JP2011009105A - Fuel cell system - Google Patents

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Hajime Omura
肇 大村
Toshiya Abe
俊哉 阿部
Takeshi Saito
健 斎藤
Kosaku Fujinaga
幸作 藤永
Hironobu Murakami
弘展 村上
Satoshi Matsuoka
聡 松岡
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of preventing a fuel battery cell from damaging in a process transiting from a cold state to a power generation state by starting it, in one using a long fuel battery cell.SOLUTION: In the fuel cell system FCS, fuel gas reformed at a partial oxidation reformer RFP is supplied from downward of a fuel battery cell CE, and oxidation gas with its temperature made to be raised at a catalyst combustor 10 is supplied from upward of the fuel battery cell CE. The fuel cell system FCS makes the partial oxidation reformer RFP generate high-temperature fuel gas with the use of heat generation by partial oxidation reforming reaction to supply to the fuel battery cell CE at a starting operation, and supplies fuel gas generated mainly through steam reforming reaction by a steam reformer RFS to the fuel battery cell CE at a power generation operation, then stops supply of high-temperature fuel gas by the partial oxidation reformer RFP after suppressing supply of high-temperature oxidation gas by the catalyst combustor 10.

Description

本発明は、固体電解質形の燃料電池セルを含む燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a solid electrolyte fuel cell.

このような燃料電池システムとして、固体電解質形の燃料電池セルを無底又は有底の筒形状等に構成し、その燃料電池セルの内側又は外側に水素を含む燃料ガスを通すと共に、反対側には空気といった酸化ガスを通すことで発電反応を行わせるものが知られている(例えば、下記特許文献1参照)。下記特許文献1に記載されている燃料電池システムは、発電開始時や停止時において燃料電池セルの酸化を防止するためのものである。   As such a fuel cell system, a solid electrolyte fuel cell is formed into a bottomed or bottomed cylindrical shape, etc., and a fuel gas containing hydrogen is passed inside or outside the fuel cell, and on the opposite side. Is known to cause a power generation reaction by passing an oxidizing gas such as air (see, for example, Patent Document 1 below). The fuel cell system described in the following Patent Document 1 is for preventing oxidation of the fuel cell at the start or stop of power generation.

特開2005−293951号公報JP 2005-293951 A

ところで、固体電解質形の燃料電池セルを複数組み合わせて構成される固体電解質形の燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)は、発電効率が高く、使用する燃料ガスが少なくて済むため、主に業務用として大型化が図られる場合がある。その場合であって、個々の燃料電池セルを管状に構成する場合には、管状の長手方向に長くすることが行われる。   By the way, a solid oxide fuel cell (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) configured by combining a plurality of solid electrolyte fuel cells has high power generation efficiency and uses less fuel gas. In some cases, the size may be increased. In that case, when each fuel cell is formed in a tubular shape, the fuel cell is elongated in the longitudinal direction of the tubular shape.

このように大型化が図られた固体電解質形の燃料電池システムでは、完全に停止した冷間状態からの起動に際して様々な解決すべき課題がある。その課題の一つとして、冷間状態からの起動では燃料電池セルに破損が起きやすいという課題がある。この破損の原因としては、複数の燃料電池セルが組み合わされた場合の各燃料電池セル間の温度差や、個々の燃料電池セルにおける温度ムラが想定される。燃料電池セルが層状に構成されている場合には、燃料電池セルにおける上方の温度と下方の温度とが乖離する温度ムラが発生すると、層間剥離が進行しやがては燃料電池セルの破損に繋がる場合もある。このような破損の恐れは、長い燃料電池セルを冷間状態から発電可能な高温状態へと遷移させる途中において特に顕著なものである。   In the solid electrolyte fuel cell system that has been increased in size in this way, there are various problems to be solved when starting from a completely stopped cold state. As one of the problems, there is a problem that the fuel cell is likely to be damaged when starting from a cold state. As a cause of the damage, a temperature difference between the fuel cells when a plurality of fuel cells are combined, or a temperature unevenness in the individual fuel cells is assumed. When fuel cells are structured in layers, if temperature unevenness occurs in which the upper and lower temperatures of the fuel cells deviate, delamination proceeds and eventually leads to damage of the fuel cells There is also. The fear of such damage is particularly significant during the transition of a long fuel cell from a cold state to a high temperature state where power can be generated.

具体的には、燃料電池セルが長くなると、その途中にヒータといった昇温手段を設けることが困難になるため、いずれか若しくは双方の端部近傍に昇温手段を設けて高温状態に遷移させることが考えられる。しかしながら、昇温手段を設けた近傍の温度は上昇するものの、昇温手段から離れた部分の温度を同じように上昇させることは困難である。特に、燃料電池セルを鉛直方向に沿って上下に延びるように配置した場合、反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)は下から上に流れるため、反応オフガスを燃焼させる領域が上方に位置することや、熱は上昇するものであるといった性質によって、燃料電池セルの下方は温度が上昇し難い傾向にある。これに対して、上述した従来の技術では、運転開始時において燃料電池セルをバーナーで予熱している。燃料電池セルに対するバーナーの位置は、燃料電池セルの下方であるが(特許文献1の図1参照)、このようにバーナーを下方に配置して燃料電池セルを加熱すると輻射熱によって燃料電池セルの下方のみが局所的に高温状態となってしまう恐れがある。   Specifically, as the fuel cell becomes longer, it becomes difficult to provide a temperature raising means such as a heater in the middle of the fuel cell, so a temperature raising means is provided near one or both ends to make a transition to a high temperature state. Can be considered. However, although the temperature in the vicinity where the temperature raising means is provided rises, it is difficult to raise the temperature of the part away from the temperature raising means in the same way. In particular, when the fuel cells are arranged so as to extend vertically along the vertical direction, the reaction gas (fuel gas and oxidizing gas) flows from the bottom to the top. Due to the property that heat rises, the temperature below the fuel cell tends to hardly rise. On the other hand, in the conventional technique described above, the fuel cell is preheated with a burner at the start of operation. The position of the burner with respect to the fuel cell is below the fuel cell (see FIG. 1 of Patent Document 1). When the burner is disposed below and the fuel cell is heated as described above, the radiant heat lowers the fuel cell. There is a risk that only the local high temperature state.

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、長い燃料電池セルを用いる燃料電池システムにおいても、冷間状態から起動して発電状態へと遷移させる過程において燃料電池セルの破損を防止することができる燃料電池システムを提供することにある。   The present invention has been made in view of such a problem, and the object of the present invention is to provide a fuel cell in the process of starting from a cold state and shifting to a power generation state even in a fuel cell system using a long fuel cell. An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can prevent damage to the fuel cell.

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、固体電解質形の燃料電池セルを含み、起動運転を行ってから前記燃料電池セルにおいて発電を行う発電運転に運転状態を遷移させる燃料電池システムであって、燃料ガスがアノード側に供給され、酸化ガスがカソード側に供給されることで発電反応を行うように構成され、鉛直方向に沿って複数立設される管状の燃料電池セルと、前記発電運転において主に用いられ、被改質ガスの改質を行って燃料ガスを生成する第1改質器と、前記起動運転において主に用いられ、被改質ガスの改質を行って燃料ガスを生成する第2改質器と、前記燃料電池セルに対して昇温した酸化ガスを供給する空気加熱部と、前記第1改質器と前記第2改質器と前記空気加熱部とを制御し、起動運転から発電運転へと運転を移行させる制御部と、を備え、前記第2改質器において改質された燃料ガスは前記燃料電池セルの下方から供給され、前記空気加熱部において昇温された酸化ガスは前記燃料電池セルの上方から供給されるようにそれぞれ構成されており、前記制御部は、前記起動運転では前記第2改質器に部分酸化改質反応による発熱を利用した高温の燃料ガスを生成させて前記燃料電池セルに供給するように制御し、前記発電運転では主に前記第1改質器に水蒸気改質反応を行わせて生成される燃料ガスを前記燃料電池セルに供給するように制御するものであって、前記空気加熱部による高温の酸化ガスの供給を抑制した後に前記第2改質器による高温の燃料ガスの供給を停止することを特徴とする燃料電池システム。   In order to solve the above-described problem, a fuel cell system according to the present invention includes a solid electrolyte fuel cell, and a fuel cell in which an operation state is shifted to a power generation operation in which power generation is performed in the fuel cell after performing a start-up operation. A tubular fuel cell configured to perform a power generation reaction by supplying fuel gas to the anode side and supplying oxidizing gas to the cathode side, and a plurality of the fuel cells standing in the vertical direction; The first reformer that is mainly used in the power generation operation and reforms the gas to be reformed to generate fuel gas, and is mainly used in the start-up operation to reform the gas to be reformed. A second reformer that generates fuel gas, an air heating unit that supplies a heated oxidizing gas to the fuel cell, the first reformer, the second reformer, and the air heating Control from the start-up operation A control unit that shifts the operation to electric operation, and the fuel gas reformed in the second reformer is supplied from below the fuel battery cell, and the oxidizing gas heated in the air heating unit Are configured to be supplied from above the fuel cells, and the control unit supplies high-temperature fuel gas using heat generated by the partial oxidation reforming reaction to the second reformer in the start-up operation. The fuel cell is controlled to be generated and supplied to the fuel cell, and in the power generation operation, the fuel gas generated mainly by causing the first reformer to perform a steam reforming reaction is supplied to the fuel cell. The fuel cell system is characterized in that the supply of the high-temperature fuel gas by the second reformer is stopped after the supply of the high-temperature oxidizing gas by the air heating unit is suppressed.

本発明における第1改質器は、主に水を用いた被改質ガスの改質、すなわちオートサーマル改質反応又は水蒸気改質反応による改質を行うものであり、それらの反応は熱自立反応又は吸熱反応である。一方、第2改質器は、発熱反応である部分酸化改質反応による発熱を利用した高温の燃料ガスを生成するものである。第2改質器は、部分酸化改質反応による被改質ガスの改質を行ったり、その部分酸化改質反応に繋げてオートサーマル改質反応による被改質ガスの改質を行ったりし、部分酸化改質反応による発熱を維持して高温の燃料ガスを生成する。本発明では、第2改質器において改質された燃料ガスは燃料電池セルの下方から供給され、空気加熱部において昇温された酸化ガスは燃料電池の上方から供給されるようにすることで、燃料電池セルの上方と下方とからそれぞれ昇温された気体を供給し、この昇温された気体との熱交換によって燃料電池セルを暖めている。このように、燃料電池セルの上方及び下方からそれぞれ供給される昇温された気体によって燃料電池セルを暖めることで、輻射熱による局所的な温度上昇を抑制することができ、燃料電池セルの長手方向における温度ムラを解消することができる。   The first reformer in the present invention performs reforming of a gas to be reformed mainly using water, that is, reforming by autothermal reforming reaction or steam reforming reaction, and these reactions are thermally self-supporting. Reaction or endothermic reaction. On the other hand, the second reformer generates high-temperature fuel gas using heat generated by the partial oxidation reforming reaction that is an exothermic reaction. The second reformer reforms the gas to be reformed by partial oxidation reforming reaction, or reforms the gas to be reformed by autothermal reforming reaction in connection with the partial oxidation reforming reaction. The heat generated by the partial oxidation reforming reaction is maintained and high-temperature fuel gas is generated. In the present invention, the fuel gas reformed in the second reformer is supplied from below the fuel cell, and the oxidizing gas heated in the air heating unit is supplied from above the fuel cell. The heated gas is supplied from above and below the fuel cell, and the fuel cell is heated by heat exchange with the heated gas. Thus, by heating the fuel cell with the heated gas supplied from above and below the fuel cell, a local temperature rise due to radiant heat can be suppressed, and the longitudinal direction of the fuel cell Temperature unevenness can be eliminated.

更に本発明の燃料電池システムは、起動運転から発電運転に移行するものであって、起動運転においては発電運転に必要な温度まで燃料電池セルの温度を上昇させるものとしている。そこで本発明では、起動運転においては主に第2改質器から供給される燃料ガスを燃料電池セルに供給し、発電運転においては主に第1改質器から供給される燃料ガスを燃料電池セルに供給することで、起動運転において必要な熱を燃料電池セルに与えている。更に本発明では、空気加熱部による高温の酸化ガスの供給を抑制した後に第2改質器による高温の燃料ガスの供給を停止するように構成しているので、温度が上がり難い燃料電池セル下部の温度が下がらずに、燃料電池セル上部の温度との差を極力少なくした状態を保持して発電運転を実行することができる。   Furthermore, the fuel cell system of the present invention shifts from the start operation to the power generation operation, and in the start operation, the temperature of the fuel cell is increased to a temperature required for the power generation operation. Therefore, in the present invention, the fuel gas supplied mainly from the second reformer is supplied to the fuel cell in the start-up operation, and the fuel gas supplied mainly from the first reformer is supplied to the fuel cell in the power generation operation. By supplying to the cell, the heat required for the start-up operation is given to the fuel cell. Further, in the present invention, since the supply of the high-temperature fuel gas by the second reformer is stopped after the supply of the high-temperature oxidizing gas by the air heating unit is suppressed, the lower part of the fuel battery cell where the temperature is difficult to rise Thus, the power generation operation can be executed while maintaining the state where the difference from the temperature of the upper part of the fuel cell is minimized.

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部は、前記発電運転の開始後に前記第2改質器による高温の燃料ガスの供給を停止することも好ましい。このように、第2改質器による高温の燃料ガスの供給を発電運転の開始後まで継続することで、燃料電池セルの下部のみの温度が下がってしまう事態を確実に回避することができる。   In the fuel cell system according to the present invention, it is also preferable that the controller stops the supply of high-temperature fuel gas by the second reformer after the start of the power generation operation. In this way, by continuing the supply of the high-temperature fuel gas by the second reformer until after the start of the power generation operation, it is possible to reliably avoid a situation in which the temperature of only the lower part of the fuel cell decreases.

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部は、前記発電運転の開始後に前記空気加熱部による酸化ガスの高温化を停止し、その後前記第2改質器による高温の燃料ガスの供給を停止することも好ましい。このように、空気加熱部による高温の酸化ガスの供給と第2改質器による高温の燃料ガスの供給とを発電運転の開始後まで継続することで、燃料電池の上部及び下部の温度を保ちつつ発電運転に移行することができ、燃料電池セルの長手方向の温度ムラを抑制できる。更に、空気加熱部による高温の酸化ガスの供給を発電運転の開始後まで継続し、その後、先に空気加熱部による酸化ガスの高温化を停止し、更にその後、第2改質器による高温の燃料ガスの供給を停止するので、燃料電池セルの下部のみの温度が下がってしまう事態を確実に回避することができる。   In the fuel cell system according to the present invention, the control unit stops the temperature increase of the oxidizing gas by the air heating unit after the start of the power generation operation, and then supplies the high-temperature fuel gas by the second reformer. It is also preferable to stop. In this way, the supply of the high-temperature oxidizing gas by the air heating unit and the supply of the high-temperature fuel gas by the second reformer are continued until after the start of the power generation operation, thereby maintaining the temperature of the upper and lower portions of the fuel cell. However, it is possible to shift to the power generation operation while suppressing temperature unevenness in the longitudinal direction of the fuel cells. Furthermore, the supply of the high-temperature oxidizing gas by the air heating unit is continued until after the start of the power generation operation, and then the high temperature of the oxidizing gas by the air heating unit is stopped first, and then the high-temperature oxidizing gas by the second reformer is stopped. Since the supply of the fuel gas is stopped, it is possible to reliably avoid a situation in which the temperature of only the lower part of the fuel cell is lowered.

また上記課題を解決するための本発明に係る燃料電池システムとして、固体電解質形の燃料電池セルを含み、起動運転を行ってから前記燃料電池セルにおいて発電を行う発電運転に運転状態を遷移させる燃料電池システムであって、燃料ガスがアノード側に供給され、酸化ガスがカソード側に供給されることで発電反応を行うように構成され、鉛直方向に沿って複数立設される管状の燃料電池セルと、前記発電運転において主に用いられ、被改質ガスの改質を行って燃料ガスを生成する第1改質器と、前記起動運転において主に用いられ、被改質ガスの改質を行って燃料ガスを生成する第2改質器と、前記燃料電池セルに対して昇温した酸化ガスを供給する空気加熱部と、前記第1改質器と前記第2改質器と前記空気加熱部とを制御し、起動運転から発電運転へと運転を移行させる制御部と、を備え、前記第2改質器において改質された燃料ガスは前記燃料電池セルの下方から供給され、前記空気加熱部において昇温された酸化ガスは前記燃料電池セルの上方から供給されるようにそれぞれ構成されており、前記制御部は、前記起動運転では前記第2改質器に部分酸化改質反応による発熱を利用した高温の燃料ガスを生成させて前記燃料電池セルに供給するように制御し、前記発電運転では主に前記第1改質器に水蒸気改質反応を行わせて生成される燃料ガスを前記燃料電池セルに供給するように制御するものであって、前記発電運転の開始後に前記第2改質器による高温の燃料ガスの供給を停止することを特徴とすることも好ましい。   In addition, as a fuel cell system according to the present invention for solving the above-described problem, a fuel that includes a solid electrolyte type fuel cell, and changes the operating state to a power generation operation in which power generation is performed in the fuel cell after the start-up operation is performed. A tubular fuel battery cell that is configured to perform a power generation reaction by supplying fuel gas to the anode side and supplying oxidizing gas to the cathode side, and is a plurality of standing fuel cells in the vertical direction. A first reformer that is mainly used in the power generation operation and reforms the gas to be reformed to generate fuel gas, and is mainly used in the start-up operation to reform the gas to be reformed. A second reformer for generating fuel gas, an air heating unit for supplying a heated oxidizing gas to the fuel cell, the first reformer, the second reformer, and the air Control and start the heating unit A fuel gas reformed in the second reformer is supplied from below the fuel cell and heated in the air heating unit. The oxidizing gas is configured to be supplied from above the fuel battery cell, and the control unit uses the heat generated by the partial oxidation reforming reaction to the second reformer in the start-up operation. Gas is generated and controlled to be supplied to the fuel cell, and in the power generation operation, the fuel gas generated mainly by causing the first reformer to perform a steam reforming reaction is supplied to the fuel cell. It is also preferable that the high-temperature fuel gas supply by the second reformer is stopped after the power generation operation is started.

本発明における第1改質器は、主に水を用いた被改質ガスの改質、すなわちオートサーマル改質反応又は水蒸気改質反応による改質を行うものであり、それらの反応は熱自立反応又は吸熱反応である。一方、第2改質器は、発熱反応である部分酸化改質反応による発熱を利用した高温の燃料ガスを生成するものである。第2改質器は、部分酸化改質反応による被改質ガスの改質を行ったり、その部分酸化改質反応に繋げてオートサーマル改質反応による被改質ガスの改質を行ったりし、部分酸化改質反応による発熱を維持して高温の燃料ガスを生成する。本発明では、第2改質器において改質された燃料ガスは燃料電池セルの下方から供給され、空気加熱部において昇温された酸化ガスは燃料電池の上方から供給されるようにすることで、燃料電池セルの上方と下方とからそれぞれ昇温された気体を供給し、この昇温された気体との熱交換によって燃料電池セルを暖めている。このように、燃料電池セルの上方及び下方からそれぞれ供給される昇温された気体によって燃料電池セルを暖めることで、輻射熱による局所的な温度上昇を抑制することができ、燃料電池セルの長手方向における温度ムラを解消することができる。   The first reformer in the present invention performs reforming of a gas to be reformed mainly using water, that is, reforming by autothermal reforming reaction or steam reforming reaction, and these reactions are thermally self-supporting. Reaction or endothermic reaction. On the other hand, the second reformer generates high-temperature fuel gas using heat generated by the partial oxidation reforming reaction that is an exothermic reaction. The second reformer reforms the gas to be reformed by partial oxidation reforming reaction, or reforms the gas to be reformed by autothermal reforming reaction in connection with the partial oxidation reforming reaction. The heat generated by the partial oxidation reforming reaction is maintained and high-temperature fuel gas is generated. In the present invention, the fuel gas reformed in the second reformer is supplied from below the fuel cell, and the oxidizing gas heated in the air heating unit is supplied from above the fuel cell. The heated gas is supplied from above and below the fuel cell, and the fuel cell is heated by heat exchange with the heated gas. Thus, by heating the fuel cell with the heated gas supplied from above and below the fuel cell, a local temperature rise due to radiant heat can be suppressed, and the longitudinal direction of the fuel cell Temperature unevenness can be eliminated.

更に本発明の燃料電池システムは、起動運転から発電運転に移行するものであって、起動運転においては発電運転に必要な温度まで燃料電池セルの温度を上昇させるものとしている。そこで本発明では、起動運転においては主に第2改質器から供給される燃料ガスを燃料電池セルに供給し、発電運転においては主に第1改質器から供給される燃料ガスを燃料電池セルに供給することで、起動運転において必要な熱を燃料電池セルに与えている。更に本発明では、発電運転の開始後に第2改質器による高温の燃料ガスの供給を停止するように構成しているので、温度が上がり難い燃料電池セル下部の温度が下がらずに、燃料電池セル上部の温度との差を極力少なくした状態を保持して発電運転を開始することができる。   Furthermore, the fuel cell system of the present invention shifts from the start operation to the power generation operation, and in the start operation, the temperature of the fuel cell is increased to a temperature required for the power generation operation. Therefore, in the present invention, the fuel gas supplied mainly from the second reformer is supplied to the fuel cell in the start-up operation, and the fuel gas supplied mainly from the first reformer is supplied to the fuel cell in the power generation operation. By supplying to the cell, the heat required for the start-up operation is given to the fuel cell. Furthermore, in the present invention, since the high-temperature fuel gas supply by the second reformer is stopped after the start of the power generation operation, the temperature of the lower part of the fuel cell, which is difficult to increase, does not decrease, and the fuel cell The power generation operation can be started while maintaining the state where the difference from the temperature at the top of the cell is minimized.

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記第2改質器は、ヒータによって昇温された空気と被改質ガスとが送り込まれ、部分酸化改質反応を利用して高温の燃料ガスを生成するものであって、前記制御部は、前記ヒータを停止した後に前記第2改質器への被改質ガスの供給を停止して高温の燃料ガスの供給を停止させることも好ましい。この好ましい態様のように先にヒータを停止させても発熱はある程度継続するので、第2改質器による燃料ガスの供給を停止するにあたっては、ヒータを先に停止させることで無駄なエネルギーを消費するのを防止できる。   In the fuel cell system according to the present invention, the second reformer is fed with air heated by the heater and the gas to be reformed, and generates a high-temperature fuel gas using a partial oxidation reforming reaction. The controller preferably stops the supply of the reformed gas to the second reformer after stopping the heater to stop the supply of the high-temperature fuel gas. Since the heat generation continues to some extent even if the heater is stopped first as in this preferred embodiment, when stopping the supply of fuel gas by the second reformer, wasted energy is consumed by stopping the heater first. Can be prevented.

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部は、前記ヒータによる発熱を徐々に低下させて停止するものであって、その発熱の低下に合わせて、前記第2改質器への空気供給量を増やすことも好ましい。この好ましい態様では、ヒータによる発熱を徐々に低下させることで、第2改質器へ供給する空気の温度の急変を防止することができ、ひいては第2改質器から供給する燃料ガスの温度の急変も防止することができる。更に、ヒータによる発熱の抑制に合わせて第2改質器への空気供給量を増やすことで、投入される熱量が急変することも防止することができる。   In the fuel cell system according to the present invention, the control unit gradually stops the heat generation by the heater and stops the supply of air to the second reformer in accordance with the decrease in the heat generation. It is also preferable to increase the amount. In this preferred embodiment, the temperature of the fuel gas supplied from the second reformer can be prevented from sudden change in the temperature of the air supplied to the second reformer by gradually reducing the heat generated by the heater. Sudden changes can also be prevented. Furthermore, by increasing the amount of air supplied to the second reformer in accordance with the suppression of heat generation by the heater, it is possible to prevent a sudden change in the amount of heat input.

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部は、前記発電運転の開始後に、前記第1改質器から供給する燃料ガスに含まれる水素量と前記第2改質器から供給する燃料ガスに含まれる水素量との総和が略一定となるように、前記第2改質器による燃料ガスの供給を徐々に減少させることも好ましい。発電運転の開始後に第2改質器による燃料ガスの供給を徐々に減少させるにあたって、第1改質器及び第2改質器から供給される燃料ガスに含まれる水素量の総和を維持することで、発電運転の開始後にまで第2改質器の稼動を継続させることによる発電運転への影響を低減させることができる。   Moreover, in the fuel cell system according to the present invention, the control unit includes the amount of hydrogen contained in the fuel gas supplied from the first reformer and the fuel gas supplied from the second reformer after the start of the power generation operation. It is also preferable to gradually reduce the supply of fuel gas by the second reformer so that the total amount with the amount of hydrogen contained in is substantially constant. Maintaining the total amount of hydrogen contained in the fuel gas supplied from the first reformer and the second reformer when gradually reducing the supply of fuel gas from the second reformer after the start of power generation operation Thus, the influence on the power generation operation by continuing the operation of the second reformer until after the start of the power generation operation can be reduced.

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記空気加熱部は、ヒータによって昇温された空気を更に空気加熱媒体によって加熱することで高温の酸化ガスを供給するものであって、前記制御部は、前記発電運転の開始後に、前記燃料電池セルに供給される酸化ガスの温度が略一定となるように、空気加熱媒体による昇温を徐々に低下させることも好ましい。発電運転に移行すると、第1改質器によって改質された燃料ガスも供給され、燃料電池セル上方において残余の燃料ガスと残余の酸化ガスとが燃焼する量も増え、結果として燃料電池セル上方がより高温化する傾向にある。そこでこの態様では、空気加熱媒体による酸化ガスの昇温を低下させ、燃料電池セルに供給される酸化ガスの温度を略一定とすることで、燃料電池セルの上下方向における温度差を抑制することができる。   In the fuel cell system according to the present invention, the air heating unit supplies high-temperature oxidizing gas by further heating the air heated by the heater with an air heating medium, and the control unit includes: It is also preferable to gradually decrease the temperature rise by the air heating medium so that the temperature of the oxidizing gas supplied to the fuel battery cell becomes substantially constant after the start of the power generation operation. When shifting to the power generation operation, the fuel gas reformed by the first reformer is also supplied, and the amount of combustion of the remaining fuel gas and the remaining oxidizing gas above the fuel battery cell is increased. Tend to be hotter. Therefore, in this aspect, the temperature difference in the vertical direction of the fuel cell is suppressed by lowering the temperature of the oxidizing gas by the air heating medium and making the temperature of the oxidizing gas supplied to the fuel cell substantially constant. Can do.

本発明によれば、長い燃料電池セルを用いる燃料電池システムにおいても、冷間状態から起動して発電状態へと遷移させる過程において燃料電池セルの破損を防止することができる燃料電池システムを提供することができる。   According to the present invention, even in a fuel cell system using a long fuel cell, a fuel cell system capable of preventing damage to the fuel cell in the process of starting from a cold state and making a transition to a power generation state is provided. be able to.

本願発明の実施形態である燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram illustrating an overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 図1に示す燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the control structure of the fuel cell system shown in FIG. 図1に示す燃料電池システムの、燃料電池モジュールを中心とした詳細な構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the detailed structure centering on the fuel cell module of the fuel cell system shown in FIG. 図1〜3に示す燃料電池システムの起動運転について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the starting operation of the fuel cell system shown in FIGS. 図1〜3に示す燃料電池システムの温度偏差緩和制御について説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the temperature deviation relaxation control of the fuel cell system shown in FIGS. 図5に示す温度偏差緩和制御を説明するために燃料電池セルの温度分布の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the temperature distribution of a fuel cell in order to demonstrate the temperature deviation relaxation control shown in FIG. 図5に示す温度偏差緩和制御を説明するために燃料電池セルの温度分布の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the temperature distribution of a fuel cell in order to demonstrate the temperature deviation relaxation control shown in FIG. 図5に示す温度偏差緩和制御を説明するために燃料電池セルの温度分布の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the temperature distribution of a fuel cell in order to demonstrate the temperature deviation relaxation control shown in FIG. 図5に示す温度偏差緩和制御を説明するために燃料電池セルの温度分布の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the temperature distribution of a fuel cell in order to demonstrate the temperature deviation relaxation control shown in FIG.

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same components are denoted by the same reference numerals as much as possible in the drawings, and redundant descriptions are omitted.

図1を参照しながら、本発明の一実施形態である燃料電池システムについて説明する。図1は、一実施形態としての燃料電池システムFCSの全体構成を示す概略構成図である。図1に示すように、燃料電池システムFCSは、燃料電池モジュールFCMと、補器ユニットADUと、貯水タンクWP2と、温水製造装置HWとを備えている。   A fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an overall configuration of a fuel cell system FCS as an embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system FCS includes a fuel cell module FCM, an auxiliary device unit ADU, a water storage tank WP2, and a hot water production apparatus HW.

まず、燃料電池モジュールFCMについて説明する。燃料電池モジュールFCMは、燃料電池FCと、改質器RFと、制御ボックスCBと、一酸化炭素検知器CODと、可燃ガス検知器GD1とを備えている。燃料電池FCは、固体電解質形の燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)であって、発電室FC1と燃焼室FC2とを備えている。   First, the fuel cell module FCM will be described. The fuel cell module FCM includes a fuel cell FC, a reformer RF, a control box CB, a carbon monoxide detector COD, and a combustible gas detector GD1. The fuel cell FC is a solid oxide fuel cell (SOFC), and includes a power generation chamber FC1 and a combustion chamber FC2.

発電室FC1には複数本の燃料電池セルCEが配置されている。燃料電池セルCEは、電解質を挟んで燃料極(アノード)と空気極(カソード)とが設けられているものであって、燃料極側に燃料ガスを通し、空気極側に酸化ガスとしての空気を通すことで発電反応を起こすことができるように構成されている。本実施形態の燃料電池FCは固体電解質形燃料電池(SOFC)であるので、電解質を構成する材料としては、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートといった酸素イオン導電性酸化物を用いている。   A plurality of fuel cells CE are arranged in the power generation chamber FC1. The fuel cell CE is provided with a fuel electrode (anode) and an air electrode (cathode) with an electrolyte interposed therebetween. The fuel cell CE passes fuel gas to the fuel electrode side and air as an oxidizing gas to the air electrode side. It is configured to generate a power generation reaction by passing through. Since the fuel cell FC of the present embodiment is a solid electrolyte fuel cell (SOFC), the material constituting the electrolyte is, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, and rare earth elements. An oxygen ion conductive oxide such as ceria doped with at least one selected from lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg is used.

燃料極を構成する材料としては、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体といった材料が用いられる。空気極を構成する材料としては、例えば、Sr、Caから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀といった材料が用いられる。もっとも、電解質や燃料極及び空気極を構成する材料はこれらに限られるものではない。   As a material constituting the fuel electrode, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, Ni and at least one selected from rare earth elements are doped. A material such as a mixture of ceria, a mixture of Ni and lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu is used. Examples of the material constituting the air electrode include lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni, and Cu, Sr, Fe, Ni, A material such as lanthanum cobaltite or silver doped with at least one selected from Cu is used. But the material which comprises an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode is not restricted to these.

発電室FC1において発電された電気は電力取出ラインEP1によって発電電力として取り出されて利用される。燃焼室FC2は、発電室FC1に配置された燃料電池セルCEによって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる部分である。燃焼室FC2において燃料ガスが燃焼した結果生じる排気ガスは、改質器RFと熱交換をした後に温水製造装置HWへと供給される。温水製造装置HWへと供給された排気ガスは更に熱交換を行い、水道水を昇温して温水とした後に外部へと排出される。   The electricity generated in the power generation chamber FC1 is taken out and used as generated power by the power extraction line EP1. The combustion chamber FC2 is a portion where the remaining fuel gas used for the power generation reaction is burned by the fuel cell CE arranged in the power generation chamber FC1. The exhaust gas generated as a result of the combustion of the fuel gas in the combustion chamber FC2 is supplied to the hot water production apparatus HW after heat exchange with the reformer RF. The exhaust gas supplied to the hot water production apparatus HW is further subjected to heat exchange, the temperature of the tap water is raised to warm water, and then discharged to the outside.

改質器RFは、被改質ガスを改質して燃料ガスとし、燃料電池FCの発電室FC1へと供給する部分である。被改質ガスの改質態様としては、部分酸化改質反応(POX:Partial Oxidation Reforming)、オートサーマル改質反応(ATR:Auto Thermal Reforming)、水蒸気改質反応(SR:Steam Reforming)があり、運転状況に応じて選択的に実行される。改質器RFは、改質部RF1と、蒸発部RF2とを備えている。   The reformer RF is a portion that reforms the gas to be reformed into fuel gas and supplies it to the power generation chamber FC1 of the fuel cell FC. As reforming modes of the gas to be reformed, there are partial oxidation reforming reaction (POX: Partial Oxidation Reforming), auto thermal reforming reaction (ATR: Auto Thermal Reforming), steam reforming reaction (SR: Steam Reforming), It is selectively executed according to the driving situation. The reformer RF includes a reforming unit RF1 and an evaporation unit RF2.

蒸発部RF2は、補器ユニットADU側から供給される純水を蒸発させて水蒸気とし、その水蒸気を改質部RF1に供給する部分である。改質部RF1は、補器ユニットADU側から供給される被改質ガス、空気及び蒸発部RF2から供給される水蒸気を用いて被改質ガスを改質して燃料ガスとする部分である。改質部RF1には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。本実施形態の場合、これらの改質触媒は球体である。   The evaporating unit RF2 is a part that evaporates pure water supplied from the auxiliary unit ADU side into water vapor and supplies the water vapor to the reforming unit RF1. The reforming unit RF1 is a part that reforms the gas to be reformed using the gas to be reformed supplied from the auxiliary unit ADU side, air, and water vapor supplied from the evaporation unit RF2 to form a fuel gas. A reforming catalyst is enclosed in the reforming unit RF1. As the reforming catalyst, a catalyst in which nickel is applied to the surface of the alumina sphere and a catalyst in which ruthenium is applied to the surface of the alumina sphere are appropriately used. In the present embodiment, these reforming catalysts are spheres.

制御ボックスCBは、燃料電池システム制御部をその内部に収納し、操作装置や表示装置、報知装置が設けられているものである。燃料電池システム制御部、操作装置、表示装置、報知装置については後述する。   The control box CB houses the fuel cell system control unit therein, and is provided with an operation device, a display device, and a notification device. The fuel cell system control unit, operation device, display device, and notification device will be described later.

一酸化炭素検知器CODは、燃料電池モジュールFCMの燃焼室FC2において残余の燃料ガスの不完全燃焼が起きてしまい、一酸化炭素が燃料電池モジュールFCM内に発生していないか検知するためのセンサである。可燃ガス検知器GD1は、燃料電池モジュールFCMの燃焼室FC2において残余の燃料ガスが燃え残ってしまい、いわゆる生ガスが燃料電池モジュールFCM内に発生していないか検知するためのセンサである。   The carbon monoxide detector COD is a sensor for detecting whether incomplete combustion of the remaining fuel gas has occurred in the combustion chamber FC2 of the fuel cell module FCM and carbon monoxide is not generated in the fuel cell module FCM. It is. The combustible gas detector GD1 is a sensor for detecting whether the remaining fuel gas remains in the combustion chamber FC2 of the fuel cell module FCM and so-called raw gas is not generated in the fuel cell module FCM.

続いて、補器ユニットADUについて説明する。補器ユニットADUは、燃料電池モジュールFCMに水、被改質ガス、及び空気を供給するための補器を備えるユニットである。補器ユニットADUは、空気供給部として空気ブロワや流量調整弁等を含む流量調整ユニットAP1a,AP1b、及び電磁弁AP2と、燃料供給部として燃料ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットFP1、脱硫器FP2、ガス遮断弁FP4、及びガス遮断弁FP5と、水供給部として水ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットWP1と、可燃ガス検知器GD2と、を備えている。   Subsequently, the auxiliary unit ADU will be described. The auxiliary device unit ADU is a unit including auxiliary devices for supplying water, reformed gas, and air to the fuel cell module FCM. The auxiliary unit ADU includes flow rate adjustment units AP1a and AP1b and an electromagnetic valve AP2 including air blowers and flow rate adjustment valves as an air supply unit, and a flow rate adjustment unit FP1 including a fuel pump and a flow rate adjustment valve as a fuel supply unit, A desulfurizer FP2, a gas cutoff valve FP4, and a gas cutoff valve FP5, a flow rate adjustment unit WP1 including a water pump and a flow rate adjustment valve as a water supply unit, and a combustible gas detector GD2 are provided.

外部の空気供給源から供給される空気は、電磁弁AP2が閉じていれば流量調整ユニットAP1a,AP1bに供給されず、電磁弁AP2が開いていれば流量調整ユニットAP1a,AP1bに供給される。流量調整ユニットAP1aによって流量調整された空気は改質用空気として、ヒータAH1によって昇温され、被改質ガスとの混合部MVに供給される。流量調整ユニットAP1bによって流量調整された空気は発電用空気として、ヒータAH2(空気加熱部)によって昇温され、燃料電池モジュールFCMの発電室FC1に供給される。発電室FC1に供給された発電用空気は、燃料電池セルCEの空気極に供給される。   Air supplied from an external air supply source is not supplied to the flow rate adjustment units AP1a and AP1b when the electromagnetic valve AP2 is closed, and is supplied to the flow rate adjustment units AP1a and AP1b when the electromagnetic valve AP2 is open. The air whose flow rate is adjusted by the flow rate adjusting unit AP1a is heated as the reforming air by the heater AH1 and supplied to the mixing portion MV with the reformed gas. The air whose flow rate is adjusted by the flow rate adjusting unit AP1b is heated as the power generation air by the heater AH2 (air heating unit) and supplied to the power generation chamber FC1 of the fuel cell module FCM. The power generation air supplied to the power generation chamber FC1 is supplied to the air electrode of the fuel cell CE.

外部の燃料供給源から供給される都市ガスは、2連電磁弁であるガス遮断弁FP4及びガス遮断弁FP5によってその流入が制御される。ガス遮断弁FP4,FP5のいずれもが開いていれば、都市ガスは脱硫器FP2に供給され、ガス遮断弁FP4,FP5のいずれかが閉じていれば、都市ガスは遮断される。脱硫器FP2に供給された都市ガスは、硫黄成分を除去されて被改質ガスとなり、流量調整ユニットFP1に供給される。流量調整ユニットFP1によって流量調整された被改質ガスは、改質用空気との混合部MVに供給される。混合部MVにおいて混合された被改質ガスと改質用空気とは、燃料電池モジュールFCMの改質器RFに供給される。   The inflow of city gas supplied from an external fuel supply source is controlled by a gas shut-off valve FP4 and a gas shut-off valve FP5 which are double solenoid valves. If any of the gas cutoff valves FP4 and FP5 is open, the city gas is supplied to the desulfurizer FP2, and if any of the gas cutoff valves FP4 and FP5 is closed, the city gas is shut off. The city gas supplied to the desulfurizer FP2 is removed from the sulfur component to become a reformed gas, and is supplied to the flow rate adjustment unit FP1. The to-be-reformed gas whose flow rate has been adjusted by the flow rate adjusting unit FP1 is supplied to the mixing unit MV with the reforming air. The gas to be reformed and the reforming air mixed in the mixing unit MV are supplied to the reformer RF of the fuel cell module FCM.

外部の水供給源から供給される水道水は、純水とされてから貯水タンクWP2に貯水される。貯水タンクWP2に貯水されている純水は、流量調整ユニットWP1によって流量が調整されて燃料電池モジュールFCMの改質器RFへと供給される。   Tap water supplied from an external water supply source is made pure water and then stored in the water storage tank WP2. The pure water stored in the water storage tank WP2 is supplied to the reformer RF of the fuel cell module FCM after the flow rate is adjusted by the flow rate adjustment unit WP1.

可燃ガス検知器GD2は、燃料供給部としての系統であるガス遮断弁FP5、ガス遮断弁FP4、脱硫器FP2、流量調整ユニットFP1において、ガス漏れが発生していわゆる生ガスが外部に放出されないか検知するためのセンサである。   The combustible gas detector GD2 is a system that serves as a fuel supply unit. In the gas cutoff valve FP5, the gas cutoff valve FP4, the desulfurizer FP2, and the flow rate adjustment unit FP1, gas leakage occurs and so-called raw gas is not released to the outside. It is a sensor for detecting.

続いて、図2を参照しながら本実施形態の燃料電池システムFCSの制御的な構成について説明する。図2は、燃料電池システムFCSの制御的な構成を示すブロック図である。図2に示すように、燃料電池システムFCSは、燃料電池モジュールFCMと、燃料電池モジュールFCMに空気を供給する空気供給部APと、燃料電池モジュールFCMに燃料ガスとなる被改質ガスを供給する燃料供給部FPと、燃料電池モジュールFCMに水を供給する水供給部WPと、燃料電池モジュールFCMから電力を取り出す電力取出部EPとを備えている。空気供給部AP、燃料供給部FP、水供給部WP、及び電力取出部EPは補器ユニットADUに収められている。   Next, a control configuration of the fuel cell system FCS of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a block diagram showing a control configuration of the fuel cell system FCS. As shown in FIG. 2, the fuel cell system FCS supplies a fuel cell module FCM, an air supply unit AP that supplies air to the fuel cell module FCM, and a reformed gas that becomes fuel gas to the fuel cell module FCM. A fuel supply unit FP, a water supply unit WP that supplies water to the fuel cell module FCM, and a power extraction unit EP that extracts power from the fuel cell module FCM are provided. The air supply unit AP, the fuel supply unit FP, the water supply unit WP, and the power extraction unit EP are housed in the auxiliary unit ADU.

燃料電池モジュールFCM、空気供給部AP、燃料供給部FP、水供給部WP、及び電力取出部EPは、燃料電池システム制御部CSから出力される制御信号に基づいて制御される。燃料電池システム制御部SCは、CPU、ROM及びRAMといったメモリ、及び制御信号やセンサ信号を授受するためのインターフェイスによって構成されている。燃料電池システム制御部SCには、操作装置CS1、表示装置CS2、及び報知装置CS3が取り付けられている。   The fuel cell module FCM, the air supply unit AP, the fuel supply unit FP, the water supply unit WP, and the power extraction unit EP are controlled based on a control signal output from the fuel cell system control unit CS. The fuel cell system control unit SC includes a CPU, a memory such as a ROM and a RAM, and an interface for sending and receiving control signals and sensor signals. An operating device CS1, a display device CS2, and a notification device CS3 are attached to the fuel cell system controller SC.

操作装置CS1から入力される操作指示信号は燃料電池システム制御部CSに出力され、燃料電池システム制御部CSは、その操作指示信号に基づいて、燃料電池モジュールFCM等を制御する。燃料電池システム制御部CSが制御した情報や、所定の警告情報は、表示装置CS2及び報知装置CS3に出力される。操作装置CS1、表示装置CS2、及び報知装置CS3の具体的なハードウェア構成は特に限定されるものではなく、必要となる機能に応じて最適なハードウェア構成が選択される。一例としては、操作装置CS1として、キーボード、マウス、タッチパネルといったハードウェアが用いられる。表示装置CS2としては、CRTディスプレイ、液晶ディスプレイといった表示系のハードウェアが用いられる。報知装置CS3としては、スピーカー、点灯器といったハードウェアが用いられる。燃料電池システム制御部CSは制御ボックスCBに収められている。また操作装置CS1、表示装置CS2、報知装置CS3は、図示しないボックスに収められ屋内に配置されている。   The operation instruction signal input from the operation device CS1 is output to the fuel cell system control unit CS, and the fuel cell system control unit CS controls the fuel cell module FCM and the like based on the operation instruction signal. Information controlled by the fuel cell system control unit CS and predetermined warning information are output to the display device CS2 and the notification device CS3. Specific hardware configurations of the operation device CS1, the display device CS2, and the notification device CS3 are not particularly limited, and an optimal hardware configuration is selected according to a required function. As an example, hardware such as a keyboard, a mouse, and a touch panel is used as the operating device CS1. As the display device CS2, display system hardware such as a CRT display or a liquid crystal display is used. As the notification device CS3, hardware such as a speaker and a lighting device is used. The fuel cell system controller CS is housed in a control box CB. In addition, the operation device CS1, the display device CS2, and the notification device CS3 are housed in a box (not shown).

燃料電池システム制御部CSには、燃料電池システムFCSの各所に設けられたセンサからセンサ信号が出力される。燃料電池システム制御部CSに信号を出力するセンサとしては、改質器温度センサDS1、スタック温度センサDS2、排気温度センサDS3、改質器内圧力センサDS4、水位センサDS5、水流量センサDS6、燃料流量センサDS7、改質用空気流量センサDS8、発電用空気流量センサDS9、電力状態検出部DS10、貯湯状態検出センサDS11、一酸化炭素検出センサDS12、可燃ガス検出センサDS13が設けられている。   Sensor signals are output to the fuel cell system controller CS from sensors provided at various locations in the fuel cell system FCS. The sensors that output signals to the fuel cell system controller CS include a reformer temperature sensor DS1, a stack temperature sensor DS2, an exhaust temperature sensor DS3, a reformer pressure sensor DS4, a water level sensor DS5, a water flow rate sensor DS6, fuel A flow rate sensor DS7, a reforming air flow rate sensor DS8, a power generation air flow rate sensor DS9, a power state detection unit DS10, a hot water storage state detection sensor DS11, a carbon monoxide detection sensor DS12, and a combustible gas detection sensor DS13 are provided.

改質器温度センサDS1は、改質器RFの温度を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は2つ設けられている。スタック温度センサDS2は、発電室FC1に配置されている燃料電池セルCEの温度を測定するためのセンサであって、複数の燃料電池セルCEからなる燃料電池セルスタック近傍に配置されている。排気温度センサDS3は、燃焼室FC2から排出される排気ガスの温度を測定するためのセンサであって、燃焼室FC2から改質器RF近傍を通って温水製造装置HWに至る経路に配置されている。改質器内圧力センサDS4は、改質器RF内の圧力を測定するためのセンサである。なお、ここでは改質器RF内の圧力をセンサで測定するようにしているが、改質器RFの前段で燃料と水が混合される部分の圧力を検出するものであっても良い。   The reformer temperature sensor DS1 is a sensor for measuring the temperature of the reformer RF. In the present embodiment, two reformer temperature sensors DS1 are provided. The stack temperature sensor DS2 is a sensor for measuring the temperature of the fuel cell CE arranged in the power generation chamber FC1, and is arranged in the vicinity of the fuel cell stack composed of a plurality of fuel cells CE. The exhaust temperature sensor DS3 is a sensor for measuring the temperature of the exhaust gas discharged from the combustion chamber FC2, and is disposed in a path from the combustion chamber FC2 through the vicinity of the reformer RF to the hot water production apparatus HW. Yes. The reformer pressure sensor DS4 is a sensor for measuring the pressure in the reformer RF. Here, the pressure in the reformer RF is measured by a sensor, but the pressure in the portion where the fuel and water are mixed may be detected in the previous stage of the reformer RF.

水位センサDS5は、貯水タンクWP2の水位を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は4つ設けられている。水流量センサDS6は、補器ユニットADUから燃料電池モジュールFCMへと供給される純水の流量を測定するためのセンサである。燃料流量センサDS7は、補器ユニットADUから燃料電池モジュールFCMへと供給される被改質ガスの流量を測定するためのセンサである。改質用空気流量センサDS8は、補器ユニットADUから燃料電池モジュールFCMの改質器RFへと供給される改質用空気の流量を測定するためのセンサである。発電用空気流量センサDS9は、補器ユニットADUから燃料電池モジュールFCMへと供給される発電用空気の流量を測定するためのセンサである。   The water level sensor DS5 is a sensor for measuring the water level of the water storage tank WP2. In the present embodiment, four water level sensors DS5 are provided. The water flow rate sensor DS6 is a sensor for measuring the flow rate of pure water supplied from the auxiliary unit ADU to the fuel cell module FCM. The fuel flow rate sensor DS7 is a sensor for measuring the flow rate of the reformed gas supplied from the auxiliary unit ADU to the fuel cell module FCM. The reforming air flow rate sensor DS8 is a sensor for measuring the flow rate of the reforming air supplied from the auxiliary unit ADU to the reformer RF of the fuel cell module FCM. The power generation air flow rate sensor DS9 is a sensor for measuring the flow rate of power generation air supplied from the auxiliary unit ADU to the fuel cell module FCM.

電力状態検出部DS10は、センシング手段の集合体であって、燃料電池モジュールFCMから取り出す発電電力の状態を検出する部分である。貯湯状態検出センサDS11は、センシング手段の集合体であって、温水製造装置HWの貯湯状態を検出する部分である。   The power state detection unit DS10 is an assembly of sensing means, and is a part that detects the state of generated power extracted from the fuel cell module FCM. The hot water storage state detection sensor DS11 is an assembly of sensing means, and is a part that detects the hot water storage state of the hot water production apparatus HW.

一酸化炭素検出センサDS12は、一酸化炭素検知器CODに備えられているセンサであって、燃料電池モジュールFCM内における一酸化炭素のハウジング内への漏れを検出するセンサである。可燃ガス検出センサDS13は、可燃ガス検知器GD1,GD2に備えられているセンサであって、燃料電池モジュールFCM及び補器ユニットADU内における可燃ガスの漏洩を検出するセンサである。   The carbon monoxide detection sensor DS12 is a sensor provided in the carbon monoxide detector COD, and is a sensor that detects leakage of carbon monoxide into the housing in the fuel cell module FCM. The combustible gas detection sensor DS13 is a sensor provided in the combustible gas detectors GD1 and GD2, and is a sensor that detects the leakage of combustible gas in the fuel cell module FCM and the auxiliary unit ADU.

続いて、図3を参照しながら本実施形態の燃料電池システムFCSを構成する燃料電池モジュールFCMの詳細な構成について説明する。図3は、燃料電池システムFCSの制御的な構成を示すブロック図である。   Next, a detailed configuration of the fuel cell module FCM constituting the fuel cell system FCS of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a block diagram illustrating a control configuration of the fuel cell system FCS.

図3に示すように、燃料電池モジュールFCMは、発電室FC1と、分散室DBと、燃焼室FC2と、水蒸気改質器RFS(第1改質器)と、部分酸化改質器RFP(第2改質器)とを備えている。発電室FC1、分散室DB、燃焼室FC2、及び水蒸気改質器RFSは同一の容器C内に収容されており、部分酸化改質器RFPは、容器Cの外部に配設されている。   As shown in FIG. 3, the fuel cell module FCM includes a power generation chamber FC1, a dispersion chamber DB, a combustion chamber FC2, a steam reformer RFS (first reformer), and a partial oxidation reformer RFP (first 2 reformer). The power generation chamber FC1, the dispersion chamber DB, the combustion chamber FC2, and the steam reformer RFS are accommodated in the same container C, and the partial oxidation reformer RFP is disposed outside the container C.

分散室DBは、発電室FC1の下部に配設されている。この分散室DBは、水蒸気改質器RFS又は部分酸化改質器RFPで改質された燃料ガスを分散させ、発電室FC1内に燃料ガスを均一に供給するためのものであり、その上壁には、燃料ガスを発電室FC1内に供給する複数の穴(図示せず)が貫通形成されている。また、分散室DBの底面には、水蒸気改質器RFS又は部分酸化改質器RFPから供給される燃料ガスを分散室DB内に導入するための導入穴(図示せず)が貫通形成されている。これにより、分散室DBの底面側(下側)から導入された燃料ガスは、ここで分散され、発電室FC1の底面側(下側)から発電室FC1内に導入され、発電室FC1内に立設された燃料電池セルCEの燃料極に供給される。   The dispersion chamber DB is disposed below the power generation chamber FC1. The dispersion chamber DB is for dispersing the fuel gas reformed by the steam reformer RFS or the partial oxidation reformer RFP, and for uniformly supplying the fuel gas into the power generation chamber FC1, and its upper wall. Are formed with a plurality of holes (not shown) through which fuel gas is supplied into the power generation chamber FC1. In addition, an introduction hole (not shown) for introducing the fuel gas supplied from the steam reformer RFS or the partial oxidation reformer RFP into the dispersion chamber DB is formed through the bottom surface of the dispersion chamber DB. Yes. As a result, the fuel gas introduced from the bottom surface side (lower side) of the dispersion chamber DB is dispersed here and introduced into the power generation chamber FC1 from the bottom surface side (lower side) of the power generation chamber FC1 to enter the power generation chamber FC1. It is supplied to the fuel electrode of the standing fuel cell CE.

図3に示す形態の場合、改質器RFは、水蒸気改質器RFSと部分酸化改質器RFPとに分けて設けられている。まず、水蒸気改質器RFSの構成について説明する。水蒸気改質器RFSは、蒸発部RFS1、予熱部RFS2、及び改質部RFS3を備えている。   In the case of the embodiment shown in FIG. 3, the reformer RF is divided into a steam reformer RFS and a partial oxidation reformer RFP. First, the configuration of the steam reformer RFS will be described. The steam reformer RFS includes an evaporation unit RFS1, a preheating unit RFS2, and a reforming unit RFS3.

改質部RFS3は、燃焼室FC2の上部に配設されている。改質部RFS3の上部には、予熱部RFS2が配設され、更にその上方には蒸発部RFS1が配設されている。蒸発部RFS1は、補器ユニットADU側から純水が供給され、その純水を蒸発させて水蒸気となし、その水蒸気を予熱部RFS2に送り込む。予熱部RFS2は、蒸発部RFS1から水蒸気が供給されると共に、補器ユニットADU側から被改質ガスとしての都市ガスが供給される。予熱部RFS2においては水蒸気と被改質ガスである都市ガスとが混合され、その混合されたガスは改質部RFS3に送り込まれる。改質部RFS3は、予熱部RFS2から水蒸気及び被改質ガスが供給され、改質触媒の作用によって被改質ガスを改質して燃料ガスとなし、分散室DBへと送り込んでいる。このように、水蒸気改質器RFS(改質部RFS3)は、容器C内に配設されており、且つ同じ容器C内に配設された燃焼室FC2の上方に配設されているため、燃焼室FC2で生じる熱を用いて吸熱反応である水蒸気改質反応を効率よく行うことができる。   The reforming unit RFS3 is disposed in the upper part of the combustion chamber FC2. A preheating unit RFS2 is disposed above the reforming unit RFS3, and an evaporation unit RFS1 is disposed above the preheating unit RFS2. The evaporating unit RFS1 is supplied with pure water from the auxiliary unit ADU side, evaporates the pure water to form water vapor, and sends the water vapor to the preheating unit RFS2. The preheating unit RFS2 is supplied with water vapor from the evaporation unit RFS1 and is supplied with city gas as a reformed gas from the auxiliary unit ADU side. In the preheating unit RFS2, water vapor and city gas as the reformed gas are mixed, and the mixed gas is sent to the reforming unit RFS3. The reforming unit RFS3 is supplied with water vapor and a gas to be reformed from the preheating unit RFS2, reforms the gas to be reformed by the action of the reforming catalyst to be a fuel gas, and sends it to the dispersion chamber DB. As described above, the steam reformer RFS (reformer RFS3) is disposed in the container C and is disposed above the combustion chamber FC2 disposed in the same container C. The steam reforming reaction, which is an endothermic reaction, can be efficiently performed using the heat generated in the combustion chamber FC2.

部分酸化改質器RFPは、容器Cの外側面下部に断熱材を介して配設されている。部分酸化改質器RFPは、被改質ガス、空気、純水が供給されるように構成されている。部分酸化改質器RFPで改質された燃料ガスは、分散室DBの底面に形成された前述した図示しない導入穴から分散室DBに供給される。部分酸化改質器RFPと分散室DBとを連通して燃料ガスを流通させる配管は断熱材HIで包まれている。部分酸化改質器RFPは、起動モードの際と、運転停止モードの際に、被改質ガスに部分酸化改質又は水を用いた改質を行うが、水を必要としない部分酸化改質反応(POX)時には、燃料電池システム制御部CSによって、部分酸化改質器RFPに純水が供給されないように制御される。   The partial oxidation reformer RFP is disposed on the lower portion of the outer surface of the container C via a heat insulating material. The partial oxidation reformer RFP is configured to be supplied with a gas to be reformed, air, and pure water. The fuel gas reformed by the partial oxidation reformer RFP is supplied to the dispersion chamber DB from the aforementioned introduction hole (not shown) formed on the bottom surface of the dispersion chamber DB. A pipe that allows the fuel gas to flow through the partial oxidation reformer RFP and the dispersion chamber DB is wrapped with a heat insulating material HI. The partial oxidation reformer RFP performs partial oxidation reforming or reforming using water for the gas to be reformed in the startup mode and the shutdown mode, but does not require water. During the reaction (POX), the fuel cell system control unit CS performs control so that the pure water is not supplied to the partial oxidation reformer RFP.

発電室FC1に配置されている燃料電池セルCEの温度を測るため、スタック温度センサDS2a(上部温度測定部)、スタック温度センサDS2b(中部温度測定部)、スタック温度センサDS2c(下部温度測定部)が配置されている。スタック温度センサDS2aは、燃料電池セルCEの上部温度を測定するために、スタック温度センサDS2bよりも上方に配置されている。スタック温度センサDS2cは、燃料電池セルCEの下部温度を測定するために、スタック温度センサDS2bよりも下方に配置されている。スタック温度センサDS2bは、燃料電池セルCEの中部温度を測定するために、スタック温度センサDS2aとスタック温度センサDS2cとの間であって、燃料電池セルCEの中央部近傍に配置されている。   In order to measure the temperature of the fuel cell CE arranged in the power generation chamber FC1, the stack temperature sensor DS2a (upper temperature measuring unit), the stack temperature sensor DS2b (middle temperature measuring unit), and the stack temperature sensor DS2c (lower temperature measuring unit) Is arranged. The stack temperature sensor DS2a is disposed above the stack temperature sensor DS2b in order to measure the upper temperature of the fuel cell CE. The stack temperature sensor DS2c is disposed below the stack temperature sensor DS2b in order to measure the lower temperature of the fuel cell CE. The stack temperature sensor DS2b is disposed between the stack temperature sensor DS2a and the stack temperature sensor DS2c and near the center of the fuel cell CE in order to measure the middle temperature of the fuel cell CE.

各燃料電池セルCEに高温の酸化ガスを供給するために、触媒燃焼器10及び空気ヘッダ15が設けられている。触媒燃焼器10には、触媒が充填されており、空気と燃料ガスとが供給され、所定のSV(空間速度)値を上回る着火条件を満たした場合に着火して燃焼するように構成されている。触媒燃焼器10には、流量調整ユニットAP1bから送出され、ヒータAH2によって昇温された空気が供給されるように構成されている。また、触媒燃焼器10には、都市ガスが直接供給されるように構成されている。触媒燃焼器10によって更に昇温された空気は空気ヘッダ15に供給される。空気ヘッダ15は、複数の燃料電池セルCEそれぞれに空気を分配供給するように構成されている。   A catalytic combustor 10 and an air header 15 are provided to supply high-temperature oxidizing gas to each fuel cell CE. The catalyst combustor 10 is filled with a catalyst, and is configured to be ignited and combusted when an ignition condition exceeding a predetermined SV (space velocity) value is satisfied by supplying air and fuel gas. Yes. The catalyst combustor 10 is configured to be supplied with air that is sent from the flow rate adjustment unit AP1b and heated by the heater AH2. Further, the catalytic combustor 10 is configured to be supplied with city gas directly. The air further heated by the catalytic combustor 10 is supplied to the air header 15. The air header 15 is configured to distribute and supply air to each of the plurality of fuel cells CE.

続いて、燃料電池システムFCSの起動運転及び発電運転における各種改質反応の切り替えについて図4を参照しながら説明する。図4は、燃料電池システムFCSの起動時における各部の温度や流量を示すグラフである。図4の(a)は、燃料電池セルCEの空気極(カソード)側に供給する空気の流量等を示し、図4の(b)は、部分酸化改質器RFPに関するガス流量等を示し、図4の(c)は、水蒸気改質器RFSに関するガス流量等を示している。   Next, switching of various reforming reactions in the start-up operation and power generation operation of the fuel cell system FCS will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a graph showing the temperature and flow rate of each part when the fuel cell system FCS is started. 4 (a) shows the flow rate of air supplied to the air electrode (cathode) side of the fuel cell CE, FIG. 4 (b) shows the gas flow rate and the like related to the partial oxidation reformer RFP, FIG. 4C shows the gas flow rate and the like related to the steam reformer RFS.

具体的には、図4の(a)は、触媒燃焼器10に供給される空気の流量(発電用空気流量センサDS9によって検出)20と、触媒燃焼器10に直接供給される都市ガスの流量(図示しない都市ガス流量センサによって検出)21と、ヒータAH2の温度(ヒータAH2の仕様と印加電圧によって算出)22と、触媒燃焼器10の出口温度(図示しない温度センサによって検出)23と、燃焼室FC2の温度(図示しない温度センサによって検出)24とを示している。横軸は時間を示し、左側の縦軸は温度(℃)及び空気流量(NLM:Normal Litter per Minute)を示し、右側の縦軸は都市ガスの流量(NLM)を示している。   Specifically, FIG. 4A shows the flow rate of air supplied to the catalytic combustor 10 (detected by the power generation air flow rate sensor DS9) 20 and the flow rate of city gas supplied directly to the catalytic combustor 10. (Detected by a city gas flow sensor not shown) 21, the temperature of the heater AH2 (calculated by the specification and applied voltage of the heater AH2) 22, the outlet temperature of the catalyst combustor 10 (detected by a temperature sensor not shown) 23, combustion The temperature (detected by a temperature sensor not shown) 24 of the chamber FC2 is shown. The horizontal axis represents time, the left vertical axis represents temperature (° C.) and air flow rate (NLM), and the right vertical axis represents city gas flow rate (NLM).

図4の(b)は、部分酸化改質器RFPに供給される空気の流量(改質用空気流量センサDS8によって検出)25と、部分酸化改質器RFPに供給される都市ガスの流量(燃料流量センサDS7によって検出)26と、部分酸化改質器RFPに供給される水の流量(水流量センサDS6によって検出)27と、ヒータAH1の温度(ヒータAH1の仕様と印加電圧によって算出)28と、部分酸化改質器RFPの反応管入口温度(改質器温度センサDS1によって検出)29と、部分酸化改質器RFPの反応管出口温度(改質器温度センサDS1によって検出)30とを示している。横軸は時間を示し、左側の縦軸は温度(℃)を示し、右側の縦軸は空気の流量及び都市ガスの流量(NLM)及び水の流量(mlM:ml per Minute)を示している。   4B shows the flow rate of air supplied to the partial oxidation reformer RFP (detected by the reforming air flow rate sensor DS8) 25 and the flow rate of city gas supplied to the partial oxidation reformer RFP ( 26 (detected by the fuel flow sensor DS7) 26, the flow rate of water supplied to the partial oxidation reformer RFP (detected by the water flow sensor DS6) 27, and the temperature of the heater AH1 (calculated by the specification and applied voltage of the heater AH1) 28 And a reaction tube inlet temperature (detected by the reformer temperature sensor DS1) 29 of the partial oxidation reformer RFP and a reaction tube outlet temperature (detected by the reformer temperature sensor DS1) 30 of the partial oxidation reformer RFP. Show. The horizontal axis indicates time, the left vertical axis indicates temperature (° C.), and the right vertical axis indicates air flow rate, city gas flow rate (NLM), and water flow rate (mlM: ml per minute). .

図4の(c)は、燃料電池セルCEの温度(スタック温度センサDS2によって検出)31と、水蒸気改質器RFSに供給される都市ガスの流量(燃料流量センサDS7によって検出)32と、水蒸気改質器RFSに供給される水の流量(水流量センサDS6によって検出)33と、電力取出ラインEP1から取り出す電流(電力状態検出部DS10によって検出)34とを示している。横軸は時間を示し、左側の縦軸は温度(℃)を示し、右側の縦軸は燃料ガスの流量(NLM)及び水の流量(mlM)を示している。   FIG. 4C shows the temperature of the fuel cell CE (detected by the stack temperature sensor DS2) 31, the flow rate of the city gas supplied to the steam reformer RFS (detected by the fuel flow rate sensor DS7) 32, the steam A flow rate of water supplied to the reformer RFS (detected by the water flow rate sensor DS6) 33 and a current (detected by the power state detection unit DS10) 34 taken out from the power extraction line EP1 are shown. The horizontal axis represents time, the left vertical axis represents temperature (° C.), and the right vertical axis represents fuel gas flow rate (NLM) and water flow rate (mlM).

まず、スタートと同時にカソード側への空気供給を開始する(図4の(a))。この空気流量20は400NLMである。また、スタートと同時に部分酸化改質器RFPへの空気供給を開始する(図4の(b))。この空気流量25は20NLMである。カソード側への空気が流れ始めたことを確認し、ヒータAH2をONする(図4の(a)における時刻t1)。時刻t1からヒータAH2への通電を開始し、時刻t2までにヒータAH2の温度22が750℃になるように制御する。一方、部分酸化改質器RFPへの空気が流れ始めたことを確認し、ヒータAH1をONする(図4の(b)における時刻t1)。時刻t1からヒータAH1への通電を開始し、時刻t2までにヒータAH1の温度28が600℃になるように制御する。   First, air supply to the cathode side is started simultaneously with the start ((a) of FIG. 4). The air flow rate 20 is 400 NLM. At the same time as the start, the supply of air to the partial oxidation reformer RFP is started ((b) of FIG. 4). The air flow rate 25 is 20 NLM. After confirming that air to the cathode side has started to flow, the heater AH2 is turned on (time t1 in FIG. 4A). Energization of the heater AH2 is started from time t1, and control is performed so that the temperature 22 of the heater AH2 becomes 750 ° C. by time t2. On the other hand, it is confirmed that the air to the partial oxidation reformer RFP has started to flow, and the heater AH1 is turned on (time t1 in FIG. 4B). Energization to the heater AH1 is started from time t1, and control is performed so that the temperature 28 of the heater AH1 becomes 600 ° C. by time t2.

カソード側において、ヒータAH2によって昇温された空気が供給されるので、触媒燃焼器10の出口温度23と燃焼室FC2の温度24が上昇する。触媒燃焼器10の出口温度23が400℃に到達すると、空気の供給流量20を150NLMに落とし、燃料電池セルCEへのヒートショックを極力抑えるような着火条件を設定する(図4の(a)における時刻t3から時刻t4)。その後、時刻t4において、都市ガスを触媒燃焼器10へ直接供給開始する。この都市ガスの流量21は0.5NLMである。その後、燃料電池セルCEへのヒートショックを防ぐように、時刻t5から徐々に空気と都市ガスの供給量を増やしていく。空気の供給流量20は400NLMに戻し、都市ガスの供給流量21は2NLMへと増やす。この結果、触媒燃焼器10の出口温度23が700℃以上900℃以下となって、燃料電池セルCEを上部から加熱する。尚、燃料電池セルCEの上下の温度差は150℃以内となるように制御し、燃焼室FC2の温度と燃料電池セルCEの上部の温度との差が150℃以内となるように制御する。   Since the air heated by the heater AH2 is supplied on the cathode side, the outlet temperature 23 of the catalytic combustor 10 and the temperature 24 of the combustion chamber FC2 rise. When the outlet temperature 23 of the catalytic combustor 10 reaches 400 ° C., an ignition condition is set such that the air supply flow rate 20 is reduced to 150 NLM and the heat shock to the fuel cell CE is suppressed as much as possible ((a) of FIG. 4). From time t3 to time t4). Thereafter, the supply of city gas directly to the catalytic combustor 10 is started at time t4. The flow rate 21 of this city gas is 0.5 NLM. Thereafter, the supply amount of air and city gas is gradually increased from time t5 so as to prevent heat shock to the fuel cell CE. The air supply flow rate 20 is returned to 400 NLM, and the city gas supply flow rate 21 is increased to 2 NLM. As a result, the outlet temperature 23 of the catalytic combustor 10 becomes 700 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, and the fuel cell CE is heated from above. The temperature difference between the upper and lower sides of the fuel cell CE is controlled to be within 150 ° C., and the difference between the temperature of the combustion chamber FC2 and the temperature of the upper portion of the fuel cell CE is controlled to be within 150 ° C.

図4の(b)に示すように、部分酸化改質器RFPでは、ヒータAH1によって昇温された空気が供給されるので、部分酸化改質器RFPの反応管入口温度29及び反応管出口温度30が上昇する。部分酸化改質器RFPの反応管入口温度29が400℃以上となったことを条件として、時刻t4から時刻t5にかけて空気の供給流量25を減らし、5NLM程度まで低減し、燃料電池セルCEへのヒートショックを極力抑えるような着火条件を設定する。部分酸化改質器RFPへ被改質ガスとしての都市ガスを供給する(図4の(b)の時刻t6)。この供給流量26は、1NLMである。更に、時刻t7からは、水も供給される。この供給流量27は、1mlMである。   As shown in FIG. 4B, in the partial oxidation reformer RFP, the air heated by the heater AH1 is supplied, so that the reaction tube inlet temperature 29 and the reaction tube outlet temperature of the partial oxidation reformer RFP are supplied. 30 rises. On condition that the reaction tube inlet temperature 29 of the partial oxidation reformer RFP is 400 ° C. or more, the air supply flow rate 25 is reduced from time t4 to time t5, and is reduced to about 5 NLM, and the fuel cell CE is supplied to the fuel cell CE. Set ignition conditions to minimize heat shock. The city gas as the reformed gas is supplied to the partial oxidation reformer RFP (time t6 in FIG. 4B). This supply flow rate 26 is 1 NLM. Furthermore, water is also supplied from time t7. The supply flow rate 27 is 1 mlM.

このように、被改質ガスとしての都市ガス、空気、水が供給されて所定温度が確保された部分酸化改質器RFPでは、部分酸化改質反応POXとオートサーマル改質反応ATRとが行われているものと想定される。   As described above, in the partial oxidation reformer RFP in which the predetermined temperature is secured by supplying the city gas, air, and water as the reformed gas, the partial oxidation reforming reaction POX and the autothermal reforming reaction ATR are performed. It is assumed that

部分酸化改質反応POXは、部分酸化改質器RFPに被改質ガスと空気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式(1)に示す反応が進行する。
mn+xO2 → aCO2+bCO+cH2 (1)
部分酸化改質反応POXは、発熱反応であるので起動性が高く、燃料電池システムFCSの起動当初において好適な改質反応である。ただし、部分酸化改質反応POXは、水素収率が理論上少なく、発熱反応を制御するのも難しいことから、燃料電池モジュールFCMへ熱供給が必要な起動当初においてのみ利用されるのが好ましい改質反応である。
The partial oxidation reforming reaction POX is a reforming reaction performed by supplying the reformed gas and air to the partial oxidation reformer RFP, and the reaction shown in the chemical reaction formula (1) proceeds.
C m H n + xO 2 → aCO 2 + bCO + cH 2 (1)
Since the partial oxidation reforming reaction POX is an exothermic reaction, the startability is high, and is a suitable reforming reaction at the beginning of starting the fuel cell system FCS. However, since the partial oxidation reforming reaction POX has a theoretically low hydrogen yield and it is difficult to control the exothermic reaction, the partial oxidation reforming reaction POX is preferably used only at the beginning of startup when the fuel cell module FCM requires heat supply. It is a quality reaction.

オートサーマル改質反応ATRは、部分酸化改質反応POXと水蒸気改質反応SRとの中間的な改質反応であって、部分酸化改質器RFPに被改質ガスと空気と水蒸気とを供給して行う改質反応であり、化学反応式(2)に示す反応が進行する。
mn+xO2+yH2O → aCO2+bCO+cH2 (2)
オートサーマル改質反応ATRは、水素収率が部分酸化改質反応POXと水蒸気改質反応SRとの中間であり、反応熱のバランスが取りやすく、部分酸化改質反応POXと水蒸気改質反応SRとを繋ぐ反応として好適な改質反応である。本実施形態の場合は、水を少なく供給して部分酸化改質反応POXにより近いオートサーマル改質反応ATR1を先に行い、温度が上昇した後に水を増やすように供給して水蒸気改質反応SRにより近いオートサーマル改質反応ATR2を後に行っている。
The autothermal reforming reaction ATR is an intermediate reforming reaction between the partial oxidation reforming reaction POX and the steam reforming reaction SR, and supplies the reformed gas, air, and steam to the partial oxidation reformer RFP. The reaction shown in the chemical reaction formula (2) proceeds.
C m H n + xO 2 + yH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (2)
In the autothermal reforming reaction ATR, the hydrogen yield is intermediate between the partial oxidation reforming reaction POX and the steam reforming reaction SR, and it is easy to balance the reaction heat, and the partial oxidation reforming reaction POX and the steam reforming reaction SR. It is a suitable reforming reaction as a reaction connecting In the case of the present embodiment, a small amount of water is supplied and the autothermal reforming reaction ATR1 closer to the partial oxidation reforming reaction POX is performed first, and after the temperature rises, the water is increased to supply the steam reforming reaction SR. A closer autothermal reforming reaction ATR2 is performed later.

図4の(b)に示すように、部分酸化改質反応POXが支配的に進行していると思われる時刻t6から時刻t7では、部分酸化改質器RFPの反応管入口温度29や反応管出口温度30が急激に上昇している。その後、時刻t8から時刻t9にかけて、空気、都市ガス、水を徐々に増やし、部分酸化改質反応POXに近いオートサーマル改質反応ATR1から水蒸気改質反応により近いオートサーマル改質反応ATR2へと移行することで、温度バランスを取りながら、部分酸化改質器RFPの反応管入口温度29及び反応管出口温度30を徐々に上昇させている。尚、時刻t9において、空気の供給流量25は20NLM、都市ガスの供給流量26は4NLM、水の供給流量27は4mlMである。   As shown in FIG. 4B, from the time t6 to the time t7 when the partial oxidation reforming reaction POX seems to be proceeding dominantly, the reaction tube inlet temperature 29 and the reaction tube of the partial oxidation reformer RFP. The outlet temperature 30 is rising rapidly. Thereafter, from time t8 to time t9, air, city gas, and water are gradually increased to shift from autothermal reforming reaction ATR1 close to partial oxidation reforming reaction POX to autothermal reforming reaction ATR2 closer to steam reforming reaction. Thus, the reaction tube inlet temperature 29 and the reaction tube outlet temperature 30 of the partial oxidation reformer RFP are gradually increased while maintaining a temperature balance. At time t9, the air supply flow rate 25 is 20 NLM, the city gas supply flow rate 26 is 4 NLM, and the water supply flow rate 27 is 4 mlM.

上述したように、燃料電池セルCEの上方からは、触媒燃焼器10によって昇温された酸化ガスとしての空気が供給され、燃料電池セルCEの下方からは、部分酸化改質器RFPによって昇温された燃料ガスが供給され、燃料電池セルCEの温度がバランスよく徐々に上昇する(図4の(c))。蒸発部RF2の温度が所定温度を上回った時刻t10から、水蒸気改質器RFSへと水の供給を開始する。この際の水の供給流量は、1〜3mlMである。その後、水蒸気改質器RFSの温度が所定温度を上回った時刻t11から、水蒸気改質器RFSへと被改質ガスとしての都市ガスの供給を開始する。この際の都市ガスの供給流量は、1NLMである。時刻t11の後、水及び都市ガスの供給流量を徐々に上昇させていく。この水蒸気改質器RFSにおいては、水蒸気改質反応SRが支配的に進行していると想定される。   As described above, air as the oxidizing gas heated by the catalytic combustor 10 is supplied from above the fuel cell CE, and the temperature is raised by the partial oxidation reformer RFP from below the fuel cell CE. The supplied fuel gas is supplied, and the temperature of the fuel cell CE gradually rises in a balanced manner ((c) in FIG. 4). Water supply to the steam reformer RFS is started from time t10 when the temperature of the evaporation unit RF2 exceeds a predetermined temperature. The supply flow rate of water at this time is 1 to 3 mlM. Thereafter, the supply of the city gas as the reformed gas to the steam reformer RFS is started from the time t11 when the temperature of the steam reformer RFS exceeds the predetermined temperature. At this time, the supply flow rate of the city gas is 1 NLM. After time t11, the supply flow rates of water and city gas are gradually increased. In this steam reformer RFS, it is assumed that the steam reforming reaction SR is proceeding predominantly.

水蒸気改質反応SRは、水蒸気改質器RFSに被改質ガスと水蒸気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式(3)に示す反応が進行する。
mn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (3)
水蒸気改質反応SRは、水素収率が最も高く、高効率な反応である。ただし、水蒸気改質反応SRは、吸熱反応であるので熱源が必要であり、燃料電池システムFCSの起動当初よりはある程度温度が上昇した段階において好適な改質反応である。
The steam reforming reaction SR is a reforming reaction performed by supplying the gas to be reformed and steam to the steam reformer RFS, and the reaction shown in the chemical reaction formula (3) proceeds.
C m H n + xH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (3)
The steam reforming reaction SR has the highest hydrogen yield and is a highly efficient reaction. However, since the steam reforming reaction SR is an endothermic reaction, it requires a heat source, and is a suitable reforming reaction at a stage where the temperature has risen to some extent from the start of the fuel cell system FCS.

このようにして発電準備を整えた後の時刻t12から、電力の取出を開始し、発電運転を開始する。これに呼応するように、時刻t12の後の時刻t13において、触媒燃焼器10への直接の都市ガス供給を停止する(図4の(a))。その後、ヒータAH2も停止させる(図4の(a)の時刻t16)。   From time t12 after preparing for power generation in this way, power extraction is started and power generation operation is started. In response to this, at time t13 after time t12, direct city gas supply to the catalytic combustor 10 is stopped ((a) of FIG. 4). Thereafter, the heater AH2 is also stopped (time t16 in FIG. 4A).

時刻t13の後の時刻t14から、部分酸化改質器RFPへの空気を昇温させるヒータAH1の通電量を徐々に低下させ、時刻t15において停止する。その時刻t15から部分酸化改質器RFPへの空気、都市ガス、水の供給も低減させる。時刻t15の後の時刻t16において、空気、都市ガス、水の供給流量を所定値に維持した後、時刻t17において空気の供給を停止する。その後、時刻t18までは都市ガスと水を供給し続けて、水蒸気改質反応SRによる吸熱反応を起こさせて降温させる。時刻t18において都市ガスの供給を停止し、水蒸気によって部分酸化改質器RFPの反応管内をパージした後、時刻t19において水の供給を停止する。   From the time t14 after the time t13, the energization amount of the heater AH1 that raises the temperature of the air to the partial oxidation reformer RFP is gradually reduced and stopped at the time t15. From the time t15, the supply of air, city gas, and water to the partial oxidation reformer RFP is also reduced. At time t16 after time t15, the supply flow rate of air, city gas, and water is maintained at a predetermined value, and then the supply of air is stopped at time t17. Thereafter, the city gas and water are continuously supplied until time t18, and an endothermic reaction due to the steam reforming reaction SR is caused to lower the temperature. After the supply of city gas is stopped at time t18 and the inside of the reaction tube of the partial oxidation reformer RFP is purged with steam, the supply of water is stopped at time t19.

尚、図4に示す形態では、ヒータAH1への通電量を低下させて、ヒータAH1の発熱を徐々に低下させた後に、空気の供給流量を低減させたけれども、これとは逆に空気の供給流量を増やすように制御することも好ましい。ヒータAH1による発熱を徐々に低下させることで、部分酸化改質器RFPへ供給する空気の温度の急変を防止することができ、ひいては部分酸化改質器RFPから供給する燃料ガスの温度の急変も防止することができる。更に、ヒータAH1による発熱の抑制に合わせて部分酸化改質器RFPへの空気供給量を増やすことで、投入される熱量が急変することも防止することができる。   In the embodiment shown in FIG. 4, the amount of current supplied to the heater AH1 is reduced and the heat generation of the heater AH1 is gradually reduced, and then the air supply flow rate is reduced. It is also preferable to control to increase the flow rate. By gradually reducing the heat generated by the heater AH1, it is possible to prevent a sudden change in the temperature of the air supplied to the partial oxidation reformer RFP, and consequently a sudden change in the temperature of the fuel gas supplied from the partial oxidation reformer RFP. Can be prevented. Furthermore, by increasing the amount of air supplied to the partial oxidation reformer RFP in accordance with the suppression of heat generation by the heater AH1, it is possible to prevent a sudden change in the amount of heat input.

また、発電運転の開始後(図4に示す形態では、時刻t12の後)に、水蒸気改質器RFSから供給する燃料ガスに含まれる水素量と部分酸化改質器RFPから供給する燃料ガスに含まれる水素量との総和が略一定となるように、部分酸化改質器RFPによる燃料ガスの供給を徐々に減少させている。発電運転の開始後に部分酸化改質器RFPによる燃料ガスの供給を徐々に減少させるにあたって、水蒸気改質器RFS及び部分酸化改質器RFPから供給される燃料ガスに含まれる水素量の総和を維持することで、発電運転の開始後にまで部分酸化改質器RFPの稼動を継続させることによる発電運転への影響を低減させることができる。   In addition, after the start of the power generation operation (after time t12 in the embodiment shown in FIG. 4), the amount of hydrogen contained in the fuel gas supplied from the steam reformer RFS and the fuel gas supplied from the partial oxidation reformer RFP The supply of fuel gas by the partial oxidation reformer RFP is gradually decreased so that the total amount with the amount of hydrogen contained is substantially constant. Maintaining the total amount of hydrogen contained in the fuel gas supplied from the steam reformer RFS and the partial oxidation reformer RFP when gradually reducing the supply of fuel gas from the partial oxidation reformer RFP after the start of power generation operation By doing so, it is possible to reduce the influence on the power generation operation by continuing the operation of the partial oxidation reformer RFP until after the start of the power generation operation.

また、本実施形態では、発電運転の開始後に、燃料電池セルCEに供給される酸化ガスの温度が略一定となるように、空気加熱媒体である触媒燃焼器10による昇温を徐々に低下させている。発電運転に移行すると、水蒸気改質器RFSによって改質された燃料ガスも供給され、燃料電池セルCE上方において残余の燃料ガスと残余の酸化ガスとが燃焼する量も増え、結果として燃料電池セルCE上方がより高温化する傾向にある。そこでこの態様では、触媒燃焼器10による酸化ガスの昇温を低下させ、燃料電池セルCEに供給される酸化ガスの温度を略一定とすることで、燃料電池セルCEの上下方向における温度差を抑制することができる。   In the present embodiment, after the start of the power generation operation, the temperature rise by the catalytic combustor 10 that is an air heating medium is gradually decreased so that the temperature of the oxidizing gas supplied to the fuel cell CE becomes substantially constant. ing. When shifting to the power generation operation, the fuel gas reformed by the steam reformer RFS is also supplied, and the amount of combustion of the remaining fuel gas and the remaining oxidizing gas above the fuel cell CE increases, resulting in the fuel cell. The upper part of CE tends to become higher temperature. Therefore, in this aspect, the temperature difference in the vertical direction of the fuel cell CE is reduced by lowering the temperature rise of the oxidizing gas by the catalytic combustor 10 and making the temperature of the oxidizing gas supplied to the fuel cell CE substantially constant. Can be suppressed.

本実施形態では、発電室FC1に配置されている燃料電池セルCEの温度を測るため、燃料電池セルCEの上部温度を測定するスタック温度センサDS2a(上部温度測定部)、燃料電池セルCEの中部温度を測定するスタック温度センサDS2b(中部温度測定部)、燃料電池セルCEの下部温度を測定するスタック温度センサDS2c(下部温度測定部)が配置されているので、燃料電池セルCEの温度バランスをより高度に保った運転が可能である。続いて、燃料電池セルCEの温度バランスをより高度に保つように制御する温度偏差緩和制御の詳細について、図5を参照しながら説明する。図5は、温度偏差緩和制御を説明するためのフローチャートである。   In the present embodiment, in order to measure the temperature of the fuel cell CE arranged in the power generation chamber FC1, the stack temperature sensor DS2a (upper temperature measurement unit) that measures the upper temperature of the fuel cell CE, the middle part of the fuel cell CE Since the stack temperature sensor DS2b (middle temperature measuring unit) for measuring the temperature and the stack temperature sensor DS2c (lower temperature measuring unit) for measuring the lower temperature of the fuel cell CE are arranged, the temperature balance of the fuel cell CE is adjusted. Driving at a higher level is possible. Next, details of temperature deviation relaxation control for controlling the temperature balance of the fuel cell CE to be maintained at a higher level will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a flowchart for explaining the temperature deviation relaxation control.

ステップS01では、起動制御中であるか判断する。起動制御中であるとは、発電運転の前の起動運転である場合を示すものであり、例えば図4に示すような運転例では、時刻が0からt12の間の場合である。起動制御中でなければリターンし、起動制御中であればステップS02の処理に進む。   In step S01, it is determined whether activation control is being performed. “Starting control is being performed” indicates a case where the starting operation is before the power generation operation. For example, in the operation example shown in FIG. 4, the time is between 0 and t12. If the activation control is not in progress, the process returns. If the activation control is in progress, the process proceeds to step S02.

ステップS02では、燃料電池セルCEの温度を計測する。燃料電池セルCEの上部温度T1はスタック温度センサDS2aで計測し、燃料電池セルCEの中部温度T2はスタック温度センサDS2bで計測し、燃料電池セルCEの下部温度T3はスタック温度センサDS2cで計測する。   In step S02, the temperature of the fuel cell CE is measured. The upper temperature T1 of the fuel cell CE is measured by the stack temperature sensor DS2a, the middle temperature T2 of the fuel cell CE is measured by the stack temperature sensor DS2b, and the lower temperature T3 of the fuel cell CE is measured by the stack temperature sensor DS2c. .

ステップS02に続くステップS03では、空気加熱運転中であるか判断する。空気加熱運転中であるとは、触媒燃焼器10において燃焼が始まる前の段階を示すものであり、例えば図4に示すような運転例では、時刻0から時刻t4の間の場合である。空気加熱運転中でなければリターンし、空気加熱運転中であればステップS04の処理に進む。   In step S03 following step S02, it is determined whether the air heating operation is being performed. The air heating operation is in a stage before combustion starts in the catalytic combustor 10. For example, in the operation example shown in FIG. 4, the time is from time 0 to time t 4. If the air heating operation is not being performed, the process returns. If the air heating operation is being performed, the process proceeds to step S04.

ステップS04では、部分酸化改質器RFPが運転開始温度まで昇温されたか判断する。例えば図4に示すような運転例では、部分酸化改質器RFPの反応管入口温度が400℃以上となったか否かで判断している。部分酸化改質器RFPが運転開始温度まで昇温されていなければリターンし、部分酸化改質器RFPが運転開始温度まで昇温されていればステップS05の処理に進む。   In step S04, it is determined whether the partial oxidation reformer RFP has been heated to the operation start temperature. For example, in the operation example as shown in FIG. 4, the determination is made based on whether or not the reaction tube inlet temperature of the partial oxidation reformer RFP is 400 ° C. or higher. If the partial oxidation reformer RFP has not been heated to the operation start temperature, the process returns. If the partial oxidation reformer RFP has been heated to the operation start temperature, the process proceeds to step S05.

ステップS05では、燃料電池セルCEの上部温度T1と中部温度T2との差が60℃以内であるか判断する。燃料電池セルCEの上部温度T1と中部温度T2との差が60℃以内でなければステップS16の処理に進み、燃料電池セルCEの上部温度T1と中部温度T2との差が60℃以内であればステップS06の処理に進む。   In step S05, it is determined whether the difference between the upper temperature T1 and the middle temperature T2 of the fuel cell CE is within 60 ° C. If the difference between the upper temperature T1 and the middle temperature T2 of the fuel cell CE is not within 60 ° C, the process proceeds to step S16, and the difference between the upper temperature T1 and the middle temperature T2 of the fuel cell CE is within 60 ° C. If so, the process proceeds to step S06.

ステップS06では、燃料電池セルCEの中部温度T2と下部温度T3との差が60℃以内であるか判断する。燃料電池セルCEの中部温度T2と下部温度T3との差が60℃以内でなければステップS16の処理に進み、燃料電池セルCEの中部温度T2と下部温度T3との差が60℃以内であればステップS07の処理に進む。尚、本実施形態では、燃料電池セルCEの上部温度T1と中部温度T2とを比較し、更に燃料電池セルCEの中部温度T2と下部温度T3とを比較したけれども、これらをまとめて燃料電池セルCEの上部温度T1と下部温度T3とを比較するようにしても構わない。その場合、燃料電池セルCEの上部温度T1と下部温度T3との差が120℃以内であるか否かで判断する。   In step S06, it is determined whether the difference between the middle temperature T2 and the lower temperature T3 of the fuel cell CE is within 60 ° C. If the difference between the middle temperature T2 and the lower temperature T3 of the fuel cell CE is not within 60 ° C, the process proceeds to step S16, and the difference between the middle temperature T2 and the lower temperature T3 of the fuel cell CE is within 60 ° C. If so, the process proceeds to step S07. In the present embodiment, the upper temperature T1 and the middle temperature T2 of the fuel battery cell CE are compared, and the middle temperature T2 and the lower temperature T3 of the fuel battery cell CE are further compared. You may make it compare CE upper temperature T1 and lower temperature T3. In this case, the determination is made based on whether or not the difference between the upper temperature T1 and the lower temperature T3 of the fuel cell CE is within 120 ° C.

ステップS07では、燃焼運転への移行許可がなされる。ステップS07に続くステップS08では、燃焼運転中であるか判断する。燃焼運転中であるとは、触媒燃焼器10において燃焼が始まった後の段階を示すものであり、例えば図4に示すような運転例では時刻t4から時刻t10までの間である。燃焼運転中でなければリターンし、燃焼運転中であればステップS09の処理に進む。   In step S07, the shift to the combustion operation is permitted. In step S08 following step S07, it is determined whether the combustion operation is being performed. “Combustion operation” means a stage after combustion starts in the catalytic combustor 10. For example, in the operation example shown in FIG. 4, it is from time t 4 to time t 10. If the combustion operation is not being performed, the process returns. If the combustion operation is being performed, the process proceeds to step S09.

ステップS09では、燃料電池セルCEの上部温度T1と中部温度T2との差が75℃以内であるか判断する。燃料電池セルCEの上部温度T1と中部温度T2との差が750℃以内でなければステップS16の処理に進み、燃料電池セルCEの上部温度T1と中部温度T2との差が75℃以内であればステップS10の処理に進む。   In step S09, it is determined whether the difference between the upper temperature T1 and the middle temperature T2 of the fuel cell CE is within 75 ° C. If the difference between the upper temperature T1 and the middle temperature T2 of the fuel cell CE is not within 750 ° C., the process proceeds to step S16, and the difference between the upper temperature T1 and the middle temperature T2 of the fuel cell CE is within 75 ° C. If so, the process proceeds to step S10.

ステップS10では、燃料電池セルCEの中部温度T2と下部温度T3との差が75℃以内であるか判断する。燃料電池セルCEの中部温度T2と下部温度T3との差が75℃以内でなければステップS16の処理に進み、燃料電池セルCEの中部温度T2と下部温度T3との差が75℃以内であればステップS11の処理に進む。尚、本実施形態では、燃料電池セルCEの上部温度T1と中部温度T2とを比較し、更に燃料電池セルCEの中部温度T2と下部温度T3とを比較したけれども、これらをまとめて燃料電池セルCEの上部温度T1と下部温度T3とを比較するようにしても構わない。その場合、燃料電池セルCEの上部温度T1と下部温度T3との差が150℃以内であるか否かで判断する。   In step S10, it is determined whether the difference between the middle temperature T2 and the lower temperature T3 of the fuel cell CE is within 75 ° C. If the difference between the middle temperature T2 and the lower temperature T3 of the fuel cell CE is not within 75 ° C, the process proceeds to step S16, and the difference between the middle temperature T2 and the lower temperature T3 of the fuel cell CE is within 75 ° C. If so, the process proceeds to step S11. In the present embodiment, the upper temperature T1 and the middle temperature T2 of the fuel battery cell CE are compared, and the middle temperature T2 and the lower temperature T3 of the fuel battery cell CE are further compared. You may make it compare CE upper temperature T1 and lower temperature T3. In this case, the determination is made based on whether or not the difference between the upper temperature T1 and the lower temperature T3 of the fuel cell CE is within 150 ° C.

ステップS11では、水蒸気改質運転(SR運転)への移行許可がなされる。ステップS11に続くステップS12では、水蒸気改質運転(SR運転)中であるか判断する。水蒸気改質運転(SR運転)中であるとは、水蒸気改質器RFSにおいて改質反応が始まるように水及び都市ガスが供給された後で発電が始まる前の段階を示すものであり、例えば図4に示すような運転例では時刻t10から時刻t12の間である。水蒸気改質運転(SR運転)中でなければリターンし、水蒸気改質運転(SR運転)中であればステップS13の処理に進む。   In step S11, a transition to a steam reforming operation (SR operation) is permitted. In step S12 following step S11, it is determined whether the steam reforming operation (SR operation) is being performed. The steam reforming operation (SR operation) means a stage before power generation starts after water and city gas are supplied so that the reforming reaction starts in the steam reformer RFS. In the example of operation as shown in FIG. 4, it is between time t10 and time t12. If the steam reforming operation (SR operation) is not in progress, the process returns. If the steam reforming operation (SR operation) is in progress, the process proceeds to step S13.

ステップS13では、燃料電池セルCEの上部温度T1と中部温度T2との差が100℃以内であるか判断する。燃料電池セルCEの上部温度T1と中部温度T2との差が100℃以内でなければステップS16の処理に進み、燃料電池セルCEの上部温度T1と中部温度T2との差が100℃以内であればステップS14の処理に進む。   In step S13, it is determined whether the difference between the upper temperature T1 and the middle temperature T2 of the fuel cell CE is within 100 ° C. If the difference between the upper temperature T1 and the middle temperature T2 of the fuel cell CE is not within 100 ° C., the process proceeds to step S16, and the difference between the upper temperature T1 and the middle temperature T2 of the fuel cell CE is within 100 ° C. If so, the process proceeds to step S14.

ステップS14では、燃料電池セルCEの中部温度T2と下部温度T3との差が100℃以内であるか判断する。燃料電池セルCEの中部温度T2と下部温度T3との差が100℃以内でなければステップS16の処理に進み、燃料電池セルCEの中部温度T2と下部温度T3との差が100℃以内であればステップS15の処理に進む。尚、本実施形態では、燃料電池セルCEの上部温度T1と中部温度T2とを比較し、更に燃料電池セルCEの中部温度T2と下部温度T3とを比較したけれども、これらをまとめて燃料電池セルCEの上部温度T1と下部温度T3とを比較するようにしても構わない。その場合、燃料電池セルCEの上部温度T1と下部温度T3との差が200℃以内であるか否かで判断する。このように本実施形態では、ステップS05,S06における初期の温度差制限を60℃とし、ステップS13,S14における後期の温度差制限を100℃としている。運転後期は上下方向の温度差がつきやすい状態であるので、後期の温度差制限を緩和することで実際の温度状態に即した制御が可能となっている。   In step S14, it is determined whether the difference between the middle temperature T2 and the lower temperature T3 of the fuel cell CE is within 100 ° C. If the difference between the middle temperature T2 and the lower temperature T3 of the fuel cell CE is not within 100 ° C, the process proceeds to step S16, and the difference between the middle temperature T2 and the lower temperature T3 of the fuel cell CE is within 100 ° C. If so, the process proceeds to step S15. In the present embodiment, the upper temperature T1 and the middle temperature T2 of the fuel battery cell CE are compared, and the middle temperature T2 and the lower temperature T3 of the fuel battery cell CE are further compared. You may make it compare CE upper temperature T1 and lower temperature T3. In this case, it is determined whether or not the difference between the upper temperature T1 and the lower temperature T3 of the fuel cell CE is within 200 ° C. Thus, in the present embodiment, the initial temperature difference limit in steps S05 and S06 is 60 ° C., and the late temperature difference limit in steps S13 and S14 is 100 ° C. Since the latter half of the operation is likely to have a temperature difference in the vertical direction, control according to the actual temperature state is possible by relaxing the temperature difference restriction in the second half.

ステップS15では、発電運転への移行許可がなされる。一方、ステップS16では、触媒燃焼器10に空気を供給する空気ヒータAH2への通電量を低下させ、空気ヒータAH2から与えられる熱量を低減させる。ステップS16に続くステップS17では、発電運転への移行禁止がなされる。   In step S15, permission to shift to power generation operation is given. On the other hand, in step S16, the energization amount to the air heater AH2 that supplies air to the catalytic combustor 10 is reduced, and the amount of heat given from the air heater AH2 is reduced. In step S17 following step S16, the shift to the power generation operation is prohibited.

尚、ステップS16では、空気ヒータAH2への通電量を低下させたけれども、触媒燃焼器10への都市ガス供給量を低下させることも好ましい。空気ヒータAH2への通電量を低下させることは、温度変更感度の観点からはより好ましいけれども、燃料電池セルCEの上下温度差が極めて大きい場合等には都市ガス供給量の低下と併用することも好ましい。   In step S16, although the energization amount to the air heater AH2 is reduced, it is also preferable to reduce the city gas supply amount to the catalytic combustor 10. Although it is more preferable to reduce the energization amount to the air heater AH2 from the viewpoint of temperature change sensitivity, it can be used in combination with a decrease in the supply amount of city gas when the temperature difference between the upper and lower fuel cells CE is extremely large. preferable.

本実施形態ではこのように、燃料電池セルCEの上方からはヒータAH2及び触媒燃焼器10によって昇温された酸化ガスを供給し、燃料電池セルCEの下方からは部分酸化改質器RFPによって昇温された燃料ガスを供給することで、燃料電池セルCEの上方及び下方を昇温し、更には中央部との温度差や上方と下方との間の温度差が余りに開かないように制御している。この概念を図に示すと、図6に示すようになる。このようにするのは、発電後において燃料電池セルCEの上方及び下方の温度差が開かないようにするためである。燃料電池セルCEが発電状態になると、図7に示すように中央部の温度が高くなり、上方及び下方の温度が低下する。例えば、図6に示すような温度状態にせずに発電を開始すれば、図7に示すような温度状態となってしまい、燃料電池セルCEの軸方向における温度偏差大きくなり、燃料電池セルCEに剥離等の不具合が発生する恐れがある。そこで、発電状態になる前に図6に示すような温度状態とすることで、発電後には図8に示すような温度状態とすることができ、燃料電池セルCEの軸方向における温度偏差を緩和することができる。   In the present embodiment, as described above, the oxidizing gas heated by the heater AH2 and the catalytic combustor 10 is supplied from above the fuel cell CE, and is raised by the partial oxidation reformer RFP from below the fuel cell CE. By supplying the heated fuel gas, the temperature is controlled above and below the fuel cell CE, and further, the temperature difference between the center part and the temperature difference between the upper part and the lower part is controlled not to open too much. ing. This concept is illustrated in FIG. 6. This is to prevent the temperature difference between the upper and lower sides of the fuel cell CE from opening after power generation. When the fuel cell CE enters a power generation state, the temperature at the center increases as shown in FIG. 7, and the upper and lower temperatures decrease. For example, if power generation is started without setting the temperature state as shown in FIG. 6, the temperature state as shown in FIG. 7 results, and the temperature deviation in the axial direction of the fuel cell CE increases, and the fuel cell CE becomes There is a risk of problems such as peeling. Therefore, by setting the temperature state as shown in FIG. 6 before the power generation state, the temperature state as shown in FIG. 8 can be obtained after the power generation, and the temperature deviation in the axial direction of the fuel cell CE is reduced. can do.

また、本実施形態では、燃料電池セルCEの下方への加温を極力長く行うように制御を行っている。これは、燃料電池セルCEの上方には燃焼室FC2があるため、発電運転後においても上方からは加温されるのに対して、燃料電池セルCEの下方は加温する手段がなくなってしまうためである。そのため、燃料電池セルCEの下方には部分酸化改質器RFPからの高温の燃料ガスを供給することで、燃料電池セルCEの下方の温度が上方に比べて下がらないようにしている。燃料電池セルCEの下方の温度が上方の温度に比べて低い状態で発電を開始すれば、図9に示すような温度状態となり、燃料電池セルCEの上方のみが温度上昇してしまい、燃料電池セルCEに剥離等の不具合が発生する恐れがあるためである。   Further, in the present embodiment, control is performed so that the downward heating of the fuel cell CE is performed as long as possible. This is because the combustion chamber FC2 is located above the fuel cell CE, so that it is heated from above even after the power generation operation, whereas there is no means for heating below the fuel cell CE. Because. For this reason, by supplying high temperature fuel gas from the partial oxidation reformer RFP below the fuel cell CE, the temperature below the fuel cell CE is prevented from lowering compared to the upper side. If power generation is started in a state where the temperature below the fuel cell CE is lower than the temperature above, the temperature state shown in FIG. 9 is reached, and only the temperature above the fuel cell CE rises, and the fuel cell This is because there is a possibility that defects such as peeling may occur in the cell CE.

ADU:補器ユニット
AH1:ヒータ
AH2:ヒータ
AP:空気供給部
AP1a,AP1b:流量調整ユニット
AP2:電磁弁
CB:制御ボックス
CE:燃料電池セル
COD:一酸化炭素検知器
CS:燃料電池システム制御部
CS1:操作装置
CS2:表示装置
CS3:報知装置
DS1:改質器温度センサ
DS2:スタック温度センサ
DS3:排気温度センサ
DS4:改質器内圧力センサ
DS5:水位センサ
DS6:水流量センサ
DS7:燃料流量センサ
DS8:改質用空気流量センサ
DS9:発電用空気流量センサ
DS10:電力状態検出部
DS11:貯湯状態検出センサ
DS12:一酸化炭素検出センサ
DS13:可燃ガス検出センサ
EP:電力取出部
EP1:電力取出ライン
FC:燃料電池
FC1:発電室
FC2:燃焼室
FCM:燃料電池モジュール
FCS:燃料電池システム
FP:燃料供給部
FP1:流量調整ユニット
FP2:脱硫器
FP4,FP5:ガス遮断弁
GD1,GD2:可燃ガス検知器
HW:温水製造装置
MV:混合部
RF:改質器
RF1:改質部
RF2:蒸発部
SC:燃料電池システム制御部
WP:水供給部
WP1:流量調整ユニット
WP2:貯水タンク
10:触媒燃焼器
15:空気ヘッダ
RFP:部分酸化改質器
RFS:水蒸気改質器
RFS1:改質部
RFS1:蒸発部
RFS2:予熱部
RFS3:改質部
20:空気流量(触媒燃焼器)
21:都市ガス流量(触媒燃焼器)
22:ヒータ温度
23:触媒燃焼器出口温度
24:燃焼室温度
25:空気流量(部分酸化改質器)
26:都市ガス流量(部分酸化改質器)
27:水流量(部分酸化改質器)
28:ヒータ温度
29:反応管入口温度(部分酸化改質器)
30:反応管出口温度(部分酸化改質器)
31:燃料電池セル温度
32:都市ガス流量(水蒸気改質器)
33:水流量(水蒸気改質器)
34:電流
ADU: Auxiliary unit AH1: Heater AH2: Heater AP: Air supply part AP1a, AP1b: Flow rate adjustment unit AP2: Solenoid valve CB: Control box CE: Fuel cell COD: Carbon monoxide detector CS: Fuel cell system controller CS1: Operating device CS2: Display device CS3: Notification device DS1: Reformer temperature sensor DS2: Stack temperature sensor DS3: Exhaust temperature sensor DS4: Reformer pressure sensor DS5: Water level sensor DS6: Water flow rate sensor DS7: Fuel flow rate Sensor DS8: Reforming air flow sensor DS9: Power generation air flow sensor DS10: Power state detection unit DS11: Hot water storage state detection sensor DS12: Carbon monoxide detection sensor DS13: Combustible gas detection sensor EP: Power extraction unit EP1: Power extraction Line FC: Fuel cell FC1: Power generation chamber FC2: Combustion chamber FCM: Fuel Pond module FCS: Fuel cell system FP: Fuel supply unit FP1: Flow rate adjustment unit FP2: Desulfurizer FP4, FP5: Gas shut-off valve GD1, GD2: Combustible gas detector HW: Hot water production device MV: Mixing unit RF: Reformer RF1: reforming unit RF2: evaporation unit SC: fuel cell system control unit WP: water supply unit WP1: flow rate adjusting unit WP2: water storage tank 10: catalytic combustor 15: air header RFP: partial oxidation reformer RFS: steam reforming Quality unit RFS1: Reforming unit RFS1: Evaporating unit RFS2: Preheating unit RFS3: Reforming unit 20: Air flow rate (catalyst combustor)
21: City gas flow rate (catalyst combustor)
22: Heater temperature 23: Catalyst combustor outlet temperature 24: Combustion chamber temperature 25: Air flow rate (partial oxidation reformer)
26: City gas flow rate (partial oxidation reformer)
27: Water flow rate (partial oxidation reformer)
28: Heater temperature 29: Reaction tube inlet temperature (partial oxidation reformer)
30: Reaction tube outlet temperature (partial oxidation reformer)
31: Fuel cell temperature 32: City gas flow rate (steam reformer)
33: Water flow rate (steam reformer)
34: Current

Claims (8)

固体電解質形の燃料電池セルを含み、起動運転を行ってから前記燃料電池セルにおいて発電を行う発電運転に運転状態を遷移させる燃料電池システムであって、
燃料ガスがアノード側に供給され、酸化ガスがカソード側に供給されることで発電反応を行うように構成され、鉛直方向に沿って複数立設される管状の燃料電池セルと、
前記発電運転において主に用いられ、被改質ガスの改質を行って燃料ガスを生成する第1改質器と、
前記起動運転において主に用いられ、被改質ガスの改質を行って燃料ガスを生成する第2改質器と、
前記燃料電池セルに対して昇温した酸化ガスを供給する空気加熱部と、
前記第1改質器と前記第2改質器と前記空気加熱部とを制御し、起動運転から発電運転へと運転を移行させる制御部と、を備え、
前記第2改質器において改質された燃料ガスは前記燃料電池セルの下方から供給され、前記空気加熱部において昇温された酸化ガスは前記燃料電池セルの上方から供給されるようにそれぞれ構成されており、
前記制御部は、前記起動運転では前記第2改質器に部分酸化改質反応による発熱を利用した高温の燃料ガスを生成させて前記燃料電池セルに供給するように制御し、前記発電運転では主に前記第1改質器に水蒸気改質反応を行わせて生成される燃料ガスを前記燃料電池セルに供給するように制御するものであって、前記空気加熱部による高温の酸化ガスの供給を抑制した後に前記第2改質器による高温の燃料ガスの供給を停止することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system that includes a solid electrolyte fuel cell and transitions the operating state to a power generation operation in which power generation is performed in the fuel cell after performing a startup operation,
A fuel gas is supplied to the anode side, and an oxidizing gas is supplied to the cathode side so as to perform a power generation reaction, and a plurality of tubular fuel cells standing in the vertical direction; and
A first reformer that is mainly used in the power generation operation and reforms the gas to be reformed to generate fuel gas;
A second reformer that is mainly used in the start-up operation and reforms the gas to be reformed to generate fuel gas;
An air heating unit for supplying a heated oxidizing gas to the fuel cell;
A control unit that controls the first reformer, the second reformer, and the air heating unit, and shifts the operation from a start-up operation to a power generation operation,
The fuel gas reformed in the second reformer is supplied from below the fuel battery cell, and the oxidizing gas heated in the air heating unit is supplied from above the fuel battery cell. Has been
The controller controls the second reformer to generate a high-temperature fuel gas using heat generated by the partial oxidation reforming reaction and supply the fuel cell to the fuel cell in the start-up operation. Supplying high-temperature oxidant gas by the air heating unit mainly controlling the fuel gas generated by causing the first reformer to perform a steam reforming reaction to the fuel cell. The fuel cell system is characterized in that the supply of the high-temperature fuel gas by the second reformer is stopped after suppressing the above.
前記制御部は、前記発電運転の開始後に前記第2改質器による高温の燃料ガスの供給を停止することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit stops the supply of high-temperature fuel gas by the second reformer after the start of the power generation operation. 前記制御部は、前記発電運転の開始後に前記空気加熱部による酸化ガスの高温化を停止し、その後前記第2改質器による高温の燃料ガスの供給を停止することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。   The said control part stops the temperature increase of the oxidizing gas by the said air heating part after the said electric power generation operation starts, and stops the supply of the high temperature fuel gas by the said 2nd reformer after that. The fuel cell system described in 1. 固体電解質形の燃料電池セルを含み、起動運転を行ってから前記燃料電池セルにおいて発電を行う発電運転に運転状態を遷移させる燃料電池システムであって、
燃料ガスがアノード側に供給され、酸化ガスがカソード側に供給されることで発電反応を行うように構成され、鉛直方向に沿って複数立設される管状の燃料電池セルと、
前記発電運転において主に用いられ、被改質ガスの改質を行って燃料ガスを生成する第1改質器と、
前記起動運転において主に用いられ、被改質ガスの改質を行って燃料ガスを生成する第2改質器と、
前記燃料電池セルに対して昇温した酸化ガスを供給する空気加熱部と、
前記第1改質器と前記第2改質器と前記空気加熱部とを制御し、起動運転から発電運転へと運転を移行させる制御部と、を備え、
前記第2改質器において改質された燃料ガスは前記燃料電池セルの下方から供給され、前記空気加熱部において昇温された酸化ガスは前記燃料電池セルの上方から供給されるようにそれぞれ構成されており、
前記制御部は、前記起動運転では前記第2改質器に部分酸化改質反応による発熱を利用した高温の燃料ガスを生成させて前記燃料電池セルに供給するように制御し、前記発電運転では主に前記第1改質器に水蒸気改質反応を行わせて生成される燃料ガスを前記燃料電池セルに供給するように制御するものであって、前記発電運転の開始後に前記第2改質器による高温の燃料ガスの供給を停止することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system that includes a solid electrolyte fuel cell and transitions the operating state to a power generation operation in which power generation is performed in the fuel cell after performing a startup operation,
A fuel gas is supplied to the anode side, and an oxidizing gas is supplied to the cathode side so as to perform a power generation reaction, and a plurality of tubular fuel cells standing in the vertical direction; and
A first reformer that is mainly used in the power generation operation and reforms the gas to be reformed to generate fuel gas;
A second reformer that is mainly used in the start-up operation and reforms the gas to be reformed to generate fuel gas;
An air heating unit for supplying a heated oxidizing gas to the fuel cell;
A control unit that controls the first reformer, the second reformer, and the air heating unit, and shifts the operation from a start-up operation to a power generation operation,
The fuel gas reformed in the second reformer is supplied from below the fuel battery cell, and the oxidizing gas heated in the air heating unit is supplied from above the fuel battery cell. Has been
The controller controls the second reformer to generate a high-temperature fuel gas using heat generated by the partial oxidation reforming reaction and supply the fuel cell to the fuel cell in the start-up operation. Control is performed so that fuel gas generated mainly by causing the first reformer to perform a steam reforming reaction is supplied to the fuel cell, and the second reforming is performed after the power generation operation is started. The fuel cell system is characterized in that the supply of high-temperature fuel gas by the vessel is stopped.
前記第2改質器は、ヒータによって昇温された空気と被改質ガスとが送り込まれ、部分酸化改質反応を利用して高温の燃料ガスを生成するものであって、
前記制御部は、前記ヒータを停止した後に前記第2改質器への被改質ガスの供給を停止して高温の燃料ガスの供給を停止させることを特徴とする請求項3又は4に記載の燃料電池システム。
The second reformer is fed with air heated by a heater and a gas to be reformed, and generates a high-temperature fuel gas using a partial oxidation reforming reaction,
The said control part stops supply of the to-be-reformed gas to the said 2nd reformer, after stopping the said heater, and stops supply of high temperature fuel gas, The Claim 3 or 4 characterized by the above-mentioned. Fuel cell system.
前記制御部は、前記ヒータによる発熱を徐々に低下させて停止するものであって、その発熱の低下に合わせて、前記第2改質器への空気供給量を増やすことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。   The controller is configured to gradually reduce and stop the heat generation by the heater, and increase the amount of air supplied to the second reformer in accordance with the decrease in the heat generation. 6. The fuel cell system according to 5. 前記制御部は、前記発電運転の開始後に、前記第1改質器から供給する燃料ガスに含まれる水素量と前記第2改質器から供給する燃料ガスに含まれる水素量との総和が略一定となるように、前記第2改質器による燃料ガスの供給を徐々に減少させることを特徴とする請求項3又は4に記載の燃料電池システム。   The controller is configured so that, after the start of the power generation operation, the sum of the amount of hydrogen contained in the fuel gas supplied from the first reformer and the amount of hydrogen contained in the fuel gas supplied from the second reformer is approximately. 5. The fuel cell system according to claim 3, wherein the supply of fuel gas by the second reformer is gradually decreased so as to be constant. 前記空気加熱部は、ヒータによって昇温された空気を更に空気加熱媒体によって加熱することで高温の酸化ガスを供給するものであって、
前記制御部は、前記発電運転の開始後に、前記燃料電池セルに供給される酸化ガスの温度が略一定となるように、空気加熱媒体による昇温を徐々に低下させることを特徴とする請求項3又は4に記載の燃料電池システム。
The air heating unit supplies high-temperature oxidizing gas by further heating the air heated by the heater with an air heating medium,
The control unit, after the start of the power generation operation, gradually lowers the temperature rise by the air heating medium so that the temperature of the oxidizing gas supplied to the fuel battery cell becomes substantially constant. 5. The fuel cell system according to 3 or 4.
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WO2013069632A1 (en) * 2011-11-09 2013-05-16 Jx日鉱日石エネルギー株式会社 Method and device for stopping solid-oxide fuel cell system
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