JP2012064417A - Fuel cell power generation device and operation method thereof - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell power generation device which, when controlling temperature-rise of a reformer, can improve temperature-rise capability in cases where the reformer temperature tends to continuously drop even when the raw fuel is increased, and an operation method therefor.SOLUTION: The fuel cell power generation device includes a reformer 3 to which raw fuel is supplied; a fuel cell 10 which has reformer outlet gas directly supplied thereto from the reformer 3; a hydrogen purification unit 19 which has part of reformer outlet gas, branched from the reformer 3, supplied thereto via a control valve 17; a furnace temperature detection unit 23 which detects the furnace temperature of the reformer 3; and a control unit 21 which controls temperature-rise and temperature-fall of the reformer based on a temperature control set value MV which is calculated based on a deviation between a target furnace temperature and the furnace temperature detected by the furnace temperature detection unit 23. The control unit 21, when controlling temperature-rise of the reformer, uses raw fuel increasing control and opening reduction control for reducing the opening of the control valve 17 in combination.

Description

本発明は、炭化水素化合物を含む原燃料を改質器により改質して得られた、水素に富む改質ガスを燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスとして用い、この燃料ガスの一部を分岐して水素精製装置に供給する燃料電池発電装置及びその運転方法に関する。   The present invention uses a reformed gas rich in hydrogen obtained by reforming a raw fuel containing a hydrocarbon compound with a reformer as a fuel gas to be supplied to the fuel electrode of a fuel cell, and a part of the fuel gas. The present invention relates to a fuel cell power generator and a method for operating the fuel cell power generator.

この種の燃料電池発電装置としては、例えば、原燃料を改質器によって改質し、得られた改質ガスを燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスとするものにおいて、得られた改質ガスを燃料電池の燃料極に供給する配管に、圧縮機と水素精製装置を備えた水素精製系へと改質ガスを分岐する分岐配管を連結した燃料電池発電装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
同様に、燃料処理装置から燃料電池本体に水素リッチガスを供給するラインから分岐ラインが分岐しており、該分岐ラインには水素精製装置、水素貯蔵装置、水素供給装置が介挿されている燃料電池装置が知られている(例えば、特許文献2参照)。
As this type of fuel cell power generator, for example, a reformer obtained by reforming raw fuel with a reformer and using the obtained reformed gas as a fuel gas supplied to the fuel electrode of the fuel cell. 2. Description of the Related Art A fuel cell power generator is known in which a pipe that supplies gas to a fuel electrode of a fuel cell is connected to a branch pipe that branches a reformed gas to a hydrogen purification system that includes a compressor and a hydrogen purification apparatus (for example, Patent Document 1).
Similarly, a branch line is branched from a line for supplying hydrogen-rich gas from the fuel processing device to the fuel cell body, and a hydrogen purifier, a hydrogen storage device, and a hydrogen supply device are inserted in the branch line. An apparatus is known (see, for example, Patent Document 2).

また、炭化水素化合物を含む原燃料を改質する改質器と、改質器から供給された改質ガスを用いて発電する燃料電池と、改質器から供給された改質ガスを圧縮する圧縮機と圧縮された改質ガスを精製する水素精製装置を直列に備えた水素精製系と、改質器から燃料電池および水素精製系へと分岐させる分岐配管と改質ガスの供給先を燃料電池および水素精製系の間で自由に分岐させる燃料電池側及び水素精製系側にそれぞれ設けた弁を備えている燃料電池発電装置の運転方法であって、燃料電池発電装置の発電量を下げた場合に、改質ガスの一部または全部を水素精製系へ供給するようにした燃料電池発電装置の運転方法が知られている(例えば、特許文献3参照)。   Further, a reformer for reforming raw fuel containing a hydrocarbon compound, a fuel cell for generating power using the reformed gas supplied from the reformer, and the reformed gas supplied from the reformer are compressed. A hydrogen purification system equipped with a compressor and a hydrogen purification device for purifying the compressed reformed gas in series, a branch pipe for branching from the reformer to the fuel cell and the hydrogen purification system, and a supply source of the reformed gas as fuel A method of operating a fuel cell power generation device including a valve provided on each of a fuel cell side and a hydrogen purification system side that freely branches between the battery and the hydrogen purification system, wherein the power generation amount of the fuel cell power generation device is reduced In some cases, a method of operating a fuel cell power generator is known in which part or all of the reformed gas is supplied to a hydrogen purification system (see, for example, Patent Document 3).

また、水素改質ガスを用いる燃料電池と、改質ガスを圧縮機を介して水素精製装置に供給し高純度水素を精製する水素製造供給手段とを備えた燃料電池発電装置であって、水素精製装置での水素収率が燃料電池での水素利用率に比べて低い燃料電池発電装置の運転方法において、燃料電池の燃料オフガスと、水素精製装置の残余ガスとを改質器バーナーに供給して燃焼させ、その際、改質器の温度が上昇して予め定めた所定温度に到達した場合、改質器に供給する原燃料ガスのS/Cを増加することにより改質器の温度を低下させる燃料電池発電装置の運転方法も知られている(例えば、特許文献4参照)。   A fuel cell power generator comprising a fuel cell using hydrogen reformed gas, and a hydrogen production and supply means for purifying high-purity hydrogen by supplying the reformed gas to a hydrogen purifier via a compressor, In a method of operating a fuel cell power generation device in which the hydrogen yield in the refining device is lower than the hydrogen utilization rate in the fuel cell, the fuel off-gas of the fuel cell and the residual gas of the hydrogen purifying device are supplied to the reformer burner. When the temperature of the reformer rises and reaches a predetermined temperature, the temperature of the reformer is increased by increasing the S / C of the raw fuel gas supplied to the reformer. A method of operating the fuel cell power generator to be reduced is also known (see, for example, Patent Document 4).

特開2000−348750号公報JP 2000-348750 A 特開2004−200042号公報JP 2004-200042 A 特開2007−305601号公報JP 2007-305601 A 特開2007−149489号公報JP 2007-149489 A

しかしながら、上記特許文献1および2に記載された従来例にあっては、改質器から燃料電池に供給する改質ガスを分岐して水素精製装置に供給するようにしているが、改質器の温度制御については何ら記載されていない。
また、特許文献3に記載された従来例にあっては、燃料電池における発電反応後の燃料オフガスと水素精製装置における水素精製後の残余ガスとを改質器のバーナーに供給して燃焼させ、燃料電池発電装置の発電量を下げた場合に、改質ガスの一部又は全部を水素精製系へ供給することにより、改質器を所定温度に維持して運転することにより、運転、停止に伴う熱サイクルを受ける頻度を大幅に低減することができるものであるが、改質器の実質的な温度制御については何ら開示されていない。
However, in the conventional examples described in Patent Documents 1 and 2, the reformed gas supplied from the reformer to the fuel cell is branched and supplied to the hydrogen purifier. No temperature control is described.
Further, in the conventional example described in Patent Document 3, the fuel off-gas after the power generation reaction in the fuel cell and the residual gas after the hydrogen purification in the hydrogen purifier are supplied to the burner of the reformer and burned, When the power generation amount of the fuel cell power generation device is lowered, by supplying a part or all of the reformed gas to the hydrogen purification system, the reformer is operated while maintaining a predetermined temperature, so that the operation is stopped. Although it is possible to greatly reduce the frequency of the accompanying thermal cycle, there is no disclosure of substantial temperature control of the reformer.

また、特許文献4に記載の従来例にあっては、燃料電池の燃料オフガスと、水素精製装置の残余ガスとを改質器バーナーに供給して燃焼させ、その際、改質器の温度が上昇して予め定めた所定温度に到達した場合、改質器に供給する原燃料ガスのS/C(原燃料ガス中の炭素原子1モルに対するスチームのモル数比)を増加することにより改質器の温度を低下させることが記載されているが、改質器の温度が所定温度以上に増加したときの降温制御については何ら記載されていない。   Further, in the conventional example described in Patent Document 4, the fuel off-gas of the fuel cell and the residual gas of the hydrogen purifier are supplied to the reformer burner and combusted. At that time, the temperature of the reformer is When the temperature rises and reaches a predetermined temperature, reforming is performed by increasing the S / C of the raw fuel gas supplied to the reformer (ratio of moles of steam to 1 mole of carbon atoms in the raw fuel gas). Although it is described that the temperature of the reformer is lowered, there is no description about temperature drop control when the temperature of the reformer increases to a predetermined temperature or higher.

通常、改質器の温度を制御する場合には、改質器の温度が所定温度を超えて増加するときは、改質器に供給する燃焼空気量を増加させて改質器の温度を低下させる降温制御を行い、改質器の温度が所定温度未満に減少する場合には、改質器に供給する原燃料を増加させる昇温制御を行うことで、改質器の温度を所定温度に維持する制御を行っている。
しかしながら、このような降温制御及び昇温制御を行う場合に、降温制御については燃焼空気流量を増加させることで制御可能であるが、昇温制御については原燃料の増加によって対処するが、原燃料の増加には一定の限度があり、投入する一次エネルギー量と改質器温度との最適制御が必要となってくる。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、改質器を昇温制御する場合に、原燃料を増加させても改質器の温度の低下傾向が継続される場合に、昇温能力を向上させることができる燃料電池発電装置およびその運転方法を提供することを目的としている。
Normally, when controlling the reformer temperature, if the reformer temperature increases beyond a predetermined temperature, the amount of combustion air supplied to the reformer is increased to lower the reformer temperature. When the temperature of the reformer decreases below the predetermined temperature, the temperature of the reformer is set to the predetermined temperature by performing the temperature increase control for increasing the raw fuel supplied to the reformer. Control to maintain.
However, when performing such temperature decrease control and temperature increase control, the temperature decrease control can be controlled by increasing the flow rate of the combustion air. There is a certain limit to the increase, and it is necessary to optimally control the amount of primary energy input and the reformer temperature.
Therefore, the present invention has been made paying attention to the unsolved problems of the above-described conventional example, and when the temperature of the reformer is controlled to rise, the temperature of the reformer tends to decrease even if the raw fuel is increased. It is an object of the present invention to provide a fuel cell power generator and an operation method thereof that can improve the temperature raising capability when the operation is continued.

上記目的を達成するために、請求項1に係る燃料電池発電装置は、原燃料が供給される改質器と、該改質器から出力される改質ガスが直接供給される燃料電池と、前記改質器から出力される改質ガスの一部が分岐されて制御弁を介して供給される水素精製装置と、前記改質器の炉内温度を検出する炉内温度検出部と、目標炉内温度と前記炉内温度検出部で検出した炉内温度との偏差に基づいて算出される温度制御設定値に基づいて前記改質器の昇温制御及び降温制御を行う制御装置とを備え、前記制御装置は、前記改質器の昇温制御時に、原燃料の増加制御と前記制御弁の開度を減少する開度減少制御とを併用することを特徴としている。   In order to achieve the above object, a fuel cell power generator according to claim 1 includes a reformer to which raw fuel is supplied, a fuel cell to which reformed gas output from the reformer is directly supplied, A hydrogen purifier in which a part of the reformed gas output from the reformer is branched and supplied via a control valve, an in-furnace temperature detector for detecting the in-furnace temperature of the reformer, a target A controller for performing temperature increase control and temperature decrease control of the reformer based on a temperature control set value calculated based on a deviation between the furnace temperature and the furnace temperature detected by the furnace temperature detection unit The control device is characterized in that, during the temperature rise control of the reformer, the raw fuel increase control and the opening decrease control for decreasing the opening of the control valve are used in combination.

この構成によると、改質器の昇温制御に原燃料の増加制御と水素精製装置へ改質ガスを供給する制御弁の開度を減少する開度減少制御とを併用することになる。改質器の炉内温度が目標炉内温度以下に低下した際、改質器へ供給する原燃料の増加制御を行っても昇温不足を生じる場合に、水素精製装置へ改質ガスを供給する制御弁を閉制御することにより、燃料電池へ供給する改質ガス量を増やし、燃料極出口から排出されて改質器に供給して燃焼させる燃料オフガスを増加させて、改質器の昇温を行う。   According to this configuration, the increase control of the raw fuel and the opening decrease control for decreasing the opening of the control valve that supplies the reformed gas to the hydrogen purifier are used in combination with the temperature raising control of the reformer. When reformer furnace temperature drops below the target furnace temperature, supply of reformed gas to the hydrogen purifier will occur if the temperature rise is insufficient even if the increase in the raw fuel supplied to the reformer is controlled. By closing the control valve, the amount of reformed gas supplied to the fuel cell is increased, the fuel off-gas discharged from the fuel electrode outlet, supplied to the reformer and burned is increased, and the reformer rises. Do warm.

また、請求項2に係る燃料電池発電装置は、前記制御装置は、前記温度制御設定値が目標値を超えたときに前記降温制御を行い、前記温度制御設定値か前記目標値未満となったときに前記昇温制御を行うことを特徴としている。
この構成によると、改質器の炉内温度が目標炉内温度より高くなって温度制御設定値が目標値を超えると、降温制御を行って改質器の炉内温度を低下させ、逆に改質器の炉内温度が目標炉内温度より低くなって温度制御設定値が目標値未満となると、昇温制御を行って改質の炉内温度を上昇させる。
In the fuel cell power generation device according to claim 2, the control device performs the temperature decrease control when the temperature control set value exceeds a target value, and the temperature control set value becomes less than the target value. The temperature increase control is sometimes performed.
According to this configuration, when the furnace temperature of the reformer becomes higher than the target furnace temperature and the temperature control set value exceeds the target value, the temperature lowering control is performed to lower the reformer furnace temperature, and conversely When the furnace temperature of the reformer becomes lower than the target furnace temperature and the temperature control set value becomes less than the target value, the temperature rise control is performed to raise the reforming furnace temperature.

また、請求項3に係る燃料電池発電装置は、請求項1又は2に係る発明において、前記改質器の昇温制御は、前記温度制御設定値が目標値から減少したときに、制御開始し、前記制御弁を所定開度に維持するとともに、前記原燃料の増加制御を行い、前記温度制御設定値が所定値以下となったときに、前記制御弁の開度減少制御を開始することを特徴としている。
この構成によると、改質器の炉内温度か目標温度より低下して、温度制御設定値が目標値から減少したときに、水素精製装置へ改質ガスを供給する制御弁を所定開度に維持するとともに、改質器へ供給する原燃料の増加制御を行って改質器を昇温するが、温度制御設定値が所定値以下となったときに、制御弁の開度減少制御を行って、改質器ガスの燃料電池への供給量を増加させることにより、燃料電池の燃料極出口から排出されて改質器で燃焼される燃料オフガス量を増加させて改質器の昇温効果を高める。
The fuel cell power generator according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the temperature rise control of the reformer starts when the temperature control set value decreases from a target value. Maintaining the control valve at a predetermined opening, performing an increase control of the raw fuel, and starting the opening decrease control of the control valve when the temperature control set value becomes a predetermined value or less. It is a feature.
According to this configuration, when the temperature inside the reformer furnace falls below the target temperature and the temperature control set value decreases from the target value, the control valve that supplies the reformed gas to the hydrogen purifier is set to a predetermined opening. The temperature of the reformer is increased by controlling the increase of the raw fuel supplied to the reformer, and when the temperature control set value becomes a predetermined value or less, the control valve opening reduction control is performed. By increasing the amount of reformer gas supplied to the fuel cell, the amount of fuel off-gas discharged from the fuel electrode outlet of the fuel cell and combusted in the reformer is increased. To increase.

また、請求項4に係る燃料電池発電装置は、請求項1乃至3の何れか1項に係る発明において、前記原燃料の増加制御は、前記温度制御設定値が目標値から減少したときに、その減少量に応じて単位時間当たりの原燃料増加量を増加させる制御を行うことを特徴としている。
この構成によると、原燃料の増加制御を、温度制御設定値が目標値から減少したときに、その減少量に応じて単位時間当たりの原燃料増加量すなわち原燃料増加率を増加させ、改質器に供給する原燃料を増加させて、昇温制御を行う。
The fuel cell power generator according to claim 4 is the invention according to any one of claims 1 to 3, wherein the increase control of the raw fuel is performed when the temperature control set value decreases from a target value. Control is performed to increase the amount of increase in raw fuel per unit time in accordance with the amount of decrease.
According to this configuration, when the temperature control set value decreases from the target value, the raw fuel increase control is performed by increasing the raw fuel increase amount per unit time, that is, the raw fuel increase rate, according to the decrease amount. The raw fuel supplied to the vessel is increased to control the temperature rise.

また、請求項5に係る燃料電池発電装置は、請求項1乃至4の何れか1項に係る発明において、前記降温制御は、前記温度制御設定値が目標値から増加したときに、その増加量に応じて前記改質器に対する単位時間当たりの燃焼空気供給量を増加させる制御を行うことを特徴としている。
この構成によれば、温度制御設定値の目標値から増加量に応じて改質器に対する単位時間当たりの燃焼空気供給量すなわち燃焼空気流量増加率を多くして、改質器に供給する燃料空気を増加させて、降温制御を行う。
The fuel cell power generator according to claim 5 is the fuel cell power generator according to any one of claims 1 to 4, wherein the temperature drop control is performed when the temperature control set value increases from a target value. Accordingly, control is performed to increase the supply amount of combustion air per unit time to the reformer.
According to this configuration, the fuel air supplied to the reformer by increasing the combustion air supply amount per unit time, that is, the combustion air flow rate increase rate, to the reformer according to the increase amount from the target value of the temperature control set value. To control the temperature drop.

また、請求項6に係る燃料電池発電装置の運転方法に係る発明は、原燃料が供給される改質器と、該改質器から出力される改質ガスが直接供給される燃料電池と、前記改質器から出力される改質ガスの一部が分岐されて制御弁を介して供給される水素精製装置と、前記改質器の炉内温度を検出する炉内温度検出部と、目標炉内温度と前記炉内温度検出部で検出した炉内温度との偏差に基づいて算出される温度制御設定値に基づいて前記改質器の昇温制御及び降温制御を行う制御装置とを備えた燃料電池発電装置の運転方法であって、前記改質器の昇温制御は、前記温度制御設定値が目標値未満となったときに、前記制御弁を所定開度に維持した状態で、前記改質器に対する原燃料の増加制御を開始し、前記温度制御設定値が所定値未満となったときに、前記制御弁の開度減少制御を開始することを特徴としている。
この構成とすることにより、前述した請求項3と同様の作用を得ることができる。
An invention relating to an operation method of a fuel cell power generator according to claim 6 includes a reformer to which raw fuel is supplied, a fuel cell to which reformed gas output from the reformer is directly supplied, A hydrogen purifier in which a part of the reformed gas output from the reformer is branched and supplied via a control valve, an in-furnace temperature detector for detecting the in-furnace temperature of the reformer, a target A controller for performing temperature increase control and temperature decrease control of the reformer based on a temperature control set value calculated based on a deviation between the furnace temperature and the furnace temperature detected by the furnace temperature detection unit In the operation method of the fuel cell power generation device, the temperature raising control of the reformer is performed in a state where the control valve is maintained at a predetermined opening when the temperature control set value is less than a target value. The raw fuel increase control for the reformer is started, and the temperature control set value becomes less than a predetermined value. Occasionally, it is characterized by initiating the opening reduction control of the control valve.
With this configuration, it is possible to obtain the same effect as that of the third aspect described above.

本発明によれば、前記改質器の昇温制御時に、原燃料の増加制御と前記制御弁の開度を減少する開度減少制御とを併用するようにしたので、原燃料の増加制御によっても改質器の昇温不足を生じる場合に、制御弁の開度を減少制御することで、改質器から出力される改質ガスの水素精製装置側への供給量を低下させて燃料電池への改質ガスの供給量を増加させ、これにより燃料電池の燃料極出口から排出されて改質器で燃焼される燃料オフガス量を増加させて改質器の昇温効果を高めることができるという効果が得られる。   According to the present invention, during the temperature increase control of the reformer, the increase control of the raw fuel and the opening decrease control for decreasing the opening of the control valve are used together. In the case where the temperature rise of the reformer is insufficient, the amount of reformed gas output from the reformer to the hydrogen purifier is reduced by controlling the opening of the control valve to reduce the fuel cell. The amount of reformed gas supplied to the fuel cell can be increased, thereby increasing the amount of fuel off-gas discharged from the fuel electrode outlet of the fuel cell and burned in the reformer, thereby enhancing the temperature rise effect of the reformer The effect is obtained.

本発明による燃料電池発電装置の一実施形態を示すシステム構成図である。1 is a system configuration diagram showing an embodiment of a fuel cell power generator according to the present invention. 図1の制御装置の機能ブロック図である。It is a functional block diagram of the control apparatus of FIG. 改質器温度制御処理における温度制御設定値と燃焼空気流量増加率、原燃料増加率及び制御弁開度との関係を示す特性線図である。It is a characteristic diagram which shows the relationship between the temperature control set value in a reformer temperature control process, a combustion air flow rate increase rate, a raw fuel increase rate, and a control valve opening degree. 図1の制御装置が実行する改質器温度制御処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the reformer temperature control processing procedure which the control apparatus of FIG. 1 performs.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明に係る燃料電池発電装置を示すシステム構成図であって、図中、1は燃料電池発電装置である。この燃料電池発電装置1は、天然ガスやLPG等といった炭化水素化合物を含む原燃料を、原燃料流量制御弁2を介して改質器3に供給する。
この改質器3は、燃焼バーナー3aとこの燃焼バーナー3aによって加熱される改質触媒層3bとを有し、この燃焼バーナー3aによって加熱された改質触媒層3bにおける水蒸気改質反応により、炭化水素化合物は、水素、二酸化炭素および一酸化炭素を主成分とする改質ガスに変換されて出力される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a system configuration diagram showing a fuel cell power generator according to the present invention. In the figure, 1 is a fuel cell power generator. The fuel cell power generation apparatus 1 supplies raw fuel containing a hydrocarbon compound such as natural gas or LPG to a reformer 3 via a raw fuel flow rate control valve 2.
The reformer 3 includes a combustion burner 3a and a reforming catalyst layer 3b heated by the combustion burner 3a. Carbonization is performed by a steam reforming reaction in the reforming catalyst layer 3b heated by the combustion burner 3a. The hydrogen compound is converted into a reformed gas containing hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide as main components and output.

燃焼バーナー3aには、燃焼空気供給用ブロア4aを備えた燃焼空気供給系4を通して燃焼空気が導入される。また、燃焼バーナー3aには、後述する燃料電池10の燃料極10bから排出される未反応水素を含む燃料極オフガスがオフガス供給系6を経て導入される。さらに、燃焼バーナー3aには、後述する水素精製装置19から出力される残余ガスが残余ガス供給系7を経て導入される。
改質器3から出力される改質ガスは、改質ガス供給系8を経て燃料電池10に供給される。この燃料電池10は、反応空気ブロア11aを備えた反応空気供給系11を介して反応空気が導入される空気極10aと、改質ガス供給系8を介して改質ガスが供給される燃料極10bと、図示しない水蒸気分離器に貯留された、電気伝導度が低く且つシリカ等の鉱物系異物の少ない純水が冷却水として供給される冷却板10cとを備えている。
Combustion air is introduced into the combustion burner 3a through a combustion air supply system 4 provided with a blower 4a for supplying combustion air. A fuel electrode off-gas containing unreacted hydrogen discharged from a fuel electrode 10b of the fuel cell 10 to be described later is introduced into the combustion burner 3a via an off-gas supply system 6. Furthermore, the residual gas output from the hydrogen purifier 19 described later is introduced into the combustion burner 3a through the residual gas supply system 7.
The reformed gas output from the reformer 3 is supplied to the fuel cell 10 via the reformed gas supply system 8. The fuel cell 10 includes an air electrode 10a into which reaction air is introduced through a reaction air supply system 11 having a reaction air blower 11a, and a fuel electrode to which reformed gas is supplied through a reformed gas supply system 8. 10b, and a cooling plate 10c stored in a water vapor separator (not shown) and supplied with pure water having low electrical conductivity and less mineral foreign matter such as silica as cooling water.

そして、燃料電池10では、改質器3から供給される水素に富む改質ガスを燃料極10bに送ることにより、電池反応を生じさせると、電池反応に伴って所定の利用率に見合った水素が消費される。燃料極10bより排出される燃料オフガスは、なお一定量の水素を含有しているので、これを有効に利用するために、オフガス供給系6を介して改質器3の燃焼バーナー3aに戻し、別途供給される燃焼空気と混合して燃焼され、改質触媒層3bの加熱に用いられる。   In the fuel cell 10, when a cell reaction is caused by sending a reformed gas rich in hydrogen supplied from the reformer 3 to the fuel electrode 10 b, hydrogen corresponding to a predetermined utilization rate is associated with the cell reaction. Is consumed. Since the fuel off-gas discharged from the fuel electrode 10b still contains a certain amount of hydrogen, in order to use it effectively, it is returned to the combustion burner 3a of the reformer 3 via the off-gas supply system 6, It is mixed with combustion air supplied separately and burned, and used for heating the reforming catalyst layer 3b.

また、空気極10aには、反応空気ブロア11aを備えた反応空気供給系11から反応空気が供給され、この反応空気に含まれる酸素が電池反応に寄与する。そして、冷却板10cによって、燃料電池10の発電に伴う発熱を除去し、燃料電池10の温度を所定の運転温度に維持している。
また、空気極10aから排出される空気極オフガスは、生成水回収装置12に送られ、この生成水回収装置12で、空気極オフガスに含まれる電池反応に伴って生成される反応生成水を回収した後、大気へ放散される。また、前述した改質器3の燃焼バーナー3aから排出される燃料排ガスも生成水回収装置12に供給され、燃焼反応によって生成された燃焼生成水を回収した後に大気へ放散される。
Moreover, reaction air is supplied to the air electrode 10a from the reaction air supply system 11 provided with the reaction air blower 11a, and oxygen contained in this reaction air contributes to the cell reaction. The cooling plate 10c removes heat generated by the power generation of the fuel cell 10 and maintains the temperature of the fuel cell 10 at a predetermined operating temperature.
Further, the air electrode off gas discharged from the air electrode 10a is sent to the generated water recovery device 12, and the generated water recovery device 12 recovers the reaction product water generated in association with the battery reaction contained in the air electrode off gas. And then released to the atmosphere. Further, the fuel exhaust gas discharged from the combustion burner 3a of the reformer 3 described above is also supplied to the generated water recovery device 12, and after recovering the combustion generated water generated by the combustion reaction, it is diffused to the atmosphere.

一方、改質ガス供給系8には改質ガス供給系15が分岐され、この改質ガス供給系15を通じて改質ガスの一部がバッファタンク16に貯留される。この改質ガス供給系15には、後述する制御装置21によって開度制御される流量制御弁17が介挿されている。
バッファタンク16に貯留された改質ガスは、圧縮機18で圧縮されて圧力スイング吸着(PSA)装置、或いは膜分離装置等の水素精製装置19に供給され、この水素精製装置19で改質ガスを分離精製して水素を得るようにしている。この水素精製装置19に供給された改質ガスのうち精製水素を分離された残余ガスは、燃料電池10の燃料極オフガスと同様に、改質器3の燃焼バーナー3aへと送られ、残余ガス中の水素を燃焼させて改質触媒層3bの加熱に用いられる。また、バッファタンク16に貯留された余剰の改質ガスは制御弁20を介して系外に放出される。
On the other hand, a reformed gas supply system 15 branches from the reformed gas supply system 8, and a part of the reformed gas is stored in the buffer tank 16 through the reformed gas supply system 15. The reformed gas supply system 15 is provided with a flow rate control valve 17 whose opening degree is controlled by a control device 21 described later.
The reformed gas stored in the buffer tank 16 is compressed by a compressor 18 and supplied to a hydrogen purification device 19 such as a pressure swing adsorption (PSA) device or a membrane separation device. Is separated and purified to obtain hydrogen. Of the reformed gas supplied to the hydrogen purifier 19, the residual gas from which purified hydrogen has been separated is sent to the combustion burner 3 a of the reformer 3 in the same manner as the fuel electrode off-gas of the fuel cell 10. The hydrogen inside is burned and used to heat the reforming catalyst layer 3b. Further, excess reformed gas stored in the buffer tank 16 is discharged out of the system through the control valve 20.

そして、改質器3の炉内温度がプログラマブルコントローラ等で構成される制御装置21によって制御される。この制御装置21には、原燃料流量制御弁2の上流側に配設された原燃料流量計22で検出した原燃料流量FFdが入力されているとともに、改質器炉内温度検出器23で検出した改質器3の炉内温度検出値PVが入力され、これら原燃料流量FFd及び炉内温度検出値PVに基づいて改質器温度制御処理を実行する。   And the furnace temperature of the reformer 3 is controlled by the control apparatus 21 comprised by a programmable controller etc. The control device 21 is supplied with a raw fuel flow rate FFd detected by a raw fuel flow meter 22 disposed upstream of the raw fuel flow rate control valve 2, and at a reformer furnace temperature detector 23. The detected in-furnace temperature detection value PV of the reformer 3 is input, and reformer temperature control processing is executed based on the raw fuel flow rate FFd and the in-furnace temperature detection value PV.

この制御装置21は、機能ブロック図で表すと、図2に示すように構成され、炉内目標温度となる目標値SVを設定する目標値設定部31と、この目標値設定部31で設定された目標値SVから改質器炉内温度検出器23で検出した炉内温度検出値PVを減算して温度偏差ΔT(=SV−PV)を算出する減算器32と、この減算器32から出力される温度偏差ΔTに電池電流に比例する原燃料流量増減から計算される設定値を演算し、構成材料の耐熱上限温度や触媒層温度が著しく低くなって改質率が低下しない各々の値を考慮した炉内温度の上下限値との判定を行ない、PID制御演算部33でのMVとして出力する。例えば下記(1)式で表されるPID制御処理演算を行って温度制御値MVを算出するPID制御演算部33と、このPID制御演算部33から出力される温度制御値MVの値に基づいて、指令値演算部(プロセス特性近似演算部)34にて図3に示す指令値演算制御マップから原燃料流量制御弁2に対する原燃料増加率(Nm3/h)FI、燃焼空気供給用ブロア4aに対する燃焼空気流量増加率AI(Nm3/h)、改質ガス流量制御弁17に対する改質ガス流量制御弁に対する改質ガス流量FKを演算し、これらに基づいて構成材料に応じた熱コンダクタンスや熱容量、負荷状態に応じたプロセス特性にて演算し、原燃料流量制御弁2、改質ガス流量制御弁17及び燃焼空気ブロア4に対する指令値θft、θgt及びQtを出力する。
MV=Kp{ΔT+(1/Ti)∫ΔTdt+Td(dΔT/dt)}……(1)
ここで、Kpは比例ゲイン、1/Tiは積分ゲイン、Tdは微分ゲインである。
This control device 21 is configured as shown in FIG. 2 in terms of a functional block diagram, and is set by a target value setting unit 31 that sets a target value SV that is a furnace target temperature, and the target value setting unit 31. The subtractor 32 that calculates the temperature deviation ΔT (= SV−PV) by subtracting the furnace temperature detection value PV detected by the reformer furnace temperature detector 23 from the target value SV, and the output from the subtractor 32 The set value calculated from the increase or decrease of the raw fuel flow rate proportional to the battery current is calculated to the temperature deviation ΔT, and the respective heat resistance upper limit temperature and catalyst layer temperature of the constituent material are remarkably lowered and the reforming rate does not decrease. The furnace temperature is considered to be the upper and lower limit values, and is output as MV in the PID control calculation unit 33. For example, based on the PID control calculation unit 33 that calculates the temperature control value MV by performing the PID control processing calculation represented by the following equation (1), and the temperature control value MV output from the PID control calculation unit 33 Then, the command value calculation unit (process characteristic approximation calculation unit) 34 calculates the raw fuel increase rate (Nm 3 / h) FI for the raw fuel flow rate control valve 2 and the combustion air supply blower 4a from the command value calculation control map shown in FIG. The combustion gas flow rate increase rate AI (Nm 3 / h) with respect to the reformed gas flow rate control valve 17 and the reformed gas flow rate control valve FK with respect to the reformed gas flow rate control valve 17 are calculated. The calculation is performed with the process characteristics according to the heat capacity and the load state, and command values θft, θgt and Qt for the raw fuel flow rate control valve 2, the reformed gas flow rate control valve 17 and the combustion air blower 4 are output.
MV = Kp {ΔT + (1 / Ti) ∫ΔTdt + Td (dΔT / dt)} (1)
Here, Kp is a proportional gain, 1 / Ti is an integral gain, and Td is a differential gain.

図3の指令値演算制御マップに示すように、温度制御値MVが目標値MVtである状態では、原燃料増加率FI及び燃焼空気流量増加率AIをそれぞれ“0”となるが、指令演算部34によりプロセス特性や負荷特性近似値より演算を行ない、θft,θt,θgtを出力する。
この状態から温度制御値MVが目標値MVtを超えて増加する場合には、温度制御値MVの増加に応じて燃焼空気流量増加率AIを“0”から増加させるように特性線L1が設定され、温度制御値MVが目標値MVtである状態から温度制御値MVが目標値MVt未満に減少すると、温度制御値MVの減少量に応じて原燃料増加率FIが“0”から増加するように特性線L2が設定されている。この特性線L2は、原燃料増加率FIが上限値FIuに達する温度制御値MVが所定値MV1まで低下したときには、以後温度制御値MVが減少しても上限値FIuを維持するように設定されている。
As shown in the command value calculation control map of FIG. 3, when the temperature control value MV is the target value MVt, the raw fuel increase rate FI and the combustion air flow rate increase rate AI are both “0”. The calculation is performed from the process characteristic and the load characteristic approximate value by 34, and θft, θt, and θgt are output.
When the temperature control value MV increases beyond the target value MVt from this state, the characteristic line L1 is set so that the combustion air flow rate increase rate AI increases from “0” in accordance with the increase of the temperature control value MV. When the temperature control value MV decreases below the target value MVt from the state where the temperature control value MV is the target value MVt, the raw fuel increase rate FI increases from “0” according to the amount of decrease in the temperature control value MV. A characteristic line L2 is set. This characteristic line L2 is set so that when the temperature control value MV at which the raw fuel increase rate FI reaches the upper limit value FIu decreases to the predetermined value MV1, the upper limit value FIu is maintained even if the temperature control value MV decreases thereafter. ing.

そして、温度制御値MVがさらに減少して所定値MV1より小さい所定値MV2以下となると、温度制御値MVの減少量に応じて改質ガス取出し流量減少率を徐々に減少させる特性線L3が設定されている。
ここで、温度制御値MV、炉内温度検出値PV及び目標値SVは、全てスケール変換してPID制御演算部33で制御演算処理するようにしてもおり、例えば、炉内温度検出値PV及び目標値SVは800℃までの値を0〜1000000と変換してPID制御演算部33に入力し、このPID制御演算部33から出力される温度制御値MVも0〜1000000で出力され、結果として温度制御値MVを0〜100%と変換して指令値演算制御マップを作成するようにしている。
When the temperature control value MV further decreases and becomes equal to or less than the predetermined value MV2 smaller than the predetermined value MV1, a characteristic line L3 for gradually decreasing the reformed gas extraction flow rate reduction rate is set according to the amount of decrease in the temperature control value MV. Has been.
Here, the temperature control value MV, the furnace temperature detection value PV, and the target value SV are all scale-converted and subjected to control calculation processing by the PID control calculation unit 33. For example, the furnace temperature detection value PV and The target value SV is a value up to 800 ° C. converted to 0 to 1000000 and input to the PID control calculation unit 33. The temperature control value MV output from the PID control calculation unit 33 is also output from 0 to 1000000, as a result. The temperature control value MV is converted to 0 to 100% to create a command value calculation control map.

次に、上記制御装置21で実行する改質器温度制御処理を図4について説明する。
この改質器温度制御処理は、先ず、ステップS1に移行して、改質器炉内温度検出器23で検出した炉内温度検出値PV及び原燃料流量計22で検出した原燃料流量検出値FFdを読込み、次いでステップS2に移行して、予め設定された目標値SVから炉内温度検出値PVを減算することにより、温度偏差ΔT(=SV−PV)を算出し、次いでステップS3に移行して、温度偏差ΔTに対して前記(1)式のPID制御演算処理することにより、PID操作量となる温度制御値MVを算出する。
Next, the reformer temperature control process executed by the control device 21 will be described with reference to FIG.
In this reformer temperature control process, first, the process proceeds to step S1, and the in-furnace temperature detection value PV detected by the reformer furnace temperature detector 23 and the raw fuel flow rate detection value detected by the raw fuel flow meter 22. Read FFd, then proceed to step S2, calculate the temperature deviation ΔT (= SV−PV) by subtracting the furnace temperature detection value PV from the preset target value SV, and then proceed to step S3 Then, the temperature control value MV serving as the PID manipulated variable is calculated by performing the PID control calculation process of the equation (1) on the temperature deviation ΔT.

次いで、ステップS4に移行して、温度制御値MVが目標値MVtに一致するか否かを判定し、MV=MVtであるときには、ステップS5に移行して、指令演算部34によりプロセス特性や負荷特性に応じた合せた演算値より計算したθft,θt,θgtを出力し、前記ステップS6に移行する。
このステップS6では、原燃料増加率FIに応じた原燃料流量制御弁2に対する原燃料流量指令値FFを算出するとともに、燃料空気流量増加率AIに応じた燃料空気供給用ブロア4aに対する吐出流量指令値Qtを演算し算出する。
Next, the process proceeds to step S4, where it is determined whether or not the temperature control value MV matches the target value MVt. When MV = MVt, the process proceeds to step S5 and the command calculation unit 34 determines process characteristics and load. Θft, θt, and θgt calculated from the calculated values according to the characteristics are output, and the process proceeds to step S6.
In step S6, a raw fuel flow rate command value FF for the raw fuel flow rate control valve 2 corresponding to the raw fuel increase rate FI is calculated, and a discharge flow rate command for the fuel air supply blower 4a corresponding to the fuel air flow rate increase rate AI. The value Qt is calculated and calculated.

次いで、ステップS7に移行して、原燃料流量指令値FFと原燃料流量計22で検出した原燃料流量検出値FFdとの偏差に基づいてPID制御処理して原燃料流量制御弁2に対する開度指令値θftを演算し算出する。
次いで、ステップS8に移行して、算出した開度指令値θft、θgt及び吐出流量指令値Qtをそれぞれ原燃料流量制御弁2、改質ガス流量制御弁17及び燃焼空気供給用ブロア4aに出力してから前記ステップS1に戻る。
Next, the process proceeds to step S7, where the PID control process is performed based on the deviation between the raw fuel flow rate command value FF and the raw fuel flow rate detection value FFd detected by the raw fuel flow meter 22, and the opening degree relative to the raw fuel flow rate control valve 2 is determined. The command value θft is calculated and calculated.
Next, the process proceeds to step S8, and the calculated opening command values θft, θgt and the discharge flow rate command value Qt are output to the raw fuel flow rate control valve 2, the reformed gas flow rate control valve 17 and the combustion air supply blower 4a, respectively. Then, the process returns to step S1.

また、前記ステップS4の判定結果が、MV≠MVtであるときには、ステップS9に移行して、温度制御値MVが目標値MVtより大きいか否かを判定し、MV>MVtであるときにはステップS10に移行して、前述した図3の制御マップの特性線L1を参照して、燃焼空気流量増加率AIを算出してから前記ステップS6に移行する。
また、前記ステップS9の判定結果が、MV<MVtであるときには、ステップS11に移行して、温度制御値MVが所定値MV2未満となったか否かを判定し、MV>MV2であるときにはステップS12に移行して、図3の制御マップの特性線L2を参照して、原燃料増加率FIを算出し、これを原燃料増加率記憶領域に更新記憶してから前記ステップS6に移行する。
If the determination result in step S4 is MV ≠ MVt, the process proceeds to step S9 to determine whether or not the temperature control value MV is greater than the target value MVt. If MV> MVt, the process proceeds to step S10. The process proceeds to step S6 after calculating the combustion air flow rate increasing rate AI with reference to the characteristic line L1 of the control map of FIG. 3 described above.
If the determination result in step S9 is MV <MVt, the process proceeds to step S11 to determine whether or not the temperature control value MV is less than the predetermined value MV2, and if MV> MV2, the process proceeds to step S12. Referring to the characteristic line L2 of the control map in FIG. 3, the raw fuel increase rate FI is calculated, and this is updated and stored in the raw fuel increase rate storage area. Then, the process proceeds to step S6.

さらに、前記ステップS11の判定結果が、MV<MV2であるときには、ステップS13に移行して、前述した図3の制御マップの特性線L3を参照して、改質ガス流量制御弁17の開度指令値θgtを演算し算出してから前記ステップS8に移行する。
なお、図4におけるステップS1〜S3の処理がPID制御演算部33に対応し、ステップS4〜ステップS13の処理が指令値演算部34に対応している。
Further, when the determination result in step S11 is MV <MV2, the process proceeds to step S13, and the opening degree of the reformed gas flow control valve 17 is referred to with reference to the characteristic line L3 of the control map of FIG. After calculating and calculating the command value θgt, the process proceeds to step S8.
4 corresponds to the PID control calculation unit 33, and the processing of steps S4 to S13 corresponds to the command value calculation unit 34.

次に、上記実施形態の動作を説明する。
今、炭化水素化合物を含む原燃料が原燃料流量制御弁2によって流量制御されて改質器3に供給され、この改質器3の改質触媒層3bで水蒸気改質反応によって、水素、二酸化炭素および一酸化炭素を主成分とする改質ガスに変換されて出力される。この改質ガス中の一酸化炭素は、燃料電池10の電極に用いられる白金を被毒し、性能を低下させるので、図示しない一酸化炭素変成器によって一酸化炭素を二酸化炭素へ変成させた後、水素濃度が70%以上、二酸化炭素濃度が約20%、残余は水蒸気、メタン、および若干量の一酸化炭素の水素リッチガスとして改質ガス供給系8に出力する。
Next, the operation of the above embodiment will be described.
Now, the raw fuel containing the hydrocarbon compound is flow-controlled by the raw fuel flow control valve 2 and supplied to the reformer 3, and the reforming catalyst layer 3b of the reformer 3 performs hydrogen reforming by the steam reforming reaction. It is converted into a reformed gas mainly composed of carbon and carbon monoxide and outputted. Since carbon monoxide in the reformed gas poisons platinum used for the electrode of the fuel cell 10 and degrades performance, after carbon monoxide is converted into carbon dioxide by a carbon monoxide transformer (not shown). The hydrogen concentration is 70% or more, the carbon dioxide concentration is about 20%, and the remainder is output to the reformed gas supply system 8 as hydrogen-rich gas of water vapor, methane, and a small amount of carbon monoxide.

この改質ガス供給系8に出力された改質ガスは燃料電池10の燃料極10bに供給されて、電池反応によって発電される。このとき、空気極10aに供給される反応空気の酸素が電気反応に寄与する。そして、発電によって生じる発熱が冷却板10cに供給される電池冷却水によって冷却される。
一方、改質ガス供給系8の改質ガスは、この改質ガス供給系8から分岐された改質ガス供給系15を通じ改質ガス流量制御弁17を通じてバッファタンク16に貯留され、このバッファタンク16に貯留された改質ガスが圧縮機18で圧縮されて水素精製装置19に供給され、分離精製することによって水素が得られる。
The reformed gas output to the reformed gas supply system 8 is supplied to the fuel electrode 10b of the fuel cell 10 and is generated by the cell reaction. At this time, oxygen in the reaction air supplied to the air electrode 10a contributes to the electric reaction. And the heat_generation | fever produced by electric power generation is cooled by the battery cooling water supplied to the cooling plate 10c.
On the other hand, the reformed gas of the reformed gas supply system 8 is stored in the buffer tank 16 through the reformed gas flow control valve 17 through the reformed gas supply system 15 branched from the reformed gas supply system 8. The reformed gas stored in 16 is compressed by the compressor 18 and supplied to the hydrogen purifier 19, and hydrogen is obtained by separation and purification.

このとき、改質器3の炉内温度が制御装置21によって制御される。
すなわち、炉内温度検出器23で検出された炉内温度検出値PVが目標値SVと略等しい状態では、両者の温度偏差ΔTが略零となるが、指令制御演算部にてPI調整制御演算を行ない原燃料制御弁2の開度指令θft,燃焼空気ブロワ4aの流量指令Qt,改質ガス流量制御弁17の開度指令θgtを出力する。
したがって、この状態では、改質器3に供給される原燃料の流量変化はないとともに、改質器3から燃料電池10及びバッファタンク16に供給される改質ガスの流量変化もなく、燃料電池10の燃料極10bから出力される燃料極オフガス及び水素精製装置19から出力される残余ガスの流量変化も生じず、燃料電池10での良好な発電状態が継続される。
At this time, the in-furnace temperature of the reformer 3 is controlled by the control device 21.
That is, in the state where the furnace temperature detection value PV detected by the furnace temperature detector 23 is substantially equal to the target value SV, the temperature deviation ΔT between the two becomes substantially zero. And the opening degree command θft of the raw fuel control valve 2, the flow rate command Qt of the combustion air blower 4a, and the opening degree command θgt of the reformed gas flow rate control valve 17 are output.
Therefore, in this state, there is no change in the flow rate of the raw fuel supplied to the reformer 3, and there is no change in the flow rate of the reformed gas supplied from the reformer 3 to the fuel cell 10 and the buffer tank 16. The fuel cell off gas output from the 10 fuel electrodes 10b and the residual gas output from the hydrogen purifier 19 do not change in flow rate, and a good power generation state in the fuel cell 10 is continued.

この改質器3の温度制御が適正状態から原燃料のガス組成の水素濃度が高くなって、燃料電池10の燃料極10bから排出される燃料極オフガスに含まれる水素量が増加したり、水素精製装置19からの残余ガスに含まれる水素量が増加したり、燃料極オフガス流量や残余ガス流量が増加したりすることにより、改質器3の燃焼バーナー3aでの燃焼温度が上昇することにより、炉内温度が上昇したものとする。この状態となると、PID制御演算部33で算出される温度制御値MVが目標値MVtより大きな値となる。このため、図3の指令値算出マップを参照したときに、燃焼空気流量増加率AIが温度制御値MVの増加に応じて増加することから、制御装置21によって燃焼空気供給用ブロア4aに対する燃焼空気吐出流量指令値が増加して燃焼空気供給用ブロア4aから吐出される燃焼空気流量が増加する。したがって、改質器3の燃焼バーナー3aに供給される燃焼空気量が増加することにより、燃焼バーナー3aの燃焼温度が低下して炉内温度が低下される。   When the temperature control of the reformer 3 is in an appropriate state, the hydrogen concentration of the gas composition of the raw fuel increases, and the amount of hydrogen contained in the fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode 10b of the fuel cell 10 increases, By increasing the amount of hydrogen contained in the residual gas from the purifier 19 or by increasing the fuel electrode off-gas flow rate or the residual gas flow rate, the combustion temperature in the combustion burner 3a of the reformer 3 increases. Assume that the furnace temperature has increased. In this state, the temperature control value MV calculated by the PID control calculation unit 33 becomes larger than the target value MVt. Therefore, when the command value calculation map of FIG. 3 is referred to, the combustion air flow rate increase rate AI increases as the temperature control value MV increases, so that the control device 21 causes the combustion air to be supplied to the combustion air supply blower 4a. The discharge flow rate command value increases and the flow rate of combustion air discharged from the combustion air supply blower 4a increases. Therefore, when the amount of combustion air supplied to the combustion burner 3a of the reformer 3 increases, the combustion temperature of the combustion burner 3a decreases and the furnace temperature decreases.

一方、炉内温度検出器23で検出される炉内温度検出値PVが目標値SVより低くなって、PID制御演算部33で演算される温度制御値MVが目標値MVtより減少する場合には、先ず、図3の特性線L2によって温度制御値MVの低下に応じて原燃料増加率FIが増加される。このため、原燃料流量制御弁2の開度指令値θftが大きくなり、これに応じて改質器3に供給される原燃料の流量が増加されることになる。これに応じて改質器3から出力される改質ガス流量も増加することから、燃料電池10の燃料極10bから排出される燃料極オフガス流量が増加するとともに水素精製装置19から排出される残余ガス流量も増加する。このため、改質器3の燃焼バーナー3aに供給される燃焼ガス流量が増加して、改質器3の炉内温度が上昇される。   On the other hand, when the in-furnace temperature detection value PV detected by the in-furnace temperature detector 23 becomes lower than the target value SV and the temperature control value MV calculated by the PID control calculation unit 33 decreases from the target value MVt. First, the raw fuel increase rate FI is increased according to the decrease in the temperature control value MV by the characteristic line L2 in FIG. For this reason, the opening degree command value θft of the raw fuel flow control valve 2 is increased, and the flow rate of the raw fuel supplied to the reformer 3 is increased accordingly. Accordingly, the flow rate of the reformed gas output from the reformer 3 also increases, so that the flow rate of the fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode 10 b of the fuel cell 10 increases and the remaining gas discharged from the hydrogen purifier 19. The gas flow rate also increases. For this reason, the flow rate of the combustion gas supplied to the combustion burner 3a of the reformer 3 is increased, and the furnace temperature of the reformer 3 is increased.

しかしながら、原燃料増加率FIを上限値FIuまで増加させても改質器3の炉内温度検出値PVの低下傾向が収まらず、温度制御値MVがさらに減少して所定値MV1未満に減少すると、原燃料増加率FIが上限値FIuに一定値に制御される。この状態で、温度制御値MVが所定値MV2未満に低下すると、図3の特性線L3を参照して改質ガス流量制御弁17の開度指令値θgtが徐々に減少制御される。このように、改質ガス流量制御弁17の開度指令値θgtが減少すると、バッファタンク16に供給される改質ガス流量が低下し、このバッファタンク16に供給する改質ガス流量の低下分だけ燃料電池10に供給する改質ガス流量が増加することになり、燃料極10bから排出される燃料極オフガス流量が増加する。このため、改質器3の燃焼バーナー3aに供給される燃焼ガスに含まれる水素量が増加することにより、燃焼温度が高くなって、改質器3の炉内温度が上昇される。このとき、原燃料増加率は上限値FIuに維持されているが、原燃料流量制御弁2を通過する原燃料の流量は増加傾向を継続しているので、原燃料増加制御と改質ガス流量減少制御とが併用されて昇温能力が向上させることができ、改質器3の炉内温度の低下を防止し、炉内温度を確実に上昇傾向に転換して、温度制御値MVを目標値MVtに復帰させることができる。   However, even if the raw fuel increase rate FI is increased to the upper limit value FIu, the decrease in the in-furnace temperature detection value PV of the reformer 3 does not stop, and the temperature control value MV further decreases to decrease below the predetermined value MV1. The raw fuel increase rate FI is controlled to a constant value at the upper limit value FIu. In this state, when the temperature control value MV decreases below the predetermined value MV2, the opening command value θgt of the reformed gas flow control valve 17 is gradually decreased with reference to the characteristic line L3 in FIG. As described above, when the opening command value θgt of the reformed gas flow rate control valve 17 decreases, the reformed gas flow rate supplied to the buffer tank 16 decreases, and the reduced amount of the reformed gas flow rate supplied to the buffer tank 16 decreases. Therefore, the flow rate of the reformed gas supplied to the fuel cell 10 increases, and the flow rate of the fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode 10b increases. For this reason, when the amount of hydrogen contained in the combustion gas supplied to the combustion burner 3a of the reformer 3 is increased, the combustion temperature is increased and the furnace temperature of the reformer 3 is increased. At this time, although the raw fuel increase rate is maintained at the upper limit FIu, the flow rate of the raw fuel passing through the raw fuel flow rate control valve 2 continues to increase, so the raw fuel increase control and the reformed gas flow rate are maintained. Combined with the reduction control, the temperature raising capability can be improved, the temperature inside the furnace of the reformer 3 is prevented from lowering, the temperature inside the furnace is surely changed to an upward trend, and the temperature control value MV is targeted. It can be restored to the value MVt.

なお、上記実施形態においては、温度制御値MVが所定値MV2以上であるときに、改質ガス流量制御弁17の開度を全開状態の100%に設定する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、改質ガス流量制御弁17の開度は使用諸元に応じて任意に決定される所定開度に設定することができる。
また、上記実施形態においては、図3の指令値演算制御マップにおいて、温度制御値MVが所定値MV1未満で且つ所定値MV2以上であるときに、改質ガス流量制御弁17の開度を全開状態に維持する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、温度制御値MVが所定値MV1未満となったときに改質ガス流量制御弁17の開度減少制御を開始するようにしてもよい。
さらに、上記実施形態においては、PID制御演算部33を適用して温度制御値MVを算出する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、改質器3の温度制御応答性を考慮してPI演算部又はPD演算部を適用して温度制御値MVを算出するようにしてもよい。
In the above embodiment, the case where the opening degree of the reformed gas flow control valve 17 is set to 100% of the fully opened state when the temperature control value MV is equal to or greater than the predetermined value MV2 has been described. However, the opening degree of the reformed gas flow rate control valve 17 can be set to a predetermined opening degree that is arbitrarily determined according to the specifications of use.
Further, in the above embodiment, when the temperature control value MV is less than the predetermined value MV1 and equal to or larger than the predetermined value MV2 in the command value calculation control map of FIG. 3, the opening degree of the reformed gas flow control valve 17 is fully opened. Although the case of maintaining the state has been described, the present invention is not limited to this, and the opening degree reduction control of the reformed gas flow rate control valve 17 is started when the temperature control value MV becomes less than the predetermined value MV1. May be.
Furthermore, although the case where the temperature control value MV is calculated by applying the PID control calculation unit 33 has been described in the above embodiment, the present invention is not limited to this, and the temperature control responsiveness of the reformer 3 is considered. Then, the temperature control value MV may be calculated by applying a PI calculation unit or a PD calculation unit.

1…燃料電池発電装置、2…原燃料流量制御弁、3…改質器、3a…燃焼バーナー、3b…改質触媒層、4…燃焼空気供給系、4a…燃焼空気供給用ブロア、6…燃料極オフガス供給系、7…残余ガス供給系、8…改質ガス供給系、10…燃料電池、10a…空気極、10b…燃料極、10c…冷却板、11…反応空気供給系、11a…反応空気ブロア、12…生成水回収装置、15…改質ガス供給系、16…バッファタンク、17…改質ガス流量制御弁、18…圧縮機、19…水素精製装置、21…制御装置、22…原燃料流量計、23…炉内温度検出器、31…炉内温度目標値設定部、32…減算器、33…PID制御演算部、34…指令値演算部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell power generation device, 2 ... Raw fuel flow control valve, 3 ... Reformer, 3a ... Combustion burner, 3b ... Reforming catalyst layer, 4 ... Combustion air supply system, 4a ... Blower for combustion air supply, 6 ... Fuel electrode off-gas supply system, 7 ... Residual gas supply system, 8 ... Reformed gas supply system, 10 ... Fuel cell, 10a ... Air electrode, 10b ... Fuel electrode, 10c ... Cooling plate, 11 ... Reaction air supply system, 11a ... Reaction air blower, 12 ... generated water recovery device, 15 ... reformed gas supply system, 16 ... buffer tank, 17 ... reformed gas flow rate control valve, 18 ... compressor, 19 ... hydrogen purifier, 21 ... control device, 22 ... Raw fuel flow meter, 23 ... Furnace temperature detector, 31 ... Furnace temperature target value setting unit, 32 ... Subtractor, 33 ... PID control computation unit, 34 ... Command value computation unit

Claims (6)

原燃料が供給される改質器と、
該改質器から出力される改質ガスが直接供給される燃料電池と、
前記改質器から出力される改質ガスの一部が分岐されて制御弁を介して供給される水素精製装置と、
前記改質器の炉内温度を検出する炉内温度検出部と、
目標炉内温度と前記炉内温度検出部で検出した炉内温度との偏差に基づいて算出される温度制御設定値に基づいて前記改質器の昇温制御及び降温制御を行う制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記改質器の昇温制御時に、原燃料の増加制御と前記制御弁の開度を減少する開度減少制御とを併用することを特徴とする燃料電池発電装置。
A reformer to which raw fuel is supplied;
A fuel cell to which the reformed gas output from the reformer is directly supplied;
A hydrogen purifier in which part of the reformed gas output from the reformer is branched and supplied via a control valve;
A furnace temperature detector for detecting the furnace temperature of the reformer;
A control device for performing temperature increase control and temperature decrease control of the reformer based on a temperature control set value calculated based on a deviation between the target furnace temperature and the furnace temperature detected by the furnace temperature detector; Prepared,
The said control apparatus uses the increase control of raw fuel, and the opening degree reduction control which decreases the opening degree of the said control valve together at the time of temperature rising control of the said reformer, The fuel cell power generator characterized by the above-mentioned.
前記制御装置は、前記温度制御設定値が目標値を超えたときに前記降温制御を行い、前記温度制御設定値が前記目標値未満となったときに前記昇温制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電装置。   The control device performs the temperature decrease control when the temperature control set value exceeds a target value, and performs the temperature increase control when the temperature control set value becomes less than the target value. The fuel cell power generator according to claim 1. 前記改質器の昇温制御は、前記温度制御設定値が目標値から減少したときに、制御開始し、前記制御弁を所定開度に維持するとともに、前記原燃料の増加制御を行い、前記温度制御設定値が所定値以下となったときに、前記制御弁の開度減少制御を開始することを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池発電装置。   The temperature raising control of the reformer starts when the temperature control set value decreases from a target value, maintains the control valve at a predetermined opening, performs increase control of the raw fuel, and 3. The fuel cell power generator according to claim 1, wherein when the temperature control set value becomes equal to or less than a predetermined value, the opening degree reduction control of the control valve is started. 前記原燃料の増加制御は、前記温度制御設定値が目標値から減少したときに、その減少量に応じて単位時間当たりの原燃料増加量を増加させる制御を行うことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の燃料電池発電装置。   2. The increase control of the raw fuel is performed such that when the temperature control set value decreases from a target value, the increase of the raw fuel per unit time is increased according to the decrease amount. 4. The fuel cell power generator according to any one of items 1 to 3. 前記降温制御は、前記温度制御設定値が目標値から増加したときに、その増加量に応じて前記改質器に対する単位時間当たりの燃焼空気流量を増加させる制御を行うことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の燃料電池発電装置。   The temperature lowering control, when the temperature control set value increases from a target value, performs a control to increase the flow rate of combustion air per unit time to the reformer according to the increase amount. 5. The fuel cell power generator according to any one of 1 to 4. 原燃料が供給される改質器と、該改質器から出力される改質ガスが直接供給される燃料電池と、前記改質器から出力される改質ガスの一部が分岐されて制御弁を介して供給される水素精製装置と、前記改質器の炉内温度を検出する炉内温度検出部と、目標炉内温度と前記炉内温度検出部で検出した炉内温度との偏差に基づいて算出される温度制御設定値に基づいて前記改質器の昇温制御及び降温制御を行う制御装置とを備えた燃料電池発電装置の運転方法であって、
前記改質器の昇温制御は、前記温度制御設定値が目標値未満となったときに、前記制御弁を所定開度に維持した状態で、前記改質器に対する原燃料の増加制御を開始し、前記温度制御設定値が所定値未満となったときに、前記制御弁の開度減少制御を開始することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
A reformer to which raw fuel is supplied, a fuel cell to which reformed gas output from the reformer is directly supplied, and a part of the reformed gas output from the reformer is branched and controlled. A hydrogen purifier supplied via a valve, a furnace temperature detector for detecting the furnace temperature of the reformer, and a deviation between the target furnace temperature and the furnace temperature detected by the furnace temperature detector A control device for performing temperature increase control and temperature decrease control of the reformer based on a temperature control set value calculated based on
In the temperature raising control of the reformer, when the temperature control set value becomes less than the target value, the increase control of the raw fuel to the reformer is started with the control valve maintained at a predetermined opening degree. And when the said temperature control set value becomes less than predetermined value, the opening degree reduction control of the said control valve is started, The operating method of the fuel cell power generator characterized by the above-mentioned.
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