JP4476581B2 - FUEL CELL POWER GENERATION SYSTEM, CONTROL METHOD FOR THE FUEL CELL POWER GENERATION SYSTEM, CONTROL PROGRAM FOR IMPLEMENTING THE CONTROL METHOD, AND RECORDING MEDIUM CONTAINING THE CONTROL PROGRAM - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池発電システムとその燃料電池発電システムの制御法とその制御法を実現する制御プログラムとその制御プログラムを記録した記録媒体に関するものであり、特に、二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて発電を行う燃料電池発電システムとその制御法とその制御法を実現する制御プログラムとに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell power generation system, a control method for the fuel cell power generation system, a control program for realizing the control method, and a recording medium on which the control program is recorded, and in particular, two types of fuel cell stacks. The present invention relates to a fuel cell power generation system that generates power in combination, a control method thereof, and a control program for realizing the control method.
従来、二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて発電を行う燃料電池発電システムが、下記非特許文献1に例示されているように、開発されている。
Conventionally, a fuel cell power generation system that generates power by combining two types of fuel cell stacks has been developed as exemplified in Non-Patent
図6は、上記従来の燃料電池発電システムを表すシステム構成図である。図6において、1は燃料である天然ガス、2は燃料である天然ガス1の水蒸気改質反応を行わせる改質器、3は第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック(以下、SOFCスタックと略す)、4はSOFCスタック3の燃料極、5はSOFCスタック3の固体酸化物電解質、6はSOFCスタック3の空気極、7は燃焼器、8は改質器リサイクルガス11と脱硫された天然ガス39の混合ガス、9は水素リッチな改質ガス、10はSOFCスタック3の燃料極排出ガス、11は改質器リサイクルガス、12はSOFCスタック3の空気極排出ガス、13は燃焼排出ガス、14は燃料である天然ガス1の供給量を制御する流量制御弁、15は改質器リサイクルガス11の供給量を制御する流量制御弁、16はSOFCスタック3の燃料極4に供給する水素リッチな改質ガス、17はCOシフトコンバータ20に供給する水素リッチな改質ガス、18はSOFCスタックの燃料極4に供給する水素リッチな改質ガス16の供給量を制御する流量制御弁、19はCOシフトコンバータ20に供給する水素リッチな改質ガス17の供給量を制御する流量制御弁、20はCOシフトコンバータ、21はCO選択酸化器、22は凝縮器、23は第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック(以下、PEFCスタックと略す)、24はPEFCスタック23の空気極、25はPEFCスタック23の固体高分子電解質、26はPEFCスタック23の燃料極、28はCO選択酸化器21に供給する一酸化炭素濃度を1%以下まで低減させた水素リッチな改質ガス、29は一酸化炭素濃度をppmオーダーまで低減させた水素リッチな改質ガス、30はCO選択酸化器21の酸化用空気、31は一酸化炭素濃度をppmオーダーまで低減させ水蒸気を除去した水素リッチな改質ガス、32はPEFCスタック23の発電用空気、33はPEFCスタック23の空気極排出ガス、34はPEFCスタック23の燃料極排出ガス、36はSOFCスタック3の発電用空気、37は脱硫器リサイクルガスの供給量を制御する流量制御弁、38は脱硫器、39は脱硫された天然ガス、40はSOFCスタック3の発電用空気36の供給量を制御する流量制御弁、41はPEFCスタック23の発電用空気32の供給量を制御する流量制御弁、42はCO選択酸化器21の酸化用空気30の供給量を制御する流量制御弁、43はSOFCスタック3の燃焼用燃料極排出ガス、44は一酸化炭素濃度を1%以下まで低減させた水素リッチな改質ガス、45は脱硫器リサイクルガス、46は凝縮水である。
FIG. 6 is a system configuration diagram showing the conventional fuel cell power generation system. In FIG. 6, 1 is a natural gas that is a fuel, 2 is a reformer that performs a steam reforming reaction of the
なお、上記「水素リッチ」は、電池反応によって発電に寄与するに足りる濃度の水素を含有することを意味する。 Note that the above-mentioned “hydrogen rich” means containing hydrogen at a concentration sufficient to contribute to power generation by a battery reaction.
図7は、SOFCスタック3を表す模式図である。図7において、図6と同じものは同一符号で表し、これらのものについては説明を省略する。図7において、66は固体酸化物形燃料電池単セル(以下、SOFC単セルと呼ぶ)である。
FIG. 7 is a schematic diagram showing the
図6において、SOFCスタック3が一組のSOFCスタックの燃料極4、SOFCスタックの固体酸化物電解質5及びSOFCスタック3の空気極6からなるSOFC単セル66によって構成されているように示されているが、実際には、図7に示すように複数のSOFC単セル66から構成されている。また、図6において、SOFCスタック3、改質器2及び燃焼器7は別個に設置してあるように示されているが、実際には、図7に示すように、SOFCスタック3、改質器2及び燃焼器7は一体化されている。
In FIG. 6, the SOFC
図6において、PEFCスタック23が一組のPEFCスタック23の燃料極24、PEFCスタック23の固体高分子電解質25及びPEFCスタック23の空気極26からなる単セルによって構成されているように示されているが、実際には、PEFCスタック23は複数の単セルから構成されている。
In FIG. 6, the PEFC
以下、図6を用いて、この従来の燃料電池発電システムの作用について説明する。燃料である天然ガス1を脱硫器38に供給する。燃料である天然ガス1の供給量は、予め設定されたSOFCスタック3の発電電流及びPEFCスタック23の発電電流と流量制御弁14の開度(すなわち、燃料である天然ガス1の供給量)の関係に基づいて、流量制御弁14の開度を制御することによって、SOFCスタック3の発電流電流及びPEFCスタック23の発電電流に見合った値に設定する。
Hereinafter, the operation of this conventional fuel cell power generation system will be described with reference to FIG. The
脱硫器38では、充填された脱硫触媒のコバルト−モリブデン系触媒と酸化亜鉛吸着剤の働きにより、改質器2の改質触媒、PEFCスタック23の燃料極26の電極触媒及びSOFCスタック3の燃料極4の電極触媒の劣化の原因となる燃料である天然ガス1中のメルカプタン等の腐臭剤に含まれる硫黄分を水素添加脱硫することにより吸着除去する。すなわち、コバルト−モリブデン系触媒により最初に硫黄と水素を反応させて硫化水素を生成させ、次にこの硫化水素と酸化亜鉛を反応させることによって硫化亜鉛を生成させて、硫黄分を除去する。硫化水素の生成に必要な水素を供給するために、COシフトコンバータ20から排出される一酸化炭素濃度を1%以下に低減させた水素リッチな改質ガス44の一部を、脱硫器リサイクルガス45として脱硫器38にリサイクルする。脱硫器リサイクルガス45の供給量は、予め設定された流量制御弁14の開度(すなわち、燃料である天然ガス1の供給量)と流量制御弁37の開度(すなわち脱硫器リサイクルガス45の供給量)の関係に基づいて、流量制御弁37の開度を制御することによって、燃料である天然ガス1の供給量と見合った値に設定する。硫化水素と硫化亜鉛の生成反応は吸熱反応であり、反応に必要な反応熱は、後述する発熱反応であるCOシフトコンバータ20での水性シフト反応によって発生する熱をCOシフトコンバータ20から脱硫器38に供給することによってまかなう。
In the
脱硫器38で脱硫された天然ガス39は、SOFCスタック3で生成した水蒸気を含む改質器リサイクルガス11と混合し、改質器リサイクルガス11と脱硫された天然ガス39の混合ガス8として改質器2に供給する。改質器リサイクルガス11の供給量は、予め設定された流量制御弁14の開度(すなわち、燃料である天然ガス1の供給量)と流量制御弁15の開度(すなわち、改質器リサイクルガス11の供給量)の関係に基づいて、流量制御弁15の開度を制御することによって、燃料である天然ガス1の供給量と見合った値となるように設定する。
The
改質器2では、充填された改質触媒の働きにより燃料である天然ガス1中の炭化水素の水蒸気改質反応が行われ、水素リッチな改質ガスが作られる。天然ガスの主成分であるメタンの水蒸気改質反応は(1)式で表される。
CH4 + H2O → CO + 3H2 (1)
(1)式に示したメタンの水蒸気改質反応等の炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、効率的に水素を生成させるためには、改質器2の外部から必要な反応熱を供給し、改質器2の温度を700〜750℃に維持することが必要である。このため、後述する改質器2の近傍に設置された800〜1000℃で発電を行うSOFCスタック3の排熱を、炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として改質器2に供給する。
In the
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (1)
The steam reforming reaction of hydrocarbons such as the steam reforming reaction of methane shown in the equation (1) is an endothermic reaction, and the reaction heat required from the outside of the
改質器2でつくられた改質ガス9の一部は、COシフトコンバータ20に供給し、残りはSOFCスタック3の燃料極4に供給する。COシフトコンバータ20に供給する改質ガス17の供給量は、予め設定されたPEFCスタック23の発電電流と流量制御弁19の開度(すなわちCOシフトコンバータ20に供給する改質ガス17の供給量)の関係に基づいて、流量制御弁19の開度を制御することによって、PEFCスタックの発電電流に見合った値に設定する。一方、SOFCスタック3の燃料極4に供給する改質ガス16の供給量は、予め設定したSOFCスタック3の発電電流と流量制御弁18の開度(すなわち、SOFCスタック3の燃料極4へ供給する改質ガス16の供給量)の関係に基づいて、流量制御弁18の開度を制御することによって、SOFCスタック3の発電電流に見合った値に設定する。
A part of the reformed
SOFCスタック3の空気極6には、SOFCスタック3の発電用空気36を供給する。SOFCスタック3の発電用空気36の供給量は、予め設定したSOFCスタック3の発電電流と流量制御弁40の開度(すなわち、SOFCスタック3の発電用空気36の供給量)の関係に基づいて、流量制御弁40の開度を制御することによって、SOFCスタック3の発電電流に見合った値に設定する。
The
SOFCスタック3の空気極6では、金属酸化物系電極触媒の働きで、SOFCスタック3の発電用空気36中の酸素が(2)式に示す空気極反応により電子と反応して酸素イオンに変わる。
1/2O2 + 2e− → O2− (2)
SOFCスタック3の空気極6で生成した酸素イオンは、安定化ジルコニア(YSZ)等のSOFCスタック3の固体酸化物電解質5の内部を移動し、SOFCスタック3の燃料極4に到達する。SOFCスタック3の燃料極4では、ニッケル−YSZサーメット、ルテニウム−YSZサーメット等の金属系電極触媒の働きで、SOFCスタック3の空気極6からSOFCスタック3の固体酸化物電解質5の内部を移動してきた酸素イオンが、(3)式および(4)式に示す反応によりSOFCスタック3の燃料極4に供給された改質ガス16中の水素および一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子が生成する。
H2 + O2− → H2O + 2e− (3)
CO + O2− → CO2 + 2e− (4)
SOFCスタック3の燃料極4で生成した電子は、外部回路を移動し、SOFCスタック3の空気極6に到達する。SOFCスタックの空気極6に到達した電子は、(2)式に示した反応により酸素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーをSOFCスタック3の発電出力として取り出すことができる。
In the
1 / 2O 2 + 2e - → O 2- (2)
Oxygen ions generated at the
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − (3)
CO + O 2− → CO 2 + 2e − (4)
Electrons generated at the
(2)式と(3)式、(2)式と(4)式を、それぞれまとめると、SOFCスタック3の電池反応は(5)式に示す水素の酸化反応と、(6)式に示す一酸化炭素の酸化反応として表すことができる。
H2 + 1/2O2 → H2O (5)
CO + 1/2O2 → CO2 (6)
SOFCスタック3の発電温度は、一般的に900〜l000℃であり、電池反応による発熱により発電温度が維持されている。SOFCスタック3の排熱は、前述したように改質器2での燃料である天然ガス1中の炭化水素の水蒸気改質反応の反応熱として利用する。
Summarizing the formulas (2) and (3) and the formulas (2) and (4), the battery reaction of the
H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O (5)
CO + 1 / 2O 2 → CO 2 (6)
The power generation temperature of the
SOFCスタック3の燃料極4で電池反応により生成した水蒸気を含むSOFCスタック3の燃料極排出ガス10の一部は、前述したように、改質器2での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給するために、改質器リサイクルガス11として脱硫された天然ガス39と混合して改質器2に供給する。一方、SOFCスタック3の燃料極排出ガス10の残りは、SOFCスタック3の燃焼用燃料極排出ガス43として、SOFCスタック3の空気極排出ガス12、PEFCスタック23の燃料極排出ガスとともに燃焼器7に供給する。
A part of the fuel
燃焼器7では、SOFCスタック3の燃焼用燃料極排出ガス43中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素とPEFCスタック23の燃料極排出ガス34中の未反応燃料及び未反応水素を、SOFCスタック3の空気極排出ガス12中の酸素と燃焼反応させる。なお、図6には示されていないが、燃焼排出ガス13は、燃料である天然ガス1とSOFCスタック3の発電用空気36の昇温に利用する。
In the
水素リッチな改質ガス9には、PEFCスタック23の燃料極26の電極触媒の劣化の原因となる一酸化炭素が含まれているので、SOFCスタック3の燃料極4に供給しない水素リッチな改質ガスは、銅−亜鉛系触媒等のシフト触媒が充填されたCOシフトコンバータ20に供給し、シフト触媒の働きにより(7)式に示す水性シフト反応を行わせることによって、改質ガス9中の一酸化炭素濃度を1%以下まで低減させる。
CO + H2O → CO2 + H2 (7)
水性シフト反応は発熱反応であり、発生した熱は脱硫器38に供給し、前述した吸熱反応である硫化水素と硫化亜鉛の生成反応の反応熱として利用する。
Since the hydrogen-rich reformed
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (7)
The aqueous shift reaction is an exothermic reaction, and the generated heat is supplied to the
COシフトコンバータ20で作られた一酸化炭素濃度を1%以下に低減させた改質ガス44の一部は、前述したように脱硫器リサイクルガス45として脱硫器38に供給し、残りは、改質ガス中の一酸化炭素濃度が100ppm以上であると、PEFCスタック23の燃料極26に供給した場合に電極触媒の劣化原因となるので、一酸化炭素濃度をppmオーダーに低減させるために、CO選択酸化器21に供給する一酸化炭素濃度を1%以下まで低減させた改質ガス28として、白金、ルテニウム等の貴金属系触媒がCO選択酸化触媒として充填されたCO選択酸化器21に供給する。また、空気をCO選択酸化器21の酸化用空気30として、CO選択酸化器21に供給する。CO選択酸化器21では、CO選択酸化器21に供給する一酸化炭素濃度を1%以下まで低減させた改質ガス28中に含まれる一酸化炭素を、CO選択酸化器21の酸化用空気30中の酸素と反応させ、発熱反応である(8)式に示すCO選択酸化反応を行わせることによって二酸化炭素に変換し、CO選択酸化器21に供給する一酸化炭素濃度を1%以下まで低減させた改質ガス28中の一酸化炭素濃度をppmオーダーに低減させる。
CO + 1/2O2 → CO2 (8)
CO選択酸化器21の酸化用空気30の供給量は、予め設定された流量制御弁19の開度(すなわち、COシフトコンバータ20に供給する改質ガス17の供給量)と流量制御弁42の開度(すなわち、CO選択酸化器21の酸化用空気30の供給量)の関係に基づいて、流量制御弁42の開度を制御することによって、COシフトコンバータ20に供給する改質ガス17の供給量に見合った値に設定する。
A part of the reformed
CO + 1 / 2O 2 → CO 2 (8)
The supply amount of the oxidizing air 30 of the CO selective oxidizer 21 is determined by the preset opening degree of the flow control valve 19 (that is, the supply amount of the reformed
CO選択酸化器で作られた一酸化炭素濃度をppmオーダーまで低減させた改質ガス29に含まれる未反応水蒸気は、凝縮器22で100℃以下に冷却することによって凝縮水46として回収する。凝縮器22で未反応水蒸気を凝縮させることによって一酸化炭素濃度をppmオーダーまで低下させ水蒸気を除去した改質ガス31は、PEFCスタック23の燃料極26に供給する。一方、PEFCスタック23の発電用空気32は、PEFCスタック23の空気極24に供給する。PEFCスタック23の発電用空気32の供給量は、予め設定されたPEFCスタック23の発電電流と流量制御弁41の開度(すなわち、PEFCスタック23の発電用空気32の供給量)の関係に基づいて、流量制御弁41の開度を制御することによって、PEFCスタック23の発電電流に見合った値に設定する。PEFCスタック23の発電温度は60〜80℃が一般的であり、電池反応による発熱により発電温度が維持される。
Unreacted water vapor contained in the reformed
PEFCスタック23の燃料極26では、白金系電極触媒の働きで、一酸化炭素濃度をppmオーダーまで低減させ水蒸気を除去した改質ガス31中に含まれる水素の約80%が、(9)式に示す燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
H2 → 2H+ + 2e− (9)
PEFCスタック23の燃料極26で生成した水素イオンは、ナフィオン等のスルフォン酸基を有するフッ素系高分子から構成される固体高分子電解質25の内部を移動し、PEFCスタック23の空気極24に到達する。一方、PEFCスタック23の燃料極26で生成した電子は、外部回路を移動し、PEFCスタック23の空気極24に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを発電電力として取り出すことができる。PEFCスタック23の空気極24では、白金系電極触媒の働きで、PEFCスタック23の燃料極26からPEFCスタック23の固体高分子電解質25の内部をPEFCスタック23の空気極24まで移動してきた水素イオン、PEFCスタック23の燃料極26から外部回路をPEFCスタック23の空気極24まで移動してきた電子及びPEFCスタック23の空気極24に供給されたPEFCスタック23の発電用空気32中の酸素が、(10)式に示す空気極反応により反応し、水が生成する。
2H+ + 1/2O2 + 2e− → H2O (10)
(9)式と(10)式をまとめると、PEFCスタック23の電池反応は、(11)式に示す水素の電気化学的酸化反応として表すことができる。
H2 + 1/2O2 → H2O (11)
PEFCスタック23の発電用空気32は、PEFCスタック23の空気極24で酸素の一部を(10)式に示した空気極反応により消費した後に、PEFCスタック23の空気極排出ガス33として排出する。一方、一酸化炭素濃度をppmオーダーまで低減させ水蒸気を除去した改質ガス31は、PEFCスタック23の燃料極26で水素の約80%を(9)式に示した燃料極反応により消費した後に、PEFCスタック23の燃料極排出ガス34として排出する。PEFCスタック23の燃料極排出ガス34は、前述したとおり、燃焼器7に供給し燃焼させる。
In the
H 2 → 2H + + 2e − (9)
Hydrogen ions generated at the
2H + + 1/2 O 2 + 2e − → H 2 O (10)
Summarizing the equations (9) and (10), the battery reaction of the
H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O (11)
The power generation air 32 of the
図8は、図6に示す従来の燃料電池発電システムの制御法を表すフロー図である。 FIG. 8 is a flowchart showing a control method of the conventional fuel cell power generation system shown in FIG.
図8に示したように、従来の燃料電池発電システムでは、予め設定された流量制御弁14の開度(すなわち、燃料である天然ガス1の供給量)と流量制御弁15の開度(すなわち、改質器リサイクルガス11の供給量)の関係に基づいて、燃料である天然ガス1の供給量に対して改質器リサイクルガス11の供給量を一意的に求め、流量制御弁15の開度を制御することによって改質器リサイクルガス11の供給量を設定していた。
As shown in FIG. 8, in the conventional fuel cell power generation system, the opening degree of the flow rate control valve 14 (that is, the supply amount of the
次に、上記従来の燃料電池発電システムの問題点について説明する。従来の燃料電池発電システムでは、表1に示したように、発電条件が異なる場合は、燃料である天然ガス1の供給量に対して改質器リサイクルガス11のガス組成が一意的に決まらないので、燃料である天然ガス1の供給量に対して一意的に改質器リサイクルガス11の供給量を求める従来の制御法(図8)を適用すると、改質器リサイクルガス11と脱硫された天然ガス39との混合ガス8中の水蒸気の燃料である天然ガス1中の炭素に対するモル比(以下、スチームカーボン比と略す)を予め設定した値に制御することはできない。
Next, problems of the conventional fuel cell power generation system will be described. In the conventional fuel cell power generation system, as shown in Table 1, when the power generation conditions are different, the gas composition of the reformer recycle gas 11 is not uniquely determined with respect to the supply amount of the
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて発電を行う燃料電池発電システムにおいて、改質器リサイクルガスと燃料との混合ガスのスチームカーボン比が予め設定した所定の値となるように制御され、発電を安定に継続する燃料電池発電システムとその燃料電池発電システムの制御法とその制御法を実現する制御プログラムとその制御プログラムを記録した記録媒体を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to mix reformer recycle gas and fuel in a fuel cell power generation system that generates power by combining two types of fuel cell stacks. A fuel cell power generation system in which the steam carbon ratio of gas is controlled to be a predetermined value set in advance and stably continues power generation, a control method for the fuel cell power generation system, a control program for realizing the control method, and the control It is to provide a recording medium on which a program is recorded.
上記課題を解決するために、本発明においては、請求項1に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するCOシフトコンバータと、前記COシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換するCO選択酸化器と、前記CO選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有し、前記第一の燃料電池セルスタックは固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記第二の燃料電池セルスタックは固体高分子形燃料電池セルスタックである燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
In order to solve the above problems, in the present invention, as described in
A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas to carbon dioxide and hydrogen by reacting with water vapor, and carbon monoxide in the exhaust gas of the CO shift converter to carbon dioxide by reacting with oxygen A CO selective oxidizer to be converted, and a second fuel cell unit for generating electricity by electrochemically reacting hydrogen in the exhaust gas of the CO selective oxidizer with oxygen. Have a, the first fuel cell stack is a solid oxide fuel cell stack, the second fuel cell stack in a fuel cell power generation system is a solid polymer fuel cell stack,
Measurement or estimation of the water vapor content in the fuel electrode exhaust gas of the first fuel cell stack, and the reforming of the fuel electrode exhaust gas according to the water vapor content value obtained thereby and the amount of fuel supplied The fuel cell power generation system is characterized by having a flow rate control means for controlling the supply amount to the vessel.
また、本発明においては、請求項2に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するCOシフトコンバータと、前記COシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有し、前記第一の燃料電池セルスタックは固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記第二の燃料電池セルスタックは固体高分子形燃料電池セルスタックである燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
In the present invention, as described in
A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas into carbon dioxide and hydrogen by reacting with steam, a hydrogen separator that selectively separates hydrogen in the exhaust gas of the CO shift converter, and It has a second fuel cell stack which generates power by reacting the hydrogen separated by the hydrogen separator oxygen electrochemically, the first fuel cell stack solid A product fuel cell stack, the second fuel cell stack in a fuel cell power generation system is a solid polymer fuel cell stack,
Measurement or estimation of the water vapor content in the fuel electrode exhaust gas of the first fuel cell stack, and the reforming of the fuel electrode exhaust gas according to the water vapor content value obtained thereby and the amount of fuel supplied The fuel cell power generation system is characterized by having a flow rate control means for controlling the supply amount to the vessel.
また、本発明においては、請求項3に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するCOシフトコンバータと、前記COシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有し、前記第一の燃料電池セルスタックは固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記第二の燃料電池セルスタックはりん酸形燃料電池セルスタックである燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
In the present invention, as described in
A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas into carbon dioxide and hydrogen by reacting with water vapor, and power generation by electrochemically reacting hydrogen in the exhaust gas of the CO shift converter with oxygen have a second fuel cell stack to perform, the first fuel cell stack is a solid oxide fuel cell stack, the second fuel cell Serusuta' In the fuel cell power generation system is a phosphoric acid fuel cell stack,
Measurement or estimation of the water vapor content in the fuel electrode exhaust gas of the first fuel cell stack, and the reforming of the fuel electrode exhaust gas according to the water vapor content value obtained thereby and the amount of fuel supplied The fuel cell power generation system is characterized by having a flow rate control means for controlling the supply amount to the vessel.
また、本発明においては、請求項4に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するCOシフトコンバータと、前記COシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換するCO選択酸化器と、前記CO選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有し、前記第一の燃料電池セルスタックは固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記第二の燃料電池セルスタックは固体高分子形燃料電池セルスタックである燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を構成する。
In the present invention, as described in
A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas to carbon dioxide and hydrogen by reacting with steam, and carbon dioxide in the exhaust gas of the CO shift converter to carbon dioxide by reacting with oxygen A CO selective oxidizer to be converted, and a second fuel cell unit for generating electricity by electrochemically reacting hydrogen in the exhaust gas of the CO selective oxidizer with oxygen. Have a, the first fuel cell stack is a solid oxide fuel cell stack, the control method of the fuel cell power generation system wherein said second fuel cell stack is a solid polymer fuel cell stack In
Measure or estimate the water vapor content in the anode discharge gas of the first fuel cell stack, and supply the reformer based on the water vapor content obtained thereby and the amount of fuel supplied A fuel cell power generation characterized in that the supply amount of the fuel electrode exhaust gas to the reformer is controlled so that the ratio of water vapor in the fuel electrode exhaust gas and carbon in the fuel becomes a preset value. Configure the system control method.
また、本発明においては、請求項5に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するCOシフトコンバータと、前記COシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有し、前記第一の燃料電池セルスタックは固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記第二の燃料電池セルスタックは固体高分子形燃料電池セルスタックである燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を構成する。
In the present invention, as described in
A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas into carbon dioxide and hydrogen by reacting with steam, a hydrogen separator that selectively separates hydrogen in the exhaust gas of the CO shift converter, and It has a second fuel cell stack which generates power by reacting the hydrogen separated by the hydrogen separator oxygen electrochemically, the first fuel cell stack solid A product fuel cell stack, the second fuel cell stack in the control method of the fuel cell power generation system is a solid polymer fuel cell stack,
Measure or estimate the water vapor content in the anode discharge gas of the first fuel cell stack, and supply the reformer based on the water vapor content obtained thereby and the amount of fuel supplied A fuel cell power generation characterized in that the supply amount of the fuel electrode exhaust gas to the reformer is controlled so that the ratio of water vapor in the fuel electrode exhaust gas and carbon in the fuel becomes a preset value. Configure the system control method.
また、本発明においては、請求項6に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するCOシフトコンバータと、前記COシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有し、前記第一の燃料電池セルスタックは固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記第二の燃料電池セルスタックはりん酸形燃料電池セルスタックである燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を構成する。
In the present invention, as described in
A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas into carbon dioxide and hydrogen by reacting with water vapor, and power generation by electrochemically reacting hydrogen in the exhaust gas of the CO shift converter with oxygen have a second fuel cell stack to perform, the first fuel cell stack is a solid oxide fuel cell stack, the second fuel cell Serusuta' In the control method of the fuel cell power generation system is a phosphoric acid fuel cell stack,
Measure or estimate the water vapor content in the anode discharge gas of the first fuel cell stack, and supply the reformer based on the water vapor content obtained thereby and the amount of fuel supplied A fuel cell power generation characterized in that the supply amount of the fuel electrode exhaust gas to the reformer is controlled so that the ratio of water vapor in the fuel electrode exhaust gas and carbon in the fuel becomes a preset value. Configure the system control method.
また、本発明においては、請求項7に記載のように、
請求項4、5または6に記載の燃料電池発電システムの制御法をコンピュータに実行させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを構成する。
In the present invention, as described in
A control program for realizing a control method for a fuel cell power generation system is provided, which causes a computer to execute the control method for a fuel cell power generation system according to
また、本発明においては、請求項8に記載のように、
請求項7に記載の燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを記録したことを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを記録した記録媒体を構成する。
In the present invention, as described in
The recording medium which recorded the control program which implement | achieves the control method of the fuel cell power generation system characterized by recording the control program which implement | achieves the control method of the fuel cell power generation system of
また、本発明においては、請求項9に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するCOシフトコンバータと、前記COシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換するCO選択酸化器と、前記CO選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有し、前記第一の燃料電池セルスタックは固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記第二の燃料電池セルスタックは固体高分子形燃料電池セルスタックである燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段とを有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
In the present invention, as described in
A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas to carbon dioxide and hydrogen by reacting with water vapor, and carbon monoxide in the exhaust gas of the CO shift converter to carbon dioxide by reacting with oxygen A CO selective oxidizer to be converted, and a second fuel cell unit for generating electricity by electrochemically reacting hydrogen in the exhaust gas of the CO selective oxidizer with oxygen. Have a, the first fuel cell stack is a solid oxide fuel cell stack, the second fuel cell stack in a fuel cell power generation system is a solid polymer fuel cell stack,
Temperature detection means for detecting the temperature of the fuel electrode outlet of the first fuel cell stack, and the temperature value detected by the temperature detection means and the supply amount of the fuel. The fuel cell power generation system includes a flow rate control unit that controls a supply amount to the reformer.
また、本発明においては、請求項10に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するCOシフトコンバータと、前記COシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有し、前記第一の燃料電池セルスタックは固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記第二の燃料電池セルスタックは固体高分子形燃料電池セルスタックである燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段とを有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
In the present invention, as described in
A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas into carbon dioxide and hydrogen by reacting with steam, a hydrogen separator that selectively separates hydrogen in the exhaust gas of the CO shift converter, and It has a second fuel cell stack which generates power by reacting the hydrogen separated by the hydrogen separator oxygen electrochemically, the first fuel cell stack solid A product fuel cell stack, the second fuel cell stack in a fuel cell power generation system is a solid polymer fuel cell stack,
Temperature detection means for detecting the temperature of the fuel electrode outlet of the first fuel cell stack, and the temperature value detected by the temperature detection means and the supply amount of the fuel. The fuel cell power generation system includes a flow rate control unit that controls a supply amount to the reformer.
また、本発明においては、請求項11に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するCOシフトコンバータと、前記COシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有し、前記第一の燃料電池セルスタックは固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記第二の燃料電池セルスタックはりん酸形燃料電池セルスタックである燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段とを有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
In the present invention, as described in claim 11,
A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas into carbon dioxide and hydrogen by reacting with water vapor, and power generation by electrochemically reacting hydrogen in the exhaust gas of the CO shift converter with oxygen have a second fuel cell stack to perform, the first fuel cell stack is a solid oxide fuel cell stack, the second fuel cell Serusuta' In the fuel cell power generation system is a phosphoric acid fuel cell stack,
Temperature detection means for detecting the temperature of the fuel electrode outlet of the first fuel cell stack, and the temperature value detected by the temperature detection means and the supply amount of the fuel. The fuel cell power generation system includes a flow rate control unit that controls a supply amount to the reformer.
また、本発明においては、請求項12に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するCOシフトコンバータと、前記COシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換するCO選択酸化器と、前記CO選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有し、前記第一の燃料電池セルスタックは固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記第二の燃料電池セルスタックは固体高分子形燃料電池セルスタックである燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出し、検出された温度において前記燃料極排出ガスが熱力学的な平衡状態にあると仮定して、前記燃料極排出ガスのガス組成を求め、該ガス組成と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を構成する。
In the present invention, as described in claim 12,
A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas to carbon dioxide and hydrogen by reacting with water vapor, and carbon monoxide in the exhaust gas of the CO shift converter to carbon dioxide by reacting with oxygen A CO selective oxidizer to be converted, and a second fuel cell unit for generating electricity by electrochemically reacting hydrogen in the exhaust gas of the CO selective oxidizer with oxygen. Have a, the first fuel cell stack is a solid oxide fuel cell stack, the control method of the fuel cell power generation system wherein said second fuel cell stack is a solid polymer fuel cell stack In
The anode discharge gas of the first fuel cell stack is detected, and the anode discharge gas is assumed to be in a thermodynamic equilibrium state at the detected temperature. And the ratio of the water vapor in the fuel electrode exhaust gas supplied to the reformer and the carbon in the fuel becomes a preset value based on the gas composition and the supply amount of the fuel. In addition, a control method for a fuel cell power generation system is provided in which the supply amount of the fuel electrode exhaust gas to the reformer is controlled.
また、本発明においては、請求項13に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するCOシフトコンバータと、前記COシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有し、前記第一の燃料電池セルスタックは固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記第二の燃料電池セルスタックは固体高分子形燃料電池セルスタックである燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出し、検出された温度において前記燃料極排出ガスが熱力学的な平衡状態にあると仮定して、前記燃料極排出ガスのガス組成を求め、該ガス組成と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を構成する。
In the present invention, as described in claim 13,
A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas into carbon dioxide and hydrogen by reacting with steam, a hydrogen separator that selectively separates hydrogen in the exhaust gas of the CO shift converter, and It has a second fuel cell stack which generates power by reacting the hydrogen separated by the hydrogen separator oxygen electrochemically, the first fuel cell stack solid A product fuel cell stack, the second fuel cell stack in the control method of the fuel cell power generation system is a solid polymer fuel cell stack,
The anode discharge gas of the first fuel cell stack is detected, and the anode discharge gas is assumed to be in a thermodynamic equilibrium state at the detected temperature. And the ratio of the water vapor in the fuel electrode exhaust gas supplied to the reformer and the carbon in the fuel becomes a preset value based on the gas composition and the supply amount of the fuel. In addition, a control method for a fuel cell power generation system is provided in which the supply amount of the fuel electrode exhaust gas to the reformer is controlled.
また、本発明においては、請求項14に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するCOシフトコンバータと、前記COシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有し、前記第一の燃料電池セルスタックは固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、前記第二の燃料電池セルスタックはりん酸形燃料電池セルスタックである燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出し、検出された温度において前記燃料極排出ガスが熱力学的な平衡状態にあると仮定して、前記燃料極排出ガスのガス組成を求め、該ガス組成と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を構成する。
In the present invention, as described in
A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas into carbon dioxide and hydrogen by reacting with water vapor, and power generation by electrochemically reacting hydrogen in the exhaust gas of the CO shift converter with oxygen have a second fuel cell stack to perform, the first fuel cell stack is a solid oxide fuel cell stack, the second fuel cell Serusuta' In the control method of the fuel cell power generation system is a phosphoric acid fuel cell stack,
The anode discharge gas of the first fuel cell stack is detected, and the anode discharge gas is assumed to be in a thermodynamic equilibrium state at the detected temperature. And the ratio of the water vapor in the fuel electrode exhaust gas supplied to the reformer and the carbon in the fuel becomes a preset value based on the gas composition and the supply amount of the fuel. In addition, a control method for a fuel cell power generation system is provided in which the supply amount of the fuel electrode exhaust gas to the reformer is controlled.
また、本発明においては、請求項15に記載のように、
請求項12、13または14に記載の燃料電池発電システムの制御法をコンピュータに実行させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを構成する。
In the present invention, as described in claim 15,
A control program for realizing a control method for a fuel cell power generation system, which causes a computer to execute the control method for a fuel cell power generation system according to
また、本発明においては、請求項16に記載のように、
請求項15に記載の燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを記録したことを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを記録した記録媒体を構成する。
In the present invention, as described in
The recording medium which recorded the control program which implement | achieves the control method of the fuel cell electric power generation system characterized by recording the control program which implement | achieves the control method of the fuel cell electric power generation system of Claim 15 is comprised.
本発明の実施によって、改質器リサイクルガスと燃料との混合ガスのスチームカーボン比が予め設定した所定の値となるように制御され、発電を安定に継続する燃料電池発電システムとその燃料電池発電システムの制御法とその制御法を実現する制御プログラムとその制御プログラムを記録した記録媒体を提供することが可能となる。 By implementing the present invention, a fuel cell power generation system in which the steam carbon ratio of the mixed gas of reformer recycle gas and fuel is controlled to be a predetermined value set in advance and power generation is stably continued, and the fuel cell power generation thereof It is possible to provide a system control method, a control program for realizing the control method, and a recording medium on which the control program is recorded.
(実施形態1)
図1は、本発明の燃料電池発電システムの一実施形態(これを実施形態1とする)を表すシステム構成図である。図1において、図6及び図7と同じものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a system configuration diagram showing an embodiment (referred to as Embodiment 1) of a fuel cell power generation system of the present invention. In FIG. 1, the same components as those in FIGS. 6 and 7 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
図1において、65はSOFCスタック3の燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段であり、70は温度検出手段65によって検出された温度値に応じて前記燃料極排出ガスの改質器2への供給量を制御する流量制御手段である、流量制御弁15の開度を制御する流量制御弁開度制御手段である。
In FIG. 1,
図2は、SOFCスタック3の燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段65のSOFCスタック3での設置例を示す。
FIG. 2 shows an installation example in the
図1に示した本実施形態の構成は、SOFCスタック3の燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段65と、流量制御弁15の開度を制御する流量制御弁開度制御手段70とを設け、SOFCスタック3の燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出し、その検出結果に応じてする流量制御弁15の開度を制御することにおいて、図6に示した従来の燃料電池発電システムと異なっている。
The configuration of the present embodiment shown in FIG. 1 includes temperature detection means 65 for detecting the fuel electrode exhaust gas fuel electrode outlet temperature of the
図3は、本発明の燃料電池発電システムの制御法の一実施形態を表すフロー図である。 FIG. 3 is a flowchart showing an embodiment of the control method of the fuel cell power generation system of the present invention.
図3を用いて図1に示した本実施形態の作用を説明する。本実施形態では、図3に示したように、SOFCスタック3の燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段65を用いてSOFCスタック3の燃料極排出ガス燃料極出口温度を測定し、SOFCスタック3の燃料極排出ガス10が燃料極出口温度で熱力学的な平衡状態であると仮定して、SOFCスタック3の燃料極排出ガス10、すなわち改質器リサイクルガス11のガス組成を求める。
The operation of the present embodiment shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the temperature detection means 65 for detecting the temperature of the fuel electrode exhaust gas fuel electrode outlet of the
次に、流量制御弁14の開度、すなわち、燃料である天然ガス1の供給量と求めた改質器リサイクルガス11のガス組成から、改質器リサイクルガス11と脱硫された天然ガス39の混合ガス8のスチームカーボン比を予め設定された値にするために必要な改質器リサイクルガス11の供給量を求め、予め設定された改質器リサイクルガス11の供給量と流量制御弁15の開度の関係に基づいて、改質器リサイクルガス11と脱硫された天然ガス39の混合ガス8のスチームカーボン比が予め設定された値となるように、流量制御弁15の開度を制御する。
Next, from the opening degree of the
流量制御弁開度制御手段70は、温度検出手段65が検出した温度情報及び流量制御弁14の開度の情報を入力とし、その情報に基づいて、改質器リサイクルガス11のガス組成を求め、混合ガス8のスチームカーボン比を予め設定された値にするために必要な改質器リサイクルガス11の供給量を求める演算を行い、予め設定された改質器リサイクルガス11の供給量と流量制御弁15の開度の関係に基づいて、改質器リサイクルガス11と脱硫された天然ガス39の混合ガス8のスチームカーボン比が予め設定された値となるように、流量制御弁15の開度を制御する。
The flow control valve opening degree control means 70 receives the temperature information detected by the temperature detection means 65 and the opening degree information of the
このような流量制御弁15の開度の制御を行えば、発電条件が変化しても、改質器リサイクルガス11と脱硫された天然ガス39の混合ガス8のスチームカーボン比を所定の値に制御することができ、スチームカーボン比の低下による改質器2の改質触媒上への炭素析出に起因する性能低下を抑制し、燃料電池発電システムの発電を安定に継続することが可能である。
By controlling the opening degree of the flow rate control valve 15 as described above, the steam carbon ratio of the
なお、SOFCスタック3の燃料極排出ガス10は、700〜800℃と高温であるので、その組成はほぼ熱力学的な平衡状態にあるといえる。
In addition, since the fuel
上記のように、流量制御弁15の開度を制御する際には、図3に示した手順に従って、演算をコンピュータに行わせる制御プログラムを作成し、その制御プログラムをコンピュータに実行させる。また、その制御プログラムは、磁気ディスク等の記録媒体に記録しておく。 As described above, when the opening degree of the flow control valve 15 is controlled, a control program for causing a computer to perform an operation is created according to the procedure shown in FIG. 3, and the control program is executed by the computer. The control program is recorded on a recording medium such as a magnetic disk.
なお、本実施形態の温度検出手段65及び流量制御弁開度制御手段70に代えて、SOFCスタック3の燃料極排出ガス10中の水蒸気含有率を、たとえば露点計を用い、計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と燃料である天然ガス1の供給量に応じて流量制御弁15の開度を制御する手段、すなわち、燃料極排出ガス10中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と燃料の供給量に応じて燃料極排出ガス10の改質器2への供給量を制御する流量制御手段を用いても、本実施形態と同様の効果が得られる。この場合にも、制御に必要となる演算をコンピュータに行わせる制御プログラムを作成し、その制御プログラムをコンピュータに実行させる。また、その制御プログラムは、磁気ディスク等の記録媒体に記録しておく。
Instead of the temperature detection means 65 and the flow rate control valve opening degree control means 70 of the present embodiment, the water vapor content in the fuel
(実施形態2)
図4は、本発明の燃料電池発電システムの他の一実施形態(これを実施形態2とする)を表すシステム構成図である。図4において、図1と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。図4において、48は水素分離器、50は一酸化炭素濃度を1%以下に低減させた水素分離器用改質ガス、51は水素、52は水素分離器排出ガス、67はパージ弁、68はパージガス、69は燃料極水素排出ガスである。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a system configuration diagram showing another embodiment of the fuel cell power generation system of the present invention (this is referred to as Embodiment 2). 4, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. In FIG. 4, 48 is a hydrogen separator, 50 is a reformed gas for a hydrogen separator whose carbon monoxide concentration is reduced to 1% or less, 51 is hydrogen, 52 is a hydrogen separator exhaust gas, 67 is a purge valve, 68 is The purge gas 69 is a fuel electrode hydrogen exhaust gas.
図4に示した本実施形態は、図1に示した実施形態とは、CO選択酸化器21と凝縮器22の代わりに水素分離器48を設けた点が異なる。
The present embodiment shown in FIG. 4 is different from the embodiment shown in FIG. 1 in that a
次に、図4に示した本実施形態の作用について説明する。水素分離器用改質ガス50は、パラジウム膜等の水素分離膜を有する水素分離器48に供給し、水素51を分離する。その際、効率的な水素分離を行うために、必要に応じて水素分離器用改質ガス50の加圧を行う。水素51は、PEFCスタック23の燃料極26に供給する。水素分離器排出ガス52は、燃焼器7に供給し、水素分離器排出ガス52中の未反応燃料及び水素を、SOFCスタック3の燃焼用燃料極排出ガス43中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素とともに、SOFCスタック3の空気極排出ガス12中の酸素と燃焼反応させる。水素分離器48で分離した水素51は、PEFCスタック23の燃料極26に供給し、空気中の酸素と電気化学的に反応させることによってPEFCスタック23の発電を行う。未反応水素からなるPEFCスタック23の燃料極水素排出ガス69は、PEFCスタック23の発電効率を向上させるために、全てPEFCスタック23の燃料極26にリサイクルする。しかし、PEFCスタック23の燃料極水素排出ガス69中には、水素以外の不純物が若干含まれているので、パージ弁67を間欠的に開け、パージガス68を放出する。
Next, the operation of the present embodiment shown in FIG. 4 will be described. The hydrogen separator reformed
図4に示した本実施形態でも、SOFCスタック3の燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段65を用いてSOFCスタック3の燃料極排出ガス燃料極出口温度を測定し、SOFCスタック3の燃料極排出ガス10が燃料極出口温度で熱力学的な平衡状態であると仮定して、SOFCスタック3の燃料極排出ガス10、すなわち改質器リサイクルガス11のガス組成を求める。次に、流量制御弁14の開度、すなわち、燃料である天然ガス1の供給量と求めた改質器リサイクルガス11のガス組成から、改質器リサイクルガス11と脱硫された天然ガス39の混合ガス8のスチームカーボン比を予め設定された値にするために必要な改質器リサイクルガス11の供給量を求め、予め設定された改質器リサイクルガス11の供給量と流量制御弁15の開度の関係に基づいて、改質器リサイクルガス11と脱硫された天然ガス39の混合ガス8のスチームカーボン比が予め設定された値となるように、流量制御弁15の開度を制御する。このため、発電条件が変化しても、改質器リサイクルガス11と脱硫された天然ガス39の混合ガス8のスチームカーボン比を所定の値に制御することができ、スチームカーボン比の低下による改質器2の改質触媒上への炭素析出に起因する性能低下を抑制し、燃料電池発電システムの発電を安定に継続することが可能である。
Also in the present embodiment shown in FIG. 4, the temperature detection means 65 for detecting the temperature of the fuel electrode exhaust gas fuel electrode outlet of the
上記のように、流量制御弁15の開度を制御する際には、図3に示した手順に従って、演算を行わせる制御プログラムを作成し、その制御プログラムをコンピュータに実行させる。また、その制御プログラムは、磁気ディスク等の記録媒体に記録しておく。 As described above, when the opening degree of the flow control valve 15 is controlled, a control program for performing calculation is created according to the procedure shown in FIG. 3, and the computer executes the control program. The control program is recorded on a recording medium such as a magnetic disk.
なお、本実施形態の温度検出手段65及び流量制御弁開度制御手段70に代えて、SOFCスタック3の燃料極排出ガス10中の水蒸気含有率を、たとえば露点計を用い、計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と燃料である天然ガス1の供給量に応じて流量制御弁15の開度を制御する手段、すなわち、燃料極排出ガス10中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と燃料の供給量に応じて燃料極排出ガス10の改質器2への供給量を制御する流量制御手段を用いても、本実施形態と同様の効果が得られる。この場合にも、制御に必要となる演算をコンピュータに行わせる制御プログラムを作成し、その制御プログラムをコンピュータに実行させる。また、その制御プログラムは、磁気ディスク等の記録媒体に記録しておく。
Instead of the temperature detection means 65 and the flow rate control valve opening degree control means 70 of the present embodiment, the water vapor content in the fuel
(実施形態3)
図5は、本発明の燃料電池発電システムのその他の一実施形態(これを実施形態3とする)を表すシステム構成図である。図5において、図1及び図4と同一のものは同一符号で表し、これらのものにっいてはその説明を省略する。
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a system configuration diagram showing another embodiment (referred to as Embodiment 3) of the fuel cell power generation system of the present invention. 5, the same components as those in FIGS. 1 and 4 are denoted by the same reference numerals, and the description of these components is omitted.
図5において、55はりん酸形燃料電池セルスタック(以下、PAFCスタックと略す)用改質ガス、56はPAFCスタック、57はPAFCスタック56の空気極、58はPAFCスタック56のりん酸電解質、59はPAFCスタック56の燃料極、60はPAFCスタック56の発電用空気、61はPAFCスタック56の発電用空気60の供給量を制御する流量制御弁、62はPAFCスタック56の空気極排出ガス、63はPAFCスタック56の燃料極排出ガスである。
In FIG. 5, 55 is a reformed gas for a phosphoric acid fuel cell stack (hereinafter referred to as PAFC stack), 56 is a PAFC stack, 57 is an air electrode of the
図5に示した本実施形態は、図1に示した実施形態1とは、CO選択酸化器21と凝縮器22が不要で、第二の燃料電池セルスタックとしてPEFCスタック23の代わりにPAFCスタック56を用いる点が異なる。
The present embodiment shown in FIG. 5 differs from the first embodiment shown in FIG. 1 in that the CO selective oxidizer 21 and the
次に、図5に示した本実施形態の作用について説明する。COシフトコンバータ20でつくられた一酸化炭素濃度を1%以下に低減させた改質ガス44の一部を、PAFCスタック用改質ガス55としてPAFCスタック56の燃料極59に供給する。一方、PAFCスタック56の発電用空気60をPAFCスタック56の空気極57に供給する。PAFCスタック56の発電用空気60の供給量は、予め設定されたPAFCスタック56の発電電流と流量制御弁61の開度(すなわち、PAFCスタック56の発電用空気60の供給量)の関係に基づいて、流量制御弁61の開度を制御することによって、PAFCスタック56の発電電流に見合った値に設定する。PAFCスタック56の発電温度は190℃が一般的であり、電池反応による発熱により発電温度が維持される。
Next, the operation of the present embodiment shown in FIG. 5 will be described. A part of the reformed
PAFCスタック56の燃料極59では、白金系電極触媒の働きで、PAFCスタック用改質ガス55に含まれる水素の約80%が、PEFCスタック23の場合と同様に(9)式に示した燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
In the
PAFCスタック56の燃料極59で生成した水素イオンは、りん酸電解質58の内部を移動し、PAFCスタック56の空気極57に到達する。一方、PAFCスタック56の燃料極59で生成した電子は、外部回路を移動し、PAFCスタック56の空気極57に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを発電電力として取り出すことができる。
Hydrogen ions generated at the
PAFCスタック56の空気極57では、白金系電極触媒の働きで、PAFCスタック56の燃料極59からりん酸電解質58の内部をPAFCスタック56の空気極57まで移動してきた水素イオン、PAFCスタック56の燃料極59から外部回路をPAFCスタック56の空気極57まで移動してきた電子及びPAFCスタック56の空気極57に供給されたPAFCスタック56の発電用空気60中の酸素が、PEFCスタック23の場合と同様に(10)式に示した空気極反応により反応し、水が生成する。
In the
(9)式と(10)式をまとめると、PAFCスタック56の電池反応は、PEFCスタック23の場合と同様に(11)式に示した水素の電気化学的酸化反応として表すことができる。
When the equations (9) and (10) are put together, the battery reaction of the
PAFCスタック56の発電用空気60は、PAFCスタック56の空気極24で酸素の一部を(10)式に示した空気極反応により消費した後に、PAFCスタック56の空気極排出ガス62として排出する。一方、PAFCスタック用改質ガス55は、PAFCスタック56の燃料極59で水素の約80%を(9)式に示した燃料極反応により消費した後に、PAFCスタック56の燃料極排出ガス63として排出する。PAFCスタック56の燃料極排出ガス63中の未反応燃料及び未反応水素を、SOFCスタック3の燃焼用燃料極排出ガス43中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素とともに、SOFCスタック3の空気極排出ガス12の酸素と燃焼反応させる。
The power generation air 60 of the
図5に示した本実施形態でも、SOFCスタック3の燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段65を用いてSOFCスタック3の燃料極排出ガス燃料極出口温度を測定し、SOFCスタック3の燃料極排出ガス10が燃料極出口温度で熱力学的な平衡状態であると仮定して、SOFCスタック3の燃料極排出ガス10、すなわち改質器リサイクルガス11のガス組成を求める。次に、流量制御弁14の開度、すなわち、燃料である天然ガス1の供給量と求めた改質器リサイクルガス11のガス組成から、改質器リサイクルガス11と脱硫された天然ガス39の混合ガス8のスチームカーボン比を予め設定された値にするために必要な改質器リサイクルガス11の供給量を求め、予め設定された改質器リサイクルガス11の供給量と流量制御弁15の開度の関係に基づいて、改質器リサイクルガス11と脱硫された天然ガス39の混合ガス8のスチームカーボン比が予め設定された値となるように、流量制御弁15の開度を制御する。このため、発電条件が変化しても、改質器リサイクルガス11と脱硫された天然ガス39の混合ガス8のスチームカーボン比を所定の値に制御することができ、スチームカーボン比の低下による改質器2の改質触媒上への炭素析出に起因する性能低下を抑制し、燃料電池発電システムの発電を安定に継続することが可能である。
Also in the present embodiment shown in FIG. 5, the temperature detection means 65 for detecting the temperature of the fuel electrode exhaust gas fuel electrode outlet of the
上記のように、流量制御弁15の開度を制御する際には、図3に示した手順に従って、演算を行わせる制御プログラムを作成し、その制御プログラムをコンピュータに実行させる。また、その制御プログラムは、磁気ディスク等の記録媒体に記録しておく。 As described above, when the opening degree of the flow control valve 15 is controlled, a control program for performing calculation is created according to the procedure shown in FIG. 3, and the computer executes the control program. The control program is recorded on a recording medium such as a magnetic disk.
なお、本実施形態の温度検出手段65及び流量制御弁開度制御手段70に代えて、SOFCスタック3の燃料極排出ガス10中の水蒸気含有率を、たとえば露点計を用い、計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と燃料である天然ガス1の供給量に応じて流量制御弁15の開度を制御する手段、すなわち、燃料極排出ガス10中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と燃料の供給量に応じて燃料極排出ガス10の改質器2への供給量を制御する流量制御手段を用いても、本実施形態と同様の効果が得られる。この場合にも、制御に必要となる演算をコンピュータに行わせる制御プログラムを作成し、その制御プログラムをコンピュータに実行させる。また、その制御プログラムは、磁気ディスク等の記録媒体に記録しておく。
Instead of the temperature detection means 65 and the flow rate control valve opening degree control means 70 of the present embodiment, the water vapor content in the fuel
以上に説明したように、本発明の燃料電池発電システムとその燃料電池発電システムの制御法とその制御法を実現する制御プログラムとその制御プログラムを記録した記録媒体を用いれば、発電条件が変化しても、改質器に供給する燃料と水蒸気を含むガスのスチームカーボン比を予め設定した所定の値となるように制御することができ、スチームカーボン比の低下による改質器の改質触媒上への炭素析出に起因する性能低下を抑制し、燃料電池発電システムの発電を安定に継続することが可能である。 As described above, if the fuel cell power generation system of the present invention, the control method of the fuel cell power generation system, the control program for realizing the control method, and the recording medium storing the control program are used, the power generation conditions change. However, the steam carbon ratio of the fuel and steam-containing gas supplied to the reformer can be controlled to be a predetermined value set in advance, and the reformer catalyst on the reformer can be controlled by the reduction of the steam carbon ratio. It is possible to suppress the performance degradation caused by carbon deposition on the fuel cell and to continue the power generation of the fuel cell power generation system stably.
1…天然ガス、2…改質器、3…SOFCスタック、4…燃料極、5…固体酸化物電解質、6…空気極、7…燃焼器、8…改質器リサイクルガスと脱硫天然ガスの混合ガス、9…改質ガス、10…燃料極排出ガス、11…改質器リサイクルガス、12…空気極排出ガス、13…燃焼排出ガス、14…流量制御弁、15…流量制御弁、16…SOFCスタック用改質ガス、17…COシフトコンバータ用改質ガス、18…流量制御弁、19…流量制御弁、20…COシフトコンバータ、21…CO選択酸化器、22…凝縮器、23…PEFCスタック、24…空気極、25…固体高分子電解質、26…燃料極、28…一酸化炭素濃度を1%以下まで低減させた改質ガス、29…一酸化炭素濃度をppmオーダーまで低減させた改質ガス、30…CO選択酸化器用空気、31…一酸化炭素濃度をppmオーダーまで低減させ水蒸気を除去した改質ガス、32…PEFCスタック23用空気、33…空気極排出ガス、34…燃料極排出ガス、36…SOFCスタック用空気、37…流量制御弁、38…脱硫器、39…脱硫された天然ガス、40…流量制御弁、41…流量制御弁、42…流量制御弁、43…SOFCスタック用燃料極排出ガス、44…一酸化炭素濃度を1%以下まで低減させた改質ガス、45…脱硫器リサイクルガス、46…凝縮水、48…水素分離器、50…一酸化炭素濃度を1%以下に低減させた改質ガス、51…水素、52…水素分離器排出ガス、55…PAFCスタック用改質ガス、56…PAFCスタック、57…空気極、58…りん酸電解質、59…燃料極、60…PAFCスタック用空気、61…流量制御弁、62…空気極排出ガス、63…燃料極排出ガス、65…温度検出手段、66…SOFC単セル、67…パージ弁、68…パージガス、69…燃料極水素排出ガス、70…流量制御弁開度制御手段。
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段を有することを特徴とする燃料電池発電システム。 A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas to carbon dioxide and hydrogen by reacting with water vapor, and carbon monoxide in the exhaust gas of the CO shift converter to carbon dioxide by reacting with oxygen A CO selective oxidizer to be converted, and a second fuel cell unit for generating electricity by electrochemically reacting hydrogen in the exhaust gas of the CO selective oxidizer with oxygen. Have a, the first fuel cell stack is a solid oxide fuel cell stack, the second fuel cell stack in a fuel cell power generation system is a solid polymer fuel cell stack,
Measurement or estimation of the water vapor content in the fuel electrode exhaust gas of the first fuel cell stack, and the reforming of the fuel electrode exhaust gas according to the water vapor content value obtained thereby and the amount of fuel supplied A fuel cell power generation system comprising flow rate control means for controlling the supply amount to the vessel.
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段を有することを特徴とする燃料電池発電システム。 A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas into carbon dioxide and hydrogen by reacting with steam, a hydrogen separator that selectively separates hydrogen in the exhaust gas of the CO shift converter, and It has a second fuel cell stack which generates power by reacting the hydrogen separated by the hydrogen separator oxygen electrochemically, the first fuel cell stack solid A product fuel cell stack, the second fuel cell stack in a fuel cell power generation system is a solid polymer fuel cell stack,
Measurement or estimation of the water vapor content in the fuel electrode exhaust gas of the first fuel cell stack, and the reforming of the fuel electrode exhaust gas according to the water vapor content value obtained thereby and the amount of fuel supplied A fuel cell power generation system comprising flow rate control means for controlling the supply amount to the vessel.
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段を有することを特徴とする燃料電池発電システム。 A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas into carbon dioxide and hydrogen by reacting with water vapor, and power generation by electrochemically reacting hydrogen in the exhaust gas of the CO shift converter with oxygen have a second fuel cell stack to perform, the first fuel cell stack is a solid oxide fuel cell stack, the second fuel cell Serusuta' In the fuel cell power generation system is a phosphoric acid fuel cell stack,
Measurement or estimation of the water vapor content in the fuel electrode exhaust gas of the first fuel cell stack, and the reforming of the fuel electrode exhaust gas according to the water vapor content value obtained thereby and the amount of fuel supplied A fuel cell power generation system comprising flow rate control means for controlling the supply amount to the vessel.
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法。 A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas to carbon dioxide and hydrogen by reacting with steam, and carbon dioxide in the exhaust gas of the CO shift converter to carbon dioxide by reacting with oxygen A CO selective oxidizer to be converted, and a second fuel cell unit for generating electricity by electrochemically reacting hydrogen in the exhaust gas of the CO selective oxidizer with oxygen. Have a, the first fuel cell stack is a solid oxide fuel cell stack, the control method of the fuel cell power generation system wherein said second fuel cell stack is a solid polymer fuel cell stack In
Measure or estimate the water vapor content in the anode discharge gas of the first fuel cell stack, and supply the reformer based on the water vapor content obtained thereby and the amount of fuel supplied A fuel cell power generation characterized in that the supply amount of the fuel electrode exhaust gas to the reformer is controlled so that the ratio of water vapor in the fuel electrode exhaust gas and carbon in the fuel becomes a preset value. How to control the system.
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法。 A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas into carbon dioxide and hydrogen by reacting with steam, a hydrogen separator that selectively separates hydrogen in the exhaust gas of the CO shift converter, and It has a second fuel cell stack which generates power by reacting the hydrogen separated by the hydrogen separator oxygen electrochemically, the first fuel cell stack solid A product fuel cell stack, the second fuel cell stack in the control method of the fuel cell power generation system is a solid polymer fuel cell stack,
Measure or estimate the water vapor content in the anode discharge gas of the first fuel cell stack, and supply the reformer based on the water vapor content obtained thereby and the amount of fuel supplied A fuel cell power generation characterized in that the supply amount of the fuel electrode exhaust gas to the reformer is controlled so that the ratio of water vapor in the fuel electrode exhaust gas and carbon in the fuel becomes a preset value. How to control the system.
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法。 A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas into carbon dioxide and hydrogen by reacting with water vapor, and power generation by electrochemically reacting hydrogen in the exhaust gas of the CO shift converter with oxygen have a second fuel cell stack to perform, the first fuel cell stack is a solid oxide fuel cell stack, the second fuel cell Serusuta' In the control method of the fuel cell power generation system is a phosphoric acid fuel cell stack,
Measure or estimate the water vapor content in the anode discharge gas of the first fuel cell stack, and supply the reformer based on the water vapor content obtained thereby and the amount of fuel supplied A fuel cell power generation characterized in that the supply amount of the fuel electrode exhaust gas to the reformer is controlled so that the ratio of water vapor in the fuel electrode exhaust gas and carbon in the fuel becomes a preset value. How to control the system.
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段とを有することを特徴とする燃料電池発電システム。 A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas to carbon dioxide and hydrogen by reacting with water vapor, and carbon monoxide in the exhaust gas of the CO shift converter to carbon dioxide by reacting with oxygen A CO selective oxidizer to be converted, and a second fuel cell unit for generating electricity by electrochemically reacting hydrogen in the exhaust gas of the CO selective oxidizer with oxygen. Have a, the first fuel cell stack is a solid oxide fuel cell stack, the second fuel cell stack in a fuel cell power generation system is a solid polymer fuel cell stack,
Temperature detection means for detecting the temperature of the fuel electrode outlet of the first fuel cell stack, and the temperature value detected by the temperature detection means and the supply amount of the fuel. A fuel cell power generation system comprising flow rate control means for controlling a supply amount to the reformer.
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段とを有することを特徴とする燃料電池発電システム。 A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas into carbon dioxide and hydrogen by reacting with steam, a hydrogen separator that selectively separates hydrogen in the exhaust gas of the CO shift converter, and It has a second fuel cell stack which generates power by reacting the hydrogen separated by the hydrogen separator oxygen electrochemically, the first fuel cell stack solid A product fuel cell stack, the second fuel cell stack in a fuel cell power generation system is a solid polymer fuel cell stack,
Temperature detection means for detecting the temperature of the fuel electrode outlet of the first fuel cell stack, and the temperature value detected by the temperature detection means and the supply amount of the fuel. A fuel cell power generation system comprising flow rate control means for controlling a supply amount to the reformer.
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段とを有することを特徴とする燃料電池発電システム。 A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas into carbon dioxide and hydrogen by reacting with water vapor, and power generation by electrochemically reacting hydrogen in the exhaust gas of the CO shift converter with oxygen have a second fuel cell stack to perform, the first fuel cell stack is a solid oxide fuel cell stack, the second fuel cell Serusuta' In the fuel cell power generation system is a phosphoric acid fuel cell stack,
Temperature detection means for detecting the temperature of the fuel electrode outlet of the first fuel cell stack, and the temperature value detected by the temperature detection means and the supply amount of the fuel. A fuel cell power generation system comprising flow rate control means for controlling a supply amount to the reformer.
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出し、検出された温度において前記燃料極排出ガスが熱力学的な平衡状態にあると仮定して、前記燃料極排出ガスのガス組成を求め、該ガス組成と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法。 A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas to carbon dioxide and hydrogen by reacting with steam, and carbon dioxide in the exhaust gas of the CO shift converter to carbon dioxide by reacting with oxygen A CO selective oxidizer to be converted, and a second fuel cell unit for generating electricity by electrochemically reacting hydrogen in the exhaust gas of the CO selective oxidizer with oxygen. Have a, the first fuel cell stack is a solid oxide fuel cell stack, the control method of the fuel cell power generation system wherein said second fuel cell stack is a solid polymer fuel cell stack In
The anode discharge gas of the first fuel cell stack is detected, and the anode discharge gas is assumed to be in a thermodynamic equilibrium state at the detected temperature. And the ratio of the water vapor in the fuel electrode exhaust gas supplied to the reformer and the carbon in the fuel becomes a preset value based on the gas composition and the supply amount of the fuel. And a control method of the fuel cell power generation system, wherein the supply amount of the fuel electrode exhaust gas to the reformer is controlled.
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出し、検出された温度において前記燃料極排出ガスが熱力学的な平衡状態にあると仮定して、前記燃料極排出ガスのガス組成を求め、該ガス組成と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法。 A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas into carbon dioxide and hydrogen by reacting with steam, a hydrogen separator that selectively separates hydrogen in the exhaust gas of the CO shift converter, and It has a second fuel cell stack which generates power by reacting the hydrogen separated by the hydrogen separator oxygen electrochemically, the first fuel cell stack solid A product fuel cell stack, the second fuel cell stack in the control method of the fuel cell power generation system is a solid polymer fuel cell stack,
The anode discharge gas of the first fuel cell stack is detected, and the anode discharge gas is assumed to be in a thermodynamic equilibrium state at the detected temperature. And the ratio of the water vapor in the fuel electrode exhaust gas supplied to the reformer and the carbon in the fuel becomes a preset value based on the gas composition and the supply amount of the fuel. And a control method of the fuel cell power generation system, wherein the supply amount of the fuel electrode exhaust gas to the reformer is controlled.
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出し、検出された温度において前記燃料極排出ガスが熱力学的な平衡状態にあると仮定して、前記燃料極排出ガスのガス組成を求め、該ガス組成と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法。 A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by a steam reforming reaction of the fuel, and electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen or hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas with oxygen, A first fuel cell stack that supplies exhaust gas generated with the power generation to the reformer, and supplies fuel electrode exhaust gas containing water vapor generated with the power generation to the reformer; A CO shift converter that converts carbon monoxide in the reformed gas into carbon dioxide and hydrogen by reacting with water vapor, and power generation by electrochemically reacting hydrogen in the exhaust gas of the CO shift converter with oxygen have a second fuel cell stack to perform, the first fuel cell stack is a solid oxide fuel cell stack, the second fuel cell Serusuta' In the control method of the fuel cell power generation system is a phosphoric acid fuel cell stack,
The anode discharge gas of the first fuel cell stack is detected, and the anode discharge gas is assumed to be in a thermodynamic equilibrium state at the detected temperature. And the ratio of the water vapor in the fuel electrode exhaust gas supplied to the reformer and the carbon in the fuel becomes a preset value based on the gas composition and the supply amount of the fuel. And a control method of the fuel cell power generation system, wherein the supply amount of the fuel electrode exhaust gas to the reformer is controlled.
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