JP2016122629A - Fuel battery system and control method for the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
従来、燃料と空気とを用いて発電する燃料電池システムが種々開発されている。このような燃料電池システムでは、燃料として必要な水素含有ガスを、原燃料ガスを改質して生成する改質部を備えることが多い。例えば、都市ガスやLPGなどの炭化水素系の原燃料ガスを、触媒を用いて改質し、水素を主成分とする改質ガスを得る改質部が考案されている。 Conventionally, various fuel cell systems that generate power using fuel and air have been developed. Such a fuel cell system often includes a reforming unit that generates a hydrogen-containing gas necessary as fuel by reforming the raw fuel gas. For example, a reforming unit has been devised in which hydrocarbon-based raw fuel gas such as city gas or LPG is reformed using a catalyst to obtain a reformed gas mainly composed of hydrogen.
また、改質部は、用いられる触媒と原燃料ガスとの組合せによっては、原燃料ガスである炭化水素が触媒に吸着する場合がある。このように吸着した炭化水素が燃料電池システムの始動時に改質部の温度上昇に伴い触媒から放出されると、供給される原燃料ガスと空気との空燃比が所望の値からずれることで、改質部を加熱する加熱手段での燃焼状態が要求される特性を満たさなくなるといった問題が生じ得る。 The reforming unit may adsorb hydrocarbon as raw fuel gas to the catalyst depending on the combination of the catalyst and raw fuel gas used. When the adsorbed hydrocarbon is released from the catalyst as the temperature of the reforming unit rises at the start of the fuel cell system, the air-fuel ratio of the supplied raw fuel gas and air deviates from a desired value, There may be a problem that the combustion state in the heating means for heating the reforming section does not satisfy the required characteristics.
そこで、燃料電池システムの起動運転時に、改質触媒および一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた原料ガスの成分のうちの脱離してくる脱離原料ガスの量に応じて、原料ガス供給装置から供給する原料ガスの量を調整する燃料電池システムが考案されている(特許文献1参照)。 Therefore, during the start-up operation of the fuel cell system, depending on the amount of the desorbed source gas desorbed from the components of the source gas adsorbed on at least one of the reforming catalyst and the carbon monoxide reducing catalyst, the source gas A fuel cell system that adjusts the amount of source gas supplied from a supply device has been devised (see Patent Document 1).
ところで、燃料電池システムの一例として、燃料電池セルに固体酸化物電解質を用いたものが知られている。このような燃料電池システムでは、発電に利用されなかったアノードガスおよびカソードガス(以下、オフガスとよぶ。)を燃料電池セル近傍の燃焼部で燃焼し、その燃焼熱を起動時での改質部の予熱や、改質部における改質反応に用いている。そのため、起動時において改質部の触媒に吸着した原燃料ガスが脱離し、燃焼部で燃焼される可燃ガスが想定よりも多くなると、特に燃料電池セルと燃焼部が近傍の場合、セルの劣化の一因となる。 By the way, as an example of the fuel cell system, a fuel cell using a solid oxide electrolyte is known. In such a fuel cell system, anode gas and cathode gas (hereinafter referred to as off-gas) that have not been used for power generation are combusted in a combustion portion in the vicinity of the fuel cell, and the heat of combustion is reformed at the time of startup. It is used for preheating and reforming reaction in the reforming section. Therefore, when the raw fuel gas adsorbed by the catalyst of the reforming unit is desorbed at the time of start-up and the amount of combustible gas burned in the combustion unit is larger than expected, the deterioration of the cell, particularly when the fuel cell and the combustion unit are in the vicinity. It will contribute.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池システムの起動時における燃料電池セルの劣化を抑制する新たな制御技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a new control technique for suppressing deterioration of the fuel cell at the time of starting the fuel cell system.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の燃料電池システムは、水素含有改質ガスが供給されるアノードと、酸素含有ガスが供給されるカソードと、アノードとカソードとの間に設けられた電解質と、を有するセルを複数積層したセルスタックと、原燃料および水蒸気を用いてセルスタックのアノードに供給する水素含有改質ガスを生成する水蒸気改質触媒を有する改質部と、改質部からアノードへ水素含有改質ガスを供給する水素含有改質ガス供給経路と、カソードに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給経路と、改質部に原燃料および改質水を供給する燃料供給経路と、セルスタックの上方に設けられ、発電に利用されずにカソードを通過した酸素含有ガスと、発電に利用されずにアノードを通過した水素含有改質ガスまたは原燃料と、を燃焼するオフガス燃焼部と、カソードへ供給する酸素含有ガスの供給量を調整できる調整部と、改質部において水蒸気改質触媒に吸着した原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報を検出する検出部と、調整部での酸素含有ガスの供給量を制御する制御部と、を備える。改質部は、オフガス燃焼部の上方に配置されており、制御部は、水蒸気改質触媒に吸着した原燃料が脱離する前(期間A)、原燃料が脱離中(期間B)、検出部において原燃料の脱離が収束した状態と相関のある情報を検出してから改質部への改質水の供給を開始するまでの間(期間C)、のそれぞれの期間において、オフガス燃焼部に供給される原燃料を完全燃焼させるために理論的に必要な酸素量に対する実際に供給される酸素量の比(空気比)が所定の閾値を下回らない範囲で、かつ、期間Bにおける空気比が期間Aおよび期間Cにおける空気比よりも高くなるように、調整部での酸素含有ガスの供給量を制御する起動モードを実行する。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to an aspect of the present invention is provided between an anode to which a hydrogen-containing reformed gas is supplied, a cathode to which an oxygen-containing gas is supplied, and the anode and the cathode. A cell stack in which a plurality of cells having an electrolyte are stacked, a reforming section having a steam reforming catalyst that generates hydrogen-containing reformed gas to be supplied to the anode of the cell stack using raw fuel and steam, and reforming A hydrogen-containing reformed gas supply path for supplying hydrogen-containing reformed gas from the section to the anode, an oxygen-containing gas supply path for supplying oxygen-containing gas to the cathode, and a fuel for supplying raw fuel and reformed water to the reforming section An oxygen-containing gas provided above the cell stack and passed through the cathode without being used for power generation, and a hydrogen-containing reformed gas passed through the anode without being used for power generation, or An off-gas combustion unit that burns fuel, an adjustment unit that can adjust the amount of oxygen-containing gas supplied to the cathode, and whether or not the desorption of the raw fuel adsorbed on the steam reforming catalyst has converged in the reforming unit A detection unit that detects information correlated with the control unit, and a control unit that controls the supply amount of the oxygen-containing gas in the adjustment unit. The reforming unit is disposed above the off-gas combustion unit, and the control unit is before the raw fuel adsorbed on the steam reforming catalyst is desorbed (period A), while the raw fuel is being desorbed (period B), In each period from the detection of the information correlated with the state where the desorption of the raw fuel has converged in the detection unit to the start of the supply of reforming water to the reforming unit (period C), The ratio of the actually supplied oxygen amount (the air ratio) to the oxygen amount theoretically necessary for complete combustion of the raw fuel supplied to the combustion section is within a range that does not fall below a predetermined threshold, and in the period B The start-up mode for controlling the supply amount of the oxygen-containing gas in the adjustment unit is executed so that the air ratio becomes higher than the air ratio in period A and period C.
本発明の別の態様は、燃料電池システムの制御方法である。この方法は、アノードと、カソードと、アノードおよびカソードとの間に設けられた電解質と、を有するセルを複数積層したセルスタックを備える燃料電池システムの制御方法において、燃料電池システムを起動してから、カソードへの酸素含有ガスの供給とアノードへの原燃料または水素含有改質ガスの供給とを開始する工程と、セルスタックの上方に設けられたオフガス燃焼部で、原燃料または水素含有改質ガスと、酸素含有ガスとを燃焼させる工程と、オフガス燃焼部の燃焼熱を用いて、水蒸気改質触媒を有する改質部を加熱する工程と、改質部において水蒸気改質触媒に吸着した原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報を検出する工程と、情報を検出した後に、触媒を用いた原燃料の改質反応により水素含有改質ガスの生成を開始する工程と、を含む。水蒸気改質触媒に吸着した原燃料が脱離する前(期間A)、原燃料が脱離中(期間B)、原燃料の脱離が収束した状態と相関のある情報を検出してから改質部への改質水の供給を開始するまでの間(期間C)、のそれぞれの期間において、オフガス燃焼部に供給される原燃料を完全燃焼させるために理論的に必要な酸素量に対する実際に供給される酸素量の比(空気比)が所定の閾値を下回らない範囲で、かつ期間Bにおける空気比が期間Aおよび期間Cにおける空気比よりも高くなるように、酸素含有ガスの供給量を制御する。 Another aspect of the present invention is a control method for a fuel cell system. This method is a method for controlling a fuel cell system including a cell stack in which a plurality of cells each having an anode, a cathode, and an electrolyte provided between the anode and the cathode are stacked. The process of starting the supply of the oxygen-containing gas to the cathode and the supply of the raw fuel or hydrogen-containing reformed gas to the anode, and the raw fuel or hydrogen-containing reforming in the off-gas combustion section provided above the cell stack A step of burning the gas and the oxygen-containing gas, a step of heating the reforming unit having the steam reforming catalyst using the combustion heat of the off-gas combustion unit, and a raw material adsorbed on the steam reforming catalyst in the reforming unit A step of detecting information correlated with whether or not the desorption of the fuel has converged, and after detecting the information, the reforming reaction of the raw fuel using the catalyst causes the reformation of the hydrogen-containing reformed gas. And a step of initiating the formation, the. Before the raw fuel adsorbed to the steam reforming catalyst is desorbed (period A), the raw fuel is being desorbed (period B), and information that correlates with the state of desorption of the raw fuel converged is detected. The actual amount of oxygen that is theoretically required for complete combustion of the raw fuel supplied to the off-gas combustion section during each period until the start of the supply of reforming water to the mass section (period C) The amount of oxygen-containing gas supplied so that the ratio of the amount of oxygen supplied to the air (air ratio) does not fall below a predetermined threshold and the air ratio in period B is higher than the air ratio in periods A and C To control.
本発明によれば、燃料電池システムの起動時における燃料電池セルの劣化を抑制できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, deterioration of the fuel cell at the time of starting of a fuel cell system can be suppressed.
本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムは、水素含有改質ガスが供給されるアノードと、酸素含有ガスが供給されるカソードと、アノードとカソードとの間に設けられた電解質と、を有するセルを複数積層したセルスタックと、原燃料および水蒸気を用いてセルスタックのアノードに供給する水素含有改質ガスを生成する水蒸気改質触媒を有する改質部と、改質部からアノードへ水素含有改質ガスを供給する水素含有改質ガス供給経路と、カソードに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給経路と、改質部に原燃料および改質水を供給する燃料供給経路と、セルスタックの上方に設けられ、発電に利用されずにカソードを通過した酸素含有ガスと、発電に利用されずにアノードを通過した水素含有改質ガスまたは原燃料と、を燃焼するオフガス燃焼部と、カソードへ供給する酸素含有ガスの供給量を調整できる調整部と、改質部において水蒸気改質触媒に吸着した原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報を検出する検出部と、調整部での酸素含有ガスの供給量を制御する制御部と、を備える。 A fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes an anode to which a hydrogen-containing reformed gas is supplied, a cathode to which an oxygen-containing gas is supplied, and an electrolyte provided between the anode and the cathode. A cell stack having a plurality of stacked cells, a reforming unit having a steam reforming catalyst for generating hydrogen-containing reformed gas to be supplied to the anode of the cell stack using raw fuel and steam, and hydrogen from the reforming unit to the anode A hydrogen-containing reformed gas supply path for supplying the contained reformed gas, an oxygen-containing gas supply path for supplying the oxygen-containing gas to the cathode, a fuel supply path for supplying raw fuel and reformed water to the reforming section, and a cell An oxygen-containing gas that is provided above the stack and passes through the cathode without being used for power generation and a hydrogen-containing reformed gas or raw fuel that has passed through the anode without being used for power generation are burned. Information correlated with whether or not the desorption of the raw fuel adsorbed on the steam reforming catalyst has converged in the reforming unit, the adjustment unit that can adjust the supply amount of the oxygen-containing gas supplied to the cathode, and the off-gas combustion unit A detection unit for detecting, and a control unit for controlling a supply amount of the oxygen-containing gas in the adjustment unit.
改質部は、オフガス燃焼部の上方に配置されており、制御部は、水蒸気改質触媒に吸着した原燃料が脱離する前(期間A)、原燃料が脱離中(期間B)、検出部において原燃料の脱離が収束した状態と相関のある情報を検出してから改質部への改質水の供給を開始するまでの間(期間C)、のそれぞれの期間において、オフガス燃焼部に供給される原燃料を完全燃焼させるために理論的に必要な酸素量に対する実際に供給される酸素量の比(空気比)が所定の閾値を下回らない範囲で、かつ、期間Bにおける空気比が期間Aおよび期間Cにおける空気比よりも高くなるように、調整部での酸素含有ガスの供給量を制御する起動モードを実行する。 The reforming unit is disposed above the off-gas combustion unit, and the control unit is before the raw fuel adsorbed on the steam reforming catalyst is desorbed (period A), while the raw fuel is being desorbed (period B), In each period from the detection of the information correlated with the state where the desorption of the raw fuel has converged in the detection unit to the start of the supply of reforming water to the reforming unit (period C), The ratio of the actually supplied oxygen amount (the air ratio) to the oxygen amount theoretically necessary for complete combustion of the raw fuel supplied to the combustion section is within a range that does not fall below a predetermined threshold, and in the period B The start-up mode for controlling the supply amount of the oxygen-containing gas in the adjustment unit is executed so that the air ratio becomes higher than the air ratio in period A and period C.
これにより、制御部は、期間A、期間B、期間Cのそれぞれの期間において、空気比が所定の閾値を下回らない範囲で酸素含有ガスの供給量を制御する。これにより、触媒に吸着した原燃料の脱離の前後で、原燃料の供給量が変動しても、適当な量の酸素含有ガスを供給できる。また、制御部は、期間Bにおける空気比が期間Aおよび期間Cにおける空気比よりも高くなるようにすることで、触媒に吸着した原燃料が脱離している段階での酸素含有ガス(例えば空気)の供給量を多くできるため、例えば、期間Bでのオフガス燃焼部の温度上昇が抑制され、ひいてはセルスタックの先端近傍の過剰な温度上昇も抑制される。そのため、燃料電池システムの起動時における燃料電池セルの劣化を抑制できる。 Thus, the control unit controls the supply amount of the oxygen-containing gas in a range in which the air ratio does not fall below a predetermined threshold in each of the period A, the period B, and the period C. Thereby, even if the supply amount of raw fuel fluctuates before and after the detachment of the raw fuel adsorbed on the catalyst, an appropriate amount of oxygen-containing gas can be supplied. In addition, the control unit causes the air ratio in the period B to be higher than the air ratio in the period A and the period C, so that the oxygen-containing gas (for example, air) at the stage where the raw fuel adsorbed on the catalyst is desorbed. ) Can be increased, for example, an increase in the temperature of the off-gas combustion section in period B is suppressed, and consequently an excessive increase in temperature near the tip of the cell stack is also suppressed. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the fuel cell at the time of starting the fuel cell system.
所定の閾値は、オフガス燃焼部で失火しない空気比であってもよい。これにより、期間A〜Cのそれぞれにおいて、失火を抑制できる。 The predetermined threshold may be an air ratio that does not misfire in the off-gas combustion section. Thereby, misfire can be suppressed in each of the periods A to C.
制御部は、原燃料の脱離が収束した状態と相関のある情報が検出された場合、カソードに供給する酸素含有ガスの流量F1を、それまでにカソードに供給されていた酸素含有ガスの流量F2よりも低い値になるように、調整部を制御してもよい。これにより、触媒からの原燃料の脱離が収束した後において過剰な酸素が供給されることを抑制できる。 When information correlating with the state in which the desorption of the raw fuel has converged is detected, the control unit sets the flow rate F1 of the oxygen-containing gas supplied to the cathode to the flow rate of the oxygen-containing gas that has been supplied to the cathode so far. You may control an adjustment part so that it may become a value lower than F2. As a result, it is possible to prevent excessive oxygen from being supplied after the desorption of the raw fuel from the catalyst has converged.
制御部は、改質部に水蒸気を供給しない状態で起動モードを実行してもよい。これにより、制御部は、改質部での水蒸気改質が生じない状態で、調整部での酸素含有ガスの供給量を制御する起動モードを実行できる。 The control unit may execute the start-up mode without supplying steam to the reforming unit. Thereby, the control part can perform the starting mode which controls supply_amount | feed_rate of the oxygen containing gas in an adjustment part in the state in which the steam reforming in a reforming part does not arise.
燃料供給経路は、炭素数2以上の炭化水素、または、アルコール類、を含む原燃料を供給してもよい。原燃料は、例えば、プロパンやブタンを主成分とするLPG(液化石油ガス)や灯油(ケロシン)が挙げられる。炭素数が2以上の物質を含む原燃料では、水蒸気改質触媒への吸着が起こりやすい。そのため、LPG等を原燃料とする燃料電池システムでは、前述の起動モードによる効果がより大きい。 The fuel supply path may supply raw fuel containing hydrocarbons having 2 or more carbon atoms or alcohols. Examples of the raw fuel include LPG (liquefied petroleum gas) and kerosene (kerosene) mainly composed of propane and butane. In the raw fuel containing a substance having 2 or more carbon atoms, adsorption to the steam reforming catalyst tends to occur. Therefore, in the fuel cell system using LPG or the like as the raw fuel, the effect of the above-described start mode is greater.
検出部は、原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報として、改質部の温度と相関のある情報を検出し、制御部は、検出部で検出した改質部の温度が所定の温度Trに到達した場合、調整部での酸素含有ガスの供給量を変化させてもよい。これにより、簡易な構成で起動モードにおける酸素含有ガスの供給量を変化させるタイミングを判断できる。 The detection unit detects information correlated with the temperature of the reforming unit as information correlated with whether or not the desorption of the raw fuel has converged, and the control unit detects the temperature of the reforming unit detected by the detection unit. May reach the predetermined temperature Tr, the supply amount of the oxygen-containing gas in the adjustment unit may be changed. Thereby, it is possible to determine the timing for changing the supply amount of the oxygen-containing gas in the startup mode with a simple configuration.
検出部は、原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報として、オフガス燃焼部の温度と相関のある情報を検出し、制御部は、検出部で検出したオフガス燃焼部の温度Tbの単位時間当たりの変化量が所定の値以下になった場合、調整部での酸素含有ガスの供給量を変化させてもよい。これにより、簡易な構成で起動モードにおける酸素含有ガスの供給量を変化させるタイミングを判断できる。 The detection unit detects information correlated with the temperature of the off-gas combustion unit as information correlated with whether or not the desorption of the raw fuel has converged, and the control unit detects the temperature of the off-gas combustion unit detected by the detection unit. When the amount of change of Tb per unit time becomes a predetermined value or less, the supply amount of the oxygen-containing gas in the adjustment unit may be changed. Thereby, it is possible to determine the timing for changing the supply amount of the oxygen-containing gas in the startup mode with a simple configuration.
制御部は、検出部で検出したオフガス燃焼部の温度Tbの単位時間当たりの変化量がマイナスに転じた後に、温度Tbが所定の温度Tb1以下になった場合、調整部での酸素含有ガスの供給量を変化させてもよい。これにより、簡易な構成で起動モードにおける酸素含有ガスの供給量を変化させるタイミングを判断できる。 When the temperature Tb becomes equal to or lower than the predetermined temperature Tb1 after the change amount per unit time of the temperature Tb of the off-gas combustion unit detected by the detection unit has turned negative, the control unit detects the oxygen-containing gas in the adjustment unit. The supply amount may be changed. Thereby, it is possible to determine the timing for changing the supply amount of the oxygen-containing gas in the startup mode with a simple configuration.
制御部は、検出部で検出したオフガス燃焼部の温度Tbの単位時間当たりの変化量が温度Tb0でマイナスに転じた後に、温度Tbが温度Tb0から所定の温度低い温度Tb1’以下になった場合、調整部での酸素含有ガスの供給量を変化させてもよい。これにより、簡易な構成で起動モードにおける酸素含有ガスの供給量を変化させるタイミングを判断できる。 The control unit, when the change amount per unit time of the temperature Tb of the off-gas combustion unit detected by the detection unit turns negative at the temperature Tb0, the temperature Tb becomes equal to or lower than the temperature Tb1 ′ lower than the temperature Tb0 by a predetermined temperature. The supply amount of the oxygen-containing gas in the adjustment unit may be changed. Thereby, it is possible to determine the timing for changing the supply amount of the oxygen-containing gas in the startup mode with a simple configuration.
本発明の別の態様は、燃料電池システムの制御方法である。この方法は、アノードと、カソードと、アノードおよびカソードとの間に設けられた電解質と、を有するセルを複数積層したセルスタックを備える燃料電池システムの制御方法において、燃料電池システムを起動してから、カソードへの酸素含有ガスの供給とアノードへの原燃料または水素含有改質ガスの供給とを開始する工程と、セルスタックの上方に設けられたオフガス燃焼部で、原燃料または水素含有改質ガスと、酸素含有ガスとを燃焼させる工程と、オフガス燃焼部の燃焼熱を用いて、水蒸気改質触媒を有する改質部を加熱する工程と、改質部において水蒸気改質触媒に吸着した原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報を検出する工程と、情報を検出した後に、触媒を用いた原燃料の改質反応により水素含有改質ガスの生成を開始する工程と、を含む。 Another aspect of the present invention is a control method for a fuel cell system. This method is a method for controlling a fuel cell system including a cell stack in which a plurality of cells each having an anode, a cathode, and an electrolyte provided between the anode and the cathode are stacked. The process of starting the supply of the oxygen-containing gas to the cathode and the supply of the raw fuel or hydrogen-containing reformed gas to the anode, and the raw fuel or hydrogen-containing reforming in the off-gas combustion section provided above the cell stack A step of burning the gas and the oxygen-containing gas, a step of heating the reforming unit having the steam reforming catalyst using the combustion heat of the off-gas combustion unit, and a raw material adsorbed on the steam reforming catalyst in the reforming unit A step of detecting information correlated with whether or not the desorption of the fuel has converged, and after detecting the information, the reforming reaction of the raw fuel using the catalyst causes the reformation of the hydrogen-containing reformed gas. And a step of initiating the formation, the.
そして、燃料電池システムは、水蒸気改質触媒に吸着した原燃料が脱離する前(期間A)、原燃料が脱離中(期間B)、原燃料の脱離が収束した状態と相関のある情報を検出してから改質部への改質水の供給を開始するまでの間(期間C)、のそれぞれの期間において、オフガス燃焼部に供給される原燃料を完全燃焼させるために理論的に必要な酸素量に対する実際に供給される酸素量の比(空気比)が所定の閾値を下回らない範囲で、かつ期間Bにおける空気比が期間Aおよび期間Cにおける空気比よりも高くなるように、酸素含有ガスの供給量を制御する。 The fuel cell system correlates with the state in which the raw fuel is desorbed (period A), the raw fuel is being desorbed (period B), and the desorption of the raw fuel has converged. In order to completely burn the raw fuel supplied to the off-gas combustion section in each period from the detection of information to the start of the supply of reforming water to the reforming section (period C) So that the ratio of the actually supplied oxygen amount to the oxygen amount required for the air (air ratio) does not fall below a predetermined threshold, and the air ratio in period B is higher than the air ratio in period A and period C. The supply amount of the oxygen-containing gas is controlled.
これにより、期間A、期間B、期間Cのそれぞれの期間において、空気比が所定の閾値を下回らない範囲で酸素含有ガスの供給量を制御する。これにより、触媒に吸着した原燃料の脱離の前後で、原燃料の供給量が変動しても、適当な量の酸素含有ガスを供給できる。また、期間Bにおける空気比が期間Aおよび期間Cにおける空気比よりも高くなるようにすることで、触媒に吸着した原燃料が脱離している段階での酸素含有ガス(例えば空気)の供給量を多くできるため、例えば、期間Bでのオフガス燃焼部の温度上昇が抑制され、ひいてはセルスタックの先端近傍の過剰な温度上昇も抑制される。そのため、燃料電池システムの起動時における燃料電池セルの劣化を抑制できる。 Thereby, in each of period A, period B, and period C, the supply amount of the oxygen-containing gas is controlled in a range where the air ratio does not fall below a predetermined threshold. Thereby, even if the supply amount of raw fuel fluctuates before and after the detachment of the raw fuel adsorbed on the catalyst, an appropriate amount of oxygen-containing gas can be supplied. Further, by making the air ratio in period B higher than the air ratio in period A and period C, the supply amount of oxygen-containing gas (for example, air) at the stage where the raw fuel adsorbed on the catalyst is desorbed Therefore, for example, an increase in the temperature of the off-gas combustion section in the period B is suppressed, and thus an excessive increase in the temperature near the tip of the cell stack is also suppressed. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the fuel cell at the time of starting the fuel cell system.
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above-described constituent elements and a representation of the present invention converted between a method, an apparatus, a system, etc. are also effective as an aspect of the present invention.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。なお、本実施の形態では、固体酸化物形燃料電池システム(SOFC)を例に説明する。また、一般的な固体酸化物形燃料電池システムと変わらない構造や動作についても説明を適宜省略する。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. Further, the embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention. In this embodiment, a solid oxide fuel cell system (SOFC) will be described as an example. Also, the description of the structure and operation that are not different from those of a general solid oxide fuel cell system will be omitted as appropriate.
[燃料電池システム]
図1は、本実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示した図である。図2は、実施の形態に係る燃料電池システムのブロック図である。燃料電池システム100は、燃料電池モジュール10と、燃料電池モジュール10に酸素含有ガスである空気G1を供給する酸素含有ガス供給経路12と、改質水W1を供給する改質水供給経路13と、LPG等の原燃料ガスG2を供給する燃料供給経路14と、燃料電池モジュール10内での燃焼で生じた排ガスG3を外部へ向けて排出する排ガス経路15と、改質部40からアノードへ水素含有改質ガスを供給する水素含有改質ガス供給経路16と、各経路に設けられている制御弁やポンプを制御する制御部18と、を備える。
[Fuel cell system]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a schematic configuration of a fuel cell system according to the present embodiment. FIG. 2 is a block diagram of the fuel cell system according to the embodiment. The
酸素含有ガス供給経路12は、カソードへ供給する酸素含有ガス(酸化剤)の供給量を調整する酸素含有ガス供給部20が設けられている。制御部18は、酸素含有ガス供給部20の駆動を制御することで、燃料電池モジュール10への空気G1の供給量を調整する。酸素含有ガス供給部20は、酸素含有ガスの供給量の精度を向上するために流量計や制御弁を備えてもよい。改質水供給経路13は、調整弁、ポンプ、流量計等で構成される水供給部52(図2参照)により改質水W1の流量を制御できるように構成されている。なお、酸素含有ガスは、空気以外にも酸素原子を含むガスの中から適宜選択してもよい。
The oxygen-containing
燃料供給経路14は、供給弁22、流量計24、圧力計28およびフィードポンプ30等で構成された水素含有燃料供給部54(図2参照)が設けられている。制御部18は、流量計24や圧力計28から取得した情報に基づいて、供給弁22やフィードポンプ30の動作を制御することで、燃料電池モジュール10への原燃料ガスG2の供給量を適正に調整する。燃料供給経路14の途中には改質水供給経路13が接続されており、燃料供給経路14は、改質部40に原燃料ガスG2および改質水W1を供給するものである。なお、改質水供給経路13と燃料供給経路14とは、合流することなく各々改質部40に接続されていてもよい(図2参照)。また、改質部40の上流側に水気化部56が設けられていてもよい。
The
なお、本実施の形態では、原燃料ガスG2としてLPGが用いられている。LPGは、ブタンやプロパンを主成分としている。通常、LPGは、ガス漏れ対策として付臭剤を含んでいる。付臭剤は、硫黄成分を含んでいるため、付臭剤を含むガスをそのまま燃料電池の改質部へ供給すると、改質触媒が被毒し、性能が低下することになる。そこで、燃料供給経路14には、改質部40に供給される水素含有燃料の脱硫を行う脱硫部50が更に接続されている。なお、水素含有ガスは、水素ガス、炭化水素ガス、水素原子を含むガス等の中から適宜選択してもよい。
In the present embodiment, LPG is used as the raw fuel gas G2. LPG is mainly composed of butane and propane. Usually, LPG contains an odorant as a measure against gas leakage. Since the odorant contains a sulfur component, if the gas containing the odorant is supplied to the reforming part of the fuel cell as it is, the reforming catalyst is poisoned and the performance is deteriorated. Therefore, a
[燃料電池モジュール]
燃料電池モジュール10は、LPG等の水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質部40と、改質ガスを用いて発電を行うセルスタック42と、セルスタック42のカソードで用いられるカソードガスとしての空気G1を供給するカソードガス経路44と、セルスタック42の上方に設けられ、セルスタックのカソードを通過した酸素含有ガス(カソードオフガス)及びセルスタックのアノードを通過した水素含有改質ガスや原燃料ガス等(アノードオフガス)を燃焼して改質部40を加熱する燃焼部46と、改質部40、セルスタック42及び燃焼部46を収納する筐体48と、筐体48の内部においてオフガスの燃焼排ガスを外部へ排出する排ガス経路49と、を備える。改質部40は、原燃料および水蒸気を用いてセルスタック42のアノードに供給する水素含有改質ガスを生成する水蒸気改質触媒を有する。本実施の形態に係る燃焼部46は、発電に利用されずにカソードを通過したカソードオフガスと、同じく発電に利用されずにアノードを通過したアノードオフガスと、を燃焼するオフガス燃焼部である。また、改質部40は、燃焼部46の上方に配置されている。
[Fuel cell module]
The
本実施の形態に係る燃料電池システム100は、改質部40の所定の領域の温度を検出する温度検出部32と、燃焼部46の所定の領域の温度を検出する温度検出部34と、を更に備える。温度検出部32は、接触方式、非接触方式を問わず、改質部の温度と相関のある情報を直接または間接に検出できるものであればよい。また、温度検出部34は、接触方式、非接触方式を問わず、燃焼部の温度と相関のある情報を直接または間接に検出できるものであればよい。具体的には、例えば、熱電対や放射温度計を用いることができる。このように、温度検出部32や温度検出部34は、改質部40において水蒸気改質触媒に吸着した原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報を検出する検出部として機能する。
The
セルスタック42は、図2に示すように、水素含有ガスが供給されるアノード102と、酸素含有ガスが供給されるカソード104と、アノード102とカソード104との間に設けられた電解質106と、を有するセルが複数直列および/または並列に接続されている。セルスタック42で発電された電気は、パワーコンディショナー58を介して外部へ出力される。
As shown in FIG. 2, the
[起動モード]
次に、本実施の形態に係る燃料電池システム100の起動モードにおける各部の動作について、タイミングチャートやフローチャートを用いて説明する。図3は、起動モードにおいて各部に供給される空気G1、原燃料ガスG2および改質水W1の変化を示す図である。図4は、起動モードにおいて改質部から脱離する原燃料ガスの変化を示す図である。図5は、起動モードにおいて改質部および燃焼部の所定領域の温度変化を示す図である。図6は、実際に改質部に投入される原燃料ガスの流量の変化と、改質部に吸着し脱離する原燃料ガスを考慮した原燃料ガスの流量の変化とを示す図である。図7は、起動モードにおける空気比(脱離ガスを考慮しない値および脱離ガスを考慮した値)の変化を示す図である。
[Startup mode]
Next, the operation of each part in the startup mode of the
燃料電池システム100は、装置が起動されると起動モードが制御部18で実行される。具体的には、制御部18は、図3のラインL1に示すように、時間t1においてセル110のカソードに空気G1の供給を開始するように酸素含有ガス供給部20を制御する。次に、制御部18は、図3のラインL2に示すように、時間t2において改質部40に原燃料ガスG2の供給を開始するように供給弁22やフィードポンプ30等を制御する。また、制御部18は、図3のラインL3に示すように、改質部40における水蒸気改質反応が適切に可能となる時間t5において、改質水W1の供給が開始されるように各部を制御する。
In the
ここで、改質部40に原燃料ガスG2が供給され始めると、改質部40の水蒸気改質触媒に原燃料ガスが吸着する。そのため、改質部40への原燃料ガスG2の供給が開始されてしばらくは、改質部40から出てくる原燃料ガスG2はゼロ若しくは供給された原燃料ガスの量よりも非常に少なくなる。改質部40の触媒への原燃料ガスG2の吸着が飽和に近づくと、燃焼部46へと原燃料ガスG2が供給される。その後、時間t3の少し前に燃焼部46でのオフガスの燃焼が開始し、燃焼部46の所定領域の温度が上昇し始める(図5のラインL4参照)。燃焼部46の温度上昇に伴い、改質部40の温度も上昇するため、改質部40の触媒に一度吸着した原燃料ガスG2が脱離し始め、徐々にその量が増大する(図4の時間t3の前後)。
Here, when the raw fuel gas G <b> 2 starts to be supplied to the reforming
時間t3からしばらくの間、原燃料ガスの量(図6のラインL5)は、改質部40に供給された原燃料ガスの量(図6のラインL6)に、それまで改質部40の触媒に吸着していた原燃料ガスが脱離した量(図6のラインL7)を加えたものになる。そのため、改質部40に供給される原燃料ガスの量をそれまでと同じにしたままであると、燃焼部46で燃焼に用いられる原燃料ガスが過大となる。その結果、燃焼部46の下部にあるセル110先端の温度が所望の範囲を超えて高温になるおそれがあり、セルの劣化を招く一因となる。
For a while from time t3, the amount of raw fuel gas (line L5 in FIG. 6) is equal to the amount of raw fuel gas supplied to the reforming unit 40 (line L6 in FIG. 6) until then. The amount obtained by desorbing the raw fuel gas adsorbed on the catalyst (line L7 in FIG. 6) is added. Therefore, if the amount of the raw fuel gas supplied to the reforming
そこで、本実施の形態では、起動モードにおいて原燃料ガスG2や空気G1の供給量を適切に制御することで、燃料電池セルの劣化の抑制を実現している。 Therefore, in the present embodiment, suppression of deterioration of the fuel cell is realized by appropriately controlling the supply amounts of the raw fuel gas G2 and the air G1 in the startup mode.
具体的には、制御部18は、図3に示すように、時間t3において原燃料ガスG2の供給量を減少させるとともに空気G1の供給量を増加させている。その後、時間t4において再度空気G1の供給量を減少させている。また、原燃料ガスG2および空気G1の供給量は、図7に示すように、空気比が所定の閾値を下回らない範囲で、制御されている。所定の閾値は、燃焼部46で失火しない空気比の値(例えば、1.3以上の任意の値)とするとよい。これにより燃料電池システム100の、少なくとも起動開始から時間t5までのそれぞれの期間において失火を抑制できる。なお、図7に示すラインL8は、燃焼部に供給される空気G1の量と、改質部40に供給される原燃料ガスG2の量とから算出される理論空気比であり、ラインL9は、改質部40から脱離した原燃料ガスを加味した実際の空気比である。以下では、ラインL9で示す空気比を例に説明する。
Specifically, as shown in FIG. 3, the
このように、本実施の形態に係る燃料電池システム100の制御部18は、改質部40の水蒸気改質触媒に吸着した原燃料ガスが脱離する前(期間A:図3、図4、図7参照)、原燃料が脱離中(期間B:同上)、検出部において原燃料の脱離が収束した状態と相関のある情報を検出してから改質部への改質水の供給を開始するまでの間(期間C:同上)、のそれぞれの期間において、燃焼部46に供給される原燃料ガスを完全燃焼させるために理論的に必要な酸素量に対する実際に供給される酸素量の比(空気比)が所定の閾値を下回らない範囲で、酸素含有ガス供給部20での空気G1の供給量を制御する。これにより、水蒸気改質触媒に吸着した原燃料ガスの脱離の前後で、燃焼部46への原燃料ガスの供給量が変動しても、適当な量の空気を供給できる。
As described above, the
また、制御部18は、期間Bにおける空気比が期間Aおよび期間Cにおける空気比よりも高くなるように、酸素含有ガス供給部20での酸素含有ガスの供給量を制御している。期間Bは、燃焼部46による燃焼が行われているタイミングであり、原燃料ガスの脱離している期間Bにおいても原燃料ガスの供給量が変わらないとすると、セル110先端の温度が過剰に高温になるおそれがある。そこで、本実施の形態では、期間Bにおける空気G1の供給量を増加させ空気比を高くしている。これにより、燃焼に用いられない空気が増加するため、その空気によりセル110先端を冷却できる。なお、本実施の形態では、時間t3において、原燃料ガスG2の供給量が低減されている。
In addition, the
このように、制御部18は、期間Bにおける空気比が期間Aおよび期間Cにおける空気比よりも高くなるように各部を制御することで、水蒸気改質触媒に吸着した原燃料ガスが脱離している段階での空気の供給量を多くできる。そのため、期間Bでの燃焼部46の温度上昇が抑制され、ひいてはセルスタック42の先端近傍の過剰な温度上昇も抑制される。そのため、燃料電池システム100の起動時におけるセル110の劣化を抑制できる。
As described above, the
その後、制御部18は、原燃料ガスの脱離が収束した状態と相関のある情報が検出された場合、図3に示す時間t4において、カソードに供給する空気の流量F1を、それまでにカソードに供給されていた空気の流量F2よりも低い値になるように、酸素含有ガス供給部20を制御する。これにより、水蒸気改質触媒からの原燃料ガスの脱離が収束した後において過剰な酸素が供給されることを抑制できる。
Thereafter, when information correlating with the state in which the desorption of the raw fuel gas has converged is detected, the
ここで、原燃料ガスの脱離が収束した状態と相関のある情報とは、例えば、改質部40の所定領域の温度が所定の温度Trに到達した場合が挙げられる。燃焼部46での燃焼の開始に伴い改質部40の出口温度が徐々に上昇する。その際、改質部40での原燃料ガスの脱離も進行している。つまり、改質部40の出口温度を温度検出部32で測定することで、原燃料ガスの脱離の進行がどの程度か推測することができる。そこで、予め改質部40の温度と原燃料ガスの脱離の進行の度合いとの関係を求めておくことで、原燃料ガスの脱離が収束した状態か否かを推定することができる。なお、原燃料ガスの脱離の進行とは、単位時間当たりの脱離量の増減ではなく、触媒に吸着していた全原燃料ガスに対して、触媒から脱離した原燃料ガスの脱離量の累積がどの程度に達しているかを示す指標と捉えることができる。
Here, the information correlated with the state where the desorption of the raw fuel gas has converged includes, for example, the case where the temperature of the predetermined region of the reforming
なお、原燃料ガスの脱離が収束した状態とは、例えば、原燃料ガスの脱離が完全に生じなくなった場合や、原燃料ガスの吸着と脱離がつり合った結果、脱離量が見かけ上ゼロになった場合も含まれる。また、原燃料ガスの脱離量がピークアウトして、ピークのX%以下になった状態も含まれる。ここで、X%は、60%以下、好ましくは50%以下、より好ましくは30%以下の範囲で適宜選択されていてもよい。 Note that the state in which the desorption of the raw fuel gas has converged is, for example, a case where the desorption of the raw fuel gas is not completely generated or a result of the balance between the adsorption and desorption of the raw fuel gas, This includes cases where it appears to be zero. In addition, a state where the amount of desorption of the raw fuel gas has peaked out and has become less than X% of the peak is also included. Here, X% may be appropriately selected within a range of 60% or less, preferably 50% or less, and more preferably 30% or less.
本実施の形態に係る制御部18は、温度検出部32により改質部40の温度Trが70度に到達したことが検出されると(図5のラインL10)、原燃料ガスの脱離が収束した状態と推定されるため、一度増加させた空気G1の供給量を時間t4において再度低減させるように酸素含有ガス供給部20を制御する。このように、制御部18は、温度検出部32といった簡易な構成で起動モードにおける空気の供給量を変化させるタイミングを判断できる。なお、温度Trは、40〜100℃の範囲で設定されていてもよい。また、温度Trは、50〜90℃の範囲で設定されていてもよい。また、温度Trは、60〜80℃の範囲で設定されていてもよい。
When the
空気G1の供給量が減少すると、図4に示す時間t5において、十分加熱された改質部40に改質水W1が改質水供給経路13や燃料供給経路14を経由して供給される。このように、制御部18は、改質部40に水蒸気(改質水W1)を供給しない状態で起動モードを実行する。
When the supply amount of the air G1 decreases, the reforming water W1 is supplied to the sufficiently heated reforming
なお、燃料電池システム100は、原燃料ガスの脱離が収束した状態か否かと相関のある情報として、燃焼部46の所定領域の温度Tbを検出する温度検出部34を備えている。制御部18は、温度検出部34で検出した燃焼部46の温度Tbの単位時間当たりの変化量が所定の値以下になった場合、つまり、燃焼部46の温度が安定した場合、一度増加させた空気G1の供給量を再度低減させるように酸素含有ガス供給部20を制御する。このように、制御部18は、温度検出部34といった簡易な構成で起動モードにおける空気の供給量を変化させるタイミングを判断できる。温度Tbは、例えば、400℃から900℃の範囲の値である。
The
また、変形例として、制御部18は、温度検出部34で検出した燃焼部46の温度Tbの単位時間当たりの変化量がマイナスに転じた後に、温度Tbが所定の温度Tb1以下になった場合、一度増加させた空気G1の供給量を再度低減させるように酸素含有ガス供給部20を制御させてもよい。これにより、燃焼部46の温度がピークアウトした後の適切な温度において空気の供給量を変化させることができる。つまり、燃焼部46の温度が上昇し続けているタイミングで空気の供給量を変化させてしまうといった誤動作を抑制できる。
As a modified example, the
また、他の変形例として、制御部18は、温度検出部34で検出した燃焼部46の温度Tbの単位時間当たりの変化量が温度Tb0でマイナスに転じた後に、温度Tbが温度Tb0から所定の温度低い温度Tb1’以下になった場合、一度増加させた空気G1の供給量を再度低減させるように酸素含有ガス供給部20を制御してもよい。これにより、起動モードにおける燃焼部46の最高温度がシステムの個体差によってばらついても、個体に応じた適切なタイミングで空気G1の供給量を変化させることができる。
As another modification, the
図8は、本実施の形態に係る起動モードを示すフローチャートである。起動モードが開始されると(S10)、カソードへの空気G1の供給とアノードへの原燃料ガスG2の供給が開始される(S12、S14)。その後、セルスタックの上方に設けられた燃焼部46で、原燃料ガスG2と空気G1とを燃焼させ、その燃焼熱を用いて改質部40が加熱される(S16)。その直後、カソードへの空気G1の供給量を増加させるとともに、改質部40への原燃料ガスG2の供給量を低減させることで、空気比を増加させる制御が行われる(S18)。
FIG. 8 is a flowchart showing a start mode according to the present embodiment. When the start-up mode is started (S10), supply of air G1 to the cathode and supply of raw fuel gas G2 to the anode are started (S12, S14). Thereafter, the raw fuel gas G2 and air G1 are combusted in the
その後、温度検出部32で改質部40の温度Trが検出され(S20)、温度Trが70℃以上か否かが判定される(S22)。温度Trが70℃未満の場合(S22のNo)、ステップS20に戻る。一方、温度Trが70℃以上の場合(S22のYes)、カソードへの空気G1の供給量を低減させることで、空気比を減少させる制御が行われ(S24)、起動モードが終了する。その後、所定のタイミングで改質部40へ改質水W1が供給され、水蒸気改質により生成された水素を利用してセルスタック42での発電が行われる。
Thereafter, the temperature Tr of the reforming
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。 As described above, the present invention has been described with reference to each of the above-described embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and those in which the configurations of the embodiments are appropriately combined or replaced. Are also included in the present invention. In addition, it is possible to appropriately change the combination and processing order in the embodiment based on the knowledge of those skilled in the art and to add various modifications such as various design changes to the embodiment. The described embodiments can also be included in the scope of the present invention.
F1 流量、 G1 空気、 W1 改質水、 F2 流量、 G2 原燃料ガス、 G3 排ガス、 10 燃料電池モジュール、 12 酸素含有ガス供給経路、 13 改質水供給経路、 14 燃料供給経路、 15 排ガス経路、 16 水素含有改質ガス供給経路、 18 制御部、 20 酸素含有ガス供給部、 32,34 温度検出部、 40 改質部、 42 セルスタック、 44 カソードガス経路、 46 燃焼部、 100 燃料電池システム、 102 アノード、 104 カソード、 106 電解質、 110 セル。 F1 flow rate, G1 air, W1 reformed water, F2 flow rate, G2 raw fuel gas, G3 exhaust gas, 10 fuel cell module, 12 oxygen-containing gas supply route, 13 reformed water supply route, 14 fuel supply route, 15 exhaust gas route, 16 Hydrogen-containing reformed gas supply path, 18 control section, 20 oxygen-containing gas supply section, 32, 34 temperature detection section, 40 reforming section, 42 cell stack, 44 cathode gas path, 46 combustion section, 100 fuel cell system, 102 anode, 104 cathode, 106 electrolyte, 110 cell.
Claims (11)
原燃料および水蒸気を用いて前記セルスタックのアノードに供給する水素含有改質ガスを生成する水蒸気改質触媒を有する改質部と、
前記改質部から前記アノードへ前記水素含有改質ガスを供給する水素含有改質ガス供給経路と、
前記カソードに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給経路と、
前記改質部に原燃料および改質水を供給する燃料供給経路と、
前記セルスタックの上方に設けられ、発電に利用されずに前記カソードを通過した酸素含有ガスと、発電に利用されずに前記アノードを通過した水素含有改質ガスまたは原燃料と、を燃焼するオフガス燃焼部と、
前記カソードへ供給する酸素含有ガスの供給量を調整できる調整部と、
前記改質部において前記水蒸気改質触媒に吸着した原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報を検出する検出部と、
前記調整部での酸素含有ガスの供給量を制御する制御部と、を備え、
前記改質部は、前記オフガス燃焼部の上方に配置されており、
前記制御部は、
前記水蒸気改質触媒に吸着した原燃料が脱離する前(期間A)、前記原燃料が脱離中(期間B)、前記検出部において前記原燃料の脱離が収束した状態と相関のある情報を検出してから前記改質部への前記改質水の供給を開始するまでの間(期間C)、のそれぞれの期間において、
前記オフガス燃焼部に供給される原燃料を完全燃焼させるために理論的に必要な酸素量に対する実際に供給される酸素量の比(空気比)が所定の閾値を下回らない範囲で、かつ、前記期間Bにおける空気比が前記期間Aおよび前記期間Cにおける空気比よりも高くなるように、前記調整部での酸素含有ガスの供給量を制御する起動モードを実行することを特徴とする燃料電池システム。 A cell stack in which a plurality of cells having an anode supplied with a hydrogen-containing reformed gas, a cathode supplied with an oxygen-containing gas, and an electrolyte provided between the anode and the cathode,
A reforming section having a steam reforming catalyst for generating hydrogen-containing reformed gas to be supplied to the anode of the cell stack using raw fuel and steam;
A hydrogen-containing reformed gas supply path for supplying the hydrogen-containing reformed gas from the reforming section to the anode;
An oxygen-containing gas supply path for supplying an oxygen-containing gas to the cathode;
A fuel supply path for supplying raw fuel and reformed water to the reforming section;
An off-gas that is provided above the cell stack and burns oxygen-containing gas that has passed through the cathode without being used for power generation and hydrogen-containing reformed gas or raw fuel that has passed through the anode without being used for power generation. A combustion section;
An adjustment unit capable of adjusting the amount of oxygen-containing gas supplied to the cathode;
A detection unit for detecting information correlated with whether or not the desorption of the raw fuel adsorbed on the steam reforming catalyst has converged in the reforming unit;
A control unit for controlling the supply amount of the oxygen-containing gas in the adjustment unit,
The reforming unit is disposed above the off-gas combustion unit,
The controller is
There is a correlation with the state in which the desorption of the raw fuel is converged in the detection unit before the raw fuel adsorbed on the steam reforming catalyst is desorbed (period A), during the desorption of the raw fuel (period B). In each period between the detection of information and the start of supply of the reforming water to the reforming unit (period C),
The ratio of the actually supplied oxygen amount (the air ratio) to the oxygen amount theoretically necessary for complete combustion of the raw fuel supplied to the off-gas combustion unit is within a range that does not fall below a predetermined threshold value, and A fuel cell system that executes a start-up mode that controls the supply amount of the oxygen-containing gas in the adjustment unit so that the air ratio in the period B is higher than the air ratio in the period A and the period C. .
前記制御部は、前記検出部で検出した前記改質部の温度が所定の温度Trに到達した場合、前記調整部での酸素含有ガスの供給量を変化させることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The detection unit detects information correlated with the temperature of the reforming unit as information correlated with whether or not the desorption of raw fuel has converged,
The control unit, when the temperature of the reforming unit detected by the detection unit reaches a predetermined temperature Tr, changes the supply amount of the oxygen-containing gas in the adjustment unit. The fuel cell system according to any one of 5.
前記制御部は、前記検出部で検出した前記オフガス燃焼部の温度Tbの単位時間当たりの変化量が所定の値以下になった場合、前記調整部での酸素含有ガスの供給量を変化させることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The detection unit detects information correlated with the temperature of the off-gas combustion unit as information correlated with whether or not the desorption of raw fuel has converged,
The control unit changes the supply amount of the oxygen-containing gas in the adjustment unit when the change amount per unit time of the temperature Tb of the off-gas combustion unit detected by the detection unit becomes a predetermined value or less. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein:
燃料電池システムを起動してから、前記カソードへの酸素含有ガスの供給と前記アノードへの原燃料または水素含有改質ガスの供給とを開始する工程と、
前記セルスタックの上方に設けられたオフガス燃焼部で、前記原燃料または前記水素含有改質ガスと、前記酸素含有ガスとを燃焼させる工程と、
前記オフガス燃焼部の燃焼熱を用いて、水蒸気改質触媒を有する改質部を加熱する工程と、
前記改質部において前記水蒸気改質触媒に吸着した原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報を検出する工程と、
前記情報を検出した後に、前記触媒を用いた前記原燃料の改質反応により水素含有改質ガスの生成を開始する工程と、を含み、
前記水蒸気改質触媒に吸着した原燃料が脱離する前(期間A)、前記原燃料が脱離中(期間B)、前記原燃料の脱離が収束した状態と相関のある情報を検出してから前記改質部への改質水の供給を開始するまでの間(期間C)、のそれぞれの期間において、
前記オフガス燃焼部に供給される原燃料を完全燃焼させるために理論的に必要な酸素量に対する実際に供給される酸素量の比(空気比)が所定の閾値を下回らない範囲で、かつ前記期間Bにおける空気比が前記期間Aおよび前記期間Cにおける空気比よりも高くなるように、酸素含有ガスの供給量を制御することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 In a control method of a fuel cell system comprising a cell stack in which a plurality of cells each having an anode, a cathode, and an electrolyte provided between the anode and the cathode are stacked,
Starting a fuel cell system and then starting supplying oxygen-containing gas to the cathode and supplying raw fuel or hydrogen-containing reformed gas to the anode;
A step of combusting the raw fuel or the hydrogen-containing reformed gas and the oxygen-containing gas in an off-gas combustion section provided above the cell stack;
Heating the reforming section having a steam reforming catalyst using the combustion heat of the off-gas combustion section;
Detecting information correlated with whether or not the desorption of the raw fuel adsorbed on the steam reforming catalyst has converged in the reforming unit;
After detecting the information, starting production of a hydrogen-containing reformed gas by a reforming reaction of the raw fuel using the catalyst,
Before the raw fuel adsorbed on the steam reforming catalyst is desorbed (period A), information correlated with the state in which the desorption of the raw fuel is converged is detected while the raw fuel is desorbing (period B). In each period from the start to the start of supply of reforming water to the reforming section (period C),
The ratio of the actually supplied oxygen amount (the air ratio) to the oxygen amount theoretically necessary to completely burn the raw fuel supplied to the off-gas combustion unit is within a range that does not fall below a predetermined threshold, and the period A control method for a fuel cell system, wherein the supply amount of the oxygen-containing gas is controlled so that the air ratio in B is higher than the air ratio in the period A and the period C.
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