JP2014002921A - Fuel cell system - Google Patents

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Masaru Fukuda
勝 福田
Yoichi Kimura
洋一 木村
Yuji Mukai
裕二 向井
Hiroki Fujioka
弘樹 藤岡
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of sufficiently reducing the density of CO contained in a hydrogen-containing gas supplied to the fuel cell while preventing thermal runaway of a selective oxidation section.SOLUTION: The fuel cell system includes: a hydrogen generation device 1 having a reforming unit 14 that generates a hydrogen-containing gas by means of reforming reaction, a selective oxidation section 17 that reduces the density of carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas by means of selective oxidation reaction, and a selective oxidation temperature detection section 20; a fuel cell 2; a control section 12 that sets an upper limit value W of a power output from the fuel cell; and storage for storing actual power output Wr from the fuel cell when the control section issues an instruction to the fuel cell to output the power at a rated power output value Wmax. Defining difference ▵W as a value obtained by subtracting the actual power output Wr from the rated power output value Wmax, when the temperature of the selective oxidation section is equal to or smaller than a threshold value T, the control section sets the upper limit value W of the power output to Wmax; and when the temperature of the selective oxidation section exceeds the threshold value T, the control section sets the upper limit value W of the power output to a value W2 obtained by subtracting the difference ▵W from W1 which is a value smaller than Wmax.

Description

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

分散型エネルギー供給源として、小型で高効率な発電を可能とする燃料電池スタック(以下、単に「燃料電池」と言う)を用いた燃料電池システムの開発が進められている。燃料電池システムは、発電部の本体である燃料電池に、水素含有ガスと酸素含有ガスとを供給して、水素と酸素との電気化学反応を進行させて発生させた化学的なエネルギーを、電気的なエネルギーとして取り出して発電するシステムである。   Development of a fuel cell system using a fuel cell stack (hereinafter simply referred to as “fuel cell”) that enables small-sized and highly efficient power generation as a distributed energy supply source is underway. A fuel cell system supplies a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas to a fuel cell, which is the main body of a power generation unit, and proceeds with an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen to generate chemical energy. This is a system that generates electricity by taking it out as natural energy.

一般的に、水素含有ガスはインフラストラクチャーから供給されていない。そこで、従来の燃料電池システムには、既存のインフラストラクチャーから供給される都市ガス、または、LPG等を原料とし、Ru触媒やNi触媒を用いて600〜700℃の温度で水蒸気と改質反応させる改質部とを備えた水素生成装置が設けられている。なお、改質反応により得られる水素含有ガスには、通常、原料に由来する一酸化炭素が含まれ、その濃度が高いと燃料電池の発電特性を低下させる。   In general, hydrogen-containing gas is not supplied from the infrastructure. Therefore, the conventional fuel cell system uses a city gas supplied from an existing infrastructure or LPG as a raw material, and undergoes a reforming reaction with water vapor at a temperature of 600 to 700 ° C. using a Ru catalyst or a Ni catalyst. A hydrogen generation apparatus including a reforming unit is provided. Note that the hydrogen-containing gas obtained by the reforming reaction usually contains carbon monoxide derived from the raw material, and if the concentration is high, the power generation characteristics of the fuel cell are degraded.

そこで、水素生成装置には、改質部の他に、200℃〜350℃の温度で一酸化炭素と水蒸気との変成反応を進行させて一酸化炭素を低減させる、Cu−Zn系触媒や貴金属系触媒を備える変成部、及び、酸化剤として空気を加え、100℃〜200℃の温度で一酸化炭素を選択的に酸化反応させて、さらに一酸化炭素を低減させる、Ru触媒やPt触媒を備える選択酸化部等の反応部が設けられる。   Therefore, in addition to the reforming unit, the hydrogen generator has a Cu—Zn-based catalyst or a noble metal that reduces carbon monoxide by advancing a transformation reaction between carbon monoxide and water vapor at a temperature of 200 ° C. to 350 ° C. A Ru catalyst or a Pt catalyst that adds a system catalyst and air as an oxidizing agent and selectively oxidizes carbon monoxide at a temperature of 100 ° C. to 200 ° C. to further reduce carbon monoxide. A reaction unit such as a selective oxidation unit is provided.

選択酸化反応は、(1)式で示される。   The selective oxidation reaction is represented by the formula (1).

CO+1/2O2→CO2 (1)
選択酸化反応は、発熱反応であり、空気(酸素)流量を上げると、発熱反応が進行し、選択酸化部の温度が上がる。逆に、空気(酸素)流量を下げると、発熱反応が抑制され、選択酸化部の温度が下がる。
CO + 1 / 2O2 → CO2 (1)
The selective oxidation reaction is an exothermic reaction, and when the air (oxygen) flow rate is increased, the exothermic reaction proceeds and the temperature of the selective oxidation unit increases. On the other hand, when the air (oxygen) flow rate is lowered, the exothermic reaction is suppressed and the temperature of the selective oxidation unit is lowered.

なお、水素含有ガスに含まれる原料由来の一酸化炭素を低減するために、一般に、選択酸化部に供給される空気流量は、改質部に供給される原料流量に応じて決められている。   In order to reduce carbon monoxide derived from the raw material contained in the hydrogen-containing gas, generally, the air flow rate supplied to the selective oxidation unit is determined according to the raw material flow rate supplied to the reforming unit.

ところで、燃料電池システムの長期運転等で、選択酸化部に供給される空気と水素含有ガスとの混合が不均一になった場合、または、選択酸化部に供給される空気と水素含有ガスとの混合ガスの流れに偏流が生じた場合、選択酸化部において、局所的に一酸化炭素流量に対する空気(酸素)流量の割合が高い部分や、また、一酸化炭素流量、及び、空気(酸素)流量の絶対流量が高い部分ができ、その部分において、選択酸化反応(発熱反応)が加速され、選択酸化部の一部の温度が過度に上昇し、それに引きずられて、選択酸化部全体の温度が上昇する恐れがあった。   By the way, in the long-term operation of the fuel cell system or the like, when the mixing of the air supplied to the selective oxidation unit and the hydrogen-containing gas becomes uneven, or the air supplied to the selective oxidation unit and the hydrogen-containing gas In the case where a mixed gas flow is unevenly distributed, a portion where the ratio of the air (oxygen) flow rate to the carbon monoxide flow rate is locally high in the selective oxidation unit, the carbon monoxide flow rate, and the air (oxygen) flow rate. In this part, the selective oxidation reaction (exothermic reaction) is accelerated, the temperature of a part of the selective oxidation part rises excessively, and is dragged by it. There was a fear of rising.

さらに、選択酸化部では、選択酸化部の温度が190℃〜200℃付近まで上昇すると、選択酸化反応に加え、水素含有ガスに含まれる水素と一酸化炭素、及び、水素と二酸化炭素とによるメタン化反応(メタネーション)が起こり始める。メタン化反応は、(2)式、及び、(3)式で示される。   Further, in the selective oxidation part, when the temperature of the selective oxidation part rises to around 190 ° C. to 200 ° C., in addition to the selective oxidation reaction, hydrogen and carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas, and methane by hydrogen and carbon dioxide Methanation begins to occur. The methanation reaction is represented by formulas (2) and (3).

CO+3H2→CH4+H2O (2)
CO2+4H2→CH4+2H2O (3)
メタン化反応は、選択酸化反応と同様、発熱反応であり、メタン化反応が起こり始めると、発熱反応が加速され、選択酸化部の温度が上昇し、さらにメタン化反応が加速される。この結果、選択酸化部の一部の温度が過度に上昇し、それに引きずられて、選択酸化部全体の温度が熱暴走する恐れがあった。
CO + 3H2 → CH4 + H2O (2)
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O (3)
The methanation reaction is an exothermic reaction similar to the selective oxidation reaction, and when the methanation reaction starts to occur, the exothermic reaction is accelerated, the temperature of the selective oxidation portion is increased, and the methanation reaction is further accelerated. As a result, the temperature of a part of the selective oxidation unit rises excessively, and the temperature of the entire selective oxidation unit is likely to be thermally runaway.

そこで、例えば、特許文献1には、選択酸化部の温度が過度に上昇することを防止することを目的として、選択酸化部の触媒層の温度が上限温度を上回った場合に、酸素含有ガスの単位時間当たりの供給量(本願発明の空気流量に相当する)を低減する技術が開示されている。   Therefore, for example, Patent Document 1 discloses that when the temperature of the catalyst layer of the selective oxidation unit exceeds the upper limit temperature for the purpose of preventing the temperature of the selective oxidation unit from excessively rising, A technique for reducing the supply amount per unit time (corresponding to the air flow rate of the present invention) is disclosed.

特開2010−262747号公報JP 2010-262747 A

しかしながら、前記従来の技術では、長時間運転による耐久劣化の言及がなく、燃料電池システムの選択酸化部で十分に一酸化炭素濃度(以下、「CO」という)を低減することができないという課題があった。燃料電池に供給される水素含有ガスに含まれるCO濃度が上がると、燃料電池のCO被毒による発電出力の低下、あるいは、燃料電池の寿命低下に至る恐れがある。   However, in the conventional technique, there is no mention of durability deterioration due to long-time operation, and there is a problem that the carbon monoxide concentration (hereinafter referred to as “CO”) cannot be sufficiently reduced in the selective oxidation portion of the fuel cell system. there were. When the concentration of CO contained in the hydrogen-containing gas supplied to the fuel cell increases, there is a risk that the power generation output decreases due to CO poisoning of the fuel cell, or the life of the fuel cell decreases.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、選択酸化部の温度の熱暴走を十分に抑制しつつ、燃料電池に供給される水素含有ガスのCO濃度を十分に低減することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problem, and can sufficiently reduce the CO concentration of the hydrogen-containing gas supplied to the fuel cell while sufficiently suppressing thermal runaway of the temperature of the selective oxidation unit. An object is to provide a battery system.

本発明者らは、鋭意検討を行った結果、燃料電池に供給される水素含有ガスのCO濃度を十分に低減するという観点から、長時間運転による耐久劣化後に未だ改善の余地があることを見出した。   As a result of intensive studies, the present inventors have found that there is still room for improvement after durability deterioration due to long-time operation from the viewpoint of sufficiently reducing the CO concentration of the hydrogen-containing gas supplied to the fuel cell. It was.

即ち、上記従来の技術では、選択酸化部の温度を十分に下げるために、選択酸化部に供給する空気流量を低減すると、空気流量を過剰に低減する必要がある場合があった。この場合、選択酸化部でCOを酸化するために必要な空気流量が足りなくなり、選択酸化部で十分にCO濃度を低減することができないという課題があることを見出した。選択酸化部で十分にCO濃度を低減することができないと、燃料電池の貴金属触媒が被毒し、触媒活性が低下する恐れがある。   That is, in the above conventional technique, in order to sufficiently lower the temperature of the selective oxidation unit, if the flow rate of air supplied to the selective oxidation unit is reduced, it may be necessary to excessively reduce the air flow rate. In this case, it has been found that there is a problem that the air flow rate necessary for oxidizing the CO in the selective oxidation unit is insufficient, and the CO concentration cannot be sufficiently reduced in the selective oxidation unit. If the CO concentration cannot be sufficiently reduced in the selective oxidation part, the noble metal catalyst of the fuel cell may be poisoned and the catalytic activity may be lowered.

以下では、本発明者らが見出した従来の技術の課題について、さらに詳細に説明する。   Hereinafter, the problems of the conventional technique found by the present inventors will be described in more detail.

図4は、選択酸化部の温度に対する水素含有ガスに含まれるCO濃度の関係の例を示すグラフである。空気流量指令値を基準値より下げる(例えば、O2/CO=2.0相当の空気流量指令値を基準として、O2/CO=1.7相当の空気流量指令値に下げる)と、選択酸化温度に対するCO濃度が高くなる傾向にあった。   FIG. 4 is a graph showing an example of the relationship between the CO concentration contained in the hydrogen-containing gas and the temperature of the selective oxidation unit. When the air flow rate command value is lowered from the reference value (for example, the air flow rate command value corresponding to O2 / CO = 2.0 is reduced to the air flow rate command value corresponding to O2 / CO = 1.7), the selective oxidation temperature is reduced. There was a tendency for the CO concentration to increase.

例えば、燃料電池のCO被毒を防止するための許容CO濃度を20ppmとした場合、CO濃度を20ppm未満にするためには、O2/CO=2.0相当を基準とする空気流量指令値の場合、O2/CO=1.8相当以上の空気流量指令値が必要であった。   For example, when the allowable CO concentration for preventing CO poisoning of the fuel cell is set to 20 ppm, in order to make the CO concentration less than 20 ppm, the air flow rate command value based on O2 / CO = 2.0 is used. In this case, an air flow rate command value equivalent to O2 / CO = 1.8 or more is required.

ところが、O2/CO=1.8相当の空気流量指令値では、選択酸化部の温度を、選択酸化部の温度が熱暴走に至る温度域の下限程度までしか下げることができず、選択酸化部の温度が熱暴走に至るのを、十分に防止することができない恐れがあった。なお、選択酸化部の温度を選択酸化反応に適した温度域の上限まで下げるには、O2/CO=2.0相当から1.6相当まで空気流量指令値を下げる必要があった。   However, with the air flow rate command value corresponding to O2 / CO = 1.8, the temperature of the selective oxidation unit can be lowered only to the lower limit of the temperature range in which the temperature of the selective oxidation unit reaches thermal runaway. There was a fear that it was not possible to sufficiently prevent the temperature of the battery from reaching a thermal runaway. In order to lower the temperature of the selective oxidation section to the upper limit of the temperature range suitable for the selective oxidation reaction, it is necessary to lower the air flow rate command value from O2 / CO = 2.0 equivalent to 1.6 equivalent.

つまり、空気流量指令値を基準値から下げる場合、空気流量を過剰に下げると、水素含有ガスに含まれるCO濃度が上がる恐れがあった。一方で、CO濃度を十分に低減しようとすると、選択酸化部の温度を十分に低減できず、熱暴走が十分に抑制できない恐れがあった。   That is, when the air flow rate command value is lowered from the reference value, if the air flow rate is lowered excessively, the CO concentration contained in the hydrogen-containing gas may increase. On the other hand, if the CO concentration is to be sufficiently reduced, the temperature of the selective oxidation portion cannot be sufficiently reduced, and thermal runaway may not be sufficiently suppressed.

さらに、図2に示すように長時間運転による耐久劣化により燃料電池の発電出力が発電出力指令値よりも低下してくる。   Further, as shown in FIG. 2, the power generation output of the fuel cell is lower than the power generation output command value due to durability deterioration due to long-time operation.

すなわち、運転開始時は定格発電出力指令値と実際の発電出力が一致しているが、運転時間が経過するにつれ、燃料電池の発電出力が低下し、定格発電出力指令値と実際の発電出力に差が生じてくる。したがって、発電出力の低下が始まると定格発電出力から実際の発電出力を基準にして選択酸化部の温度の熱暴走を防止する必要がある。   That is, at the start of operation, the rated power output command value matches the actual power output, but as the operation time elapses, the fuel cell power output decreases and the rated power output command value and the actual power output There will be a difference. Therefore, when the power generation output starts to decrease, it is necessary to prevent thermal runaway of the temperature of the selective oxidation unit based on the actual power generation output from the rated power generation output.

前記従来の技術の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、定格発電出力Wmaxから実際の発電出力Wrを引いた値を差分△Wとし、選択酸化部の温度が閾値T以下である場合は、発電出力の上限値Wを定格発電出力Wmaxに設定し、選択酸化部の温度が閾値Tを超えた場合は、発電出力の上限値Wを定格発電出力Wmaxより低い値であるW1(例えば、空気流量指令値がO2/CO=2.0相当のとき、選択酸化部の温度が熱暴走に至らない発電出力、または、その上限)から差分△Wを差し引いた値W2に設定する、としたものである。   In order to solve the problems of the conventional technique, the fuel cell system of the present invention uses a difference ΔW as a value obtained by subtracting the actual power generation output Wr from the rated power generation output Wmax, and the temperature of the selective oxidation unit is equal to or lower than the threshold T. In some cases, the upper limit value W of the power generation output is set to the rated power generation output Wmax, and when the temperature of the selective oxidation unit exceeds the threshold T, the upper limit value W of the power generation output is a value lower than the rated power generation output Wmax. (For example, when the air flow rate command value is equivalent to O2 / CO = 2.0, the temperature of the selective oxidation unit is the power generation output at which thermal runaway does not occur, or the upper limit thereof), and is set to a value W2 obtained by subtracting the difference ΔW. .

まず、選択酸化温度が閾値(例えば、選択酸化部が熱暴走に至らない温度、または、その上限)以下のとき、選択酸化部の温度が熱暴走に至る恐れがないため、発電出力の上限値WをWmaxに設定とする。   First, when the selective oxidation temperature is equal to or lower than a threshold value (for example, the temperature at which the selective oxidation unit does not cause thermal runaway or the upper limit thereof), the temperature of the selective oxidation unit is not likely to cause thermal runaway. Let W be set to Wmax.

選択酸化温度が閾値(例えば、選択酸化部が熱暴走に至らない温度、または、その上限)を超えたとき、選択酸化部の温度が熱暴走に至る恐れがあるため、発電出力の上限値WをWmaxより低い値であるW1(例えば、空気流量指令値がO2/CO=2.0相当のとき、選択酸化部の温度が熱暴走に至らない発電出力、または、その上限)から差分△Wを差し引いた値W2に設定する。これによって、O2/COを大幅に下げることなく、選択酸化部の温度が選択酸化反応に適した温度域まで下がる。また、水素含有ガスに含まれるCO濃度が20ppm未満となる。   When the selective oxidation temperature exceeds a threshold value (for example, the temperature at which the selective oxidation unit does not cause thermal runaway or the upper limit thereof), the temperature of the selective oxidation unit may cause thermal runaway. A difference ΔW from W1 which is a value lower than Wmax (for example, when the air flow rate command value is equivalent to O2 / CO = 2.0, the temperature of the selective oxidation unit does not cause thermal runaway or its upper limit) Is set to a value W2 obtained by subtracting. As a result, the temperature of the selective oxidation section is lowered to a temperature range suitable for the selective oxidation reaction without significantly reducing O2 / CO. Moreover, the CO concentration contained in the hydrogen-containing gas is less than 20 ppm.

また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池から取り出す電流の上限値Iを設定し、選択酸化部の温度が閾値T以下である場合に、電流の上限値IをImaxに設定し、選択酸化部の温度が閾値Tを超えた場合に、発電出力の上限値WがW2となるように、電流の上限値IをImaxより低い値であるI1に設定する、としたものである。   Further, the fuel cell system of the present invention sets the upper limit value I of the current to be extracted from the fuel cell, and sets the upper limit value I of the current to Imax when the temperature of the selective oxidation unit is equal to or lower than the threshold value T. The upper limit value I of the current is set to I1, which is a value lower than Imax, so that the upper limit value W of the power generation output becomes W2 when the temperature of the section exceeds the threshold value T.

また、本発明の燃料電池システムは、選択酸化温度が、閾値Tを超えた後、閾値T以下となった場合、発電出力の上限値WをWmaxに設定する、としたものである。   In the fuel cell system of the present invention, when the selective oxidation temperature exceeds the threshold value T and then becomes the threshold value T or less, the upper limit value W of the power generation output is set to Wmax.

また、本発明の燃料電池システムは、選択酸化温度が、閾値Tを超えた後、閾値T以下となった場合、電流の上限値IをImaxに設定する、としたものである。   Further, in the fuel cell system of the present invention, when the selective oxidation temperature exceeds the threshold value T and then becomes the threshold value T or less, the upper limit value I of the current is set to Imax.

本発明の燃料電池システムは、長時間運転による耐久劣化により発電出力が低下し、定格発電出力指令値と実際の発電出力に差が生じてくるが、実際の発電出力を基準にして選択酸化部の温度の熱暴走を抑制することにより、長時間運転しても、燃料電池に供給する水素含有ガスのCO濃度を十分に低減することができ、CO被毒による寿命低下を防ぐことができる。   In the fuel cell system of the present invention, the power generation output decreases due to durability deterioration due to long-term operation, and there is a difference between the rated power generation output command value and the actual power generation output, but the selective oxidation unit is based on the actual power generation output. By suppressing the thermal runaway at the temperature, the CO concentration of the hydrogen-containing gas supplied to the fuel cell can be sufficiently reduced even when the fuel cell is operated for a long time, and the life reduction due to CO poisoning can be prevented.

本発明の実施の形態1における燃料電池システムの概略構成図1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態1における燃料電池システムの発電出力と時間の関係を模式的に示すグラフThe graph which shows typically the relationship between the electric power generation output of the fuel cell system in Embodiment 1 of this invention, and time. 本発明の実施の形態1における燃料電池システムの特徴的な動作の1サイクルを模式的に示すフローチャートThe flowchart which shows typically 1 cycle of characteristic operation | movement of the fuel cell system in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における燃料電池システムの特徴的な動作の1サイクルを模式的に示すフローチャートThe flowchart which shows typically 1 cycle of characteristic operation | movement of the fuel cell system in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2における燃料電池システムの特徴的な動作の1サイクルを模式的に示すフローチャートThe flowchart which shows typically 1 cycle of the characteristic operation | movement of the fuel cell system in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2における燃料電池システムの特徴的な動作の1サイクルを模式的に示すフローチャートThe flowchart which shows typically 1 cycle of the characteristic operation | movement of the fuel cell system in Embodiment 2 of this invention. 従来例として選択酸化部が熱暴走に至るときの選択酸化温度挙動を模式的に示すグラフGraph showing the selective oxidation temperature behavior when the selective oxidation part reaches thermal runaway as a conventional example 本発明の実施の形態1における燃料電池システムのステップS1、S4、S5の動作による選択酸化温度挙動を模式的に示すグラフThe graph which shows typically the selective oxidation temperature behavior by operation | movement of step S1, S4, S5 of the fuel cell system in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における燃料電池システムのステップS6、S9、S10の動作による選択酸化温度挙動を模式的に示すグラフThe graph which shows typically the selective oxidation temperature behavior by operation | movement of step S6, S9, S10 of the fuel cell system in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における燃料電池システムのステップS11、S14、S15の動作による選択酸化温度挙動を模式的に示すグラフThe graph which shows typically the selective oxidation temperature behavior by operation | movement of step S11, S14, S15 of the fuel cell system in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における燃料電池システムのステップS16、S19、S20の動作による選択酸化温度挙動を模式的に示すグラフThe graph which shows typically the selective oxidation temperature behavior by operation | movement of step S16, S19, S20 of the fuel cell system in Embodiment 1 of this invention. 選択酸化温度に対するCO濃度の関係を模式的に示したグラフA graph schematically showing the relationship of CO concentration to selective oxidation temperature

第1の発明は、原料と水とが供給されて改質反応により水素含有ガスを生成する改質部、選択酸化空気が供給されて選択酸化反応により改質部により生成された水素含有ガス中の一酸化炭素濃度をさらに低減する選択酸化部、及び、選択酸化部の温度を検出する選択酸化温度検出部、を備える水素生成装置と、選択酸化部で一酸化炭素濃度が低減された水素含有ガスと酸素含有ガスとが供給されて発電する燃料電池と、燃料電池の発電出力の上限値Wを設定する制御部と、制御部が定格発電出力値Wmaxで出力するよう燃料電池へ指令した場合の燃料電池の実際の発電出力Wrを記憶する記憶部と、を備え、定格発電出力Wmaxから実際の発電出力Wrを引いた値を差分△Wとし、前記選択酸化部の温度が閾値T以下である場合に、発電出力の上限値WをWmaxに設定し、選択酸化部の温度が閾値Tを超えた場合に、発電出力の上限値WをWmaxより低い値であるW1から差分△Wを差し引いた値W2に設定する。   In a first aspect of the present invention, a reforming section that supplies a raw material and water to generate a hydrogen-containing gas by a reforming reaction, and a hydrogen-containing gas that is supplied by selective oxidation air and that is generated by the reforming section by a selective oxidation reaction. A hydrogen generator comprising a selective oxidation unit that further reduces the carbon monoxide concentration and a selective oxidation temperature detection unit that detects a temperature of the selective oxidation unit, and a hydrogen content in which the carbon monoxide concentration is reduced in the selective oxidation unit A fuel cell that generates power by supplying gas and an oxygen-containing gas, a control unit that sets an upper limit value W of the power generation output of the fuel cell, and a control unit that instructs the fuel cell to output at the rated power generation output value Wmax And a storage unit for storing the actual power generation output Wr of the fuel cell, a value obtained by subtracting the actual power generation output Wr from the rated power generation output Wmax is defined as a difference ΔW, and the temperature of the selective oxidation unit is equal to or lower than a threshold T If there is power generation When the upper limit value W of the force is set to Wmax and the temperature of the selective oxidation unit exceeds the threshold value T, the upper limit value W of the power generation output is set to a value W2 obtained by subtracting the difference ΔW from the value W1 that is lower than Wmax. To do.

この構成により、選択酸化部の温度が選択酸化反応に適した温度域まで下がり、選択酸化部の温度の熱暴走を十分に防止することができる。また、水素含有ガスに含まれるCO濃度が20ppm未満となり、燃料電池のCO被毒による発電出力の低下、あるいは、燃料電池の寿命低下を防止することができる。   With this configuration, the temperature of the selective oxidation unit is lowered to a temperature range suitable for the selective oxidation reaction, and thermal runaway of the temperature of the selective oxidation unit can be sufficiently prevented. In addition, the CO concentration contained in the hydrogen-containing gas is less than 20 ppm, and it is possible to prevent a decrease in power generation output due to CO poisoning of the fuel cell or a decrease in the life of the fuel cell.

第2の発明は、燃料電池から取り出す電流の上限値Iを設定し、選択酸化部の温度が閾
値T以下である場合に、電流の上限値IをImaxに設定し、選択酸化部の温度が閾値Tを超えた場合に、発電出力の上限値WがW2となるように、電流の上限値IをImaxより低い値であるI1に設定する。
The second invention sets an upper limit value I of the current to be extracted from the fuel cell. When the temperature of the selective oxidation unit is equal to or lower than the threshold T, the upper limit value I of the current is set to Imax, and the temperature of the selective oxidation unit is When the threshold value T is exceeded, the current upper limit value I is set to I1 which is lower than Imax so that the power generation output upper limit value W becomes W2.

この構成により、選択酸化部の温度が選択酸化反応に適した温度域まで下がり、選択酸化部の温度の熱暴走を十分に防止することができる。   With this configuration, the temperature of the selective oxidation unit is lowered to a temperature range suitable for the selective oxidation reaction, and thermal runaway of the temperature of the selective oxidation unit can be sufficiently prevented.

第3の発明は、制御部は、選択酸化温度が、閾値Tを超えた後、閾値T以下となった場合、発電出力の上限値WをWmaxに設定する。   In the third invention, the control unit sets the upper limit value W of the power generation output to Wmax when the selective oxidation temperature exceeds the threshold value T and then becomes the threshold value T or less.

この構成により、選択酸化部の温度が選択酸化反応に適した温度域まで下がり、選択酸化部の温度の熱暴走を十分に防止することができる。また、水素含有ガスに含まれるCO濃度が20ppm未満となり、燃料電池のCO被毒による発電出力の低下、あるいは、燃料電池の寿命低下を防止することができる。   With this configuration, the temperature of the selective oxidation unit is lowered to a temperature range suitable for the selective oxidation reaction, and thermal runaway of the temperature of the selective oxidation unit can be sufficiently prevented. In addition, the CO concentration contained in the hydrogen-containing gas is less than 20 ppm, and it is possible to prevent a decrease in power generation output due to CO poisoning of the fuel cell or a decrease in the life of the fuel cell.

第4の発明は、制御部は、選択酸化温度が、閾値Tを超えた後、閾値T以下となった場合、電流の上限値IをImaxに設定する。   According to a fourth aspect of the present invention, when the selective oxidation temperature exceeds the threshold value T and then becomes equal to or lower than the threshold value T, the control unit sets the upper limit value I of the current to Imax.

この構成により、選択酸化部の温度が選択酸化反応に適した温度域まで下がり、選択酸化部の温度の熱暴走を十分に防止することができる。   With this configuration, the temperature of the selective oxidation unit is lowered to a temperature range suitable for the selective oxidation reaction, and thermal runaway of the temperature of the selective oxidation unit can be sufficiently prevented.

以下、本発明を実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

(実施の形態1)
(燃料電池システムの構成)
図1は、本発明の実施の形態1に係る水素生成装置1と燃料電池2とを用いた燃料電池システム100の概略構成図を示すものである。
(Embodiment 1)
(Configuration of fuel cell system)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 100 using a hydrogen generator 1 and a fuel cell 2 according to Embodiment 1 of the present invention.

燃料電池システム100は、水素含有ガスを生成する水素生成装置1と、水素生成装置1から供給される水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池2と、水素生成装置1から燃料電池2へ切換弁3aを介して水素ガスを供給する水素ガス供給経路4と、燃料電池2で排出される燃料を水素生成装置1のバーナユニット5へ切換弁3bを介して供給する燃料供給経路6と、切換弁3aと切換弁3bとを接続する燃料電池バイパス経路7と、一般家庭等で使用される負荷26に応じて、水素生成装置1、及び、燃料電池2の運転動作を制御する制御部12とを備えている。なお、一般的な固体高分子型の燃料電池システム100と同等の構成なので、その他の構成の詳細な説明は省略する。   The fuel cell system 100 includes a hydrogen generator 1 that generates a hydrogen-containing gas, a fuel cell 2 that generates power using the hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator 1, and a switch from the hydrogen generator 1 to the fuel cell 2. A hydrogen gas supply path 4 for supplying hydrogen gas via the valve 3a, and a fuel supply path 6 for supplying the fuel discharged from the fuel cell 2 to the burner unit 5 of the hydrogen generator 1 via the switching valve 3b. A fuel cell bypass path 7 that connects the valve 3a and the switching valve 3b, and a control unit 12 that controls the operation of the hydrogen generator 1 and the fuel cell 2 in accordance with a load 26 used in a general household, etc. It has. In addition, since it is a structure equivalent to the general polymer electrolyte fuel cell system 100, detailed description of another structure is abbreviate | omitted.

水素生成装置1は、水素生成装置1に水を供給する水供給部8と、硫黄成分を含む炭化水素系の原料を通過させて、原料に含まれる硫黄成分を吸着して除去する脱硫部9と、脱硫部9を通過させた後の原料と水供給部8から供給される水とを用いて水素含有ガスを生成させる改質器10と、脱硫部9に供給される原料流量を制御するための原料供給部11とを備えている。   The hydrogen generator 1 includes a water supply unit 8 that supplies water to the hydrogen generator 1 and a desulfurization unit 9 that allows a hydrocarbon-based raw material containing a sulfur component to pass therethrough and adsorbs and removes the sulfur component contained in the raw material. And a reformer 10 that generates a hydrogen-containing gas using the raw material after passing through the desulfurization unit 9 and the water supplied from the water supply unit 8, and the flow rate of the raw material supplied to the desulfurization unit 9 is controlled. And a raw material supply unit 11.

改質器10は、水供給部8から供給される水を蒸発させるとともに、原料と水蒸気の混合ガスを予熱する蒸発部13と、原料と水蒸気との改質反応を進行させる改質部14と、改質部14で生成した水素含有ガス中のCOと水蒸気とを変成反応させて、水素含有ガスのCO濃度を低減させる変成部15を有している。また、変成部15を通過した後の水素含有ガス中に残留するCOを、空気供給部16から変成部15を通過した後の水素含有ガスに供給される空気を用いて、主に酸化させて除去する選択酸化部17とを有している。
改質部14にはRu系の改質触媒、変成部15にはCu−Zn系の変成触媒、選択酸化部17にはRu系の選択酸化触媒が設けられている。
The reformer 10 evaporates the water supplied from the water supply unit 8 and preheats the mixed gas of the raw material and water vapor, and the reforming unit 14 advances the reforming reaction between the raw material and water vapor. The reforming unit 15 includes a modification unit 15 that performs a modification reaction of CO and water vapor in the hydrogen-containing gas generated in the reforming unit 14 to reduce the CO concentration of the hydrogen-containing gas. Further, CO remaining in the hydrogen-containing gas after passing through the shift unit 15 is mainly oxidized using air supplied from the air supply unit 16 to the hydrogen-containing gas after passing through the shift unit 15. And a selective oxidation portion 17 to be removed.
The reforming section 14 is provided with a Ru-based reforming catalyst, the shift section 15 is provided with a Cu—Zn-based shift catalyst, and the selective oxidation section 17 is provided with a Ru-based selective oxidation catalyst.

また、改質部14、変成部15、選択酸化部17には、それぞれの温度を検出する改質温度検出部18、変成温度検出部19、選択酸化温度検出部20を備えている。   Further, the reforming unit 14, the conversion unit 15, and the selective oxidation unit 17 are provided with a reforming temperature detection unit 18, a conversion temperature detection unit 19, and a selective oxidation temperature detection unit 20 that detect respective temperatures.

また、改質器10は、改質部14、変成部15、選択酸化部17における各反応に必要な熱を供給するためのバーナユニット5を備えている。バーナユニット5には、燃料を供給する燃料供給経路6と空気を供給する燃焼ファン21が配設されている。燃料は、水素ガス供給経路4から燃料電池バイパス経路7を介して、あるいは、燃料電池2を経て燃料供給経路6からバーナユニット5に供給される。   The reformer 10 includes a burner unit 5 for supplying heat necessary for each reaction in the reforming unit 14, the shift unit 15, and the selective oxidation unit 17. The burner unit 5 is provided with a fuel supply path 6 for supplying fuel and a combustion fan 21 for supplying air. The fuel is supplied from the hydrogen gas supply path 4 to the burner unit 5 via the fuel cell bypass path 7 or from the fuel supply path 6 via the fuel cell 2.

また、改質部14と蒸発部13は、バーナユニット5で発生した燃焼排ガスから、内筒22の壁面を介して熱を供給される構成となっている。なお、改質部14、変成部15、選択酸化部17の構成において、一般的な構成と同様な構成部分についての図示、及び、詳細な説明は省略する。   The reforming unit 14 and the evaporation unit 13 are configured to be supplied with heat from the combustion exhaust gas generated in the burner unit 5 through the wall surface of the inner cylinder 22. In the configuration of the reforming unit 14, the transformation unit 15, and the selective oxidation unit 17, illustration and detailed description of the same components as the general configuration are omitted.

脱硫部9に供給される炭化水素系の原料は、炭化水素等の少なくとも炭素、及び、水素元素から構成される有機化合物を含む原料であればよく、例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、LPG等である。ここでは、原料の供給源として都市ガスのガスインフラライン23を用い、そのガスインフラライン23に脱硫部9が接続されている。脱硫部9は、上流側、及び、下流側に配置された脱硫接続部24に着脱可能な形状を有しており、脱硫部9の硫黄成分に対する吸着量が飽和して吸着特性が低下すると、新しい脱硫部9に交換できる構成となっている。脱硫部9には、都市ガス中の付臭成分である硫黄化合物を吸着させる、ゼオライト系吸着除去剤が充填されている。また、脱硫接続部24は、原料の流通を制御する弁機能も有し、例えば、構成に電磁弁が設けられる。なお、脱硫部9は、水添脱硫を用いた構成としてもよい。   The hydrocarbon-based raw material supplied to the desulfurization section 9 may be a raw material containing an organic compound composed of at least carbon such as hydrocarbon and hydrogen element, for example, city gas mainly composed of methane, Natural gas, LPG, etc. Here, a city gas gas infrastructure line 23 is used as a raw material supply source, and the desulfurization section 9 is connected to the gas infrastructure line 23. The desulfurization part 9 has a shape that can be attached to and detached from the desulfurization connection part 24 arranged on the upstream side and the downstream side, and when the adsorption amount for the sulfur component of the desulfurization part 9 is saturated and the adsorption characteristics are reduced, The new desulfurization unit 9 can be replaced. The desulfurization section 9 is filled with a zeolite-based adsorption / removal agent that adsorbs sulfur compounds, which are odorous components in city gas. Moreover, the desulfurization connection part 24 also has a valve function which controls the distribution | circulation of a raw material, for example, an electromagnetic valve is provided in a structure. In addition, the desulfurization part 9 is good also as a structure using hydrodesulfurization.

水供給部8は、流量調節機能を有するポンプを有している。原料供給部11は、脱硫部9と改質器10とを接続する原料供給経路25に配置され、改質器10に供給される原料流量を制御することによって、ガスインフラライン23から脱硫部9に供給される原料の流量を制御している。なお、原料供給部11は、脱硫部9に供給される原料流量を制御できればよく、原料供給部11の下流側に配置されていてもよい。原料供給部11はブースターポンプを有しており、例えば、入力する電流パルス、入力電力等を制御することにより、脱硫部9に供給される原料流量を調節する機能を有している。   The water supply unit 8 has a pump having a flow rate adjusting function. The raw material supply unit 11 is disposed in a raw material supply path 25 that connects the desulfurization unit 9 and the reformer 10, and controls the flow rate of the raw material supplied to the reformer 10, thereby desulfurizing unit 9 from the gas infrastructure line 23. The flow rate of the raw material supplied to is controlled. In addition, the raw material supply part 11 should just be able to control the raw material flow volume supplied to the desulfurization part 9, and may be arrange | positioned in the downstream of the raw material supply part 11. FIG. The raw material supply unit 11 has a booster pump, and has a function of adjusting the flow rate of the raw material supplied to the desulfurization unit 9 by controlling, for example, input current pulses, input power, and the like.

制御部12は、半導体メモリやCPU等により、改質器10の運転動作シーケンス、原料積算流量など運転情報等を記憶し、状況に応じた適切な動作条件を演算し、且つ、燃料電池2、水素生成装置1の水供給部8、原料供給部11、空気供給部16、切換弁3a、3b等、運転に必要な動作条件を指令する。   The control unit 12 stores the operation information such as the operation sequence of the reformer 10, the raw material integrated flow rate, and the like using a semiconductor memory, a CPU, and the like, calculates appropriate operation conditions according to the situation, and the fuel cell 2, The operating conditions necessary for operation, such as the water supply unit 8, the raw material supply unit 11, the air supply unit 16, and the switching valves 3a and 3b of the hydrogen generator 1, are commanded.

(燃料電池システムの運転動作)
以上のように構成された燃料電池システム100について、以下その動作(起動、発電、停止)を、水素生成装置1の動作を中心に説明する。
(Operation of fuel cell system)
The operation (starting, power generation, stopping) of the fuel cell system 100 configured as described above will be described below centering on the operation of the hydrogen generator 1.

先ず、停止状態から水素生成装置1を起動させる場合、制御部12からの指令により、原料は原料供給部11から原料供給経路25を通して改質器10へ供給される。蒸発部13、改質部14、変成部15、選択酸化部17を経た原料は、水素ガス供給経路4、燃料電池バイパス経路7を介して燃料供給経路6からバーナユニット5へ供給され、燃焼ファン21により燃焼空気を供給されたバーナユニット5で点火されて改質器10の加熱が開
始する。
First, when the hydrogen generator 1 is started from a stopped state, the raw material is supplied from the raw material supply unit 11 to the reformer 10 through the raw material supply path 25 according to a command from the control unit 12. The raw material that has passed through the evaporation unit 13, the reforming unit 14, the conversion unit 15, and the selective oxidation unit 17 is supplied from the fuel supply path 6 to the burner unit 5 via the hydrogen gas supply path 4 and the fuel cell bypass path 7, and is a combustion fan. The reformer 10 starts to be heated by being ignited by the burner unit 5 supplied with the combustion air by 21.

バーナユニット5による加熱開始後、水供給部8を動作させて改質器10に水を供給し、水と原料との改質反応を開始させる。本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガス(13A)を原料とする。水供給部8からの水供給流量は、都市ガスの平均分子式中の炭素原子数1モルに対して水蒸気が3モル程度になるように制御される(S/C=3程度)。   After the heating by the burner unit 5 is started, the water supply unit 8 is operated to supply water to the reformer 10 to start the reforming reaction between water and the raw material. In the present embodiment, city gas (13A) containing methane as a main component is used as a raw material. The water supply flow rate from the water supply unit 8 is controlled so that water vapor is about 3 moles per mole of carbon atoms in the average molecular formula of the city gas (S / C = about 3).

さらに、空気供給部16を動作させて改質器10に空気を供給する。空気供給部16からの空気供給流量は、酸素流量が水素含有ガスに含まれるCO流量の2倍のモル数(O2/CO=2)となるよう制御される。改質器10では、改質部14で水蒸気改質反応、変成部15で変成反応、選択酸化部17でCOの選択酸化反応を進行させる。この時、改質部14、変成部15,選択酸化部17が各反応に適した温度になるように、バーナユニット5の燃焼を制御する。   Further, the air supply unit 16 is operated to supply air to the reformer 10. The air supply flow rate from the air supply unit 16 is controlled such that the oxygen flow rate is twice the number of moles (O2 / CO = 2) of the CO flow rate contained in the hydrogen-containing gas. In the reformer 10, a steam reforming reaction is advanced in the reforming unit 14, a transformation reaction is performed in the transformation unit 15, and a selective oxidation reaction of CO is performed in the selective oxidation unit 17. At this time, the combustion of the burner unit 5 is controlled so that the reforming unit 14, the conversion unit 15, and the selective oxidation unit 17 have temperatures suitable for each reaction.

CO濃度を所定濃度(本実施の形態では、ドライガスベースで20ppm未満)まで低減させた後、切換弁3a、3bを動作させ、水素ガス供給経路4を通して水素含有ガスを燃料電池2に供給することにより、燃料電池2において発電動作が行われる。また、燃料電池2で排出される燃料は、燃料供給経路6を通り、バーナユニット5へ供給される。   After the CO concentration is reduced to a predetermined concentration (in this embodiment, less than 20 ppm on a dry gas basis), the switching valves 3a and 3b are operated to supply the hydrogen-containing gas to the fuel cell 2 through the hydrogen gas supply path 4. Thus, the power generation operation is performed in the fuel cell 2. Further, the fuel discharged from the fuel cell 2 passes through the fuel supply path 6 and is supplied to the burner unit 5.

発電動作中、制御部12は、負荷26により燃料電池システム100が要求される発電出力W等に応じて、燃料電池2に定格発電出力値Wmaxを出力し、且つ、水素生成装置1に定格発電出力値Wmaxに応じた水素含有ガスを生成させ、改質部14、変成部15,選択酸化部17が各反応に適した温度になるように、原料流量と、原料流量に応じた改質水、及び、空気流量と、バーナユニット5の燃焼(λ(燃料に対する空気比)=1.7程度)を制御する。   During the power generation operation, the control unit 12 outputs the rated power generation output value Wmax to the fuel cell 2 according to the power generation output W required by the fuel cell system 100 by the load 26 and the rated power generation to the hydrogen generator 1. A hydrogen-containing gas corresponding to the output value Wmax is generated, and the raw material flow rate and the reformed water corresponding to the raw material flow rate are set so that the reforming unit 14, the shift unit 15 and the selective oxidation unit 17 have a temperature suitable for each reaction. And the air flow rate and combustion of the burner unit 5 (λ (air ratio to fuel) = about 1.7) are controlled.

燃料電池システム100の運転を停止させる場合、制御部12からの指令により、切換弁3a、3bを動作させて、燃料電池2に供給している水素含有ガスを、燃料電池バイパス経路7を通してバーナユニット5に供給する。その後、水供給部8と原料供給部11と空気供給部16との動作を停止させて、水と原料と空気の供給を停止させ、水素生成装置1の動作を停止させる。   When stopping the operation of the fuel cell system 100, the switching valve 3 a, 3 b is operated according to a command from the control unit 12, and the hydrogen-containing gas supplied to the fuel cell 2 is passed through the fuel cell bypass path 7 to the burner unit. 5 is supplied. Thereafter, the operations of the water supply unit 8, the raw material supply unit 11, and the air supply unit 16 are stopped, the supply of water, the raw material, and the air is stopped, and the operation of the hydrogen generator 1 is stopped.

なお、水素生成装置1の停止動作には、切換弁3a、3bを動作させて改質器10を封止する動作や、改質器10が降温して体積減少する量に相当する量の原料を供給する動作等、改質器10内に外気の混入を防止する動作を併設して行うことが好ましい。   The hydrogen generator 1 is stopped when the switching valves 3a and 3b are operated to seal the reformer 10, and the amount of raw material corresponding to the amount of the reformer 10 that cools and decreases its volume. It is preferable to perform an operation for preventing the outside air from being mixed in the reformer 10 such as an operation for supplying the air.

また、図2に、燃料電池システム100の運転動作において、時間経過とともに発電出力値が変化することを示す。   FIG. 2 shows that the power generation output value changes with time in the operation of the fuel cell system 100.

燃料電池システム100の運転時間がある時間経過すると、燃料電池の発電能力低下により定格発電出力値Wmaxの低下が始まる。例えば、劣化後の任意の時間において定格発電出力値Wmaxは実際の発電出力値Wrに低下している。   When the operation time of the fuel cell system 100 elapses for a certain period of time, the rated power output value Wmax starts to decrease due to the decrease in the power generation capability of the fuel cell. For example, the rated power generation output value Wmax is reduced to the actual power generation output value Wr at an arbitrary time after deterioration.

次に、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システム100の特徴的な動作について、図3、図4を参照しながら説明する。   Next, characteristic operations of the fuel cell system 100 according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS.

図3は、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システム100の特徴的な動作の1サイクルを模式的に示すフローチャートである。なお、実際には、燃料電池システム100の発電運転の際、図3に示す1サイクルの動作が断続することなく連続して実行される。   FIG. 3 is a flowchart schematically showing one cycle of the characteristic operation of the fuel cell system 100 according to Embodiment 1 of the present invention. Actually, during the power generation operation of the fuel cell system 100, the operation of one cycle shown in FIG. 3 is continuously performed without being intermittent.

さて、燃料電池システム100が備える制御部12は、まず、選択酸化温度検出部20で検出される選択酸化温度Taと、発電出力の上限値Wと定格発電出力値Wmaxと実際の発電出力Wrを取得する(ステップS1)。   The control unit 12 included in the fuel cell system 100 first selects the selective oxidation temperature Ta detected by the selective oxidation temperature detection unit 20, the upper limit value W of the power generation output, the rated power generation output value Wmax, and the actual power generation output Wr. Obtain (step S1).

そして、制御部12は、選択酸化温度Taが制御部12の記憶部に予め設定される選択酸化温度閾値T1を超えるか否か、を判定する(ステップS2)。ここで、制御部12が、選択酸化温度Taが選択酸化温度閾値T1以下と判定した場合(ステップS2でYES)、発電出力の上限値WをWmaxに設定する(ステップS3)。   And the control part 12 determines whether the selective oxidation temperature Ta exceeds the selective oxidation temperature threshold value T1 preset in the memory | storage part of the control part 12 (step S2). Here, when the control unit 12 determines that the selective oxidation temperature Ta is equal to or lower than the selective oxidation temperature threshold T1 (YES in step S2), the upper limit value W of the power generation output is set to Wmax (step S3).

ここで、制御部12が、選択酸化温度Taが選択酸化温度閾値T1を超えると判定した場合(ステップS4でYES)、制御部12は、発電出力の上限値WをW2=(W1−△W)に下げる。(ステップS5)。W1は定格発電出力値Wmaxより低い値である。例えば、空気流量指令値がO2/CO=2.0相当のとき、選択酸化部の温度が熱暴走に至らない発電出力、または、その上限である。△Wは定格発電出力値Wmaxから実際の発電出力Wrを差し引いた値である。   Here, when the control unit 12 determines that the selective oxidation temperature Ta exceeds the selective oxidation temperature threshold T1 (YES in step S4), the control unit 12 sets the upper limit value W of the power generation output to W2 = (W1−ΔW). ). (Step S5). W1 is a value lower than the rated power generation output value Wmax. For example, when the air flow rate command value is equivalent to O2 / CO = 2.0, the temperature of the selective oxidation unit is the power generation output at which thermal runaway does not occur, or the upper limit thereof. ΔW is a value obtained by subtracting the actual power generation output Wr from the rated power generation output value Wmax.

つまり、選択酸化温度が閾値T1を超えたとき、発電出力の上限値WをW2=(W1−△W)に下げることにより、水素生成装置1で生成する水素含有ガス流量が下がるため、改質部14に供給される原料流量、及び、選択酸化部17に供給される原料流量に応じて決まる空気流量の指令値の基準値を下げることができる。したがって、選択酸化部17の温度を選択酸化反応に適した温度域まで下げることができ、選択酸化部17の温度の熱暴走を十分に防止することができる。また、水素含有ガスに含まれるCO濃度が20ppm未満となるので、燃料電池2のCO被毒による発電出力の低下、あるいは、燃料電池2の寿命低下を防止することができる。   In other words, when the selective oxidation temperature exceeds the threshold value T1, the upper limit value W of the power generation output is lowered to W2 = (W1−ΔW), so that the flow rate of hydrogen-containing gas generated in the hydrogen generator 1 is reduced. The reference value of the command value of the air flow rate determined according to the raw material flow rate supplied to the unit 14 and the raw material flow rate supplied to the selective oxidation unit 17 can be lowered. Therefore, the temperature of the selective oxidation unit 17 can be lowered to a temperature range suitable for the selective oxidation reaction, and thermal runaway of the temperature of the selective oxidation unit 17 can be sufficiently prevented. Further, since the CO concentration contained in the hydrogen-containing gas is less than 20 ppm, it is possible to prevent a decrease in power generation output due to CO poisoning of the fuel cell 2 or a decrease in the life of the fuel cell 2.

また、図4において、燃料電池システム100が備える制御部12は、まず、選択酸化温度検出部20で検出される選択酸化温度Taと、燃料電池から取り出す電流の上限値Iと発電出力の上限値WがW2となるように、電流の上限値IをImaxより低い値であるI1を取得する(ステップS6)。   In FIG. 4, the control unit 12 included in the fuel cell system 100 first selects the selective oxidation temperature Ta detected by the selective oxidation temperature detection unit 20, the upper limit value I of the current extracted from the fuel cell, and the upper limit value of the power generation output. I1 which is a value lower than Imax is acquired as the upper limit value I of the current so that W becomes W2 (step S6).

そして、制御部12は、選択酸化温度Taが制御部12の記憶部に予め設定される選択酸化温度閾値T1を超えるか否か、を判定する(ステップS7)。ここで、制御部12が、選択酸化温度Taが選択酸化温度閾値T1以下と判定した場合(ステップS7でYES)、電流の上限値IをImaxに設定する(ステップS8)。   And the control part 12 determines whether the selective oxidation temperature Ta exceeds the selective oxidation temperature threshold value T1 preset in the memory | storage part of the control part 12 (step S7). Here, when the control unit 12 determines that the selective oxidation temperature Ta is equal to or lower than the selective oxidation temperature threshold T1 (YES in step S7), the upper limit value I of current is set to Imax (step S8).

ここで、制御部12が、選択酸化温度Taが選択酸化温度閾値T1を超えると判定した場合(ステップS9でYES)、制御部12は、発電出力の上限値WがW2となるように、電流の上限値IをImaxより低い値であるI1に設定する(ステップS10)。   Here, when the control unit 12 determines that the selective oxidation temperature Ta exceeds the selective oxidation temperature threshold T1 (YES in step S9), the control unit 12 sets the current so that the upper limit value W of the power generation output becomes W2. Is set to I1, which is a value lower than Imax (step S10).

(実施の形態2)
〈燃料電池システムの構成〉と〈燃料電池システムの運転動作〉は実施の形態1と同じのため省略する。
(Embodiment 2)
<Configuration of the fuel cell system> and <Operation of the fuel cell system> are the same as those in the first embodiment, and are omitted.

次に、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システム100の特徴的な動作について、図5、図6を参照しながら説明する。   Next, characteristic operations of the fuel cell system 100 according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIGS.

さて、燃料電池システム100が備える制御部12は、まず、選択酸化温度検出部20で検出される選択酸化温度Taと、発電出力の上限値Wと定格発電出力値Wmaxと実際の発電出力Wrを取得する(ステップS11)。   The control unit 12 included in the fuel cell system 100 first selects the selective oxidation temperature Ta detected by the selective oxidation temperature detection unit 20, the upper limit value W of the power generation output, the rated power generation output value Wmax, and the actual power generation output Wr. Obtain (step S11).

そして、制御部12は、選択酸化温度Taが制御部12の記憶部に予め設定される選択酸化温度閾値T1を超え(ステップS12)た後、選択酸化温度閾値T1以下と判定した場合(ステップS14)、発電出力の上限値WをWmaxに設定する(ステップS15)。   When the control unit 12 exceeds the selective oxidation temperature threshold T1 preset in the storage unit of the control unit 12 (step S12) and then determines that the selective oxidation temperature Ta is equal to or lower than the selective oxidation temperature threshold T1 (step S14). ), The upper limit W of the power generation output is set to Wmax (step S15).

また、図6において、燃料電池システム100が備える制御部12は、まず、選択酸化温度検出部20で検出される選択酸化温度Taと、燃料電池から取り出す電流の上限値Iと発電出力の上限値WがW2となるように、電流の上限値IをImaxより低い値であるI1を取得する(ステップS6)。   In FIG. 6, the control unit 12 included in the fuel cell system 100 first selects the selective oxidation temperature Ta detected by the selective oxidation temperature detection unit 20, the upper limit value I of the current extracted from the fuel cell, and the upper limit value of the power generation output. I1 which is a value lower than Imax is acquired as the upper limit value I of the current so that W becomes W2 (step S6).

そして、制御部12は、選択酸化温度Taが制御部12の記憶部に予め設定される選択酸化温度閾値T1を超え(ステップS17)た後、選択酸化温度閾値T1以下と判定した場合(ステップS19)、電流の上限値IをImaxに設定する(ステップS20)。   When the control unit 12 exceeds the selective oxidation temperature threshold T1 preset in the storage unit of the control unit 12 (step S17) and then determines that the selective oxidation temperature Ta is equal to or lower than the selective oxidation temperature threshold T1 (step S19). ), The upper limit value I of the current is set to Imax (step S20).

(実施例1)
次に、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システム100、及び、水素生成装置1の特徴的な動作を、図3、及び、図8を参照しながら説明する。
Example 1
Next, characteristic operations of the fuel cell system 100 and the hydrogen generator 1 according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 8.

まず、図7は、燃料電池2が要求される発電出力と、燃料電池2が要求される発電出力に追従するよう燃料電池2に指令される発電出力指令値と、空気供給部16に指令される空気流量指令値と、選択酸化温度検出部20で検出された選択酸化温度との時間変化を表したグラフで、選択酸化部17が熱暴走に至るときの選択酸化温度挙動を示している。   First, in FIG. 7, the power generation output required by the fuel cell 2, the power generation output command value commanded to the fuel cell 2 to follow the power generation output required by the fuel cell 2, and the air supply unit 16 are commanded. The graph showing the time change between the air flow rate command value and the selective oxidation temperature detected by the selective oxidation temperature detection unit 20 shows the selective oxidation temperature behavior when the selective oxidation unit 17 reaches thermal runaway.

正常時は、選択酸化温度が安定しているのに対し、異常時は、選択酸化温度が過度に上昇し、さらに、選択酸化反応に加えてメタン化反応が始まり、選択酸化部17の温度が熱暴走(急上昇)に至っている。   When normal, the selective oxidation temperature is stable, whereas when abnormal, the selective oxidation temperature rises excessively, and in addition to the selective oxidation reaction, a methanation reaction starts, and the temperature of the selective oxidation unit 17 increases. Thermal runaway (rapid rise) has been reached.

なお、異常の原因は、例えば、燃料電池システム100の長期運転等により、選択酸化部17に供給される空気と水素含有ガスとの混合が不均一になった、または、選択酸化部17に供給される空気と水素含有ガスとの混合ガスの流れに偏流が生じた等、水素生成装置1に何らかの変化が生じ、選択酸化部17において、局所的にCO流量に対する空気流量の割合が高い部分や、また、CO流量、及び、空気流量の絶対流量が高い部分ができ、その部分において、選択酸化反応(発熱反応)が加速され、選択酸化部17の一部の温度が過度に上昇し、それに引きずられて、選択酸化部17全体の温度が上昇する等が考えられる。   The cause of the abnormality is, for example, that the mixture of the air and the hydrogen-containing gas supplied to the selective oxidation unit 17 becomes non-uniform due to the long-term operation of the fuel cell system 100, or the supply to the selective oxidation unit 17 Some change occurs in the hydrogen generator 1 such as a drift in the flow of the mixed gas of the air and the hydrogen-containing gas to be generated, and in the selective oxidation unit 17 a portion where the ratio of the air flow rate to the CO flow rate is locally high or In addition, there is a portion where the absolute flow rate of the CO flow rate and the air flow rate is high, in which the selective oxidation reaction (exothermic reaction) is accelerated, and the temperature of a part of the selective oxidation unit 17 rises excessively. It is conceivable that the temperature of the selective oxidation unit 17 as a whole increases due to the drag.

次に、図8は、本発明の特徴的な動作である、ステップS1、S2、S4、S5の動作による選択酸化温度挙動を示している。   Next, FIG. 8 shows a selective oxidation temperature behavior by the operations of steps S1, S2, S4, and S5, which are characteristic operations of the present invention.

まず、時間がt1のとき、ステップS1において、選択酸化温度検出部20で検出される選択酸化温度Taと、現在の発電出力の上限値Wと定格発電出力値Wmaxと実際の発電出力Wrを取得する。   First, at time t1, in step S1, the selective oxidation temperature Ta detected by the selective oxidation temperature detector 20, the upper limit value W of the current power generation output, the rated power generation output value Wmax, and the actual power generation output Wr are acquired. To do.

次に、ステップS4において、制御部12は、選択酸化温度が制御部12の記憶部に予め設定される選択酸化温度閾値を超えると判定する。なお、選択酸化温度閾値は、選択酸化部17が熱暴走に至らない温度として設定した。   Next, in step S <b> 4, the control unit 12 determines that the selective oxidation temperature exceeds the selective oxidation temperature threshold set in advance in the storage unit of the control unit 12. The selective oxidation temperature threshold was set as a temperature at which the selective oxidation unit 17 does not cause thermal runaway.

次に、ステップS5において、制御部12は、発電出力の上限値WをW2=(W1−△W)に下げる。つまり、選択酸化温度が閾値を超えたとき、発電出力の上限値WをW2=
(W1−△W)に下げることにより、水素生成装置1で生成する水素含有ガス流量が下がるため、改質部14に供給される原料流量、及び、選択酸化部17に供給される原料流量に応じて決まる空気流量の指令値の基準値を下げることができる。したがって、O2/COを大幅に下げることなく、選択酸化部17の温度を選択酸化反応に適した温度域まで下げることができ、選択酸化部17の温度の熱暴走を十分に防止することができる。また、水素含有ガスに含まれるCO濃度が20ppm未満となるので、燃料電池2のCO被毒による発電出力の低下、あるいは、燃料電池2の寿命低下を防止することができる。
Next, in step S5, the control unit 12 lowers the upper limit value W of the power generation output to W2 = (W1−ΔW). That is, when the selective oxidation temperature exceeds the threshold value, the upper limit value W of the power generation output is set to W2 =
By reducing to (W1-ΔW), the flow rate of the hydrogen-containing gas produced in the hydrogen generator 1 is lowered, so that the raw material flow rate supplied to the reforming unit 14 and the raw material flow rate supplied to the selective oxidation unit 17 are reduced. The reference value of the command value of the air flow rate determined accordingly can be lowered. Therefore, the temperature of the selective oxidation unit 17 can be lowered to a temperature range suitable for the selective oxidation reaction without significantly reducing O2 / CO, and thermal runaway of the temperature of the selective oxidation unit 17 can be sufficiently prevented. . Further, since the CO concentration contained in the hydrogen-containing gas is less than 20 ppm, it is possible to prevent a decrease in power generation output due to CO poisoning of the fuel cell 2 or a decrease in the life of the fuel cell 2.

(実施例2)
次に、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システム100、及び、水素生成装置1の特徴的な動作を、図5、及び、図10を参照しながら説明する。
(Example 2)
Next, characteristic operations of the fuel cell system 100 and the hydrogen generator 1 according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 and 10.

図5、図10のステップS11、S12、S14、S15動作は図3、図8で説明したステップS1、S2、S4、S5の動作のあとにS4からS2に移行する動作を加えたときの選択酸化温度挙動を表している。   Steps S11, S12, S14, and S15 in FIGS. 5 and 10 are selected when an operation for shifting from S4 to S2 is added after the operations in steps S1, S2, S4, and S5 described in FIGS. It represents the oxidation temperature behavior.

まず、時間t2のとき、ステップS14において、制御部12は選択酸化温度が選択酸化温度閾値以下であると判定する。次に、ステップS15において、制御部12は発電出力の上限値WをWmaxとする。   First, at time t2, in step S14, the control unit 12 determines that the selective oxidation temperature is equal to or lower than the selective oxidation temperature threshold. Next, in step S15, the control unit 12 sets the upper limit value W of the power generation output to Wmax.

つまり、選択酸化温度が閾値T2以下になったとき、選択酸化部17の温度が熱暴走に至る恐れがないため、発電出力の上限値Wを、Wmaxに戻すことができる。したがって、燃料電池2が要求される発電出力を発電することができる。また、O2/COが上がるため、水素含有ガスに含まれるCO濃度が20ppm未満であり、燃料電池2のCO被毒による発電出力の低下、あるいは、燃料電池2の寿命低下を防止することができる。   That is, when the selective oxidation temperature becomes equal to or lower than the threshold value T2, the temperature of the selective oxidation unit 17 is not likely to cause thermal runaway, so the upper limit value W of the power generation output can be returned to Wmax. Therefore, the power generation output required by the fuel cell 2 can be generated. Further, since O2 / CO increases, the CO concentration contained in the hydrogen-containing gas is less than 20 ppm, and it is possible to prevent a decrease in power generation output due to CO poisoning of the fuel cell 2 or a decrease in the life of the fuel cell 2. .

なお、ステップS1、S2、S4、S14、S15の動作がENDに移行後、再び、STARTに戻り、動作が繰り返される。   In addition, after the operation of steps S1, S2, S4, S14, and S15 shifts to END, the operation returns to START again and the operation is repeated.

以上のように、本発明に係る燃料電池システムは、選択酸化部の温度の熱暴走を十分に防止することができる。さらに、燃料電池のCO被毒による発電出力の低下、または、発電停止、あるいは、燃料電池の寿命低下を防止することができるので、さらに、太陽光発電システム、蓄電池等を組み合わせた用途にも適用できる。   As described above, the fuel cell system according to the present invention can sufficiently prevent thermal runaway at the temperature of the selective oxidation unit. Furthermore, since it is possible to prevent a decrease in power generation output due to CO poisoning of the fuel cell, a stoppage of power generation, or a decrease in the life of the fuel cell, it is also applicable to applications that combine a solar power generation system, a storage battery, etc. it can.

1 水素生成装置
2 燃料電池
3a 切換弁
3b 切換弁
4 水素ガス供給経路
5 バーナユニット
6 燃料供給経路
7 燃料電池バイパス経路
8 水供給部
9 脱硫部
10 改質器
11 原料供給部
12 制御部
13 蒸発部
14 改質部
15 変成部
16 空気供給部
17 選択酸化部
18 改質温度検出部
19 変成温度検出部
20 選択酸化温度検出部
21 燃焼ファン
22 内筒
23 ガスインフラライン
24 脱硫接続部
25 原料供給経路
26 負荷
100 燃料電池システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen generator 2 Fuel cell 3a Switching valve 3b Switching valve 4 Hydrogen gas supply path 5 Burner unit 6 Fuel supply path 7 Fuel cell bypass path 8 Water supply part 9 Desulfurization part 10 Reformer 11 Raw material supply part 12 Control part 13 Evaporation Unit 14 Reforming unit 15 Transformation unit 16 Air supply unit 17 Selective oxidation unit 18 Reforming temperature detection unit 19 Transformation temperature detection unit 20 Selective oxidation temperature detection unit 21 Combustion fan 22 Inner cylinder 23 Gas infrastructure line 24 Desulfurization connection unit 25 Raw material supply Path 26 Load 100 Fuel cell system

Claims (4)

原料と水とが供給されて改質反応により水素含有ガスを生成する改質部、選択酸化空気が供給されて選択酸化反応により前記改質部により生成された前記水素含有ガス中の一酸化炭素濃度をさらに低減する選択酸化部、及び、前記選択酸化部の温度を検出する選択酸化温度検出部、を備える水素生成装置と、
前記選択酸化部で一酸化炭素濃度が低減された前記水素含有ガスと酸素含有ガスとが供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の発電出力の上限値Wを設定する制御部と、
前記制御部が定格発電出力値Wmaxで出力するよう燃料電池へ指令した場合の前記燃料電池の実際の発電出力Wrを記憶する記憶部と、
を備え、
前記定格発電出力Wmaxから前記実際の発電出力Wrを引いた値を差分△Wとし、
前記制御部は、前記選択酸化部の温度が閾値T以下である場合に、前記発電出力の上限値WをWmaxに設定し、前記選択酸化部の温度が閾値Tを超えた場合に、前記発電出力の上限値WをWmaxより低い値であるW1から前記差分△Wを差し引いた値W2に設定する、燃料電池システム。
A reforming unit that supplies a raw material and water to generate a hydrogen-containing gas by a reforming reaction, and carbon monoxide in the hydrogen-containing gas that is generated by the reforming unit by a selective oxidation reaction that is supplied with selective oxidation air A hydrogen generator comprising: a selective oxidation unit that further reduces the concentration; and a selective oxidation temperature detection unit that detects a temperature of the selective oxidation unit;
A fuel cell that generates power by being supplied with the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas having a reduced carbon monoxide concentration in the selective oxidation unit;
A control unit for setting an upper limit value W of the power generation output of the fuel cell;
A storage unit that stores an actual power generation output Wr of the fuel cell when the control unit instructs the fuel cell to output at a rated power generation output value Wmax;
With
A value obtained by subtracting the actual power generation output Wr from the rated power generation output Wmax is defined as a difference ΔW.
The control unit sets an upper limit value W of the power generation output to Wmax when the temperature of the selective oxidation unit is equal to or lower than a threshold T, and when the temperature of the selective oxidation unit exceeds the threshold T, the power generation A fuel cell system in which an upper limit value W of output is set to a value W2 obtained by subtracting the difference ΔW from W1 which is a value lower than Wmax.
前記制御部は、前記燃料電池から取り出す電流の上限値Iを設定し、
前記選択酸化部の温度が閾値T以下である場合に、前記電流の上限値IをImaxに設定し、前記選択酸化部の温度が閾値Tを超えた場合に、前記発電出力の上限値WがW2となるように、前記電流の上限値IをImaxより低い値であるI1に設定する、請求項1に記載の燃料電池システム。
The control unit sets an upper limit value I of a current to be extracted from the fuel cell,
When the temperature of the selective oxidation unit is equal to or lower than the threshold value T, the upper limit value I of the current is set to Imax, and when the temperature of the selective oxidation unit exceeds the threshold value T, the upper limit value W of the power generation output is The fuel cell system according to claim 1, wherein the upper limit value I of the current is set to I1 which is a value lower than Imax so as to be W2.
前記制御部は、前記選択酸化部の温度が、閾値Tを超えた後、閾値T以下となった場合、前記燃料電池の発電出力の上限値WをWmaxに設定する、請求項1又は2に記載の燃料電池システム。   The control unit sets the upper limit value W of the power generation output of the fuel cell to Wmax when the temperature of the selective oxidation unit becomes equal to or lower than the threshold value T after exceeding the threshold value T. The fuel cell system described. 前記制御部は、前記選択酸化部の温度が、閾値Tを超えた後、閾値T以下となった場合、前記電流の上限値IをImaxに設定する、請求項3に記載の燃料電池システム。   4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the control unit sets the upper limit value I of the current to Imax when the temperature of the selective oxidation unit exceeds the threshold value T and then becomes equal to or lower than the threshold value T. 5.
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