JP2006024478A - Operating method for fuel cell power generating system and fuel cell power generating system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池の運転方法及び燃料電池発電システムに関し、特に低負荷運転時でも燃料電池にダメージを与えない燃料電池の運転方法及び燃料電池発電システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell operation method and a fuel cell power generation system, and more particularly to a fuel cell operation method and a fuel cell power generation system that do not damage the fuel cell even during low load operation.
従来から、例えば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。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。 Conventionally, for example, a polymer electrolyte fuel cell has a low operating temperature of 100 ° C. or less, so that the start-up time can be shortened and the handling is easy, so that it is widely used for automobiles and households (cogeneration and cogeneration). Demand is expected. 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、例えば80〜90%(LHV)程度であり、高い省エネルギー性を提供することができ、エネルギーコストを削減できるほか、CO2排出抑制等環境面に大きく貢献できる分散電源として期待されている。 In a polymer electrolyte fuel cell cogeneration system that includes a polymer electrolyte fuel cell, the power output is extracted from the fuel cell stack and the exhaust heat from the fuel cell stack is recovered and used as the heat output. To do. The cogeneration system has a total thermal efficiency of about 80 to 90% (LHV), for example, combined with power output and heat output, and 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 environmental aspects such as suppression.
一方、例えば、出力0.5〜2kW程度の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を市場と想定しているが、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、例えば、家庭における電力需要の少ない時間帯においては燃料電池の定格出力でなく、部分負荷、低負荷(例えば、30%〜50%出力)で運転することが多い。 On the other hand, for example, a small polymer electrolyte fuel cell cogeneration system with an output of about 0.5 to 2 kW assumes a general home as a market, but the power demand in a general home varies greatly depending on time zones. At the present time, no reverse power flow to the grid has been observed. For this reason, for example, in a time zone where the power demand at home is low, the fuel cell is often operated at a partial load and a low load (for example, 30% to 50% output) instead of the rated output of the fuel cell.
このような、燃料電池の部分負荷、低負荷運転では、例えば、燃料電池内を流れる流体(例えば燃料ガス、空気)流量が少ないため、低負荷運転が一定時間以上継続すると、燃料電池内で生成・蓄積する水分(液体)を排出できないことがあった。このとき、流体を供給する流路内に過剰に水が存在する領域があると液相の水が発生し、局所的なフラッディング(水分による流路閉塞)が起こり、その周辺部分の電極反応面積が減少し反応ガス(水素、酸素)不足となり、電池性能、セル電圧等が低下することがあった。 In such partial load and low load operation of the fuel cell, for example, since the flow rate of fluid (for example, fuel gas, air) flowing through the fuel cell is small, it is generated in the fuel cell when the low load operation continues for a certain time or more. -The accumulated moisture (liquid) could not be discharged. At this time, if there is an excessive amount of water in the flow path for supplying fluid, liquid phase water is generated, and local flooding (flow path blockage due to moisture) occurs, and the electrode reaction area in the surrounding area. As a result, the reaction gas (hydrogen, oxygen) becomes insufficient, and battery performance, cell voltage, and the like may decrease.
このフラッディングを防止するための対策として、例えば、セル電圧の低下を検出したときに、燃料利用率等を低くし、流体の圧力損失を上げて、結露した水を吹き飛ばし、流体に水を停滞させない方法があった。 As measures to prevent this flooding, for example, when a drop in cell voltage is detected, the fuel utilization rate is lowered, the pressure loss of the fluid is increased, the condensed water is blown off, and the water is not stagnated in the fluid. There was a way.
しかしながら、例えば、空気極側のフラッディングによりセル電圧が低下する場合にはセル電圧の低下を検知して空気流量を増加、水分をセル外部へ排出する方法が有効だが、燃料極側のフラッディングによりセル電圧が低下した時点ではすでに酸化剤極電極触媒が恒久的なダメージを受けることがあった。 However, for example, when cell voltage decreases due to flooding on the air electrode side, it is effective to detect a decrease in cell voltage and increase the air flow rate to discharge moisture to the outside of the cell. At the time when the voltage dropped, the oxidant electrode catalyst was already permanently damaged.
そこで本発明は、高い発電効率を維持しつつ、低負荷運転時でも燃料電池にダメージを与えない燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システムを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of operating a fuel cell power generation system and a fuel cell power generation system that do not damage the fuel cell even during low load operation while maintaining high power generation efficiency.
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明による燃料電池発電システムの運転方法は、例えば図1、図3に示すように、水素を主成分とする燃料42を燃料極に導入し、酸化剤32を酸化剤極に導入して発電を行う燃料電池6の低負荷運転継続時間が第1の所定時間T1に達した際に、発電での燃料42の利用率を第1の所定時間T1より短い第2の所定時間T2だけ低下させる利用率低下工程S114とを備えるように構成される。
In order to achieve the above object, a method for operating a fuel cell power generation system according to the first aspect of the present invention includes, as shown in FIGS. 1 and 3, for example, introducing a
このように構成すると、燃料電池の低負荷運転継続時間が第1の所定時間に達した際に、発電での燃料の利用率を第1の所定時間より短い第2の所定時間だけ低下させ、燃料電池内の燃料流量を増加し、結露した水を排出できるので、高い発電効率を維持しつつ、低負荷運転時でも燃料電池にダメージを与えない燃料電池発電システムの運転方法を提供することができる。 When configured in this manner, when the low load operation duration time of the fuel cell reaches the first predetermined time, the fuel utilization rate in power generation is reduced by a second predetermined time shorter than the first predetermined time, To increase the fuel flow rate in the fuel cell and discharge condensed water, and to provide a method for operating the fuel cell power generation system that does not damage the fuel cell even during low load operation while maintaining high power generation efficiency. it can.
また請求項2に記載のように、請求項2に記載の燃料電池発電システムの運転方法では、例えば図1、図3、図5、図7に示すように、炭化水素系燃料40と、改質剤41とを供給して炭化水素系燃料40を水素を主成分とする燃料42に改質する改質工程(例えば、図3に示すS100)を備え;利用率低下工程は、供給する炭化水素系燃料40の供給量を変動させる炭化水素系燃料供給量変動工程(例えば、図3に示すS114)、改質の温度を変動させる改質温度変動工程(例えば、図5に示すS214)、燃料電池6の発電負荷を変動させる発電負荷変動工程(例えば、図7に示すS314)からなる群より選択された少なくとも一つの工程であるように構成してもよい。
Further, as described in
このように構成すると、供給する炭化水素系燃料の供給量を変動させる、改質の温度を変動させる、あるいは燃料電池の発電負荷を変動させることで、発電での燃料の利用率を第1の所定時間より短い第2の所定時間だけ低下させることができ、燃料電池内の燃料流量を増加し、結露した水を排出できるので、高い発電効率を維持しつつ、低負荷運転時でも燃料電池にダメージを与えない燃料電池発電システムの運転方法を提供することができる。 With this configuration, the fuel utilization rate in the power generation is changed to the first by changing the supply amount of the hydrocarbon-based fuel to be supplied, changing the reforming temperature, or changing the power generation load of the fuel cell. It can be reduced for a second predetermined time shorter than the predetermined time, the fuel flow rate in the fuel cell can be increased, and condensed water can be discharged, so that the fuel cell can be maintained even during low load operation while maintaining high power generation efficiency. It is possible to provide a method of operating a fuel cell power generation system that does not cause damage.
上記目的を達成するために、請求項3に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば図1に示すように、炭化水素系燃料40と、改質剤41とを供給して炭化水素系燃料40を水素を主成分とする燃料42に改質する燃料処理装置1と;燃料42を燃料極に導入し、酸化剤32を酸化剤極に導入して発電を行う燃料電池6と;発電での燃料42の利用率を変動させる利用率変動手段(例えば図1に示す7又は27又は28)と;燃料電池6の低負荷運転継続時間が第1の所定時間T1(例えば、図2参照)に達した際に、利用率変動手段(例えば図1に示す7又は27又は28)を制御し、発電での燃料42の利用率を第1の所定時間T1(例えば、図2参照)より短い第2の所定時間T2(例えば、図2参照)だけ低下させる制御部4とを備えるように構成される。
In order to achieve the above object, a fuel cell power generation system according to a third aspect of the present invention supplies a
このように構成すると、制御部が、燃料電池の低負荷運転継続時間が第1の所定時間に達した際に、利用率変動手段を制御し、発電での燃料の利用率を第1の所定時間より短い第2の所定時間だけ低下させ、燃料電池内の燃料流量を増加し、結露した水を排出できるので、高い発電効率を維持しつつ、低負荷運転時でも燃料電池にダメージを与えない燃料電池発電システムを提供することができる。 With this configuration, when the low load operation duration time of the fuel cell reaches the first predetermined time, the control unit controls the utilization rate changing means to set the fuel utilization rate for power generation to the first predetermined time. Reduced by a second predetermined time shorter than the time, increases the fuel flow rate in the fuel cell, and discharges condensed water, thus maintaining high power generation efficiency and not damaging the fuel cell even during low load operation A fuel cell power generation system can be provided.
また請求項4に記載のように、請求項3に記載の燃料電池発電システムでは、例えば図1に示すように、利用率変動手段は、燃料処理装置1に供給する炭化水素系燃料40の供給量を変動させる炭化水素系燃料供給量変動手段28、燃料処理装置1の改質の温度を変動させる改質温度変動手段27、燃料電池6の発電負荷を変動させる発電負荷変動手段7からなる群より選択された少なくとも一つの手段であるように構成してもよい。
Further, as described in claim 4, in the fuel cell power generation system described in
このように構成すると、燃料処理装置1に供給する炭化水素系燃料40の供給量を変動させる、燃料処理装置1の改質の温度を変動させる、あるいは燃料電池6の発電負荷を変動させることで、燃料電池の低負荷運転継続時間が第1の所定時間に達した際に、発電での燃料の利用率を第1の所定時間より短い第2の所定時間だけ低下させ、燃料電池内の燃料流量を増加し、結露した水を排出できるので、高い発電効率を維持しつつ、低負荷運転時でも燃料電池にダメージを与えない燃料電池発電システムを提供することができる。
With this configuration, the supply amount of the hydrocarbon-based
以上のように本発明によれば、水素を主成分とする燃料を燃料極に導入し、酸化剤を酸化剤極に導入して発電を行う燃料電池の低負荷運転継続時間が第1の所定時間に達した際に、発電での燃料の利用率を第1の所定時間より短い第2の所定時間だけ低下させる利用率低下工程とを備えるように構成されるので、高い発電効率を維持しつつ、低負荷運転時でも燃料電池にダメージを与えない燃料電池発電システムの運転方法を提供することができる。 As described above, according to the present invention, the low-load operation continuation time of the fuel cell in which power is generated by introducing the fuel mainly composed of hydrogen into the fuel electrode and introducing the oxidant into the oxidant electrode is the first predetermined value. And a utilization rate lowering step of reducing the fuel utilization rate in power generation for a second predetermined time shorter than the first predetermined time when the time is reached, so that high power generation efficiency is maintained. On the other hand, it is possible to provide a method of operating the fuel cell power generation system that does not damage the fuel cell even during low load operation.
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。図1から図7は、発明を実施する形態の一例であって、図中、同一または類似の符号を付した部分は同一物または相当物を表わし、重複した説明は省略する。なお、以下の説明では、特に断りのない限り2つの機器等が「接続される」とは、直接接続されている場合、配管を介して接続される場合をともに含むものとして説明する。また、破線は、電気信号を表す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 to FIG. 7 are examples of embodiments for carrying out the invention. In the drawings, the same or similar reference numerals denote the same or equivalent parts, and duplicate descriptions are omitted. In the following description, unless otherwise specified, “connected” means that the two devices and the like are “connected”, including the case where they are directly connected and the case where they are connected via piping. A broken line represents an electric signal.
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池発電システム101の概略構成を示すブロック図である。燃料電池発電システム101は、炭化水素系燃料としての改質用原料40と改質剤としてのプロセス水41とを供給して改質用原料40を水素を主成分とする燃料としての改質ガス42に改質する燃料処理装置1と、改質ガス42を燃料極に導入し、酸化剤としてのスタック用空気32を酸化剤極に導入して発電を行う燃料電池としての固体高分子型の燃料電池スタック6と、発電での改質ガス42の利用率を変動させる利用率変動手段としての改質用原料流量制御弁28と、燃料電池スタック6の低負荷運転継続時間が第1の所定時間としての低負荷時流量標準時間T1(図2参照)に達した際に、改質用原料流量制御弁28を制御し、発電での改質ガス42の利用率を低負荷時流量標準時間T1(図2参照)より短い第2の所定時間としての低負荷時流量増加時間T2(図2参照)だけ低下させる制御部4とを備える。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell power generation system 101 according to the first embodiment of the present invention. The fuel cell power generation system 101 supplies a reforming
ここで、炭化水素系燃料としての改質用原料40は、本実施の形態では、炭化水素系ガスであるメタンガスとするが、都市ガス、LPG(Liquefied petroleum Gas)、消化ガス、メタノール、GTL(Gas to Liquid)や灯油等であってもよい。水素を主成分とする燃料としての改質ガス42は、例えば、水素の成分がモル%で40%以上、典型的には、約70〜75%程度のガスである。低負荷運転とは、典型的には、定格負荷運転に満たない負荷での運転(部分負荷運転)であって、定格負荷運転の30%から50%の負荷での運転のことをいう。また、発電での改質ガス42の利用率(以下特に断りのない限り「燃料利用率」という。)とは、燃料電池スタック6に供給した燃料量のうち発電に利用された燃料量の割合のこといい、典型的には、次式(1)で定義される。
燃料利用率(%)=実際に発電に使用した燃料量/供給した燃料量×100・・・(1)
Here, the reforming
Fuel utilization rate (%) = Amount of fuel actually used for power generation / Amount of supplied fuel × 100 (1)
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。
The
さらに、燃料電池発電システム101は、脱硫器17と、改質用原料ブロワ2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、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とを備える
Further, the fuel cell power generation system 101 includes a
A stack cooling
さらにまた、燃料電池発電システム101は、上述した各部を接続する配管、流路、すなわち、原料供給ライン140と、燃焼用原料供給ライン130と、選択酸化用空気供給ライン134と、プロセス水供給ライン141と、水蒸気供給ライン141aと、スタック用空気供給ライン132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。
Furthermore, the fuel cell power generation system 101 includes pipes and flow paths connecting the above-described parts, that is, a raw
改質用原料ブロワ2は、改質用原料ブロワ2と改質部18とを接続する原料供給ライン140を介して、改質用原料40を改質部18に供給する。原料供給ライン140上には、脱硫器17と改質用原料流量制御弁28とが設置されている。本実施の形態では、脱硫器17の方が改質用原料流量制御弁28よりも上流側に設置されている。
The reforming
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の脱硫を行うように構成されており、脱硫した改質用原料40が改質部18に供給される。
The
改質用原料流量制御弁28は、制御部4からの制御信号i28により、改質部18に供給される改質用原料40の流量を制御する二方弁である。改質用原料流量制御弁28は、ソレノイドあるいはモータ駆動により作動するように構成されている。改質用原料流量制御弁28が閉となった場合、改質用原料流量制御弁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の流体が改質用原料流量制御弁28を通って漏洩することはない。
The reforming material flow rate control valve 28 is a two-way valve that controls the flow rate of the reforming
改質用原料流量制御弁28は、燃料処理装置1に供給する改質用原料40の供給量を変動させる炭化水素系燃料供給量変動手段として機能し、改質用原料40の供給量を増加させることで、後述する燃料電池スタック6での発電の燃料利用率を低下させる。
The reforming raw material flow rate control valve 28 functions as a hydrocarbon-based fuel supply amount changing means for changing the supply amount of the reforming
さらに、原料供給ライン140には、脱硫器17と改質用原料流量制御弁28との間に、原料供給ライン140を分岐させる燃焼用原料供給ライン130が接続されている。
Further, the raw
燃焼用原料供給ライン130は、改質用原料40の流れを分岐するように構成されている。燃焼用原料供給ライン130の原料供給ライン1に接続されている端部とは逆のもう一方の端部は、燃焼用原料流量制御弁27を経て燃焼部10に接続されている。燃焼用原料供給ライン130は、改質用原料40を燃焼用原料30として、改質部18、変成部19、選択酸化部20等をバイパスして燃焼部10に供給する。
The combustion raw
燃焼用原料流量制御弁27は、制御部4からの制御信号i27により、燃焼部10に供給される燃焼用原料30の流量を制御する二方弁である。燃焼用原料流量制御弁27は、ソレノイドあるいはモータ駆動により作動する構成ように構成されている。燃焼用原料流量制御弁27が閉となった場合、燃焼用原料流量制御弁27を通る流体の流れが遮断される。よって、この場合、燃焼部10の流体が燃焼用原料流量制御弁27を通って漏洩することはない。なお、本実施の形態では、改質用原料40、燃焼用原料30は、気体である。
The combustion material flow
また、燃焼部10には、さらに、燃焼部10に燃焼で消費される酸素を含む空気である燃焼用空気31を供給する燃焼用空気供給ライン131が接続されている。
The
燃焼用空気供給ライン131の燃焼部10に接続されている端部とは逆のもう一方の端部は、例えば、燃焼用空気ブロワ(不図示)に接続されている。燃焼用空気供給ライン131は、燃焼用空気ブロワ(不図示)から供給される燃焼用空気31を燃焼部10に供給する。燃焼用空気31は、燃焼部10での燃焼用原料30の燃焼、燃料処理装置で改質、生成される改質ガス42であってガス中の一酸化炭素ガスが充分に減じられなかった改質ガス42aの燃焼、あるいは後述する燃料極オフガス43の燃焼に利用される。
The other end of the combustion
燃焼部10は、燃焼用原料30、燃料処理装置で改質、生成される改質ガス42であってガス中の一酸化炭素ガスが充分に減じられずに後述する切替ライン142aを経て供給される改質ガス42a、あるいは後述する燃料電池スタック6の燃料極オフガス43を、燃焼用空気31と共に燃焼させて、改質部18を加熱して改質部18での改質反応に利用される熱を生成するように構成されている。
The
なお、典型的には、燃焼部10で生成される熱は、効率的な反応が可能となるように燃料処理装置1の各部を適切な温度に維持するためにも利用される。
Typically, the heat generated in the
燃焼部10は、典型的には、起動時に、燃焼用原料30あるいは一酸化炭素ガスが充分に減じられなかった改質ガス42aを燃料として燃焼用空気31と共に燃焼させるように構成されている。また、燃焼部10は、典型的には、定格運転時に燃料極オフガス43を燃料として燃焼用空気31と共に燃焼させるように構成されている。
Typically, the
燃焼部10で燃焼した後の排ガスである燃焼排ガス50は、後述する燃焼排ガス排出ライン150等を介して系外に排出される。
The
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とする改質ガス42にする改質反応が行われる。改質反応は、改質用原料40が例えばメタンの場合は次式(2)で示される。
CH4+H2O→CO+3H2 ・・・(2)
In the reforming
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (2)
改質部18は、改質触媒(不図示)を含んで構成される。改質触媒(不図示)は、改質反応を促進するものであれば何でもよく、例えば触媒の種類としてNi系改質触媒やRu系改質触媒などが用いられる。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に送信される。
The reforming
(2)式に示す改質反応は吸熱反応なので、反応温度が高いほど炭化水素の改質率が高く反応速度も速い。しかし、温度をあまり高くすると、改質触媒(不図示)が劣化したり、改質器材料の耐熱仕様に対する要求が厳しくなり、また、燃料処理装置1の放散熱増大などで熱効率が下がる傾向がある。この点から勘案して、改質部18の温度は、好ましくは300℃から800℃、さらに好ましくは、650℃から750℃程度とするとよい。
Since the reforming reaction represented by the formula (2) is an endothermic reaction, the higher the reaction temperature, the higher the reforming rate of the hydrocarbon and the faster the reaction rate. However, if the temperature is too high, the reforming catalyst (not shown) deteriorates, the requirement for the heat resistance specification of the reformer material becomes severe, and the thermal efficiency tends to decrease due to an increase in the dissipated heat of the
変成部19は、改質部18に接続されており、改質部18で生成された改質ガス42中の一酸化炭素ガスを低減するするCO変成反応が行われる。CO変成反応は、例えば、次式(3)で示される。
CO+H2O→CO2+H2 ・・・(3)
The
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (3)
変成部19は、CO変成触媒(不図示)を含んで構成される。CO変成触媒(不図示)は、CO変成反応を促進するものであれば何でもよく、例えばFe−Cr系の高温変成触媒やPt系の中高温CO変成触媒や、Cu−Zn系低温CO変成触媒やPt系低温CO変成触媒などがある。
The
(3)式に示すCO変成反応は発熱反応なので、反応温度を低くすれば、有利な点としてCO変成反応後のCO濃度が低くなる点があり、不利な点として反応速度が遅くなる点がある。この点から勘案して、CO変成反応時の変成部19の温度は、好ましくは180℃から500℃、さらに好ましくは200℃から350℃程度とするとよい。
Since the CO shift reaction shown in the formula (3) is an exothermic reaction, if the reaction temperature is lowered, there is an advantage that the CO concentration after the CO shift reaction is lowered, and a disadvantage is that the reaction rate is lowered. is there. Considering this point, the temperature of the
選択酸化部20は、変成部19に接続されており、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反応が行われる。選択的酸化反応は、例えば、次式(4)で示される。
CO+(1/2)O2→CO2 ・・・(4)
The
CO + (1/2) O 2 → CO 2 (4)
選択酸化部20は、選択的酸化触媒(不図示)を含んで構成される。選択酸化触媒は、選択酸化反応を促進するもの、すなわち、COに対する選択酸化性が高いものであれば何でもよく、例えばPt系選択酸化触媒、Ru系選択酸化触媒やPt−Ru系選択酸化触媒などがある。選択酸化部20には、選択酸化用空気供給ライン134が接続されており、選択酸化用空気供給ライン134は、選択酸化用空気ブロワ(不図示)から供給される選択酸化用空気34を選択酸化部20に供給する。
The
(4)式に示す選択酸化反応時の選択酸化部20の温度は、好ましくは80℃から250℃、さらに好ましくは120℃から200℃程度とするとよい。
The temperature of the
プロセス水供給ライン141は、回収水タンク5と水蒸気発生部36とを接続しており、プロセス水供給ライン141上には、回収水タンク5側から順にプロセス水用ポンプ3と二方弁38とが設置されている。
The process
プロセス水用ポンプ3は、プロセス水供給ライン141を介して、後述する回収水タンク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。
The
二方弁38は、制御部4からの開閉信号(不図示)により、開または閉に設定される。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は、ソレノイドあるいはモータ駆動により作動する構成ように構成されている。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 two-
水蒸気発生部36では、燃焼部10の燃焼熱、あるいは、変成部19、選択酸化部20の反応熱等ににより、プロセス水41の蒸発が行われ、水蒸気41aが発生する。水蒸気発生部36は、水蒸気供給ライン141aを介して改質部18に接続されている。
In the water
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
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の燃料極側を接続しており、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上には、三方切替弁21が設置されている。
The reformed
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、後述する燃料極オフガス搬送ライン143に接続されている。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(不図示)が送られる。三方切替弁21は、ソレノイドあるいはモータ駆動により作動する構成ように構成されている。
One end of a
三方切替弁21が、切替信号(不図示)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(不図示)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-
燃料電池スタック6は、燃料極と酸化剤極とを有し、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(以下特に断りのない限り、燃料極−固体高分子膜−酸化剤極のセットを「セル」といい、セルを複数枚積層したものを「スタック」という。)であり、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、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)を燃料極オフガス搬送ライン143に、酸化剤極側から酸化剤極オフガス33を酸化剤極オフガス排出ライン133に各々排出する。
The fuel cell stack 6 includes a fuel electrode and an oxidant electrode, and has a multiple structure in which solid polymer films (not shown) and separators (not shown) are alternately stacked (hereinafter, unless otherwise specified) -A set of solid polymer film-oxidant electrode is referred to as "cell", and a stack of a plurality of cells is referred to as "stack"). The reformed
燃料電池スタック6の燃料極、酸化剤極での電気化学的反応は、典型的には、各々次式(5)、(6)で示すことができる。
燃料極 : H2→2H++2e− ・・・(5)
酸化剤極: 2H++2e− +(1/2)O2→H2O ・・・(6)
The electrochemical reactions at the fuel electrode and the oxidant electrode of the fuel cell stack 6 can typically be expressed by the following equations (5) and (6), respectively.
Fuel electrode: H 2 → 2H ++ 2e− (5)
Oxidant electrode: 2H ++ 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (6)
(6)式に示したように、燃料電池スタック6稼動時は酸化剤極で水が生成する。また、この水の一部は酸化剤極から燃料極に逆拡散し、燃料極からも排出される。すなわち、燃料極オフガス43、酸化剤極オフガス33は、それぞれ水分を含む。
As shown in the equation (6), when the fuel cell stack 6 is in operation, water is generated at the oxidizer electrode. A part of this water is back-diffused from the oxidizer electrode to the fuel electrode and is also discharged from the fuel electrode. That is, the fuel electrode off-
燃料極オフガス搬送ライン143は、燃料電池スタック6の燃料極側と燃焼部10とを接続しており、燃料極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43は、上述したように、典型的には、定格運転時に燃焼部10での燃焼利用される。また、燃料極オフガス搬送ライン143上には、二方弁23が設置されている。
The fuel electrode off
二方弁23は、制御部4からの開閉信号(不図示)により開または閉に設定される。二方弁23は、ソレノイドあるいはモータ駆動により作動する構成ように構成されている。二方弁23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23を通って燃焼部10に流れることが可能になる。二方弁23が閉となった場合、二方弁23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23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23を通って漏洩することはない。
The two-
上述した三方切替弁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23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23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-
燃料電池スタック6の酸化剤極は、スタック用空気供給ライン132を介して、スタック空気用ブロワ15に接続されている。
The oxidant electrode of the fuel cell stack 6 is connected to the
スタック空気用ブロワ15は、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。
The
スタック用空気供給ライン132上には、燃料電池スタック6の酸化剤極とスタック空気用ブロワ15との間に加湿器16が設置されている。
On the stack
加湿器16は、加湿水供給ライン144を介して、回収水タンク5に接続されている。加湿水供給ライン144上には、加湿水用ポンプ13と後述する第3熱交換部14が、回収水タンク5側から順に設置されている。
The
加湿器16には、加湿水供給ライン144を介し、加湿水用ポンプ13、後述する第3熱交換部14を順に通過して加湿水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。すなわち、回収水タンク5に貯留されている水が加湿水44として用いられる。加湿器16には、余剰水65を送出する余剰水ライン165が接続されている。
The
余剰水ライン165は、加湿器16の底部と回収水タンク5の天井部とを接続し、加湿器16に供給された加湿水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に流し、余剰水65は、回収水タンク5に回収水として回収される。
The
燃焼排ガス排出ライン150は、燃焼部10に接続されており燃焼部10で生じた燃焼排ガス50を系外に排出する。前述した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。
The combustion exhaust
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 oxidant electrode off-
さらに、燃焼排ガス排出ライン150上には、酸化剤極オフガス排出ライン133の接続部分よりも下流側に、第3熱交換部14、第1熱交換部8、気水分離器11が、この順番で設置されている。
Further, on the combustion exhaust
第3熱交換部14には、燃焼排ガス排出ライン150と前述の加湿水供給ライン144とが接続され、燃焼排ガス50、酸化剤極オフガス33(高温側)と加湿水44(低温側)との間で熱交換が行われる。当該熱交換により、燃焼排ガス50、酸化剤極オフガス33は冷却され温度が下降し、加湿水44は加熱され温度が上昇する。
A combustion exhaust
第1熱交換部8は、第3熱交換部14の下流に配設される。第1熱交換部8には、燃焼排ガス排出ライン150と後述する温熱回収水循環ライン161とが接続され、燃焼排ガス50、酸化剤極オフガス33(高温側)と温熱回収水循環ライン161内を循環する温熱回収水61(低温側)との間で熱交換が行われる。当該熱交換により、燃焼排ガス50、酸化剤極オフガス33は冷却され温度が下降し、温熱回収水61は加熱され温度が上昇する。
The first
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。気水分離器11は、燃焼排ガス50、酸化剤極オフガス33と燃焼排ガス50、酸化剤極オフガス33中に含まれる凝縮した水とを分離する。気水分離器11で水分が回収された残りの燃焼排ガス50、酸化剤極オフガス33は系外へ排気される。また、気水分離器11の底部には、ドレン水ライン164が接続されている。
The
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の天井部とを接続し、気水分離器11で回収された水であるドレン水64を、気水分離器11から回収水タンク5に流す。ドレン水64は、前述の回収水として回収水タンク5に貯留される。
The drain water line 164 connects the bottom of the steam /
温熱回収水循環ライン161は、温熱回収水61を第1熱交換部8、第2熱交換部9、貯湯槽90、ポンプ(不図示)を接続し、温熱回収水61を第1熱交換部8、第2熱交換部9、貯湯槽90、ポンプ(不図示)を順に経て循環させる循環流路である。温熱回収水循環ライン161上には、第1熱交換部8の下流側、貯湯槽90の上流側に、第2熱交換部9が配置されている。
The heat recovery
貯湯槽90は、温熱回収水循環ライン161を循環する温熱回収水61を一時的に貯留する。ポンプ(不図示)は、温熱回収水循環ライン161内を昇圧し、温熱回収水61を温熱回収水循環ライン161に循環させる。
The hot
第2熱交換部9には、次に説明する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。当該熱交換により、スタック冷却水60は冷却され温度が下降し、温熱回収水61は加熱され温度が上昇する。
A stack cooling
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、第2熱交換部9、燃料電池スタック6を接続し、スタック冷却水60をスタック冷却水用ポンプ12、第2熱交換部9、燃料電池スタック6を順に経て循環させる循環流路である。
The stack cooling
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。スタック冷却水60は、スタック冷却水循環ライン160を循環して、燃料電池スタック6に導入されると、燃料電池スタック6の電気化学的反応により発生する熱を吸収して、燃料電池スタック6を冷却し、上述したように、第2熱交換部9で温熱回収水61との間で熱交換が行われ、冷却され温度が下降する。
The stack cooling
なお、貯湯槽90には、温熱回収水61を供給又は循環させることにより系外の熱需要に熱を供給する装置(不図示)が接続されている。例えば、貯湯槽90に貯留される温熱回収水6が系外に循環し、排熱を供給した後に、貯湯槽90に戻される。すなわち、温熱回収水61に回収された排熱が、熱源として有効利用される。すなわち、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム101は、燃料電池発電コージェネレーションシステムとしても利用可能である。
The
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。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出力する。
The
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67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(不図示)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(不図示)を制御部4に送る。リレー67は、制御部4から送られる開閉信号(不図示)によって開閉し、リレー67が閉となることにより燃料電池スタック6から電力が出力され、リレー67が開となることにより燃料電池スタック6から電力が出力されなくなる。
In the wiring connecting the fuel cell stack 6 and the
スタック空気用ブロワ15、改質用原料ブロワ2、選択酸化用空気ブロワ(不図示)、燃焼用空気ブロワ(不図示)、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。
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、改質用原料40、選択酸化用空気34、燃焼用空気31、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。各電動モータは、制御部4から各制御信号が送られなくなることによりそれぞれ停止する
The rotation speed of each electric motor is controlled by a control signal (not shown) from the control unit 4, and stack
制御部4は、後述する低負荷時流量標準時間T1(図2参照)を計測する低負荷時流量標準時間計測タイマC1(図3参照)、低負荷時流量増加時間T2(図2参照)を計測する低負荷時流量増加時間計測タイマC2(図3参照)を含んで構成されている。制御部4は、典型的には、低負荷運転ではない運転(以下特に断りのない限り「高負荷運転」という。)の継続時間である高負荷時間T3(図3参照)を計測する高負荷時間計測タイマC3(図3参照)を含んで構成されている。 The control unit 4 includes a low-load flow rate standard time measurement timer C1 (see FIG. 3) and a low-load flow rate increase time T2 (see FIG. 2) for measuring a later-described low-load flow rate standard time T1 (see FIG. 2). A low load flow rate increase time measurement timer C2 (see FIG. 3) to be measured is included. The control unit 4 typically measures a high load time T3 (see FIG. 3), which is a duration of an operation that is not a low load operation (hereinafter referred to as “high load operation” unless otherwise specified). A time measurement timer C3 (see FIG. 3) is included.
制御部4は、図2で後述するように、燃料電池スタック6の低負荷運転継続時間が低負荷時流量標準時間T1(図2参照)に達した際に、改質用原料流量制御弁28を制御し、改質用原料40の供給量を増加させることで、燃料電池スタック6での発電の燃料利用率を低負荷時流量標準時間T1(図2参照)より短い低負荷時流量増加時間T2(図2参照)だけ低下させるように構成されている。
As will be described later with reference to FIG. 2, when the low load operation continuation time of the fuel cell stack 6 reaches the low load flow rate standard time T <b> 1 (see FIG. 2), the control unit 4 performs the reforming material flow rate control valve 28. By controlling the flow rate and increasing the supply amount of the reforming
制御部4には、制御部4から送信される制御を伝達する信号ケーブルが各部に対して配線されている。制御部4は、典型的には、上述したように燃焼用原料流量制御弁27の開閉を制御し燃焼部10に供給される燃焼部10の流量を制御する制御信号i27、改質用原料流量制御弁28の開閉を制御し改質部18に供給される改質用原料40の流量を制御する制御信号i28、パワーコンディショナー7を制御し、燃料電池スタック6が発電した電力の出力を制御する制御信号i74を各々送信して、燃焼用原料流量制御弁27、改質用原料流量制御弁28、パワーコンディショナー7を制御するように構成されている。
A signal cable for transmitting control transmitted from the control unit 4 is wired to each unit in the control unit 4. Typically, the control unit 4 controls the opening and closing of the combustion raw material flow
さらに制御部4は、典型的には、上記の制御信号の他、不図示の制御信号を各部に送信することで各部を制御し、燃料電池発電システム101の起動運転、定常運転、部分負荷運転、低負荷運転、停止運転等をも制御する。これにより燃料電池発電システム101をより合理的な構成とすることができ、迅速、確実に、かつ、人為的エラーを排除して、燃料電池発電システム101の運転を制御することができる。
以下では、制御部4の制御による燃料電池発電システム101の運転について説明する。
Furthermore, the control unit 4 typically controls each unit by transmitting a control signal (not shown) to each unit in addition to the control signal described above, so that the start-up operation, steady operation, and partial load operation of the fuel cell power generation system 101 are performed. Also controls low load operation, stop operation, etc. As a result, the fuel cell power generation system 101 can have a more rational configuration, and the operation of the fuel cell power generation system 101 can be controlled quickly, reliably, and with no human error.
Hereinafter, the operation of the fuel cell power generation system 101 under the control of the control unit 4 will be described.
続けて図1を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池発電システム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、燃焼用原料流量制御弁27、改質用原料流量制御弁28、二方弁23、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、燃焼用原料流量制御弁27、改質用原料流量制御弁28、二方弁23、38は閉の位置にある。
Next, with reference to FIG. 1, the operation at the time of starting the fuel cell power generation system 101 according to the first embodiment of the present invention will be described. At the time of the previous stop operation, the three-
まず燃焼用空気31を、バーナー(不図示)のパージのため燃焼部10に供給し、改質用原料ブロワ2を起動し燃焼用原料流量制御弁27を開の位置にして、改質用原料40を燃焼用原料30として供給する。このとき改質用原料流量制御弁28は閉の位置、燃焼用原料流量制御弁27は開の位置にあり、燃焼用原料流量制御弁27によって燃焼用原料30の流量制御が行われる。この時点では、改質用原料40の改質部18への供給は行われていない。
First, the combustion air 31 is supplied to the
燃焼用空気31と燃焼用原料30の供給が開始されるのと、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。
When the supply of the combustion air 31 and the
次に、改質用原料流量制御弁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。
Next, the reforming material flow rate control valve 28 is opened and the reforming
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。
When the
起動の初期の段階では、改質部18の温度が、改質反応に適した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、改質ガス搬送ライン142、切替ライン142a、燃料極オフガス搬送ライン143を経由して燃焼部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。
In the initial stage of start-up, the reforming reaction in the reforming
改質部18の温度、変成部19の温度、選択酸化部20の温度が、全て100℃を上回ったところで、プロセス水用ポンプ3を起動し、プロセス水41を水蒸気発生部36に供給し、改質部18に水蒸気41aが供給されるようにする。プロセス水41の流量は予め定められたS(水蒸気41a)/C(改質用原料中の炭素)比(モル比)に基づき決められる。
When the temperature of the reforming
プロセス水41の供給を開始した後所定時間(例えば10分)経過後に、選択酸化用空気34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(例えば、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23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。
After a lapse of a predetermined time (for example, 10 minutes) after the supply of the process water 41 is started, the
改質ガス42の供給を開始してから所定時間(例えば2分)経過後に、スタック空気用ブロワ15を起動し、スタック用空気32を酸化剤極へ供給し、燃料電池スタック6の発電を開始する。このとき燃料電池スタック6のスタック電圧は開放電圧となるが、先に燃料極側に水素リッチな改質ガス42が供給されているため、瞬間的な酸化剤極側の電位上昇を原因とする電極腐食による劣化を招くことがなく、燃料電池スタック6にダメージを与えずに起動を行うことができる。そのため、燃料電池スタック6の高い耐久性を実現することができる。
After a predetermined time (for example, 2 minutes) has elapsed from the start of supply of the reformed
燃料電池発電システム101の内部補機動力を系統側(一部不図示)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。同時に、リレー67を開から閉とし、パワーコンディショナー7を起動し電力の外部負荷(不図示)への出力を開始する。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(一部不図示)。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34、スタック用空気32、プロセス水41、燃焼用空気31の流量を増加させ、目標出力(定格出力)まで燃料電池スタック6の電力出力を増加させる。
The internal auxiliary machine power of the fuel cell power generation system 101 is switched from the system side (partially not shown) to the fuel cell stack 6 side so that it can be operated independently. At the same time, the
さらに、続けて図1を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池発電システム101の発電時(定格電力出力状態)の作用を説明する。 Further, with reference to FIG. 1, the operation of the fuel cell power generation system 101 according to the first embodiment of the present invention during power generation (rated power output state) will be described.
改質用原料40は、上述したように、改質用原料ブロワ2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、改質用原料流量制御弁28を通過して燃料処理装置1の改質部18に供給される。このとき改質用原料流量制御弁28は開の位置にあり、改質用原料流量制御弁28によって改質用原料40の流量制御が行われる。
As described above, the reforming
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。
The process water 41 is supplied from the recovered water tank 5 to the water
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、改質触媒(不図示)により、上述した(2)式で示すことができる水蒸気改質反応が行われ、改質ガス42が生成する。
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、上述した(3)式で示すことができる変成反応が行われ、改質ガス42中の一酸化炭素ガスが除去される。
The reformed
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34は、選択酸化部20に供給される。このとき選択酸化用空気ブロワ(不図示)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34の流量制御が行われる。改質ガス42中に残留する一酸化炭素ガスは、選択酸化部20で選択酸化用空気34により選択的に酸化され、上述した(4)で示すことができる選択酸化反応が行われる。
Further, the reformed
選択酸化部20で一酸化炭素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。
The reformed
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。
The
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。
An electric motor (not shown) that drives the
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。
In the fuel cell stack 6, the reformed
燃料電池スタック6で電気化学的反応により直流電力の発電が行われると、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23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。
When DC power is generated by an electrochemical reaction in the fuel cell stack 6, the fuel electrode off-
燃料極オフガス43は、燃料処理装置1の燃焼部10に供給され、燃焼部10で燃焼され、この燃焼によって燃焼排ガス50が生じ、燃焼排ガス50は燃焼部10から排出される。酸化剤極オフガス33は燃焼排ガス50に合流し排出される。
The fuel electrode off-
すなわち燃焼排ガス50は燃焼部10から排出され酸化剤極オフガス33と混合し、第3熱交換部14で加湿水44を例えば40℃から65℃に加熱し、加湿水44により例えば80℃から55℃に冷却され、さらに第1熱交換部8で貯湯槽(不図示)から送られる温熱回収水61を例えば20℃から28℃に加熱し、温熱回収水61により例えば55℃から22℃に冷却され、さらに気水分離器11で気水分離され排気される。
That is, the
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。
The water, that is, the
加湿器16に供給された加湿水44は、加湿器16でスタック用空気32を例えば55℃まで昇温しRH95%以上まで加湿する。温熱回収水61は、第2熱交換部9でスタック冷却水60により例えば28℃から64℃に加熱され、貯湯槽(不図示)に戻され、貯湯槽に熱量が貯えられる。
The humidified water 44 supplied to the
燃料電池スタック6に供給されたスタック冷却水60は、燃料電池スタック6を冷却し、スタック冷却水60自身は燃料電池スタック6により55℃から65℃に加熱され燃料電池スタック6を出で、スタック冷却水用ポンプ12を経て、第2熱交換部9で温熱回収水61により65℃から55℃に冷却され、再び燃料電池スタック6に供給されて循環する。
The
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。
An electric motor (not shown) that drives the stack cooling
制御部4は、流量を制御する制御信号i27、i28を燃焼用原料流量制御弁27、改質用原料流量制御弁28に、開度位置を開または閉とする開閉信号(不図示)を二方弁23、38に送信し、さらに、各電動モータ(不図示)の回転数を制御する制御信号(不図示)を各電動モータに送信している。
The control unit 4 supplies two control signals i27 and i28 for controlling the flow rate to the combustion raw material flow
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(不図示)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。さらに制御部4には、温度検出装置75からの温度信号i75が送信される。
Further, the control unit 4 sends a switching signal (not shown) for switching the three-
燃料電池発電システム101は、定負荷運転時の値を100%とすと、100%の値は、例えば発電電力が1.3kW、改質用原料40流量が4.2L/min(NTP)、プロセス水41流量が11cc/min、選択酸化用空気34流量が1.5L/min(NTP)、スタック用空気32流量が60L/min(NTP)、改質部18の温度が700℃である。以下このような場合で説明する。
When the fuel cell power generation system 101 has a constant load operation value of 100%, the value of 100% is, for example, a generated power of 1.3 kW, a reforming
次に、図2、図3を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池発電システム101の低負荷運転の際の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。なお、燃料電池発電システム101の構成要素の符号については適宜図1を参照する。 Next, with reference to FIG. 2 and FIG. 3, an operation method during low load operation of the fuel cell power generation system 101 according to the first embodiment of the present invention will be described. The following operation is performed under the control of the control unit 4. Note that FIG. 1 is appropriately referred to for the reference numerals of the constituent elements of the fuel cell power generation system 101.
図2は、本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池発電システム101の低負荷運転の際の運転パラメータの一例を示すグラフである。図中、横軸が時間であり、縦軸が運転パラメータ、すなわち、燃料利用率(%)、改質用原料40の流量(L/min(NTP))である。本図は、理論的な説明を容易にすべく、燃料電池スタック6の出力電力が一定(例えば、440W)である時を示すグラフとしている。 FIG. 2 is a graph showing an example of operating parameters during low load operation of the fuel cell power generation system 101 according to the first embodiment of the present invention. In the figure, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents operating parameters, that is, the fuel utilization rate (%) and the flow rate of the reforming raw material 40 (L / min (NTP)). This figure is a graph showing when the output power of the fuel cell stack 6 is constant (for example, 440 W) for easy theoretical explanation.
燃料電池発電システム101は、低負荷運転の際は、例えば、燃料電池スタック6内を流れる流体(改質ガス42、スタック用空気32)流量が少ないために生じるフラッディングを防止するため、制御部4によって、燃料電池スタック6の低負荷運転継続時間が低負荷時流量標準時間T1に達した際に、改質用原料流量制御弁28を制御し、改質用原料40の供給量を増加させることで、燃料処理装置1で生成される改質ガス42の流量を増加し、燃料電池スタック6での発電の燃料利用率を低負荷時流量標準時間T1より短い低負荷時流量増加時間T2だけ低下させる。
When the fuel cell power generation system 101 is in a low load operation, for example, the control unit 4 prevents the flooding caused by the flow rate of the fluid (reformed
低負荷時流量増加時間T2は、例えば、低負荷時流量標準時間T1の2分の1以下(例えば、低負荷時流量標準時間T1が20分であれば、低負荷時流量増加時間T2は10分以下)とすると良い。低負荷時流量増加時間T2が、低負荷時流量標準時間T1の2分の1以上であると、燃料利用率を低下させたときの設定によっては、例えば、低負荷時流量標準時間T1、低負荷時流量増加時間T2を通じての平均燃料利用率が下がりすぎ、平均発電効率が低下してしまうからである。すなわち、低負荷時流量増加時間T2が、低負荷時流量標準時間T1の2分の1以下であると、平均燃料利用率は下がりすぎず、平均発電効率はほとんど低下しない。また、低負荷時流量増加時間T2は、例えば、低負荷時流量標準時間T1の40分の1以上とすると良い。低負荷時流量標準時間T1に対して低負荷時流量増加時間T2が短すぎると、低負荷時流量標準時間T1中に蓄積した水分を十分排出することができない。 The low load flow rate increase time T2 is, for example, half or less of the low load flow rate standard time T1 (for example, if the low load flow rate standard time T1 is 20 minutes, the low load flow rate increase time T2 is 10 times. Less than a minute). If the low load flow rate increase time T2 is more than half of the low load flow rate standard time T1, depending on the setting when the fuel utilization rate is reduced, for example, the low load flow rate standard time T1, low This is because the average fuel utilization rate through the on-load flow rate increase time T2 decreases too much, and the average power generation efficiency decreases. That is, when the low load flow rate increase time T2 is less than or equal to one half of the low load flow rate standard time T1, the average fuel utilization rate does not decrease too much and the average power generation efficiency hardly decreases. Further, the low load flow rate increase time T2 may be, for example, at least 1/40 of the low load flow rate standard time T1. If the low load flow rate increase time T2 is too short with respect to the low load flow rate standard time T1, the moisture accumulated during the low load flow rate standard time T1 cannot be discharged sufficiently.
さらに、低負荷時流量増加時間T2は、好ましくは、低負荷時流量標準時間T1の5分の1以下(例えば、低負荷時流量標準時間T1が50分であれば、低負荷時流量増加時間T2は10分以下、あるいは、低負荷時流量標準時間T1が25分であれば、低負荷時流量増加時間T2は5分以下)とすると良い。燃料利用率を低下させたときの運転は、燃料利用率を一定で運転した場合(例えば、低負荷運転中、常に燃料利用率を低下させる場合)と比較して若干複雑な制御をしており、低負荷時流量増加時間T2が、低負荷時流量標準時間T1の5分の1以上であると、燃料利用率を低下させたときの運転は、燃料利用率を一定で運転した場合と比較して、例えば、低負荷時流量標準時間T1、低負荷時流量増加時間T2を通じての平均燃料利用率の向上が少なく、平均発電効率の上昇幅も少なくなるからである。すなわち、低負荷時流量増加時間T2が、低負荷時流量標準時間T1の5分の1以下であると、燃料利用率を一定で運転した場合と比較して、平均燃料利用率は充分に向上し、平均発電効率の上昇幅も充分となる。また、低負荷時流量増加時間T2は、好ましくは、低負荷時流量標準時間T1の25分の1以上とすると良い。 Further, the low load flow rate increase time T2 is preferably not more than one fifth of the low load flow rate standard time T1 (for example, if the low load flow rate standard time T1 is 50 minutes, the low load flow rate increase time T2 is 10 minutes or less, or if the low load flow rate standard time T1 is 25 minutes, the low load flow rate increase time T2 is 5 minutes or less). The operation when the fuel utilization rate is lowered is slightly more complicated than when the fuel utilization rate is constant (for example, when the fuel utilization rate is constantly reduced during low-load operation). When the low load flow rate increase time T2 is 1/5 or more of the low load flow rate standard time T1, the operation when the fuel utilization rate is reduced is compared with the case where the fuel utilization rate is kept constant. For example, there is little improvement in the average fuel utilization rate through the low load flow rate standard time T1 and the low load flow rate increase time T2, and the increase in average power generation efficiency is also reduced. That is, when the low load flow rate increase time T2 is 1/5 or less of the low load flow rate standard time T1, the average fuel utilization rate is sufficiently improved as compared with the case where the fuel utilization rate is kept constant. However, the increase in average power generation efficiency will be sufficient. The low load flow rate increase time T2 is preferably set to be 1/25 or more of the low load flow rate standard time T1.
さらにここで、一般的に、燃料電池発電システム101として高燃料利用率で運転したほうが燃料処理装置1で製造した水素を有効に利用できることとなり、発電効率が高くなるため望ましい。従って、低負荷時流量標準時間T1をできるだけ長く、そのときの燃料利用率をできるだけ高くし、低負荷時流量増加時間T2をできるだけ短く、そのときの燃料利用率もできるだけ高くすることが望ましい。しかしながら、本実施の形態では、燃料電池スタック6の安定した運転に資するために、低負荷時流量増加時間T2中の燃料利用率低下による発電効率の低下は許容している。
Further, in general, it is preferable that the fuel cell power generation system 101 is operated at a high fuel utilization rate because hydrogen produced by the
一方、燃料電池スタック6での燃料利用率を低く設定すると、燃料電池スタック6での余剰水素が燃料極オフガス43として燃料処理装置1の燃焼部10に戻りそこで燃焼される。低負荷時流量増加時間T2を短くするために燃料利用率の設定を低くしすぎると、燃焼部10での燃焼量が過剰となり、燃料処理装置1が過昇温し、温度バランスが取れなくなる。燃料処理装置1が過昇温等による影響として燃焼部10の劣化、改質部18、変成部19の触媒劣化等が挙げられる。
On the other hand, if the fuel utilization rate in the fuel cell stack 6 is set low, surplus hydrogen in the fuel cell stack 6 returns to the
以上の発電効率、燃料処理装置1の温度バランス等を勘案して、さらに具体的に言えば、低負荷時流量標準時間T1、低負荷時流量増加時間T2は、例えば、低負荷時流量標準時間T1は30から180分程度、低負荷時流量増加時間T2は5から20分程度、好ましくは、低負荷時流量標準時間T1は60から180分程度、低負荷時流量増加時間T2は5から10分程度とすると良い。本実施の形態では、低負荷時流量標準時間T1は120分程度、低負荷時流量増加時間T2は10分程度としている。
More specifically, considering the above power generation efficiency, the temperature balance of the
例えば、図中、t4からt5までの間、改質用原料40等の流量が標準流量の状態で、燃料電池スタック6の低負荷運転が継続される。例えば、このときの改質用原料40の流量は1.4L/min(NTP)、燃料利用率は67.5%である。
For example, in the figure, the low load operation of the fuel cell stack 6 is continued from t4 to t5 with the flow rate of the reforming
燃料電池スタック6の低負荷運転時間がt5に達すると、t5からt6までの間に、制御部4による制御によって、改質用原料流量制御弁28を制御し、例えば、改質用原料40の流量を1.6L/min(NTP)まで増加させ、燃料利用率を62.5%まで低下させる。 When the low load operation time of the fuel cell stack 6 reaches t5, the reforming material flow rate control valve 28 is controlled by the control by the control unit 4 between t5 and t6. The flow rate is increased to 1.6 L / min (NTP) and the fuel utilization rate is decreased to 62.5%.
その後、t6からt7までの間、改質用原料40の流量を1.6L/min(NTP)、燃料利用率を62.5%で継続し、t7からt8までの間に、再び、改質用原料40の流量を1.4L/min(NTP)まで低下させ標準の流量に戻し、燃料利用率を67.5%まで増加させる。低負荷時流量標準時間T1、低負荷時流量増加時間T2を通しての平均燃料利用率は、66.25%程度となる。
Thereafter, the flow rate of the reforming
すなわち、ここでは、t4からt5までの時間が、改質用原料40等の流量が標準流量である低負荷時流量標準時間T1=120分、t5からt6、t7を経たt8までの時間が、改質用原料40等の流量が増加される低負荷時流量増加時間T2=10分である。なお、本図中、t1からt2、t3を経たt4までの時間は、t5から始まる低負荷時流量増加時間T2の前の回の低負荷時流量増加時間T2を示している。
That is, here, the time from t4 to t5 is the low load flow rate standard time T1 = 120 minutes in which the flow rate of the reforming
なお、本図は、上述したように、理論的な説明を容易にすべく、燃料電池スタック6の出力電力が一定(例えば、440W)である時を示すグラフとしている。しかしながら、実際には、燃料電池スタック6の負荷の変動に追従して、制御部4は、燃料電池スタック6のスタック電流密度、改質用原料40の流量等を制御し、燃料電池スタック6の出力電力を制御している。
Note that, as described above, this diagram is a graph showing the time when the output power of the fuel cell stack 6 is constant (for example, 440 W) for easy theoretical explanation. However, in practice, the control unit 4 controls the stack current density of the fuel cell stack 6, the flow rate of the reforming
したがって、改質用原料40の流量は、実際には、燃料電池スタック6の負荷の変動にともない変動する。例えば、低負荷時流量増加時間T2中に、燃料電池スタック6の負荷が増加し電池スタック6の出力電力が増加した場合には、電池スタック6の出力電力に追従して改質用原料40の流量も増加する。改質用原料40の流量が所定量(標準流量)まで増加した時点で高負荷運転に移行したものとして、高負荷時間T3(図3参照)を計測し、当該高負荷時間T3が所定時間(10分)に達した際に、低負荷時流量増加時間T2は所定時間(10分)の経過を待たずに終了するようにしてもよい。このようにすることで、状況に合わせて適切な燃料電池スタック6の運転を行うことができる。
Therefore, the flow rate of the reforming
ここで、燃料電池スタック6の負荷が低いとき、すなわち低負荷時には、燃料電池スタック6のスタック電流密度が低くなり、セル平均電圧が上昇する。本実施の形態では、スタック電流密度を基に、燃料電池発電システム101が低負荷運転であるか否かを判断する。 Here, when the load of the fuel cell stack 6 is low, that is, when the load is low, the stack current density of the fuel cell stack 6 becomes low, and the cell average voltage increases. In the present embodiment, it is determined whether or not the fuel cell power generation system 101 is in a low load operation based on the stack current density.
低負荷運転とは、上述したように、定格負荷運転に満たない負荷での運転(部分負荷運転)であって、負荷が小さいあるいは無いときの運転であり、典型的には、定格負荷運転の30%から50%の負荷での運転のことをいい、本実施の形態では、燃料電池スタック6のスタック電流密度が基準値以下である場合の運転とする。 As described above, the low load operation is an operation with a load that does not satisfy the rated load operation (partial load operation), and is an operation when the load is small or absent. This means an operation with a load of 30% to 50%. In the present embodiment, the operation is performed when the stack current density of the fuel cell stack 6 is below a reference value.
ここで、スタック電流密度の基準値は、例えば、0.07A/cm2から0.2A/cm2程度、好ましくは、0.07A/cm2から0.09A/cm2程度、ここでは、0.08A/cm2程度としている。なお、スタック電流密度の基準値は、燃料電池スタック6の内部流路設計、電極拡散層の設計、セル枚数等に依存しており、基本的には値が小さい方が望ましいが、実際には燃料電池スタック6の圧損とトレードオフになることが多く、設計思想に応じて適宜設定すればよい。
次に図3を参照して本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池発電システム101の低負荷運転の際の具体的な運転方法の一例を説明する。
Here, the reference value of the stack current density is, for example, about 0.07 A / cm 2 to about 0.2 A / cm 2 , preferably about 0.07 A / cm 2 to about 0.09 A / cm 2 , where 0 .About.08 A / cm 2 . Note that the reference value of the stack current density depends on the internal flow path design of the fuel cell stack 6, the design of the electrode diffusion layer, the number of cells, and the like. This is often a trade-off with the pressure loss of the fuel cell stack 6 and may be set as appropriate according to the design concept.
Next, an example of a specific operation method in the low load operation of the fuel cell power generation system 101 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図3は、本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池発電システム101の低負荷運転の際の運転方法を示すフロー図である。以下の運転は制御部4の制御により行われる。 FIG. 3 is a flowchart showing an operation method during low load operation of the fuel cell power generation system 101 according to the first embodiment of the present invention. The following operation is performed under the control of the control unit 4.
まず、燃料電池発電システム101は、改質用原料40の流量等が標準設定され、定格電力出力状態にある(S100)。燃料電池スタック6の負荷が変動する場合には、追従して、制御部4の制御により、燃料電池スタック6のスタック電流密度、改質用原料40の流量等が制御され、燃料電池スタック6の出力電力を制御する。
First, the fuel cell power generation system 101 is in a rated power output state with the flow rate of the reforming
この時点で、燃料処理装置1では、改質工程として、上述したように改質用原料40と、プロセス水41とを供給して、改質用原料40を水素を主成分とする改質ガス42に改質する工程が行われている。
At this time, in the
改質用原料40の流量等が標準設定されると(S100)、制御部4は、燃料電池スタック6の運転中にスタック電流密度を検出する(S102)。スタック電流密度は、制御部4が、電流検出装置69により測定したスタック電流値をセルの断面積(cm2)で割ることにより検出する。
When the flow rate and the like of the reforming
次に、制御部4は、検出したスタック電流密度が基準値0.08A/cm2未満か否かを判断する(S104)。スタック電流密度が基準値0.08A/cm2より小さい場合(S104:Yes)は、低負荷運転であると判断され、S106に移行する。スタック電流密度が基準値0.08A/cm2より大きい場合(S104:No)は、高負荷運転であると判断され、S126に移行する。 Next, the control unit 4 determines whether or not the detected stack current density is less than the reference value 0.08 A / cm 2 (S104). If the stack current density is smaller than the reference value 0.08 A / cm 2 (S104: Yes), it is determined that the load operation is low, and the process proceeds to S106. When the stack current density is larger than the reference value 0.08 A / cm 2 (S104: No), it is determined that the operation is high load, and the process proceeds to S126.
低負荷運転であると判断される(S104:Yes)と、制御部4は、制御部4の高負荷時間計測タイマC3を一旦クリアし(S106)、改質用原料40の流量が増加設定中か否かを判定する(S108)。
When it is determined that the operation is low load (S104: Yes), the control unit 4 once clears the high load time measurement timer C3 of the control unit 4 (S106), and the flow rate of the reforming
改質用原料40の流量が増加設定中でないと判定された場合(S108:No)、制御部4は、低負荷時流量標準時間計測タイマC1を加算して低負荷時流量標準時間T1(120分)を計測する(S110)。ここでの加算は、低負荷時流量標準時間T1(120分)の計測が開始されていなければ低負荷時流量標準時間計測タイマC1の加算の開始、低負荷時流量標準時間T1(120分)の計測が開始されているのであれば低負荷時流量標準時間計測タイマC1の加算の継続を意味する。
When it is determined that the flow rate of the reforming
続いて、制御部4は、低負荷時流量標準時間計測タイマC1のカウントが低負荷時流量標準時間T1(120分)に達したか否かを判定する(S112)。低負荷時流量標準時間T1(120分)に達したと判定した場合(S112:Yes)、利用率低下工程、本実施の形態では、燃料処理装置1に供給する改質用原料40の供給量を変動させる炭化水素系燃料供給量変動工程としての改質用原料供給量変動工程として、制御部4は、改質用原料流量制御弁28を制御して、改質用原料40の流量を増加設定とする(S114)。これにより、燃料電池スタック6での燃料利用率が低下する。そして、低負荷時流量標準時間計測タイマC1をクリアする(S116)。その後、S102に戻って、以降の処理を繰り返す。低負荷時流量標準時間T1(120分)に達していないと判定した場合(S112:No)も、S102に戻って、以降の処理を繰り返す。
Subsequently, the control unit 4 determines whether or not the count of the low load flow rate standard time measurement timer C1 has reached the low load flow rate standard time T1 (120 minutes) (S112). When it is determined that the low load flow rate standard time T1 (120 minutes) has been reached (S112: Yes), the supply rate of the reforming
改質用原料40の流量が増加設定中であると判定された場合(S108:Yes)、制御部4は、低負荷時流量増加時間計測タイマC2を加算して低負荷時流量増加時間T2(10分)を計測する(S118)。ここでの加算は、低負荷時流量標準時間計測タイマC1の加算と同様に、低負荷時流量増加時間T2(10分)の計測が開始されていなければ低負荷時流量増加時間計測タイマC2の加算の開始、低負荷時流量増加時間T2(10分)の計測が開始されているのであれば低負荷時流量増加時間計測タイマC2の加算の継続を意味する。
When it is determined that the flow rate of the reforming
続いて、制御部4は、低負荷時流量増加時間計測タイマC2のカウントが低負荷時流量増加時間T2(10分)に達したか否かを判定して(S120)、低負荷時流量増加時間T2(10分)に達したと判定した場合(S120:Yes)、制御部4は、改質用原料流量制御弁28を制御して、改質用原料40の流量を低下させて標準設定とし(S122)、低負荷時流量増加時間計測タイマC2をクリアする(S124)。その後、S102に戻って、以降の処理を繰り返す。低負荷時流量増加時間T2(10分)に達していないと判定した場合(S120:No)も、S102に戻って、以降の処理を繰り返す。
Subsequently, the control unit 4 determines whether or not the count of the low load flow rate increase time measurement timer C2 has reached the low load flow rate increase time T2 (10 minutes) (S120), and the low load flow rate increase. When it is determined that the time T2 (10 minutes) has been reached (S120: Yes), the control unit 4 controls the reforming material flow rate control valve 28 to decrease the flow rate of the reforming
S104でスタック電流密度が基準値0.08A/cm2より大きく、高負荷運転であると判断される(S104:No)と、制御部4は、高負荷時間計測タイマC3を加算して高負荷時間T3(10分)を計測する(S126)。ここでの加算は、低負荷時流量標準時間計測タイマC1、低負荷時流量増加時間計測タイマC2の加算と同様に、高負荷時間T3(10分)の計測が開始されていなければ高負荷時間計測タイマC3の加算の開始、高負荷時間T3(10分)の計測が開始されているのであれば高負荷時間計測タイマC3の加算の継続を意味する。 When the stack current density is larger than the reference value 0.08 A / cm 2 in S104 and it is determined that the operation is a high load operation (S104: No), the control unit 4 adds the high load time measurement timer C3 to increase the load. Time T3 (10 minutes) is measured (S126). The addition here is similar to the addition of the low load flow rate standard time measurement timer C1 and the low load flow rate increase time measurement timer C2, and if the measurement of the high load time T3 (10 minutes) has not started, the high load time If the addition of the measurement timer C3 is started and the measurement of the high load time T3 (10 minutes) is started, it means that the addition of the high load time measurement timer C3 is continued.
続いて、制御部4は、高負荷時間計測タイマC3のカウントが高負荷時間T3(10分)に達したか否かを判定して(S128)、高負荷時間T3(10分)に達したと判定した場合(S128:Yes)、制御部4は、低負荷時流量標準時間計測タイマC1をクリア(S130)、低負荷時流量増加時間計測タイマC2をクリア(S132)、高負荷時間計測タイマC3をクリアする(S134)。その後、S102に戻って、以降の処理を繰り返す。高負荷時間T3(10分)に達していないと判定した場合(S128:No)も、S102に戻って、以降の処理を繰り返す。 Subsequently, the control unit 4 determines whether or not the count of the high load time measurement timer C3 has reached the high load time T3 (10 minutes) (S128), and has reached the high load time T3 (10 minutes). (S128: Yes), the control unit 4 clears the low load flow rate standard time measurement timer C1 (S130), clears the low load flow rate increase time measurement timer C2 (S132), and the high load time measurement timer. C3 is cleared (S134). Then, it returns to S102 and repeats the subsequent processes. Even when it is determined that the high load time T3 (10 minutes) has not been reached (S128: No), the process returns to S102 and the subsequent processing is repeated.
ここで、S126以降の各処理は、例えば、S114での改質用原料40の流量の増加設定を行い、S118、S120で低負荷時流量増加時間T2の計測を行っている場合でも、燃料電池スタック6の負荷が上昇し出力電力が増加した場合、すなわち高負荷運転に移行した場合には、これに追従して、燃料電池スタック6のスタック電流密度、改質用原料40の流量等も増加するため、燃料電池スタック6内を流れる流体(改質ガス42、スタック用空気32)の流量は、フラッディングを防止するのに充分となる。よって、高負荷時間T3が10分に達すれば、低負荷時流量増加時間T2を10分継続した場合とほぼ同様の効果が得られる。そこで本実施の形態では、高負荷時間T3が10分に達した時点で、一旦、低負荷時流量標準時間T1、低負荷時流量増加時間T2をクリアする構成としている。
Here, in each process after S126, for example, even when the flow rate of the reforming
以上で説明した本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池発電システム101又は燃料電池発電システム101の運転方法によれば、低負荷運転の際は、燃料電池スタック6の低負荷運転継続時間が低負荷時流量標準時間T1に達した際に、改質用原料流量制御弁28を制御し、改質用原料40の供給量を増加させることで、燃料処理装置1で生成される改質ガス42の流量を増加し、燃料電池スタック6での発電の燃料利用率を低負荷時流量標準時間T1より短い低負荷時流量増加時間T2だけ低下させるので、高い発電効率を維持しつつ、流体の圧力損失があがり、結露水、水分を吹き飛ばし、燃料電池スタック6の流体に水を停滞させない。これにより、酸化剤極側、燃料極側のフラッディングを防止し、電極反応面積が減少し反応ガス(水素、酸素)不足となることによる、電池性能、セル電圧等の低下がない。
According to the fuel cell power generation system 101 or the operation method of the fuel cell power generation system 101 according to the first embodiment of the present invention described above, the low load operation duration of the fuel cell stack 6 during low load operation. When the low-load flow rate standard time T1 is reached, the reforming material flow rate control valve 28 is controlled to increase the supply amount of the reforming
また、低負荷運転の継続時間に基づいて、改質ガス42の流量を増加しているので、例えば、燃料極側のフラッディングによりセル電圧が低下して、酸化剤極電極触媒が恒久的なダメージを受けることがない。
Further, since the flow rate of the reformed
また、例えば、燃料電池発電システム101を家庭で用いる場合でも、燃料電池スタック6の運転パターンの中で、支配的な運転パターンと考えられる低負荷運転でも、燃料電池スタック6の燃料極側におけるフラッディングによる水素不足を回避し、酸化剤極電極触媒がダメージを受けることを避けることができ、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。すなわち、低負荷運転時でも燃料電池スタック6にダメージを与えない燃料電池発電システム101及び燃料電池発電システム101の運転方法とすることができる。 Further, for example, even when the fuel cell power generation system 101 is used at home, flooding on the fuel electrode side of the fuel cell stack 6 even in a low load operation that is considered to be a dominant operation pattern among the operation patterns of the fuel cell stack 6. Therefore, it is possible to avoid the shortage of hydrogen due to the above, to prevent the oxidant electrode catalyst from being damaged, and to achieve high durability of the fuel cell stack 6. In other words, the fuel cell power generation system 101 and the fuel cell power generation system 101 can be operated without damaging the fuel cell stack 6 even during low load operation.
また、燃料利用率を低下させる時間、すなわち改質ガス42の流量を増加させる時間を、極力短くすることができるので、常に多めに改質ガス42を供給する必要がなく、常に燃料処理装置1に改質用原料40を多めに供給する必要がないため、燃料電池発電システムの発電効率の低下を最小限に抑えることができる。すなわち、燃料電池発電システム101の発電効率も比較的高く維持することができる。
Further, since the time for reducing the fuel utilization rate, that is, the time for increasing the flow rate of the reformed
次に、図1、図4及び図5を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池発電システム201及び燃料電池発電システム201の運転方法について説明する。第2の実施の形態に係る燃料電池発電システム201及び燃料電池発電システム201の運転方法の説明では、第1の実施の形態と共通する構成については、重複した説明はできるだけ省略する。第3の実施の形態についての説明も同様である。 Next, a fuel cell power generation system 201 and a method for operating the fuel cell power generation system 201 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the description of the fuel cell power generation system 201 and the operation method of the fuel cell power generation system 201 according to the second embodiment, the description common to the first embodiment is omitted as much as possible. The same applies to the description of the third embodiment.
本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池発電システム201は、燃料電池スタック6の発電での改質ガス42の利用率を変動させる利用率変動手段が、第1の実施の形態では改質用原料流量制御弁28であったのに対して、燃焼用原料流量制御弁27である点で第1の実施の形態とは異なる。
In the fuel cell power generation system 201 according to the second embodiment of the present invention, the utilization rate changing means for changing the utilization rate of the reformed
燃焼用原料流量制御弁27は、上述したように、制御部4からの制御信号i27により、燃焼部10に供給される燃焼用原料30の流量を制御する二方弁である。また、燃焼用原料流量制御弁27は、燃料処理装置1の改質の温度を変動させる改質温度変動手段として機能する。
The combustion raw material flow
具体的には、制御部4は、燃焼用原料流量制御弁27の開度を制御することで燃焼部10への燃焼用原料30の供給量を増加させ、燃焼部10の燃焼温度を上昇させる。これにより、燃焼部10の燃焼熱によって加熱される改質部18の温度を上昇させる。
Specifically, the control unit 4 increases the supply amount of the
改質部18の温度が上昇すると、改質の温度も上昇する。(2)式で示した改質反応は吸熱反応なので、改質の温度が上昇すると、改質部18での転換率も高くなる。すなわち、改質部18の温度が上昇すると、燃料処理装置1での改質ガス42の転換率が上昇する。従って、改質部18の温度が上昇すると、燃料電池スタック6の燃料極への改質ガス42の供給量、流量が上昇して、燃料電池スタック6での発電の燃料利用率を低下させる。
When the temperature of the reforming
なお、改質部18での改質の温度は、温度をあまり高くすると、改質触媒(不図示)が劣化したり、改質器材料の耐熱仕様に対する要求が厳しくなるので、改質部18に感温部を埋め込んだ温度検出装置75により改質の温度を検出し、高くなりすぎないように燃焼用原料30の流量を制御するとよい。
Note that if the temperature of reforming in the reforming
図4は、本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池発電システム201の低負荷運転の際の運転パラメータの一例を示すグラフである。図中、横軸が時間であり、縦軸が運転パラメータ、すなわち、燃料利用率(%)、改質温度(℃)、燃焼用原料30の流量(L/min(NTP))である。本図は、図2の場合と同様に、理論的な説明を容易にすべく、燃料電池スタック6の出力電力が一定(例えば、440W)である時を示すグラフとしている。
FIG. 4 is a graph showing an example of operation parameters at the time of low load operation of the fuel cell power generation system 201 according to the second embodiment of the present invention. In the figure, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents operating parameters, that is, the fuel utilization rate (%), the reforming temperature (° C.), and the flow rate (L / min (NTP)) of the
燃料電池発電システム201は、低負荷運転の際は、例えば、燃料電池スタック6内を流れる流体(改質ガス42、スタック用空気32)流量が少ないために生じるフラッディングを防止するため、制御部4によって、燃料電池スタック6の低負荷運転継続時間が低負荷時流量標準時間T1に達した際に、燃焼用原料流量制御弁27を制御し、燃焼部10への燃焼用原料30の供給量を増加させることで、改質部18の温度を上昇させ、燃料処理装置1で生成される改質ガス42の流量を増加し、燃料電池スタック6での発電の燃料利用率を低負荷時流量標準時間T1より短い低負荷時流量増加時間T2だけ低下させる。
When the fuel cell power generation system 201 is operated at a low load, for example, the control unit 4 prevents the flooding caused by the flow rate of the fluid (reformed
例えば、図中、t4からt5までの間、燃焼用原料30等の流量が標準流量の状態で、燃料電池スタック6の低負荷運転が継続される。例えば、このときの燃焼用原料30の流量は0.05L/min(NTP)、改質温度は640℃、燃料利用率は67.5%である。
For example, in the figure, during the period from t4 to t5, the low load operation of the fuel cell stack 6 is continued while the flow rate of the raw material for
燃料電池スタック6の低負荷運転時間がt5に達すると、t5からt6までの間に、制御部4による制御によって、燃焼用原料流量制御弁27の開閉を制御し、例えば、燃焼用原料30の流量を0.4L/min(NTP)まで増加し、改質温度を680℃まで上昇させ、燃料利用率を62.5%まで低下させる。
When the low load operation time of the fuel cell stack 6 reaches t5, the control of the controller 4 controls the opening / closing of the combustion material flow
その後、t6からt7までの間、燃焼用原料30の流量を0.4L/min(NTP)、改質温度を680℃、燃料利用率を62.5%で継続し、t7からt8までの間に、再び、燃焼用原料30の流量を0.05L/min(NTP)まで低下させ標準の流量に戻し、改質温度を640℃まで低下させ、燃料利用率を67.5%まで増加させる。低負荷時流量標準時間T1、低負荷時流量増加時間T2を通しての平均燃料利用率は、66.25%程度となる。
Thereafter, during the period from t6 to t7, the flow rate of the
すなわち、ここでは、t4からt5までの時間が、燃焼用原料30の流量が標準流量である低負荷時流量標準時間T1=120分、t5からt6、t7を経たt8までの時間が、燃焼用原料30の流量が増加される低負荷時流量増加時間T2=10分である。なお、本図中、t1からt2、t3を経たt4までの時間は、t5から始まる低負荷時流量増加時間T2の前の回の低負荷時流量増加時間T2を示している。
That is, here, the time from t4 to t5 is a low load flow rate standard time T1 = 120 minutes, where the flow rate of the raw material for
なお、本図は、上述したように、理論的な説明を容易にすべく、燃料電池スタック6の出力電力が一定(例えば、440W)である時を示すグラフとしている。しかしながら、実際には、燃料電池スタック6の負荷の変動に追従して、制御部4は、燃料電池スタック6のスタック電流密度、燃焼用原料30、改質用原料40の流量等を制御し、燃料電池スタック6の出力電力を制御している。
Note that, as described above, this diagram is a graph showing the time when the output power of the fuel cell stack 6 is constant (for example, 440 W) for easy theoretical explanation. However, in practice, the control unit 4 controls the stack current density of the fuel cell stack 6, the flow rate of the
したがって、燃焼用原料30等の流量は、実際には、燃料電池スタック6の負荷の変動にともない変動するし、改質温度も変動している。また、制御部4は、燃焼用原料30の流量の変動に伴い、燃焼用空気ブロワ(不図示)を制御して燃焼部10での燃焼で消費される酸素を含む燃焼用空気31の流量の変動も行っている。
Accordingly, the flow rate of the
次に図5を参照して本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池発電システム201の低負荷運転の際の具体的な運転方法の一例を説明する。 Next, an example of a specific operation method in the low load operation of the fuel cell power generation system 201 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図5は、本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池発電システム201の低負荷運転の際の運転方法を示すフロー図である。ここでも第1の実施の形態と重複した説明はできるだけ省略する。第2の実施の形態が、第1の実施の形態と異なる点は、例えば、S200、S208、S214、S222で行われる各処理が挙げられる。以下の運転は制御部4の制御により行われる。 FIG. 5 is a flowchart showing an operation method during low-load operation of the fuel cell power generation system 201 according to the second embodiment of the present invention. Also here, the description overlapping with the first embodiment is omitted as much as possible. The difference of the second embodiment from the first embodiment is, for example, each process performed in S200, S208, S214, and S222. The following operation is performed under the control of the control unit 4.
第1の実施の形態のS100(図3参照)は、第2の実施の形態では、S200として処理される。すなわち、燃料電池発電システム201は、燃焼用原料30流量等が標準設定され、定格電力出力状態にある(S200)。この時点で、燃料処理装置1では、改質工程として、上述したように改質用原料40と、プロセス水41とを供給して、改質用原料40を水素を主成分とする改質ガス42に改質する工程が行われている。
S100 (see FIG. 3) of the first embodiment is processed as S200 in the second embodiment. That is, the fuel cell power generation system 201 is in the rated power output state with the
第1の実施の形態のS108(図3参照)は、第2の実施の形態では、S208として処理される。すなわち、第1の実施の形態では、改質用原料40の流量が増加設定中か否かを判定していた(S108、図3参照)のに対して、第2の実施に形態では、燃焼用原料30の流量が増加設定中か否かを判定する(S208)。燃焼用原料30の流量が増加設定中であれば(S208:Yes)S118に移行し、燃焼用原料30の流量が増加設定中でなければ(S208:No)S110に移行する。
S108 (see FIG. 3) of the first embodiment is processed as S208 in the second embodiment. That is, in the first embodiment, it is determined whether or not the flow rate of the reforming
第1の実施の形態のS114(図3参照)は、第2の実施の形態では、S214として処理される。すなわち、利用率低下工程、本実施の形態では、燃料処理装置1の改質の温度を変動させる改質温度変動工程として、制御部4は、燃焼用原料流量制御弁27を制御して、燃焼用原料30流量を増加設定とする(S214)。
S114 (see FIG. 3) of the first embodiment is processed as S214 in the second embodiment. That is, in the utilization rate lowering step, in this embodiment, as a reforming temperature fluctuation step for changing the reforming temperature of the
第1の実施の形態のS122(図3参照)は、第2の実施の形態では、S222として処理される。すなわち、制御部4は、燃焼用原料流量制御弁27を制御して、燃焼用原料30の流量を低下させて標準設定とする(S222)。
S122 (see FIG. 3) of the first embodiment is processed as S222 in the second embodiment. That is, the control unit 4 controls the combustion raw material flow
なお、燃料電池発電システム101、201では、燃焼部10は、典型的には、起動時に、燃焼用原料30あるいは一酸化炭素ガスが充分に減じられなかった改質ガス42aを燃料として燃焼用空気31と共に燃焼させるように構成され、定格運転時(通常運転時)に燃料極オフガス43を燃料として燃焼用空気31と共に燃焼させるように構成されている。
In the fuel cell power generation systems 101 and 201, the
したがって、第1の実施の形態で説明したように、燃料処理装置1への改質用原料40の供給量を増加させて、生成される改質ガス42の流量を増加させ、燃料電池スタック6での発電の燃料利用率を低下させると、発電で利用されなかった改質ガス42の量も増加し、燃料極オフガス43中の水素の量は増加する。よって、燃料極オフガス43を燃焼させる場合、燃焼部10での燃焼熱も高くなり、結果として、改質部18での改質温度も上昇する。
Therefore, as described in the first embodiment, the supply amount of the reforming
すなわち、改質部18の改質温度を上昇させて、燃料電池スタック6での発電の燃料利用率を低下させる方法は、第2の実施の形態で示したように、燃焼部10への燃焼用原料30の供給量を増加させる方法に限らず、例えば、第1の実施の形態で示したように燃料処理装置1への改質用原料40の供給量を増加させることによっても達成される。
That is, the method of raising the reforming temperature of the reforming
以上で説明した本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池発電システム201又は燃料電池発電システム201の運転方法によれば、低負荷運転の際は、燃料電池スタック6の低負荷運転継続時間が低負荷時流量標準時間T1に達した際に、燃焼用原料流量制御弁27を制御し、燃焼用原料30の供給量を増加させることで、改質温度を上昇させ燃料処理装置1で生成される改質ガス42の流量を増加し、燃料電池スタック6での発電の燃料利用率を低負荷時流量標準時間T1より短い低負荷時流量増加時間T2だけ低下させるので、高い発電効率を維持しつつ、流体の圧力損失があがり、結露水、水分を吹き飛ばし、燃料電池スタック6の流体に水を停滞させない。これにより、酸化剤極側、燃料極側のフラッディングを防止し、電極反応面積が減少し反応ガス(水素、酸素)不足となることによる、電池性能、セル電圧等の低下がない。
According to the fuel cell power generation system 201 or the operation method of the fuel cell power generation system 201 according to the second embodiment of the present invention described above, the low load operation duration time of the fuel cell stack 6 during low load operation. Is controlled by the combustion raw material flow
次に、図1、図6及び図7を参照して、本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池発電システム301及び燃料電池発電システム301の運転方法について説明する。 Next, the fuel cell power generation system 301 and the operation method of the fuel cell power generation system 301 according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池発電システム301は、燃料電池スタック6の発電での改質ガス42の利用率を変動させる利用率変動手段が、第1の実施の形態では改質用原料流量制御弁28、第2の実施の形態では燃焼用原料流量制御弁27であったのに対して、パワーコンディショナー7である点で第1、第2の実施の形態とは異なる。
In the fuel cell power generation system 301 according to the third embodiment of the present invention, the utilization rate changing means for changing the utilization rate of the reformed
パワーコンディショナー7は、上述したように、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し、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)へ出力する。すなわち、パワーコンディショナー7は、燃料電池スタック6の発電負荷を変動させる発電負荷変動手段として機能する。
As described above, the
具体的には、パワーコンディショナー7は、燃料電池スタック6の外部負荷(不図示)を低下させることで、燃料電池スタック6の発電出力を低下させ、燃料電池スタック6での発電の燃料利用率を低下させる。この場合、改質用原料40等の流量を燃料電池スタック6の出力電力に追従させず一定に保つことで、改質ガス42の流量に対して燃料電池スタック6での発電の燃料利用率は相対的に低下する。燃料電池スタック6での発電に利用されない改質ガス42の流量が増加することで、フラッディングを防止することが可能となる。
Specifically, the
図6は、本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池発電システム301の低負荷運転の際の運転パラメータの一例を示すグラフである。図中、横軸が時間であり、縦軸が運転パラメータ、すなわち、燃料利用率(%)、燃料電池スタック出力電力(W)、である。本図は、図2の場合と同様に、理論的な説明を容易にすべく、低負荷時流量増加時間T2(パワーコンディショナー7を制御して燃料利用率を低下させている時間)を除いて、燃料電池スタック6の出力電力が一定(例えば、440W)である時を示すグラフとしている。
FIG. 6 is a graph showing an example of operation parameters at the time of low load operation of the fuel cell power generation system 301 according to the third embodiment of the present invention. In the figure, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents operating parameters, that is, fuel utilization rate (%) and fuel cell stack output power (W). As in the case of FIG. 2, this figure excludes the low load flow rate increase time T2 (time during which the
燃料電池発電システム301は、低負荷運転の際は、例えば、燃料電池スタック6内を流れる流体(改質ガス42、スタック用空気32)流量が少ないために生じるフラッディングを防止するため、制御部4によって、燃料電池スタック6の低負荷運転継続時間が低負荷時流量標準時間T1に達した際に、パワーコンディショナー7を制御し、燃料電池スタック6の出力電力を低下させ、改質ガス42の流量を相対的に増加させ、燃料電池スタック6での発電の燃料利用率を低負荷時流量標準時間T1より短い低負荷時流量増加時間T2だけ低下させる。
When the fuel cell power generation system 301 is operated at a low load, for example, the control unit 4 prevents the flooding caused by the flow rate of the fluid (reformed
例えば、図中、t4からt5までの間、燃料電池スタック6の出力電力が標準電力の状態で、燃料電池スタック6の低負荷運転が継続される。例えば、このときの燃料電池スタック6の出力電力は440W、燃料利用率は67.5%である。 For example, in the figure, the low load operation of the fuel cell stack 6 is continued while the output power of the fuel cell stack 6 is a standard power from t4 to t5. For example, the output power of the fuel cell stack 6 at this time is 440 W, and the fuel utilization rate is 67.5%.
燃料電池スタック6の低負荷運転時間がt5に達すると、t5からt6までの間に、制御部4による制御によって、パワーコンディショナー7を制御し、例えば、燃料電池スタック6の出力電力を375Wまで低下させ、燃料利用率を60%まで低下させる。
When the low load operation time of the fuel cell stack 6 reaches t5, the
その後、t6からt7までの間、燃料電池スタック6の出力電力を375W、燃料利用率を60%で継続し、t7からt8までの間に、再び、燃料電池スタック6の出力電力を440Wまで増加させ標準の出力電力に戻し、燃料利用率を67.5%まで増加させる。低負荷時流量標準時間T1、低負荷時流量増加時間T2を通しての平均燃料利用率は、65%程度となる。 Thereafter, the output power of the fuel cell stack 6 is maintained at 375 W and the fuel utilization rate is 60% from t6 to t7, and the output power of the fuel cell stack 6 is increased to 440 W again from t7 to t8. Return to standard output power and increase fuel utilization to 67.5%. The average fuel utilization rate through the low load flow rate standard time T1 and the low load flow rate increase time T2 is about 65%.
すなわち、ここでは、t4からt5までの時間が、燃料電池スタック6の出力電力が標準電力である低負荷時流量標準時間T1=120分、t5からt6、t7を経たt8までの時間が、燃料電池スタック6の出力電力が低下される低負荷時流量増加時間T2=10分である。なお、本図中、t1からt2、t3を経たt4までの時間は、t5から始まる低負荷時流量増加時間T2の前の回の低負荷時流量増加時間T2を示している。 That is, here, the time from t4 to t5 is the low load flow rate standard time T1 = 120 minutes where the output power of the fuel cell stack 6 is the standard power, the time from t5 to t8 after t6, t7, The low load flow rate increase time T2 in which the output power of the battery stack 6 is reduced is T2 = 10 minutes. In this figure, the time from t1 to t4 after passing through t2 and t3 indicates the low load flow rate increase time T2 before the low load flow rate increase time T2 starting from t5.
なお、本図は、上述したように、理論的な説明を容易にすべく、低負荷時流量増加時間T2(パワーコンディショナー7を制御して燃料利用率を低下させている時間)を除いて、燃料電池スタック6の出力電力が一定(例えば、440W)である時を示すグラフとしている。しかしながら、実際には、低負荷時流量増加時間T2を除く時間では、燃料電池スタック6の負荷の変動に追従して、制御部4は、燃料電池スタック6のスタック電流密度、燃焼用原料30、改質用原料40の流量等を制御し、燃料電池スタック6の出力電力を制御している。
Note that, as described above, in this figure, in order to facilitate the theoretical explanation, except for the low load flow rate increase time T2 (time during which the
次に図7を参照して本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池発電システム301の低負荷運転の際の具体的な運転方法の一例を説明する。 Next, an example of a specific operation method in the low load operation of the fuel cell power generation system 301 according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図7は、本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池発電システム301の低負荷運転の際の運転方法を示すフロー図である。ここでも第1の実施の形態と重複した説明はできるだけ省略する。第3の実施の形態が、第1の実施の形態と異なる点は、例えば、S300、S308、S314、S322で行われる各処理が挙げられる。以下の運転は制御部4の制御により行われる。 FIG. 7 is a flowchart showing an operation method during low-load operation of the fuel cell power generation system 301 according to the third embodiment of the present invention. Also here, the description overlapping with the first embodiment is omitted as much as possible. The third embodiment is different from the first embodiment in, for example, each process performed in S300, S308, S314, and S322. The following operation is performed under the control of the control unit 4.
第1の実施の形態のS100(図3参照)は、第3の実施の形態では、S300として処理される。すなわち、燃料電池発電システム301は、燃料電池スタック6の出力電力や改質用原料40流量等は標準設定され、定格電力出力状態にある(S300)。 この時点で、燃料処理装置1では、改質工程として、上述したように改質用原料40と、プロセス水41とを供給して、改質用原料40を水素を主成分とする改質ガス42に改質する工程が行われている。
S100 (see FIG. 3) of the first embodiment is processed as S300 in the third embodiment. That is, in the fuel cell power generation system 301, the output power of the fuel cell stack 6, the reforming
第1の実施の形態のS108(図3参照)は、第3の実施の形態では、S308として処理される。すなわち、第1の実施の形態では、改質用原料40流量が増加設定中か否かを判定していた(S108、図3参照)のに対して、第3の実施に形態では、燃料電池スタック6の出力電力が低下設定中か否かを判定する(S308)。燃料電池スタック6の出力電力が低下設定中であれば(S308:Yes)S118に移行し、燃料電池スタック6の出力電力が低下設定中でなければ(S308:No)S110に移行する。
S108 (see FIG. 3) of the first embodiment is processed as S308 in the third embodiment. That is, in the first embodiment, it is determined whether or not the flow rate of the reforming
第1の実施の形態のS114(図3参照)は、第3の実施の形態では、S314として処理される。すなわち、利用率低下工程、本実施の形態では、燃料電池スタック6の発電負荷を変動させる発電負荷変動工程として、制御部4は、パワーコンディショナー7を制御して、燃料電池スタック6の出力電力を低下設定とする(S314)。これにより、改質ガス42の流量を相対的に増加させ、燃料電池スタック6での発電の燃料利用率を低下させる。
S114 (see FIG. 3) of the first embodiment is processed as S314 in the third embodiment. That is, in the utilization rate lowering step, in the present embodiment, as a power generation load changing step for changing the power generation load of the fuel cell stack 6, the control unit 4 controls the
第1の実施の形態のS122(図3参照)は、第3の実施の形態では、S322として処理される。すなわち、制御部4は、パワーコンディショナー7を制御して、燃料電池スタック6の出力電力を標準設定とする(S322)。
S122 (see FIG. 3) of the first embodiment is processed as S322 in the third embodiment. That is, the control unit 4 controls the
なお、以上で説明した第3の実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、燃料電池スタック6での発電の燃料利用率を低下させると、発電で利用されなかった改質ガス42の量も増加し、燃料極オフガス43中の水素の量は増加する。よって、燃料極オフガス43を燃焼させる場合、燃焼部10での燃焼熱も高くなり、結果として、改質部18での改質温度も上昇する。
In the third embodiment described above, similarly to the first embodiment, when the fuel utilization rate of power generation in the fuel cell stack 6 is reduced, the reformed
すなわち、第2の実施の形態で説明した改質部18の改質温度を上昇させて、燃料電池スタック6での発電の燃料利用率を低下させる方法は、例えば、第3の実施の形態で示したように、燃料電池スタック6の出力電力を低下させることによっても達成される。
That is, the method of increasing the reforming temperature of the reforming
以上で説明した本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池発電システム301又は燃料電池発電システム301の運転方法によれば、低負荷運転の際は、燃料電池スタック6の低負荷運転継続時間が低負荷時流量標準時間T1に達した際に、パワーコンディショナー7を制御し、燃料電池スタック6の出力電力を低下させ、改質ガス42の流量を相対的に増加させ、燃料電池スタック6での発電の燃料利用率を低負荷時流量標準時間T1より短い低負荷時流量増加時間T2だけ低下させるので、高い発電効率を維持しつつ、流体の圧力損失があがり、結露水、水分を吹き飛ばし、燃料電池スタック6の流体に水を停滞させない。これにより、酸化剤極側、燃料極側のフラッディングを防止し、電極反応面積が減少し反応ガス(水素、酸素)不足となることによる、電池性能、セル電圧等の低下がない。
According to the fuel cell power generation system 301 or the operation method of the fuel cell power generation system 301 according to the third embodiment of the present invention described above, the low load operation duration of the fuel cell stack 6 during low load operation. When the low load load flow standard time T1 is reached, the
なお、以上で説明した本発明の第1、第2、第3の実施の形態に係る燃料電池発電システム101、201、301又は燃料電池発電システム101、201、301の運転方法は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。 Note that the operation method of the fuel cell power generation systems 101, 201, 301 or the fuel cell power generation systems 101, 201, 301 according to the first, second, and third embodiments of the present invention described above is the same as that described above. The present invention is not limited to this form, and various modifications can be made within the scope described in the claims.
例えば、利用率変動手段は、燃料処理装置1に供給する炭化水素系燃料の供給量を変動させる炭化水素系燃料供給量変動手段としての改質用原料流量制御弁28、燃料処理装置1の改質の温度を変動させる改質温度変動手段としての燃焼用原料流量制御弁27、燃料電池スタック6の発電負荷を変動させる発電負荷変動手段としてのパワーコンディショナー7からなる群より選択された少なくとも一つの手段であればよく、燃焼用原料流量制御弁27、改質用原料流量制御弁28、パワーコンディショナー7をそれぞれ備えてもよい。
For example, the utilization rate changing means is a modification of the reforming raw material flow rate control valve 28 as the hydrocarbon fuel supply amount changing means for changing the supply amount of hydrocarbon fuel supplied to the
また、炭化水素系燃料供給量変動手段、改質温度変動手段、発電負荷変動手段も上述した形態に限定されるものではなく、例えば、上述したように、改質用原料流量制御弁28、パワーコンディショナー7は改質温度変動手段としても機能し得る。さらに、改質用原料40を供給する改質用原料ブロワ2を炭化水素系燃料供給量変動手段あるいは改質温度変動手段として用いてもよい。
Further, the hydrocarbon-based fuel supply amount fluctuation means, the reforming temperature fluctuation means, and the power generation load fluctuation means are not limited to the above-described forms. For example, as described above, the reforming raw material flow control valve 28, the power The
同様に、利用率低下工程は、燃料処理装置1に供給する炭化水素系燃料の供給量を変動させる炭化水素系燃料供給量変動工程、改質の温度を変動させる改質温度変動工程、燃料電池スタック6の発電負荷を変動させる発電負荷変動工程からなる群より選択された少なくとも一つの工程であればよく、炭化水素系燃料供給量変動工程、改質温度変動工程、発電負荷変動工程をそれぞれ備えてもよい。
Similarly, the utilization rate lowering step includes a hydrocarbon fuel supply amount changing step for changing the supply amount of hydrocarbon fuel supplied to the
1 燃料処理装置
2 改質用原料ブロワ
3 プロセス水用ポンプ
4 制御部
5 回収水タンク
6 燃料電池スタック
7 パワーコンディショナー
8 第1熱交換部
9 第2熱交換部
10 燃焼部
11 気水分離器
12 スタック冷却水用ポンプ
13 加湿水用ポンプ
14 第3熱交換部
15 スタック空気用ブロワ
16 加湿器
17 脱硫器
18 改質部
19 変成部
20 選択酸化部
27 燃焼用原料流量制御弁
28 改質用原料流量制御弁
30 燃焼用原料
31 燃焼用空気
32 スタック用空気
33 酸化剤極オフガス
34 選択酸化用空気
36 水蒸気発生部
40 改質用原料
41 プロセス水
42 改質ガス
43 燃料極オフガス
44 加湿水
50 燃焼排ガス
60 スタック冷却水
61 温熱回収水
64 ドレン水
65 余剰水
90 貯湯槽
101、201、301 燃料電池発電システム
130 燃焼用原料供給ライン
131 燃焼用空気供給ライン
132 スタック用空気供給ライン
133 酸化剤極オフガス排出ライン
134 選択酸化用空気供給ライン
140 原料供給ライン
141 プロセス水供給ライン
141a 水蒸気供給ライン
142 改質ガス搬送ライン
142a 切替ライン
143 燃料極オフガス搬送ライン
144 加湿水供給ライン
150 燃焼排ガス排出ライン
160 スタック冷却水循環ライン
161 温熱回収水循環ライン
164 ドレン水ライン
165 余剰水ライン
C1 低負荷時流量標準時間計測タイマ
C2 低負荷時流量増加時間計測タイマ
C3 高負荷時間計測タイマ
T1 低負荷時流量標準時間
T2 低負荷時流量増加時間
T3 高負荷時間
i27、i28、i74 制御信号
i75 温度信号
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel processing apparatus 2 Raw material blower for reforming 3 Process water pump 4 Control part 5 Recovery water tank 6 Fuel cell stack 7 Power conditioner 8 1st heat exchange part 9 2nd heat exchange part 10 Combustion part 11 Air-water separator 12 Stack cooling water pump 13 Humidification water pump 14 Third heat exchanging unit 15 Stack air blower 16 Humidifier 17 Desulfurizer 18 Reforming unit 19 Transformation unit 20 Selective oxidation unit 27 Combustion raw material flow control valve 28 Reforming raw material Flow control valve 30 Combustion raw material 31 Combustion air 32 Stack air 33 Oxidant electrode off gas 34 Selective oxidation air 36 Water vapor generating part 40 Reforming raw material 41 Process water 42 Reformed gas 43 Fuel electrode off gas 44 Humidified water 50 Combustion Exhaust gas 60 Stack cooling water 61 Heat recovery water 64 Drain water 65 Surplus water 90 Hot water storage tanks 101, 201, 301 Fuel cell power generation system 130 Combustion raw material supply line 131 Combustion air supply line 132 Stack air supply line 133 Oxidant electrode off-gas discharge line 134 Selective oxidation air supply line 140 Raw material supply line 141 Process water supply line 141a Steam supply line 142 Reformed gas Transfer line 142a Switching line 143 Fuel electrode off-gas transfer line 144 Humidified water supply line 150 Combustion exhaust gas discharge line 160 Stack cooling water circulation line 161 Heat recovery water circulation line 164 Drain water line 165 Surplus water line C1 Low load flow time standard time measurement timer C2 Low Load increase flow time measurement timer C3 High load time measurement timer T1 Low load flow standard time T2 Low load flow increase time T3 High load times i27, i28, i74 Control signal i75 Temperature signal
Claims (4)
燃料電池発電システムの運転方法。 When the low load operation continuation time of the fuel cell that introduces the fuel containing hydrogen as the main component into the fuel electrode and generates power by introducing the oxidant into the oxidant electrode reaches the first predetermined time, A utilization rate lowering step of reducing the fuel utilization rate of the fuel for a second predetermined time shorter than the first predetermined time;
Operation method of fuel cell power generation system.
前記利用率低下工程は、供給する前記炭化水素系燃料の供給量を変動させる炭化水素系燃料供給量変動工程、前記改質の温度を変動させる改質温度変動工程、前記燃料電池の発電負荷を変動させる発電負荷変動工程からなる群より選択された少なくとも一つの工程である;
請求項1に記載の燃料電池発電システムの運転方法。 Comprising a reforming step of supplying a hydrocarbon fuel and a reforming agent to reform the hydrocarbon fuel into the fuel containing hydrogen as a main component;
The utilization rate lowering step includes a hydrocarbon fuel supply amount changing step for changing the supply amount of the hydrocarbon fuel to be supplied, a reforming temperature changing step for changing the reforming temperature, and a power generation load of the fuel cell. At least one process selected from the group consisting of a fluctuating power generation load fluctuation process;
The operation method of the fuel cell power generation system according to claim 1.
前記燃料を燃料極に導入し、酸化剤を酸化剤極に導入して発電を行う燃料電池と;
前記発電での前記燃料の利用率を変動させる利用率変動手段と;
前記燃料電池の低負荷運転継続時間が第1の所定時間に達した際に、前記利用率変動手段を制御し、前記発電での前記燃料の利用率を第1の所定時間より短い第2の所定時間だけ低下させる制御部とを備える;
燃料電池発電システム。 A fuel processor for supplying a hydrocarbon fuel and a reformer to reform the hydrocarbon fuel into a fuel mainly composed of hydrogen;
A fuel cell that introduces the fuel into the fuel electrode and introduces an oxidant into the oxidant electrode to generate electric power;
Utilization rate variation means for varying the utilization rate of the fuel in the power generation;
When the low load operation continuation time of the fuel cell reaches a first predetermined time, the utilization rate changing means is controlled, and the fuel utilization rate in the power generation is set to a second value shorter than the first predetermined time. And a control unit that lowers for a predetermined time;
Fuel cell power generation system.
請求項3に記載の燃料電池発電システム。
The utilization rate changing means includes a hydrocarbon fuel supply amount changing means for changing the supply amount of the hydrocarbon fuel supplied to the fuel processing apparatus, and a reforming temperature for changing the reforming temperature of the fuel processing apparatus. Fluctuating means, at least one means selected from the group consisting of power generation load fluctuation means for fluctuating the power generation load of the fuel cell;
The fuel cell power generation system according to claim 3.
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