JP2015185536A - fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池システムに関し、特に脱硫器まわりの圧力上昇を抑制する処理を行う際に機器類への影響を抑制する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that suppresses the influence on equipment when performing a process of suppressing a pressure increase around a desulfurizer.
水素含有ガスと酸素含有ガスとを導入して発電する燃料電池を設置する際、水素含有ガスを入手するためのインフラ整備が十分でないことに鑑み、炭化水素系原料を改質して水素含有ガスとする改質器(燃料処理機)が併設されることが多い。燃料電池に供給する水素含有ガスを、炭化水素系原料を改質して生成する場合、脱硫器において炭化水素系原料を脱硫してから改質するのが一般的である。 When installing a fuel cell that generates electricity by introducing a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas, in view of the lack of infrastructure to obtain the hydrogen-containing gas, the hydrocarbon-based raw material is reformed to produce a hydrogen-containing gas. In many cases, a reformer (fuel processor) is attached. When the hydrogen-containing gas supplied to the fuel cell is produced by reforming a hydrocarbon-based raw material, it is generally reformed after desulfurizing the hydrocarbon-based raw material in a desulfurizer.
運転時の温度が異なる脱硫器及び燃料処理機の、運転停止後の温度変化の相違に伴う圧力変化の相違によって必要となる、燃料処理機を含む空間の補圧処理を、以下のように行う燃料処理装置が知られている。その燃料処理装置は、脱硫器の上流の原料ガス流路に設けられた第1の弁と、脱硫器と燃料処理機との間の原料ガス流路に設けられた第2の弁と、燃料処理機の下流に設けられた第3の弁とを備え、脱硫器を含む空間の圧力が第1の圧力閾値以上の圧力に加圧されている状態で、燃料処理機を含む空間の補圧処理を行う場合に、第1の弁及び第3の弁を閉じたまま、第2の弁を開放することとしている(例えば、特許文献1参照。)。 The pressure compensation processing for the space including the fuel processor, which is necessary due to the difference in pressure change due to the difference in temperature change after the shutdown of the desulfurizer and fuel processor with different temperatures during operation, is performed as follows. Fuel processing devices are known. The fuel processing apparatus includes a first valve provided in a raw material gas flow path upstream of a desulfurizer, a second valve provided in a raw material gas flow path between the desulfurizer and the fuel processor, a fuel A third valve provided downstream of the processor, and in a state in which the pressure in the space including the desulfurizer is pressurized to a pressure equal to or higher than the first pressure threshold, the space is supplemented in the space including the fuel processor. When processing is performed, the second valve is opened while the first valve and the third valve are closed (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1に記載された燃料処理装置では、第1の弁と第3の弁との間に封入されていた原料ガスが排出されると、燃料処理装置の下流側に設置されている燃料電池システムを構成するガス検知器等の機器類の誤作動を発生させるおそれがある。
However, in the fuel processor described in
本発明は上述の課題に鑑み、脱硫器まわりの圧力上昇を抑制する処理を行う際に機器類への影響を抑制する燃料電池システムを提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that suppresses the influence on devices when performing a process of suppressing a pressure increase around a desulfurizer.
上記目的を達成するために、本発明の第1の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1に示すように、炭化水素系の原料である被脱硫原料Drを脱硫して脱硫済原料Dfを生成する脱硫器11と;脱硫済原料Dfを改質して水素を含有する燃料ガスEを生成する改質部51と;燃料ガスEと発電用空気AGとを導入して発電する燃料電池53と;脱硫器11に被脱硫原料Drを導く被脱硫原料ライン18と;被脱硫原料ライン18に設けられた第1の遮断弁21と;脱硫器11から改質部51へ脱硫済原料Dfを導く脱硫済原料ライン19と;脱硫済原料ライン19に設けられた第2の遮断弁22と;脱硫器11の内部の圧力を直接又は間接的に検知する脱硫器内圧検知器23と;第2の遮断弁22の下流側の脱硫済原料ライン19に又は改質部51に、改質用空気ARを供給する改質用空気供給部31と;第1の遮断弁21及び第2の遮断弁22が閉の状態で、脱硫器内圧検知器23が検知した圧力が第1の所定の値以上となったときに、改質部51に向けて改質用空気ARを供給すると共に、第2の遮断弁22を開にすることによって脱硫器内圧検知器23が検知する圧力を第1の所定の値よりも小さい第2の所定の値まで低下させる減圧処理を行うように、改質用空気供給部31及び第2の遮断弁22を作動させる制御部60とを備える。
In order to achieve the above object, the fuel cell system according to the first aspect of the present invention provides a desulfurized raw material Df by desulfurizing a raw material Dr to be desulfurized, which is a hydrocarbon-based raw material, for example, as shown in FIG. A
このように構成すると、改質用空気を供給しつつ第2の遮断弁を開にするので、第2の遮断弁を通過して流下した炭化水素系の原料が改質用空気で希釈されることとなり、機器類への影響を抑制することができる。 With this configuration, the second shut-off valve is opened while the reforming air is supplied, so the hydrocarbon-based raw material that has flowed down through the second shut-off valve is diluted with the reforming air. As a result, the influence on the equipment can be suppressed.
また、本発明の第2の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1に示すように、上記本発明の第1の態様に係る燃料電池システム1において、燃料電池53に発電用空気AGを供給する発電用空気供給部41を備え;制御部60は、脱硫器内圧検知器23が検知した圧力が第1の所定の値以上となったときに、改質部51に向けて改質用空気ARを供給することに加え、燃料電池53に向けて発電用空気AGを供給するように、発電用空気供給部41を作動させる。
Further, the fuel cell system according to the second aspect of the present invention supplies power generation air AG to the
このように構成すると、改質用空気に加えて発電用空気によっても原料が希釈されることとなり、機器類への影響をより抑制することができる。 If comprised in this way, a raw material will be diluted also with power generation air in addition to reforming air, and the influence on equipment can be suppressed more.
また、本発明の第3の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1に示すように、上記本発明の第1の態様又は第2の態様に係る燃料電池システム1において、減圧処理によって外部に排出される原料Dが燃焼下限未満の濃度で外部に排出されるように、外部への原料Dの排出流量を抑制する排出流量抑制手段22、60を備える。
Further, for example, as shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the third aspect of the present invention is externally provided by the decompression process in the
このように構成すると、原料を穏やかに外部へ排出することができる。 If comprised in this way, a raw material can be discharged | emitted gently outside.
また、本発明の第4の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1を参照して示すと、上記本発明の第3の態様に係る燃料電池システム1において、排出流量抑制手段は、制御部60が第2の遮断弁22の開閉を繰り返させることで構成されている。
Moreover, when the fuel cell system according to the fourth aspect of the present invention is shown, for example, with reference to FIG. 1, in the
このように構成すると、特別な装置を設けることなく、制御によって原料を穏やかに外部へ排出することができる。 If comprised in this way, a raw material can be discharged | emitted gently outside by control, without providing a special apparatus.
また、本発明の第5の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1を参照して示すと、上記本発明の第4の態様に係る燃料電池システム1において、制御部60は、脱硫器内圧検知器23が検知した圧力が第1の所定の値と第2の所定の値との間の第3の所定の値以下のときに、第2の遮断弁22を開の状態に維持するように構成されている。
In addition, when the fuel cell system according to the fifth aspect of the present invention is shown, for example, with reference to FIG. 1, in the
このように構成すると、第2の遮断弁の開閉回数の増加を抑制することができ、第2の遮断弁の寿命を延ばすことができる。 If comprised in this way, the increase in the frequency | count of opening and closing of a 2nd cutoff valve can be suppressed, and the lifetime of a 2nd cutoff valve can be extended.
また、本発明の第6の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1を参照して示すと、上記本発明の第4の態様又は第5の態様に係る燃料電池システム1において、制御部60は、第2の遮断弁22の開閉動作の回数が所定の回数を超えたときに、第2の遮断弁22を開の状態に維持するように構成されている。
Moreover, when the fuel cell system according to the sixth aspect of the present invention is shown, for example, with reference to FIG. 1, in the
このように構成すると、原料の排出の異常が生じた場合に第2の遮断弁の開閉回数が不要に増加することを回避することができ、第2の遮断弁の寿命を延ばすことができる。 If comprised in this way, when the abnormality of discharge | emission of a raw material arises, it can avoid that the frequency | count of opening and closing of a 2nd cutoff valve increases unnecessarily, and the lifetime of a 2nd cutoff valve can be extended.
また、本発明の第7の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1を参照して示すと、上記本発明の第3の態様に係る燃料電池システム1において、排出流量抑制手段は、制御部60が第2の遮断弁22の開度を調節することで構成されている。
In addition, when the fuel cell system according to the seventh aspect of the present invention is shown, for example, with reference to FIG. 1, in the
このように構成すると、特別な装置を設けることなく、制御によって原料を穏やかに外部へ排出することができる。 If comprised in this way, a raw material can be discharged | emitted gently outside by control, without providing a special apparatus.
また、本発明の第8の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1を参照して示すと、上記本発明の第1の態様乃至第7の態様のいずれか1つの態様に係る燃料電池システム1において、制御部60は、減圧処理を開始してから第1の所定の時間が経過した際に、脱硫器内圧検知器23が検知した圧力が第2の所定の値を超えているときに、異常があると推定するように構成されている。
Further, the fuel cell system according to the eighth aspect of the present invention is, for example, referring to FIG. 1, and the fuel cell system according to any one of the first to seventh aspects of the present invention. 1, when the pressure detected by the desulfurizer
このように構成すると、異常が生じた可能性があるまま運転を継続することを回避することが可能になる。 If comprised in this way, it will become possible to avoid continuing a driving | operation with the possibility that abnormality may have arisen.
また、本発明の第9の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1を参照して示すと、上記本発明の第1の態様乃至第8の態様のいずれか1つの態様に係る燃料電池システム1において、制御部60は、減圧処理を行っている最中、第2の所定の時間以内に脱硫器内圧検知器23が検知した圧力の低下分が第1の所定の差分未満のとき、又は、脱硫器内圧検知器23が検知した圧力が第2の所定の差分低下する前に第3の所定の時間が経過したときに、異常があると推定するように構成されている。
Moreover, the fuel cell system according to the ninth aspect of the present invention, for example, referring to FIG. 1, shows the fuel cell system according to any one of the first to eighth aspects of the present invention. 1, when the
このように構成すると、異常が生じた可能性があるまま運転を継続することを回避することが可能になる。 If comprised in this way, it will become possible to avoid continuing a driving | operation with the possibility that abnormality may have arisen.
また、本発明の第10の態様に係る脱硫器の過圧解消方法として、例えば図1及び図2を参照して示すと、炭化水素系の原料を脱硫する脱硫器11内に存在する原料Dを封入する原料封入工程(S1)と;原料Dが封入された脱硫器11の内部の圧力を直接又は間接的に検知する脱硫器内圧検知工程(S2)と;脱硫器内圧検知工程(S2)で検知される圧力が第1の所定の値以上となったときに、脱硫器11と連通可能な改質部51に向けて改質用空気ARを供給すると共に、脱硫器11内の原料を改質部51に向けて排出することで、脱硫器11の内部の圧力を第1の所定の値よりも小さい第2の所定の値まで低下させる減圧処理工程(S5)とを備えることとしてもよい。
Moreover, as a method for eliminating the overpressure of the desulfurizer according to the tenth aspect of the present invention, for example, referring to FIGS. 1 and 2, a raw material D present in the
このように構成すると、脱硫器から排出される原料が改質用空気で希釈されることとなり、機器類への影響を抑制することができる。 If comprised in this way, the raw material discharged | emitted from a desulfurizer will be diluted with reforming air, and the influence on equipment can be suppressed.
本発明によれば、原料が改質用空気で希釈されることとなり、機器類への影響を抑制することができる。 According to the present invention, the raw material is diluted with the reforming air, and the influence on the equipment can be suppressed.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or similar members are denoted by the same or similar reference numerals, and redundant description is omitted.
まず図1を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム1を説明する。図1は、燃料電池システム1の模式的系統図である。燃料電池システム1は、原料Dを脱硫する脱硫器11と、脱硫器11で脱硫された原料Dを水素に富む燃料ガスEに改質する改質部としての改質器51と、燃料電池53と、制御部60と、を主要構成機器として備えている。
First, a
原料Dは、改質することで燃料電池53における発電に利用可能となる程度に水素に富むガス(水素リッチガス)にできるものであり、炭化水素系燃料が用いられる。具体例として、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は、石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のもの等を適宜用いることができる。炭化水素類としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、LPG、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。以下の説明では、脱硫器11で脱硫される前の原料Dを脱硫前原料Drといい、脱硫器11で脱硫された後の原料Dを脱硫済原料Dfといい、両者を区別しない場合は単に原料Dと総称することとする。脱硫前原料Drは被脱硫原料に相当する。
The raw material D can be made into a gas rich in hydrogen (hydrogen-rich gas) that can be used for power generation in the
脱硫器11は、脱硫前原料Drに含まれている硫黄分を吸着する脱硫触媒11cを内部に有している。脱硫触媒11cには、ゼオライト系触媒や金属系触媒等が用いられる。脱硫器11には、脱硫前原料Drを脱硫器11に導く被脱硫原料ラインとしての脱硫前原料管18と、脱硫済原料Dfを改質器51に導く脱硫済原料ラインとしての脱硫済原料管19とが接続されている。なお、「・・・ライン」とは、流体の流路であり、典型的には専ら流体を案内する管であるが、他の用途に用いられる物と物との間に形成された空間であってもよい。脱硫前原料管18には、流路を遮断可能な第1の遮断弁としての第1遮断弁21が配設されている。第1遮断弁21よりも上流側の脱硫前原料管18には上流遮断弁29が配設されている。脱硫済原料管19には、流路を遮断可能な第2の遮断弁としての第2遮断弁22が配設されている。第1遮断弁21及び第2遮断弁22は、本実施の形態では電磁弁が用いられている。第2遮断弁22よりも下流側の脱硫済原料管19には、脱硫済原料Dfを改質器51に向けて圧送する原料ブロワ13が配設されている。脱硫器11と第1遮断弁21との間の脱硫前原料管18には、脱硫器内圧検知器としての圧力計23が設けられている。なお、圧力計23は、脱硫器11の内部の圧力を検知することができればよく、第2遮断弁22よりも上流側の脱硫済原料管19や脱硫器11に設けられていてもよい。
The
改質器51は、脱硫済原料Dfの改質を促進させる改質触媒51cを内部に有している。本実施の形態では、改質触媒51cとして、自己熱改質触媒が改質器51に収容されている。改質器51には、脱硫済原料管19と、改質用空気ARを導入する改質用空気ラインとしての改質用空気管32と、改質水導入管(不図示)とが接続されている。改質用空気管32には、改質用空気ARを改質器51に向けて圧送する改質用空気ブロワ33が配設されている。改質用空気管32と改質用空気ブロワ33とを含んで、改質用空気供給部31を構成している。改質器51は、脱硫済原料Dfと、改質用空気ARと、改質水とを導入し、脱硫済原料Df中の炭化水素の一部を改質用空気ARで燃焼させ、その発熱により脱硫済原料Df中の炭化水素と改質水(水蒸気)とを改質触媒51cの下で改質反応させて、燃料ガスEを生成するように構成されている。改質器51には、また、生成された燃料ガスEを導出する燃料ガスラインとしての燃料ガス管52が接続されている。
The
燃料電池53は、燃料ガス管52を介して改質器51と接続されている。燃料電池53には、また、発電用空気AGを導入する発電用空気ラインとしての発電用空気管42が接続されている。発電用空気管42には、発電用空気AGを燃料電池53に向けて圧送する発電用空気ブロワ43が配設されている。発電用空気管42と発電用空気ブロワ43とを含んで、発電用空気供給部41を構成している。燃料電池53は、燃料ガスE及び発電用空気AGを導入し、燃料ガスE中の水素等と発電用空気AG中の酸素との電気化学的反応により直流の電力を発生するように構成されており、一般にセルスタックと呼称される場合もある。燃料電池53としては、本実施の形態では円筒型(平板円筒型を含む)の固体酸化物形燃料電池(SOFC)が用いられているが、固体高分子形燃料電池(PEFC)等の、SOFC以外の燃料電池であってもよい。燃料電池53における発電のために燃料電池53に供給された燃料ガスE及び発電用空気AGは、そのすべてが発電に利用されるのではなく、燃料電池53の発電電流に応じた分が利用され、発電に利用されなかった分は、オフガスFとして導出される。なお、本実施の形態では、燃料電池53の下流側に、燃料電池53から導出されたオフガスFを燃焼させるバーナー(不図示)が設けられており、バーナー(不図示)でオフガスFを燃焼させたときの発熱で改質器51を加熱することができるように構成されている。
The
燃料電池システム1は、燃料電池53の下流に、燃焼部55を備えている。燃焼部55は、燃料電池53から排出されてバーナー(不図示)で燃焼した後のオフガスFを導入し、1次燃焼後のオフガスF中に含まれる未燃の可燃成分を燃焼処理するように構成されている。燃焼部55は、主として1次燃焼後のオフガスF中の未燃成分を燃焼させるためのものであるが、改質器51に隣接して配置し、改質器51内の改質触媒51cに熱を与えることができるように構成されていてもよい。燃焼部55は、1次燃焼後のオフガスF中の可燃成分を燃焼させる燃焼触媒(不図示)と、燃焼触媒を活性温度に昇温するヒータ55hとを有している。燃焼触媒は、1次燃焼後のオフガスF中の可燃成分の酸化を促進させる物質で構成されており、例えば、白金、パラジウム等の貴金属系触媒や、マンガン、鉄等の卑金属系触媒等を用いることができる。ヒータ55hは、燃料電池システム1の起動時に燃焼触媒(不図示)を活性温度まで速やかに上昇させることができる発熱量を有するように構成されている。燃焼部55は、1次燃焼後のオフガスFの燃焼によって生じる排ガスGを排出するように構成されている。燃焼部55には、排ガスGを流す排ガスラインとしての排ガス管59が接続されている。
The
制御部60は、燃料電池システム1の動作を制御する機器である。制御部60は、第1遮断弁21及び第2遮断弁22とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、第1遮断弁21及び第2遮断弁22の開閉動作をさせることができるように構成されている。また、制御部60は、圧力計23と信号ケーブルで接続されており、圧力計23が検知した値を信号として受信することができるように構成されている。また、制御部60は、原料ブロワ13、改質用空気ブロワ33、発電用空気ブロワ43とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、各ブロワ13、33、43の発停を制御することができるように構成されている。また、制御部60は、ヒータ55hと信号ケーブルで接続されており、ヒータ55hのオン・オフを制御することができるように構成されている。
The
引き続き図1を参照して、燃料電池システム1の作用を説明する。燃料電池システム1を起動する指令を制御部60が受けると、制御部60は、第1遮断弁21及び第2遮断弁22を開にすると共に、原料ブロワ13を起動する。なお、上流遮断弁29は、燃料電池システム1の運転時は常時開となっている。原料ブロワ13が起動すると、脱硫前原料管18を介して脱硫前原料Drが脱硫器11に導入される。脱硫前原料Drは、脱硫器11において脱硫触媒11cの作用によって硫黄分が吸着され、改質器51及び燃料電池53に悪影響を与えないように脱硫された脱硫済原料Dfとなる。脱硫前原料Drの脱硫が行われている脱硫器11は、概ね50℃程度となる。脱硫済原料Dfは、脱硫済原料管19を介して改質器51に導入される。
With continued reference to FIG. 1, the operation of the
脱硫済原料Dfが改質器51に導入されるようになると、制御部60は、改質用空気ブロワ33を起動する。改質用空気ブロワ33が起動すると、改質用空気管32を介して改質用空気ARが改質器51に導入される。また、改質器51には、改質水導入管(不図示)を介して改質水も導入される。脱硫済原料Df、改質用空気AR、及び改質水が導入された改質器51では、自己熱改質反応が行われ、燃料ガスEが生成される。自己熱改質反応が行われている改質器51は、概ね600℃程度となる。改質器51の温度が上昇して燃料ガスEが安定して生成されるようになると、改質用空気ブロワ33が停止されて改質器51への改質用空気ARの供給が停止され、改質水から変化した水蒸気による水蒸気改質により、燃料ガスEが生成される。改質器51で生成された燃料ガスEは、燃料ガス管52を介して燃料電池53に供給される。
When the desulfurized raw material Df is introduced into the
燃料ガスEが燃料電池53に供給されるようになると、制御部60は、発電用空気ブロワ43を起動する。発電用空気ブロワ43が起動すると、発電用空気管42を介して発電用空気AGが燃料電池53に導入される。燃料ガスE及び発電用空気AGが導入された燃料電池53では、燃料ガスE中の水素等と発電用空気AG中の酸素との電気化学的反応による発電が行われる。燃料電池53で発生した電力は、燃料電池システム1内の電気機器(各ブロワ13、43等)及び/又は燃料電池システム1外の電力負荷(不図示)に供給される。燃料電池53に導入された燃料ガスE及び発電用空気AGは、発電に利用された後にオフガスFとして排出され、バーナー(不図示)で1次燃焼されて改質器51に熱を与えた後、燃焼部55に至る。
When the fuel gas E is supplied to the
燃焼部55では、燃料電池システム1の起動初期は、燃焼触媒が活性温度に達していないため、制御部60がヒータ55hを作動させ、燃焼触媒を速やかに活性温度に上昇させる。制御部60は、燃焼触媒が活性温度に達したら、ヒータ55hへの通電を停止する。燃焼部55に導入された1次燃焼後のオフガスFは、燃焼触媒によって燃焼処理される。燃焼部55における1次燃焼後のオフガスFの燃焼によって生ずる燃焼熱を、改質器51における改質反応に利用することとしてもよい。燃焼部55で1次燃焼後のオフガスFが燃焼されることによって生じた排ガスGは、排ガス管59を流れて燃料電池システム1から排出される。
In the
上述のように運転する燃料電池システム1において、燃料電池53の発電を停止する際、制御部60は、原料ブロワ13を停止すると共に、第1遮断弁21及び第2遮断弁22を閉にする。これにより、脱硫済原料Dfの改質器51への供給が停止され、ひいては燃料ガスEの燃料電池53への供給が停止される。また、制御部60は、発電用空気ブロワ43を停止する。これにより、発電用空気AGの燃料電池53への供給が停止される。閉じられている第1遮断弁21及び第2遮断弁22の間にある脱硫器11並びに脱硫器11と連絡(連通)している脱硫前原料管18及び脱硫済原料管19の部分は、内部が密封された空間となっているため、周囲の環境の温度の変化に応じて内部の圧力が変動することとなる。典型的には、脱硫器11の温度が上昇したときに内部の圧力が上昇し、脱硫器11の温度が低下したときに内部の圧力が低下することとなる。
In the
脱硫器11内の圧力の過度の上昇を回避するために、圧力計23が検知した値が第1の所定の値以上となったときに、第2遮断弁22を開にすることで、脱硫器11内の圧力を逃がすことができる。ここで、第1の所定の値は、脱硫器11の保護の観点から設定される圧力の上限値であり、例えば65kPa(ゲージ圧)とすることができる。第2遮断弁22を開にすることで、脱硫器11内の圧力を逃がすことができるが、脱硫器11まわりに封入されていた原料Dがそのまま下流側に流出すると、燃料電池システム1内に設置されているガス検知器等の補機類の誤作動が生じ得る。燃料電池システム1では、以下の方策により、補機類の誤作動を回避しつつ、脱硫器11内の圧力上昇を抑制することとしている。
In order to avoid an excessive increase in the pressure in the
図2は、燃料電池システム1における脱硫器11の過圧解消制御のフローチャートである。以下の説明において、燃料電池システム1の構成に言及しているときは適宜図1を参照することとする。燃料電池システム1は、発電の停止中、上述のように、第1遮断弁21及び第2遮断弁22を閉じて脱硫器11まわりを密封し、脱硫器11内に存在する原料Dを封入している(原料封入工程:S1)。そして、制御部60は、圧力計23が検知した値を適宜受信しており、圧力計23が検知した値が第1の所定の値以上か否かを判断する(脱硫器内圧検知工程:S2)。圧力計23が検知した値が第1の所定の値以上ではない場合は、再び脱硫器内圧検知工程(S2)に戻る。
FIG. 2 is a flowchart of the overpressure elimination control of the
他方、脱硫器内圧検知工程(S2)において、圧力計23が検知した値が第1の所定の値以上の場合、制御部60は、改質用空気ブロワ33を起動する(S3)。改質用空気ブロワ33の起動により、改質用空気ARが改質器51に供給される。また、制御部60は、発電用空気ブロワ43を起動する(S4)。発電用空気ブロワ43の起動により、発電用空気AGが燃料電池53に供給される。しかし、発電が停止している燃料電池システム1では、燃料ガスEが燃料電池53に供給されていない。このため、燃料電池53に供給された発電用空気AGは、燃料電池53を通過して、排ガス管59を流れていく。また、制御部60は、第2遮断弁22の開閉の繰り返し(第2遮断弁22を断続的に開けること)を開始することで、脱硫器11内に封入されていた原料Dを改質器51に向けて排出し、脱硫器11内の圧力を低下させる(減圧処理工程:S5)。なお、図2のフローでは、改質用空気ブロワ33を起動する工程(S3)、発電用空気ブロワ43を起動する工程(S4)の順に行うように示されているが、典型的にはこの2つの工程(S3、S4)は同時に開始される。また、第2遮断弁22の開閉の繰り返しを開始する工程(S5)は、典型的には上記2つの工程(S3、S4)の開始から少し遅れて開始されるが、上記2つの工程(S3、S4)と同時に開始されることとしてもよい。
On the other hand, in the desulfurizer internal pressure detection step (S2), when the value detected by the
第2遮断弁22を開けて脱硫器11に封入されている原料Dを排出する際に、改質用空気AR及び発電用空気AGが供給されるため、原料Dは希釈されて燃料電池システム1から排出されることとなり、原料Dがそのまま排出された場合に生じ得る補機類の誤作動を回避することができる。また、原料Dが脱硫器11から排出される際には改質用空気ARが供給されているため、原料Dが改質器51を通過する際に改質触媒51cに吸着することを抑制することができ、改質触媒51cの能力の低下を抑制することができる。
When the second shut-off
また、本実施の形態では、第2遮断弁22の開閉を繰り返すので、第2遮断弁22を開のまま維持する場合に比べて、脱硫器11から排出される原料Dの流量が小さくなる。第2遮断弁22を開けている時間と閉じている時間とは、第2遮断弁22の特性や脱硫器11内部の圧力等を勘案して、燃料電池システム1から排出される原料Dが燃焼下限未満の濃度となるように決定される。このとき、発電用空気AGが供給されていなくても燃料電池システム1から排出される原料Dが燃焼下限未満の濃度となるようにすることが好ましい。例えば、第2遮断弁22を、0.1秒間開け、その後0.3秒間閉じることを繰り返す(開閉比率が1:3)ように制御することができる。上述のように、本実施の形態では、制御部60に制御される第2遮断弁22の開閉動作の繰り返しによって燃料電池システム1から排出される原料Dを燃焼下限未満の濃度としているため、第2遮断弁22及び制御部60で排出流量抑制手段を構成している。換言すれば、第2遮断弁22及び制御部60は、排出流量抑制手段を兼ねている。
Moreover, in this Embodiment, since opening and closing of the
第2遮断弁22の開閉の繰り返しを開始する工程(S5)を行ったら、制御部60は、圧力計23が検知した値が第2の所定の値以下か否かを判断する(脱硫器内圧低下確認工程:S6)。ここで、第2の所定の値は、脱硫器11の過圧が解消した後に温度が低下しても脱硫器11が負圧になることを回避し得る圧力であり、例えば40kPa(ゲージ圧)とすることができる。このとき、圧力計23が検知した値が第2の所定の値を下回ったとしても、圧力計23が検知した値はこれまでの過程で第1の所定の値から低下してきたものであるから、第2の所定の値から大きく乖離することはない。圧力計23が検知した値が第2の所定の値以下でない場合は、第2遮断弁22の開閉の繰り返しを開始する工程(S5)から(第2遮断弁22の開閉の繰り返しを開始してから)第1の所定の時間が経過したか否かを判断する(S7)。ここで、第1の所定の時間は、異常がなければ遅くとも圧力計23が第2の所定の値以下を検知しているであろう時間である。第1の所定の時間が経過していない場合、制御部60は、基準時から第2の所定の時間が経過したか否かを判断する(S8)。ここで、第2の所定の時間は、第1の所定の時間よりも短い任意の時間であり、異常の発生の有無を判断することができ、仮に何らかの異常が生じた場合に構成機器の損傷をできるだけ抑制することができる観点から決定するとよい。第2の所定の時間は、例えば30秒とすることができる。また、基準時は、典型的には、第1の所定の時間の計測を開始したとき、又は、前回の第2の所定の時間が経過したときである。
After performing the step (S5) of starting to repeat the opening and closing of the
第2の所定の時間が経過したか否かを判断する工程(S8)において、第2の所定の時間が経過したとき、制御部60は、第2の所定の時間の計測を開始してからの圧力計23が検知した値の低下分が第1の所定の差分未満か否かを判断する(S9)。ここで、第1の所定の差分は、異常がなければ第2の所定の時間以内に低下しているであろう圧力の差である。第1の所定の差分は、例えば1kPa(ゲージ圧)とすることができる。圧力計23が検知した値の低下分が第1の所定の差分未満か否かを判断する工程(S9)において第1の所定の差分未満の場合、及び上述の第1の所定の時間が経過したか否かを判断する工程(S7)において第1の所定の時間が経過している場合、制御部60は、第2遮断弁22の故障等、何らかの異常があると推定する(S10)。本実施の形態では、制御部60は、何らかの異常があると推定したとき(S10)、エラー信号を発することとしている。このとき、併せて過圧解消制御を停止することとしてもよい。このように、異常発生の可能性を認識することで、燃料電池システム1に異常が生じた可能性があるまま運転を継続することを回避することができる。
In the step of determining whether or not the second predetermined time has elapsed (S8), when the second predetermined time has elapsed, the
第2の所定の時間が経過したか否かを判断する工程(S8)において第2の所定の時間が経過していない場合、及び圧力計23が検知した値の低下分が第1の所定の差分未満か否かを判断する工程(S9)において第1の所定の差分未満でない場合、制御部60は、圧力計23が検知した値が第3の所定の値以下か否かを判断する(S11)。ここで、第3の所定の値は、第2遮断弁22を開のまま維持した場合であっても、燃料電池システム1から排出される原料Dの流量が、第2遮断弁22の開閉の繰り返しを開始する工程(S5)の当初と同等以下となる圧力である。圧力計23が検知した値が第3の所定の値以下か否かを判断する工程(S11)において、第3の所定の値以下でない場合は、第2遮断弁22の開閉の繰り返しを開始する工程(S5)から、第2遮断弁22の開閉動作の回数が所定の回数を超えたか否かを判断する(S12)。ここで、所定の回数は、脱硫器11内の圧力の低下と第2遮断弁22の耐久性とを勘案して決定される任意の回数であり、例えば、正常な状態で圧力計23が検知した値が第3の所定の値まで低下するまでに第2遮断弁22を開閉する回数以上の回数とすることができる。第2遮断弁22の開閉動作の回数が所定の回数を超えたか否かを判断する工程(S12)において、所定の回数を超えていない場合、脱硫器内圧低下確認工程(S6)に戻る。
When the second predetermined time has not elapsed in the step of determining whether or not the second predetermined time has elapsed (S8), and the decrease in the value detected by the
他方、圧力計23が検知した値が第3の所定の値以下か否かを判断する工程(S11)において第3の所定の値以下の場合、及び第2遮断弁22の開閉動作の回数が所定の回数を超えたか否かを判断する工程(S12)において所定の回数を超えている場合、制御部60は、第2遮断弁22を、開閉を繰り返している状態から、開のまま維持する状態に切り替える(S13)。上記の条件を充足したときに第2遮断弁22を開の状態に維持することで、第2遮断弁22の開閉回数の増加を抑制することができ、第2遮断弁22の寿命を延ばすことができる。第2遮断弁22を開の状態に維持することとしたら、脱硫器内圧低下確認工程(S6)に戻る。
On the other hand, if the value detected by the
脱硫器内圧低下確認工程(S6)において、圧力計23が検知した値が第2の所定の値以下の場合、制御部60は、発電用空気ブロワ43を停止する(S14)。また、制御部60は、改質用空気ブロワ33を停止する(S15)。また、制御部60は、第2遮断弁22を閉じる(S16)。なお、図2のフローでは、発電用空気ブロワ43を停止する工程(S14)、改質用空気ブロワ33を停止する工程(S15)、第2遮断弁22を閉じる工程(S16)の順に行うように示されているが、これらの3つの工程(S14、S15、S16)は同時に行われることとしてもよい。第2遮断弁22を閉じたら(S16)、制御部60は、燃料電池53が運転を開始したか否かを判断する(S17)。燃料電池53が運転を開始していない場合、脱硫器内圧検知工程(S2)に戻り、以下、上述のフローを行う。他方、燃料電池53が運転を開始したか否かを判断する工程(S17)において、運転を開始した場合、脱硫器11の過圧解消制御は終了する。
In the desulfurizer internal pressure drop confirmation step (S6), when the value detected by the
以上で説明したように、本実施の形態に係る燃料電池システム1によれば、過圧解消制御において脱硫器11の内部圧力が第1の所定の値以上となったときに、改質用空気AR及び発電用空気AGを供給しつつ第2遮断弁22の開閉を繰り返すので、燃料電池システム1から排出される原料Dが燃焼下限未満の濃度に希釈されることとなり、原料Dがそのまま排出された場合に生じ得る補機類の誤作動を回避することができる。
As described above, according to the
以上の説明では、第2遮断弁22が電磁弁であるとしたが、電動弁であってもよい。第2遮断弁22が電動弁の場合、排出流量抑制手段は、制御部60が電動弁(第2遮断弁22)の開度を調節することで構成することができ、弁の頻繁な開閉に伴う劣化を抑制することができる。他方、第2遮断弁22を電磁弁とすると、応答を早めることができる。
In the above description, the second shut-off
以上の説明では、排出流量抑制手段が、電磁弁の開閉動作の繰り返し、又は電動弁の開度調節で構成されることとしたが、第2遮断弁22の下流側の脱硫済原料管19に、キャピラリ又はオリフィスが設置されたバイパス管を設け、脱硫器11の過圧解消制御において脱硫器11から排出された原料Dがキャピラリ又はオリフィスが設置されたバイパス管を通過するように構成されていてもよい。このようにすると、原料Dの排出流量の抑制の信頼性を向上させることができる。他方、排出流量抑制手段を弁の開閉動作又は開度調節で構成することとすると、特別な装置を設けることなく原料Dを穏やかに排出することができる。
In the above description, the discharge flow rate suppression means is configured by repeating the opening / closing operation of the solenoid valve or adjusting the opening of the motor operated valve, but in the desulfurized
以上の説明では、圧力計23が検知した値が第1の所定の値以上のときに、改質用空気AR及び発電用空気AGを供給することとしたが、改質用空気ARの供給で原料Dを所望の濃度に希釈することができる場合は、発電用空気AGを供給しなくてもよい。
In the above description, when the value detected by the
以上の説明では、基準時から第2の所定の時間が経過して(S8でYes)、圧力計23が検知した値の低下分が第1の所定の差分未満の場合(S9でYes)に、何らかの異常があると推定することとしたが(S10)、これらの判断をする工程(S8、S9)に代えて、圧力計23が検知した値が第2の所定の差分低下する前に第3の所定の時間が経過したときに、異常があると推定することとしてもよい。例えば、4kPa(ゲージ圧)低下する前に5分が経過した場合に異常があると推定する場合は、第2の所定の差分が4kPa(ゲージ圧)、第3の所定の時間が5分となる。なお、異常の発生を推定することを導くための一連の工程(S7〜S10)を省略してもよく、この場合は、脱硫器内圧低下確認工程(S6)において第2の所定の値以下でない場合に、圧力計23が検知した値が第3の所定の値以下か否かを判断する工程(S11)に進むこととなる。
In the above description, when the second predetermined time has elapsed from the reference time (Yes in S8) and the decrease in the value detected by the
以上の説明では、第2遮断弁22の開閉回数の増加を抑制するために、圧力計23が検知した値が第3の所定の値以下か否かを判断する工程(S11)、及び第2遮断弁22の開閉動作の回数が所定の回数を超えたか否かを判断する工程(S12)を行うこととしたが、これらの一方又は両方の工程を省略してもよい。第2遮断弁22の開閉動作の回数が所定の回数を超えたか否かを判断する工程(S12)が省略される場合、圧力計23が検知した値が第3の所定の値以下か否かを判断する工程(S11)において第3の所定の値以下でないときに、脱硫器内圧低下確認工程(S6)に戻ることとなる。また、両方の工程(S11、S12)が省略される場合は、第2遮断弁22を開の状態に維持する工程(S13)も省略されることとなる。第2遮断弁22を開の状態に維持することを導くための一連の工程(S11〜S13)が省略される場合は、第2の所定の時間が経過したか否かを判断する工程(S8)において第2の所定の時間が経過していない場合、及び圧力計23が検知した値の低下分が第1の所定の差分未満か否かを判断する工程(S9)において第1の所定の差分未満でない場合に、脱硫器内圧低下確認工程(S6)に戻ることとなる。なお、異常の発生を推定することを導くための一連の工程(S7〜S10)、及び第2遮断弁22を開の状態に維持することを導くための一連の工程(S11〜S13)の双方が省略される場合は、脱硫器内圧低下確認工程(S6)において第2の所定の値以下でない場合に、再び脱硫器内圧低下確認工程(S6)に戻ることとなる。
In the above description, in order to suppress an increase in the number of times the second shut-off
1 燃料電池システム
11 脱硫器
18 脱硫前原料管
19 脱硫済原料管
21 第1遮断弁
22 第2遮断弁
23 圧力計
31 改質用空気供給部
33 改質用空気ブロワ
41 発電用空気供給部
43 発電用空気ブロワ
51 改質器
53 燃料電池
60 制御部
D 原料
Dr 脱硫前原料
Df 脱硫済原料
E 燃料ガス
AG 発電用空気
AR 改質用空気
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記脱硫済原料を改質して水素を含有する燃料ガスを生成する改質部と;
前記燃料ガスと発電用空気とを導入して発電する燃料電池と;
前記脱硫器に前記被脱硫原料を導く被脱硫原料ラインと;
前記被脱硫原料ラインに設けられた第1の遮断弁と;
前記脱硫器から前記改質部へ前記脱硫済原料を導く脱硫済原料ラインと;
前記脱硫済原料ラインに設けられた第2の遮断弁と;
前記脱硫器の内部の圧力を直接又は間接的に検知する脱硫器内圧検知器と;
前記第2の遮断弁の下流側の前記脱硫済原料ラインに又は前記改質部に、改質用空気を供給する改質用空気供給部と;
前記第1の遮断弁及び前記第2の遮断弁が閉の状態で、前記脱硫器内圧検知器が検知した圧力が第1の所定の値以上となったときに、前記改質部に向けて前記改質用空気を供給すると共に、前記第2の遮断弁を開にすることによって前記脱硫器内圧検知器が検知する圧力を前記第1の所定の値よりも小さい第2の所定の値まで低下させる減圧処理を行うように、前記改質用空気供給部及び前記第2の遮断弁を作動させる制御部とを備える;
燃料電池システム。 A desulfurizer for producing a desulfurized raw material by desulfurizing a raw material to be desulfurized which is a hydrocarbon-based raw material;
A reforming section for reforming the desulfurized raw material to produce a fuel gas containing hydrogen;
A fuel cell for generating electricity by introducing the fuel gas and air for power generation;
A desulfurization raw material line for guiding the desulfurization raw material to the desulfurizer;
A first shut-off valve provided in the raw material line for desulfurization;
A desulfurized raw material line for guiding the desulfurized raw material from the desulfurizer to the reforming section;
A second shut-off valve provided in the desulfurized raw material line;
A desulfurizer internal pressure detector for directly or indirectly detecting the pressure inside the desulfurizer;
A reforming air supply unit that supplies reforming air to the desulfurized raw material line downstream of the second shutoff valve or to the reforming unit;
When the pressure detected by the desulfurizer internal pressure detector is equal to or higher than a first predetermined value with the first shut-off valve and the second shut-off valve closed, toward the reforming unit. While supplying the reforming air and opening the second shut-off valve, the pressure detected by the desulfurizer internal pressure detector is reduced to a second predetermined value smaller than the first predetermined value. A control unit that operates the reforming air supply unit and the second shut-off valve so as to perform a depressurizing process to be reduced;
Fuel cell system.
前記制御部は、前記脱硫器内圧検知器が検知した圧力が前記第1の所定の値以上となったときに、前記改質部に向けて前記改質用空気を供給することに加え、前記燃料電池に向けて前記発電用空気を供給するように、前記発電用空気供給部を作動させる;
請求項1に記載の燃料電池システム。 A power generation air supply unit configured to supply the power generation air to the fuel cell;
The control unit, in addition to supplying the reforming air toward the reforming unit when the pressure detected by the desulfurizer internal pressure detector is equal to or higher than the first predetermined value, Activating the power generation air supply to supply the power generation air to the fuel cell;
The fuel cell system according to claim 1.
請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 A discharge flow rate suppressing means for suppressing the discharge flow rate of the raw material to the outside so that the raw material discharged to the outside by the decompression process is discharged to the outside at a concentration less than the lower limit of combustion;
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
請求項3に記載の燃料電池システム。 The discharge flow rate suppression means is configured by the control unit repeatedly opening and closing the second shutoff valve;
The fuel cell system according to claim 3.
請求項4に記載の燃料電池システム。 When the pressure detected by the desulfurizer internal pressure detector is equal to or lower than a third predetermined value between the first predetermined value and the second predetermined value, the control unit Configured to keep the shut-off valve open;
The fuel cell system according to claim 4.
請求項4又は請求項5に記載の燃料電池システム。 The control unit is configured to maintain the second shut-off valve in an open state when the number of opening / closing operations of the second shut-off valve exceeds a predetermined number;
The fuel cell system according to claim 4 or 5.
請求項3に記載の燃料電池システム。 The discharge flow rate suppression means is configured by the control unit adjusting the opening of the second shutoff valve;
The fuel cell system according to claim 3.
請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 When the pressure detected by the desulfurizer internal pressure detector exceeds the second predetermined value when the first predetermined time has elapsed since the start of the pressure reduction process, Configured to presume that there is an anomaly;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7.
請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The control unit, while performing the pressure reduction process, when the decrease in pressure detected by the desulfurizer internal pressure detector within a second predetermined time is less than a first predetermined difference, or Configured to estimate that there is an abnormality when a third predetermined time has elapsed before the pressure detected by the desulfurizer internal pressure detector decreases by a second predetermined difference;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8.
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Cited By (1)
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JP2018163853A (en) * | 2017-03-27 | 2018-10-18 | 京セラ株式会社 | Power generator, control apparatus, and control method |
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- 2014-03-26 JP JP2014064227A patent/JP2015185536A/en active Pending
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