JP4789505B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、改質器を暖機する暖機モードには改質部を燃料電池の燃料極を経由しないで燃焼部に直接連通し、改質器の暖機が完了し燃料電池が発電する発電モードには改質部を燃料電池の燃料極を経由して燃焼部に連通する燃料電池システムに関する。 In the warm-up mode in which the reformer is warmed up, the reformer is directly connected to the combustion unit without passing through the fuel electrode of the fuel cell, and the warm-up of the reformer is completed and the fuel cell generates power. The power generation mode relates to a fuel cell system in which a reforming unit communicates with a combustion unit via a fuel electrode of a fuel cell.
この燃料電池システムの一形式として、特許文献1「燃料電池システムの停止方法およびこの方法による燃料電池システム」に示されているものが知られている。特許文献1の図1に示されているように、燃料電池システムは、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池10と、改質用燃料および改質水が供給されその供給された改質用燃料を改質触媒によって改質することにより水素を含む燃料ガスを生成する改質部21、および可燃性燃料が供給されその可燃性燃料を燃焼しその燃焼ガスにより改質部21を加熱する燃焼部21d、を備えた改質装置(改質器)20と、改質部21で生成した燃料ガスを燃料電池10の燃料極を経由して燃焼部21dに供給する第1流路(第1改質ガス供給管71および第1オフガス供給管72)と、改質部21で生成した燃料ガスを燃料電池10の燃料極を迂回して燃焼部21dに供給する第2流路(第1改質ガス供給管71、第2改質ガス供給管77および第1オフガス供給管72)と、第1および第2流路をそれぞれ連通状態と遮断状態に切り換える連通遮断手段(第1改質ガスバルブ73および第2改質ガスバルブ78)と、を備えてなり、連通遮断手段は、改質装置20を暖機する暖機モードには第1および第2流路をそれぞれ遮断状態および連通状態とし、改質装置20の暖機が完了し燃料電池が発電する発電モードには、第1および第2流路をそれぞれ連通状態および遮断状態とするものはよく知られている。
As one type of this fuel cell system, one disclosed in Patent Document 1 “Method for Stopping Fuel Cell System and Fuel Cell System Using This Method” is known. As shown in FIG. 1 of Patent Document 1, the fuel cell system includes a
このような燃料電池システムにおいては、改質装置20に残存する改質用燃料、改質ガスを一掃(パージ)する処理が施され、その後運転が停止される。この一掃処理としては、不活性ガス(例えば窒素ガス)によってパージするもの、水蒸気によってパージした後、この水蒸気を空気によってパージするものなどが一般的に知られている。その後、再び燃料電池システムの運転を開始する際には、改質装置20の暖機が行われ、その暖機が完了すると燃料電池10の発電が開始される。この暖機モードから発電モードに移行する際に、それまで連通状態であった第2流路を遮断状態とするとともに遮断状態であった第1流路を連通状態とするため第1流路内に残留していた不活性ガス、空気などの残留ガスが燃焼部に一気に流入するので、燃焼状態が変動して燃焼部が失火するおそれがあった。
In such a fuel cell system, a process of purging the reforming fuel and reformed gas remaining in the reformer 20 is performed, and then the operation is stopped. As this sweeping process, a method of purging with an inert gas (for example, nitrogen gas), a method of purging with water vapor, and then purging the water vapor with air are generally known. Thereafter, when the operation of the fuel cell system is started again, the reformer 20 is warmed up, and when the warm-up is completed, power generation of the
また、特許文献2「燃焼器を有する水素製造装置を用いた燃料電池発電システム」に示されているものが知られている。この燃料電池発電システムは、家庭用の分散電源などのように負荷変動の多い状況であっても、水素製造装置の燃焼器を安定に制御するものである。この燃料電池発電システムは、燃焼器51の燃焼状態を検出する燃焼状態検出装置の検出信号を参照して、燃焼状態が失火に至るものであれば、少なくとも電力変換手段31による制御電流量を所定範囲において減少させるようになっている。また、システムの起動、停止、負荷切り替えの各開始指令を基準に予め定めたタイマカウント時間の間に限り、電力変換手段31による制御電流量、あるいは空気供給装置71による供給空気量の少なくとも一方を制御するようになっている。この場合、他のフィードバック制御に優先して、所定のシーケンスで変えるように制御を切り替えるようになっている。
上述した特許文献2に記載の燃料電池発電システムにおいては、燃焼状態が最も急変する暖機モードから発電モードに移行した直後における燃焼部の失火への対処についての詳細な記載はない。また、その移行期間中にフィードバック制御を中止しシーケンス制御を行っているので、ロバスト性が低下するという問題があった。また、移行期間後は再びフィードバック制御を行うので、フィードバック制御とシーケンス制御の切り替え時の制御の継承性も問題となっていた。また、発電開始直後において発電負荷がない場合であって、燃料電池が最低発電出力(最低発電電流)で発電するようになっている場合には、この場合でも制御発電量を減少させるため負荷として二次電池41を設けており、その分燃料電池システムが大型化・高コスト化するという問題があった。
In the fuel cell power generation system described in
本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、暖機モードから発電モードに移行する際に、ロバスト性の低下、切り替え時の制御の継承性の低下、大型化・高コスト化を招くことなく、燃焼状態が変動して燃焼部が失火することを防止する燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. When shifting from the warm-up mode to the power generation mode, the robustness decreases, the control inheritance at the time of switching decreases, the size increases, and the cost increases. It aims at providing the fuel cell system which prevents that a combustion part fluctuates and a combustion part misfires without inviting it.
上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明の構成上の特徴は、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、改質用燃料および改質水が供給されその供給された改質用燃料を改質触媒によって改質することにより水素を含む燃料ガスを生成する改質部、および可燃性燃料が供給されその可燃性燃料を燃焼しその燃焼ガスにより改質部を加熱する燃焼部、を備えた改質器と、改質部で生成した燃料ガスを燃料電池の燃料極を経由して燃焼部に供給する第1流路と、改質部で生成した燃料ガスを燃料電池の燃料極を迂回して燃焼部に供給する第2流路と、第1および第2流路をそれぞれ連通状態と遮断状態に切り換える連通遮断手段と、を備えてなり、連通遮断手段は、改質器を暖機する暖機モードには第1および第2流路をそれぞれ遮断状態および連通状態とし、改質器の暖機が完了した時点以降に第1流路を連通状態とし、第1流路を連通状態とした時点から第1の所定時間経過した時点に第2流路を遮断状態とする燃料電池システムであって、改質部に改質用燃料を供給する改質用燃料供給手段と、第1流路を連通状態とした時点から第2の所定時間経過するまでの間では、燃料電池に供給される燃料ガス中の水素量に対する同燃料電池で消費された水素量の比を表す水素利用率を第1設定値に設定し、それ以降では水素利用率を第1設定値より大きい第2設定値に設定する水素利用率設定手段と、燃料電池の発電出力と水素利用率設定手段により設定された水素利用率とに基づいて改質部に供給する改質用燃料の供給量を導出する改質用燃料供給量導出手段と、該改質用燃料供給量導出手段により導出された供給量となるように改質用燃料供給手段を制御する改質用燃料供給制御手段と、燃焼部に燃焼用燃料を供給する燃焼用燃料供給手段と、燃焼部の燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段と、改質器の暖機が完了するまでは燃焼部の目標燃焼状態を第1目標燃焼状態に設定し、改質器の暖機が完了した時点以降は燃焼部の目標燃焼状態を第1目標燃焼状態より失火状態側である第2目標燃焼状態に設定する目標燃焼状態設定手段と、燃焼用燃料供給手段をフィードバック制御して目標燃焼状態設定手段により設定された目標燃焼状態となるように燃焼部の燃焼状態を調整するとともに、燃焼用燃料供給手段の回転数が下限回転数より小さくならないように制御する燃焼用燃料供給制御手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃焼用燃料供給手段はダイヤフラム式ポンプであり、かつ、第1流路を連通状態とした時点から第2の所定時間経過するまでの間では、燃焼用燃料供給手段の下限回転数を第1回転数に設定し、それ以降では下限回転数を第1回転数より小さい第2回転数に設定する下限回転数設定手段をさらに備え、燃焼用燃料供給制御手段は、下限回転数設定手段により設定された下限回転数を使用することである。
In order to solve the above-mentioned problem, the structural feature of the invention according to claim 1 is that a fuel cell that generates power by using a fuel gas and an oxidant gas respectively supplied to a fuel electrode and an oxidant electrode, a reforming fuel, and Reforming water is supplied, reforming the supplied reforming fuel with a reforming catalyst to generate a fuel gas containing hydrogen, and combustible fuel is supplied to burn the combustible fuel. A reformer provided with a combustion section for heating the reforming section with the combustion gas, a first flow path for supplying the fuel gas generated in the reforming section to the combustion section via the fuel electrode of the fuel cell, A second flow path for supplying the fuel gas generated in the reforming section to the combustion section by bypassing the fuel electrode of the fuel cell, and a communication blocking means for switching the first and second flow paths to a communication state and a block state, respectively. The communication cutoff means warms up the reformer. The that warm-up mode, respectively blocked state and the communication state of the first and second flow paths, the first flow path and the communicating state after the time when the reformer warm-up is completed, communication state of the first flow path A fuel cell system that shuts off the second flow path when a first predetermined time elapses from the time when the reforming fuel is supplied; a reforming fuel supply means that supplies reforming fuel to the reforming unit; Hydrogen utilization rate representing the ratio of the amount of hydrogen consumed in the fuel cell to the amount of hydrogen in the fuel gas supplied to the fuel cell from the time when the flow path is in the communication state until the second predetermined time elapses Is set to the first set value, and thereafter, the hydrogen use rate is set by the hydrogen use rate setting means for setting the hydrogen use rate to the second set value larger than the first set value, and the power generation output of the fuel cell and the hydrogen use rate setting means. Supply of reforming fuel to be supplied to the reforming unit based on the hydrogen utilization rate A reforming fuel supply amount deriving unit for deriving the amount, and a reforming fuel supply control unit for controlling the reforming fuel supply unit so as to obtain the supply amount derived by the reforming fuel supply amount deriving unit; A combustion fuel supply means for supplying combustion fuel to the combustion section, a combustion state detection means for detecting the combustion state of the combustion section, and a target combustion state of the combustion section until the warm-up of the reformer is completed. 1 target combustion state is set, and the target combustion state setting for setting the target combustion state of the combustion section to the second target combustion state that is on the misfire state side from the first target combustion state after the time when the warming-up of the reformer is completed And the combustion fuel supply means are feedback controlled to adjust the combustion state of the combustion section so that the target combustion state set by the target combustion state setting means is achieved, and the rotation speed of the combustion fuel supply means is the lower limit rotation. Not to be smaller than the number And a combustion fuel supply control means for controlling the combustion fuel supply means is a diaphragm pump, and a second predetermined time elapses from the time when the first flow path is brought into communication. Until the lower limit rotational speed of the combustion fuel supply means is set to the first rotational speed, and thereafter, the lower limit rotational speed setting means for setting the lower limit rotational speed to a second rotational speed smaller than the first rotational speed. The fuel supply control means for combustion is to use the lower limit rotational speed set by the lower limit rotational speed setting means .
また、請求項2に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、連通遮断手段は、第1流路に設けられて同第1流路を開閉する第1バルブと、第2流路に設けられて同第2流路を開閉する第2バルブと、から構成されていることである。
The feature in construction of the invention according to
上記のように構成した請求項1に係る発明においては、暖機モードから発電モードに移行する際に、第1流路を連通状態とした時点から第1の所定時間経過する時点までの間において、第1流路内に残留していた残留ガスが、第2流路を通って改質部からの燃料ガスととともに燃焼部に供給されるので、従来のように残留ガスによって可燃性ガスが希薄されることにより燃焼状態が変動して燃焼部が失火することを防止することができる。
さらに、水素利用率設定手段が、第1流路を連通状態とした時点から第2の所定時間経過するまでの間では、燃料電池に供給される燃料ガス中の水素量に対する同燃料電池で消費された水素量の比を表す水素利用率を第1設定値に設定し、それ以降では水素利用率を第1設定値より大きい第2設定値に設定し、改質用燃料供給量導出手段が、燃料電池の発電出力と水素利用率設定手段により設定された水素利用率とに基づいて改質部に供給する改質用燃料の供給量を導出し、改質用燃料供給制御手段が、改質用燃料供給量導出手段により導出された供給量となるように改質用燃料供給手段を制御する。これにより、第1流路を連通状態とした時点から第2の所定時間経過するまでの間では、水素利用率を発電モードより低く設定することにより改質用燃料の供給量が多くなるので、燃焼部に供給される可燃性ガスの供給量を多くすることにより、燃焼部が失火することを防止することができる。
さらに、目標燃焼状態設定手段が、改質器の暖機が完了するまでは燃焼部の目標燃焼状態を第1目標燃焼状態に設定し、改質器の暖機が完了した時点以降は燃焼部の目標燃焼状態を第1目標燃焼状態より失火状態側である第2目標燃焼状態に設定し、燃焼用燃料供給制御手段が、燃焼用燃料供給手段をフィードバック制御して目標燃焼状態設定手段により設定された目標燃焼状態となるように燃焼部の燃焼状態を調整するとともに、燃焼用燃料供給手段の回転数が下限回転数より小さくならないように制御する。これにより、暖機モードから発電モードに移行する際に、ロバスト性の低下、切り替え時の制御の継承性の低下を招くことなく、燃焼状態が変動して燃焼部が失火することを防止することができる。
さらに、燃焼用燃料供給手段としてダイヤフラム式ポンプを使用した場合、下限回転数設定手段が、第1流路を連通状態とした時点から第2の所定時間経過するまでの間では、燃焼用燃料供給手段の下限回転数を第1回転数に設定し、それ以降では下限回転数を第1回転数より小さい第2回転数に設定し、燃焼用燃料供給制御手段が、下限回転数設定手段により設定された下限回転数を使用する。これにより、ダイヤフラム式ポンプの駆動による脈動が発生するのを防止し、燃焼用燃料の供給量を精度よく制御することができる。
In the invention according to claim 1 configured as described above, when shifting from the warm-up mode to the power generation mode, from the time when the first flow path is in the communication state to the time when the first predetermined time elapses. Since the residual gas remaining in the first flow path is supplied to the combustion section together with the fuel gas from the reforming section through the second flow path, the combustible gas is generated by the residual gas as in the conventional case. By being diluted, it is possible to prevent the combustion state from fluctuating and the combustion part from misfiring.
Further, the hydrogen utilization rate setting means consumes the fuel cell with respect to the amount of hydrogen in the fuel gas supplied from the time when the first flow path is in the communication state until the second predetermined time elapses. The hydrogen utilization rate representing the ratio of the hydrogen amount thus set is set to the first set value, and thereafter, the hydrogen utilization rate is set to the second set value larger than the first set value, and the reforming fuel supply amount deriving means The amount of reforming fuel supplied to the reforming unit is derived based on the power generation output of the fuel cell and the hydrogen utilization rate set by the hydrogen utilization rate setting means, and the reforming fuel supply control means The reforming fuel supply unit is controlled so as to be the supply amount derived by the quality fuel supply amount deriving unit. Thereby, the supply amount of the reforming fuel increases by setting the hydrogen utilization rate lower than that in the power generation mode until the second predetermined time elapses from the time when the first flow path is in the communication state. Increasing the supply amount of the combustible gas supplied to the combustion unit can prevent the combustion unit from misfiring.
Further, the target combustion state setting means sets the target combustion state of the combustion section to the first target combustion state until the reformer warm-up is completed, and after the time when the reformer warm-up is completed, the combustion section The target combustion state is set to the second target combustion state, which is the misfire state side from the first target combustion state, and the combustion fuel supply control means performs feedback control on the combustion fuel supply means and is set by the target combustion state setting means The combustion state of the combustion section is adjusted so that the target combustion state is achieved, and control is performed so that the rotational speed of the combustion fuel supply means does not become lower than the lower limit rotational speed. As a result, when shifting from the warm-up mode to the power generation mode, it is possible to prevent the combustion portion from being misfired due to fluctuations in the combustion state without causing a decrease in robustness and a decrease in control inheritance at the time of switching. Can do.
Further, when a diaphragm type pump is used as the combustion fuel supply means, the combustion fuel supply is performed until the second predetermined time elapses after the lower limit rotation speed setting means sets the first flow path to the communication state. The lower limit rotational speed of the means is set to the first rotational speed, and thereafter the lower limit rotational speed is set to the second rotational speed smaller than the first rotational speed, and the combustion fuel supply control means is set by the lower limit rotational speed setting means. Use the specified lower speed limit. Thereby, it is possible to prevent pulsation due to the driving of the diaphragm pump and to control the supply amount of the combustion fuel with high accuracy.
上記のように構成した請求項2に係る発明においては、請求項1に係る発明において、連通遮断手段は、第1流路に設けられて同第1流路を開閉する第1バルブと、第2流路に設けられて同第2流路を開閉する第2バルブと、から構成されているので、既設の構成に変更を加えたり、別の部材を追加したりことなく、すなわち大型化・高コスト化を招くことなく、燃焼部が失火することを防止することができる。
In the invention according to
以下、本発明による燃料電池システムの一実施形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、図1に示すように、燃料電池10と燃料電池10に必要な水素ガスを含む燃料ガスである改質ガスを生成する水蒸気改質方式の改質器20を備えている。燃料電池10は、燃料極11と酸化剤極である空気極12を備えており、燃料極11に供給された改質ガスおよび空気極12に供給された酸化剤ガスである空気(カソードエア)を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of this fuel cell system. As shown in FIG. 1, this fuel cell system includes a
燃料電池10にはインバータ(電力変換器)13が接続されている。インバータ13は、燃料電池10の発電出力(発電電流)を交流電力(交流電流)に変換して送電線14を介してユーザ先である電力使用場所15に供給するものである。電力使用場所15には、電灯、アイロン、テレビ、洗濯機、電気コタツ、電気カーペット、エアコン、冷蔵庫などの電気器具である電力消費装置15aが設置されており、インバータ13から供給される交流電力が必要に応じて電力消費装置15aに供給されている。なお、インバータ13と電力使用場所15とを接続する送電線14には電力会社の系統電源16も接続されており(系統連系)、燃料電池10の発電出力より電力消費装置15aの合計消費電力が上回った場合、その不足電力を系統電源16から受電して補うようになっている。インバータ13は燃料電池10から入力した直流電流値を測定する機能も有しており(燃料電池10の出力電流を検出する出力電流検出手段である。)、測定信号を制御装置30に出力するようになっている。電力計15bは、ユーザ負荷電力(ユーザ消費電力)を検出するユーザ負荷電力検出手段であり、電力使用場所15で使用される全ての電力消費装置15aの合計消費電力を検出して、制御装置30に出力するようになっている。
An inverter (power converter) 13 is connected to the
改質器20は、改質部21、冷却部22、一酸化炭素シフト反応部(以下、COシフト部という。)23、一酸化炭素選択酸化部(以下、CO選択酸化部という)24、燃焼部25、および蒸発部26から構成されている。
The reformer 20 includes a reforming
改質部21は、外部から供給された燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。燃料としては天然ガス、LPG、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。この改質部21は有底円筒状に形成されており、それぞれ環状に形成された外側流路21a1と環状の内側流路21a2から構成される、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路21aを備えている。
The reforming
改質部21の折り返し流路21a内には、触媒21b(例えば、RuまたはNi系の触媒)が充填されており、燃料供給管41から導入された改質用燃料と水蒸気供給管52から導入された水蒸気との混合ガスが触媒21bによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)は冷却部(熱交換部)22に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。また、改質部21には、燃焼部25から噴出す燃焼ガスが直接当たる内壁の内側に温度センサ21cが配設されている。この温度センサ21cは、燃焼部25の燃焼温度を検出する燃焼部温度検出手段であり、また燃焼温度から燃焼状態も認識することができるので、燃焼部25の燃焼状態を検出する燃焼部燃焼状態検出手段である。温度センサ21cの検出結果は、制御装置30に出力されるようになっている。
The return channel 21 a of the reforming
冷却部22は、改質部21から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水(水蒸気)との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してCOシフト部23に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部21に導出するようになっている。具体的には、冷却部22には燃料供給源Sf(例えば都市ガス管)に接続された燃料供給管41が接続されており、燃料供給源Sfから改質用燃料が供給されている。燃料供給管41には、上流から順番に第1燃料バルブ42、改質用燃料ポンプ43、脱硫器44および第2燃料バルブ45が設けられている。第1および第2燃料バルブ42,45は制御装置30の指令によって燃料供給管41を開閉するものである。改質用燃料ポンプ43は燃料供給源Sfから供給される改質用燃料を吸い込み改質部21に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて改質用燃料供給量を調整するものである。脱硫器44は改質用燃料中の硫黄分(例えば、硫黄化合物)を除去するものである。これにより、改質用燃料は硫黄分が除去されて改質部21に供給される。
The cooling
また、燃料供給管41の第2燃料バルブ45と冷却部22との間には蒸発部26に接続された水蒸気供給管52が接続され、蒸発部26から供給された水蒸気が改質用燃料に混合されて冷却部22を通って改質部21に供給されている。蒸発部26には改質水供給源である水タンクSwに接続された給水管51が接続されている。給水管51には、上流から順番に水ポンプ53および水バルブ54が設けられている。水ポンプ53は水タンクSwから供給される改質水を吸い込み蒸発部26に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて改質水供給量を調整するものである。水バルブ54は制御装置30の指令によって給水管51を開閉するものである。
Further, a
蒸発部26は、改質水を加熱して沸騰させて水蒸気を生成して冷却部22を介して改質部21に供給するものであり、円筒状に形成されて燃焼ガス流路27の第2外周流路27cの外周壁を覆って当接して設けられている。この蒸発部26は、側壁面下部および側壁面上部に給水管51および水蒸気供給管52がそれぞれ接続されており、給水管51から導入された水が蒸発部26内を流通し加熱されて水蒸気となって水蒸気供給管52に導出するようになっている。これにより、導入時低温であった水(例えば20℃)は、第2外周流路27cを流通する燃焼ガスと熱交換して昇温されて沸騰状態(100℃以上)となりその温度で導出されるようになっている。また、蒸発部26には内部温度を検出する温度センサ26aが設けられており、その検出信号は制御装置30に出力されるようになっている。
The
COシフト部23は、冷却部22を通って改質部21から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。COシフト部23は、筒状の筐体23aと、筐体23a内に同軸に配置された内筒23bを備えている。内筒23bは、外周端を筐体23a内周面に接続された環状の支持部材23cの内周端に上端が接続されている。筐体23aの上面には改質ガス導入口23a1が設けられ、筐体23aの側面には一端がCO選択酸化部24に接続されている接続管89の他端が接続されている。COシフト部23の内筒23b内および内筒23bと筐体23aとの間には触媒23d(例えば、Cu−Zn系の触媒)が充填されている。また、COシフト部23内にはCOシフト部23内の温度例えばCOシフト部23の改質ガス導入口付近の温度を検出する温度センサ23eが設けられており、その検出信号が制御装置30に出力されるようになっている。
The CO shift unit 23 is a unit that reduces carbon monoxide in the reformed gas supplied from the reforming
このように構成されたCOシフト部23においては、冷却部22から導出された改質ガスは、改質ガス導入口23a1を通りおよび内筒23b内の触媒23dを通って、折り返して内筒23bと筐体23aとの間の触媒23d内を通ってCO選択酸化部24に導出される。このとき、導入した改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が触媒23dにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
In the CO shift unit 23 configured in this way, the reformed gas led out from the cooling
CO選択酸化部24は、COシフト部23から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池10に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部であり、円筒状に形成されて、蒸発部26の外周壁を覆って当接して設けられている。このCO選択酸化部24は、側壁面下部および側壁面上部に接続管89および改質ガス供給管71がそれぞれ接続され、内部に触媒24a(例えば、RuまたはPt系の触媒)が充填されており、接続管89を通って導入された改質ガスがCO選択酸化部24内を流通し改質ガス供給管71から導出するようになっている。また、CO選択酸化部24内には触媒24aの温度を検出する温度センサ24bが設けられており、その検出信号が制御装置30に出力されるようになっている。
The CO selective oxidation unit 24 further reduces the carbon monoxide in the reformed gas supplied from the CO shift unit 23 and supplies it to the
また、CO選択酸化部24に供給される改質ガスには、酸化用空気が混合されるようになっている。すなわち、接続管89には、空気供給源Saに接続された酸化用空気供給管61が接続されており、空気供給源Sa(例えば大気)から酸化用空気が供給されている。酸化用空気供給管61には、上流から順番にフィルタ62、空気ポンプ63および空気バルブ64が設けられている。フィルタ62は空気を濾過するものである。空気ポンプ63は空気供給源Saから供給される空気を吸い込みCO選択酸化部24に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて空気供給量を調整するものである。空気バルブ64は制御装置30の指令によって酸化用空気供給管61を開閉するものである。これにより、酸化用空気がCOシフト部23からの改質ガスに混合されてCO選択酸化部24に供給される。
Further, the reforming gas supplied to the CO selective oxidation unit 24 is mixed with oxidizing air. That is, the
したがって、CO選択酸化部24内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒24aによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて(10ppm以下)導出され、燃料電池10の燃料極11に供給されるようになっている。
Therefore, carbon monoxide in the reformed gas introduced into the CO selective oxidation unit 24 reacts with oxygen in the oxidizing air to become carbon dioxide. This reaction is an exothermic reaction and is promoted by the
燃焼部25は、可燃性燃料が供給されその可燃性燃料を燃焼しその燃焼ガスにより改質部21を加熱するもの、すなわち改質部21を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものである。この燃焼部25は、改質部21の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。燃焼ガスは、改質部21の内周壁に沿う内周流路27aと、内周流路27aから折り返されて改質部21の外周壁に沿う第1外周流路27bと、第1外周流路27bから折り返されて断熱部28に沿う第2外周流路27cから構成される燃焼ガス流路27を流通し、排気管81を通って燃焼排ガスとして排気される。なお、燃焼ガス流路27は断熱部28によって覆われており、内周流路27aおよび第1外周流路27bを流れる燃焼ガスの熱は断熱部28によって外部への放熱が抑制されるので改質部21の加熱に有効利用され、第2外周流路27cを流れる燃焼ガスの熱は断熱部28によって第1外周流路27bへの放熱が抑制されるので蒸発部26の加熱に有効利用される。
The
この燃焼部25には、改質用燃料ポンプ43の上流にて燃料供給管41から分岐した燃焼用燃料供給管47が接続されており、燃焼用燃料が供給されるようになっている。燃焼用燃料供給管47には燃焼用燃料ポンプ48が設けられている。燃焼用燃料ポンプ48は、ダイヤフラム式のポンプであり、燃料供給源Sfから供給される燃焼用燃料を吸い込み燃焼部25に吐出する燃焼用燃料供給手段であり、制御装置30の指令に応じて燃焼用燃料供給量を調整するものである。また、燃焼部25には燃料極11の導出口に一端が接続されているオフガス供給管72の他端が接続されており、燃料電池10の起動運転時に改質器20からの改質ガスが改質ガス供給管71、バイパス管73およびオフガス供給管72を通って供給され、燃料電池10の定常運転時に燃料電池10から排出されるアノードオフガス(燃料極11にて未使用な水素を含んだ改質ガス)がオフガス供給管72を通って供給されるようになっている。例えば、上述した燃焼用燃料、改質ガス、アノードオフガスが可燃性燃料である。
A combustion
さらに燃焼部25には空気ポンプ63の上流にて酸化用空気供給管61から分岐した燃焼用空気供給管65が接続されており、燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスを燃焼させるための燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気が供給されるようになっている。燃焼用空気供給管65には燃焼用空気ポンプ66が設けられており、燃焼用空気ポンプ66は空気供給源Saから供給される燃焼用空気を吸い込み燃焼部25に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて燃焼用空気供給量を調整するものである。燃焼部25が制御装置30の指令によって着火されると、燃焼部25に供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスは燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。
Further, a combustion
燃料電池10の燃料極11の導入口には改質ガス供給管71を介してCO選択酸化部24が接続されており、燃料極11に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極11の導出口にはオフガス供給管72を介して燃焼部25が接続されており、燃料電池10から排出されるアノードオフガスを燃焼部25に供給するようになっている。バイパス管73は燃料電池10をバイパスして改質ガス供給管71およびオフガス供給管72を直結するものである。改質ガス供給管71にはバイパス管73との分岐点と燃料電池10との間に第1改質ガスバルブ(第1バルブ)74が設けられている。オフガス供給管72にはバイパス管73との合流点と燃料電池10との間にオフガスバルブ75が設けられている。バイパス管73には第2改質ガスバルブ(第2バルブ)76が設けられている。第1および第2改質ガスバルブ74,76およびオフガスバルブ75はそれぞれの管を開閉するものであり、制御装置30により制御されている。起動運転時(改質器暖機モード)には、改質器20から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池10に供給するのを回避するため、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を閉じ第2改質ガスバルブ76を開き、定常運転時(FC結合モードおよび発電モード)には、改質器20からの改質ガスを燃料電池10に供給するため、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を開き第2改質ガスバルブ76を閉じている。このように、第1および第2改質ガスバルブ74,76から連通遮断手段が構成されており、連通遮断手段は、第1流路L1と第2流路L2をそれぞれ連通状態と遮断状態に切り換えるものである。
A CO selective oxidation unit 24 is connected to the inlet of the
第1流路L1は、改質部21で生成した燃料ガスを燃料電池10の燃料極11を経由して燃焼部25に供給する流路であり、第2流路L2は、改質部21で生成した燃料ガスを燃料電池10の燃料極11を迂回して燃焼部25に供給する流路である。第1流路L1は、CO選択酸化部24と燃焼部25を燃料電池10を経由して接続する流路であり、改質ガス供給管71、燃料電池10の燃料極11に燃料ガスを供給するための流路(図示せず)、およびオフガス供給管72から構成されている。第2流路L2は、CO選択酸化部24と燃焼部25を燃料電池10を経由しないで接続する流路であり、改質ガス供給管71、バイパス管73、およびオフガス供給管72から構成されている。なお、第2流路L2は、バイパス路73を設ける以外に、第1流路L1と関係なく改質器20の燃料ガス出口と燃焼部25の入口を連通する場合もある。
The first flow path L1 is a flow path for supplying the fuel gas generated in the reforming
また、燃料電池10の空気極12の導入口には、空気ポンプ66の上流にて燃焼用空気供給管65から分岐したカソード用空気供給管67の先端が接続されており、空気極12内に空気が供給されるようになっている。カソード用空気供給管67には上流から順にカソード用空気ポンプ68およびカソード用空気バルブ69が設けられている。カソード用空気ポンプ68は空気供給源Saから供給される空気を吸い込み燃料電池10の空気極12に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じてカソード用空気供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ69は制御装置30の指令によってカソード用空気供給管67を開閉するものである。さらに、燃料電池10の空気極12の導出口には、他端が外部に開放されている排気管82の一端が接続されている。
The tip of a cathode
また、改質ガス供給管71、オフガス供給管72および排気管82の途中には、それぞれ改質ガス用凝縮器77、アノードオフガス用凝縮器78およびカソードオフガス用凝縮器79が設けられている。改質ガス用凝縮器77は改質ガス供給管71中を流れる燃料電池10の燃料極11に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器78はオフガス供給管72中を流れる燃料電池10の燃料極11から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器79は排気管82中を流れる燃料電池10の空気極12から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。なお、各凝縮器77〜79には、図示しない貯湯槽の低温液体またはラジエータおよび冷却ファンによって冷却された液体が供給される冷媒管が貫設されており、この液体との熱交換によって各ガス中の水蒸気を凝縮している。
A reformed
これら凝縮器77,78,79は配管84を介して純水器95に連通しており、各凝縮器77,78,79にて凝縮された凝縮水は、純水器95に導出され回収されるようになっている。純水器95は、各凝縮器77,78,79から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を水タンクSwに導出するものである。なお、純水器95には水道水供給源(例えば水道管)から供給される補給水(水道水)を導入する給水管91が接続されており、純水器95内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。
These
また、燃料電池システムは制御装置30を備えており、この制御装置30には、上述した各温度センサ21c,23e,24b,26a、インバータ13、電圧計15b、各ポンプ43,48,53,63,66,68、各バルブ42,45,54,64,69,74,75,76、および燃焼部25が接続されている(図2参照)。制御装置30はマイクロコンピュータ(図示省略)を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、CPU、RAMおよびROM(いずれも図示省略)を備えている。CPUは、各温度センサ21c,23e,24b,26aからの各温度、インバータ13からの出力電流(燃料電池10の出力電流)、および電力計15bからの消費電力を入力して、各ポンプ43,48,53,63,66,68、各バルブ42,45,54,64,69,74,75,76、および燃焼部25を制御することにより、システムの起動運転および定常運転を実行している。RAMは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ROMは前記プログラムを記憶するものである。
Further, the fuel cell system includes a
また、制御装置30は、図3に示すように、水素利用率毎の、燃料電池10の出力電力(出力電流)と改質用燃料供給量との相関関係を示しているマップまたは演算式を記憶している。なお本実施形態においては、水素利用率75%と85%のものを示している。また、水素利用率は、燃料電池10に供給される燃料ガス中の水素量に対する同燃料電池10で消費された水素量の比を表すものである。水素利用率が高くなるにつれて同じ出力電力でも供給される改質用燃料の量は減少することになる。
Further, as shown in FIG. 3, the
上述した燃料電池システムの作動について図4〜図7を参照して説明する。制御装置30は、時刻t0にて図示しない起動スイッチがオンされると、燃料電池システムの暖機運転(起動運転)を開始する(ステップ102)。具体的には、制御装置30は、プログラムを図5に示す暖機運転ルーチンに進め、この暖機運転ルーチンにて改質器20の暖機運転を実施する。
The operation of the fuel cell system described above will be described with reference to FIGS. When a start switch (not shown) is turned on at time t0,
制御装置30は、このルーチンを開始するごとにステップ202以降の処理を実行する。制御装置30は、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を閉じ第2改質ガスバルブ76を開いてCO選択酸化部24を燃焼部25に直接接続し(ステップ202)、第1燃料バルブ42を開き第2燃料バルブ45を閉じ燃料供給源Sfを燃焼部25のみに接続する(ステップ204)。
The
制御装置30は、燃焼用燃料ポンプ48および燃焼用空気ポンプ66を駆動して燃焼用燃料および燃焼用空気を燃焼部25に供給し(ステップ206)、燃焼部25を着火する(ステップ208)。これにより燃焼部25において燃焼が開始される。
The
制御装置30は、燃焼部25の目標燃焼状態である目標温度を第1目標燃焼状態である第1目標温度(例えば800℃)に設定する(ステップ210)。この第1目標温度は定常運転に設定される第2目標温度(例えば700℃)より高い温度である。これは次の理由による。すなわち、暖機運転ではできるだけ早期に改質器20を暖機したいため、改質触媒21bの耐熱温度を考慮してできるだけ高温で加熱する必要がある。また、第2目標温度は改質触媒21bの活性温度を考慮して最適な温度に設定されている。そして、制御装置30は、温度センサ21cにより燃焼部25の燃焼温度を検出し(ステップ212)、燃焼用燃料ポンプ48をフィードバック制御して検出した燃焼部25の燃焼温度を先に設定した第1目標温度となるように調整する(ステップ214)。これにより、燃焼用燃料が燃焼されその燃焼ガスが燃焼ガス流路27を流通して、その燃焼ガスにより改質部21内の改質触媒21aおよび蒸発部26が加熱される。
The
制御装置30は、温度センサ26aにより蒸発部26の温度を検出し、この検出した温度が第1の所定温度Th1以上となれば(時刻t1)、水バルブ54を開き、水ポンプ53を駆動させ水タンクSwの水を所定流量だけ蒸発部26を介して改質部21に供給する(ステップ216,218)。
The
制御装置30は、蒸発部26の温度が所定温度Th1以上となった時点(時刻t1)からタイマのカウントを開始する。タイマが所定時間Tm1(例えば1分)以上となれば(ステップ220)、時刻t2にて第2燃料バルブ45を開いて燃料供給源Sfを改質部21に接続し、改質用燃料ポンプ43を駆動させ燃料供給源Sfの改質用燃料を所定流量だけ改質部21に供給する(ステップ222)。さらに、空気バルブ64を開いて空気供給源SaをCO選択酸化部24に接続し、空気ポンプ63を駆動させ空気供給源Saの空気を所定流量(所定供給量)だけCO選択酸化部24に供給する(ステップ224)。これにより、改質部21に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、改質部21では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部21から導出された改質ガスはCOシフト部23およびCO選択酸化部24により一酸化炭素ガスを低減されてCO選択酸化部24から導出され、燃料電池10を経由しないで燃焼部25に直接供給され燃焼される。そして、制御装置30は、ステップ224の処理を実行した後、プログラムをステップ226に進めてこのルーチンを終了し、図4に示すステップ104以降に進める。
The
このように改質ガスの生成中において、制御装置30は、ステップ104において、温度センサ24bによりCO選択酸化部24の触媒24aの温度を検出し、この検出した温度が第2の所定温度Th2未満であれば、改質器20の暖機は完了していないと判定しステップ104の処理を繰り返し実行し、CO選択酸化部24の触媒24aの温度が昇温し検出した温度が第2の所定温度Th2以上となれば(時刻t3)、改質器20の暖機が完了したと判定しプログラムをステップ106に進める。
In this way, during the generation of the reformed gas, the
制御装置30は、ステップ106において、改質器20の暖機が完了した時点以降に、先にステップ210で第1目標温度に設定した燃焼部目標温度を第2目標温度に変更する。これにより、制御装置30は、温度センサ21cにより燃焼部25の燃焼温度を検出し、燃焼用燃料ポンプ48をフィードバック制御して検出した燃焼部25の燃焼温度を設定した第2目標温度となるように調整する。したがって、改質部21の温度が改質触媒21bの活性温度に降温される。
In
また、制御装置30は、改質器20の暖機が完了した時点(時刻t4)以降に、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を開く(ステップ108)。これにより、時刻t4にてCO選択酸化部24を燃料電池10の燃料極11の導入口に接続するとともに燃料極11の導出口を燃焼部25に接続し、時刻t4から時刻t5までの間(所定時間T1)にはCO選択酸化部24は第1流路L1(燃料電池10を経由する流路)と第2流路L2(燃料電池10を経由しない流路)の両方を通じて燃焼部25に接続する。これにより、改質部21で生成した燃料ガスは、第1および第2流路L1,L2の両流路を通って燃焼部25に供給される。
In addition, the
制御装置30は、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を開いた時点から第1の所定時間T1が経過するまで、FC結合制御(燃料電池(FC)を改質器に接続する過渡制御)を実行する(ステップ112)。具体的には、制御装置30は、プログラムを図6に示すFC結合ルーチンに進め、このルーチンを開始するごとにステップ302以降の処理を実行する。
The
制御装置30は、水素利用率を第1設定値C1−k1に設定し(ステップ302)、インバータ13により発電出力(発電電流)を検出する(ステップ304)。なお、C1は第2設定値(85%)であり、k1は定数(10%)である。そして、制御装置30は、図3に示すマップから第1設定値C1−k1のものを選択し、その選択したマップから、先に検出した発電出力(発電電流)に応じた改質用燃料の供給量を導出し(ステップ306)、改質用燃料ポンプ43を制御して導出した供給量に調整する(ステップ308)。これにより、改質用燃料の供給量を必要量より増加して燃焼部25に供給する可燃性ガス(改質部21で改質されなかった改質用燃料、燃料電池10で使用されなかった水素を含む)の供給量を増加する。
The
さらに、制御装置30は、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を開いた時点(時刻t4)から第1の所定時間T1が経過した時点(時刻t5)までの間、燃焼用燃料ポンプ48の最低回転数を第2回転数C2(500回転)からそれより高い第1回転数C2+k2(750回転)に設定する(ステップ310)。そして、制御装置30は、ステップ310の処理を実行した後、プログラムをステップ312に進めてこのルーチンを終了し、図4に示すステップ110に戻す。なお、第1回転数は、ダイヤフラム式ポンプである燃焼用燃料ポンプ48の駆動で発生する脈動を制御するのに十分な大きさに抑制できるように設定されたものである。第2回転数は、燃焼用燃料ポンプ48の摺動抵抗を考慮して設定されたものである。
Further, the
そして、制御装置30は、第1改質ガスバルブ74を開いた時点から第1の所定時間T1が経過すると(時刻t5)、第2改質ガスバルブ76を閉じる(ステップ114)。これにより、時刻t5以降には、第2流路L2が遮断状態となり第1流路L1のみが連通状態となり、したがってCO選択酸化部24からの燃料ガスがすべて燃料電池10に供給され燃料電池10は発電を開始する。
When the first predetermined time T1 has elapsed from the time when the first reformed
制御装置30は、時刻t5から、第1改質ガスバルブ74を開いた時点(時刻t4)から第2の所定時間T2が経過するまで、上述したFC結合制御を実行し改質用燃料の供給量を必要量より増加して燃焼部25に供給する可燃性ガス(改質部21で改質されなかった改質用燃料、燃料電池10で使用されなかった水素を含む)の供給量を増加する(ステップ118)。具体的には、制御装置30は、プログラムを図6に示すFC結合ルーチンを上記と同様に進め、このルーチンが終了すると、図4に示すステップ116に戻す。なお、上記第1および第2の所定時間T1,T2は、システムによって異なるため、実験的に決められる。
The
そして、制御装置30は、第1改質ガスバルブ74を開いた時点から第2の所定時間T2が経過すると(時刻t6)、それ以降通常の発電を開始する。具体的には、制御装置30は、水素利用率を第2設定値C1に設定し(ステップ120)、インバータ13により発電出力(発電電流)を検出する(ステップ122)。そして、制御装置30は、図3に示すマップから第1設定値C1(75%)のものを選択し、その選択したマップから、先に検出した発電出力(発電電流)に応じた改質用燃料の供給量を導出し(ステップ124)、改質用燃料ポンプ43を制御して導出した供給量に調整する(ステップ126)。
Then, when the second predetermined time T2 elapses from the time when the first reformed
制御装置30は、運転停止指示があるまで、ステップ128,130の処理を繰り返して実行する。すなわち、制御装置30は、改質器20で生成される水素量が所定量となるようにすなわち燃料電池システムの出力電流が電力使用場所15で消費される電流・電力に基づいて決定される所望の出力電流となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気、酸化用空気、カソード用空気および改質水を供給するようになっている(ステップ128)。
制御装置30は、水素量が所定量となるように改質用燃料供給量を演算し(ステップ122〜126と同処理)その供給量となるように改質用燃料ポンプ43を駆動させている。その改質用燃料供給量およびS/C(スチームカーボン比)に基づいて改質水供給量を演算しその供給量となるように水ポンプ53を駆動させている。アノードオフガスの燃焼熱だけでは燃焼部25にて必要な熱エネルギーが不足する場合に、燃焼部25に供給する燃焼用燃料の供給量を演算しその供給量となるように燃焼用燃料ポンプ48を駆動させている。このとき、燃焼用燃料ポンプ48の最低回転数は第2回転数C2に設定されている。また、改質用燃料供給量などに基づいて燃焼用空気の供給量を演算しその供給量となるように燃焼用空気ポンプ66を駆動させている。さらに、一酸化炭素を所定量以下とするように酸化用空気の供給量を演算しその供給量となるように空気ポンプ63を駆動させている。そして改質器20から供給された改質ガスと反応するに適切なカソード用空気の供給量を演算しその供給量となるようにカソード用空気ポンプ68を駆動させている。そして、制御装置30は、停止スイッチが押されるなど運転停止指示があると、燃料電池システムを停止する(ステップ130,132)。
The
制御装置30は、ステップ132において、システムの停止処理を行う。このとき、水素濃度を低くするかゼロにするため燃料電池10の燃料極側にパージ処理を行う。このパージ処理として、不活性ガス、空気、燃焼排ガスなどのパージガスにより燃料ガスを追い出す方法、空気を送って酸化反応により水素濃度を低下させる方法、水蒸気を循環しながら燃料電池10に電圧を印加し燃料極11の水素を酸化剤極12に輸送して水素濃度を低下させる方法などがある。いずれの方法でも燃料極11では水素濃度が低い残留ガスが残留した状態でシステムが停止することになる。
In
上述した説明から明らかなように、本実施形態においては、暖機モードから発電モードに移行する際に、第1流路L1を連通状態とした時点(時刻t4)から第1の所定時間T1を経過する時点(時刻t5)までの間において、第1流路L1内に停止処理時に残留していた残留ガスが、第2流路L2を通ってCO選択酸化部24(改質部21)から供給される燃料ガスととともに燃焼部25に供給されるので、従来のように残留ガスによって可燃性ガスが希薄されることにより燃焼状態が変動して燃焼部25が失火することを防止することができる。
As is clear from the above description, in the present embodiment, when the warm-up mode is shifted to the power generation mode, the first predetermined time T1 is set from the time point (time t4) when the first flow path L1 is in the communication state. Until the elapsed time (time t5), residual gas remaining in the first flow path L1 during the stop process passes through the second flow path L2 from the CO selective oxidation unit 24 (reforming unit 21). Since it is supplied to the
また、水素利用率設定手段(ステップ120)が、第1流路L1を連通状態とした時点(時刻t4)から第2の所定時間T2を経過するまで(時刻t6)の間では、燃料電池10に供給される燃料ガス中の水素量に対する同燃料電池10で消費された水素量の比を表す水素利用率を第1設定値に設定し、それ以降では水素利用率を第1設定値より大きい第2設定値に設定し、改質用燃料供給量導出手段(ステップ122,124)が、燃料電池10の発電出力と水素利用率設定手段(ステップ120)により設定された水素利用率とに基づいて改質部21に供給する改質用燃料の供給量を導出し、改質用燃料供給制御手段(ステップ126)が、改質用燃料供給量導出手段(ステップ122,124)により導出された供給量となるように改質用燃料ポンプ45を制御する。これにより、第1流路L1を連通状態とした時点から第2の所定時間T2を経過するまでの間では、水素利用率を発電モードより低く設定することにより改質用燃料の供給量が多くなるので、燃焼部25に供給される可燃性ガスの供給量を多くすることにより、燃焼部25が失火することを防止することができる。
In addition, the
また、目標燃焼状態設定手段が、改質器20の暖機が完了するまでは燃焼部25の目標燃焼状態である目標温度を第1目標燃焼状態である第1目標温度に設定し(ステップ210)、改質器20の暖機が完了した時点以降は燃焼部25の目標温度を第1目標温度より失火状態側である第2目標燃焼状態である第2目標温度に設定し(ステップ106)、燃焼用燃料供給制御手段(ステップ214)が、燃焼用燃料ポンプ48をフィードバック制御して目標燃焼状態設定手段により設定された目標燃焼状態となるように燃焼部25の燃焼状態を調整するとともに、燃焼用燃料ポンプ48の回転数が下限回転数(最低回転数)より小さくならないように制御する。これにより、暖機モードから発電モードに移行する際に、ロバスト性の低下、切り替え時の制御の継承性の低下を招くことなく、燃焼状態が変動して燃焼部25が失火することを防止することができる。
Further, the target combustion state setting means sets the target temperature that is the target combustion state of the
また、燃焼用燃料ポンプ48としてダイヤフラム式ポンプを使用した場合、下限回転数設定手段が、第1流路L1を連通状態とした時点から第2の所定時間T2を経過するまでの間では、燃焼用燃料ポンプ48の下限回転数(最低回転数)を第1回転数に設定し(ステップ310)、それ以降では下限回転数を第1回転数より小さい第2回転数に設定し(ステップ128)、燃焼用燃料供給制御手段(ステップ214)が、下限回転数設定手段により設定された下限回転数を使用する。これにより、ダイヤフラム式ポンプの駆動による脈動が発生するのを防止し、燃焼用燃料の供給量を精度よく制御することができる。
Further, when a diaphragm pump is used as the
また、連通遮断手段は、第1流路L1に設けられて同第1流路L1を開閉する第1バルブである第1改質ガスバルブ74と、第2流路L2に設けられて同第2流路L2を開閉する第2バルブである第2改質ガスバルブ76と、から構成されているので、既設の構成に変更を加えたり、別の部材を追加したりことなく、すなわち大型化・高コスト化を招くことなく、燃焼部が失火することを防止することができる。
Further, the communication blocking means is provided in the first flow path L1, and is provided in the first flow path L1 and opens and closes the first flow path L1, and the second reformed
なお、上述した実施形態においては、連通遮断手段は、第1流路L1に設けられて同第1流路L1を開閉する第1バルブである第1改質ガスバルブ74と、第2流路L2に設けられて同第2流路L2を開閉する第2バルブである第2改質ガスバルブ76と、から構成するようにしたが、三方弁から構成するようにしてもよい。この場合、三方弁は改質ガス供給管71とバイパス管73の分岐点に設ければよい。この三方弁は、改質器暖機モードにはCO選択酸化部24を燃料電池10を経由しないで直接燃焼部25に接続し、改質器20の暖機が完了し第1の所定時間T1の間にはCO選択酸化部24を燃料電池10を経由しないで直接燃焼部25に接続するとともに燃料電池10を経由して燃焼部25に接続し、第1の所定時間T1を経過後には、CO選択酸化部24を燃料電池10を経由して燃焼部25に接続するように切り替えるものである。
In the above-described embodiment, the communication blocking means includes the first reformed
また、上述した実施形態においては、燃焼状態を燃焼温度で表したが、これに代えてイオン電流で表すようにしてもよい。この場合、燃焼部25にイオン電流を検出するイオン電流検出装置を設けるようにすればよい。
In the above-described embodiment, the combustion state is represented by the combustion temperature, but it may be represented by an ionic current instead. In this case, an ionic current detection device that detects the ionic current may be provided in the
また、上述した実施形態において、改質用燃料供給手段である改質用燃料ポンプ43、燃焼用燃料供給手段である燃焼用燃料ポンプ48などの各ポンプに代えてブロワ(送風機)を採用するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, a blower (blower) is employed instead of the pumps such as the reforming
また、上述した実施形態において、燃焼用燃料ポンプ48をダイヤフラム式のポンプで構成したが、このタイプ以外のポンプで構成するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the
10…燃料電池、11…燃料極、12…空気極、13…インバータ、15…電力使用場所、15a…電力消費装置、15b…電力計、20…改質装置、21…改質部、21a…折り返し流路、21b…触媒、22…冷却部、23…COシフト部、23d…触媒、23e…温度センサ、24…CO選択酸化部、24a…触媒、24b…温度センサ、25…燃焼部、26…蒸発部、26a…温度センサ、27…燃焼ガス流路、28…断熱部、30…制御装置、41…燃料供給管、42…第1燃料バルブ、43…燃料ポンプ、44…脱硫器、45…第2燃料バルブ、47…燃焼用燃料供給管、48…燃焼用燃料ポンプ、51…給水管、52…水蒸気供給管、53…水ポンプ、54…水バルブ、61…酸化用空気供給管、62…フィルタ、63…空気ポンプ、64…空気バルブ、65…燃焼用空気供給管、66…燃焼用空気ポンプ、67…カソード用空気供給管、68…カソード用空気ポンプ、69…カソード用空気バルブ、71…改質ガス供給管、72…オフガス供給管、73…バイパス管、74…第1改質ガスバルブ、75…オフガスバルブ、76…第2改質ガスバルブ、77,78,79…凝縮器、81,82…排気管、84…配管、89…接続管、91…給水管、95…純水器、Sa…空気供給源、Sf…燃料供給源、Sw…改質水供給源。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
改質用燃料および改質水が供給されその供給された改質用燃料を改質触媒によって改質することにより水素を含む前記燃料ガスを生成する改質部、および可燃性燃料が供給されその可燃性燃料を燃焼しその燃焼ガスにより前記改質部を加熱する燃焼部、を備えた改質器と、
前記改質部で生成した前記燃料ガスを前記燃料電池の燃料極を経由して前記燃焼部に供給する第1流路と、
前記改質部で生成した前記燃料ガスを前記燃料電池の燃料極を迂回して前記燃焼部に供給する第2流路と、
前記第1および第2流路をそれぞれ連通状態と遮断状態に切り換える連通遮断手段と、を備えてなり、
前記連通遮断手段は、前記改質器を暖機する暖機モードには前記第1および第2流路をそれぞれ遮断状態および連通状態とし、前記改質器の暖機が完了した時点以降に前記第1流路を連通状態とし、前記第1流路を連通状態とした時点から第1の所定時間経過した時点に前記第2流路を遮断状態とする燃料電池システムであって、
前記改質部に前記改質用燃料を供給する改質用燃料供給手段と、
前記第1流路を連通状態とした時点から第2の所定時間経過するまでの間では、前記燃料電池に供給される燃料ガス中の水素量に対する同燃料電池で消費された水素量の比を表す水素利用率を第1設定値に設定し、それ以降では前記水素利用率を前記第1設定値より大きい第2設定値に設定する水素利用率設定手段と、
前記燃料電池の発電出力と前記水素利用率設定手段により設定された水素利用率とに基づいて前記改質部に供給する改質用燃料の供給量を導出する改質用燃料供給量導出手段と、
該改質用燃料供給量導出手段により導出された供給量となるように前記改質用燃料供給手段を制御する改質用燃料供給制御手段と、
前記燃焼部に前記燃焼用燃料を供給する燃焼用燃料供給手段と、
前記燃焼部の燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段と、
前記改質器の暖機が完了するまでは前記燃焼部の目標燃焼状態を第1目標燃焼状態に設定し、前記改質器の暖機が完了した時点以降は前記燃焼部の目標燃焼状態を前記第1目標燃焼状態より失火状態側である第2目標燃焼状態に設定する目標燃焼状態設定手段と、
前記燃焼用燃料供給手段をフィードバック制御して前記目標燃焼状態設定手段により設定された目標燃焼状態となるように前記燃焼部の燃焼状態を調整するとともに、前記燃焼用燃料供給手段の回転数が下限回転数より小さくならないように制御する燃焼用燃料供給制御手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃焼用燃料供給手段はダイヤフラム式ポンプであり、
かつ、
前記第1流路を連通状態とした時点から前記第2の所定時間経過するまでの間では、前記燃焼用燃料供給手段の下限回転数を第1回転数に設定し、それ以降では前記下限回転数を前記第1回転数より小さい第2回転数に設定する下限回転数設定手段をさらに備え、
前記燃焼用燃料供給制御手段は、前記下限回転数設定手段により設定された下限回転数を使用することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity using fuel gas and oxidant gas respectively supplied to the fuel electrode and oxidant electrode;
A reforming section that supplies the reforming fuel and reforming water and reforms the supplied reforming fuel with a reforming catalyst to generate the fuel gas containing hydrogen, and a combustible fuel is supplied. A reformer comprising a combustion section that burns combustible fuel and heats the reforming section with the combustion gas;
A first flow path for supplying the fuel gas generated in the reforming section to the combustion section via a fuel electrode of the fuel cell;
A second flow path for supplying the fuel gas generated in the reforming section to the combustion section by bypassing the fuel electrode of the fuel cell;
Communication blocking means for switching the first and second flow paths to a communication state and a block state, respectively,
The communication interrupting means, said warming up mode reformer to warm up the first and second flow paths respectively blocked state and the communication state, before the subsequent time the Kiaratame reformer warm-up is completed wherein the first flow path and the communicating state, a fuel cell system that the second flow path the cut-off state to the elapse first predetermined time from the time when the first flow path and the communicating state,
Reforming fuel supply means for supplying the reforming fuel to the reforming section;
The ratio of the amount of hydrogen consumed in the fuel cell to the amount of hydrogen in the fuel gas supplied to the fuel cell is determined from the time when the first flow path is in the communication state until the second predetermined time elapses. A hydrogen utilization rate setting means for setting a hydrogen utilization rate to be expressed to a first set value and thereafter setting the hydrogen utilization rate to a second set value larger than the first set value;
Reforming fuel supply amount deriving means for deriving a supply amount of reforming fuel to be supplied to the reforming unit based on the power generation output of the fuel cell and the hydrogen utilization rate set by the hydrogen utilization rate setting means; ,
Reforming fuel supply control means for controlling the reforming fuel supply means so as to be the supply amount derived by the reforming fuel supply amount deriving means;
Combustion fuel supply means for supplying the combustion fuel to the combustion section;
Combustion state detection means for detecting the combustion state of the combustion section;
The target combustion state of the combustion section is set to the first target combustion state until the reformer warm-up is completed, and the target combustion state of the combustion section is set after the warm-up of the reformer is completed. A target combustion state setting means for setting a second target combustion state that is on the misfire state side from the first target combustion state;
The combustion fuel supply means is feedback-controlled to adjust the combustion state of the combustion section so that the target combustion state set by the target combustion state setting means is achieved, and the rotational speed of the combustion fuel supply means is a lower limit. In a fuel cell system comprising a combustion fuel supply control means for controlling so as not to become smaller than the rotational speed,
The combustion fuel supply means is a diaphragm pump,
And,
The lower limit rotational speed of the combustion fuel supply means is set to the first rotational speed from the time when the first flow path is in the communication state until the second predetermined time elapses, and thereafter the lower limit rotational speed is set. Further comprising lower limit rotational speed setting means for setting the number to a second rotational speed smaller than the first rotational speed,
The fuel supply control means for combustion uses a lower limit rotational speed set by the lower limit rotational speed setting means .
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