JP2005259663A - Fuel cell power generation method and fuel cell power generation system - Google Patents

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

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裕登 高木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a long-time operation including starts and stops and high durability in an operation pattern including a lot of starts and stops by providing a fuel cell power generation method capable of preventing deterioration due to the corrosion of an electrode in starting a fuel cell without damaging the fuel cell. <P>SOLUTION: This fuel cell power generation method comprises: a production process for producing a hydrogen-rich reformed gas 42 from a hydrocarbon-based fuel 40; a power generation process for generating power by a fuel cell stack by introducing the reformed gas to the side of a fuel electrode of the fuel cell stack 6 and by introducing an oxidizer gas 32 to the side of an oxidizer electrode of the fuel cell stack; a stopping process for stopping the power generation; and a sealing process for sealing the hydrocarbon-based fuel or the produced reformed gas in the fuel electrode side after the stopping process. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

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、CO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 power generation system 101 according to the invention according to claim 4 introduces a hydrocarbon-based fuel 40 to generate a reformed gas rich in hydrogen as shown in FIG. A fuel cell stack that introduces the reformed gas 42 to the fuel electrode side, introduces the oxidant gas 32 to the oxidant electrode side, and generates power using the reformed gas 42 and the oxidant gas 32; 6; a replenishment flow path 146 for replenishing the hydrocarbon-based fuel 46 directly to the fuel electrode side; and sealing means 21, 23a, 27, 27a for sealing the replenished hydrocarbon-based fuel 46 to the fuel electrode side. , 28, 37, 38.

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 supply flow path 146 which supplies the hydrocarbon fuel 46 directly to the said fuel electrode side, and the sealing means 21, 23a, 27 which seal the supplied hydrocarbon fuel 46 to the fuel electrode side. 27a, 28, 37, and 38, the hydrocarbon fuel 46 introduced from the replenishment flow path 146 to the fuel electrode side after the end of power generation of the fuel cell stack 6 is sealed with the sealing means 21, 23a, 27, 27a, 28, 37, and 38 can be sealed to the fuel electrode side. Therefore, when the fuel cell stack 6 is started next time, when the reformed gas 42 is introduced to the fuel electrode side, partial cell formation due to oxygen and hydrogen on the fuel electrode side can be prevented. Deterioration can be prevented. Accordingly, it is possible to realize high durability of the fuel cell power generation system 101 in a long-time operation including start / stop and an operation pattern including many start / stops. The term “directly” means that the reformed gas generator 18 is not passed (bypassed). Therefore, the replenishment flow path 146 replenishes the hydrocarbon fuel 46 to the fuel electrode side without passing through the reformed gas generator 18.

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 power generation system 101 according to a fifth aspect of the present invention is the fuel cell power generation system according to the fourth aspect, wherein the desulfurization means 17 for desulfurizing the hydrocarbon-based fuel 40 and the desulfurized hydrocarbon-based fuel 40 are modified. A fuel supply means 39 for supplying to the gas generating section 18; the hydrocarbon fuel 46 supplied by the supply flow path 146 is desulfurized by the desulfurization means 17 and supplied by bypassing the fuel supply means 39.

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 hydrocarbon fuel 46 desulfurized by the desulfurization means 17 can be supplied to the fuel electrode side without starting the fuel supply means 39.

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 power generation system 101 according to the invention of claim 6 includes a reformed gas generation unit 18 that introduces a hydrocarbon-based fuel 40 and generates a hydrogen-rich reformed gas 42 as shown in FIG. A fuel cell stack 6 that introduces a gas 42 to the fuel electrode side, introduces an oxidant gas 32 to the oxidant electrode side, and generates power using the reformed gas 42 and the oxidant gas 32; Sealing means 21, 23 a, 27, 27 a, 28, 37, 38 for sealing the reformed gas 42 generated after stopping the power generation to the fuel electrode side; and pressure detection means 29 for detecting the pressure on the fuel electrode side And pressure control means 39, 28, 4 for sealing the generated reformed gas 42 on the fuel electrode side and controlling the pressure on the fuel electrode side at the time of sealing in a certain range based on the detected pressure. Is provided.

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 gas 42 is enclosed with the said fuel electrode side which sealed the produced | generated reformed gas 42, The pressure on the fuel electrode side at the time of sealing can be controlled within a certain range based on the detected pressure, and the temperature in the fuel cell power generation system 101 decreases after power generation is stopped, and the pressure on the fuel electrode side Even if it falls, the fuel electrode side can be surely made into the reformed gas atmosphere.

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 cell cogeneration system 101 according to the first embodiment.

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 cell cogeneration system 101 as a fuel cell power generation system includes a fuel processing device 1, a fuel cell stack 6, a power conditioner 7, a desulfurizer 17 as a desulfurization means, a reforming raw material blower 39, and process water. Pump 3, recovered water tank 5, humidified water pump 13, stack air blower 15, selective oxidation air blower 51, combustion air blower 52, humidifier 16, and first heat exchange section 8, a second heat exchange unit 9, a third heat exchange unit 14, a stack cooling water pump 12, a steam / water separator 11, and a control unit 4. The fuel processing apparatus 1 includes a reforming unit 18 having a reforming catalyst (not shown), a conversion unit 19 having a CO conversion catalyst (not shown), a selective oxidation unit 20 having a selective oxidation catalyst (not shown), It has a steam generation part 36 and a combustion part 10. The control unit 4 controls the start operation, steady operation, and stop operation of the fuel cell cogeneration system 101.

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 cell cogeneration system 101 further includes a fuel supply line 140, a raw material supply branch line 146 as a supplementary flow path, a selective oxidation air supply line 130a, a process water supply line 141, a water vapor supply line 141a, a combustion Air supply line 130, combustion fuel supply line 131, stack air supply line 132, purge air supply line 130b, reformed gas transfer line 142, fuel electrode off-gas transfer line 143, and switching line 142a A stack cooling water circulation line 160, a combustion exhaust gas discharge line 150, an oxidant electrode off-gas discharge line 133, a humidified water supply line 144, a heat recovery water circulation line 161, a drain water line 164, an excess water line 165, Is provided.

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 raw material blower 39 as a fuel supply means is connected to a reforming raw material blower 39 as a hydrocarbon-based fuel (for example, ethane) via a fuel supply line 140 that connects the reforming raw material blower 39 and the reforming unit 18. , Methane, propane, butane, etc. as a main component, city gas 13A) is supplied to the reforming section 18. A desulfurizer 17 and a two-way valve 28 are installed on the fuel supply line 140. Since the desulfurizer 17 desulfurizes the reforming material 40 before the reforming material 40 is supplied to the reforming unit 18, the desulfurized reforming material 40 is supplied to the reforming unit 18. The two-way valve 28 is a control valve that controls the flow rate of the reforming raw material 40 supplied to the reforming unit 18 by a control signal (not shown) from the control unit 4. When the two-way valve 28 is closed, the fluid flow through the two-way valve 28 is blocked. Therefore, in this case, the fluid in the reforming unit 18 does not leak through the two-way valve 28.

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 unit 18 reforms the supplied reforming raw material 40 to form a reformed gas 42 containing hydrogen as a main component (for example, about 70 to 75% in terms of hydrogen component). Is done. The reforming unit 18 includes a temperature detection device 75 that detects the temperature of the reforming unit 18, and the detected temperature is sent to the control unit 4 as a temperature signal i 75. In the shift unit 19, a CO shift reaction of the reformed gas 42 generated in the reforming unit 18 is performed. The transformation unit 19 includes a temperature detection device 76 that detects the temperature of the transformation unit 19, and the detected temperature is sent to the control unit 4 as a temperature signal i 76.

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 air supply line 130 a supplies the selective oxidation air 30 a supplied from the selective oxidation air blower 51 to the selective oxidation unit 20. In the selective oxidation unit 20, the carbon monoxide gas remaining in the reformed gas 42 subjected to the CO shift reaction is selectively oxidized. The selective oxidation unit 20 includes a temperature detection device 77 that detects the temperature of the selective oxidation unit 20, and the detected temperature is sent to the control unit 4 as a temperature signal i 77. A two-way valve 37 is installed on the selective oxidation air supply line 130a. The two-way valve 37 is set to open (fully open) or closed (fully closed) by an open / close signal (not shown) from the control unit 4. Is done. When the two-way valve 37 is opened, the selective oxidation air 30 a can be supplied to the selective oxidation unit 20. When the two-way valve 37 is closed, the fluid flow through the two-way valve 37 is blocked. Therefore, in this case, the fluid in the selective oxidation unit 20 does not leak through the two-way valve 37.

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 water supply line 141 supplies process water 41 to the water vapor generation unit 36. In the water vapor generation part 36, the process water 41 is evaporated and the water vapor 41a is generated. The process water supply line 141 is connected to the recovered water tank 5, and the process water pump 3 and the two-way valve 38 are installed on the process water supply line 141. The process water pump 3 supplies the recovered water in the recovered water tank 5 as process water 41 to the steam generation unit 36. A water level detection device 71 is attached to the recovered water tank 5, and the water level detection device 71 sends the detected water level to the control unit 4 as a water level signal i71. The two-way valve 38 is set to open (fully open) or closed (fully closed) by an open / close signal (not shown) from the control unit 4. When the two-way valve 38 is opened, the process water 41 can be supplied to the water vapor generation unit 36. When the two-way valve 38 is closed, the fluid flow through the two-way valve 38 is blocked. Therefore, in this case, the fluid in the water vapor generation part 36 does not leak through the two-way valve 38.

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 steam supply line 141 a supplies the steam 41 a generated by the steam generating unit 36 to the reforming unit 18. The steam 41 a is used in the reforming reaction of the reforming raw material 40 in the reforming unit 18.

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 gas 42 is supplied to the fuel electrode side and oxidized to the oxidant electrode side. The stack air 32 as the oxidant gas is supplied, and electric power is generated by an electrochemical reaction. The fuel electrode off-gas 43 (reformed gas left behind) from the fuel electrode side, and the oxidant electrode off-gas 33 from the oxidant electrode side. Discharge.

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-gas transport line 143 supplies the fuel electrode off-gas 43 from the fuel electrode side of the fuel cell stack 6 to the combustion unit 10. A two-way valve 23 a is installed in the fuel electrode off-gas transfer line 143. The two-way valve 23a is set to open (fully open) or closed (fully closed) by an open / close signal (not shown) from the control unit 4. When the two-way valve 23a is opened, the fuel electrode off-gas 43 can flow from the fuel electrode side to the combustion unit 10 through the two-way valve 23a. When the two-way valve 23a is closed, the fluid flow through the two-way valve 23a is interrupted. Therefore, in this case, the fluid does not flow to the fuel electrode side through the two-way valve 23a, and the fluid on the fuel electrode side does not leak through the two-way valve 23a. The combustion air supply line 130 supplies the combustion air 30 supplied from the combustion air blower 52 to the combustion unit 10, and the combustion fuel supply line 131 supplies the combustion fuel 31 to the combustion unit 10. The combustion air 30 is used for combustion of the fuel electrode off gas 43 in the combustion unit 10 and combustion of the combustion fuel 31.

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 gas transport line 142 connects the selective oxidation unit 20 of the fuel processing apparatus 1 and the fuel electrode side of the fuel cell stack 6 and transports the reformed gas 42 from the selective oxidation unit 20 to the fuel electrode side. The reformed gas transfer line 142 is provided with a three-way switching valve 21 and a pressure detection device 29 as pressure detection means. A switching signal i21 for switching the three-way switching valve 21 is sent from the control unit 4 to the three-way switching valve 21. The pressure detection device 29 is installed on the downstream side of the three-way switching valve 21, detects the pressure on the fuel electrode side, and the detected pressure is sent to the control unit 4 as a pressure signal i29. One end of a switching line 142 a is connected to the three-way switching valve 21, and the other end of the switching line 142 a is connected to a fuel electrode off-gas transfer line 143.

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-way switching valve 21 is set to the a side by the switching signal i21, the reformed gas 42 passes through the reformed gas transport line 142, the three-way switch valve 21, and the reformed gas transport line 142 from the selective oxidation unit 20. It is transported to the fuel electrode side. On the other hand, when the three-way switching valve 21 is set to the b side by the switching signal i21, the reformed gas 42 is supplied from the selective oxidation unit 20 to the reformed gas transfer line 142, the three-way switching valve 21, the switching line 142a, the fuel electrode off-gas. It is conveyed to the combustion unit 10 through the conveyance line 143.

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-way switching valve 21 is set to the a side and the reformed gas 42 is supplied from the selective oxidation unit 20 to the fuel electrode side for power generation of the fuel cell stack 6, the two-way valve 23a is set to open, The fuel electrode off-gas 43 can be transported from the fuel electrode side to the combustion unit 10 through the fuel electrode off-gas transport line 143. When the three-way switching valve 21 is set to the b side, the two-way valve 23a is set to be closed, and the reformed gas 42 that has reached the fuel electrode off-gas transfer line 143 does not flow back to the fuel electrode side.

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 stack air blower 15 causes the stack air 32 as an oxidant gas to be supplied to the oxidant electrode side via a stack air supply line 132 that connects the stack air blower 15 and the oxidant electrode side of the fuel cell stack 6. Supply. The humidifier 16 is installed on the stack air supply line 132. The humidifier 16 is supplied with humidified water 44 via the humidified water supply line 144, and the humidifier 16 humidifies the stack air 32 using the supplied humidified water 44. The surplus water 65 from the humidifier 16 is sent to the recovered water tank 5 via the surplus water line 165 and recovered as recovered water.

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 air supply line 130b is connected downstream of the three-way switching valve 21 in the reformed gas transfer line 142 and upstream of the pressure detection device 29. The purge air supply line 130b branches from the selective oxidation air supply line 130a, and supplies the selective oxidation air to the fuel electrode side as purge air 30b. A two-way valve 27a is installed in the purge air supply line 130b, and the purge air supply line 130b branches from the selective oxidation air supply line 130a upstream of the two-way valve 37. The two-way valve 27a is set to open (fully open) or closed (fully closed) by an open / close signal (not shown) from the control unit 4. When the two-way valve 27a is opened, the purge air 30b passes from the selective oxidation air blower 51 through the purge air supply line 130b and the reformed gas transfer line 142 to the fuel electrode side of the fuel cell stack 6. It becomes possible to flow in. When the two-way valve 27a is closed, the flow of fluid through the two-way valve 27a is interrupted. Therefore, in this case, the fluid in the reformed gas transfer line 142 and the fluid on the fuel electrode side do not leak through the two-way valve 27a.

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 supply branch line 146 branches from the fuel supply line 140 on the downstream side of the reforming raw material blower 39 and the desulfurizer 17 and on the upstream side of the two-way valve 28, and the two-way valve 23 a is connected to the fuel electrode off-gas transfer line 143. The raw material 46 as a desulfurized hydrocarbon fuel is connected to the upstream side of the fuel, bypassing the fuel processing device 1 to the fuel electrode side, that is, bypassing the reforming unit 18, the shift unit 19, and the selective oxidation unit 20 to be supplied. . A two-way valve 27 is installed in the fuel supply branch line 146, and the two-way valve 27 is set to open (fully open) or closed (fully closed) by an open / close signal (not shown) from the control unit 4. When the two-way valve 27 is opened, the desulfurized raw material 46 can flow to the fuel electrode side through the fuel electrode off-gas transfer line 143. When the two-way valve 27 is closed, the fluid flow through the two-way valve 27 is blocked. Therefore, in this case, the fluid in the fuel electrode off-gas transfer line 143 does not leak through the two-way valve 27. When the two-way valve 27 is open, the two-way valve 23a is set to be closed. In the first embodiment, the reforming raw material 40 and the raw material 46 are gases (the same applies to the second embodiment described later).

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 gas discharge line 150 discharges the combustion exhaust gas 50 generated in the combustion unit 10. The oxidant electrode off gas discharge line 133 discharges the oxidant electrode off gas 33 generated on the oxidant electrode side. The oxidant electrode off-gas discharge line 133 is connected to the combustion exhaust gas discharge line 150, and the oxidant electrode off-gas 33 that has passed through the oxidant electrode off-gas discharge line 133 is further discharged through the combustion exhaust gas discharge line 150. A check valve 25 is installed on the oxidant electrode off-gas discharge line 133. The check valve 25 allows the oxidant electrode off gas 33 to flow from the oxidant electrode side toward the combustion exhaust gas discharge line 150, and fluids such as the oxidant electrode off gas 33 and the combustion exhaust gas 50 move toward the oxidant electrode side. To block backflow.

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 water pump 12 circulates the stack cooling water 60 through the stack cooling water circulation line 160.

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 heat exchange unit 8 is connected to a heat recovery water circulation line 161 and a combustion exhaust gas discharge line 150, and heat exchange is performed between the combustion exhaust gas 50 (high temperature side) and the heat recovery water 61 (low temperature side). . A stack cooling water circulation line 160 and a hot heat recovery water circulation line 161 are connected to the second heat exchanging section 9, and heat exchange is performed between the stack cooling water 60 (high temperature side) and the hot heat recovery water 61 (low temperature side). Is called. A combustion exhaust gas discharge line 150 and a humidified water supply line 144 are connected to the third heat exchange unit 14, and heat exchange is performed between the combustion exhaust gas 50 (high temperature side) and the humidified water 44 (low temperature side). On the combustion exhaust gas discharge line 150, the third heat exchange unit 14 is disposed on the upstream side of the first heat exchange unit 8. The steam separator 11 is installed on the combustion exhaust gas discharge line 150 on the downstream side of the first heat exchange unit 8. On the warm heat recovery water circulation line 161, the first heat exchange unit 8 is disposed on the upstream side of the second heat exchange unit 9.

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 drain water line 164 connects the bottom of the steam / water separator 11 and the ceiling of the recovered water tank 5, and allows the drain water 64 recovered by the steam / water separator 11 to flow from the steam / water separator 11 to the recovered water tank 5. . The surplus water line 165 connects the bottom of the humidifier 16 and the ceiling of the recovered water tank 5, and the surplus water 65 that has not been used in the humidifier 16 is supplied from the humidifier 16 to the recovered water tank. Flow to 5.

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 water circulation line 160 connects the stack cooling water pump 12, the second heat exchanging unit 9, and the fuel cell stack 6, and the stack cooling water 60 includes the stack cooling water pump 12, the second heat exchanging unit 9, and the fuel cell. The stack 6 is circulated in this order.

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 power conditioner 7 includes a DC / DC converter and a DC / AC inverter (not shown), adjusts the voltage of DC power (stack voltage) generated by the fuel cell stack 6, and further converts DC to AC. Moreover, the power conditioner 7 receives the control signal i74 from the control part 4, and outputs the alternating current power of the electric power value which the control signal i74 requires to an external load (not shown). In the wiring connecting the fuel cell stack 6 and the power conditioner 7, a voltage detection device 68 for detecting the stack voltage, a current detection device 69 for detecting the stack current, and the relay 34 are installed. The voltage detection device 68 sends a voltage signal i68 representing the detected stack voltage to the control unit 4, and the current detection device 69 sends a current signal i69 representing the detected stack current to the control unit 4. The relay 34 opens and closes the relay 34 by an open / close signal i34 sent from the control unit 4, and when the relay 34 is closed, the power required by the control signal i74 is output to an external load (not shown). 6 outputs electric power, and the relay 34 is opened, whereby the output of electric power from the fuel cell stack 6 is stopped.

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 stack air blower 15, the reforming raw material blower 39, the selective oxidation air blower 51, the combustion air blower 52, the process water pump 3, the humidifying water pump 13, and the stack cooling water pump 12 are respectively used as prime movers. It is driven by an electric motor (not shown). Each electric motor except the electric motor that drives the reforming raw material blower 39 is controlled in rotation speed by a control signal (not shown) from the control unit 4, and the stack air 32, the selective oxidation air 30a, and the combustion air 30, the flow rates of the process water 41, the humidified water 44, and the stack cooling water 60 are controlled. Whether or not the electric motor that drives the reforming material blower 39 at a constant rotational speed is controlled by a control signal (not shown) from the control unit 4 is controlled. Each electric motor stops when each control signal (not shown) is not sent from the control unit 4.

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、CH+HO→CO+3H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 cell cogeneration system 101 according to the first embodiment during power generation (rated power output state) will be described.
The reforming raw material 40 is supplied from the reforming raw material blower 39 to the desulfurizer 17, and the deodorizing agent containing the sulfur content in the reforming raw material 40 is removed and desulfurized. The desulfurized reforming raw material 40 is supplied to the reforming unit 18 of the fuel processing apparatus 1. At this time, the two-way valve 28 is in the open position, and the flow control of the reforming raw material 40 is performed by the two-way valve 28. At this time, the two-way valve 27 is in the closed position, and the raw material 46 is not supplied to the fuel electrode side. The process water 41 is supplied from the recovered water tank 5 to the water vapor generating unit 36 of the fuel processing apparatus 1 by the process water pump 3. At this time, the two-way valve 38 is in the open position, and the electric motor (not shown) that drives the process water pump 3 is controlled in rotational speed, and the flow rate of the process water 41 is controlled. Water vapor 41a is generated in the water vapor generating unit 36, and the generated water vapor 41a is supplied to the reforming unit 18 and used as reforming water vapor. That is, in the reforming unit 18, when the reforming raw material 40 is, for example, methane, a reforming catalyst (not shown) performs a steam reforming reaction that can be expressed as CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2. Produces.

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+HO→CO+H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)O→CO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 gas 42 is supplied from the reformer 18 to the shifter 19, and the shifter 19 undergoes a shift reaction represented by CO + H 2 O → CO 2 + H 2 by a CO shift catalyst (not shown). CO in the gas 42 is removed. Further, the reformed gas 42 is sent from the shift unit 19 to the selective oxidation unit 20. The selective oxidation air 30 a is supplied from the selective oxidation air blower 51 to the selective oxidation unit 20. At this time, the two-way valve 37 is in the open position, an electric motor (not shown) that drives the selective oxidation air blower 51 is controlled in rotational speed, and the flow rate of the selective oxidation air 30a is controlled. The CO gas remaining in the reformed gas 42 is selectively oxidized by the selective oxidation unit 30 by the selective oxidation air 30a, and a selective oxidation reaction represented by CO + (1/2) O 2 → CO 2 is performed. . At this time, the two-way valve 27a is in the closed position, and the purge air 30b branched from the selective oxidation air 30a is not supplied.

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 gas 42 from which the CO gas has been removed by the selective oxidation unit 20 is supplied to the fuel electrode side of the fuel cell stack 6. At this time, the three-way switching valve 21 is at the position a. The stack air 32 is supplied from the stack air blower 15 to the humidifier 16, humidified by the humidifier 16, and supplied to the oxidant electrode side of the fuel cell stack 6. At this time, an electric motor (not shown) that drives the stack air blower 15 is controlled in rotational speed, and the flow rate of the stack air 32 is controlled. An electric motor (not shown) that drives the humidifying water pump 13 is controlled in rotational speed, and the flow rate of the humidifying water 44 is controlled. The humidified stack air 32 is supplied to the oxidizer electrode side in order to maintain durability and realize high power generation efficiency in terms of the characteristics of the solid polymer type fuel cell stack 6. This is because (not shown) needs to be in a sufficiently humidified state.

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 gas 42 is supplied to the fuel electrode side, the stack air 32 is supplied to the oxidant electrode side, and direct current is generated by an electrochemical reaction using the reformed gas 42 and the stack air 32. Electric power is generated, voltage conversion and DC / AC conversion are performed by the power conditioner 7, and AC power is output to an external load (not shown). The fuel electrode off-gas 43 is discharged from the fuel electrode side, and the oxidant electrode off-gas 33 is discharged from the oxidant electrode side. At this time, since the two-way valve 23a is in the open position, the fuel electrode off-gas 43 can be discharged.

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-gas 43 is supplied to the combustion unit 10 of the fuel processing apparatus 1 and is combusted in the combustion unit 10. The combustion exhaust gas 50 is generated by this combustion, and the combustion exhaust gas 50 is discharged from the combustion unit 10. The oxidant electrode off-gas 33 joins the combustion exhaust gas 50 and is discharged.

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 combustion exhaust gas 50 is discharged from the combustion unit 10 and mixed with the oxidant electrode off gas 33, and the humidified water 44 is heated from 40 ° C. to 65 ° C., for example, at the third heat exchange unit 14. The heat recovery water 61 is cooled to, for example, 20 ° C. to 28 ° C. and is cooled to, for example, 55 ° C. to 22 ° C. by the heat recovery water 61. Further, the steam is separated and exhausted by the steam separator 11. The water, that is, the drain water 64 separated by the steam separator 11 is sent to the recovered water tank 5 and recovered as recovered water.

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 humidifier 16 raises the stack air to, for example, 55 ° C. in the humidifier 16 and humidifies it to RH 95% or more. The hot heat recovery water 61 is heated from 28 ° C. to 64 ° C., for example, by the stack cooling water 60 in the second heat exchange unit 9 and returned to the hot water tank (not shown), and the amount of heat is stored in the hot water tank.

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 stack cooling water 60 supplied to the fuel cell stack 6 cools the fuel cell stack 6, and the stack cooling water 60 itself is heated from 55 ° C. to 65 ° C. by the fuel cell stack 6 and exits the fuel cell stack 6. After passing through the cooling water pump 12, the second heat exchanging unit 9 cools the heated heat recovery water 61 from 65 ° C. to 55 ° C., and supplies the fuel cell stack 6 again to circulate. An electric motor (not shown) that drives the stack cooling water pump 12 is controlled in rotational speed, and the flow rate of the stack cooling water 60 is controlled. The power generation efficiency of the fuel cell stack 6 is normally 50 to 70% (LHV), and the loss is consumed as heat generated by the fuel cell stack 6, and this heat generated is removed by the stack cooling water 60.

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-way valves 23a, 27, 27a, 37, 38, and a control signal (not shown) for controlling the flow rate. 28 and further to each electric motor (not shown) other than the electric motor (not shown) for driving the reforming material blower 39. Further, the control unit 4 sends a switching signal i21 for switching the three-way switching valve 21 to the a side before the power generation is started, and controls the power conditioner 7 to output power to an external load (not shown) when the power generation is started. Send control signal i74. The control unit 4 sends an open / close signal to the relay 34 to close the relay 34 at the start of power output from the fuel cell stack 6. Further, the control unit 4 includes a pressure signal i29 from the pressure detection device 29, a voltage signal i68 from the voltage detection device 68, a current signal i69 from the current detection device 69, a water level signal i71 from the water level detection device 71, and a temperature detection. A temperature signal i75 from the device 75, a temperature signal i76 from the temperature detection device 76, and a temperature signal i77 from the temperature detection device 77 are sent.

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 cell cogeneration system 101 according to the first embodiment will be described.
Since the three-way switching valve 21 is finally set to the b-side position and the two-way valves 23a, 27, 27a, 28, 37, and 38 are set to the closed positions during the previous stop operation, The three-way switching valve 21 is in the position on the b side, and the two-way valves 23a, 27, 27a, 28, 37, and 38 are in the closed position. First, the combustion air 30 is supplied to the combustion unit 10 for purging of a burner (not shown), and simultaneously with the start of the supply of the combustion fuel 31, the burner is ignited and combustion in the combustion unit 10 is started. Combustion exhaust gas 50 is discharged. Next, the reforming raw material blower 39 is started and the two-way valve 28 is opened at the same time. The reforming raw material 40 is desulfurized by passing through the desulfurizer 17 and then supplied to the reforming unit 18. At the same time, the humidifying water pump 13 is activated to supply the humidifying water 44 to the humidifier 16. At this time, the stack air 32 is not supplied, and the humidified water 44 supplied to the humidifier 16 is sent to the recovered water tank 5 via the surplus water line 165 and circulates. When the humidifying water pump 13 is activated, the humidifying water 44 can be heated by the combustion exhaust gas 50 in the third heat exchanging section 14, and the temperature of the humidifying water 44 is sufficiently increased by the start of power generation, so that the stack air 32 The lack of humidification can be avoided.

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 unit 18 does not reach the temperature at which the reforming reaction occurs, so that the reforming reaction in the reforming unit 18 does not occur. The reforming material 40 is sent to the combustion unit 10 through the reforming unit 18, the shift unit 19, and the selective oxidation unit 20, and combustion of the reforming material 40 in the combustion unit 10 is started. Due to the combustion in the combustion unit 10, the temperatures of the reforming unit 18, the shift unit 19 and the selective oxidation unit 20 rise.

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 unit 18, the temperature of the transformation unit 19, and the temperature of the selective oxidation unit 20 all exceed 100 ° C., the process water pump 3 is started and the process water 41 is supplied to the steam generation unit 36. Steam 41a is supplied to the reforming unit 18. The flow rate of the process water 41 is determined based on a predetermined S (water vapor 41a) / C (carbon in reforming raw material) ratio (molar ratio).

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 process water 41 is started, the selective oxidation air 30a is supplied to the selective oxidation unit 20 based on a predetermined molar ratio with the reforming raw material 40. When the catalyst temperature in the fuel processor 1 reaches a predetermined temperature (when the temperature of the reforming section is 670 ° C., the temperature of the shift section 19 is 250 ° C., and the temperature of the selective oxidation section 20 is 120 ° C.) The three-way switching valve 21 is switched to the position on the a side, and at the same time, the two-way valve 23a is opened to supply the reformed gas 42 rich in hydrogen and containing about 10 ppm or less of carbon monoxide to the fuel electrode side. At this time, the stack voltage remains zero because the oxidizer electrode side has a nitrogen atmosphere with almost no oxygen.

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 gas 42, the stack air blower 15 is started, the stack air 32 is supplied to the oxidizer electrode, and the fuel cell stack 6 starts generating power. To do. At this time, the stack voltage of the fuel cell stack 6 becomes an open circuit voltage. However, since the hydrogen-rich reformed gas 42 is supplied to the fuel electrode side first, this causes an instantaneous potential increase on the oxidant electrode side. It is possible to start without damaging the fuel cell stack 6 without causing deterioration due to electrode corrosion. Therefore, high durability of the fuel cell stack 6 can be realized.

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 cell cogeneration system 101 is switched from the system side (not shown) to the fuel cell stack 6 side so that it can be operated independently. Next, the relay 34 is changed from open to closed, the power conditioner 7 is activated, and output of electric power to an external load (not shown) is started. The internal auxiliary machine of the system refers to a rotary auxiliary machine such as a blower and a pump, sensors such as a thermocouple and a pressure gauge, and the control unit 4. The power output of the power conditioner 7 is increased, and at the same time, the flow rates of the reforming raw material 40, the selective oxidation air 30a, the stack air 32, the process water 41, and the combustion air 30 are increased, and the power is output to the target output (rated output). Increase output.

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-gas 43 containing about 50% (mol%) of hydrogen (dry base) and the oxidant electrode off-gas 33 containing about 10% (mol%) of oxygen (dry base). . The fuel electrode off gas 43 is combusted in the combustion unit 10 and heats the reforming unit 18 and the like in the fuel processing apparatus 1. The oxidant electrode off-gas 33 merges with the combustion exhaust gas 50 from the combustion unit 10 and heats the humidified water 44 in the third heat exchange unit 14.

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 cell cogeneration system 101 according to the first embodiment will be described with reference to FIG. The following operation is performed under the control of the control unit 4.
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 raw material 40, flow rate% of the raw material 46, process water. 41, flow rate% of the selective oxidation air 30a, flow rate% of the stack air 32, and temperature% of the reforming unit 18. Except for the raw material 46, the value at the rated operation is 100%. The raw material 46 has a value equal to the flow rate at the rated operation of the reforming raw material 40 as 100%. The value of 100% indicates that the fuel cell power generation output is 1.3 kW, the reforming raw material 40 is 11 mol / h, the process water 41 is 37 mol / h, the selective oxidation air 30a is 4 mol / h, and the stacking air 32 is 161 mol / h. h, the temperature of the reforming section 18 is 700 ° C.

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 cell cogeneration system 101 is in a rated power output state. At this time, the value of the operating parameter other than the raw material 46 is 100%, and the value of the raw material 46 is 0%. At this time, the two-way valves 23a, 37 and 38 are in the open position, the three-way switching valve 21 is in the position a, and the two-way valves 27 and 27a are in the closed position. The two-way valve 28 controls the flow rate of the reforming raw material 40.

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 power conditioner 7 is started so that the fuel cell power generation output from the fuel cell stack 6 becomes 8%. At the same time, the flow rate of the reforming raw material 40, the process water 41, the selective oxidation air 30a, and the stacking air 32 are reduced so that the flow rates become 15%, 18%, 18%, and 20%, respectively. . The flow rate of the raw material 46 is maintained at 0%. These values, excluding the raw material 46, are the minimum flow rate, and the flow rate is reduced only to these values. This is for maintaining the supply of the fuel electrode off gas 43 from the fuel electrode to the combustion unit 10 and maintaining the combustion of the fuel electrode off gas 43 in the combustion unit 10. The flow rate is decreased from the control unit 4 by an electric motor for driving a stack air blower (not shown), a two-way valve 28, an electric motor for driving a selective oxidation air blower (not shown), and an electric motor for driving a process water pump (not shown). Each control signal (not shown) sent to (not shown) is changed. The fuel cell power generation output is decreased by changing a control signal i74 from the control unit 4 to the power conditioner 7. After time t1, the temperature of the reforming unit 18 gradually decreases.

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 power conditioner 7 becomes 0, the fuel cell power generation output from the fuel cell stack 6 becomes 8%, the reforming raw material 40, process water 41, and selection The flow rates of the oxidizing air 30a and the stacking air 32 are 15%, 18%, 18%, and 20%, respectively. The power output process ends at time t1 '. That is, at this time, the power output from the power conditioner 7 to the external load (not shown) is zero. The fuel cell power generation output from the fuel cell stack 6 is consumed as standby power of the power conditioner 7 and power of an internal auxiliary machine (not shown).

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 power conditioner 7.

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 air 32 is stopped, the operation of the humidifying water pump 13 is stopped, and the supply of the humidifying water 44 to the humidifier 16 is stopped. Note that the position of the three-way switching valve 21 remains a, and the supply of the reformed gas 42 to the fuel cell stack 6 is continued.

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 stack air 32 to the oxidant electrode side is stopped by stopping the stack air blower 15. The power conditioner 7 connected to the fuel cell stack 6 consumes standby power and serves as an electric load for the fuel cell stack 6, and the reformed gas 42 and the oxidant supplied to the fuel electrode side of the fuel cell stack 6. Since oxygen present on the pole side is consumed, the oxygen side becomes deficient on the oxidant pole side, and the oxidant pole side becomes an atmosphere having a low oxygen concentration. Along with this, the cell average voltage of the fuel cell stack 6 decreases. Since the stack air blower 15 is maintained in the stopped state thereafter, the oxidant electrode is maintained in a state where the oxygen concentration is low. This state is not only immediately after the power generation stop of the fuel cell stack 6 described later but also the next fuel cell. It is maintained until the stack 6 is activated (holding step). Since the reformed gas 42 is continuously supplied to the fuel electrode side, there is no shortage of fuel on the fuel electrode side.

このときスタック電流値を0.01A/cm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 gas 42 is introduced to the fuel electrode side when the fuel cell stack 6 is started next time, The oxidant electrode does not instantaneously become a high potential, and electrode deterioration due to the oxidant electrode becoming a high potential can be prevented.

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 relay 34 is opened and the power load of the fuel cell stack 6 is cut off at time t4 (e.g., 8 minutes elapses from the time t3), the fuel cell power output from the fuel cell stack 6 becomes zero. At this point, the power generation process ends.

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-way valve 23a is closed at time t5 (for example, 10 seconds have elapsed from the time t4), the two-way valve 28 is closed and the reforming material blower 39 is stopped at the same time, thereby reforming the reforming material 40. The supply to the unit 18 is stopped, the two-way valve 38 is closed, the supply of the process water 41 to the water vapor generating unit 36 is stopped, and the two-way valve 37 is closed to the selective oxidation unit 20 of the selective oxidation air 30a. Stop supplying. Next, the two-way valve 23a is closed. As a result, the fuel electrode side of the fuel processing device 1 and the fuel cell stack 6 can be partitioned by the three-way switching valve 21 (position on the a side) and the two-way valves 23a, 27, 27a, 28, 37, 38, and the reformed gas 42 can be sealed in the reformed gas sealing region. If the reformed gas 42 is sealed in the reformed gas sealing region, the reformed gas 42 is sealed on the fuel electrode side. The three-way switching valve 21 and the two-way valves 23a, 27, 27a, 28, 37, and 38 are sealing means of the present invention.

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 pressure measuring device 29 monitors the reformed gas sealing area where the reformed gas 42 is sealed. When the fuel cell stack 6 stops generating power, the stop process of stopping power generation ends. The reformed gas sealing region includes the reforming unit 18, the shift unit 19, the selective oxidation unit 20, the downstream side of the two-way valve 28 of the fuel supply line 140, and the selective oxidation air supply line 130 a. The downstream side of the valve 37, the downstream side of the two-way valve 27a of the purge air supply line 130b, the downstream side of the two-way valve 38 of the steam generator 36 and the process water supply line 141, the steam supply line 141a, and the fuel cell stack 6 The fuel electrode side, the reformed gas transfer line 142 and the fuel electrode off gas transfer line 143 are configured to include the upstream side of the two-way valve 23a and the downstream side of the raw material supply branch line 146 of the two-way valve 27.

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 pressure detector 29 falls below 1 kPaG at time t6 (for example, 60 minutes have elapsed from time t5), the reformed gas sealing area of air in the atmosphere In order to avoid contamination, the reforming raw material blower 39 is started, the two-way valve 27 is opened at the same time, the supply of the raw material 46 to the desulfurizer 17 is started, and the desulfurized raw material 46 having a flow rate of 30% is modified. The material gas sealing region is replenished, that is, sealed, and sealed (sealing process) so that the pressure in the reformed gas sealing region does not become negative. The sealing time is, for example, 1 minute. The reforming material blower 39 stops after the completion of the sealing. Further, the two-way valve 27 is also closed after the completion of the encapsulation. Since the raw material 46 has been desulfurized, the catalyst (not shown) of the fuel processing device 1 and the fuel cell stack 6 is not poisoned by sulfur. In addition, since the reformed gas sealing region does not become negative pressure, it is possible to reliably prevent air from being mixed, and when the reformed gas 42 is supplied to the fuel electrode side at the start of power generation of the fuel cell stack 6, the mixed gas was mixed. It is possible to prevent electrode deterioration due to formation of a partial cell on the fuel electrode side due to air, and high durability can be realized.

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 raw material 46 from a line connected to the outlet of the reformed gas 42 of the fuel processing apparatus 1 by a test (for example, reforming between the reformed gas outlet and the three-way switching valve 21). The gas transport line 142 is replenished with the raw material 46), and the knowledge that the replenished raw material 46 does not reach the reforming section 18 having a high temperature (for example, 400 ° C. or higher) in the fuel processing apparatus 1 has been obtained. It was. According to the fuel processing apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention, even when the temperature of the reforming unit 18 is high (for example, 400 ° C. or higher), it is far from the outlet of the reformed gas 42 of the fuel processing apparatus 1. If the raw material 46 is replenished from the outlet of the fuel electrode off-gas 43 on the fuel electrode side of the fuel cell stack 6 that is disposed, the raw material 46 does not reach the reforming unit 18, and the raw material 46 is carbonized in the reforming unit 18. And the deterioration of the reforming catalyst (not shown) of the reforming unit 18 is not caused.

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 section 18 falls below the upper limit temperature (for example, 59% (400 ° C.)) at which coking due to carbonization of the reforming raw material 40 does not occur. The raw material blower 39 is started and the two-way valves 23a and 28 are simultaneously opened, and the gas remaining in the reformed gas sealing region is purged by the reforming raw material 40. The time for purging is a time sufficient for purging, for example, 5 minutes. This purging is performed by lowering the temperature of the reformed gas sealing region and condensing the water vapor remaining in the reformed gas 42 to the catalyst (reformed catalyst, shift catalyst, selective oxidation catalyst) in the fuel processing apparatus 1. This is to avoid that. When moisture condenses on the catalyst, the moisture penetrates into the pores on the catalyst surface and the water may boil at the next start, which may damage the catalyst pore structure. The reforming material blower 39 stops after the purging and sealing by the reforming material 40 are completed.

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-way valve 23a is closed and sealing with the reforming raw material 40 is started. The sealing time is a time sufficient for sealing, for example, 10 seconds. The sealing with the reforming raw material 40 may be performed until the pressure indication value of the pressure detection device 29 is monitored and the value rises to a sealing pressure reference value (for example, 20 kPaG). The flow rate of the reforming raw material 40 at the time of sealing is controlled by the two-way valve 28, and the flow rate of the reforming raw material 40 at this time is equivalent to, for example, 12% during rated operation. After the completion of the sealing, the two-way valve 28 is closed, and the raw material sealing region (same as the reformed gas sealing region) including the fuel electrode side of the fuel processing device 1 and the fuel cell stack 6 is set to the three-way switching valve 21 (the a-side switching valve 21). Position), the two-way valves 23a, 27, 27a, 28, 37, 38 can be partitioned to seal the reforming raw material 40 in the raw material sealing region (sealing step). Thereby, the raw material sealing region including the fuel electrode side can be made a raw material atmosphere (hydrocarbon fuel atmosphere). When the raw material sealing region including the fuel electrode is used as the raw material atmosphere in a place where the oxygen concentration of the oxidant electrode is already low, the oxidant electrode is viewed from the fuel electrode side while the fuel cell stack 6 is stopped. Air diffusion through a solid polymer film (not shown) to the side can be prevented, and the oxidant electrode side can be reliably kept in a low oxygen concentration state.

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 pressure detection device 29 falls below 1 kPaG at time t9, the reforming raw material blower is again used to avoid mixing air in the raw material sealing area. 39 is started and the two-way valve 28 is opened at the same time, and the desulfurized reforming raw material 40 is replenished and sealed in the raw material sealing region, and the pressure in the raw material sealing region is increased to the sealed pressure reference value and sealed. The possibility of a pressure below 1 kPaG is virtually eliminated. In this way, the raw material sealing region including the fuel electrode side can be maintained in the raw material atmosphere. Since the reforming raw material 40 to be enclosed has been desulfurized, the catalyst of the fuel processing device 1 and the fuel cell stack 6 is not poisoned with sulfur. The reforming material blower 39 stops after the completion of the sealing. The two-way valve 28 is also closed after the completion of the encapsulation.

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 current detection device 69 and the stack voltage detected by the voltage detection device 68. Curve 1 shows the relationship between the stack current and the stack voltage initial value (the value at the initial operation or the value immediately after purging with purge air 30b described later). Curve 2 shows the relationship between the stack current and the stack voltage reference value. The stack voltage reference value is the stack voltage at which impurities such as hydrocarbons and carbon monoxide are adsorbed on the fuel electrode side catalyst during power generation and gradually accumulate to reduce the stack voltage value, which requires removal of impurities. Value. In the figure, when the stack current is 35 A, the initial stack voltage value is 38 V in curve 1, the reference stack voltage value is 36 V in curve 2, and when the stack current is 15 A, the initial stack voltage value is 41 V in curve 1. In 2, the stack voltage reference value is 38V.
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 purge air 30b as follows, removes impurities (hydrocarbon, CO, etc.) by oxidation treatment, recovers stack voltage, and prevents deterioration of power generation performance of the fuel cell stack 6 To do.

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 purge air 30b, the 100% flow rate of the purge air 30b is 5 mol / h, and the purge with purge air is performed between time t8 and time t9. It is the same as FIG. 2 except that it is performed. As shown in the figure, after the sealing of the reforming raw material 40 started at time t8 to the reforming unit 18 is completed, the sealing of the raw material 40 into the raw material sealing region started at time t9 and Before sealing, the two-way valve 27a in the purge air supply line 130b is opened, the two-way valve 23a in the fuel electrode off-gas transfer line 143 is opened, and the purge air on the fuel electrode side of the fuel cell stack 6 is opened. Air purge is performed by 30b (introduction step) (flow rate 100%). The air purge with the purge air 30b is performed for a time sufficient for the air purge, for example, 60 seconds.

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 cell cogeneration system 201 according to the second embodiment of the present invention.
A difference in configuration of the fuel cell cogeneration system 201 as the fuel cell power generation system from the fuel cell cogeneration system 101 (FIG. 1) will be described. The fuel cell cogeneration system 201 does not include the raw material supply branch line 146 and the two-way valve 27. However, the other configuration is the same as the configuration of the fuel cell cogeneration system 101 described above.

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 cell cogeneration system 201 during power generation (rated power output state), except that the description regarding the two-way valve 27 should be deleted, the fuel cell cogeneration system 101 (FIG. 1) during power generation ( This applies to the description of the action of (rated power output state).

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 cell cogeneration system 201, the description regarding the operation at the time of starting the fuel cell cogeneration system 101 (FIG. 1) is applicable except that the description regarding the two-way valve 27 should be deleted. .

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 cell cogeneration system 201 according to the second embodiment. The times t11, t11 ', t12, t13, and t14 correspond to the times t1, t1', t2, t3, and t4 in FIG. Hereinafter, the time after the time t15 will be described with reference to FIG.

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-way valve 23a is closed at time t15 (e.g., 10 seconds have elapsed from time t14), the fuel processing device 1 and the fuel cell stack 6 detected by the pressure detection device 29 while the two-way valve 28 remains open. The reforming raw material 40 is continuously sealed in the reforming section 18 until the pressure in the reformed gas sealing region including the fuel electrode side reaches a predetermined range (for example, 40 to 50 kPaG). At this time, the supply of the process water 41 and the selective oxidation air 30a is continued in the same manner. The process water 41 is supplied to prevent carbonization of the reforming raw material 40 in the reforming catalyst, and the selective oxidation air 30a is supplied to prevent CO poisoning of the fuel electrode catalyst (not shown) of the fuel cell stack 6. To do. As a result, the reformed gas 42 reaches the reformed gas sealing region via the reformed gas transfer line 142. Encapsulation of the reformed gas 42 in the reforming unit 18 starts the reforming material blower 39 and opens the opening of the two-way valve 28 so that the pressure in the reformed gas sealing region reaches the above-described certain range. And the flow rate of the reforming raw material 40 is controlled. Here, the certain range means that the temperature of the reforming unit 18 decreases even if the temperature in the fuel cell power generation system 101 decreases while the fuel cell power generation system 101 is stopped and the pressure on the fuel electrode side decreases. In the reforming catalyst, the range of the pressure at which the fuel electrode side can be surely put into the reformed gas atmosphere practically until the reforming material 40 can be purged and sealed without being carbonized. Say.

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 pressure detecting device 29 at time t16 and receives the pressure signal i29 sent from the pressure detecting device 29, and sends a control signal (not shown) to the two-way valves 28 and 30a. The feed two-way valves 28 and 30a are closed, and at the same time, an electric motor (not shown) for driving the reforming material blower 39 and an electric motor (not shown) for driving the selective oxidation air blower 51 are stopped. Five seconds after the two-way valves 28 and 30a are closed (t17), the two-way valve 38 is closed, and at the same time, an electric motor (not shown) that drives the process water pump 3 is stopped. In this way, the reformed gas sealing region including the fuel electrode side of the fuel processing device 1 and the fuel cell stack 6 is partitioned by the three-way switching valve 21 and the two-way valves 23a, 27a, 28, 37, 38, The reformed gas 42 can be sealed in the reformed gas sealing region. Therefore, the reformed gas sealing region including the fuel electrode side can be reliably made the reformed gas atmosphere, and the reformed gas sealed region can be held in the reformed gas atmosphere. The reforming material blower 39, the electric motor (not shown) for driving the reforming material blower 39, the two-way valve 28, and the control unit 4 are the pressure control means of the present invention.

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 gas 42 is sealed, even if the temperature of the reformed gas sealing region decreases and the sealing pressure in the reformed gas sealing region detected by the pressure detection device 29 decreases, the reformed gas sealing is performed. It is desirable to prevent the area from becoming negative pressure. For this purpose, when the reformed gas 42 is sealed, the sealing pressure within a certain range is determined so as not to become a negative pressure in consideration of the pressure drop due to the temperature drop. As a result, air in the atmosphere can be prevented from being mixed, electrode deterioration due to partial cell formation on the fuel electrode side of the fuel cell stack 6 due to air mixing can be prevented, and high durability can be realized. Can do.

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 section 18 has fallen below the upper limit temperature (for example, 59% (400 ° C.)) at which coking due to carbonization of the reforming raw material 40 does not occur. The raw material blower 39 is started and the two-way valves 23a and 28 are simultaneously opened, and the gas remaining in the reformed gas sealing region is purged by the s reforming raw material 40. The time for purging is a time sufficient for purging, for example, 5 minutes. In this way, it is possible to avoid the water vapor remaining in the reformed gas 42 from condensing on the catalyst (the reforming catalyst, the shift catalyst, the selective oxidation catalyst) in the fuel processing apparatus 1. Durability can be realized.

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-way valve 23a is closed and sealing with the reforming raw material 40 is started. The flow rate of the reforming raw material 40 at the time of sealing is controlled by the two-way valve 28, and the flow rate of the reforming raw material 40 at this time is equivalent to, for example, 12% during rated operation. After completion of the sealing, the reforming material blower 39 is stopped and the two-way valve 28 is closed at the same time, and the material sealing area including the fuel electrode side of the fuel processing device 1 and the fuel cell stack 6 (same as the reforming gas sealing area). ) Can be sealed with the reforming raw material 40 (sealing step). Thereby, the raw material sealing region including the fuel electrode side can be made a raw material atmosphere (hydrocarbon fuel atmosphere).

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 supply branch line 146 is provided downstream from the reforming raw material blower 39 and the desulfurizer 17 and upstream of the two-way valve 28 from the fuel supply line 140. It was explained as branching. Hereinafter, a case where the arrangement of the desulfurizer 17 and the reforming raw material blower 39 and the branch point of the raw material supply branch line 146 from the fuel supply line 140 are changed will be described.

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 cell cogeneration system 301 according to the third embodiment of the present invention.
A difference in configuration of the fuel cell cogeneration system 301 as the fuel cell power generation system from the fuel cell cogeneration system 101 (FIG. 1) will be described.

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 cell cogeneration system 301 arranges the desulfurizer 17, the reforming material blower 39, and the two-way valve 28 in this order on the fuel supply line 140 along the flow of the reforming material 40, and supplies the replenishment flow path. The raw material supply branch line 146 is branched from the fuel supply line 140 downstream of the desulfurizer 17 and upstream of the reforming raw material blower 39. The fact that the two-way valve 27 is installed in the raw material supply branch line 146 and that the raw material supply branch line 146 is connected to the fuel electrode off-gas transfer line 143 on the upstream side of the two-way valve 23a means that the fuel cell cogeneration system 101 ( The same as FIG.

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 raw material blower 39 as a fuel supply means is a hydrocarbon-based fuel desulfurized by the desulfurizer 17 via a fuel supply line 140 that connects the desulfurizer 17, the reforming raw material blower 39 and the reforming unit 18. The reforming raw material 40 is supplied to the reforming section 18. In addition, the reforming raw material 40 desulfurized by the desulfurizer 17 bypasses the reforming raw material blower 39 and the fuel processing device 1, and passes through the raw material supply branch line 146 as the raw material 46 and the fuel electrode of the fuel cell stack 6. It is replenished to the side. FIG. 7 is the same as FIG. 1 except for the arrangement of the desulfurizer 17, the reforming raw material blower 39 and the two-way valve 28, the configuration of the fuel supply line 140, and the configuration of the raw material supply branch line 146. The raw material 46 desulfurized by the desulfurizer 17 can be supplied to the fuel electrode side by bypassing the reforming raw material blower 39 because the supply pressure of the reforming raw material 40 to the desulfurizer 17 is sufficiently higher than the atmospheric pressure. This is because it has a high value, for example, a value of about 1.5 to 2.5 kPaG.

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 cell cogeneration system 301, the reforming raw material blower 39 supplies the reforming raw material 40 desulfurized by the desulfurizer 17 to the reforming unit 18 of the fuel processing apparatus 1. Supply. Except for this point, the fuel cell cogeneration system 301 according to the present embodiment operates at the time of power generation (rated power output state) and at the start of the fuel cell cogeneration system 101 according to the first embodiment described above. The operation is the same as that during power generation (rated power output state) and startup.

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 cell cogeneration system 301 stops the power generation of the fuel cell stack, and does not start the reforming material blower 39, but reforms the reforming material 40 desulfurized by the desulfurizer 17 in the fuel processing device 1. The unit 18 may be supplied. In this respect, the power generation stop operation method of the fuel cell cogeneration system 301 of the present embodiment is different from the power generation stop operation method of the fuel cell cogeneration system 101 according to the first embodiment described above.

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 cell cogeneration system 301 of the present embodiment and the power generation stop operation method of the fuel cell cogeneration system 101 according to the first embodiment will be described in detail.

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 raw material 46 into the reformed gas sealing region via the raw material supply branch line 146 is detected by the pressure detection device 29. When the pressure in the reformed gas sealing region is lower than 0.5 kPaG, the two-way valve 27 is opened. At this time, the reforming material blower 39 is not started. Further, the amount of the raw material 46 enclosed is not controlled. The sealing of the raw material 46 is completed when the pressure in the reformed gas sealing area detected by the pressure detection device 29 reaches a predetermined pressure (for example, 1.5 kPaG). By doing in this way, it can avoid effectively that the air in air | atmosphere mixes in a reformed gas sealing area. Further, since the reforming material blower 39 is not started and the reforming material blower 39 is bypassed to enclose the material 46, the fuel electrode side is overpressurized due to malfunction of the reforming material blower 39 or the like. There is nothing. The two-way valve 27 is closed after completion of the sealing.

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 raw material 46 is stopped. However, if the pressure in the reformed gas sealing region is lower than 0.5 kPaG without starting this, the sealing of the raw material 46 is started. After 10 minutes have elapsed after the stop, the sealing is stopped, and then the sealing is started again, and after stopping for 1 minute, it is stopped again, and this sealing process is repeated 10 times (the number of times of sealing is 10 times). May be. By doing in this way, it can avoid effectively that the air in air | atmosphere mixes in a reformed gas sealing area.

本発明の第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の構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell cogeneration system according to a first embodiment of the present invention. 図1の燃料電池コージェネレーションシステムの発電停止運転方法を時間の経過順に説明するチャートである。It is a chart explaining the electric power generation stop operation method of the fuel cell cogeneration system of Drawing 1 in order of passage of time. スタック電流とスタック電圧の(1)初期の関係、(2)空気パージが必要な時点での関係を示すI−V曲線である。It is an IV curve which shows (1) an initial relationship of a stack current and a stack voltage, and (2) the relationship when an air purge is required. 図2のチャートにおいて、時間t7と時間t8の間に空気パージを行う場合のチャートである。In the chart of FIG. 2, it is a chart in the case of performing an air purge between time t7 and time t8. 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の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell cogeneration system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図5の燃料電池コージェネレーションシステムの発電停止運転方法を時間の経過順に説明するチャートである。6 is a chart for explaining a power generation stop operation method of the fuel cell cogeneration system of FIG. 5 in order of time passage. 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の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell cogeneration system which concerns on the 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 1 Fuel processing apparatus 4 Control part 6 Fuel cell stack 17 Desulfurizer (desulfurization means)
18 Reformer (reformed gas generator)
21 Three-way switching valve (sealing means)
23a, 27, 27a, 28, 37, 38 Two-way valve (sealing means)
29 Pressure detector 30a Selective oxidation air 30b Purge air 32 Stack air (oxidant gas)
39 Raw material blower for reforming (fuel supply means)
40 Raw material for reforming (hydrocarbon fuel)
41 Process water 42 Reformed gas 46 Raw material (hydrocarbon fuel)
101, 201 Fuel cell cogeneration system (fuel cell power generation system)
146 Raw material supply branch line (replenishment flow path)

Claims (6)

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;
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;
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.
炭化水素系燃料を導入して水素リッチな改質ガスを生成する改質ガス生成部と;
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.
前記炭化水素系燃料の脱硫を行う脱硫手段と;
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.
炭化水素系燃料を導入して水素リッチな改質ガスを生成する改質ガス生成部と;
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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