JP3898123B2 - Fuel cell power generation system reformer - Google Patents

Fuel cell power generation system reformer Download PDF

Info

Publication number
JP3898123B2
JP3898123B2 JP2002380658A JP2002380658A JP3898123B2 JP 3898123 B2 JP3898123 B2 JP 3898123B2 JP 2002380658 A JP2002380658 A JP 2002380658A JP 2002380658 A JP2002380658 A JP 2002380658A JP 3898123 B2 JP3898123 B2 JP 3898123B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
fuel
flame
fuel cell
flame detection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2002380658A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2004210576A (en
Inventor
尚優 杉本
章夫 田中
芳彦 高須
務 祖父江
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rinnai Corp
Original Assignee
Rinnai Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rinnai Corp filed Critical Rinnai Corp
Priority to JP2002380658A priority Critical patent/JP3898123B2/en
Publication of JP2004210576A publication Critical patent/JP2004210576A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3898123B2 publication Critical patent/JP3898123B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を用いた発電システムに配設される改質器に関し、詳しくは、改質器の燃焼部で安定的に燃焼させ続ける技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素と酸素を燃料とする燃料電池を用いた発電システムが知られている。この発電システムには、炭化水素系ガスと水蒸気とから、燃料となる高濃度水素ガスを生成する改質器が備えられている。改質器で実行する改質反応は改質触媒を利用する吸熱反応であり、改質反応を持続させるには、改質を行なう改質部を６００℃から８００℃程度の高温に維持する必要がある。このため、改質器は、改質部を高温に加熱するための燃焼部を備えている。
【０００３】
燃焼部には、着火不良や失火、あるいは異常燃焼等を検知するための火炎検知手段が配設される。多くの場合、フレームロッドが用いられる。フレームロッドによる火炎検知手段は、所定の電圧を印加したときに火炎があればイオン電流が流れることから火炎の発生を検知し、火炎がなければイオン電流が流れないことから火炎の消失（失火）を検知する。フレームロッドによる火炎検知は応答性がよく、火炎の発生を遅れなく検知する。しかしながら、フレームロッドは、水素を主体とするガスが燃焼する場合には火炎の発生を検知することができない。
改質器が改質を開始すると、改質開始直後の高濃度水素ガスは燃焼部に送られて燃焼ガスの一部とされる。改質ガスを利用して燃料電池で発電する場合、燃料電池は全部の水素を酸素と反応させることができず、一部の水素ガスは燃料電池を通過する。燃料電池を通過した水素ガスは、燃焼部に送られて燃焼ガスの一部とされる。燃料ガスに占める水素ガスの濃度が高くなると、フレームロッドでは火炎を検知することができなくなる。フレームロッドで、炭化水素系ガスと高濃度水素ガスの混合ガス又は炭化水素系ガスを燃焼させる燃焼部での着火不良や失火を検知する方式では、燃料ガスに占める水素ガスの濃度が高くなると、失火していないにもかかわらずに失火したものと誤判定してしまう。換言すれば、本当に失火したことを検知することができない。
【０００４】
上記の問題を解決するために、例えば、改質部内の温度を所定温度以下となるように制御し、炭化水素系ガスの水素転化率を所定値以下にすることによって、バーナの燃料ガス中の炭化水素系ガスを所定濃度以上に維持し、フレームロッドによる火炎検知を可能とする技術（特許文献１）が公開されている。
また、別の技術では、バーナの燃料として供給される高濃度水素ガスに、フレームロッドによる火炎検知を可能とするに足りるだけの炭化水素系ガスを混合させる技術（特許文献２）も公開されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−７５４１２号公報
【特許文献２】
特開２００１−２０１０４６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の炭化水素系ガスの水素転化率を所定値以下にする技術では、得られる水素ガス量が抑えられてしまうため、確実に火炎検知を行なうためではあるが、結果としてエネルギー効率を悪化させている。
また、上記の炭化水素系ガスを混合させる技術では、火炎検知を行なうために、本来バーナの燃焼には不要な分の炭化水素系ガスを消費するため、エネルギ−効率を悪化させている。
上記の２つの技術では、水素リッチなガスの火炎を検知することが不得意なフレームロッドを、水素リッチなガスの火炎検知手段として利用しようとしたために、結果としてエネルギー効率の悪化を招いている。
【０００７】
別の火炎検知手段として、サーモカップルが知られている。サーモカップルによる火炎検知手段は、火炎の内外の温度差により発生する起電力を利用して温度の計測を行なうものである。このサーモカップルによる火炎検知は、炭化水素系ガスの火炎だけではなく、フレームロッドでは火炎検知することができなかった高濃度水素ガスの火炎も検知することが可能である。しかし、このサーモカップルは、これ自身が熱容量を持ち、また、周囲の温度の影響を受けて温度を変えるために、バーナが燃焼を開始したのよりも遅れて昇温する。即ち、サーモカップルによる火炎検知手段では、着火したことの検出が遅れてしまう。
【０００８】
着火の検出が遅れると、以下の問題が発生する。バーナへの点火動作が行なわれるとガスが供給される。サーモカップルによって検知を行なうと、着火を検出するまでに数秒掛るため、この間は、火が点いていても、点いていなくてもガスが供給され続けることとなる。着火検知が行なわれたときに着火が検出されれば何の問題もない。しかし、点火ミスが発生していると、着火検知が行われるまでの間、ガスが放出され続けることとなる。点火ミスを受けて再度点火動作を行なうと、このとき既に燃焼部内にガスが充満しているため、爆発着火が起こる。この爆発着火が起こると、燃焼部内に内圧が掛って器具に負担が掛ってしまう。また、爆発着火時の着火音が通常の着火音よりも大きくなってしまう。
火炎検知手段としてサーモカップルを配設する場合、火炎検知に遅れが生じて爆発着火に伴う問題が発生する。一方、フレームロッドを利用すれば、火炎検知に遅れが生じるという問題は生じないが、高濃度水素ガスを中心に燃焼しているときには失火しても失火を検知することができない。
本発明は、火炎の発生を応答性良く検知してシステム開始時の爆発着火を防止し、しかも高濃度水素ガスを中心に燃焼しているときの失火を見過ごすことなく検知する技術を提案する。
【０００９】
本発明では、燃料電池式発電システムの改質器の燃焼部において、火炎の発生を応答性良く検知してシステム開始時の爆発着火とこれに伴う不具合を防止し、しかも、高濃度水素ガスを中心に燃焼しているときに失火が生じれば、それを見過ごすことなく検知することができる技術を提案する。
【００１０】
【課題を解決するための手段と作用と効果】
本発明の燃料電池式発電システムの改質器は、炭化水素系ガスと水蒸気から高濃度水素ガスを生成して燃料電池に供給する改質部と、炭化水素系ガスと高濃度水素ガスの混合ガス又は炭化水素系ガスを燃料として改質部を加熱する燃焼部とを備えている。さらに、燃焼部で炭化水素系ガスの火炎が生じたことを検知する第１火炎検知手段と、燃焼部で混合ガス又は炭化水素系ガスの火炎が生じたことを検知する第２火炎検知手段をも備えている。
【００１１】
改質器に配設されている燃焼部のバーナが失火すると、ＣＯが大量発生し、燃料電池を劣化させる恐れがあるため、確実に検知する必要がある。この燃焼部のバーナは、炭化水素系ガスを燃料とするときと、主に高濃度水素ガスからなる混合ガスを燃料とするときがある。炭化水素系ガスと水素ガスでは火炎の種類が違うため、それぞれの火炎を検知するために適した２種類の検知手段をバーナに併設することによって、何れの火炎も確実に検知を行なうことができる。バーナの失火を速やかに検出することができる。
【００１２】
この燃料電池式発電システムの改質器の燃焼部は、炭化水素系ガスを燃料とするときと、主に改質部で生成された高濃度水素ガスを燃料とするときと、主に燃料電池通過後のオフガスを燃料とするときがあり、燃焼部が炭化水素系ガスを燃料とするときは第１火炎検知手段を用いて火炎検知を行い、燃焼部が主に改質部で生成された高濃度水素ガスを燃料とするときと、主に燃料電池通過後のオフガスを燃料とするときは第２火炎検知手段を用いて火炎検知を行なう。
【００１３】
改質部で改質を行なうまでのバーナの燃料は炭化水素系ガスである。そして、改質中のバーナの主な燃料は、改質部で生成された高濃度水素ガスである。さらに発電中のバーナの主な燃料は、燃料電池に供給された高濃度水素ガスのうち、利用されずに燃料電池を通過した、いわゆるオフガスといわれる高濃度水素ガスである。炭化水素系ガスの火炎を検知するために適した第１火炎検知手段と、水素ガスの火炎を検知するために適した第２火炎検知手段をバーナに併設することによって、何れの火炎も確実に検知を行なうことができる。バーナの失火を速やかに検出することができる。
【００１４】
この燃料電池式発電システムの改質器の燃焼部は、バーナに点火する点火手段を備え、燃焼部が燃料とするガスを切換えてから所定時間が経過するまでは、第１火炎検知手段と第２火炎検知手段による火炎検知を解除し、点火手段による点火動作を継続することが好ましい。
改質器の運転を開始させ、燃焼部のバーナが燃料とするガスを切換えると、改質部で生成される高濃度水素ガスの組成や流量が不安定となるため、リフトや失火等の燃焼不良が発生しやすくなる。
この燃料電池式発電システムの改質器では、燃焼部のバーナが燃料とするガスを切換えてからしばらくは、点火動作が行なわれる。これによれば、バーナの燃料となるガスの組成や流量が不安定になり、万一失火したとしても、点火動作が行なわれて再点火される。失火しても即座に点火されるため、何ら支障は生じない。従って、このとき、たとえ失火が検出されても、エラー処理が行なわれないようにする必要があるため、２種類の火炎検知手段による火炎検知を解除する。あるいは、このとき火炎検知は継続し、失火が検出されてもエラー処理は行なわれないように制御してもよい。
【００１５】
この燃料電池式発電システムの改質器の燃焼部に配設される第１火炎検知手段はフレームロッドを有しており、第２火炎検知手段はサーモカップルを有していることが好ましい。
フレームロッドは、燃焼時にイオン化する炭化水素系ガスの火炎を検知するのには適しているが、主に高濃度水素ガスからなる水素リッチな混合ガスの火炎を検知することは困難である。また、サーモカップルは、それ自身の熱容量を持ち、火炎検知に対して応答遅れが発生し、万一点火ミスが起こると爆発着火とこれに伴う不具合が発生するため、システム開始時の着火検知には適さないが、燃料となるガスの種類を選ばないため、水素リッチなガスの火炎も検知することができる。従って、この燃料電池式発電システムの改質器では、システム開始時の炭化水素系ガスの火炎はフレームロッドを用いた火炎検知手段によって検知させ、水素リッチなガスの火炎はサーモカップルを用いた火炎検知手段によって検知させる。これによって、それぞれの火炎に適した検知手段で確実に火炎検知を行なうことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１） 燃焼部において、点火動作を継続する所定の時間とは、燃焼部に供給される高濃度水素ガスの組成や流量が安定化するのに要する時間である。
【００１７】
【実施例】
本発明を具現化した一実施例を図１と図２を用いて説明する。図１は本実施例に係る燃料電池式発電システムの構成を模式的に示した図であり、図２は同システムの改質器の燃焼部における火炎検知の処理を示すフローチャートである。
図１に示すように、本実施例の燃料電池式発電システム１は、主に改質器１０と燃料電池１２から構成されている。燃料電池１２は水素と空気中の酸素を原料として発電を行なう。原料となる水素は改質器１０において生成されて供給される。改質器１０は、改質部１４と燃焼部１６を有している。改質部１４は、図示しない触媒層を有している。燃焼部１６は、バーナ１６ａとファンモータ１６ｂを有している。改質部１４に原燃料ガスが供給され、燃焼部１６のバーナ１６ａによって加熱されると、触媒を介して化学反応が起こり、高濃度水素ガスである改質ガスが生成される。このガスが燃料電池１２の発電に利用される。
【００１８】
この燃料電池式発電システム１について、改質器１０を中心にさらに詳しく説明する。原燃料ガスは、プロパンガス等の炭化水素系ガスから構成され、原燃料ガス供給ユニット１８から供給される。原燃料ガスは、燃料電池１２の発電に利用される改質ガスの原料となるとともに、バーナ１６ａの燃料ともなる。開閉弁２４を通じて改質部１４へ供給された原燃料ガスは、水素濃度の高い改質ガスに改質される。比例弁２０と開閉弁２２を通じて改質器１０の燃焼部１６へ供給された原燃料ガスはバーナ１６ａの燃料となる。比例弁２０の開閉量や開閉弁２２，２４の開閉は図示しない制御部によって制御され、詳しくは後述する。
【００１９】
改質部１４には、原燃料ガスとともに改質ガスの材料となる水が供給される。水は水蒸気の形で供給される。供給された原燃料ガスと水は燃焼部１６のバーナ１６ａによって加熱され、改質反応する。改質反応は改質触媒を介した吸熱反応であり、改質触媒の活性温度は６００〜８００℃という高温であるため、バーナ１６ａによる加熱は継続的に行なう。
【００２０】
改質反応により、副生成物としてＣＯが発生する。ＣＯは燃料電池１２の電極を劣化させるため、燃料電池１２に供給されないように除去する必要がある。このため、改質部１４内には改質触媒のほかに、２種類の触媒を有している。１つは副生成物であり有害なＣＯを酸化して無害なＣＯ２に変えるシフト触媒である。このシフト触媒によって、生成される改質ガス中のＣＯ濃度が約１％程度に抑えられる。もう１つはＣＯだけを酸化する触媒である選択酸化触媒である。この選択酸化触媒によって、ＣＯ濃度を約１％から１０ｐｐｍ以下に低下させる。
【００２１】
改質部１４で生成された改質ガスは、燃料電池１２に供給される。しかし、改質開始直後は改質部１４内の各触媒の温度が不安定であるため、ガス組成やガス量が不安定であり、ＣＯを多く含んでいる。従って、改質ガスは、各触媒の温度が安定するまでは、燃料電池１２をバイパスする第１経路２６を経て燃焼部１６に供給される。即ち、改質開始後しばらくの間、改質ガスは燃料電池１２へは供給されず、燃焼部１６に供給されて燃やされる。
改質触媒の温度が安定すると、改質ガスは第２経路３０の経路３０ａを経て燃料電池１２に供給される。燃料電池１２では、この水素リッチな改質ガスと空気中の酸素を元に発電が行なわれる。燃料電池１２に供給されたが発電に用いられずに燃料電池１２を通過したオフガスは、第２経路３０の経路３０ｂを経て燃焼部１６に供給されて燃やされる。
なお、第１経路２６には開閉弁２８が配設されており、第２経路３０には開閉弁３２が配設されている。これらの開閉弁２８，３２は図示しない制御部によって開閉制御され、詳しくは後述する。
【００２２】
燃焼部１６は、バーナ１６ａとファンモータ１６ｂを有している。バーナ１６ａは、燃料となるガスと、ファンモータ１６ｂによって供給された空気とを混合して燃焼させる。バーナ１６ａの熱量は、ファンモータ１６ｂの回転数および原燃料ガスの供給量（比例弁２０の開閉度）によって調整される。この燃焼によって得られる熱によって改質部１４を加熱し、改質反応を促進する。
バーナ１６ａには、火炎の検知を行なうために、フレームロッド３４と、サーモカップル３６が配設されている。フレームロッド３４は炭化水素系ガスの火炎を検知するときに用いられ、サーモカップル３６は高濃度水素ガスを検知するときに用いられる。また、点火装置として火花放電を行なう点火電極３８が配設されている。
なお、ファンモータ１６ｂと、フレームロッド３４と、サーモカップル３６と、点火電極３８は図示しない制御部によって制御され、詳しくは後述する。
【００２３】
燃料電池式発電システム１の動作は、以下に説明する３つのモードに分けることができる。
システムが運転を開始すると、燃焼部１６にバーナ１６ａの燃料となる原燃料ガスを供給し、改質部１４を加熱する。改質触媒とシフト触媒と選択酸化触媒のそれぞれの温度が所定の温度範囲内に達していないときに改質反応を行なおうとすると、副生成物であるＣＯやＣＯ２等の副生成物を大量に含む水素ガスを生成してしまう。従って、改質触媒とシフト触媒と選択酸化触媒のそれぞれの温度が所定の温度範囲内に達するまでは改質部１４を加熱するのみに留め、改質部１４に原燃料ガスを供給しない。このシステムの運転開始から、改質触媒とシフト触媒と選択酸化触媒のそれぞれの温度が所定の温度範囲内に達するまでを「モード１」とする。
モード１では、バーナ１６ａの燃料は炭化水素系ガスである原燃料ガスである。従って、フレームロッド３４を用いて火炎検知を行なう。
【００２４】
なお、バーナ１６aの燃料が炭化水素系ガスであるとき、サーモカップル３６によっても火炎検知は可能である。しかし、本実施例では以下の理由によりモード１においてはサーモカップル３６による火炎検知を行なわない。バーナ１６ａへの点火動作が行なわれると燃料となるガスが供給される。このとき、サーモカップル３６によって検知を行なうと、着火を検出するまでに数秒掛るため、この間は、火が点いていても、点いていなくてもガスが供給され続ける。着火検知が行なわれたときに着火が検出されれば何の問題もない。しかし、万一点火ミスが発生していると、着火検知が行われるまでの間、ガスが放出され続ける。この状態で、点火ミスを受けて再度点火電極３８に火花放電を行なうと、このとき既に燃焼部１６内にガスが充満しているため、爆発着火が起こる。この爆発着火が起こると、燃焼部１６内に内圧が掛って器具に負担が掛ってしまう。また、爆発着火時の着火音が通常の着火音よりも大きくなってしまう。従って、モード１での火炎検知にサーモカップル３６を用いず、フレームロッド３４を用いる。
【００２５】
改質触媒とシフト触媒の温度と選択酸化触媒のそれぞれの温度が所定の温度範囲内に達すると、改質部１４に改質ガスの原料となる原燃料ガスを供給して改質を開始する。改質開始直後に生成される改質ガスは組成が不安定であり、安定時に比べて水素濃度が低く、ＣＯ等の副生成物の濃度が高い。この不安定な改質ガスを燃料電池１２に供給すると、所定の電力が得られないばかりか、ＣＯによって電極が劣化する不具合が生じる。従って、各触媒の温度が安定するまでは、不安定な改質ガスを燃料電池１２へは供給せず、バーナ１６ａの燃料として直接燃焼部１６に供給する。この各触媒の温度が安定するまでを「モード２」とする。
モード２では、バーナ１６ａの燃料は、主に高濃度水素ガスである改質ガスである。燃料中の水素ガスの濃度が高くなると、フレームロッド３４では火炎を検知することができなくなる。補足的に原燃料ガスも供給されるが、フレームロッド３４で火炎検知が可能なほどの量ではない。即ち、モード２での火炎検知にフレームロッド３４を用いると、失火しても失火しなくても、失火として検知してしまうことがある。従って、サーモカップル３６を用いて火炎検知を行なう。
【００２６】
各触媒の温度が安定すると、改質ガスの組成は安定する。この安定した改質ガスを燃料電池１２へ供給して発電を開始する。燃料電池１２に供給された改質ガスのうち、発電に利用されなかった分の改質ガスはオフガスとして燃料電池１２を通過する。このオフガスもバーナ１６ａの燃料として燃焼部１６に供給する。この発電運転を開始してから停止するまでを「モード３」とする。
モード３でも、バーナ１６ａの燃料は、モード２と同様に、主に高濃度水素ガスである改質ガスである。補足的に原燃料ガスも供給されるが、フレームロッド３４で火炎検知が可能なほどの量ではない。即ち、モード３での火炎検知にフレームロッド３４を用いると、失火しても失火しなくても、失火として検知してしまうことがある。従って、サーモカップル３６を用いて火炎検知を行なう。
【００２７】
上記のモード１とモード２とモード３では、バーナ１６ａの燃料となるガスが異なる。従って、モード１からモード２への過渡的なモード（「モード１．５」とする）と、モード２からモード３への過渡的なモード（「モード２．５」とする）では、バーナ１６ａへ燃料となるガスを供給する配管が切換えられる。
モード１．５ではバーナ１６ａの燃料が原燃料ガスから改質ガスへ切換えられる。この改質ガスは第１経路２６を経てバーナ１６ａに供給される。この切換え時に、改質部１４から送られる改質ガスの組成や流量が不安定となる。
モード２．５でも同様の現象が発生する。モード２．５では、バーナ１６ａへ燃料を供給する経路が第１経路２６から第２経路３０へ切換えられる。これによって、安定化した改質ガスが第２経路３０の経路３０ａを経て燃料電池１２に供給される。そして燃料電池１２を通過したオフガスが経路３０ｂを経てバーナ１６ａに供給される。この切換え時に、改質部１４から送られる改質ガスの組成や流量が不安定となる。
【００２８】
上記のように、過渡的なモード（モード１．５、モード２．５）では、改質部１４から送られる改質ガスの組成や流量が不安定となるため、特にリフトや失火等が発生しやすい。バーナ１６ａが失火すると、改質部１４において改質触媒の最適な反応温度が得られなくなり、改質ガス中の水素濃度が低くなるだけでなく、ＣＯが発生して燃料電池１２の電極を劣化させる恐れがある。従って、この過渡的なモードでは、点火電極３８に火花放電を継続的に行なう。これによって、バーナ１６ａが万が一失火しても、速やかに点火し、改質部１４の加熱を継続することができる。
【００２９】
次に、本実施例の燃料電池式発電システム１の改質器１０の燃焼部１６における火炎検知の処理を図２を用いて説明する。
図２のステップＳ１０では、開閉弁２２と、比例弁２０が開かれ、バーナ１６ａが点火される。これらの弁２２，２０が開かれることによって原燃料ガス供給ユニット１８から燃焼部１６に原燃料ガスが供給される。バーナ１６ａへの点火は、点火電極３８によって行なわれる。このステップＳ１０によってバーナ１６ａが燃焼を開始する。
ステップＳ１０に続いてステップＳ１２に進み、フレームロッド３４による火炎検知を行なう。バーナ１６ａの燃料が炭化水素系ガスであるため、火炎検知手段としてフレームロッド３４を用いる。
バーナ１６ａの燃焼によって改質部１４内の温度が上昇を開始する（ステップＳ１４）。改質触媒とシフト触媒と選択酸化触媒のそれぞれの温度が所定の温度範囲内に達するまで（ステップＳ１６でＹＥＳとなるまで）がモード１である。
【００３０】
ステップＳ１６で、改質触媒とシフト触媒と選択酸化触媒のそれぞれの温度が所定の温度範囲内に達すると（ＹＥＳとなると）、ステップＳ１８に進む。ステップＳ１８では、開閉弁２４，２８が開かれ、このときタイマＴ１が計測を開始する。なお、このとき、開閉弁３２は閉じたままである。開閉弁２４が開かれることによって、改質部１４に原燃料ガスが供給され、改質反応が開始する（ステップＳ２０）。改質反応が開始してしばらくは、生成される改質ガスの組成も不安定となり、ＣＯを多く含んでいるため、開閉弁２８を開いて、このときの改質ガスを、燃料電池１２をバイパスさせてバーナ１６ａへ供給するようにする。
【００３１】
第１経路２６に改質ガスが送られ始めたとき、ガス組成やガス流量は不安定であるため、失火しやすい。従って、ステップＳ２２に進んでフレームロッド３４での火炎検知を解除し、点火電極３８に火花放電を継続的に行なう。この点火操作を行なうことによって、たとえ失火しても、すぐに点火してバーナ１６ａの燃焼を復帰することができる。この動作はタイマＴ１が所定時間計測するまで（ステップＳ２４でＹＥＳとなるまで）行なわれる。なお、タイマＴ１が計測する所定時間は、改質が開始されてからガス組成やガス流量が安定化した改質ガスがバーナ１６ａに供給されるまでの時間である。第１経路２６内の改質ガスが安定化するまでがモード１．５である。なお、タイマＴ１が計測する所定時間は、第１経路２６の配管内の容積等によって予め決定されている。
【００３２】
第１経路２６内の改質ガスが安定化すると（ステップＳ２４でＹＥＳとなると）、バーナ１６ａの燃焼温度が安定し、改質部１４内の温度も安定する。従って、ステップＳ２６に進み、点火電極３８に継続的に行なっていた火花放電を停止し、サーモカップル３６による火炎検知を行なう。バーナ１６ａの燃料となるガスの組成や流量が安定化し、失火する可能性が低くなったため、火花放電を停止する。このとき、バーナ１６ａの燃料は高濃度水素ガスである改質ガスであるため、火炎検知手段としてサーモカップル３６を用いる。改質部１４の加熱が安定化し、各触媒の温度が安定するまで（ステップＳ２８でＹＥＳとなるまで）がモード２である。
【００３３】
ステップＳ２８で、各触媒の温度が安定すると（ＹＥＳとなると）、ステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、開閉弁２８が閉じられ、開閉弁３２が開かれ、このときタイマＴ２が計測を開始する。開閉弁３２が開かれることによって、燃料電池１２を通過する第２経路３０に改質ガスが供給される。しかし、まだこの時点では改質ガスを燃料電池１２に供給せずに通過させ、発電を開始させない。
【００３４】
第２経路３０に改質ガスが送られ始めたとき、ガスの組成や流量は不安定であるため、失火しやすい。従って、ステップＳ３２に進んでサーモカップル３６での火炎検知を解除し、失火防止のために点火電極３８に火花放電を継続的に行なう。この動作はタイマＴ２が所定時間計測するまで（ステップＳ３４でＹＥＳとなるまで）行なわれる。なお、タイマＴ２が計測する所定時間は、改質部１４の加熱が安定的に行なわれて生成された、組成や流量の安定した改質ガスが最初にバーナ１６ａに供給されるまでの時間である。第２経路３０内の改質ガスが安定化するまでがモード２．５である。なお、タイマＴ２が計測する所定時間は、第２経路３０の配管内の容積等によって予め決定されている。
【００３５】
第２経路３０内の改質ガスが安定化すると（ステップＳ３４でＹＥＳとなると）、バーナ１６ａの燃焼温度が安定し、改質部１４内の温度も改質触媒の最適な反応温度で安定する。従って、ステップＳ３６に進み、点火電極３８に継続的に行なっていた火花放電を停止し、サーモカップル３６による火炎検知を行なう。バーナ１６ａの燃料となるガスの組成や流量が安定化し、失火する可能性が低くなったため、火花放電を停止する。このとき、バーナ１６ａの燃料は高濃度水素ガスである改質ガスであるため、火炎検知手段としてサーモカップル３６を用いる。安定した改質ガスが燃料電池１２に供給されるようになったら発電を開始する（ステップＳ３８）。発電運転を開始してから停止するまでがモード３である。
【００３６】
本実施例の燃料電池式発電システム１の改質器１０では、燃焼部１６のバーナ１６ａが、炭化水素系ガスを燃料とするときと、主に高濃度水素ガスを燃料とするときがある。即ち、改質部１４で改質を行なうまで（モード１）のバーナ１６ａの燃料は炭化水素系ガスである。そして、改質が開始されてから改質が安定するまで（モード２）のバーナ１６ａの主な燃料は、改質部１４で生成された高濃度水素ガスである。さらに発電中（モード３）のバーナ１６ａの主な燃料は、燃料電池１２に供給された改質ガスのうち、利用されずに燃料電池１２を通過したオフガスである高濃度水素ガスである。
【００３７】
本実施例の改質器１０では、バーナ１６ａへの点火動作が行なわれると、着火検知が行われるまでは、火が点いていても、点いていなくてもガスが供給され続ける。システム開始時の着火検知に遅れがあると、点火ミスが発生したときに、着火検知が行われるまでの間、ガスが放出され続けることとなる。この状態で、点火ミスを受けて再度点火動作を行なうと、燃焼部１６内にガスが充満しているため、爆発着火が起こる。この爆発着火が起こると、燃焼部１６内に内圧が掛って器具に負担が掛ったり、爆発着火時の着火音が通常の着火音よりも大きくなったりする不具合が発生する。
また、燃焼部１６のバーナ１６ａが失火すると、改質反応が不安定となって副生成物であるＣＯが大量発生し、燃料電池１２を劣化させる恐れがあるため、確実に検知する必要がある。
本実施例では、フレームロッド３４と、サーモカップル３６をバーナ１６ａに併設している。フレームロッド３４は、応答性がよく、火炎検知に遅れが生じるという問題は起こらない。また、フレームロッド３４は、水素リッチな混合ガスの火炎を検知することは困難であるが、燃焼時にイオン化する炭化水素系ガスの火炎を検知するのには適している。一方、サーモカップル３６は、火炎検知に対して応答遅れが発生し、システム開始直後のバーナ１６ａの着火時に爆発着火に伴う問題が発生する。しかし、サーモカップル３６は、火炎の種類を選ばないため、フレームロッド３４では火炎検知することができなかった高濃度水素ガスの火炎も検知することができる。従って、この燃料電池式発電システム１の改質器１０は、モード１ではフレームロッド３４を用いて火炎検知を行い、モード２とモード３ではサーモカップル３６を用いて火炎検知を行なう。これによって、それぞれのモードに適した検知手段で確実に火炎検知を行なうことができる。
【００３８】
また、バーナ１６ａに供給されるガスが切換えられるとき（モード１．５、モード２．５）、配管内のガスの組成や流量が不安定化するため、バーナ１６ａが失火することがある。このとき、フレームロッド３４による火炎検知手段では、燃料ガス中の炭化水素系ガスの濃度が配管内の充填ガスによって希釈されてしまうため、検知できない可能性がある。また、サーモカップル３６による火炎検知手段では、燃料ガスの組成や流量が大きく変化して火炎の温度が変化するため、応答遅れが発生する可能性がある。即ち、過渡的なモードでは、何れの火炎検知手段においても確実に火炎検知することが困難である。
本実施例の燃料電池式発電システム１の改質器１０では、燃焼部１６のバーナ１６ａが燃料とするガスを切換えてからしばらくは、点火電極３８に火花放電を行なう。これによって、過渡的なモードにおいて万一失火したとしても、火花放電によって即座に再点火される。改質部１４の加熱を維持することができ、支障は生じないため、この一瞬の失火がエラーとして検出されることがないよう、このときの火炎検知を解除する。
【００３９】
以上のように、本発明の燃料電池式発電システムの改質器では、燃焼部において、バーナの火炎を確実に検知することができ、失火しやすい過渡的なモードでは、火炎検知を解除し、失火したとしても即座に再点火を行なうため、常に良好な燃焼を維持することができる。
【００４０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施例に係る燃料電池式発電システムの構成を模式的に示した図。
【図２】 同システムの改質器の燃焼部における火炎検知の処理を示すフローチャート。
【符号の説明】
１：燃料電池式発電システム
１０：改質器
１２：燃料電池
１４：改質部
１６：燃焼部、１６ａ：バーナ、１６ｂ：ファンモータ
１８：原燃料ガス供給ユニット
２０：比例弁
２２：開閉弁
２４：開閉弁
２６：第１経路
２８：開閉弁
３０：第２経路
３２：開閉弁
３４：フレームロッド
３６：サーモカップル
３８：点火電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a reformer disposed in a power generation system using a fuel cell, and more particularly to a technique for continuously burning in a combustion section of the reformer.
[0002]
[Prior art]
A power generation system using a fuel cell using hydrogen and oxygen as fuel is known. This power generation system includes a reformer that generates high-concentration hydrogen gas that serves as fuel from a hydrocarbon-based gas and water vapor. The reforming reaction performed in the reformer is an endothermic reaction using a reforming catalyst, and in order to maintain the reforming reaction, it is necessary to maintain the reforming section for reforming at a high temperature of about 600 ° C. to 800 ° C. There is. For this reason, the reformer includes a combustion section for heating the reforming section to a high temperature.
[0003]
The combustion unit is provided with flame detection means for detecting poor ignition, misfire, abnormal combustion, or the like. In many cases, a frame rod is used. Flame detection means using a flame rod detects the occurrence of a flame because an ionic current flows if there is a flame when a predetermined voltage is applied, and the disappearance of the flame (misfire) because an ionic current does not flow if there is no flame Is detected. Flame detection with a flame rod is highly responsive and detects the occurrence of a flame without delay. However, the flame rod cannot detect the occurrence of a flame when a gas mainly composed of hydrogen burns.
When the reformer starts reforming, the high-concentration hydrogen gas immediately after the start of reforming is sent to the combustion section and becomes part of the combustion gas. When power is generated by a fuel cell using reformed gas, the fuel cell cannot react all hydrogen with oxygen, and a part of the hydrogen gas passes through the fuel cell. The hydrogen gas that has passed through the fuel cell is sent to the combustion section and becomes part of the combustion gas. If the concentration of hydrogen gas in the fuel gas increases, the flame cannot be detected by the flame rod. With the flame rod, in the method of detecting ignition failure and misfire in the combustion part that burns the mixed gas of hydrocarbon-based gas and high-concentration hydrogen gas or hydrocarbon-based gas, when the concentration of hydrogen gas in the fuel gas increases, It is misjudged as having misfired even though it has not misfired. In other words, it is impossible to detect that the fire has really misfired.
[0004]
In order to solve the above problem, for example, by controlling the temperature in the reforming section to be equal to or lower than a predetermined temperature and setting the hydrogen conversion rate of the hydrocarbon-based gas to be equal to or lower than a predetermined value, A technique (Patent Document 1) that maintains a hydrocarbon-based gas at a predetermined concentration or more and enables flame detection with a frame rod is disclosed.
In another technique, a technique (Patent Document 2) is also disclosed in which a high-concentration hydrogen gas supplied as a burner fuel is mixed with a hydrocarbon-based gas sufficient to enable flame detection by a flame rod. Yes.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2002-75412 A
[Patent Document 2]
JP 2001-201046 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the technology for reducing the hydrogen conversion rate of the hydrocarbon-based gas to a predetermined value or less, the amount of hydrogen gas obtained is suppressed, so that flame detection is surely performed, but as a result, energy efficiency is deteriorated. Yes.
Further, in the technique of mixing the hydrocarbon gas, the energy efficiency is deteriorated because the hydrocarbon gas is consumed in an amount unnecessary for the combustion of the burner in order to detect the flame.
In the above two technologies, the flame rod, which is not good at detecting hydrogen-rich gas flames, is used as a hydrogen-rich gas flame detection means, resulting in deterioration of energy efficiency. .
[0007]
Thermocouples are known as another flame detection means. The flame detection means by the thermocouple measures temperature using an electromotive force generated by a temperature difference between the inside and outside of the flame. The flame detection by the thermocouple can detect not only a hydrocarbon gas flame but also a high-concentration hydrogen gas flame that cannot be detected by a flame rod. However, this thermocouple has its own heat capacity and changes its temperature under the influence of the ambient temperature, so that the temperature rises later than when the burner started combustion. That is, in the flame detection means by the thermocouple, detection of ignition is delayed.
[0008]
When the detection of ignition is delayed, the following problems occur. Gas is supplied when the burner is ignited. When detection is performed by the thermocouple, it takes several seconds to detect the ignition, so that the gas is continuously supplied regardless of whether the light is on or not. If ignition is detected when ignition detection is performed, there is no problem. However, if an ignition error occurs, gas will continue to be released until ignition detection is performed. When an ignition operation is performed again in response to an ignition error, explosion ignition occurs because the gas is already filled in the combustion section at this time. When this explosion ignition occurs, an internal pressure is applied in the combustion section, and a load is applied to the instrument. Moreover, the ignition sound at the time of explosion ignition becomes louder than the normal ignition sound.
When a thermocouple is provided as a flame detection means, a delay occurs in the flame detection and a problem associated with explosion ignition occurs. On the other hand, if the flame rod is used, there is no problem of delay in flame detection, but misfire cannot be detected even if misfiring when burning mainly in high-concentration hydrogen gas.
The present invention proposes a technique for detecting the occurrence of a flame with good responsiveness to prevent explosion ignition at the start of the system and without overlooking misfire when burning mainly with high-concentration hydrogen gas.
[0009]
In the present invention, in the combustion section of the reformer of the fuel cell type power generation system, the occurrence of flame is detected with good responsiveness to prevent explosion ignition at the start of the system and problems associated therewith, and high concentration hydrogen gas is If a misfire occurs during combustion in the center, we propose a technique that can detect it without overlooking it.
[0010]
[Means, actions and effects for solving problems]
The reformer of the fuel cell power generation system according to the present invention includes a reforming unit that generates high-concentration hydrogen gas from a hydrocarbon-based gas and water vapor and supplies the high-concentration hydrogen gas to the fuel cell, and a mixture of the hydrocarbon-based gas and the high-concentration hydrogen gas. And a combustion section that heats the reforming section using gas or hydrocarbon gas as fuel. Furthermore, the 1st flame detection means which detects that the flame of the hydrocarbon gas produced in the combustion part, and the 2nd flame detection means which detects that the flame of the mixed gas or the hydrocarbon gas produced in the combustion part It also has.
[0011]
If the burner in the combustion section disposed in the reformer misfires, a large amount of CO may be generated and the fuel cell may be deteriorated. The burner of this combustion part sometimes uses a hydrocarbon-based gas as fuel, and sometimes uses a mixed gas mainly composed of high-concentration hydrogen gas as fuel. Since the type of flame is different between hydrocarbon gas and hydrogen gas, any flame can be reliably detected by providing two types of detection means suitable for detecting each flame in the burner. . Burner misfire can be detected quickly.
[0012]
  The combustion part of the reformer of this fuel cell type power generation system is mainly composed of a fuel cell when a hydrocarbon-based gas is used as a fuel, and when a high-concentration hydrogen gas generated mainly at the reforming part is used as a fuel. The off-gas after passing may be used as fuel, and when the combustion section uses hydrocarbon-based gas as fuel, flame detection is performed using the first flame detection means, and the combustion section is generated mainly in the reforming section. When high-concentration hydrogen gas is used as fuel, and mainly when off-gas after passing through the fuel cell is used as fuel, flame detection is performed using the second flame detection means.Yeah.
[0013]
The burner fuel until reforming in the reforming section is a hydrocarbon gas. The main fuel of the burner during reforming is high-concentration hydrogen gas generated in the reforming section. Further, the main fuel of the burner during power generation is high-concentration hydrogen gas called so-called off-gas, which has passed through the fuel cell without being used, among the high-concentration hydrogen gas supplied to the fuel cell. By installing a first flame detection means suitable for detecting a hydrocarbon-based gas flame and a second flame detection means suitable for detecting a hydrogen gas flame in the burner, any flame can be reliably obtained. Detection can be performed. Burner misfire can be detected quickly.
[0014]
The combustion section of the reformer of the fuel cell type power generation system includes ignition means for igniting the burner, and the first flame detection means and the first flame detection means until the predetermined time elapses after the combustion section switches the gas used as fuel. It is preferable to cancel the flame detection by the two flame detection means and continue the ignition operation by the ignition means.
When the reformer is started and the fuel used by the burner in the combustion section is switched, the composition and flow rate of the high-concentration hydrogen gas generated in the reforming section becomes unstable, so combustion such as lift or misfire Defects are likely to occur.
In the reformer of this fuel cell type power generation system, an ignition operation is performed for a while after the gas used as fuel by the burner in the combustion section is switched. According to this, the composition and flow rate of the gas serving as the burner fuel become unstable, and even if a misfire occurs, the ignition operation is performed and reignition is performed. Even if there is a misfire, it will be ignited immediately, so there will be no trouble. Accordingly, at this time, even if a misfire is detected, it is necessary to prevent the error processing from being performed, so the flame detection by the two types of flame detection means is canceled. Alternatively, flame detection may be continued at this time, and control may be performed so that error processing is not performed even if misfire is detected.
[0015]
It is preferable that the first flame detection means disposed in the combustion section of the reformer of the fuel cell power generation system has a frame rod, and the second flame detection means has a thermocouple.
The flame rod is suitable for detecting a flame of a hydrocarbon-based gas that is ionized at the time of combustion, but it is difficult to detect a flame of a hydrogen-rich mixed gas mainly composed of high-concentration hydrogen gas. In addition, the thermocouple has its own heat capacity, a response delay occurs with respect to the flame detection, and if an ignition error occurs, an explosion ignition and a problem associated with this will occur, so it is useful for detecting the ignition at the start of the system. Is not suitable, but since the type of gas used as fuel is not selected, a hydrogen-rich gas flame can be detected. Therefore, in the reformer of this fuel cell type power generation system, the flame of the hydrocarbon gas at the start of the system is detected by the flame detection means using the flame rod, and the flame of the hydrogen rich gas is the flame using the thermocouple. It is made to detect with a detection means. Thereby, flame detection can be reliably performed by a detection means suitable for each flame.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
(Mode 1) In the combustion section, the predetermined time for which the ignition operation is continued is the time required for the composition and flow rate of the high-concentration hydrogen gas supplied to the combustion section to stabilize.
[0017]
【Example】
An embodiment embodying the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a fuel cell power generation system according to this embodiment, and FIG. 2 is a flowchart showing a flame detection process in a combustion section of a reformer of the system.
As shown in FIG. 1, the fuel cell power generation system 1 of the present embodiment is mainly composed of a reformer 10 and a fuel cell 12. The fuel cell 12 generates power using hydrogen and oxygen in the air as raw materials. Hydrogen as a raw material is generated and supplied in the reformer 10. The reformer 10 has a reforming unit 14 and a combustion unit 16. The reforming unit 14 has a catalyst layer (not shown). The combustion unit 16 includes a burner 16a and a fan motor 16b. When raw fuel gas is supplied to the reforming unit 14 and heated by the burner 16a of the combustion unit 16, a chemical reaction occurs via the catalyst, and reformed gas that is high-concentration hydrogen gas is generated. This gas is used for power generation of the fuel cell 12.
[0018]
The fuel cell power generation system 1 will be described in more detail with a focus on the reformer 10. The raw fuel gas is composed of a hydrocarbon-based gas such as propane gas, and is supplied from the raw fuel gas supply unit 18. The raw fuel gas serves as a raw material for the reformed gas used for power generation of the fuel cell 12 and also serves as fuel for the burner 16a. The raw fuel gas supplied to the reforming unit 14 through the on-off valve 24 is reformed into a reformed gas having a high hydrogen concentration. The raw fuel gas supplied to the combustion section 16 of the reformer 10 through the proportional valve 20 and the on-off valve 22 becomes fuel for the burner 16a. The opening / closing amount of the proportional valve 20 and the opening / closing of the opening / closing valves 22, 24 are controlled by a control unit (not shown), which will be described in detail later.
[0019]
The reforming unit 14 is supplied with water as a material for the reformed gas together with the raw fuel gas. Water is supplied in the form of water vapor. The supplied raw fuel gas and water are heated by the burner 16a of the combustion section 16 and undergo a reforming reaction. The reforming reaction is an endothermic reaction through the reforming catalyst, and the activation temperature of the reforming catalyst is a high temperature of 600 to 800 ° C., so that the heating by the burner 16a is continuously performed.
[0020]
The reforming reaction generates CO as a by-product. Since CO deteriorates the electrode of the fuel cell 12, it must be removed so that it is not supplied to the fuel cell 12. For this reason, the reforming unit 14 has two types of catalysts in addition to the reforming catalyst. One is a by-product that oxidizes harmful CO to harmless CO2It is a shift catalyst that changes to By this shift catalyst, the CO concentration in the generated reformed gas is suppressed to about 1%. The other is a selective oxidation catalyst that is a catalyst that oxidizes only CO. This selective oxidation catalyst reduces the CO concentration from about 1% to 10 ppm or less.
[0021]
The reformed gas generated in the reforming unit 14 is supplied to the fuel cell 12. However, immediately after the start of reforming, the temperature of each catalyst in the reforming unit 14 is unstable, so the gas composition and the gas amount are unstable and contain a large amount of CO. Therefore, the reformed gas is supplied to the combustion unit 16 via the first path 26 that bypasses the fuel cell 12 until the temperature of each catalyst is stabilized. That is, for a while after the start of reforming, the reformed gas is not supplied to the fuel cell 12 but is supplied to the combustion unit 16 and burned.
When the temperature of the reforming catalyst is stabilized, the reformed gas is supplied to the fuel cell 12 via the path 30a of the second path 30. The fuel cell 12 generates power based on the hydrogen-rich reformed gas and oxygen in the air. The off gas that has been supplied to the fuel cell 12 but passed through the fuel cell 12 without being used for power generation is supplied to the combustion unit 16 via the path 30b of the second path 30 and burned.
An opening / closing valve 28 is disposed on the first path 26, and an opening / closing valve 32 is disposed on the second path 30. These on-off valves 28 and 32 are controlled to open and close by a control unit (not shown), which will be described in detail later.
[0022]
The combustion unit 16 includes a burner 16a and a fan motor 16b. The burner 16a mixes and burns the fuel gas and the air supplied by the fan motor 16b. The amount of heat of the burner 16a is adjusted by the rotational speed of the fan motor 16b and the supply amount of raw fuel gas (the degree of opening and closing of the proportional valve 20). The reforming part 14 is heated by the heat obtained by this combustion to promote the reforming reaction.
The burner 16a is provided with a frame rod 34 and a thermocouple 36 for detecting a flame. The flame rod 34 is used when detecting a flame of a hydrocarbon gas, and the thermocouple 36 is used when detecting high-concentration hydrogen gas. An ignition electrode 38 that performs spark discharge is provided as an ignition device.
The fan motor 16b, the frame rod 34, the thermocouple 36, and the ignition electrode 38 are controlled by a control unit (not shown), which will be described in detail later.
[0023]
The operation of the fuel cell power generation system 1 can be divided into three modes described below.
When the system starts operation, raw fuel gas serving as fuel for the burner 16a is supplied to the combustion unit 16 to heat the reforming unit 14. If the reforming reaction is performed when the temperatures of the reforming catalyst, the shift catalyst, and the selective oxidation catalyst do not reach the predetermined temperature range, CO and CO, which are byproducts, are generated.2This produces hydrogen gas containing a large amount of by-products such as. Therefore, the reforming unit 14 is only heated until the temperatures of the reforming catalyst, the shift catalyst, and the selective oxidation catalyst reach the predetermined temperature range, and the raw fuel gas is not supplied to the reforming unit 14. From the start of operation of this system to the time when the temperatures of the reforming catalyst, the shift catalyst, and the selective oxidation catalyst reach within the predetermined temperature range, the mode 1 is set.
In mode 1, the fuel of the burner 16a is a raw fuel gas that is a hydrocarbon-based gas. Therefore, flame detection is performed using the frame rod 34.
[0024]
In addition, when the fuel of the burner 16a is a hydrocarbon gas, the flame detection is also possible by the thermocouple 36. However, in this embodiment, flame detection by the thermocouple 36 is not performed in mode 1 for the following reason. When the ignition operation to the burner 16a is performed, gas serving as fuel is supplied. At this time, if detection is performed by the thermocouple 36, it takes several seconds to detect the ignition. Therefore, during this time, the gas continues to be supplied regardless of whether the light is on or not. If ignition is detected when ignition detection is performed, there is no problem. However, if an ignition error has occurred, gas continues to be released until ignition detection is performed. In this state, if an ignition error is received and spark discharge is performed again on the ignition electrode 38, explosion ignition occurs because the gas is already filled in the combustion section 16 at this time. When this explosion ignition occurs, an internal pressure is applied in the combustion section 16 and a load is applied to the instrument. Moreover, the ignition sound at the time of explosion ignition becomes louder than the normal ignition sound. Therefore, the flame rod 34 is used instead of the thermocouple 36 for the flame detection in the mode 1.
[0025]
When the temperatures of the reforming catalyst, the shift catalyst, and the selective oxidation catalyst reach the predetermined temperature range, the raw fuel gas that is the raw material of the reformed gas is supplied to the reforming unit 14 to start reforming. . The reformed gas generated immediately after the start of reforming has an unstable composition, and has a lower hydrogen concentration and a higher concentration of by-products such as CO than when stable. If this unstable reformed gas is supplied to the fuel cell 12, not only a predetermined power cannot be obtained, but also a problem that the electrode deteriorates due to CO occurs. Therefore, the unstable reformed gas is not supplied to the fuel cell 12 until the temperature of each catalyst is stabilized, but is supplied directly to the combustion unit 16 as fuel for the burner 16a. The mode until the temperature of each catalyst is stabilized is referred to as “mode 2”.
In mode 2, the fuel of the burner 16a is a reformed gas that is mainly high-concentration hydrogen gas. When the concentration of hydrogen gas in the fuel increases, the flame cannot be detected by the frame rod 34. Supplementary raw fuel gas is also supplied, but the amount is not so large that the flame can be detected by the flame rod 34. That is, when the flame rod 34 is used for flame detection in mode 2, it may be detected as misfire, even if it does not misfire. Therefore, flame detection is performed using the thermocouple 36.
[0026]
When the temperature of each catalyst is stabilized, the composition of the reformed gas is stabilized. This stable reformed gas is supplied to the fuel cell 12 to start power generation. Of the reformed gas supplied to the fuel cell 12, the reformed gas that has not been used for power generation passes through the fuel cell 12 as off-gas. This off gas is also supplied to the combustion section 16 as fuel for the burner 16a. The period from when this power generation operation is started until it is stopped is referred to as “mode 3”.
Even in mode 3, the fuel of the burner 16a is reformed gas that is mainly high-concentration hydrogen gas, as in mode 2. Supplementary raw fuel gas is also supplied, but the amount is not so large that the flame can be detected by the flame rod 34. That is, if the flame rod 34 is used for flame detection in mode 3, it may be detected as misfire even if misfire or no misfire occurs. Therefore, flame detection is performed using the thermocouple 36.
[0027]
In the mode 1, the mode 2 and the mode 3, the gas used as the fuel for the burner 16a is different. Accordingly, in the transition mode from mode 1 to mode 2 (referred to as “mode 1.5”) and in the transition mode from mode 2 to mode 3 (referred to as “mode 2.5”), the burner 16a. The piping for supplying gas serving as fuel is switched.
In mode 1.5, the fuel in the burner 16a is switched from the raw fuel gas to the reformed gas. The reformed gas is supplied to the burner 16a through the first path 26. During this switching, the composition and flow rate of the reformed gas sent from the reforming unit 14 become unstable.
A similar phenomenon occurs in mode 2.5. In mode 2.5, the path for supplying fuel to the burner 16a is switched from the first path 26 to the second path 30. As a result, the stabilized reformed gas is supplied to the fuel cell 12 via the path 30 a of the second path 30. Then, the off gas that has passed through the fuel cell 12 is supplied to the burner 16a through the path 30b. During this switching, the composition and flow rate of the reformed gas sent from the reforming unit 14 become unstable.
[0028]
As described above, in the transitional mode (mode 1.5, mode 2.5), the composition and flow rate of the reformed gas sent from the reforming unit 14 become unstable, so that particularly lift or misfire occurs. It's easy to do. When the burner 16a is misfired, the optimum reaction temperature of the reforming catalyst cannot be obtained in the reforming section 14, and not only the hydrogen concentration in the reformed gas is lowered, but also CO is generated to deteriorate the electrode of the fuel cell 12. There is a fear. Therefore, in this transient mode, spark discharge is continuously performed on the ignition electrode 38. As a result, even if the burner 16a misfires, it can be ignited quickly and the heating of the reforming unit 14 can be continued.
[0029]
Next, flame detection processing in the combustion section 16 of the reformer 10 of the fuel cell power generation system 1 of the present embodiment will be described with reference to FIG.
In step S10 of FIG. 2, the on-off valve 22 and the proportional valve 20 are opened, and the burner 16a is ignited. By opening these valves 22 and 20, the raw fuel gas is supplied from the raw fuel gas supply unit 18 to the combustion unit 16. The burner 16a is ignited by the ignition electrode 38. The burner 16a starts combustion by this step S10.
Progressing to step S12 following step S10, flame detection by the frame rod 34 is performed. Since the fuel of the burner 16a is a hydrocarbon gas, the flame rod 34 is used as a flame detection means.
Due to the combustion of the burner 16a, the temperature in the reforming section 14 starts to rise (step S14). Mode 1 is the time until the temperatures of the reforming catalyst, the shift catalyst, and the selective oxidation catalyst reach the predetermined temperature range (until YES in step S16).
[0030]
When the respective temperatures of the reforming catalyst, the shift catalyst, and the selective oxidation catalyst reach the predetermined temperature range in step S16 (when YES), the process proceeds to step S18. In step S18, the on-off valves 24 and 28 are opened, and at this time, the timer T1 starts measurement. At this time, the on-off valve 32 remains closed. When the on-off valve 24 is opened, the raw fuel gas is supplied to the reforming unit 14 and the reforming reaction starts (step S20). For some time after the start of the reforming reaction, the composition of the reformed gas produced becomes unstable and contains a large amount of CO. Therefore, the on-off valve 28 is opened, and the reformed gas at this time is supplied to the fuel cell 12. Bypass to supply to the burner 16a.
[0031]
When the reformed gas begins to be sent to the first path 26, the gas composition and the gas flow rate are unstable, and misfire is likely to occur. Accordingly, the process proceeds to step S22, the flame detection at the frame rod 34 is canceled, and the spark discharge is continuously performed on the ignition electrode 38. By performing this ignition operation, even if a misfire occurs, it can be ignited immediately and the combustion of the burner 16a can be restored. This operation is performed until the timer T1 measures a predetermined time (until YES in step S24). The predetermined time measured by the timer T1 is the time from the start of reforming until the reformed gas whose gas composition or gas flow rate is stabilized is supplied to the burner 16a. Mode 1.5 is until the reformed gas in the first path 26 is stabilized. The predetermined time measured by the timer T1 is determined in advance by the volume in the pipe of the first path 26 and the like.
[0032]
When the reformed gas in the first path 26 is stabilized (YES in step S24), the combustion temperature of the burner 16a is stabilized, and the temperature in the reforming unit 14 is also stabilized. Accordingly, the process proceeds to step S26, the spark discharge continuously performed on the ignition electrode 38 is stopped, and the flame detection by the thermocouple 36 is performed. Since the composition and flow rate of the gas serving as the fuel for the burner 16a are stabilized and the possibility of misfire is reduced, the spark discharge is stopped. At this time, since the fuel of the burner 16a is a reformed gas that is a high-concentration hydrogen gas, the thermocouple 36 is used as a flame detection means. Mode 2 is until the heating of the reforming section 14 is stabilized and the temperature of each catalyst is stabilized (until YES in step S28).
[0033]
When the temperature of each catalyst is stabilized (YES) in step S28, the process proceeds to step S30. In step S30, the on-off valve 28 is closed and the on-off valve 32 is opened. At this time, the timer T2 starts measurement. By opening the on-off valve 32, the reformed gas is supplied to the second path 30 that passes through the fuel cell 12. However, at this point in time, the reformed gas is allowed to pass without being supplied to the fuel cell 12 and power generation is not started.
[0034]
When the reformed gas begins to be sent to the second path 30, the composition and flow rate of the gas are unstable, and misfire is likely to occur. Accordingly, the process proceeds to step S32, the flame detection in the thermocouple 36 is canceled, and spark discharge is continuously performed on the ignition electrode 38 to prevent misfire. This operation is performed until the timer T2 measures a predetermined time (until YES in step S34). The predetermined time measured by the timer T2 is a time until the reformed gas having a stable composition and flow rate, which is generated by stably heating the reforming unit 14, is supplied to the burner 16a for the first time. is there. The mode 2.5 is until the reformed gas in the second path 30 is stabilized. The predetermined time measured by the timer T2 is determined in advance by the volume in the pipe of the second path 30 and the like.
[0035]
When the reformed gas in the second path 30 is stabilized (YES in step S34), the combustion temperature of the burner 16a is stabilized, and the temperature in the reforming section 14 is also stabilized at the optimum reaction temperature of the reforming catalyst. . Therefore, the process proceeds to step S36, the spark discharge continuously performed on the ignition electrode 38 is stopped, and the flame detection by the thermocouple 36 is performed. Since the composition and flow rate of the gas serving as the fuel for the burner 16a are stabilized and the possibility of misfire is reduced, the spark discharge is stopped. At this time, since the fuel of the burner 16a is a reformed gas that is a high-concentration hydrogen gas, the thermocouple 36 is used as a flame detection means. When stable reformed gas is supplied to the fuel cell 12, power generation is started (step S38). Mode 3 is the period from when the power generation operation is started until it is stopped.
[0036]
In the reformer 10 of the fuel cell type power generation system 1 of the present embodiment, the burner 16a of the combustion unit 16 sometimes uses hydrocarbon-based gas as fuel, and mainly uses high-concentration hydrogen gas as fuel. That is, the fuel of the burner 16a until the reforming in the reforming unit 14 (mode 1) is a hydrocarbon gas. The main fuel of the burner 16a from the start of reforming until the reforming is stabilized (mode 2) is high-concentration hydrogen gas generated in the reforming unit 14. Further, the main fuel of the burner 16a during power generation (mode 3) is high-concentration hydrogen gas that is off-gas that has passed through the fuel cell 12 without being used, among the reformed gas supplied to the fuel cell 12.
[0037]
In the reformer 10 of this embodiment, when the ignition operation is performed on the burner 16a, the gas continues to be supplied regardless of whether the ignition is on or not until the ignition is detected. If there is a delay in ignition detection at the start of the system, gas will continue to be released until ignition detection is performed when an ignition error occurs. In this state, if an ignition error is received and the ignition operation is performed again, the combustion part 16 is filled with gas, and therefore, explosion ignition occurs. When this explosion ignition occurs, there is a problem that an internal pressure is applied in the combustion section 16 and a load is applied to the instrument, or the ignition sound at the time of explosion ignition becomes larger than the normal ignition sound.
Further, if the burner 16a of the combustion section 16 misfires, the reforming reaction becomes unstable and a large amount of CO, which is a by-product, may be generated and the fuel cell 12 may be deteriorated. .
In the present embodiment, the frame rod 34 and the thermocouple 36 are attached to the burner 16a. The frame rod 34 has good responsiveness and does not cause a problem of delay in flame detection. The flame rod 34 is difficult to detect a flame of a hydrogen-rich mixed gas, but is suitable for detecting a flame of a hydrocarbon-based gas that is ionized during combustion. On the other hand, in the thermocouple 36, a response delay occurs with respect to the flame detection, and a problem associated with explosion ignition occurs when the burner 16a is ignited immediately after the system is started. However, since the thermocouple 36 does not select the type of flame, the flame rod 34 can also detect a flame of high-concentration hydrogen gas that could not be detected by the flame rod 34. Therefore, the reformer 10 of the fuel cell power generation system 1 performs flame detection using the frame rod 34 in mode 1 and flame detection using the thermocouple 36 in modes 2 and 3. As a result, flame detection can be reliably performed by detection means suitable for each mode.
[0038]
Further, when the gas supplied to the burner 16a is switched (mode 1.5, mode 2.5), the composition and flow rate of the gas in the piping may become unstable, and the burner 16a may misfire. At this time, the flame detection means using the frame rod 34 may not be detected because the concentration of the hydrocarbon-based gas in the fuel gas is diluted by the filling gas in the pipe. Further, in the flame detection means by the thermocouple 36, the composition and flow rate of the fuel gas are greatly changed and the flame temperature is changed, so that a response delay may occur. That is, in the transient mode, it is difficult to reliably detect the flame with any flame detection means.
In the reformer 10 of the fuel cell type power generation system 1 of this embodiment, a spark discharge is performed on the ignition electrode 38 for a while after the gas used as the fuel by the burner 16a of the combustion section 16 is switched. As a result, even if a misfire occurs in the transient mode, it is immediately reignited by the spark discharge. Since the heating of the reforming unit 14 can be maintained and no trouble occurs, the flame detection at this time is canceled so that this momentary misfire is not detected as an error.
[0039]
As described above, in the reformer of the fuel cell type power generation system of the present invention, the flame of the burner can be reliably detected in the combustion section, and the flame detection is canceled in the transient mode in which misfire is likely to occur. Even if misfire occurs, reignition is performed immediately, so that good combustion can always be maintained.
[0040]
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
In addition, the technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration of a fuel cell power generation system according to an embodiment.
FIG. 2 is a flowchart showing a flame detection process in a combustion section of the reformer of the system.
[Explanation of symbols]
1: Fuel cell power generation system
10: Reformer
12: Fuel cell
14: reforming section
16: Combustion part, 16a: Burner, 16b: Fan motor
18: Raw fuel gas supply unit
20: Proportional valve
22: Open / close valve
24: Open / close valve
26: First route
28: Open / close valve
30: Second route
32: Open / close valve
34: Frame rod
36: Thermo couple
38: ignition electrode

Claims (3)

炭化水素系ガスと水蒸気から高濃度水素ガスを生成して燃料電池に供給する改質部と、
炭化水素系ガスと高濃度水素ガスの混合ガス又は炭化水素系ガスを燃料として改質部を加熱する燃焼部と、
燃焼部で炭化水素系ガスの火炎が生じたことを検知する第１火炎検知手段と、
燃焼部で混合ガス又は炭化水素系ガスの火炎が生じたことを検知する第２火炎検知手段とを備えており、
前記燃焼部は、炭化水素系ガスを燃料とするときと、主に改質部で生成された高濃度水素ガスを燃料とするときと、主に燃料電池通過後のオフガスを燃料とするときがあり、
燃焼部が炭化水素系ガスを燃料とするときは第１火炎検知手段を用いて火炎検知を行い、
燃焼部が主に改質部で生成された高濃度水素ガスを燃料とするときと、主に燃料電池通過後のオフガスを燃料とするときは第２火炎検知手段を用いて火炎検知を行なうことを特徴とする燃料電池式発電システムの改質器。A reforming section that generates high-concentration hydrogen gas from a hydrocarbon-based gas and water vapor and supplies it to the fuel cell;
A combustion section that heats the reforming section using a mixed gas of hydrocarbon-based gas and high-concentration hydrogen gas or a hydrocarbon-based gas as fuel,
A first flame detection means for detecting that a hydrocarbon-based gas flame has occurred in the combustion section;
A second flame detection means for detecting that a flame of mixed gas or hydrocarbon gas has occurred in the combustion section ,
When the combustion unit uses hydrocarbon-based gas as fuel, mainly when high-concentration hydrogen gas generated in the reforming unit is used as fuel, and mainly when off-gas after passing through the fuel cell is used as fuel. Yes,
When the combustion unit uses hydrocarbon-based gas as fuel, it performs flame detection using the first flame detection means,
When the high-concentration hydrogen gas generated mainly in the reforming unit is used as fuel and when off-gas after passing through the fuel cell is used as fuel, flame detection is performed using the second flame detection means. A reformer for a fuel cell type power generation system. バーナに点火する点火手段を備え、燃焼部が燃料とするガスを切換えてから所定時間が経過するまでは、第１火炎検知手段と第２火炎検知手段による火炎検知を解除し、点火手段による点火動作を継続することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池式発電システムの改質器。An ignition means for igniting the burner is provided, and the flame detection by the first flame detection means and the second flame detection means is canceled and the ignition by the ignition means until a predetermined time elapses after the combustion unit switches the gas used as fuel. 2. The reformer of a fuel cell type power generation system according to claim 1 , wherein the operation is continued. 前記第１火炎検知手段はフレームロッドを有しており、前記第２火炎検知手段はサーモカップルを有していることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池式発電システムの改質器。The reforming of a fuel cell power generation system according to claim 1 or 2 , wherein the first flame detection means has a frame rod, and the second flame detection means has a thermocouple. vessel.
JP2002380658A 2002-12-27 2002-12-27 Fuel cell power generation system reformer Expired - Fee Related JP3898123B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002380658A JP3898123B2 (en) 2002-12-27 2002-12-27 Fuel cell power generation system reformer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002380658A JP3898123B2 (en) 2002-12-27 2002-12-27 Fuel cell power generation system reformer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004210576A JP2004210576A (en) 2004-07-29
JP3898123B2 true JP3898123B2 (en) 2007-03-28

Family

ID=32816814

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002380658A Expired - Fee Related JP3898123B2 (en) 2002-12-27 2002-12-27 Fuel cell power generation system reformer

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3898123B2 (en)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5194373B2 (en) 2006-03-27 2013-05-08 トヨタ自動車株式会社 Reformer
JP5369370B2 (en) * 2006-09-29 2013-12-18 アイシン精機株式会社 Fuel cell system
JP5495167B2 (en) * 2008-09-12 2014-05-21 Ｔｏｔｏ株式会社 Fuel cell module
JP2010135287A (en) * 2008-11-04 2010-06-17 Panasonic Corp Fuel cell system
JP5352301B2 (en) * 2009-03-24 2013-11-27 トヨタ自動車株式会社 FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL STATE DETECTION METHOD
CN102369624B (en) * 2009-03-31 2016-06-15 松下电器产业株式会社 Fuel cell system
JP5634986B2 (en) * 2009-04-17 2014-12-03 パナソニック株式会社 Hydrogen generator and fuel cell system provided with the same
JP5548987B2 (en) * 2010-03-29 2014-07-16 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM
JP5513209B2 (en) * 2010-03-30 2014-06-04 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM
JP5849186B2 (en) * 2011-12-28 2016-01-27 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 Fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
JP2004210576A (en) 2004-07-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2416428B1 (en) Fuel cell system
EP2380849B1 (en) Hydrogen generator, fuel cell system, and method of stopping hydrogen generator
JP5230958B2 (en) Control method of reformer, reformer, and fuel cell system
KR20040079991A (en) Fuel reforming system and fuel cell system having same
JP5369370B2 (en) Fuel cell system
JP4988590B2 (en) Method for determining air ratio of fuel cell heater burner and fuel cell heater
JP3898123B2 (en) Fuel cell power generation system reformer
JP4130681B2 (en) Fuel cell system
EP2420473B1 (en) Method of operating a hydrogen generation device
JP5173019B2 (en) Fuel cell system
JP2011181440A (en) Fuel cell system
US8758950B2 (en) Fuel cell system
JP5366357B2 (en) Method for starting fuel cell system and fuel cell system
JP2005174745A (en) Operation method of fuel cell system and fuel cell system
JP2004196600A (en) Hydrogen generating apparatus to be used for fuel cell and starting method
JP3765989B2 (en) Reformer heating method and heating apparatus
JP3947665B2 (en) Fuel cell power generation system
JP4917756B2 (en) Fuel cell system startup method, reformer, and fuel cell system
JP5548987B2 (en) FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM
JP5590964B2 (en) Control method of fuel cell system
JP5511419B2 (en) Hydrogen generator and fuel cell system
JP2005332834A (en) Fuel cell power generation system and method of controlling fuel cell power generation system
JP4278366B2 (en) Fuel processing apparatus, fuel processing method, and fuel cell power generation system
JP5759597B2 (en) Control method of fuel cell system
JP5537218B2 (en) Fuel cell system and method for starting fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20040909

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20060831

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20060912

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20061102

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20061219

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20061220

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100105

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110105

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120105

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120105

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130105

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140105

Year of fee payment: 7

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees