JP2008269887A - Fuel cell system - Google Patents

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Hiroki Ogawara
裕記 大河原
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Toyota Motor Corp
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Aisin Seiki Co Ltd
Toyota Motor Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately estimate a degree of conversion without increasing cost independent of a catalyst state in a reforming part in a fuel cell system. <P>SOLUTION: The fuel cell system is equipped with a fuel cell generating electric power with supplied fuel gas and oxidant gas; a reforming part producing fuel gas including hydrogen by reforming fuel for reforming supplied with a fuel pump; and a combustion part to which only anode offgas from a fuel electrode of the fuel cell is supplied and burning anode offgas with air for combustion, and heating the reforming part with combustion gas in steady operation. The fuel cell system detects ion current correlating with fuel amount for reforming in the anode offgas supplied to the combustion part and burned (step 108), and a degree of conversion representing a ratio converted to hydrogen out of fuel for reforming supplied to the reforming part is estimated based on ion current being detected with an ion current detecting means (step 110). <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

燃料電池システムの一形式として、特許文献1に示されているものが知られている。特許文献1の図11に示されているように、燃料電池システムにおいて、改質装置8の改質触媒充填層の温度を測定する改質装置触媒充填層温度測定用温度センサ6と、この改質装置触媒充填層温度測定用温度センサ6からの温度検出信号を受け、改質装置触媒充填層温度測定用温度センサ6により検出された改質装置触媒充填層温度を予め決められた改質装置触媒充填層温度と改質装置8のメタン転化率の関係の照合データと照合することによって改質装置8の劣化状態を診断する(ステップS4)。そして、メタン転化率の下限値に至るまでの期間、あるいは改質触媒の劣化量の上限値に至るまでの期間を計算する(ステップS5)。そして、これによって求められたメタン転化率の下限値に至るまでの期間、あるいは改質触媒の劣化量の上限値に至るまでの期間に基づいて、改質触媒の取替時期を判定する(ステップS6)。   As one type of fuel cell system, one shown in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 11 of Patent Document 1, in the fuel cell system, the reformer catalyst packed bed temperature measuring temperature sensor 6 for measuring the temperature of the reformed catalyst packed bed of the reformer 8, and the modified sensor. A reformer having a predetermined reformer catalyst packed bed temperature detected by the reformer catalyst packed bed temperature measuring temperature sensor 6 in response to a temperature detection signal from the temperature sensor 6 for measuring the catalyst packed bed temperature. The degradation state of the reformer 8 is diagnosed by collating it with collation data on the relationship between the catalyst packed bed temperature and the methane conversion rate of the reformer 8 (step S4). Then, a period until reaching the lower limit value of the methane conversion rate or a period until reaching the upper limit value of the deterioration amount of the reforming catalyst is calculated (step S5). Then, the reforming catalyst replacement timing is determined based on the period until reaching the lower limit value of the methane conversion rate thus obtained, or the period until reaching the upper limit value of the deterioration amount of the reforming catalyst (step) S6).

他の一形式として、特許文献2に示されているものが知られている。特許文献2の図1に示されているように、燃料電池システムにおいて、炭化水素センサ22によって生成ガスGに含まれる炭化水素の濃度を検知し、制御部24で原料の転化率を算出する。算出された転化率が99%以下となるようにファン10およびポンプ21の少なくともいずれか1つを制御部24で制御できるので、原料燃料の1%以上の炭化水素をオフガスなどに残留させることができる。また、火炎のイオン電流に基づいて火炎を検知する火炎検知部も設けられている。
特開2000−268840号公報 特開2002−075412号公報
As another format, one shown in Patent Document 2 is known. As shown in FIG. 1 of Patent Document 2, in the fuel cell system, the hydrocarbon sensor 22 detects the concentration of hydrocarbons contained in the product gas G, and the control unit 24 calculates the conversion rate of the raw material. Since at least one of the fan 10 and the pump 21 can be controlled by the control unit 24 so that the calculated conversion rate is 99% or less, hydrocarbons of 1% or more of the raw material fuel can be left in the offgas or the like. it can. A flame detector for detecting a flame based on the ion current of the flame is also provided.
JP 2000-268840 A Japanese Patent Laid-Open No. 2002-075412

上述した特許文献1に記載の燃料電池システムにおいては、改質装置の触媒温度に基づいて転化率を算出し、改質装置8の劣化状態を診断している。しかし、触媒が劣化した場合、触媒の公差があった場合など、算出された転化率に誤差が生じるおそれがあった。また、上述した特許文献2に記載の燃料電池システムにおいては、炭化水素センサ22によって生成ガスGに含まれる炭化水素の濃度を検知し、制御部24で原料の転化率を算出する。しかし、炭化水素センサは一般的に高価な部品であるので、燃料電池システムが高コスト化するという問題があった。   In the fuel cell system described in Patent Document 1 described above, the conversion rate is calculated based on the catalyst temperature of the reformer, and the deterioration state of the reformer 8 is diagnosed. However, when the catalyst is deteriorated or there is a tolerance of the catalyst, an error may occur in the calculated conversion rate. In the fuel cell system described in Patent Document 2 described above, the hydrocarbon sensor 22 detects the concentration of hydrocarbons contained in the product gas G, and the control unit 24 calculates the conversion rate of the raw material. However, since the hydrocarbon sensor is generally an expensive part, there is a problem that the cost of the fuel cell system is increased.

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、改質部の触媒の状況に関係なく、高コスト化を招くことなく、精度よく転化率を推定することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems. In a fuel cell system, the conversion rate can be accurately estimated regardless of the state of the catalyst in the reforming unit without incurring an increase in cost. With the goal.

上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明の構成上の特徴は、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、改質用燃料供給手段によって供給される改質用燃料を改質することにより水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、定常運転中には、燃料電池の燃料極からのアノードオフガスのみが供給されそのアノードオフガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより改質部を加熱する燃焼部と、を備えた燃料電池システムであって、燃焼部の火炎のイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、イオン電流検出手段によって検出されるイオン電流に基づいて、改質部へ供給された改質用燃料のうち水素に改質されたものの比率を示す転化率を推定する転化率推定手段と、を備えたことである。   In order to solve the above problems, the structural feature of the invention according to claim 1 is that a fuel cell for generating electric power by using a fuel gas and an oxidant gas respectively supplied to a fuel electrode and an oxidant electrode, and a fuel supply for reforming A reforming section for generating a fuel gas containing hydrogen by reforming the reforming fuel supplied by the means, and during the steady operation, only the anode offgas from the fuel electrode of the fuel cell is supplied and the anode offgas A fuel cell system comprising: a combustion section that burns with a combustion oxidant gas and heats the reforming section with the combustion gas; an ion current detection means for detecting an ion current of a flame in the combustion section; A conversion rate estimating means for estimating a conversion rate indicating a ratio of the reformed fuel supplied to the reforming unit that has been reformed to hydrogen based on the ion current detected by the current detecting means; It is that it was e.

また請求項2に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、転化率推定手段によって推定される転化率が目標転化率となるように、改質用燃料供給手段を制御して改質用燃料の供給量を制御する改質用燃料供給量制御手段および燃焼部に供給される燃焼用酸化剤ガスの供給量を制御する燃焼用酸化剤ガス供給量制御手段の少なくともいずれか一方をさらに備えたことである。   The invention according to claim 2 is characterized in that the reforming fuel supply means is controlled by the reforming fuel supply means so that the conversion rate estimated by the conversion rate estimation means becomes the target conversion rate. At least one of a reforming fuel supply amount control means for controlling the supply amount of the fuel for combustion and a combustion oxidant gas supply amount control means for controlling the supply amount of the combustion oxidant gas supplied to the combustion section It is to be prepared.

また請求項3に係る発明の構成上の特徴は、請求項1または請求項2において、改質部に供給される改質用燃料の熱量に対する燃料電池で消費された水素の熱量の比率で表されるプロセス効率が最も大きい最適転化率を目標転化率とすることである。   The structural feature of the invention according to claim 3 is represented by the ratio of the heat quantity of hydrogen consumed in the fuel cell to the heat quantity of the reforming fuel supplied to the reforming section in claim 1 or claim 2. The optimum conversion rate with the highest process efficiency is set as the target conversion rate.

また請求項4に係る発明の構成上の特徴は、請求項1乃至請求項3の何れか一項において、転化率推定手段は、燃料電池の出力電力を加味して転化率を推定することである。   According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the conversion rate estimating means estimates the conversion rate in consideration of the output power of the fuel cell. is there.

上記のように構成した請求項1に係る発明においては、定常運転中において、改質部に供給された改質用燃料は、一部が水素に改質され、残りが改質されないで改質用燃料のまま流出される。これら水素および未改質の改質用燃料を含む燃料ガスが燃料電池に供給され、水素が発電で消費される。燃料電池からのアノードオフガス中には、未改質の改質用燃料、未消費の水素などの可燃ガスが含まれている。このアノードガスが燃焼部に供給されて燃焼される。この燃焼部での燃焼においては、燃焼部に改質用燃料などの可燃ガスを別途追加して燃焼する追い炊きは行われていない。いわゆる追い炊きレスである。この追い炊きレスの場合、燃焼部で燃焼されるアノードオフガス中の改質用燃料の量は、改質部で改質されなかった改質用燃料の量と同一である。水素を燃焼した際のイオン電流値は、改質用燃料(天然ガス等の炭化水素)を燃焼した際のイオン電流値に比べて著しく小さい。そのため、イオン電流値は、アノードオフガス中の水素の燃焼熱量の影響をほとんど受けない。したがって、未改質の改質用燃料量しいては転化率をイオン電流値で検知することが可能である。転化率(%)は、(改質部で改質された改質用燃料量/改質部への改質用燃料の供給量)×100、すなわち、100−(改質部で未改質の改質用燃料量/改質部への改質用燃料の供給量)×100で示されるからである。   In the invention according to claim 1 configured as described above, during the steady operation, the reforming fuel supplied to the reforming unit is partly reformed to hydrogen and the rest is reformed without being reformed. The fuel is discharged as is. Fuel gas containing these hydrogen and unreformed reforming fuel is supplied to the fuel cell, and hydrogen is consumed by power generation. The anode off-gas from the fuel cell contains unreformed reforming fuel and unburned hydrogen and other combustible gases. This anode gas is supplied to the combustion section and burned. In the combustion in the combustion section, no additional cooking is performed in which a combustible gas such as reforming fuel is separately added to the combustion section for combustion. This is so-called no additional cooking. In the case of no additional cooking, the amount of reforming fuel in the anode off-gas burned in the combustion section is the same as the amount of reforming fuel that has not been reformed in the reforming section. The ionic current value when hydrogen is burned is significantly smaller than the ionic current value when the reforming fuel (hydrocarbon such as natural gas) is burned. Therefore, the ion current value is hardly affected by the amount of combustion heat of hydrogen in the anode off gas. Therefore, the conversion rate of the unreformed reforming fuel amount can be detected by the ion current value. The conversion rate (%) is (reforming fuel amount reformed in reforming unit / reforming fuel supply amount to reforming unit) × 100, that is, 100− (unreformed in reforming unit) This is because the amount of reforming fuel / the amount of reforming fuel supplied to the reforming section) × 100.

以上のことから、転化率推定手段が、イオン電流検出手段によって検出されるイオン電流に基づいて、改質部へ供給された改質用燃料のうち水素に改質されたものの比率を示す転化率を推定することができる。これにより、炭化水素センサより一般的に安価なイオン電流検出手段によってイオン電流を検出しその検出結果を使用することにより転化率を精度よく推定することができる。したがって、改質部の触媒の状況に関係なく、高コスト化を招くことなく、転化率を精度よく算出することができる。   From the above, the conversion rate estimation means indicates the ratio of the reformed fuel supplied to the reforming unit that has been reformed to hydrogen based on the ion current detected by the ion current detection means. Can be estimated. As a result, the conversion rate can be accurately estimated by detecting the ionic current by the ionic current detecting means which is generally cheaper than the hydrocarbon sensor and using the detection result. Therefore, the conversion rate can be calculated accurately without incurring an increase in cost regardless of the state of the catalyst in the reforming section.

上記のように構成した請求項2に係る発明においては、請求項1に係る発明において、改質用燃料供給量制御手段が、転化率推定手段によって推定される転化率が目標転化率となるように、改質用燃料供給手段を制御して改質用燃料の供給量を制御する。または/および、燃焼用酸化剤ガス供給量制御手段が、転化率推定手段によって推定される転化率が目標転化率となるように、燃焼用酸化剤ガスの供給量を制御する。これにより、転化率を目標転化率に正確かつ高精度に制御することができる。したがって、転化率を安定化させることにより、水素利用率も安定制御でき、ひいては燃料電池システムの安定性を向上させることができる。また、改質用燃料供給手段の流量ばらつきがあっても、転化率・水素利用率をバランスよく安定制御できるので、流量ばらつきが比較的大きい安価な改質用燃料供給手段を使用することができ、燃料電池システムを低コスト化することができる。   In the invention according to claim 2 configured as described above, in the invention according to claim 1, the reforming fuel supply amount control means causes the conversion rate estimated by the conversion rate estimation means to be the target conversion rate. In addition, the supply amount of reforming fuel is controlled by controlling the reforming fuel supply means. Alternatively, the combustion oxidant gas supply amount control unit controls the supply amount of the combustion oxidant gas so that the conversion rate estimated by the conversion rate estimation unit becomes the target conversion rate. As a result, the conversion rate can be accurately and accurately controlled to the target conversion rate. Therefore, by stabilizing the conversion rate, the hydrogen utilization rate can also be stably controlled, and as a result, the stability of the fuel cell system can be improved. In addition, even if there is a variation in the flow rate of the reforming fuel supply means, the conversion rate and hydrogen utilization rate can be stably controlled in a balanced manner, so an inexpensive reforming fuel supply means with a relatively large flow rate variation can be used. The cost of the fuel cell system can be reduced.

上記のように構成した請求項3に係る発明においては、請求項1または請求項2に係る発明において、改質部に供給される改質用燃料の熱量に対する燃料電池で消費された水素の熱量の比率で表されるプロセス効率が最も大きい最適転化率を目標転化率とするので、転化率を目標転化率に制御することで高プロセス効率運転をすることができる。   In the invention according to claim 3 configured as described above, in the invention according to claim 1 or 2, the amount of heat of hydrogen consumed in the fuel cell relative to the amount of heat of the reforming fuel supplied to the reforming section. Since the optimal conversion rate with the largest process efficiency represented by the ratio is the target conversion rate, high process efficiency operation can be performed by controlling the conversion rate to the target conversion rate.

上記のように構成した請求項4に係る発明においては、請求項1乃至請求項3の何れか一項に係る発明において、転化率推定手段は、燃料電池の出力電力を加味して転化率を推定するので、燃料電池の出力電力に応じてより最適な運転を行うことができる。   In the invention according to claim 4 configured as described above, in the invention according to any one of claims 1 to 3, the conversion rate estimation means calculates the conversion rate in consideration of the output power of the fuel cell. Since the estimation is performed, more optimal operation can be performed according to the output power of the fuel cell.

以下、本発明による燃料電池システムの一実施形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池10とこの燃料電池10に必要な水素ガスを含む改質ガス(燃料ガス)を生成する改質装置20を備えている。   Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of this fuel cell system. The fuel cell system includes a fuel cell 10 and a reformer 20 that generates a reformed gas (fuel gas) containing hydrogen gas necessary for the fuel cell 10.

燃料電池10は、燃料極11と酸化剤極である空気極12と両極11,12間に介在された電解質13を備えており、燃料極11に供給された改質ガスおよび空気極12に供給された酸化剤ガスである空気(カソードエア)を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。   The fuel cell 10 includes a fuel electrode 11, an air electrode 12 that is an oxidant electrode, and an electrolyte 13 interposed between the electrodes 11 and 12, and supplies the reformed gas supplied to the fuel electrode 11 and the air electrode 12. Electric power is generated using air (cathode air), which is the oxidant gas. Note that air-enriched gas may be supplied instead of air.

改質装置20は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池10に供給するものであり、改質部21、冷却部22、一酸化炭素シフト反応部(以下、COシフト部という)23および一酸化炭素選択酸化反応部(以下、CO選択酸化部という)24、燃焼部25、および蒸発部26から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、LPGなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。   The reformer 20 steam reforms the reforming fuel and supplies a hydrogen-rich reformed gas to the fuel cell 10. The reformer 20 includes a reforming unit 21, a cooling unit 22, a carbon monoxide shift reaction unit (hereinafter referred to as “carbon reforming unit”). , A CO shift unit) 23, a carbon monoxide selective oxidation reaction unit (hereinafter referred to as a CO selective oxidation unit) 24, a combustion unit 25, and an evaporation unit 26. Examples of the reforming fuel include natural gas, gas fuel for reforming such as LPG, and liquid fuel for reforming such as kerosene, gasoline, and methanol. In the present embodiment, description will be made on natural gas.

改質部21は、改質用燃料に改質水が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部21は有底円筒状に形成されており、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路21aを備えている。   The reforming unit 21 generates and derives a reformed gas from a mixed gas that is a reforming raw material in which reforming water is mixed with the reforming fuel. The reforming portion 21 is formed in a bottomed cylindrical shape, and includes an annular folded channel 21a extending along the axis in the annular cylindrical portion.

改質部21の折り返し流路21a内には、触媒21b(例えば、RuまたはNi系の触媒)が充填されており、冷却部22から導入された改質用燃料と水蒸気供給管51から導入された水蒸気との混合ガスが触媒21bによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)は冷却部(熱交換部)22に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。改質部21の触媒21bの活性温度域は400℃から800℃である。改質部21の温度が触媒21bの活性温度域内であれば、その温度が高いほど生成される水素が多い。   The return channel 21 a of the reforming unit 21 is filled with a catalyst 21 b (for example, a Ru or Ni-based catalyst) and introduced from the reforming fuel introduced from the cooling unit 22 and the steam supply pipe 51. The gas mixture with the steam reacts and is reformed by the catalyst 21b to generate hydrogen gas and carbon monoxide gas (so-called steam reforming reaction). At the same time, a so-called carbon monoxide shift reaction occurs in which carbon monoxide generated in the steam reforming reaction reacts with steam to transform into hydrogen gas and carbon dioxide. These generated gases (so-called reformed gas) are led to a cooling unit (heat exchange unit) 22. The steam reforming reaction is an endothermic reaction, and the carbon monoxide shift reaction is an exothermic reaction. The activation temperature range of the catalyst 21b of the reforming unit 21 is 400 ° C to 800 ° C. If the temperature of the reforming unit 21 is within the activation temperature range of the catalyst 21b, the higher the temperature, the more hydrogen is generated.

また、改質部21内には、改質部21内の温度例えば燃焼部25との間の壁付近の温度(T1)を測定する温度センサ21cが設けられている。温度センサ21cの検出結果は制御装置30に送信されている。   Further, a temperature sensor 21 c that measures the temperature in the reforming unit 21, for example, the temperature near the wall between the combustion unit 25 (T 1) is provided in the reforming unit 21. The detection result of the temperature sensor 21 c is transmitted to the control device 30.

冷却部22は、改質部21から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水(水蒸気)との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器(熱交換部)であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してCOシフト部23に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部21に導出するようになっている。   The cooling unit 22 is a heat exchanger (heat exchange unit) in which heat exchange is performed between the reformed gas derived from the reforming unit 21 and a mixed gas of reforming fuel and reformed water (steam). The temperature of the reformed gas having a high temperature is lowered by the mixed gas having a low temperature and led to the CO shift unit 23, and the temperature of the mixed gas is raised by the reformed gas and led to the reforming unit 21. Yes.

具体的には、冷却部22には図示しない燃料供給源(例えば都市ガス管)に接続された改質用燃料供給管41が接続されている。改質用燃料供給管41には、上流から順番に燃料ポンプ42、脱硫器46および改質用燃料バルブ43が設けられている。改質用燃料バルブ43は改質用燃料供給管41を開閉するものである。燃料ポンプ42は改質用燃料を供給しその供給量を調整する改質用燃料供給手段である。脱硫器46は燃料中の硫黄分(例えば、硫黄化合物)を除去するものである。燃料のうち改質部21に供給されて改質されるものを改質用燃料といい、燃焼部25に直接供給されて燃焼されるものを燃焼用燃料という。   Specifically, a reforming fuel supply pipe 41 connected to a fuel supply source (not shown) (for example, a city gas pipe) is connected to the cooling unit 22. The reforming fuel supply pipe 41 is provided with a fuel pump 42, a desulfurizer 46, and a reforming fuel valve 43 in order from the upstream. The reforming fuel valve 43 opens and closes the reforming fuel supply pipe 41. The fuel pump 42 is reforming fuel supply means for supplying reforming fuel and adjusting the supply amount. The desulfurizer 46 removes sulfur (for example, sulfur compounds) in the fuel. The fuel that is supplied to the reforming unit 21 and reformed is called reforming fuel, and the fuel that is directly supplied to the combustion unit 25 and combusted is called combustion fuel.

改質用燃料供給管41の改質用燃料バルブ43と冷却部22との間には蒸発部26に接続された水蒸気供給管51が接続されている。蒸発部26から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部22を通って改質部21に供給されている。   A steam supply pipe 51 connected to the evaporation section 26 is connected between the reforming fuel valve 43 of the reforming fuel supply pipe 41 and the cooling section 22. The steam supplied from the evaporation unit 26 is mixed with the reforming fuel, and the mixed gas is supplied to the reforming unit 21 through the cooling unit 22.

蒸発部26は、改質水を蒸発させて水蒸気を生成して冷却部22を介して改質部21に供給するものである。蒸発部26は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路27の外周壁を覆って当接して設けられている。   The evaporation unit 26 evaporates the reformed water to generate water vapor, and supplies the water vapor to the reforming unit 21 via the cooling unit 22. The evaporator 26 is formed in a cylindrical shape so as to cover and contact the outer peripheral wall of the combustion gas passage 27.

この蒸発部26の下部(例えば側壁面下部、底面)には改質水タンク(図示省略)に接続された給水管52が接続されている。蒸発部26の上部(例えば側壁面上部)には水蒸気供給管51が接続されている。改質水タンクから導入された改質水は、蒸発部26内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびCO選択酸化部24からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気供給管51および冷却部22を介して改質部21へ導出するようになっている。なお、給水管52には、上流から順番に改質水ポンプ53および改質水バルブ54が設けられている。改質水ポンプ53は、蒸発部26に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。改質水バルブ54は給水管52を開閉するものである。   A water supply pipe 52 connected to a reforming water tank (not shown) is connected to a lower portion (for example, a lower portion of the side wall surface and a bottom surface) of the evaporation section 26. A water vapor supply pipe 51 is connected to the upper part (for example, the upper part of the side wall surface) of the evaporation unit 26. The reformed water introduced from the reformed water tank is heated by the heat from the combustion gas and the heat from the CO selective oxidation unit 24 in the course of flowing through the evaporation unit 26 to become water vapor and the water vapor supply pipe 51. And, it is led out to the reforming unit 21 through the cooling unit 22. The water supply pipe 52 is provided with a reforming water pump 53 and a reforming water valve 54 in order from the upstream. The reforming water pump 53 supplies reforming water to the evaporation unit 26 and adjusts the reforming water supply amount. The reforming water valve 54 opens and closes the water supply pipe 52.

また、蒸発部26には、蒸発部26内の水蒸気の温度を検出する温度センサ26aが設けられている。温度センサ26aの検出結果は制御装置30に送信されている。なお、水蒸気の温度が検出できれば、例えば冷却部22の入口付近や、蒸発部26と冷却部22との間の水蒸気供給管51に温度センサ26aを設けるようにしてもよい。この水蒸気の温度TSは、改質部21に供給される改質水の温度である。   The evaporation unit 26 is provided with a temperature sensor 26 a that detects the temperature of water vapor in the evaporation unit 26. The detection result of the temperature sensor 26 a is transmitted to the control device 30. If the temperature of the water vapor can be detected, for example, the temperature sensor 26 a may be provided in the vicinity of the inlet of the cooling unit 22 or in the water vapor supply pipe 51 between the evaporation unit 26 and the cooling unit 22. This steam temperature TS is the temperature of the reforming water supplied to the reforming unit 21.

COシフト部23は、改質部21から冷却部22を通って供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。COシフト部23は、内部に上下方向に沿って延在する折り返し流路23aを備えている。折り返し流路23a内には触媒23b(例えば、Cu−Zn系の触媒)が充填されている。COシフト部23においては、冷却部22から導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気は、触媒23bにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。   The CO shift unit 23 is a unit that reduces carbon monoxide in the reformed gas supplied from the reforming unit 21 through the cooling unit 22, that is, a carbon monoxide reducing unit. The CO shift unit 23 includes a folded channel 23a extending along the vertical direction. The return channel 23a is filled with a catalyst 23b (for example, a Cu—Zn-based catalyst). In the CO shift unit 23, a so-called carbon monoxide shift reaction in which carbon monoxide and water vapor contained in the reformed gas introduced from the cooling unit 22 react with the catalyst 23b to be converted into hydrogen gas and carbon dioxide gas. Has occurred. This carbon monoxide shift reaction is an exothermic reaction.

また、COシフト部23内には、COシフト部23内の温度を測定する温度センサ23cが設けられている。温度センサ23cの検出結果は制御装置30に送信されている。   In the CO shift unit 23, a temperature sensor 23c that measures the temperature in the CO shift unit 23 is provided. The detection result of the temperature sensor 23 c is transmitted to the control device 30.

CO選択酸化部24は、COシフト部23から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池10に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部である。CO選択酸化部24は、円筒状に形成されて、蒸発部26の外周壁を覆って当接して設けられている。CO選択酸化部24の内部には、触媒24a(例えば、RuまたはPt系の触媒)が充填されている。   The CO selective oxidation unit 24 further reduces the carbon monoxide in the reformed gas supplied from the CO shift unit 23 and supplies it to the fuel cell 10, that is, a carbon monoxide reduction unit. The CO selective oxidation unit 24 is formed in a cylindrical shape, and is provided so as to cover the outer peripheral wall of the evaporation unit 26. The CO selective oxidation unit 24 is filled with a catalyst 24a (for example, a Ru or Pt catalyst).

また、CO選択酸化部24内には、CO選択酸化部24内の温度を測定する温度センサ24bが設けられている。温度センサ24bの検出結果は制御装置30に送信されている。   In the CO selective oxidation unit 24, a temperature sensor 24b for measuring the temperature in the CO selective oxidation unit 24 is provided. The detection result of the temperature sensor 24 b is transmitted to the control device 30.

このCO選択酸化部24の側壁面下部および側壁面上部には、COシフト部23に接続された接続管89および燃料電池10の燃料極11に接続された改質ガス供給管71がそれぞれ接続されている。接続管89には、酸化用空気供給管61が接続されている。これにより、CO選択酸化部24には、COシフト部23からの改質ガスと大気からの酸化用空気が導入されるようになっている。なお、酸化用空気供給管61には、上流から順番に酸化用空気ポンプ62および酸化用空気バルブ63が設けられている。酸化用空気ポンプ62は酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ63は酸化用空気供給管61を開閉するものである。   A connecting pipe 89 connected to the CO shift section 23 and a reformed gas supply pipe 71 connected to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 are connected to the lower and upper side walls of the CO selective oxidation section 24, respectively. ing. An oxidation air supply pipe 61 is connected to the connection pipe 89. As a result, the reformed gas from the CO shift unit 23 and the oxidizing air from the atmosphere are introduced into the CO selective oxidation unit 24. The oxidizing air supply pipe 61 is provided with an oxidizing air pump 62 and an oxidizing air valve 63 in order from the upstream. The oxidizing air pump 62 supplies oxidizing air and adjusts the supply amount. The oxidation air valve 63 opens and closes the oxidation air supply pipe 61.

したがって、CO選択酸化部24内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応(酸化)して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒24aによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて(10ppm以下)導出され、燃料電池10の燃料極11に供給されるようになっている。   Therefore, carbon monoxide in the reformed gas introduced into the CO selective oxidation unit 24 reacts (oxidizes) with oxygen in the oxidizing air to become carbon dioxide. This reaction is an exothermic reaction and is promoted by the catalyst 24a. Thereby, the reformed gas is derived by further reducing the carbon monoxide concentration (10 ppm or less) by the oxidation reaction, and is supplied to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10.

燃料電池10の燃料極11の導入口には改質ガス供給管71を介してCO選択酸化部24が接続されるとともに、燃料極11の導出口にはオフガス供給管72を介して燃焼部25が接続されている。バイパス管73は燃料電池10をバイパスして改質ガス供給管71およびオフガス供給管72を直結するものである。改質ガス供給管71にはバイパス管73との分岐点と燃料電池10との間に第1改質ガスバルブ74が設けられている。オフガス供給管72にはバイパス管73との合流点と燃料電池10との間にオフガスバルブ75が設けられている。バイパス管73には第2改質ガスバルブ76が設けられている。   A CO selective oxidation unit 24 is connected to the inlet of the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 via a reformed gas supply pipe 71, and the combustion unit 25 is connected to the outlet of the fuel electrode 11 via an offgas supply pipe 72. Is connected. The bypass pipe 73 bypasses the fuel cell 10 and directly connects the reformed gas supply pipe 71 and the offgas supply pipe 72. The reformed gas supply pipe 71 is provided with a first reformed gas valve 74 between the branch point of the bypass pipe 73 and the fuel cell 10. The off gas supply pipe 72 is provided with an off gas valve 75 between the junction with the bypass pipe 73 and the fuel cell 10. A second reformed gas valve 76 is provided in the bypass pipe 73.

また、燃料電池10の空気極12の導入口には、カソード用空気供給管67が接続されるとともに、空気極12の導出口には、排気管82が接続されている。空気極12に空気が供給され、オフガスが排気されるようになっている。なお、カソード用空気供給管67には上流から順にカソード用空気ポンプ68およびカソード用空気バルブ69が設けられている。カソード用空気ポンプ68はカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ69はカソード用空気供給管67を開閉するものである。   A cathode air supply pipe 67 is connected to the inlet of the air electrode 12 of the fuel cell 10, and an exhaust pipe 82 is connected to the outlet of the air electrode 12. Air is supplied to the air electrode 12, and off-gas is exhausted. The cathode air supply pipe 67 is provided with a cathode air pump 68 and a cathode air valve 69 in order from the upstream. The cathode air pump 68 supplies cathode air and adjusts the supply amount. The cathode air valve 69 opens and closes the cathode air supply pipe 67.

燃焼部25は、改質部21を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部21の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。この燃焼部25は、図2に示すように、本体25aと、本体25aに立設されて本体25aと連通する筒状の燃焼筒25bと、図示しない点火用電極を備えている。燃焼部25は、制御装置30の指令に応じて着火されるものである。   The combustion part 25 generates combustion gas for heating the reforming part 21 and supplying heat necessary for the steam reforming reaction. The lower end part is inserted into the inner peripheral wall of the reforming part 21. It is arranged with a space. As shown in FIG. 2, the combustion section 25 includes a main body 25a, a cylindrical combustion cylinder 25b that stands on the main body 25a and communicates with the main body 25a, and an ignition electrode (not shown). The combustion unit 25 is ignited according to a command from the control device 30.

本体25aは、燃焼用燃料、アノードオフガス、改質ガスなどの可燃ガス、および可燃ガスを燃焼(酸化)させるための燃焼用空気などの酸化剤ガスが供給されるようになっている。燃焼筒25bの基端は本体25aの噴射口25a1の内周縁部から立設されている。燃焼筒25bは本体25a内に連通しており、本体25aから導出された可燃ガスと燃焼用空気の混合ガスが、燃焼筒25bの基端開口25b1を通って燃焼筒25b内に投入される。   The main body 25a is supplied with a combustion fuel, a combustible gas such as an anode off-gas and a reformed gas, and an oxidant gas such as combustion air for burning (oxidizing) the combustible gas. The base end of the combustion cylinder 25b is erected from the inner peripheral edge of the injection port 25a1 of the main body 25a. The combustion cylinder 25b communicates with the main body 25a, and a mixed gas of combustible gas and combustion air derived from the main body 25a is introduced into the combustion cylinder 25b through the proximal end opening 25b1 of the combustion cylinder 25b.

具体的には、図1に示すように、本体25aには燃料極11の導出口に一端が接続されているオフガス供給管72の他端が接続されており、燃料電池システム(改質装置20)の起動運転時に改質装置20からの改質ガスが改質ガス供給管71、バイパス管73およびオフガス供給管72を通って供給され、燃料電池システム(改質装置20)の定常運転時に燃料電池10から排出されるアノードオフガス(改質部21にて未改質な改質用燃料および燃料極11にて未使用な水素を含んだ改質ガス)が供給されるようになっている。   Specifically, as shown in FIG. 1, the other end of an off-gas supply pipe 72 having one end connected to the outlet of the fuel electrode 11 is connected to the main body 25a, and the fuel cell system (the reformer 20) is connected. The reformed gas from the reformer 20 is supplied through the reformed gas supply pipe 71, the bypass pipe 73, and the off-gas supply pipe 72 during the start-up operation of the fuel cell system (reformer 20) during steady operation. The anode off-gas discharged from the battery 10 (reformed gas containing unreformed reforming fuel in the reforming unit 21 and unused hydrogen in the fuel electrode 11) is supplied.

また、本体25aには、燃焼用空気供給管64が接続されており、燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスを燃焼させるための燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気が供給されるようになっている。燃焼用空気供給管64には燃焼用空気ポンプ(燃焼用酸化剤ガス供給手段)65および燃焼用空気バルブ66が設けられている。燃焼用空気ポンプ65は大気から燃焼用空気を吸い込み燃焼部25に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて燃焼部25に供給する燃焼用空気供給量を調整するものである。燃焼用空気バルブ66は、制御装置30の指令に応じて燃焼用空気供給管64を開閉するものである。   Further, a combustion air supply pipe 64 is connected to the main body 25a so that combustion air that is a combustion oxidant gas for burning combustion fuel, reformed gas, or anode off-gas is supplied. It has become. The combustion air supply pipe 64 is provided with a combustion air pump (combustion oxidant gas supply means) 65 and a combustion air valve 66. The combustion air pump 65 sucks combustion air from the atmosphere and discharges it to the combustion unit 25, and adjusts the amount of combustion air supplied to the combustion unit 25 in accordance with a command from the control device 30. The combustion air valve 66 opens and closes the combustion air supply pipe 64 in accordance with a command from the control device 30.

さらに、改質用燃料供給管41の脱硫器46と改質用燃料バルブ43との間には、一端が改質ガス供給管71の燃料電池10と第1改質ガスバルブ74との間に接続された燃焼用燃料供給管44の他端が接続されている。燃焼用燃料供給管44には燃焼用燃料バルブ45が設けられている。燃焼用燃料バルブ45は燃焼用燃料供給管44を開閉するものである。また、一端がオフガス供給管72の燃料電池10とオフガスバルブ75との間に接続されるとともに他端が燃焼用空気供給管64の燃焼用空気バルブ66と燃焼部25との間に接続される燃焼用燃料供給管47が設けられている。燃焼用燃料供給管47には燃焼用燃料バルブ48が設けられている。燃焼用燃料バルブ48は燃焼用燃料供給管47を開閉するものである。   Furthermore, between the desulfurizer 46 and the reforming fuel valve 43 of the reforming fuel supply pipe 41, one end is connected between the fuel cell 10 of the reforming gas supply pipe 71 and the first reformed gas valve 74. The other end of the combustion fuel supply pipe 44 is connected. A combustion fuel valve 45 is provided in the combustion fuel supply pipe 44. The combustion fuel valve 45 opens and closes the combustion fuel supply pipe 44. One end is connected between the fuel cell 10 of the offgas supply pipe 72 and the offgas valve 75 and the other end is connected between the combustion air valve 66 of the combustion air supply pipe 64 and the combustion unit 25. A combustion fuel supply pipe 47 is provided. A combustion fuel valve 48 is provided in the combustion fuel supply pipe 47. The combustion fuel valve 48 opens and closes the combustion fuel supply pipe 47.

システム起動開始した時点から改質部21に改質用燃料の供給が開始されるまでの間は、改質用燃料バルブ43、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75が閉じられ、燃焼用燃料バルブ45および燃焼用燃料バルブ48が開かれ、燃料ポンプ42が駆動される。これにより、燃焼部25には燃焼用燃料が改質部21を通らないで燃焼用燃料供給管44、燃料電池10および燃焼用燃料供給管47を通って直接供給される。   From the time when the system is started to the time when the supply of the reforming fuel to the reforming unit 21 is started, the reforming fuel valve 43, the first reformed gas valve 74, and the offgas valve 75 are closed, and the combustion fuel. The valve 45 and the combustion fuel valve 48 are opened, and the fuel pump 42 is driven. As a result, the combustion fuel is directly supplied to the combustion section 25 through the combustion fuel supply pipe 44, the fuel cell 10 and the combustion fuel supply pipe 47 without passing through the reforming section 21.

また、改質部21への改質用燃料の供給開始以降から定常運転(発電)開始までの間は、改質用燃料バルブ43および第2改質ガスバルブ76が開かれ、燃焼用燃料バルブ45および燃焼用燃料バルブ48が閉じられ、燃料ポンプ42が駆動される。第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75は閉じられたままである。これにより、CO選択酸化部24から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池10に供給するのを回避するため、燃焼部25にはCO選択酸化部24からの改質ガスが燃料電池10を通らないで直接供給される。   In addition, the reforming fuel valve 43 and the second reformed gas valve 76 are opened from the start of supply of the reforming fuel to the reforming unit 21 to the start of steady operation (power generation), and the combustion fuel valve 45 is opened. And the combustion fuel valve 48 is closed, and the fuel pump 42 is driven. The first reformed gas valve 74 and the offgas valve 75 remain closed. Thus, in order to avoid supplying reformed gas having a high carbon monoxide concentration from the CO selective oxidation unit 24 to the fuel cell 10, the reformed gas from the CO selective oxidation unit 24 is supplied to the fuel cell 10 in the combustion unit 25. Supplied directly without going through.

そして、定常運転(発電)中においては、改質用燃料バルブ43、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75が開かれ、燃焼用燃料バルブ45、燃焼用燃料バルブ48および第2改質ガスバルブ76が閉じられ、燃料ポンプ42が駆動される。これにより、燃焼部25には燃料電池10の燃料極11からのアノードオフガス(燃料電池10の燃料極11に供給され消費されずに排出された水素や未改質の改質用燃料を含んだ改質ガス)のみが供給される。このとき、燃焼部25では改質用燃料などの可燃ガスを別途追加して燃焼する追い炊きは行われていない。いわゆる追い炊きレスである。   During steady operation (power generation), the reforming fuel valve 43, the first reformed gas valve 74, and the offgas valve 75 are opened, and the combustion fuel valve 45, the combustion fuel valve 48, and the second reformed gas valve 76 are opened. Is closed and the fuel pump 42 is driven. As a result, the combustion portion 25 contains the anode off-gas from the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 (hydrogen that has been supplied to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 and discharged without being consumed, or unreformed reforming fuel). Only the reformed gas is supplied. At this time, no additional cooking is performed in the combustor 25 in which a combustible gas such as reforming fuel is separately added and burned. This is so-called no additional cooking.

このように燃焼部25においては、燃焼部25に供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガス(これらは可燃ガスである。)は、燃焼部25に供給された燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、改質部21と断熱部28との間および断熱部28と蒸発部26との間に形成されて改質部21や蒸発部26を加熱するように配設された燃焼ガス流路27を流通し、排気管81を通って燃焼排ガスとして外部に排出される。燃焼ガスは改質部21の改質触媒21aを活性温度域となるように加熱し、蒸発部22を水蒸気生成するために加熱する。   As described above, in the combustion unit 25, the combustion fuel, reformed gas, or anode off gas (these are combustible gases) supplied to the combustion unit 25 are combusted by the combustion air supplied to the combustion unit 25. Hot combustion gas is generated. This combustion gas is formed between the reforming section 21 and the heat insulating section 28 and between the heat insulating section 28 and the evaporation section 26 and disposed so as to heat the reforming section 21 and the evaporation section 26. It flows through the flow path 27, passes through the exhaust pipe 81, and is discharged to the outside as combustion exhaust gas. The combustion gas heats the reforming catalyst 21a of the reforming unit 21 so as to be in the activation temperature range, and heats the evaporation unit 22 to generate water vapor.

さらに、燃焼部25は、図2に示すように、燃焼部25に流入されて燃焼されるアノードオフガス中の改質用燃料量と相関のある物理量であるイオン電流を検出する物理量検出手段であるイオン電流検出装置90を備えている。イオン電流検出装置90は、炎には電流を整流する作用があることを利用して、炎25cのすぐ側に電極91(フレームロッド)を設置して炎25cの中を流れるイオン電流を検知するものである。このイオン電流検出装置90は、電極91と、電極91と燃焼筒25b(または本体25a)との間に電圧を印加する電源92と、電極91と電源92との間に配列された電流検出用抵抗93と、電流検出用抵抗93の両端間電圧を検出することによって電流を検出してその検出結果を制御装置30に送信する電流検出回路94とから構成されている。   Further, as shown in FIG. 2, the combustion unit 25 is a physical quantity detection unit that detects an ionic current that is a physical quantity correlated with the amount of reforming fuel in the anode off-gas that flows into the combustion unit 25 and burns. An ion current detector 90 is provided. The ion current detector 90 detects the ion current flowing through the flame 25c by installing an electrode 91 (frame rod) on the immediate side of the flame 25c by utilizing the fact that the flame has a function of rectifying the current. Is. The ion current detection device 90 includes an electrode 91, a power source 92 that applies a voltage between the electrode 91 and the combustion cylinder 25 b (or the main body 25 a), and a current detection array that is arranged between the electrode 91 and the power source 92. The resistor 93 and a current detection circuit 94 that detects the current by detecting the voltage across the current detection resistor 93 and transmits the detection result to the control device 30.

また、燃料電池システムは制御装置30を備えており、この制御装置30には、上述した温度センサ21c,23c,24b,26a、各ポンプ42,53,62,65,68、各バルブ43,45,48,54,63,66,69,74,75,76、燃焼部25(点火用電極)および電流検出回路94が接続されている(図3参照)。制御装置30はマイクロコンピュータ(図示省略)を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、CPU、RAMおよびROM(いずれも図示省略)を備えている。CPUは、温度センサ21c,23c,24b,26aからの温度、電流検出回路94からのイオン電流値に基づいて、各ポンプ42,53,62,65,68、各バルブ43,45,48,54,63,66,69,74,75,76、および燃焼部25を制御することにより、燃料電池システムの運転を実施している。RAMは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ROMは前記プログラムを記憶するものである。   The fuel cell system also includes a control device 30. The control device 30 includes the temperature sensors 21c, 23c, 24b, and 26a, the pumps 42, 53, 62, 65, and 68, and the valves 43 and 45. , 48, 54, 63, 66, 69, 74, 75, 76, the combustion part 25 (ignition electrode) and the current detection circuit 94 are connected (see FIG. 3). The control device 30 includes a microcomputer (not shown), and the microcomputer includes an input / output interface, a CPU, a RAM, and a ROM (all not shown) connected through a bus. Based on the temperature from the temperature sensors 21c, 23c, 24b, and 26a, and the ion current value from the current detection circuit 94, the CPU selects each pump 42, 53, 62, 65, 68, and each valve 43, 45, 48, 54. , 63, 66, 69, 74, 75, 76 and the combustion section 25 are controlled to operate the fuel cell system. The RAM temporarily stores variables necessary for executing the program, and the ROM stores the program.

また、制御装置30には、記憶装置31が接続されている。記憶装置31は、図4に示すように、燃料電池10の要求発電量に対応した改質用燃料の要求供給量ごとの、転化率とイオン電流値との相関関係を示す特性を記憶するものである。燃料電池10の要求発電量は燃料電池10に接続されている電力負荷(家庭用電化製品)の消費電力(消費電力の総和)である。図4では、横軸は転化率(%)であり縦軸はイオン電流値(mA)である。転化率は、改質部21へ供給された改質用燃料のうち水素に改質されたものの、その供給された改質用燃料の比率である。   A storage device 31 is connected to the control device 30. As shown in FIG. 4, the storage device 31 stores characteristics indicating the correlation between the conversion rate and the ion current value for each required supply amount of reforming fuel corresponding to the required power generation amount of the fuel cell 10. It is. The required power generation amount of the fuel cell 10 is the power consumption (total power consumption) of the power load (home appliance) connected to the fuel cell 10. In FIG. 4, the horizontal axis represents the conversion rate (%), and the vertical axis represents the ionic current value (mA). The conversion rate is the ratio of the reformed fuel supplied to the reforming unit 21 that has been reformed to hydrogen among the reformed fuel supplied to the reforming unit 21.

この特性は、実機を使用して測定したデータに基づいて作成する。具体的には、改質用燃料の規定供給量および規定転化率に相当する改質ガス(すなわちアノードオフガス)を模擬した模擬ガスを燃焼させて、転化率−イオン電流値の相関関係を得る。例えば、改質用燃料の規定供給量Anで転化率80%、85%、90%相当の模擬ガスを燃焼させ、図4の特性曲線fa(n)を作成する。なお、図4では空気比λは1.5とした。   This characteristic is created based on data measured using an actual machine. Specifically, a simulated gas simulating a reformed gas (that is, an anode off gas) corresponding to a specified supply amount and a specified conversion rate of reforming fuel is burned to obtain a conversion rate-ion current value correlation. For example, the simulated gas corresponding to the conversion rates of 80%, 85%, and 90% is burned at the specified supply amount An of the reforming fuel, and the characteristic curve fa (n) of FIG. 4 is created. In FIG. 4, the air ratio λ is 1.5.

空気比λは、(実際の燃焼用空気の投入量/理想の燃焼用空気の投入量)で表される。空気比λを変化させるには、実際の燃焼用空気の投入量(供給量)を変更すればよい。   The air ratio λ is expressed by (actual combustion air input amount / ideal combustion air input amount). In order to change the air ratio λ, the actual input amount (supply amount) of combustion air may be changed.

例えば、改質用燃料をある規定供給量Anで供給している場合に、規定転化率が80%相当の模擬ガスを供給し、燃焼用空気の供給量を変化させて、イオン電流値を測定することにより図5の特性曲線f11を作成する。同様にして、規定転化率を85%、90%、95%に設定した場合の各特性曲線f12、f13、f14を作成する。図5では、横軸は空気比λであり縦軸はイオン電流値(mA)である。図5は、改質用燃料をある規定供給量Anで供給している場合を示している。   For example, when reforming fuel is supplied at a specified supply amount An, a simulated gas with a specified conversion rate equivalent to 80% is supplied, and the supply amount of combustion air is changed to measure the ion current value. Thus, the characteristic curve f11 shown in FIG. 5 is created. Similarly, characteristic curves f12, f13, and f14 when the specified conversion rate is set to 85%, 90%, and 95% are created. In FIG. 5, the horizontal axis represents the air ratio λ, and the vertical axis represents the ion current value (mA). FIG. 5 shows a case where the reforming fuel is supplied at a certain specified supply amount An.

図5から明らかなように、転化率は空気比λが変化しても一定である。これは、空気比λを変化させると、燃焼用空気の供給量は変化するが、それが改質用燃料すなわちメタンの燃焼性へ与える影響が実用的な空気比λの範囲(低エミッションを確保するための空気比λの範囲:1.2〜2.0)では少ないからである。   As is apparent from FIG. 5, the conversion rate is constant even when the air ratio λ changes. This is because if the air ratio λ is changed, the amount of combustion air supplied will change, but the effect it has on the flammability of the reforming fuel, ie methane, is within the practical air ratio λ range (to ensure low emissions). This is because the air ratio λ range is 1.2 to 2.0).

また、転化率が低くなるほどイオン電流値が増大する。これは、改質部21での転化率が低いと未改質の改質用燃料が増大し、その改質用燃料が燃焼部25に供給されるので、燃焼部25で燃焼される改質用燃料が増大するためイオン電流値が増大するからである。また、定常運転中において、燃焼部25にはアノードオフガス以外の炭化水素系の可燃ガスが別途供給されていないので、改質部21で未改質の改質用燃料が燃焼部25で燃焼されてその改質用燃料の量に応じたイオン電流値が生成される。したがって、改質部21への改質用燃料の供給量と転化率で算出できる未改質の改質用燃料の量とイオン電流値は相関関係にあり、ひいては転化率とイオン電流値も相関関係にある。   Further, the ion current value increases as the conversion rate decreases. This is because, if the conversion rate in the reforming section 21 is low, the unreformed reforming fuel increases and the reforming fuel is supplied to the combustion section 25. This is because the ionic current value increases due to an increase in the fuel for use. Further, during the steady operation, since the hydrocarbon-based combustible gas other than the anode off-gas is not separately supplied to the combustion unit 25, unreformed reforming fuel is burned in the combustion unit 25 in the reforming unit 21. Thus, an ion current value corresponding to the amount of the reforming fuel is generated. Therefore, the amount of reformed fuel supplied to the reforming unit 21 and the amount of unreformed reformable fuel that can be calculated by the conversion rate are correlated with the ionic current value. As a result, the conversion rate and the ionic current value are also correlated. There is a relationship.

次に、このようにして作成した図5に示す転化率とイオン電流値との相関関係をグラフに示すと、図4にてfa(n)のように示される。このfa(n)は、改質用燃料が供給量Anで供給されている場合の転化率とイオン電流値との相関関係を示している。また、改質用燃料が供給量Anより多いAn+1で供給されている場合には、fa(n)を所定量だけ上に平行移動させたfa(n+1)で示される。改質用燃料が供給量An+1より多いAn+2で供給されている場合には、fa(n+1)を所定量だけ上に平行移動させたfa(n+2)で示される。また、改質用燃料が供給量Anより少ないAn−1で供給されている場合には、fa(n)を所定量だけ下に平行移動させたfa(n−1)で示される。改質用燃料が供給量An−1より少ないAn−2で供給されている場合には、fa(n−1)を所定量だけ下に平行移動させたfa(n−2)で示される。   Next, when the correlation between the conversion rate and the ionic current value shown in FIG. 5 created in this way is shown in a graph, it is shown as fa (n) in FIG. This fa (n) indicates the correlation between the conversion rate and the ionic current value when the reforming fuel is supplied at the supply amount An. Further, when the reforming fuel is supplied at An + 1 larger than the supply amount An, it is indicated by fa (n + 1) obtained by translating fa (n) upward by a predetermined amount. When the reforming fuel is supplied at An + 2, which is greater than the supply amount An + 1, it is indicated by fa (n + 2) obtained by translating fa (n + 1) by a predetermined amount. Further, when the reforming fuel is supplied at An-1 which is smaller than the supply amount An, it is indicated by fa (n-1) obtained by translating fa (n) downward by a predetermined amount. When the reforming fuel is supplied at An-2 that is less than the supply amount An-1, it is indicated by fa (n-2) obtained by translating fa (n-1) downward by a predetermined amount.

このように、図4には、燃料電池10の要求発電量に対応した改質用燃料の要求供給量ごとの、転化率とイオン電流値との相関関係を示す特性、fa(n)、…が示されている。転化率が同一であれば、改質用燃料の要求供給量すなわち改質用燃料の供給量が増大するにしたがって、改質部21での未改質の改質用燃料の絶対量は増大するので、特性faは上に移動する。また、改質用燃料の供給量が減少するにしたがって、改質部21での未改質の改質用燃料の絶対量は減少するので、特性faは下に移動する。   Thus, FIG. 4 shows characteristics indicating the correlation between the conversion rate and the ionic current value for each required supply amount of reforming fuel corresponding to the required power generation amount of the fuel cell 10, fa (n),. It is shown. If the conversion rate is the same, the absolute amount of unreformed reforming fuel in the reforming unit 21 increases as the required supply amount of reforming fuel, that is, the supply amount of reforming fuel, increases. Therefore, the characteristic fa moves upward. Further, as the supply amount of reforming fuel decreases, the absolute amount of unreformed reforming fuel in the reforming unit 21 decreases, so the characteristic fa moves downward.

また、記憶装置31は、図6に示すように、転化率と、改質部21に供給される改質用燃料の熱量に対する燃料電池10で消費された水素の熱量の比率で表されるプロセス効率との相関関係を示す特性を記憶している。図6では、横軸は転化率(%)であり縦軸はプロセス効率(%)である。   Further, as shown in FIG. 6, the storage device 31 is a process represented by the conversion rate and the ratio of the heat quantity of hydrogen consumed in the fuel cell 10 to the heat quantity of the reforming fuel supplied to the reforming unit 21. A characteristic indicating a correlation with efficiency is stored. In FIG. 6, the horizontal axis represents the conversion rate (%), and the vertical axis represents the process efficiency (%).

この特性は、実機を使用して測定したデータに基づいて作成する。具体的には、改質用燃料の供給量を一定にして、転化率を変化させて、プロセス効率を測定する。追い焚きレスのために、掃引電流値(発電量)に対して改質器20の熱バランスから転化率、水素利用率が決定される。実際には、燃焼ガスの組成(転化率)を規定条件で燃焼させ、実際の改質ガスの転化率が規定転化率となるように水素利用率(オフガス中水素量)を可変させる。上記評価にて、燃焼ガス転化率条件と実改質ガスの転化率結果が同一となり熱バランスした状態でのプロセス効率値を測定する。   This characteristic is created based on data measured using an actual machine. Specifically, the process efficiency is measured by changing the conversion rate while keeping the supply amount of the reforming fuel constant. The conversion rate and the hydrogen utilization rate are determined based on the heat balance of the reformer 20 with respect to the sweep current value (power generation amount) in order to avoid reheating. Actually, the combustion gas composition (conversion rate) is combusted under specified conditions, and the hydrogen utilization rate (hydrogen amount in off-gas) is varied so that the actual reformed gas conversion rate becomes the specified conversion rate. In the above evaluation, the process efficiency value is measured in a state where the combustion gas conversion rate condition and the actual reformed gas conversion rate result are the same and the heat balance is achieved.

例えば、改質用燃料をある供給量Anで供給している場合に、転化率を変化させて、プロセス効率を測定(または算出)することにより特性曲線fb(n)を作成する。同様にして、改質用燃料の供給量をAn+1、An+2、An−1、An−2とした場合の各特性曲線fb(n+1)、fb(n+2)、fb(n−1)、fb(n−2)を作成する。このようにして測定した各特性fb(n−2)、fb(n−1)、fb(n)、fb(n+1)、fb(n+2)を図6に示す。供給量An+1はAnより多く、供給量An+2はAn+1より多い。供給量An−1はAnより少なく、供給量An−2はAn−1より少ない。   For example, when the reforming fuel is supplied at a certain supply amount An, the characteristic curve fb (n) is created by changing (converting) the conversion rate and measuring (or calculating) the process efficiency. Similarly, the characteristic curves fb (n + 1), fb (n + 2), fb (n-1), fb (n) when the supply amount of reforming fuel is An + 1, An + 2, An-1, and An-2. -2). The characteristics fb (n-2), fb (n-1), fb (n), fb (n + 1), and fb (n + 2) measured in this way are shown in FIG. The supply amount An + 1 is larger than An, and the supply amount An + 2 is larger than An + 1. The supply amount An-1 is smaller than An, and the supply amount An-2 is smaller than An-1.

図6に示されているように、転化率−プロセス効率特性は、転化率が最適転化率Xaのときプロセス効率が極大値Yaを有することが明らかになった。   As shown in FIG. 6, the conversion rate-process efficiency characteristics revealed that the process efficiency has a maximum value Ya when the conversion rate is the optimum conversion rate Xa.

なお、改質用燃料の供給量ごと、すなわち燃料電池10の要求発電量に対応した改質用燃料の要求供給量ごとに、プロセス効率が最も大きい最適転化率Xaを数値として記憶してもよい。   The optimum conversion rate Xa having the highest process efficiency may be stored as a numerical value for each reforming fuel supply amount, that is, for each reforming fuel required supply amount corresponding to the required power generation amount of the fuel cell 10. .

上述した燃料電池システムの作動について説明する。制御装置30は、時刻t0にて図示しない起動スイッチがオンされると、燃料電池システムの起動運転を開始する。すなわち燃料電池システムは暖機モードに入る。制御装置30は、燃焼用空気バルブ66を開いて燃焼用空気ポンプ65を駆動して、燃焼用空気を燃焼部25に供給する。また、制御装置30は、燃焼部25の点火用電極に通電する。さらに、制御装置30は、改質用燃料バルブ43、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を閉じ、燃焼用燃料バルブ45,48を開いて、燃料ポンプ42を駆動して、燃焼用燃料を燃料電池10を介して直接燃焼部25に供給する。これにより、燃焼用燃料が燃焼部25で燃焼され、その燃焼ガスにより改質部21および蒸発部26が加熱される。   The operation of the fuel cell system described above will be described. When a start switch (not shown) is turned on at time t0, control device 30 starts the start-up operation of the fuel cell system. That is, the fuel cell system enters the warm-up mode. The control device 30 opens the combustion air valve 66 and drives the combustion air pump 65 to supply the combustion air to the combustion unit 25. Further, the control device 30 energizes the ignition electrode of the combustion unit 25. Further, the control device 30 closes the reforming fuel valve 43, the first reformed gas valve 74, and the offgas valve 75, opens the combustion fuel valves 45 and 48, drives the fuel pump 42, and supplies the combustion fuel. The fuel is supplied directly to the combustion unit 25 via the fuel cell 10. As a result, the combustion fuel is burned in the combustion section 25, and the reforming section 21 and the evaporation section 26 are heated by the combustion gas.

制御装置30は、起動すると蒸発部26に所定量の水を供給し(システムが負圧になっていた場合、負圧が解消されてから水を供給する。)、一旦、水を供給を停止する。その後、制御装置30は、温度センサ26aが所定値(例えば、100℃)以上になったら水蒸気が発生したと判断する。そして、制御装置30は、水蒸気の発生を確認してから蒸発部26に所定流量の水を供給開始する。   When activated, the control device 30 supplies a predetermined amount of water to the evaporation unit 26 (if the system is in negative pressure, the water is supplied after the negative pressure is eliminated), and the supply of water is temporarily stopped. To do. Thereafter, the control device 30 determines that water vapor has been generated when the temperature sensor 26a becomes equal to or higher than a predetermined value (for example, 100 ° C.). The control device 30 starts supplying water at a predetermined flow rate to the evaporation unit 26 after confirming the generation of water vapor.

その後、制御装置30は、改質用燃料バルブ43を開き、燃焼用燃料バルブ45,48、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を閉じて、燃料ポンプ42を駆動して、改質用燃料を改質部21に供給する。また、制御装置30は酸化用空気バルブ64を開いて酸化用空気ブロア63を駆動させ酸化用空気を所定流量(所定供給量)だけCO選択酸化部24に供給する。これにより、改質部21に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、改質部21では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部21から導出された改質ガスはCOシフト部23およびCO選択酸化部24により一酸化炭素ガスを低減されてCO選択酸化部24から導出され、燃料電池10を通らないで、バイパス管73を通って直接燃焼部25に供給され燃焼される。   Thereafter, the control device 30 opens the reforming fuel valve 43, closes the combustion fuel valves 45 and 48, the first reformed gas valve 74 and the offgas valve 75, drives the fuel pump 42, and reforms the fuel. Is supplied to the reforming unit 21. Further, the control device 30 opens the oxidation air valve 64 to drive the oxidation air blower 63 and supplies the oxidation air to the CO selective oxidation unit 24 by a predetermined flow rate (predetermined supply amount). Thus, the reformed fuel and steam mixed gas are supplied to the reforming unit 21, and the reforming unit 21 generates the reformed gas by causing the steam reforming reaction and the carbon monoxide shift reaction described above. The reformed gas derived from the reforming unit 21 is reduced in carbon monoxide gas by the CO shift unit 23 and the CO selective oxidation unit 24 and is derived from the CO selective oxidation unit 24 without passing through the fuel cell 10. The fuel is directly supplied to the combustion unit 25 through the bypass pipe 73 and burned.

このような改質ガスの生成中において、制御装置30は、温度センサ24b(および/または温度センサ23c)によりCO選択酸化部24の触媒24aの温度(および/またはCOシフト部23の触媒23bの温度)を検出し、この検出した温度が所定温度以上となれば、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定の低濃度以下となったとして、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を開き第2改質ガスバルブ76を閉じてCO選択酸化部24を燃料電池10の燃料極11の導入口に接続するとともに燃料極11の導出口を燃焼部25に接続する。これにより、燃料電池システムを暖機する起動運転が終了して続いて定常運転が開始される。すなわち燃料電池システムは発電モードに入る。   During the generation of the reformed gas, the control device 30 uses the temperature sensor 24b (and / or the temperature sensor 23c) to control the temperature of the catalyst 24a of the CO selective oxidation unit 24 (and / or the catalyst 23b of the CO shift unit 23). If the detected temperature is equal to or higher than the predetermined temperature, the first reformed gas valve 74 and the offgas valve 75 are opened assuming that the carbon monoxide concentration in the reformed gas is equal to or lower than the predetermined low concentration. The second reformed gas valve 76 is closed to connect the CO selective oxidation unit 24 to the inlet of the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 and to the outlet of the fuel electrode 11 to the combustion unit 25. Thereby, the start-up operation for warming up the fuel cell system is completed, and then the steady operation is started. That is, the fuel cell system enters the power generation mode.

制御装置30は、発電モードにおいては、所望の出力電力(負荷装置で消費される電流・電力)となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気、酸化用空気、カソード用空気および改質水を供給するようになっている。制御装置30は、所望の出力電力となるように改質用燃料の供給量を演算しその供給量となるように燃料ポンプ42を駆動させ、演算した改質用燃料供給量およびS/C(スチームカーボン比)に基づいて改質水の供給量を演算しその供給量となるように改質水ポンプ53を駆動させている。また、制御装置30は、改質用燃料の供給量などに基づいて燃焼用空気の供給量を演算しその供給量となるように燃焼用空気ブロア66を駆動させている。また、制御装置30は、一酸化炭素を所定量以下とするように酸化用空気の供給量を演算しその供給量となるように酸化用空気ブロア63を駆動させている。そして、制御装置30は、改質器20から供給された改質ガスと反応するに十分なカソード用空気の供給量を演算しその供給量となるようにカソード用空気ブロア68を駆動させている。そして、停止スイッチが押されると、燃料電池システムは停止運転を実施して停止する。   In the power generation mode, the control device 30 includes a reforming fuel, a combustion fuel, a combustion air, an oxidation air, a cathode air, and a desired output power (current / power consumed by the load device). The reformed water is supplied. The control device 30 calculates the supply amount of the reforming fuel so as to obtain a desired output power, drives the fuel pump 42 so as to obtain the supply amount, and calculates the calculated reforming fuel supply amount and S / C ( Based on the steam carbon ratio), the supply amount of the reforming water is calculated, and the reforming water pump 53 is driven so as to obtain the supply amount. Further, the control device 30 calculates the supply amount of the combustion air based on the supply amount of the reforming fuel, and drives the combustion air blower 66 so as to obtain the supply amount. In addition, the control device 30 calculates the supply amount of the oxidation air so that the carbon monoxide is less than or equal to a predetermined amount, and drives the oxidation air blower 63 so as to obtain the supply amount. Then, the control device 30 calculates a supply amount of cathode air sufficient to react with the reformed gas supplied from the reformer 20, and drives the cathode air blower 68 so as to obtain the supply amount. . When the stop switch is pushed, the fuel cell system performs a stop operation and stops.

さらに、改質部21での転化率の導出(推定)および導出した転化率に基づく燃料ポンプ42の制御について図7および図8を参照して説明する。制御装置30は、定常運転を開始すると、図7に示すプログラムを所定の短時間毎に実行する。   Further, derivation (estimation) of the conversion rate in the reforming unit 21 and control of the fuel pump 42 based on the derived conversion rate will be described with reference to FIGS. 7 and 8. When starting the steady operation, the control device 30 executes the program shown in FIG. 7 every predetermined short time.

制御装置30は、ステップ102において、燃料電池10に対する要求発電量に基づいて改質用燃料供給量(要求燃料供給量)を決定し、ステップ104において、決定された供給量で燃料ポンプ42を駆動する。また、制御装置30は、ステップ106において、ステップ102で決定された改質用燃料供給量に応じた転化率−イオン電流値特性を選択する。例えばfa(n)を選択したとする。   In step 102, the control device 30 determines a reforming fuel supply amount (required fuel supply amount) based on the required power generation amount for the fuel cell 10, and in step 104 drives the fuel pump 42 with the determined supply amount. To do. In step 106, the control device 30 selects a conversion rate-ion current value characteristic according to the reforming fuel supply amount determined in step 102. For example, assume that fa (n) is selected.

また、制御装置30は、イオン電流検出装置90によりイオン電流値を検出し(ステップ108)、その検出したイオン電流値とステップ106で選択した特性とから転化率を導出(推定)する(ステップ110)。   Further, the control device 30 detects the ion current value by the ion current detection device 90 (step 108), and derives (estimates) the conversion rate from the detected ion current value and the characteristics selected in step 106 (step 110). ).

そして、制御装置30は、導出した転化率が目標転化率となるように、燃料ポンプ42の供給量を調整する。具体的には、制御装置30は、ステップ112において、記憶装置31から目標転化率を読み出し(取得し)、その取得した目標転化率とステップ110で導出した転化率を比較する。なお、目標転化率はプロセス効率が最も大きい最適転化率Xaであることが好ましい。   Then, the control device 30 adjusts the supply amount of the fuel pump 42 so that the derived conversion rate becomes the target conversion rate. Specifically, in step 112, the control device 30 reads (acquires) the target conversion rate from the storage device 31, and compares the acquired target conversion rate with the conversion rate derived in step 110. The target conversion rate is preferably the optimum conversion rate Xa with the highest process efficiency.

図8に示すように、転化率が目標転化率より小さい場合には、改質用燃料の供給量を所定量刻みで増大させる(ステップ114)。改質用燃料の供給量が増大すると、改質に必要な吸熱量が増大するが、燃焼部25に流入する未改質の改質用燃料の量は増大するため燃焼部25での燃焼熱量は、必要な吸熱量に比べて多いので燃焼過多状態となり、転化率は上昇する。また、図8に示すように、検出したイオン電流値が目標転化率に対応した目標イオン電流値Iaより大きい場合には、転化率を上げるため改質用燃料の供給量を所定量刻みで増大させる。   As shown in FIG. 8, when the conversion rate is smaller than the target conversion rate, the supply amount of reforming fuel is increased in increments of a predetermined amount (step 114). When the supply amount of reforming fuel increases, the endothermic amount necessary for reforming increases, but the amount of unreformed reforming fuel flowing into the combustion section 25 increases, so the amount of combustion heat in the combustion section 25 Is larger than the necessary amount of heat absorption, so that the combustion becomes excessive and the conversion rate increases. Further, as shown in FIG. 8, when the detected ion current value is larger than the target ion current value Ia corresponding to the target conversion rate, the supply amount of reforming fuel is increased by a predetermined amount in order to increase the conversion rate. Let

また、転化率が目標転化率と等しい場合には、改質用燃料の供給量はそのままを維持する(ステップ116)。   If the conversion rate is equal to the target conversion rate, the supply amount of the reforming fuel is maintained as it is (step 116).

そして、転化率が目標転化率より大きい場合には、改質用燃料の供給量を所定量刻みで減少させる(ステップ118)。改質用燃料の供給量が減少すると、改質に必要な吸熱量が減少するが、燃焼部25に流入する未改質の改質用燃料の量は減少するため燃焼部25での燃焼熱量は、必要な吸熱量に比べて少ないので燃焼不足状態となり、転化率は下降する。また、図8に示すように、検出したイオン電流値が目標転化率に対応した目標イオン電流値Iaより小さい場合には、転化率を下げるため改質用燃料の供給量を所定量刻みで減少させるようにしてもよい。   If the conversion rate is larger than the target conversion rate, the supply amount of the reforming fuel is decreased in increments of a predetermined amount (step 118). When the supply amount of reforming fuel decreases, the endothermic amount necessary for reforming decreases, but the amount of unreformed reforming fuel flowing into the combustion section 25 decreases, so the amount of combustion heat in the combustion section 25 Is less than the necessary amount of heat absorption, so that the combustion becomes insufficient and the conversion rate decreases. Further, as shown in FIG. 8, when the detected ion current value is smaller than the target ion current value Ia corresponding to the target conversion rate, the supply amount of reforming fuel is decreased by a predetermined amount in order to lower the conversion rate. You may make it make it.

なお、上述したステップ108の処理が、燃焼部25に流入されて燃焼されるアノードオフガス中の改質用燃料量と相関のあるイオン電流を検出するイオン電流検出手段である。上述したステップ106〜110の処理が、イオン電流検出手段によって検出されるイオン電流に基づいて、改質部21へ供給された改質用燃料のうち水素に改質されたものの比率を示す転化率を推定する転化率推定手段である。上述したステップ112〜118の処理が、転化率推定手段によって推定される転化率が目標転化率となるように、改質用燃料供給手段である燃料ポンプ42を制御して改質用燃料の供給量を制御する改質用燃料供給量制御手段である。   In addition, the process of step 108 mentioned above is an ionic current detection means for detecting an ionic current correlated with the amount of reforming fuel in the anode off-gas that flows into the combustion section 25 and burns. Conversion rate indicating the ratio of the reformed fuel supplied to the reforming unit 21 to hydrogen based on the ion current detected by the ion current detecting means in the processing of steps 106 to 110 described above. Is a conversion rate estimation means for estimating Supplying the fuel for reforming by controlling the fuel pump 42 as the reforming fuel supply means so that the conversion rate estimated by the conversion rate estimating means in the processing of steps 112 to 118 described above becomes the target conversion rate. A reforming fuel supply amount control means for controlling the amount.

上述の説明から明らかなように、この実施形態においては、定常運転中において、改質部21に供給された改質用燃料は、一部が水素に改質され、残りが改質されないで改質用燃料のまま流出される。これら水素および未改質の改質用燃料を含む燃料ガスが燃料電池10に供給され、そのうち水素が発電で消費される。燃料電池10からのアノードオフガス中には、未改質の改質用燃料、未消費の水素などの可燃ガスが含まれている。このアノードガスが燃焼部25に供給されて燃焼される。この燃焼部25での燃焼においては、燃焼部25に改質用燃料などの可燃ガスを別途追加して燃焼する追い炊きは行われていない。いわゆる追い炊きレスである。この追い炊きレスの場合、燃焼部25で燃焼されるアノードオフガス中の改質用燃料の量は、改質部21で改質されなかった改質用燃料の量と同一である。水素を燃焼した際のイオン電流値は、改質用燃料(天然ガス等の炭化水素)を燃焼した際のイオン電流値に比べて著しく小さい。そのため、イオン電流値は、アノードオフガス中の水素の燃焼熱量の影響をほとんど受けない。したがって、未改質の改質用燃料量しいては転化率をイオン電流値で検知することが可能である。転化率(%)は、(改質部で改質された改質用燃料量/改質部への改質用燃料の供給量)×100、すなわち、100−(改質部で未改質の改質用燃料量/改質部への改質用燃料の供給量)×100で示されるからである。   As is apparent from the above description, in this embodiment, during the steady operation, the reforming fuel supplied to the reforming unit 21 is partly reformed to hydrogen and the rest is reformed without being reformed. It is discharged as quality fuel. Fuel gas containing these hydrogen and unreformed reforming fuel is supplied to the fuel cell 10, of which hydrogen is consumed by power generation. The anode off-gas from the fuel cell 10 contains unreformed reforming fuel and unburned combustible gas such as hydrogen. This anode gas is supplied to the combustion section 25 and burned. In the combustion in the combustion unit 25, no additional cooking is performed in which a combustible gas such as a reforming fuel is separately added to the combustion unit 25 for combustion. This is so-called no additional cooking. In the case of no additional cooking, the amount of reforming fuel in the anode off-gas burned by the combustion unit 25 is the same as the amount of reforming fuel that has not been reformed by the reforming unit 21. The ionic current value when hydrogen is burned is significantly smaller than the ionic current value when the reforming fuel (hydrocarbon such as natural gas) is burned. Therefore, the ion current value is hardly affected by the amount of combustion heat of hydrogen in the anode off gas. Therefore, the conversion rate of the unreformed reforming fuel amount can be detected by the ion current value. The conversion rate (%) is (reforming fuel amount reformed in reforming unit / reforming fuel supply amount to reforming unit) × 100, that is, 100− (unreformed in reforming unit) This is because the amount of reforming fuel / the amount of reforming fuel supplied to the reforming section) × 100.

以上のことから、転化率推定手段(ステップ106〜110)が、イオン電流検出手段(ステップ108)によって検出されるイオン電流に基づいて、改質部21へ供給された改質用燃料のうち水素に改質されたものの比率を示す転化率を推定することができる。これにより、炭化水素センサより一般的に安価なイオン電流検出手段であるイオン電流検出装置90によってイオン電流を検出しその検出結果を使用することにより転化率を精度よく推定することができる。したがって、改質部21の触媒の状況に関係なく、高コスト化を招くことなく、転化率を精度よく算出することができる。   From the above, the conversion rate estimation means (steps 106 to 110) uses hydrogen in the reforming fuel supplied to the reforming unit 21 based on the ion current detected by the ion current detection means (step 108). It is possible to estimate the conversion rate indicating the ratio of those modified. Thus, the conversion rate can be accurately estimated by detecting the ionic current by the ionic current detection device 90, which is an ionic current detection means generally cheaper than the hydrocarbon sensor, and using the detection result. Therefore, regardless of the state of the catalyst in the reforming unit 21, the conversion rate can be accurately calculated without incurring an increase in cost.

また、改質用燃料供給量制御手段(ステップ112〜118)が、転化率推定手段によって推定される転化率が目標転化率となるように、改質用燃料供給手段である燃料ポンプ42を制御して改質用燃料の供給量を制御する。これにより、転化率を目標転化率に正確かつ高精度に制御することができる。したがって、転化率を安定化させることにより、水素利用率も安定制御でき、ひいては燃料電池システムの安定性を向上させることができる。また、改質用燃料供給手段の流量ばらつきがあっても、転化率・水素利用率をバランスよく安定制御できるので、流量ばらつきが比較的大きい安価な改質用燃料供給手段を使用することができ、燃料電池システムを低コスト化することができる。   Further, the reforming fuel supply amount control means (steps 112 to 118) controls the fuel pump 42, which is the reforming fuel supply means, so that the conversion rate estimated by the conversion rate estimation means becomes the target conversion rate. Thus, the supply amount of the reforming fuel is controlled. As a result, the conversion rate can be accurately and accurately controlled to the target conversion rate. Therefore, by stabilizing the conversion rate, the hydrogen utilization rate can also be stably controlled, and as a result, the stability of the fuel cell system can be improved. In addition, even if there is a variation in the flow rate of the reforming fuel supply means, the conversion rate and hydrogen utilization rate can be stably controlled in a balanced manner, so an inexpensive reforming fuel supply means with a relatively large flow rate variation can be used. The cost of the fuel cell system can be reduced.

このような改質用燃料供給量制御手段に代えて、または改質用燃料供給量制御手段と合わせて、転化率推定手段によって推定される転化率が目標転化率となるように、燃焼用酸化剤ガス供給手段である燃焼用空気ポンプ65を制御して燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気の供給量を制御するようにしてもよい。この場合、図7に示すフローチャートに応じたプログラムを実行するようにすればよい。ただし、転化率が目標転化率より小さい場合には供給量を減少させ、転化率が目標転化率より大きい場合には供給量を増大させる。燃焼用酸化剤ガス供給量が減少すると、燃焼用酸化剤ガスによる冷却熱量が減少するため、改質部21の温度が上昇し転化率が増加するからである。一方、改質用燃料供給量が増加すると、追い焚きレスのため、燃焼部25に投入されるアノードオフガスも増加し、この結果、燃焼部25における燃焼熱量が増加し、改質部21の温度が上昇し転化率が増加する。   Instead of such reforming fuel supply amount control means, or together with the reforming fuel supply amount control means, the combustion oxidation is performed so that the conversion rate estimated by the conversion rate estimation means becomes the target conversion rate. The supply amount of the combustion air that is the combustion oxidant gas may be controlled by controlling the combustion air pump 65 that is the agent gas supply means. In this case, a program corresponding to the flowchart shown in FIG. 7 may be executed. However, when the conversion rate is smaller than the target conversion rate, the supply amount is decreased, and when the conversion rate is larger than the target conversion rate, the supply amount is increased. This is because when the amount of combustion oxidant gas supplied decreases, the amount of cooling heat generated by the combustion oxidant gas decreases, so the temperature of the reforming section 21 rises and the conversion rate increases. On the other hand, when the reforming fuel supply amount increases, the anode off-gas input to the combustion unit 25 also increases due to the lack of renewal. As a result, the amount of combustion heat in the combustion unit 25 increases, and the temperature of the reforming unit 21 increases. Increases and the conversion rate increases.

これにより、転化率を目標転化率に正確かつ高精度に制御することができる。したがって、転化率を安定化させることにより、水素利用率も安定制御でき、ひいては燃料電池システムの安定性を向上させることができる。また、燃焼用酸化剤ガス供給手段の流量ばらつきがあっても、転化率・水素利用率をバランスよく安定制御できるので、流量ばらつきが比較的大きい安価な燃焼用酸化剤ガス供給手段を使用することができ、燃料電池システムを低コスト化することができる。   As a result, the conversion rate can be accurately and accurately controlled to the target conversion rate. Therefore, by stabilizing the conversion rate, the hydrogen utilization rate can also be stably controlled, and as a result, the stability of the fuel cell system can be improved. In addition, even if there is a variation in the flow rate of the combustion oxidant gas supply means, the conversion rate and hydrogen utilization rate can be stably controlled in a balanced manner, so an inexpensive combustion oxidant gas supply means with a relatively large flow rate variation should be used. Thus, the cost of the fuel cell system can be reduced.

また、改質部21に供給される改質用燃料の熱量に対する燃料電池10で消費された水素の熱量の比率で表されるプロセス効率が最も大きい最適転化率を目標転化率とするので、転化率を目標転化率に制御することで高プロセス効率運転をすることができる。   Further, since the optimum conversion rate with the highest process efficiency represented by the ratio of the heat amount of hydrogen consumed by the fuel cell 10 to the heat amount of the reforming fuel supplied to the reforming unit 21 is set as the target conversion rate, High process efficiency operation can be achieved by controlling the rate to the target conversion rate.

また、転化率推定手段(ステップ106〜110)は、ステップ106にて燃料電池10の要求発電量(出力電力;ステップ102で決定された改質用燃料供給量)に応じた転化率−イオン電流値特性を選択することにより、燃料電池10の出力電力を加味して転化率を推定するので、燃料電池10の出力電力に応じてより最適な運転を行うことができる。   Further, the conversion rate estimating means (steps 106 to 110) converts the conversion rate-ion current according to the required power generation amount (output power; the reforming fuel supply amount determined in step 102) of the fuel cell 10 in step 106. By selecting the value characteristic, the conversion rate is estimated in consideration of the output power of the fuel cell 10, so that more optimal operation can be performed according to the output power of the fuel cell 10.

また、上述した実施形態において、気体を供給するポンプにおいてはポンプの代わりにブロアを使用するようにしてもよい。   In the above-described embodiment, a blower may be used instead of the pump in the pump that supplies gas.

本発明による燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。It is a schematic diagram showing an outline of one embodiment of a fuel cell system according to the present invention. 図1に示す燃焼部の断面とイオン電流検出装置を示す概要図である。It is a schematic diagram which shows the cross section of the combustion part shown in FIG. 1, and an ion current detection apparatus. 図1に示す燃料電池システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system shown in FIG. 図3に示した記憶装置に記憶されている要求燃料供給量ごとの、転化率とイオン電流値の特性曲線を示すマップである。It is a map which shows the characteristic curve of the conversion rate and ion current value for every required fuel supply amount memorize | stored in the memory | storage device shown in FIG. 転化率ごとの、燃焼状態とイオン電流値の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a combustion state and an ionic current value for every conversion rate. 要求燃料供給量ごとの、転化率とプロセス効率の特性曲線を示すマップである。It is a map which shows the characteristic curve of the conversion rate and process efficiency for every required fuel supply amount. 図3に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。4 is a flowchart of a control program executed by the control device shown in FIG. 3. 改質用燃料流量とイオン電流値、改質用燃料流量と転化率、および改質用燃料流量と水素利用率の各関係を示す図である。It is a figure which shows each relationship of the fuel flow for a reforming and an ionic current value, the fuel flow for a reforming, a conversion rate, and the fuel flow for a reforming, and a hydrogen utilization factor.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池、11…燃料極、12…空気極、20…改質装置、21…改質部、21c…温度センサ、22…冷却部(熱交換部)、23…一酸化炭素シフト反応部(COシフト部)、24…一酸化炭素選択酸化反応部(CO選択酸化部)、25…燃焼部、25a…本体、25b…燃焼筒、26…蒸発部、27…燃焼ガス流路、28…断熱部、30…制御装置(イオン電流検出手段(ステップ108)、転化率推定手段(ステップ106〜110)、改質用燃料供給量制御手段(ステップ112〜118))、41…燃料供給管、42…燃料ポンプ(改質用燃料供給手段)、43…改質用燃料バルブ、44,47…燃焼用燃料供給管、45,48…燃焼用燃料バルブ、46…脱硫器、51…水蒸気供給管、52…給水管、53…改質水ポンプ、54…改質水バルブ、61…酸化用空気供給管、62…酸化用空気ポンプ、63…酸化用空気バルブ、64…燃焼用空気供給管、65…燃焼用空気ポンプ(燃焼用酸化剤ガス供給手段)、66…燃焼用空気バルブ、67…カソード用空気供給管、68…カソード用空気ポンプ、69…カソード用空気バルブ、71…改質ガス供給管、72…オフガス供給管、73…バイパス管、74…第1改質ガスバルブ、75…オフガスバルブ、76…第2改質ガスバルブ、81,82…排気管、89…接続管、90…イオン電流検出装置(イオン電流検出手段)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell, 11 ... Fuel electrode, 12 ... Air electrode, 20 ... Reformer, 21 ... Reformer, 21c ... Temperature sensor, 22 ... Cooling part (heat exchange part), 23 ... Carbon monoxide shift reaction part (CO shift part), 24 ... carbon monoxide selective oxidation reaction part (CO selective oxidation part), 25 ... combustion part, 25a ... main body, 25b ... combustion cylinder, 26 ... evaporation part, 27 ... combustion gas flow path, 28 ... Heat insulation part, 30 ... control device (ion current detection means (step 108), conversion rate estimation means (steps 106-110), reforming fuel supply amount control means (steps 112-118)), 41 ... fuel supply pipe, 42 ... Fuel pump (reforming fuel supply means), 43 ... Reforming fuel valve, 44, 47 ... Combustion fuel supply pipe, 45, 48 ... Combustion fuel valve, 46 ... Desulfurizer, 51 ... Steam supply pipe 52 ... Water supply pipe, 53 ... Reformed water pump 54 ... reforming water valve, 61 ... oxidation air supply pipe, 62 ... oxidation air pump, 63 ... oxidation air valve, 64 ... combustion air supply pipe, 65 ... combustion air pump (combustion oxidant gas supply) Means), 66 ... Combustion air valve, 67 ... Cathode air supply pipe, 68 ... Cathode air pump, 69 ... Cathode air valve, 71 ... Reformed gas supply pipe, 72 ... Off-gas supply pipe, 73 ... Bypass pipe , 74 ... first reformed gas valve, 75 ... off-gas valve, 76 ... second reformed gas valve, 81, 82 ... exhaust pipe, 89 ... connecting pipe, 90 ... ion current detector (ion current detector).

Claims (4)

燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、
改質用燃料供給手段によって供給される改質用燃料を改質することにより水素を含む前記燃料ガスを生成する改質部と、
定常運転中には、前記燃料電池の前記燃料極からのアノードオフガスのみが供給されそのアノードオフガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより前記改質部を加熱する燃焼部と、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃焼部の火炎のイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、
前記イオン電流検出手段によって検出されるイオン電流に基づいて、前記改質部へ供給された前記改質用燃料のうち前記水素に改質されたものの比率を示す転化率を推定する転化率推定手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates electric power using the fuel gas and the oxidant gas respectively supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode;
A reforming section for generating the fuel gas containing hydrogen by reforming the reforming fuel supplied by the reforming fuel supply means;
A combustion section for supplying only the anode off-gas from the fuel electrode of the fuel cell during steady operation, burning the anode off-gas with a combustion oxidant gas, and heating the reforming section with the combustion gas; Fuel cell system,
Ionic current detection means for detecting the ionic current of the flame of the combustion section;
Conversion rate estimating means for estimating a conversion rate indicating a ratio of the reformed fuel supplied to the reforming unit that has been reformed to hydrogen based on the ion current detected by the ion current detecting means. A fuel cell system comprising:
請求項1において、前記転化率推定手段によって推定される前記転化率が目標転化率となるように、前記改質用燃料供給手段を制御して前記改質用燃料の供給量を制御する改質用燃料供給量制御手段および前記燃焼部に供給される前記燃焼用酸化剤ガスの供給量を制御する燃焼用酸化剤ガス供給量制御手段の少なくともいずれか一方をさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。   2. The reforming according to claim 1, wherein the reforming fuel supply unit is controlled to control a supply amount of the reforming fuel so that the conversion rate estimated by the conversion rate estimating unit becomes a target conversion rate. A fuel further comprising at least one of a combustion fuel supply amount control means and a combustion oxidant gas supply amount control means for controlling a supply amount of the combustion oxidant gas supplied to the combustion section Battery system. 請求項1または請求項2において、前記改質部に供給される前記改質用燃料の熱量に対する前記燃料電池で消費された水素の熱量の比率で表されるプロセス効率が最も大きい最適転化率を前記目標転化率とすることを特徴とする燃料電池システム。   3. The optimum conversion rate with the largest process efficiency represented by the ratio of the amount of heat of hydrogen consumed in the fuel cell to the amount of heat of the reforming fuel supplied to the reforming unit according to claim 1 or 2. A fuel cell system having the target conversion rate. 請求項1乃至請求項3の何れか一項において、前記転化率推定手段は、前記燃料電池の出力電力を加味して前記転化率を推定することを特徴とする燃料電池システム。   4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the conversion rate estimation unit estimates the conversion rate in consideration of output power of the fuel cell. 5.
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