JP4098332B2 - Reformer and fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、改質装置および燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a reformer and a fuel cell system.

改質装置の一形式として、特許文献1「燃料電池用改質器におけるバーナ」に示されているものが知られている。特許文献1の図1に示されているように、燃料電池用改質器10における燃焼筒20においては、その中央位置に高カロリー燃料噴射部(ノズル44)を設け、この高カロリー燃料噴射部の径方向外側の位置に第1の酸化剤噴射部(第1の酸化剤通路54の開口部)を設け、この第1の酸化剤噴射部の径方向外側の位置に低カロリー燃料噴射部(低カロリー燃料通路56の開口部)を設け、この低カロリー燃料噴射部の径方向外側の位置に第2の酸化剤噴射部(第2の酸化剤通路58の開口部)を設けていた。すなわち、燃焼筒20内に投入される燃焼用燃料を該燃焼筒20に複数段設けられた投入口から投入される燃焼用酸化剤により燃焼して燃焼ガスを生成するようになっていた。   As one type of reforming apparatus, one disclosed in Patent Document 1 “Burner in Fuel Cell Reformer” is known. As shown in FIG. 1 of Patent Document 1, the combustion cylinder 20 in the fuel cell reformer 10 is provided with a high calorie fuel injection portion (nozzle 44) at the center thereof, and this high calorie fuel injection portion. A first oxidant injection portion (opening portion of the first oxidant passage 54) is provided at a position on the radially outer side of the first oxidant injection portion, and a low calorie fuel injection portion ( The opening portion of the low calorie fuel passage 56) is provided, and the second oxidant injection portion (opening portion of the second oxidant passage 58) is provided at a position radially outside the low calorie fuel injection portion. That is, the combustion fuel introduced into the combustion cylinder 20 is combusted by the combustion oxidant introduced from the inlets provided in a plurality of stages in the combustion cylinder 20 to generate combustion gas.

このように構成された改質装置においては、天然ガスや改質ガス等の高カロリー燃料を用いる場合には、これを中央の高カロリー燃料噴射部から噴射し、その周囲の第1の酸化剤噴射部及び第2の酸化剤噴射部から酸化剤を噴射するようになっていた。また、電池排燃料等の低カロリー燃料を用いる場合には、これを低カロリー燃料噴射部から噴射し、その径方向内側及び外側に位置する第1の酸化剤噴射部及び第2の酸化剤噴射部から酸化剤を噴射するようになっていた。
特開平5−303974号公報 特開平8−162137号公報 特開2003−252604号公報
In the reformer configured as described above, when a high calorie fuel such as natural gas or reformed gas is used, it is injected from the central high calorie fuel injection section, and the surrounding first oxidant is used. The oxidizer is jetted from the jet section and the second oxidizer jet section. Moreover, when using low calorie fuel, such as battery waste fuel, this is injected from a low calorie fuel injection part, and the 1st oxidant injection part and 2nd oxidant injection which are located in the radial direction inner side and the outer side The oxidant was sprayed from the part.
JP-A-5-303974 JP-A-8-162137 JP 2003-252604 A

上述した特許文献1に記載の改質装置においては、第1の酸化剤噴射部及び第2の酸化剤噴射部から供給される酸化剤の各供給量が制御されていないので、各運転モードにおいて燃焼部が適切な燃焼を実施することができないという問題があった。例えば、起動運転において燃焼部が適切な燃焼を実施することができないと、起動時間を十分に短縮できないという問題が生じ、また発電運転において燃焼部が適切な燃焼を実施することができないと、吹き消えを招いたり、高エミッションを招いたりする問題が生じる。   In the reforming apparatus described in Patent Document 1 described above, since each supply amount of the oxidant supplied from the first oxidant injection unit and the second oxidant injection unit is not controlled, in each operation mode There was a problem that the combustion part could not carry out proper combustion. For example, if the combustor cannot perform appropriate combustion in the start-up operation, there will be a problem that the start-up time cannot be shortened sufficiently, and if the combustor cannot perform appropriate combustion in the power generation operation, The problem of causing disappearance or high emission occurs.

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、改質装置および燃料電池システムにおいて、各運転モードにおいて燃焼部が適切な燃焼を実施可能とすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to enable a combustion unit to perform appropriate combustion in each operation mode in a reformer and a fuel cell system.

上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明の構成上の特徴は、燃焼筒内に投入される燃焼用燃料を該燃焼筒に複数段設けられた投入口から投入される燃焼用酸化剤により燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼部と、供給された改質用燃料と水蒸気から改質ガスを生成して燃料電池に供給する改質部と、供給された改質水から水蒸気を生成して改質部に導出する蒸発部と、燃焼部で生成された燃焼ガスを改質部および蒸発部の順番に流通させる燃焼ガス流路と、を備えた改質装置において、各段の投入口が燃焼筒の基端から先端に沿って配設され、各段の投入口に対し独立かつ選択的に燃焼用酸化剤を供給可能な燃焼用酸化剤供給手段と、各段の投入口からそれぞれ投入される燃焼用酸化剤の各投入量が運転モードに応じてそれぞれ設定された値となるように燃焼用酸化剤供給手段を制御する制御手段と、をさらに備えたことである。
In order to solve the above-mentioned problems, the structural feature of the invention according to claim 1 is that the combustion fuel charged into the combustion cylinder is oxidized for combustion injected from a plurality of inlets provided in the combustion cylinder. A combustion section that burns with an agent to generate combustion gas , a reforming section that generates reformed gas from the supplied reforming fuel and steam and supplies the reformed gas to the fuel cell, and steam from the supplied reforming water In a reformer comprising: an evaporation unit that is generated and led to a reforming unit; and a combustion gas passage that distributes the combustion gas generated in the combustion unit in the order of the reforming unit and the evaporation unit . Combustion oxidant supply means that is provided along the front end from the base end of the combustion cylinder and can supply combustion oxidant independently and selectively to the input of each stage, and the input of each stage The amount of combustion oxidant that is input from each is set according to the operation mode. And control means for controlling the combustion oxidant supply means to a value, it is further comprising a.

また請求項2に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、運転モードが、改質装置の起動時点以降であって、燃焼筒の先端側に位置する投入口と燃焼筒の基端側に位置する投入口の両方から燃焼用酸化剤が投入開始された時点から蒸発部にて水蒸気の生成を開始する時点までの第1起動運転モードを有し、第1起動運転モードでは、燃焼筒の先端側に位置する投入口からの燃焼用酸化剤の投入量が燃焼筒の基端側に位置する投入口からの燃焼用酸化剤の投入量より多くなるように設定されていることである。
The feature in construction of the invention according to claim 2, Te claim 1 smell, OPERATION mode, a starting point on the reformer, the inlet and the combustion tube is positioned at the front end side of the combustion liner The first start-up operation mode has a first start-up operation mode from the time when the combustion oxidant is started to be input from both of the input ports located on the base end side to the time when the vaporizer starts to generate water vapor. The charging amount of the combustion oxidant from the charging port located on the leading end side of the combustion cylinder is set to be larger than the charging amount of the combustion oxidizing agent from the charging port positioned on the base end side of the combustion cylinder. That is.

また請求項3に係る発明の構成上の特徴は、請求項1または請求項2において、運転モードが、蒸発部にて水蒸気の生成を開始する時点以降の第2起動運転モードを有し、第2起動運転モードでは、燃焼筒の基端側に位置する投入口からの燃焼用酸化剤の投入量が燃焼筒の先端側に位置する投入口からの燃焼用酸化剤の投入量より多くなるように設定されていることである。   Further, the structural feature of the invention according to claim 3 is that in claim 1 or claim 2, the operation mode has a second start-up operation mode after the time when the generation of water vapor is started in the evaporation section. In the two-startup operation mode, the amount of combustion oxidant charged from the inlet located on the proximal end side of the combustion cylinder is larger than the amount of combustion oxidant charged from the inlet located on the distal end side of the combustion cylinder. It is set to.

また請求項4に係る発明の構成上の特徴は、請求項1に記載の改質装置と、改質装置から供給された改質ガスを使用して発電する燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、運転モードが発電運転モードである場合であって、燃料電池の出力電力が低い場合、または増大している場合には、燃焼筒の基端側に位置する投入口からの燃焼用酸化剤の投入量が燃料リッチ燃焼となる第1所定流量に設定されるとともに、燃焼筒の先端側に位置する投入口からの燃焼用酸化剤の投入量が低エミッションとなる第2所定流量に設定されていることである。   A structural feature of the invention according to claim 4 is a fuel cell comprising the reformer according to claim 1 and a fuel cell that generates electric power using the reformed gas supplied from the reformer. In the system, when the operation mode is the power generation operation mode and the output power of the fuel cell is low or increasing, the oxidation for combustion from the inlet located at the base end side of the combustion cylinder is performed. The charging amount of the oxidant is set to a first predetermined flow rate at which fuel-rich combustion is performed, and the charging amount of the oxidant for combustion from the charging port located on the front end side of the combustion cylinder is set to a second predetermined flow rate at which low emission is achieved. It has been done.

上記のように構成した請求項1に係る発明においては、燃焼用酸化剤供給手段が、燃焼筒の基端から先端に沿って配設された各段の投入口に対し独立かつ選択的に燃焼用酸化剤を供給可能なものである。また、制御手段が、各段の投入口からそれぞれ投入される燃焼用酸化剤の各投入量が運転モードに応じてそれぞれ設定された値となるように燃焼用酸化剤供給手段を制御する。これにより、各段の投入口から投入される燃焼用酸化剤の投入量(供給量)が運転モードに応じて独立かつ選択的に制御できるようになる。したがって、各運転モードにおいて燃焼部が適切な燃焼を実施可能となる。   In the invention according to claim 1 configured as described above, the combustion oxidant supply means performs combustion independently and selectively with respect to the inlet of each stage disposed from the base end to the front end of the combustion cylinder. It is possible to supply an oxidizing agent. In addition, the control means controls the combustion oxidant supply means so that the respective amounts of the combustion oxidant input from the input ports of the respective stages have values set in accordance with the operation modes. This makes it possible to independently and selectively control the input amount (supply amount) of the combustion oxidant input from the input port of each stage according to the operation mode. Therefore, the combustion section can perform appropriate combustion in each operation mode.

また、燃焼筒の基端側に位置する投入口からの燃焼用酸化剤にて燃焼した後に、先端側に位置する投入口からの燃焼用酸化剤が規定量投入されることで燃焼ガス流量を増大させ、蒸発部に熱を効率良く与えることができる。したがって、燃焼ガスにて蒸発部が早期に加熱され、早期に水蒸気を生成することができ、ひいては暖機時間の短縮を図ることができる。   In addition, after burning with the combustion oxidant from the inlet located on the proximal end side of the combustion cylinder, the combustion gas flow rate is reduced by supplying a specified amount of combustion oxidant from the inlet located on the distal end side. The heat can be efficiently applied to the evaporation section. Therefore, the evaporation part is heated early with the combustion gas, water vapor can be generated at an early stage, and as a result, the warm-up time can be shortened.

上記のように構成した請求項2に係る発明においては、請求項1に係る発明において、運転モードが、起動時点から蒸発部にて水蒸気の生成を開始する時点までの第1起動運転モードでは、燃焼筒の先端側に位置する投入口からの燃焼用酸化剤の投入量が燃焼筒の基端側に位置する投入口からの燃焼用酸化剤の投入量より多くなるように設定されているので、火炎が吹き消されることなく燃焼ガスの流速を増大させ、燃焼ガスを速く蒸発部に到達させることにより、燃焼ガスの熱を効率よく蒸発部に伝えることができる。したがって、燃焼ガスにより蒸発部が早期に加熱され、早期に水蒸気を生成することができ、ひいては暖機時間の短縮を図ることができる。   In the invention according to claim 2 configured as described above, in the invention according to claim 1, the operation mode is the first start-up operation mode from the start time to the start of the generation of water vapor in the evaporator, Because the amount of combustion oxidant input from the inlet located on the front end side of the combustion cylinder is set to be larger than the amount of combustion oxidant input from the inlet located on the base end side of the combustion cylinder. By increasing the flow velocity of the combustion gas without blowing out the flame and causing the combustion gas to quickly reach the evaporation section, the heat of the combustion gas can be efficiently transmitted to the evaporation section. Therefore, the evaporating section is heated early by the combustion gas, and water vapor can be generated at an early stage, and as a result, the warm-up time can be shortened.

上記のように構成した請求項3に係る発明においては、請求項2に係る発明において、運転モードが、蒸発部にて水蒸気の生成を開始した時点以降、燃焼筒の先端からの燃焼用酸化剤を減少させることで、燃焼ガス温度を高温化することができる。そのため、改質部が必要とする温度、熱量を効率良く改質部に燃焼ガスから与えることができる。ひいては、改質装置の暖機時間の短縮、発電時の発電効率の向上を図ることができる。   In the invention according to claim 3 configured as described above, in the invention according to claim 2, the oxidizer for combustion from the tip of the combustion cylinder after the operation mode starts generation of water vapor in the evaporation section By reducing this, the combustion gas temperature can be increased. Therefore, the temperature and heat quantity required by the reforming section can be efficiently supplied from the combustion gas to the reforming section. As a result, it is possible to shorten the warm-up time of the reformer and improve the power generation efficiency during power generation.

上記のように構成した請求項4に係る発明においては、運転モードが発電運転モードである場合であって、燃料電池の出力電力が低い場合、または増大している場合には、燃焼筒の基端側に位置する投入口からの燃焼用酸化剤の投入量が燃料リッチ燃焼となる第1所定流量に設定されるとともに、燃焼筒の先端側に位置する投入口からの燃焼用酸化剤の投入量が低エミッションとなる第2所定流量に設定されているので、火炎の吹き消えを確実に防止するとともに低エミッションを実現することができる。   In the invention according to claim 4 configured as described above, when the operation mode is the power generation operation mode and the output power of the fuel cell is low or increasing, the base of the combustion cylinder is used. The charging amount of the combustion oxidant from the inlet located on the end side is set to the first predetermined flow rate at which fuel-rich combustion is performed, and the combustion oxidant is charged from the inlet located on the tip side of the combustion cylinder Since the amount is set to the second predetermined flow rate at which low emission is achieved, it is possible to surely prevent the flame from being blown off and realize low emission.

以下、本発明による改質装置を適用した燃料電池システムの一実施形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池10とこの燃料電池10に必要な水素ガスを含む改質ガス(燃料ガス)を生成する改質装置20を備えている。   Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system to which a reformer according to the present invention is applied will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of this fuel cell system. The fuel cell system includes a fuel cell 10 and a reformer 20 that generates a reformed gas (fuel gas) containing hydrogen gas necessary for the fuel cell 10.

燃料電池10は、燃料極11と酸化剤極である空気極12と両極11,12間に介在された電解質13を備えており、燃料極11に供給された改質ガスおよび空気極12に供給された酸化剤ガスである空気(カソードエア)を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。   The fuel cell 10 includes a fuel electrode 11, an air electrode 12 that is an oxidant electrode, and an electrolyte 13 interposed between the electrodes 11 and 12, and supplies the reformed gas supplied to the fuel electrode 11 and the air electrode 12. Electric power is generated using air (cathode air), which is the oxidant gas. Note that air-enriched gas may be supplied instead of air.

改質装置20は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池10に供給するものであり、改質部21、冷却部22、一酸化炭素シフト反応部(以下、COシフト部という)23および一酸化炭素選択酸化反応部(以下、CO選択酸化部という)24、燃焼部25、および蒸発部26から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、LPG、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。   The reformer 20 steam reforms the reforming fuel and supplies a hydrogen-rich reformed gas to the fuel cell 10. The reformer 20 includes a reforming unit 21, a cooling unit 22, a carbon monoxide shift reaction unit (hereinafter referred to as “carbon reforming unit”). , A CO shift unit) 23, a carbon monoxide selective oxidation reaction unit (hereinafter referred to as a CO selective oxidation unit) 24, a combustion unit 25, and an evaporation unit 26. The reforming fuel includes natural gas, LPG, kerosene, gasoline, methanol, and the like. In the present embodiment, description will be made on natural gas.

改質部21は、燃料供給源Sfから供給された燃料に水蒸気が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部21は有底円筒状に形成されており、それぞれ環状に形成された外側流路21a1と内側流路21a2から構成される、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路21aを備えている。   The reforming unit 21 generates and derives a reformed gas from a mixed gas that is a reforming raw material in which water vapor is mixed with the fuel supplied from the fuel supply source Sf. The reforming portion 21 is formed in a bottomed cylindrical shape, and is formed of an outer flow path 21a1 and an inner flow path 21a2 each formed in an annular shape, and is an annular fold extending along the axis in the annular cylindrical portion. A flow path 21a is provided.

改質部21の折り返し流路21a内には、触媒21b(例えば、RuまたはNi系の触媒)が充填されており、冷却部22から導入された改質用燃料と水蒸気供給管52から導入された水蒸気との混合ガスが触媒21bによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)は冷却部(熱交換部)22に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。   The return channel 21 a of the reforming unit 21 is filled with a catalyst 21 b (for example, a Ru or Ni-based catalyst) and introduced from the reforming fuel introduced from the cooling unit 22 and the steam supply pipe 52. The gas mixture with the steam reacts and is reformed by the catalyst 21b to generate hydrogen gas and carbon monoxide gas (so-called steam reforming reaction). At the same time, a so-called carbon monoxide shift reaction occurs in which carbon monoxide generated in the steam reforming reaction reacts with steam to transform into hydrogen gas and carbon dioxide. These generated gases (so-called reformed gas) are led to a cooling unit (heat exchange unit) 22. The steam reforming reaction is an endothermic reaction, and the carbon monoxide shift reaction is an exothermic reaction.

冷却部22は、改質部21から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水(水蒸気)との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器(熱交換部)であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してCOシフト部23に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部21に導出するようになっている。具体的には、冷却部22には燃料供給源Sf(例えば都市ガス管)に接続された燃料供給管41が接続されており、燃料供給源Sfから改質用燃料が供給されている。燃料供給管41には、上流から順番に第1燃料バルブ42、燃料ポンプ43、脱硫器44および第2燃料バルブ45が設けられている。第1および第2燃料バルブ42,45は制御装置30の指令によって燃料供給管41を開閉するものである。燃料ポンプ43は燃料供給源Sfから供給される改質用燃料を吸い込み冷却部22を介して改質部21に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて改質用燃料供給量を調整するものである。脱硫器44は改質用燃料中の硫黄分(例えば、硫黄化合物)を除去するものである。これにより、改質用燃料は硫黄分が除去されて改質部21に供給される。   The cooling unit 22 is a heat exchanger (heat exchange unit) in which heat exchange is performed between the reformed gas derived from the reforming unit 21 and a mixed gas of reforming fuel and reformed water (steam). The temperature of the reformed gas having a high temperature is lowered by the mixed gas having a low temperature and led to the CO shift unit 23, and the temperature of the mixed gas is raised by the reformed gas and led to the reforming unit 21. Yes. Specifically, a fuel supply pipe 41 connected to a fuel supply source Sf (for example, a city gas pipe) is connected to the cooling unit 22, and reforming fuel is supplied from the fuel supply source Sf. The fuel supply pipe 41 is provided with a first fuel valve 42, a fuel pump 43, a desulfurizer 44, and a second fuel valve 45 in order from the upstream. The first and second fuel valves 42 and 45 open and close the fuel supply pipe 41 according to commands from the control device 30. The fuel pump 43 sucks the reforming fuel supplied from the fuel supply source Sf and discharges it to the reforming unit 21 through the cooling unit 22. The fuel pump 43 supplies the reforming fuel supply amount in accordance with a command from the control device 30. To be adjusted. The desulfurizer 44 removes sulfur (for example, sulfur compounds) in the reforming fuel. Thereby, the sulfur content is removed from the reforming fuel and supplied to the reforming unit 21.

また、燃料供給管41の第2燃料バルブ45と冷却部22との間には蒸発部26に接続された水蒸気供給管52が接続されている。蒸発部26から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部22を通って改質部21に供給されている。蒸発部26には改質水供給源である水タンクSwに接続された給水管51が接続されている。給水管51には、上流から順番に水ポンプ53および水バルブ54が設けられている。水ポンプ53は水タンクSwから供給される改質水を吸い込み蒸発部26に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて改質水供給量を調整するものである。水バルブ54は制御装置30の指令によって給水管51を開閉するものである。   Further, a steam supply pipe 52 connected to the evaporation section 26 is connected between the second fuel valve 45 of the fuel supply pipe 41 and the cooling section 22. The steam supplied from the evaporation unit 26 is mixed with the reforming fuel, and the mixed gas is supplied to the reforming unit 21 through the cooling unit 22. A water supply pipe 51 connected to a water tank Sw that is a reforming water supply source is connected to the evaporation unit 26. The water supply pipe 51 is provided with a water pump 53 and a water valve 54 in order from the upstream. The water pump 53 sucks the reformed water supplied from the water tank Sw and discharges it to the evaporation unit 26, and adjusts the reformed water supply amount according to a command from the control device 30. The water valve 54 opens and closes the water supply pipe 51 according to a command from the control device 30.

蒸発部26は、改質水を加熱して沸騰させて水蒸気を生成して冷却部22を介して改質部21に供給するものであり、円筒状に形成されて燃焼ガス流路27の第2外周流路27cの外周壁を覆って当接して設けられている。この蒸発部26は、側壁面下部および側壁面上部に給水管51および水蒸気供給管52がそれぞれ接続されており、給水管51から導入された水が蒸発部26内を流通し加熱されて水蒸気となって水蒸気供給管52に導出するようになっている。また、水蒸気供給管52(または燃料供給管41の水蒸気供給管52との合流点より下流の部位)には水蒸気の温度または混合ガスの温度を検出する温度センサ87が設けられており、その検出信号は制御装置30に出力されるようになっている。   The evaporation section 26 heats and boiles the reformed water to generate water vapor and supplies the steam to the reforming section 21 via the cooling section 22. The evaporation section 26 is formed in a cylindrical shape and has a first shape of the combustion gas channel 27. 2 The outer peripheral flow path 27c is provided so as to cover the outer peripheral wall. The evaporation section 26 has a water supply pipe 51 and a water vapor supply pipe 52 connected to a lower side wall surface and an upper side wall surface, respectively, and water introduced from the water supply pipe 51 circulates in the evaporation section 26 and is heated to generate water vapor and Thus, the water is supplied to the water vapor supply pipe 52. In addition, a temperature sensor 87 for detecting the temperature of the water vapor or the temperature of the mixed gas is provided in the water vapor supply pipe 52 (or a portion of the fuel supply pipe 41 downstream from the junction with the water vapor supply pipe 52). The signal is output to the control device 30.

COシフト部23は、改質部21から冷却部22を通って供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。COシフト部23は、上面および下面を有する筒状の筐体23aと、筐体23a内に同軸に配置された内筒23bを備えている。内筒23bは、外周端を筐体23a内周面に接続された環状の支持部材23cの内周端に上端が接続されている。筐体23aの上面には改質ガス導入口23a1が設けられ、筐体23aの側面には一端がCO選択酸化部24に接続されている接続管89の他端が接続されている。COシフト部23の内筒23b内および内筒23bと筐体23aとの間には触媒23d(例えば、Cu−Zn系の触媒)が充填されている。また、COシフト部23内にはCOシフト部23内の温度例えばCOシフト部23の改質ガス導入口付近の温度を検出する温度センサ23eが設けられており、その検出信号が制御装置30に出力されるようになっている。   The CO shift unit 23 is a unit that reduces carbon monoxide in the reformed gas supplied from the reforming unit 21 through the cooling unit 22, that is, a carbon monoxide reducing unit. The CO shift unit 23 includes a cylindrical casing 23a having an upper surface and a lower surface, and an inner cylinder 23b disposed coaxially within the casing 23a. The inner cylinder 23b has an upper end connected to the inner peripheral end of an annular support member 23c whose outer peripheral end is connected to the inner peripheral surface of the housing 23a. A reformed gas inlet 23a1 is provided on the upper surface of the housing 23a, and the other end of a connecting pipe 89 having one end connected to the CO selective oxidation unit 24 is connected to a side surface of the housing 23a. A catalyst 23d (for example, a Cu—Zn-based catalyst) is filled in the inner cylinder 23b of the CO shift portion 23 and between the inner cylinder 23b and the housing 23a. The CO shift unit 23 is provided with a temperature sensor 23e for detecting the temperature in the CO shift unit 23, for example, the temperature in the vicinity of the reformed gas inlet of the CO shift unit 23, and the detection signal is sent to the control device 30. It is output.

このように構成されたCOシフト部23においては、冷却部22から導出された改質ガスは、改質ガス導入口23a1を通って内筒23b内の触媒23dを通り、折り返して内筒23bと筐体23aとの間の触媒23dを通ってCO選択酸化部24に導出される。このとき、導入した改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が触媒23dにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。   In the CO shift unit 23 configured as described above, the reformed gas led out from the cooling unit 22 passes through the reformed gas introduction port 23a1, passes through the catalyst 23d in the inner cylinder 23b, and turns back to form the inner cylinder 23b. It is led out to the CO selective oxidation unit 24 through the catalyst 23d between the housing 23a. At this time, a so-called carbon monoxide shift reaction occurs in which carbon monoxide and water vapor contained in the introduced reformed gas react with the catalyst 23d to be converted into hydrogen gas and carbon dioxide gas. This carbon monoxide shift reaction is an exothermic reaction.

CO選択酸化部24は、COシフト部23から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池10に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部であり、円筒状に形成されて、蒸発部26の外周壁を覆って当接して設けられている。このCO選択酸化部24は、側壁面下部および側壁面上部に接続管89および改質ガス供給管71がそれぞれ接続され、内部に触媒24a(例えば、RuまたはPt系の触媒)が充填されており、接続管89を通って導入された改質ガスがCO選択酸化部24内を流通し改質ガス供給管71から導出するようになっている。   The CO selective oxidation unit 24 further reduces the carbon monoxide in the reformed gas supplied from the CO shift unit 23 and supplies it to the fuel cell 10, that is, a carbon monoxide reduction unit, and is formed in a cylindrical shape. Then, the outer peripheral wall of the evaporation part 26 is covered and provided. In this CO selective oxidation unit 24, a connecting pipe 89 and a reformed gas supply pipe 71 are respectively connected to a lower side wall surface and an upper side wall surface, and a catalyst 24a (for example, a Ru or Pt catalyst) is filled therein. The reformed gas introduced through the connection pipe 89 flows through the CO selective oxidation unit 24 and is led out from the reformed gas supply pipe 71.

また、CO選択酸化部24に供給される改質ガスには、酸化用空気が混合されるようになっている。すなわち、接続管89には、空気供給源Saに接続された酸化用空気供給管61が接続されており、空気供給源Sa(例えば大気)から酸化用空気が供給されている。酸化用空気供給管61には、上流から順番にフィルタ62、空気ポンプ63および空気バルブ64が設けられている。フィルタ62は空気を濾過するものである。空気ポンプ63は空気供給源Saから供給される空気を吸い込みCO選択酸化部24に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて空気供給量を調整するものである。空気バルブ64は制御装置30の指令によって酸化用空気供給管61を開閉するものである。これにより、酸化用空気がCOシフト部23からの改質ガスに混合されてCO選択酸化部24に供給される。   Further, the reforming gas supplied to the CO selective oxidation unit 24 is mixed with oxidizing air. That is, the connection pipe 89 is connected to the oxidation air supply pipe 61 connected to the air supply source Sa, and is supplied with oxidation air from the air supply source Sa (for example, the atmosphere). The oxidation air supply pipe 61 is provided with a filter 62, an air pump 63, and an air valve 64 in order from the upstream. The filter 62 filters air. The air pump 63 sucks in air supplied from the air supply source Sa and discharges it to the CO selective oxidation unit 24, and adjusts the air supply amount in accordance with a command from the control device 30. The air valve 64 opens and closes the oxidizing air supply pipe 61 according to a command from the control device 30. Thus, the oxidizing air is mixed with the reformed gas from the CO shift unit 23 and supplied to the CO selective oxidation unit 24.

したがって、CO選択酸化部24内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒24aによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて(10ppm以下)導出され、燃料電池10の燃料極11に供給されるようになっている。   Therefore, carbon monoxide in the reformed gas introduced into the CO selective oxidation unit 24 reacts with oxygen in the oxidizing air to become carbon dioxide. This reaction is an exothermic reaction and is promoted by the catalyst 24a. Thereby, the reformed gas is derived by further reducing the carbon monoxide concentration (10 ppm or less) by the oxidation reaction, and is supplied to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10.

燃焼部25は、改質部21を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部21の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。この燃焼部25は、図2に示すように、本体25aと、本体25aに立設されて本体25aと連通する筒状の燃焼筒25bと、図示しない電極を備えている。燃焼部25は、制御装置30の指令に応じて着火されるものである。   The combustion part 25 generates combustion gas for heating the reforming part 21 and supplying heat necessary for the steam reforming reaction. The lower end part is inserted into the inner peripheral wall of the reforming part 21. It is arranged with a space. As shown in FIG. 2, the combustion section 25 includes a main body 25a, a cylindrical combustion cylinder 25b that stands on the main body 25a and communicates with the main body 25a, and an electrode (not shown). The combustion unit 25 is ignited according to a command from the control device 30.

本体25aは、燃焼用燃料、アノードオフガス、改質ガスなどの可燃ガス、および可燃ガスを燃焼(酸化)させるための燃焼用空気などの酸化剤ガスが供給されるようになっている。燃焼筒25bは、外筒25cと、外筒25cに同軸に配設された内筒25dとを備えている。内筒25dの基端は本体25aの噴射口25a1の内周縁部から立設されている。内筒25dは本体25a内に連通しており、本体25aから導出された燃焼用燃料と燃焼用空気が、内筒25dの基端開口25d1を通って内筒25d内に投入される。すなわち、内筒25dの基端開口25d1が第1段投入口である。   The main body 25a is supplied with a combustion fuel, a combustible gas such as an anode off-gas and a reformed gas, and an oxidant gas such as combustion air for burning (oxidizing) the combustible gas. The combustion cylinder 25b includes an outer cylinder 25c and an inner cylinder 25d disposed coaxially with the outer cylinder 25c. The base end of the inner cylinder 25d is erected from the inner peripheral edge of the injection port 25a1 of the main body 25a. The inner cylinder 25d communicates with the main body 25a, and combustion fuel and combustion air derived from the main body 25a are introduced into the inner cylinder 25d through the base end opening 25d1 of the inner cylinder 25d. That is, the base end opening 25d1 of the inner cylinder 25d is the first stage insertion port.

また、外筒25cの基端は本体25aに接続されるとともに内筒25dと外筒25cの先端には環状板25eの内周端および外周端がそれぞれ接続されている。これにより、内筒25dと外筒25cとの間の環状空間Sは、本体25a内に連通していない。また、外筒25cには燃焼用空気の入口25c1が形成されるとともに、内筒25dの先端部には燃焼用空気の出口25d2が形成されている。空間Sに供給された燃焼用空気が、出口25d2を通って内筒25d内に投入される。すなわち、内筒25dの出口25d2が第2段投入口である。このように、燃焼筒25bには、燃焼用酸化剤が投入(供給)される投入口(供給口)が、基端から先端に沿って複数段(本実施形態においては2段)配設されている。なお、投入口を基端または先端に設ける場合も含んでいる。また、本実施形態においては投入口を2段しか設けなかったが、3段以上設けるようにしてもよい。   The base end of the outer cylinder 25c is connected to the main body 25a, and the inner peripheral end and the outer peripheral end of the annular plate 25e are connected to the distal ends of the inner cylinder 25d and the outer cylinder 25c, respectively. Thereby, the annular space S between the inner cylinder 25d and the outer cylinder 25c is not in communication with the main body 25a. A combustion air inlet 25c1 is formed in the outer cylinder 25c, and a combustion air outlet 25d2 is formed at the tip of the inner cylinder 25d. The combustion air supplied to the space S is introduced into the inner cylinder 25d through the outlet 25d2. That is, the outlet 25d2 of the inner cylinder 25d is the second stage inlet. As described above, the combustion cylinder 25b is provided with a plurality of stages (two stages in this embodiment) of inlets (supply ports) through which the combustion oxidant is supplied (supplied) from the base end to the front end. ing. In addition, the case where the insertion port is provided at the proximal end or the distal end is also included. In the present embodiment, only two stages of the inlets are provided, but three or more stages may be provided.

本体25aには、図1に示すように、燃料ポンプ43の上流にて燃料供給管41から分岐した燃焼用燃料供給管47が接続されており、燃焼用燃料が供給されるようになっている。燃焼用燃料供給管47には燃焼用燃料ポンプ48が設けられている。燃焼用燃料ポンプ48は燃料供給源Sfから供給される燃焼用燃料を吸い込み燃焼部25に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて燃焼用燃料供給量を調整するものである。また、本体25aには燃料極11の導出口に一端が接続されているオフガス供給管72の他端が接続されており、燃料電池10の起動運転時に改質装置20からの改質ガスが改質ガス供給管71、バイパス管73およびオフガス供給管72を通って供給され、燃料電池10の定常運転時に燃料電池10から排出されるアノードオフガス(燃料極11にて未使用な水素を含んだ改質ガス)が供給されるようになっている。   As shown in FIG. 1, a combustion fuel supply pipe 47 branched from a fuel supply pipe 41 is connected to the main body 25a upstream of the fuel pump 43 so that combustion fuel is supplied. . The combustion fuel supply pipe 47 is provided with a combustion fuel pump 48. The combustion fuel pump 48 sucks the combustion fuel supplied from the fuel supply source Sf and discharges it to the combustion unit 25, and adjusts the fuel supply amount for combustion according to a command from the control device 30. The main body 25a is connected to the other end of an off-gas supply pipe 72, one end of which is connected to the outlet of the fuel electrode 11, so that the reformed gas from the reformer 20 is modified during the start-up operation of the fuel cell 10. The anode off-gas supplied through the gas supply pipe 71, the bypass pipe 73 and the off-gas supply pipe 72 and discharged from the fuel cell 10 during the steady operation of the fuel cell 10 (reforms containing unused hydrogen at the fuel electrode 11). Quality gas) is supplied.

さらに、本体25aには、空気ポンプ63の上流にて酸化用空気供給管61から分岐した第1燃焼用空気供給管65が接続されており、燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスを燃焼させるための燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気が第1段投入口25d1から供給されるようになっている。燃焼筒25bの外筒25cに形成された入口25c1には、第1燃焼用空気供給管65の燃焼用空気ポンプ66と燃焼部25と間から分岐した第2燃焼用空気供給管85が接続されており、燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気が第2段投入口25d2から供給されるようになっている。第1燃焼用空気供給管65には燃焼用空気ポンプ66が設けられるとともに、第2燃焼用空気供給管85との分岐点には流量調整弁86(例えば三方比例弁)が設けられている。燃焼用空気ポンプ66は空気供給源Saから供給される燃焼用空気を吸い込み燃焼部25に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて燃焼部25に供給する燃焼用空気の総供給量を調整するものである。流量調整弁86は、制御装置30の指令に応じて第1段投入口25d1および第2段投入口25d2から投入される各投入量(投入比)を調整するものである。   Further, a first combustion air supply pipe 65 branched from the oxidation air supply pipe 61 is connected to the main body 25a upstream of the air pump 63 to burn the combustion fuel, reformed gas or anode off gas. Combustion air, which is a combustion oxidant gas, is supplied from the first stage inlet 25d1. A second combustion air supply pipe 85 branched from between the combustion air pump 66 of the first combustion air supply pipe 65 and the combustion section 25 is connected to the inlet 25c1 formed in the outer cylinder 25c of the combustion cylinder 25b. Combustion air, which is a combustion oxidant gas, is supplied from the second stage inlet 25d2. A combustion air pump 66 is provided in the first combustion air supply pipe 65, and a flow rate adjusting valve 86 (for example, a three-way proportional valve) is provided at a branch point with the second combustion air supply pipe 85. The combustion air pump 66 sucks the combustion air supplied from the air supply source Sa and discharges it to the combustion unit 25, and the total amount of combustion air supplied to the combustion unit 25 in accordance with a command from the control device 30. Is to adjust. The flow rate adjusting valve 86 adjusts each input amount (input ratio) input from the first stage input port 25d1 and the second stage input port 25d2 in accordance with a command from the control device 30.

前述したように、第1燃焼用空気供給管65、第2燃焼用空気供給管85、燃焼用空気ポンプ66、および流量調整弁86によって、各段の投入口に対し独立かつ選択的に燃焼用酸化剤を供給可能な燃焼用酸化剤供給手段が構成されている。   As described above, the first combustion air supply pipe 65, the second combustion air supply pipe 85, the combustion air pump 66, and the flow rate adjusting valve 86 are used for combustion independently and selectively with respect to the inlets of the respective stages. Combustion oxidant supply means capable of supplying oxidant is configured.

このように構成された燃焼部25においては、制御装置30の指令によって着火されると、燃焼部25に供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスは、第1段投入口25d1から投入された燃焼用空気または/および第2段投入口25d2から投入された燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。   In the combustion unit 25 configured as described above, when ignited by a command from the control device 30, the combustion fuel, reformed gas, or anode off gas supplied to the combustion unit 25 is input from the first stage input port 25d1. The combustion air or / and the combustion air introduced from the second stage inlet 25d2 are burned to generate high-temperature combustion gas.

燃焼ガスは、改質部21の内周壁に沿う内周流路27aと、内周流路27aから折り返されて改質部21の外周壁に沿う第1外周流路27bと、第1外周流路27bから折り返されて断熱部28と蒸発部26の間に形成された第2外周流路27cから構成される燃焼ガス流路27を流通し、排気管81を通って燃焼排ガスとして排気される。すなわち、燃焼ガス流路27は、燃焼部25で生成された燃焼ガスを改質部21、蒸発部26の順番に流通させるものである。なお、燃焼ガス流路27は断熱部28によって覆われており、内周流路27aおよび第1外周流路27bを流れる燃焼ガスの熱は断熱部28によって外部への放熱が抑制されるので改質部21の加熱に有効利用される。   The combustion gas is folded back from the inner peripheral flow path 27a along the inner peripheral wall of the reforming section 21, the first outer peripheral flow path 27b along the outer peripheral wall of the reforming section 21 and the first outer peripheral flow path 27b. Then, the gas flows through the combustion gas flow path 27 constituted by the second outer peripheral flow path 27 c formed between the heat insulating portion 28 and the evaporation portion 26, and is exhausted as combustion exhaust gas through the exhaust pipe 81. That is, the combustion gas flow path 27 distributes the combustion gas generated in the combustion unit 25 in the order of the reforming unit 21 and the evaporation unit 26. The combustion gas passage 27 is covered with a heat insulating portion 28, and the heat of the combustion gas flowing through the inner peripheral flow passage 27a and the first outer peripheral flow passage 27b is suppressed from radiating to the outside by the heat insulating portion 28, so that the reforming portion. It is effectively used for heating 21.

燃料電池10の燃料極11の導入口には改質ガス供給管71を介してCO選択酸化部24が接続されており、燃料極11に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極11の導出口にはオフガス供給管72を介して燃焼部25が接続されており、燃料電池10から排出されるアノードオフガスを燃焼部25に供給するようになっている。バイパス管73は燃料電池10をバイパスして改質ガス供給管71およびオフガス供給管72を直結するものである。改質ガス供給管71にはバイパス管73との分岐点と燃料電池10との間に第1改質ガスバルブ74が設けられている。オフガス供給管72にはバイパス管73との合流点と燃料電池10との間にオフガスバルブ75が設けられている。バイパス管73には第2改質ガスバルブ76が設けられている。第1および第2改質ガスバルブ74,76およびオフガスバルブ75はそれぞれの管を開閉するものであり、制御装置30により制御されている。起動運転時には、改質装置20から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池10に供給するのを回避するため、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を閉じ第2改質ガスバルブ76を開き、定常運転(発電運転)時には、改質装置20からの改質ガスを燃料電池10に供給するため、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を開き第2改質ガスバルブ76を閉じている。   A CO selective oxidation unit 24 is connected to the inlet of the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 via a reformed gas supply pipe 71 so that the reformed gas is supplied to the fuel electrode 11. The combustion part 25 is connected to the outlet of the fuel electrode 11 via an off-gas supply pipe 72 so that anode off-gas discharged from the fuel cell 10 is supplied to the combustion part 25. The bypass pipe 73 bypasses the fuel cell 10 and directly connects the reformed gas supply pipe 71 and the offgas supply pipe 72. The reformed gas supply pipe 71 is provided with a first reformed gas valve 74 between the branch point of the bypass pipe 73 and the fuel cell 10. The off gas supply pipe 72 is provided with an off gas valve 75 between the junction with the bypass pipe 73 and the fuel cell 10. A second reformed gas valve 76 is provided in the bypass pipe 73. The first and second reformed gas valves 74 and 76 and the offgas valve 75 open and close the respective pipes and are controlled by the control device 30. During the start-up operation, the first reformed gas valve 74 and the offgas valve 75 are closed and the second reformed gas valve 76 is opened in order to avoid supplying reformed gas having a high carbon monoxide concentration from the reformer 20 to the fuel cell 10. During the steady operation (power generation operation), the first reformed gas valve 74 and the offgas valve 75 are opened and the second reformed gas valve 76 is closed in order to supply the reformed gas from the reformer 20 to the fuel cell 10. .

また、燃料電池10の空気極12の導入口には、空気ポンプ66の上流にて第1燃焼用空気供給管65から分岐したカソード用空気供給管67の先端が接続されており、空気極12内に空気が供給されるようになっている。カソード用空気供給管67には上流から順にカソード用空気ポンプ68およびカソード用空気バルブ69が設けられている。カソード用空気ポンプ68は空気供給源Saから供給される空気を吸い込み燃料電池10の空気極12に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じてカソード用空気供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ69は制御装置30の指令によってカソード用空気供給管67を開閉するものである。さらに、燃料電池10の空気極12の導出口には、他端が外部に開放されている排気管82の一端が接続されている。   The leading end of the cathode air supply pipe 67 branched from the first combustion air supply pipe 65 is connected to the inlet of the air electrode 12 of the fuel cell 10 upstream of the air pump 66. Air is supplied inside. The cathode air supply pipe 67 is provided with a cathode air pump 68 and a cathode air valve 69 in order from the upstream. The cathode air pump 68 sucks air supplied from the air supply source Sa and discharges it to the air electrode 12 of the fuel cell 10, and adjusts the cathode air supply amount in accordance with a command from the control device 30. . The cathode air valve 69 opens and closes the cathode air supply pipe 67 according to a command from the control device 30. Further, one end of an exhaust pipe 82 whose other end is opened to the outside is connected to the outlet of the air electrode 12 of the fuel cell 10.

また、燃料電池システムは制御装置30を備えており、この制御装置30には、上述した各温度センサ23e,87、各ポンプ43,48,53,63,66,68、各バルブ42,45,54,64,69,74,75,76、燃焼部25、および流量調整弁86が接続されている(図3参照)。制御装置30はマイクロコンピュータ(図示省略)を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、CPU、RAMおよびROM(いずれも図示省略)を備えている。CPUは、各温度センサ23e,87からの各温度を入力して、各ポンプ43,48,53,63,66,68、各バルブ42,45,54,64,69,74,75,76、燃焼部25、および流量調整弁86を制御することにより、燃料電池システムの起動運転、発電運転および停止運転を実施している。RAMは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ROMは前記プログラムを記憶するものである。   Further, the fuel cell system includes a control device 30. The control device 30 includes the temperature sensors 23e, 87, the pumps 43, 48, 53, 63, 66, 68, the valves 42, 45, 54, 64, 69, 74, 75, 76, the combustion section 25, and the flow rate adjusting valve 86 are connected (see FIG. 3). The control device 30 includes a microcomputer (not shown), and the microcomputer includes an input / output interface, a CPU, a RAM, and a ROM (all not shown) connected through a bus. The CPU inputs each temperature from each temperature sensor 23e, 87, and each pump 43, 48, 53, 63, 66, 68, each valve 42, 45, 54, 64, 69, 74, 75, 76, By controlling the combustion unit 25 and the flow rate adjustment valve 86, the start-up operation, the power generation operation, and the stop operation of the fuel cell system are performed. The RAM temporarily stores variables necessary for executing the program, and the ROM stores the program.

上述した燃料電池システムの作動について図4のフローチャートと図5のタイムチャートを参照して説明する。制御装置30は、時刻t0にて図示しない起動スイッチがオンされると、燃料電池システムを暖機する暖機運転(起動運転)を開始する。すなわち、燃焼部25に燃焼用燃料、燃焼用空気の供給(投入)を開始して燃焼部25を着火させて燃焼ガスの生成を開始するとともに、改質部21に改質水(水蒸気)の投入を開始する。   The operation of the above-described fuel cell system will be described with reference to the flowchart of FIG. 4 and the time chart of FIG. When a start switch (not shown) is turned on at time t0, the control device 30 starts a warm-up operation (start-up operation) for warming up the fuel cell system. That is, the supply of combustion fuel and combustion air to the combustion unit 25 is started (ignition) to ignite the combustion unit 25 to start generation of combustion gas, and the reforming unit 21 is supplied with reforming water (steam). Start charging.

具体的には、制御装置30は、ステップ102において、流量調整弁86を制御して、燃焼用空気を第1段投入口25d1のみから投入するように設定する。そして、燃焼用空気ポンプ66を所定供給量A1−1となるように駆動させる。これにより、所定供給量(所定流量)A1−1の燃焼用空気が第1段投入口25d1を通って燃焼筒25b内に供給(投入)される。   Specifically, in step 102, the control device 30 controls the flow rate adjusting valve 86 so as to input combustion air only from the first stage input port 25d1. And the combustion air pump 66 is driven so that it may become predetermined supply amount A1-1. As a result, the combustion air of a predetermined supply amount (predetermined flow rate) A1-1 is supplied (introduced) into the combustion cylinder 25b through the first stage input port 25d1.

制御装置30は、ステップ104において、第1燃料バルブ42を開き第2燃料バルブ45を閉じ燃料供給源Sfを燃焼部25のみに接続する。また、制御装置30は、燃焼用燃料ポンプ48を所定供給量Mf1となるように駆動させる。これにより、所定供給量Mf1の燃焼用燃料が、燃料供給源Sfから燃焼用燃料供給管47を介して燃焼部25に供給される。さらに、制御装置30は、燃焼部25を着火するので、前述のように供給されている燃焼用燃料の燃焼用空気による燃焼が開始される。   In step 104, the control device 30 opens the first fuel valve 42, closes the second fuel valve 45, and connects the fuel supply source Sf only to the combustion unit 25. Further, the control device 30 drives the combustion fuel pump 48 so that the predetermined supply amount Mf1 is obtained. As a result, the combustion fuel of the predetermined supply amount Mf1 is supplied from the fuel supply source Sf to the combustion unit 25 through the combustion fuel supply pipe 47. Furthermore, since the control device 30 ignites the combustion section 25, combustion of the combustion fuel supplied as described above by the combustion air is started.

制御装置30は、ステップ106において、水バルブ54を開き、水ポンプ53を所定供給量Mw1となるように駆動させ、蒸発部26経由の改質部21への改質水(水または水蒸気)の投入を開始する。   In step 106, the control device 30 opens the water valve 54, drives the water pump 53 to reach the predetermined supply amount Mw 1, and supplies the reforming water (water or steam) to the reforming unit 21 via the evaporation unit 26. Start charging.

そして、制御装置30は、ステップ108において、時刻t0からタイマTm1が経過するのを待ってプログラムをステップ110に進める。タイマTm1としては、例えば、着火後に火炎が安定する時間を予め計測し、その時間を設定する。なお、タイマTm1によらず、火炎温度または同温度の関係するファクタを計測して、それが所定値となったときに火炎が安定したと判断し、プログラムをステップ110に進めてもよい。制御装置30は、ステップ110において、流量調整弁86を制御して、燃焼用空気を第1段投入口25d1と第2段投入口25d2の両方の投入口から投入するように設定する。さらに、制御装置30は、流量調整弁86および燃焼用空気ポンプ66を制御して、第1段投入口25d1からの燃焼用空気を所定供給量(所定流量)A1−1に維持するとともに、第2段投入口25d2からの燃焼用空気を所定供給量(所定流量)A2−1に調整する。
Then, in step 108, control device 30 waits for timer Tm1 to elapse from time t0 and advances the program to step 110. As the timer Tm1, for example, a time during which the flame is stabilized after ignition is measured in advance, and the time is set. Note that, regardless of the timer Tm1, the flame temperature or a factor related to the same temperature may be measured, and when it reaches a predetermined value, the flame may be determined to be stable, and the program may proceed to step 110. In step 110, the control device 30 controls the flow rate adjusting valve 86 so as to input combustion air from both the first stage inlet 25d1 and the second stage inlet 25d2. Further, the control device 30 controls the flow rate adjusting valve 86 and the combustion air pump 66 to maintain the combustion air from the first stage inlet 25d1 at a predetermined supply amount (predetermined flow rate) A1-1, and The combustion air from the two-stage inlet 25d2 is adjusted to a predetermined supply amount (predetermined flow rate) A2-1.

所定供給量A1−1および所定供給量A2−1は、運転モードに応じた燃焼特性(エミッション、吹き消え防止条件)に基づいてそれぞれ決定されるものである。そして、所定供給量A2−1は、所定供給量A1−1より多くなるように設定されている。すなわち、運転モードが、時刻t1から蒸発部26にて水蒸気の生成を開始する時点(時刻t2)までの第1起動運転モードでは、燃焼筒25bの先端側に位置する投入口(第2段投入口25d2)からの燃焼用酸化剤の投入量A2−1が、燃焼筒25bの基端側に位置する投入口(第1段投入口25d1)からの燃焼用酸化剤の投入量A1−1より多くなるように設定されている。所定供給量A1−1は、できるだけエミッションを低く抑え、かつ火炎が吹き消されない量に設定されており、所定供給量A2−1は、燃焼ガスの流量を早くして、燃焼ガスの熱を効率よく蒸発部26に伝えることができる量に設定されている。   The predetermined supply amount A1-1 and the predetermined supply amount A2-1 are respectively determined based on the combustion characteristics (emission, blow-off prevention condition) according to the operation mode. The predetermined supply amount A2-1 is set to be larger than the predetermined supply amount A1-1. That is, in the first start-up operation mode from the time t1 to the time point when the vaporizer 26 starts generating steam (time t2) from the time t1, the input port (second stage input) located on the tip side of the combustion cylinder 25b. The amount of combustion oxidant input A2-1 from the port 25d2) is greater than the amount of combustion oxidant input A1-1 from the input port (first stage input port 25d1) located on the base end side of the combustion cylinder 25b. It is set to increase. The predetermined supply amount A1-1 is set to an amount that keeps the emission as low as possible and the flame is not blown out. The predetermined supply amount A2-1 increases the flow rate of the combustion gas to increase the efficiency of the heat of the combustion gas. It is set to an amount that can be well transmitted to the evaporator 26.

したがって、時刻t1から時刻t2(水蒸気生成開始時点)までの間において、第1段投入口25d1から供給される燃焼用空気による燃焼によって燃焼部25の種火を吹き消すことなく、第2段投入口25d2から供給される燃焼用空気によって燃焼ガスの流速が第2段投入口25d2から増大する。したがって、燃焼ガス温度を蒸発部26で必要とされる温度にし、燃焼ガス流速が上がることで効率よく蒸発部26に熱を与え、早期に水蒸気を生成することができる。   Therefore, during the period from time t1 to time t2 (steam generation start time), the second stage charging is performed without blowing off the combustion fire of the combustion section 25 by the combustion with the combustion air supplied from the first stage charging port 25d1. The flow rate of the combustion gas is increased from the second stage inlet 25d2 by the combustion air supplied from the inlet 25d2. Therefore, the combustion gas temperature is set to a temperature required by the evaporation unit 26, and the combustion gas flow rate is increased, whereby heat can be efficiently applied to the evaporation unit 26 and water vapor can be generated at an early stage.

なお、タイマTm1を0に設定してもよく、この場合には、時刻t0から時刻t2までが第1起動運転モードとなる。   Note that the timer Tm1 may be set to 0, and in this case, the first start-up operation mode is from time t0 to time t2.

このように燃焼ガスによって改質部21および蒸発部26が加熱されて昇温する中、改質水が蒸発部26で加熱される。蒸発部26が十分に加熱された後に、改質水が沸騰して気体状態すなわち水蒸気もしくは気液混合状態となって冷却部22に供給される。   Thus, while the reforming unit 21 and the evaporation unit 26 are heated and heated by the combustion gas, the reforming water is heated by the evaporation unit 26. After the evaporation section 26 is sufficiently heated, the reformed water boils and is supplied to the cooling section 22 in a gaseous state, that is, a steam or gas-liquid mixed state.

制御装置30は、ステップ112において、温度センサ87によって蒸発部26から流出する改質水の温度T1を検出し、この検出した温度T1が所定温度T1a(例えば100℃)より高いか否かを判定する。制御装置30は、改質水の温度T1が所定温度T1a未満である場合には、「NO」と判定しステップ112の処理を繰り返し実行し、改質水の温度T1が所定温度T1a以上となった場合には、「YES」と判定しプログラムをステップ114に進める。所定温度T1aは改質水が水蒸気として生成される温度に設定されている。   In step 112, the control device 30 detects the temperature T1 of the reforming water flowing out from the evaporator 26 by the temperature sensor 87, and determines whether or not the detected temperature T1 is higher than a predetermined temperature T1a (for example, 100 ° C.). To do. When the temperature T1 of the reforming water is lower than the predetermined temperature T1a, the control device 30 determines “NO” and repeatedly executes the process of step 112, and the temperature T1 of the reforming water becomes equal to or higher than the predetermined temperature T1a. If YES, the determination is “YES” and the program proceeds to step 114. The predetermined temperature T1a is set to a temperature at which the reformed water is generated as water vapor.

したがって、制御装置30は、温度T1が所定温度T1aより高くなった場合には、蒸発部26から水蒸気が生成され始めたと判定し、ステップ114において、改質用燃料の供給を開始する。具体的には、制御装置30は、第2燃料バルブ45を開き、燃料ポンプ43を所定供給量Mf2となるように駆動させ、改質部21への改質用燃料の投入を開始する。さらに、空気バルブ64を開いて空気供給源SaをCO選択酸化部24に接続し、空気ポンプ63を駆動させ空気供給源Saの空気を所定流量(所定供給量)だけCO選択酸化部24に供給する。これにより、改質部21に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、改質部21では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部21から導出された改質ガスはCOシフト部23およびCO選択酸化部24により一酸化炭素ガスを低減されてCO選択酸化部24から導出され、燃料電池10を経由しないでバイパス管73を介して燃焼部25に直接供給され燃焼される。また、改質部21から導出された改質ガスによってCOシフト部23およびCO選択酸化部24が暖機される。本制御により、水蒸気が確実に供給された後に改質用原料を投入することで、改質触媒のコーキングを防ぐことができ、改質装置の耐久性を向上できる。   Therefore, when the temperature T1 becomes higher than the predetermined temperature T1a, the control device 30 determines that water vapor starts to be generated from the evaporation unit 26, and starts supplying reforming fuel in step 114. Specifically, the control device 30 opens the second fuel valve 45 and drives the fuel pump 43 so as to reach the predetermined supply amount Mf2, and starts to supply the reforming fuel to the reforming unit 21. Further, the air valve 64 is opened to connect the air supply source Sa to the CO selective oxidation unit 24 and the air pump 63 is driven to supply the air from the air supply source Sa to the CO selective oxidation unit 24 by a predetermined flow rate (predetermined supply amount). To do. Thus, the reformed fuel and steam mixed gas are supplied to the reforming unit 21, and the reforming unit 21 generates the reformed gas by causing the steam reforming reaction and the carbon monoxide shift reaction described above. The reformed gas derived from the reforming unit 21 is reduced in carbon monoxide gas by the CO shift unit 23 and the CO selective oxidizing unit 24 and derived from the CO selective oxidizing unit 24, and bypassed without passing through the fuel cell 10. It is directly supplied to the combustion section 25 through the pipe 73 and burned. Further, the CO shift unit 23 and the CO selective oxidation unit 24 are warmed up by the reformed gas derived from the reforming unit 21. With this control, the reforming raw material is supplied after the water vapor has been reliably supplied, so that coking of the reforming catalyst can be prevented and the durability of the reforming apparatus can be improved.

また、制御装置30は、ステップ116において、第1段投入口25d1および第2段投入口25d2からの燃焼用空気の各供給量を設定する。具体的には、制御装置30は、ステップ116において、流量調整弁86および燃焼用空気ポンプ66を制御して、第1段投入口25d1からの燃焼用空気を所定供給量(所定流量)A1−2に維持するとともに、第2段投入口25d2からの燃焼用空気を所定供給量(所定流量)A2−2に減少させる。
Further, in step 116, the control device 30 sets each supply amount of combustion air from the first stage inlet 25d1 and the second stage inlet 25d2. Specifically, in step 116, the control device 30 controls the flow rate adjusting valve 86 and the combustion air pump 66 to supply the combustion air from the first stage inlet 25d1 to a predetermined supply amount (predetermined flow rate) A1-. The combustion air from the second stage inlet 25d2 is reduced to a predetermined supply amount (predetermined flow rate) A2-2.

所定供給量A1−2および所定供給量A2−2は、運転モードに応じた燃焼特性(エミッション、吹き消え防止条件)に基づいてそれぞれ決定されるものである。また、燃焼部25においては、燃料電池10を経由しない改質ガスを燃焼させるので、改質部21で必要な熱量に対して過剰の燃焼量となっている。所定供給量A1−2および所定供給量A2−2は、この過剰燃焼による改質部21の過熱を抑制することも考慮して設定されている。所定供給量A1−2および所定供給量A2−2は、できるだけエミッションを低く抑え、火炎を吹き消さないで、かつ、燃焼ガスの熱を効率よく改質部21に伝えることができる量に設定されている。すなわち、運転モードが、時刻t2以降の第2起動運転モードでは、燃焼筒25bの先端側に位置する投入口(第2段投入口25d2)からの燃焼用酸化剤の投入量A2−2が、第1起動運転モードにおける第2段投入口25d2からの燃焼用酸化剤の投入量A2−1よりも減少するように設定されている。   The predetermined supply amount A1-2 and the predetermined supply amount A2-2 are respectively determined based on the combustion characteristics (emission, blow-off prevention conditions) corresponding to the operation mode. Further, since the reformed gas that does not pass through the fuel cell 10 is combusted in the combustion unit 25, the combustion amount is excessive with respect to the amount of heat necessary for the reforming unit 21. The predetermined supply amount A1-2 and the predetermined supply amount A2-2 are set in consideration of suppressing the overheating of the reforming unit 21 due to the excessive combustion. The predetermined supply amount A1-2 and the predetermined supply amount A2-2 are set to such amounts that the emission can be suppressed as low as possible, the flame is not blown out, and the heat of the combustion gas can be efficiently transmitted to the reforming unit 21. ing. That is, when the operation mode is the second start-up operation mode after time t2, the amount of combustion oxidant input A2-2 from the input port (second stage input port 25d2) located on the tip side of the combustion cylinder 25b is It is set so as to be smaller than the charging amount A2-1 of the combustion oxidant from the second stage charging port 25d2 in the first start-up operation mode.

したがって、水蒸気を早期に生成するようにした後の時刻t2から時刻t3までの間において、時刻t2以前と比較して燃焼ガスの流速を減少させる。燃焼ガスの流速を減少させることで、燃焼ガス温度を改質部21の暖機に最適な温度にする。それにより、改質部21に効率良く熱を伝え、その後に蒸発部26に適度な熱を伝えることができる。   Therefore, the flow rate of the combustion gas is reduced between time t2 and time t3 after the steam is generated early compared to before time t2. By reducing the flow velocity of the combustion gas, the combustion gas temperature is set to an optimum temperature for warming up the reforming unit 21. Thereby, heat can be efficiently transmitted to the reforming unit 21, and then moderate heat can be transmitted to the evaporation unit 26.

制御装置30は、ステップ118において、改質装置20の暖機が完了したか否かを判定する。すなわち、温度センサ23eによって検出したCOシフト部23の温度T2が所定温度T2a以上であるか否かを判定する。COシフト部23の温度T2が所定温度T2a未満である場合には、「NO」と判定し、ステップ118の処理を繰り返し実行する。COシフト部23の温度T2が所定温度T2a以上となると(時刻t3)、制御装置30は、ステップ122において「YES」と判定し、プログラムをステップ120に進める。   In step 118, the control device 30 determines whether or not the warming up of the reforming device 20 is completed. That is, it is determined whether or not the temperature T2 of the CO shift unit 23 detected by the temperature sensor 23e is equal to or higher than the predetermined temperature T2a. When the temperature T2 of the CO shift unit 23 is lower than the predetermined temperature T2a, it is determined as “NO”, and the process of step 118 is repeatedly executed. When temperature T2 of CO shift unit 23 becomes equal to or higher than predetermined temperature T2a (time t3), control device 30 determines “YES” in step 122 and advances the program to step 120.

制御装置30は、ステップ120において、暖機終了処理を実施する。具体的には、制御装置30は、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を開き第2改質ガスバルブ76を閉じてCO選択酸化部24を燃料電池10の燃料極11の導入口に接続するとともに燃料極11の導出口を燃焼部25に接続する。これにより、CO選択酸化部24から導出された一酸化炭素が低減された改質ガスは燃料極11に供給され発電に使用される。燃料極11からのアノードオフガスは燃焼部25に供給されて燃焼される。すなわち、起動運転が終了され、引き続いて定常運転(発電運転)が開始される。   In step 120, the control device 30 performs a warm-up end process. Specifically, the control device 30 opens the first reformed gas valve 74 and the off-gas valve 75 and closes the second reformed gas valve 76 to connect the CO selective oxidation unit 24 to the inlet of the fuel electrode 11 of the fuel cell 10. At the same time, the outlet of the fuel electrode 11 is connected to the combustion section 25. As a result, the reformed gas with reduced carbon monoxide derived from the CO selective oxidation unit 24 is supplied to the fuel electrode 11 and used for power generation. The anode off gas from the fuel electrode 11 is supplied to the combustion unit 25 and burned. That is, the start-up operation is terminated, and then the steady operation (power generation operation) is started.

制御装置30は、ステップ122において、発電運転(定常運転)を実施する。制御装置30は、発電運転中(発電運転モード)において、改質装置20で生成される水素量が所定量となるようにすなわち燃料電池システムの出力電流が電力使用場所で消費される電流・電力に基づいて決定される所望の出力電流となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気、酸化用空気、カソード用空気および改質水を供給するようになっている。   In step 122, the control device 30 performs a power generation operation (steady operation). During the power generation operation (power generation operation mode), the control device 30 is configured so that the amount of hydrogen generated by the reformer 20 becomes a predetermined amount, that is, the current / power consumed by the output current of the fuel cell system at the place where the power is used. The reforming fuel, the combustion fuel, the combustion air, the oxidizing air, the cathode air, and the reforming water are supplied so as to obtain a desired output current determined based on the above.

発電運転中においては、上述したように、燃焼部25には燃料電池10からのアノードオフガスが供給されて、アノードオフガス中の未使用水素ガスや、未改質燃料が燃焼され、その熱によって改質部21を加熱している。しかし、アノードオフガスの燃焼熱だけでは改質部21に必要な熱量を補えない場合には、燃焼用燃料を投入して燃焼させて不足熱量を補充している。なお、このような燃焼用燃料の追い焚きなしで、アノードオフガスの燃焼のみで改質部21に必要な熱量を供給可能な構成としてもよい。   During the power generation operation, as described above, the anode 25 offgas from the fuel cell 10 is supplied to the combustion unit 25, and unused hydrogen gas and unreformed fuel in the anode offgas are burned and modified by the heat. The mass part 21 is heated. However, when the amount of heat necessary for the reforming unit 21 cannot be compensated only by the combustion heat of the anode off gas, the fuel for combustion is introduced and burned to replenish the insufficient amount of heat. In addition, it is good also as a structure which can supply the required calorie | heat amount to the reforming part 21 only by combustion of anode off gas, without reheating of such a fuel for combustion.

燃焼用空気の供給量について詳述すると、制御装置30は、第1段投入口25d1および第2段投入口25d2からの燃焼用空気の各供給量を設定する。具体的には、制御装置30は、流量調整弁86および燃焼用空気ポンプ66を制御して、第1段投入口25d1からの燃焼用空気を所定供給量(所定流量)A1−3に設定するとともに、第2段投入口25d2からの燃焼用空気を所定供給量(所定流量)A2−3に設定する。

The supply amount of the combustion air will be described in detail. The control device 30 sets each supply amount of the combustion air from the first stage inlet 25d1 and the second stage inlet 25d2. Specifically, the control device 30 controls the flow rate adjusting valve 86 and the combustion air pump 66 to set the combustion air from the first stage inlet 25d1 to a predetermined supply amount (predetermined flow rate) A1-3. At the same time, the combustion air from the second stage inlet 25d2 is set to a predetermined supply amount (predetermined flow rate) A2-3.

所定供給量A1−3は、電力使用場所で消費される電流・電力に基づいて決定される値である。この所定供給量A1−3は、改質部21において高効率にて水素を生成するための必要な熱を効率のよい燃焼で得るべく設定されている。所定供給量A2−3は、0(零)に設定されている。すなわち第2段投入口25d2からの燃焼用空気の供給は停止されている。   The predetermined supply amount A1-3 is a value determined based on the current / power consumed at the place where the power is used. This predetermined supply amount A1-3 is set so as to obtain heat necessary for generating hydrogen at high efficiency in the reforming section 21 by efficient combustion. The predetermined supply amount A2-3 is set to 0 (zero). That is, the supply of combustion air from the second stage inlet 25d2 is stopped.

なお、発電運転中においては、発電量が低い場合(例えば最低発電量の場合)や、発電量が増大する場合など燃焼部25が吹き消えしやすくなる。発電量が低い場合には、各ポンプの精度、脈動による影響度合いが大きく吹き消えしやすくなるためであり、発電量が増大する場合には、改質部21の必要熱量に対してアノードオフガスが戻ってくる時間の遅れにより吹き消えしやすくなるためである。このような場合には、所定供給量A2−3は前述したように0(零)に設定されるのではなく、低エミッションとなる第2所定流量L2に設定されるのが望ましい。この場合、所定供給量A1−3が、第1段投入口25d1での燃焼が燃料リッチとなるような第1所定流量L1に設定されるのが望ましい。第1所定流量L1と第2所定流量L2の総流量は、改質部21において高効率にて水素を生成するための必要な熱を効率のよい燃焼で得るべく設定されている。これにより、第1段投入口25d1で燃料リッチ燃焼とすることで、吹き消えしにくくなる。さらに、第1段投入口25d1で燃料リッチ燃焼した燃焼ガスが第2段投入口25d2での燃焼によって低エミッションとすることができる。なお、上述した各所定供給量、投入量および各所定流量は流量である。   During the power generation operation, the combustion unit 25 is easily blown off when the power generation amount is low (for example, when the power generation amount is minimum) or when the power generation amount increases. This is because when the amount of power generation is low, the accuracy of each pump and the degree of influence due to pulsation are greatly blown out, and when the amount of power generation increases, the anode off-gas is greater than the required heat amount of the reforming unit 21. This is because it will be easy to blow out due to the delay in the return time. In such a case, it is desirable that the predetermined supply amount A2-3 is not set to 0 (zero) as described above, but is set to the second predetermined flow rate L2 that is low emission. In this case, it is desirable that the predetermined supply amount A1-3 be set to the first predetermined flow rate L1 such that the combustion at the first stage inlet 25d1 becomes fuel rich. The total flow rate of the first predetermined flow rate L1 and the second predetermined flow rate L2 is set so as to obtain heat necessary for generating hydrogen with high efficiency in the reforming unit 21 by efficient combustion. Thereby, it becomes difficult to blow out by performing fuel rich combustion at the first stage inlet 25d1. Further, the combustion gas burned with fuel rich at the first stage inlet 25d1 can be reduced in emissions by combustion at the second stage inlet 25d2. Each predetermined supply amount, input amount and each predetermined flow rate described above are flow rates.

制御装置30は、停止スイッチが押されるなど運転停止指示があるまでは、ステップ124にて「NO」と判定し続けて発電運転を継続する。運転停止指示があると、ステップ124にて「YES」と判定し、プログラムをステップ126に進めて燃料電池システムの運転を停止すべく停止運転を実施する。   The control device 30 continues to determine the “NO” in step 124 and continue the power generation operation until there is an operation stop instruction such as pressing the stop switch. If there is an operation stop instruction, “YES” is determined in step 124, and the program is advanced to step 126 to stop the operation of the fuel cell system.

制御装置30は、ステップ126おいて、システムの停止処理を行う。このとき、水素濃度を低くするかゼロにするため燃料電池10の燃料極側にパージ処理を行う。このパージ処理として、不活性ガス、空気、燃焼排ガスなどのパージガスにより燃料ガスを追い出す方法、空気を送って酸化反応により水素濃度を低下させる方法、水蒸気を循環しながら燃料電池10に電圧を印加し燃料極11の水素を酸化剤極12に輸送して水素濃度を低下させる方法などがある。いずれの方法でも燃料極11では水素濃度が低い残留ガスが残留した状態でシステムが停止することになる。   In step 126, the control device 30 performs a system stop process. At this time, a purge process is performed on the fuel electrode side of the fuel cell 10 to reduce the hydrogen concentration to zero. As this purge process, a method of expelling the fuel gas with a purge gas such as an inert gas, air or combustion exhaust gas, a method of reducing the hydrogen concentration by sending an air to oxidize, and applying a voltage to the fuel cell 10 while circulating water vapor There is a method of transporting the hydrogen of the fuel electrode 11 to the oxidant electrode 12 to reduce the hydrogen concentration. In any method, the fuel electrode 11 stops the system with residual gas having a low hydrogen concentration remaining.

なお、上述したステップ104、110、116、120の各処理が、制御手段である。   In addition, each process of step 104,110,116,120 mentioned above is a control means.

上述の説明から明らかなように、この実施形態においては、第1燃焼用空気供給管65、第2燃焼用空気供給管85、燃焼用空気ポンプ66、および流量調整弁86から構成された燃焼用酸化剤供給手段が、燃焼筒25bの基端から先端に沿って配設された各段の投入口25d1,25d2に対し独立かつ選択的に燃焼用酸化剤を供給可能なものである。また、制御手段(制御装置30;ステップ104、110、116、120)が、各段の投入口25d1,25d2からそれぞれ投入される燃焼用酸化剤の各投入量が運転モードに応じてそれぞれ設定された値となるように燃焼用酸化剤供給手段を制御する。これにより、各段の投入口25d1,25d2から投入される燃焼用酸化剤の投入量(供給量)が運転モードに応じて独立かつ選択的に制御できるようになる。したがって、各運転モードにおいて燃焼部25が適切な燃焼を実施可能となる。   As is apparent from the above description, in this embodiment, the first combustion air supply pipe 65, the second combustion air supply pipe 85, the combustion air pump 66, and the flow rate adjusting valve 86 are used for combustion. The oxidant supply means can supply the oxidant for combustion independently and selectively to the input ports 25d1 and 25d2 of the respective stages arranged from the base end to the front end of the combustion cylinder 25b. In addition, the control means (control device 30; steps 104, 110, 116, 120) sets the respective amounts of the combustion oxidant input from the input ports 25d1, 25d2 of the respective stages according to the operation mode. The oxidant supply means for combustion is controlled so as to obtain the above value. Thereby, the input amount (supply amount) of the combustion oxidant input from the input ports 25d1 and 25d2 of each stage can be controlled independently and selectively according to the operation mode. Therefore, the combustion unit 25 can perform appropriate combustion in each operation mode.

また、運転モードが、起動時点t0から蒸発部26にて水蒸気の生成を開始する時点t2までの第1起動運転モードでは、燃焼筒25bの先端側に位置する投入口である第2段投入口25d2からの燃焼用酸化剤の投入量が燃焼筒25bの基端側に位置する投入口である第1段投入口25d1からの燃焼用酸化剤の投入量より多くなるように設定されているので、吹き消えさせることなく燃焼ガスの流速を増大させ、燃焼ガスを速く蒸発部26に到達させることにより、燃焼ガスの熱を効率よく蒸発部26に伝えることができる。したがって、燃焼ガスにより蒸発部26が早期に加熱され、早期に水蒸気を生成することができ、ひいては暖機時間の短縮を図ることができる。   Further, in the first startup operation mode in which the operation mode is from the start time t0 to the time t2 at which the generation of water vapor is started in the evaporation unit 26, the second stage input port which is an input port located on the tip side of the combustion cylinder 25b. Since the amount of combustion oxidant input from 25d2 is set to be larger than the amount of combustion oxidant input from the first stage input port 25d1, which is the input port located on the base end side of the combustion cylinder 25b. By increasing the flow rate of the combustion gas without causing it to blow out and causing the combustion gas to reach the evaporation unit 26 quickly, the heat of the combustion gas can be efficiently transmitted to the evaporation unit 26. Therefore, the evaporation part 26 is heated early by combustion gas, water vapor | steam can be produced | generated early, and a warming-up time can be shortened by extension.

また、運転モードが、蒸発部26にて水蒸気の生成を開始する時点t2から燃料電池10の発電運転を開始する時点t3までの第2起動運転モードでは、燃焼筒25bの先端側に位置する投入口である第2段投入口25d2からの燃焼用酸化剤の投入量が第1起動運転モードよりも減少するように設定されているので、水蒸気が生成された後においては、燃焼ガスの流速を減少させ、燃焼ガス温度を改質部21の暖機に最適な温度にし、燃焼ガスの熱を効率よく改質部21に伝えることができる。したがって、燃焼ガスにより改質部21を早期に加熱することができ、ひいては暖機時間の短縮を図ることができる。   In addition, in the second start-up operation mode from the time point t2 at which the evaporation unit 26 starts generating water vapor to the time point t3 at which the power generation operation of the fuel cell 10 is started, the input is positioned on the front end side of the combustion cylinder 25b. Since the amount of combustion oxidant input from the second stage input port 25d2 is set to be smaller than that in the first start-up operation mode, the flow rate of the combustion gas is reduced after the water vapor is generated. It is possible to reduce the temperature of the combustion gas so that the temperature of the combustion gas is optimal for warming up the reforming unit 21, and to efficiently transfer the heat of the combustion gas to the reforming unit 21. Therefore, the reforming part 21 can be heated early with the combustion gas, and as a result, the warm-up time can be shortened.

なお、水蒸気生成までは、燃焼ガスから蒸発部26に早期に熱を与える必要があるが、燃焼ガスの温度としては運転時のような高温を要さない(熱交換効率を考慮しなければ、水蒸気を作成するだけであるのであれば100℃以上の温度があればよい)。そのため、本発明では燃焼筒25bの先端から燃焼用酸化剤を入れることで、比較的低温でも大流量の燃焼ガスを流通することで水蒸気生成の早期化を図っている。一方水蒸気生成後からの発電時においては、改質用燃料と水蒸気で改質反応を行うために改質部21の温度を規定温度(700℃など)の高温に維持する必要がある。そのため、燃焼ガスの温度も高温にする必要がある。本発明では、燃焼筒25bの先端からの燃焼用酸化剤投入を減少(停止も含む)させることで燃焼ガス温度を上げている。   In addition, although it is necessary to give heat to the evaporation part 26 from combustion gas at an early stage until water vapor | steam production | generation, as a temperature of combustion gas, high temperature like the time of operation is not required (If heat exchange efficiency is not considered, If it only creates water vapor, it should have a temperature of 100 ° C. or higher). Therefore, in the present invention, by introducing a combustion oxidant from the tip of the combustion cylinder 25b, steam generation is accelerated by circulating a large flow of combustion gas even at a relatively low temperature. On the other hand, at the time of power generation after the generation of steam, it is necessary to maintain the temperature of the reforming section 21 at a high temperature such as 700 ° C. in order to perform a reforming reaction with reforming fuel and steam. Therefore, it is necessary to make the temperature of the combustion gas also high. In the present invention, the combustion gas temperature is raised by reducing (including stopping) the injection of the combustion oxidant from the tip of the combustion cylinder 25b.

また、運転モードが発電運転モードである場合であって、燃料電池10の出力電力が低い場合、または増大している場合には、燃焼筒25bの基端側に位置する投入口である第1段投入口25d1からの燃焼用酸化剤の投入量が燃料リッチ燃焼となる第1所定流量L1に設定されるとともに、燃焼筒25bの先端側に位置する投入口である第2段投入口25d2からの燃焼用酸化剤の投入量が低エミッションとなる第2所定流量L2に設定されているので、吹き消えを確実に防止するとともに低エミッションを実現することができる。   Further, when the operation mode is the power generation operation mode and the output power of the fuel cell 10 is low or increased, the first input port located on the base end side of the combustion cylinder 25b is used. The input amount of the combustion oxidant from the stage input port 25d1 is set to the first predetermined flow rate L1 at which fuel-rich combustion is performed, and from the second stage input port 25d2 that is an input port located on the front end side of the combustion cylinder 25b. Since the amount of combustion oxidant input is set to the second predetermined flow rate L2 at which low emission is achieved, blow-off can be reliably prevented and low emission can be realized.

なお、上述した各実施形態において、燃焼用酸化剤供給手段を第1燃焼用空気供給管65、第2燃焼用空気供給管85、燃焼用空気ポンプ66、および流量調整弁86から構成するようにしたが、流量調整弁86を設ける代わりに、図6に示すように、燃焼用空気ポンプ85aを第2燃焼用空気供給管85に設けるようにしてもよい。この場合、燃焼用空気ポンプ85aは、空気供給源Saから供給される空気を吸い込み燃焼筒25bに吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて燃焼用空気供給量を調整するものである。第1段投入口25d1および第2段投入口25d2から投入される燃焼用酸化剤の投入量が、両燃焼用空気ポンプ66,85aを制御することにより調整される。   In each of the above-described embodiments, the combustion oxidant supply means is constituted by the first combustion air supply pipe 65, the second combustion air supply pipe 85, the combustion air pump 66, and the flow rate adjusting valve 86. However, instead of providing the flow rate adjusting valve 86, a combustion air pump 85a may be provided in the second combustion air supply pipe 85 as shown in FIG. In this case, the combustion air pump 85a sucks air supplied from the air supply source Sa and discharges it to the combustion cylinder 25b, and adjusts the combustion air supply amount in accordance with a command from the control device 30. . The amount of combustion oxidant charged from the first stage inlet 25d1 and second stage inlet 25d2 is adjusted by controlling both combustion air pumps 66, 85a.

なお、第2燃焼用空気供給管85を燃焼用空気ポンプ66の上流の第1燃焼用空気供給管65から分岐させるようにしてもよい。   The second combustion air supply pipe 85 may be branched from the first combustion air supply pipe 65 upstream of the combustion air pump 66.

また、上述した各実施形態において、ポンプの代わりにブロアを使用するようにしてもよい。   Moreover, in each embodiment mentioned above, you may make it use a blower instead of a pump.

本発明による改質装置を適用した燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。1 is a schematic diagram showing an outline of an embodiment of a fuel cell system to which a reformer according to the present invention is applied. 図1に示す燃焼部の断面とその周辺を示す図である。It is a figure which shows the cross section of the combustion part shown in FIG. 1, and its periphery. 図1に示す改質装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the reforming apparatus shown in FIG. 図3に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。4 is a flowchart of a control program executed by the control device shown in FIG. 3. 本発明による改質装置の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows operation | movement of the reforming apparatus by this invention. 図1に示す燃焼部の断面とその周辺の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the cross section of the combustion part shown in FIG. 1, and its periphery.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池、11…燃料極、12…空気極、20…改質装置、21…改質部、22…冷却部(熱交換部)、23…一酸化炭素シフト反応部(COシフト部)、23e…温度センサ、24…一酸化炭素選択酸化反応部(CO選択酸化部)、25…燃焼部、25a…本体、25b…燃焼筒、25c…外筒、25d…内筒、25d1…第1段投入口、25d2…第2段投入口、26…蒸発部、27…燃焼ガス流路、28…断熱部、30…制御装置(制御手段)、41…燃料供給管、42…第1燃料バルブ、43…燃料ポンプ、44…脱硫器、45…第2燃料バルブ、47…燃焼用燃料供給管、48…燃焼用燃料ポンプ、51…給水管、52…水蒸気供給管、53…水ポンプ、54…水バルブ、61…酸化用空気供給管、62…フィルタ、63…空気ポンプ、64…空気バルブ、65…第1燃焼用空気供給管、66,85a…燃焼用空気ポンプ、67…カソード用空気供給管、68…カソード用空気ポンプ、69…カソード用空気バルブ、71…改質ガス供給管、72…オフガス供給管、73…バイパス管、74…第1改質ガスバルブ、75…オフガスバルブ、76…第2改質ガスバルブ、81,82…排気管、85…第2燃焼用空気供給管、86…流量調整弁、87…温度センサ、89…接続管、Sa…空気供給源、Sf…燃料供給源、Sw…水タンク。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell, 11 ... Fuel electrode, 12 ... Air electrode, 20 ... Reformer, 21 ... Reformer, 22 ... Cooling part (heat exchange part), 23 ... Carbon monoxide shift reaction part (CO shift part) , 23e ... temperature sensor, 24 ... carbon monoxide selective oxidation reaction part (CO selective oxidation part), 25 ... combustion part, 25a ... main body, 25b ... combustion cylinder, 25c ... outer cylinder, 25d ... inner cylinder, 25d1 ... first Stage input port, 25d2 ... Second stage input port, 26 ... Evaporation section, 27 ... Combustion gas flow path, 28 ... Heat insulation section, 30 ... Control device (control means), 41 ... Fuel supply pipe, 42 ... First fuel valve , 43 ... Fuel pump, 44 ... Desulfurizer, 45 ... Second fuel valve, 47 ... Fuel supply pipe for combustion, 48 ... Fuel pump for combustion, 51 ... Water supply pipe, 52 ... Water supply pipe, 53 ... Water pump, 54 ... Water valve, 61 ... Oxidation air supply pipe, 62 ... Filter, 63 ... Air pump, 64 ... air valve, 65 ... first combustion air supply pipe, 66, 85a ... combustion air pump, 67 ... cathode air supply pipe, 68 ... cathode air pump, 69 ... cathode air valve, 71 ... reformed gas supply pipe, 72 ... off gas supply pipe, 73 ... bypass pipe, 74 ... first reformed gas valve, 75 ... off gas valve, 76 ... second reformed gas valve, 81, 82 ... exhaust pipe, 85 ... second Combustion air supply pipe, 86 ... Flow rate adjusting valve, 87 ... Temperature sensor, 89 ... Connection pipe, Sa ... Air supply source, Sf ... Fuel supply source, Sw ... Water tank.

Claims (4)

燃焼筒内に投入される燃焼用燃料を該燃焼筒に複数段設けられた投入口から投入される燃焼用酸化剤により燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼部と、
供給された改質用燃料と水蒸気から改質ガスを生成して燃料電池に供給する改質部と、
供給された改質水から前記水蒸気を生成して前記改質部に導出する蒸発部と、
前記燃焼部で生成された前記燃焼ガスを前記改質部および前記蒸発部の順番に流通させる燃焼ガス流路と、を備えた改質装置において、
前記各段の投入口が前記燃焼筒の基端から先端に沿って配設され、
前記各段の投入口に対し独立かつ選択的に前記燃焼用酸化剤を供給可能な燃焼用酸化剤供給手段と、
前記各段の投入口からそれぞれ投入される前記燃焼用酸化剤の各投入量が運転モードに応じてそれぞれ設定された値となるように前記燃焼用酸化剤供給手段を制御する制御手段と、をさらに備えたことを特徴とする改質装置。
A combustion section that burns combustion fuel that is introduced into the combustion cylinder with a combustion oxidant that is injected from a plurality of stages provided in the combustion cylinder to generate combustion gas ;
A reforming unit that generates reformed gas from the supplied reforming fuel and steam and supplies the reformed gas to the fuel cell;
An evaporation section that generates the water vapor from the supplied reforming water and leads the steam to the reforming section;
In a reformer comprising: a combustion gas flow path for circulating the combustion gas generated in the combustion section in order of the reforming section and the evaporation section ;
The inlet of each stage is arranged along the tip from the base end of the combustion cylinder,
Combustion oxidant supply means capable of supplying the combustion oxidant independently and selectively to the inlet of each stage;
Control means for controlling the combustion oxidant supply means such that each amount of the combustion oxidant charged from each stage inlet is set to a value set in accordance with an operation mode; Furthermore, the reformer characterized by the above-mentioned.
請求項1において、前記運転モードが、前記改質装置の起動時点以降であって、前記燃焼筒の先端側に位置する投入口と前記燃焼筒の基端側に位置する投入口の両方から前記燃焼用酸化剤が投入開始された時点から前記蒸発部にて前記水蒸気の生成を開始する時点までの第1起動運転モードを有し、
前記第1起動運転モードでは、前記燃焼筒の先端側に位置する投入口からの前記燃焼用酸化剤の投入量が前記燃焼筒の基端側に位置する投入口からの前記燃焼用酸化剤の投入量より多くなるように設定されていることを特徴とする改質装置。
Both Te claim 1 smell, before SL operation mode, said a starting point on the reformer, inlet located on the base end side of the combustion cylinder and the input port located on the tip side of the combustion cylinder From the time when the combustion oxidant is started to be charged until the time when the vaporization unit starts generating the water vapor, the first startup operation mode,
In the first start-up operation mode, the amount of the oxidant for combustion from the inlet located on the leading end side of the combustion cylinder is such that the amount of the oxidant for combustion from the inlet located on the proximal end side of the combustion cylinder is A reformer characterized in that it is set to be larger than the input amount.
請求項1または請求項2において、前記運転モードが、前記蒸発部にて前記水蒸気の生成を開始する時点以降の第2起動運転モードを有し、
前記第2起動運転モードでは、前記燃焼筒の基端側に位置する投入口からの前記燃焼用酸化剤の投入量が前記燃焼筒の先端側に位置する投入口からの前記燃焼用酸化剤の投入量より多くなるように設定されていることを特徴とする改質装置。
In Claim 1 or Claim 2, the said operation mode has the 2nd starting operation mode after the time of starting the production of the water vapor in the evaporation part,
In the second start-up operation mode, the amount of the oxidant for combustion from the input port located on the proximal end side of the combustion cylinder is the amount of the oxidant for combustion from the input port located on the distal end side of the combustion cylinder. A reformer characterized in that it is set to be larger than the input amount.
請求項1に記載の改質装置と、前記改質装置から供給された改質ガスを使用して発電する燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記運転モードが発電運転モードである場合であって、前記燃料電池の出力電力が低い場合、または増大する場合には、前記燃焼筒の基端側に位置する投入口からの前記燃焼用酸化剤の投入量が燃料リッチ燃焼となる第1所定流量に設定されるとともに、前記燃焼筒の先端側に位置する投入口からの前記燃焼用酸化剤の投入量が低エミッションとなる第2所定流量に設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system comprising: the reformer according to claim 1; and a fuel cell that generates electric power using the reformed gas supplied from the reformer.
When the operation mode is the power generation operation mode and the output power of the fuel cell is low or increases, the combustion oxidant from the inlet located on the base end side of the combustion cylinder Is set at a first predetermined flow rate at which fuel-rich combustion is achieved, and at a second predetermined flow rate at which the input amount of the combustion oxidant from the input port located on the front end side of the combustion cylinder is low. A fuel cell system characterized by being set.
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