine is executed. In the main routine, the first heat exchange stop step (S207) and the second heat exchange stop step (S208) are performed. In the main routine, the fuel gas flow path switching step (S107), the power generation step (S108), and the exhaust heat hot water circulation step (S109). Are executed almost simultaneously.

つまり、どちらの場合でも、変成部10は、反応に適した温度まで予熱されることとなり、充分に一酸化炭素が低減された燃料ガス3aを燃料電池30に供給することができ、また、循環水24aの温度が循環水温度に基づく回収水循環停止温度T2に達するか、変成部10が反応に適した温度に達するまでは、燃料電池30が予熱されることとなる。そして、その後に、排熱温水43aの循環が開始される。   That is, in either case, the metamorphic section 10 is preheated to a temperature suitable for the reaction, and can supply the fuel gas 3a with sufficiently reduced carbon monoxide to the fuel cell 30. The fuel cell 30 is preheated until the temperature of the water 24a reaches the recovered water circulation stop temperature T2 based on the circulating water temperature or until the shift unit 10 reaches a temperature suitable for the reaction. After that, the circulation of the exhaust hot water 43a is started.

燃料電池30が予熱され、変成部10が反応に適した温度まで予熱された後に、排熱温水循環工程(S109)が実行されるので、燃料電池発電システム1を起動した直後に、燃料電池30は循環水24aにより予熱されるため、運転開始温度まで立ち上がるのが速くなり、燃料電池30が予熱され、変成部10が反応に適した温度まで予熱された後に、排熱温水42aの循環が開始されるので、循環水24aの温度が所定の温度以上に上昇することは防止され、燃料電池30は運転開始温度を維持することができる。   After the fuel cell 30 is preheated and the shift unit 10 is preheated to a temperature suitable for the reaction, the exhaust heat hot water circulation step (S109) is performed. Therefore, immediately after the fuel cell power generation system 1 is started, the fuel cell 30 Since the water is preheated by the circulating water 24a, it quickly rises to the operation start temperature, the fuel cell 30 is preheated, and after the transformation unit 10 is preheated to a temperature suitable for the reaction, the circulation of the exhaust heat hot water 42a starts. Therefore, the temperature of the circulating water 24a is prevented from rising above a predetermined temperature, and the fuel cell 30 can maintain the operation start temperature.

また、改質部予熱工程(S104)、変成部・選択酸化部予熱工程(S105)、回収水・循環水循環開始(S201)、第1熱交換工程(S202)は、典型的には、S103で改質部9の温度が循環水・回収水循環開始温度T1以上に達していると判定されるのと、略同時に実行される。   Also, the reforming section preheating step (S104), the transformation section / selective oxidation section preheating process (S105), the recovery water / circulation water circulation start (S201), and the first heat exchange step (S202) are typically performed in S103. When the temperature of the reforming unit 9 is determined to have reached the circulating water / recovered water circulation start temperature T1 or more, the reforming unit 9 is executed substantially simultaneously.

以上で説明した本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム1及び燃料電池発電システム1の起動方法によれば、起動時に燃料処理装置7を冷却し、改質部9の過昇温を招くことなく改質ガス流量を増加させることができるので、一酸化炭素低減部14の予熱時間を短縮すると共に、この熱を燃料電池30での反応熱と合わせて燃料電池30の予熱に利用することにより、燃料電池30を発電開始までに運転開始温度に素速く予熱することができ、よって燃料電池発電システム1の起動時間を短くすることができる。これにより燃料電池発電システム1の経済性並びに利便性も向上する。   According to the fuel cell power generation system 1 and the start method of the fuel cell power generation system 1 according to the embodiment of the present invention described above, the fuel processing device 7 is cooled at the time of start-up and the reforming unit 9 is overheated. Since the reformed gas flow rate can be increased without reducing the preheating time of the carbon monoxide reduction unit 14, this heat is combined with the reaction heat in the fuel cell 30 and used for preheating the fuel cell 30. As a result, the fuel cell 30 can be quickly preheated to the operation start temperature before the start of power generation, and thus the startup time of the fuel cell power generation system 1 can be shortened. Thereby, the economical efficiency and convenience of the fuel cell power generation system 1 are also improved.

また、以上で説明した本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム1及び燃料電池発電システム1の起動方法によれば、起動時の発電効率の悪い時間を短くすることができるので、発電効率のよい燃料電池発電システム1及び燃料電池発電システム1の起動方法を提供することができる。   In addition, according to the fuel cell power generation system 1 and the start method of the fuel cell power generation system 1 according to the embodiment of the present invention described above, the time during which the power generation efficiency is poor at the time of start-up can be shortened. The fuel cell power generation system 1 and the method for starting the fuel cell power generation system 1 can be provided.

さらに、以上で説明した本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム1及び燃料電池発電システム1の起動方法によれば、燃料電池30の温度上昇に対して遅れをとらずに酸化剤ガス61aも素速く加湿することができるので、例えば、燃料電池30の固体高分子膜を損傷させることがなく、ひいては燃料電池発電システム1全体の寿命が向上する。   Furthermore, according to the fuel cell power generation system 1 and the start-up method of the fuel cell power generation system 1 according to the embodiment of the present invention described above, the oxidant gas 61a is not delayed from the temperature rise of the fuel cell 30. Therefore, for example, the solid polymer membrane of the fuel cell 30 is not damaged, and the life of the entire fuel cell power generation system 1 is improved.

なお、以上で説明した本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム1及び燃料電池発電システム1の起動方法は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。   Note that the fuel cell power generation system 1 and the start-up method of the fuel cell power generation system 1 according to the embodiment of the present invention described above are not limited to the above-described embodiments, and are within the scope described in the claims. Various changes are possible.

以上の説明では、燃料処理装置7の改質方式は、回収水42aを用いて改質する水蒸気改質方式として説明したが、部分改質方式あるいは自己熱改質方式(オートサーマル方式)とすることができる。部分改質方式は、原料燃料4aと空気とを混合し、原料燃料4aを部分燃焼させて水素に富む改質ガスを得る方式である。部分改質方式では、例えば(6)式で示される部分酸化反応が起こる。
CH+(1/2)O→CO+2H ・・・(6)
原料燃料4aを直接燃焼させる方式であるため水素発生までの時間を短縮することができる。なお、原料燃料と空気のモル比が一定以上であると(7)式で示される反応が起こることがある。
CH+O→CO+H+HO・・・(7)
In the above description, the reforming method of the fuel processing apparatus 7 has been described as a steam reforming method in which the recovered water 42a is used for reforming. However, a partial reforming method or an autothermal reforming method (autothermal method) is used. be able to. The partial reforming method is a method in which the raw material fuel 4a and air are mixed and the raw material fuel 4a is partially burned to obtain a reformed gas rich in hydrogen. In the partial reforming method, for example, a partial oxidation reaction represented by the formula (6) occurs.
CH 4 + (1/2) O 2 → CO + 2H 2 (6)
Since the raw fuel 4a is directly combusted, the time until hydrogen generation can be shortened. In addition, when the molar ratio of the raw material fuel to the air is above a certain level, the reaction represented by the formula (7) may occur.
CH 4 + O 2 → CO + H 2 + H 2 O (7)

自己熱改質方式は、原料燃料4aと水蒸気の混合ガスに空気を混合する方法である。すなわち、回収水42aと空気の両方を用いる方法であり、触媒の存在下で原料燃料4aを部分燃焼させて熱を得て、水蒸気改質反応によって水素を得る方式である。この自己熱改質方式によれば、水蒸気改質反応で必要とされる熱を原料燃料の部分酸化反応による燃焼熱で賄うため、燃料処理装置7、燃料電池発電システム1のさらなる小型化に資することとなる。   The autothermal reforming method is a method in which air is mixed with a mixed gas of raw material fuel 4a and water vapor. That is, this is a method using both the recovered water 42a and air, and is a method in which the raw material fuel 4a is partially burned in the presence of a catalyst to obtain heat, and hydrogen is obtained by a steam reforming reaction. According to this self-thermal reforming method, the heat required for the steam reforming reaction is covered by the combustion heat of the partial oxidation reaction of the raw material fuel, which contributes to further miniaturization of the fuel processing device 7 and the fuel cell power generation system 1. It will be.

つまり、以上で説明した実施の形態では、燃焼部は、バーナーによって燃料を燃焼させることで改質部を加熱するものとして説明したが、自己熱改質方式での燃焼部は、原料燃料の部分酸化反応によって発生する燃焼熱により、水蒸気改質反応を行う改質部を加熱するように構成されている。水蒸気改質反応を行う改質部を加熱する燃焼部は、原料燃料の部分酸化反応を行う部分となる。なお、加熱部は、以上の説明のように燃料等を燃焼して加熱する燃焼部に限らず、改質部を加熱する構成であるものを広く含むものである。   That is, in the embodiment described above, the combustion unit is described as heating the reforming unit by burning fuel with a burner, but the combustion unit in the self-thermal reforming method is a part of the raw fuel. The reforming section that performs the steam reforming reaction is heated by the combustion heat generated by the oxidation reaction. The combustion part that heats the reforming part that performs the steam reforming reaction is a part that performs the partial oxidation reaction of the raw material fuel. Note that the heating unit is not limited to the combustion unit that burns and heats fuel or the like as described above, but includes a wide range of components that heat the reforming unit.

以上の説明では、一酸化炭素低減部14の温度を検知する温度検知器は、変成部10の温度を検知するものとして説明したが、選択酸化部11の温度を検知するように構成してもよい。この場合、一酸化炭素低減部反応好適温度T3は、選択酸化部11での選択酸化反応に適した温度でとして設定することが好適であり、好ましくは100℃から200℃、さらに好ましくは100℃から160℃程度である。   In the above description, the temperature detector that detects the temperature of the carbon monoxide reduction unit 14 has been described as detecting the temperature of the transformation unit 10, but may be configured to detect the temperature of the selective oxidation unit 11. Good. In this case, the carbon monoxide reduction portion reaction suitable temperature T3 is preferably set as a temperature suitable for the selective oxidation reaction in the selective oxidation portion 11, preferably 100 ° C. to 200 ° C., more preferably 100 ° C. To about 160 ° C.

以上の説明では、循環水24aは、起動時には、循環水加熱器130で加熱され、燃料電池30を所定の温度まで予熱し、燃料電池30が一定量の電力を発電する定格運転時には、循環水冷却器110で冷却され、燃料電池30を冷却するものとして説明した。この場合には、燃料電池発電システムをより単純な構成とすることができる。しかし、予熱用水としての循環水の循環流路と、燃料電池30を冷却する冷却水としての循環水の循環流路を別々に設けてもよい。この場合には、燃料電池発電システムの設計条件、使用に応じて適宜柔軟な対応が可能となる。   In the above description, the circulating water 24a is heated by the circulating water heater 130 at the time of startup, preheats the fuel cell 30 to a predetermined temperature, and during the rated operation in which the fuel cell 30 generates a certain amount of power, the circulating water 24a It has been described that the fuel cell 30 is cooled by the cooler 110. In this case, the fuel cell power generation system can have a simpler configuration. However, a circulation path for circulating water as preheating water and a circulation path for circulating water as cooling water for cooling the fuel cell 30 may be provided separately. In this case, it is possible to flexibly respond appropriately according to the design conditions and use of the fuel cell power generation system.

以上の説明では、循環水加熱器130と循環水冷却器110とは別体に構成するものとして説明したが、一体に構成して三流体熱交換器としてもよい。この場合、三流体熱交換器は、起動時には回収水42aと循環水24aとを熱交換し、更に定格運転時には循環水24aと排熱温水43aとを熱交換する3流体の熱交換器であって、プレート式又は多管式熱交換器が好適に用いられる。   In the above description, the circulating water heater 130 and the circulating water cooler 110 have been described as being configured separately, but may be configured integrally to form a three-fluid heat exchanger. In this case, the three-fluid heat exchanger is a three-fluid heat exchanger that exchanges heat between the recovered water 42a and the circulating water 24a at the time of startup, and further exchanges heat between the circulating water 24a and the exhaust hot water 43a during rated operation. A plate type or multi-tube type heat exchanger is preferably used.

以上の説明では、循環水冷却器110の冷媒として排熱温水43aを用いるものとして説明したが、排熱温水以外の流体を用いてもよいし、循環水冷却器110をエアフィンクーラーとして空冷タイプとしてもよいし、あるいは、冷却塔により循環水24aを冷却する構成としてもよい。   In the above description, the exhaust heat hot water 43a is used as the refrigerant of the circulating water cooler 110. However, a fluid other than the exhaust heat hot water may be used, or an air cooling type using the circulating water cooler 110 as an air fin cooler. Alternatively, the circulating water 24a may be cooled by a cooling tower.

以上の説明では、一酸化炭素低減部14は、変成部10と選択酸化部11とを含んで構成されるものとして説明したが、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減できるような構成であればよく、例えば選択酸化部11を備えない構成とすることができる。この場合、装置をよりコンパクトな構成とすることができる。   In the above description, the carbon monoxide reduction unit 14 has been described as including the shift conversion unit 10 and the selective oxidation unit 11, but a configuration that can sufficiently reduce the carbon monoxide in the reformed gas. For example, the selective oxidation unit 11 may not be provided. In this case, the apparatus can have a more compact configuration.

本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムの模式的ブロック図である。1 is a schematic block diagram of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムの制御部による燃料電池発電システムの起動制御について示した流れ図である。It is the flowchart shown about starting control of the fuel cell power generation system by the control part of the fuel cell power generation system which concerns on embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池発電システム
7 燃料処理装置
8 燃焼部
9 改質部
10 変成部
11 選択酸化部
12 ジャケット
13 三方弁
14 一酸化炭素低減部
15 改質部温度検知器
16 変成部温度検知器
17 循環水温度検知器
18 制御部
30 燃料電池
41 回収水分岐流路
70 酸化剤ガス加湿装置
71 貯液部
83 燃焼ガス熱交換器
110 循環水冷却器
114 料ガス熱交換器
120 貯湯タンク
130 環水加熱器
133 回収水閉止バルブ
134 絞り弁
135 分岐管
170 気液接触装置
3a 燃料ガス
3a’ 燃焼用ガス
4a 原料燃料
5a 燃焼空気
6a 燃焼ガス
21a アノードオフガス
22a カソードオフガス
24a 循環水
42a、42A、42B、42C 回収水
43a 排熱温水
61a 酸化剤ガス
63a 混合ガス
64a 排ガス
T1 循環水・回収水循環開始温度
T2 循環水温度に基づく回収水循環停止温度
T3 一酸化炭素低減部反応好適温度
i1 制御信号
i2 改質部温度信号
i3 変成部温度信号
i4 ポンプ制御信号
i5 循環水温度信号
i6 ポンプ制御信号
i7 バルブ開閉信号
i8 ポンプ制御信号
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell power generation system 7 Fuel processing apparatus 8 Combustion part 9 Reforming part 10 Transformation part 11 Selective oxidation part 12 Jacket 13 Three-way valve 14 Carbon monoxide reduction part 15 Reforming part temperature detector 16 Transformation part temperature detector 17 Circulating water Temperature detector 18 Control unit 30 Fuel cell 41 Collected water branch flow path 70 Oxidant gas humidifier 71 Liquid storage unit 83 Combustion gas heat exchanger 110 Circulating water cooler 114 Gas gas heat exchanger 120 Hot water storage tank 130 Circulating water heater 133 Recovery water closing valve 134 Throttle valve 135 Branch pipe 170 Gas-liquid contact device 3a Fuel gas 3a 'Combustion gas 4a Raw material fuel 5a Combustion air 6a Combustion gas 21a Anode off gas 22a Cathode off gas 24a Circulating water 42a, 42A, 42B, 42C Water 43a Waste hot water 61a Oxidant gas 63a Mixed gas 64a Exhaust gas T1 Circulating water / recovered water circulation Start temperature T2 Recovered water circulation stop temperature T3 based on circulating water temperature Carbon monoxide reduction unit reaction suitable temperature i1 control signal i2 reforming unit temperature signal i3 transformation unit temperature signal i4 pump control signal i5 circulating water temperature signal i6 pump control signal i7 valve Open / close signal i8 Pump control signal

Claims (4)

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池と;
前記発生した水を回収水として回収し貯留する貯留装置と;
原料燃料と、前記回収水又は空気とを供給して原料燃料を改質し、改質ガスを生成する改質部と、前記改質部の周囲に形成され熱交換をする熱交換部と、前記改質部を加熱する加熱部と、前記改質ガス中の一酸化炭素を低減して前記燃料ガスを生成する一酸化炭素低減部とを有する燃料処理装置と;
前記回収水と前記燃料電池を予熱する予熱用水との熱交換を行う予熱用水加熱器と;
前記貯留装置から、前記熱交換部と、前記予熱用水加熱器と、前記貯留装置に至る前記回収水の回収水循環流路と;
前記燃料電池から、前記予熱用水加熱器と、前記燃料電池に至る予熱用水の予熱用水循環流路とを備える;
燃料電池発電システム。
A fuel cell that generates water by generating an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas and generates water;
A storage device for recovering and storing the generated water as recovered water;
Reforming the raw material fuel and supplying the recovered water or air to reform the raw material fuel to generate a reformed gas; and a heat exchanging unit formed around the reforming unit for heat exchange; A fuel processing apparatus comprising: a heating unit that heats the reforming unit; and a carbon monoxide reduction unit that reduces the carbon monoxide in the reformed gas to generate the fuel gas;
A preheating water heater for exchanging heat between the recovered water and preheating water for preheating the fuel cell;
From the storage device, the heat exchange unit, the preheating water heater, and the recovered water circulation passage for the recovered water reaching the storage device;
The preheating water heater from the fuel cell, and a preheating water circulation passage for preheating water to the fuel cell;
Fuel cell power generation system.
前記貯留装置と一体に構成され、前記回収水を循環して前記酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿装置と;
前記貯留装置と前記熱交換部との間の前記回収水循環流路に配設され、前記回収水循環流路を分岐させる分岐手段と;
前記分岐手段から前記酸化剤ガス加湿装置に至る流路と;
前記分岐手段と前記熱交換部との間の前記回収水循環流路に配設され、前記回収水循環流路を閉止する回収水循環流路閉止手段を備える;
請求項1に記載の燃料電池発電システム。
An oxidant gas humidifier configured integrally with the storage device and humidifying the oxidant gas by circulating the recovered water;
A branching unit that is disposed in the recovered water circulation channel between the storage device and the heat exchange unit, and branches the recovered water circulation channel;
A flow path from the branching means to the oxidant gas humidifier;
A recovery water circulation passage closing means disposed in the recovery water circulation passage between the branching means and the heat exchanging section and closing the recovery water circulation passage;
The fuel cell power generation system according to claim 1.
前記改質部を加熱し、前記改質部が第1の温度になった際に、前記予熱用水を前記予熱用水循環流路に循環させ、前記回収水を前記回収水循環流路に循環させて前記予熱用水を加熱し、前記予熱用水加熱器と前記燃料電池との間の前記予熱用水の温度が第2の温度、又は前記一酸化炭素低減部の温度が第3の温度になった際に、前記回収水循環流路閉止手段を閉止する制御装置を備えた;
請求項2に記載の燃料電池発電システム。
When the reforming section is heated and the reforming section reaches the first temperature, the preheating water is circulated through the preheating water circulation passage, and the recovered water is circulated through the recovery water circulation passage. When the preheating water is heated, and the temperature of the preheating water between the preheating water heater and the fuel cell becomes the second temperature, or the temperature of the carbon monoxide reduction unit becomes the third temperature. A control device for closing the recovered water circulation passage closing means;
The fuel cell power generation system according to claim 2.
原料燃料と、水又は空気とを供給して原料燃料を改質し、改質ガスを生成する改質部を加熱する改質部予熱工程と;
前記改質部が第1の温度になった際に、前記改質ガスと第1の媒体との熱交換をする第1熱交換工程と;
前記第1の媒体と第2の媒体との熱交換をする第2熱交換工程と;
前記第2の媒体が燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池を加熱する燃料電池予熱工程と;
前記第2の媒体が第2の温度、又は前記改質ガス中の一酸化炭素を低減して一酸化炭素低減ガスを前記燃料ガスとして生成する一酸化炭素低減部の温度が第3の温度になった際に、前記改質ガスと前記第1の媒体との熱交換を停止する第1熱交換停止工程とを備える;
燃料電池発電システムの起動方法。
A reforming section preheating step of supplying the feedstock fuel and water or air to reform the feedstock fuel and heating the reforming section that generates reformed gas;
A first heat exchanging step of exchanging heat between the reformed gas and the first medium when the reforming unit reaches a first temperature;
A second heat exchange step for exchanging heat between the first medium and the second medium;
A fuel cell preheating step in which the second medium heats a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas;
The second medium is the second temperature, or the temperature of the carbon monoxide reduction unit that reduces the carbon monoxide in the reformed gas and generates the carbon monoxide reduced gas as the fuel gas is the third temperature. A first heat exchange stopping step for stopping heat exchange between the reformed gas and the first medium when
A method for starting a fuel cell power generation system.
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