JP4404559B2 - Fuel cell power generation system - Google Patents

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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに関し、停止運転に際し燃料電池発電システム内に残留する可燃性ガス(例えば改質ガス,アノードオフガス等)を適切に処理することができる燃料電池発電システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の燃料電池発電システムは、停止運転時において燃料処理装置内の改質ガス系統内、および燃料電池スタック内の改質ガス系統内に残存する改質ガスの環境への放出は、特別に処理をせずに行われていることが多かった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、停止運転時において少量で一時的に行われているとはいえ、可燃性ガスをそのまま環境に放出することは、火事などの危険性のほか、一酸化炭素などの有毒ガスを放出することとなり、特に屋内設置となる可能性のある小型の燃料電池発電システムにおいては危険である可能性がある。
【0004】
そこで、本発明は、改質用原料ガスの供給の停止後に、改質ガス系統内の可燃性ガスを処理し、環境に放出する量を大幅に削減できる安全な燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明による燃料電池発電システム1は、例えば図1に示すように、改質用原料hを導入する第1導入口71と、前記導入された改質用原料hを改質ガスgに改質する改質部21と、改質ガスgに含まれる一酸化炭素を選択酸化用空気k1によって選択的に酸化する選択酸化部23と、選択酸化部23を出た改質ガスgを導出する導出口74と、第1導入口71と、改質部21と、選択酸化部23と、導出口74とを連通し、改質用原料hまたは改質ガスgを導く改質ガス系統ライン76と、少なくともアノードオフガスfを燃焼させ、改質部21を加熱するバーナー部25とを有する燃料処理装置2と;前記導出した改質ガスgを用いて発電し、アノードオフガスfをバーナー部25に放出する燃料電池スタック3と;(B1)燃焼用原料mがバーナー部25へ供給されているか否かを確認し、燃焼用原料mがバーナー部25に供給されていない場合は、燃焼用原料mのバーナー部25への供給を開始し、次に改質用原料hの導入を停止し、(C1)改質ガス系統ライン76に残留する可燃性ガスをバーナー部25に押し出す第1不燃性流体nを第1導入口71から導入する制御部4とを備える。
【0006】
このように構成すると、燃料処理装置2と、燃料電池スタック3と、制御部4とを備えるので、制御部4によって、燃焼用原料mがバーナー部25へ供給されている状態で、改質用原料hの供給を停止するので、改質用原料hの供給の停止後もバーナー部25での燃焼を維持することができる。改質ガス系統ライン76に第1不燃性流体nを供給するので、改質ガス系統ライン76内の改質用原料hあるいは改質ガスgをバーナー部25へ押し出して排除し、燃焼用原料mの供給により燃焼が維持されているバーナー部25で燃焼させることができる。このように燃料電池発電システム1内の残留可燃性ガスを安全に処理,パージすることが可能となる。なお、残留可燃性ガスとは、一般的には燃料電池発電システム1内に残留している改質用原料h、改質ガスg、アノードオフガスf、燃焼用原料mを含む概念である。
【0007】
燃焼用原料mのバーナー部25への供給は、燃料電池スタック3の発電を停止した後に行ってもよい。このようにすると、燃料電池スタック3の発電を停止した後に、バーナー部25で燃焼用原料mによって燃焼が確実に行われることを確保し、バーナー部25に押し出された可燃性ガスを確実に燃焼して処理し、燃料電池発電システム1内の残留可燃性ガスを安全に処理し,燃料電池発電システム1を停止することが可能となる。(C1)の制御の後に、選択酸化用空気k1の供給を停止してもよい。このようにすると、改質ガス系統ライン76を第1不燃性流体nで充満させることができ、可燃性ガスの第1不燃性流体によるパージをより効率よく行うことができる。(C1)の制御の後に、あるいは選択酸化用空気k1の供給を停止した後に、燃焼用原料mの供給を停止してもよい。このようにすると、バーナー部25を第1不燃性流体nで充満させ、改質用原料hを押し出すことができ、可燃性ガスのパージをより効率よく行うことができる。
【0008】
燃焼用原料mの供給停止は、燃料処理装置2内および燃料電池スタック3内の改質ガス系統から改質用原料h、改質ガスgが第1不燃性流体nによって十分排除されてから行うのが望ましい。
【0009】
制御部4による(C1)の制御において、燃料処理装置2の改質ガス系統ライン76に残留している残留改質ガスgが、バーナー部25に混入してくる可能性があるので、改質用原料hの供給を停止し,第1不燃性流体nを供給開始すると同時に燃焼用空気k4の流量を増加し空気比(燃焼用原料に対する空気比)を増加させ、残留改質ガスgが十分燃焼するようにするとよい。また、(C1)の制御の後に、選択酸化用空気k1の供給の停止し、燃焼用原料mの供給を停止してから、バーナー部25を燃焼用空気k4を用いてパージするようにしてもよい。このようにするとバーナー部25に残留している微量の燃焼用原料mをパージすることができる。
【0010】
第1不燃性流体nが水蒸気を含む場合あるいは水蒸気である場合、第1不燃性流体nの供給によりバーナー部25に残留する水分を燃焼用空気k4によるパージによって除去し、次回のバーナー部25の着火をスムーズに行うことができる。第1不燃性流体nが水蒸気である場合であって、さらに選択酸化部23を出た改質ガスgを冷却する冷却器77(図5)が設置されている場合には、水蒸気による冷却器77下流のパージがなされないので、燃焼用空気k4によってバーナー部25のパージを行い、残留可燃性ガスh、gをバーナー部25から除去することができる。
【0011】
請求項2に係る発明による燃料電池発電システム1は、請求項1に記載の燃料電池発電システムにおいて、例えば図5に示すように、前記導出した改質ガスgを燃料電池スタック3に搬送する改質ガスライン16であって、前記導出した改質ガスgに残留する一酸化炭素をさらに酸化するブリード空気k2を導入する第2導入口53を有する改質ガスライン16を備え;制御部4は、改質部21で蒸発され、改質用蒸気として使用されるプロセス水pを前記第1導入口72から導入し、前記(C1)の制御において、プロセス水pの前記導入を行い、改質部21により蒸発されたプロセス水pを第1不燃性流体pとして使用し、さらに改質ガスライン16に残留する可燃性ガスをバーナー部25に押し出す第2不燃性流体として、ブリード空気k2を前記第2導入口53から導入する。
【0012】
前記(C1)の制御において、プロセス水pの第1導入口72からの導入を行い、改質部21で蒸発されたプロセス水pを第1不燃性流体として使用するので、燃焼用原料mがバーナー部25に供給された状態で、蒸発したプロセス水pにより改質ガス系統ライン76に残留する残留可燃性ガスをバーナー部25に押し出すことができる。さらに第2不燃性流体として、ブリード空気k2の第2導入口53からの導入を行うので、改質ガスライン16に残留する可燃性ガスをバーナー部25に押し出すことができる。特に、改質ガスライン16に改質ガスgを冷却する冷却器77が設置されている場合は、冷却器77下流は蒸発したプロセス水pでは、パージすることが難しいので、冷却器77の上流側からブリード空気k2にてパージを行うことにより改質ガスライン16に残留する残留可燃性ガスをバーナー部25に押し出すことができる。
【0013】
請求項3に係る発明による燃料電池発電システム1は、請求項1または請求項2に記載の燃料電池発電システムにおいて、例えば図1、図3および図4に示すように、制御部は、前記(B1)の制御の前に、燃料電池スタック3の発電を中止する(A1)の制御を行い、さらに前記(A1)の制御において、燃料電池スタック3が発生するスタック電流Isを所定の勾配で減少して0にして発電を中止すると共に、改質用原料hの供給量を所定の流量まで減少させて保持するよう構成される。
【0014】
このように構成すると、改質用原料hの供給量を徐々に減少させることができ、発電を中止させた後に、第1不燃性流体nの供給によって、燃料処理装置2の改質ガス系統ライン76内、および燃料電池スタック3内の改質用原料h、改質ガスgのパージをスムーズに行なうことができ、燃焼用ガスmのバーナー部25での燃焼によって確実に燃焼させることができる。改質用原料hの供給量の減少は、典型的には、電流の減少と同時進行させる。所定の勾配とは、バーナー部25に過剰のアノードオフガスfが供給されない程度の減少勾配であり,典型的には1L/min程度である。
【0015】
請求項4に係る発明による燃料電池発電システム1は、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池発電システムにおいて、例えば図1に示すように、燃料電池スタック3は、燃料電池スタック3に残留する残留水素が、燃料電池スタック3のスタック残留電圧を放電することによって消費されるよう構成され;
制御部4は、
(E1)前記(C1)の制御と同時に、前記放電を起こさせ、
(F1)燃料電池スタック3のいずれかのセル電圧が所定の値以下になった時点で前記放電を停止させ、
(G1)前記所定の値以下になったセル電圧が所定の値まで回復した場合は、前記放電を再度起こさせ;
前記(E1)の制御と、(F1)の制御と、(G1)の制御とを所定の回数、あるいはセル電圧の回復が起こらなくなるまで繰り返す。
【0016】
このように構成すると、改質ガス系統ライン76へ第1不燃性流体nを供給し、改質ガス系統ライン76内、および燃料電池スタック3内の改質用原料h、改質ガスgをバーナー部25へ押し出し排除し、バーナー部25で燃焼させて消費すると同時に、燃料電池スタック3内に残留する残留水素を放電により消費するので、燃料電池発電システム1内の可燃性ガスh、gを短時間に確実に除去することができる。
【0017】
例えば図2に示すように、燃料電池スタック3は、出力される直流電圧を所定の直流電圧に変圧するDC/DCコンバータ81と、DC/DCコンバータ突入電流防止用抵抗R1とを有し,あるいはさらにスタック残留電圧放電用抵抗R2を有し;制御部4は、燃料電池スタック3内残留水素を消費するため、DC/DCコンバータ待機電力による放電、またはスタック残留電圧放電用抵抗R2による放電、またはDC/DCコンバータ突入電流防止用抵抗R1による放電を起こさせるようにするとよい。
【0018】
DC/DCコンバータ81の待機電力で十分短時間に燃料電池スタック3内残留水素を消費できる場合には、当該待機電力による放電を行う。消費電流が大きい場合に対処するため突入防止抵抗R1をDC/DCコンバータ81と直列に配置することで、電気抵抗を増して消費電流を抑えて適当な消費速度で放電を行い、スタック内残留水素分を消費することができる。また,消費電流が足りない場合に対処するためスタック残留電圧放電用抵抗R2を設けているので、この抵抗R2を用いて放電を行い、燃料電池スタック3内残留水素分を消費することができる。
【0019】
請求項4に記載の燃料電池発電システム101は、例えば図5に示すように、さらに前記導出した改質ガスgを燃料電池スタック3に導く改質ガスライン16と、前記燃料電池スタック3で発電に用いられなかった前記改質ガスgを燃料電池スタック3から前記バーナー部25に導くアノードオフガスライン17とからなるガスラインを備え;前記ガスラインは、前記導出した改質ガスgを前記バーナー部25に直接送り込むよう切り替える切替手段68を有し;制御部104は、前記(A1)の制御の後、前記(B1)の制御の前に、切替手段68による切り替えを行うように構成されてもよい。
【0020】
このように構成すると、通常運転時には導出した改質ガスgを改質ガスライン16を介して燃料電池スタック3部に導き、燃料電池スタック3で発電に用いられなかった改質ガスgを、アノードオフガスライン17を介して燃料電池スタック3からバーナー部25に導くことができる。一方、停止運転時には、燃料電池スタック3の発電を停止した後,切替手段68による切り替えを行い、導出した改質ガスgをバーナー部25に直接送り込むようにし、燃料電池スタック3への改質ガスgの供給を断ち、燃料電池スタック3のスタック残留電圧を放電することによって燃料電池スタック3内に残留する残留水素を消費することができる。なお、バーナー部25に直接送り込むとは、燃料電池スタック3を介さないでバーナー部25に送り込むという意味である。このとき,燃焼用原料mがバーナー部25に供給されていない場合に、当該供給を開始し、次に改質用原料hの供給を停止するとよい。
【0021】
請求項5に係る発明による燃料電池発電システム1は、例えば図1に示すように、改質用原料hとプロセス水pとを導入する第1導入口71、72と、前記導入されたプロセス水pを蒸発させて改質用蒸気として用いて、改質用原料hを改質ガスgに改質する改質部21と、改質ガスgに含まれる一酸化炭素を選択酸化用空気k1によって選択的に酸化する選択酸化部23と、選択酸化部23を出た改質ガスgを導出する導出口74とをする燃料処理装置2と;前記導出した改質ガスgを搬送する改質ガスライン16であって、前記導出した改質ガスgに残留する一酸化炭素をさらに酸化するブリード空気k2を導入する第2導入口53を有する改質ガスライン16と;ブリード空気k2にて一酸化炭素を酸化した改質ガスgを用いて発電する燃料電池スタック3と;(B2)改質用原料hの第1導入口71からの導入を停止した後、所定時間経過後にプロセス水pの第1導入口72からの導入を停止し、(C2)ブリード空気k2の第2導入口53からの導入を行う制御部4を備え;前記所定時間が、前記改質用蒸気により燃料処理装置2に残存する改質用原料h、または改質ガスgを押し出して排除することができる十分な時間である。
【0022】
このように構成すると、燃料処理装置2と、改質ガスライン16と、燃料電池スタック3と、制御部4とを備えるので、制御部4によって、改質用原料hの導入を停止した後、所定時間経過後に前記プロセス水pの導入を停止し、前記ブリード空気k2の導入を行うことができる。
【0023】
改質用原料hの導入を停止した後、所定時間経過後にプロセス水pの導入を停止するので、改質用原料hの導入を停止した後の所定時間の間、プロセス水pを導入することによって、プロセス水pが改質部21で蒸発し、蒸発した水蒸気を燃料処理装置2に残存する改質用原料h、改質ガスgを押し出すパージガスとして利用することができる。プロセス水pの導入を停止し、ブリード空気k2の導入を行うので、ブリード空気k2によりさらに改質ガスライン16に残存する水蒸気を押し出すことができ、水蒸気の凝縮による水分の残存を回避することができる。ここでいう所定時間とは、プロセス水pが蒸発した水蒸気により燃料処理装置2に残存する改質用原料h、改質ガスgを押し出して排除することができる十分な時間をいう。
【0024】
また、燃料処理装置2は典型的にはバーナー部25を有するので、この場合には、バーナー部25に残留する水分をブリード空気k2によるパージによって除去し、次の燃料電池発電システム1の起動時にバーナー部25の着火をスムーズに行うことができる。また、選択酸化部23を出た改質ガスgを冷却する冷却器77が改質ガスライン16に設置されている場合には、水蒸気による冷却器下流のパージを行うことが難しいので、選択酸化部23の下流であって冷却器77の上流からのブリード空気k2によってバーナー部25のパージを行うことができる。このパージによって、改質ガスライン16に残留する可燃性流体nを除去することができる。また,燃焼用空気k4を用い,バーナー部25のパージを行ってもよい。
(C2)でブリード空気k2の供給を行ったときに、空気比を一定に保つために燃焼用空気k4の流量を、ブリード空気k2の流量分だけ減少させるとよい。なお、プロセス水pの供給の停止は、典型的には、燃料処理装置2の水蒸気と接触する箇所の温度が水分の沸点以下になる前に行うことが望ましい。
【0025】
請求項5において、例えば図1に示すように、制御部4が(A2)前記燃料電池スタック3の発電を中止した後、前記ブリード空気k2の導入を停止し、(B2)前記改質用原料hの第1導入口72からの導入を停止した後、所定時間経過後に前記プロセス水pの第1導入口72からの導入を停止し、(C2)前記ブリード空気k2の第2導入口53からの導入を再び開始し、(D2)所定時間経過後、前記ブリード空気k2の導入を再び停止するようにしてもよい。
【0026】
このようにすると、燃料電池スタック3の発電の中止後に、蒸発したプロセス水pによって燃料処理装置2に残留する可燃性ガスh、gを燃料処理装置2からパージし、燃料電池発電システム1を停止することができる。特にブリード空気k2の供給の停止後に、第1導入口72から導入され蒸発されるプロセス水pによりパージを行うので、燃料処理装置2内のパージをより効率的に行うことができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【0028】
図1のブロック図を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池発電システム1の構成を説明する。燃料電池発電システム1は、燃料処理装置2と、固体高分子電解質型燃料電池である燃料電池スタック3と、制御装置4と、燃料供給ライン11と、選択酸化用空気供給ライン12と、プロセス水供給ライン13と、燃焼用ガス供給ライン14と、燃焼用空気供給ライン10と、あるいは改質ガスラインとしての改質ガス搬送ライン16と、アノードオフガスライン17と、ブリード空気ラインとしてのブリード空気供給ライン18と、スタック用空気供給ライン19、窒素ガス供給ライン20、切替ライン67とを含んで構成される。
【0029】
燃料供給ライン11は、流体昇圧装置としてのブロワ31と流量調節装置としての調節弁32と流量測定装置としての流量計47とを備え、選択酸化用空気供給ライン12は、ブロワ33と調節弁34と流量計48とを備える。プロセス水供給ライン13は、流体昇圧装置としてのポンプ35と調節弁36と流量計49とを備え、燃焼用ガス供給ライン14は、ブロワ37と調節弁38と流量計50とを備える。また、燃焼用空気供給ライン10は、ブロワ64と調節弁65と流量計66とを備える。改質ガス搬送ライン16には、改質ガス搬送ライン16にブリード空気k2を導入する第2導入口としてのブリード空気導入口53が形成され、ブリード空気導入口53には、ブリード空気供給ライン18が接続される。ブリード空気供給ライン18は、ブロワ41と調節弁42と流量計51とを備え、スタック用空気供給ライン19は、ブロワ43と調節弁44と流量計52とを備える。窒素ガス供給ライン20は、窒素ガス供給源としての窒素ボンベ(不図示)と調節弁62と流量計63とを備える。
【0030】
燃料処理装置2は、改質部21と、変成部22と、選択酸化部23と、バーナー部25と、第1導入口としての燃料導入口71と、第1導入口としてのプロセス水導入口72と、選択酸化用空気導入口73と、改質ガス導出口74と、燃料導入口71と改質部21と変成部22と選択酸化部23と改質ガス導出口74とを連通する改質ガス系統ライン76とを備える。
【0031】
燃料導入口71に、燃料供給ライン11が接続される。燃料供給ライン11から燃料導入口71に導入された改質用原料としての改質用原料ガスhは、改質部21に供給される。改質部21では、供給された改質用原料ガスhを改質し水素を主成分(例えば、水素の成分がモル%で約70〜75%)とする改質ガスgにする改質反応が行われる。変成部22では、改質ガスgのCO変成反応が行われる。選択酸化用空気導入口73には、選択酸化用空気供給ライン12が接続される。選択酸化用空気供給ライン12から選択酸化用空気導入口73に導入された選択酸化用空気k1は選択酸化部23に供給される。選択酸化部23では、改質ガス中に残存する一酸化炭素ガスの選択酸化用空気k1による選択的酸化が行われる。燃料導入口71に、さらにプロセス水供給ライン13が接続される。プロセス水供給ライン13から燃料導入口71に導入されたプロセス水pは、改質部21に供給される。改質部21に供給されたプロセス水pは、蒸発して改質用蒸気となる。バーナー部25には、燃焼用ガス供給ライン14が接続され、バーナー部25にバーナーガスとしての、または燃焼用原料としての燃焼用ガスmを供給する。バーナー部25には、さらに燃焼用空気供給ライン10が接続され、バーナー部25に燃焼用空気k4を供給する。また、バーナー部25には、後述のようにアノードオフガスライン17が接続され、アノードオフガスfを供給する。バーナー部25は燃焼用空気k4によって燃焼用ガスmを燃焼させ改質反応、変成反応に必要な熱を供給する。なお、改質用原料は液体であってもよく、この場合はブロワ31の代わりにポンプ(不図示)が使用される。
【0032】
制御部4は、流量制御信号i1を、調節弁32、調節弁34、調節弁36、調節弁38、調節弁62へ、それぞれ個別に送る。制御部4から流量制御信号i1を受け、調節弁32は、改質用原料ガスhの改質部21への供給量を調節し、調節弁34は、選択酸化用空気k1の選択酸化部23への供給量を調節し、調節弁36は、プロセス水pの改質部21への供給量を調節し、調節弁38は、燃焼用ガスmのバーナー部25への供給量を調節し、調節弁65は、燃焼用空気k4のバーナー部25への供給量を調節する。調節弁62は、第1不燃性流体あるいは不燃性ガスとしての窒素ガスnの改質部21への供給量を調節する。
【0033】
ブロワ31、ブロワ33、ポンプ35、ブロワ37、ブロワ64は、不図示のモータにより駆動され、それぞれ改質用原料ガスh、選択酸化用空気k1、プロセス水p、燃焼用ガスm、燃焼用空気k4、不活性ガスである窒素ガスnを供給し、定常状態で回転数はほぼ一定である。これらを不図示の例えば蒸気タービンにより駆動し、回転数制御により流量が制御されるようにしてもよい。この場合、調節弁32、34、36、38、65、62は設置しなくてもよい。
【0034】
流量計47は、改質部21に供給される改質用原料ガスhの流量を計測し、計測された流量は流量信号i5として制御部4に送られる。流量計48は、選択酸化部23に供給される選択酸化用空気k1の流量を計測し、計測された流量は流量信号i5として制御部4に送られる。流量計49は、改質部21に供給されるプロセス水pの流量を計測し、計測された流量は流量信号i5として制御部4に送られる。流量計50は、バーナー部25に供給される燃焼用ガスmの流量を計測し、計測された流量は流量信号i5として制御部4に送られる。流量計66は、バーナー部25に供給される燃焼用空気k4の流量を計測し、計測された流量は流量信号i5として制御部4に送られる。流量計63は、改質部21に供給される窒素ガスnの流量を計測し、計測された流量は流量信号i5として制御部4に送られる。
【0035】
改質ガス搬送ライン16は、燃料処理装置2の導出口74と燃料電池スタック3を繋ぎ、選択酸化部23を出た改質ガスgを導出口74から燃料電池スタック3に搬送する。改質ガス搬送ライン16には、三方切替弁68が設置されている。三方切替弁68には、制御部より三方切替弁を切り替えるための切替信号i6が送られる。アノードオフガスライン17は、燃料電池スタック3とバーナー部25とを繋ぎ、後述のアノードオフガスfを燃料電池スタック3からバーナー部25へ搬送して、供給する。三方切替弁68には、切替ライン67の一端が接続され、切替ライン67の他端は、アノードオフガスライン17に接続されている。
【0036】
三方切替弁68は、通常運転時はa1側が開となり、選択酸化部23を出た改質ガスgは燃料処理装置2から改質ガス搬送ライン16を通りスタック電池3側に流れる。停止運転が始まると同時に三方切替弁68のb1側への切り替えが行われると、選択酸化部23を出た改質ガスgは、改質ガス搬送ライン16から切替ライン67を通り、アノードオフガスライン17に達し、バーナー部25へ送られる。アノードオフガスライン17の切替ライン67との合流部の上流側には逆止弁69が設置され、アノードオフガスライン17に流れ込んだ改質ガスgが燃料電池スタック3へ逆流しないようになっている。
【0037】
燃料電池スタック3は、不図示の固定高分子膜と不図示のセパレータとが交互に重ねられた多重構造であり、供給された改質ガスgとスタック用空気k3とを電気化学的に反応させて発電を行うと共に、アノードオフガスf(未利用改質ガス)を発生する。ここでアノードオフガスfは、燃料電池スタック3において、水素が発電に利用された後の余剰改質ガスであり、改質ガスgに含まれる水素のうち、例えば80パーセント(モルパーセント)が発電に使用された場合、残り20パーセント(モルパーセント)相当量の水素を含むいわゆる水素リッチガスである。
【0038】
燃料電池スタック3は各セル電圧を検出するセル電圧検出器75を有する。セル電圧検出器75によって検出された各セル電圧は、電圧信号i3として制御部に送られる。なお、図中、セル電圧検出器75から送られる電圧信号i3は一つのみ記載され、他は省略されている。
【0039】
ブリード空気供給ライン18は、前述のように改質ガス搬送ライン16に接続され、ブリード空気k2を改質ガス搬送ライン16に供給する。改質ガスgは、ブリード空気k2によって残留するCOガスが酸化される。スタック用空気供給ライン19は、燃料電池スタック3に接続され、スタック用空気k3を燃料電池スタック3に供給する。制御部4は、調節弁42、44へ流量制御信号i1をそれぞれ個別に送る。調節弁42は、ブリード空気k2の改質ガス搬送ライン16への供給量を調節し、調節弁44は、スタック用空気k3の燃料電池スタック3への供給量を調節する。ブロワ41、43は、不図示のモータにより駆動され、定常状態で回転数はほぼ一定である。これらを不図示の例えば蒸気タービンにより駆動し、回転数制御により流量が制御されるようにしてもよい。この場合、調節弁42、44は設置しなくてもよい。流量計51は、改質ガス搬送ライン16に供給されるブリード空気k2の流量を計測し、計測された流量は流量信号i5として制御部4に送られる。流量計52は、燃料電池スタック3に供給される酸化剤ガスとしてのスタック用空気k3の流量を計測し、計測された流量は流量信号i5として制御部4に送られる。
【0040】
燃料電池スタック3は、負荷5(何らかの電気機器)に電気的に接続されている。燃料電池スタック3は、スタック電圧Vsを検出するスタック電圧検出器45と、スタック電流Isを検出するスタック電流検出器46とを有する。スタック電圧検出器45によって検出されたスタック電圧Vsは、電圧信号i3として制御部4に送られる。スタック電流検出器46によって検出されたスタック電流Isは、電流信号i4として制御部4に送られる。
【0041】
次に、燃料電池発電システム1の通常運転時の作用を説明する。バーナー部25には、起動時、助燃時にブロワ37により搬送された燃焼用ガスmが燃焼用ガス供給ライン14から供給される。燃焼用ガス供給ライン14に設置された調節弁38は、制御部4からの流量制御信号i1を受け、流量制御信号i1に対応する流量の燃焼用ガスmを流すよう所定の開度に制御される。燃焼用空気供給ライン10に設置された調節弁65は、制御部4からの流量制御信号i1を受け、流量制御信号i1に対応する流量の燃焼用ガスmを流すよう所定の開度に制御される。燃焼用ガスmの流量は流量計50により計測され、計測された流量は、流量信号i5として制御部4に送られる。通常運転時にはバーナー部25には、アノードオフガスライン17を介して燃料電池スタック3からアノードオフガスfが供給される。バーナー部25で発生する燃焼熱は、改質部21での改質反応熱に利用され、改質部21に充填された改質触媒(不図示)、変成部22に充填されたCO変成触媒(不図示)を反応に適した所定の温度に維持するために利用される。
【0042】
改質用原料ガスhは、ブロワ31により搬送され燃料供給ライン11を介して改質部21に供給される。燃料供給ライン11に設置された調節弁32は、制御部4からの流量制御信号i1を受け、流量制御信号i1に対応する流量の改質用原料ガスhを流すよう所定の開度に制御される。改質用原料ガスhの流量は流量計47により計測され、計測された流量は、流量信号i5として制御部4に送られる。
【0043】
プロセス水pは、ポンプ35により搬送されプロセス水供給ライン13を介して改質部21に供給される。プロセス水供給ライン13に設置された調節弁36は、制御部4からの流量制御信号i1を受け、流量制御信号i1に対応する流量のプロセス水pを流すよう所定の開度に制御される。プロセス水pの流量は流量計49により計測され、計測された流量は、流量信号i5として制御部4に送られる。改質部21に供給されたプロセス水pは、改質部21で蒸発し改質用蒸気sとして利用される。すなわち、改質部21では、改質用原料ガスhがメタンの場合は、改質触媒によりCH+HO→CO+3H で表せる水蒸気改質反応が行われ、改質ガスgとなる。ここでHOは、改質用蒸気である。
【0044】
改質ガスgは、改質部21から変成部22に送られ、変成部22で、CO変成触媒によりCO+HO→CO+H で表せる変成反応が行われる。さらに、改質ガスgは、変成部22から選択酸化部23に送られる。選択酸化用空気k1は、ブロワ33により搬送され選択酸化用空気供給ライン12から選択酸化部23に供給される。選択酸化用空気供給ライン12に設置された調節弁34は、制御部4からの流量制御信号i1を受け、流量制御信号i1に対応する流量の選択酸化用空気k1を流すよう所定の開度に制御される。選択酸化用空気k1の流量は流量計48により計測され、計測された流量は、流量信号i5として制御部4に送られる。
【0045】
改質ガスg中に残留するCOガスは、選択酸化部23で選択酸化用空気k1により選択的に酸化され、CO+(1/2)O→CO で表される反応が行われる。COガスが除去された改質ガスgは、改質ガス搬送ライン16を通って燃料電池スタック3に向けて供給される。
【0046】
改質ガス搬送ライン16内を搬送中の改質ガスgに含まれるCOガスは、改質ガス搬送ライン16内に供給されるブリード空気k2によって酸化される。
ブリード空気k2は、ブロワ41により搬送されブリード空気供給ライン18から改質ガス搬送ライン16に供給される。ブリード空気供給ライン18に設置された調節弁42は、制御部4からの流量制御信号i1を受け、流量制御信号i1に対応する流量のブリード空気k2を流すよう所定の開度に制御される。ブリード空気k2の流量は流量計51により計測され、計測された流量は、流量信号i5として制御部4に送られる。
【0047】
燃料電池スタック3には、ブロワ43により搬送されたスタック用空気k3がスタック用空気供給ライン19を通って供給される。スタック用空気供給ライン19に設置された調節弁44は、制御部4からの流量制御信号i1を受け、流量制御信号i1に対応する流量のスタック用空気k3を流すよう所定の開度に制御される。スタック用空気k3の流量は流量計52により計測され、計測された流量は、流量信号i5として制御部4に送られる。
【0048】
燃料電池スタック3は、改質ガスgとスタック用空気k3とを電気化学的に反応させ、発電が行われ、負荷5に電力が供給される。燃料電池スタック3に供給された改質ガスgの一部は発電には利用されず、燃料電池スタック3を出てアノードオフガスfとしてバーナー部25に送られバーナー部25で燃焼される。
調節弁62は、通常運転の間は、制御部4から開度を0にするように、流量制御信号i1を受け、閉の状態を維持し、窒素ガスnは、通常運転時には供給されない。
【0049】
図2に示すように、負荷5は、DC/DCコンバータ81と、インバータ82と、負荷本体5Aとをこの順序で直列に含んで構成される。インバータ82の入力側には、平滑コンデンサ83と、3接点aa1、bb1、cc1からなるスイッチSW1と、2接点aa2、bb2からなるスイッチSW2とが設置されている。
【0050】
燃料電池スタック3の発電を終了させるときは、スイッチSW1が接点aa1に接続され、スイッチSW1はオフとなり、インバータ82及び負荷本体5AがDC/DCコンバータ81及び燃料電池スタック3から切り離される。
燃料電池スタック3による発電を開始するときは、スイッチSW1が接点bb1に接続され、インバータ82及び負荷5Aが突入電流防止用抵抗R1を介してDC/DCコンバータ81及び燃料電池スタック3に接続され、定常発電に移行するときは、スイッチSW1は、接点bb1から接点cc1に接続される。
【0051】
定常発電時には、スイッチSW2は接点aa2に接続されており、スイッチSW2はオフとなっている。発電休止時に、スタック残留電圧の放電を行うときは、スイッチSW2を接点bb2に接続し、残留電圧放電用抵抗R2によるスタック残留電圧の放電が行われる。当該放電の終了後、スイッチSW2は、接点aa2に接続されオフとされる。
【0052】
次に、図3、図4を参照し適宜図1を参照して、第1の実施の形態の燃料電池発電システム1の制御部4による停止運転方法について説明する。図3中、横軸は時間の経過、縦軸は流量(単位は気体がNL/min)を表す。図4中、横軸は時間の経過、縦軸は流量(単位L/min)、電流(単位A)を表す。
【0053】
図3中、折れ線R1(実線)は、燃焼用空気k4の流量、折れ線R2(長い二点鎖線)は、改質用原料ガスhの流量、折れ線R3(短い一点鎖線)は、燃焼用ガスmの流量、折れ線R4(短い二点鎖線)は、窒素ガスnの流量、折れ線R5(破線)は、ブリード空気k2の流量の流量を表す。図4中、折れ線R6(実線)は、プロセス水pの流量、折れ線R7(実線)は、スタック電流Isを表す。
【0054】
時間t0に、燃料電池発電システム1の通常運転がなされている。時間t0においては、燃焼用空気k4の流量は20NL/minで一定であり、改質用原料ガスhの流量は4.5NL/minで一定である。燃焼用空気k4の流量は、燃焼用ガスmおよびアノードオフガスfを完全燃焼させるのに必要な流量の、約1.2倍である(空気比約1.2)。改質用原料ガスhの流量は、燃料電池スタック3のスタック電流Isに対応する流量であり、負荷5に見合った電力を燃料電池スタック3が発生させるのに必要な改質ガスgを燃料処理装置2が発生させるのに必要な流量である。
【0055】
同じく時間t0において、プロセス水pの流量は、0.011L/minで一定である。プロセス水pの流量は、プロセス水pの流量から求められる蒸気のモル流量と、改質用原料ガスhの流量から求められる炭素とモル流量との比が、約2.8となる流量である。ブリード空気k2の流量は、0.7NL/minで一定である。ブリード空気k2の流量は、選択酸化された改質ガスg中に残存する一酸化炭素を酸化するに十分な量である。
【0056】
図3に図示しないが、同じく時間t0において、選択酸化用空気k1、スタック用空気k3も一定流量が供給されている。選択酸化用空気k1の流量は、改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化するのに必要な流量が供給される。スタック用空気k3は、燃料電池スタック3の電流負荷に応じた流量が供給される。なお、時間t0において、燃焼用ガスmの流量は0である。よって、バーナー部25で助燃は行われず、アノードオフガスfのみを使用して燃焼が行われる。また、時間t0において、窒素ガスnの流量も0である。
【0057】
時間t1に、制御部4に燃料電池発電システム1の停止信号(不図示)が送られ、制御部4は、スタック電流Isの値を下げ始め、停止運転に移行する。同時に、改質用原料ガスhの流量をスタック電流Isの減少(例えば、57Aから10A/minの割合で減少)に対応して減少させる。改質用原料ガスhの流量は、スタック電流Isの関数として表される流量である。改質用原料ガスhの流量の流量は、1NL/min以下に下がらないように制御される。1NL/min以下に下がらないようにするのは、アノードオフガスfによって燃焼しているバーナー部25での燃焼安定性を保つためである。スタック電流Isの減少割合を10A/minとしたのは、スタック電流Isの急激な減少は、消費される改質ガス流量の急激な減少となり、改質ガス搬送ライン16の圧力が急激に上昇する原因となること、燃料処理装置2において、改質ガスgの流量の変動にともなう背圧の変動は改質ガスg中のCO量が増加する原因となること、改質ガスgの流量の急変によるアノードオフガスfの流量の急変は、バーナー部25での不完全燃焼の原因となることによる。時間t1に、燃焼用空気k4の流量も減少し始める。
【0058】
同じく時間t1において、プロセス水p、ブリード空気k2が、改質用原料ガスhの流量の減少割合と同じ減少割合で減少し始める。
図3に図示しないが、同じく時間t1において、選択酸化用空気k1、スタック用空気k3も、改質用原料ガスhの流量の減少割合と同じ減少割合で減少し始める。
【0059】
スタック電流Isは、時間t1から時間t2(例えば、時間t1より5.7分経過)の間単純に減少し続け、時間t2に、スタック電流Isが0になり、発電を停止する。改質用原料ガスh、プロセス水pの流量も、時間t1から時間t2の間単純に減少し続け、時間t2に、それぞれ最小供給流量である1.0NL/min、0.003L/minに達する。ブリード空気k2も、時間t1から時間t2の間単純に減少し続ける。燃焼用空気k4も、時間t1から時間t2の間単純に減少し続け、時間t2に、流量が10NL/minとなる。
【0060】
図3に図示しないが、選択酸化用空気k1、スタック用空気k3も、同様に、時間t1から時間t2の間単純に減少し続ける。
また、時間t2に、三方切替弁68をa1側からb1側に切り替え、選択酸化部23を出た改質ガスgが改質ガス導出口74、改質ガス搬送ライン16から三方切替弁68、切替ライン67、アノードオフガスライン17を経て、バーナー部25に供給されるようにする。したがって、改質ガスgは、燃料電池スタック3には供給されない。スタック用空気k3の供給は時間t2で停止する(図3に不図示)。
【0061】
さらに、時間t2に、燃焼用ガスmがバーナー部25に供給されているか否かのチェックが行われる(図3に不図示)。これは、流量計50からの流量信号i5に基づいて行われる。燃焼用ガスmがバーナー部25に供給されていない場合は(本実施の形態は、この場合に該当)、燃焼用ガスmのバーナー部25への供給を開始する。燃焼用ガスmの供給は、時間t2を僅かに経過した時間t21に開始される。燃焼用ガスmの流量は1.2NL/minとする。同時に、燃焼用空気k4の流量を28.9NL/minに増加させる。この燃焼用空気k4の流量は、バーナー部25に供給される燃焼用ガスm、改質用原料ガスh、改質ガスgの流量を考慮し空気比を1.2にすべく決められた流量である。
【0062】
時間t2を過ぎた後、改質用原料ガスhの流量は、1NL/min、プロセス水pの流量は、0.003L/minの一定量に維持されるが、時間t3より少し前である時間t23に、改質用原料ガスh及びプロセス水pの供給を停止する。同時に、燃焼用空気k4の流量を13.5NL/minまで減少させる。
【0063】
選択酸化用空気k1(図3に不図示)、ブリード空気k2は、時間t2にも、そのまま減少を続ける。ブリード空気k2は、時間t2と後述の時間t3の中間時t22に流量が0となる。
また、時間t22に、ブリード空気k2の流量を0とするのは、スタック切離し時に確実にブリード空気k2が供給されているようにするためである。
【0064】
停止運転時に、改質用原料ガスhの流量を減少させた場合、改質ガスgの流量も減少する。よって、プロセス水p、ブリード空気k2、選択酸化用空気k1、スタック空気k3の流量も、同様に減少させる必要がある(図3に不図示)。
【0065】
次に、時間t3より少し前の時間t23に、改質用原料ガスh及びプロセス水pの供給を停止する。同時に、燃焼用空気k4の流量を13.5NL/minまで減少させる。燃焼用ガスmの流量はそのまま1.2NL/minに維持する。
【0066】
時間t3に、流量5NL/minの窒素ガスnの改質ガス系統ライン76への供給を開始する。窒素ガスnは、燃料処理装置2内の改質ガス系統ライン76、改質ガス搬送ライン16(三方切替弁の下流側を除く)、切替ライン67に残留する可燃性ガスと(改質用原料hおよび改質ガスg)とプロセス水pが蒸発した改質用蒸気とを置換し、またアノードオフガスライン17(切替ラインの接続部の上流側を除く)に残留する可燃性ガス(アノードオフガスf)を置換し、可燃性ガスh、g、f、および改質用蒸気をバーナー部25に向けて押し出して排除する。排除された可燃性ガスh、g、fは、バーナー部25で燃焼される。燃焼用空気k4の流量は、燃焼用ガスmの流量、バーナー部25に押し出されてくる可燃性ガスの流量を基に空気比1.2を前提として決められる流量より20%程度多い流量である。このように流量を設定したのは、バーナー部25で残留可燃性ガスの燃焼を効率よく行わせることにより未燃の可燃性ガス、一酸化炭素の発生を極力抑えるためである。
【0067】
時間t3と後述の時間t4との中間時点である時間t31に選択酸化用空気k1の供給を停止する(図3に不図示)。時間t31に選択酸化用空気k1の供給量を停止するのは、改質用原料ガスhの供給停止時には、確実に選択酸化用空気k1が投入されているようにし,改質ガスg中のCO量を抑制するためである.
【0068】
期間t3を経過後、窒素ガスn、燃焼用ガスm、燃焼用空気k4の流量は,それぞれ一定量に維持されるが、時間t4より少し前の時間t32に、燃焼用ガスmの供給を停止し、さらに同時に窒素ガスnの流量を15NL/minに増加し、さらに同時に燃焼用空気k4の流量を20NL/minに増加する。これにより、燃料処理装置2内の改質ガス系統ライン76、改質ガス搬送ライン16(三方切替弁68の燃料電池スタック3側を除く)、切替ライン67、アノードオフガスライン17(切替ライン67の接続部の燃料電池スタック3側を除く)の窒素ガスnによる可燃性ガスh、gの置換、バーナー部25の窒素ガスnおよび燃焼用空気k4による可燃性ガスの置換を完全に行う。
【0069】
時間t4に、燃焼用ガスmの流量が0となる。このとき、窒素ガスn、燃焼用空気k4の流量は増加中である。
【0070】
時間t5(例えば、時間t4より5分経過)より少し前である時間t41に、窒素ガスnおよび燃焼用空気k4の供給を停止し、燃料電池発電システム1を停止する。そして、まず窒素ガスの流量が0となり、次に時間t5に燃焼用空気k4の流量が0となる。
【0071】
なお、時間t2に、残留するスタック電圧を以下の少なくともいずれかの方法で放電し燃料電池スタック3内に残留する改質ガスg中の水素を消費する。
▲1▼DC/DCコンバータ81(図2)の待機電力による放電
▲2▼スタック残電圧放電用抵抗R1(図2)による放電
▲3▼DC/DCコンバータ突入防止用抵抗R2(図2)による放電
セル電圧検出器75によって検出されたいずれかのセル電圧が、第1所定の値(0.4V)以下になった時点で放電を停止する。また所定の値以下に下がったセル電圧が第2所定の値(0.5V)以上に回復し、第1所定の値以下のセル電圧がない場合は、前述の放電を再開する。あるセルのセル電圧の低下、セル電圧の回復、放電再開を所定の回数(例えば、3回)繰り返すまで、あるいはセル電圧が回復しなくなるまで繰り返す。
【0072】
第1所定の値とは、セルに接触する部分の水素が少なくなり放電により触媒等に悪影響を与える可能性のある場合のセル電圧の値である。第2所定の値とは、セルに接する部分に水素が拡散されて当該部分に水素が増えセル電圧が高くなり放電を行っても触媒に悪影響を与えないセル電圧の値である。所定の回数とは水素のスタック内拡散速度が放電による水素消費速度より遅いことにより生じる,放電停止後の電圧回復を十分抑えることのできる回数である。
【0073】
このように放電を行うと、燃料電池スタック3内に残留する残留水素を放電により消費するので、燃料電池発電システム1内の改質用原料ガスh、改質ガスgを短時間に確実に除去することができる。
【0074】
改質用原料ガスhの供給を停止すると、燃料処理装置2の改質ガス系統ライン76中の改質用原料ガスh、改質ガスgのガス速度が低下する。このため、改質反応が進んでしまい、改質ガスgからの一酸化炭素の除去が十分に行えず、少量ではあるが一酸化炭素濃度の高い改質ガスが発生する可能性がある。三方切替弁67を作動させることにより、一酸化炭素濃度の高い改質ガスgが燃料電池スタック内に混入することを防ぐことができ、燃料電池スタック3の固体高分子膜(図1に不図示)の一酸化炭素被毒を防ぐことができる。
【0075】
時間t2に燃料電池スタック3の発電を停止した後に、選択酸化用空気k1は時間t31まで供給される(図3に不図示)が、時間t2に三方切替弁67を作動させることにより、選択酸化用空気k1が、燃料電池スタック内に混入することを防ぐことができ、選択酸化用空気k1が、燃料電池スタック3内の残留水素と固体高分子膜上の触媒部(図1に不図示)で燃焼反応し、燃料電池スタック3の寿命を縮めることを回避することができる。
【0076】
第1の実施の形態の燃料電池発電システム1によれば、スタック電流Isを減少させて0とし燃料電池スタック3の発電を停止し、燃焼用原料ガスmがバーナー部25へ供給されている状態で、改質用原料ガスhの供給を停止するので、改質用原料ガスhの供給の停止後もバーナー部25へ燃焼用原料ガスmを供給しバーナー部25での燃焼を維持することができる。改質ガス系統ライン76に窒素ガスnを供給するので、改質ガス系統ライン76中の改質用原料ガスh、改質ガスgを置換し、バーナー部25へ押し出して排除し、押し出した改質用原料ガスh、改質ガスgをバーナー部25で燃焼させることができる。次に、選択酸化用空気k1(図3に不図示)とブリード空気k2の供給を停止するので、改質ガス系統ライン76を窒素ガスnで充満させることができる。次に燃焼用原料ガスmの供給を停止するので、バーナー部25を窒素ガスnで充満させ、少量の未燃の燃焼用原料ガスm等を押し出すことができる。よって、燃料電池発電スタック1の停止後に残留した改質用原料ガスh、改質ガスgの環境への放出を大幅に削減することができる。なお、燃焼用原料ガスmの供給を停止は、改質ガス系統ライン76から改質ガスg等を窒素ガスnによって十分排除してから行うのが望ましい。
【0077】
以上の第1の実施に形態では、第1不燃性流体として窒素ガスnを改質ガス系統ライン76に供給するが、この窒素ガスnの代わりに、第1不燃性流体として空気を改質ガス系統ライン76に供給しても、同様の効果を得ることができる。
【0078】
図4のブロック図を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池発電システム101の構成を説明する。以下前述の第1の実施の形態(図1参照)との相違点のみ説明する。説明しない他の点に関しては、第1の実施の形態と同様である。
【0079】
燃料電池発電システム101は、改質ガス系統ライン76に第1不燃性流体としての窒素ガスnを供給する、窒素ガス供給ラインを備えていない。代わりに、改質ガス系統ライン76に供給されるプロセス水pを第1不燃性流体として利用する。改質部21に供給されるプロセス水pは改質部21で蒸発して不燃性ガスとしての水蒸気となる。したがって、燃料電池発電システム101が備える制御部104から、窒素ガスの流量を制御する制御信号が出力されることはなく、窒素ガスの流量を示す流量信号が制御部104に入力されることはない。
改質ガス搬送ライン16のブリード空気導入口53の下流側には、改質ガスgを冷却する冷却器77が設置され、燃料処理装置2を出て燃料電池スタック3へ向かう改質ガスgの温度を下げる。改質ガスgの冷却器77の入り温度は、90℃程度であり、冷却器77の出の温度は55℃程度である。
【0080】
次に、図6、図7を参照し適宜図5を参照して、第2の実施の形態の燃料電池発電システム101の制御部104による停止運転方法について説明する。以下前述の第1の実施の形態の制御部4による停止運転方法との相違点のみ説明する。燃料電池発電システム101は、窒素ガス供給ラインを備えていないので、窒素ガスを供給すべき段階で、プロセス水pの供給を止めないで供給を維持し、プロセス水pが蒸発した水蒸気を窒素ガスの代わりに利用する。
【0081】
図6中、折れ線R11(実線)は、燃焼用空気k4の流量、折れ線R12(長い二点鎖線)は、改質用原料ガスhの流量、折れ線R13(短い一点鎖線)は、燃焼用ガスmの流量、折れ線R15(破線)は、ブリード空気k2の流量を表す。図6中、折れ線R16(実線)は、プロセス水pの流量、折れ線R17(実線)は、スタック電流Isを表す。図6中、横軸は時間の経過、縦軸は流量(単位はNL/min)を表す。図7中、横軸は時間の経過、縦軸は流量(単位L/min)、電流(単位A)を表す。
【0082】
時間t0から時間t3までは、時間t3にプロセス水pの供給を停止せずに供給を維持する点を除けば、前述の燃料電池発電システム1の停止運転方法と同じである。よって、時間t0から時間t3までの説明を省略する。また前述の燃料電池発電システム1の停止運転方法では、時間t3と時間t4の間は5分であるが、本燃料電池発電システム101の停止運転方法では、10分としている。
【0083】
時間t3と時間t4の間の時間t3’(時間t3から5分経過)より少し前の時間t31’で、プロセス水pの供給を停止するので、プロセス水pは、時間t3から時間t31’の間も続けて供給される。よって、供給されたプロセス水pは、改質部21で蒸発し水蒸気となるが、この水蒸気が、改質用原料ガスhの供給を停止した後は、改質用蒸気として働くのではなく、燃料処理装置2内の改質ガス系統ライン76に残留する可燃性ガス(改質用原料ガスhおよび改質ガスg)を置換しバーナー部25に向けて押し出して排除するよう働く。ここでプロセス水p及びプロセス水が蒸発した水蒸気は本発明の第1不燃性流体である。バーナー部25に押し出された可燃性ガスは、バーナー部25での燃焼用ガスmの燃焼により同様に燃焼される。この時点で(時間t31’)、燃焼用ガスmと燃焼用空気k4の供給が続けられているのでバーナー部25の燃焼が行われている。
【0084】
時間t31’にプロセス水pの供給が停止され、一度停止されたブリード空気k2の供給が時間t31’に再開される。このときのブリード空気k2の流量は1NL/minである。ここでブリード空気k2を供給するのは、プロセス水pが蒸発した水蒸気は、冷却器77の下流側は水蒸気の冷却による凝縮のため可燃性ガスの置換を十分にすることはできないが、ブリード空気k2を供給することにより冷却器77の下流側(改質ガス搬送ライン16(三方切替弁の燃料電池スタック3側を除く)、切替ライン67、アノードオフガスライン17の冷却器77の下流側(切替ライン67の接続部の燃料電池スタック3側を除く))の可燃性ガスの置換をすることができる。ここでブリード空気k2は、本発明の第2不燃性流体である。
時間t3’より僅かに前(時間t31’より後)に、燃焼用空気k4の流量が13.5NL/minから12.5NL/minの減少する。この減少は、ブリード空気k2の供給再開による。
【0085】
時間t4(時間t3’より5分間経過)より少し前の時間t33’に、燃焼用ガスmの供給、ブリード空気k2の供給を停止し、燃焼用空気k4の流量を20NL/minに増加させる。バーナー部25から水分を完全に除去し、次に燃料電池発電システム101を起動したときに、バーナー部25の着火性を確保するためである。
【0086】
時間t4に、燃焼用ガスm、ブリード空気k2の流量が0となる。
【0087】
時間t5(例えば、時間t4より5分経過)より少し前である時間t41に、燃焼用空気k4の供給を停止し、時間t5に燃焼用空気の流量が0となり、燃料電池発電システム1を停止する。なお、時間t2に、残留するスタック電圧を前述の▲1▼▲2▼▲3▼の少なくともいずれかの方法で放電し燃料電池スタック3内に残留する改質ガスg中の水素を消費する。
【0088】
第2の実施の形態の燃料電池発電システム101によれば、スタック電流Isを減少させて0とし燃料電池スタック3の発電を停止し、燃焼用原料ガスmがバーナー部25へ供給されている状態で、改質用原料ガスhの供給を停止するので、改質用原料ガスhの供給の停止後もバーナー部25へ燃焼用原料ガスmを供給しバーナー部25での燃焼を維持することができる。改質用原料ガスhの供給停止後もプロセス水pを供給するので、プロセス水pが蒸発した水蒸気によって改質ガス系統ライン76中の改質用原料ガスh、改質ガスgを置換し、バーナー部25へ押し出して排除し、押し出した改質用原料ガスh、改質ガスgをバーナー部25で燃焼させることができる。次に、ブリード空気k2の供給を開始するのでプロセス水pが蒸発した水蒸気では置換することのできない冷却器77下流側の可燃性ガスをブリード空気k2によって置換することができる。よって、燃料電池発電スタック101の停止後に残留した改質用原料ガスh、改質ガスgの環境への放出を大幅に削減することができる。
【0089】
【発明効果】
以上のように本発明によれば、燃料処理装置と、燃料電池スタックと、制御部とを備えるので、制御部によって、燃料電池スタックの発電を停止し、燃焼用原料がバーナー部へ供給されている状態で、改質用原料の供給を停止するので、改質用原料の供給の停止後もバーナー部へ燃焼用原料を供給しバーナー部での燃焼を維持することができる。改質ガス系統ラインに第1不燃性流体を供給するので、改質ガス系統ライン内の改質用原料は改質ガスをバーナー部へ押し出し排除し、燃焼用原料の供給で燃焼が維持されているバーナー部で燃焼させることができる。このように燃料電池発電システム内の残留可燃性ガスを安全に処理,パージし,システムを停止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態の燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図2】図1の燃料電池発電システムの負荷の詳細を説明するブロック図である。
【図3】図1の燃料電池発電システムの停止運転方法を示すグラフである。
【図4】図1の燃料電池発電システムの停止運転におけるスタック電流とプロセス水の時間的変化を示すグラフである。
【図5】第2の実施の形態の燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図6】図5の燃料電池発電システムの停止運転方法を示すグラフである。
【図7】図5の燃料電池発電システムの停止運転におけるスタック電流とプロセス水の時間的変化を示すグラフである。
【符号の説明】
1、101 燃料電池発電システム
2 燃料処理装置
3 燃料電池スタック
4、104 制御部
5 負荷
11 燃料供給ライン
12 選択酸化用空気供給ライン
13 プロセス水供給ライン
16 改質ガス搬送ライン
17 アノードオフガスライン
21 改質部
22 変成部
23 選択酸化部
25 バーナー部
32、34、36、38、42、44 調節弁
39 温度検出器
45 スタック電圧検出器
46 スタック電流検出器
47〜52 流量計
53 ブリード空気導入口
54 電圧電流データ記憶部
55 変成部適正温度記憶部
f アノードオフガス
g 改質ガス
h 燃料
i1 流量制御信号
i2 温度信号
i3 電圧信号
i4 電流信号
i5 流量信号
i6 切替信号
Is スタック電流
k1 選択酸化用空気
k2 ブリード空気
k3 スタック用空気
n 燃焼用ガス
p プロセス水
Vs スタック電圧
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generation system, and more particularly to a fuel cell power generation system capable of appropriately processing flammable gas (for example, reformed gas, anode off gas, etc.) remaining in the fuel cell power generation system during a stop operation.
[0002]
[Prior art]
In the conventional fuel cell power generation system, the release of the reformed gas remaining in the reformed gas system in the fuel processor and the reformed gas system in the fuel cell stack during the stop operation is specially treated. It was often done without doing.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, even though it is temporarily performed in a small amount during stop operation, releasing flammable gas as it is to the environment releases not only dangers such as fire but also toxic gases such as carbon monoxide. In particular, there is a possibility of danger in a small fuel cell power generation system that may be installed indoors.
[0004]
Accordingly, the present invention provides a safe fuel cell power generation system capable of processing the combustible gas in the reformed gas system after the supply of the reforming raw material gas is stopped and greatly reducing the amount released to the environment. With the goal.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, a fuel cell power generation system 1 according to a first aspect of the present invention includes, as shown in FIG. 1, for example, a first inlet 71 for introducing a reforming raw material h, and the introduced reformer. A reforming unit 21 that reforms the raw material h into a reformed gas g, a selective oxidation unit 23 that selectively oxidizes carbon monoxide contained in the reformed gas g with the selective oxidation air k1, and a selective oxidation unit. 23, the outlet 74 for deriving the reformed gas g, the first inlet 71, the reforming unit 21, the selective oxidation unit 23, and the outlet 74 are connected to the reforming raw material h or the reforming h. A fuel treatment device 2 having a reformed gas system line 76 for guiding the quality gas g, and a burner section 25 for burning at least the anode off-gas f and heating the reforming section 21; using the derived reformed gas g Fuel that generates power and discharges the anode off-gas f to the burner section 25 A cell stack 3; (B1) for combustion material m is supplied to the burner section 25or notWhen the combustion raw material m is not supplied to the burner unit 25, the supply of the combustion raw material m to the burner unit 25 is started, and then the introduction of the reforming raw material h is stopped (C1 ) A control unit 4 that introduces a first incombustible fluid n that pushes the combustible gas remaining in the reformed gas system line 76 to the burner unit 25 from the first introduction port 71.
[0006]
If comprised in this way, since the fuel processing apparatus 2, the fuel cell stack 3, and the control part 4 are provided, it is for reforming in the state by which the raw material for combustion m is supplied to the burner part 25 by the control part 4. Since the supply of the raw material h is stopped, the combustion in the burner unit 25 can be maintained even after the supply of the reforming raw material h is stopped. Since the first incombustible fluid n is supplied to the reformed gas system line 76, the reforming raw material h or the reformed gas g in the reformed gas system line 76 is pushed out to the burner section 25 to be eliminated, and the combustion raw material m It can be made to burn by the burner part 25 by which combustion is maintained by supply of. As described above, the residual combustible gas in the fuel cell power generation system 1 can be safely processed and purged. The residual combustible gas is a concept that generally includes the reforming raw material h, the reformed gas g, the anode offgas f, and the combustion raw material m remaining in the fuel cell power generation system 1.
[0007]
The supply of the combustion raw material m to the burner unit 25 may be performed after power generation of the fuel cell stack 3 is stopped. In this way, after the power generation of the fuel cell stack 3 is stopped, it is ensured that the combustion is reliably performed by the combustion raw material m in the burner portion 25, and the combustible gas pushed out to the burner portion 25 is reliably burned. Thus, the residual combustible gas in the fuel cell power generation system 1 can be safely processed and the fuel cell power generation system 1 can be stopped. After the control of (C1), the supply of the selective oxidation air k1 may be stopped. In this way, the reformed gas system line 76 can be filled with the first incombustible fluid n, and the purging of the combustible gas with the first incombustible fluid can be performed more efficiently. The supply of the combustion raw material m may be stopped after the control of (C1) or after the supply of the selective oxidation air k1 is stopped. If it does in this way, the burner part 25 can be filled with the 1st nonflammable fluid n, the raw material for modification | reformation h can be extruded, and the purge of combustible gas can be performed more efficiently.
[0008]
The supply of the combustion raw material m is stopped after the reforming raw material h and the reformed gas g are sufficiently removed from the reformed gas system in the fuel processing device 2 and the fuel cell stack 3 by the first incombustible fluid n. Is desirable.
[0009]
In the control of (C1) by the control unit 4, the residual reformed gas g remaining in the reformed gas system line 76 of the fuel processor 2 may be mixed into the burner unit 25. The supply of the raw material h is stopped and the supply of the first incombustible fluid n is started. At the same time, the flow rate of the combustion air k4 is increased to increase the air ratio (air ratio to the combustion raw material), and the residual reformed gas g is sufficient. It is good to make it burn. In addition, after the control of (C1), the supply of the selective oxidation air k1 is stopped, the supply of the combustion raw material m is stopped, and then the burner unit 25 is purged using the combustion air k4. Good. In this way, a small amount of combustion raw material m remaining in the burner portion 25 can be purged.
[0010]
When the first incombustible fluid n contains water vapor or is water vapor, the water remaining in the burner unit 25 is removed by the supply of the first incombustible fluid n by purging with the combustion air k4, and the next burner unit 25 Ignition can be performed smoothly. When the first incombustible fluid n is water vapor and a cooler 77 (FIG. 5) for cooling the reformed gas g exiting the selective oxidation unit 23 is further installed, the water vapor cooler 77 Since the downstream purge is not performed, the burner portion 25 is purged by the combustion air k4, and the residual combustible gases h and g can be removed from the burner portion 25.
[0011]
A fuel cell power generation system 1 according to a second aspect of the present invention is the fuel cell power generation system according to the first aspect, wherein the derived reformed gas g is conveyed to the fuel cell stack 3 as shown in FIG. A reformed gas line 16 having a second inlet 53 for introducing bleed air k2 for further oxidizing carbon monoxide remaining in the derived reformed gas g; Then, the process water p evaporated in the reforming unit 21 and used as reforming steam is introduced from the first introduction port 72, and the process water p is introduced in the control of (C1), and reforming is performed. The process water p evaporated by the part 21 is used as the first incombustible fluid p, and further, the flared air is used as the second incombustible fluid for pushing the combustible gas remaining in the reformed gas line 16 to the burner part 25. The k2 is introduced from the second inlet 53.
[0012]
In the control (C1), the process water p is introduced from the first introduction port 72 and the process water p evaporated in the reforming unit 21 is used as the first incombustible fluid. Residual combustible gas remaining in the reformed gas system line 76 can be pushed out to the burner unit 25 by the evaporated process water p while being supplied to the burner unit 25. Furthermore, since the bleed air k2 is introduced from the second introduction port 53 as the second incombustible fluid, the combustible gas remaining in the reformed gas line 16 can be pushed out to the burner section 25. In particular, when the cooler 77 for cooling the reformed gas g is installed in the reformed gas line 16, it is difficult to purge the downstream of the cooler 77 with the evaporated process water p. The residual combustible gas remaining in the reformed gas line 16 can be pushed out to the burner section 25 by purging with bleed air k2 from the side.
[0013]
A fuel cell power generation system 1 according to a third aspect of the present invention is the fuel cell power generation system according to the first or second aspect, wherein, for example, as shown in FIG. 1, FIG. 3, and FIG. Before the control of B1), the control of (A1) for stopping the power generation of the fuel cell stack 3 is performed, and further, in the control of (A1), the stack current Is generated by the fuel cell stack 3 is decreased with a predetermined gradient. Then, the power generation is stopped by setting it to 0, and the supply amount of the reforming raw material h is reduced to a predetermined flow rate and held.
[0014]
With this configuration, the supply amount of the reforming raw material h can be gradually reduced, and after the power generation is stopped, the reformed gas system line of the fuel processing device 2 is supplied by the supply of the first incombustible fluid n. The reforming raw material h and the reformed gas g in the fuel cell stack 3 and the reformed gas g can be smoothly purged, and the combustion gas m can be reliably burned by the combustion in the burner portion 25. The decrease in the supply amount of the reforming raw material h is typically advanced simultaneously with the decrease in current. The predetermined gradient is a decreasing gradient such that excessive anode off gas f is not supplied to the burner section 25, and is typically about 1 L / min.
[0015]
A fuel cell power generation system 1 according to a fourth aspect of the present invention is the fuel cell power generation system according to any one of the first to third aspects, wherein, for example, as shown in FIG. Residual hydrogen remaining in the battery stack 3 is configured to be consumed by discharging the stack residual voltage of the fuel cell stack 3;
The control unit 4
(E1) The discharge is caused simultaneously with the control of (C1),
(F1) When the cell voltage of any one of the fuel cell stacks 3 becomes a predetermined value or less, the discharge is stopped,
(G1) When the cell voltage that has fallen below the predetermined value has recovered to a predetermined value, the discharge is caused to occur again;
The control of (E1), the control of (F1), and the control of (G1) are repeated a predetermined number of times or until no cell voltage recovery occurs.
[0016]
With this configuration, the first incombustible fluid n is supplied to the reformed gas system line 76, and the reforming raw material h and the reformed gas g in the reformed gas system line 76 and in the fuel cell stack 3 are burnered. Since the hydrogen remaining in the fuel cell stack 3 is consumed by discharge, the combustible gases h and g in the fuel cell power generation system 1 are shortened. Can be reliably removed in time.
[0017]
For example, as shown in FIG. 2, the fuel cell stack 3 includes a DC / DC converter 81 that transforms an output DC voltage to a predetermined DC voltage, and a DC / DC converter inrush current prevention resistor R1, or In addition, the control unit 4 consumes residual hydrogen in the fuel cell stack 3, and therefore discharge by the DC / DC converter standby power, or discharge by the stack residual voltage discharging resistor R2, or It is preferable to cause discharge by the DC / DC converter inrush current preventing resistor R1.
[0018]
When the residual power in the fuel cell stack 3 can be consumed in a sufficiently short time with the standby power of the DC / DC converter 81, the discharge by the standby power is performed. In order to cope with the case where the consumption current is large, the inrush prevention resistor R1 is arranged in series with the DC / DC converter 81, thereby increasing the electric resistance and suppressing the consumption current to discharge at an appropriate consumption rate, and the residual hydrogen in the stack Can consume minutes. Further, since the stack residual voltage discharging resistor R2 is provided to cope with the case where the current consumption is insufficient, the residual hydrogen content in the fuel cell stack 3 can be consumed by discharging using the resistor R2.
[0019]
The fuel cell power generation system 101 according to claim 4 further includes a reformed gas line 16 for guiding the derived reformed gas g to the fuel cell stack 3 and power generation by the fuel cell stack 3 as shown in FIG. A gas line including an anode off-gas line 17 that guides the reformed gas g that has not been used in the fuel cell stack 3 to the burner unit 25; the gas line supplies the derived reformed gas g to the burner unit The control unit 104 may be configured to perform switching by the switching unit 68 after the control (A1) and before the control (B1). Good.
[0020]
With this configuration, the reformed gas g derived during normal operation is guided to the fuel cell stack 3 through the reformed gas line 16, and the reformed gas g that has not been used for power generation in the fuel cell stack 3 is converted into the anode. It can be led from the fuel cell stack 3 to the burner unit 25 via the off gas line 17. On the other hand, at the time of stop operation, after the power generation of the fuel cell stack 3 is stopped, switching is performed by the switching means 68 so that the derived reformed gas g is directly sent to the burner unit 25, and the reformed gas to the fuel cell stack 3 is Residual hydrogen remaining in the fuel cell stack 3 can be consumed by cutting off the supply of g and discharging the stack residual voltage of the fuel cell stack 3. In addition, sending directly to the burner unit 25 means sending to the burner unit 25 without passing through the fuel cell stack 3. At this time, when the combustion raw material m is not supplied to the burner unit 25, the supply may be started, and then the supply of the reforming raw material h may be stopped.
[0021]
  The fuel cell power generation system 1 according to the invention of claim 5 includes, as shown in FIG. 1, for example, first introduction ports 71 and 72 for introducing a reforming raw material h and process water p, and the introduced process water. The reforming unit 21 that reforms the reforming raw material h into the reformed gas g by evaporating p and using it as the reforming steam, and the carbon monoxide contained in the reformed gas g by the selective oxidation air k1 A selective oxidation unit 23 that selectively oxidizes, and a lead-out port 74 that leads out the reformed gas g exiting the selective oxidation unit 23YesA reforming gas line 16 that conveys the derived reformed gas g, and introduces a bleed air k2 that further oxidizes carbon monoxide remaining in the derived reformed gas g. 2 a reformed gas line 16 having an inlet 53; a fuel cell stack 3 that generates electricity using a reformed gas g obtained by oxidizing carbon monoxide with bleed air k2; and (B2) a first raw material for reforming h. After stopping the introduction from the introduction port 71, after a predetermined time has elapsed, the introduction of the process water p from the first introduction port 72 is stopped, and (C2) the control unit that introduces the bleed air k2 from the second introduction port 53 With 4The predetermined time is a sufficient time that the reforming raw material h or the reformed gas g remaining in the fuel processing apparatus 2 can be pushed out by the reforming steam and removed.
[0022]
If comprised in this way, since the fuel processor 2, the reformed gas line 16, the fuel cell stack 3, and the control part 4 are provided, after the introduction of the reforming raw material h is stopped by the control part 4, After the predetermined time has elapsed, the introduction of the process water p can be stopped and the bleed air k2 can be introduced.
[0023]
Since the introduction of the process water p is stopped after a lapse of a predetermined time after the introduction of the reforming raw material h is stopped, the process water p is introduced for a predetermined time after the introduction of the reforming raw material h is stopped. As a result, the process water p is evaporated in the reforming unit 21, and the evaporated water vapor can be used as a purge gas for extruding the reforming raw material h and the reformed gas g remaining in the fuel processing apparatus 2. Since the introduction of the process water p is stopped and the bleed air k2 is introduced, the water vapor remaining in the reformed gas line 16 can be further pushed out by the bleed air k2, and the residual water due to the condensation of the water vapor can be avoided. it can. The predetermined time referred to here is a sufficient time during which the reforming raw material h and the reformed gas g remaining in the fuel processing apparatus 2 can be pushed out and removed by the water vapor obtained by evaporating the process water p.
[0024]
In addition, since the fuel processing apparatus 2 typically has the burner unit 25, in this case, moisture remaining in the burner unit 25 is removed by purging with the bleed air k2, and the next fuel cell power generation system 1 is started. The burner part 25 can be ignited smoothly. Further, when the cooler 77 for cooling the reformed gas g exiting the selective oxidation unit 23 is installed in the reformed gas line 16, it is difficult to purge downstream of the cooler with water vapor. The burner section 25 can be purged by the bleed air k2 downstream of the section 23 and upstream of the cooler 77. By this purge, the combustible fluid n remaining in the reformed gas line 16 can be removed. Further, the burner unit 25 may be purged using combustion air k4.
When the bleed air k2 is supplied in (C2), the flow rate of the combustion air k4 may be decreased by the flow rate of the bleed air k2 in order to keep the air ratio constant. Note that the supply of the process water p is typically stopped before the temperature of the portion of the fuel processing apparatus 2 in contact with the water vapor becomes equal to or lower than the boiling point of moisture.
[0025]
In claim 5, for example, as shown in FIG. 1, after the control unit 4 stops (A2) power generation of the fuel cell stack 3, the introduction of the bleed air k2 is stopped, and (B2) the reforming raw material After stopping the introduction of h from the first introduction port 72, the introduction of the process water p from the first introduction port 72 is stopped after a lapse of a predetermined time, and (C2) from the second introduction port 53 of the bleed air k2 (D2) After a predetermined time has elapsed, the introduction of the bleed air k2 may be stopped again.
[0026]
In this way, after the power generation of the fuel cell stack 3 is stopped, the combustible gases h and g remaining in the fuel processing device 2 are purged from the fuel processing device 2 by the evaporated process water p, and the fuel cell power generation system 1 is stopped. can do. In particular, after the supply of the bleed air k2 is stopped, the purge is performed by the process water p introduced from the first introduction port 72 and evaporated, so that the purge in the fuel processing apparatus 2 can be performed more efficiently.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the mutually same or equivalent member, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[0028]
The configuration of the fuel cell power generation system 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the block diagram of FIG. The fuel cell power generation system 1 includes a fuel treatment device 2, a fuel cell stack 3 that is a solid polymer electrolyte fuel cell, a control device 4, a fuel supply line 11, a selective oxidation air supply line 12, and process water. Supply line 13, combustion gas supply line 14, combustion air supply line 10, or reformed gas transport line 16 as a reformed gas line, anode offgas line 17, and bleed air supply as a bleed air line The line 18 includes a stack air supply line 19, a nitrogen gas supply line 20, and a switching line 67.
[0029]
The fuel supply line 11 includes a blower 31 as a fluid booster, a control valve 32 as a flow control device, and a flow meter 47 as a flow measurement device, and the selective oxidation air supply line 12 includes a blower 33 and a control valve 34. And a flow meter 48. The process water supply line 13 includes a pump 35 as a fluid booster, a control valve 36, and a flow meter 49, and the combustion gas supply line 14 includes a blower 37, a control valve 38, and a flow meter 50. The combustion air supply line 10 includes a blower 64, a control valve 65, and a flow meter 66. A bleed air inlet 53 as a second inlet for introducing bleed air k2 into the reformed gas carrier line 16 is formed in the reformed gas carrier line 16, and the bleed air inlet line 53 has a bleed air supply line 18. Is connected. The bleed air supply line 18 includes a blower 41, a control valve 42, and a flow meter 51, and the stack air supply line 19 includes a blower 43, a control valve 44, and a flow meter 52. The nitrogen gas supply line 20 includes a nitrogen cylinder (not shown) as a nitrogen gas supply source, a control valve 62, and a flow meter 63.
[0030]
The fuel processing apparatus 2 includes a reforming unit 21, a shift unit 22, a selective oxidation unit 23, a burner unit 25, a fuel introduction port 71 as a first introduction port, and a process water introduction port as a first introduction port. 72, the selective oxidation air inlet 73, the reformed gas outlet 74, the fuel inlet 71, the reformer 21, the shifter 22, the selective oxidizer 23, and the reformed gas outlet 74 are communicated. A quality gas system line 76 is provided.
[0031]
The fuel supply line 11 is connected to the fuel inlet 71. The reforming raw material gas h as the reforming raw material introduced from the fuel supply line 11 to the fuel introduction port 71 is supplied to the reforming unit 21. The reforming unit 21 reforms the supplied reforming raw material gas h to form a reformed gas g containing hydrogen as a main component (for example, about 70 to 75% in terms of hydrogen component). Is done. In the shift unit 22, a CO shift reaction of the reformed gas g is performed. The selective oxidation air supply line 12 is connected to the selective oxidation air introduction port 73. The selective oxidation air k <b> 1 introduced from the selective oxidation air supply line 12 to the selective oxidation air introduction port 73 is supplied to the selective oxidation unit 23. In the selective oxidation unit 23, the selective oxidation of the carbon monoxide gas remaining in the reformed gas by the selective oxidation air k1 is performed. A process water supply line 13 is further connected to the fuel inlet 71. The process water p introduced from the process water supply line 13 to the fuel introduction port 71 is supplied to the reforming unit 21. The process water p supplied to the reforming unit 21 is evaporated to become reforming steam. A combustion gas supply line 14 is connected to the burner unit 25, and a combustion gas m as a burner gas or a combustion raw material is supplied to the burner unit 25. A combustion air supply line 10 is further connected to the burner unit 25 to supply combustion air k <b> 4 to the burner unit 25. Further, an anode off gas line 17 is connected to the burner unit 25 as will be described later, and an anode off gas f is supplied. The burner unit 25 burns the combustion gas m with the combustion air k4 and supplies heat necessary for the reforming reaction and the transformation reaction. The reforming raw material may be a liquid. In this case, a pump (not shown) is used instead of the blower 31.
[0032]
The control unit 4 sends the flow rate control signal i1 to the control valve 32, the control valve 34, the control valve 36, the control valve 38, and the control valve 62 individually. Receiving the flow control signal i1 from the control unit 4, the adjustment valve 32 adjusts the supply amount of the reforming raw material gas h to the reforming unit 21, and the adjustment valve 34 selects the selective oxidation unit 23 of the selective oxidation air k1. The control valve 36 adjusts the supply amount of the process water p to the reforming unit 21, the control valve 38 adjusts the supply amount of the combustion gas m to the burner unit 25, The regulating valve 65 regulates the supply amount of the combustion air k4 to the burner unit 25. The control valve 62 adjusts the supply amount of the nitrogen gas n as the first incombustible fluid or incombustible gas to the reforming unit 21.
[0033]
The blower 31, the blower 33, the pump 35, the blower 37, and the blower 64 are driven by a motor (not shown) and are respectively a reforming raw material gas h, selective oxidation air k1, process water p, combustion gas m, and combustion air. k4, nitrogen gas n which is an inert gas is supplied, and the rotational speed is substantially constant in a steady state. These may be driven by, for example, a steam turbine (not shown), and the flow rate may be controlled by rotation speed control. In this case, the regulating valves 32, 34, 36, 38, 65, 62 need not be installed.
[0034]
The flow meter 47 measures the flow rate of the reforming raw material gas h supplied to the reforming unit 21, and the measured flow rate is sent to the control unit 4 as a flow rate signal i5. The flow meter 48 measures the flow rate of the selective oxidation air k1 supplied to the selective oxidation unit 23, and the measured flow rate is sent to the control unit 4 as a flow rate signal i5. The flow meter 49 measures the flow rate of the process water p supplied to the reforming unit 21, and the measured flow rate is sent to the control unit 4 as a flow rate signal i5. The flow meter 50 measures the flow rate of the combustion gas m supplied to the burner unit 25, and the measured flow rate is sent to the control unit 4 as a flow rate signal i5. The flow meter 66 measures the flow rate of the combustion air k4 supplied to the burner unit 25, and the measured flow rate is sent to the control unit 4 as a flow rate signal i5. The flow meter 63 measures the flow rate of the nitrogen gas n supplied to the reforming unit 21, and the measured flow rate is sent to the control unit 4 as a flow rate signal i5.
[0035]
The reformed gas transport line 16 connects the outlet 74 of the fuel processor 2 and the fuel cell stack 3 and transports the reformed gas g exiting the selective oxidation unit 23 from the outlet 74 to the fuel cell stack 3. A three-way switching valve 68 is installed in the reformed gas transfer line 16. A switching signal i6 for switching the three-way switching valve is sent from the control unit to the three-way switching valve 68. The anode off gas line 17 connects the fuel cell stack 3 and the burner unit 25, and conveys an anode off gas f described later from the fuel cell stack 3 to the burner unit 25 for supply. One end of a switching line 67 is connected to the three-way switching valve 68, and the other end of the switching line 67 is connected to the anode off gas line 17.
[0036]
The three-way switching valve 68 is open on the a1 side during normal operation, and the reformed gas g exiting the selective oxidation unit 23 flows from the fuel processing device 2 through the reformed gas transport line 16 to the stack battery 3 side. When the three-way switching valve 68 is switched to the b1 side at the same time as the stop operation is started, the reformed gas g exiting the selective oxidation unit 23 passes from the reformed gas transfer line 16 through the switching line 67 to the anode off gas line. 17 is sent to the burner unit 25. A check valve 69 is installed upstream of the junction of the anode off-gas line 17 and the switching line 67 so that the reformed gas g flowing into the anode off-gas line 17 does not flow back to the fuel cell stack 3.
[0037]
The fuel cell stack 3 has a multiple structure in which fixed polymer membranes (not shown) and separators (not shown) are alternately stacked, and the supplied reformed gas g and stack air k3 are reacted electrochemically. As a result, the anode off-gas f (unused reformed gas) is generated. Here, the anode off gas f is a surplus reformed gas after hydrogen is used for power generation in the fuel cell stack 3, and for example, 80 percent (mole percent) of the hydrogen contained in the reformed gas g is used for power generation. When used, it is a so-called hydrogen-rich gas containing the remaining 20 percent (mole percent) equivalents of hydrogen.
[0038]
The fuel cell stack 3 includes a cell voltage detector 75 that detects each cell voltage. Each cell voltage detected by the cell voltage detector 75 is sent to the control unit as a voltage signal i3. In the figure, only one voltage signal i3 sent from the cell voltage detector 75 is shown, and the others are omitted.
[0039]
The bleed air supply line 18 is connected to the reformed gas transport line 16 as described above, and supplies the bleed air k2 to the reformed gas transport line 16. In the reformed gas g, the remaining CO gas is oxidized by the bleed air k2. The stack air supply line 19 is connected to the fuel cell stack 3 and supplies the stack air k3 to the fuel cell stack 3. The control unit 4 sends the flow control signal i1 to the control valves 42 and 44 individually. The adjustment valve 42 adjusts the supply amount of the bleed air k2 to the reformed gas transfer line 16, and the adjustment valve 44 adjusts the supply amount of the stack air k3 to the fuel cell stack 3. The blowers 41 and 43 are driven by a motor (not shown), and the rotation speed is substantially constant in a steady state. These may be driven by, for example, a steam turbine (not shown), and the flow rate may be controlled by rotation speed control. In this case, the control valves 42 and 44 may not be installed. The flow meter 51 measures the flow rate of the bleed air k2 supplied to the reformed gas transfer line 16, and the measured flow rate is sent to the control unit 4 as a flow rate signal i5. The flow meter 52 measures the flow rate of the stack air k3 as the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 3, and the measured flow rate is sent to the control unit 4 as a flow rate signal i5.
[0040]
The fuel cell stack 3 is electrically connected to a load 5 (any electrical device). The fuel cell stack 3 includes a stack voltage detector 45 that detects the stack voltage Vs and a stack current detector 46 that detects the stack current Is. The stack voltage Vs detected by the stack voltage detector 45 is sent to the control unit 4 as a voltage signal i3. The stack current Is detected by the stack current detector 46 is sent to the control unit 4 as a current signal i4.
[0041]
Next, the operation during normal operation of the fuel cell power generation system 1 will be described. The combustion gas m conveyed by the blower 37 at the time of start-up and auxiliary combustion is supplied from the combustion gas supply line 14 to the burner unit 25. The control valve 38 installed in the combustion gas supply line 14 receives the flow control signal i1 from the control unit 4, and is controlled to a predetermined opening so as to flow the combustion gas m having a flow rate corresponding to the flow control signal i1. The The control valve 65 installed in the combustion air supply line 10 receives the flow control signal i1 from the control unit 4 and is controlled to a predetermined opening degree so that the combustion gas m having a flow rate corresponding to the flow control signal i1 flows. The The flow rate of the combustion gas m is measured by the flow meter 50, and the measured flow rate is sent to the control unit 4 as a flow rate signal i5. During normal operation, the anode offgas f is supplied to the burner unit 25 from the fuel cell stack 3 via the anode offgas line 17. The combustion heat generated in the burner unit 25 is used for the reforming reaction heat in the reforming unit 21, and a reforming catalyst (not shown) filled in the reforming unit 21 and a CO shift catalyst charged in the shift unit 22. (Not shown) is used to maintain a predetermined temperature suitable for the reaction.
[0042]
The reforming raw material gas h is conveyed by the blower 31 and supplied to the reforming unit 21 through the fuel supply line 11. The control valve 32 installed in the fuel supply line 11 receives a flow rate control signal i1 from the control unit 4, and is controlled to a predetermined opening so as to flow the reforming raw material gas h having a flow rate corresponding to the flow rate control signal i1. The The flow rate of the reforming raw material gas h is measured by the flow meter 47, and the measured flow rate is sent to the control unit 4 as a flow rate signal i5.
[0043]
The process water p is conveyed by the pump 35 and supplied to the reforming unit 21 through the process water supply line 13. The control valve 36 installed in the process water supply line 13 receives the flow control signal i1 from the control unit 4, and is controlled to a predetermined opening so that the process water p having a flow rate corresponding to the flow control signal i1 flows. The flow rate of the process water p is measured by the flow meter 49, and the measured flow rate is sent to the control unit 4 as a flow rate signal i5. The process water p supplied to the reforming unit 21 evaporates in the reforming unit 21 and is used as reforming steam s. That is, in the reforming unit 21, when the reforming raw material gas h is methane, the reforming catalyst performs CH4+ H2O → CO + 3H2  A steam reforming reaction expressed by the following formula is performed to obtain a reformed gas g. Where H2O is reforming steam.
[0044]
The reformed gas g is sent from the reforming unit 21 to the shift unit 22, and in the shift unit 22, CO + H is generated by a CO shift catalyst.2O → CO2+ H2  The transformation reaction represented by Further, the reformed gas g is sent from the shift unit 22 to the selective oxidation unit 23. The selective oxidation air k <b> 1 is conveyed by the blower 33 and is supplied from the selective oxidation air supply line 12 to the selective oxidation unit 23. The control valve 34 installed in the selective oxidation air supply line 12 receives the flow control signal i1 from the control unit 4 and has a predetermined opening degree so as to flow the selective oxidation air k1 having a flow rate corresponding to the flow control signal i1. Be controlled. The flow rate of the selective oxidation air k1 is measured by the flow meter 48, and the measured flow rate is sent to the control unit 4 as a flow rate signal i5.
[0045]
The CO gas remaining in the reformed gas g is selectively oxidized by the selective oxidization section 23 with the selective oxidation air k1, and CO + (1/2) O.2→ CO2  The reaction represented by The reformed gas g from which the CO gas has been removed is supplied toward the fuel cell stack 3 through the reformed gas transport line 16.
[0046]
The CO gas contained in the reformed gas g being transported in the reformed gas transport line 16 is oxidized by the bleed air k2 supplied into the reformed gas transport line 16.
The bleed air k <b> 2 is transported by the blower 41 and supplied from the bleed air supply line 18 to the reformed gas transport line 16. The control valve 42 installed in the bleed air supply line 18 receives the flow control signal i1 from the controller 4, and is controlled to a predetermined opening degree so that the bleed air k2 having a flow rate corresponding to the flow control signal i1 flows. The flow rate of the bleed air k2 is measured by the flow meter 51, and the measured flow rate is sent to the control unit 4 as a flow rate signal i5.
[0047]
The fuel cell stack 3 is supplied with the stacking air k3 conveyed by the blower 43 through the stacking air supply line 19. The control valve 44 installed in the stack air supply line 19 receives the flow control signal i1 from the control unit 4, and is controlled to a predetermined opening so that the stack air k3 having a flow rate corresponding to the flow control signal i1 flows. The The flow rate of the stacking air k3 is measured by the flow meter 52, and the measured flow rate is sent to the control unit 4 as a flow rate signal i5.
[0048]
In the fuel cell stack 3, the reformed gas g and the stack air k <b> 3 are electrochemically reacted to generate power and supply power to the load 5. A part of the reformed gas g supplied to the fuel cell stack 3 is not used for power generation, leaves the fuel cell stack 3, is sent to the burner unit 25 as the anode off-gas f, and is burned in the burner unit 25.
During the normal operation, the control valve 62 receives the flow rate control signal i1 so as to make the opening degree 0 from the control unit 4 and maintains the closed state, and the nitrogen gas n is not supplied during the normal operation.
[0049]
As shown in FIG. 2, the load 5 includes a DC / DC converter 81, an inverter 82, and a load body 5A in series in this order. On the input side of the inverter 82, a smoothing capacitor 83, a switch SW1 including three contacts aa1, bb1, and cc1 and a switch SW2 including two contacts aa2 and bb2 are installed.
[0050]
When the power generation of the fuel cell stack 3 is terminated, the switch SW1 is connected to the contact aa1, the switch SW1 is turned off, and the inverter 82 and the load body 5A are disconnected from the DC / DC converter 81 and the fuel cell stack 3.
When power generation by the fuel cell stack 3 is started, the switch SW1 is connected to the contact bb1, the inverter 82 and the load 5A are connected to the DC / DC converter 81 and the fuel cell stack 3 via the inrush current preventing resistor R1, When shifting to steady power generation, the switch SW1 is connected from the contact bb1 to the contact cc1.
[0051]
During steady power generation, the switch SW2 is connected to the contact aa2, and the switch SW2 is off. When discharging the stack residual voltage at the time of power generation suspension, the switch SW2 is connected to the contact bb2, and the stack residual voltage is discharged by the residual voltage discharging resistor R2. After the end of the discharge, the switch SW2 is connected to the contact aa2 and turned off.
[0052]
Next, a stop operation method by the control unit 4 of the fuel cell power generation system 1 of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4 and FIG. 1 as appropriate. In FIG. 3, the horizontal axis represents the passage of time, and the vertical axis represents the flow rate (the unit is gas NL / min). In FIG. 4, the horizontal axis represents the passage of time, and the vertical axis represents the flow rate (unit L / min) and the current (unit A).
[0053]
In FIG. 3, the broken line R1 (solid line) indicates the flow rate of the combustion air k4, the broken line R2 (long two-dot chain line) indicates the flow rate of the reforming raw material gas h, and the broken line R3 (short alternate long and short dash line) indicates the combustion gas m. The broken line R4 (short two-dot chain line) represents the flow rate of the nitrogen gas n, and the broken line R5 (broken line) represents the flow rate of the bleed air k2. In FIG. 4, the broken line R6 (solid line) represents the flow rate of the process water p, and the broken line R7 (solid line) represents the stack current Is.
[0054]
At time t0, the normal operation of the fuel cell power generation system 1 is performed. At time t0, the flow rate of the combustion air k4 is constant at 20 NL / min, and the flow rate of the reforming raw material gas h is constant at 4.5 NL / min. The flow rate of the combustion air k4 is about 1.2 times the flow rate required for complete combustion of the combustion gas m and the anode off-gas f (the air ratio is about 1.2). The flow rate of the reforming raw material gas h is a flow rate corresponding to the stack current Is of the fuel cell stack 3, and the reformed gas g necessary for the fuel cell stack 3 to generate electric power commensurate with the load 5 is treated with fuel. This is the flow rate required for the device 2 to generate.
[0055]
Similarly, at the time t0, the flow rate of the process water p is constant at 0.011 L / min. The flow rate of the process water p is a flow rate at which the ratio of the molar flow rate of steam obtained from the flow rate of the process water p and the carbon to molar flow rate obtained from the flow rate of the reforming raw material gas h is about 2.8. . The flow rate of the bleed air k2 is constant at 0.7 NL / min. The flow rate of the bleed air k2 is an amount sufficient to oxidize the carbon monoxide remaining in the selectively oxidized reformed gas g.
[0056]
Although not shown in FIG. 3, the constant oxidation air k1 and the stacking air k3 are also supplied at a constant flow rate at time t0. As the flow rate of the selective oxidation air k1, a flow rate necessary for selectively oxidizing carbon monoxide in the reformed gas is supplied. A flow rate corresponding to the current load of the fuel cell stack 3 is supplied to the stack air k3. At time t0, the flow rate of the combustion gas m is zero. Therefore, no combustion is performed in the burner unit 25, and combustion is performed using only the anode off-gas f. Further, at the time t0, the flow rate of the nitrogen gas n is also zero.
[0057]
At time t1, a stop signal (not shown) of the fuel cell power generation system 1 is sent to the control unit 4, and the control unit 4 starts to decrease the value of the stack current Is and shifts to a stop operation. At the same time, the flow rate of the reforming raw material gas h is decreased in correspondence with a decrease in the stack current Is (for example, at a rate of 57 A to 10 A / min). The flow rate of the reforming raw material gas h is a flow rate expressed as a function of the stack current Is. The flow rate of the reforming raw material gas h is controlled so as not to decrease to 1 NL / min or less. The reason why it does not fall below 1 NL / min is to maintain the combustion stability in the burner section 25 that is burning by the anode off gas f. The decrease rate of the stack current Is is set to 10 A / min because the rapid decrease of the stack current Is results in a rapid decrease of the consumed reformed gas flow rate, and the pressure of the reformed gas transport line 16 increases rapidly. In the fuel processing apparatus 2, the back pressure fluctuation due to the change in the flow rate of the reformed gas g causes the amount of CO in the reformed gas g to increase, and the flow rate of the reformed gas g changes suddenly. The sudden change in the flow rate of the anode off gas f due to the above causes incomplete combustion in the burner portion 25. At time t1, the flow rate of the combustion air k4 also starts to decrease.
[0058]
Similarly, at the time t1, the process water p and the bleed air k2 start to decrease at the same reduction rate as the reduction rate of the flow rate of the reforming raw material gas h.
Although not shown in FIG. 3, at the same time t1, the selective oxidation air k1 and the stacking air k3 also start to decrease at the same reduction rate as the reduction rate of the flow rate of the reforming raw material gas h.
[0059]
The stack current Is simply continues to decrease from the time t1 to the time t2 (for example, 5.7 minutes have elapsed from the time t1), and at time t2, the stack current Is becomes 0, and the power generation is stopped. The flow rates of the reforming raw material gas h and the process water p also simply decrease from the time t1 to the time t2, and reach the minimum supply flow rates of 1.0 NL / min and 0.003 L / min, respectively, at the time t2. . The bleed air k2 also simply continues to decrease from time t1 to time t2. The combustion air k4 also simply decreases from time t1 to time t2, and at time t2, the flow rate becomes 10 NL / min.
[0060]
Although not shown in FIG. 3, the selective oxidation air k <b> 1 and the stacking air k <b> 3 similarly simply decrease from the time t <b> 1 to the time t <b> 2.
Further, at time t2, the three-way switching valve 68 is switched from the a1 side to the b1 side, and the reformed gas g exiting the selective oxidation unit 23 is sent from the reformed gas outlet 74 and the reformed gas transport line 16 to the three-way switching valve 68, The gas is supplied to the burner unit 25 through the switching line 67 and the anode off gas line 17. Therefore, the reformed gas g is not supplied to the fuel cell stack 3. The supply of the stacking air k3 stops at time t2 (not shown in FIG. 3).
[0061]
Further, at time t2, it is checked whether or not the combustion gas m is supplied to the burner unit 25 (not shown in FIG. 3). This is performed based on the flow signal i5 from the flow meter 50. When the combustion gas m is not supplied to the burner unit 25 (this embodiment corresponds to this case), supply of the combustion gas m to the burner unit 25 is started. The supply of the combustion gas m is started at a time t21 after a slight elapse of the time t2. The flow rate of the combustion gas m is 1.2 NL / min. At the same time, the flow rate of the combustion air k4 is increased to 28.9 NL / min. The flow rate of the combustion air k4 is determined so that the air ratio is set to 1.2 in consideration of the flow rates of the combustion gas m, the reforming raw material gas h, and the reformed gas g supplied to the burner section 25. It is.
[0062]
After the time t2, the flow rate of the reforming raw material gas h is 1 NL / min, and the flow rate of the process water p is maintained at a certain amount of 0.003 L / min, but a time slightly before the time t3. At t23, the supply of the reforming raw material gas h and the process water p is stopped. At the same time, the flow rate of the combustion air k4 is reduced to 13.5 NL / min.
[0063]
The selective oxidation air k1 (not shown in FIG. 3) and the bleed air k2 continue to decrease at time t2. The flow rate of the bleed air k2 becomes 0 at an intermediate time t22 between time t2 and time t3 described later.
The reason why the flow rate of the bleed air k2 is set to 0 at time t22 is to ensure that the bleed air k2 is supplied when the stack is separated.
[0064]
When the flow rate of the reforming raw material gas h is decreased during the stop operation, the flow rate of the reformed gas g is also decreased. Therefore, the flow rates of the process water p, the bleed air k2, the selective oxidation air k1, and the stack air k3 need to be similarly reduced (not shown in FIG. 3).
[0065]
Next, the supply of the reforming raw material gas h and the process water p is stopped at a time t23 slightly before the time t3. At the same time, the flow rate of the combustion air k4 is reduced to 13.5 NL / min. The flow rate of the combustion gas m is maintained at 1.2 NL / min.
[0066]
At time t3, supply of nitrogen gas n at a flow rate of 5 NL / min to the reformed gas system line 76 is started. Nitrogen gas n is a combustible gas remaining in the reforming gas system line 76, the reforming gas transport line 16 (except the downstream side of the three-way switching valve), and the switching line 67 in the fuel processing apparatus 2 (reforming raw material). h and the reformed gas g) and the reforming vapor from which the process water p has evaporated, and the combustible gas (anode offgas f) remaining in the anode offgas line 17 (excluding the upstream side of the connection portion of the switching line). ) And the combustible gases h, g, f, and reforming steam are pushed out toward the burner section 25 and eliminated. The excluded combustible gases h, g, and f are burned in the burner unit 25. The flow rate of the combustion air k4 is about 20% higher than the flow rate determined on the assumption that the air ratio is 1.2 based on the flow rate of the combustion gas m and the flow rate of the combustible gas pushed out to the burner section 25. . The reason why the flow rate is set in this way is to suppress the generation of unburned combustible gas and carbon monoxide as much as possible by causing the burner unit 25 to efficiently burn the residual combustible gas.
[0067]
The supply of the selective oxidation air k1 is stopped at time t31 which is an intermediate time between time t3 and time t4 described later (not shown in FIG. 3). The reason why the supply amount of the selective oxidation air k1 is stopped at the time t31 is to ensure that the selective oxidation air k1 is supplied when the supply of the reforming raw material gas h is stopped, so that the CO in the reformed gas g This is to reduce the amount.
[0068]
After the period t3, the flow rates of the nitrogen gas n, the combustion gas m, and the combustion air k4 are kept constant, but the supply of the combustion gas m is stopped at a time t32 slightly before the time t4. At the same time, the flow rate of the nitrogen gas n is increased to 15 NL / min, and at the same time, the flow rate of the combustion air k4 is increased to 20 NL / min. As a result, the reformed gas system line 76, the reformed gas transfer line 16 (excluding the three-way switching valve 68 side of the fuel cell stack 3), the switching line 67, and the anode off-gas line 17 (the switching line 67) The combustible gases h and g are replaced by the nitrogen gas n in the connecting portion (excluding the fuel cell stack 3 side), and the combustible gas is completely replaced by the nitrogen gas n and the combustion air k4 in the burner portion 25.
[0069]
At time t4, the flow rate of the combustion gas m becomes zero. At this time, the flow rates of the nitrogen gas n and the combustion air k4 are increasing.
[0070]
At time t41, which is slightly before time t5 (for example, 5 minutes after time t4), the supply of nitrogen gas n and combustion air k4 is stopped, and the fuel cell power generation system 1 is stopped. First, the flow rate of nitrogen gas becomes zero, and then the flow rate of combustion air k4 becomes zero at time t5.
[0071]
At time t2, the remaining stack voltage is discharged by at least one of the following methods, and hydrogen in the reformed gas g remaining in the fuel cell stack 3 is consumed.
(1) Discharge due to standby power of the DC / DC converter 81 (FIG. 2)
(2) Discharge by stack residual voltage discharge resistor R1 (FIG. 2)
(3) Discharge by DC / DC converter inrush prevention resistor R2 (FIG. 2)
Discharge is stopped when any one of the cell voltages detected by the cell voltage detector 75 falls below the first predetermined value (0.4V). When the cell voltage that has fallen below the predetermined value is restored to the second predetermined value (0.5 V) or higher and there is no cell voltage that is equal to or lower than the first predetermined value, the aforementioned discharge is resumed. The process is repeated until the cell voltage of a certain cell is decreased, the cell voltage is recovered, and the discharge is restarted a predetermined number of times (for example, three times) or until the cell voltage is not recovered.
[0072]
The first predetermined value is a value of the cell voltage when hydrogen in a portion in contact with the cell is reduced and there is a possibility that the catalyst or the like may be adversely affected by discharge. The second predetermined value is a value of the cell voltage that does not adversely affect the catalyst even if discharge is performed because hydrogen diffuses in the portion in contact with the cell, hydrogen increases in the portion, and the cell voltage increases. The predetermined number of times is the number of times that the voltage recovery after the stop of the discharge, which is caused by the fact that the diffusion rate of hydrogen in the stack is slower than the hydrogen consumption rate due to the discharge, can be sufficiently suppressed.
[0073]
When the discharge is performed in this manner, the residual hydrogen remaining in the fuel cell stack 3 is consumed by the discharge, so that the reforming raw material gas h and reformed gas g in the fuel cell power generation system 1 are reliably removed in a short time. can do.
[0074]
When the supply of the reforming material gas h is stopped, the gas velocities of the reforming material gas h and the reformed gas g in the reformed gas system line 76 of the fuel processing device 2 are reduced. For this reason, the reforming reaction proceeds, carbon monoxide cannot be sufficiently removed from the reformed gas g, and a reformed gas having a high carbon monoxide concentration may be generated although the amount is small. By operating the three-way switching valve 67, it is possible to prevent the reformed gas g having a high carbon monoxide concentration from entering the fuel cell stack, and the solid polymer membrane (not shown in FIG. 1) of the fuel cell stack 3 can be prevented. ) Carbon monoxide poisoning can be prevented.
[0075]
After stopping the power generation of the fuel cell stack 3 at time t2, the selective oxidization air k1 is supplied until time t31 (not shown in FIG. 3), but the selective oxidation is performed by operating the three-way switching valve 67 at time t2. The air k1 can be prevented from being mixed into the fuel cell stack, and the selective oxidation air k1 is formed from the residual hydrogen in the fuel cell stack 3 and the catalyst portion on the solid polymer membrane (not shown in FIG. 1). Therefore, it is possible to avoid shortening the life of the fuel cell stack 3 due to the combustion reaction.
[0076]
According to the fuel cell power generation system 1 of the first embodiment, the stack current Is is decreased to 0, the power generation of the fuel cell stack 3 is stopped, and the combustion source gas m is supplied to the burner unit 25. Since the supply of the reforming source gas h is stopped, the combustion source gas m can be supplied to the burner unit 25 and the combustion in the burner unit 25 can be maintained even after the supply of the reforming source gas h is stopped. it can. Since the nitrogen gas n is supplied to the reformed gas system line 76, the reforming raw material gas h and the reformed gas g in the reformed gas system line 76 are replaced, pushed out to the burner section 25, removed, and pushed out. The raw material gas h and the reformed gas g can be burned in the burner section 25. Next, since the supply of the selective oxidation air k1 (not shown in FIG. 3) and the bleed air k2 is stopped, the reformed gas system line 76 can be filled with the nitrogen gas n. Next, since the supply of the combustion source gas m is stopped, the burner part 25 can be filled with the nitrogen gas n, and a small amount of unburned combustion source gas m can be pushed out. Therefore, the release of the reforming raw material gas h and the reformed gas g remaining after the stop of the fuel cell power generation stack 1 to the environment can be greatly reduced. The supply of the combustion raw material gas m is desirably stopped after the reformed gas g and the like are sufficiently removed from the reformed gas system line 76 by the nitrogen gas n.
[0077]
In the first embodiment described above, nitrogen gas n is supplied to the reformed gas system line 76 as the first incombustible fluid, but air is used as the first incombustible fluid instead of the nitrogen gas n. Even if it is supplied to the system line 76, the same effect can be obtained.
[0078]
The configuration of the fuel cell power generation system 101 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the block diagram of FIG. Only differences from the first embodiment (see FIG. 1) will be described below. Other points not described are the same as in the first embodiment.
[0079]
The fuel cell power generation system 101 does not include a nitrogen gas supply line that supplies the reformed gas system line 76 with the nitrogen gas n as the first incombustible fluid. Instead, the process water p supplied to the reformed gas system line 76 is used as the first incombustible fluid. The process water p supplied to the reforming unit 21 evaporates in the reforming unit 21 and becomes water vapor as an incombustible gas. Therefore, a control signal for controlling the flow rate of nitrogen gas is not output from the control unit 104 included in the fuel cell power generation system 101, and a flow rate signal indicating the flow rate of nitrogen gas is not input to the control unit 104. .
A cooler 77 for cooling the reformed gas g is installed on the downstream side of the bleed air introduction port 53 of the reformed gas transport line 16, and the reformed gas g leaving the fuel processing device 2 and going to the fuel cell stack 3 is installed. Reduce the temperature. The entering temperature of the cooler 77 of the reformed gas g is about 90 ° C., and the exit temperature of the cooler 77 is about 55 ° C.
[0080]
Next, a stop operation method by the control unit 104 of the fuel cell power generation system 101 according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. Only differences from the stop operation method by the control unit 4 of the first embodiment will be described below. Since the fuel cell power generation system 101 does not include a nitrogen gas supply line, the supply of the process water p is maintained without stopping the supply of the process water p at the stage where the nitrogen gas is to be supplied. Use instead of.
[0081]
In FIG. 6, the broken line R11 (solid line) is the flow rate of the combustion air k4, the broken line R12 (long two-dot chain line) is the flow rate of the reforming raw material gas h, and the broken line R13 (short dashed line) is the combustion gas m. The broken line R15 (broken line) represents the flow rate of the bleed air k2. In FIG. 6, the broken line R16 (solid line) represents the flow rate of the process water p, and the broken line R17 (solid line) represents the stack current Is. In FIG. 6, the horizontal axis represents the passage of time, and the vertical axis represents the flow rate (unit: NL / min). In FIG. 7, the horizontal axis represents the passage of time, and the vertical axis represents the flow rate (unit L / min) and the current (unit A).
[0082]
The time t0 to the time t3 are the same as the stop operation method of the fuel cell power generation system 1 described above except that the supply of the process water p is not stopped at the time t3 but the supply is maintained. Therefore, the description from time t0 to time t3 is omitted. Further, in the stop operation method of the fuel cell power generation system 1 described above, the time between the time t3 and the time t4 is 5 minutes, but in the stop operation method of the fuel cell power generation system 101, it is 10 minutes.
[0083]
Since the supply of the process water p is stopped at a time t31 ′ slightly before the time t3 ′ (elapsed 5 minutes from the time t3) between the time t3 and the time t4, the process water p is supplied from the time t3 to the time t31 ′. It will be supplied continuously. Therefore, the supplied process water p evaporates in the reforming unit 21 to become steam, but this steam does not work as reforming steam after stopping the supply of the reforming raw material gas h, The flammable gas (reforming raw material gas h and reformed gas g) remaining in the reformed gas system line 76 in the fuel processing device 2 is replaced and pushed out toward the burner section 25 to be removed. Here, the process water p and the water vapor from which the process water has evaporated are the first incombustible fluid of the present invention. The combustible gas pushed out to the burner unit 25 is similarly combusted by the combustion of the combustion gas m in the burner unit 25. At this time (time t31 '), the combustion gas m and the combustion air k4 are continuously supplied, so that the burner unit 25 is combusted.
[0084]
The supply of the process water p is stopped at time t31 ', and the supply of the bleed air k2 once stopped is restarted at time t31'. The flow rate of the bleed air k2 at this time is 1 NL / min. Here, the bleed air k2 is supplied because the water vapor from which the process water p has evaporated cannot be sufficiently replaced with the combustible gas because the downstream side of the cooler 77 is condensed by cooling of the water vapor. k2 is supplied to the downstream side of the cooler 77 (the reformed gas transfer line 16 (excluding the fuel cell stack 3 side of the three-way switching valve), the switching line 67, the downstream side of the cooler 77 of the anode offgas line 17 (switching). Except for the fuel cell stack 3 side of the connecting portion of the line 67))), the combustible gas can be replaced. Here, the bleed air k2 is the second incombustible fluid of the present invention.
Slightly before time t3 '(after time t31'), the flow rate of combustion air k4 decreases from 13.5 NL / min to 12.5 NL / min. This decrease is due to the resumption of the supply of bleed air k2.
[0085]
At time t33 'slightly before time t4 (5 minutes after time t3'), the supply of combustion gas m and the supply of bleed air k2 are stopped, and the flow rate of combustion air k4 is increased to 20 NL / min. This is to ensure the ignitability of the burner portion 25 when moisture is completely removed from the burner portion 25 and the fuel cell power generation system 101 is next started.
[0086]
At time t4, the flow rates of the combustion gas m and the bleed air k2 become zero.
[0087]
At time t41, which is slightly before time t5 (for example, 5 minutes after time t4), the supply of combustion air k4 is stopped, and at time t5, the flow rate of combustion air becomes 0, and the fuel cell power generation system 1 is stopped. To do. At time t2, the remaining stack voltage is discharged by at least one of the methods (1), (2), and (3), and hydrogen in the reformed gas g remaining in the fuel cell stack 3 is consumed.
[0088]
According to the fuel cell power generation system 101 of the second embodiment, the stack current Is is decreased to 0 to stop the power generation of the fuel cell stack 3, and the combustion source gas m is supplied to the burner unit 25. Since the supply of the reforming source gas h is stopped, the combustion source gas m can be supplied to the burner unit 25 and the combustion in the burner unit 25 can be maintained even after the supply of the reforming source gas h is stopped. it can. Since the process water p is supplied even after the supply of the reforming source gas h is stopped, the reforming source gas h and the reformed gas g in the reformed gas system line 76 are replaced with water vapor evaporated from the process water p. The reforming raw material gas h and the reformed gas g which have been pushed out to the burner unit 25 and eliminated, can be burned in the burner unit 25. Next, since the supply of the bleed air k2 is started, the flammable gas on the downstream side of the cooler 77 that cannot be replaced with the water vapor from which the process water p has evaporated can be replaced with the bleed air k2. Therefore, the release of the reforming raw material gas h and the reformed gas g remaining after the stop of the fuel cell power generation stack 101 to the environment can be greatly reduced.
[0089]
[Effect of the invention]
As described above, according to the present invention, since the fuel processing device, the fuel cell stack, and the control unit are provided, the control unit stops power generation of the fuel cell stack, and the combustion raw material is supplied to the burner unit. In this state, since the supply of the reforming raw material is stopped, the combustion raw material can be supplied to the burner portion and the combustion in the burner portion can be maintained even after the supply of the reforming raw material is stopped. Since the first incombustible fluid is supplied to the reformed gas system line, the reforming raw material in the reformed gas system line pushes out the reformed gas to the burner section, and combustion is maintained by supplying the combustion raw material. It can be burned in the burner part. In this way, the residual combustible gas in the fuel cell power generation system can be safely processed and purged, and the system can be stopped.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell power generation system according to a first embodiment.
2 is a block diagram illustrating details of a load of the fuel cell power generation system of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a graph showing a stop operation method of the fuel cell power generation system of FIG. 1;
4 is a graph showing a stack current and process water temporal changes in the stop operation of the fuel cell power generation system of FIG. 1; FIG.
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell power generation system according to a second embodiment.
6 is a graph showing a stop operation method of the fuel cell power generation system of FIG. 5. FIG.
7 is a graph showing a temporal change in stack current and process water in the stop operation of the fuel cell power generation system of FIG. 5. FIG.
[Explanation of symbols]
1, 101 Fuel cell power generation system
2 Fuel processor
3 Fuel cell stack
4,104 Control unit
5 Load
11 Fuel supply line
12 Air supply line for selective oxidation
13 Process water supply line
16 Reformed gas transfer line
17 Anode off-gas line
21 reformer
22 Metamorphosis Department
23 Selective oxidation part
25 Burner
32, 34, 36, 38, 42, 44 Control valve
39 Temperature detector
45 Stack voltage detector
46 Stack current detector
47-52 flow meter
53 Bleed air inlet
54 Voltage Current Data Storage Unit
55 Transformer proper temperature storage unit
f Anode off gas
g Reformed gas
h Fuel
i1 Flow control signal
i2 Temperature signal
i3 voltage signal
i4 current signal
i5 Flow signal
i6 switching signal
Is stack current
k1 Selective oxidation air
k2 bleed air
k3 stack air
n Combustion gas
p Process water
Vs Stack voltage

Claims (5)

改質用原料を導入する第1導入口と、
前記導入された改質用原料を改質ガスに改質する改質部と、
前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化用空気によって選択的に酸化する選択酸化部と、
前記選択酸化部を出た前記改質ガスを導出する導出口と、
前記第1導入口と、前記改質部と、前記選択酸化部と、前記導出口とを連通し、前記改質用原料または前記改質ガスを導く改質ガス系統ラインと、
少なくともアノードオフガスを燃焼させ、前記改質部を加熱するバーナー部とを有する燃料処理装置と;
前記導出した改質ガスを用いて発電し、前記アノードオフガスを前記バーナー部に放出する燃料電池スタックと;
(B1)燃焼用原料が前記バーナー部へ供給されているか否かを確認し、前記燃焼用原料が前記バーナー部に供給されていない場合は、前記燃焼用原料の前記バーナー部への供給を開始し、次に前記改質用原料の導入を停止し、
(C1)前記改質ガス系統ラインに残留する可燃性ガスを前記バーナー部に押し出す第1不燃性流体を前記第1導入口から導入する制御部とを備える;
燃料電池発電システム。
A first inlet for introducing a reforming raw material;
A reforming section for reforming the introduced reforming raw material into a reformed gas;
A selective oxidation unit that selectively oxidizes carbon monoxide contained in the reformed gas with air for selective oxidation;
An outlet for deriving the reformed gas exiting the selective oxidation unit;
A reformed gas system line that communicates the first inlet, the reformer, the selective oxidation unit, and the outlet, and guides the reforming raw material or the reformed gas;
A fuel processor having at least a burner section for burning the anode off gas and heating the reforming section;
A fuel cell stack that generates electric power using the derived reformed gas and discharges the anode off-gas to the burner section;
(B1) Check whether or not the combustion raw material is supplied to the burner unit, and if the combustion raw material is not supplied to the burner unit, supply the combustion raw material to the burner unit. Start, then stop the introduction of the reforming raw material,
(C1) including a control unit that introduces a first incombustible fluid that pushes combustible gas remaining in the reformed gas system line to the burner unit from the first introduction port;
Fuel cell power generation system.
前記導出した改質ガスを前記燃料電池スタックに搬送する改質ガスラインであって、前記導出した改質ガスに残留する一酸化炭素をさらに酸化するブリード空気を導入する第2導入口を有する改質ガスラインを備え;
前記制御部は、前記改質部で蒸発され、改質用蒸気として使用されるプロセス水を前記第1導入口から導入し、
前記(C1)の制御において、前記プロセス水の前記導入を行い、前記改質部で蒸発されたプロセス水を前記第1不燃性流体として使用し、
さらに前記改質ガスラインに残留する可燃性ガスを前記バーナー部に押し出す第2不燃性流体として、前記ブリード空気を前記第2導入口から導入する;
請求項1に記載の燃料電池発電システム。
A reformed gas line that conveys the derived reformed gas to the fuel cell stack, and has a second inlet for introducing bleed air that further oxidizes carbon monoxide remaining in the derived reformed gas. Equipped with a quality gas line;
The control unit introduces process water which is evaporated in the reforming unit and used as reforming steam from the first introduction port,
In the control of (C1), the process water is introduced, and the process water evaporated in the reforming unit is used as the first incombustible fluid.
Furthermore, the bleed air is introduced from the second introduction port as a second non-combustible fluid that pushes the combustible gas remaining in the reformed gas line to the burner portion;
The fuel cell power generation system according to claim 1.
前記制御部は、前記(B1)の制御の前に、前記燃料電池スタックの発電を中止する(A1)の制御を行い、
さらに前記(A1)の制御において、前記燃料電池スタックが発生するスタック電流を所定の勾配で減少して0にして前記燃料電池スタックの発電を中止すると共に、前記改質用原料の供給量を所定の流量まで減少させて保持する;
請求項1または請求項2に記載の燃料電池発電システム。
The control unit performs the control (A1) to stop the power generation of the fuel cell stack before the control (B1).
Further, in the control of (A1), the stack current generated by the fuel cell stack is reduced by a predetermined gradient to zero, the power generation of the fuel cell stack is stopped, and the supply amount of the reforming raw material is predetermined. Reduced to a flow rate of
The fuel cell power generation system according to claim 1 or 2.
前記燃料電池スタックは、前記燃料電池スタックに残留する残留水素が、前記燃料電池スタックのスタック残留電圧を放電することによって消費されるよう構成され;
前記制御部は、
(E1)前記(C1)の制御と同時に、前記放電を起こさせ、
(F1)燃料電池スタックのいずれかのセル電圧が所定の値以下になった時点で前記放電を停止させ、
(G1)前記所定の値以下になったセル電圧が所定の値まで回復した場合は、前記放電を再度起こさせ;
前記(E1)の制御と、(F1)の制御と、(G1)の制御とを所定の回数、あるいはセル電圧の回復が起こらなくなるまで繰り返す;
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。
The fuel cell stack is configured such that residual hydrogen remaining in the fuel cell stack is consumed by discharging a stack residual voltage of the fuel cell stack;
The controller is
(E1) The discharge is caused simultaneously with the control of (C1),
(F1) The discharge is stopped when any cell voltage of the fuel cell stack becomes a predetermined value or less,
(G1) When the cell voltage that has fallen below the predetermined value has recovered to a predetermined value, the discharge is caused to occur again;
The control of (E1), the control of (F1), and the control of (G1) are repeated a predetermined number of times or until no cell voltage recovery occurs;
The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 3.
改質用原料とプロセス水とを導入する第1導入口と、
前記導入されたプロセス水を蒸発させて改質用蒸気として用いて、前記改質用原料を改質ガスに改質する改質部と、
前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化用空気によって選択的に酸化する選択酸化部と、
前記選択酸化部を出た前記改質ガスを導出する導出口とをする燃料処理装置と;
前記導出した改質ガスを搬送する改質ガスラインであって、前記導出した改質ガスに残留する一酸化炭素をさらに酸化するブリード空気を導入する第2導入口を有する改質ガスラインと;
前記ブリード空気にて一酸化炭素を酸化した改質ガスを用いて発電する燃料電池スタックと;
(B2)前記改質用原料の第1導入口からの導入を停止した後、所定時間経過後に前記プロセス水の第1導入口からの導入を停止し、
(C2)前記ブリード空気の第2導入口からの導入を行う制御部とを備え
前記所定時間が、前記改質用蒸気により前記燃料処理装置に残存する前記改質用原料、または前記改質ガスを押し出して排除することができる十分な時間である
燃料電池発電システム。
A first inlet for introducing the raw material for reforming and process water;
A reforming section for evaporating the introduced process water and using it as reforming steam to reform the reforming raw material into a reformed gas;
A selective oxidation unit that selectively oxidizes carbon monoxide contained in the reformed gas with air for selective oxidation;
A fuel processor for chromatic and guide outlet deriving the reformed gas leaving the selective oxidation unit;
A reformed gas line for conveying the derived reformed gas, the reformed gas line having a second inlet for introducing bleed air for further oxidizing carbon monoxide remaining in the derived reformed gas;
A fuel cell stack for generating electricity using a reformed gas obtained by oxidizing carbon monoxide with the bleed air;
(B2) After stopping the introduction of the reforming raw material from the first inlet, after the predetermined time has elapsed, the introduction of the process water from the first inlet is stopped,
(C2) including a control unit that introduces the bleed air from the second introduction port ;
The predetermined time is a sufficient time for extruding the reforming raw material or the reformed gas remaining in the fuel processing apparatus by the reforming steam ;
Fuel cell power generation system.
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