JP2015011885A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress deterioration of a catalyst in a modifier due to a situation in which at the time of partial oxidation modification operation, the catalyst locally increases to high temperature.SOLUTION: At the time of partial oxidation modification operation, the temperature of a catalyst at a gas flow upstream part in a modifier 13 locally exceeds a catalyst deterioration temperature, so that the catalyst deteriorates in an early stage. Accordingly, a fuel inlet part 181 of a combustion chamber 17 is disposed closer to a gas flow downstream side in the combustion chamber 17 than a position at which at the time of partial oxidation modification operation, the fuel inlet part 181 is adjacent to an in-modifier high-temperature region a that is subjected to a high temperature in the modifier 13. With this, part of the catalyst around the in-modifier high-temperature region a is prevented from being heated by a combustion gas in the combustion chamber 17. Also, part of the catalyst around the in-modifier high-temperature region a is cooled before air before it is mixed with fuel.

Description

本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas.

従来、都市ガス等の原料を改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質器を備える固体酸化物型の燃料電池システムが提案されている。   Conventionally, a solid oxide fuel cell system including a reformer that reforms a raw material such as city gas to generate a fuel gas containing hydrogen has been proposed.

また、水蒸気改質を行う燃料電池システムでは、水蒸気改質反応が進む600℃程度に改質器内の触媒を昇温するために、システムの起動時には部分酸化改質の反応熱により改質器を加熱するとともに、酸化剤ガスのオフガスと燃料ガスのオフガスとを燃焼させてその熱により改質器全体を一様に加熱する(例えば、特許文献1参照)。   In addition, in a fuel cell system that performs steam reforming, the temperature of the catalyst in the reformer is raised to about 600 ° C. in which the steam reforming reaction proceeds. And the oxidant gas off-gas and fuel gas off-gas are combusted and the entire reformer is uniformly heated by the heat (see, for example, Patent Document 1).

特許第4369685号明細書Japanese Patent No. 4369585

ここで、図5の破線は、従来の燃料電池システムの部分酸化改質運転時の改質器内温度分布特性を示している。この図5に示すように、従来の燃料電池システムでは、オフガスの燃焼熱により改質器全体を一様に加熱しているものの、部分酸化改質反応は炭化水素の完全酸化反応と水蒸気改質反応が連続的に起こるものであり、この炭化水素の完全酸化反応によって、改質器内におけるガス流れ上流部(すなわち、改質器入口直後)が改質器内において最も高温になる。   Here, the broken line in FIG. 5 shows the temperature distribution characteristics in the reformer during the partial oxidation reforming operation of the conventional fuel cell system. As shown in FIG. 5, in the conventional fuel cell system, although the entire reformer is uniformly heated by the combustion heat of off-gas, the partial oxidation reforming reaction is a complete oxidation reaction of hydrocarbon and steam reforming. The reaction takes place continuously, and the complete oxidation reaction of the hydrocarbon causes the gas flow upstream portion in the reformer (that is, immediately after the reformer inlet) to have the highest temperature in the reformer.

そして、部分酸化改質運転時には、改質器内におけるガス流れ上流部の触媒温度が局所的に触媒劣化温度を超えてしまい、触媒が早期に劣化してしまうという問題があった。   In the partial oxidation reforming operation, the catalyst temperature in the upstream portion of the gas flow in the reformer locally exceeds the catalyst deterioration temperature, and the catalyst deteriorates early.

本発明は上記点に鑑みて、部分酸化改質運転時に改質器内の触媒が局所的に高温になることによる触媒の劣化を抑制することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to suppress catalyst deterioration due to local high temperature of a catalyst in a reformer during partial oxidation reforming operation.

上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池(10)と、改質対象流体を触媒にて改質して燃料ガスを生成する改質器(13)と、空気と燃料を燃焼させて改質器を昇温させるための昇温用ガスを生成する燃焼器(17)とを備え、改質器と燃焼器は、熱伝達可能に接触して配置され、燃焼器における空気の入口部(191)は、改質器における改質対象流体の入口部(141、161)に隣接して配置され、燃焼器における昇温用ガスの出口部(241)は、改質器における燃料ガスの出口部(111)に隣接して配置され、燃焼器における燃料の入口部(181)は、部分酸化改質運転時に改質器内において高温になる改質器内高温部位(a)に隣接する位置よりも、燃焼器内のガス流れ下流側に配置されていることを特徴とする。   To achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a fuel cell (10) that generates electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas, and a reforming target fluid are reformed by a catalyst. And a reformer (13) that generates fuel gas, and a combustor (17) that generates gas for raising the temperature of the reformer by burning air and fuel. And the combustor are disposed in contact with each other so that heat can be transferred, and the air inlet portion (191) in the combustor is disposed adjacent to the inlet portion (141, 161) of the fluid to be reformed in the reformer, The temperature rising gas outlet (241) in the combustor is disposed adjacent to the fuel gas outlet (111) in the reformer, and the fuel inlet (181) in the combustor is partially oxidized and reformed. High temperature part in the reformer that becomes high temperature in the reformer during operation (a) Than the adjacent positions, characterized in that it is arranged in the gas flow downstream of the combustor.

これによると、部分酸化改質運転時に改質器内において高温になる部位の触媒は、燃焼器に供給される空気にて冷却され、部分酸化改質運転時に改質器内において高温になる部位よりも下流側の触媒は、燃焼器内で空気と燃料を燃焼させて生成される昇温用ガスにて加熱される。   According to this, the part of the catalyst that becomes high in the reformer during the partial oxidation reforming operation is cooled by the air supplied to the combustor, and the part that becomes high in the reformer during the partial oxidation reforming operation. The catalyst on the further downstream side is heated by a temperature raising gas generated by burning air and fuel in the combustor.

換言すると、部分酸化改質運転時に改質器内において高温になる部位の触媒は冷却され、部分酸化改質運転時に改質器内において低温になる部位の触媒は加熱されるため、部分酸化改質運転時の改質器内の触媒温度分布は平滑化され、部分酸化改質運転時に改質器内の触媒が局所的に高温になることを防止でき、ひいては触媒の劣化を抑制することができる。   In other words, the catalyst at the high temperature site in the reformer during the partial oxidation reforming operation is cooled, and the catalyst at the low temperature site in the reformer during the partial oxidation reforming operation is heated. The catalyst temperature distribution in the reformer during the quality operation is smoothed, and the catalyst in the reformer can be prevented from becoming locally hot during the partial oxidation reforming operation, thereby suppressing the deterioration of the catalyst. it can.

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 図1の改質器および燃焼器の斜視図である。It is a perspective view of the reformer and combustor of FIG. 第1実施形態において実行されるシステム起動時のプログラムのフローチャートである。It is a flowchart of the program at the time of system starting performed in 1st Embodiment. 第1実施形態に係る燃料電池システムの作動説明に供するタイムチャートである。It is a time chart with which it uses for operation | movement description of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment. 部分酸化改質運転時の改質器内温度分布を示す図である。It is a figure which shows the temperature distribution in the reformer at the time of a partial oxidation reforming operation. 水蒸気改質運転時の改質器内温度分布を示す図である。It is a figure which shows the temperature distribution in the reformer at the time of a steam reforming driving | operation. 本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムの改質器および燃焼器の構成図である。It is a block diagram of the reformer and combustor of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る燃料電池システムの改質器および燃焼器の構成図である。It is a block diagram of the reformer and combustor of the fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 図8の改質器および燃焼器の斜視図である。It is a perspective view of the reformer and combustor of FIG. 本発明の第4実施形態に係る燃料電池システムの改質器および燃焼器の構成図である。It is a block diagram of the reformer and combustor of the fuel cell system which concerns on 4th Embodiment of this invention. 図10の改質器および燃焼器の斜視図である。It is a perspective view of the reformer and combustor of FIG.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について図1、図2に基づいて説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

この燃料電池システムは、燃料を水蒸気改質することによって生成した水素(および一酸化炭素)を含む燃料ガスと空気中に含まれる酸素(酸化剤ガス)とを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池10を備えている。本実施形態の燃料電池10は、作動温度が高温となる固体酸化物型燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)で構成されている。   This fuel cell system generates electric energy by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen (and carbon monoxide) generated by steam reforming the fuel and oxygen (oxidant gas) contained in the air. A fuel cell 10 is provided. The fuel cell 10 of the present embodiment is configured by a solid oxide fuel cell (SOFC) whose operating temperature is high.

燃料電池10には、炭化水素系の燃料(水蒸気を含む燃料ガスを含む)および空気が供給流体として供給される。具体的には、燃料電池10の燃料極側には、燃料ガスを供給するためのFC燃料供給経路11が接続され、燃料電池10の空気極側には、空気を供給するためのFC空気供給経路12が接続されている。   The fuel cell 10 is supplied with hydrocarbon-based fuel (including fuel gas containing water vapor) and air as supply fluids. Specifically, an FC fuel supply path 11 for supplying fuel gas is connected to the fuel electrode side of the fuel cell 10, and an FC air supply for supplying air is supplied to the air electrode side of the fuel cell 10. The path 12 is connected.

そして、燃料電池10では、FC燃料供給経路11を介して水素を含む燃料ガスが供給され、FC空気供給経路12を介して酸素を含む空気が供給されることにより、以下の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。   In the fuel cell 10, fuel gas containing hydrogen is supplied via the FC fuel supply path 11, and air containing oxygen is supplied via the FC air supply path 12, thereby causing the following electrochemical reaction. Electric energy is generated.

(燃料極)H2+O2-→H2O+2e-
(空気極)1/2O2+2e-→O2-
燃料電池10は、燃料電池10の温度を検出してその温度に応じた電気信号を図示しない電子制御装置に出力する燃料電池温度センサ101を備えている。燃料電池温度センサ101は、燃料電池10の平均的な温度が検出される部位に配置される。なお、燃料電池温度センサ101は、例えば熱電対を用いることができる。また、電子制御装置は、CPU、RAM、ROM、EEPROM等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行うものである。
(Fuel electrode) H 2 + O 2− → H 2 O + 2e
(Air electrode) 1 / 2O 2 + 2e → O 2−
The fuel cell 10 includes a fuel cell temperature sensor 101 that detects the temperature of the fuel cell 10 and outputs an electric signal corresponding to the temperature to an electronic control device (not shown). The fuel cell temperature sensor 101 is disposed at a portion where the average temperature of the fuel cell 10 is detected. For example, a thermocouple can be used as the fuel cell temperature sensor 101. The electronic control unit includes a known microcomputer including a CPU, RAM, ROM, EEPROM, and the like, and performs arithmetic processing according to a program stored in the microcomputer.

FC燃料供給経路11の燃料流れ上流側に改質器13が設けられている。この改質器13には、改質器燃料供給経路14を介して炭化水素系の燃料が供給され、改質器空気供給経路15を介して空気が供給され、改質器水蒸気供給経路16を介して水蒸気が供給される。   A reformer 13 is provided on the fuel flow upstream side of the FC fuel supply path 11. The reformer 13 is supplied with a hydrocarbon-based fuel via a reformer fuel supply path 14, supplied with air via a reformer air supply path 15, and passed through a reformer steam supply path 16. The water vapor is supplied through.

改質器13の容器は、直方体であり、金属(例えば、SUS)よりなる。そして、改質器燃料供給経路14、改質器空気供給経路15、および改質器水蒸気供給経路16は、改質器13の一端面に接続されている。また、FC燃料供給経路11は、改質器13の他端面に接続されている。なお、図1中の矢印Aは、改質器13内のガス流れを示している。   The container of the reformer 13 is a rectangular parallelepiped, and is made of metal (for example, SUS). The reformer fuel supply path 14, the reformer air supply path 15, and the reformer steam supply path 16 are connected to one end surface of the reformer 13. Further, the FC fuel supply path 11 is connected to the other end surface of the reformer 13. An arrow A in FIG. 1 indicates the gas flow in the reformer 13.

改質器13は、部分酸化改質機能と水蒸気改質機能とを併せ持つ触媒が改質器容器内に収容されており、改質対象流体としての混合ガスを触媒にて改質して、水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する。   In the reformer 13, a catalyst having both a partial oxidation reforming function and a steam reforming function is accommodated in a reformer vessel, and a mixed gas as a reforming target fluid is reformed by the catalyst to generate hydrogen. And a fuel gas containing carbon monoxide.

なお、改質器燃料供給経路14が改質器13の容器に接続された部位141、および改質器水蒸気供給経路16が改質器13の容器に接続された部位161は、本発明の改質対象流体(水蒸気と燃料の混合ガス)の入口部に相当する。また、FC燃料供給経路11が改質器13の容器に接続された部位111は、本発明の燃料ガスの出口部に相当する。   Note that the portion 141 where the reformer fuel supply path 14 is connected to the container of the reformer 13 and the portion 161 where the reformer steam supply path 16 is connected to the container of the reformer 13 are modified according to the present invention. It corresponds to the inlet of the target fluid (mixed gas of water vapor and fuel). The portion 111 where the FC fuel supply path 11 is connected to the container of the reformer 13 corresponds to the fuel gas outlet of the present invention.

改質器13は、改質器13内の触媒温度等を検出してその温度に応じた電気信号を電子制御装置に出力する、改質器第1温度センサ131、改質器第2温度センサ132、改質器第3温度センサ133、および改質器第4温度センサ134を備えている。   The reformer 13 detects a catalyst temperature or the like in the reformer 13 and outputs an electric signal corresponding to the temperature to the electronic control device. The reformer first temperature sensor 131 and the reformer second temperature sensor 132, a reformer third temperature sensor 133, and a reformer fourth temperature sensor 134 are provided.

改質器第1温度センサ131は、改質器13における混合ガスの入口部に配置されて、その部位での混合ガスの温度(以下、改質器入口部ガス温度という)を検出する。   The reformer first temperature sensor 131 is disposed at the inlet of the mixed gas in the reformer 13 and detects the temperature of the mixed gas at that portion (hereinafter referred to as the reformer inlet gas temperature).

ここで、図1中の破線aは、部分酸化改質運転時に改質器13内において最も高温になる改質器内高温部位を示している。因みに、改質器内高温部位aは、改質器13における混合ガスの入口部の直後の位置にある。   Here, a broken line a in FIG. 1 indicates a high temperature portion in the reformer that is the highest temperature in the reformer 13 during the partial oxidation reforming operation. Incidentally, the high temperature portion a in the reformer is located immediately after the mixed gas inlet portion in the reformer 13.

そして、温度検出手段としての改質器第2温度センサ132は、改質器内高温部位aの触媒温度(以下、高温部触媒温度という)が検出される部位に配置される。   The reformer second temperature sensor 132 as temperature detecting means is disposed at a site where the catalyst temperature of the high temperature site a in the reformer (hereinafter referred to as the high temperature catalyst temperature) is detected.

また、改質器第3温度センサ133は、部分酸化改質運転時に改質器13内の平均的な触媒温度(以下、平均触媒温度という)が検出される部位に配置される。   The reformer third temperature sensor 133 is disposed at a portion where an average catalyst temperature in the reformer 13 (hereinafter referred to as an average catalyst temperature) is detected during the partial oxidation reforming operation.

さらに、改質器第4温度センサ134は、改質器13における燃料ガスの出口部に配置されて、その部位での触媒温度(以下、出口部触媒温度という)を検出する。   Furthermore, the reformer fourth temperature sensor 134 is disposed at the fuel gas outlet of the reformer 13 and detects the catalyst temperature at that portion (hereinafter referred to as outlet catalyst temperature).

燃料電池システムは、燃焼器17を備えている。この燃焼器17には、燃焼器燃料供給経路18を介して炭化水素系の燃料が供給され、燃焼器空気供給経路19を介して空気が供給される。燃焼器空気供給経路19には、燃焼器空気供給経路19を介して燃焼器17に供給される空気の流量を調整する流量調整弁20が配置されている。そして、燃焼器17は、点火プラグ21を備え、供給された空気と燃料の混合気に点火プラグ21にて着火し、混合気を燃焼させて昇温用ガスとしての高温の燃焼ガスを生成する。   The fuel cell system includes a combustor 17. The combustor 17 is supplied with hydrocarbon-based fuel via a combustor fuel supply path 18 and supplied with air via a combustor air supply path 19. The combustor air supply path 19 is provided with a flow rate adjusting valve 20 that adjusts the flow rate of air supplied to the combustor 17 via the combustor air supply path 19. The combustor 17 includes a spark plug 21, and the supplied air / fuel mixture is ignited by the spark plug 21, and the mixture is combusted to generate a high-temperature combustion gas as a temperature raising gas. .

また、燃焼器17には、燃料電池10の燃料極側排ガスに含まれる未反応水素(以下、オフガスという)が第1オフガス供給経路22を介して供給され、燃料電池10の空気極側排ガスに含まれる未反応空気(以下、オフガスという)が第2オフガス供給経路23を介して供給される。そして、燃焼器17は、オフガスを燃焼させて高温の燃焼ガスを生成する。   Further, unreacted hydrogen (hereinafter referred to as “off gas”) contained in the fuel electrode side exhaust gas of the fuel cell 10 is supplied to the combustor 17 via the first off gas supply path 22, and is supplied to the air electrode side exhaust gas of the fuel cell 10. Unreacted air contained (hereinafter referred to as off-gas) is supplied through the second off-gas supply path 23. And the combustor 17 burns off gas and produces | generates high temperature combustion gas.

燃焼器17の容器は、直方体であり、金属(例えば、SUS)よりなる。そして、燃焼器空気供給経路19、第1オフガス供給経路22、および第2オフガス供給経路23は、燃焼器17の一端面に接続されている。また、燃焼器17にて生じた高温の燃焼ガスを外部に排出するための燃焼ガス経路24が、燃焼器17の他端面に接続されている。さらに、燃焼器燃料供給経路18は、燃焼器空気供給経路19や燃焼ガス経路24等が接続された面とは異なる面に接続されている。なお、図1中の矢印Bは、燃焼器17内のガス流れを示している。   The container of the combustor 17 is a rectangular parallelepiped and is made of metal (for example, SUS). The combustor air supply path 19, the first offgas supply path 22, and the second offgas supply path 23 are connected to one end face of the combustor 17. A combustion gas path 24 for discharging high-temperature combustion gas generated in the combustor 17 to the outside is connected to the other end surface of the combustor 17. Further, the combustor fuel supply path 18 is connected to a surface different from the surface to which the combustor air supply path 19 and the combustion gas path 24 are connected. An arrow B in FIG. 1 indicates a gas flow in the combustor 17.

なお、燃焼器燃料供給経路18が燃焼器17の容器に接続された部位181は、本発明の燃料の入口部に相当する。また、燃焼器空気供給経路19が燃焼器17の容器に接続された部位191は、本発明の空気の入口部に相当する。さらに、燃焼ガス経路24が燃焼器17の容器に接続された部位241は、本発明の昇温用ガスの出口部に相当する。   The portion 181 where the combustor fuel supply path 18 is connected to the container of the combustor 17 corresponds to the fuel inlet of the present invention. The portion 191 where the combustor air supply path 19 is connected to the container of the combustor 17 corresponds to the air inlet of the present invention. Further, the part 241 where the combustion gas path 24 is connected to the container of the combustor 17 corresponds to the outlet for the temperature raising gas of the present invention.

改質器13と燃焼器17は、改質器13と燃焼器17との間で熱伝達可能なように、それぞれの一面を接触させて一体化されている。また、改質器13と燃焼器17は、改質器内ガス流れAと燃焼器内ガス流れBが平行流になるように配置されている。   The reformer 13 and the combustor 17 are integrated with each other so that heat can be transferred between the reformer 13 and the combustor 17. The reformer 13 and the combustor 17 are arranged so that the reformer gas flow A and the combustor gas flow B are parallel flows.

より詳細には、燃焼器17における空気の入口部191およびオフガスの入口部は、改質器13における混合ガスの入口部141、161に隣接して配置されている。また、燃焼器17における燃焼ガスの出口部241は、改質器13における燃料ガスの出口部111に隣接して配置されている。さらに、燃焼器17における燃料の入口部181は、改質器内高温部位aに隣接する位置よりも、燃焼器17内のガス流れB下流側に配置されている。   More specifically, the air inlet portion 191 and the off-gas inlet portion in the combustor 17 are disposed adjacent to the mixed gas inlet portions 141 and 161 in the reformer 13. The combustion gas outlet 241 in the combustor 17 is disposed adjacent to the fuel gas outlet 111 in the reformer 13. Further, the fuel inlet 181 in the combustor 17 is arranged on the downstream side of the gas flow B in the combustor 17 with respect to the position adjacent to the high temperature portion a in the reformer.

燃焼器17は、燃焼器17内の温度を検出してその温度に応じた電気信号を電子制御装置に出力する、燃焼器第1温度センサ171および燃焼器第2温度センサ172を備えている。   The combustor 17 includes a combustor first temperature sensor 171 and a combustor second temperature sensor 172 that detect the temperature in the combustor 17 and output an electric signal corresponding to the temperature to the electronic control device.

燃焼器第1温度センサ171は、燃焼器17における空気およびオフガスの入口部に配置されて、その部位でのオフガスの燃焼温度(以下、燃焼器オフガス燃焼温度という)を検出する。   The combustor first temperature sensor 171 is disposed at the inlet of air and off-gas in the combustor 17 and detects the combustion temperature of off-gas at that portion (hereinafter referred to as combustor off-gas combustion temperature).

燃焼器第2温度センサ172は、燃焼器17における燃料の入口部に配置されて、その部位での混合気の燃焼温度(以下、燃焼器混合気燃焼温度という)を検出する。   The combustor second temperature sensor 172 is disposed at the fuel inlet of the combustor 17 and detects the combustion temperature of the air-fuel mixture at that portion (hereinafter referred to as the combustor air-fuel mixture combustion temperature).

次に、本実施形態において実行されるシステム起動時の制御について、図4および図5を参照しつつ、図3に基づいて説明する。なお、図5の実線は、本実施形態の燃料電池システムの部分酸化改質運転時の改質器内温度分布特性を示している。   Next, the control at the time of system startup executed in the present embodiment will be described based on FIG. 3 with reference to FIG. 4 and FIG. Note that the solid line in FIG. 5 indicates the temperature distribution characteristics in the reformer during the partial oxidation reforming operation of the fuel cell system of this embodiment.

図示しない電源スイッチが投入されると、電子制御装置は図3に示すシステム起動時の制御を開始する。   When a power switch (not shown) is turned on, the electronic control device starts control at the time of system startup shown in FIG.

まず、ステップS100では、燃焼器17への燃料供給を開始するとともに(図4a参照)、燃焼器17への空気供給を開始し、空気と燃料の混合気に点火プラグ21にて着火して燃焼器17を起動させる。これにより、燃焼器17内の熱が改質器13に伝達され、平均触媒温度が次第に上昇する(図4b参照)。なお、このときには改質器13には空気および水蒸気を供給しない(図4c、d参照)。   First, in step S100, the fuel supply to the combustor 17 is started (see FIG. 4a), the air supply to the combustor 17 is started, and the air-fuel mixture is ignited by the spark plug 21 and burned. The device 17 is activated. Thereby, the heat in the combustor 17 is transmitted to the reformer 13, and the average catalyst temperature gradually increases (see FIG. 4b). At this time, air and water vapor are not supplied to the reformer 13 (see FIGS. 4c and d).

続いて、ステップS110では、改質器第3温度センサ133にて検出した平均触媒温度と、触媒による部分酸化改質反応が進行可能な温度であるPOX起動温度とを比較する。なお、POX起動温度は、マイクロコンピュータに予め記憶されている。   Subsequently, in step S110, the average catalyst temperature detected by the reformer third temperature sensor 133 is compared with the POX start temperature that is the temperature at which the partial oxidation reforming reaction by the catalyst can proceed. The POX startup temperature is stored in advance in the microcomputer.

そして、システム起動直後は平均触媒温度がPOX起動温度未満であり、このときには、ステップS110でNOと判定され、ステップS110でYESと判定されるまでステップS110の判定が繰り返される。平均触媒温度がPOX起動温度以上になると、ステップS110でYESと判定されてステップS120に進む。   Immediately after the system is activated, the average catalyst temperature is lower than the POX activation temperature. At this time, it is determined NO in step S110, and the determination in step S110 is repeated until it is determined YES in step S110. When the average catalyst temperature is equal to or higher than the POX start temperature, YES is determined in step S110, and the process proceeds to step S120.

ステップS120では、改質器13への空気供給を開始するとともに(図4c参照)、改質器13への燃料供給を開始する。これにより、改質器13は部分酸化改質を開始する。そして、部分酸化改質反応熱で触媒を昇温させ(図4b参照)、かつ、改質ガスを燃料電池10の燃料極に供給することで燃料電池10を昇温させる。   In step S120, air supply to the reformer 13 is started (see FIG. 4c), and fuel supply to the reformer 13 is started. Thereby, the reformer 13 starts partial oxidation reforming. Then, the temperature of the catalyst is raised by the partial oxidation reforming reaction heat (see FIG. 4 b), and the reformed gas is supplied to the fuel electrode of the fuel cell 10 to raise the temperature of the fuel cell 10.

また、ステップS120では、燃料、空気、およびオフガスを、燃焼器17に供給する。そして、空気と燃料の燃焼ガスおよびオフガスの燃焼ガスにて、改質器13内の触媒を加熱する。   In step S120, fuel, air, and off-gas are supplied to the combustor 17. Then, the catalyst in the reformer 13 is heated with the combustion gas of air and fuel and the combustion gas of off-gas.

ここで、燃焼器17における燃料の入口部は、改質器内高温部位aに隣接する位置よりも、燃焼器17内のガス流れB下流側に配置されているため、空気と燃料の燃焼ガスは、改質器内高温部位aよりも改質器内ガス流れA下流側の触媒を加熱する。   Here, since the fuel inlet portion in the combustor 17 is arranged on the downstream side of the gas flow B in the combustor 17 with respect to the position adjacent to the high temperature portion a in the reformer, the combustion gas of air and fuel Heats the catalyst on the downstream side of the gas flow A in the reformer with respect to the high temperature portion a in the reformer.

換言すると、改質器内高温部位a付近の触媒、および改質器内高温部位aよりも改質器内ガス流れA上流側の触媒は、空気と燃料の燃焼ガスによっては加熱されない。また、改質器内高温部位a付近の触媒、および改質器内高温部位aよりも改質器内ガス流れA上流側の触媒は、燃料と混合する前の空気により冷却される。   In other words, the catalyst in the vicinity of the high temperature region a in the reformer and the catalyst upstream of the reformer gas flow A from the high temperature region a in the reformer are not heated by the combustion gas of air and fuel. Further, the catalyst in the vicinity of the high temperature portion a in the reformer and the catalyst on the upstream side of the reformer gas flow A from the high temperature portion a in the reformer are cooled by the air before mixing with the fuel.

したがって、図5に示すように、改質器内高温部位a付近の触媒、および改質器内高温部位aよりも改質器内ガス流れA上流側の触媒は、温度上昇が抑制され、部分酸化改質運転時の改質器内触媒温度分布は平滑化される。   Therefore, as shown in FIG. 5, the catalyst in the vicinity of the reformer high temperature portion a and the catalyst in the reformer gas flow A upstream side of the reformer high temperature portion a are prevented from rising in temperature. The catalyst temperature distribution in the reformer during the oxidation reforming operation is smoothed.

この際、改質器第2温度センサ132で検出した高温部触媒温度や、燃焼器第2温度センサ172にて検出した燃焼器混合気燃焼温度が、設定値以上になった場合は、触媒保護のため、流量調整弁20により燃焼器17に供給する空気の量を調整して混合気の燃焼温度を下げるのが望ましい。   At this time, if the high-temperature part catalyst temperature detected by the reformer second temperature sensor 132 or the combustor mixture combustion temperature detected by the combustor second temperature sensor 172 exceeds a set value, catalyst protection is performed. Therefore, it is desirable to adjust the amount of air supplied to the combustor 17 by the flow rate adjusting valve 20 to lower the combustion temperature of the air-fuel mixture.

続いて、ステップS130では、改質器第3温度センサ133にて検出した平均触媒温度、および改質器第1温度センサ131にて検出した改質器入口部ガス温度と、触媒によるオートサーマル改質反応が進行可能な温度であるATR起動温度とを比較する。なお、ATR起動温度は、マイクロコンピュータに予め記憶されている。   Subsequently, in step S130, the average catalyst temperature detected by the reformer third temperature sensor 133, the reformer inlet gas temperature detected by the reformer first temperature sensor 131, and the autothermal reforming by the catalyst. The ATR starting temperature, which is the temperature at which the quality reaction can proceed, is compared. The ATR start temperature is stored in advance in the microcomputer.

そして、平均触媒温度および改質器入口部ガス温度のうち少なくとも一方がATR起動温度未満のときはステップS130でNOと判定され、ステップS130でYESと判定されるまでステップS130の判定が繰り返される。平均触媒温度および改質器入口部ガス温度が上昇し、それらの温度がともにATR起動温度以上になると、ステップS130でYESと判定されてステップS140に進む。   When at least one of the average catalyst temperature and the reformer inlet gas temperature is lower than the ATR start temperature, NO is determined in step S130, and the determination in step S130 is repeated until YES is determined in step S130. When the average catalyst temperature and the reformer inlet gas temperature rise and both of these temperatures become equal to or higher than the ATR starting temperature, YES is determined in step S130 and the process proceeds to step S140.

ステップS140では、改質器13への水蒸気供給を開始するとともに(図4d参照)、燃料と空気を改質器13に供給する。これにより、改質器13はオートサーマル改質を開始する。なお、図4dに破線で示すように、オートサーマル改質を開始後に、平均触媒温度の上昇に伴って改質器13への水蒸気供給量を漸増させてもよい。   In step S140, supply of water vapor to the reformer 13 is started (see FIG. 4d), and fuel and air are supplied to the reformer 13. Thereby, the reformer 13 starts autothermal reforming. Note that, as indicated by a broken line in FIG. 4 d, the steam supply amount to the reformer 13 may be gradually increased as the average catalyst temperature increases after the start of the autothermal reforming.

また、燃料、空気、およびオフガスを、引き続き燃焼器17に供給する。そして、空気と燃料の燃焼ガスおよびオフガスの燃焼ガスにて、改質器13内の触媒を加熱する。   Further, fuel, air, and off-gas are continuously supplied to the combustor 17. Then, the catalyst in the reformer 13 is heated with the combustion gas of air and fuel and the combustion gas of off-gas.

ステップS150では、改質器第4温度センサ134にて検出した出口部触媒温度、および燃料電池温度センサ101にて検出した燃料電池10の温度と、触媒による水蒸気改質反応が進行可能な温度であるSR起動温度とを比較する。なお、SR起動温度は、マイクロコンピュータに予め記憶されている。   In step S150, the outlet catalyst temperature detected by the reformer fourth temperature sensor 134, the temperature of the fuel cell 10 detected by the fuel cell temperature sensor 101, and the temperature at which the steam reforming reaction by the catalyst can proceed. Compare with some SR start-up temperature. The SR startup temperature is stored in advance in the microcomputer.

そして、出口部触媒温度および燃料電池10の温度のうち少なくとも一方がSR起動温度未満のときはステップS150でNOと判定され、ステップS150でYESと判定されるまでステップS150の判定が繰り返される。   When at least one of the outlet catalyst temperature and the temperature of the fuel cell 10 is lower than the SR start temperature, NO is determined in step S150, and the determination in step S150 is repeated until YES is determined in step S150.

出口部触媒温度および燃料電池10の温度が上昇し、それらの温度がともにSR起動温度以上になると、ステップS150でYESと判定され、システム起動時の制御が終了する。   When the outlet catalyst temperature and the temperature of the fuel cell 10 rise, and both of these temperatures become equal to or higher than the SR startup temperature, YES is determined in step S150, and the control at the time of system startup ends.

システム起動時の制御が終了後、水蒸気改質運転に移行する。具体的には、改質器13への空気の供給を停止し(図4c参照)、改質器13への燃料と水蒸気の供給を継続して、水蒸気改質を開始する。なお、図4cに破線で示すように、オートサーマル改質を開始後に、平均触媒温度の上昇に伴って改質器13への空気供給量を漸減させてもよい。   After the control at the time of starting the system is completed, the process shifts to the steam reforming operation. Specifically, the supply of air to the reformer 13 is stopped (see FIG. 4c), the supply of fuel and steam to the reformer 13 is continued, and steam reforming is started. As shown by a broken line in FIG. 4c, the air supply amount to the reformer 13 may be gradually decreased as the average catalyst temperature rises after starting the autothermal reforming.

また、図6に示すように、水蒸気改質運転時には、吸熱反応により改質器入口直後の触媒温度が下がるため、オフガスを燃焼器17に供給して、オフガスを燃焼器17の入口にて燃焼させ、改質器入口直後の触媒を加熱する。この際、燃焼器第1温度センサ171にて検出した燃焼器オフガス燃焼温度が設定値(例えば、1000℃)以上になった場合は、触媒保護のため、燃焼器17に空気を供給してオフガスの燃焼温度を下げるのが望ましい。   Further, as shown in FIG. 6, during the steam reforming operation, the catalyst temperature immediately after the reformer inlet is lowered due to the endothermic reaction, so off gas is supplied to the combustor 17 and the off gas is burned at the inlet of the combustor 17. The catalyst immediately after the reformer inlet is heated. At this time, when the combustor off-gas combustion temperature detected by the combustor first temperature sensor 171 becomes a set value (for example, 1000 ° C.) or more, air is supplied to the combustor 17 to protect the catalyst and the off-gas. It is desirable to lower the combustion temperature.

本実施形態によると、部分酸化改質運転時に改質器13内において高温になる部位の触媒は冷却され、部分酸化改質運転時に改質器13内において低温になる部位の触媒は加熱されるため、部分酸化改質運転時の改質器13内の触媒温度分布は平滑化され、部分酸化改質運転時に改質器13内の触媒が局所的に高温になることを防止でき、ひいては触媒の劣化を抑制することができる。   According to the present embodiment, the catalyst at the portion that becomes high in the reformer 13 during the partial oxidation reforming operation is cooled, and the catalyst at the portion that becomes low in the reformer 13 is heated during the partial oxidation reforming operation. Therefore, the catalyst temperature distribution in the reformer 13 during the partial oxidation reforming operation is smoothed, and the catalyst in the reformer 13 can be prevented from locally becoming hot during the partial oxidation reforming operation. Can be prevented.

また、水蒸気改質運転時には吸熱反応により改質器入口直後の触媒温度が下がるが、水蒸気改質運転時にオフガスの燃焼熱にて改質器入口直後の触媒を加熱するため、水蒸気改質運転時に高い改質率が得られる。   Also, during the steam reforming operation, the catalyst temperature immediately after the reformer inlet decreases due to the endothermic reaction. High reforming rate can be obtained.

(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、燃焼器17の構成が変更されており、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the configuration of the combustor 17 is changed, and the other parts are the same as those in the first embodiment. Therefore, only different portions from the first embodiment will be described.

図7に示すように、燃焼器17におけるガス流れ上流部側に、フィン173が多数設けられている。また、燃焼器17におけるガス流れ下流部側に、燃焼器内ガス流れBをジグザグにする邪魔板174が2枚設けられている。   As shown in FIG. 7, many fins 173 are provided on the upstream side of the gas flow in the combustor 17. Further, two baffle plates 174 that zigzag the in-combustor gas flow B are provided on the downstream side of the gas flow in the combustor 17.

そして、フィン173により燃焼器17の容器の実質的な表面積が増加するため、燃焼器17の容器と燃焼器17内の燃焼ガスとの間の熱伝達が促進され、ひいては改質器13と燃焼器17との間の熱伝達が促進される。   Since the substantial surface area of the container of the combustor 17 is increased by the fins 173, heat transfer between the container of the combustor 17 and the combustion gas in the combustor 17 is promoted, and as a result, the reformer 13 and the combustion are combusted. Heat transfer to and from the vessel 17 is facilitated.

また、邪魔板174により流れがジグザグになった燃焼ガスは燃焼器17の容器に衝突するため、燃焼器17の容器と燃焼器17内の燃焼ガスとの間の熱伝達が促進され、ひいては改質器13と燃焼器17との間の熱伝達が促進される。   Further, since the combustion gas whose flow is zigzag by the baffle plate 174 collides with the container of the combustor 17, heat transfer between the container of the combustor 17 and the combustion gas in the combustor 17 is promoted, and as a result Heat transfer between the mass device 13 and the combustor 17 is promoted.

したがって、本実施形態によると、改質器13と燃焼器17との間の熱交換効率が向上するとともに、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。   Therefore, according to the present embodiment, the heat exchange efficiency between the reformer 13 and the combustor 17 is improved, and the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態は、燃焼器17の構成が変更されており、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the configuration of the combustor 17 is changed, and the other parts are the same as those in the first embodiment. Therefore, only different portions from the first embodiment will be described.

図8、図9に示すように、燃焼器17は、L字形状であり、改質器13における隣接する2つの面(本実施形態では、下面および側面)と燃焼器17における隣接する2つの面が、熱伝達可能に接触している。   As shown in FIGS. 8 and 9, the combustor 17 has an L shape, and two adjacent surfaces (in this embodiment, a lower surface and a side surface) in the reformer 13 and two adjacent surfaces in the combustor 17. The surfaces are in contact with each other so that heat can be transferred.

改質器燃料供給経路14、改質器空気供給経路15、および改質器水蒸気供給経路16は、改質器13の下方付近に接続されている。   The reformer fuel supply path 14, the reformer air supply path 15, and the reformer steam supply path 16 are connected near the lower part of the reformer 13.

燃焼器空気供給経路19、第1オフガス供給経路22、および第2オフガス供給経路23は、燃焼器17の下面に接続されるとともに、空気やオフガスが改質器13の下面に向かって流れるように構成されている。   The combustor air supply path 19, the first offgas supply path 22, and the second offgas supply path 23 are connected to the lower surface of the combustor 17 so that air and offgas flow toward the lower surface of the reformer 13. It is configured.

このように、燃焼器17に供給される空気やオフガスは、改質器13の下面に向かって流れるため、それらの空気およびオフガスと改質器入口直後の触媒との熱交換効率が向上する。   Thus, since the air and off-gas supplied to the combustor 17 flow toward the lower surface of the reformer 13, the heat exchange efficiency between the air and off-gas and the catalyst immediately after the reformer inlet is improved.

より詳細には、部分酸化改質運転中は、改質器内高温部位付近の触媒および改質器内高温部位よりも改質器内ガス流れA上流側の触媒は、燃焼器17に供給される空気により効率よく冷却される。   More specifically, during the partial oxidation reforming operation, the catalyst in the vicinity of the high temperature region in the reformer and the catalyst on the upstream side of the reformer gas flow A from the high temperature region in the reformer are supplied to the combustor 17. The air is cooled efficiently.

また、水蒸気改質運転時には、燃焼器17に供給されるオフガスで改質器13の下面と側面を加熱させることで、熱交換効率を向上させる。   Further, during the steam reforming operation, the heat exchange efficiency is improved by heating the lower surface and the side surface of the reformer 13 with the off gas supplied to the combustor 17.

本実施形態によると、改質器13と燃焼器17との間の熱交換効率が向上するとともに、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。   According to this embodiment, the heat exchange efficiency between the reformer 13 and the combustor 17 is improved, and the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

(第4実施形態)
本発明の第4実施形態について説明する。本実施形態は、燃焼器17の構成が変更されており、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the configuration of the combustor 17 is changed, and the other parts are the same as those in the first embodiment. Therefore, only different portions from the first embodiment will be described.

図10、図11に示すように、改質器13は、改質器13内のガス流れがコ字状になるように内部に仕切り壁175が設けられている。燃焼器17は、改質器13内のガス流れがコ字状になるように、コ字形状になっている。   As shown in FIGS. 10 and 11, the reformer 13 is provided with a partition wall 175 so that the gas flow in the reformer 13 is U-shaped. The combustor 17 is U-shaped so that the gas flow in the reformer 13 is U-shaped.

そして、改質器13を燃焼器17で挟みこむことにより、水蒸気改質運転時における改質器13から外部への放熱を抑制するようにしている。   Then, by sandwiching the reformer 13 with the combustor 17, heat radiation from the reformer 13 to the outside during the steam reforming operation is suppressed.

本実施形態によると、水蒸気改質運転時の外部への放熱を抑制するとともに、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。   According to the present embodiment, it is possible to suppress the heat radiation to the outside during the steam reforming operation and to obtain the same effect as that of the first embodiment.

(他の実施形態)
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be appropriately changed within the scope described in the claims.

なお、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。   The above embodiments are not irrelevant to each other and can be combined as appropriate unless the combination is clearly impossible.

また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。   In each of the above-described embodiments, it is needless to say that elements constituting the embodiment are not necessarily essential unless explicitly stated as essential and clearly considered essential in principle. Yes.

また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。   Further, in each of the above embodiments, when numerical values such as the number, numerical value, quantity, range, etc. of the constituent elements of the embodiment are mentioned, it is clearly limited to a specific number when clearly indicated as essential and in principle. The number is not limited to the specific number except for the case.

また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。   Further, in each of the above embodiments, when referring to the shape, positional relationship, etc. of the component, etc., the shape, unless otherwise specified and in principle limited to a specific shape, positional relationship, etc. It is not limited to the positional relationship or the like.

10 燃料電池
13 改質器
17 燃焼器
111 燃料ガスの出口部
141 改質対象流体の入口部
161 改質対象流体の入口部
181 燃料の入口部
191 空気の入口部
241 昇温用ガスの出口部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 13 Reformer 17 Combustor 111 Fuel gas outlet part 141 Reformation target fluid inlet part 161 Reformation target fluid inlet part 181 Fuel inlet part 191 Air inlet part 241 Heating gas outlet part

Claims (4)

酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池(10)と、
改質対象流体を触媒にて改質して前記燃料ガスを生成する改質器(13)と、
空気と燃料を燃焼させて前記改質器を昇温させるための昇温用ガスを生成する燃焼器(17)とを備え、
前記改質器と前記燃焼器は、熱伝達可能に接触して配置され、
前記燃焼器における前記空気の入口部(191)は、前記改質器における前記改質対象流体の入口部(141、161)に隣接して配置され、
前記燃焼器における前記昇温用ガスの出口部(241)は、前記改質器における前記燃料ガスの出口部(111)に隣接して配置され、
前記燃焼器における前記燃料の入口部(181)は、部分酸化改質運転時に前記改質器内において高温になる改質器内高温部位(a)に隣接する位置よりも、前記燃焼器内のガス流れ下流側に配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell (10) for generating electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas;
A reformer (13) that reforms a fluid to be reformed with a catalyst to generate the fuel gas;
A combustor (17) for generating a temperature raising gas for raising the temperature of the reformer by burning air and fuel,
The reformer and the combustor are arranged in contact with each other so that heat can be transferred,
The inlet portion (191) of the air in the combustor is disposed adjacent to the inlet portion (141, 161) of the reforming target fluid in the reformer,
The temperature raising gas outlet (241) in the combustor is disposed adjacent to the fuel gas outlet (111) in the reformer,
The fuel inlet portion (181) in the combustor is located in the combustor rather than a position adjacent to the high temperature portion (a) in the reformer that becomes high in the reformer during the partial oxidation reforming operation. A fuel cell system, wherein the fuel cell system is disposed downstream of a gas flow.
前記改質器内高温部位の温度を検出する温度検出手段(132)と、
前記燃焼器に供給する前記空気の流量を変化させる流量調整弁(20)とを備え、
前記温度検出手段にて検出した前記改質器内高温部位の温度に応じて前記流量調整弁を作動させて、前記空気の流量を調整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。
Temperature detecting means (132) for detecting the temperature of the high temperature portion in the reformer;
A flow rate adjusting valve (20) for changing the flow rate of the air supplied to the combustor,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the flow rate of the air is adjusted by operating the flow rate adjustment valve in accordance with the temperature of the high temperature portion in the reformer detected by the temperature detection unit. .
前記燃焼器は、前記改質器と前記燃焼器との間の熱伝達を促進するフィン(173)を備えていることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the combustor includes a fin (173) that promotes heat transfer between the reformer and the combustor. 前記改質器は、直方体であり、
前記燃焼器は、L字形状であり、
前記改質器における隣接する2つの面と前記燃焼器における隣接する2つの面が、熱伝達可能に接触していることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
The reformer is a rectangular parallelepiped,
The combustor is L-shaped,
4. The fuel cell according to claim 1, wherein two adjacent surfaces of the reformer and two adjacent surfaces of the combustor are in contact with each other so as to allow heat transfer. system.
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