JP2011204430A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化水素系の原料を改質して生成された燃料ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system that generates electricity by supplying a fuel gas generated by reforming a hydrocarbon-based raw material to a fuel cell.
燃料電池は、電解質を挟持した電極の一方に水素や水素リッチガスを供給し、他方に酸素を含んだ空気などの酸化剤ガスを供給して、電気化学反応によって発電を行うものである。燃料電池が発電する際には、電力と同時に熱が発生するが、燃料電池で発電した電力とともに、この熱を回収して熱エネルギーとして利用するコージェネレーションシステムが近年、燃料電池システムとして注目されている。 In a fuel cell, hydrogen or a hydrogen-rich gas is supplied to one of electrodes sandwiching an electrolyte, and an oxidant gas such as oxygen-containing air is supplied to the other to generate power by an electrochemical reaction. When a fuel cell generates electricity, heat is generated at the same time as the electric power. A cogeneration system that collects this heat and uses it as heat energy together with the electric power generated by the fuel cell has recently attracted attention as a fuel cell system. Yes.
燃料電池の発電に必要な水素リッチガス(以下、燃料ガスと称す)を生成する方法の一つとして、燃料電池システムでは都市ガスやLPGなどの炭化水素系の原料ガスやメタノールや灯油などの液体の炭化水素系原料を水蒸気とともに導入して改質する改質部を有する水素生成器を備えたものが一般的である。 As one of the methods for generating hydrogen-rich gas (hereinafter referred to as fuel gas) necessary for power generation of a fuel cell, a fuel cell system uses a hydrocarbon-based raw material gas such as city gas or LPG, or a liquid such as methanol or kerosene. Generally, a hydrogen generator having a reforming section for reforming by introducing a hydrocarbon-based raw material together with steam is generally used.
また、燃料電池は電気化学反応を促進するために電極に触媒を有しており、この触媒は一酸化炭素により被毒して性能が低下する性質を有していることが多い。そのため、水素生成器では炭化水素系の原料を改質部で改質して燃料ガスを生成した後、この燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減するため、空気を導入して空気中の酸素と改質ガス中の一酸化炭素とを酸化反応させる選択酸化部を備え、一酸化炭素濃度が低減した燃料ガスを生成し、燃料電池に供給するのが一般的である。 In addition, the fuel cell has a catalyst on the electrode in order to promote the electrochemical reaction, and this catalyst is often poisoned by carbon monoxide and has a property of lowering the performance. Therefore, in a hydrogen generator, after reforming a hydrocarbon-based raw material in a reforming section to generate a fuel gas, air is introduced to reduce the concentration of carbon monoxide in the fuel gas. In general, a selective oxidation unit that oxidizes carbon monoxide in the reformed gas is produced, and a fuel gas having a reduced carbon monoxide concentration is generated and supplied to the fuel cell.
さらに、一酸化炭素濃度が低減した燃料ガスを燃料電池に供給しても、燃料電池の電極触媒によって燃料ガス中の二酸化炭素が逆シフト反応を起こして一酸化炭素が発生し、この一酸化炭素により燃料電池の電極触媒が被毒して燃料電池の性能が低下してしまうことがあるため、燃料ガス中に微量の空気(以下、適宜、ブリード空気と称す)を混入して、逆シフト反応で発生した一酸化炭素を燃料電池の電極触媒で燃焼して触媒の被毒を回避する燃料電池システムも提案されている。 Furthermore, even if fuel gas with a reduced carbon monoxide concentration is supplied to the fuel cell, carbon dioxide in the fuel gas undergoes a reverse shift reaction by the electrode catalyst of the fuel cell to generate carbon monoxide. As a result, the fuel cell electrode catalyst may be poisoned and the performance of the fuel cell may be degraded. Therefore, a small amount of air (hereinafter referred to as bleed air) is mixed in the fuel gas, and the reverse shift reaction is performed. A fuel cell system has also been proposed in which carbon monoxide generated in the above is burned with an electrode catalyst of the fuel cell to avoid poisoning of the catalyst.
上記のような燃料電池システムでは、燃料電池に酸化剤ガスとして供給する空気(以下、適宜、カソード空気と称す)、選択酸化部に供給する空気(以下、適宜、選択酸化空気と称す)およびブリード空気の3通りの空気を、それぞれ所定の流量で供給する必要があり、それぞれに空気供給手段と流量計測手段、および流量制御手段を設けると、コストが増大すると共に、燃料電池システムの外形寸法が大型化し、それに伴い広い設置スペースが必要であった。また、複数の空気供給手段が同時に動作することにより、動作音が大きくなるという課題もあった。 In the fuel cell system as described above, air supplied as an oxidant gas to the fuel cell (hereinafter referred to as “cathode air” as appropriate), air supplied to the selective oxidation unit (hereinafter referred to as “selective oxidized air” as appropriate), and bleed. It is necessary to supply each of the three types of air at a predetermined flow rate, and providing each of the air supply unit, the flow rate measurement unit, and the flow rate control unit increases the cost and reduces the external dimensions of the fuel cell system. Along with the increase in size, a large installation space was required. In addition, there is a problem that the operation sound becomes louder when a plurality of air supply means operate simultaneously.
上記課題を解決するために、選択酸化空気とブリード空気とを、一つの空気供給装置によって供給する燃料電池システムが提案されている(特許文献1参照)。この従来の燃料電池システムは、ブリード空気経路に、選択酸化空気とブリード空気とが所定の分流比になるように、予め、両流路の圧力損失の差を調整するための固定オリフィスを備えているため、一つの流量検知手段で選択酸化空気の流量とブリード空気の流量を所定の流量に制御することが可能である。 In order to solve the above-mentioned problem, a fuel cell system that supplies selective oxidation air and bleed air with a single air supply device has been proposed (see Patent Document 1). This conventional fuel cell system is provided with a fixed orifice for adjusting the difference in pressure loss between the two flow paths in advance so that the selective oxidization air and the bleed air have a predetermined diversion ratio in the bleed air path. Therefore, it is possible to control the flow rate of the selective oxidation air and the flow rate of the bleed air to a predetermined flow rate with a single flow rate detection means.
さらに別の従来の燃料電池システムでは、燃料電池に供給するカソード空気と、水素生成器に供給する空気とを、一つの空気供給装置によって供給する燃料電池システムが示されている(特許文献2の図1参照)。 In another conventional fuel cell system, there is shown a fuel cell system in which cathode air supplied to a fuel cell and air supplied to a hydrogen generator are supplied by one air supply device (Patent Document 2). (See FIG. 1).
図10は、特許文献2に記載された従来の燃料電池システムの構成を示す模式図である。図10に示すように、空気供給装置であるコンプレッサ100から供給される空気は、カソード空気経路101を介して燃料電池102に供給されるが、カソード空気経路101は、途中で水素生成器103に接続された分岐空気経路104に分岐され、水素生成器103にコンプレッサ100から供給されている空気の一部が供給される。さらに、分岐空気経路104には、流量検知手段として空気流量計105と、流量調整手段として空気制御バルブ106とを備えており、空気流量計105で検知した空気流量に基づいて制御部107で空気制御バルブ106の開度を調整し、水素生成器103に必要な所定流量の空気を供給するように調整される。
FIG. 10 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional fuel cell system described in
特許文献2には、燃料電池102に供給するカソード空気の流量を調整する具体的な方法についての記載はない。しかしながら、コンプレッサ100から供給された空気が、カソード空気経路101と分岐空気経路104とに分流される比率(以下、適宜、分流比と称する)は、燃料電池102およびそのガスの流れに対する下流の経路を含むカソード空気経路101と、空気制御バルブ106と水素生成器103およびそのガスの流れに対する下流の経路を含む分岐空気経路104との圧力損失の比率によって決まってくる。そこで、予め、空気制御バルブ107の開度と、カソード空気経路101と分岐空気経路104との分流比との関係を制御部107に記憶しておくことにより、空気制御バルブ106の開度と空気流量計105の検知する流量から、カソード空気経路101を介して燃料電池102に供給されるカソード空気の流量を判断し、これに基づいてコンプレッサ100の回転数を制御部107で制御してコンプレッサ100から供給する空気量を調整することにより、燃料電池に供給するカソード空気の流量が所定の流量となるようにすることが可能である。
この構成により、特許文献2に記載の従来の燃料電池システムでは、特許文献1に記載の燃料電池システムよりも、さらに空気供給装置および流量検知手段の数を削減することが可能である。
With this configuration, in the conventional fuel cell system described in
しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、以下のような課題があった。 However, the conventional fuel cell system has the following problems.
すなわち、燃料電池システムを停止した際には、発電によって燃料電池の内部の空気側で生成した水蒸気が、燃料電池システムの温度が低下によって、カソード空気が流通する燃料電池内部の空気流路や燃料電池から空気を排出するための経路内で凝縮する。そして、この凝縮水は、カソード空気が流通する経路内に溜まって、経路の断面積を減少させたり、場合によっては経路を閉塞したりすることになる。これにより、カソード空気が流通する経路の圧力損失が、凝縮水が無い正常な場合に比べて増大してしまい、再度、燃料電池システムを起動する際には、制御部で予め記憶している分流比と異なることになり、燃料電池に必要なカソード空気よりも少ない流量の空気しか供給されなくなり、燃料電池の性能が低下し、また劣化が促進されてしまうという課題があった。また、燃料電池に供給されるカソード空気の流量が少ない分、水素生成器と燃料ガス経路の少なくとも一方に供給される空気の流量が、所定の流量よりも増加することになり、燃料電池システムの性能が低下し、劣化が促進されるという課題があった。 That is, when the fuel cell system is stopped, the water vapor generated on the air side inside the fuel cell by power generation causes the air flow path or fuel inside the fuel cell through which the cathode air circulates due to a decrease in the temperature of the fuel cell system. It condenses in the path for exhausting air from the battery. And this condensed water accumulates in the path | route through which cathode air distribute | circulates, reduces the cross-sectional area of a path | route, or obstruct | occludes a path | route depending on the case. As a result, the pressure loss of the path through which the cathode air flows increases compared to the normal case where there is no condensed water, and when the fuel cell system is started again, the diversion flow stored in advance by the control unit. Thus, there is a problem in that only air having a lower flow rate than the cathode air necessary for the fuel cell is supplied, so that the performance of the fuel cell is lowered and deterioration is promoted. In addition, since the flow rate of the cathode air supplied to the fuel cell is small, the flow rate of the air supplied to at least one of the hydrogen generator and the fuel gas path is increased from a predetermined flow rate. There existed a subject that performance fell and deterioration was accelerated | stimulated.
本発明は、従来の燃料電池システムの課題を考慮して、簡単な構成で、水素生成器と燃料ガス経路の少なくとも一方に供給する空気と、カソード空気とを一つの空気供給手段で供給することが可能であり、燃料電池システムの起動および停止を繰り返し行なっても、水素生成器と燃料ガス経路の少なくとも一方に供給する空気と、カソード空気とを、所定の比率で分流して、それぞれ所定流量で供給することができ、燃料電池システムの性能低下や劣化の促進を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 In the present invention, in consideration of the problems of the conventional fuel cell system, air supplied to at least one of the hydrogen generator and the fuel gas path and cathode air are supplied by a single air supply means with a simple configuration. Even if the fuel cell system is repeatedly started and stopped, air supplied to at least one of the hydrogen generator and the fuel gas path and the cathode air are diverted at a predetermined ratio, and a predetermined flow rate is obtained. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that can be supplied by the above-described method and can suppress the deterioration of the performance and deterioration of the fuel cell system.
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと空気を用いて発電を行なう燃料電池と、原料と水とから水素リッチな改質ガスを生成する改質部を有する水素生成器と、前記水素生成器で生成した燃料ガスを前記燃料電池に流通させる燃料ガス経路と、空気を供給する空気供給手段と、前記空気供給手段から供給された空気を前記燃料電池に流通させるカソード空気経路と、前記カソード空気経路から分岐し、前記水素生成器と前記燃料ガス経路との少なくとも一方に空気を流通させる分岐空気経路と、前記カソード空気経路に配設された前記燃料電池への空気の供給または遮断を行なうカソード空気供給遮断手段とを備え、前記燃料電池に空気の供給を開始する際には、まず、前記カソード空気供給遮断手段を開放して前記燃料電池に空気の供給を行なうよう制御すると共に、前記燃料電池に供給する空気を第1の所定流量よりも多い流量で供給されるように制御し、次に、前記燃料電池に供給する空気が所定時間第1の所定流量になるように前記空気供給手段を制御する制御部を備えたものである。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates power using fuel gas and air, and a hydrogen having a reforming section that generates a hydrogen-rich reformed gas from raw material and water. A generator, a fuel gas path through which the fuel gas generated by the hydrogen generator is circulated to the fuel cell, an air supply means for supplying air, and an air supplied from the air supply means is circulated to the fuel cell. A cathode air path, a branch air path that branches from the cathode air path and distributes air to at least one of the hydrogen generator and the fuel gas path, and the fuel cell disposed in the cathode air path. A cathode air supply blocking means for supplying or blocking air, and when the supply of air to the fuel cell is started, the cathode air supply blocking means is first opened. Control is performed so that air is supplied to the fuel cell, and the air supplied to the fuel cell is controlled to be supplied at a flow rate higher than a first predetermined flow rate, and then the air supplied to the fuel cell Includes a control unit for controlling the air supply means so that the first predetermined flow rate is maintained for a predetermined time.
これによって、燃料電池システムを起動して燃料電池にカソード空気の供給を開始する際に、まず、燃料電池システムを停止した際にカソード空気が流通する経路に溜まった凝縮水を、第1の所定流量以上の空気で燃料電池システムの系外に押し出して排出し、カソード空気が流通する経路の圧力損失を正常に戻し、次に、燃料電池の発電に必要な第1の所定流量の空気を供給するように空気供給手段を制御して空気流量を調整することによって、カソード空気経路と分岐空気経路とにそれぞれ所定の流量の空気を供給することができる。 As a result, when the fuel cell system is started and the supply of cathode air to the fuel cell is started, first, the condensed water collected in the path through which the cathode air flows when the fuel cell system is stopped is first predetermined. Extrude the fuel cell system out of the fuel cell system with air above the flow rate, return the pressure loss of the path through which the cathode air circulates to normal, and then supply the first predetermined flow rate air required for fuel cell power generation Thus, by controlling the air supply means to adjust the air flow rate, it is possible to supply a predetermined flow rate of air to the cathode air path and the branch air path.
本発明の燃料電池システムによれば、一つの空気供給手段で選択酸化空気とカソード空気とを所定の比率で分流して供給する簡単な構成で、燃料電池システムの起動および停止を繰り返し行なっても選択酸化空気とカソード空気とを所定の流量で供給することができ、燃料電池の性能低下や劣化促進を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, it is possible to repeatedly start and stop the fuel cell system with a simple configuration in which the selective oxidation air and the cathode air are separately supplied at a predetermined ratio by one air supply means. A selective oxidation air and cathode air can be supplied at a predetermined flow rate, and a fuel cell system capable of suppressing deterioration in performance and deterioration of the fuel cell can be provided.
第1の発明は、燃料ガスと空気を用いて発電を行なう燃料電池と、原料と水とから水素リッチな燃料ガスを生成する改質部を有する水素生成器と、前記水素生成器で生成した燃料ガスを前記燃料電池に流通させる燃料ガス経路と、空気を供給する空気供給手段と、前記空気供給手段から供給された空気を前記燃料電池に流通させるカソード空気経路と、前記カソード空気経路から分岐し、前記水素生成器と前記燃料ガス経路との少なくとも一方に空気を流通させる分岐空気経路と、前記カソード空気経路に配設された前記燃料電池への空気の供給または遮断を行なうカソード空気供給遮断手段とを備え、前記燃料電池に空気の供給を開始する際には、まず、前記カソード空気供給遮断手段を開放して前記燃料電池に空気の供給を行なうよう制御すると共に、前記燃料電池に供給する空気が所定時間第1の所定流量よりも多い流量で供給されるように制御し、次に、前記燃料電池に供給する空気が第1の所定流量になるように前記空気供給手段を制御する制御部を備えた燃料電池システムである。 The first invention is a fuel cell that generates power using fuel gas and air, a hydrogen generator having a reforming section that generates hydrogen-rich fuel gas from raw material and water, and the hydrogen generator. A fuel gas path for flowing fuel gas to the fuel cell; an air supply means for supplying air; a cathode air path for flowing air supplied from the air supply means to the fuel cell; and a branch from the cathode air path A cathode air supply shut-off for supplying or shutting off air to the fuel cell disposed in the cathode air path, and a branch air path for allowing air to flow through at least one of the hydrogen generator and the fuel gas path When the supply of air to the fuel cell is started, first, the cathode air supply shut-off unit is opened to supply air to the fuel cell. In addition, control is performed so that the air supplied to the fuel cell is supplied at a flow rate higher than the first predetermined flow rate for a predetermined time, and then the air supplied to the fuel cell becomes the first predetermined flow rate. And a fuel cell system provided with a control unit for controlling the air supply means.
これにより、燃料電池システムを停止した際にカソード空気が流通する経路で水蒸気が凝縮しても、再度、燃料電池システムを起動して燃料電池へのカソード空気の供給を開始する際に、まず、第1の所定流量以上の空気で凝縮水を燃料電池システムの系外に押し出し、その後、発電に必要な第1の所定量の空気流量に調整することによって、カソード空気経路と分岐空気経路との圧力損失の比率を所定の比率にすることができ、カソード空気経路と分岐空気経路とにそれぞれ所定の流量の空気を供給することができるため、一つの空気供給手段によって分岐空気経路に供給する空気とカソード空気とを所定の比率で分流して供給する簡単な構成で、燃料電池システムの起動および停止を繰り返し行なっても分岐空気経路に供給する空気とカソード空気とを所定の流量で供給することができ、燃料電池の性能低下や劣化促進を抑制することが可能な燃料電池発電システムを提供することができる。 Thus, even if water vapor is condensed in the path through which the cathode air flows when the fuel cell system is stopped, when starting the fuel cell system again and starting the supply of the cathode air to the fuel cell, By pushing the condensed water out of the fuel cell system with air of a first predetermined flow rate or higher and then adjusting to a first predetermined air flow rate required for power generation, the cathode air path and the branch air path Since the ratio of the pressure loss can be set to a predetermined ratio, and air of a predetermined flow rate can be supplied to the cathode air path and the branch air path, the air supplied to the branch air path by one air supply means And the cathode air are divided and supplied at a predetermined ratio. Even if the fuel cell system is repeatedly started and stopped, the air and cathode supplied to the branch air path are Over de can be supplied with air at a predetermined flow rate, it is possible to provide a fuel cell power generation system capable of suppressing the performance degradation and accelerated deterioration of the fuel cell.
第2の発明は、第1の発明の燃料電池システムに、前記空気供給手段で供給する空気の流量を検知する流量検知手段をさらに備え、前記制御部は前記流量検知手段で検知した空気流量に基づいて前記空気供給手段を制御する燃料電池システムである。 According to a second aspect of the present invention, the fuel cell system according to the first aspect further includes a flow rate detection unit that detects a flow rate of air supplied by the air supply unit, and the control unit adjusts the air flow rate detected by the flow rate detection unit. A fuel cell system for controlling the air supply means based on the fuel cell system.
これにより、上記第1の発明の効果に加え、空気供給手段から供給する空気の流量を、燃料電池システムの運転に必要な流量に正確に制御することが可能となるため、必要以上の空気が流れて燃料電池システムの効率が低下したり、空気が不足することにより、燃料電池の性能が低下し、また劣化が促進することを抑制することができる。 Thereby, in addition to the effect of the first invention, it becomes possible to accurately control the flow rate of the air supplied from the air supply means to the flow rate necessary for the operation of the fuel cell system. It is possible to suppress the fuel cell performance from being reduced and the deterioration of the fuel cell performance and the promotion of the deterioration due to the decrease in the efficiency of the fuel cell system and the lack of air.
第3の発明は、第2の発明の燃料電池システムの流量検知手段が、前記分岐空気経路に設けられた前記水素生成器と前記燃料ガス経路の少なくとも一方に供給する空気流量を検知する空気流量検知手段であり、前記制御部は空気流量検知手段の検知する空気流量に基づいて前記空気供給手段を制御するものである。 According to a third aspect of the present invention, the flow rate detecting means of the fuel cell system according to the second aspect of the invention detects an air flow rate for detecting an air flow rate supplied to at least one of the hydrogen generator and the fuel gas path provided in the branch air path It is a detection means, and the control unit controls the air supply means based on the air flow rate detected by the air flow rate detection means.
通常の燃料電池システムでは、燃料電池に供給するカソード空気の流量に比べ、分岐空気経路を介して、水素生成器に供給する空気流量、または、燃料ガスに混入させて燃料電池に供給するブリード空気の流量の少なくとも一方の空気量、または、水素生成器に供給する空気流量とブリード空気の流量との合算の空気流量の方が少ない。そのため、第3の発明の燃料電池システムによれば、少ない流量である分岐空気経路に供給する空気流量に基づいて空気供給手段で供給する空気の流量を制御するために、第2の発明の燃料電池システムに比べて、より正確に空気の流量を制御することが可能である。 In a normal fuel cell system, compared to the flow rate of cathode air supplied to the fuel cell, the flow rate of air supplied to the hydrogen generator via the branch air path, or the bleed air supplied to the fuel cell mixed with fuel gas The amount of air of at least one of the above flow rates or the sum of the air flow rate supplied to the hydrogen generator and the bleed air flow rate is smaller. Therefore, according to the fuel cell system of the third invention, the fuel of the second invention is used to control the flow rate of air supplied by the air supply means based on the air flow rate supplied to the branch air path having a small flow rate. Compared with the battery system, the air flow rate can be controlled more accurately.
第4の発明は、第1から第3のいずれか1つの発明の燃料電池システムに、前記空気供給手段で供給した空気を前記カソード空気経路と前記分岐経路とに分配する比率を調整する分流比調整手段を、前記カソード空気経路と前記分岐空気経路との分岐点、または前記カソード空気経路、または前記分岐空気経路のいずれかに備えたものである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a diversion ratio for adjusting a ratio of distributing the air supplied by the air supply means to the cathode air path and the branch path in the fuel cell system according to any one of the first to third aspects. The adjusting means is provided at a branch point between the cathode air path and the branch air path, or at either the cathode air path or the branch air path.
これにより、空気供給手段の回転数などの操作量と、分流比調整手段による分流比との二つを調整して、カソード空気と分岐空気経路に供給する空気との流量を制御することが可能であるため、空気流量の調整を比較的簡単に行うことが可能である。 This makes it possible to control the flow rate of the cathode air and the air supplied to the branch air path by adjusting the operation amount such as the rotation speed of the air supply means and the diversion ratio by the diversion ratio adjustment means. Therefore, it is possible to adjust the air flow rate relatively easily.
第5の発明は、第4の発明の燃料電池システムの分流比調整手段が、前記カソード空気経路と前記分岐経路との分岐点に備えた分流弁である燃料電池システムである。これにより、比較的簡単な構成でカソード空気と分岐空気経路に供給する空気との分流比を調整することが可能である。 A fifth invention is a fuel cell system in which the diversion ratio adjusting means of the fuel cell system of the fourth invention is a diversion valve provided at a branch point between the cathode air path and the branch path. Thereby, it is possible to adjust the diversion ratio between the cathode air and the air supplied to the branch air path with a relatively simple configuration.
第6の発明は、第4の発明の燃料電池システムの分流比調整手段が、前記カソード空気経路に備えられた前記カソード空気経路の流路抵抗を変化させる流路抵抗可変手段であるものである。これにより、比較的簡単な構成でカソード空気と分岐空気経路に供給する空気との分流比を調整することが可能である。 In a sixth aspect of the invention, the diversion ratio adjusting means of the fuel cell system of the fourth aspect of the invention is a flow resistance variable means for changing the flow resistance of the cathode air path provided in the cathode air path. . Thereby, it is possible to adjust the diversion ratio between the cathode air and the air supplied to the branch air path with a relatively simple configuration.
第7の発明は、第4の発明の燃料電池システムの分流比調整手段が、前記分岐空気経路に備えられた前記分岐空気経路の流路抵抗を変化させる流路抵抗可変手段であるものである。これにより、比較的簡単な構成でカソード空気と分岐空気経路に供給する空気との分流比を調整することが可能である。 In a seventh aspect of the invention, the diversion ratio adjusting means of the fuel cell system of the fourth aspect of the invention is a flow resistance variable means for changing the flow resistance of the branch air path provided in the branch air path. . Thereby, it is possible to adjust the diversion ratio between the cathode air and the air supplied to the branch air path with a relatively simple configuration.
第8の発明は、第4から7のいずれか1つの発明の燃料電池システムの制御部が、前記燃料電池にカソード空気の供給を開始する前後で、前記分岐空気経路に供給される空気流量が変化しないように前記分流比調整手段を制御するものである。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a flow rate of air supplied to the branch air path before and after the controller of the fuel cell system according to any one of the fourth to seventh aspects starts supplying cathode air to the fuel cell. The diversion ratio adjusting means is controlled so as not to change.
これにより、カソード空気供給遮断手段を開放した直後に分岐空気経路に供給される空気の流量が、必要流量よりも多くなり過ぎ、燃料電池システムの性能が低下し、また劣化が促進することを抑制することができる。 As a result, the flow rate of the air supplied to the branch air path immediately after opening the cathode air supply shut-off means is excessively higher than the required flow rate, and the performance of the fuel cell system is reduced and the deterioration is suppressed. can do.
第9の発明は、第5または6の発明の燃料電池システムの分流比調整手段が前記カソード空気供給遮断手段を兼ねるものである。すなわち、分流比調整手段が分流弁である場合は、分岐経路側に空気供給手段から供給される空気が全て供給されるように制御することにより、燃料電池への空気の供給を遮断することが可能であり、また、分流比調整手段がカソード空気経路に備えられた流路抵抗可変手段である場合は、流路抵抗可変手段でカソード空気経路を閉止することによって、燃料電池への空気の供給を遮断することが可能である。 In a ninth invention, the diversion ratio adjusting means of the fuel cell system of the fifth or sixth invention also serves as the cathode air supply shut-off means. That is, when the diversion ratio adjusting means is a diversion valve, the supply of air to the fuel cell can be cut off by controlling so that all the air supplied from the air supply means is supplied to the branch path side. In the case where the diversion ratio adjusting means is a flow path resistance variable means provided in the cathode air path, air supply to the fuel cell is achieved by closing the cathode air path with the flow path resistance variable means. Can be shut off.
これにより、燃料電池システムの構成を簡素化することが可能である。 Thereby, the configuration of the fuel cell system can be simplified.
第10の発明は、第1のから9のいずれか1つの発明の燃料電池システムの水素生成器が、原料と水とから水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成した燃料ガス中の一酸化炭素を除去する選択酸化部とを有し、前記分岐空気経路が、選択酸化部へ空気を流通させる選択酸化空気経路であるものである。 According to a tenth aspect of the invention, there is provided a hydrogen generator of the fuel cell system according to any one of the first to ninth aspects, wherein a reforming unit that generates hydrogen-rich fuel gas from a raw material and water, and the reforming unit And a selective oxidation section that removes carbon monoxide in the generated fuel gas, and the branch air path is a selective oxidation air path through which air flows to the selective oxidation section.
これにより、改質部で生成した燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低減することができるため、燃料電池の電極触媒の被毒を抑制することができる。 Thereby, since the concentration of carbon monoxide in the fuel gas generated in the reforming section can be reduced, poisoning of the electrode catalyst of the fuel cell can be suppressed.
第11の発明は、第1のから9のいずれか1つの発明の燃料電池システムの分岐空気経路が、前記燃料ガス経路に空気を流通させて前記燃料ガスに混入し、前記燃料電池に供給するためのブリード空気経路であるものである。 In an eleventh aspect of the invention, the branch air path of the fuel cell system according to any one of the first to ninth aspects causes air to flow through the fuel gas path to be mixed into the fuel gas and to be supplied to the fuel cell. It is a bleed air path for.
これにより、燃料電池の電極触媒の作用により、燃料ガス中の二酸化炭素から一酸化炭素が逆シフト反応によって発生して電極触媒を被毒することを抑制することができる。 Thereby, it is possible to suppress the poisoning of the electrode catalyst caused by the reverse shift reaction of carbon monoxide from the carbon dioxide in the fuel gas due to the action of the electrode catalyst of the fuel cell.
第12の発明は、第10の発明の燃料電池システムが、前記選択酸化空気経路から分岐して、前記燃料ガス経路に前記選択酸化空気経路に供給された空気の一部を流通させて前記燃料ガスと混合して前記燃料電池に供給するブリード空気経路を有し、前記ブリード空気経路に前記選択酸化部に供給される空気流量と前記燃料ガス経路に供給される空気流量とが所定の比率となるように調整する流量調整手段を備えたものである。 In a twelfth aspect of the invention, the fuel cell system of the tenth aspect of the invention branches from the selective oxidative air path and causes the fuel gas path to circulate a part of the air supplied to the selective oxidative air path to thereby produce the fuel A bleed air path that is mixed with gas and supplied to the fuel cell, and the air flow rate supplied to the selective oxidizer and the air flow rate supplied to the fuel gas path in the bleed air path have a predetermined ratio It is provided with a flow rate adjusting means for adjusting so as to be.
これにより、水素生成器から燃料電池に供給する燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低減させ、加えて、燃料電池の電極触媒の作用により、燃料ガス中の二酸化炭素から一酸化炭素が逆シフト反応によって発生して電極触媒を被毒することを抑制することができる。 As a result, the concentration of carbon monoxide in the fuel gas supplied from the hydrogen generator to the fuel cell is reduced, and in addition, carbon monoxide is reversely shifted from carbon dioxide in the fuel gas by the action of the electrode catalyst of the fuel cell. It is possible to suppress poisoning of the electrode catalyst caused by the reaction.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
まず、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 1)
First, the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態1における燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図1において、燃料電池システムを構成する各構成要素の間を結ぶ実線は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が流れる経路を示している。そして、それらの実線上に記している矢印は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が通常運転時に流れる方向を示している。また、各構成要素の間を結ぶ破線は、制御信号の入力および出力を示している。また、図1では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。 FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, a solid line connecting the components constituting the fuel cell system indicates a path through which water, fuel gas, oxidant gas, and the like flow. The arrows on the solid lines indicate the direction in which water, fuel gas, oxidant gas, and the like flow during normal operation. Moreover, the broken line which connects between each component has shown the input and output of the control signal. Further, FIG. 1 shows only components necessary for explaining the present invention, and illustration of other components is omitted.
図1に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム1は、その発電部の本体としての燃料電池2を備えている。この燃料電池2としては、本実施の形態では、固体高分子型燃料電池を用いている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a
燃料電池2は、後述する水素生成器3から排出されて燃料電池2内のアノード流路2aに供給される水素を豊富に含む燃料ガスと、後述する空気供給手段である空気ブロワ17により燃料電池2内のカソード流路2bに供給される酸化剤ガス(通常、空気)とを用いて、所定の電力を出力するべく発電を行う。また、図示はしていないが、燃料電池2が発電する際に発生する熱は、燃料電池2内の冷却水流路(図示せず)に供給する冷却水により回収され、燃料電池2外に排出される。燃料電池2の内部構成に関する詳細な説明については、燃料電池2の内部構成と一般的な固体高分子型燃料電池の内部構成とが同様であるため、ここでは省略する。
The
また、図1に示すように、燃料電池システム1は、本発明に係る水素生成器3として、少なくとも改質器3aを備えている。この改質器3aは、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料と水蒸気とを所定の温度に加熱した改質触媒の充填層(図示せず)中に供給することにより、水蒸気改質反応を進行させ、原料から水素を豊富に含む燃料ガスを生成するものである。改質器3aに供給する原料としては、典型的には、都市ガス、天然ガス、LPGなどの気体の炭化水素系原料が用いられる。しかしながら、メタノールや灯油などの液体の炭化水素系原料を用いてもよい。ただし、液体の原料を用いる場合は、改質器3aに供給する前に気化させることが好ましい。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes at least a
改質器3aへの原料の供給は、後述の原料供給装置4によって、原料供給装置4と改質器3aとを接続した原料ガス供給経路5を介して行われる。なお、以下の説明において「接続され」と記す際には、経路などを介して接続される場合も含む。また、改質器3aへの水蒸気の供給は、後述の水蒸気発生器3dでプロセス水を蒸発させて生成した水蒸気を、原料ガス供給経路5に混入させて行われる。
The supply of the raw material to the
また、本実施の形態1の燃料電池システム1の水素生成器3には、上記改質器3aと、この改質器3aから排出される燃料ガス中の一酸化炭素を低減するための変成器3bと、CO除去器として選択酸化器3cとが順次接続されている。
The
変成器3bは、改質器3aと接続されており、改質器3aで生成した燃料ガスが、変成器3bの変成触媒の充填層(図示せず)中に導入される。この改質器3aで生成した燃料ガス中には、水素のほかに一酸化炭素と二酸化炭素、そして改質反応に使われなかった水蒸気が含まれているが、変成器3bでは、導入された燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させ、二酸化炭素と水素とが生成するように構成されている。
The
選択酸化器3cは、変成器3bと接続されており、変成器3bで一酸化炭素濃度を低減した燃料ガスが、選択酸化触媒の充填層(図示せず)中に導入され、さらに酸素を含有するガス、すなわち一般的には空気が後述の選択酸化空気経路19を介して供給される。選択酸化器3cでは、変成反応で残存した燃料ガス中の一酸化炭素を、空気中の酸素で酸化させて二酸化炭素とし、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を10ppm以下程度まで低減する。選択酸化器3cに供給する空気を選択酸化空気と称して、以下、説明を行う。
The
また、水素生成器3は、水蒸気発生器3dを備えており、この水蒸気発生器3dは、プロセス水を蒸発させて水蒸気を生成するように構成されている。プロセス水を蒸発させるための熱には、変成器3bおよび選択酸化器3cにおける変成反応および選択酸化反応の際に発生する反応熱と、後述するバーナ部3eにおける燃焼排熱が利用される。また、別途電気ヒータなどの加熱手段を設けることも可能である。また、水蒸気発生器3dには、プロセス水供給ポンプ6によってプロセス水タンク7からプロセス水が供給され、水蒸気発生器3dで蒸発させて水蒸気を生成した後、原料ガス供給経路5と接続された水蒸気供給経路8を介して、原料ガスと混合されて改質器3aに供給される。また、水蒸気供給経路8は、直接改質器3aと接続されていても良い。
The
また、水素生成器3は、改質器3a内に充填された改質触媒(図示せず)を加熱するために、例えば原料ガスを燃焼するバーナ部3eを備えている。このバーナ部3eは、燃料電池2で発電に利用されなかった水素を含む燃料電池2から排出されるガス(以下、オフガスと称す)、水素生成器3で生成される燃料ガス、および原料供給装置4により供給される原料ガスの内、少なくともいずれか1つを燃焼させて改質触媒を加熱し、改質反応に必要な改質熱を発生させる。また、このバーナ部3eには、バーナ部3eでの原料ガス等の燃焼に必要な空気を大気中から供給する燃焼空気ファン9が燃焼空気経路10を介して接続されており、燃焼空気ファン9は、燃焼させる原料ガス等を完全燃焼させるのに必要な空気量が供給されるように、後述の制御部22によって制御されている。また、バーナ部3eで燃焼した後の燃焼排ガスは、図示はしていないが燃焼排ガス経路を介して水蒸気発生器3dを加熱してから燃料電池システム1の系外に排出される。
In addition, the
また、改質器3aは、改質器3a内に充填された改質触媒(図示せず)の温度を計測するための温度センサ3fを備える。この温度センサ3fは、改質器3aの外側から、改質器3aの内部と外部とが連通しないようにシール構成を配慮して改質触媒中に埋設されている。さらに、温度センサ3fは、改質触媒の温度を電気信号として後述する制御部22に出力するように配線されている。また、図示はしていないが、変成触媒の温度を検知する温度センサと選択酸化触媒の温度を検知する温度センサとが、それぞれ変成器3bと選択酸化器3cとに設けてあり、制御部22に出力するように配線されている。
The
また、図1に示すように、この燃料電池システム1は、原料供給装置4を備えている。この原料供給装置4は、燃料電池システム1の発電運転時等において、天然ガス等のインフラストラクチャーから供給される天然ガス等の原料ガスを昇圧する昇圧ポンプであり、上述した原料ガス供給経路5を介して、改質器3aに原料を供給する。ここで、この原料供給装置4は、後述する制御部22により、必要に応じて改質器3aに供給する原料ガスの供給量を適宜調整することが可能であるように構成されている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a raw
また、燃料電池2と水素生成器3とは、水素生成器3で生成された燃料ガスを燃料電池2のアノード流路2aに供給するために、一端が水素生成器3の選択酸化器3cと接続され、他端が燃料電池2のアノード流路2aに接続された燃料ガス経路11とで接続されている。さらに、燃料電池2のアノード流路2aとバーナ部3eとは、一端が燃料電池2のアノード流路2aに接続され、他端がバーナ部3eに接続されたオフガス経路12で接続されている。また、燃料ガス経路11は途中でバイパス経路13に分岐されており、オフガス経路12の途中と合流するように接続されている。
The
燃料ガス経路11のバイパス経路13との分岐点よりも燃料電池2側には、燃料入弁14が、オフガス経路12のバイパス経路13との合流点よりも燃料電池2側には、燃料出弁15が、バイパス経路13にはバイパス弁16が、それぞれ設けられており、後述の制御部によって任意に開放または閉止が可能なように配設されている。燃料入弁14,燃料出弁15およびバイパス弁16は制御部22によって開放および閉止を任意に切り替えることが可能な電磁弁であり、これにより、燃料入弁14と燃料出弁15を閉止した状態でバイパス弁16を開放すれば、選択酸化器3cから供給されるガスを燃料電池2を介さずに直接燃料ガスをバーナ部3eに供給することができ、逆に、燃料入弁14と燃料出弁15を開放してバイパス弁16を閉止すれば、燃料電池2に水素生成器3で生成した燃料ガスを供給することが可能である。
A
また、図1に示すように、この燃料電池システム1は、空気供給手段として空気ブロワ17を備えている。この空気ブロワ17は、大気中から空気を吸入することにより、燃料電池2のカソード流路2bにカソード空気経路18を介して酸化剤ガスとしての空気(以下、カソード空気と称す)を供給するものである。さらに空気ブロワ17は、後述する制御部22によって回転数を制御することにより、空気ブロワ17から供給する空気量を調整することが可能であるように配設されている。なお、本実施の形態1の燃料電池システム1に使用した空気ブロワ17は、燃料電池システム1で利用する空気流量の範囲で、供給する空気が流通する経路の圧力損失の変化に対して、流量変化がほとんど無い特性を持った空気ブロワを使用した。これにより、制御部22で空気ブロワ17の回転数が所定の回転数になるように調整すれば、所定の流量の空気が空気ブロワ17から供給されることになる。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes an
また、カソード空気経路18は、途中の分岐点Xで選択酸化空気経路19と分岐されており、この分岐空気経路である選択酸化空気経路19は、一端が分岐点Xでカソード空気経路と、他端が選択酸化器3cと接続されている。さらに、カソード空気経路18の分岐点Xよりも燃料電池2側には、カソード空気供給遮断手段として開閉弁である空気入弁20が配設されており、制御部22によって開放または閉止を任意に変更することが可能なようにされている。
Further, the
ここで、燃料電池システム1の発電運転時など、空気入弁20が開放されている場合は、空気ブロワ17から供給された空気は、一部がカソード空気経路18を介してカソード空気として燃料電池2に供給され、残りが選択酸化空気経路19を介して選択酸化空気として選択酸化器3cに供給される。このとき、カソード空気の流量と選択酸化空気の流量との比率(以下、適宜、分流比と称す)は、分岐点Xから下流の空気入弁20を含むカソード空気経路18と、燃料電池2のカソード流路2bと、カソード排空気経路21の圧力損失Pcと、選択酸化空気経路19と、選択酸化器3cと、燃料入弁14を含む燃料ガス経路11と、燃料電池2のアノード流路2aと、燃料出弁15を含むオフガス経路12と、バーナ部3eを介して燃料電池システム1から燃焼排ガスが系外に排気されるまでの全経路の圧力損失Paとの比率より決まってくる。よって、本発明の実施の形態の燃料電池システムでは、発電時に空気ブロワ17から供給された空気が、所定の比率で分岐点Xより下流側のカソード空気経路18と選択酸化空気経路19とに分流されるように、各経路の圧力損失を考慮した設計をしている。
Here, when the
また、発電に利用されなかった酸素を含む空気(以下、カソード排空気と称す)は、燃料電池2のカソード流路2bに接続されたカソード排空気経路21から燃料電池システム1の系外に排気される。
Further, air containing oxygen that has not been used for power generation (hereinafter referred to as cathode exhaust air) is exhausted out of the fuel cell system 1 from the cathode
さらに、燃料電池システム1は、制御部22を備えている。この制御部22は、燃料電池システム1を構成する各構成要素の動作を適宜制御する。ここで、この制御部22は、例えば、図1では特に図示しないが、記憶部、計時部、中央演算処理装置(CPU)等を備えている。燃料電池システム1の各構成要素の動作に係るプログラムは予め制御部22の記憶部に記憶されており、この記憶部に記憶されているプログラムに基づいて、制御部22が燃料電池システム1の動作を適宜制御する。
Furthermore, the fuel cell system 1 includes a
次に、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システム1の動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Next, the operation of the fuel cell system 1 according to Embodiment 1 of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
ここで、本実施の形態における「起動運転時」とは、「制御部22から起動指令が出力されてから燃料電池2の図1では特に図示しない発電制御部により電流が燃料電池2から取り出される迄」を指し、「停止運転時」とは、「制御部22から停止指令が出力されてから燃料電池システム1全体の動作が完全に停止する迄」を指す。
Here, “at the time of start-up operation” in the present embodiment means “after the start command is output from the
燃料電池システム1の発電時は、原料供給装置4を駆動することにより、所定流量の原料が水蒸気発生器3dで生成した水蒸気とともに改質器3aに供給され、改質器3a,変成器3bおよび選択酸化器3cとを順次流通することによって生成した良質の燃料ガスが、開放した燃料入弁14を通過して燃料電池2のアノード流路2aに供給される。このときバイパス弁16は閉止した状態であり、燃料出弁15は開放した状態である。
During power generation of the fuel cell system 1, by driving the raw
また、空気ブロワ17を所定の回転数で駆動することにより、所定流量の空気が開放した空気入弁20を通過して燃料電池2のカソード流路2bに供給される。このとき、空気ブロワ17から供給された空気の一部は、あらかじめ設定した分流比に従って、所定流量で選択酸化空気経路19を介して選択酸化器3cに供給され、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減するのに利用される。このときの空気ブロワ17の回転数を第3の回転数として、以下、説明を行う。
Further, by driving the
燃料電池2では、アノード流路2aに供給され、アノード電極に導入された燃料ガス中の水素と、カソード流路2bに供給され、カソード電極に導入されたカソード空気中の酸素とによる電気化学反応が行われる。電気化学反応は、アノード電極側では以下(1)式に示す反応が行われ、カソード電極側では以下(2)式に示す反応が行われる。
2H2 → 4H+ + 4e- ・・・(1)
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O ・・・(2)
In the
2H 2 → 4H + + 4e - ··· (1)
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (2)
この電気化学反応によって発電するとともにカソード電極側に水分が生成される。さらに説明すると、アノード電極側の電子が外部電気回路(図示せず)を通ってカソード電極側に移動する際に電力を得ることができる。アノード電極側の水素イオンは固体高分子膜を通過してカソード電極側に移動し、酸素と結合して水分が発生する。水素イオンが固体高分子膜を通過するには、固体高分子膜が湿潤であることが好ましいため、一般的な燃料電池システムでは、燃料電池に供給するカソード空気を加湿してから供給する。本実施の形態の燃料電池システムにおいても、燃料電池2に供給するカソード空気は、分岐点Xよりも下流のカソード空気経路18上に設けた図示しない加湿器によって加湿して供給される。また、燃料電池2に供給される燃料ガスは、水素生成器3で原料と水蒸気とから生成されるが、この際、理想的に改質反応を行うのに必要な水蒸気量以上の所定量の水蒸気が供給されるため、加湿された状態で燃料電池2に供給されることになる。
Electricity is generated by this electrochemical reaction, and moisture is generated on the cathode electrode side. More specifically, electric power can be obtained when electrons on the anode electrode side move to the cathode electrode side through an external electric circuit (not shown). Hydrogen ions on the anode electrode side move to the cathode electrode side through the solid polymer membrane, and combine with oxygen to generate moisture. In order for hydrogen ions to pass through the solid polymer membrane, the solid polymer membrane is preferably wet. Therefore, in a general fuel cell system, cathode air supplied to the fuel cell is humidified before being supplied. Also in the fuel cell system of the present embodiment, the cathode air supplied to the
また、上記(1)式および(2)式に示した反応が円滑に行われるためには、燃料電池システム1の発電量に応じて、所定流量の燃料ガスとカソード空気とを燃料電池2に供給することが必要となる。このため、制御部22によって所定流量の燃料ガスとカソード空気とが燃料電池2に供給されるように、原料供給装置4と空気ブロワ17とが制御される。このとき燃料電池2に供給されるカソード空気の流量が、第1の所定流量に相当する。
Further, in order for the reactions shown in the above formulas (1) and (2) to be performed smoothly, a predetermined amount of fuel gas and cathode air are supplied to the
発電に利用されなかった水素を含むオフガスは、オフガス経路12を介してバーナ部3eに供給され、バーナ部3eで燃焼空気ファン9によって別途供給された燃焼空気とともに燃焼され、水素生成器3の各部の温度を所定の温度に維持するのに利用された後、燃料電池システム1の系外に排出される。
Off-gas containing hydrogen that has not been used for power generation is supplied to the
次に、燃料電池システム1の停止運転時には、外部電気回路との電気的接続を切断するとともに、原料供給装置4および空気ブロワ17の駆動を停止して、燃料電池2の発電を停止する。このとき、燃料入弁14,燃料出弁15,空気入弁20は閉止される。
Next, during the stop operation of the fuel cell system 1, the electrical connection with the external electric circuit is disconnected, and the driving of the raw
燃料電池システム1が停止して、燃料電池2およびカソード空気経路18の温度が低下してくると、カソード空気経路18の図示しない加湿器以降の経路内や、燃料電池2のカソード流路2bなどに残留したカソード空気およびカソード排空気中の水蒸気が凝縮して、経路内に溜まることになる。
When the fuel cell system 1 stops and the temperature of the
次に、本発明の特徴となる燃料電池システムの起動運転について以下に説明を行う。 Next, the start-up operation of the fuel cell system, which is a feature of the present invention, will be described below.
燃料電池システム1の起動運転時には、制御部22の制御によって以下の動作を行う。
During the start-up operation of the fuel cell system 1, the following operation is performed under the control of the
まず、水素生成器3の改質器3a,変成器3b,選択酸化器3cに充填された各触媒の温度が、それぞれ改質反応,変成反応および選択酸化反応を行うのに適した所定の温度になるように、バーナ部3eで原料ガスを燃焼させて各触媒を加熱する。具体的には、後述する理由によりバイパス弁16を開放し、燃料入弁14と燃料出弁15とを閉止した状態で原料を原料供給装置4から水素生成器3に供給し、バイパス経路13を介してバーナ部3eに供給する。同時に供給した原料に対応した燃焼空気を燃焼空気ファン9によって燃焼空気経路10を介してバーナ部3eに供給し、バーナ部3eに設けた図示しない着火装置によってバーナ部3eで原料の燃焼を開始する。
First, the temperature of each catalyst charged in the
このとき、改質触媒の温度は、温度センサ3fによって検知され、同様に変成触媒と選択酸化触媒の温度は、図示しない温度センサによって検知される。また、変成触媒および選択酸化触媒の温度を、予め、制御部22に改質触媒の温度と変成触媒および選択酸化触媒の各温度との相関を記憶させておくことで、温度センサ3fで検知した改質触媒の温度から判断するようにしてもよい。
At this time, the temperature of the reforming catalyst is detected by the
また、このとき、水蒸気発生器3dもバーナ部3eの燃焼によって加熱され、水蒸気発生器3dの温度が水を蒸発させることが可能な温度に昇温し、かつ各触媒の温度が100℃以上の水蒸気が凝縮しない温度に昇温すると、水蒸気改質反応を進行させるための水蒸気を生成するために、プロセス水供給ポンプ6を駆動して、プロセス水タンク7からプロセス水を水蒸気発生器3dに供給する。そして水蒸気発生器3dで発生した水蒸気を、水蒸気供給経路8を介して現況ガス供給経路5の原料ガスに混合させて改質器3aに供給することにより、改質器3aにおいて改質反応が開始される。
At this time, the
燃料電池システム1の起動運転の開始初期では、改質器3aの改質触媒の温度は、バーナ部3eにより加熱されて緩やかに温度上昇するため、改質反応を行うのに適した所定の温度に到達していない。そのため、改質器3aにおける水蒸気改質反応が好適に進行しないので、改質器3aから排出される燃料ガスには、大量の一酸化炭素が含まれている。また、同様に変成器3bの変成触媒の温度、および選択酸化器3cの選択酸化触媒の温度も、変成反応および選択酸化反応を行うのに適した温度に到達していない。よって、水素生成器3から排出される燃料ガス中には、大量の一酸化炭素が含まれたままである。そこで、本実施の形態では、燃料電池システム1の起動運転の開始時には、水素生成器3における各触媒の温度が所定の温度に到達し、一酸化炭素濃度が充分低下した良質の燃料ガスを生成可能となるまで(所定の運転条件を満足するまで)は、制御部22により、前述のようにバイパス経路13側を燃料ガスが流れるようにしておく。
At the beginning of the start-up operation of the fuel cell system 1, the temperature of the reforming catalyst of the
選択酸化器3cの選択酸化触媒の温度が選択酸化反応を行うのに適した所定の温度に到達すると、制御部22で空気ブロワ17を予め記憶しておいた所定量の空気が供給される第1の回転数で駆動して、選択酸化空気経路19を介して選択酸化器3cに所定量の選択酸化空気を供給する。このとき、空気入弁20は閉止した状態にしておくことにより、燃料電池2のカソード流路2bに空気は供給されず、空気ブロワ17から供給した空気が全て選択酸化器3cに供給される。また、このときの空気ブロワ17の回転数を第1の回転数として、以下、説明を行う。
When the temperature of the selective oxidation catalyst of the
さらに、各触媒の温度が、それぞれの反応を行うのに適した温度に到達し、水素生成器3で良質の燃料ガスが生成されだすと、燃料入弁14と燃料出弁15とを開放し、同時にバイパス弁16を閉止することにより、燃料電池2のアノード流路2aに燃料ガスの供給が開始される。このときも、後述する理由により、まだ、燃料電池2のカソード流路2bには空気の供給は開始しない。
Further, when the temperature of each catalyst reaches a temperature suitable for performing each reaction and high quality fuel gas is generated in the
そして、燃料電池2のアノード流路2aに燃料ガスの供給を開始してから所定時間が経過すると、制御部22によって空気入弁20を開放して燃料電池2にカソード空気の供給を開始して燃料電池システム1の発電運転を開始する。
When a predetermined time elapses after the supply of fuel gas to the
燃料電池2に対し、燃料ガスの供給を空気よりも先に開始するのは、燃料電池2の電極に十分に水素がいきわたらない状態で発電を開始すると、(1)式に示す反応で水素から取り出すべき電子が、水素が十分に無いためにアノード電極の炭素やセパレータを構成するカーボンまたは金属から取り出され、燃料電池2を構成する電極やセパレータといった部材が劣化してしまうためである。そのため、燃料電池2のアノード電極に燃料ガス中の水素が十分にいきわたるまでの所定時間が経過した後に、燃料電池2にカソード空気の供給を開始し、発電を開始する。
The supply of fuel gas to the
ここで、本発明の特徴である、燃料電池にカソード空気の供給を開始する際の動作について、図を用いて詳細な説明を行う。 Here, the operation when starting the supply of cathode air to the fuel cell, which is a feature of the present invention, will be described in detail with reference to the drawings.
図2は、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する前後での、主要な構成要素の動作と主要な流量の変化を示すタイミングチャートである。図2において(a)は空気入弁20の閉止と開放の変化を表し、(b)は(a)における空気入弁20の動作に対する空気ブロワ17の回転数の変化を、(c)はカソード空気の流量の変化、(d)は選択酸化空気の流量の変化をそれぞれ示す。
FIG. 2 is a timing chart showing the operation of the main components and the change in the main flow rate before and after the supply of the cathode air to the
図2に示すように、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する際には、空気入弁20を開放し、同時に空気ブロワ17の回転数を、これまで制御していた第1の回転数から上げて空気ブロワ17から供給される空気量を増加させる。
As shown in FIG. 2, when the supply of cathode air to the
しかしながら、このとき、カソード空気経路18および燃料電池2のカソード流路2b内には、前述のように燃料電池システム1の停止時に凝縮水が溜まっている。そのため、発電に必要な第1の所定流量のカソード空気が燃料電池2に供給されるように、前述の第3の回転数で空気ブロワ17を駆動すると、空気ブロワ17から供給される空気流量(すなわちカソード空気の流量と選択酸化空気の流量との合算流量)は、本実施の形態1の燃料電池システム1で使用した空気ブロワの特性上、常に同じ所定の流量となるが、凝縮水がカソード空気の流通する経路中に凝縮して経路の流路抵抗を大きくしているために、分流比が設計値とずれて、選択酸化空気の流量が想定よりも増加し、逆にカソード空気の流量が想定よりも減少することになる。本実施の形態1の燃料電池システム1のように、分岐後の各経路の圧力損失の比によって分流比を調整している場合には、経路の圧力損失の比が設計値からずれた場合には、分流比がずれたまま、燃料電池システムの運転を継続してしまうことがある。
However, at this time, condensed water is accumulated in the
燃料電池2に供給されるカソード空気の流量が少ない状態で発電を行うと、燃料電池2の発電で必要な酸素がカソード電極に供給されずに、燃料電池2の発電量が低下して燃料電池システムの効率が低下したり、燃料電池2の劣化を促進したりする。また一方で、選択酸化器3cに供給される選択酸化空気の流量が多すぎると、選択酸化器3b中の選択酸化触媒の作用によって、発熱反応である水素の酸化反応が進行し、選択酸化器3cの温度が上昇して選択酸化反応を行うのに適した温度から外れて一酸化炭素を充分除去できなくなり、一酸化炭素濃度が高い燃料ガスが燃料電池2に供給されて燃料電池2の性能が低下したり、本来は燃料電池2に供給して発電に利用されるべき水素が、過量の選択酸化空気中の酸素との酸化反応で消費されて燃料電池システムの効率が低下したりする。
When power generation is performed in a state where the flow rate of the cathode air supplied to the
そこで、本実施の形態1の燃料電池システム1では、図2に示すように、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する際には、空気入弁20を開放し、同時に空気ブロワ17の回転数を前述の第1の回転数から増加させて空気ブロワ17から供給される空気の流量を増加させるが、このとき、まず、前述の第3の回転数よりも大きい後述する第2の回転数に上げるように制御部22で制御する。
Therefore, in the fuel cell system 1 of the first embodiment, as shown in FIG. 2, when the supply of cathode air to the
空気ブロワ17の第2の回転数は、予め、以下の実験により求めて制御部22に記憶させておく。すなわち、分岐点Xで分流されて燃料電池2に供給されるカソード空気の流量は、燃料電池システム1の停止時に溜まった凝縮水の量や、その凝縮水による経路の閉塞の状態によって異なることになるが、分岐点Xより下流のカソード空気およびカソード排空気の流通する経路に、最も分流比がずれる状態で凝縮水を溜めた状態から燃料電池システム1を起動し、燃料電池2にカソード空気の供給を開始した際に、カソード空気で経路内の凝縮水がカソード排空気経路21を介して燃料電池システム1の系外に排出される条件を求め、そのときの空気ブロワ17の回転数を第2の回転数として制御部22に記憶させておく。
The second rotational speed of the
そして、図2に示すように、空気ブロワ17を第2の回転数で駆動して凝縮水を燃料電池システム1の系外に排出した後、制御部22は燃料電池2に第1の所定流量のカソード空気が供給され、同時に選択酸化器3cに所定流量の選択酸化空気が供給される第3の回転数に空気ブロワ17の回転数を下げるように制御して、燃料電池システム1の発電運転を開始する。
Then, as shown in FIG. 2, after the
ここで、空気ブロワ17を第2の回転数で駆動する所定時間は、カソード空気が流通する経路に溜まった凝縮水がカソード排空気経路21を介して燃料電池システム1の系外に排出されるまでに必要とする時間であり、予め上記第2の回転数を求める実験により第2の回転数と同時に求めておき、制御部22に記憶させておく。
Here, for a predetermined time during which the
また、空気ブロワ17の回転数を第2の回転数に制御したとき、選択酸化器3cに供給される選択酸化空気の流量も、図2に示すように所定の流量より増加することになるが、これは一時的であり、凝縮水が燃料電池システム1の系外に排出され、空気ブロワ17の回転数を第3の回転数に下げた後は、分流比が設計値に戻って、選択酸化空気の流量も所定流量で供給されるようになるため、燃料電池システムの効率の低下や、選択酸化器3bの温度上昇などが起こることは無い。ここで、図2において示した、カソード空気の流量と選択酸化空気の流量は、空気ブロワ17が第2の回転数で駆動されている間、一定量で推移しているように示しているが、実際には、凝縮水が排出されていく過程で、カソード空気流量は徐々に増加し、選択酸化空気流量は徐々に減少するように変化していくことになる。
Further, when the rotational speed of the
以上のように、本実施の形態の燃料電池システムでは、燃料電池システムの停止時にカソード空気およびカソード排空気の流通する経路に溜まった凝縮水を、燃料電池にカソード空気の供給を開始する際に、カソード空気を利用して燃料電池システムの系外に排出し、カソード空気と選択酸化空気との分流比を設計した分流比に戻した上で、発電運転を開始することができるので、一つの空気供給手段でカソード空気と選択酸化空気とを供給する簡単な構成で、繰り返し燃料電池システムの起動および停止を行っても、燃料電池システムの効率の低下や劣化が促進されることを抑制することが可能である。 As described above, in the fuel cell system according to the present embodiment, when the fuel cell system is stopped, the condensed water accumulated in the path through which the cathode air and the cathode exhaust air circulate is started when the supply of the cathode air to the fuel cell is started. , The cathode air is discharged out of the fuel cell system, and after the shunt ratio between the cathode air and the selective oxidation air is returned to the designed shunt ratio, the power generation operation can be started. With a simple configuration that supplies cathode air and selective oxidized air with air supply means, even if the fuel cell system is repeatedly started and stopped, it is possible to suppress the reduction in efficiency and deterioration of the fuel cell system. Is possible.
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 2)
Next, the configuration of the fuel cell system according to
図3は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図3においても、図1と同様に、燃料電池システムを構成する各構成要素の間を結ぶ実線は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が流れる経路を示している。そして、それらの実線上に記している矢印は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が通常運転時に流れる方向を示している。また、各構成要素の間を結ぶ破線は、制御信号の入力および出力を示している。また、図3でも、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。また、図3おいて、実施の形態1で示した燃料電池システム1の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to
図3に示すように、本実施の形態2に係る燃料電池システム31は、実施の形態1で示した燃料電池システム1と概ね同一の構成を示しているが、以下の点で実施の形態1で示した燃料電池システム1と異なる。
As shown in FIG. 3, the
まず、実施の形態1で示した燃料電池システム1では、CO除去器として選択酸化反応を利用した選択酸化器3cを利用したのに対し、本実施の形態2の燃料電池システム31では、メタネーション反応を利用したCO除去器32cが設けられている。すなわち、水素生成器32は、改質器3a,変成器3b,CO除去器32cが順次接続されて構成されている。メタネーション反応は、選択酸化反応が燃料ガス中の一酸化炭素を、別途供給した選択酸化空気中の酸素と酸化反応させて二酸化炭素にして除去するのに対して、燃料ガス中の水素と一酸化炭素をメタネーション触媒下でメタンと水とに変化させ、燃料ガス中の一酸化炭素を除去するものである。このため、本実施の形態2の燃料電池システム31には、実施の形態1の燃料電池システム1の選択酸化空気経路19が存在しない。
First, in the fuel cell system 1 shown in the first embodiment, the
また、水素生成器32と燃料電池2とは、燃料ガス経路33で接続されている。この燃料ガス経路33は、一端がCO除去器32cと接続され、他端が燃料電池2のアノード流路2aと接続されており、途中でバイパス経路13と分岐されている点と、この分岐点よりも燃料電池2側に燃料入弁14を備えている点では、実施の形態1の燃料電池システム1の燃料ガス経路11と同じである。
The
また、本実施の形態2に係る燃料電池システム31では、カソード空気経路18が分岐点Xで分岐空気経路に相当するブリード空気経路34と分岐されている。このブリード空気経路34は、燃料ガス経路33の、バイパス経路13との分岐点よりも水素生成器32側にある合流点Yで燃料ガス経路33と接続されている。また、ブリード空気経路34は、燃料電池システム31の発電運転時において、空気ブロワ17から供給した空気が分岐点Xでカソード空気とブリード空気とに所定の比率で分流されるように、圧力損失が配慮されている。
In the
すなわち、本実施の形態2の燃料電池システム31では、実施の形態1の燃料電池システム1の選択酸化空気がブリード空気に置き換わったものである。また、選択酸化空気とブリード空気とは、それぞれ必要な流量が異なるために、本実施の形態2の燃料電池システム31では、所定流量のブリード空気が供給されるように調整されている。
That is, in the
また、カソード空気経路18の分岐点Xよりも流れの上流の空気ブロワ17側には、空気ブロワ17から供給される空気の流量を検知する空気流量計35が備えられており、空気ブロワ17から供給される空気量を検知する。空気流量計35で検知した空気流量は、制御部36に入力されるように配線されており、制御部36は空気流量計35で検知した空気流量に基づいて空気ブロワ17の回転数をフィードバック制御する点でも、実施の形態1の燃料電池システム1と本実施の形態2の燃料電池システム31は異なる。
An
以下、本実施の形態2の燃料電池システム31の動作について、実施の形態1に示した燃料電池システム1との相違点を中心に説明を行う。
Hereinafter, the operation of the
水素生成器32は、実施の形態1で示した燃料電池システムの水素生成器3における選択酸化器3cがメタネーション反応を利用したCO除去器32cに置き換わっただけで、改質器3aで原料ガスと水蒸気から燃料ガスを生成し、変成器3bとCO除去器32cを順次流通させることで一酸化炭素濃度が低減した良質の燃料ガスを生成する点は、実施の形態1で示した燃料電池システムの水素生成器3と同じである。
The
また、燃料電池システム31の起動運転時において、水素生成器32の各触媒の温度が、それぞれの反応を行なうのに適した温度に昇温していない間は、水素生成器32から供給される燃料ガス中には多くの一酸化炭素が含まれるため、この一酸化炭素が燃料電池2のアノード電極の触媒を被毒させないように、水素生成器32の各触媒の温度が所定の温度に到達し、一酸化炭素の濃度が低減された良質の燃料ガスが供給されるまでは、燃料電池2を流通させずにバイパス経路13を介してバーナ部3eで燃焼させる点においても、実施の形態1の燃料電池システム1と同様である。
Further, during the start-up operation of the
空気ブロワ17によってブリード空気経路34を介して燃料ガス経路33にブリード空気の供給が開始されるのは、燃料ガスが燃料電池2に供給される前であれば良いが、本実施の形態の燃料電池システムでは、水素生成器32の各触媒の温度が、全てそれぞれの反応を行なうのに適した温度となってからとし、その後、燃料入弁14と燃料出弁15を開放し、同時にバイパス弁16を閉止して燃料電池2に燃料ガスとブリード空気とを供給した。これにより、起動運転時に空気ブロワ17が駆動する時間を極力短くすることが可能であり、燃料電池システムの起動運転時に消費するエネルギーを小さくできる。
The supply of bleed air to the fuel gas passage 33 via the
水素生成器32から供給された一酸化炭素濃度が低減した燃料ガスは、燃料電池2に供給されるが、この燃料ガスには、燃料電池システム31が発電運転中には空気ブロワ17から供給した空気の一部が、また、燃料電池システム31の起動運転時で、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する前には空気ブロワ17から供給した空気の全てが、ブリード空気経路34を介して混入されている。そのため、燃料電池2に供給された燃料ガス中の二酸化炭素が、燃料電池2のアノード電極に備えられた触媒の作用で逆シフト反応を起こし、一酸化炭素が生成しても、ブリード空気中の酸素によって一酸化炭素を燃焼させるので、アノード電極の触媒が一酸化炭素によって被毒することが無い。これにより、燃料電池2の性能が低下することが無く、燃料電池システムの性能が低下したり、劣化したりすることを抑制することができる。
The fuel gas having a reduced carbon monoxide concentration supplied from the
また、実施の形態1で示した燃料電池システム1では、空気ブロワ17の回転数によって空気ブロワ17から供給される空気量が常に同量になるような空気ブロワを用い、制御部22で空気ブロワ17の回転数を所定の回転数に一定で保つように制御することにより、所定の流量の空気を空気ブロワから供給するようにしていたのに対して、実施の形態2の燃料電池システム31では、空気流量計35で検知した空気流に基づいて空気ブロワの回転数を制御する点で、実施の形態1に示した燃料電池システム1と異なる。
In the fuel cell system 1 shown in the first embodiment, an air blower is used in which the amount of air supplied from the
燃料電池システム31の起動運転時で、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する際には、空気入弁20を開弁するとともに、実施の形態1で記載したのと同じように、予め実験によって求めて制御部36に記憶させていた回転数で空気ブロワ17を駆動して、カソード空気が流通する経路にたまった凝縮水を、燃料電池システム31の系外に排出してから、空気ブロワ17の回転数を、空気流量計35で検知する空気の流量に基づいて制御する。
When starting the supply of the cathode air to the
これにより、燃料電池システムの停止時にカソード空気およびカソード排空気の流通する経路に溜まった凝縮水を、燃料電池にカソード空気の供給を開始する際に、カソード空気を利用して燃料電池システムの系外に排出し、カソード空気と選択酸化空気との分流比を設計した分流比に戻した上で、発電運転を開始することができる。 As a result, the condensed water accumulated in the path through which the cathode air and the cathode exhaust air circulate when the fuel cell system is stopped is used to start the supply of the cathode air to the fuel cell. The power generation operation can be started after discharging to the outside and returning the shunt ratio between the cathode air and the selectively oxidized air to the designed shunt ratio.
さらに、空気ブロワから供給する空気量を正確に所定量にすることが可能であり、また、空気を供給する経路の流路抵抗の変化に対して、同一回転数では供給空気の流量が変化するような空気ブロワを使用することも可能であるため、比較的安価で小型の空気ブロワを利用することも可能である。 Furthermore, the amount of air supplied from the air blower can be accurately set to a predetermined amount, and the flow rate of the supplied air changes at the same rotation speed with respect to the change in the flow path resistance of the air supply path. Since such an air blower can also be used, it is possible to use a relatively inexpensive and small air blower.
(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 3)
Next, the configuration of the fuel cell system according to
図4は、本発明の実施の形態3に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図4おいて、実施の形態1で示した燃料電池システム1の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
FIG. 4 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to
図4に示すように、本実施の形態3に係る燃料電池システム41は、実施の形態1で示した燃料電池システム1と概ね同一の構成を示しているが、選択酸化空気経路19途中に空気流量計42を備えた点で実施の形態1で示した燃料電池システム1と異なる。そして、空気流量計42で検知した選択酸化空気の流量は、制御部43に入力されるように配線されている。
As shown in FIG. 4, the
本実施の形態3の燃料電池システム41の動作については、実施の形態1に示した燃料電池システム1に対して、制御部43が、空気流量計42で検知した選択酸化空気の流量と、予め記憶されているその時点での目標とする選択酸化空気の流量とを比較し、選択酸化空気の流量が目標値となるように空気ブロワ17の回転数を制御する点のみが異なり、その他の動作については、実施の形態1に示した燃料電池システム1と同じである。
Regarding the operation of the
燃料電池システムが発電運転時に必要とするカソード空気の流量と選択酸化空気の流量とを比較すると、選択酸化空気の流量のほうが少なく、カソード空気の流量の数十分の1程度であることが一般的である。よって本実施の形態3の燃料電池システムでは、少流量の選択酸化空気の流量に基づいて空気ブロワの回転数を調整・制御することで、選択酸化空気とカソード空気とが、正確な流量で供給することが可能となるため、効率の良い燃料電池システムを提供することができる。 Comparing the flow rate of the cathode air required for the power generation operation of the fuel cell system with the flow rate of the selective oxidation air, the flow rate of the selective oxidation air is smaller and is generally about one tenth of the flow rate of the cathode air. Is. Therefore, in the fuel cell system of the third embodiment, the selective oxidizing air and the cathode air are supplied at an accurate flow rate by adjusting and controlling the rotational speed of the air blower based on the flow rate of the selective oxidizing air with a small flow rate. Therefore, an efficient fuel cell system can be provided.
(実施の形態4)
次に、本発明の実施の形態4に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 4)
Next, the configuration of the fuel cell system according to
図5は、本発明の実施の形態4に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図5おいて、実施の形態1から3で示した燃料電池システムの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to
図5に示すように、本実施の形態4に係る燃料電池システム51は、実施の形態1で示した燃料電池システム1と概ね同一の構成を示しているが、以下の点で実施の形態1で示した燃料電池システム1と異なる。
As shown in FIG. 5, the
すなわち、カソード空気経路18の途中の第1の分岐点Xaから分岐した選択酸化空気経路19には、選択酸化空気の流量を検知し、制御部54へ検知した流量を入力するように配線された空気流量計52が備えられている。さらに選択酸化空気経路19には、空気流量計52の下流側に第2の分岐点Xbを備えている。第2の分岐点Xbにはブリード空気経路53の一端が接続されており、ブリード空気経路53の他端は、燃料ガス経路11に合流点Yで接続されている。このブリード空気経路53は、第1の分岐点Xaを介して供給されてきた選択酸化空気の一部が、所定の比率で分流されて燃料ガス経路11に混入されるように、圧力損失が予め調整されて設置されている。
That is, the selective
以上のように構成された燃料電池システム51の動作について、実施の形態1に示した燃料電池システム1との相違点を中心に、以下、説明を行なう。
The operation of the
まず、燃料電池システム51の発電運転時には、実施の形態1と同様に、原料供給装置4を駆動して、所定量の原料ガスが水蒸気発生器3dで生成した水蒸気と混合されて水素生成器3の改質器3aに供給され、燃料ガスが生成されるが、この燃料ガスは、変成器3bと選択酸化器3cを順次流通することにより、一酸化炭素濃度が低減した燃料ガスとなり、燃料ガス経路11を介して、燃料電池2のアノード流路2aに供給される。また、空気ブロワ17を駆動することにより、カソード空気経路18を介して燃料電池2のカソード流路2bにカソード空気が供給される。
First, during the power generation operation of the
このとき、空気ブロワ17を駆動することによって供給される空気の一部は、第1の分岐点Xaで分流されて選択酸化空気経路19を介して選択酸化器3cに選択酸化空気として供給される。また、選択酸化空気の一部は、第2の分岐点Xbでブリード空気経路53に分流されて、ブリード空気として合流点Yを通って燃料ガス経路11に供給され、燃料ガスと混合されて燃料電池2のアノード流路2aに供給される。空気ブロワ17は、空気流量計52で検知した空気の流量に基づいて制御部54によって、空気流量計の検知する流量が所定の流量になるように、その回転数が調整され、また、選択酸化空気が所定の比率でブリード空気経路53に分流されるようにブリード空気経路53の圧力損失が設定されているため、第1の分岐点Xaから下流の選択酸化空気経路19とブリード空気経路53とには、常に精度よく所定量の空気が供給される。また、第1の分岐点Xaによってカソード空気と選択酸化空気(およびブリード空気)とに分流される空気の比率も、予め、所定の比率となるように設定されているため、燃料電池2にも精度良く所定量のカソード空気が供給される。この時の空気ブロワ17の回転数を第3の回転数として制御部54に記憶させておくが、実際には、空気流量計52の検知する空気流量に基づいて第3の回転数から調整される。
At this time, a part of the air supplied by driving the
選択酸化器3cに供給された選択酸化空気は、変成器3bから供給された燃料ガス中の一酸化炭素を酸化させるために用いられ、また、ブリード空気は、燃料ガスに混入されて燃料電池2のアノード流路2aに供給されるが、アノード電極の触媒上で燃料ガス中の二酸化炭素から逆シフト反応で一酸化炭素が発生した際に、一酸化炭素とブリード空気中の酸素とが燃焼反応を起こし、一酸化炭素がアノード電極の触媒を被毒するのを抑制する。
The selective oxidation air supplied to the
また、燃料電池システム51の起動運転時には、水素生成器3の各触媒の温度が、それぞれの反応を行なうのに適した所定の温度になり、良質の燃料ガスが生成されるまで、バイパス経路13を介して流通させ、燃料電池2への供給を行なわない点は、他の実施の形態の燃料電池システムと同じである。このとき、選択酸化空気とブリード空気とを所定量供給するのに必要な空気ブロワ17の回転数を第1の回転数とするが、実際には、空気流量計52によって空気ブロワ17の回転数は第1の回転数から調整される。
Further, during the start-up operation of the
水素生成器3から良質の燃料ガスが供給され始めると、燃料電池2に燃料ガスの供給を開始し、所定時間経過後、空気入弁20を開放して燃料電池2へのカソード空気の供給を開始する。この際、実施の形態1の燃料電池システム1と同様に、図2で示すように、空気入弁20を開放すると同時に、空気ブロワ17を第3の回転数よりも大きい所定の第2の回転数で駆動して、燃料電池システムが停止した際に溜まった凝縮水を、カソード排空気経路21を介して、燃料電池システム51の系外に排出する。そして、その後、空気ブロワ17の回転数を第3の回転数に下げた後、空気流量計52の検知する流量に基づいて空気ブロワの回転数を制御する。ここで、空気ブロワ17の第2の回転数を予め実験により求め、制御部54に記憶させておく点については、その方法など実施の形態1と同様である。
When good quality fuel gas starts to be supplied from the
以上のように、本実施の形態4の燃料電池システムでは、燃料電池2のアノード触媒の電極が被毒されるのを抑制することが出来るため、燃料電池システムの性能が低下したり、劣化したりするのを抑制することができ、また、選択酸化空気およびブリード空気,カソード空気の流量が、燃料電池システムが停止した際に生じる凝縮水によって、再度、燃料電池システムを起動運転後、発電させた際に所定の流量からずれることを防止することが可能であるため、起動および停止を繰り返しても、性能が低下したりすることがない燃料電池システムを提供することができる。
As described above, in the fuel cell system of the fourth embodiment, since the anode catalyst electrode of the
(実施の形態5)
次に、本発明の実施の形態5に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 5)
Next, the configuration of the fuel cell system according to
図6は、本発明の実施の形態5に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図6おいて、実施の形態1から4で示した燃料電池システムの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
FIG. 6 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to
図6に示すように、本実施の形態5に係る燃料電池システム61は、実施の形態1で示した燃料電池システム1と概ね同一の構成を示しているが、以下の点で実施の形態1で示した燃料電池システム1と異なる。
As shown in FIG. 6, the
すなわち、カソード空気経路18と分岐点Xで分岐した選択酸化空気経路19には、選択酸化空気の流量を検知する空気流量計62を備え、さらにその下流には、流路抵抗可変手段に相当するニードル弁である調整弁63を備える。空気流量計62は、選択酸化空気経路19に供給される選択酸化空気の流量を検知して制御部64に入力するように配線されており、調整弁63は、制御部64によって開度を任意に調整して、選択酸化空気経路19の圧力損失を調整できるように配線されている。
That is, the selective
以上のように構成された燃料電池システム61の動作について、実施の形態1に示した燃料電池システム1との相違点を中心に、以下、説明を行なう。
The operation of the
まず、燃料電池システム61の発電運転時には、実施の形態1と同様に、原料供給装置4を駆動して、所定量の原料ガスが水蒸気発生器3dで生成した水蒸気と混合されて水素生成器3の改質器3aに供給され、燃料ガスが生成されるが、この燃料ガスは、変成器3bと選択酸化器3cを順次流通することにより、一酸化炭素濃度が低減した燃料ガスとなり、燃料ガス経路11を介して、燃料電池2のアノード流路2aに供給される。また、空気ブロワ17を駆動することにより、カソード空気経路18を介して燃料電池2のカソード流路2bにカソード空気が供給される。
First, during the power generation operation of the
このとき、空気ブロワ17から供給された空気は、分岐点Xでカソード空気と選択酸化空気とに所定の比率で分流される。空気ブロワ17は、選択酸化空気経路19に設けられた空気流量計62の検知する流量に基づいて、選択酸化空気の流量が所定の流量になるように、制御部64によって回転数を調整されるが、このとき、燃料電池2に供給されるカソード空気の流量が所定の流量となるように、予め、調整弁63の開度を実験により求めて制御部64に記憶させておき、調整弁63の開度をこの開度(以下、第2の開度として説明を行なう)として制御部64で制御しておく。また、この時の空気ブロワ17の回転数を第3の回転数として制御部64に記憶しておき、空気流量計62で検知した選択酸化空気の流量に基づいて、選択酸化空気の流量が所定の流量になるように空気ブロワ17の回転数を制御部64で第3の回転数から微調整する。
At this time, the air supplied from the
なお、燃料電池システム61が発電運転を行なっている間、調整弁63の開度を第2の開度で固定しておくが、これは調整弁63を動かすために必要な電力によって、燃料電池システムの効率が低下するのを抑制するためである。しかしながら、例えばカソード空気経路18にも空気流量計を設け、選択酸化空気経路19に設けている空気流量計62と、さらにカソード空気経路に設けた空気流量計との値に基づいて、調整弁63と空気ブロワ17とを制御して、カソード空気と選択酸化空気とが所定の流量になるように制御しても良い。
During the power generation operation of the
次に、燃料電池システムの起動運転について、図を用いながら以下に説明する。 Next, the startup operation of the fuel cell system will be described below with reference to the drawings.
燃料電池システム61の起動運転時には、実施の形態1で示した燃料電池システム1と同様に、水素生成器3の各触媒の温度が、それぞれの反応を行なうのに適した所定の温度になり、良質の燃料ガスが生成されるまでは、燃料ガスをバイパス経路13を介して流通させ、燃料電池2への供給を行なわない。選択酸化器3cの選択酸化触媒の温度が、選択酸化反応を行なうのに適した温度になると、制御部64によって、調整弁63の開度を第2の開度よりも小さい後述する第1の開度になるように制御しておいてから空気ブロワ17を所定の第1の回転数で駆動して、選択酸化器3cに選択酸化空気の供給を開始する。このとき、制御部64は、選択酸化空気の量が所定の流量となるように、空気流量計62で検知する流量に基づいて、空気ブロワ17の回転数を第1の回転数から微調整する。
During the start-up operation of the
水素生成器3の各触媒の温度が、それぞれの反応を行なうのに適した温度になり、水素生成器3から良質の燃料ガスの供給が開始されると、実施の形態1の燃料電池システム1と同様にして、燃料電池2に燃料ガスの供給を開始し、所定時間経過後、空気入弁20を開放して燃料電池2へのカソード空気の供給を開始する。
When the temperature of each catalyst in the
ここで、図7は、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する前後での、主要構成部材の動作と、カソード空気および選択酸化空気の流量の変化を示すタイミングチャートである。図7において、(a)は空気入弁20の閉止および開放を示し、(b)は空気ブロワ17の回転数、(c)は調整弁63の開度の変化をそれぞれ示し、(d)はカソード空気の流量、(e)は選択酸化空気の流量の変化をそれぞれ示す。
Here, FIG. 7 is a timing chart showing the operation of the main components and the changes in the flow rates of the cathode air and the selective oxidation air before and after the supply of the cathode air to the
図7に示すように、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する際には、まず、空気入弁20を開放すると同時に、空気ブロワ17の回転数を、第3の回転数よりも大きい第2の回転数で駆動して、カソード空気およびカソード排空気が流通する経路に溜まった凝縮水を、カソード排空気経路21を介して燃料電池システム61の系外に排出する。ここで、第2の回転数を予め、実験で求めておき、制御部64に記憶させておく点については、実施の形態1と同様である。
As shown in FIG. 7, when the supply of cathode air to the
また、このとき調整弁63は、燃料電池システム61の発電運転時に、カソード空気と選択酸化空気とが所定の比率で分流されるための第2の開度より、選択酸化空気経路19の圧力損失が大きくなる第1の開度としている。そのため、空気ブロワ17の回転数を第2の回転数にした際に、実施の形態1の燃料電池システム1では図2で示したように選択酸化空気の流量が増加してしまうが、本実施の形態5の燃料電池システム61では、その選択酸化空気流量の変化量を小さくすることが可能である。さらに、調整弁64の第1の開度を、空気入弁20を開放すると同時に空気ブロワ17を第2の回転数で駆動した際に、選択酸化空気の流量が所定流量のままずれない開度を予め実験により求めて、制御部64に記憶させておくことにより、図7に示すように、空気入弁20を開放した際に、選択酸化空気の流量が所定の流量からずれなくすることも可能である。ただし、カソード空気およびカソード排空気が流通する経路に溜まる凝縮水の量は、燃料電池システムの発電運転や停止の状態によって異なることがあるため、場合によっては選択酸化空気の流量が、多少、所定量からずれることがある。しかしながら、ずれ量としては小さくすることが可能であるため、選択酸化空気流量が所定量よりも多くなり、選択酸化器3cの触媒温度が上昇してしまい、燃料電池システムの効率が低下することを抑制することができる。
Further, at this time, the regulating
次に、カソード空気およびカソード排空気が流通する経路に溜まった凝縮水を、カソード排空気経路21を介して燃料電池システム61の系外に排出してしまうと、制御部64によって空気ブロワ17の回転数を第3の回転数に低下させると同時に、調整弁63の開度を第2の開度に制御して、燃料電池システムの発電運転を開始する。図7において、空気ブロワ17の回転数を第2の回転数から第3の回転数まで、調整弁63の開度を第1の開度から第2の開度まで、所定の時間かけて変化させているが、これは、調整弁63がニードル弁であるために開度を変更するのに時間が架かるためであり、調整弁63の開度変化に従って、空気ブロワ17の回転数を徐々に変化させている。
Next, when the condensed water accumulated in the path through which the cathode air and the cathode exhaust air circulate is discharged out of the
以上のように、本実施の形態5の燃料電池システムによれば、一つの空気ブロワによってカソード空気と洗濯酸化空気とを供給することが可能であり、また、一つの空気流量計で空気ブロワから供給するカソード空気と選択酸化空気との流量を精度良く制御することができるため、燃料電池システムの構成を簡素化することが可能であり、また、燃料電池システムの起動運転および発電、停止運転を繰り返した際にも、空気ブロワから供給する選択酸化空気とカソード空気とが所定量からずれることを抑制して、燃料電池システムの性能が低下したりすることを抑制することが可能である。 As described above, according to the fuel cell system of the fifth embodiment, it is possible to supply the cathode air and the washing oxidized air with one air blower, and from the air blower with one air flow meter. Since the flow rates of the cathode air and the selectively oxidized air to be supplied can be accurately controlled, the configuration of the fuel cell system can be simplified, and the start-up operation, power generation, and stop operation of the fuel cell system can be simplified. Even when it is repeated, it is possible to suppress the selective oxidation air and cathode air supplied from the air blower from deviating from a predetermined amount, and to prevent the performance of the fuel cell system from being deteriorated.
(実施の形態6)
次に、本発明の実施の形態6に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 6)
Next, the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 6 of the present invention will be described with reference to the drawings.
図8は、本発明の実施の形態6に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図8おいて、実施の形態1から5で示した燃料電池システムの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。 FIG. 8 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 6 of the present invention. In FIG. 8, the same components as those of the fuel cell system shown in the first to fifth embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図8に示すように、本実施の形態6に係る燃料電池システム71は、実施の形態1で示した燃料電池システム1と概ね同一の構成を示しているが、以下の点で実施の形態1で示した燃料電池システム1と異なる。
As shown in FIG. 8, the
すなわち、実施の形態3で示した燃料電池システム41と同様に、選択酸化空気経路19に空気流量計42を備える。さらに、カソード空気経路18と選択酸化空気経路19との分岐点Xに相当する場所に、分流比調整手段として分流弁72を備えている。
That is, similarly to the
分流弁72は、制御部73で制御され、空気ブロワ17から供給される空気をカソード空気と選択酸化空気とに分流する分流比を任意に変更することが可能である。さらに分流弁72は、空気ブロワ17から供給される空気の全てが選択酸化空気経路19に供給されるように制御されることにより、燃料電池2へのカソード空気の供給を遮断することが可能であり、カソード空気供給遮断手段の役割も同時に兼ねることが可能である。よって、本実施の形態6の燃料電池システム71には、空気入弁20は別途、設けられていない。これにより、燃料電池システムの構成を簡素化することが可能である。
The
以上のように構成された燃料電池システム71の動作について、実施の形態1に示した燃料電池システム1との相違点を中心に、以下、説明を行なう。
The operation of the
まず、燃料電池システム71の発電運転時には、実施の形態1と同様に、原料供給装置4を駆動して、所定量の原料ガスが水蒸気発生器3dで生成した水蒸気と混合されて水素生成器3の改質器3aに供給され、燃料ガスが生成されるが、この燃料ガスは、変成器3bと選択酸化器3cを順次流通することにより、一酸化炭素濃度が低減した燃料ガスとなり、燃料ガス経路11を介して、燃料電池2のアノード流路2aに供給される。また、空気ブロワ17により、カソード空気経路18を介して燃料電池2のカソード流路2bにカソード空気が供給される。
First, during the power generation operation of the
このとき制御部72は、空気流量計42で検知される選択酸化空気の流量に基づいて、選択酸化空気の流量が所定の流量になるように空気ブロワ17の回転数をフィードバック制御して調整するが、さらに制御部72は、分岐弁72を予め制御して、選択酸化空気の流量が所定の流量のときに、カソード空気が所定の流量となるように、分流弁72の開度を所定の開度にしておく。これにより、選択酸化空気の流量を正確に制御することができるが、加えて、カソード空気の流量も正確に制御されることになる。
At this time, the
また、燃料電池システムの停止運転時の動作については、他の実施の形態と同じであるため、ここでの説明は割愛する。 Further, since the operation at the time of the stop operation of the fuel cell system is the same as that of the other embodiments, the description thereof is omitted here.
次に、燃料電池システムの起動運転について説明する。 Next, the startup operation of the fuel cell system will be described.
燃料電池システム71の起動運転時には、実施の形態1で示した燃料電池システム1と同様に、水素生成器3の各触媒の温度が、それぞれの反応を行なうのに適した所定の温度になり、良質の燃料ガスが生成されるまでは、燃料ガスをバイパス経路13を介して流通させ、燃料電池2への供給を行なわない。
During the start-up operation of the
選択酸化器3cの選択酸化触媒の温度が選択酸化反応を行なうのに適した温度になると、制御部73によって空気ブロワ17を駆動して選択酸化空気経路19を介して所定流量の選択酸化空気を選択酸化器3cに供給し始めるが、このとき、分流弁72は、空気ブロワ17で供給する空気が全て選択酸化器3cに供給されるように調整しく。さらに制御部73は、空気流量計42で検知した空気流量に基づいて空気ブロワ17の回転数をフィードバック制御して、所定流量の空気が選択酸化器3cに供給されるようにする。
When the temperature of the selective oxidation catalyst of the
水素生成器3の各触媒の温度が、それぞれの反応を行なうのに適した温度になり、水素生成器3から良質の燃料ガスの供給が開始されると、実施の形態1の燃料電池システム1と同様にして、燃料電池2に燃料ガスの供給を開始する。燃料電池2に燃料ガスの供給を開始してから所定時間経過後、制御部73によって分流弁72の開度を変更し、空気ブロワ17から供給される空気が、燃料電池2と選択酸化器3cとに供給されるようにする。
When the temperature of each catalyst in the
このとき、空気ブロワ17は、前述の発電時に必要なカソード空気と選択酸化空気との合算量よりも多くの空気を供給するように回転数が制御される。そして、さらに所定時間経過後に空気ブロワの回転数を下げ、カソード空気と選択酸化空気とが所定の流量でそれぞれ供給されるように、空気流量計42で検知した選択酸化空気の流量に基づいて、空気ブロワ17の回転数をフィードバック制御して選択酸化空気の流量が所定の流量となるようにする。これにより、選択酸化空気の流量を正確に制御することができる。
At this time, the rotation speed of the
ここで、図を用いて、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する前後での主要構成部品の動作と、カソード空気および選択酸化空気の流量の挙動を説明する。
Here, the operation of main components before and after the start of the supply of cathode air to the
図9は、主要構成部品の動作と、それに伴うカソード空気および選択酸化空気の流量の挙動を示すタイミングチャートである。図9において、(a)は後述する分岐弁72の開度を、(b)は空気ブロワ17の回転数を、(c)はカソード空気の流量を、(d)は選択酸化空気の流量をそれぞれ示す。ここで、分流弁72の開度は、図9の(a)中の縦軸で示し、開度0のときに空気ブロワ17で供給した空気が全て選択酸化空気経路19側に流れ、開度を上げると空気ブロワ17で供給した空気のうち、燃料電池2側にカソード空気として供給される比率が増えてくるものとして説明を行う。
FIG. 9 is a timing chart showing the operation of the main components and the behavior of the flow rates of the cathode air and the selective oxidation air associated therewith. In FIG. 9, (a) shows the opening degree of a
図9に示すように、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する際には、まず、分流弁72の開度を上げ、同時に空気ブロワ17の回転数を上昇させる。ここで、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する前で、選択酸化器3cのみに空気を供給する際の空気ブロワ17の回転数を、便宜的に(すなわち、正確にはフィードバック制御によって回転数は微調整されており一定ではないが、説明を簡単にするために一定回転数として取り扱うこととする。)第1の回転数とし、発電時の空気ブロワ17の回転数を便宜的に第3の回転数とすると、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する際の空気ブロワ17の回転数は、第3の回転数よりも多い第2の回転数となるように制御する。これにより、燃料電池2には、発電時に必要なカソード空気の流量である第1の所定流量よりも多い空気が流れることになる。
As shown in FIG. 9, when the supply of cathode air to the
ここで、空気ブロワ17の第2の回転数は、他の実施の形態と同様に予め実験により、カソード空気が流通する経路に燃料電池システム71が停止中に溜まった凝縮水を、カソード排空気経路21を介して燃料電池システム71の系外に排出できる流量が分岐弁72下流のカソード空気経路18に供給される空気ブロワ17の回転数を求めておき、制御部73に第2の回転数として記憶させておく。
Here, the second rotational speed of the
これにより、空気ブロワ17を第2の回転数で駆動している間に、カソード空気が流通する経路に溜まった凝縮水が、燃料電池システム71の系外に排出されて圧力損失が正常な設計値に戻る。その後、空気ブロワ17の回転数を第3の回転数に下げ、空気流量計42が検知した選択酸化空気の流量に基づいて空気ブロワ17の回転数をフィードバック制御して、選択酸化空気の流量が所定流量になるように制御する。このとき、カソード空気が流通する経路の圧力損失が正常に戻っているため、分流弁72での分流比は想定通りになっているため、選択酸化空気の流量を正確に制御することによって、カソード空気の流量も正確に制御されることになる。
Thereby, while the
以上のように、本実施の形態6の燃料電池システム71では、燃料電池システムの停止時にカソード空気が流通する経路に凝縮水が溜まっていた場合でも、再度、燃料電池システムを起動運転し、燃料電池にカソード空気の供給を開始する際に、空気ブロワから供給する空気で凝縮水を燃料電池システムの系外に排出してから発電を開始することが可能であるため、燃料電池システムの起動運転および停止運転を繰り返し行っても、燃料電池システムの性能が低下したり、劣化が促進したりすることが無い。
As described above, in the
なお、本実施の形態6の燃料電池システム71では、分流比調整手段としてカソード空気経路と分岐空気経路である選択酸化空気経路との分岐点に分岐弁を設けたが、これはカソード空気経路に閉止機能を備えたニードル弁を設けても良い。この場合は、燃料電池システムの起動運転時で、燃料電池にカソード空気の供給を開始する前には、ニードル弁を閉止して、空気ブロワから供給される空気を全て選択酸化器に供給されるようにしておき、燃料電池にカソード空気の供給を開始するときにニードル弁を所定の開度だけ解放することで、分流弁を用いた本実施の形態6の燃料電池システム71と同様の効果を得ることが可能である。
In the
また、なお、本実施の形態6の燃料電池システム71では、前述のように、分流比調整手段である分流弁が、同時にカソード空気供給遮断手段の役割も兼ねるように構成したが、他の実施の形態と同様に、別途、カソード空気経路にカソード空気供給遮断手段として開閉弁を設け、この開閉弁の開放によってカソード空気の供給を開始しても良い。
Further, in the
さらに、燃料電池システムのカソード空気経路に開閉弁をさらに設けた燃料電池システムでは、以下の方法で実施の形態5で示した燃料電池システム61と同様に、燃料電池にカソード空気の供給を開始する前後で、選択酸化空気の流量がほぼ一定に保たれるようにすることが可能である。
Further, in the fuel cell system in which the on / off valve is further provided in the cathode air path of the fuel cell system, the supply of cathode air to the fuel cell is started in the same manner as in the
すなわち、燃料電池システムの起動運転時の初期で、選択酸化器のみに空気を供給する際に、開閉弁を閉じた状態で分流弁の開度を後述の第1の開度にしておき、燃料電池にカソード空気の供給を開始する際に、カソード空気経路の開閉弁を解放すると同時に空気ブロワの回転数をカソード空気が流通する経路に溜まった凝縮水を燃料電池システムの系外に排出することができる第2の回転数に制御する。この空気ブロワの第2の回転数を予め実験により求めるとき、同時に、選択酸化空気の流量が空気ブロワの回転数を上げる前後で所定の流量からずれない分流弁の開度を求めておき、分流弁の第1の開度とする。カソード空気が流通する経路に溜まった凝縮水を燃料電池システムの系外に排出すると、空気ブロワの回転数を第3の回転数に落とすとともに、分流弁の開度を上げてカソード空気と選択酸化空気とがそれぞれ所定流量で供給されるようにする。 That is, when supplying air only to the selective oxidizer in the initial stage of the start-up operation of the fuel cell system, the opening of the shunt valve is set to a first opening described later with the on-off valve closed, and the fuel is When supplying cathode air to the battery, the on / off valve of the cathode air path is released and at the same time the condensed water accumulated in the path through which the cathode air flows is discharged out of the fuel cell system. The second rotation speed is controlled. When the second rotational speed of the air blower is obtained in advance by experiments, at the same time, the opening of the shunt valve is determined so that the flow rate of the selective oxidizing air does not deviate from the predetermined flow rate before and after the rotational speed of the air blower is increased. The first opening of the valve is used. When the condensed water accumulated in the path through which the cathode air circulates is discharged out of the fuel cell system, the rotation speed of the air blower is reduced to the third rotation speed, and the opening of the shunt valve is increased to selectively oxidize the cathode air and the cathode air. Air is supplied at a predetermined flow rate.
これにより、燃料電池にカソード空気を供給する前後で選択酸化空気の流量がずれるのを抑制することができるとともに、燃料電池システムが停止している間に、カソード空気が流通する経路に凝縮水が溜まっていても、再度、燃料電池システムの起動運転を行い、燃料電池にカソード空気の供給を開始するときにカソード空気によって凝縮水を燃料電池システムの系外に排出することができるため、カソード空気と選択酸化空気とを所定量、正確に供給することが可能となる。そのため、簡単な構成で、燃料電池システムの性能が低下したり、劣化が促進したりすることを抑制することができる。 As a result, the flow rate of the selective oxidation air can be suppressed before and after the cathode air is supplied to the fuel cell, and the condensed water can flow into the path through which the cathode air flows while the fuel cell system is stopped. Even if it has accumulated, the start-up operation of the fuel cell system is performed again, and when the supply of cathode air to the fuel cell is started, the condensed water can be discharged out of the fuel cell system by the cathode air. It is possible to accurately supply a predetermined amount of the selective oxidized air. Therefore, it is possible to suppress the performance of the fuel cell system from being reduced or the deterioration from being accelerated with a simple configuration.
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、天然ガスやLPG等の炭化水素系原料を水蒸気改質して利用する燃料電池システムの用途に適用できる。 As described above, the fuel cell system according to the present invention can be applied to the use of a fuel cell system in which a hydrocarbon-based raw material such as natural gas or LPG is steam-reformed.
1,31,41,51,61,71 燃料電池システム
2 燃料電池
2a アノード流路
2b カソード流路
3,32 水素生成器
3a 改質器
3b 変成器
3c 選択酸化器
3d 水蒸気発生器
3e バーナ部
3f 温度センサ
4 原料供給装置
5 原料ガス供給経路
6 プロセス水供給ポンプ
7 プロセス水タンク
8 水蒸気供給経路
9 燃焼空気ファン
10 燃焼空気経路
11,33 燃料ガス経路
12 オフガス経路
13 バイパス経路
14 燃料入弁
15 燃料出弁
16 バイパス弁
17 空気ブロワ
18 カソード空気経路
19 選択酸化空気経路
20 空気入弁
21 カソード排空気経路
22,36,43,54,64 制御部
32c CO除去器
34,53 ブリード空気経路
35,42,52,62 空気流量計
63 調整弁
X,Xa,Xb 分岐点
Y 合流点
1, 31, 41, 51, 61, 71
Claims (12)
原料と水とから水素リッチな燃料ガスを生成する改質部を有する水素生成器と、
前記水素生成器で生成した燃料ガスを前記燃料電池に流通させる燃料ガス経路と、
空気を供給する空気供給手段と、
前記空気供給手段から供給された空気を前記燃料電池に流通させるカソード空気経路と、
前記カソード空気経路から分岐し、前記水素生成器と前記燃料ガス経路との少なくとも一方に空気を流通させる分岐空気経路と、
前記カソード空気経路に配設された前記燃料電池への空気の供給または遮断を行なうカソード空気供給遮断手段とを備え、
前記燃料電池に空気の供給を開始する際には、まず、前記カソード空気供給遮断手段を開放して前記燃料電池に空気の供給を行なうよう制御すると共に、前記燃料電池に供給する空気が第1の所定流量よりも多い流量で所定時間供給されるように制御し、次に、前記燃料電池に供給する空気が第1の所定流量になるように前記空気供給手段を制御する制御部を備えた燃料電池システム。 A fuel cell that generates power using fuel gas and air;
A hydrogen generator having a reforming section that generates hydrogen-rich fuel gas from raw material and water;
A fuel gas path through which the fuel gas generated by the hydrogen generator is circulated to the fuel cell;
Air supply means for supplying air;
A cathode air path for circulating the air supplied from the air supply means to the fuel cell;
A branched air path that branches from the cathode air path, and that circulates air to at least one of the hydrogen generator and the fuel gas path;
A cathode air supply blocking means for supplying or blocking air to the fuel cell disposed in the cathode air path;
When starting the supply of air to the fuel cell, first, the cathode air supply blocking means is opened to control the supply of air to the fuel cell, and the air supplied to the fuel cell is the first. And a control unit for controlling the air supply means so that the air supplied to the fuel cell has a first predetermined flow rate. Fuel cell system.
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