JP2013004467A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system which can improve the efficiency of power generation without causing carbon deposition.SOLUTION: A new fuel flow rate introduced into a fuel reformer 15a is determined according to a request for fuel cell output, and further a discharged fuel circulation rate Ry or a ratio of branching by a first branch valve 25, a discharged fuel circulation rate Rd or a ratio of branching by a second branch valve 26, and O2/C are set on the basis of the determined fuel flow rate so as to heighten the operating efficiency of a fuel cell 11. Meanwhile, control means controls the first branch valve 25 and the second branch valve 26 so that each of the branching ratios will be achieved. Furthermore, the amount of air supplied to the fuel reformer 15a is controlled so that the O2/C will be achieved. As a result, it is possible to run a fuel cell system with high efficiency without causing carbon deposition and without causing insufficiency of the amount of heat required for reforming.

Description

本発明は、炭化水素燃料を改質した改質ガスと空気等の酸化ガスを反応させて発電する燃料電池システムに係り、特に、エネルギー効率を向上させる技術に関する。   The present invention relates to a fuel cell system that generates electricity by reacting a reformed gas obtained by reforming a hydrocarbon fuel and an oxidizing gas such as air, and more particularly to a technique for improving energy efficiency.

燃料電池システムにおいて、燃料極に導入する炭化水素燃料を炭素析出することなく改質するためには、炭化水素燃料の種類によっては、例えば700℃以上の高温で改質する必要がある。このため、改質器に導入する酸素流量を増大させるか、或いは、改質器を加熱するためのバーナ用の燃料を増大させる必要があり、燃料電池システム全体の発電効率が低下するという問題が発生する。   In a fuel cell system, in order to reform the hydrocarbon fuel introduced into the fuel electrode without carbon deposition, it is necessary to reform at a high temperature of, for example, 700 ° C. or higher depending on the type of hydrocarbon fuel. For this reason, it is necessary to increase the flow rate of oxygen introduced into the reformer, or to increase the fuel for the burner for heating the reformer, resulting in a problem that the power generation efficiency of the entire fuel cell system is reduced. appear.

また、従来における燃料電池システムとして、例えば特許文献1に開示されているように、燃料電池のアノード排気ガスに含まれる水蒸気及び未利用の燃料を改質器に循環させることにより、エネルギー効率を向上させるものが知られている。   Further, as a conventional fuel cell system, for example, as disclosed in Patent Document 1, energy efficiency is improved by circulating water vapor and unused fuel contained in the anode exhaust gas of the fuel cell to the reformer. What is to be known is known.

特開平9−115541号公報JP-A-9-115541

上述したように、従来における燃料電池システムでは、炭化水素燃料の種類によっては炭化水素燃料を高温で改質する必要があるので、エネルギー効率が低下するという問題があった。   As described above, the conventional fuel cell system has a problem that energy efficiency is lowered because it is necessary to reform the hydrocarbon fuel at a high temperature depending on the type of the hydrocarbon fuel.

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、エネルギー効率が低下することなく炭化水素燃料を高温で改質することが可能な燃料電池システムを提供することにある。   The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of reforming a hydrocarbon fuel at a high temperature without reducing energy efficiency. To provide a system.

上記目的を達成するため、本発明は、カソード、及びアノードを有する燃料電池と、燃料を改質し、改質ガスを前記アノードに供給する改質手段と、前記アノードより排出される排出燃料のうち、少なくとも一部の排出燃料を第1循環排出燃料として前記改質手段に循環させ、他の排出燃料を第2循環排出燃料として前記改質手段の出口流路に供給する分岐手段と、を有し、前記第2循環排出燃料と、前記改質手段より送出される改質ガスを混合させて、前記アノードに供給することを特徴とする。   In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell having a cathode and an anode, reforming means for reforming fuel and supplying reformed gas to the anode, and fuel discharged from the anode. A branching unit that circulates at least a part of the exhausted fuel as the first circulating exhausted fuel to the reforming unit and supplies the other exhausted fuel as the second circulating exhausted fuel to the outlet passage of the reforming unit, And the second circulating exhaust fuel and the reformed gas sent from the reforming means are mixed and supplied to the anode.

本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池のアノード出口側の流路に分岐手段を設け、分岐手段にてアノードより排出される排出燃料の一部を第1循環排出燃料として改質手段に循環させ、それ以外を第2循環排出燃料として改質手段の出口側流路に供給する。即ち、第2循環排出燃料の分だけ、改質手段に循環する排出燃料流量が削減される。従って、改質に必要な熱量を低減できるので、効率の良い運転が可能となる。   In the fuel cell system according to the present invention, a branching means is provided in the flow path on the anode outlet side of the fuel cell, and a part of the discharged fuel discharged from the anode by the branching means is circulated to the reforming means as the first circulating exhaust fuel. The other is supplied to the outlet side flow path of the reforming means as the second circulating exhaust fuel. That is, the flow rate of the discharged fuel that circulates to the reforming means is reduced by the amount of the second circulating discharged fuel. Therefore, the amount of heat required for reforming can be reduced, and efficient operation is possible.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing operation of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムで参照する、要求出力と新規燃料の供給量との関係を示すマップ図である。It is a map figure which shows the relationship between the request | requirement output and the supply amount of a new fuel referred with the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムで参照する、S/CとO2/C、及び発電効率との関係を示すマップ図である。It is a map figure which shows the relationship between S / C, O2 / C, and power generation efficiency referred with the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムで参照する、「1−Ry」とTabとの関係を示すマップ図である。It is a map figure which shows the relationship between "1-Ry" and Tab which are referred with the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムで参照する、RdとO2/C、及び発電効率との関係を示すマップ図である。It is a map figure which shows the relationship between Rd, O2 / C, and electric power generation efficiency referred with the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing operation of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing operation of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの、第2の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the 2nd structural example of the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの、第3の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the 3rd structural example of the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの、第4の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the 4th structural example of the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention. 本発明の変形例に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing operation of the fuel cell system which concerns on the modification of this invention.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[第1実施形態の説明]
図1は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システム100の構成を示すブロック図である。図1に示すように、該燃料電池システム100は、カソード11a及びアノード11bを備えた燃料電池11と、燃料改質器15aと該燃料改質器15aを加熱する燃焼バーナ15b、及び熱交換器15cを備えた改質装置15と、を備えている。そして、燃料改質器15aより送出される改質ガスは、燃料電池11のアノード11bに供給される。また、カソード11aの排出ガスは燃焼バーナ15bに供給される。
[Description of First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system 100 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 includes a fuel cell 11 including a cathode 11a and an anode 11b, a fuel reformer 15a, a combustion burner 15b for heating the fuel reformer 15a, and a heat exchanger. And a reformer 15 provided with 15c. The reformed gas sent from the fuel reformer 15 a is supplied to the anode 11 b of the fuel cell 11. Further, the exhaust gas from the cathode 11a is supplied to the combustion burner 15b.

更に、燃料電池11のカソード11aに空気を供給する第1空気ブロワ12と、該第1空気ブロワ12より送出される空気を加熱する空気加熱熱交換器13と、第1空気ブロワ12と空気加熱熱交換器13との間に設けられる空気分岐弁23と、アノード11bの出口側に設置され、アノード排出ガスを燃料改質器15aに循環させる循環ブロワ16と、該循環ブロワ16の出口側に設置される第1分岐弁25、及び第2分岐弁26を備えている。   Furthermore, the 1st air blower 12 which supplies air to the cathode 11a of the fuel cell 11, the air heating heat exchanger 13 which heats the air sent out from this 1st air blower 12, and the 1st air blower 12 and air heating An air branch valve 23 provided between the heat exchanger 13 and a circulation blower 16 installed on the outlet side of the anode 11b for circulating the anode exhaust gas to the fuel reformer 15a, and on the outlet side of the circulation blower 16 A first branch valve 25 and a second branch valve 26 are provided.

第1分岐弁25は、後述する制御部31の制御により作動し、循環ブロワ16より送出されるアノード排出ガスのうちの一部を燃焼バーナ15bに供給すると共に、残りのアノード排気ガスを第2分岐弁26側に送出する。このとき、第2分岐弁26側に送出する比率を排出燃料循環率Ryとする。従って、アノード排気ガス全体流量のうち、排出燃料循環率Ryが第2分岐弁26側に送出され、(1−Ry)が燃焼バーナ15b側に送出されることになる。   The first branch valve 25 operates under the control of the control unit 31 to be described later, supplies a part of the anode exhaust gas sent from the circulation blower 16 to the combustion burner 15b, and supplies the remaining anode exhaust gas to the second. It is sent to the branch valve 26 side. At this time, the ratio sent to the second branch valve 26 side is defined as the exhaust fuel circulation rate Ry. Therefore, out of the total anode exhaust gas flow rate, the exhaust fuel circulation rate Ry is sent to the second branch valve 26 side, and (1-Ry) is sent to the combustion burner 15b side.

第2分岐弁26は、やはり制御部31の制御により作動し、第1分岐弁25より送出されるアノード排気ガスのうちの一部(これを、「第2循環排出燃料[m3/sec]」とする)を燃料電池11のアノード11b(燃料改質器15aの出口)に供給し、残りのアノード排気ガス(これを、「第1循環排出燃料[m3/sec]」とする)を燃料改質器15aに循環させる。このとき、第1循環排出燃料の比率を排出燃料循環分率Rdとする。即ち、Rdは次の(1)式で示される。   The second branch valve 26 is also operated by the control of the control unit 31, and a part of the anode exhaust gas sent from the first branch valve 25 (this is referred to as “second circulation exhaust fuel [m 3 / sec]”. Is supplied to the anode 11b of the fuel cell 11 (the outlet of the fuel reformer 15a), and the remaining anode exhaust gas (referred to as “first circulating exhaust fuel [m 3 / sec]”) is fuel-modified. It is made to circulate to the quality device 15a. At this time, the ratio of the first circulating exhaust fuel is defined as an exhaust fuel circulation fraction Rd. That is, Rd is expressed by the following equation (1).

Rd=(第1循環排出燃料)
/{(第1循環排出燃料)+(第2循環排出燃料)} …(1)
更に、この燃料電池システム100は、改質装置15の燃料改質器15aに空気を供給する第2空気ブロワ17と、燃料改質器15aに燃料を供給する第1燃料ポンプ18と、該第1燃料ポンプ18より送出される液体燃料を蒸発させる燃料蒸発器14と、燃焼バーナ15bに空気を供給する第3空気ブロワ20と、該燃焼バーナ15bに燃料を供給する第2燃料ポンプ27と、を備えている。従って、第2空気ブロワ17より送出される空気、燃料蒸発器14で気化された燃料ガス、及び第2分岐弁26を介して送出されるアノード排気ガス(第1循環排出燃料)は、混合ガスとして燃料改質器15aに供給される。
Rd = (first circulating exhaust fuel)
/ {(First circulating exhaust fuel) + (second circulating exhaust fuel)} (1)
Further, the fuel cell system 100 includes a second air blower 17 that supplies air to the fuel reformer 15a of the reformer 15, a first fuel pump 18 that supplies fuel to the fuel reformer 15a, and the first A fuel evaporator 14 that evaporates liquid fuel delivered from one fuel pump 18, a third air blower 20 that supplies air to the combustion burner 15b, a second fuel pump 27 that supplies fuel to the combustion burner 15b, It has. Therefore, the air sent from the second air blower 17, the fuel gas vaporized by the fuel evaporator 14, and the anode exhaust gas (first circulating exhaust fuel) sent through the second branch valve 26 are mixed gas. To the fuel reformer 15a.

また、第1分岐弁25から分岐したアノード排気ガス、及び第2燃料ポンプ27より供給される燃料、及び第3空気ブロワ20より送出される空気が混合されて燃焼バーナ15bに供給される。更に、燃焼バーナ15bより排出される排気ガスは、空気加熱熱交換器13で熱交換され、その後、燃料蒸発器14に供給されて、燃料蒸発用の熱源として用いられる。   Further, the anode exhaust gas branched from the first branch valve 25, the fuel supplied from the second fuel pump 27, and the air sent out from the third air blower 20 are mixed and supplied to the combustion burner 15b. Further, the exhaust gas discharged from the combustion burner 15b is heat-exchanged by the air heating heat exchanger 13, and then supplied to the fuel evaporator 14 to be used as a heat source for fuel evaporation.

また、カソード11aの入口側には、燃料電池11を始動させる際に該燃料電池11を所定の温度まで上昇させるための、起動燃焼バーナ24が設けられている。該起動燃焼バーナ24の入口側には、第3燃料ポンプ21、及び燃料蒸発器22が設けられ、且つ空気分岐弁23の出口に接続されている。そして、起動燃焼バーナ24は、第3燃料ポンプ21より供給され、且つ燃料蒸発器22で気化された燃料を、空気分岐弁23より供給される空気と混合して燃焼させ、この燃焼ガスをカソード11aに供給する。これにより、カソード11aを加熱することができる。   Further, on the inlet side of the cathode 11a, a start combustion burner 24 is provided for raising the fuel cell 11 to a predetermined temperature when starting the fuel cell 11. A third fuel pump 21 and a fuel evaporator 22 are provided on the inlet side of the starting combustion burner 24 and are connected to the outlet of the air branch valve 23. The startup combustion burner 24 mixes the fuel supplied from the third fuel pump 21 and vaporized by the fuel evaporator 22 with the air supplied from the air branch valve 23 and burns it. 11a. Thereby, the cathode 11a can be heated.

燃料電池11は、例えば、固体酸化物型燃料電池(SOFC;Solid Oxide Fuel Cell)であり、アノード11bに供給される改質ガスと、カソード11aに供給される空気を反応させて電力を発生させ、モータ等の電力需要設備に供給する。また、アノード11bには、燃料改質器15aより送出される改質ガスと、第2循環排出燃料(第2分岐弁26から分岐した循環排出燃料)とが供給される。   The fuel cell 11 is, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC), which generates electric power by reacting a reformed gas supplied to the anode 11b and air supplied to the cathode 11a. Supplied to power demand facilities such as motors. Further, the reformed gas sent from the fuel reformer 15a and the second circulation exhaust fuel (circulation exhaust fuel branched from the second branch valve 26) are supplied to the anode 11b.

改質装置15は、例えば熱交換器型改質器であり、燃焼バーナ15bより供給される熱により加熱される。即ち、燃料改質器15aでの改質反応は、基本的に吸熱反応となるように運転するので、アノード排出ガスを燃焼させ、この燃焼により発生した熱を燃料改質器15aに伝熱させる機構を有している。そして、燃料改質器15aの動作温度に対して燃焼バーナ15bにて生成されるガス温度は高くなるように運転する。また、第1燃料ポンプ18より供給される燃料と第2空気ブロワ17より送出される空気とアノード排気ガスとの混合ガスとを、触媒反応を用いて改質し、改質後の燃料(水素ガスを含む改質ガス)を燃料電池11のアノード11bに供給する。   The reformer 15 is a heat exchanger type reformer, for example, and is heated by the heat supplied from the combustion burner 15b. That is, since the reforming reaction in the fuel reformer 15a is basically operated so as to be an endothermic reaction, the anode exhaust gas is combusted and the heat generated by this combustion is transferred to the fuel reformer 15a. It has a mechanism. And it operates so that the gas temperature produced | generated in the combustion burner 15b may become high with respect to the operating temperature of the fuel reformer 15a. Further, the fuel supplied from the first fuel pump 18, the mixed gas of the air sent from the second air blower 17 and the anode exhaust gas is reformed using a catalytic reaction, and the reformed fuel (hydrogen) A reformed gas containing gas) is supplied to the anode 11 b of the fuel cell 11.

更に、この燃料電池システム100は、制御部(制御手段)31と、各種のデータを記憶する記憶部32と、アノード排気ガスの流路に設けられてアノード排気ガス中に含まれる水蒸気量を検出する水蒸気流量センサN1と、燃焼バーナ15bの燃焼温度を検出する燃焼バーナ温度センサT1と、燃料改質器15aの改質温度Trfを検出する改質温度センサT2と、第2燃料ポンプ27より送出される燃料の温度を検出する燃料温度センサT3と、第2空気ブロワ17より送出される空気の温度を検出する空気温度センサT4と、を備えている。そして、各センサN1,T1,T2,T3,T4の検出信号は、制御部31に出力される。   Further, the fuel cell system 100 is provided with a control unit (control means) 31, a storage unit 32 for storing various data, and an anode exhaust gas flow path to detect the amount of water vapor contained in the anode exhaust gas. A steam flow rate sensor N1 for performing combustion, a combustion burner temperature sensor T1 for detecting the combustion temperature of the combustion burner 15b, a reforming temperature sensor T2 for detecting the reforming temperature Trf of the fuel reformer 15a, and a second fuel pump 27. A fuel temperature sensor T3 for detecting the temperature of the fuel to be discharged, and an air temperature sensor T4 for detecting the temperature of the air sent from the second air blower 17. The detection signals of the sensors N1, T1, T2, T3, and T4 are output to the control unit 31.

制御部31は、例えば、CPU、RAM、ROM、及び各種の操作子等からなるマイコンにより構成することが可能であり、第1空気ブロワ12、第2空気ブロワ17、第3空気ブロワ20、第1燃料ポンプ18、第3燃料ポンプ21の各機器に接続され(接続用の配線は図示を省略している)、これらの各機器に制御信号を出力して、燃料電池システム100を総括的に制御する。特に、本実施形態において該制御部31は、水蒸気流量センサN1、燃焼バーナ温度センサT1、改質温度センサT2により検出される各検出信号に基づき、後述する処理手順により、第1分岐弁25、及び第2分岐弁26の開度を調整し、更に、第2空気ブロワ17より送出する空気量を制御する。   The control unit 31 can be configured by, for example, a microcomputer including a CPU, a RAM, a ROM, various operators, and the like. The first air blower 12, the second air blower 17, the third air blower 20, the first 1 is connected to each device of the fuel pump 18 and the third fuel pump 21 (connection wiring is not shown), and a control signal is output to each of these devices, so that the fuel cell system 100 is generally Control. In particular, in the present embodiment, the control unit 31 performs the first branch valve 25 according to the processing procedure described later based on the detection signals detected by the steam flow rate sensor N1, the combustion burner temperature sensor T1, and the reforming temperature sensor T2. And the opening degree of the 2nd branch valve 26 is adjusted, and also the air quantity sent out from the 2nd air blower 17 is controlled.

記憶部32は、制御部31の演算処理に使用する各マップを記憶する。例えば、図3〜図6に示すマップを記憶する。図3は、燃料電池11の要求出力と新規燃料の流量との関係を示すマップ(第1マップ)であり、図4は、S/C及びO2/Cと燃料電池11の効率との関係を示すマップ(第2マップ)である。ここで、「S/C」は水蒸気(スチーム)と炭素(カーボン)との比率であり、具体的には、(第1循環排出燃料中の水蒸気流量[mol/sec])/(燃料改質器に導入する炭素流量[mol/sec])で示される。また、「O2/C」は酸素と炭素との比率であり、(燃料改質器に導入する酸素流量[mol/sec])/(燃料改質器に導入する炭素流量[mol/sec])で示される。   The storage unit 32 stores each map used for the arithmetic processing of the control unit 31. For example, the maps shown in FIGS. 3 to 6 are stored. FIG. 3 is a map (first map) showing the relationship between the required output of the fuel cell 11 and the flow rate of the new fuel. FIG. 4 shows the relationship between the S / C and O 2 / C and the efficiency of the fuel cell 11. It is a map (2nd map) shown. Here, “S / C” is a ratio of steam (steam) and carbon (carbon). Specifically, (Steam flow rate in the first circulation exhaust fuel [mol / sec]) / (fuel reforming) The flow rate of carbon introduced into the vessel [mol / sec]). "O2 / C" is the ratio of oxygen to carbon, (oxygen flow rate introduced into the fuel reformer [mol / sec]) / (carbon flow rate introduced into the fuel reformer [mol / sec]) Indicated by

また、図5は、「1−Ry」と燃焼バーナガス温度Tabとの関係を示すマップ(第3マップ)であり、燃焼バーナ15bに新規に導入する燃料、即ち、第2燃料ポンプ27より供給される燃料Bfが増えると燃焼バーナガス温度Tabが増大し、新規に導入する空気、即ち、第3空気ブロワ20より供給される空気Baが増えると燃焼バーナガス温度Tabが減少するように変化する。   FIG. 5 is a map (third map) showing the relationship between “1-Ry” and the combustion burner gas temperature Tab, which is supplied from the fuel newly introduced into the combustion burner 15 b, that is, from the second fuel pump 27. When the fuel Bf increases, the combustion burner gas temperature Tab increases, and when the newly introduced air, that is, the air Ba supplied from the third air blower 20, increases, the combustion burner gas temperature Tab changes.

図6は、排出燃料循環分率Rd及びO2/Cと燃料電池11の効率との関係を示すマップ(第4マップ)である。なお、Rdは前述した(1)式で示される。   FIG. 6 is a map (fourth map) showing the relationship between the exhaust fuel circulation fraction Rd and O 2 / C and the efficiency of the fuel cell 11. Rd is expressed by the above-described equation (1).

次に、上述のように構成された本実施形態に係る燃料電池システム100の作用について説明する。本実施形態では、後述する手法により、S/C、O2/C、Rdを設定することにより、改質装置15が炭素析出することなく、改質要求熱流が不足することなく、且つ、燃料電池11を高い効率で運転させるようにする。以下、図2に示すフローチャートを参照して、S/C、O2/C、Rdを設定する手順について説明する。   Next, the operation of the fuel cell system 100 according to the present embodiment configured as described above will be described. In this embodiment, by setting S / C, O 2 / C, and Rd by a method described later, the reformer 15 does not deposit carbon, the reforming required heat flow does not run short, and the fuel cell 11 is operated with high efficiency. The procedure for setting S / C, O 2 / C, and Rd will be described below with reference to the flowchart shown in FIG.

ステップS11において、要求出力が与えられると、ステップS12において、制御部31は、図3に示す第1マップに基づき、要求出力に対応する新規燃料の流量を決定する。即ち、第1燃料ポンプ18より燃料改質器15aに供給する燃料流量を決定する。   When the required output is given in step S11, in step S12, the control unit 31 determines the flow rate of new fuel corresponding to the required output based on the first map shown in FIG. That is, the flow rate of fuel supplied from the first fuel pump 18 to the fuel reformer 15a is determined.

ステップS13において、制御部31は、水蒸気流量センサN1により、排出燃料循環中の水蒸気流量を検出する。   In step S13, the control unit 31 detects the water vapor flow rate during the exhaust fuel circulation by the water vapor flow rate sensor N1.

ステップS14において、制御部31は、燃焼バーナ温度センサT1で検出される燃焼バーナガス温度Tab、及び改質温度センサT2で検出される改質温度Trfを取得し、更に、燃料温度センサT3で検出される新規燃料の温度(第2燃料ポンプ27より出力される燃料の温度)、及び空気温度センサT4で検出される空気温度(第2空気ブロワ17より出力される空気の温度)を取得する。   In step S14, the control unit 31 acquires the combustion burner gas temperature Tab detected by the combustion burner temperature sensor T1 and the reforming temperature Trf detected by the reforming temperature sensor T2, and further detected by the fuel temperature sensor T3. The temperature of the new fuel (the temperature of the fuel output from the second fuel pump 27) and the air temperature detected by the air temperature sensor T4 (the temperature of the air output from the second air blower 17) are acquired.

ステップS15において、制御部31は、下記の手順で、Ry、O2/C、Rdを決定する。まず、燃焼バーナ15bに供給する新規燃料、即ち、第2燃料ポンプ27より供給する燃料流量Bf、または、新規空気、即ち、第3空気ブロワ20より供給する空気流量Baを調整することにより、燃焼バーナガス温度Tabが所望する温度となるように制御する。この制御は、図5に示す第3マップを参照して制御することができる。   In step S15, the control unit 31 determines Ry, O 2 / C, and Rd according to the following procedure. First, combustion is performed by adjusting the new fuel supplied to the combustion burner 15b, that is, the fuel flow rate Bf supplied from the second fuel pump 27, or the new air, that is, the air flow rate Ba supplied from the third air blower 20. The burner gas temperature Tab is controlled to be a desired temperature. This control can be controlled with reference to the third map shown in FIG.

次に、上記の処理で決定した燃焼バーナガス温度Tabと、ステップS14の処理で検出した改質温度Trfを一定としたときの、S/CとO2/Cとの関係を示すマップ、即ち、図4に示した第2マップを参照して、炭素析出せず、改質要求熱流が不足せず、且つ効率が高くなるS/Cを設定する。図4に示す第2マップは、予め燃焼バーナガス温度Tabと改質温度Trfとの組み合わせに対して複数設定されており、前述したように、図1に示す記憶部32に記憶されている。そして、制御部31は、TabとTrfとの組み合わせが決定した場合には、これに対応する第2マップを記憶部32より読み出して、上記のS/Cを設定する処理を実行する。   Next, a map showing the relationship between S / C and O 2 / C when the combustion burner gas temperature Tab determined in the above process and the reforming temperature Trf detected in the process of step S14 are constant, ie, FIG. Referring to the second map shown in FIG. 4, the S / C is set so that the carbon does not precipitate, the reforming required heat flow is not insufficient, and the efficiency becomes high. A plurality of second maps shown in FIG. 4 are set in advance for combinations of the combustion burner gas temperature Tab and the reforming temperature Trf, and are stored in the storage unit 32 shown in FIG. 1 as described above. And when the combination of Tab and Trf is determined, the control part 31 reads the 2nd map corresponding to this from the memory | storage part 32, and performs the process which sets said S / C.

その後、S/Cを一定とした場合の排出燃料循環分率RdとO2/Cとの関係を示すマップ、即ち、図6に示した第4マップを参照して、炭素析出せず、改質要求熱流が不足せず、且つ効率が高くなるRd、及びO2/Cを設定する。図6に示すマップは、予め燃焼バーナガス温度Tabと改質温度Trfとの組み合わせ、及びS/Cの数値に対して複数設定されており、前述した記憶部32に記憶されている。制御部31は、燃焼バーナガス温度Tabと改質温度Trfとの組み合わせに加えて、S/Cが決定した場合には、これに対応する第4マップを記憶部32より読み出して、上記のRd及びO2/Cを設定する処理を実行する。   Thereafter, with reference to the map showing the relationship between the exhaust fuel circulation ratio Rd and O2 / C when S / C is constant, that is, the fourth map shown in FIG. Rd and O 2 / C are set so that the required heat flow does not become insufficient and the efficiency becomes high. A plurality of maps shown in FIG. 6 are set in advance for the combination of the combustion burner gas temperature Tab and the reforming temperature Trf and the numerical value of S / C, and are stored in the storage unit 32 described above. When the S / C is determined in addition to the combination of the combustion burner gas temperature Tab and the reforming temperature Trf, the control unit 31 reads the fourth map corresponding to this from the storage unit 32, and the above Rd and A process of setting O 2 / C is executed.

そして、ステップS16において、制御部31は、燃料電池11の運転を実行する。   In step S <b> 16, the control unit 31 executes the operation of the fuel cell 11.

こうして、炭素析出せず、改質要求熱流が不足せず、且つ効率が高くなるO2/C、S/C、及び排出燃料循環分率Rdを設定することができる。また、排出燃料循環中の水蒸気量(アノード排気ガスに含まれる水蒸気量)は、ステップS12の処理で取得されているので、燃料改質器15aに供給される燃料流量に基づいて、排出燃料循環率Ryを調整することにより、所望するS/Cを得ることができる。即ち、排出燃料循環率Ryが決定する。   In this way, it is possible to set the O2 / C, S / C, and the exhaust fuel circulation fraction Rd that do not cause carbon deposition, do not have the required reforming heat flow, and increase the efficiency. Further, since the amount of water vapor in the exhaust fuel circulation (the amount of water vapor contained in the anode exhaust gas) has been acquired in the process of step S12, the exhaust fuel circulation is based on the fuel flow rate supplied to the fuel reformer 15a. By adjusting the rate Ry, a desired S / C can be obtained. That is, the exhaust fuel circulation rate Ry is determined.

そして、制御部31は、この排出燃料循環率Ryとなるように、第1分岐弁25の開度を調整し、上記の排出燃料循環分率Rdとなるように、第2分岐弁26の開度を調整し、更に、上記のO2/Cとなるように、第2空気ブロワ17による空気の供給量を設定することにより、燃料電池11を高い効率で運転することが可能となる。具体的には、図6に示す第4マップで示される最も高い効率である55%の効率で燃料電池11を運転することが可能となる。   Then, the control unit 31 adjusts the opening degree of the first branch valve 25 so as to achieve this exhaust fuel circulation rate Ry, and opens the second branch valve 26 so as to achieve the above-described exhaust fuel circulation fraction Rd. The fuel cell 11 can be operated with high efficiency by adjusting the degree and further setting the air supply amount by the second air blower 17 so as to be the above-mentioned O2 / C. Specifically, the fuel cell 11 can be operated at an efficiency of 55%, which is the highest efficiency shown in the fourth map shown in FIG.

このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム100では、第2分岐弁26を設けることにより、循環するアノード排気ガスの一部(第2循環排出燃料)を燃料改質器15aの出口側に供給するようにしている。そして、燃料電池11の要求出力が決定すると、この要求出力に応じて新規燃料流量(第1燃料ポンプ18より送出される燃料流量)が決定され、更に、図3〜図6に示したマップに基づいて、炭素析出せず、改質要求熱量が不足することがなく、且つ、最も効率が高くなる運転条件を設定することができる。具体的には、S/C、Rd、及びO2/Cの数値を決定することができる。従って、効率の高い状態でシステム全体を運転することができ、少ない燃料でより多くの発電出力を得ることができる。   Thus, in the fuel cell system 100 according to the present embodiment, by providing the second branch valve 26, a part of the circulated anode exhaust gas (second circulated exhaust fuel) is discharged from the fuel reformer 15a. To supply. When the required output of the fuel cell 11 is determined, a new fuel flow rate (the fuel flow rate sent from the first fuel pump 18) is determined according to the required output, and the maps shown in FIGS. Based on this, it is possible to set an operating condition in which carbon is not deposited, the required heat quantity for reforming is not short, and the efficiency is highest. Specifically, the numerical values of S / C, Rd, and O2 / C can be determined. Therefore, the entire system can be operated with high efficiency, and more power generation output can be obtained with less fuel.

また、第2分岐弁26を備えることにより、第1循環排出燃料と第2循環排出燃料の分流比を変化させることができるので、車両に搭載する燃料電池のように、要求出力が変化する場合においても、この変化に対応して最適な効率に設定することが可能となる。   Further, by providing the second branch valve 26, the diversion ratio between the first circulating exhaust fuel and the second circulating exhaust fuel can be changed, so that the required output changes as in a fuel cell mounted on a vehicle. In this case, it is possible to set the optimum efficiency corresponding to this change.

なお、図3〜図6に示した各マップは一例を示したものであり、本実施形態はこれらのマップに限定されるものではない。   Each of the maps shown in FIGS. 3 to 6 shows an example, and the present embodiment is not limited to these maps.

[第2実施形態の説明]
次に、本発明の第2実施形態について説明する。第2実施形態に係る燃料電池システムは、前述した第1実施形態と装置構成は同一であり、運転条件を算出する手法が相違する。即ち、第1実施形態では図3〜図6に示した各マップを参照して運転条件を設定したが、第2実施形態では、以下に示すように、演算式により運転条件を設定する。以下、図7,図8に示すフローチャートを参照して、第2実施形態に係る燃料電池システムの作用について詳細に説明する。
[Description of Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The fuel cell system according to the second embodiment has the same apparatus configuration as that of the first embodiment described above, but differs in the method for calculating the operating conditions. That is, in the first embodiment, the operating conditions are set with reference to the maps shown in FIGS. 3 to 6, but in the second embodiment, the operating conditions are set by an arithmetic expression as shown below. Hereinafter, the operation of the fuel cell system according to the second embodiment will be described in detail with reference to the flowcharts shown in FIGS.

図7は、第2実施形態に係る燃料電池システムの、概略的な動作を示すフローチャートであり、図8は、図7に示すステップS35の詳細な動作を示すフローチャートである。   FIG. 7 is a flowchart showing a schematic operation of the fuel cell system according to the second embodiment, and FIG. 8 is a flowchart showing a detailed operation of step S35 shown in FIG.

初めに、図7のステップS31において、要求出力が与えられると、ステップS32において、制御部31は、図2に示す第1マップに基づき、要求出力に対応する新規燃料の流量を決定する。即ち、第1燃料ポンプ18より燃料改質器15aに供給する燃料流量を決定する。   First, when the required output is given in step S31 of FIG. 7, in step S32, the control unit 31 determines the flow rate of the new fuel corresponding to the required output based on the first map shown in FIG. That is, the flow rate of fuel supplied from the first fuel pump 18 to the fuel reformer 15a is determined.

ステップS33において、制御部31は、水蒸気流量センサN1により、燃料循環中の水蒸気流量を検出する。   In step S33, the control unit 31 detects the water vapor flow rate during fuel circulation by the water vapor flow rate sensor N1.

ステップS34において、制御部31は、燃焼バーナ温度センサT1で検出される燃焼バーナガス温度Tab、及び改質温度センサT2で検出される改質温度Trfを取得し、更に、燃料温度センサT3で検出される新規燃料の温度(第2燃料ポンプ27より出力される燃料の温度)、及び空気温度センサT4で検出される空気温度(第2空気ブロワ17より出力される空気の温度)を取得する。   In step S34, the control unit 31 acquires the combustion burner gas temperature Tab detected by the combustion burner temperature sensor T1 and the reforming temperature Trf detected by the reforming temperature sensor T2, and further detected by the fuel temperature sensor T3. The temperature of the new fuel (the temperature of the fuel output from the second fuel pump 27) and the air temperature detected by the air temperature sensor T4 (the temperature of the air output from the second air blower 17) are acquired.

ステップS35において、制御部31は、図8に示す処理により、排出燃料循環流量、第1循環排出燃料、燃料改質器15aに供給する新規空気量、燃焼バーナ15bのカソードからの排気空気量、燃焼バーナ15bに供給する新規燃料量、及び空気量を決定する。その後、ステップS36において、制御部31は、燃料電池11の運転を実行する。   In step S35, the control unit 31 performs the processing shown in FIG. 8 so that the exhaust fuel circulation flow rate, the first circulation exhaust fuel, the new air amount supplied to the fuel reformer 15a, the exhaust air amount from the cathode of the combustion burner 15b, A new fuel amount and an air amount to be supplied to the combustion burner 15b are determined. Thereafter, in step S36, the control unit 31 executes the operation of the fuel cell 11.

次に、図8に示すフローチャートを参照して、各運転条件を決定する手順について説明する。   Next, the procedure for determining each operating condition will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

初めに、ステップS51において、改質温度Trf=xに設定する。次いで、ステップS52において、排出燃料循環率Ry=yに設定する。ステップS53において、排出燃料循環分率Rd=zに設定する。ステップS54において、炭素流量に対する酸素流量の比率であるO2/C=fに設定する。   First, in step S51, the reforming temperature Trf = x is set. Next, in step S52, the exhaust fuel circulation rate Ry = y is set. In step S53, the exhaust fuel circulation fraction Rd = z is set. In step S54, the ratio of oxygen flow rate to carbon flow rate is set to O2 / C = f.

その後、ステップS55において、燃料改質に必要な要求熱量に対して、燃焼バーナ15bからの熱流の供給は可能であるか否かを判断する。この処理では、検出した改質温度Trfの条件において、排出燃料循環率Ry、排出燃料循環分率Rd、O2/Cを所定の数値に仮決めし、改質に必要な要求熱流に対して、燃焼バーナからの熱流の供給は可能であるか否かを判断する。   Thereafter, in step S55, it is determined whether or not the heat flow from the combustion burner 15b can be supplied with respect to the required heat amount necessary for fuel reforming. In this process, the exhaust fuel circulation rate Ry, the exhaust fuel circulation fraction Rd, and O2 / C are provisionally determined to predetermined values under the condition of the detected reforming temperature Trf, and with respect to the required heat flow required for reforming, It is determined whether or not a heat flow can be supplied from the combustion burner.

そして、熱流の供給が可能でない場合には(ステップS55でNO)、ステップS65において、燃焼バーナ15bに導入される燃料による燃焼熱は、十分な熱量であるか否かを判断する。即ち、第2燃料ポンプ27より供給される燃料、及び第1分岐弁25より分岐して燃焼バーナ15bに供給される排出燃料による燃焼熱が十分な熱量であるか否かを判断する。   If the supply of heat flow is not possible (NO in step S55), it is determined in step S65 whether the combustion heat from the fuel introduced into the combustion burner 15b is a sufficient amount of heat. That is, it is determined whether or not the combustion heat from the fuel supplied from the second fuel pump 27 and the exhaust fuel branched from the first branch valve 25 and supplied to the combustion burner 15b has a sufficient amount of heat.

その結果、十分であると判断された場合には(ステップS65でYES)、ステップS66において、燃焼バーナ15bに供給する新規空気流量Ba、及びカソード11aから燃焼バーナ15bに導入される空気流量Eaを減少させて、燃焼バーナ15bのガス温度を高温化することにより、改質要求熱流を満足できるか否かを判定する。   As a result, when it is determined that it is sufficient (YES in step S65), in step S66, the new air flow rate Ba supplied to the combustion burner 15b and the air flow rate Ea introduced from the cathode 11a to the combustion burner 15b are set. Decreasing the temperature of the combustion burner 15b to increase the temperature of the combustion burner 15b makes it possible to determine whether or not the required reforming heat flow can be satisfied.

そして、満足できる場合には(ステップS65でYES)、ステップS68において、改質要求熱流を満足できるようにBa、Eaを決定する。   If it can be satisfied (YES in step S65), Ba and Ea are determined in step S68 so that the reforming required heat flow can be satisfied.

一方、燃焼熱が十分でない場合(ステップS65でNO)、及びEa、Baを減少させることにより改質要求熱流を満足させられない場合には(ステップS66でNO)、ステップS67において、改質要求熱量を満足するBf、Ba、Eaを決定する。つまり、改質要求熱量を満足させられない場合には、第2燃料ポンプ27より新規の燃料を燃焼バーナ15bに供給することにより、改質要求熱量を満足するように発熱量を増大させる。   On the other hand, if the combustion heat is not sufficient (NO in step S65), and if the reforming required heat flow cannot be satisfied by reducing Ea and Ba (NO in step S66), in step S67, the reforming request is made. Bf, Ba, and Ea that satisfy the heat quantity are determined. In other words, when the required reforming heat quantity cannot be satisfied, a new fuel is supplied from the second fuel pump 27 to the combustion burner 15b to increase the heat generation amount so as to satisfy the required reforming heat quantity.

ステップS67,S68の処理が終了した場合、及びステップS55の処理でYESと判定された場合には、ステップS56に処理を進める。   If the processes in steps S67 and S68 are completed, and if YES is determined in the process in step S55, the process proceeds to step S56.

ステップS56において、燃料改質器15aで燃料を改質する上で炭素析出する可能性が無いか否かを判断する。この処理では、改質温度、排出燃料循環率、排出燃料循環分率、O2/Cに基づいて、周知の演算式を用いて燃料改質器15aにて炭素析出するか否かを判断する。そして、炭素析出する可能性が無いと判断された場合には(ステップS56でYES)、ステップS57において、燃料電池システム全体の発電効率を算出する。発電効率は、周知の演算式を用いて算出することができる。   In step S56, it is determined whether or not there is a possibility of carbon deposition when the fuel is reformed by the fuel reformer 15a. In this process, based on the reforming temperature, the exhaust fuel circulation rate, the exhaust fuel circulation fraction, and O 2 / C, it is determined whether or not carbon is deposited in the fuel reformer 15 a using a well-known arithmetic expression. If it is determined that there is no possibility of carbon deposition (YES in step S56), the power generation efficiency of the entire fuel cell system is calculated in step S57. The power generation efficiency can be calculated using a known arithmetic expression.

ステップS58において、算出された発電効率は、最大値であるか否かを判定する。そして、最大値である場合には(ステップS58でYES)、ステップS59において、各データをメモリ(図示省略)に記憶する。具体的には、改質温度TrfをMTrfとして記憶し、排出燃料循環率RyをMRyとして記憶し、排出燃料循環分率RdをMRdとして記憶し、O2/CをMO2/Cとして記憶し、新規燃料流量BfをMBfとして記憶し、新規空気流量BaをMBaとして記憶し、空気流量EaをMEaとして記憶する。なお、上記の「M」はメモリされている数値を示している。   In step S58, it is determined whether or not the calculated power generation efficiency is a maximum value. If it is the maximum value (YES in step S58), each data is stored in a memory (not shown) in step S59. Specifically, the reforming temperature Trf is stored as MTrf, the exhaust fuel circulation rate Ry is stored as MRy, the exhaust fuel circulation rate Rd is stored as MRd, and O2 / C is stored as MO2 / C. The fuel flow rate Bf is stored as MBf, the new air flow rate Ba is stored as MBa, and the air flow rate Ea is stored as MEa. The above “M” indicates a stored numerical value.

ステップS60において、O2/Cが1以下であるか否かを判断し、1以下である場合には(ステップS60でYES)、ステップS69において、f=f+Δfとし、ステップS54に処理を戻す。即ち、O2/Cの数値fを微小な数値Δfだけ増加させて、ステップS54からの処理を繰り返す。   In step S60, it is determined whether O2 / C is 1 or less. If it is 1 or less (YES in step S60), f = f + Δf is set in step S69, and the process returns to step S54. That is, the O2 / C numerical value f is increased by a minute numerical value Δf, and the processing from step S54 is repeated.

ステップS61において、排出燃料循環分率Rdが1以下であるか否かを判断し、1以下である場合には(ステップS61でYES)、ステップS70において、z=z+Δzとし、ステップS53に処理を戻す。即ち、Rdの数値zを微小な数値Δzだけ増加させて、ステップS53からの処理を繰り返す。   In step S61, it is determined whether or not the exhaust fuel circulation ratio Rd is 1 or less. If it is 1 or less (YES in step S61), z is set to z + Δz in step S70, and the process is performed in step S53. return. That is, the numerical value z of Rd is increased by a minute numerical value Δz, and the processing from step S53 is repeated.

ステップS62において、排出燃料循環率Ryが1以下であるか否かを判断し、1以下である場合には(ステップS62でYES)、ステップS71において、y=y+Δyとし、ステップS52に処理を戻す。即ち、Ryの数値yを微小な数値Δyだけ増加させて、ステップS52からの処理を繰り返す。   In step S62, it is determined whether or not the exhaust fuel circulation rate Ry is 1 or less. If it is 1 or less (YES in step S62), y is set to y + Δy in step S71, and the process returns to step S52. . That is, the numerical value y of Ry is increased by a minute numerical value Δy, and the processing from step S52 is repeated.

ステップS63において、改質温度Trfが最大値Trfmax以下であるか否かを判断し、最大値Trfmax以下である場合には(ステップS63でYES)、ステップS72において、x=x+Δxとし、ステップS51に処理を戻す。即ち、Trfの数値xを微小な数値Δxだけ増加させて、ステップS51からの処理を繰り返す。   In step S63, it is determined whether or not the reforming temperature Trf is equal to or lower than the maximum value Trfmax. If the reforming temperature Trf is equal to or lower than the maximum value Trfmax (YES in step S63), x = x + Δx is set in step S72, and the process proceeds to step S51. Return processing. That is, the numerical value x of Trf is increased by a minute numerical value Δx, and the processing from step S51 is repeated.

そして、ステップS60〜63の処理でNOと判定された場合には、ステップS64において、運転条件を、MTrf、MRy、MRd、MO2/C、MBf、MBa、MEaに決定する。即ち、メモリに記憶されるデータは、最終的には最も発電効率の高い場合の条件となる数値が記憶されることになるので、この条件を運転条件として設定することにより、最も発電効率の高い条件で燃料電池システム100を運転することが可能となる。   If NO is determined in steps S60 to S63, the operating conditions are determined to be MTrf, MRy, MRd, MO2 / C, MBf, MBa, and MEa in step S64. That is, the data stored in the memory will eventually store the numerical values that are the conditions for the highest power generation efficiency. By setting these conditions as operating conditions, the power generation efficiency is the highest. The fuel cell system 100 can be operated under conditions.

また、要求負荷の低負荷から高負荷への変動等により、直前の改質温度より高い温度で燃料を改質した方が効率が高くなる場合には、改質に必要な熱に加えて、改質器自体の温度上昇をさせる必要があるので、この温度上昇分についても改質要求熱流として考慮に入れることとする。   In addition, in the case where the efficiency is higher when reforming the fuel at a temperature higher than the immediately preceding reforming temperature due to a change in the required load from a low load to a high load, in addition to the heat necessary for reforming, Since it is necessary to raise the temperature of the reformer itself, this temperature rise is also taken into account as the heat flow required for reforming.

詳細には、改質温度をより高い温度まで変化させる場合には、一定同温度で改質させる場合に比べて、改質に必要な要求熱流は改質器の熱容量と直前の改質温度と目標改質温度の差分の積を要求熱流に加える。このことにより、車載用燃料電池システムの負荷追従性を高めることができる。   Specifically, when the reforming temperature is changed to a higher temperature, the required heat flow required for reforming is equal to the heat capacity of the reformer and the immediately preceding reforming temperature, compared to reforming at a constant temperature. The product of the target reforming temperature differences is added to the required heat flow. As a result, the load followability of the in-vehicle fuel cell system can be improved.

このようにして、第2実施形態に係る燃料電池システム100では、前述した第1実施形態と同様に、第2分岐弁26を設けることにより、循環するアノード排気ガスの一部(第2循環排出燃料)を燃料改質器15aの出口側に供給するようにしている。そして、燃料電池11の要求出力が決定すると、この要求出力に応じて新規燃料流量(第1燃料ポンプ18より送出される燃料流量)が決定され、更に、演算により、炭素析出せず、改質要求熱量が不足することがなく、且つ、最も効率が高くなる運転条件を設定することができる。   Thus, in the fuel cell system 100 according to the second embodiment, as in the first embodiment described above, by providing the second branch valve 26, a part of the circulated anode exhaust gas (second circulation exhaust) The fuel is supplied to the outlet side of the fuel reformer 15a. Then, when the required output of the fuel cell 11 is determined, a new fuel flow rate (the fuel flow rate sent from the first fuel pump 18) is determined according to this required output, and further, the carbon is not precipitated by the calculation and reforming is performed. It is possible to set an operating condition in which the required heat quantity is not insufficient and the efficiency is highest.

即ち、改質温度Trf、排出燃料循環率Ry、排出燃料循環分率Rd、及びO2/Cを適宜変更しながら、発電効率が最も高くなる条件を演算により求め、この条件となるように、燃料電池システム100を運転するので、炭素析出することなく、且つ高い効率で燃料電池システム100を運転することができる。   That is, while appropriately changing the reforming temperature Trf, the exhausted fuel circulation rate Ry, the exhausted fuel circulation rate Rd, and O 2 / C, a condition for obtaining the highest power generation efficiency is obtained by calculation. Since the battery system 100 is operated, the fuel cell system 100 can be operated with high efficiency without carbon deposition.

また、第2分岐弁26を備えることにより、第1循環排出燃料と第2循環排出燃料の分流比を変化させることができるので、車両に搭載する燃料電池のように、要求出力が変化する場合においても、この変化に対応して最適な効率に設定することが可能となる。   Further, by providing the second branch valve 26, the diversion ratio between the first circulating exhaust fuel and the second circulating exhaust fuel can be changed, so that the required output changes as in a fuel cell mounted on a vehicle. In this case, it is possible to set the optimum efficiency corresponding to this change.

また、導入する燃料が高級炭素含有燃料(Cの比率が大きい燃料)の場合であっても、700℃程度の温度で炭素析出せずに改質できる場合には、第1循環排出燃料流量を適切に制御することで、燃焼バーナ15bに追加の燃料を導入することなく、高効率な運転を行うことができるが、炭素析出を抑制し且つ改質に必要な要求熱流を満足させるようにすると、制御範囲が狭いので制御が難しい。更には、より高級な炭素含有燃料の場合には、炭素析出を抑制するためにより高温で改質させる必要がある。   Even if the fuel to be introduced is a high-grade carbon-containing fuel (a fuel having a large C ratio), if it can be reformed without carbon deposition at a temperature of about 700 ° C., the first circulating exhaust fuel flow rate is set to By appropriately controlling, high efficiency operation can be performed without introducing additional fuel into the combustion burner 15b. However, if carbon deposition is suppressed and the required heat flow necessary for reforming is satisfied, The control range is narrow and difficult to control. Furthermore, in the case of a higher-grade carbon-containing fuel, it is necessary to reform at a higher temperature in order to suppress carbon deposition.

このため、本実施形態では、燃料電池11から排出される空気流量Ba、或いは燃焼バーナ15bに導入する新規空流流量Bfの流量を低減させて、循環せずに排出される燃料(第1分岐弁25で分岐した排出燃料)と共に、燃焼バーナ15bにて、より高温の燃焼ガスを生成させる。従って、改質に必要な熱流が十分に満足される場合には、排出燃料の循環量(即ち、排出燃料循環率Ry)を増加させて、アノード11aより排出される排出燃料を燃料改質器15aに循環させることにより、燃料改質器15aにて炭素析出させずに制御可能な範囲を広くすることが可能となり、制御が容易となる。   For this reason, in the present embodiment, the flow rate of the air flow rate Ba discharged from the fuel cell 11 or the new airflow flow rate Bf introduced into the combustion burner 15b is reduced, and the fuel discharged without circulation (the first branch) Combustion gas at a higher temperature is generated in the combustion burner 15b together with the exhaust fuel branched off by the valve 25). Therefore, when the heat flow necessary for reforming is sufficiently satisfied, the amount of exhaust fuel circulated (that is, the exhaust fuel circulation rate Ry) is increased, and the exhaust fuel discharged from the anode 11a is supplied to the fuel reformer. By circulating to 15a, it becomes possible to widen the controllable range without depositing carbon in the fuel reformer 15a, and control becomes easy.

また、カソード11aより排出される空気流量、及び燃焼バーナ15bに導入する新規空気流量の流量制御によっても、改質に必要な熱流を得られない場合には、第2燃料ポンプ27より新規燃料を供給することにより、燃焼バーナ15bにて改質温度よりも高い燃焼ガスをより多量に生成して、改質に必要な熱流を確保する。   In addition, if the heat flow necessary for reforming cannot be obtained by controlling the flow rate of air discharged from the cathode 11a and the flow rate of new air introduced into the combustion burner 15b, new fuel is supplied from the second fuel pump 27. By supplying, a larger amount of combustion gas higher than the reforming temperature is generated in the combustion burner 15b, and a heat flow necessary for reforming is ensured.

その結果、導入する燃料がたとえ高級炭素含有燃料の場合であっても、炭素析出させることなく高効率な運転をさせることが可能となる。   As a result, even if the fuel to be introduced is a high-grade carbon-containing fuel, it becomes possible to operate with high efficiency without causing carbon deposition.

[変形例の説明]
次に、上述した第1,第2実施形態の変形例について説明する。図9は、第1変形例に係る燃料電池システム101の構成を示すブロック図であり、図1に示した燃料電池システム100に対して第2分岐弁26を備えていない点で相違する。この変形例では、第1分岐弁25の出口側の配管の長さ、及び径を所望のサイズに設定することにより、第1分岐弁25より送出されるアノード排気ガスを、所望の排出燃料循環分率Rdに設定する。即ち、排出燃料循環分率Rdを変更する必要がない場合には、配管の長さ、径を初期的に設定することにより、第1循環排出燃料の流量、及び第2循環排出燃料の流量を決めることができるので、第2分岐弁26を割愛することができる。
[Description of modification]
Next, modified examples of the first and second embodiments described above will be described. FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system 101 according to the first modification, which is different from the fuel cell system 100 shown in FIG. 1 in that the second branch valve 26 is not provided. In this modification, by setting the length and diameter of the pipe on the outlet side of the first branch valve 25 to a desired size, the anode exhaust gas sent from the first branch valve 25 is supplied to the desired exhaust fuel circulation. Set to fraction Rd. That is, when there is no need to change the exhaust fuel circulation fraction Rd, the flow rate of the first circulation exhaust fuel and the flow rate of the second circulation exhaust fuel are set by initially setting the length and diameter of the pipe. Since it can be determined, the second branch valve 26 can be omitted.

即ち、第1分岐弁25の下流側に設けられる配管が、第2分岐手段としての機能を備えることができ、所望の比率でアノード排気ガスを分流させることができる。   That is, the piping provided on the downstream side of the first branch valve 25 can have a function as the second branch means, and the anode exhaust gas can be diverted at a desired ratio.

図10は、第2変形例に係る燃料電池システム102の構成を示すブロック図であり、図1に示した燃料電池システム100に対して、カソード11aの出口配管経路に、排出弁(排出手段)41が設けられている点で相違し、且つ、該排出弁41より排出される排気ガスを熱源として燃料蒸発器14に供給する点で相違している。そして、この燃料電池システム102では、カソード11aより排出される空気のうち一部を排出して燃焼バーナ15bに供給するので、燃焼バーナ15bで生成される燃焼ガスの温度調整を容易に行うことが可能となる。   FIG. 10 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system 102 according to the second modification. In the fuel cell system 100 shown in FIG. 1, a discharge valve (discharge means) is provided in the outlet piping path of the cathode 11a. The difference is that 41 is provided, and the difference is that the exhaust gas discharged from the discharge valve 41 is supplied to the fuel evaporator 14 as a heat source. In the fuel cell system 102, a part of the air discharged from the cathode 11a is discharged and supplied to the combustion burner 15b. Therefore, the temperature of the combustion gas generated by the combustion burner 15b can be easily adjusted. It becomes possible.

図11は、第3変形例に係る燃料電池システム103の構成を示すブロック図であり、図1に示した燃料電池システム100に対して、アノード11bの入口側に混合器42が設けられている点で相違している。即ち、燃料改質器15aで改質された改質ガスと、第2分岐弁26で分岐された第2循環排出燃料とを混合する機能を有する混合器42を備えている。そして、混合器42を用いることにより、改質ガスと第2循環排出燃料とを均一に混合さしてアノード11bに供給することができ、短時間で安定した発電とすることが可能となる。   FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system 103 according to the third modification. A mixer 42 is provided on the inlet side of the anode 11b with respect to the fuel cell system 100 shown in FIG. It is different in point. That is, a mixer 42 having a function of mixing the reformed gas reformed by the fuel reformer 15a and the second circulating exhaust fuel branched by the second branch valve 26 is provided. By using the mixer 42, the reformed gas and the second circulating exhaust fuel can be uniformly mixed and supplied to the anode 11b, and stable power generation can be achieved in a short time.

混合器42としては、混合を誘導させるガス拡散板や多孔体などが容器内に詰められていても良いし、エゼクタとして、新規燃料、及び空気を加圧して昇圧された改質ガスを用いて、第2循環排出燃料を引き込みながら混合することで、アノード11bへ燃料を導入するための圧力を発生させても良い。   As the mixer 42, a gas diffusion plate or a porous body for inducing mixing may be packed in the container, and as an ejector, a new fuel and a reformed gas pressurized by pressurizing air are used. The pressure for introducing the fuel to the anode 11b may be generated by mixing while drawing the second circulating exhaust fuel.

また、混合器42として、改質器を用いることも可能である。改質器を用いる場合には、高温となった改質ガス(燃料改質器15aの送出ガス)と水蒸気を含む第2循環ガスとを混合、且つ断熱改質させて、水蒸気と燃料改質器15aにて未改質であった炭化水素と吸熱反応で、水素と一酸化炭素に分解させることができ、燃料電池11中での炭素析出をさせ難くすることができる。   A reformer can be used as the mixer 42. When a reformer is used, the reformed gas (sending gas from the fuel reformer 15a) having a high temperature and the second circulating gas containing steam are mixed and subjected to adiabatic reforming, and steam and fuel reforming are performed. By endothermic reaction with hydrocarbons that have not been reformed in the vessel 15a, hydrogen and carbon monoxide can be decomposed, and carbon deposition in the fuel cell 11 can be made difficult.

更に、この混合器42を他の冷却媒体との熱交換をさせることにより、燃料電池11に導入する燃料の持つ顕熱を低減させることができ、燃料改質器15aと、燃料電池11との間の熱連動を分断させることで、発電時に発熱する燃料電池11を温度調節することも可能となる。   Further, by causing the mixer 42 to exchange heat with another cooling medium, the sensible heat of the fuel introduced into the fuel cell 11 can be reduced, and the fuel reformer 15a and the fuel cell 11 can be reduced. It is also possible to adjust the temperature of the fuel cell 11 that generates heat during power generation by separating the thermal linkage between them.

次に、第4変形例について説明する。第4変形例は、前述した図1と同様の装置構成を備えており、更に、第1燃料ポンプ18より供給される燃料の組成を検知する燃料組成検知手段(図示省略)を備えている。図12は、第4変形例に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートであり、以下、第4変形例に係る燃料電池システムの処理動作について説明する。   Next, a fourth modification will be described. The fourth modification has the same device configuration as that of FIG. 1 described above, and further includes fuel composition detection means (not shown) for detecting the composition of the fuel supplied from the first fuel pump 18. FIG. 12 is a flowchart showing the processing operation of the fuel cell system according to the fourth modification. Hereinafter, the processing operation of the fuel cell system according to the fourth modification will be described.

初めに、図12のステップS90において、要求出力が与えられると、ステップS91において、制御部31は、燃料組成検知手段で検知される燃料中の組成(CH比)を取得し、更に、この組成に基づいて燃焼熱を求める。詳細には、ステップS911において、外部より給油のタイミングを検知し、ステップS912において燃料中のCH比を検知し、ステップS913において、燃焼熱(エンタルピー)を予想する。   First, when a required output is given in step S90 of FIG. 12, in step S91, the control unit 31 acquires the composition (CH ratio) in the fuel detected by the fuel composition detecting means, and further, this composition. To determine the combustion heat. Specifically, in step S911, the timing of refueling is detected from the outside, the CH ratio in the fuel is detected in step S912, and the combustion heat (enthalpy) is predicted in step S913.

ステップS92において、制御部31は、燃料の燃焼熱に基づいて、新規燃料の流量を決定する。即ち、第1実施形態で説明した図2のステップS12の処理と同様の処理を、燃料の燃焼熱を考慮した上で実行する。   In step S92, the control unit 31 determines the flow rate of the new fuel based on the combustion heat of the fuel. That is, the process similar to the process of step S12 of FIG. 2 described in the first embodiment is executed in consideration of the combustion heat of the fuel.

ステップS93において、制御部31は、燃料中のCH比と燃料電池11の発電状況に基づき、循環ガス(アノード排出ガス)中の水蒸気流量を検知する。即ち、図2のステップS13の処理と同様の処理を、燃料のCH比、及び燃料電池11の発電状況を考慮した上で実行する。   In step S93, the control unit 31 detects the water vapor flow rate in the circulating gas (anode exhaust gas) based on the CH ratio in the fuel and the power generation status of the fuel cell 11. That is, the same process as the process of step S13 in FIG. 2 is executed in consideration of the CH ratio of the fuel and the power generation state of the fuel cell 11.

ステップS94において、制御部31は、図2のステップS14と同様の処理を実行して、燃焼バーナ温度センサT1で検出される燃焼バーナガス温度Tab、改質温度Trf、新規燃料の温度、空気温度を取得する。   In step S94, the control unit 31 performs the same process as in step S14 of FIG. 2, and calculates the combustion burner gas temperature Tab, the reforming temperature Trf, the temperature of the new fuel, and the air temperature detected by the combustion burner temperature sensor T1. get.

ステップS95において、制御部31は、燃料中のCH比から燃料改質器15aが炭素析出せず、最も高効率な運転条件を探索して、排出燃料循環流量、第1排出燃料循環流量、燃料改質器15aに供給する新規空気量、燃焼バーナ15bに供給する新規燃料量を決定する。そして、ステップS96において、制御部31は、燃料電池11の運転を実行する。   In step S95, the control unit 31 searches for the most efficient operation condition in which the fuel reformer 15a does not deposit carbon from the CH ratio in the fuel, and the exhaust fuel circulation flow rate, the first exhaust fuel circulation flow rate, the fuel A new air amount to be supplied to the reformer 15a and a new fuel amount to be supplied to the combustion burner 15b are determined. In step S <b> 96, the control unit 31 executes the operation of the fuel cell 11.

このように、第4変形例に係る燃料電池システムでは、逐次新規燃料の組成を検知して高効率な運転条件に設定するので、燃料の組成が変化する場合であっても(例えば、ガソリンの組成は地域毎に異なる場合がある)、高効率での運転が可能となる。   Thus, in the fuel cell system according to the fourth modification, the composition of new fuel is sequentially detected and set to highly efficient operating conditions, so even if the fuel composition changes (for example, gasoline The composition may vary from region to region), allowing for highly efficient operation.

なお、燃料組成検知手段は、外部から給油するタイミングを検知して、導入する燃料のCH比を燃料組成分析により検知する。燃料組成分析の手法としては、燃料と空気を燃焼させたときの燃焼前後のガス温度や、酸素濃度検知に基づいて測定する方法等を用いることができる。   The fuel composition detection means detects the timing of refueling from the outside, and detects the CH ratio of the introduced fuel by fuel composition analysis. As a method of fuel composition analysis, a gas temperature before and after combustion when fuel and air are burned, a method of measuring based on oxygen concentration detection, and the like can be used.

以上、本発明の燃料電池システムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。   Although the fuel cell system of the present invention has been described based on the illustrated embodiment, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part is replaced with an arbitrary configuration having the same function. Can do.

本発明は、燃料電池システムを高効率で運転することに利用することができる。   The present invention can be used to operate a fuel cell system with high efficiency.

11 燃料電池
11a カソード
11b アノード
12 第1空気ブロワ
13 空気加熱熱交換器
14 燃料蒸発器
15 改質装置
15a 燃料改質器
15b 燃焼バーナ
15c 熱交換器
16 循環ブロワ
17 第2空気ブロワ
18 第1燃料ポンプ
20 第3空気ブロワ
21 第3燃料ポンプ
22 燃料蒸発器
23 空気分岐弁
24 起動燃焼バーナ
25 第1分岐弁(第1分岐手段)
26 第2分岐弁(第2分岐手段)
27 第2燃料ポンプ
31 制御部
32 記憶部
41 排出弁(排出手段)
42 混合器
100,101,102,103 燃料電池システム
N1 水蒸気流量センサ
T1 燃焼バーナ温度センサ
T2 改質温度センサT2
T3 燃料温度センサ
T4 空気温度センサ
Rd 排出燃料循環分率
Ry 排出燃料循環率
Tab 燃焼バーナガス温度
Trf 改質温度
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Fuel cell 11a Cathode 11b Anode 12 1st air blower 13 Air heating heat exchanger 14 Fuel evaporator 15 Reformer 15a Fuel reformer 15b Combustion burner 15c Heat exchanger 16 Circulation blower 17 2nd air blower 18 1st fuel Pump 20 Third air blower 21 Third fuel pump 22 Fuel evaporator 23 Air branch valve 24 Start combustion burner 25 First branch valve (first branch means)
26 Second branch valve (second branch means)
27 Second fuel pump 31 Control unit 32 Storage unit 41 Drain valve (discharge unit)
42 Mixer 100, 101, 102, 103 Fuel cell system N1 Water vapor flow rate sensor T1 Combustion burner temperature sensor T2 Reforming temperature sensor T2
T3 Fuel temperature sensor T4 Air temperature sensor Rd Exhaust fuel circulation fraction Ry Exhaust fuel circulation rate Tab Combustion burner gas temperature Trf Reforming temperature

Claims (8)

カソード、及びアノードを有する燃料電池と、
燃料を改質し、改質ガスを前記アノードに供給する改質手段と、
前記アノードより排出される排出燃料のうち、少なくとも一部の排出燃料を第1循環排出燃料として前記改質手段に循環させ、他の排出燃料を第2循環排出燃料として前記改質手段の出口流路に供給する分岐手段と、を有し、
前記第2循環排出燃料と、前記改質手段より送出される改質ガスを混合させて、前記アノードに供給することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell having a cathode and an anode;
Reforming means for reforming fuel and supplying reformed gas to the anode;
Of the exhaust fuel discharged from the anode, at least a part of the exhaust fuel is circulated to the reforming means as a first circulation exhaust fuel, and the other exhaust fuel is circulated as a second circulation exhaust fuel to the outlet flow of the reforming means. Branching means for supplying to the road,
The fuel cell system, wherein the second circulating exhaust fuel and the reformed gas delivered from the reforming means are mixed and supplied to the anode.
前記アノードより排出される排出燃料のうち、少なくとも一部の排出燃料を前記カソードの出口側に供給し、他の排出燃料を下流側に供給する第1分岐手段と、
前記第1分岐手段の下流側に設けられ、該第1分岐手段より下流側に送出された排出燃料のうち、一部の排出燃料を第1循環排出燃料として前記改質手段に循環させ、他の排出燃料を第2循環排出燃料として前記改質手段の出口流路に供給する第2分岐手段と、
前記カソードより排出されるガス、及び前記第1分岐手段で分岐された排出燃料が供給されて燃焼し、燃焼により発生した熱を前記改質手段に伝える燃焼手段と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
A first branching means for supplying at least a part of the discharged fuel discharged from the anode to the outlet side of the cathode and supplying other discharged fuel to the downstream side;
A part of the exhaust fuel provided downstream of the first branching unit and sent downstream from the first branching unit is circulated to the reforming unit as a first circulation exhausted fuel, and the like. Second branching means for supplying the exhausted fuel as a second circulating exhausted fuel to the outlet passage of the reforming means,
Combustion means for supplying the gas discharged from the cathode and the exhaust fuel branched by the first branching means to burn and transmitting heat generated by the combustion to the reforming means;
The fuel cell system according to claim 1, comprising:
前記第2循環排出燃料と、前記改質手段より送出される改質ガスを混合する混合手段を更に備えたことを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a mixing unit configured to mix the second circulating exhaust fuel and the reformed gas sent from the reforming unit. 4. 前記第1分岐手段の開度、前記第2分岐手段の開度、及び、前記改質手段に供給する空気量を制御する制御手段を更に備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の出力要求に応じて、前記改質手段に導入する燃料流量を決定し、更に、この燃料流量に基づいて、前記燃料電池の運転効率が高くなるように、前記第1分岐手段による分岐比率、及び前記第2分岐手段による分岐比率を設定し、これらの分岐比率となるように、前記第1分岐手段、及び前記第2分岐手段を制御し、且つ、前記改質手段に供給する空気量を制御することを特徴とする請求項2または請求項3のいずれかに記載の燃料電池システム。
A control means for controlling the opening degree of the first branching means, the opening degree of the second branching means, and the amount of air supplied to the reforming means;
The control means determines a fuel flow rate to be introduced into the reforming means in response to an output request of the fuel cell, and further, based on the fuel flow rate, the operation efficiency of the fuel cell is increased. The branch ratio by the first branch means and the branch ratio by the second branch means are set, the first branch means and the second branch means are controlled so that these branch ratios are obtained, and the revision 4. The fuel cell system according to claim 2, wherein the amount of air supplied to the quality means is controlled.
前記第1分岐手段による分岐比率、及び前記第2分岐手段による分岐比率、及び前記改質手段に導入する空気量は、予め設定したマップを参照して決定することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。   5. The branching ratio by the first branching unit, the branching ratio by the second branching unit, and the amount of air introduced into the reforming unit are determined with reference to a preset map. The fuel cell system described. 前記第1分岐手段による分岐比率、及び前記第2分岐手段による分岐比率、及び前記改質手段に導入する空気量は、演算により決定することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 4, wherein the branching ratio by the first branching unit, the branching ratio by the second branching unit, and the amount of air introduced into the reforming unit are determined by calculation. 前記カソードから前記燃焼手段に供給されるガスの一部を外部に排出する排出手段を更に備え、前記制御手段は、前記排出手段により排出するガス流量を調整することにより、前記燃焼手段の温度を制御することを特徴とする請求項2〜請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。   The apparatus further comprises discharge means for discharging a part of the gas supplied from the cathode to the combustion means to the outside, and the control means adjusts the gas flow rate discharged by the discharge means, thereby adjusting the temperature of the combustion means. It controls, The fuel cell system of any one of Claims 2-6 characterized by the above-mentioned. 前記改質手段に導入する燃料の組成を検出する組成検出手段を更に有し、
前記制御手段は、前記組成検出手段にて検出された組成に基づいて、前記改質手段に導入する空気流量、第1循環排出燃料流量、及び前記燃焼手段に新規に導入する燃料流量を制御することを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
Further comprising a composition detecting means for detecting the composition of the fuel introduced into the reforming means,
The control means controls the air flow rate introduced into the reforming means, the first circulation exhaust fuel flow rate, and the fuel flow rate newly introduced into the combustion means based on the composition detected by the composition detection means. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein
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