JP3694448B2 - Fuel cell system - Google Patents

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JP3694448B2
JP3694448B2 JP2000255249A JP2000255249A JP3694448B2 JP 3694448 B2 JP3694448 B2 JP 3694448B2 JP 2000255249 A JP2000255249 A JP 2000255249A JP 2000255249 A JP2000255249 A JP 2000255249A JP 3694448 B2 JP3694448 B2 JP 3694448B2
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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  • Control Of Combustion (AREA)
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の燃料極から排出されるオフガス、または水素生成器から排出される生成ガスのうち所望する組成を有しない不完全な生成ガスを、前記水素生成器を加熱するための燃料ガスとして利用する燃料電池および水素生成器からなる発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、従来の燃料電池を用いた発電装置を、図２を用いて説明する。図２に示す発電装置に含まれる燃料電池１においては、空気極２と燃料極３とが高分子電解質膜４を挟んで配置され、空気極２の上流側は空気を供給するブロア５に連通している。
水素生成器６には、天然ガスまたはメタノールなどの原料Ｘおよび水蒸気改質反応に必要な原料となる水Ｙが供給され、水素リッチな生成ガスＧを生成する。生成ガスＧは切替弁７を経て、燃料電池１の燃料極３に供給され、燃料極３と接する所定の流路を下流側へ向かって流れる。このとき、生成ガスＧ中の水素が必要量だけ電極反応で消費され、残ったガスはオフガスＧ’として燃焼部９に供給される。生成ガスＧを燃料極３に供給しない場合には、生成ガスＧは切替弁７を経て燃焼部９に供給される。
【０００３】
燃焼部９に供給された生成ガスＧまたはオフガスＧ’はファン１０から供給された空気によって燃焼し燃焼室８に火炎１１を形成し、燃焼ガスによって水素生成器６を加熱する。
燃焼室８の火炎１１においては、火炎１１に所定の電圧を印可したときに流れるイオン電流によってその状態が検知される。火炎検知部１２は、火炎１１と接触するように設けられた耐熱性の導電体１３と、火炎１１を介して導電体１３と燃焼部９に所定電圧を印可する直流電源１４と、火炎１１を流れる電流値を電圧に変換するための電気抵抗１５と、電気抵抗１５の両端の電圧を検知する電圧検知部１６とで構成されている。この火炎検知部１２によって火炎１１の着火および失火などの燃焼状態が検知されるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の燃料電池システムにおいては、水蒸気改質反応によって原料Ｘ中の炭化水素が水素に転換されているため、生成ガスＧおよびオフガスＧ’が含む炭化水素の濃度が著しく低い。炭化水素の濃度が低いと火炎１１中のイオン濃度も低くなり、火炎１１を流れる電流値が小さくなって電気抵抗１５の両端の電圧も低くなる。つまり、火炎検知部１２の検知電圧が低くなって着火時および失火時の状態判別が困難になるという問題があった。
したがって、本発明は上述の従来技術の有する問題を解決し、水素生成部を加熱する燃焼部の着火および失火の判別が確実にでき、安全に運転できる発電装置である燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、炭化水素系原料および水から水素リッチの生成ガスを生成する水素生成器と、前記生成ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記水素生成器に水を供給する水供給部と、前記水素生成器を加熱する燃焼部と、前記燃焼部に空気を供給する送風部と、前記燃焼部の下流側に設けられた燃焼室と、前記燃焼室で形成される火炎のイオン電流に基づいて火炎の状態を検知する火炎検知部と、前記燃料電池の燃料極から排出されるオフガスおよび前記生成ガスの少なくとも一方を前記燃焼部に供給する排出ガス供給部と、前記水素生成器の温度を検知する温度センサーと、温度制御装置とを備え、前記温度制御手段は、前記オフガスおよび前記生成ガスの少なくとも一方に含まれる炭化水素の量が所定値以上になるよう前記水素生成器の温度を所定温度以下に制御することを特徴とする燃料電池システムに関する。
【０００６】
前記温度制御装置が、前記送風部から前記燃焼部に供給される空気量を調節することによって前記水素生成器の温度を制御するのが有効である。
また、前記温度制御装置が、前記水供給部から前記水素生成器に供給される水の量を調節することによって前記水素生成器の温度を制御するのも有効である。さらに前記燃料電池システムは、前記生成ガス中の炭化水素の濃度を検知する炭化水素センサーを具備し、前記温度制御装置が前記炭化水素センサーの出力値に基づいて前記水素生成器の温度を制御するのが有効である。
前記炭化水素系原料から水素への転化率が９９％以下であるのが有効である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、炭化水素系原料および水から水素リッチの生成ガスを生成する水素生成器と、前記生成ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記水素生成器に水を供給する水供給部と、前記水素生成器を加熱する燃焼部と、前記燃焼部に空気を供給する送風部と、前記燃焼部の下流側に設けられた燃焼室と、前記燃焼室で形成される火炎のイオン電流に基づいて火炎の状態を検知する火炎検知部と、前記燃料電池の燃料極から排出されるオフガスおよび前記生成ガスの少なくとも一方を前記燃焼部に供給する排出ガス供給部と、前記水素生成器の温度を検知する温度センサーとを具備し、さらに前記水素生成器の温度を所定温度以下に制御する温度制御装置を具備する燃料電池システムに関する。
【０００８】
本発明の最大の特徴は、従来の問題点を解決するため、水素生成器を加熱するための火炎が形成される燃焼室に、火炎のイオン電流に基づいて検知する火炎検知部を設けるとともに水素生成部に温度センサーを設け、さらに水素生成器内の温度が所定温度以下となるように制御する温度制御装置を設ける点にある。
そして、燃料極から排出されるオフガスおよび水素生成器で生成される生成ガスの少なくとも一方を燃焼部で燃焼させる際に、水素生成器を所定温度以下となるように制御することにより、水素生成器の改質反応による原料の転化率を所定値以下にすることができ、燃焼に供される炭化水素量を所定値以上とすることができる。
上述したように、火炎のイオン電流値は炭化水素の量が多くなると大きくなるため、火炎検知部での検知電圧も高くなり、着火および失火を確実に検知できる。また、火炎のイオン電流を検知することから、火炎が消失すれば直ちにイオン電流も流れなくなるので、火炎検知電圧も直ちに低下し、着火および失火ないし消火の応答性を向上させることができる。
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムにおいては、水素生成器に原料と水を供給すると、水蒸気改質反応により原料中の炭化水素が転化されて水素リッチな生成ガスが得られる。この生成ガスは、燃料電池システムの起動時などにオフガスなどとしてオフガス供給部から燃焼部に供給され、送風部から供給された空気によって燃焼して燃焼室において火炎を形成する。また、燃焼ガスは火炎を形成することによって水素生成器を加熱、昇温し、水素生成器において水蒸気改質反応が持続される。
火炎の状態の検知は、火炎のイオン電流に基づいて行われるが、火炎のイオン電流は炭化水素の量が多くなると電流値も大きくなるので、水素生成器を所定温度以下となるように制御することで、水素生成器の改質反応による原料中の炭化水素の転化率を所定値以下にすることができ、燃焼に供されるオフガス中の炭化水素量を所定値以上とすることができ、イオン電流値を大きくできる。
【００１０】
水素生成器の温度制御装置は、送風部から燃焼部に供給される空気量を調節することによって水素生成器の温度を制御することができる。
そして、燃焼部に供給されるオフガスおよび／または生成ガスの燃焼に必要な空気が送風部から供給されるが、燃焼に必要な空気量以上の空気を供給すると、過剰な空気は水素生成部を空冷するので、水素生成部の温度を応答性よく速やかに低温化できる。これにより、水蒸気改質反応による原料の転化率を応答性よく所定値以下に制御でき、燃焼に供されるオフガス中の炭化水素を所定値以上とし、イオン電流値を安定して大きくできる。したがって、火炎検知部での検知電圧も安定して高くでき、着火および失火ないし消火を応答性よく確実に検知できる。
【００１１】
また、水素生成器の温度制御装置は、水供給部から水素生成器に供給される水量によって水素生成器の温度を制御することができる。
水蒸気改質反応に必要な量以上の原料水を水素生成器に供給すると、水素生成器の温度を低くできるので、原料の転化率を低くし、オフガスおよび／または生成ガスに含まれる炭化水素量を所定値以上としてイオン電流値を大きくすることができる。したがって、火炎検知部での検知電圧も高くでき、着火および失火ないし消火を確実に検知できる。
また生成ガス中の炭化水素の濃度を検知する炭化水素センサーを設け、水素生成器の温度制御装置が前記炭化水素センサーの出力値に基づいて水素生成器の温度を制御することもできる。
【００１２】
本発明の燃料電池システムにおいては、炭化水素系原料の水素への転化率を９９％以下とするのが好ましい。転化率を９９％以下とすると、原料の９９％以下が水素に転化され、残りの１％以上の炭化水素をオフガスおよび／または生成ガスに残留させることができる。このオフガスなどを燃焼部に供すると、火炎中に確実にイオンが発生しイオン電流値を大きくできるため、火炎検知部での検知電圧も高くし、着火および失火ないし消火を確実に検知できる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
《実施例１》
図１は、本実施例に係る燃料電池システムの構成図である。図１において、図２で示した従来の燃料電池を用いた発電装置と同じ機能を有するものについては、同一符号を付与しており、それらの機能の詳細は、上述のとおりである。
図１に示す燃料電池システムは、水素生成器６の温度を検知する温度センサー２０、原料水Ｙを供給する水供給部であるポンプ２１、および生成ガスの炭化水素の濃度を検知する炭化水素センサー２２を具備する。炭化水素センサー２２としてはガスクロ方式、赤外線吸収式または光音響式などを用いることができる。
燃料極３から排出されるオフガスＧ’および水素生成器６で生成される生成ガスＧ（以下、「オフガスなど」という。）は、それぞれオフガス供給部２３および２３’から燃焼部９に供給される。燃焼部９には送風部であるファン１０が設けられている。制御部２４は温度センサー２０または炭化水素センサー２２の検出値に応じてポンプ２１およびファン１０を運転制御する。
【００１４】
つぎに、本実施例に係る燃料電池システムの動作および作用について説明する。
水素生成器６に原料Ｘと水Ｙを供給すると、水蒸気改質反応により原料Ｘの炭化水素が転化されて水素リッチな生成ガスＧが得られる。これらのオフガスなどはオフガス供給部２３または２３’から燃焼部９に供給される。
燃焼部９に供給されたオフガスなどは、ファン１０から供給された空気によって燃焼し、燃焼室８に火炎１１を形成する。火炎１１よる燃焼ガスは水素生成器６を加熱、昇温して水蒸気改質反応が持続される。
火炎１１の火炎検知は火炎１１中のイオンによって流れるイオン電流を、電気抵抗１５の両端に生じる電圧値に変換して電圧検知部１６で検知して行う。燃焼部９に供給されるオフガスなどに含まれる炭化水素の量が多くなると、火炎１１のイオン電流も大きくなるが、オフガスなどに含まれる炭化水素の量は水素生成器６で水素に転化されなかった残りの炭化水素の量となるので、転化率を所定値以下とするために水素生成器６の温度を所定値以下に制御する必要がある。
【００１５】
温度センサー２０で得られた温度信号は水素生成器の温度を制御する温度制御装置である制御部２４に送られる。温度センサー２０が所定温度よりも高い場合には、ファン１０の送風量が増加するように制御部２４によってファン１０が運転制御される。ファン１０の送風量を増加させるとオフガスなどの燃焼に必要な空気量以上の空気を供給することになるので、過剰な空気は水素生成部６を空冷するので、水素生成部６の温度を応答性よく速やかに低温化でき、燃焼に供されるオフガス中の炭化水素の量を所定値以上とすることができ、イオン電流値を安定して大きくできる。
したがって、火炎検知部１２での検知電圧も安定して高くでき、着火および失火、消火を応答性よく確実に検知できる。さらに火炎１１のイオン電流を検知するので、火炎１１が存在しなくなれば直ちにイオン電流も流れなくなるので、火炎検知部１２での検知電圧が直ちに低下し、着火および失火ないし消火の応答性を向上できる。
【００１６】
また、温度センサー２０が所定温度よりも高い場合には、ポンプ２１の原料水の供給量が増加するように制御部２４によってポンプ２１が運転制御される。ポンプ２１の供給量を増加させると、水蒸気改質反応に必要な原料水以上の原料水が水素生成器６に供給されるので、過剰な水の顕熱や蒸発潜熱によって水素生成器の温度を低くでき、原料の転化率を低くでき、オフガスなどに含まれる炭化水素の量を所定値以上とすることができ、イオン電流値を大きくできる。したがって、火炎検知部１２での検知電圧も高くでき、着火および失火ないし消火を確実に検知できる。
また、炭化水素センサー２２によって生成ガスＧに含まれる炭化水素の濃度を検知し、制御部２４で原料の転化率を算出する。算出された転化率が９９％以下となるようにファン１０およびポンプ２１の少なくともいずれか１つを制御部２４で制御できるので、原料燃料の１％以上の炭化水素をオフガスなどに残留させることができる。このオフガスなどを燃焼部９に供するので、火炎１１中に確実にイオンが発生しイオン電流値を大きくできるので火炎検知部１２での検知電圧も高くでき、着火および失火ないし消火を確実に検知できる。
【００１７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、水素生成器を所定温度以下となるように制御するので、水素生成器の改質反応による原料燃料の転化率を所定値以下にし、燃焼に供されるオフガス中の炭化水素量を所定値以上としてイオン電流値を大きくすることができる。したがって、火炎検知部での検知電圧を高くすることができるとともに、着火および失火なしいし消火を確実に検知できる。また、火炎のイオン電流を検知するので、火炎が存在しなくなれば直ちにイオン電流も流れなくなるので、火炎検知での検知電圧が直ちに低下し、着火および失火ないし消火の応答性を向上できる。
さらに、燃焼に必要な空気量以上の空気を送風部から供給すると、過剰な空気は水素生成部を空冷するので、水素生成部の温度を応答性よく速やかに低温化でき、オフガスなどの燃焼による火炎のイオン電流値を安定して大きくできる。
また、水蒸気改質反応に必要な量以上の水を水供給部から供給すると、過剰な水が水素生成部を冷却するため、水素生成部の温度を応答性よく速やかに低温化でき、オフガスなどの燃焼による火炎のイオン電流値を安定して大きくすることができる。
また、転化率を９９％以下とし、オフガスなどに炭化水素を確実に残留させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの構成図
【図２】従来の燃料電池システムの構成図
【符号の説明】
１ 燃料電池
６ 水素生成器
８ 燃焼室
９ 燃焼部
１０ 送風部であるファン
１２ 火炎検知部
２０ 温度センサー
２１ 水供給部であるポンプ
２２ 炭化水素センサー
２３、２３’ オフガス供給部
２４ 制御部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a fuel for heating the hydrogen generator by using an off-gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell or an incomplete product gas having a desired composition among the product gas discharged from the hydrogen generator. The present invention relates to a power generation device including a fuel cell and a hydrogen generator used as gas.
[0002]
[Prior art]
First, a power generator using a conventional fuel cell will be described with reference to FIG. In the fuel cell 1 included in the power generator shown in FIG. 2, the air electrode 2 and the fuel electrode 3 are arranged with the polymer electrolyte membrane 4 interposed therebetween, and the upstream side of the air electrode 2 communicates with a blower 5 that supplies air. are doing.
The hydrogen generator 6 is supplied with a raw material X such as natural gas or methanol and water Y as a raw material necessary for the steam reforming reaction, and generates a hydrogen-rich product gas G. The generated gas G is supplied to the fuel electrode 3 of the fuel cell 1 through the switching valve 7 and flows in a predetermined flow path in contact with the fuel electrode 3 toward the downstream side. At this time, a necessary amount of hydrogen in the product gas G is consumed by the electrode reaction, and the remaining gas is supplied to the combustion unit 9 as off-gas G ′. When the product gas G is not supplied to the fuel electrode 3, the product gas G is supplied to the combustion unit 9 via the switching valve 7.
[0003]
The generated gas G or off-gas G ′ supplied to the combustion unit 9 is combusted by the air supplied from the fan 10 to form a flame 11 in the combustion chamber 8, and the hydrogen generator 6 is heated by the combustion gas.
The state of the flame 11 in the combustion chamber 8 is detected by an ionic current that flows when a predetermined voltage is applied to the flame 11. The flame detection unit 12 includes a heat-resistant conductor 13 provided so as to come into contact with the flame 11, a DC power source 14 that applies a predetermined voltage to the conductor 13 and the combustion unit 9 via the flame 11, and a flame 11. The electric resistance 15 for converting the flowing current value into a voltage and the voltage detection unit 16 for detecting the voltage at both ends of the electric resistance 15 are configured. The flame detection unit 12 detects a combustion state such as ignition and misfire of the flame 11.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Thus, in the conventional fuel cell system, since the hydrocarbon in the raw material X is converted to hydrogen by the steam reforming reaction, the concentration of the hydrocarbon contained in the product gas G and off-gas G ′ is extremely low. When the hydrocarbon concentration is low, the ion concentration in the flame 11 is also low, the value of the current flowing through the flame 11 is small, and the voltage across the electric resistance 15 is also low. That is, there is a problem that the detection voltage of the flame detector 12 becomes low and it becomes difficult to determine the state at the time of ignition and at the time of misfire.
Accordingly, the present invention provides a fuel cell system that solves the above-described problems of the prior art and that can reliably determine ignition and misfiring of the combustion section that heats the hydrogen generation section and that can be operated safely. With the goal.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a hydrogen generator that generates a hydrogen-rich product gas from a hydrocarbon-based raw material and water, a fuel cell that generates power using the product gas and an oxidant gas, and water to the hydrogen generator A water supply unit, a combustion unit for heating the hydrogen generator, a blower unit for supplying air to the combustion unit, a combustion chamber provided on the downstream side of the combustion unit, and a flame formed in the combustion chamber A flame detection unit that detects a flame state based on an ion current of the gas, an exhaust gas supply unit that supplies at least one of an off-gas and a generated gas discharged from a fuel electrode of the fuel cell to the combustion unit, and the hydrogen a temperature sensor for detecting the temperature of the generator, and a temperature controller, said temperature control means, before as the amount of hydrocarbons at least contained in one of the off-gas and the product gas becomes equal to or greater than a predetermined value A fuel cell system and controls the temperature of the hydrogen generator to or below a predetermined temperature.
[0006]
It is effective that the temperature control device controls the temperature of the hydrogen generator by adjusting the amount of air supplied from the blower to the combustion unit.
It is also effective that the temperature control device controls the temperature of the hydrogen generator by adjusting the amount of water supplied from the water supply unit to the hydrogen generator. The fuel cell system further includes a hydrocarbon sensor that detects the concentration of hydrocarbon in the product gas, and the temperature control device controls the temperature of the hydrogen generator based on the output value of the hydrocarbon sensor. Is effective.
It is effective that the conversion rate from the hydrocarbon raw material to hydrogen is 99% or less.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention relates to a hydrogen generator that generates a hydrogen-rich product gas from a hydrocarbon-based raw material and water, a fuel cell that generates power using the product gas and an oxidant gas, and water to the hydrogen generator A water supply unit, a combustion unit for heating the hydrogen generator, a blower unit for supplying air to the combustion unit, a combustion chamber provided on the downstream side of the combustion unit, and a flame formed in the combustion chamber A flame detection unit that detects a flame state based on an ion current of the gas, an exhaust gas supply unit that supplies at least one of an off-gas and a generated gas discharged from a fuel electrode of the fuel cell to the combustion unit, and the hydrogen The present invention relates to a fuel cell system including a temperature sensor that detects the temperature of the generator, and further including a temperature control device that controls the temperature of the hydrogen generator to be equal to or lower than a predetermined temperature.
[0008]
The most significant feature of the present invention is that in order to solve the conventional problems, a flame detection unit for detecting the flame based on the ion current of the flame is provided in the combustion chamber in which a flame for heating the hydrogen generator is formed, and the hydrogen is generated. A temperature sensor is provided in the generation unit, and a temperature control device for controlling the temperature in the hydrogen generator to be equal to or lower than a predetermined temperature is provided.
Then, when at least one of the off gas discharged from the fuel electrode and the generated gas generated by the hydrogen generator is burned in the combustion section, the hydrogen generator is controlled so as to become a predetermined temperature or less. The conversion rate of the raw material by the reforming reaction can be set to a predetermined value or less, and the amount of hydrocarbons used for combustion can be set to a predetermined value or more.
As described above, since the ionic current value of the flame increases as the amount of hydrocarbon increases, the detection voltage at the flame detection unit also increases, and ignition and misfire can be reliably detected. Further, since the ionic current of the flame is detected, the ionic current stops flowing as soon as the flame disappears. Therefore, the flame detection voltage is immediately lowered, and the response of ignition and misfire or extinguishing can be improved.
[0009]
In the fuel cell system according to the present invention, when a raw material and water are supplied to a hydrogen generator, hydrocarbons in the raw material are converted by a steam reforming reaction to obtain a hydrogen-rich product gas. This generated gas is supplied from the off-gas supply unit to the combustion unit as off-gas when the fuel cell system is started, and burns with the air supplied from the blower unit to form a flame in the combustion chamber. The combustion gas forms a flame to heat and raise the temperature of the hydrogen generator, and the steam reforming reaction is continued in the hydrogen generator.
Although the detection of the flame state is performed based on the ionic current of the flame, the value of the ionic current of the flame increases as the amount of hydrocarbon increases, so the hydrogen generator is controlled to be below a predetermined temperature. Thus, the conversion rate of hydrocarbons in the raw material due to the reforming reaction of the hydrogen generator can be made to be a predetermined value or less, and the amount of hydrocarbons in the off-gas used for combustion can be made to be a predetermined value or more, The ion current value can be increased.
[0010]
The temperature control device of the hydrogen generator can control the temperature of the hydrogen generator by adjusting the amount of air supplied from the blower to the combustion unit.
Then, the air necessary for the combustion of the off gas and / or the product gas supplied to the combustion unit is supplied from the blower unit, but if air exceeding the amount of air necessary for combustion is supplied, excess air will cause the hydrogen generation unit to Since it is air-cooled, the temperature of the hydrogen generator can be quickly lowered with good responsiveness. As a result, the conversion rate of the raw material by the steam reforming reaction can be controlled to a predetermined value or less with high responsiveness, the hydrocarbon in the off-gas used for combustion can be set to a predetermined value or more, and the ionic current value can be stably increased. Therefore, the detection voltage in the flame detection unit can be stably increased, and ignition, misfire or fire extinguishing can be reliably detected with good responsiveness.
[0011]
Moreover, the temperature control apparatus of a hydrogen generator can control the temperature of a hydrogen generator with the amount of water supplied to a hydrogen generator from a water supply part.
Supplying more raw water than required for the steam reforming reaction to the hydrogen generator can lower the temperature of the hydrogen generator, thereby reducing the conversion rate of the raw material and the amount of hydrocarbons contained in the off-gas and / or product gas. Can be increased to a predetermined value or more to increase the ion current value. Therefore, the detection voltage at the flame detection unit can be increased, and ignition and misfire or extinguishment can be reliably detected.
In addition, a hydrocarbon sensor that detects the concentration of hydrocarbon in the product gas may be provided, and the temperature control device of the hydrogen generator may control the temperature of the hydrogen generator based on the output value of the hydrocarbon sensor.
[0012]
In the fuel cell system of the present invention, it is preferable that the conversion rate of hydrocarbon raw material to hydrogen is 99% or less. When the conversion rate is 99% or less, 99% or less of the raw material is converted to hydrogen, and the remaining 1% or more of hydrocarbons can remain in the off-gas and / or product gas. When this off-gas or the like is supplied to the combustion section, ions are reliably generated in the flame and the ion current value can be increased, so that the detection voltage at the flame detection section is also increased, and ignition and misfire or extinguishment can be reliably detected.
[0013]
【Example】
Examples of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these examples.
Example 1
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to the present embodiment. 1, components having the same functions as those of the power generation apparatus using the conventional fuel cell shown in FIG. 2 are given the same reference numerals, and the details of those functions are as described above.
The fuel cell system shown in FIG. 1 includes a temperature sensor 20 that detects the temperature of the hydrogen generator 6, a pump 21 that is a water supply unit that supplies raw water Y, and a hydrocarbon sensor that detects the concentration of hydrocarbons in the produced gas. 22. As the hydrocarbon sensor 22, a gas chromatography method, an infrared absorption method, a photoacoustic method, or the like can be used.
Off-gas G ′ discharged from the fuel electrode 3 and product gas G generated by the hydrogen generator 6 (hereinafter referred to as “off-gas etc.”) are supplied to the combustion unit 9 from off-gas supply units 23 and 23 ′, respectively. . The combustion unit 9 is provided with a fan 10 that is a blowing unit. The control unit 24 controls the operation of the pump 21 and the fan 10 according to the detection value of the temperature sensor 20 or the hydrocarbon sensor 22.
[0014]
Next, the operation and action of the fuel cell system according to this embodiment will be described.
When the raw material X and the water Y are supplied to the hydrogen generator 6, the hydrocarbons of the raw material X are converted by the steam reforming reaction, and the hydrogen-rich product gas G is obtained. These off-gases and the like are supplied to the combustion unit 9 from the off-gas supply unit 23 or 23 ′.
The off gas supplied to the combustion unit 9 is combusted by the air supplied from the fan 10, and forms a flame 11 in the combustion chamber 8. The combustion gas from the flame 11 heats and raises the temperature of the hydrogen generator 6 so that the steam reforming reaction is continued.
The flame detection of the flame 11 is performed by converting the ionic current flowing by the ions in the flame 11 into a voltage value generated at both ends of the electric resistance 15 and detecting it by the voltage detector 16. When the amount of hydrocarbons contained in the off-gas supplied to the combustion section 9 increases, the ion current of the flame 11 also increases, but the amount of hydrocarbons contained in the off-gas etc. is not converted into hydrogen by the hydrogen generator 6. Since the remaining amount of hydrocarbons is used, it is necessary to control the temperature of the hydrogen generator 6 to be equal to or lower than a predetermined value in order to make the conversion rate equal to or lower than the predetermined value.
[0015]
The temperature signal obtained by the temperature sensor 20 is sent to a control unit 24 which is a temperature control device that controls the temperature of the hydrogen generator. When the temperature sensor 20 is higher than the predetermined temperature, the operation of the fan 10 is controlled by the control unit 24 so that the air flow rate of the fan 10 increases. Increasing the amount of air blown by the fan 10 supplies more air than necessary for combustion, such as off-gas, and therefore excess air cools the hydrogen generator 6 so that the temperature of the hydrogen generator 6 is responsive. The temperature can be lowered quickly with good quality, the amount of hydrocarbons in the off-gas used for combustion can be set to a predetermined value or more, and the ion current value can be stably increased.
Therefore, the detection voltage in the flame detection unit 12 can be stably increased, and ignition, misfire, and extinguishing can be reliably detected with high responsiveness. Further, since the ion current of the flame 11 is detected, if the flame 11 no longer exists, the ion current does not flow immediately. Therefore, the detection voltage at the flame detector 12 is immediately reduced, and the response of ignition and misfire or extinguishing can be improved. .
[0016]
Further, when the temperature sensor 20 is higher than the predetermined temperature, the operation of the pump 21 is controlled by the control unit 24 so that the supply amount of the raw material water of the pump 21 is increased. When the supply amount of the pump 21 is increased, raw water more than raw water necessary for the steam reforming reaction is supplied to the hydrogen generator 6, so that the temperature of the hydrogen generator is increased by excessive sensible heat or latent heat of evaporation. It can be reduced, the conversion rate of the raw material can be lowered, the amount of hydrocarbons contained in the offgas or the like can be set to a predetermined value or more, and the ion current value can be increased. Accordingly, the detection voltage at the flame detection unit 12 can be increased, and ignition and misfire or extinguishing can be reliably detected.
Further, the hydrocarbon sensor 22 detects the concentration of hydrocarbons contained in the product gas G, and the control unit 24 calculates the conversion rate of the raw material. Since at least one of the fan 10 and the pump 21 can be controlled by the control unit 24 so that the calculated conversion rate is 99% or less, hydrocarbons of 1% or more of the raw material fuel can be left in the offgas or the like. it can. Since this off-gas or the like is supplied to the combustion unit 9, since ions are reliably generated in the flame 11 and the ion current value can be increased, the detection voltage at the flame detection unit 12 can also be increased, and ignition and misfire or extinguishing can be reliably detected. .
[0017]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the hydrogen generator is controlled to be equal to or lower than a predetermined temperature, so that the conversion rate of the raw material fuel by the reforming reaction of the hydrogen generator is set to a predetermined value or lower and is used for combustion. The ion current value can be increased by setting the amount of hydrocarbons in the off-gas to a predetermined value or more. Therefore, the detection voltage at the flame detection unit can be increased, and ignition, misfire and fire extinguishing can be reliably detected. Further, since the ionic current of the flame is detected, the ionic current stops flowing as soon as the flame no longer exists. Therefore, the detection voltage in the flame detection immediately decreases, and the response of ignition and misfire or extinguishing can be improved.
Furthermore, if air exceeding the amount of air necessary for combustion is supplied from the blower, excess air cools the hydrogen generator, so that the temperature of the hydrogen generator can be quickly reduced with good responsiveness. The ion current value of the flame can be increased stably.
In addition, if more water than the amount required for the steam reforming reaction is supplied from the water supply unit, the excess water cools the hydrogen generation unit, so the temperature of the hydrogen generation unit can be quickly reduced in a responsive manner. The ionic current value of the flame due to combustion of can be increased stably.
In addition, the conversion rate can be 99% or less, and hydrocarbons can be reliably left in off-gas and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell system according to the present invention. FIG. 2 is a block diagram of a conventional fuel cell system.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 6 Hydrogen generator 8 Combustion chamber 9 Combustion part 10 Fan 12 which is a ventilation part Flame detection part 20 Temperature sensor 21 Pump 22 which is a water supply part Hydrocarbon sensor 23, 23 'Off-gas supply part 24 Control part

Claims (4)

炭化水素系原料および水から水素リッチの生成ガスを生成する水素生成器と、前記生成ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記水素生成器に水を供給する水供給部と、前記水素生成器を加熱する燃焼部と、前記燃焼部に空気を供給する送風部と、前記燃焼部の下流側に設けられた燃焼室と、前記燃焼室で形成される火炎のイオン電流に基づいて火炎の状態を検知する火炎検知部と、前記燃料電池の燃料極から排出されるオフガスおよび前記生成ガスの少なくとも一方を前記燃焼部に供給する排出ガス供給部と、前記水素生成器の温度を検知する温度センサーと、温度制御装置とを備え、
前記温度制御手段は、前記オフガスおよび前記生成ガスの少なくとも一方に含まれる炭化水素の量が所定値以上になるよう前記水素生成器の温度を所定温度以下に制御することを特徴とする燃料電池システム。A hydrogen generator that generates a hydrogen-rich product gas from a hydrocarbon-based raw material and water, a fuel cell that generates electricity using the product gas and an oxidant gas, and a water supply unit that supplies water to the hydrogen generator; A combustion section for heating the hydrogen generator, a blower section for supplying air to the combustion section, a combustion chamber provided on the downstream side of the combustion section, and an ionic current of a flame formed in the combustion chamber A flame detection unit that detects a flame state based on the above, an exhaust gas supply unit that supplies at least one of off-gas and the generated gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell to the combustion unit, and a temperature of the hydrogen generator A temperature sensor for detecting the temperature and a temperature control device,
Said temperature control means, the fuel cell system, wherein the amount of hydrocarbon least included in one of the off-gas and the product gas to control the temperature of the hydrogen generator to be a predetermined value or more than a predetermined temperature . 前記温度制御装置が、前記送風部から前記燃焼部に供給される空気量を調節することによって前記水素生成器の温度を制御する請求項１記載の燃料電池システム。  The fuel cell system according to claim 1, wherein the temperature control device controls the temperature of the hydrogen generator by adjusting an amount of air supplied from the blower to the combustion unit. 前記温度制御装置が、前記水供給部から前記水素生成器に供給される水の量を調節することによって前記水素生成器の温度を制御する請求項１記載の燃料電池システム。  The fuel cell system according to claim 1, wherein the temperature control device controls the temperature of the hydrogen generator by adjusting an amount of water supplied from the water supply unit to the hydrogen generator. さらに前記生成ガス中の炭化水素の濃度を検知する炭化水素センサーを具備し、前記温度制御装置が前記炭化水素センサーの出力値に基づいて前記水素生成器の温度を制御する請求項１記載の燃料電池システム。 The fuel according to claim 1, further comprising a hydrocarbon sensor that detects a concentration of hydrocarbon in the product gas, wherein the temperature control device controls the temperature of the hydrogen generator based on an output value of the hydrocarbon sensor. Battery system .
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