JP2006199543A - Operation method of chemical conversion apparatus, operation method of fuel reforming apparatus and operation method of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池を起動する際のエネルギー損失を少なくして、エネルギー有効利用率の高い燃料電池発電システム及びその運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell power generation system having a high energy effective utilization rate by reducing energy loss when starting a fuel cell, and an operation method thereof.
固体高分子型燃料電池(以後、PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)と呼ぶ。)は、電解質に固体高分子のイオン交換膜を使用するものであり、流体となる燃料ガスである水素(又は水素含有ガス)及び酸化ガスである酸素(又は酸素含有ガス)を、それぞれ燃料極(アノード)、空気極(カソード)に供給して、固体高分子のイオン交換膜中を水素イオンが移動することで、電気化学(電池)反応を起して発電をするものである。通常は、PEFCに水素及び酸素を供給するため、様々な工夫を行っている。 A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell)) uses a solid polymer ion exchange membrane as an electrolyte, and hydrogen (or hydrogen-containing fuel gas) as a fluid. Gas) and oxygen (or oxygen-containing gas), which is an oxidizing gas, are supplied to the fuel electrode (anode) and the air electrode (cathode), respectively, and hydrogen ions move in the solid polymer ion exchange membrane. It generates electricity by causing an electrochemical (battery) reaction. Usually, various measures are taken to supply hydrogen and oxygen to PEFC.
このような燃料電池を有する燃料電池発電システムは、家庭等における分散電源などとして注目されている。また、燃料ガスとして水素以外の都市ガスやLPGを用いる場合には、燃料改質器を用いて例えば水蒸気改質方法により水素リッチな改質された燃料ガスに変えて、燃料電池に供給するようにしている。そして、燃料電池では、前記改質された燃料ガスと酸化ガスである空気とを電気化学的に反応させて発電するようにしている。 A fuel cell power generation system having such a fuel cell is attracting attention as a distributed power source in homes and the like. Also, when using city gas other than hydrogen or LPG as the fuel gas, the fuel gas is changed to a hydrogen-rich reformed fuel gas by, for example, a steam reforming method using a fuel reformer, and supplied to the fuel cell. I have to. In the fuel cell, electric power is generated by electrochemically reacting the reformed fuel gas and the oxidizing gas air.
このような燃料電池においては、その発電初期の起動方法として以下のような提案がある。
改質器を有する燃料電池システムの起動において、改質器を起動する際には、燃料改質部及びCO変成部を有する改質装置に設けられた改質器バーナによって例えば水素を含む炭化水素系燃料を燃焼させて、改質装置内に配設された触媒部の触媒作動温度まで昇温させる。その際、各触媒温度が所定の温度範囲となるように焚込燃料及び燃焼用空気の流量を、流量センサや流量制御バルブ等の流量制御手段により制御する(特許文献1、2)。
In such a fuel cell, there are the following proposals as startup methods at the initial stage of power generation.
In starting a fuel cell system having a reformer, when the reformer is started, a hydrocarbon containing hydrogen, for example, by a reformer burner provided in a reformer having a fuel reforming section and a CO conversion section The system fuel is combusted, and the temperature is raised to the catalyst operating temperature of the catalyst unit disposed in the reformer. At that time, the flow rates of the injected fuel and the combustion air are controlled by flow rate control means such as a flow rate sensor and a flow rate control valve so that each catalyst temperature falls within a predetermined temperature range (Patent Documents 1 and 2).
しかしながら、同一容器内に例えば改質部やCO変成部等を内蔵する燃料改質装置を起動する場合、それぞれの触媒温度を所定の作動温度域に速やかに昇温するために、高精度かつ信頼性の高い流量制御機能を有する機器を用いて改質器バーナへ供給する燃料ガス量を細かく制御する必要があったが、その流量制御のための機器が高価であること、またシステムが複雑となるなどという、課題がある。 However, when starting up a fuel reformer that incorporates, for example, a reforming section or a CO conversion section in the same container, each catalyst temperature is quickly raised to a predetermined operating temperature range, so that it is highly accurate and reliable. It was necessary to finely control the amount of fuel gas supplied to the reformer burner using a device having a high flow control function. However, the device for controlling the flow rate is expensive and the system is complicated. There is a problem of becoming.
燃料電池を一般家庭に普及するに際しては、システムが安価であると共にそのシステムの信頼性が求められ、且つシステムの起動性も迅速なものが切望されている。
よって、起動時の燃料改質器内の触媒温度を所定の温度範囲内に制御するための機器構成を、できるだけ簡便なものとすることで、安価でコンパクトかつ信頼性に優れた燃料電池発電システムの出現が切望されている。
When fuel cells are widely used in general households, there is a demand for a system that is inexpensive, requires reliability of the system, and has quick start-up of the system.
Therefore, a fuel cell power generation system that is inexpensive, compact, and highly reliable by making the device configuration for controlling the catalyst temperature in the fuel reformer at the time of startup within a predetermined temperature range as simple as possible. The appearance of is eagerly desired.
本発明は、前記問題に鑑み、燃料電池を起動する際において、迅速に昇温させて燃料改質等の化学変換を速やかにすることができる化学変換装置の運転方法を提供することを課題とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a method of operating a chemical conversion apparatus that can quickly raise the temperature and quickly perform chemical conversion such as fuel reforming when starting the fuel cell. To do.
上述した課題を解決するための本発明の第1の発明は、原燃料を用いて高温燃焼する燃焼部と、該燃焼部からの高温排ガスを用いて、作動温度範囲が異なる複数の化学変換部を高温域から低温度域に亙って順次加熱し、原燃料を化学変換する化学変換装置と、を有してなる改質器装置の運転方法において、前記燃焼部において低空気比で原燃料を着火させる着火工程と、着火後、燃焼部の空気比を高くして燃焼し、高温域の所定上限温度に達する第1昇温工程と、その後、空気比を徐々に低下させつつ燃焼し、高温域以外の温度域まで昇温する第2昇温工程とを含むことを特徴とする化学変換装置の運転方法にある。 A first invention of the present invention for solving the above-described problems includes a combustion section that performs high-temperature combustion using raw fuel, and a plurality of chemical conversion sections having different operating temperature ranges using high-temperature exhaust gas from the combustion section. And a chemical conversion device for chemically converting raw fuel from a high temperature range to a low temperature range, and a raw material fuel at a low air ratio in the combustion section. An ignition process for igniting, a first temperature raising process for raising the air ratio of the combustion part after ignition to reach a predetermined upper limit temperature in a high temperature range, and then burning while gradually reducing the air ratio, And a second temperature raising step of raising the temperature to a temperature range other than the high temperature range.
第2の発明は、第1の発明において、前記化学変換装置が燃料改質装置であることを特徴とする燃料改質装置の運転方法にある。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the chemical conversion device is a fuel reforming device.
第3の発明は、第2の発明において、化学変換部が触媒部であることを特徴とする燃料改質装置の運転方法にある。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the method for operating the fuel reformer according to the second aspect, wherein the chemical conversion section is a catalyst section.
第4の発明は、第3の発明において、触媒部が改質触媒部と、CO変成触媒部と、CO除去触媒部とから順に配置されてなり、高温排ガスが改質触媒部からCO変成触媒部とCO除去触媒部と順に加熱することを特徴とする燃料改質装置の運転方法にある。 According to a fourth invention, in the third invention, the catalyst part is arranged in order from the reforming catalyst part, the CO conversion catalyst part, and the CO removal catalyst part, and the high temperature exhaust gas is transferred from the reforming catalyst part to the CO conversion catalyst. The fuel reformer is operated in this order, and the CO removal catalyst unit is heated in order.
第5の発明は、第2乃至4のいずれか一つの発明において、第2昇温工程が終了後、燃料ガスを固体高分子型燃料電池(PEFC)に供給して、燃料電池発電することを特徴とする燃料電池の運転方法にある。 According to a fifth invention, in any one of the second to fourth inventions, after the second temperature raising step is completed, fuel gas is supplied to the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) to generate fuel cell power. The fuel cell operating method is characterized.
本発明によれば、簡便な機器構成にて起動時の改質器の昇温を行なうことが可能であり、低コストかつシンプルなシステムとなる。 According to the present invention, it is possible to raise the temperature of the reformer at the time of start-up with a simple equipment configuration, and a low-cost and simple system is obtained.
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態及び実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態及び実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment and an Example. In addition, constituent elements in the following embodiments and examples include those that can be easily assumed by those skilled in the art or those that are substantially the same.
[実施形態]
本発明による実施形態に係る燃料電池の改質装置について、図面を参照して説明する。
図1は燃料改質装置の概略図である。図1に示すように、本実施形態にかかる燃料改質装置50は、原燃料29を改質する改質器本体28−1と、改質器本体28−1を燃焼加熱する燃焼部である改質器バーナ28−2とからなる燃料改質器28と、管路L10からの原燃料29を前記改質器バーナ28−2に供給する際に、遮断機構51a、51b並びに絞り機構52a、52bを有する管路L12及びL13とを具備してなるものである。
[Embodiment]
A fuel cell reforming apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic view of a fuel reformer. As shown in FIG. 1, the
そして、燃料改質器28内に内蔵した各種触媒部(一例を後述する図2に示す。)の触媒温度に応じて、原燃料29の供給経路を遮断機構51a、51bで切り替え、改質器バーナへの燃料ガス供給量を変化させると共に、改質器バーナ28−2へ供給する空気量をそれぞれの原燃料の供給経路に応じて予め設定した流量となるように変化させ、改質器バーナでの燃焼量を変化させるようにしている。前記絞り機構52a、52bは絞り弁のほかに、所定供給量となるような固定オリフィス等としてもよい。
Then, the supply path of the
以下、燃料改質装置として、図2に示すように、改質器バーナ28−2に供給された原燃料29を燃焼させ、その燃焼排ガス62を改質器本体28−1に送り、各種触媒部を間接加熱し、その後排気するようにしている。ここで前記改質器本体28−1において、原燃料29を改質して水素とCOとを含むガスにする改質触媒部63と、改質されたCOと水蒸気から炭酸ガスと水素とを生成するCO変成触媒部64と、CO変成触媒部64で未反応のCOを除去するCO除去触媒部65とが順に配設されている。以下は、化学変換装置として、改質触媒部63と、CO変成触媒部64と、CO除去触媒部65とを有する燃料改質装置を一例として説明する。なお、改質触媒はこれらに限定されるものではない。
Hereinafter, as shown in FIG. 2, as a fuel reformer, the
ここで、前記原燃料29の改質は、改質器本体28−1の改質触媒部63における水蒸気改質反応によって行われる。即ち、原燃料29と水蒸気とを混合して改質触媒層に流通させ、改質器バーナ28−2を用いて、例えば650〜800℃の温度で水蒸気改質反応(都市ガスを用いる場合にはCH4+H2O→CO+3H2)を起こさせることにより行われる。前記改質触媒としては、例えばRu/Al2O3等を例示することができるが、これに限定されるものではない。
Here, the reforming of the
また、改質された燃料ガスは、次に発生したCOをCO変成触媒部64でCOを変成して水素ガスと二酸化炭素を発生させ、さらに未反応のCOを除去するCO除去触媒部65を通過させることで、PEFCにおける良質な水素燃料としている。
Further, the reformed fuel gas is converted into CO by the CO conversion catalyst unit 64 to generate hydrogen gas and carbon dioxide, and further, a CO
次に、上記装置を用いて燃料改質装置を起動させる方法について説明する。
原燃料29を用いて高温燃焼する改質器バーナ28−2と、該改質器バーナ28−2からの高温排熱を用いて、作動温度範囲が異なる複数の化学変換部を高温域から低温度域に亙って順次加熱し、原燃料を改質する燃料改質器28と、を有してなる燃料改質装置50の運転方法において、先ず、(1)前記改質器バーナ28−2において低空気比で原燃料を着火させる着火工程と、(2)次いで、燃焼部の空気比を高くして燃焼し、高温域の所定上限温度に達する第1昇温工程と、(3)その後、空気比を徐々に低下させつつ燃焼し、高温域以外の温度域まで昇温する第2昇温工程とを具備するものである。
Next, a method for starting the fuel reformer using the above apparatus will be described.
The reformer burner 28-2 that performs high-temperature combustion using the
次に、具体的な燃料改質装置の起動方法について、図3−1及び図3−2を参照して説明する。図3−1及び図3−2に示すように、供給される原燃料29は図示しない昇圧器を経て昇圧され、下流の管路L10に送られる。管路L10は改質器の原料供給管路L11と、改質器バーナ28−2への燃料供給管路L12、L13に分岐されている。そして、管路L11には流量制御弁52cが設けられており、管路L12及びL13には、絞り機構52a、52bが設けられている。また前記絞り機構52a、52bと共に通電により開閉する遮断機構51a、51bが併設されている。
Next, a specific method for starting the fuel reformer will be described with reference to FIGS. 3-1 and 3-2. As shown in FIGS. 3A and 3B, the supplied
前記絞り機構52a、52bは、異なるCv値となるように調整されたものであるが、例えば同様な機能を奏する固定オリフィスとしてもよい。また、遮断機構51a、51bのCv値を所定の値にすることにより、絞り機構52a、52bを省略することも可能である。
The
ここで、前記絞り機構52a、52bのCv値は所望の燃料ガス流量が得られるように決定されたものである。
Here, the Cv values of the
そして、燃料改質装置50の起動時は、図3−1に示すように、先ず、遮断機構51aを開とし、遮断機構51bを閉とし、管路L12経由で改質器バーナ28−2に燃料ガスを供給するとともに、空気ブロア(図示せず)を用い、管路L12から供給される原燃料を着火させる低空気比の空気を供給し、改質器バーナ28−2を燃焼・着火させる。
When the
次に、この着火が終了した後、第1の昇温工程として、遮断機構51aを開とし管路L12経由で改質器バーナ28−2に燃料ガスを供給するとともに、空気ブロア(図示せず)を管路L12から供給される原燃料を燃焼させるのに必要な空気量が得られる所定の回転数(バーナ空気比:例えば1.2〜2.0)として空気を供給し燃焼させる。
Next, after this ignition is completed, as a first temperature raising step, the shut-off
次いで、図3−2に示すように、第2の昇温工程として、改質器内に設置した温度検出器がある閾値を越えたら、遮断機構51bを開、遮断機構51aを閉として原燃料29の供給経路を管路L13側に切り替える。同時に、空気ブロア(図示せず)を管路L13から供給される原燃料29を燃焼させるのに必要な空気量が得られる所定の回転数(バーナ空気比:例えば1.0〜1.2)として空気を供給し、燃焼させる。
Next, as shown in FIG. 3-2, as the second temperature raising step, when the temperature detector installed in the reformer exceeds a certain threshold value, the shut-off
更に、複数の改質触媒がある場合には、必要であればさらに絞り弁及び分岐管路を増やして、第3、第4の昇温工程を設け、改質器本体を昇温しても良い。 Furthermore, when there are a plurality of reforming catalysts, if necessary, the number of throttle valves and branch pipes can be increased to provide third and fourth temperature raising steps, and the temperature of the reformer body can be raised. good.
なお、絞り弁の前後の差圧を検出可能な圧力検出手段を設け、その検出信号から演算される燃料ガス量を基準として、燃焼用空気量を可変とすることも可能である。 It is also possible to provide pressure detection means capable of detecting the differential pressure before and after the throttle valve, and to make the combustion air amount variable with reference to the fuel gas amount calculated from the detection signal.
本発明では、上述したような着火工程、第1の昇温工程及び第2の昇温工程とすることで、図4の「本発明」のグラフに示すように、(1)低空気比で原燃料を着火させた後、(2)第1昇温工程では、燃料流量を多くし(1〜3NL/分)、しかも空気比を高くして(1.2〜2.0)、高温域の上限温度まで燃焼させる。その後、(3)燃料を低流量として(0.1〜1.5NL/分)、バーナ焚込み量を低減しつつ、空気比を徐々に低下させ、定常運転状態とさせるようにしている。例えば絞り機構52aを燃料流量が多いものとし、絞り機構52bを燃料流量が小さいものとしている。
In the present invention, as shown in the graph of “present invention” in FIG. 4, (1) at a low air ratio by performing the ignition process, the first temperature raising process, and the second temperature raising process as described above. After igniting the raw fuel, (2) In the first temperature raising step, the fuel flow rate is increased (1 to 3 NL / min) and the air ratio is increased (1.2 to 2.0). Burn to the upper limit temperature. Thereafter, (3) the fuel is set to a low flow rate (0.1 to 1.5 NL / min), and the air ratio is gradually lowered while the burner entrainment amount is reduced, so that the steady operation state is achieved. For example, the
本実施例では、バーナ着火時は燃焼性確保のため、低空気比で着火後、直ぐに空気比を高くして、CO変成触媒部(温度200〜250℃)64及びCO除去触媒部(温度120〜200℃)65の昇温速度を速めることとなる。これにより、改質触媒部(温度650〜700℃)63の昇温速度は従来よりも緩やかになる。
その後、改質触媒部の温度が所定温度(温度650〜700℃)に達するため、バーナ焚込量を低減しつつ、空気比を徐々に低下させて、定常運転状態へと移行させる。
In this embodiment, in order to ensure combustibility during burner ignition, immediately after igniting at a low air ratio, the air ratio is immediately increased, and the CO shift catalyst portion (temperature 200 to 250 ° C.) 64 and the CO removal catalyst portion (temperature 120). ˜200 ° C.) 65 is increased. Thereby, the temperature increase rate of the reforming catalyst portion (temperature 650 to 700 ° C.) 63 becomes slower than the conventional one.
Thereafter, since the temperature of the reforming catalyst part reaches a predetermined temperature (temperature of 650 to 700 ° C.), the air ratio is gradually lowered while the burner entrainment amount is reduced, and the state is shifted to the steady operation state.
この結果、改質触媒部の温度域までの昇温には時間を要するものの、CO変成触媒部、CO除去触媒部の温度域までは速やかに昇温することとなり、燃料改質装置全体としての起動完了時間の短縮を図ることができる。 As a result, although it takes time to raise the temperature to the temperature range of the reforming catalyst portion, the temperature is rapidly raised to the temperature range of the CO conversion catalyst portion and the CO removal catalyst portion, and the fuel reforming apparatus as a whole The start-up completion time can be shortened.
これに対し、従来法では、図4に示すように、空気比(1.0〜1.2)を一定とする場合に、燃料流量を多くして(1〜3NL/分)、改質器バーナの燃焼を行うと、改質触媒層温度が直ぐに所定温度に達するため、バーナ焚込量を燃料調整機構等により低減する必要があった。その結果、改質触媒層の後段に設置したCO変成触媒部及びCO除去触媒部がなかなか昇温せず、結果として燃料改質装置の起動時間が長くなっていた。 On the other hand, in the conventional method, as shown in FIG. 4, when the air ratio (1.0 to 1.2) is constant, the fuel flow rate is increased (1 to 3 NL / min), and the reformer When the burner is burned, the reforming catalyst layer temperature immediately reaches a predetermined temperature, so that it is necessary to reduce the burner entrapment amount by a fuel adjustment mechanism or the like. As a result, the CO conversion catalyst part and the CO removal catalyst part installed at the subsequent stage of the reforming catalyst layer did not readily rise in temperature, and as a result, the startup time of the fuel reformer became longer.
本発明によれば、その操作条件により左右されるものの、起動時間は従来法に比べおおよそ20〜30%短縮を図ることができた。 According to the present invention, although it depends on the operating conditions, the startup time can be reduced by approximately 20 to 30% compared to the conventional method.
このように、本発明によれば、原燃料の供給経路毎に異なる絞り機構52a、52bを設けて、それらへの流路切り替えによって改質器バーナへの燃料供給量を変化させることができる。その際、原燃料の供給経路毎に、改質器バーナに供給する空気量を予め設定した空気量となるよう図示しない空気ブロアからの供給量を制御するようにしている。
As described above, according to the present invention, it is possible to change the fuel supply amount to the reformer burner by providing
また、絞り機構52a、52bの前後の差圧を算出することのできる差圧計測機構を有し、その差圧信号により燃料ガス供給量を求め、空気供給量を微調整する制御機能を有するようにしてもよい。
Also, it has a differential pressure measuring mechanism that can calculate the differential pressure before and after the
本発明では、複数の原燃料供給管と、その供給管に介装する簡単な絞り機構及び遮断機構を用いることにより、燃料改質装置の起動を迅速行うことができ、しかも従来のシステムで用いられていた原燃料の流量制御機器は不要となる。
この結果、一般家庭に設置するような場合に、信頼性が向上すると共に、メンテナンスフリーとなり、安価な燃料電池システムを提供することができる。
In the present invention, by using a plurality of raw fuel supply pipes and a simple throttle mechanism and shut-off mechanism interposed in the supply pipes, the fuel reformer can be started quickly and used in a conventional system. The raw fuel flow control device that has been used is no longer necessary.
As a result, when it is installed in a general home, the reliability is improved and the maintenance-free and inexpensive fuel cell system can be provided.
このような燃料改質装置を適用した燃料電池の発電システムを示す概念図を図5に示す。
図5に示すように、本実施形態に係る燃料電池の発電システムは、前述した燃料電池の燃料改質装置50を備えると共に、燃料改質器28で改質された燃料ガス12を燃焼する燃焼部21と、燃焼部21からの高温排ガス22で燃料電池11の冷却部11−3を冷却する冷媒23を熱交換する第1熱交換器24と、燃料電池11の冷却部11−3の入口側冷媒温度T1を計測する入口側の温度計測器25−1とを具備してなり、燃料電池11の燃料極11−1に燃料ガス12を供給すると共に、燃料電池11の空気極11−2に空気13を供給して発電するようにしている。なお、図1中、符号L1は冷却ライン、L2は排出ライン、L3〜L4は管路を、33−1、33−2はポンプを各々図示する。
FIG. 5 is a conceptual diagram showing a fuel cell power generation system to which such a fuel reformer is applied.
As shown in FIG. 5, the fuel cell power generation system according to the present embodiment includes the
前記構成のシステムにおいて、燃料改質器28で燃料の改質が開始された後において、燃料電池にて電気出力を発生させる際に、常温の燃料ガス12を燃焼させる燃焼部21にて前記燃料ガス12を燃焼させ、前記燃焼部21の下流に設けた第1熱交換器24に燃料電池の冷却加熱を行なわせる燃料電池の冷媒23を流通させ、前記燃焼部21で得られた高温排ガス22から熱回収することで、前記燃料電池11の冷媒23を速やかに昇温させることができ、燃料電池11の加熱に寄与することとなる。これにより、発電初期におけるエネルギーを有効活用することができる。ここで、燃焼部21としては、通常の燃焼器以外に、触媒燃焼により燃料ガス12を常温にて燃焼させるようにしてもよい。前記燃焼触媒としては、例えば白金系モノリス触媒を例示することができるが、本発明はこれに限定されるものではない。
In the system configured as described above, after fuel reforming is started by the
前記冷却部11−3の入口側冷媒温度T1を入口側温度計測器25−1で計測するのは、燃料電池の健全性を維持するためであり、所定の設定温度に達した場合には、制御装置(CPU)にて制御し、熱交換媒体(例えば水又は空気)の供給量を増大させて、所定温度に維持するようにしている。
また、前記燃料電池11の冷却部11−3の出口側温度を計測する温度計測器25−2を有するようにしてもよい。
これは、出口側の温度を計測することでより精度のよい制御を可能としている。すなわち、燃料電池に供給する冷媒23の温度が設定温度より高い場合でも、発電初期には出口側温度が低下する場合があり、出口側温度が所定の温度となるまでは、第1熱交換器24で熱交換された冷媒を放熱部26にて冷却することを抑制することができる。
また、前記燃料電池11の空気極11-2に供給する空気は、図示しない加湿装置により適度に加湿された空気とするのが好ましい。
The inlet side refrigerant temperature T1 of the cooling section 11-3 is measured by the inlet side temperature measuring device 25-1 in order to maintain the soundness of the fuel cell. When the predetermined set temperature is reached, Control is performed by a control device (CPU), and the supply amount of a heat exchange medium (for example, water or air) is increased to maintain a predetermined temperature.
Moreover, you may make it have the temperature measuring device 25-2 which measures the exit side temperature of the cooling part 11-3 of the said
This enables more accurate control by measuring the temperature on the outlet side. That is, even when the temperature of the refrigerant 23 supplied to the fuel cell is higher than the set temperature, the outlet side temperature may decrease at the initial stage of power generation, and the first heat exchanger is not maintained until the outlet side temperature reaches a predetermined temperature. It is possible to suppress the cooling of the refrigerant heat-exchanged at 24 by the
The air supplied to the air electrode 11-2 of the
ここで、発電初期においては、燃料ガス12は管路L3と管路L4とを切替える切替弁V1により、管路L4側に切替え、燃焼部21で全て燃焼するようにしている。そして、冷媒23を高温排ガス22で加熱し、燃料電池11の温度が所定の作動となった際に、切替弁V1を切替え、管路L3側に燃料ガス12を供給することで、燃料極11−1に燃料を供給して発電に供するようにしている。
Here, at the initial stage of power generation, the
前記燃料ガス12は、燃料改質器28により原燃料29を改質して用いるようにしている。ここで、前記改質ガスの原燃料29としては、例えば天然ガス(都市ガス:例えば13A)、LPG、石炭ガスなどの気体燃料、又は、アルコール(例えばメタノール等)、ジメチルエーテル、灯油、軽油、ナフサなどの液体燃料を挙げることができる。
The
また、前記冷媒23の冷却ラインL1には、例えば水又は空気等を熱交換媒体27とする放熱部26が設けられており、燃料電池発電における発熱の際に放熱するようにしている。
Further, the cooling line L1 for the refrigerant 23 is provided with a
また、冷却ラインL1は図示しない簡易な水処理装置(例えばイオン交換樹脂充填容器)を具備した閉鎖ラインとすることが好ましい。これは、燃料電池で用いる冷媒である水はイオン濃度が低いものを用いており、閉鎖ラインとしない場合には、外部から供給する水のイオンを除去するために膨大な設備を必要として発電コストが割高となるのを防止している。なお、前記冷却ラインL1は必要に応じて、運転中あるいは停止中に、図示しない水処理装置を介して外部から水道水を補給する操作を行なうようにしてもよい。 Moreover, it is preferable that the cooling line L1 is a closed line equipped with a simple water treatment device (for example, an ion exchange resin filling container) not shown. This is because water, which is a refrigerant used in fuel cells, has a low ion concentration, and if it is not a closed line, it requires a huge amount of equipment to remove the ions of water supplied from the outside, generating power costs Is prevented from becoming expensive. The cooling line L1 may be operated to replenish tap water from the outside via a water treatment device (not shown) during operation or stop as necessary.
図1のシステムにおいて、燃料電池発電の起動時に、切替弁V1を切替えて、管路L4に燃料ガス12を流し、燃料電池にて電気出力を発生させる前に、前記燃料ガス12を燃焼部21にて燃焼させ、高温排ガス22を得る。そして、前記燃焼部21下流に配した第1熱交換器24に燃料電池の冷媒23を流通させ、前記高温排ガスと熱交換させることで、燃料電池循環水を速やかに60℃以上に昇温させることができる。そして、昇温が完了した後、切替弁V1を管路L3に切替え、燃料電池11の燃料極11−1に燃料ガス12を流し、これにより、燃料電池負荷を瞬時にかけることができる。
In the system of FIG. 1, when the fuel cell power generation is started, the switching valve V <b> 1 is switched so that the
本実施形態によれば、燃料改質装置での起動を速やかに行うことができると共に、燃料電池本体への燃料電池負荷を瞬時にかけることができ、燃料電池を起動する際のエネルギー損失を少なくして、エネルギー有効利用率の高い発電システムを構築することができる。 According to the present embodiment, the fuel reformer can be quickly started up, the fuel cell load on the fuel cell body can be applied instantaneously, and energy loss when starting up the fuel cell is reduced. Thus, it is possible to construct a power generation system with a high effective energy utilization rate.
以上のように、本発明は、例えば燃料電池の燃料改質装置において、迅速に昇温させて燃料改質等の化学変換を速やかにすることができ、例えば固体高分子型燃料電池に適用して、エネルギー有効利用率の高い発電システムを提供できる。 As described above, the present invention can quickly raise the temperature and perform chemical conversion such as fuel reforming quickly in a fuel reformer for a fuel cell, for example, and can be applied to, for example, a polymer electrolyte fuel cell. Therefore, it is possible to provide a power generation system with a high effective energy utilization rate.
11 燃料電池
11−1 燃料極
11−2 空気極
11−3 冷却部
12 燃料ガス
13 空気
21 燃焼部
22 高温排ガス
24 第1熱交換器
25−1、25−2 温度計測器
L1 冷却ライン
L2 排出ライン
L3〜L13 管路
33−1、33−2 ポンプ
28−1 改質器本体
28−2 改質器バーナ
29 原燃料
DESCRIPTION OF
Claims (5)
該燃焼部からの高温排ガスを用いて、作動温度範囲が異なる複数の化学変換部を高温域から低温度域に亙って順次加熱し、原燃料を化学変換する化学変換装置と、を有してなる改質器装置の運転方法において、
前記燃焼部において低空気比で原燃料を着火させる着火工程と、
着火後、燃焼部の空気比を高くして燃焼し、高温域の所定上限温度に達する第1昇温工程と、
その後、空気比を徐々に低下させつつ燃焼し、高温域以外の温度域まで昇温する第2昇温工程とを含むことを特徴とする化学変換装置の運転方法。 A combustion section that burns at high temperature using raw fuel;
A chemical conversion device that uses a high-temperature exhaust gas from the combustion section to sequentially heat a plurality of chemical conversion sections having different operating temperature ranges from a high temperature range to a low temperature range, and chemically converts the raw fuel. In the operation method of the reformer device,
An ignition step of igniting raw fuel at a low air ratio in the combustion section;
After ignition, a first temperature raising step for increasing the air ratio of the combustion section to burn and reaching a predetermined upper limit temperature in a high temperature range;
Thereafter, the method for operating the chemical conversion apparatus includes a second temperature raising step of burning while gradually reducing the air ratio and raising the temperature to a temperature range other than the high temperature range.
前記化学変換装置が燃料改質装置であることを特徴とする燃料改質装置の運転方法。 In claim 1,
The method for operating a fuel reformer, wherein the chemical conversion device is a fuel reformer.
化学変換部が触媒部であることを特徴とする燃料改質装置の運転方法。 In claim 2,
A method for operating a fuel reformer, wherein the chemical conversion section is a catalyst section.
触媒部が改質触媒部と、CO変成触媒部と、CO除去触媒部とから順に配置されてなり、高温排ガスが改質触媒部からCO変成触媒部とCO除去触媒部と順に加熱することを特徴とする燃料改質装置の運転方法。 In claim 3,
The catalyst unit is arranged in order from the reforming catalyst unit, the CO conversion catalyst unit, and the CO removal catalyst unit, and the high temperature exhaust gas is heated in order from the reforming catalyst unit to the CO conversion catalyst unit and the CO removal catalyst unit. A method for operating a fuel reforming apparatus.
第2昇温工程が終了後、燃料ガスを固体高分子型燃料電池(PEFC)に供給して、燃料電池発電することを特徴とする燃料電池の運転方法。 In any one of Claims 2 thru | or 4,
A fuel cell operating method comprising: supplying a fuel gas to a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) and generating fuel cell power after the second temperature raising step is completed.
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---|---|---|---|---|
JP2008069029A (en) * | 2006-09-13 | 2008-03-27 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | Method for staring-up reformer |
JP4820404B2 (en) * | 2005-03-16 | 2011-11-24 | アイエムエム インスティトゥート フュア ミクロテクニッヒ マインツ ゲーエムベーハー | Reformed fuel cell system with external combustor |
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2005
- 2005-01-21 JP JP2005013903A patent/JP2006199543A/en not_active Withdrawn
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