JP2005259663A - Fuel cell power generation method and fuel cell power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は固体高分子型燃料電池の発電方法、特に頻繁な起動停止に対処した固体高分子型燃料電池の発電方法、および固体高分子型燃料電池発電システム、特に頻繁な起動停止に対処した固体高分子型燃料電池発電システムに関する。 The present invention relates to a power generation method for a polymer electrolyte fuel cell, particularly a power generation method for a polymer electrolyte fuel cell that copes with frequent start / stop, and a polymer electrolyte fuel cell power generation system, particularly a solid that copes with frequent start / stop. The present invention relates to a polymer fuel cell power generation system.
固体高分子型燃料電池は、作動温度が100℃以下と低いため、起動時間を短くでき、さらに取り扱いも容易であるため、自動車用、家庭用(温熱併給、コージェネレーション)等幅広い需要が見込まれている。 Solid polymer fuel cells have a low operating temperature of 100 ° C or less, so the start-up time can be shortened and handling is easy, so a wide range of demand is expected for automobiles and households (cogeneration and cogeneration). ing.
固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜を挟んで担持された燃料極側に、水素、メタノール等の燃料を導入し、もう一方の酸化剤極側に、空気、酸素等の酸化剤ガスを導入することによって、固体高分子膜間に起電力を生じ、外部回路に電子を取り出すことによって発電を行い、その際に熱を発生する。燃料極−固体高分子膜−酸化剤極のセットをセルと呼び、セルを複数枚積層したものをスタックと呼ぶ。 A polymer electrolyte fuel cell introduces a fuel such as hydrogen or methanol to the fuel electrode side sandwiched between solid polymer membranes, and an oxidant gas such as air or oxygen to the other oxidant electrode side. Is introduced to generate an electromotive force between the solid polymer films, and an electric power is generated by taking out electrons to an external circuit. At that time, heat is generated. A set of fuel electrode-solid polymer film-oxidant electrode is called a cell, and a stack of a plurality of cells is called a stack.
固体高分子型燃料電池を含んで構成される固体高分子型燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、燃料電池スタックから電力出力を取り出すと同時に、燃料電池スタックからの排熱を回収し、熱出力として利用する。当該コージェネレーションシステムは、電力出力と熱出力を合わせた総合熱効率が80〜90%(LHV)であり、高い省エネルギー性を提供することができ、エネルギーコストを削減できるほか、CO2排出抑制等環境面に大きく貢献できる分散電源として期待されている。 In a polymer electrolyte fuel cell cogeneration system that includes a polymer electrolyte fuel cell, the power output is extracted from the fuel cell stack and the exhaust heat from the fuel cell stack is recovered and used as the heat output. To do. The cogeneration system has an overall thermal efficiency of 80 to 90% (LHV) that combines power output and heat output, can provide high energy savings, reduce energy costs, and reduce CO 2 emissions. It is expected as a distributed power source that can greatly contribute to the surface.
例えば出力が0.5〜2kW程度である小型の固体高分子型燃料電池コージェネレーションシステムは、一般家庭が市場と想定されているが、一般家庭における電力需要は時間帯による差が大きい。また、現時点では系統への電力逆潮流は認められていない。そのため、家庭における電力需要の少ない夜間などは燃料電池ユニット内に放熱用ラジエータ等を持たせることによって、電力と熱を内部で処理しない限り、停止せざるをえず、頻繁な起動停止が想定される。 For example, a small polymer electrolyte fuel cell cogeneration system with an output of about 0.5 to 2 kW is assumed to be a market for ordinary households, but the power demand in ordinary households varies greatly depending on time zones. At the present time, no reverse power flow to the grid has been observed. Therefore, at night when the demand for electric power is low at home, it is necessary to stop the power and heat unless it is processed internally by providing a radiator for heat dissipation in the fuel cell unit. The
一方、家庭用の燃料電池スタックの想定寿命は、DSSベース(一日一度の起動停止)で4万時間、起動停止回数3000回以上といわれており、レベルの高い耐久性が要求される。特に起動時においては、以下の要因等により燃料極側の電極、または酸化剤極側の電極が腐食により劣化しやすくなるなど、起動停止回数の多い燃料電池スタックでは耐久性への影響が大きく、解決すべき課題となっている。 On the other hand, the assumed life of a household fuel cell stack is said to be 40,000 hours on a DSS basis (start and stop once a day) and 3000 times or more of start and stop, and a high level of durability is required. In particular, at the time of start-up, the fuel-cell side electrode or the oxidant electrode-side electrode is likely to deteriorate due to corrosion due to the following factors, etc. It is a problem to be solved.
すなわち、燃料電池スタックの起動時に、酸化剤ガスを酸化剤極に導入した後に、燃料を燃料極に導入すると、酸化剤極の電位が瞬時的に上昇し、酸化剤極の腐食による劣化を招く。また、同じく燃料電池スタックの起動時に、酸素が燃料極に入っている状態で燃料を導入すると、燃料極側で一時的に部分電池を形成し、燃料極の腐食による劣化を招く。 That is, when the fuel cell stack is started, if the oxidant gas is introduced into the oxidant electrode and then the fuel is introduced into the fuel electrode, the potential of the oxidant electrode rises instantaneously and causes deterioration due to corrosion of the oxidant electrode. . Similarly, when the fuel cell stack is started up and fuel is introduced in a state where oxygen is in the fuel electrode, a partial cell is temporarily formed on the fuel electrode side, causing deterioration due to corrosion of the fuel electrode.
本発明は、燃料電池スタックの起動時における燃料極の電極、および酸化剤極の電極の腐食による劣化を回避し、燃料電池にダメージを与えない燃料電池発電方法、燃料電池発電システムを提供することにより、起動停止を含んだ長時間運転、起動停止を多く含んだ運転パターンにおける高い耐久性を実現することを目的とする。 The present invention provides a fuel cell power generation method and a fuel cell power generation system that avoids deterioration due to corrosion of the electrode of the fuel electrode and the electrode of the oxidant electrode at the time of starting the fuel cell stack and does not damage the fuel cell. Therefore, it is an object of the present invention to realize high durability in a long-time operation including start-stop and an operation pattern including many start-stops.
上記目的を達成するため、請求項1に係る発明による燃料電池発電方法は、炭化水素系燃料から水素リッチな改質ガスを生成する生成工程と;前記改質ガスを燃料電池スタックの燃料極側に導入し、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックの酸化剤極側に導入し、前記燃料電池スタックによって発電を行う発電工程と;前記発電を停止する停止工程と;前記停止工程後に、前記炭化水素系燃料、あるいは前記生成した改質ガスを前記燃料極側に封止する封止工程とを備える。 In order to achieve the above object, a fuel cell power generation method according to the first aspect of the present invention includes a generation step of generating a hydrogen-rich reformed gas from a hydrocarbon-based fuel; A power generation step of introducing an oxidant gas into the oxidant electrode side of the fuel cell stack and generating power by the fuel cell stack; a stop step of stopping the power generation; and after the stop step, the hydrocarbon And a sealing step of sealing the generated fuel or the generated reformed gas to the fuel electrode side.
このように構成すると、燃料電池スタックによる発電を停止する停止工程後に、炭化水素系燃料、あるいは生成した改質ガスを燃料極側に封止する封止工程を備えるので、燃料極側を炭化水素系燃料雰囲気、あるいは改質ガス雰囲気にして空気が存在しないようにし、燃料電池スタックを次回に起動する場合、燃料極側へ改質ガスを導入する際に、燃料極側での酸素と水素による部分電池形成を防ぐことができ、燃料極電極の腐食による劣化を防止することができる。また、燃料電池スタックの発電の停止後に、炭化水素系燃料、あるいは生成した改質ガスが燃料極側に封止されるので、燃料極側に空気が存在しないために、燃料極側から酸化剤極側へ固体高分子膜を空気が透過するのを防ぐことができ、燃料電池スタックを次回に起動する場合、酸化剤極側が瞬時に高電位となることを防ぐことができ、酸化剤極の腐食による劣化を防止することができる。これにより起動停止を含んだ長時間運転、起動停止を多く含んだ運転パターンにおける高い耐久性を実現することができる。 According to this structure, after the stop step of stopping the power generation by the fuel cell stack, a sealing step of sealing the hydrocarbon fuel or the generated reformed gas to the fuel electrode side is provided. When the fuel cell stack is started up the next time, when the reformed gas is introduced to the fuel electrode side, oxygen and hydrogen on the fuel electrode side are used. Partial cell formation can be prevented, and deterioration of the fuel electrode due to corrosion can be prevented. In addition, since the hydrocarbon-based fuel or the generated reformed gas is sealed on the fuel electrode side after the power generation of the fuel cell stack is stopped, there is no air on the fuel electrode side. Air can be prevented from passing through the solid polymer membrane to the pole side, and when the fuel cell stack is started next time, the oxidant pole side can be prevented from instantaneously becoming a high potential. Deterioration due to corrosion can be prevented. As a result, it is possible to achieve high durability in a long-time operation including start-stop and an operation pattern including many start-stops.
前記封止工程を、燃料電池スタックの停止後、燃料電池スタックを次回起動するまで維持することが望ましい。こうすると燃料電池スタックを次回起動する際に、燃料極側が確実に炭化水素系燃料雰囲気、あるいは改質ガス雰囲気であるようにし、空気が存在しないようにすることができる。 It is desirable to maintain the sealing step until the fuel cell stack is started next time after the fuel cell stack is stopped. In this way, when the fuel cell stack is started next time, it is possible to ensure that the fuel electrode side is in a hydrocarbon-based fuel atmosphere or a reformed gas atmosphere so that no air is present.
請求項2に係る発明による燃料電池発電方法は、請求項1に記載の燃料電池発電方法において、前記発電した電力を出力する電力出力工程を備え;前記電力出力工程の終了後に、前記酸化剤極側を酸素濃度が10容量%以下の低い雰囲気に保つ保持工程を備える。 A fuel cell power generation method according to a second aspect of the present invention is the fuel cell power generation method according to the first aspect, further comprising a power output step of outputting the generated power; and after the power output step, the oxidant electrode A holding step of keeping the side in a low atmosphere with an oxygen concentration of 10% by volume or less.
このように構成すると、前記保持工程と、前記封止工程とを備えるので、前記電力出力工程の終了後に、酸化剤極側を酸素濃度が10容量%以下の低い雰囲気に保ち、前記停止工程後に、前記炭化水素系燃料、あるいは前記生成した改質ガスを前記燃料極側に封止することができ、燃料電池スタックの停止中に、燃料極側から酸化剤極側への固体高分子膜を介した空気の拡散を防止することができ、酸化剤極側を確実に酸素濃度の低い状態に保つことができる。したがって、燃料電池スタックを次回に起動する際に、改質ガスを導入する時に、酸化剤極が瞬時に高電位となることによる電極劣化を確実に防止することができる。 If comprised in this way, since the said holding process and the said sealing process are provided, after completion | finish of the said electric power output process, the oxygen concentration electrode side is maintained in the low atmosphere whose oxygen concentration is 10 volume% or less, and after the said stop process The hydrocarbon-based fuel or the generated reformed gas can be sealed on the fuel electrode side, and a solid polymer film from the fuel electrode side to the oxidant electrode side can be formed while the fuel cell stack is stopped. Air diffusion can be prevented, and the oxidant electrode side can be reliably kept in a low oxygen concentration state. Therefore, when the reformed gas is introduced when the fuel cell stack is started next time, it is possible to reliably prevent electrode deterioration due to the oxidant electrode being instantaneously at a high potential.
前記保持工程を、燃料電池スタックの停止後の燃料電池スタックを次回起動するまで維持することが好ましい。このようにすると次回燃料電池スタックを起動する際に、酸化剤極側がより確実に酸素濃度が低い状態であるようにすることができる。 The holding step is preferably maintained until the fuel cell stack after the fuel cell stack is stopped is started next time. In this way, when the fuel cell stack is started next time, the oxidant electrode side can be surely in a state where the oxygen concentration is low.
請求項3に係る発明による燃料電池発電方法は、請求項1または請求項2に記載の燃料電池発電方法において、前記停止工程後に、前記燃料極側に酸化剤ガスを導入する導入工程を備え;前記導入工程は、前記発電工程の累積運転時間が所定時間以上である場合、あるいは直前の前記発電工程中に発電電圧がスタック電流値によって定まる所定の基準値を下回った場合に行われ;前記封止工程が、少なくとも前記導入工程の後に行われる。 A fuel cell power generation method according to a third aspect of the invention is the fuel cell power generation method according to the first or second aspect, further comprising an introduction step of introducing an oxidant gas to the fuel electrode side after the stop step; The introduction step is performed when the accumulated operation time of the power generation step is a predetermined time or more, or when the power generation voltage falls below a predetermined reference value determined by a stack current value during the immediately preceding power generation step; The stopping step is performed at least after the introduction step.
このように構成すると、前記停止工程後に、燃料極側に酸化剤ガスを導入する導入工程を備えるので、前記発電工程の累積運転時間が所定時間以上である場合、あるいは直前の前記発電工程中に発電電圧がスタック電流値によって定まる所定の基準値を下回った場合には、発電中に燃料極側触媒に吸着した炭化水素、一酸化炭素などの不純物が許容量に達する可能性があるので、吸着した炭化水素、一酸化炭素などの不純物を、導入した酸化剤ガスによって酸化処理することにより、燃料電池スタックの発電性能の劣化を長時間にわたり防止することができる。さらに、前記封止工程が、少なくとも前記導入工程の後に行われるので、炭化水素系燃料、あるいは生成した改質ガスが燃料極側に封止され、燃料電池スタックを次回に起動する場合、燃料極側へ改質ガスを導入する際に、燃料極側に空気が存在しないために、燃料極側での酸素と水素による部分電池形成を確実に防止することができる。 If comprised in this way, since the introduction process which introduce | transduces oxidant gas to the fuel electrode side is provided after the said stop process, when the accumulated operation time of the said electric power generation process is more than predetermined time, or during the said electric power generation process immediately before If the generated voltage falls below a predetermined reference value determined by the stack current value, impurities such as hydrocarbons and carbon monoxide adsorbed on the fuel electrode side catalyst during power generation may reach an allowable amount. By oxidizing the introduced hydrocarbon, carbon monoxide, and other impurities with the introduced oxidant gas, it is possible to prevent deterioration of the power generation performance of the fuel cell stack for a long time. Further, since the sealing step is performed at least after the introduction step, the hydrocarbon fuel or the generated reformed gas is sealed on the fuel electrode side, and the fuel cell stack is started next time, the fuel electrode When the reformed gas is introduced to the side, since no air exists on the fuel electrode side, partial cell formation by oxygen and hydrogen on the fuel electrode side can be reliably prevented.
上記目的を達成するため、請求項4に係る発明による燃料電池発電システム101は、例えば図1に示すように、炭化水素系燃料40を導入して水素リッチな改質ガス42を生成する改質ガス生成部18と;改質ガス42を燃料極側に導入し、酸化剤ガス32を酸化剤極側に導入し、改質ガス42と酸化剤ガス32とを用いて発電を行う燃料電池スタック6と;炭化水素系燃料46を直接前記燃料極側に補給する補給流路146と;補給された炭化水素系燃料46を前記燃料極側に封止する封止手段21、23a、27、27a、28、37、38とを備える。
In order to achieve the above object, the fuel cell
このように構成すると、炭化水素系燃料46を直接前記燃料極側に補給する補給流路146と、補給された炭化水素系燃料46を燃料極側に封止する封止手段21、23a、27、27a、28、37、38とを備えるので、燃料電池スタック6の発電終了後に、補給流路146から燃料極側に導入した、炭化水素系燃料46を、封止手段21、23a、27、27a、28、37、38によって燃料極側に封止することができる。よって、燃料電池スタック6を次回に起動する場合、燃料極側へ改質ガス42を導入する際に、燃料極側での酸素と水素による部分電池形成を防止することができ、燃料極電極の劣化を防止することができる。これにより燃料電池発電システム101の、起動停止を含んだ長時間運転、起動停止を多く含んだ運転パターンにおける高い耐久性を実現することができる。なお直接とは、改質ガス生成部18を経ないで(バイパスして)という意味である。したがって、補給流路146は、炭化水素系燃料46を改質ガス生成部18を経ないで燃料極側に補給する。
If comprised in this way, the
請求項5に係る発明による燃料電池発電システム101は、請求項4に記載の燃料電池発電システムにおいて、炭化水素系燃料40の脱硫を行う脱硫手段17と;脱硫された炭化水素系燃料40を改質ガス生成部18に供給する燃料供給手段39とを備え;記補給流路146が補給する炭化水素系燃料46が、脱硫手段17により脱硫され、燃料供給手段39をバイパスして補給される。
A fuel cell
このように構成すると、脱硫手段17により脱硫された炭化水素系燃料46を燃料供給手段39を起動せずに燃料極側に供給することができる。
With this configuration, the
請求項6に係る発明による燃料電池発電システム101は、例えば図1に示すように、炭化水素系燃料40を導入して水素リッチな改質ガス42を生成する改質ガス生成部18と;改質ガス42を燃料極側に導入し、酸化剤ガス32を酸化剤極側に導入し、改質ガス42と酸化剤ガス32とを用いて発電を行う燃料電池スタック6と;燃料電池スタック6の発電停止後に生成した改質ガス42を前記燃料極側に封止する封止手段21、23a、27、27a、28、37、38と;前記燃料極側の圧力を検出する圧力検出手段29と;生成した改質ガス42を前記燃料極側に封入し、前記検出された圧力に基づき当該封入時の前記燃料極側の圧力を一定の範囲に制御する圧力制御手段39、28、4とを備える。
The fuel cell
このように構成すると、圧力検出手段29と圧力制御手段39、28、4とを備えるので、生成した改質ガス42を、生成した改質ガス42を封止した前記燃料極側に封入し、当該封入時の前記燃料極側の圧力を、検出された圧力に基づき一定の範囲に制御することができ、発電停止後に燃料電池発電システム101系内の温度が下がり、前記燃料極側の圧力が低下しても、燃料極側を確実に改質ガス雰囲気にすることができる。
If comprised in this way, since the pressure detection means 29 and the pressure control means 39, 28, 4 are provided, the produced | generated reformed
本発明は、燃料電池スタックによる発電を停止する停止工程後に、炭化水素燃料、あるいは生成した改質ガスを燃料極側に封止する封止工程を備えるので、燃料極側を炭化水素系燃料雰囲気、あるいは改質ガス雰囲気にして空気が存在しないようにし、燃料電池スタックを次回に起動する場合、燃料極側へ改質ガスを導入する際に、燃料極側での酸素と水素による部分電池形成を防止することができ、燃料極電極の劣化を防止することができる。また、燃料電池スタックの発電の停止後に、炭化水素系燃料、あるいは生成した改質ガスが燃料極側に封止されるので、燃料極側に空気が存在しないために、燃料極側から酸化剤極側にへ空気が透過し、燃料電池スタックを次回に起動する場合、酸化剤極側が瞬時に高電位となることを防ぐことができ、酸化剤極の腐食による劣化を防止することができる。これにより不活性ガスを用いずに、起動停止を含んだ長時間運転、起動停止を多く含んだ運転パターンにおける高い耐久性を実現することができる。 Since the present invention includes a sealing step for sealing hydrocarbon fuel or generated reformed gas to the fuel electrode side after the stopping step for stopping power generation by the fuel cell stack, the fuel electrode side is provided with a hydrocarbon-based fuel atmosphere. Alternatively, when the reformed gas atmosphere is set so that air does not exist and the fuel cell stack is started next time, when the reformed gas is introduced to the fuel electrode side, partial cells are formed by oxygen and hydrogen on the fuel electrode side. And the deterioration of the fuel electrode can be prevented. In addition, since the hydrocarbon-based fuel or the generated reformed gas is sealed on the fuel electrode side after the power generation of the fuel cell stack is stopped, there is no air on the fuel electrode side. When air permeates to the electrode side and the fuel cell stack is started next time, the oxidant electrode side can be prevented from instantaneously becoming a high potential, and deterioration due to corrosion of the oxidant electrode can be prevented. Thereby, it is possible to realize high durability in a long-time operation including start-stop and an operation pattern including many start-stops without using an inert gas.
以下、本発明の第1の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。 Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the mutually same or equivalent member, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は、本第1の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム101の構成を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel
燃料電池発電システムとしての燃料電池コージェネレーションシステム101は、燃料処理装置1と、燃料電池スタック6と、パワーコンディショナー7と、脱硫手段としての脱硫器17と、改質用原料ブロワ39と、プロセス水用ポンプ3と、回収水タンク5と、加湿水用ポンプ13と、スタック空気用ブロワ15と、選択酸化用空気ブロワ51と、燃焼用空気ブロワ52と、加湿器16と、第1熱交換部8と、第2熱交換部9と、第3熱交換部14と、スタック冷却水用ポンプ12と、気水分離器11と、制御部4とを備える。燃料処理装置1は、改質触媒(不図示)を有する改質部18と、CO変成触媒(不図示)を有する変成部19と、選択酸化触媒(不図示)を有する選択酸化部20と、水蒸気発生部36と、燃焼部10とを有する。制御部4は、燃料電池コージェネレーションシステム101の起動運転、定常運転、停止運転を制御する。
A fuel
燃料電池コージェネレーションシステム101は、さらに燃料供給ライン140と、補給流路としての原料供給分岐ライン146と、選択酸化用空気供給ライン130aと、プロセス水供給ライン141と、水蒸気供給ライン141aと、燃焼用空気供給ライン130と、燃焼用燃料供給ライン131と、スタック用空気供給ライン132と、パージ用空気供給ライン130bと、改質ガス搬送ライン142と、燃料極オフガス搬送ライン143と、切替ライン142aと、スタック冷却水循環ライン160と、燃焼排ガス排出ライン150と、酸化剤極オフガス排出ライン133と、加湿水供給ライン144と、温熱回収水循環ライン161と、ドレン水ライン164と、余剰水ライン165とを備える。
The fuel
燃料供給手段としての改質用原料ブロワ39は、改質用原料ブロワ39と改質部18とを繋ぐ燃料供給ライン140を介して、炭化水素系燃料としての改質用原料40(例えば、エタン、メタン、プロパン、ブタン等を主成分とする都市ガス13A)を改質部18に供給する。燃料供給ライン140上には、脱硫器17と二方弁28とが設置されている。脱硫器17は、改質用原料40が改質部18に供給される前に改質用原料40の脱硫を行うので、脱硫した改質用原料40が改質部18に供給される。二方弁28は、制御部4からの制御信号(不図示)により、改質部18に供給される改質用原料40の流量を制御する制御弁である。二方弁28が閉となった場合、二方弁28を通る流体の流れが遮断される。よって、この場合、改質部18の流体が二方弁28を通って漏洩することはない。
A reforming
改質部18では、供給された改質用原料40を改質して水素を主成分(例えば、水素の成分がモル%で約70〜75%)とする改質ガス42にする改質反応が行われる。改質部18は、改質部18の温度を検出する温度検出装置75を有し、検出された温度は、温度信号i75として制御部4に送られる。変成部19では、改質部18で生成された改質ガス42のCO変成反応が行われる。変成部19は、変成部19の温度を検出する温度検出装置76を有し、検出された温度は、温度信号i76として制御部4に送られる。
The reforming
選択酸化用空気供給ライン130aは、選択酸化用空気ブロワ51から供給される選択酸化用空気30aを選択酸化部20に供給する。選択酸化部20では、CO変成反応が行われた改質ガス42中に残存する一酸化炭素ガスの選択的酸化が行われる。選択酸化部20は、選択酸化部20の温度を検出する温度検出装置77を有し、検出された温度は、温度信号i77として制御部4に送られる。選択酸化用空気供給ライン130a上には、二方弁37が設置され、二方弁37は、制御部4からの開閉信号(不図示)により、開(全開)または閉(全閉)に設定される。二方弁37が開となった場合、選択酸化用空気30aを選択酸化部20に供給することが可能となる。二方弁37が閉となった場合、二方弁37を通る流体の流れが遮断される。よって、この場合、選択酸化部20内の流体が、二方弁37を通って漏洩することはない。
The selective oxidation
プロセス水供給ライン141は、水蒸気発生部36にプロセス水41を供給する。水蒸気発生部36では、プロセス水41の蒸発が行われ、水蒸気41aが発生する。プロセス水供給ライン141は、回収水タンク5に接続され、プロセス水供給ライン141上には、プロセス水用ポンプ3と二方弁38とが設置されている。プロセス水用ポンプ3は、回収水タンク5内の回収水をプロセス水41として、水蒸気発生部36に供給する。回収水タンク5には水位検出装置71が取り付けられ、水位検出装置71は検出した水位を水位信号i71として制御部4に送る。二方弁38は、制御部4からの開閉信号(不図示)により、開(全開)または閉(全閉)に設定される。二方弁38が開となった場合、プロセス水41を水蒸気発生部36へ供給することが可能となる。二方弁38が閉となった場合、二方弁38を通る流体の流れが遮断される。よって、この場合、水蒸気発生部36内の流体が二方弁38を通って漏洩することはない。
The process
水蒸気供給ライン141aは、水蒸気発生部36で発生した水蒸気41aを改質部18に供給する。水蒸気41aは、改質部18で改質用原料40の改質反応に利用される。
The
燃料電池スタック6は、固体高分子膜(不図示)とセパレータ(不図示)とが交互に重ねられた多重構造であり、燃料極側に改質ガス42が供給され、酸化剤極側に酸化剤ガスとしてのスタック用空気32が供給され、電気化学的反応により発電を行い、燃料極側から燃料極オフガス43(利用し残した改質ガス)、酸化剤極側から酸化剤極オフガス33を排出する。
The fuel cell stack 6 has a multiple structure in which solid polymer membranes (not shown) and separators (not shown) are alternately stacked. The reformed
燃料極オフガス搬送ライン143は、燃料電池スタック6の燃料極側から燃料極オフガス43を燃焼部10に供給する。燃料極オフガス搬送ライン143には、二方弁23aが設置されている。二方弁23aは、制御部4からの開閉信号(不図示)により開(全開)または閉(全閉)に設定される。二方弁23aが開となった場合、燃料極オフガス43が、燃料極側から二方弁23aを通って燃焼部10に流れることが可能になる。二方弁23aが閉となった場合、二方弁23aを通る流体の流れが遮断される。よって、この場合、流体が二方弁23aを通って燃料極側に流れ込むことはなく、燃料極側の流体が二方弁23aを通って漏洩することはない。燃焼用空気供給ライン130は、燃焼用空気ブロワ52が供給する燃焼用空気30を燃焼部10に供給し、燃焼用燃料供給ライン131は、燃焼用燃料31を燃焼部10に供給する。燃焼用空気30は、燃焼部10での燃料極オフガス43の燃焼、燃焼用燃料31の燃焼に利用される。
The fuel electrode off-
改質ガス搬送ライン142は、燃料処理装置1の選択酸化部20と燃料電池スタック6の燃料極側を繋ぎ、選択酸化部20から燃料極側に改質ガス42を搬送する。改質ガス搬送ライン142には、三方切替弁21と圧力検出手段としての圧力検出装置29とが設置されている。三方切替弁21には、制御部4より三方切替弁21を切り替えるための切替信号i21が送られる。圧力検出装置29は、三方切替弁21の下流側に設置され、燃料極側の圧力を検出し、検出された圧力は圧力信号i29として、制御部4に送られる。三方切替弁21には、切替ライン142aの一端が接続され、切替ライン142aの他端は、燃料極オフガス搬送ライン143に接続されている。
The reformed
三方切替弁21が、切替信号i21によりa側に設定されたときは、改質ガス42は、選択酸化部20より改質ガス搬送ライン142、三方切替弁21、改質ガス搬送ライン142を通り燃料極側に搬送される。一方、切替信号i21により三方切替弁21がb側に設定されたときは、改質ガス42は、選択酸化部20より改質ガス搬送ライン142、三方切替弁21、切替ライン142a、燃料極オフガス搬送ライン143を通り燃焼部10に搬送される。
When the three-
三方切替弁21がa側に設定され、燃料電池スタック6の発電のために改質ガス42が選択酸化部20より燃料極側に供給されるときは、二方弁23aは開に設定され、燃料極オフガス43が燃料極側から燃料極オフガス搬送ライン143を通って燃焼部10に搬送されるのを可能にする。三方切替弁21がb側に設定された場合、二方弁23aは閉に設定され、燃料極オフガス搬送ライン143に達した改質ガス42が燃料極側に逆流することはない。
When the three-
スタック空気用ブロワ15は、スタック空気用ブロワ15と燃料電池スタック6の酸化剤極側とを繋ぐスタック用空気供給ライン132を介して、酸化剤ガスとしてのスタック用空気32を酸化剤極側に供給する。スタック用空気供給ライン132上には、加湿器16が設置されている。加湿器16には、加湿水供給ライン144を介して加湿水44が供給され、加湿器16は供給された加湿水44を用いてスタック用空気32を加湿する。加湿器16からの余剰水65は、回収水タンク5へ余剰水ライン165を介して送られ、回収水として回収される。
The
改質ガス搬送ライン142の三方切替弁21の下流側で圧力検出装置29の上流側には、パージ用空気供給ライン130bが接続されている。パージ用空気供給ライン130bは、選択酸化用空気供給ライン130aから分岐し、選択酸化用空気をパージ用空気30bとして燃料極側に供給する。パージ用空気供給ライン130bには、二方弁27aが設置され、パージ用空気供給ライン130bは、選択酸化用空気供給ライン130aから二方弁37の上流で分岐する。二方弁27aは、制御部4からの開閉信号(不図示)により開(全開)または閉(全閉)に設定される。二方弁27aが開となった場合、パージ用空気30bが、選択酸化用空気ブロワ51からパージ用空気供給ライン130bと改質ガス搬送ライン142とを通って燃料電池スタック6の燃料極側に流れ込むことが可能になる。二方弁27aが閉となった場合、二方弁27aを通る流体の流れが遮断される。よって、この場合、改質ガス搬送ライン142内の流体および燃料極側の流体が二方弁27aを通って漏洩することはない。
A purge
原料供給分岐ライン146は、改質用原料ブロワ39および脱硫器17の下流側であって二方弁28の上流側において燃料供給ライン140から分岐し、燃料極オフガス搬送ライン143に二方弁23aの上流側において接続し、脱硫した炭化水素系燃料としての原料46を燃料極側に燃料処理装置1をバイパスし、すなわち改質部18、変成部19、選択酸化部20をバイパスして供給する。燃料供給分岐ライン146には、二方弁27が設置され、二方弁27は制御部4からの開閉信号(不図示)により開(全開)または閉(全閉)に設定される。二方弁27が開となった場合、脱硫した原料46が、燃料極オフガス搬送ライン143を通って燃料極側に流れることが可能になる。二方弁27が閉となった場合、二方弁27を通る流体の流れが遮断される。よって、この場合、燃料極オフガス搬送ライン143内の流体が二方弁27を通って漏洩することはない。二方弁27が開のときは、二方弁23aは閉に設定される。なお、本第1の実施の形態では、改質用原料40、原料46は、気体である(後述の第2の実施の形態において同じ)。
The raw material
燃焼排ガス排出ライン150は、燃焼部10で生じた燃焼排ガス50を排出する。酸化剤極オフガス排出ライン133は、酸化剤極側で生じた酸化剤極オフガス33を排出する。酸化剤極オフガス排出ライン133は、燃焼排ガス排出ライン150に接続されており、酸化剤極オフガス排出ライン133を通った酸化剤極オフガス33は、さらに燃焼排ガス排出ライン150を通って排出される。酸化剤極オフガス排出ライン133上には、逆止弁25が設置されている。逆止弁25は、酸化剤極オフガス33が酸化剤極側から燃焼排ガス排出ライン150へ向けて流れることを許容し、酸化剤極オフガス33、燃焼排ガス50等の流体が酸化剤極側に向かって逆流するのを遮断する。
The combustion exhaust
スタック冷却水用ポンプ12は、スタック冷却水60を、スタック冷却水循環ライン160を通して循環させる。
The stack cooling
第1熱交換部8には、温熱回収水循環ライン161と燃焼排ガス排出ライン150とが接続され、燃焼排ガス50(高温側)と温熱回収水61(低温側)との間で熱交換が行われる。第2熱交換部9には、スタック冷却水循環ライン160と温熱回収水循環ライン161とが接続され、スタック冷却水60(高温側)と温熱回収水61(低温側)との間で熱交換が行われる。第3熱交換部14には、燃焼排ガス排出ライン150と加湿水供給ライン144とが接続され、燃焼排ガス50(高温側)と加湿水44(低温側)との間で熱交換が行われる。燃焼排ガス排出ライン150上で、第3熱交換部14は、第1熱交換部8の上流側に配置されている。気水分離器11は、燃焼排ガス排出ライン150上で、第1熱交換部8の下流側に設置されている。温熱回収水循環ライン161上で、第1熱交換部8は第2熱交換部9の上流側に配置されている。
The first
ドレン水ライン164は、気水分離器11の底部と回収水タンク5の天井部とを繋ぎ、気水分離器11で回収されたドレン水64を気水分離器11から回収水タンク5に流す。余剰水ライン165は、加湿器16の底部と回収水タンク5の天井部とを繋ぎ、供給された加湿水44のうち加湿器16で使用されなかった余剰水65を加湿器16から回収水タンク5に流す。
The
スタック冷却水循環ライン160は、スタック冷却水用ポンプ12と第2熱交換部9と燃料電池スタック6を繋ぎ、スタック冷却水60は、スタック冷却水用ポンプ12と第2熱交換部9と燃料電池スタック6をこの順序で循環する。
The stack cooling
パワーコンディショナー7は、不図示のDC/DCコンバータおよびDC/ACインバータを含んで構成され、燃料電池スタック6が発電した直流電力の電圧(スタック電圧)を調整し、さらに直流を交流に変換する。また、パワーコンディショナー7は、制御部4からの制御信号i74を受け、制御信号i74が要求する電力値の交流電力を外部負荷(不図示)に出力する。燃料電池スタック6とパワーコンディショナー7を接続する配線中にはスタック電圧を検出する電圧検出装置68、スタック電流を検出する電流検出装置69、リレー34が設置されている。電圧検出装置68は、検出したスタック電圧を表す電圧信号i68を制御部4に送り、電流検出装置69は、検出したスタック電流を表す電流信号i69を制御部4に送る。リレー34は、制御部4から送られる開閉信号i34によってリレー34を開閉し、リレー34が閉となることにより制御信号i74が要求する電力が外部負荷(不図示)に出力されるよう燃料電池スタック6が電力を出力し、リレー34が開となることにより燃料電池スタック6からの電力の出力が停止される。
The
スタック空気用ブロワ15、改質用原料ブロワ39、選択酸化用空気ブロワ51、燃焼用空気ブロワ52、プロセス水用ポンプ3、加湿水用ポンプ13、スタック冷却水用ポンプ12は、それぞれ原動機としての電動モータ(不図示)によって駆動される。改質用原料ブロワ39を駆動する電動モータを除く各電動モータは、制御部4からの制御信号(不図示)により回転数が制御され、スタック用空気32、選択酸化用空気30a、燃焼用空気30、プロセス水41、加湿水44、スタック冷却水60の流量がそれぞれ制御される。改質用原料ブロワ39を一定の回転数で駆動する電動モータは、制御部4からの制御信号(不図示)により回転するか否かが制御される。各電動モータは、制御部4から各制御信号(不図示)が送られなくなることによりそれぞれ停止する。
The
次に、本第1の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム101の発電時(定格電力出力状態)の作用を説明する。
改質用原料40は、改質用原料ブロワ39から脱硫器17に供給され改質用原料40中の硫黄分を含む腐臭剤が除去され脱硫される。脱硫された改質用原料40は、燃料処理装置1の改質部18に供給される。このとき二方弁28は開の位置にあり、二方弁28によって改質用原料40の流量制御が行われる。このとき二方弁27は閉の位置にあり、原料46は燃料極側には供給されない。プロセス水41は、回収水タンク5からプロセス水用ポンプ3によって、燃料処理装置1の水蒸気発生部36に供給される。このとき二方弁38は開の位置にあり、プロセス水用ポンプ3を駆動する電動モータ(不図示)は回転数制御され、プロセス水41の流量制御が行われる。水蒸気発生部36で水蒸気41aが発生し、発生した水蒸気41aは改質部18に供給され、改質用水蒸気として用いられる。すなわち改質部18では、改質用原料40が例えばメタンの場合は、改質触媒(不図示)により、CH4+H2O→CO+3H2で表せる水蒸気改質反応が行われ、改質ガス42が生成する。
Next, the operation of the fuel
The reforming
改質ガス42は、改質部18から変成部19に供給され、変成部19で、CO変成触媒(不図示)により、CO+H2O→CO2+H2で表せる変成反応が行われ、改質ガス42中のCOが除去される。さらに、改質ガス42は、変成部19から選択酸化部20に送られる。選択酸化用空気30aは、選択酸化用空気ブロワ51から選択酸化部20に供給される。このとき二方弁37は開の位置にあり、選択酸化用空気ブロワ51を駆動する電動モータ(不図示)は回転数制御され、選択酸化用空気30aの流量制御が行われる。改質ガス42中に残留するCOガスは、選択酸化部20で選択酸化用空気30aにより選択的に酸化され、CO+(1/2)O2→CO2で表される選択酸化反応が行われる。なお、このとき、二方弁27aは、閉の位置にあり、選択酸化用空気30aから分岐するパージ用空気30bは供給されない。
The reformed
選択酸化部20でCOガスが除去された改質ガス42は、燃料電池スタック6の燃料極側に供給される。このとき三方切替弁21はa側の位置にある。スタック用空気32は、スタック空気用ブロワ15から加湿器16に供給され、加湿器16で加湿され、燃料電池スタック6の酸化剤極側に供給される。このとき、スタック空気用ブロワ15を駆動する電動モータ(不図示)は回転数制御され、スタック用空気32の流量制御が行われる。また、加湿水用ポンプ13を駆動する電動モータ(不図示)は回転数制御され、加湿水44の流量制御が行われる。加湿したスタック用空気32を酸化剤極側に供給するのは、固体高分子型である燃料電池スタック6の特性上、耐久性を維持し、高い発電効率を実現するためには固体高分子膜(不図示)が十分に加湿された状態にあることが必要だからである。
The reformed
燃料電池スタック6は、燃料極側に改質ガス42が供給され、酸化剤極側にスタック用空気32が供給され、改質ガス42とスタック用空気32とを用いて電気化学的反応により直流電力の発電を行い、パワーコンディショナー7で電圧変換、直流/交流変換を行い、交流電力を外部負荷(不図示)に出力する。燃料極側から燃料極オフガス43、酸化剤極側から酸化剤極オフガス33を排出する。このとき二方弁23aは、開の位置にあるので、燃料極オフガス43を排出することが可能である。
In the fuel cell stack 6, the reformed
燃料極オフガス43は、燃料処理装置1の燃焼部10に供給され、燃焼部10で燃焼され、この燃焼によって燃焼排ガス50が生じ、燃焼排ガス50は燃焼部10から排出される。酸化剤極オフガス33は燃焼排ガス50に合流し排出される。
The fuel electrode off-
すなわち燃焼排ガス50は燃焼部10から排出され酸化剤極オフガス33と混合し、第3熱交換部14で加湿水44を例えば40℃から65℃に加熱し、加湿水44により例えば80℃から55℃に冷却され、さらに第1熱交換部8で貯湯槽(不図示)から送られる温熱回収水61を例えば20℃から28℃に加熱し、温熱回収水61により例えば55℃から22℃に冷却され、さらに気水分離器11で気水分離され排気される。気水分離器11で分離された水分すなわちドレン水64は、回収水タンク5に送られ、回収水として回収される。
That is, the
加湿器16に供給された加湿水44は、加湿器16でスタック用空気を例えば55℃まで昇温しRH95%以上まで加湿する。温熱回収水61は、第2熱交換部9でスタック冷却水60により例えば28℃から64℃に加熱され、貯湯槽(不図示)に戻され、貯湯槽に熱量が貯えられる。
The humidified water 44 supplied to the
燃料電池スタック6に供給されたスタック冷却水60は、燃料電池スタック6を冷却し、スタック冷却水60自身は燃料電池スタック6により55℃から65℃に加熱され燃料電池スタック6を出で、スタック冷却水用ポンプ12を経て、第2熱交換部9で温熱回収水61により65℃から55℃に冷却され、再び燃料電池スタック6に供給されて循環する。スタック冷却水用ポンプ12を駆動する電動モータ(不図示)は回転数制御され、スタック冷却水60の流量制御が行われている。燃料電池スタック6の発電効率は通常50〜70%(LHV)であり、損失分は燃料電池スタック6の発熱として消費され、この発熱分がスタック冷却水60により除去される。
The
制御部4は、開度位置を開または閉とする開閉信号(不図示)を二方弁23a、27、27a、37、38に送り、流量を制御する制御信号(不図示)を二方弁28に送り、さらに改質用原料ブロワ39を駆動する電動モータ(不図示)以外の各電動モータ(不図示)に送る。さらに制御部4は、発電開始前に三方切替弁21をa側に切り替える切替信号i21を三方切替弁21に送り、発電開始時にパワーコンディショナー7に外部負荷(不図示)への電力出力を制御する制御信号i74を送る。制御部4は、燃料電池スタック6からの電力の出力開始時にリレー34を閉とする開閉信号をリレー34に送る。さらに制御部4には、圧力検出装置29からの圧力信号i29、電圧検出装置68からの電圧信号i68、電流検出装置69からの電流信号i69が、水位検出装置71からの水位信号i71、温度検出装置75からの温度信号i75、温度検出装置76からの温度信号i76、温度検出装置77からの温度信号i77が送られる。
The control unit 4 sends an open / close signal (not shown) for opening or closing the opening position to the two-
次に、本第1の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム101の起動時の作用を説明する。
前回の停止運転時に最終的に三方切替弁21をb側の位置に設定し、二方弁23a、27、27a、28、37、38を閉の位置に設定しているので、起動直前には三方切替弁21はb側の位置に、二方弁23a、27、27a、28、37、38は閉の位置にある。まず燃焼用空気30を、バーナー(不図示)のパージのため燃焼部10に供給し、燃焼用燃料31の供給開始と同時にバーナーに着火し燃焼部10での燃焼を開始すると、燃焼部10から燃焼排ガス50が排出される。次に改質用原料ブロワ39を起動し同時に二方弁28を開とし、改質用原料40を、脱硫器17を通過させて脱硫した後、改質部18に供給する。同時に加湿水用ポンプ13を起動し、加湿水44を加湿器16に供給する。この時点でスタック用空気32は供給されておらず、加湿器16に供給された加湿水44は、余剰水ライン165を介して回収水タンク5に送られ、循環する。加湿水用ポンプ13を起動すると、第3熱交換部14で燃焼排ガス50により加湿水44を加熱することができ、発電開始時までに、加湿水44の温度を十分に上昇させスタック用空気32の加湿不足を避けることができる。
Next, the operation at the time of starting the fuel
Since the three-
起動の初期の段階では、改質部18の温度が、改質反応を生じる温度に達していないので改質部18での改質反応は起こらない。改質用原料40は、改質部18、変成部19、選択酸化部20を通り燃焼部10に送られ、燃焼部10での改質用原料40の燃焼が開始される。燃焼部10での燃焼により改質部18、変成部19、選択酸化部20の温度が上昇する。
At the initial stage of start-up, the temperature of the reforming
改質部18の温度、変成部19の温度、選択酸化部20の温度が、全て100℃を上回ったところで、プロセス水用ポンプ3を起動し、プロセス水41を水蒸気発生部36に供給し、改質部18に水蒸気41aが供給されるようにする。プロセス水41の流量は予め定められたS(水蒸気41a)/C(改質用原料中の炭素)比(モル比)に基づき決められる。
When the temperature of the reforming
プロセス水41の供給を開始した後所定時間(例えば10分)経過後に、選択酸化用空気30aを予め定められた改質用原料40とのモル比に基づいて、選択酸化部20に供給する。燃料処理装置1内の触媒温度が所定の温度に達したら(改質部の温度が670℃、かつ変成部19の温度が250℃、かつ選択酸化部20の温度が120℃となったら)、三方切替弁21をa側の位置に切り替え、同時に二方弁23aを開とし、水素リッチで一酸化炭素が10ppm以下程度の改質ガス42を燃料極側に供給する。このとき酸化剤極側は酸素がほとんどない窒素雰囲気であるため、スタック電圧は0のままである。
After elapse of a predetermined time (for example, 10 minutes) after the supply of the
改質ガス42の供給を開始してから所定時間(例えば2分)経過後に、スタック空気用ブロワ15を起動し、スタック用空気32を酸化剤極へ供給し、燃料電池スタック6の発電を開始する。このとき燃料電池スタック6のスタック電圧は開放電圧となるが、先に燃料極側に水素リッチな改質ガス42が供給されているため、瞬間的な酸化剤極側の電位上昇を原因とする電極腐食による劣化を招くことがなく、燃料電池スタック6にダメージを与えずに起動を行うことができる。そのため、燃料電池スタック6の高い耐久性を実現することができる。
After a predetermined time (for example, 2 minutes) has elapsed from the start of supply of the reformed
燃料電池コージェネレーションシステム101の内部補機動力(一部不図示)を系統側(不図示)から燃料電池スタック6側へ切り替え、自立運転可能な状態にする。次に、リレー34を開から閉とし、パワーコンディショナー7を起動し外部負荷(不図示)への電力の出力を開始する。システムの内部補機とは、例えばブロワ、ポンプなどの回転補機、熱電対、圧力計などのセンサ類、制御部4をいう。パワーコンディショナー7の電力出力を増加させ、同時に改質用原料40,選択酸化用空気30a、スタック用空気32、プロセス水41、燃焼用空気30の流量を増加させ、目標出力(定格出力)まで電力出力を増加させる。
The internal auxiliary machine power (partially not shown) of the fuel
このとき、燃料電池スタック6は、水素を50%(モル%)程度(ドライベース)含む燃料極オフガス43と酸素を10%(モル%)程度(ドライベース)含む酸化剤極オフガス33を排出する。燃料極オフガス43は、燃焼部10で燃焼され、燃料処理装置1内の改質部18等を加熱する。酸化剤極オフガス33は、燃焼部10からの燃焼排ガス50と合流し、第3熱交換部14で加湿水44を加熱する。
At this time, the fuel cell stack 6 discharges the fuel electrode off-
次に、図2を参照し、適宜図1を参照し、本第1の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム101の発電停止運転方法を説明する。以下の運転は制御部4の制御により行われる。
図中、横軸が時間であり、縦軸が運転パラメータ、すなわち燃料電池スタック6が発電する電力である燃料電池発電出力%、改質用原料40の流量%、原料46の流量%、プロセス水41の流量%、選択酸化用空気30aの流量%、スタック用空気32の流量%、改質部18の温度%を表す。原料46を除き、それぞれ定格運転時の値を100%とする。原料46は、改質用原料40の定格運転時の流量に等しい値を100%とする。100%の値は、燃料電池発電出力が1.3KW、改質用原料40が11mol/h、プロセス水41が37mol/h、選択酸化用空気30aが4mol/h、スタック用空気32が161mol/h、改質部18の温度が700℃である。
Next, a power generation stop operation method of the fuel
In the figure, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents operating parameters, that is, fuel cell power generation output% that is power generated by the fuel cell stack 6, flow rate% of the reforming
まず、燃料電池コージェネレーションシステム101は定格電力出力状態にあるとする。このとき原料46以外の運転パラメータの値は100%であり、原料46の値は0%である。このとき二方弁23a、37、38は開の位置にあり、三方切替弁21はa側の位置にあり、二方弁27、27aは閉の位置にある。二方弁28は、改質用原料40の流量制御を行っている。
First, it is assumed that the fuel
時間t1に、燃料電池スタック6からの燃料電池発電出力が8%になるように、パワーコンディショナー7の電力出力の減少を開始する。同時に改質用原料40、プロセス水41、選択酸化用空気30a、スタック用空気32の流量がそれぞれ、15%、18%、18%、20%になるように、これらの流量の減少を開始する。原料46の流量は、0%に維持する。原料46を除くこれらの値は最低流量であり、これらの値までしか流量を減少させないようにする。こうするのは燃料極から燃焼部10への燃料極オフガス43の供給を維持し、燃焼部10における燃料極オフガス43の燃焼を維持させるためである。流量の減少は、制御部4からスタック用空気ブロワ駆動用電動モータ(不図示)、二方弁28、選択酸化用空気ブロワ駆動用電動モータ(不図示)、プロセス水用ポンプ駆動用電動モータ(不図示)へ送られるそれぞれの制御信号(不図示)を変化させることにより行う。燃料電池発電出力の減少は、制御部4からのパワーコンディショナー7への制御信号i74を変化させることにより行う。時間t1以降、改質部18の温度は徐々に減少する。
At time t1, reduction of the power output of the
時間t1’(時間t1より例えば5分経過)に、パワーコンディショナー7の電力出力が0となり、燃料電池スタック6からの燃料電池発電出力が8%となり、改質用原料40、プロセス水41、選択酸化用空気30a、スタック用空気32の流量がそれぞれ、15%、18%、18%、20%になる。時間t1’に電力出力工程が終了する。すなわち、このときパワーコンディショナー7から外部負荷(不図示)への電力出力が0である。燃料電池スタック6からの燃料電池発電出力は、パワーコンディショナー7の待機電力と内部補機(不図示)の動力として消費されている。
At time t1 '(for example, 5 minutes have elapsed from time t1), the power output of the
時間t2(時間t1’より例えば1分経過)にシステムの内部補機(不図示)の動力を燃料電池スタック6側から系統側(不図示)に切り替え、燃料電池発電出力が3%となるよう、燃料電池スタック6からの発電出力を減少させる。燃料電池発電出力は、パワーコンディショナー7の待機電力として消費される。
At time t2 (e.g., one minute has elapsed from time t1 '), the power of the internal auxiliary equipment (not shown) of the system is switched from the fuel cell stack 6 side to the system side (not shown) so that the fuel cell power generation output becomes 3%. The power generation output from the fuel cell stack 6 is reduced. The fuel cell power generation output is consumed as standby power for the
このとき燃料電池スタック6のセル平均電圧(スタック電圧/セル枚数)は、0.9V程度となっており、高電位である。よって、燃料電池スタック6のセルは劣化しやすい状況にある。したがって長時間にわたり電位が高いまま維持するのは望ましくない。 At this time, the cell average voltage (stack voltage / number of cells) of the fuel cell stack 6 is about 0.9 V, which is a high potential. Therefore, the cells of the fuel cell stack 6 are likely to deteriorate. Therefore, it is not desirable to keep the potential high for a long time.
時間t3(時間t2より例えば10秒経過)に、スタック用空気32の供給を停止し、加湿水用ポンプ13の運転を停止し、加湿水44の加湿器16への供給を停止する。なお、三方切替弁21の位置はa側のままであり、改質ガス42の燃料電池スタック6への供給は継続している。
At time t3 (for example, 10 seconds have elapsed from time t2), the supply of the stacking
スタック用空気32の酸化剤極側への供給の停止は、スタック用空気ブロワ15を停止することによりなされる。燃料電池スタック6に接続されているパワーコンディショナー7は待機電力を消費し、燃料電池スタック6の電気負荷となっており、燃料電池スタック6の燃料極側に供給される改質ガス42と酸化剤極側に存在する酸素とが消費されるため、酸化剤極側では酸素不足な状態になり、酸化剤極側が酸素濃度の低い雰囲気になる。それに伴い、燃料電池スタック6のセル平均電圧が低下する。スタック用空気ブロワ15はその後も停止の状態に維持されるので酸化剤極は酸素濃度が低い状態に保持され、この状態は後述の燃料電池スタック6の発電停止直後のみならず、次回の燃料電池スタック6の起動まで維持される(保持工程)。なお、燃料極側には引き続き改質ガス42が供給されているため、燃料極側で燃料不足となることはない。
The supply of the
このときスタック電流値を0.01A/cm2以下とすると、セル平均電圧のばらつきを抑えながら全体の電圧を下げることが可能であり、セル電圧(スタック電圧)が高いことによるダメージを受けるセルがなくなる。これにより、燃料電池スタック6のセルが高電位に維持される時間が短くなるため、高電位による劣化を避けることができる。 At this time, if the stack current value is 0.01 A / cm 2 or less, it is possible to reduce the overall voltage while suppressing variations in the cell average voltage, and cells that are damaged by the high cell voltage (stack voltage) can be obtained. Disappear. This shortens the time during which the cells of the fuel cell stack 6 are maintained at a high potential, so that deterioration due to the high potential can be avoided.
また、これにより、燃料極側が燃料不足とならない状態でセル平均電圧を低下させることができ、酸化剤極の腐食を防止できる。よって、燃料電池スタック6にダメージを与えずに停止運転を行うことができ、劣化を防止することができる。 In addition, this makes it possible to reduce the cell average voltage in a state where the fuel electrode does not run out of fuel, and to prevent corrosion of the oxidant electrode. Therefore, the stop operation can be performed without damaging the fuel cell stack 6, and deterioration can be prevented.
酸化剤極側の酸素濃度が不足するとは、酸化剤極側の酸素濃度が、10容量%以下、このましくは3容量%以下であることをいう。 Insufficient oxygen concentration on the oxidant electrode side means that the oxygen concentration on the oxidant electrode side is 10% by volume or less, preferably 3% by volume or less.
以上述べたように、酸化剤極を酸素濃度が低い状態、すなわち酸素不足の状態に保つので、燃料電池スタック6を次回に起動する際に、改質ガス42を燃料極側に導入する時に、酸化剤極が瞬時に高電位とならず、酸化剤極が高電位になることによる電極劣化を防止することができる。
As described above, since the oxidizer electrode is kept in a low oxygen concentration state, that is, in an oxygen-deficient state, when the reformed
時間t4(時間t3より例えば8分経過)に、リレー34を開とし、燃料電池スタック6の電力負荷を遮断すると、燃料電池スタック6からの燃料電池電力出力がゼロとなる。この時点で、発電工程が終了する。
When the
時間t5(時間t4より例えば10秒経過)に、二方弁23aを閉とした後、二方弁28を閉とし同時に改質用原料ブロワ39を停止することにより改質用原料40の改質部18への供給を停止し、二方弁38を閉としプロセス水41の水蒸気発生部36への供給を停止し、さらに二方弁37を閉とし選択酸化用空気30aの選択酸化部20への供給を停止する。次に、二方弁23aを閉とする。これにより燃料処理装置1と燃料電池スタック6の燃料極側を三方切替弁21(a側の位置)、二方弁23a、27、27a、28、37、38により仕切ることができ、改質ガス42を改質ガス封止域に封止することができる。改質ガス42を改質ガス封止域に封止すれば、改質ガス42を燃料極側に封止することになる。三方切替弁21、二方弁23a、27、27a、28、37、38は、本発明の封止手段である。
After the two-
燃料電池スタック6の発電停止後は、改質ガス42を封止した改質ガス封止域を圧力測定装置29にて監視する。燃料電池スタック6の発電停止により発電を停止する停止工程が終了する。改質ガス封止域は、燃料処理装置1の改質部18、変成部19、選択酸化部20、燃料供給ライン140の二方弁28より下流側、選択酸化用空気供給ライン130aの二方弁37より下流側、パージ用空気供給ライン130bの二方弁27aより下流側、水蒸気発生部36、プロセス水供給ライン141の二方弁38より下流側、水蒸気供給ライン141a、燃料電池スタック6の燃料極側、改質ガス搬送ライン142、燃料極オフガス搬送ライン143の二方弁23aより上流側、原料供給分岐ライン146の二方弁27より下流側を含んで構成される。
After stopping the power generation of the fuel cell stack 6, the
時刻t6(時間t5より例えば60分経過)に、圧力検出装置29によって検出された改質ガス封止域の圧力が1kPaGよりも下がった場合には、大気中の空気の改質ガス封止域への混入を避けるために、改質用原料ブロワ39を起動し同時に二方弁27を開とし、脱硫器17への原料46の供給を開始し、流量30%の脱硫済みの原料46を改質ガス封止域に補充すなわち封入して、封止し(封止工程)、改質ガス封止域の圧力が負圧にならないようにする。封入時間は例えば1分とする。改質用原料ブロワ39は封入終了後に停止する。また二方弁27も封入終了後に閉とする。原料46は脱硫済みであるので燃料処理装置1と燃料電池スタック6の触媒(不図示)が硫黄被毒することがない。また改質ガス封止域が負圧となることがないため、確実に空気の混入を防止でき、燃料電池スタック6の発電開始時に燃料極側に改質ガス42を供給したときの、混入した空気による、燃料極側での部分電池形成による電極劣化を防止することができ、高い耐久性を実現できる。
When the pressure in the reformed gas sealing area detected by the
本件発明の発明者らは、試験により燃料処理装置1の改質ガス42の出口に接続されたラインから原料46を補充すれば(例えば、改質ガス出口と三方切替弁21の間で改質ガス搬送ライン142に原料46を補充)、燃料処理装置1内で温度の高い(例えば400℃以上)改質部18までは補充された原料46は達しないという知見を得たので本発明に至った。本発明に係る第1の実施の形態に係る燃料処理装置1によれば、改質部18の温度が高い(例えば400℃以上)場合でも、燃料処理装置1の改質ガス42の出口から遠く配置された、燃料電池スタック6の燃料極側の燃料極オフガス43の出口から原料46を補充すれば、原料46が改質部18まで達することはないため、改質部18で原料46が炭化することがなく、改質部18の改質触媒(不図示)の劣化を招くことがない。
If the inventors of the present invention replenish the
時間t7(時間t6より例えば120分経過)に、すなわち改質部18が改質用原料40の炭化によるコーキングを起こさない上限温度(例えば59%(400℃))を下回った時点で、改質用原料ブロワ39を起動し同時に二方弁23a、28を開とし、改質ガス封止域に残留しているガスを改質用原料40によりパージする。パージする時間はパージに十分な時間、例えば5分とする。本パージを行うのは、改質ガス封止域の温度が下がり、改質ガス42中に残存する水蒸気が燃料処理装置1中の触媒(改質触媒、変成触媒、選択酸化触媒)に凝縮することを避けるためである。触媒上で水分が凝縮すると、触媒表面の細孔中に水分が侵入し、次回起動時にその水分が沸騰することにより、触媒細孔構造にダメージを与える可能性がある。改質用原料ブロワ39は改質用原料40によるパージおよび封入の終了後に停止する。
At time t7 (for example, 120 minutes have elapsed from time t6), that is, when the reforming
時間t8(時間t7より例えば5分経過)に、二方弁23aを閉とし、改質用原料40による封入を開始する。封入時間は封入に十分な時間、例えば10秒とする。改質用原料40による封入は、圧力検出装置29の圧力指示値を監視し、その値が封入圧基準値(例えば20kPaG)に上昇するまで、行ってもよい。封入時の改質用原料40の流量は二方弁28により制御され、このときの改質用原料40の流量は、例えば定格運転時の12%相当である。封入終了後に、二方弁28を閉とし、燃料処理装置1と燃料電池スタック6の燃料極側を含む原料封止域(改質ガス封止域と同じ)を三方切替弁21(a側の位置)、二方弁23a、27、27a、28、37、38により仕切り、改質用原料40を原料封止域に封止することができる(封止工程)。これにより、燃料極側を含む原料封止域を原料雰囲気(炭化水素系燃料雰囲気)にすることができる。すでに酸化剤極が酸素濃度が低い状態になっているところに、このように燃料極を含む原料封止域を原料雰囲気にすると、燃料電池スタック6の停止中に、燃料極側から酸化剤極側への固体高分子膜(不図示)を介した空気の拡散を防止することができ、酸化剤極側を確実に酸素濃度の低い状態に保つことができる。
At time t8 (e.g., 5 minutes elapses from time t7), the two-
時間t9に、圧力検出装置29によって検出された原料封止域の圧力が1kPaGよりも下がった場合には、大気中の空気の原料封止域への混入を避けるため、再び改質用原料ブロワ39を起動し同時に二方弁28を開とし、脱硫済みの改質用原料40を原料封止域に補充して封入し、原料封止域の圧力を封入圧基準値まで上昇させ、封止圧力が1kPaGを下回る可能性を実質的に排除する。このようにすると燃料極側を含む原料封止域を原料雰囲気に保持することができる。封入される改質用原料40は脱硫済みであるので燃料処理装置1と燃料電池スタック6の触媒を硫黄被毒することがない。改質用原料ブロワ39は封入終了後に停止する。また二方弁28も封入終了後に閉とする。
When the pressure in the raw material sealing area detected by the
図3に、電流検出装置69により検出されるスタック電流と、電圧検出装置68により検出されるスタック電圧との関係を示す。曲線1は、スタック電流とスタック電圧初期値(初期運転時の値、又は後述のパージ用空気30bによるパージ直後の値)との関係を示す。曲線2は、スタック電流とスタック電圧基準値との関係を示す。スタック電圧基準値とは、発電中に炭化水素、一酸化炭素などの不純物が燃料極側触媒に吸着し、徐々に蓄積することによりスタック電圧値が減少し、不純物の除去が必要となるスタック電圧値である。図において、スタック電流が35Aの場合、曲線1ではスタック電圧初期値が38V、曲線2ではスタック電圧基準値が36Vであり、スタック電流が15Aの場合、曲線1ではスタック電圧初期値が41V、曲線2ではスタック電圧基準値が38Vである。
燃料電池スタック6の累計発電時間が所定値(例えば500時間)に達している場合、あるいはスタック電圧が、測定された発電中のスタック電流を基にして曲線2により求められる基準値を下回った場合は、以下のようにパージ用空気30bによる燃料極側のパージを行い、不純物(炭化水素、COなど)を酸化処理により除去し、スタック電圧を回復させ燃料電池スタック6の発電性能の低下を防止する。
FIG. 3 shows the relationship between the stack current detected by the
When the cumulative power generation time of the fuel cell stack 6 has reached a predetermined value (for example, 500 hours), or when the stack voltage falls below the reference value obtained from the curve 2 based on the measured stack current during power generation Purges the fuel electrode side with the
この場合を図4を参照して説明する。図において、縦軸はパージ用空気30bの流量%をも表し、パージ用空気30bの100%流量は、5mol/hであること、および、時間t8と時間t9の間にパージ用空気によるパージが行われることを除けば、図2と同様である。図に示すように、時間t8に開始された改質用原料40の改質部18への封入が終了した後であって、時間t9に開始される原料40の原料封止域への封入および封止の前に、パージ用空気供給ライン130b中の二方弁27aを開とし、燃料極オフガス搬送ライン143中の二方弁23aを開とし、燃料電池スタック6の燃料極側のパージ用空気30bによる空気パージを行う(導入工程)(流量100%)。パージ用空気30bによる空気パージは、空気パージに十分な時間、例えば60秒間行う。
This case will be described with reference to FIG. In the figure, the vertical axis also represents the flow rate% of the
図5は、本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム201の構成を示すブロック図である。
燃料電池発電システムとしての燃料電池コージェネレーションシステム201の、燃料電池コージェネレーションシステム101(図1)との構成上の相違を説明する。燃料電池コージェネレーションシステム201は、原料供給分岐ライン146と、二方弁27とを備えていない。しかし、他の構成は前述の燃料電池コージェネレーションシステム101の構成と同じである。
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a fuel
A difference in configuration of the fuel
燃料電池コージェネレーションシステム201の発電時(定格電力出力状態)の作用に関し、二方弁27に関する記述を削除すべきことを除けば、前述の燃料電池コージェネレーションシステム101(図1)の発電時(定格電力出力状態)の作用に関する記述が該当する。
Regarding the operation of the fuel
燃料電池コージェネレーションシステム201の起動時の作用に関し、二方弁27に関する記述を削除すべきことを除けば、前述の燃料電池コージェネレーションシステム101(図1)の起動時の作用に関する記述が該当する。
Regarding the operation at the time of starting the fuel
図6に、本第2の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム201の発電停止運転方法を示す。時間t11、t11’、t12、t13、t14は、図2の時間t1、t1’、t2、t3、t4にそれぞれ対応するので記述を省略する。以下適宜、図1をも参照し時間t15以降を説明する。
FIG. 6 shows a power generation stop operation method of the fuel
時間t15(時間t14より例えば10秒経過)に、二方弁23aを閉とした後、二方弁28は開のまま、圧力検出装置29により検出される、燃料処理装置1と燃料電池スタック6の燃料極側とを含んだ改質ガス封止域の圧力が、設定された一定の範囲(例えば40〜50kPaG)に達するまで改質用原料40の改質部18への封入を続ける。このとき、プロセス水41と選択酸化用空気30aの供給も同様に続ける。プロセス水41は、改質触媒における改質用原料40の炭化を防止するために、選択酸化用空気30aは燃料電池スタック6の燃料極触媒(不図示)のCO被毒を防止するために供給する。これにより、改質ガス42が改質ガス搬送ライン142を介して改質ガス封止域内に行き渡る。改質ガス42の改質部18への封入は、改質用原料ブロワ39を起動し、改質ガス封止域の圧力が前述の一定の範囲に達するように、二方弁28の開度を制御し、改質用原料40の流量を制御することにより行われる。ここで、一定の範囲とは、燃料電池発電システム101の停止中に燃料電池発電システム101系内の温度が下がり、燃料極側の圧力が低下しても、改質部18の温度が低下し、改質触媒において改質用原料40が炭化することなく改質用原料40によるパージ、封入が可能となるまで、燃料極側を実用上確実に改質ガス雰囲気にすることができる圧力の範囲をいう。
After the two-
時間t16に当該圧力が前述の設定された一定の範囲に達し、圧力検出装置29から送られた圧力信号i29を受けた制御部4が、二方弁28、30aに制御信号(不図示)を送り二方弁28、30aを閉とし、同時に改質用原料ブロワ39を駆動する電動モータ(不図示)、選択酸化用空気ブロワ51を駆動する電動モータ(不図示)を停止させる。二方弁28、30aを閉とした5秒後(t17)に、二方弁38を閉とし、同時にプロセス水用ポンプ3を駆動する電動モータ(不図示)を停止させる。このようにすることにより、燃料処理装置1と燃料電池スタック6の燃料極側を含んだ改質ガス封止域を三方切替弁21、二方弁23a、27a、28、37、38により仕切り、改質ガス封止域に改質ガス42を封止することができる。よって、燃料極側を含む改質ガス封止域を確実に改質ガス雰囲気にし、改質ガス封止域を改質ガス雰囲気に保持することができる。改質用原料ブロワ39、改質用原料ブロワ39を駆動する電気モータ(不図示)、二方弁28、制御部4が、本発明の圧力制御手段である。
The controller 4 receives the pressure signal i29 sent from the
改質ガス42の封止後、改質ガス封止域の温度が下がり、圧力検出装置29により検出される改質ガス封止域内の封止圧力が低下しても、当該改質ガス封止域が負圧にならないようにすることが望まれる。このためには、改質ガス42の封入時に、温度の低下による圧力の低下を考慮して負圧になることがないように一定の範囲の封止圧力を決定する。これにより大気中の空気が混入するのを防止することができ、空気混入による燃料電池スタック6の燃料極側での部分電池形成による電極劣化を防止することができ、高い耐久性を実現することができる。
Even after the reformed
時間t18(時間t17より例えば120分経過)に、すなわち改質部18が改質用原料40の炭化によるコーキングを起こさない上限温度(例えば59%(400℃))を下回った時点で、改質用原料ブロワ39を起動し同時に二方弁23a、28を開とし、改質ガス封止域に残留しているガスをs改質用原料40によりパージする。パージする時間はパージに十分な時間、例えば5分とする。このようにすると、改質ガス42中に残存する水蒸気が燃料処理装置1中の触媒(改質触媒、変成触媒、選択酸化触媒)に凝縮することを避けることができ、燃料処理装置1の高い耐久性が実現できる。
At time t18 (for example, 120 minutes have elapsed from time t17), that is, when the reforming
時間t19(時間t18より例えば5分経過)に、二方弁23aを閉とし、改質用原料40による封入を開始する。封入時の改質用原料40の流量は二方弁28により制御され、このときの改質用原料40の流量は、例えば定格運転時の12%相当である。封入終了後に、改質用原料ブロワ39を停止し同時に二方弁28を閉とし、燃料処理装置1と燃料電池スタック6の燃料極側を含む原料封止域(改質ガス封止域と同じ)に改質用原料40を封止することができる(封止工程)。これにより、燃料極側を含む原料封止域を原料雰囲気(炭化水素系燃料雰囲気)にすることができる。
At time t19 (e.g., 5 minutes have elapsed from time t18), the two-
前述の第1の実施の形態(図1)において、原料供給分岐ライン146は、改質用原料ブロワ39および脱硫器17の下流側であって二方弁28の上流側において燃料供給ライン140から分岐するとして説明した。以下、脱硫器17と改質用原料ブロワ39との配置と、原料供給分岐ライン146の燃料供給ライン140からの分岐箇所とを変えた場合を説明する。
In the above-described first embodiment (FIG. 1), the raw material
図7は、本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム301の構成を示すブロック図である。
燃料電池発電システムとしての燃料電池コージェネレーションシステム301の、燃料電池コージェネレーションシステム101(図1)との構成上の相違を説明する。
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a fuel
A difference in configuration of the fuel
燃料電池コージェネレーションシステム301は、燃料供給ライン140上に、改質用原料40の流れに沿って脱硫器17、改質用原料ブロワ39、二方弁28をこの順序で配置し、補給流路としての原料供給分岐ライン146は、脱硫器17の下流であって、改質用原料ブロワ39の上流で燃料供給ライン140から分岐する。原料供給分岐ライン146に二方弁27が設置されていること、原料供給分岐ライン146が燃料極オフガス搬送ライン143に二方弁23aの上流側において接続することは、燃料電池コージェネレーションシステム101(図1)と同様である。
The fuel
燃料供給手段としての改質用原料ブロワ39は、脱硫器17と改質用原料ブロワ39と改質部18とを繋ぐ燃料供給ライン140を介して、脱硫器17により脱硫された炭化水素系燃料としての改質用原料40を改質部18に供給する。また脱硫器17により脱硫された改質用原料40は、改質用原料ブロワ39と燃料処理装置1とをバイパスし、原料供給分岐ライン146を介して、原料46として燃料電池スタック6の燃料極側に補給される。図7は、脱硫器17と改質用原料ブロワ39と二方弁28との配置、燃料供給ライン140の構成、原料供給分岐ライン146の構成を除けば、図1と同様である。脱硫器17によって脱硫した原料46を改質用原料ブロワ39をバイパスして燃料極側に補給することができるのは、改質用原料40の脱硫器17への供給圧が、大気圧より十分に高い値、例えば1.5〜2.5kPaG程度の値を有するからである。
The reforming
燃料電池コージェネレーションシステム301の発電時(定格電力出力状態)および起動時には、改質用原料ブロワ39は、脱硫器17によって脱硫された改質用原料40を燃料処理装置1の改質部18に供給する。本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム301の発電時(定格電力出力状態)および起動時の作用は、この点を除けば、前述の第1の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム101の発電時(定格電力出力状態)および起動時の作用とそれぞれ同様である。
At the time of power generation (rated power output state) and startup of the fuel
燃料電池コージェネレーションシステム301は、燃料電池スタックの発電を停止した後に、改質用原料ブロワ39を起動させずに、脱硫器17によって脱硫された改質用原料40を燃料処理装置1の改質部18に供給することがある。本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム301の発電停止運転方法は、この点において、前述の第1の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム101の発電停止運転方法と異なる。
The fuel
以下、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム301の発電停止運転方法が、前述の第1の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム101の発電停止運転方法と異なる点を詳細に述べる。
Hereinafter, the difference between the power generation stop operation method of the fuel
時刻t6(前述の第1の実施の形態で述べたt6と同様)において、原料46の原料供給分岐ライン146を介しての改質ガス封止域への封入は、圧力検出装置29によって検出された改質ガス封止域の圧力が0.5kPaGよりも下がった場合に、二方弁27を開とすることにより行う。このとき改質用原料ブロワ39は起動しない。また原料46の封入量は制御されない。原料46の封入は、圧力検出装置29によって検出された改質ガス封止域の圧力が所定の圧力(例えば、1.5kPaG)に到達した時点で終了する。このようにすることにより、大気中の空気が改質ガス封止域に混入することを効果的に回避することができる。また、改質用原料ブロワ39を起動せず改質用原料ブロワ39をバイパスさせて原料46を封入するので、改質用原料ブロワ39などの誤動作により燃料極側を過加圧の状態にすることがない。封入終了後に二方弁27を閉とする。
At time t6 (similar to t6 described in the first embodiment), the sealing of the
改質ガス封止域の圧力が、0.5kPaGよりも下がった場合に、原料46の封入を開始し、改質ガス封止域の圧力が、所定の圧力(例えば、1.5kPaG)に達した場合に、原料46の封入を停止することを説明したが、このようにせずに、改質ガス封止域の圧力が、0.5kPaGよりも下がった場合に、原料46の封入を開始し、封入を1分持続した後に停止し、停止後10分を経過した後に、封入を再度開始して1分持続した後に再度停止し、この封入工程を10回繰り返す(封入回数10回)ようにしてもよい。このようにすることにより、大気中の空気が改質ガス封止域に混入することを効果的に回避することができる。
When the pressure in the reformed gas sealing area falls below 0.5 kPaG, the material 46 starts to be sealed, and the pressure in the reformed gas sealing area reaches a predetermined pressure (for example, 1.5 kPaG). In this case, the sealing of the
1 燃料処理装置
4 制御部
6 燃料電池スタック
17 脱硫器(脱硫手段)
18 改質部(改質ガス生成部)
21 三方切替弁(封止手段)
23a、27、27a、28、37、38 二方弁(封止手段)
29 圧力検出装置
30a 選択酸化用空気
30b パージ用空気
32 スタック用空気(酸化剤ガス)
39 改質用原料ブロワ(燃料供給手段)
40 改質用原料(炭化水素系燃料)
41 プロセス水
42 改質ガス
46 原料(炭化水素系燃料)
101、201 燃料電池コージェネレーションシステム(燃料電池発電システム)
146 原料供給分岐ライン(補給流路)
DESCRIPTION OF
18 Reformer (reformed gas generator)
21 Three-way switching valve (sealing means)
23a, 27, 27a, 28, 37, 38 Two-way valve (sealing means)
29
39 Raw material blower for reforming (fuel supply means)
40 Raw material for reforming (hydrocarbon fuel)
41
101, 201 Fuel cell cogeneration system (fuel cell power generation system)
146 Raw material supply branch line (replenishment flow path)
Claims (6)
前記改質ガスを燃料電池スタックの燃料極側に導入し、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックの酸化剤極側に導入し、前記燃料電池スタックによって発電を行う発電工程と;
前記発電を停止する停止工程と;
前記停止工程後に、前記炭化水素系燃料、あるいは前記生成した改質ガスを前記燃料極側へ封止する封止工程とを備える;
燃料電池発電方法。 A production process for producing a hydrogen-rich reformed gas from a hydrocarbon-based fuel;
A power generation step of introducing the reformed gas into the fuel electrode side of the fuel cell stack, introducing the oxidant gas into the oxidant electrode side of the fuel cell stack, and generating power with the fuel cell stack;
A stopping step of stopping the power generation;
A sealing step of sealing the hydrocarbon fuel or the generated reformed gas to the fuel electrode side after the stopping step;
Fuel cell power generation method.
前記電力出力工程の終了後に、前記酸化剤極側を酸素濃度が10容量%以下の低い雰囲気に保つ保持工程を備える;
請求項1に記載の燃料電池発電方法。 A power output step of outputting the generated power;
A holding step of maintaining the oxidant electrode side in an atmosphere having a low oxygen concentration of 10% by volume or less after the power output step is completed;
The fuel cell power generation method according to claim 1.
前記導入工程は、前記発電工程の累積運転時間が所定時間以上である場合、あるいは直前の前記発電工程中に発電電圧がスタック電流値によって定まる所定の基準値を下回った場合に行われ;
前記封止工程が、少なくとも前記導入工程の後に行われる;
請求項1または請求項2に記載の燃料電池発電方法。 An introduction step of introducing an oxidant gas to the fuel electrode side after the stop step;
The introduction step is performed when the accumulated operation time of the power generation step is a predetermined time or more, or when the power generation voltage falls below a predetermined reference value determined by a stack current value during the immediately preceding power generation step;
The sealing step is performed at least after the introduction step;
The fuel cell power generation method according to claim 1 or 2.
前記改質ガスを燃料極側に導入し、酸化剤ガスを酸化剤極側に導入し、前記改質ガスと前記酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタックと;
前記炭化水素系燃料を直接前記燃料極側に補給する補給流路と;
前記補給された炭化水素系燃料を前記燃料極側に封止する封止手段とを備える;
燃料電池発電システム。 A reformed gas generator that introduces a hydrocarbon-based fuel to generate a hydrogen-rich reformed gas;
A fuel cell stack that introduces the reformed gas into the fuel electrode, introduces an oxidant gas into the oxidant electrode, and generates power using the reformed gas and the oxidant gas;
A replenishment flow path for replenishing the hydrocarbon fuel directly to the fuel electrode side;
Sealing means for sealing the replenished hydrocarbon fuel on the fuel electrode side;
Fuel cell power generation system.
前記脱硫された炭化水素系燃料を前記改質ガス生成部に供給する燃料供給手段とを備え;
前記補給流路が補給する炭化水素系燃料が、前記脱硫手段により脱硫され、前記燃料供給手段をバイパスして補給される;
請求項4に記載の燃料電池発電システム。 A desulfurization means for desulfurizing the hydrocarbon fuel;
Fuel supply means for supplying the desulfurized hydrocarbon fuel to the reformed gas generator;
The hydrocarbon-based fuel supplied by the supply passage is desulfurized by the desulfurization means and supplied by bypassing the fuel supply means;
The fuel cell power generation system according to claim 4.
前記改質ガスを燃料極側に導入し、酸化剤ガスを酸化剤極側に導入し、前記改質ガスと前記酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタックと;
前記燃料電池スタックの発電停止後に前記生成した改質ガスを前記燃料極側に封止する封止手段と;
前記燃料極側の圧力を検出する圧力検出手段と;
前記生成した改質ガスを前記燃料極側に封入し、前記検出された圧力に基づき当該封入時の前記燃料極側の圧力を一定の範囲に制御する圧力制御手段とを備える;
燃料電池発電システム。 A reformed gas generator that introduces a hydrocarbon-based fuel to generate a hydrogen-rich reformed gas;
A fuel cell stack that introduces the reformed gas into the fuel electrode, introduces an oxidant gas into the oxidant electrode, and generates power using the reformed gas and the oxidant gas;
Sealing means for sealing the generated reformed gas to the fuel electrode side after power generation of the fuel cell stack is stopped;
Pressure detecting means for detecting the pressure on the fuel electrode side;
Pressure control means for sealing the generated reformed gas on the fuel electrode side and controlling the pressure on the fuel electrode side at the time of sealing to a certain range based on the detected pressure;
Fuel cell power generation system.
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