JP2008117562A - Fuel cell system and its operation control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体燃料を原料として燃料電池で発電させる燃料電池システムおよびその運転制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system that generates power in a fuel cell using liquid fuel as a raw material, and an operation control method thereof.
従来、水素ガスを燃料ガスとして燃料電池へ供給して発電させる燃料電池システムが知られている。これら燃料電池システムとして、システムの起動・停止に際して、改質ガスなどをパージする構成が知られている(例えば、特許文献1ないし特許文献3参照)。
特許文献1に記載のものは、改質器の運転中に改質ガスの一部を改質ガスラインを介して水素吸蔵合金に導き、水素のみを吸収させ、改質器の停止時に水素吸蔵合金から水素を放出させ、水素ガスラインを介して改質器の上流側に水素を供給し、改質器内の残留燃料および水分をパージし、改質器内に水素を封入する構成が採られている。
特許文献2に記載のものは、システムの停止時に、燃焼部および改質部を含む水蒸気改質器に順次連結したCO変成部およびCO除去部のいずれかの出口導管のバルブを閉じ、改質部への原料ガスおよび水の供給を停止する。そして、改質部およびCO変成部が、炭化水素の分解反応が進行せず分解反応に起因して炭素が析出しない所定温度以下になった時点でバルブを開き、システム内に原料ガスを供給して改質ガスをパージする。この後、バルブを閉じ、システム内を原料ガスで満たす構成が採られている。
特許文献3に記載のものは、改質器系内に水蒸気を流通させて可燃性ガスをパージした後、改質器中の改質触媒の温度が改質触媒の酸化温度である350〜400℃以下になった時点で、改質器に空気を導入して改質器系内の水蒸気をパージする構成が採られている。
Conventionally, a fuel cell system that supplies hydrogen gas as a fuel gas to a fuel cell to generate electric power is known. As these fuel cell systems, a configuration in which reformed gas or the like is purged when the system is started / stopped is known (see, for example, Patent Documents 1 to 3).
In Patent Document 1, a part of the reformed gas is guided to the hydrogen storage alloy through the reformed gas line during the operation of the reformer, and only hydrogen is absorbed, and the hydrogen storage is performed when the reformer is stopped. A configuration is adopted in which hydrogen is released from the alloy, hydrogen is supplied to the upstream side of the reformer through the hydrogen gas line, residual fuel and moisture in the reformer are purged, and hydrogen is sealed in the reformer. It has been.
When the system is stopped, the one described in Patent Document 2 closes the valve of the outlet conduit of either the CO conversion unit and the CO removal unit sequentially connected to the steam reformer including the combustion unit and the reforming unit, and reforms. The supply of raw material gas and water to the department is stopped. Then, when the reforming section and the CO conversion section are below a predetermined temperature at which the hydrocarbon decomposition reaction does not proceed and carbon is not deposited due to the decomposition reaction, the valve is opened and the raw material gas is supplied into the system. To purge the reformed gas. Thereafter, the valve is closed and the system is filled with the raw material gas.
Patent Document 3 describes a method in which steam is circulated in a reformer system to purge combustible gas, and then the temperature of the reforming catalyst in the reformer is an oxidation temperature of the reforming catalyst. A configuration is adopted in which air is introduced into the reformer and the water vapor in the reformer system is purged when the temperature falls to or below.
しかしながら、上記特許文献1に記載のような従来の水素ガスでパージする構成では、高価な水素吸蔵合金を用いる特別な構成および運転時・停止時の水素の吸蔵・放出のための圧力制御などの煩雑な制御が必要で、特に家庭用で利用するような場合では、利用の拡大のために小型かつ安価なシステム構成が必要である。
また、特許文献2に記載のような改質ガスをパージする構成では、再起動時にパージした改質ガスがそのまま排出されることとなり、例えば毎日のように停止させるシステムの場合には、パージに利用され排出される改質ガスの量も多大となり、エネルギ効率の観点から、より効率化が望まれる。
さらに、特許文献3に記載のような空気をパージする構成では、350℃以下の温度でも空気中の酸素により改質触媒が徐々に失活するおそれがあり、改質特性が低下して、運転効率が低下するおそれがある。
However, in the configuration of purging with the conventional hydrogen gas as described in Patent Document 1, a special configuration using an expensive hydrogen storage alloy and pressure control for storing and releasing hydrogen at the time of operation and stop, etc. Complicated control is required, and particularly in the case of use at home, a small and inexpensive system configuration is required to expand use.
Further, in the configuration in which the reformed gas is purged as described in Patent Document 2, the purged reformed gas is discharged as it is at the time of restart. For example, in the case of a system that stops every day, the purge is performed. The amount of the reformed gas that is used and discharged becomes large, and more efficiency is desired from the viewpoint of energy efficiency.
Further, in the configuration of purging air as described in Patent Document 3, there is a possibility that the reforming catalyst may be gradually deactivated by oxygen in the air even at a temperature of 350 ° C. or lower, and the reforming characteristics are deteriorated. Efficiency may be reduced.
本発明の目的は、このような点に鑑みて、液体燃料を原料に用い安定し効率よく運転できる燃料電池システムおよびその運転制御方法を提供する。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of operating stably and efficiently using liquid fuel as a raw material, and an operation control method thereof.
本発明に記載の燃料電池システムは、液体燃料を脱硫する脱硫手段と、この脱硫手段で脱硫した前記液体燃料を原料ガスに気化する気化手段と、前記原料ガスを燃料ガスに改質する改質手段と、酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段と、前記改質手段で改質された前記燃料ガスおよび前記酸素含有気体供給手段によって供給される前記酸素含有気体を利用して発電する燃料電池と、前記脱硫手段で脱硫した前記液体燃料の前記気化手段への供給を中止して稼働停止する際に不活性ガスを前記脱硫手段より下流側に供給する不活性ガス供給手段と、前記燃料電池に接続され前記不活性ガス供給手段によって前記不活性ガスが供給されることで前記燃料電池から流出する流出物を前記脱硫手段より下流側に供給する循環手段と、を具備したことを特徴とする。
この発明では、脱硫手段により液体燃料を脱硫して気化手段で気化させた後の原料ガスを改質手段で燃料ガスに改質し、酸素含有気体供給手段で供給される酸素含有気体と燃料電池で反応させて発電させるシステム構成で、脱硫手段で脱硫した液体燃料の気化手段への供給を中止して稼働停止する際に不活性ガス供給手段により不活性ガスを脱硫手段より下流側に供給させ、燃料電池に接続された循環手段により、不活性ガスの供給により燃料電池から流出する流出物を脱硫手段より下流側に供給させている。
このことにより、不活性ガスが供給され不活性ガスが燃料電池から流出物として流出される状態で循環手段により脱硫手段より下流側に供給されることで不活性ガスが循環する状態となり、新たに不活性ガスを供給する必要がなく、不活性ガスを最小限で供給すればよく、供給する不活性ガスを返送させる簡単な構成で、不活性ガスの再利用が得られ、不活性ガスによる安定した効率的な稼働停止時のパージが得られ、効率的な運転を提供できる。
A fuel cell system according to the present invention includes a desulfurization unit that desulfurizes liquid fuel, a vaporization unit that vaporizes the liquid fuel desulfurized by the desulfurization unit, and a reforming that reforms the source gas into a fuel gas. Means, oxygen-containing gas supply means for supplying oxygen-containing gas, fuel gas reformed by the reforming means, and fuel that generates electric power using the oxygen-containing gas supplied by the oxygen-containing gas supply means A battery, an inert gas supply means for supplying an inert gas downstream from the desulfurization means when the supply of the liquid fuel desulfurized by the desulfurization means to the vaporization means is stopped and operation is stopped, and the fuel A circulation means connected to a battery and supplying the effluent flowing out of the fuel cell to the downstream side of the desulfurization means when the inert gas is supplied by the inert gas supply means. It is characterized in.
In this invention, the raw material gas after desulfurizing the liquid fuel by the desulfurization means and vaporizing by the vaporization means is reformed to the fuel gas by the reforming means, and the oxygen-containing gas supplied by the oxygen-containing gas supply means and the fuel cell In the system configuration in which power is generated by reacting with the desulfurization means, when the supply of the liquid fuel desulfurized by the desulfurization means is stopped and the operation is stopped, the inert gas supply means supplies the inert gas downstream from the desulfurization means. The effluent flowing out of the fuel cell by supplying the inert gas is supplied downstream from the desulfurization means by the circulation means connected to the fuel cell.
As a result, the inert gas is circulated by being supplied downstream from the desulfurization means by the circulation means in a state where the inert gas is supplied and the inert gas flows out from the fuel cell as an effluent. There is no need to supply the inert gas, it is sufficient to supply the inert gas at a minimum, and the inert gas can be reused with a simple configuration in which the supplied inert gas is returned, and the inert gas is stable. Thus, an efficient operation stop purge can be obtained, and an efficient operation can be provided.
そして、本発明では、前記循環手段は、前記燃料電池に接続され前記燃料電池から流出する流出物を貯溜する貯溜手段を備えた構成とすることが好ましい。
この発明では、燃料電池に接続され燃料電池から流出する流出物を脱硫手段より下流側に供給させる循環手段に、流出物を貯留する貯溜手段を設けている。
このことにより、例えば、不活性ガスによるパージのために多少余剰に不活性ガスを供給した場合に余剰分を貯溜手段で回収したり、再起動時に残留する不活性ガスを循環手段へ流通させて貯溜手段で回収したりするなど、さらなる不活性ガスの有効利用が得られ、より効率的な運転制御が得られる。
And in this invention, it is preferable that the said circulation means is set as the structure provided with the storage means which stores the effluent which is connected to the said fuel cell and flows out of the said fuel cell.
In this invention, the storage means for storing the effluent is provided in the circulation means that is connected to the fuel cell and supplies the effluent flowing out from the fuel cell downstream from the desulfurization means.
For this reason, for example, when inert gas is supplied in a somewhat excessive amount for purging with an inert gas, the surplus is recovered by the storage means, or the inert gas remaining at the time of restarting is circulated to the circulation means. More effective use of the inert gas such as recovery by the storage means can be obtained, and more efficient operation control can be obtained.
また、本発明では、前記循環手段は、前記流出物を気液分離する気液分離手段を備え、分離した気体を前記脱硫手段より下流側に供給する構成とすることが好ましい。
この発明では、流出物を気液分離する気液分離手段を循環手段に設け、分離した気体を脱硫手段より下流側へ供給する。
このことにより、例えば不活性ガスを供給してパージすることにより流出物として流出される発電時の水や液体燃料の気化のための水蒸気由来の水などが分離除去され、ドライな不活性ガスを循環させることが簡単な構成で容易に得られ、水の返送による改質手段の改質処理能力の低下などを防止でき、良好な停止状態が容易に得られる。
In the present invention, it is preferable that the circulation means includes a gas-liquid separation means for gas-liquid separation of the effluent, and the separated gas is supplied downstream from the desulfurization means.
In this invention, the gas-liquid separation means for separating the effluent from gas and liquid is provided in the circulation means, and the separated gas is supplied downstream from the desulfurization means.
As a result, for example, water at the time of power generation that flows out as effluent by supplying inert gas and purging, water derived from water vapor for vaporization of liquid fuel, and the like are separated and removed, and dry inert gas is removed. Circulation is easily obtained with a simple configuration, and it is possible to prevent a reduction in the reforming capacity of the reforming means due to the return of water, and a good stop state can be easily obtained.
さらに、本発明では、前記気化手段は、前記改質手段からの排気により水蒸気を生成する熱交換装置と、この熱交換装置で生成した前記水蒸気を前記脱硫手段で脱硫した前記液体燃料と混合させて前記原料ガスに気化させる気化器とを備え、前記気液分離手段は、前記流出物の気液分離により分集した液相分を前記熱交換装置に供給させて前記水蒸気を生成させる構成とすることが好ましい。
この発明では、気化手段として、改質手段からの排気により熱交換装置で水蒸気を生成させ、この水蒸気を脱硫手段で脱硫した液体燃料と気化器で混合させて原料ガスに気化させる構成とし、循環手段の気液分離手段で流出物の気液分離により分集した液相分、すなわち水蒸気由来の水を熱交換装置に供給させ、液体燃料を気化させる水蒸気を生成させる。
このことにより、液体燃料と混合させて燃料電池で発電させる水素ガスを効率的に生成させるための水蒸気の原料となる水が良好に回収され、良好な水バランスが得られ、より効率的な運転が得られる。
Further, in the present invention, the vaporizing means mixes the heat exchange device that generates steam by exhaust from the reforming means, and the liquid fuel desulfurized by the desulfurization means, the steam generated by the heat exchange device. A vaporizer that vaporizes the source gas, and the gas-liquid separation means supplies the liquid phase fraction collected by gas-liquid separation of the effluent to the heat exchange device to generate the water vapor. It is preferable.
In the present invention, as the vaporizing means, steam is generated by the heat exchange device by exhaust from the reforming means, and the water vapor is mixed with the liquid fuel desulfurized by the desulfurizing means and vaporized to vaporize the raw material gas. The liquid phase fraction collected by gas-liquid separation of the effluent by the gas-liquid separation means of the means, that is, water derived from water vapor is supplied to the heat exchanging device to generate water vapor that vaporizes the liquid fuel.
As a result, water that is a raw material for water vapor for efficiently generating hydrogen gas that is mixed with liquid fuel and generated by a fuel cell is recovered well, a good water balance is obtained, and more efficient operation is achieved. Is obtained.
また、本発明では、前記不活性ガス供給手段は、前記脱硫手段で脱硫した前記液体燃料の前記気化手段への供給が中止されると所定時間長で前記不活性ガスを供給するとともに、この不活性ガスの所定時間長の供給後の所定時間経過後に前記気化手段における前記熱交換装置から前記気化器への水蒸気の供給を停止させると前記不活性ガスを再供給する構成とすることが好ましい。
この発明では、不活性ガス供給手段により、脱硫手段で脱硫した液体燃料の供給中止後に所定時間長で不活性ガスを供給させた後、所定時間経過後に気化手段における熱交換装置から気化器への水蒸気の供給を停止させると不活性ガスを再供給させる。
このことにより、液体燃料の供給中止後に不活性ガスのパージにて液体燃料やこの液体燃料由来のガスなどが改質手段などに残留することによる炭化などの不都合を防止し、不活性ガスの供給を一旦中断して、例えば液体燃料を改質させるために気化手段で供給する水蒸気を改質手段に供給させることで改質手段の迅速な冷却が得られ、改質手段がある程度冷却して水蒸気が水として析出する前となるなどの所定時間経過後に不活性ガスを再供給し、水蒸気の残留により水として析出して改質特性の低下などの不都合を防止することができ、迅速で効率よく稼働停止ができる。
In the present invention, the inert gas supply means supplies the inert gas for a predetermined time length when the supply of the liquid fuel desulfurized by the desulfurization means to the vaporization means is stopped. It is preferable that the inert gas is re-supplied when the supply of water vapor from the heat exchange device to the vaporizer in the vaporization means is stopped after a predetermined time has elapsed after the supply of the active gas for a predetermined length of time.
In this invention, the inert gas supply means causes the inert gas to be supplied for a predetermined time after the supply of the liquid fuel desulfurized by the desulfurization means is stopped, and after the predetermined time has elapsed, the heat exchange device in the vaporization means to the vaporizer When the supply of water vapor is stopped, the inert gas is supplied again.
This prevents inconvenience such as carbonization due to the liquid fuel or the gas derived from the liquid fuel remaining in the reforming means by purging with the inert gas after the supply of the liquid fuel is stopped. For example, by supplying the reforming means with steam supplied by the vaporization means to reform the liquid fuel, the reforming means can be cooled quickly, and the reforming means cools to a certain degree to The inert gas is re-supplied after a predetermined time, such as before the water is deposited as water, and the water vapor is deposited as water due to the remaining water vapor to prevent inconveniences such as deterioration of the reforming characteristics, and it is quick and efficient. The operation can be stopped.
そして、本発明では、前記不活性ガス供給手段は、前記気化手段より上流側で前記脱硫手段より下流側に前記不活性ガスを供給する構成としている。
本発明では、不活性ガス供給手段により、気化手段より上流側で脱硫手段より下流側に不活性ガスを供給させる。
このことにより、例えば、液相で液体燃料が流通する気化手段より上流側の部分で稼働停止のために液体燃料の供給を遮断した際に液体燃料が残留することが防止され、液体燃料の残留による改質手段の余熱にて炭化するなどの不都合を防止できる。
In the present invention, the inert gas supply means supplies the inert gas upstream from the vaporization means and downstream from the desulfurization means.
In the present invention, the inert gas is supplied upstream of the vaporization means and downstream of the desulfurization means by the inert gas supply means.
This prevents, for example, the liquid fuel from remaining when the supply of the liquid fuel is shut off in order to stop the operation at a portion upstream from the vaporization means through which the liquid fuel flows in the liquid phase. It is possible to prevent inconveniences such as carbonization due to residual heat of the reforming means.
また、本発明では、前記不活性ガス供給手段は、前記不活性ガスを前記脱硫手段より下流側に供給するとともに前記改質手段の下流側で前記燃料電池より上流側にも供給する構成とすることが好ましい。
この発明では、不活性ガス供給手段により、脱硫手段より下流側に不活性ガスを供給するとともに、改質手段の下流側で燃料電池より上流側にも供給させる。
このことにより、例えば水蒸気由来の水が析出しても不都合を生じない改質手段より下流側の領域と、水の残留により改質特性の低下などの不都合を生じる改質手段側の領域とで、独立して不活性ガスを供給させる構成が得られ、改質手段における迅速な冷却のために水蒸気を改質手段へ供給させる領域側だけで水蒸気を排出させるための不活性ガスの再供給などを実施することが得られ、不活性ガスの使用量をより低減でき、より効率的な運転が得られる。
In the present invention, the inert gas supply means supplies the inert gas to the downstream side of the desulfurization means and also supplies the downstream side of the reforming means to the upstream side of the fuel cell. It is preferable.
In the present invention, the inert gas supply means supplies the inert gas to the downstream side of the desulfurization means and also supplies the downstream side of the reforming means to the upstream side of the fuel cell.
As a result, for example, a region on the downstream side of the reforming unit that does not cause inconvenience even if water derived from water vapor precipitates, and a region on the reforming unit side that causes inconvenience such as deterioration of reforming characteristics due to water remaining. In addition, a configuration in which an inert gas is supplied independently is obtained, and the inert gas is re-supplied to discharge water vapor only on the region side where water vapor is supplied to the reforming means for rapid cooling in the reforming means. The amount of inert gas used can be further reduced, and more efficient operation can be obtained.
さらに、本発明では、前記改質手段は、前記気化手段で気化された前記原料ガスを改質するために加熱するバーナを備え、前記燃料電池に接続され前記燃料電池から流出する前記流出物を前記バーナへ供給して燃焼させる返送手段を具備し、前記循環手段は、前記返送手段を介して前記燃料電池に接続された構成とすることが好ましい。
本発明では、改質手段における気化手段で気化された原料ガスを改質するために加熱するバーナへ、燃料電池に接続され燃料電池から流出する流出物を供給させて燃焼させる返送手段に、循環手段を接続して流出物を脱硫手段の下流側へ供給させる構成としている。
このことにより、例えば、液体燃料の供給を中止して不活性ガスのパージにより燃料電池から流出する流出物である水素ガスや一酸化炭素などをバーナで燃焼させてエネルギ効率の向上および環境保護を実施し、迅速な冷却のために水蒸気を改質手段へ供給させた後に不活性ガスのパージにより燃料電池から流出する水蒸気や不活性ガス分を循環手段で回収し水蒸気を分離除去して不活性ガスのみを供給して循環させる構成が容易に得られ、良好で効率的な運転が返送手段から分岐させる簡単な構成で容易に得られる。
Further, in the present invention, the reforming means includes a burner for heating to reform the raw material gas vaporized by the vaporization means, and the effluent flowing from the fuel cell connected to the fuel cell is removed. It is preferable that return means for supplying the burner to burn is provided, and the circulation means is connected to the fuel cell via the return means.
In the present invention, the recirculation means is connected to the burner that is heated to reform the raw material gas vaporized by the vaporization means in the reforming means, and the return means that is connected to the fuel cell and flows out from the fuel cell to burn it. The means is connected to supply the effluent to the downstream side of the desulfurization means.
As a result, for example, the supply of liquid fuel is stopped and hydrogen gas or carbon monoxide, which is an effluent flowing out of the fuel cell by purging with an inert gas, is burned with a burner to improve energy efficiency and protect the environment. After the steam is supplied to the reforming means for rapid cooling, the steam and inert gas components flowing out of the fuel cell are recovered by the circulation means by purging the inert gas, and the steam is separated and removed to be inert. A configuration in which only the gas is supplied and circulated can be easily obtained, and a good and efficient operation can be easily obtained with a simple configuration in which the return means is branched.
そしてさらに、本発明では、前記バーナは、前記液体燃料を燃焼させて加熱させ、前記不活性ガス供給手段は、前記バーナに前記液体燃料を供給する経路にも前記不活性ガスを供給する構成とすることが好ましい。
この発明では、改質手段における加熱のためにバーナで燃焼させる液体燃料をバーナへ供給する経路にも、不活性ガスを供給させる。
このことにより、稼働停止時に液体燃料の供給を停止させてバーナによる加熱を停止させることでバーナへの液体燃料を供給する経路中に残留する液体燃料が改質手段の余熱により炭化するなどの不都合を防止でき、安定した良好な運転が得られる。
Further, in the present invention, the burner burns and heats the liquid fuel, and the inert gas supply means supplies the inert gas also to a path for supplying the liquid fuel to the burner. It is preferable to do.
In the present invention, the inert gas is also supplied to the path for supplying the liquid fuel burned by the burner to the burner for heating in the reforming means.
As a result, when the operation is stopped, the supply of the liquid fuel is stopped and the heating by the burner is stopped, so that the liquid fuel remaining in the path for supplying the liquid fuel to the burner is carbonized by the residual heat of the reforming means. Can be prevented, and stable and good operation can be obtained.
本発明の燃料電池システムの運転制御方法は、液体燃料を脱硫手段で脱硫後に気化手段で原料ガスとして気化し改質手段で改質した後に燃料電池へ供給して発電させる燃料電池システムにおける運転状態を制御する燃料電池システムの運転制御方法であって、前記液体燃料を前記脱硫手段から前記気化手段へ供給する脱硫燃料バルブを備えた脱硫燃料経路、不活性ガスを前記脱硫手段より下流側に供給する不活性ガス供給手段、および前記燃料電池に接続され前記燃料電池から流出する流出物を前記脱硫手段より下流側に供給する循環手段を用い、前記脱硫燃料バルブを切り替えて前記脱硫手段から前記気化手段への前記液体燃料の供給を遮断する燃料供給遮断工程と、この燃料供給遮断工程で前記液体燃料の供給を遮断した後に前記不活性ガス供給手段から前記不活性ガスを前記脱硫手段より下流側に供給させる不活性ガスパージ工程と、この不活性ガスパージ工程で前記不活性ガスを供給することで前記循環手段を介して前記燃料電池から流出する前記流出物を前記脱硫手段より下流側に供給させる循環工程と、を実施することを特徴とする。
この発明では、燃料電池システムにおける液体燃料を脱硫手段から気化手段へ供給する脱硫燃料バルブを備えた脱硫燃料経路と、不活性ガスを脱硫手段より下流側に供給する不活性ガス供給手段と、燃料電池に接続され燃料電池から流出する流出物を脱硫手段より下流側に供給する循環手段とを用いる。そして、脱硫燃料バルブを切り替えて脱硫手段から気化手段への液体燃料の供給を遮断する燃料供給遮断工程を実施した後に、不活性ガス供給手段から脱硫手段より下流側に不活性ガスを供給させる不活性ガスパージ工程を実施する。この不活性ガスパージ工程における不活性ガスの供給により、燃料電池から流出する流出物を循環手段を介して脱硫手段より下流側に供給させる循環工程を実施する。
このことにより、不活性ガスが供給され不活性ガスが燃料電池から流出物として流出される状態で循環手段により脱硫手段より下流側に供給されることで不活性ガスが循環する状態となり、新たに不活性ガスを供給する必要がなく、不活性ガスを最小限で供給すればよく、供給する不活性ガスを返送させる簡単な構成で、不活性ガスの再利用が得られ、不活性ガスによる安定した効率的な稼働停止時のパージが得られ、効率的な運転を提供できる。
The operation control method for a fuel cell system according to the present invention is an operation state in a fuel cell system in which liquid fuel is desulfurized by a desulfurization means and then vaporized as a raw material gas by a vaporization means and then reformed by a reforming means and then supplied to the fuel cell to generate power. An operation control method of a fuel cell system for controlling a desulfurization fuel path having a desulfurization fuel valve for supplying the liquid fuel from the desulfurization means to the vaporization means, and supplying an inert gas downstream from the desulfurization means And an inert gas supply means that circulates the effluent that is connected to the fuel cell and flows out of the fuel cell to the downstream side of the desulfurization means, and switches the desulfurization fuel valve to the vaporization from the desulfurization means. A fuel supply shutoff step for shutting off the supply of the liquid fuel to the means, and the inertness after shutting off the liquid fuel supply in the fuel supply shutoff step An inert gas purge step for supplying the inert gas from the gas supply means to the downstream side of the desulfurization means, and the inert gas is supplied in the inert gas purge step to flow out of the fuel cell through the circulation means. And a circulation step of supplying the effluent to be supplied downstream from the desulfurization means.
In this invention, a desulfurization fuel path having a desulfurization fuel valve for supplying liquid fuel from the desulfurization means to the vaporization means in the fuel cell system, an inert gas supply means for supplying an inert gas downstream from the desulfurization means, and a fuel Circulating means connected to the battery and supplying the effluent flowing out from the fuel cell downstream from the desulfurization means is used. Then, after performing the fuel supply blocking step of switching the desulfurization fuel valve to block the supply of liquid fuel from the desulfurization means to the vaporization means, the inert gas supply means is configured to supply the inert gas downstream from the desulfurization means. An active gas purge step is performed. By supplying the inert gas in this inert gas purging step, a circulation step is performed in which the effluent flowing out from the fuel cell is supplied downstream from the desulfurization means via the circulation means.
As a result, the inert gas is circulated by being supplied downstream from the desulfurization means by the circulation means in a state where the inert gas is supplied and the inert gas flows out from the fuel cell as an effluent. There is no need to supply the inert gas, it is sufficient to supply the inert gas at a minimum, and the inert gas can be reused with a simple configuration in which the supplied inert gas is returned, and the inert gas is stable. Thus, an efficient operation stop purge can be obtained, and an efficient operation can be provided.
そして、本発明では、前記循環工程は、前記燃料電池から流出する前記流出物を気液分離して気相分を前記脱硫手段より下流側に供給させる構成とすることが好ましい。
この発明では、循環工程で、燃料電池から流出する流出物を気液分離して気相分を脱硫手段より下流側に供給させる。
このことにより、例えば不活性ガスを供給してパージすることにより流出物として流出される発電時の水や液体燃料の気化のための水蒸気由来の水などが分離除去され、ドライな不活性ガスを循環させることが簡単な構成で容易に得られ、水の返送による改質手段の改質処理能力の低下などを防止でき、良好な停止状態が容易に得られる。
And in this invention, it is preferable that the said circulation process sets it as the structure which gas-liquid-separates the said effluent which flows out from the said fuel cell, and supplies a gaseous-phase part downstream from the said desulfurization means.
In the present invention, in the circulation step, the effluent flowing out from the fuel cell is gas-liquid separated to supply the gas phase component downstream from the desulfurization means.
As a result, for example, water at the time of power generation that flows out as effluent by supplying inert gas and purging, water derived from water vapor for vaporization of liquid fuel, and the like are separated and removed, and dry inert gas is removed. Circulation is easily obtained with a simple configuration, and it is possible to prevent a reduction in the reforming capacity of the reforming means due to the return of water, and a good stop state can be easily obtained.
また、本発明では、前記不活性ガスパージ工程は、前記液体燃料の供給を遮断した後に前記不活性ガス供給手段から前記不活性ガスを前記脱硫手段より下流側に所定時間供給させる第1パージ工程と、この第1パージ工程で前記不活性ガスを所定時間供給させた後に所定時間経過後に前記不活性ガス供給手段から前記不活性ガスを前記脱硫手段より下流側に供給させる第2パージ工程と、を実施する構成とすることが好ましい。
この発明では、不活性ガスパージ工程として、液体燃料の供給を遮断した後に不活性ガス供給手段から脱硫手段より下流側に不活性ガスを所定時間供給させる第1パージ工程を実施して所定時間経過後に、不活性ガス供給手段から脱硫手段より下流側に不活性ガスを再供給させる第2パージ工程を実施する。
このことにより、液体燃料の供給中止後に第1パージ工程で不活性ガスのパージにて液体燃料やこの液体燃料由来のガスなどが改質手段などに残留することによる炭化などの不都合を防止し、不活性ガスの供給を一旦中断して、例えば液体燃料を改質させるために気化手段で供給する水蒸気を改質手段へ供給させることで改質手段の迅速な冷却が得られ、改質手段がある程度冷却して水蒸気が水として析出する前となるなどの所定時間経過後に第2パージ工程で不活性ガスを再供給し、水蒸気の残留により水として析出して改質特性の低下などの不都合を防止することができ、迅速で効率よく稼働停止ができる。
In the present invention, the inert gas purge step includes a first purge step of supplying the inert gas from the inert gas supply means to the downstream side of the desulfurization means for a predetermined time after the supply of the liquid fuel is shut off. A second purge step of supplying the inert gas from the inert gas supply means downstream of the desulfurization means after a predetermined time has elapsed after supplying the inert gas for a predetermined time in the first purge step; It is preferable that the configuration be implemented.
In the present invention, as the inert gas purge process, after the liquid fuel supply is shut off, the first purge process is performed in which the inert gas is supplied from the inert gas supply means to the downstream side of the desulfurization means for a predetermined time. Then, a second purge step is performed in which the inert gas is re-supplied downstream from the desulfurization means from the inert gas supply means.
This prevents inconvenience such as carbonization due to the liquid fuel or the gas derived from the liquid fuel remaining in the reforming means in the inert gas purge in the first purge step after the supply of the liquid fuel is stopped, The supply of the inert gas is temporarily interrupted, and for example, by supplying the reforming means with steam supplied by the vaporization means to reform the liquid fuel, the reforming means can be quickly cooled. The inert gas is re-supplied in the second purge step after a predetermined time elapses, for example, after cooling to a certain degree and before water vapor is precipitated as water, and the water vapor is deposited as water due to the remaining water vapor, resulting in a problem such as deterioration in reforming characteristics. Can be prevented, and the operation can be stopped quickly and efficiently.
さらに、本発明では、前記循環工程は、前記第2パージ工程で前記燃料電池から流出する前記流出物を前記脱硫手段より下流側に供給させる構成とすることが好ましい。
この発明では、循環工程では、第2パージ工程で燃料電池から流出する流出物を脱硫手段より下流側に供給させる。
このことにより、第2パージ工程で不活性ガスの供給により燃料電池から流出する流出物は、水蒸気あるいは水蒸気および不活性ガスの混合ガスであることから、水蒸気のみを除去して供給させることで、水が返送されることなく、不活性ガスの使用量が最小限となり、より効率的な運転が得られる。
Furthermore, in the present invention, it is preferable that the circulation step is configured to supply the effluent flowing out from the fuel cell in the second purge step to the downstream side from the desulfurization means.
In the present invention, in the circulation step, the effluent flowing out from the fuel cell in the second purge step is supplied downstream from the desulfurization means.
Thus, since the effluent flowing out of the fuel cell by supplying the inert gas in the second purge step is water vapor or a mixed gas of water vapor and inert gas, by removing only water vapor and supplying it, Without returning water, the amount of inert gas used is minimized, resulting in more efficient operation.
以下、本発明の燃料電池システムに係る一実施の形態について説明する。
なお、本実施の形態では、灯油を利用する燃料電池システムの構成を例示するが、例えば燃料電池に供給する燃料ガスを製造する製造装置などに適用できる。
図1は、本実施の一形態における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
Hereinafter, an embodiment according to the fuel cell system of the present invention will be described.
In the present embodiment, the configuration of a fuel cell system that uses kerosene is exemplified, but the present invention can be applied to, for example, a manufacturing apparatus that manufactures fuel gas supplied to a fuel cell.
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to the present embodiment.
〔燃料電池システムの構成〕
(全体構成)
図1において、100は、燃料電池システムで、この燃料電池システム100は、液体燃料を原料として水素を主成分とする燃料ガスに改質し、燃料電池170により発電させるシステムである。
この燃料電池システム100は、液体燃料供給手段110と、脱硫手段120と、気化手段130と、改質手段140と、酸素含有気体供給手段150と、加湿器160と、燃料電池170と、不活性ガス供給手段180と、循環手段190と、などを備えている。
[Configuration of fuel cell system]
(overall structure)
In FIG. 1,
The
液体燃料供給手段110は、液体燃料貯溜タンク111と、液体燃料供給経路112と、を備えている。
液体燃料貯溜タンク111は、例えば灯油などの液体燃料111Aを流出可能に貯溜する。ここで、液体燃料111Aとしては、灯油に限らず、例えば軽油やナフサなど、各種液体燃料が利用できる。
液体燃料供給経路112は、液体燃料貯溜タンク111に接続され、液体燃料貯溜タンク111に貯溜する液体燃料111Aを流通させる。この液体燃料供給経路112は、液体燃料ポンプ112Aおよび燃料供給バルブ112Bを有し、一端が液体燃料貯溜タンク111に接続され他端が脱硫手段120に接続された燃料供給管112Cを備えている。そして、液体燃料供給経路112は、液体燃料ポンプ112Aの駆動により液体燃料貯溜タンク111に貯溜する液体燃料111Aを脱硫手段120へ流通させる。
なお、液体燃料供給手段110としては、液体燃料貯溜タンク111を備えた構成に限られるものではなく、例えば、別途設けられた液体燃料貯溜タンク111に接続されこの液体燃料貯溜タンク111に貯溜する液体燃料111Aを流通させる液体燃料供給経路112のみを備えた構成としてもよい。
The liquid
The liquid
The liquid
The liquid fuel supply means 110 is not limited to the configuration provided with the liquid
脱硫手段120は、脱硫器121と、図示しないバッファタンクと、などを備えている。
脱硫器121は、液体燃料貯溜タンク111から液体燃料供給経路112を介して例えば約300[ml/時間]で供給される液体燃料111Aを、液相吸着法により液体燃料111A中に含有される硫黄化合物を吸着除去する脱硫処理を実施する。この脱硫器121は、図示しない、脱硫剤容器と、脱硫加熱手段と、などを備えている。脱硫剤容器は、内部に脱硫剤が充填された略円筒状に形成され、軸方向の一端に液体燃料供給経路112の燃料供給管112Cの他端が接続され液体燃料111Aが流入される図示しない流入口を有し、軸方向の他端にバッファタンクに接続され脱硫剤と接触して流通する液体燃料111Aを流出させる図示しない流出口を有している。そして、脱硫器121は、脱硫剤容器の軸方向が略鉛直方向に沿う状態で、かつ流入口が鉛直方向の下方に向けて開口するとともに流出口が鉛直方向の上方に向けて開口する状態に設置される。すなわち、脱硫器121は、脱硫剤容器の下部から液体燃料111Aが流入され、鉛直方向の上方に向けて流通しつつ上部から流出させる状態に設置される。脱硫加熱手段は、例えば脱硫剤容器の外面に螺旋状に配設されたシーズヒータなどの電気ヒータを備え、脱硫剤容器の外面側から流通する液体燃料111Aを例えば200℃程度に加熱して脱硫処理を促進させる。なお、脱硫器121の外面には、電気ヒータとともに脱硫剤容器の外面を被覆して断熱する断熱材が設けられる。また、電気ヒータは、螺旋状に配設する構成に限らず、例えば脱硫剤容器の長手方向に沿って折り返すように配設するなどしてもよい。
バッファタンクは、脱硫器121で脱硫処理された液体燃料111Aを一時的に貯溜するタンクである。バッファタンクには、貯溜する液体燃料111Aの液量を検出する液量センサが設けられている。この液量センサは、バッファタンクに所定量が貯溜される状態に、液体燃料供給経路112の液体燃料ポンプ112Aの駆動制御のために液量に関する信号を出力する。そして、このバッファタンクの下部には、脱硫燃料バルブ122Aおよび図示しない脱硫燃料ポンプを有した脱硫燃料経路122が接続され、貯溜する脱硫処理後の液体燃料111Aを気化手段130へ供給可能となっている。また、バッファタンクの上部には、気化した液体燃料111Aを排出、例えば改質手段140で燃焼される燃焼ガスとして供給させる図示しない燃焼ガス供給経路が接続されている。
The desulfurization means 120 includes a
The
The buffer tank is a tank that temporarily stores the
気化手段130は、脱硫手段120の脱硫燃料経路122に接続され、脱硫手段120から供給される脱硫処理後の液体燃料111Aを気化させる。この気化手段130は、気化器131と、熱交換装置132と、給水経路133と、などを備えている。
気化器131は、脱硫燃料経路122に接続され液体燃料111Aが供給されるとともに、熱交換装置132に接続され熱交換装置132から水蒸気が供給される。そして、気化器131は、液体燃料111Aおよび水蒸気を適宜混合して気化、すなわち原料ガスである気化液体燃料を生成させる。この気化器131は、改質手段140に接続され、水蒸気が混合されて気化した液体燃料111Aである気化液体燃料を改質手段140へ供給する。
熱交換装置132は、改質手段140に接続され、改質手段140から排気される排ガスを冷却させるとともに排ガスと熱交換させる水から水蒸気を生成させ、生成した水蒸気を気化器131へ供給させる。具体的には、熱交換装置132には、純水133Aを貯溜する純水タンク133Bが搬送ポンプ133Cおよび搬送バルブ133Dを有した給水経路133を介して接続され、純水タンク133Bから純水133Aが供給される。この純水133Aが改質手段140からの排ガスと熱交換されて水蒸気として気化器131に供給される。なお、純水タンク133Bは、蒸留水などの不純物を含まない純水133Aを貯溜し、例えば水道水などが浄化されて適宜給水される構成が設けられていてもよい。
The vaporization means 130 is connected to the
The
The
改質手段140は、気化手段130により水蒸気が混合されて気化された気化液体燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する。この改質手段140は、改質器141と、CO変成器142と、CO選択酸化器143と、などを備えている。
改質器141は、内部に図示しないニッケル触媒などの改質触媒および加熱装置としてのバーナ141Aを備えている。バーナ141Aには、液体燃料貯溜タンク111に接続され搬送ポンプ144Aを有し液体燃料貯溜タンク111に貯溜する液体燃料111Aを搬送する燃料搬送経路144が接続されている。また、バーナ141Aには、送気ブロワ145Aおよび送気バルブ145Bを有した送気経路145が接続され、送気ブロワ145Aの駆動により燃焼用空気が供給される。さらに、バーナ141Aには、詳細は後述する燃料電池170に接続され開閉バルブ146Aを有し燃料電池170から排出される流出物である燃料ガスを排出する返送手段としての燃料ガス供給経路146が接続されている。そして、バーナ141Aは、送気ブロワ145Aから供給される空気により、燃料搬送経路144を介して供給された液体燃料111Aおよび燃料ガス供給経路146を介して供給された燃料ガスを燃焼させ、改質器141に供給された気化液体燃料を水素リッチの燃料ガスに水蒸気改質する。このバーナ141Aの燃焼による高温の排ガスは、気化手段130の熱交換装置132に供給され、純水133Aとの熱交換により冷やされて外気中に排気される。
CO変成器142は、改質器141から流出する水素リッチの燃料ガス中に含まれる一酸化炭素(CO)を変成する。
CO選択酸化器143は、酸化ブロワ143Aが接続されて空気が供給される。そして、CO選択酸化器143は、供給される空気中の酸素により、CO変成器142で変成されずに残留するCOを二酸化炭素(CO2)に酸化させ、燃料ガス中のCOを除去する。
なお、CO変成器142およびCO選択酸化器143は、改質器141と一体構成としてもよい。また、これらCO変成器142およびCO選択酸化器143の他、COを吸着除去するなどの装置を設けるなどしてもよい。
The reforming
The
The
The CO
Note that the
酸素含有気体供給手段150は、酸素含有気体として例えば空気を燃料電池170へ供給する。
具体的には、酸素含有気体供給手段150は、ブロワ151と、一端がブロワ151に接続され他端が加湿器160に接続された空気供給管152と、この空気供給管152に設けられた空気バルブ153と、を備えている。そして、ブロワ151の駆動により、空気供給管152を介して空気を加湿器160へ供給する。
The oxygen-containing gas supply means 150 supplies, for example, air to the
Specifically, the oxygen-containing gas supply means 150 includes a
加湿器160は、第1加湿部161と、第2加湿部162と、を有している。
第1加湿部161は、燃料ガスバルブ163Aを有した燃料ガス供給経路163を介して改質手段140のCO選択酸化器143に接続され、改質手段140で改質された水素リッチの燃料ガスを、例えば60〜70℃程度に調整しつつ例えば純水タンク133Bから供給される純水133Aにて加湿する。そして、第1加湿部161は、加湿した燃料ガスを燃料電池170へ供給する。
第2加湿部162は、酸素含有気体供給手段150の空気供給管152が接続され、供給される空気を例えば60〜70℃に加熱しつつ純水タンク133Bから供給される純水133Aにて加湿する。そして、第2加湿部162は、加湿した空気を燃料電池170へ供給する。
また、燃料ガス供給経路163は、燃料ガスバルブ163Aより上流側の位置で、バイパス経路165が接続されている。このバイパス経路165は、切替バルブ165Aを有し、燃料ガス供給経路146における開閉バルブ146Aより下流側に接続されている。そして、バイパス経路165は、燃料ガス供給経路163を流通する燃料ガスを、燃料ガス供給経路146を介して改質器141のバーナ141Aへ供給する。
The
The
The
The fuel
燃料電池170は、水素と酸素とを反応させて直流電力を発生させる。この燃料電池170は、例えば固体高分子型燃料電池で、正極171と、負極172と、正極171および負極172間に配設された図示しない高分子電解質膜と、を備えている。そして、正極171側には、加湿器160で加湿された空気が供給され、負極172側には加湿器160で加湿された水素リッチの燃料ガスが供給される。そして、燃料ガスの水素と空気中の酸素とが反応して水(純水133A)が生成されるとともに、正極171および負極172間に直流電力が発生する。
そして、負極172側は、上述したように改質器141のバーナ141Aに燃料ガス供給経路146を介して接続され、余った水素分をバーナ141Aの燃料として供給する。また、正極171側には、分離器175が接続されている。この分離器175には、正極171側から反応に利用された空気が供給され、気相分の空気と液相分の水(純水133A)とに分離する。なお、分離した空気は、外気に排気される。そして、分離器175には、純水タンク133Bが接続され、分離した水(純水133A)を純水タンク133Bへ供給する。
また、燃料電池170には、冷却装置177が設けられている。この冷却装置177は、燃料電池170に付設された熱回収装置177Aが設けられている。この熱回収装置177Aには、冷却水循環ポンプ178Aおよび熱交換器178Bを備えた冷却水循環経路178を介して純水タンク133Bが接続されている。そして、冷却装置177は、冷却水循環ポンプ178Aの駆動により、熱回収装置177Aと純水タンク133Bとの間で冷却水となる純水133Aを冷却水循環経路178で循環させ、発電に伴って発熱する燃料電池170を冷却させるとともに熱を回収する。熱交換器178Bは、循環され熱回収装置177Aで熱を回収した純水133Aと、例えば水道水などと熱交換させる。この熱交換により温められた水道水は、例えばお風呂などの他の設備に直接供給されて有効利用される。なお、水道水との熱交換の他、熱交換により得られる熱から発電させるなど、他の設備などに有効利用してもよい。
The
The
The
不活性ガス供給手段180は、燃料電池システム100の稼働停止の際に不活性ガスを供給して不活性ガスにて燃料電池システム100内を置換・充填、すなわちパージさせる。この不活性ガス供給手段180は、不活性ガスタンク181と、不活性ガス供給経路182と、を備えている。
不活性ガスタンク181は、不活性ガスとして例えば窒素ガスを流出可能に貯蔵する。ここで、不活性ガスとしては、窒素ガスに限らず、アルゴンガスなど、各種不活性ガスが利用できる。
不活性ガス供給経路182は、不活性ガスタンク181に接続され、不活性ガスタンク181に貯蔵された不活性ガスを流通させ脱硫手段120の下流側に供給してパージさせる。具体的には、不活性ガス供給経路182は、不活性ガスバルブ182Aを有し、上流側が不活性ガスタンク181に接続された不活性ガス供給管182Bを備えている。また、不活性ガス供給管182Bの下流側は、第1供給管182Cおよび第2供給管182Dに分岐されている。そして、第1供給管182Cは、第1バルブ182C1を有し、下流端が脱硫手段120の下流側で気化手段130の気化器131より上流側、すなわち脱硫燃料経路122における脱硫燃料バルブ122Aより下流側に接続されている。また、第2供給管182Dは、第2バルブ182D1を有し、下流端が燃料ガス供給経路163における燃料ガスバルブ163Aより下流側で加湿器160の第1加湿部161より上流側に接続されている。さらに、第1供給管182Cには、第1バルブ182C1より下流側に位置して、第3供給管182Eが接続されている。この第3供給管182Eは、第3バルブ182E1を有し、燃料搬送経路144における搬送ポンプ144Aより下流側でバーナ141Aより上流側、特に搬送ポンプ144Aの駆動を停止して液体燃料111Aの供給を停止した際に燃料搬送経路144中に残留し改質器141の熱により液体燃料111Aが気化してしまう位置より上流側に接続されている。
The inert
The
The inert
循環手段190は、燃料電池170に接続され、燃料電池170から流出する流出物、すなわち燃料電池170から排出される燃料ガスや不活性ガスなどを脱硫手段120より下流側に供給する。この循環手段190は、循環経路191と、貯溜手段192と、循環ブロワ193と、を備えている。
循環経路191は、循環バルブ191Aを有し、一端が燃料電池170の負極172側に接続すなわち燃料ガス供給経路146における開閉バルブ146Aより上流側に接続され、他端が脱硫手段120より下流側に接続すなわち不活性ガス供給経路182の第1供給管182Cにおける第1バルブ182C1より上流側に接続され、燃料電池170の負極172から流出される流出物を脱硫手段120の下流側で気化器131より上流側へ供給させる。
貯溜手段192は、循環経路191に設けられ、燃料電池170の負極172から流出される流出物を貯溜する。この貯溜手段192には、気液分離手段192Aが設けられている。気液分離手段192Aは、負極172から循環経路191を流通し貯溜手段192に流入した流出物を気液分離する。具体的には、気液分離手段192Aは、貯溜手段192を構成する図示しない貯溜タンクに設けられ、流出物中の液相分である水(純水133A)のみを純水タンク133Bへ流過させる図示しないドレントラップと、流出物中の気相分のみを循環経路191の下流側へ流通させるベントトラップとを備えている。
循環ブロワ193は、循環経路191における貯溜手段192より下流側に設けられ、駆動により貯溜手段192に貯留された気相分を脱硫手段120より下流側へ供給させる。
The circulation means 190 is connected to the
The
The
The
そして、燃料電池システム100は、システム全体の動作を制御する図示しない制御装置を備えている。
この制御装置は、液体燃料111Aの流量制御、脱硫器121の脱硫加熱手段の加熱条件である電気ヒータへ供給する電力制御、改質器141のバーナ141Aの燃焼制御、熱交換装置132で水蒸気を生成させるための純水133Aの供給量制御や温度管理、発電量の管理、不活性ガスのパージ処理などを実施する。
The
This control device controls the flow rate of the
〔燃料電池システムの動作〕
次に、上述した燃料電池システム100における動作について、図面を参照して説明する。
[Operation of fuel cell system]
Next, the operation in the
(起動処理)
まず、燃料電池システム100における動作として、起動時の動作である起動処理について、図2を参照して説明する。
図2は、起動処理の制御動作を示すフローチャートである。
(Start process)
First, as an operation in the
FIG. 2 is a flowchart showing the control operation of the startup process.
まず、制御装置は、発電要求に関する信号を取得すると、各バルブが閉状態であることを確認、すなわち液体燃料供給経路112の燃料供給バルブ112B、脱硫燃料経路122の脱硫燃料バルブ122A、不活性ガス供給管182Bの不活性ガスバルブ182A、第1供給管182Cの第1バルブ182C1、第2供給管182Dの第2バルブ182D1、循環経路191の循環バルブ191A、給水経路133の搬送バルブ133D、酸素含有気体供給手段150の空気バルブ153、送気経路145の送気バルブ145B、燃料ガス供給経路146の開閉バルブ146A、バイパス経路165の切替バルブ165A、燃料ガス供給経路163の燃料ガスバルブ163A、第3供給管182Eの第3バルブ182E1を閉状態に制御する。なお、発電要求に関する信号としては、利用者によるスイッチの切替操作などの入力操作、現在時刻を計時する計時手段があらかじめ設定された時刻になったことを認識するタイマ制御、電力負荷における電力消費の開始あるいは電力消費の増大などに伴う信号、低下蓄電池の蓄電量の低下に伴う信号などが例示できる。
そして、制御装置は、暖気工程を実施する(ステップS101)。
すなわち、制御装置は、図示しない起動用ヒータを動作させてバーナ141Aを加熱する。また、制御装置は、送気経路145の送気バルブ145Bを開状態にするとともに送気ブロワ145Aを駆動させ、改質器141のバーナ141Aに燃焼用空気を供給させる。さらに、制御装置は、冷却水循環経路178の冷却水循環ポンプ178Aを駆動させ、純水タンク133Bに貯溜する純水133Aを、冷却装置177、熱交換器178Bおよび純水タンク133Bで循環させる。
First, when the control device acquires a signal relating to a power generation request, it confirms that each valve is closed, that is, the
And a control apparatus implements a warm-up process (step S101).
That is, the control device operates a starting heater (not shown) to heat the
このステップS101における暖気工程の後、制御装置は、バーナ141Aの温度状態を確認する(ステップS102)。そして、制御装置は、バーナ141Aがある程度の温度に暖まったことを認識すると、燃料搬送経路144の搬送ポンプ144Aを駆動させ、液体燃料貯溜タンク111に貯溜する液体燃料111Aをバーナ141Aに供給するとともに、バーナ141Aの図示しない点火器を動作させ、液体燃料111Aを燃焼させて改質器141を加熱する。
さらに、制御装置は、バーナ141Aの火炎の温度を検知する。そして、制御装置は、バーナ141Aの火炎検知温度が所定の温度に達したことを認識すると(ステップS103)、改質手段140の改質器141、CO変成器142およびCO選択酸化器143の各温度が所定の温度に達したか否かを検出する。この後、制御装置は、改質手段140がそれぞれ所定の温度に達したことを認識すると(ステップS104)、改質工程を実施する(ステップS105)。
After the warm-up process in step S101, the control device confirms the temperature state of
Further, the control device detects the flame temperature of the
すなわち、ステップS105の改質工程では、制御装置は、給水経路133の搬送バルブ133Dおよび循環経路191の循環バルブ191Aを開状態とするとともに、気化手段130の給水経路133の搬送ポンプ133Cを駆動させ、純水タンク133Bに貯溜する純水133Aを熱交換装置132へ供給する。この純水133Aの供給により、熱交換装置132で改質器141からの排ガスとの熱交換により水蒸気が生成されて気化器131へ供給される。この気化器131への水蒸気の供給により、水蒸気が改質手段140へ供給され、起動前に改質手段140に充填されていた不活性ガスなどが循環経路191の貯溜手段192に流入される。なお、この状態では、燃料ガスバルブ163Aは開状態に、切替バルブ165Aおよび開閉バルブ146Aは閉状態に制御する。
この不活性ガスの流入により、不活性ガスは貯溜手段192に貯溜され、混入する水蒸気は放熱により水(純水133A)として回収される。
そして、制御装置は、水蒸気を供給して所定時間、例えば不活性ガスのほぼ全量が循環経路191へ流入される時間が経過後、循環バルブ191Aを閉状態にするとともに、燃料ガス供給経路146の開閉バルブ146Aを開状態にし、供給する水蒸気がバーナ141Aへ供給される状態に切り替える。
また、制御装置は、脱硫手段120の脱硫燃料経路122の脱硫燃料バルブ122Aを開状態とするとともに図示しない脱硫燃料ポンプを駆動させ、脱硫手段120のバッファタンクに貯溜する脱硫処理された液体燃料111Aを気化手段130の気化器131へ供給させる。この気化器131への液体燃料111Aの供給により、熱交換装置132から気化器131へ供給される水蒸気と混合されて気化され気化液体燃料として改質手段140の改質器141へ供給される。
さらに、制御装置は、液体燃料供給経路112の燃料供給バルブ112Bを開状態とするとともに液体燃料ポンプ112Aを駆動させ、液体燃料貯溜タンク111に貯溜する液体燃料111Aを脱硫手段120の脱硫器121へ燃料供給管112Cを介して供給させる。この液体燃料111Aの脱硫器121への供給により、液体燃料111Aは、脱硫剤との接触により含有される硫黄化合物が吸着除去され、バッファタンクへ流入される。
さらに、制御装置は、燃料ガスバルブ163Aを閉状態とし、バイパス経路165の切替バルブ165Aを開状態とし、気化器131から気化液体燃料として供給され改質手段140で改質処理されて流出するガスをバイパス経路165および燃料ガス供給経路146を介して改質器141のバーナ141Aへ供給する。すなわち、改質手段140における気化液体燃料の不安定な改質処理状態で処理された燃料ガスは、改質器141の安定加熱のための燃焼に利用される。
That is, in the reforming process in step S105, the control device opens the
By the inflow of the inert gas, the inert gas is stored in the storage means 192, and the mixed water vapor is recovered as water (
The control device then supplies the water vapor and closes the
Further, the control device opens the
Further, the control device opens the
Further, the control device closes the
このステップS105における改質工程の後、制御装置は、改質手段140における改質処理のための改質器141、CO変成器142およびCO選択酸化器143の各温度などの条件を確認する(ステップS106)。このステップS106で改質処理の条件が満たされたことを認識すると、酸化ブロワ143Aを駆動させてCO選択酸化器143へ空気を供給する。この空気の供給により、CO変成器142で変成されずに残留するCOを二酸化炭素(CO2)に酸化させ、燃料ガス中のCOを除去させる。
そして、ステップS106における改質処理条件の確認後、改質手段140が安定したか否か、例えば安定する時間が経過したか否かを判断する。そして、制御装置は、改質手段140の安定時間が経過したことを認識すると(ステップS107)、発電工程(OCV工程)を実施する(ステップS108)。
After the reforming process in step S105, the control device confirms conditions such as the temperatures of the
Then, after checking the reforming process conditions in step S106, it is determined whether or not the reforming
すなわち、制御装置は、酸素含有気体供給手段150の空気バルブ153を開状態とするとともにブロワ151を駆動させ、空気を加湿器160の第2加湿部162へ供給させる。さらに、加湿器160の第2加湿部162で空気を例えば60〜70℃に加熱しつつ純水タンク133Bから供給される純水133Aにて加湿する。そして、第2加湿部162で加湿した空気を燃料電池170の正極171へ供給させる。
さらに、制御装置は、バイパス経路165の切替バルブ165Aを閉状態とするとともに、燃料ガス供給経路163の燃料ガスバルブ163Aを開状態とし、改質手段140で改質された水素リッチの燃料ガスを、加湿器160の第1加湿部161へ供給させる。さらに、加湿器160の第1加湿部161で燃料ガスを例えば60〜70℃に調整しつつ純水タンク133Bから供給される純水133Aにて加湿する。そして、第1加湿部161で加湿した燃料ガスを燃料電池170の負極172へ供給させる。
これら加湿器160からの加湿された空気および燃料ガスの供給により、燃料電池170では供給された燃料ガスの水素と供給された空気中の酸素とが反応して水(純水133A)を生成させるとともに、正極171および負極172間に直流電力を発生させる。そして、制御装置は、燃料電池170で発生する直流電力の電圧を確認し(ステップS109)、発生した直流電力を制御装置の図示しないインバータを介して交流電力に変換させ、電力負荷へ供給させる(ステップS110)。具体的には、外部からの商用交流電源を供給する状態から燃料電池システム100から家庭用電力として供給させる状態に切り替える。
このようにして、所定の電圧で発電されたことを認識することで(ステップS111)、定常運転処理に移行する(ステップS112)。すなわち、液体燃料111Aの流量制御、脱硫器121の脱硫加熱手段の加熱条件である電気ヒータへ供給する電力制御、改質器141のバーナ141Aの燃焼制御、熱交換装置132で水蒸気を生成させるための純水133Aの供給量制御や温度管理、発電量の管理など、燃料電池システム100全体の運転状態を制御する。
That is, the control device opens the
Further, the control device closes the switching
By supplying humidified air and fuel gas from the
In this manner, by recognizing that power is generated at a predetermined voltage (step S111), the routine proceeds to steady operation processing (step S112). That is, to control the flow rate of the
(停止処理)
次に、燃料電池システム100における動作として、停止時の動作である停止処理について、図3を参照して説明する。
図3は、停止処理の制御動作を示すフローチャートである。
(Stop processing)
Next, as an operation in the
FIG. 3 is a flowchart showing the control operation of the stop process.
まず、制御装置は、停止要求に関する信号を取得すると、停止工程を実施する(ステップS201)。この停止要求に関する信号としては、利用者によるスイッチの切替操作などの入力操作、現在時刻を計時する計時手段があらかじめ設定された時刻になったことを認識するタイマ制御、電力負荷における電力消費の低下あるいは停止に伴う信号、蓄電池の蓄電量の低下に伴う信号などが例示できる。
すなわち、制御装置は、燃料電池170で発電している電力負荷への供給を遮断し、例えば商用交流電源を供給する状態に切り替える。また、制御装置の図示しないインバータをオフする。そして、制御装置は、燃料ガス供給経路163の燃料ガスバルブ163Aを閉状態とするとともに加湿器160を停止させ、改質手段140で改質された水素リッチの燃料ガスの加湿器160を介した燃料電池170への供給を停止する。さらに、制御装置は、脱硫手段120の脱硫燃料経路122の脱硫燃料バルブ122Aを閉状態とするとともに図示しない脱硫燃料ポンプの駆動を停止させ、脱硫手段120のバッファタンクに貯溜する脱硫処理された液体燃料111Aの気化器131への供給を遮断する。また、制御装置は、液体燃料供給経路112の燃料供給バルブ112Bを閉状態とするとともに液体燃料ポンプ112Aの駆動を停止させ、液体燃料貯溜タンク111に貯溜する液体燃料111Aの脱硫器121への供給を停止する。
First, when the control device acquires a signal related to a stop request, the control device performs a stop process (step S201). Signals related to this stop request include input operations such as switch switching operations by the user, timer control for recognizing that the time measuring means for measuring the current time has reached a preset time, and a reduction in power consumption at the power load Or the signal accompanying a fall, the signal accompanying the fall of the electrical storage amount of a storage battery, etc. can be illustrated.
That is, the control device cuts off the supply to the power load generated by the
このステップS201における停止工程の後、制御装置は、第1パージ工程を実施する(ステップS202)。
すなわち、制御装置は、不活性ガス供給経路182の不活性ガスバルブ182A、第1バルブ182C1、第2バルブ182D1および第3バルブ182E1を開状態にし、不活性ガスタンク181に貯蔵された不活性ガスを脱硫手段120の下流側に供給するとともに、バイパス経路165の切替バルブ165Aを開状態にする。
詳細には、不活性ガス供給管182Bおよび第1供給管182Cを介して、脱硫燃料経路122における脱硫燃料バルブ122Aおよび気化器131に不活性ガスを供給させる。この不活性ガスの供給により、気化器131で水蒸気と混合された不活性ガスが改質手段140へ流入し、改質手段140に残留する気化液体燃料や燃料ガスなどの改質ガスがバイパス経路165を介してバーナ141Aへ押し出されるように流過し、不活性ガスが改質器141、CO変成器142およびCO選択酸化器143に順次流入して置換する状態となる。
また、不活性ガス供給管182Bおよび第2供給管182Dを介して、燃料ガス供給経路163における燃料ガスバルブ163Aおよび加湿器160の第1加湿部161間に不活性ガスを供給させる。この供給により、第1加湿部161および燃料電池170の負極172に残留する燃料ガスが燃料ガス供給経路146を介してバーナ141Aへ押し出されるように流過し、不活性ガスが第1加湿部161および燃料電池170の負極172に順次流入して置換する状態となる。
さらに、第1供給管182Cおよび第3供給管182Eを介して、燃料搬送経路144における搬送ポンプ144Aより下流側に不活性ガスを供給させる。この不活性ガスの供給により、燃料搬送経路144の搬送ポンプ144Aより下流側に残留する液体燃料111Aがバーナ141Aに押し出されて燃焼される状態となり、不活性ガスが燃料搬送経路144の搬送ポンプ144Aより下流側およびバーナ141Aに順次流入して置換する状態となる。このことにより、余熱により残留する液体燃料111Aの固化、焼き付きなどを防止できる。
After the stop process in step S201, the control device performs a first purge process (step S202).
That is, the control device opens the
Specifically, the inert gas is supplied to the
In addition, the inert gas is supplied between the
Further, the inert gas is supplied to the downstream side of the
そして、制御装置は、不活性ガスの1回目のパージが完了したか否か、例えば不活性ガスの供給を開始してから所定時間が経過したか否かを判断する。そして、制御装置は、所定時間が経過(ステップS203)、すなわち気化器131から燃料電池170の負極172までに改質ガスや燃料ガスが除去されたことを認識すると、不活性ガスの供給を中断する。すなわち、制御装置は、不活性ガス供給経路182の不活性ガスバルブ182A、第1バルブ182C1、第2バルブ182D1および第3バルブ182E1を閉状態とする。
この状態では、改質器141は、まだ比較的に高温であることから、熱交換装置132で水蒸気が生成されて気化器131に供給され、改質手段140に流入する状態となっている。すなわち、第1パージ工程でパージした不活性ガスが水蒸気により押し出されるように、バイパス経路165を介してバーナ141Aへ流過し、水蒸気により改質手段140から燃料電池170の負極172がパージされる状態となる。なお、この状態では、燃料ガスバルブ163Aを開状態に制御する。
この水蒸気の改質手段140への流入により、改質手段140、特に改質器141の冷却が早まる。なお、この水蒸気パージにおいて、不活性ガスをバーナ141Aに流過させず、循環手段190へ流入させ貯溜手段192で回収する構成としてもよい。
そして、制御装置は、この水蒸気パージが所定時間長で実施されたか否かを判断し、所定時間長の水蒸気パージを実施した旨を認識すると(ステップS204)、気化手段130の給水経路133の搬送バルブ133Dを閉状態とするとともに搬送ポンプ133Cの駆動を停止させ、熱交換装置132への純水133Aの供給を停止させる。この純水133Aの供給停止により、水蒸気の発生が停止され、水蒸気パージが停止される。
Then, the control device determines whether or not the first purge of the inert gas is completed, for example, whether or not a predetermined time has elapsed since the start of the supply of the inert gas. When the control device recognizes that the predetermined time has elapsed (step S203), that is, that the reformed gas or fuel gas has been removed from the
In this state, the
The inflow of the steam into the reforming
Then, the control device determines whether or not the water vapor purge has been performed for a predetermined time length, and recognizes that the water vapor purge has been performed for a predetermined time length (step S204), transports the
この後、制御装置は、2回目の不活性ガスのパージを実施する。
すなわち、制御装置は、不活性ガス供給経路182の不活性ガスバルブ182Aおよび第1バルブ182C1を開状態にする。また、制御装置は、燃料ガス供給経路146の開閉バルブ146Aを閉状態とするとともに、循環手段190の循環バルブ191Aを開状態にし、循環手段190の循環ブロワ193を駆動させる。このことにより、不活性ガス供給管182Bおよび第1供給管182Cを介して、脱硫燃料経路122における脱硫燃料バルブ122Aおよび気化器131に不活性ガスが供給される。この不活性ガスの供給により、気化器131から燃料電池170の負極172までにパージされている水蒸気は、押し出されるように循環経路191を介して貯溜手段192に流入される。この貯溜手段192に流入した水蒸気は冷却されて水(純水133A)として析出し、貯溜手段192内に滞留される。なお、水蒸気を十分に押し出して燃料電池170の負極172から流出する不活性ガスも循環経路191を介して貯溜手段192に流入し、水蒸気や水(純水133A)が気液分離手段192Aのベントトラップで除去されてから循環ブロワ193にて不活性ガスの供給位置に返送され、循環される。
そして、制御装置は、不活性ガスの2回目のパージが完了したか否か、例えば不活性ガスの供給を開始してから所定時間が経過したか否かを判断する。そして、制御装置は、所定時間が経過(ステップS205)、すなわち不活性ガスが第1供給管182Cへ返送されて循環する状態となったことを認識すると、不活性ガス供給経路182の不活性ガスバルブ182Aの供給を中止させ、既に供給した不活性ガスのみが循環する状態とする。
この後、制御装置は、所定時間が経過、すなわち改質手段140が水蒸気が冷えて水を析出する温度以下まで冷却したことを認識すると、不活性ガスを密封させる。具体的には、制御装置は、第1バルブ182C1、循環バルブ191A、燃料ガス供給経路163の燃料ガスバルブ163A、切替バルブ165Aを閉状態にするとともに、循環ブロワ193の駆動を停止させて不活性ガスの循環を停止させ、気化器131から燃料電池170の負極172までを不活性ガスでパージする。さらに、制御装置は、酸素含有気体供給手段150の空気バルブ153を閉状態にするとともに、ブロワ151の駆動を停止させ、加湿器160の第2加湿部から燃料電池170の正極171への空気の供給を停止させる。そしてさらに、制御装置は、送気経路145の送気バルブ145Bを閉状態にするとともに送気ブロワ145Aの駆動を停止させ、バーナ141Aへの燃焼用空気の供給を停止させ、燃料電池システム100は稼働停止される。
Thereafter, the control device performs a second purge of the inert gas.
That is, the control device opens the
Then, the control device determines whether or not the second purge of the inert gas is completed, for example, whether or not a predetermined time has elapsed since the start of the supply of the inert gas. When the control device recognizes that the predetermined time has elapsed (step S205), that is, the inert gas is returned to the
Thereafter, when the control device recognizes that the predetermined time has elapsed, that is, the reforming means 140 has cooled to a temperature below which the water vapor is cooled and water is deposited, the inert gas is sealed. Specifically, the control device closes the first valve 182C1, the
〔燃料電池システムの作用効果〕
上述したように、上記実施の形態の燃料電池システム100では、脱硫手段120により液体燃料111Aを脱硫して気化手段130で気化させた後に改質手段140で改質し、酸素含有気体供給手段150で供給される空気と燃料電池170で反応させて発電させるシステム構成で、脱硫手段120で脱硫した液体燃料111Aの気化手段130への供給を中止して稼働停止する際に不活性ガス供給手段180により不活性ガスを脱硫手段120より下流側に供給させ、燃料電池170に接続された循環手段190により、不活性ガスの供給により燃料電池170から流出する流出物を脱硫手段120より下流側に供給させている。
このため、燃料電池の原料である液体燃料にてパージすることで改質触媒がコートされて触媒機能が発揮できなくなる液体燃料を原料に用いる構成でも、不活性ガスが供給され不活性ガスが燃料電池170から流出物として流出される状態で循環手段190により脱硫手段120より下流側に供給されることで不活性ガスが循環する状態となり、新たに不活性ガスを供給する必要がなく、不活性ガスを最小限で供給すればよく、供給する不活性ガスを返送させる簡単な構成で、不活性ガスの再利用ができ、不活性ガスによる安定した効率的な稼働停止時のパージができ、効率的な運転を提供できる。
さらには、パージのための不活性ガスの使用量を低減できることから、例えば不活性ガスを充填する不活性ガスタンクへの不活性ガスの充填頻度を低減でき、保守管理も容易となる。このことから、例えば不活性ガスの充填頻度の低下により不活性ガスタンクの交換頻度が低減するとともに小型の不活性ガスタンクを利用でき、家庭用などにも設置できる小型のシステム構成に容易に構築できる。
[Effects of fuel cell system]
As described above, in the
For this reason, even when the liquid fuel that is the raw material of the fuel cell is purged with the liquid fuel and the reforming catalyst is coated and the liquid fuel that cannot perform the catalytic function is used as the raw material, the inert gas is supplied and the inert gas is the fuel. The inert gas is circulated by being supplied downstream from the desulfurization means 120 by the circulation means 190 in the state of being discharged as the effluent from the
Furthermore, since the amount of inert gas used for purging can be reduced, for example, the frequency of filling an inert gas tank filled with an inert gas can be reduced, and maintenance management is facilitated. For this reason, for example, the frequency of replacement of the inert gas tank is reduced due to a decrease in the filling frequency of the inert gas, and a small inert gas tank can be used, so that a small system configuration that can be installed for home use can be easily constructed.
そして、燃料電池170に接続され燃料電池170から流出する流出物を脱硫手段120より下流側に供給させる循環手段190に、流出物を貯留する貯溜手段192を設けている。
このため、不活性ガスによるパージのために多少余剰に不活性ガスを供給した場合でも余剰分を貯溜手段192で回収したり、再起動時に残留する不活性ガスを循環手段190へ流通させて貯溜手段192で回収したりするなど、さらなる不活性ガスの有効利用が容易に得られ、より効率的な運転制御が得られる。
A
For this reason, even when the inert gas is supplied in a somewhat excessive amount for purging with the inert gas, the excess is recovered by the storage means 192, or the inert gas remaining at the time of restart is circulated to the circulation means 190 for storage. Further effective utilization of the inert gas such as recovery by
また、不活性ガスのパージにより燃料電池170から流出する流出物を気液分離する気液分離手段192Aを循環手段190に設け、分離した気体を脱硫手段120より下流側へ供給している。
このため、不活性ガスを供給してパージすることにより流出物として流出される発電時の加湿器160による水や燃料電池170における反応生成物である水、液体燃料111Aの気化および水蒸気改質のために混合される水蒸気由来の水などが分離除去され、ドライな不活性ガスを循環させることが簡単な構成で容易に得られ、水の返送による改質手段140の改質処理能力の低下、すなわち触媒機能の低下などを防止でき、良好な停止状態が容易に得られる。
In addition, gas-liquid separation means 192A for gas-liquid separation of the effluent flowing out from the
For this reason, when the inert gas is supplied and purged, water generated by the
さらに、気化手段130として、改質手段140からの排気により熱交換装置132で水蒸気を生成させ、この水蒸気を脱硫手段120で脱硫した液体燃料111Aと気化器131で混合させて気化させる構成とし、循環手段190の気液分離手段192Aで流出物の気液分離により分集した液相分、すなわち水蒸気の原料となる水を熱交換装置132に供給させ、液体燃料111Aを気化させる水蒸気を生成させる。
このため、液体燃料111Aと混合させて燃料電池170で発電させる水素ガスを効率的に生成させるための水蒸気の原料となる水(純水133A)を良好に回収でき、良好な水バランスが得られ、純水133Aの供給を低減あるいは停止でき、より効率的な運転が得られる。
Further, as the vaporization means 130, steam is generated by the
For this reason, water (
また、不活性ガス供給手段180により、脱硫手段120で脱硫した液体燃料111Aの供給中止後に所定時間長で不活性ガスを供給させる第1パージ工程を実施した後、所定時間経過後に不活性ガスを再供給させる第2パージ工程を実施している。
このため、液体燃料111Aの供給中止後に不活性ガスのパージにて液体燃料111Aやこの液体燃料111A由来の改質ガスなどが改質手段140などに残留することによる炭化、焦げ付き、閉塞などの不都合を防止し、不活性ガスの供給を一旦中断して、例えば液体燃料111Aを改質させるために気化手段130で供給する水蒸気を改質手段140に供給させることで改質手段140の迅速な冷却が得られ、改質手段140がある程度冷却して水蒸気が水として析出する前となるなどの所定時間経過後に不活性ガスを再供給し、水蒸気の残留により上述したような水として析出して改質特性の低下などの不都合を防止することができ、迅速で効率よく稼働停止ができる。
Further, the inert gas supply means 180 performs the first purge step of supplying the inert gas for a predetermined time after the supply of the
For this reason, after the supply of the
そして、不活性ガス供給手段180により、気化手段130より上流側で脱硫手段120より下流側に不活性ガスを供給させている。
このため、例えば、液相で液体燃料111Aが脱硫燃料経路122を流通する気化手段130より上流側の部分で、稼働停止のために液体燃料111Aの供給を遮断した際に液体燃料111Aが残留することを防止でき、改質手段140の余熱にて残留する液体燃料111Aが炭化するなどの不都合を防止できる。
The inert gas supply means 180 supplies an inert gas upstream from the vaporization means 130 and downstream from the desulfurization means 120.
For this reason, for example, in the portion upstream of the vaporization means 130 in which the
また、不活性ガス供給手段180により、脱硫手段120より下流側に不活性ガスを供給させるとともに、改質手段140の下流側で燃料電池170より上流側、すなわち燃料ガス供給経路163における燃料ガスバルブ163Aより下流側で加湿器160より上流側に供給させている。
このため、水蒸気由来の水が析出しても不都合を生じない改質手段140より下流側の加湿器160および燃料電池170の領域と、水の残留により改質特性の低下などの不都合を生じる改質手段140側の領域とで、独立して不活性ガスを供給させる構成が得られる。したがって、改質手段140における迅速な冷却のために水蒸気を改質手段140側の領域へ供給させ、この水蒸気を排出させるための不活性ガスの再供給を実施することで不活性ガスの使用量をより低減でき、より効率的な運転が得られる。
Further, the inert gas supply means 180 supplies an inert gas downstream from the desulfurization means 120, and the downstream side of the reforming means 140 is upstream of the
For this reason, the region of the
そして、改質手段140における気化手段130で気化された液体燃料111Aを改質するために加熱するバーナ141Aへ、燃料電池170に接続され燃料電池170から流出する流出物を供給させて燃焼させる燃料ガス供給経路146に、循環手段190を接続して流出物である第2パージ工程で供給した不活性ガスを脱硫手段120の下流側へ供給させる構成としている。
このため、液体燃料111Aの供給を中止して不活性ガスのパージにより燃料電池170から流出する流出物である水素ガスや一酸化炭素などをバーナ141Aで燃焼させてエネルギ効率の向上および一酸化炭素の排気による環境破壊の防止が得られ、迅速な冷却のために水蒸気を改質手段140へ供給させた後に不活性ガスのパージにより燃料電池170から流出する水蒸気や不活性ガス分を循環手段190で回収し、気液分離手段192Aで水蒸気を分離除去してドライな不活性ガスのみを供給して循環させる構成が容易に得られ、良好で効率的な運転が燃料ガス供給経路146から循環手段190を分岐させる簡単な構成で容易に得られる。
The
For this reason, the supply of the
さらに、改質手段140における加熱のためにバーナ141Aで燃焼させる液体燃料をバーナ141Aへ供給する燃料搬送経路144にも、不活性ガスを供給させている。
このことにより、稼働停止時に液体燃料111Aの供給を停止させてバーナ141Aによる加熱を停止させることで、バーナ141Aへ液体燃料111Aを供給する燃料搬送経路144中に残留する液体燃料111Aが不活性ガスにてパージされることとなり、改質手段140の余熱により残留する液体燃料111Aの炭化などの不都合を防止でき、安定した良好な運転が得られる。
Further, an inert gas is also supplied to a
Thus, when the operation is stopped, the supply of the
そして、パージとして、広く利用されている窒素ガスを用いている。
このため、例えば家庭用のシステムとして構築しても、窒素ガスの供給が容易にでき、利用の拡大が容易に得られる。
Then, nitrogen gas that is widely used is used for purging.
For this reason, even if it constructs | assembles as a home system, for example, supply of nitrogen gas can be performed easily and expansion of utilization is obtained easily.
また、制御装置にて統括制御している。
このため、温度、流量、バルブの開閉タイミング、ポンプの駆動停止タイミングなど、比較的に容易に制御でき、例えばソフトウェアによるプログラム制御などにて不活性ガスのパージおよび循環制御の構築も容易で、特に停止・起動が比較的に頻繁に実施される家庭用のシステムとしても、自動制御も容易にできる。
なお、制御装置としては、複数の回路基板にて構成されるなど、1個体の形態に限らず、複数の制御回路がネットワークとして構築されたものなど、各種形態が適用できる。
In addition, overall control is performed by the control device.
For this reason, temperature, flow rate, valve opening / closing timing, pump drive stop timing, etc. can be controlled relatively easily.For example, it is easy to construct inert gas purge and circulation control by software program control etc. Automatic control can be easily performed as a home system in which stop and start are performed relatively frequently.
Note that the control device is not limited to a single form such as a plurality of circuit boards, and various forms such as a structure in which a plurality of control circuits are constructed as a network can be applied.
〔実施の形態の変形例〕
なお、以上に説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的および効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。また、本発明を実施する際における具体的な構造および形状などは、本発明の目的および効果を達成できる範囲内において、他の構造や形状などとしても問題はない。
[Modification of Embodiment]
The aspect described above shows one aspect of the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and within the scope of achieving the objects and effects of the present invention. Needless to say, the modifications and improvements are included in the contents of the present invention. In addition, the specific structure and shape in carrying out the present invention may be used as other structures and shapes within the scope of achieving the object and effect of the present invention.
すなわち、本発明の燃料電池システムとしては、制御装置で統括して運転制御する構成に限らず、例えば脱硫手段120や気化手段130、改質手段140などの構成毎に制御する構成としてもよい。
また、統括制御としてソフトウェアによる信号制御にてバルブの開閉やポンプあるいはブロワの駆動制御を実施する構成としたり、各構成のハードウェアで制御する構成としたりするなど、制御構成としてはいずれの構成が適用できる。
That is, the fuel cell system of the present invention is not limited to a configuration in which the operation is controlled by the control device, but may be configured to be controlled for each configuration of the desulfurization means 120, the vaporization means 130, the reforming means 140, and the like.
In addition, as a control configuration, any configuration can be configured, such as a configuration in which valve opening / closing and pump or blower drive control are performed by software signal control as a general control, or a configuration in which control is performed by hardware of each configuration. Applicable.
そして、液体燃料111Aを加熱して脱硫する構成としたが、例えば加熱することなく常温で脱硫処理する構成を適用することもできる。このような構成では、バッファタンクなどを省略することができ、加熱のためのエネルギ消費の防止もできる。
また、液体燃料111Aの気化としては、水蒸気混合のみならず、例えば改質手段140からの排ガスとの熱交換により直接的に気化させて別途水蒸気を混合したり、エゼクタを用いたりするなど、各種気化装置を用いることができる。
さらに、改質手段140として、改質器141、CO変成器142およびCO選択酸化器143の構成で説明したが、液体燃料から水素リッチガスを生成させるいずれの構成が適用できる。
また、燃料電池170は、固体高分子型に限らず、他の各種構成が適用できる。
And although it was set as the structure which heats and desulfurizes the
Further, vaporization of the
Furthermore, the
Further, the
そして、第2供給管182Dを設けて説明したが、第1供給管182Cのみ設け、改質手段140と加湿器160との間に不活性ガスを供給しなくてもよい。
この構成とすることで、システム構成がより簡略化でき、制御も容易で、システムの構築性がより向上できるとともにより小型化できる。
なお、このような構成の場合には、バイパス経路165を設けなくてもよい。
Although the
With this configuration, the system configuration can be further simplified, the control can be easily performed, the system construction can be further improved, and the size can be further reduced.
In such a configuration, the
また、循環手段190として、貯溜手段192を設けたが、例えば貯溜手段192を設けず、セパレタである分離器175などの気液分離手段192Aのみを設けるなどしてもよい。
さらには、特別に気液分離手段192Aを設けず、例えば循環経路191の配管を断熱させずに放熱する構成として、循環させる際に水蒸気が冷えて水となり、配管に設けたドレンにて分離させるなどしてもよい。
Further, although the
Furthermore, the gas-liquid separation means 192A is not provided, and, for example, as a configuration that dissipates heat without insulating the piping of the
そして、不活性ガスのパージとして、例えば第1パージ工程を実施せず、単に水蒸気のみを供給させた後に本発明の不活性ガスの供給である第2パージ工程を実施させるのみとしてもよい。
なお、この場合には、気化手段130より上流側で、改質手段140からの余熱が伝わらないようにしたり、滞留する液体燃料111Aを液体燃料貯溜タンク111へ返送させるなど、残留する液体燃料111Aが炭化するなどの不都合が生じないようにすることが好ましい。
As the inert gas purge, for example, the first purge process may not be performed, and only the water vapor may be supplied and then the second purge process, which is the supply of the inert gas of the present invention, may be performed.
In this case, the remaining
さらに、停止時に、改質手段140から燃料電池170の負極172までをパージする構成について例示したが、以下のような構成とするなどしてもよい。
例えば、停止時に、改質手段140のみをパージする。ここで、改質手段140のみをパージする場合、改質器141のみをパージしてもよいし、さらにCO変成器142やCO選択酸化器143をパージしてもよい。そして、改質工程で、燃料ガスバルブ163Aおよび開閉バルブ146Aを閉状態にするとともに、切替バルブ165Aを開状態にして、水蒸気や改質手段140に充填されていた液体除去ガスなどを燃料電池170の負極172に供給せずに、バーナ141Aのみへ供給して燃焼させる。この後、所定時間、例えば液体除去ガスなどが全て燃焼される時間が経過後、燃焼ガスバルブ163Aおよび開閉バルブ146Aを開状態にする構成としてもよい。なお、燃焼させる他、例えば改質手段140にて所定の温度に達してCOが除去できる状態になるまで別途貯蔵したり、循環させたりするなどしてもよい。
このような改質手段140のみをパージする構成にすれば、起動前に改質手段140に充填されていた液体除去ガスなどに、COが含まれている場合であっても、このCOが燃料電池170の負極172に供給されずに、バーナ141Aで燃焼されるので、負極172の劣化を防止できる。
Furthermore, although the configuration of purging from the reforming means 140 to the
For example, only the reforming means 140 is purged when stopped. Here, when purging only the reforming means 140, only the
If only the reforming means 140 is purged, even if the liquid removal gas or the like charged in the reforming means 140 before starting contains CO, this CO is the fuel. Since it is burned by the
また、制御装置の制御プログラムとして独立して流通させるなどしてもよい。 Moreover, you may distribute | circulate independently as a control program of a control apparatus.
その他、本発明の実施における具体的な構造および形状などは、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造などとしてもよい。 In addition, the specific structure and shape in the implementation of the present invention may be other structures as long as the object of the present invention can be achieved.
本発明は、灯油などの液体燃料を原料として発電させる燃料電池システムにおける不活性ガスの供給によるパージに利用できる。 The present invention can be used for purging by supplying an inert gas in a fuel cell system that generates power using liquid fuel such as kerosene as a raw material.
100……燃料電池システム
111A…液体燃料
120……脱硫手段
122……脱硫燃料経路
130……気化手段
131……気化器
132……熱交換装置
140……改質手段
141A…バーナ
146……返送手段としての燃料ガス供給経路
150……酸素含有気体供給手段
170……燃料電池
180……不活性ガス供給手段
190……循環手段
192……貯溜手段
192A…気液分離手段
DESCRIPTION OF
Claims (13)
この脱硫手段で脱硫した前記液体燃料を原料ガスに気化する気化手段と、
前記原料ガスを燃料ガスに改質する改質手段と、
酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段と、
前記改質手段で改質された前記燃料ガスおよび前記酸素含有気体供給手段によって供給される前記酸素含有気体を利用して発電する燃料電池と、
前記脱硫手段で脱硫した前記液体燃料の前記気化手段への供給を中止して稼働停止する際に不活性ガスを前記脱硫手段より下流側に供給する不活性ガス供給手段と、
前記燃料電池に接続され前記不活性ガス供給手段によって前記不活性ガスが供給されることで前記燃料電池から流出する流出物を前記脱硫手段より下流側に供給する循環手段と、
を具備したことを特徴とした燃料電池システム。 Desulfurization means for desulfurizing liquid fuel;
A vaporization means for vaporizing the liquid fuel desulfurized by the desulfurization means into a raw material gas;
Reforming means for reforming the source gas into fuel gas;
An oxygen-containing gas supply means for supplying an oxygen-containing gas;
A fuel cell that generates power using the fuel gas reformed by the reforming means and the oxygen-containing gas supplied by the oxygen-containing gas supply means;
An inert gas supply means for supplying an inert gas downstream from the desulfurization means when the operation of the liquid fuel desulfurized by the desulfurization means is stopped by stopping supply to the vaporization means;
A circulation unit connected to the fuel cell and supplying the effluent flowing out from the fuel cell to the downstream side of the desulfurization unit when the inert gas is supplied by the inert gas supply unit;
A fuel cell system comprising:
前記循環手段は、前記燃料電池に接続され前記燃料電池から流出する流出物を貯溜する貯溜手段を備えた
ことを特徴とした燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the circulation unit includes a storage unit that is connected to the fuel cell and stores effluent that flows out of the fuel cell.
前記循環手段は、前記流出物を気液分離する気液分離手段を備え、分離した気体を前記脱硫手段より下流側に供給する
ことを特徴とした燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein
The fuel cell system, wherein the circulation means includes gas-liquid separation means for gas-liquid separation of the effluent, and supplies the separated gas downstream from the desulfurization means.
前記気化手段は、前記改質手段からの排気により水蒸気を生成する熱交換装置と、この熱交換装置で生成した前記水蒸気を前記脱硫手段で脱硫した前記液体燃料と混合させて前記原料ガスに気化させる気化器とを備え、
前記気液分離手段は、前記流出物の気液分離により分集した液相分を前記熱交換装置に供給させて前記水蒸気を生成させる
ことを特徴とした燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 3,
The vaporization means mixes the water vapor generated by the exhaust from the reforming means with the liquid fuel desulfurized by the desulfurization means by mixing the water vapor generated by the heat exchange apparatus and vaporizes the raw material gas. With a vaporizer to let
The fuel cell system, wherein the gas-liquid separation unit supplies the liquid phase component collected by gas-liquid separation of the effluent to the heat exchange device to generate the water vapor.
前記不活性ガス供給手段は、前記脱硫手段で脱硫した前記液体燃料の前記気化手段への供給が中止されると所定時間長で前記不活性ガスを供給するとともに、この不活性ガスの所定時間長の供給後の所定時間経過後に前記気化手段における前記熱交換装置から前記気化器への水蒸気の供給を停止させると前記不活性ガスを再供給する
ことを特徴とした燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 4, wherein
The inert gas supply means supplies the inert gas for a predetermined time length when the supply of the liquid fuel desulfurized by the desulfurization means to the vaporization means is stopped, and a predetermined time length of the inert gas. A fuel cell system, wherein the inert gas is resupplied when the supply of water vapor from the heat exchange device to the vaporizer in the vaporizer is stopped after a lapse of a predetermined time after the supply.
前記不活性ガス供給手段は、前記気化手段より上流側で前記脱硫手段より下流側に前記不活性ガスを供給する
ことを特徴とした燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 1 to 5,
The fuel cell system, wherein the inert gas supply means supplies the inert gas upstream from the vaporization means and downstream from the desulfurization means.
前記不活性ガス供給手段は、前記不活性ガスを前記脱硫手段より下流側に供給するとともに前記改質手段の下流側で前記燃料電池より上流側にも供給する
ことを特徴とした燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 1 to 6,
The inert gas supply means supplies the inert gas downstream from the desulfurization means and also supplies the inert gas downstream from the reforming means and upstream from the fuel cell.
前記改質手段は、前記気化手段で気化された前記原料ガスを改質するために加熱するバーナを備え、
前記燃料電池に接続され前記燃料電池から流出する前記流出物を前記バーナへ供給して燃焼させる返送手段を具備し、
前記循環手段は、前記返送手段を介して前記燃料電池に接続された
ことを特徴とした燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 1 to 7,
The reforming means includes a burner that heats to reform the source gas vaporized by the vaporization means,
A return means connected to the fuel cell and supplying the burner flowing out from the fuel cell to the burner for combustion;
The said circulation means is connected to the said fuel cell via the said return means. The fuel cell system characterized by the above-mentioned.
前記バーナは、前記液体燃料を燃焼させて加熱させ、
前記不活性ガス供給手段は、前記バーナに前記液体燃料を供給する経路にも前記不活性ガスを供給する
ことを特徴とした燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 8, wherein
The burner burns and heats the liquid fuel,
The said inert gas supply means supplies the said inert gas also to the path | route which supplies the said liquid fuel to the said burner. The fuel cell system characterized by the above-mentioned.
前記液体燃料を前記脱硫手段から前記気化手段へ供給する脱硫燃料バルブを備えた脱硫燃料経路、不活性ガスを前記脱硫手段より下流側に供給する不活性ガス供給手段、および前記燃料電池に接続され前記燃料電池から流出する流出物を前記脱硫手段より下流側に供給する循環手段を用い、
前記脱硫燃料バルブを切り替えて前記脱硫手段から前記気化手段への前記液体燃料の供給を遮断する燃料供給遮断工程と、
この燃料供給遮断工程で前記液体燃料の供給を遮断した後に前記不活性ガス供給手段から前記不活性ガスを前記脱硫手段より下流側に供給させる不活性ガスパージ工程と、
この不活性ガスパージ工程で前記不活性ガスを供給することで前記循環手段を介して前記燃料電池から流出する前記流出物を前記脱硫手段より下流側に供給させる循環工程と、を実施する
ことを特徴とする燃料電池システムの運転制御方法。 This is an operation control method for a fuel cell system that controls the operating state of a fuel cell system in which liquid fuel is desulfurized by a desulfurization means and then vaporized as a raw material gas by a vaporization means and then reformed by a reforming means and then supplied to the fuel cell to generate power. And
A desulfurization fuel path provided with a desulfurization fuel valve for supplying the liquid fuel from the desulfurization means to the vaporization means, an inert gas supply means for supplying an inert gas downstream from the desulfurization means, and the fuel cell. Using circulation means for supplying the effluent flowing out from the fuel cell to the downstream side of the desulfurization means,
A fuel supply shut-off step of switching the desulfurization fuel valve to shut off the supply of the liquid fuel from the desulfurization means to the vaporization means;
An inert gas purge step of supplying the inert gas downstream from the desulfurization means from the inert gas supply means after shutting off the supply of the liquid fuel in the fuel supply cutoff process;
A circulation step of supplying the inert gas in the inert gas purging step to supply the effluent flowing out of the fuel cell through the circulation means to the downstream side of the desulfurization means. A fuel cell system operation control method.
前記循環工程は、前記燃料電池から流出する前記流出物を気液分離して気相分を前記脱硫手段より下流側に供給させる
ことを特徴とする燃料電池システムの運転制御方法。 An operation control method for a fuel cell system according to claim 10,
In the circulation step, the effluent flowing out from the fuel cell is subjected to gas-liquid separation, and the gas phase component is supplied downstream from the desulfurization means.
前記不活性ガスパージ工程は、
前記液体燃料の供給を遮断した後に前記不活性ガス供給手段から前記不活性ガスを前記脱硫手段より下流側に所定時間供給させる第1パージ工程と、
この第1パージ工程で前記不活性ガスを所定時間供給させた後に所定時間経過後に前記不活性ガス供給手段から前記不活性ガスを前記脱硫手段より下流側に供給させる第2パージ工程と、を実施する
ことを特徴とする燃料電池システムの運転制御方法。 An operation control method for a fuel cell system according to claim 10 or 11,
The inert gas purge step includes:
A first purge step of supplying the inert gas from the inert gas supply means to the downstream side of the desulfurization means for a predetermined time after shutting off the supply of the liquid fuel;
A second purge step of supplying the inert gas from the inert gas supply means downstream of the desulfurization means after a predetermined time has elapsed after supplying the inert gas for a predetermined time in the first purge step; An operation control method for a fuel cell system.
前記循環工程は、前記第2パージ工程で前記燃料電池から流出する前記流出物を前記脱硫手段より下流側に供給させる
ことを特徴とした燃料電池システムの運転制御方法。 An operation control method for a fuel cell system according to claim 12,
In the circulation step, the effluent flowing out from the fuel cell in the second purge step is supplied downstream from the desulfurization means.
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