JP4917791B2

JP4917791B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP4917791B2
Application number: JP2005305631A
Authority: JP
Inventors: 繁飯山; 義司時田
Original assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd; Corona Corp
Current assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd; Corona Corp
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2025-10-20
Also published as: JP2007115523A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.

近年、環境に優しいエネルギ源として、水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池システムが注目されている。この燃料電池システムとして、液状炭化水素原料を改質して水素含有量が多い改質ガスを製造し、その改質ガスを水素源として燃料電池スタックに供給して発電を行う燃料改質型の燃料電池システムが検討されている。この燃料改質型の燃料電池システムＦＣの構成を図１に示す。図１に主要構成を示す燃料改質型の燃料電池システムＦＣでは、まず、改質装置１において、液状炭化水素原料と水を、改質触媒の存在下に改質反応させて水素を多く含む改質ガスを生成させる。この改質ガスは、燃料電池スタック４における酸素と水素の電気化学反応に有害な一酸化炭素を含むため、改質装置１から導出された改質ガスは、シフト反応器２およびＣＯ選択酸化器３において、一酸化炭素を除去して精製される。そして、精製された改質ガスは、燃料電池スタック４のアノード４１に供給され、カソード４２に供給される酸素（空気）と電気化学反応して発電が行われ、外部負荷５に電力が供給される。このとき、アノード４１に供給された改質ガスが含有する水素は、全部が電気化学反応に消費されず、アノード４１からの排ガス（オフガス）中には、残りの水素が含まれている。このオフガスに含まれる水素は、燃料電池用改質装置１の熱源であるバーナ６に供給されて燃料とともに燃焼し、炭化水素と水とを加熱するために改質装置１に供給される燃焼ガスの生成に利用される。 In recent years, a fuel cell system that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen has attracted attention as an environmentally friendly energy source. This fuel cell system is a fuel reforming type in which a liquid hydrocarbon raw material is reformed to produce a reformed gas having a high hydrogen content, and the reformed gas is supplied to a fuel cell stack as a hydrogen source to generate power. Fuel cell systems are being considered. The configuration of the fuel reforming fuel cell system FC is shown in FIG. In the fuel reforming type fuel cell system FC whose main configuration is shown in FIG. 1, first, in the reformer 1, a liquid hydrocarbon raw material and water are reformed in the presence of the reforming catalyst to contain a large amount of hydrogen. A reformed gas is generated. Since this reformed gas contains carbon monoxide which is harmful to the electrochemical reaction between oxygen and hydrogen in the fuel cell stack 4, the reformed gas derived from the reformer 1 is converted into the shift reactor 2 and the CO selective oxidizer. 3 is purified by removing carbon monoxide. The refined reformed gas is supplied to the anode 41 of the fuel cell stack 4, and electricity is generated by electrochemical reaction with oxygen (air) supplied to the cathode 42, and power is supplied to the external load 5. The At this time, all of the hydrogen contained in the reformed gas supplied to the anode 41 is not consumed in the electrochemical reaction, and the exhaust gas (off-gas) from the anode 41 contains the remaining hydrogen. The hydrogen contained in the off-gas is supplied to the burner 6 which is a heat source of the fuel cell reformer 1, burns with the fuel, and is supplied to the reformer 1 to heat hydrocarbons and water. Used to generate

この燃料電池システムＦＣの起動時においては、燃料電池スタック４では電気化学反応は行われず、アノード４１に供給される改質ガス中の水素は消費されず、そのまま全量がオフガスとしてバーナ６に供給されて燃焼させることが行われ、その間に、改質装置１から供給される改質ガスの組成の安定化が図られる。また、燃料電池システムの起動時は、燃料電池スタックの温度が低いので発電可能量が少ないため、これに合わせてアノードへの改質ガスの供給量を少なくするとアノード流路内での改質ガスの流速が遅くなる。こうした状態で、燃料電池スタック４の内部の改質ガスの流路で結露が発生すると、その結露を改質ガスによって吹き飛ばすことが困難となる。この結露は、燃料電池スタック４の温度が改質ガスの露点より低く、運転状態が不安定なときなどに発生する。そのため、結露が発生すると、図５に示すように、発電量の減少→燃料電池スタックの温度低下→結露拡大のサイクルに陥り、甚だしいときは発電停止という悪循環に陥る。そこで、この悪循環のサイクルから抜け出すことが必要となる。 When the fuel cell system FC is started, no electrochemical reaction is performed in the fuel cell stack 4, and hydrogen in the reformed gas supplied to the anode 41 is not consumed, and the entire amount is supplied as it is to the burner 6 as off-gas. The composition of the reformed gas supplied from the reformer 1 is stabilized during that time. In addition, since the temperature of the fuel cell stack is low when the fuel cell system is started, the amount of power that can be generated is small. Therefore, if the amount of reformed gas supplied to the anode is reduced accordingly, the reformed gas in the anode channel is reduced. The flow rate of is slow. In this state, when condensation occurs in the reformed gas flow path inside the fuel cell stack 4, it is difficult to blow off the condensation with the reformed gas. This dew condensation occurs when the temperature of the fuel cell stack 4 is lower than the dew point of the reformed gas and the operation state is unstable. Therefore, when dew condensation occurs, as shown in FIG. 5, a cycle of a decrease in the amount of power generation → a decrease in the temperature of the fuel cell stack → an increase in dew condensation occurs. Therefore, it is necessary to get out of this vicious cycle.

また、特許文献１には、原燃料（炭化水素原料）と水とから改質ガスを生成する改質部と、この改質部に熱を供給する燃焼部を有する改質器を備える燃料電池システムにおいて、改質部における改質ガスの生成の開始時に、改質器に供給する原燃料を徐々に増加させる原燃料流量調整手段を設け、改質ガスの生成の開始時であっても、改質器の燃焼部における良好な燃焼状態を持続させることができる燃料電池システムが提案されている。しかし、この燃料電池システムは、改質器の燃焼部、すなわち、バーナにおける良好な燃焼状態を持続させるために、改質器に供給する原燃料の供給量を徐々に増加させるものであり、このように原燃料の供給量を徐々に増加させるだけでは、上記したようにアノード流路内での改質ガスの流速が遅く、燃料電池スタックが暖まっていない状態においては、アノード流路に結露が生じ、その結果として発電量が低下し、そして燃料電池スタックの温度が低下してさらに結露が生じて流路閉塞してしまうおそれがあるものであった。
特開２００５−１５８４６６号公報（請求項１、図１） Patent Document 1 discloses a fuel cell including a reformer having a reforming unit that generates reformed gas from raw fuel (hydrocarbon raw material) and water, and a combustion unit that supplies heat to the reforming unit. In the system, a raw fuel flow rate adjusting means for gradually increasing the raw fuel supplied to the reformer is provided at the start of reformed gas generation in the reformer, and even at the start of reformed gas generation, There has been proposed a fuel cell system capable of maintaining a good combustion state in the combustion section of the reformer. However, this fuel cell system gradually increases the amount of raw fuel supplied to the reformer in order to maintain a good combustion state in the combustion section of the reformer, that is, the burner. As described above, when the supply amount of the raw fuel is gradually increased, the flow rate of the reformed gas in the anode channel is slow as described above, and in the state where the fuel cell stack is not warmed, dew condensation occurs in the anode channel. As a result, the amount of power generation is reduced, and the temperature of the fuel cell stack is lowered. Further, condensation may occur and the flow path may be blocked.
Japanese Patent Laying-Open No. 2005-158466 (Claim 1, FIG. 1)

そこで、本発明は、前記した問題を解決し、燃料電池スタックの改質ガス流路内での結露発生による流路閉塞を防止して、燃料電池スタックによる発電を円滑に開始させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention solves the above-described problems, prevents the passage from being blocked due to the occurrence of condensation in the reformed gas passage of the fuel cell stack, and allows the fuel cell stack to start power generation smoothly. An object is to provide a battery system.

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明の燃料電池システムは、空気と、改質装置によって生成された改質ガスとを燃料電池スタックのカソードおよびアノードにそれぞれ導入して酸素と水素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池システムであって、前記改質装置は、炭化水素原料と水蒸気との改質反応によって前記改質ガスを製造する改質反応部と、燃焼用空気と、燃料および／または前記燃料電池スタックのアノードから排出される水素を含む排出ガスとを、所定の空燃比で燃焼させ前記改質反応部を加熱するバーナと、燃料電池システムの起動に際して、前記燃料電池スタックのアノードに供給する改質ガス量を調整する運転制御部と、前記改質反応部に設けられた温度検出手段と、を備え、前記運転制御部は、燃料電池システムの起動後、前記燃料電池スタックの発電が開始される際に、前記燃料電池スタックのアノードに供給する改質ガスを予め設定した改質ガス量まで増大させ、この予め設定した改質ガス量まで増大させた状態において、前記温度検出手段によって検出される前記改質反応部の温度が、所定の高温側の第１の基準温度より高温である場合は、通常の空燃比よりも空気量が過剰になるように前記バーナへの燃焼用空気の供給量を増加させるＡステップを実行し、前記温度検出手段によって検出される前記改質反応部の温度が、前記第１の基準温度より低温であり、前記第１の基準温度より低温である所定の第２の基準温度よりも高温である場合は、前記バーナへの燃焼用空気の供給量を維持するＢステップを実行し、前記温度検出手段によって検出される前記改質反応部の温度が、前記第１の基準温度より低温であり、前記第２の基準温度よりも低温である場合は、直前の運転制御操作において前記Ａステップを実行したかどうかを判断して、Ａステップを実行していたときには前記バーナへの燃焼用空気の供給量を減少させ、Ａステップを実行していないときには前記バーナに供給する前記燃料の供給量を増加させるＣステップを実行すること、を特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the fuel cell system according to the first aspect of the present invention introduces air and reformed gas generated by the reformer into the cathode and anode of the fuel cell stack, respectively. A fuel cell system that generates electric power through an electrochemical reaction, wherein the reformer includes a reforming reaction section that produces the reformed gas by a reforming reaction between a hydrocarbon raw material and steam, combustion air, and fuel and / or an exhaust gas containing hydrogen discharged from the anode of the fuel cell stack, and the burner you heat the reformer is combusted at a predetermined air-fuel ratio, upon activation of the fuel cell system, the fuel cell comprising a driving control unit that adjusts the reformed gas amount supplied to the anode of the stack, and a temperature detecting means provided in the reforming reaction unit, the operation control unit, the fuel cell After stem of activation, when the power generation of the fuel cell stack is started, the increased to reformed gas amount set in advance the reformed gas supplied to the anode of the fuel cell stack, the reformed gas amount set this in advance in a state of being increased to a temperature of the reforming reaction section detected by the temperature detecting means, if a higher temperature than the first reference temperature predetermined high temperature side, the amount of air than the normal air-fuel ratio A step of increasing the supply amount of combustion air to the burner so as to be excessive is executed, and the temperature of the reforming reaction section detected by the temperature detecting means is lower than the first reference temperature. Yes, when the temperature is higher than a predetermined second reference temperature that is lower than the first reference temperature, the step B for maintaining the supply amount of combustion air to the burner is executed, and the temperature detecting means By When the temperature of the reforming reaction section detected in this manner is lower than the first reference temperature and lower than the second reference temperature, the step A was executed in the immediately preceding operation control operation. When the A step is being executed, the amount of combustion air supplied to the burner is decreased, and when the A step is not being executed, the amount of fuel supplied to the burner is increased. C step is performed .

この燃料電池システムでは、燃料電池システムの起動に際して、運転制御部によって、燃料電池スタックの起動時（発電の開始時）における改質ガスの供給量を増加して、アノード流路での改質ガスの流速を速めることにより、まだ温度が上がっていないスタックでの結露による流路閉塞の発生を予防できる。すなわち、流速が速くなることで多少の結露が発生しても吹き飛ばすことができるので流路閉塞しにくくなる。その結果、燃料電池スタックによる発電を円滑に開始させることができる。 In this fuel cell system, when the fuel cell system is started, the operation control unit increases the supply amount of the reformed gas at the time of starting the fuel cell stack (at the start of power generation), so that the reformed gas in the anode channel is increased. By increasing the flow rate of the channel, it is possible to prevent the occurrence of blockage of the flow path due to condensation in the stack where the temperature has not yet risen. In other words, since the flow rate is increased, it is possible to blow off even if some condensation occurs, so that it is difficult to block the flow path. As a result, power generation by the fuel cell stack can be started smoothly.

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記予め設定した改質ガス量は、定格発電時の改質ガス量であることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the fuel cell system according to claim 1, wherein the preset reformed gas amount is a reformed gas amount during rated power generation .

また、請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記炭化水素原料が、灯油であることを特徴とする。 The invention according to claim 3 is the fuel cell system according to claim 1 or 2 , wherein the hydrocarbon raw material is kerosene.

この燃料電池システムは、炭化水素原料として、水素源としてのエネルギ密度が非常に高く、可搬性および貯蔵性に富む灯油を用いる場合に、特に好適である。 This fuel cell system is particularly suitable when kerosene having a very high energy density as a hydrogen source and having high portability and storage is used as the hydrocarbon raw material.

本発明の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックの改質ガス流路内における結露発生による流路閉塞を防止して、燃料電池スタックによる発電を円滑に開始させることができる。 In the fuel cell system of the present invention, it is possible to prevent the flow path from being blocked due to the occurrence of condensation in the reformed gas flow path of the fuel cell stack, and to smoothly start power generation by the fuel cell stack.

次に、本発明の実施形態について、適宜、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システムＦＣの主要構成を示すブロック図、図２は改質装置の主要構成を示す模式図である。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. FIG. 1 is a block diagram showing the main configuration of a fuel cell system FC according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram showing the main configuration of a reformer.

この燃料電池システムＦＣは、改質装置１と、シフト反応器２と、一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化器３と、燃料電池スタック４とを備えるものである。 The fuel cell system FC includes a reformer 1, a shift reactor 2, a carbon monoxide (CO) selective oxidizer 3, and a fuel cell stack 4.

改質装置１は、図２に示すように、バーナ６と、改質反応部７と、運転制御部１１とを備えるものである。 As shown in FIG. 2, the reformer 1 includes a burner 6, a reforming reaction unit 7, and an operation control unit 11.

バーナ６は、１次空気供給路８１を介して１次空気供給ポンプ８に接続され、２次空気供給路９１を介して２次空気供給ポンプ９に接続され、燃料供給路１０１を介して燃料供給ポンプ１０に接続され、さらに、オフガス供給路４ａを介して燃料電池スタック４のアノードに接続されている。 The burner 6 is connected to the primary air supply pump 8 via the primary air supply path 81, connected to the secondary air supply pump 9 via the secondary air supply path 91, and fuel via the fuel supply path 101. It is connected to the supply pump 10 and further connected to the anode of the fuel cell stack 4 via the off gas supply path 4a.

このバーナ６は、１次空気供給ポンプ８によって１次空気供給路８１を通じて供給される１次空気、および２次空気供給ポンプ９によって２次空気供給路９１を通じて供給される２次空気と、燃料供給ポンプ１０によって燃料供給路１０１を通じて供給される燃料および／または燃料電池スタック４のアノードから排出されるオフガスとを混合して燃焼させ、発生した燃焼ガスを燃焼ガス流路６ａに流通させ、燃焼ガス流路６ａの外周側に配設した改質反応部７を加熱する役割を有するものである。 The burner 6 includes primary air supplied by a primary air supply pump 8 through a primary air supply path 81, secondary air supplied by a secondary air supply pump 9 through a secondary air supply path 91, and fuel. The fuel supplied through the fuel supply path 101 by the supply pump 10 and / or the off-gas discharged from the anode of the fuel cell stack 4 are mixed and burned, and the generated combustion gas is circulated through the combustion gas flow path 6a to burn. It has a role to heat the reforming reaction section 7 disposed on the outer peripheral side of the gas flow path 6a.

バーナ６に供給される燃料は、改質装置１の炭化水素原料気化部（図示せず）に供給される炭化水素原料と同じものを併用してもよいし、別個に供給されるようにしてもよい。燃料として、炭化水素原料を併用する場合は、炭化水素原料の貯槽から２つの供給流路（図示せず）を、各供給流路を炭化水素原料供給流路および燃料供給路とすればよい。炭化水素原料を燃料としても用いることによって、燃料用の貯槽および供給配管を別個に設ける必要がなくなるため、装置構成を簡略化することができる。 The fuel supplied to the burner 6 may be the same as the hydrocarbon raw material supplied to the hydrocarbon raw material vaporizer (not shown) of the reformer 1, or may be supplied separately. Also good. When a hydrocarbon raw material is used in combination as the fuel, two supply channels (not shown) from the hydrocarbon raw material storage tank may be used as the hydrocarbon raw material supply channel and the fuel supply channel. By using the hydrocarbon raw material as a fuel, it is not necessary to separately provide a fuel storage tank and a supply pipe, so that the apparatus configuration can be simplified.

改質反応部７は、改質装置１の内部に設けられた燃焼ガス流路６ａの周囲に配設され、この改質反応部７は、炭化水素原料気化器（図示せず）から供給される炭化水素原料と、水気化器（図示せず）から供給される水蒸気とを、バーナ６から供給される燃焼ガスによる加熱による改質反応温度下の改質反応によって改質ガスを製造する役割を有するものである。改質反応は、改質触媒の存在下に、例えば、５５０〜７００℃の範囲の改質反応温度の下で、炭化水素原料が含む炭化水素分と水蒸気との反応によって、水素を多く含む改質ガスを生成するものである。この改質反応部７で生成した改質ガスは、燃料電池システムを構成するシフト反応器２に改質ガス導出路１ａを介して導出される。 The reforming reaction section 7 is disposed around a combustion gas flow path 6a provided inside the reforming apparatus 1, and the reforming reaction section 7 is supplied from a hydrocarbon raw material vaporizer (not shown). Of producing a reformed gas by a reforming reaction under a reforming reaction temperature by heating a hydrocarbon raw material and water vapor supplied from a water vaporizer (not shown) by a combustion gas supplied from a burner 6 It is what has. The reforming reaction is carried out in the presence of a reforming catalyst, for example, at a reforming reaction temperature in the range of 550 to 700 ° C., so that the reforming containing a large amount of hydrogen is caused by the reaction between the hydrocarbon content of the hydrocarbon raw material and steam. It produces quality gas. The reformed gas generated in the reforming reaction section 7 is led out to the shift reactor 2 constituting the fuel cell system via the reformed gas lead-out path 1a.

この改質反応部７で用いられる改質触媒は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の貴金属系触媒等が挙げられ、これらの改質触媒は、セラミック製の多孔質粒状体に担持され、改質反応部２の内部に、その多孔質粒状体が充填されて触媒層を形成している。 Examples of the reforming catalyst used in the reforming reaction section 7 include noble metal catalysts such as platinum (Pt), palladium (Pd), and ruthenium (Ru). These reforming catalysts are porous ceramics. The catalyst is supported on the granular material and filled with the porous granular material inside the reforming reaction section 2 to form a catalyst layer.

また、改質反応部７には、改質反応部７における改質反応温度を検出する温度検出手段７１が設けられている。この温度検出手段７１によって検出された、改質反応部７内の改質反応温度Ｔ１に関する信号は、信号路Ｓ１を介して運転制御部１１に入力される。この温度検出手段７１としては、例えば、熱電対、サーミスタ等の温度検知センサを用いることができる。 Further, the reforming reaction unit 7 is provided with temperature detecting means 71 for detecting the reforming reaction temperature in the reforming reaction unit 7. A signal related to the reforming reaction temperature T1 in the reforming reaction section 7 detected by the temperature detecting means 71 is input to the operation control section 11 via the signal path S1. As this temperature detection means 71, temperature detection sensors, such as a thermocouple and a thermistor, can be used, for example.

この改質反応部７に供給される炭化水素原料は、改質装置１の改質反応部７における改質反応によって水素を製造できるものであれば、特に制限されない。例えば、灯油、軽油、メタノール、ナフサ、ガソリン等の液状炭化水素混合物、都市ガス、ＬＰＧ等の気体状炭化水素混合物などの各種の炭化水素混合物を用いることができる。これらの中でも、灯油は、水素源としてのエネルギ密度が非常に高く、可搬性および貯蔵性に富むため、家庭用の小型の定置型燃料電池システム用の炭化水素原料として好適である。これらの炭化水素原料は、硫黄分が多い場合には、改質反応部７に供給する前に、脱硫装置で脱硫することが望ましい。また、用いる炭化水素原料が、硫黄分が少なく、改質反応部７における改質反応に供給可能なものであれば、脱硫装置を省略して、改質反応部７に、直接、炭化水素原料を供給することができる。 The hydrocarbon raw material supplied to the reforming reaction unit 7 is not particularly limited as long as hydrogen can be produced by the reforming reaction in the reforming reaction unit 7 of the reformer 1. For example, various hydrocarbon mixtures such as a liquid hydrocarbon mixture such as kerosene, light oil, methanol, naphtha, and gasoline, and a gaseous hydrocarbon mixture such as city gas and LPG can be used. Among these, kerosene has a very high energy density as a hydrogen source, and is highly portable and storable. Therefore, kerosene is suitable as a hydrocarbon raw material for a small stationary fuel cell system for home use. When these hydrocarbon raw materials contain a large amount of sulfur, it is desirable to desulfurize them with a desulfurization apparatus before supplying them to the reforming reaction section 7. Further, if the hydrocarbon raw material used is low in sulfur content and can be supplied to the reforming reaction in the reforming reaction section 7, the desulfurization apparatus is omitted and the hydrocarbon raw material is directly connected to the reforming reaction section 7. Can be supplied.

さらに、改質装置１は、燃焼ガス流路６ａに連通する燃焼ガス排出路７２を有し、この燃焼ガス排出路７２には、熱交換器１３が配設されている。この熱交換器１３は、燃料電池スタック４の内部に設けられた冷却水流路（図示せず）に冷却水配管４ｂ，４ｃを介して接続されている。この熱交換器１３においては、燃焼ガス排出路７２を通じて排出される燃焼ガスによって、燃料電池スタック４から冷却水配管４ｂを通じて熱交換器１３に導入される冷却水を加熱して、冷却水循環ポンプ１２によって冷却水配管４ｃを通じて燃料電池スタック４内の冷却水流路に加熱された冷却水を流通させ、燃料電池スタック４を昇温することが可能である。なお、燃料電池スタック４が所定の温度まで昇温された後は、前記熱交換器１３と燃料電池スタック４の接続は図示しない切換手段により解除されるようにしてもよい。 Furthermore, the reformer 1 has a combustion gas discharge path 72 that communicates with the combustion gas flow path 6 a, and the heat exchanger 13 is disposed in the combustion gas discharge path 72. The heat exchanger 13 is connected to a cooling water passage (not shown) provided inside the fuel cell stack 4 via cooling water pipes 4b and 4c. In this heat exchanger 13, the cooling water introduced into the heat exchanger 13 from the fuel cell stack 4 through the cooling water pipe 4 b is heated by the combustion gas discharged through the combustion gas discharge path 72, and the cooling water circulation pump 12. Thus, the heated cooling water can be circulated through the cooling water pipe 4 c to the cooling water flow path in the fuel cell stack 4 to raise the temperature of the fuel cell stack 4. Note that after the temperature of the fuel cell stack 4 is raised to a predetermined temperature, the connection between the heat exchanger 13 and the fuel cell stack 4 may be released by switching means (not shown).

また、シフト反応器２は、酸化鉄、銅−亜鉛系、銅−クロム系等のシフト触媒の存在下に、例えば１５０〜３００℃の温度において、燃料電池用改質装置１で生成した改質ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気の発熱反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２）によって、一酸化炭素を二酸化炭素に変成して、一酸化炭素濃度を低減させるとともに、さらに水素含有量が増加された改質ガス（以下、「シフトガス」という）を生成する装置である。これによって、燃料電池システムＦＣに供給される炭化水素原料および水蒸気が含む水素が、燃料電池スタック４のアノードに供給される発電用水素資源として有効利用される。 Further, the shift reactor 2 is a reformer produced by the fuel cell reformer 1 in the presence of a shift catalyst such as iron oxide, copper-zinc, or copper-chromium at a temperature of 150 to 300 ° C., for example. The carbon monoxide is transformed into carbon dioxide by the exothermic reaction (CO + H ₂ O → CO ₂ + H ₂ ) of carbon monoxide and water vapor contained in the gas, thereby reducing the carbon monoxide concentration and further increasing the hydrogen content. This is an apparatus for generating an increased reformed gas (hereinafter referred to as “shift gas”). As a result, the hydrocarbon raw material supplied to the fuel cell system FC and the hydrogen contained in the steam are effectively utilized as a power generation hydrogen resource supplied to the anode of the fuel cell stack 4.

一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化器３は、燃料電池スタック４の電極の被毒の問題を回避するため、シフト反応器２から供給されるシフトガス中に微量に存在する一酸化炭素を酸化させて、シフトガスの一酸化炭素濃度をさらに低減させた改質ガスを燃料電池スタック４に供給するための装置である。通常、この一酸化炭素選択酸化器３において、シフトガス中の一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下に低減される。一酸化炭素選択酸化装置９における反応は、例えば、白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属系触媒の存在下に、例えば、１０５〜１５０℃の範囲の温度で行なわれる。 The carbon monoxide (CO) selective oxidizer 3 oxidizes carbon monoxide present in a minute amount in the shift gas supplied from the shift reactor 2 in order to avoid the problem of poisoning of the electrodes of the fuel cell stack 4. , An apparatus for supplying the fuel cell stack 4 with the reformed gas in which the carbon monoxide concentration of the shift gas is further reduced. Usually, in this carbon monoxide selective oxidizer 3, the carbon monoxide concentration in the shift gas is reduced to 10 ppm or less. The reaction in the carbon monoxide selective oxidizer 9 is performed, for example, in the presence of a noble metal catalyst such as platinum, ruthenium, or rhodium at a temperature in the range of 105 to 150 ° C.

燃料電池スタック４は、前記一酸化炭素選択酸化器３から供給される改質ガスをアノードに導入し、加湿器（図示せず）によって加湿された空気をカソードに導入して、水素と酸素の電気化学的反応によって発電を行うものである。この燃料電池スタック４は、触媒を含むアノードとカソードの間に固体高分子電解質膜等の電解質膜を挟装し、アノードに供給される改質ガス中の水素と、カソードに供給される空気中の酸素との電気化学反応によって水を生成する反応によって発電を行なうものである。 The fuel cell stack 4 introduces the reformed gas supplied from the carbon monoxide selective oxidizer 3 into the anode, introduces air humidified by a humidifier (not shown) into the cathode, and supplies hydrogen and oxygen. Electricity is generated by an electrochemical reaction. This fuel cell stack 4 has an electrolyte membrane such as a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode containing a catalyst and a cathode, hydrogen in the reformed gas supplied to the anode, and air in the air supplied to the cathode Electricity is generated by a reaction that generates water by an electrochemical reaction with oxygen.

燃料電池スタック４は、用いる炭化水素原料等に応じて、その形式、構造等が選択される。燃料電池スタック４における水素と酸素の電気化学的反応は発熱反応であるため、燃料電池スタック４に冷却水を通じて、発生した熱を回収して、給湯等に有効利用することができる。 The type, structure, etc. of the fuel cell stack 4 are selected according to the hydrocarbon raw material used. Since the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the fuel cell stack 4 is an exothermic reaction, the generated heat can be recovered through the cooling water through the fuel cell stack 4 and effectively used for hot water supply or the like.

また、燃料電池スタック４における水素と酸素の電気化学的反応は、発電効率の観点から、通常、水素利用率２０〜８０％程度で行なわれるため、燃料電池スタック４のアノードから排出されるオフガスには、未反応の水素が含まれている。そのため、オフガスを、オフガス排出路４ａを通じて前記のバーナ６に供給することによって、オフガスが含有する水素を燃料として有効利用して、燃料電池システム全体の熱効率の向上を図ることができる。 In addition, since the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the fuel cell stack 4 is usually performed at a hydrogen utilization rate of about 20 to 80% from the viewpoint of power generation efficiency, the off-gas discharged from the anode of the fuel cell stack 4 is reduced. Contains unreacted hydrogen. Therefore, by supplying off gas to the burner 6 through the off gas discharge path 4a, it is possible to effectively use the hydrogen contained in the off gas as fuel and improve the thermal efficiency of the entire fuel cell system.

さらに、運転制御部１１は、信号路Ｓ１によって温度検出手段７１と接続され、制御信号線Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を介して、それぞれ１次空気供給ポンプ８、２次空気供給ポンプ９、および燃料供給ポンプ１０に接続されている。これによって、運転制御部７には、信号路Ｓ１を通じて、改質反応部７における改質反応温度Ｔ１の検出値が入力される。 Further, the operation control unit 11 is connected to the temperature detecting means 71 through a signal path S1, and the primary air supply pump 8, the secondary air supply pump 9, and the fuel supply are respectively connected via the control signal lines S2, S3, and S4. Connected to the pump 10. Thus, the detected value of the reforming reaction temperature T1 in the reforming reaction unit 7 is input to the operation control unit 7 through the signal path S1.

そして、運転制御部１１は、改質反応温度Ｔ１の検出値に基づいて、制御信号線Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を通じて、それぞれ１次空気供給ポンプ８、２次空気供給ポンプ９、および燃料供給ポンプ１０に制御信号を出力して、これらのポンプを制御して、１次空気の供給の開始・遮断および供給量の調整、２次空気の供給の開始・遮断および供給量の調整、ならびに燃料の供給の開始・遮断および供給量を調整する。この運転制御部１１において、燃料電池システムの起動に際して、改質ガスの供給量を増加して、アノード流路での改質ガスの流速を速めることにより、まだ温度が上がっていない燃料電池スタック４における結露による流路閉塞の発生を予防する。すなわち、流速が速くなることで多少の結露が発生しても吹き飛ばすことができるので流路閉塞しにくくなる。その結果、燃料電池スタックによる発電を円滑に開始させることができる。この改質ガスの供給量の増加は、改質反応部へ供給する炭化水素原料と水蒸気の供給量を増やすことによって行われる。そして、炭化水素原料と水蒸気の供給量を増やしたことに伴い、改質反応による吸熱量も増えるため、改質反応部への熱供給も増やす必要があるが、燃料電池システムＦＣの起動時には燃料電池スタック４の温度も低いままで発電量も少ないので、燃料電池スタック４での水素利用率が低く、アノードからのオフガス中の水素量が多くなり、結果的に改質反応部への燃料供給量が増えることとなる。ここで、熱量としては過剰気味となって改質反応部が過熱状態になるので、温度検出手段７１によって検出される改質反応部７の温度が、所定の基準温度以上の場合に、改質反応部の温度が基準温度になるように燃焼用空気（２次空気）の供給量を増加させる制御が行われる。燃焼用空気の供給量の増加は、制御信号線Ｓ３を通じて２次空気供給ポンプ９に２次空気の供給量を増加させる信号を送信することによって行うことができる。これによって、改質ガスの供給量が増大して燃料電池スタックのアノード流路における改質ガスの流速が増大する。そして、燃料電池スタック４の改質ガス流路内での結露発生による流路閉塞が防止され、燃料電池スタック４おける発電を円滑に開始させることができるとともに、改質ガスの供給量の増大に伴うアノードオフガス中の水素量の増加による改質装置１の過熱に対しては、改質装置１における２次空気の供給量の簡単なコントロールによって、改質装置の過熱を防ぐことが可能となる。ここで、通常の空燃比とは、その時々のバーナ６における燃焼に対する空燃比であって、バーナ６への燃料供給量に対する理論空気量に対して過剰に空気供給することが通常行われ、本実施形態においては空燃比を１．６に設定しており、通常は１．１〜１．８程度の範囲に設定され、燃焼ガス中のＣＯやＮＯｘ、ＳＯｘが低くて燃焼が安定する値が実験的に選択される。また、バーナへの燃料供給量は、燃料供給ポンプ１０からの供給量と、アノードオフガス中の水素量（改質器への原燃料供給量と水供給量と燃料電池スタックでの水素利用率等から算出される）の合計量である。 Then, the operation control unit 11 performs the primary air supply pump 8, the secondary air supply pump 9, and the fuel supply pump 10 through the control signal lines S2, S3, and S4 based on the detected value of the reforming reaction temperature T1, respectively. The control signal is output to control the pumps to start / shut off the primary air supply and adjust the supply amount, start / shut off the supply of secondary air, adjust the supply amount, and supply the fuel. Start / shut off and adjust the supply amount. In this operation control unit 11, when the fuel cell system is started, the supply amount of the reformed gas is increased to increase the flow rate of the reformed gas in the anode flow path, so that the fuel cell stack 4 that has not yet risen in temperature. Prevents the occurrence of blockage due to dew condensation. In other words, since the flow rate is increased, it is possible to blow off even if some condensation occurs, so that it is difficult to block the flow path. As a result, power generation by the fuel cell stack can be started smoothly. The increase in the supply amount of the reformed gas is performed by increasing the supply amounts of the hydrocarbon raw material and steam supplied to the reforming reaction section. As the amount of hydrocarbon raw material and water vapor are increased, the amount of heat absorbed by the reforming reaction also increases, so it is necessary to increase the heat supply to the reforming reaction section. Since the temperature of the battery stack 4 remains low and the amount of power generation is small, the hydrogen utilization rate in the fuel cell stack 4 is low, the amount of hydrogen in the off-gas from the anode increases, and as a result, the fuel is supplied to the reforming reaction section The amount will increase. Here, since the amount of heat is excessive and the reforming reaction section becomes overheated, the reforming reaction section 7 detected by the temperature detecting means 71 is reformed when the temperature is equal to or higher than a predetermined reference temperature. Control is performed to increase the supply amount of combustion air (secondary air) so that the temperature of the reaction section becomes the reference temperature. The supply amount of the combustion air can be increased by transmitting a signal for increasing the supply amount of the secondary air to the secondary air supply pump 9 through the control signal line S3. As a result, the supply amount of the reformed gas increases, and the flow rate of the reformed gas in the anode flow path of the fuel cell stack increases. Then, blockage of the flow path due to the occurrence of dew condensation in the reformed gas flow path of the fuel cell stack 4 is prevented, power generation in the fuel cell stack 4 can be started smoothly, and the supply amount of reformed gas is increased. With respect to overheating of the reformer 1 due to the accompanying increase in the amount of hydrogen in the anode offgas, it is possible to prevent overheating of the reformer by simple control of the supply amount of secondary air in the reformer 1. . Here, the normal air-fuel ratio is the air-fuel ratio for the combustion in the burner 6 at that time, and it is normal to supply air excessively with respect to the theoretical air amount relative to the fuel supply amount to the burner 6. In the embodiment, the air-fuel ratio is set to 1.6, and is usually set to a range of about 1.1 to 1.8, and the value at which combustion is stable when CO, NOx, SOx in the combustion gas is low is set. Selected experimentally. The amount of fuel supplied to the burner includes the amount supplied from the fuel supply pump 10, the amount of hydrogen in the anode offgas (raw fuel supply amount and water supply amount to the reformer, hydrogen utilization rate in the fuel cell stack, etc. (Calculated from the above).

また、運転制御部１１は、制御信号線Ｓ２およびＳ４を通じて、１次空気供給ポンプ８および燃料供給ポンプ１０を制御して、それぞれ１次空気の供給量および燃料の供給量を制御することができる。特に、燃料電池システムＦＣにおいては、運転制御部１１は、改質反応部２における改質反応温度Ｔ１と、炭化水素原料気化部（図示せず）における気化温度とに基づいて、２次空気供給ポンプ９を制御してバーナ６への２次空気の供給量を、さらに燃料供給ポンプ１０を制御してバーナ６への燃料の供給量とを調整する。これによって、燃料電池システムＦＣの運転中の改質装置２における炭化水素と水の供給量を制御して安定したＳ／Ｃ比で改質反応を行い、良好な品質の改質ガスを、安定して燃料電池スタック４に供給できる。 In addition, the operation control unit 11 can control the primary air supply pump 8 and the fuel supply pump 10 through the control signal lines S2 and S4 to control the primary air supply amount and the fuel supply amount, respectively. . In particular, in the fuel cell system FC, the operation control unit 11 supplies the secondary air based on the reforming reaction temperature T1 in the reforming reaction unit 2 and the vaporization temperature in the hydrocarbon raw material vaporization unit (not shown). The pump 9 is controlled to adjust the amount of secondary air supplied to the burner 6, and the fuel supply pump 10 is further controlled to adjust the amount of fuel supplied to the burner 6. As a result, the reforming reaction is performed at a stable S / C ratio by controlling the supply amount of hydrocarbons and water in the reforming apparatus 2 during operation of the fuel cell system FC, and stable reforming gas of good quality is achieved. Thus, the fuel cell stack 4 can be supplied.

次に、図１に示す本発明の実施形態に係る燃料電池システムの運転制御方法について説明する。
図１に示す燃料電池システムＦＣにおいて、炭化水素原料が、改質装置１に供給され、改質触媒の存在下に、例えば５５０〜７００℃の範囲の改質反応温度の下で、炭化水素原料が含む炭化水素分と水蒸気との反応（炭化水素＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ）によって、水素ガスと一酸化炭素ガスを含む改質ガスが生成される。改質装置１で生成した改質ガスは、シフト反応器２に供給され、一酸化炭素と水蒸気の発熱反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２）によって、一酸化炭素を二酸化炭素に変成して、一酸化炭素濃度を低減させるとともに、さらに水素含有量が増加されたシフトガスを生成する。シフト反応器２で生成するシフトガスは、一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化器３に供給され、シフトガス中に微量に存在する一酸化炭素を酸化させて、シフトガスの一酸化炭素濃度を更に低減させた改質ガスが生成される。そして、この改質ガスを、燃料電池スタック４のアノードに導入するとともに、加湿器によって加湿された空気をカソードに導入して、水素と酸素の電気化学的反応によって発電が行なわれる。 Next, the operation control method of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described.
In the fuel cell system FC shown in FIG. 1, a hydrocarbon raw material is supplied to the reformer 1, and in the presence of the reforming catalyst, under a reforming reaction temperature in the range of, for example, 550 to 700 ° C. The reformed gas containing hydrogen gas and carbon monoxide gas is generated by the reaction of the hydrocarbon content contained in and water vapor (hydrocarbon + H ₂ O → 3H ₂ + CO). The reformed gas generated in the reformer 1 is supplied to the shift reactor 2, and the carbon monoxide is converted into carbon dioxide by an exothermic reaction of carbon monoxide and water vapor (CO + H ₂ O → CO ₂ + H ₂ ). In addition to reducing the carbon monoxide concentration, it produces a shift gas with an increased hydrogen content. The shift gas generated in the shift reactor 2 is supplied to the carbon monoxide (CO) selective oxidizer 3 to oxidize a small amount of carbon monoxide present in the shift gas, thereby further reducing the carbon monoxide concentration of the shift gas. A reformed gas is generated. Then, the reformed gas is introduced into the anode of the fuel cell stack 4, and air humidified by the humidifier is introduced into the cathode, and electric power is generated by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.

こうした燃料電池システムＦＣの起動時においては、図３に示すように、改質装置１の改質反応部７における改質反応が開始された後、改質反応部７からの改質ガスが燃料電池スタック４のアノードに供給されて発電が開始される際に、まず燃料電池スタック４のアノードに供給される改質ガスを定格発電時の改質ガス量まで増大する（ＳＴＡＲＴ）。これによって、燃料電池スタック４のアノード流路内を通過する改質ガスの流速が増大し、燃料電池スタック４の流路内に発生した結露が、流速が増加した改質ガスによって吹き飛ばされて除去され、結露による流路閉塞が確実に防止される。すなわち、図４に示すとおり、改質ガス量増大→（改質ガスの）流速増大によって、結露解消→発電電流（発電量）の増加→燃料電池スタックの温度上昇→結露の解消→発電電流（発電量）増大のサイクルが繰り返され、このサイクルによって燃料電池スタック４の温度を定格まで引き上げ定常運転に移行できる。そして、流路閉塞がなければ、燃料電池スタック４の発電量を素早く増大でき、その分、電気化学反応に伴う発熱による燃料電池スタック４の加熱が可能となるため、さらに迅速な立ち上げが可能となる。 When the fuel cell system FC is started up, as shown in FIG. 3, after the reforming reaction in the reforming reaction unit 7 of the reforming apparatus 1 is started, the reformed gas from the reforming reaction unit 7 is used as fuel. When power generation is started by being supplied to the anode of the battery stack 4, the reformed gas supplied to the anode of the fuel cell stack 4 is first increased to the reformed gas amount at the time of rated power generation (START). As a result, the flow rate of the reformed gas passing through the anode flow path of the fuel cell stack 4 is increased, and the condensation generated in the flow path of the fuel cell stack 4 is blown away by the reformed gas having the increased flow rate and removed. Thus, blockage of the flow path due to condensation is reliably prevented. That is, as shown in FIG. 4, the amount of reformed gas increases → (the reformed gas) increases the flow velocity, thereby eliminating condensation → increasing power generation current (power generation amount) → increasing the temperature of the fuel cell stack → eliminating condensation → power generation current ( The cycle of increasing the power generation amount) is repeated, and by this cycle, the temperature of the fuel cell stack 4 can be raised to the rated value and shifted to the steady operation. If there is no blockage of the flow path, the power generation amount of the fuel cell stack 4 can be quickly increased, and the fuel cell stack 4 can be heated by the heat generated by the electrochemical reaction, so that it is possible to start up more quickly. It becomes.

そして、改質ガスが定格発電時の改質ガス量まで増大したことに伴い、バーナ６に供給されるアノードオフガス中の水素量が増え、改質反応部７が過熱気味になるおそれがあるが、このとき、まず、温度検出手段７１によって改質反応部７の温度（改質反応温度）が検出され、その温度の検出値が信号路Ｓ１を通じて運転制御部１１に入力される（温度読込：ステップ１）。温度の検出値が入力された運転制御部１１においては、その検出された温度が高温側の基準値（Ｈ）より高温であるか否か（基準値（Ｈ）＜温度か？）を判定する（ステップ２）。改質反応部７の温度が基準値（Ｈ）より高温である場合（ＹＥＳ）は、運転制御部１１は、制御信号線Ｓ３を通じて２次空気供給ポンプ９に２次空気の供給量を増加させる制御信号を出力する（ステップ３）。して、この運転制御部１１から出力される制御信号によって、２次空気供給ポンプ９から２次空気供給路９１を通じてバーナ６に供給される２次空気の供給量が増加する。そのため、バーナ６から燃焼ガス流路６ａを通って流通する燃焼ガスの温度が低下し、改質反応部７の温度が低下する。 As the reformed gas increases to the reformed gas amount at the rated power generation, the amount of hydrogen in the anode off-gas supplied to the burner 6 increases, and the reforming reaction section 7 may become overheated. At this time, first, the temperature of the reforming reaction unit 7 (reforming reaction temperature) is detected by the temperature detecting means 71, and the detected value of the temperature is input to the operation control unit 11 through the signal path S1 (temperature reading: Step 1). In the operation control unit 11 to which the detected value of temperature is inputted, it is determined whether or not the detected temperature is higher than the reference value (H) on the high temperature side (whether reference value (H) <temperature). (Step 2). When the temperature of the reforming reaction unit 7 is higher than the reference value (H) (YES), the operation control unit 11 increases the supply amount of secondary air to the secondary air supply pump 9 through the control signal line S3. A control signal is output (step 3). Then, the amount of secondary air supplied from the secondary air supply pump 9 to the burner 6 through the secondary air supply path 91 is increased by the control signal output from the operation control unit 11. Therefore, the temperature of the combustion gas flowing from the burner 6 through the combustion gas flow path 6a is lowered, and the temperature of the reforming reaction section 7 is lowered.

ここで、燃料電池スタック４内の流路における改質ガスの流速の増大による結露の除去に伴う改質反応部７の温度変化について説明する。
まず、初めに改質反応部７の温度制御の概略を示す。改質反応部７は、燃料電池システムの起動に伴って、炭化水素原料と水との改質反応を開始した後は、次式を満たすよう熱バランスを取りながら運転される。
改質反応による吸熱量＝［（１−水素利用率）×水素発熱量］＋燃料発熱量−系外への放熱量（１）
ここで、水素利用率とは、燃料電池スタック４に供給される水素の内、発電に消費された水素の割合であり、その時点での水素発生量と燃料電池の発電量に依存する。そして、燃料電池スタック４の温度が改質ガス露点より低く、運転状態が不安定なときに発生する結露水によって燃料電池スタック４のアノード流路が閉塞された場合、アノード流路のガス流速を増大させるために水素利用率を下げる必要があり、そのため、発電が抑制されて水素が余り、バーナ６に送られるオフガス中の水素量が増大する。
一方、燃料発熱量とは、燃料供給ポンプ１０からバーナ６に供給される燃料の燃焼による発熱量を言い、式（１）において左辺＞右辺のとき、補助として加えられる。
また、系外への放熱量とは、燃料電池システムＦＣの外部に放出される熱量であり、式（１）において左辺＜右辺のとき、これを増大させる。 Here, the temperature change of the reforming reaction unit 7 accompanying the removal of condensation due to the increase in the flow rate of the reformed gas in the flow path in the fuel cell stack 4 will be described.
First, an outline of temperature control of the reforming reaction unit 7 will be described first. The reforming reaction section 7 is operated while maintaining a heat balance so as to satisfy the following formula after starting the reforming reaction between the hydrocarbon raw material and water with the start of the fuel cell system.
Endothermic amount due to reforming reaction = [(1-hydrogen utilization rate) × hydrogen heating value] + fuel heating value−heat dissipation amount outside the system (1)
Here, the hydrogen utilization rate is the proportion of hydrogen consumed for power generation in the hydrogen supplied to the fuel cell stack 4, and depends on the hydrogen generation amount and the power generation amount of the fuel cell at that time. When the temperature of the fuel cell stack 4 is lower than the reformed gas dew point and the anode flow path of the fuel cell stack 4 is blocked by condensed water generated when the operation state is unstable, the gas flow rate of the anode flow path is set to In order to increase it, it is necessary to lower the hydrogen utilization rate. Therefore, power generation is suppressed, hydrogen is left, and the amount of hydrogen in the off-gas sent to the burner 6 increases.
On the other hand, the amount of heat generated by the fuel means the amount of heat generated by the combustion of the fuel supplied from the fuel supply pump 10 to the burner 6, and is added as an auxiliary when the left side> the right side in equation (1).
The amount of heat released to the outside of the system is the amount of heat released to the outside of the fuel cell system FC, and increases when the left side <the right side in the equation (1).

このような熱バランスの下に運転が制御される改質反応部７において、通常の燃焼状態では、バーナ６の燃焼ガス中のＣＯが基準値以下で、かつ送風機（１次空気供給ポンプ、２次空気供給ポンプ）の消費電力が極小となるよう燃焼用空気（１次空気、２次空気）の供給量を制御する。しかし、前記の理由でバーナ６へ送られるオフガス中の水素量が増大したとき、燃料ポンプ１０からバーナ６へ供給される燃料をカットしたとしても改質反応部７は過熱状態となる場合がある。そこで、改質反応部７に設けた温度検知手段７１によって改質反応部７の温度が基準値（高温）以上のとき、燃焼用２次空気量を最適な空燃比に関係なく増大させて、改質反応部７の温度を下げる。このようにして、改質反応部７の温度が高温であると、改質反応部７が過熱によりダメージを受けるので、燃焼用空気（２次空気）を過剰に送り込むことによって、改質反応部７が冷却され、過熱によるダメージを防止することができる。 In the reforming reaction section 7 whose operation is controlled under such a heat balance, in a normal combustion state, CO in the combustion gas of the burner 6 is equal to or less than a reference value, and a blower (primary air supply pump, 2 The supply amount of combustion air (primary air and secondary air) is controlled so that the power consumption of the secondary air supply pump is minimized. However, when the amount of hydrogen in the off-gas sent to the burner 6 increases for the reason described above, the reforming reaction section 7 may be overheated even if the fuel supplied from the fuel pump 10 to the burner 6 is cut. . Therefore, when the temperature of the reforming reaction unit 7 is equal to or higher than a reference value (high temperature) by the temperature detecting means 71 provided in the reforming reaction unit 7, the secondary air amount for combustion is increased regardless of the optimum air-fuel ratio, The temperature of the reforming reaction unit 7 is lowered. In this way, if the temperature of the reforming reaction section 7 is high, the reforming reaction section 7 is damaged by overheating, and therefore, by supplying excessive combustion air (secondary air), the reforming reaction section 7 7 is cooled, and damage due to overheating can be prevented.

一方、改質反応部７の温度が基準値（Ｈ）より低温である場合（ＮＯ）は、運転制御部１１において、改質反応部７の温度が低温側の基準値（Ｌ）よりも高温である（基準値（Ｌ）＜温度≦基準値（Ｈ））か否かが判定される（ステップ４）。 On the other hand, when the temperature of the reforming reaction unit 7 is lower than the reference value (H) (NO), the temperature of the reforming reaction unit 7 is higher than the reference value (L) on the low temperature side in the operation control unit 11. It is determined whether or not (reference value (L) <temperature ≦ reference value (H)) (step 4).

改質反応部７の温度が低温側の基準値（Ｌ）よりも高温である場合（ＹＥＳ）、改質反応部７の温度が適正な温度範囲にあるので、運転制御部１１は２次空気量を維持する（ステップ４１）。 When the temperature of the reforming reaction unit 7 is higher than the reference value (L) on the low temperature side (YES), the temperature of the reforming reaction unit 7 is in an appropriate temperature range, so that the operation control unit 11 has secondary air. Maintain quantity (step 41).

一方、改質反応部７の温度が低温側の基準値（Ｌ）よりも低温である場合（ＮＯ）、運転制御部１１は、直前の運転制御操作において２次空気量を増加する操作を行ったか否かを判断する（ステップ５）。すなわち、運転制御部１１は図３のスッテプ１からステップ２以降の操作を経てステップ１に戻る操作を繰り返し行い、その操作履歴を記憶することができるものである。
直前の運転制御操作において２次空気量を増加する操作を行っている場合（ＹＥＳ）、運転制御部１１は制御信号線Ｓ３を通じて２次空気供給ポンプ９に２次空気量を減少させる制御信号を出力する（ステップ５１）。直前の運転制御操作において２次空気量を増加する操作を行っていない場合（ＮＯ）、運転制御部１１は制御信号線Ｓ４を通じて燃料供給ポンプ１０に燃焼灯油の供給量を増加させる制御信号を出力する（ステップ５２）。
ステップ５１またはステップ５２により、改質反応部７の温度は適正な温度範囲に向けて上昇し、結露の発生による流路閉塞を防止するために必要な量の改質ガスを生成させることが可能になる。 On the other hand, when the temperature of the reforming reaction unit 7 is lower than the reference value (L) on the low temperature side (NO), the operation control unit 11 performs an operation of increasing the secondary air amount in the immediately preceding operation control operation. It is determined whether or not (step 5). That is, the operation control unit 11 can repeatedly perform an operation of returning from step 1 to step 1 through step 2 and subsequent steps from step 1 in FIG. 3, and store the operation history.
When the operation for increasing the secondary air amount is performed in the previous operation control operation (YES), the operation control unit 11 sends a control signal for decreasing the secondary air amount to the secondary air supply pump 9 through the control signal line S3. Output (step 51). When the operation for increasing the secondary air amount is not performed in the previous operation control operation (NO), the operation control unit 11 outputs a control signal for increasing the supply amount of combustion kerosene to the fuel supply pump 10 through the control signal line S4. (Step 52).
By step 51 or step 52, the temperature of the reforming reaction section 7 rises to an appropriate temperature range, and it is possible to generate a necessary amount of reformed gas to prevent the blockage of the flow path due to the occurrence of condensation. become.

前記の運転制御部１１におけるステップ２およびステップ４における高温側の基準値（Ｈ）および低温側の基準値（Ｌ）は、改質反応部７の改質触媒が有効に機能する温度範囲にしたがって、予め決定しておくことができる。通常、その温度範囲は、例えば５５０〜７００℃である。 The reference value (H) on the high temperature side and the reference value (L) on the low temperature side in step 2 and step 4 in the operation control unit 11 are in accordance with the temperature range in which the reforming catalyst of the reforming reaction unit 7 functions effectively. , Can be determined in advance. Usually, the temperature range is 550-700 degreeC, for example.

この燃料電池システムＦＣの運転制御によって、起動時に燃料電池スタック４の温度が低い起動時の場合においても、結露の発生による流路閉塞を防止して、図４に示すサイクルにより、安定的に定格運転に移行することができる。また、起動時だけでなく、例えば、定格発電量に満たない発電量の場合等に際して、結露が発生しても、改質反応部７に悪影響を与えることなく迅速に結露を吹き飛ばして流路閉塞を防止することができる。 By the operation control of the fuel cell system FC, even when the temperature of the fuel cell stack 4 is low at the time of start-up, the flow path is blocked by the occurrence of condensation, and the rating is stably performed according to the cycle shown in FIG. You can move on to driving. Further, not only at the time of start-up, for example, when the amount of power generation is less than the rated power generation amount, even if dew condensation occurs, the dew condensation is quickly blown off without adversely affecting the reforming reaction section 7, and the flow path is blocked. Can be prevented.

なお、本発明においては、燃焼用空気を増減するに際して２次空気のみを増減するようにしたが、これに限らず、１次空気を増減したり、１次空気および２次空気を合わせて増減するようにしてもよい。また、バーナ６は１次空気と２次空気の２系統の燃焼用空気で燃焼する構成としているが、これに限らず、３次空気、４次空気、・・の供給系統等を設けて複数系統の燃焼用空気を供給する構成としたり、逆に１系統のみの燃焼用空気で燃焼する構成としてもよい。 In the present invention, only the secondary air is increased / decreased when the combustion air is increased / decreased, but this is not limiting, and the primary air is increased / decreased or the primary air and the secondary air are combined. You may make it do. In addition, the burner 6 is configured to burn with two types of combustion air of primary air and secondary air. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of supply systems such as tertiary air, quaternary air,. It is good also as a structure which supplies with the combustion air of a system | strain, or burns with the combustion air of only one system conversely.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 改質装置の構成を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the structure of a reformer. 本発明に係る燃料電池システムの運転制御方法を説明する図である。It is a figure explaining the operation control method of the fuel cell system concerning the present invention. 本発明の燃料電池システムの起動時における結露の除去過程を説明する図である。It is a figure explaining the removal process of dew condensation at the time of starting of the fuel cell system of the present invention. 燃料電池システムにおける結露発生による障害を説明する図である。It is a figure explaining the disorder | damage | failure by the condensation generation | occurrence | production in a fuel cell system.

Explanation of symbols

１改質装置
２シフト反応器
３一酸化炭素選択酸化器
４燃料電池スタック
６バーナ
７改質反応部
８１次空気供給ポンプ
９２次空気供給ポンプ
１０燃料供給ポンプ
１１運転制御部
７１温度検出手段
ＦＣ燃料電池システム DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reforming apparatus 2 Shift reactor 3 Carbon monoxide selective oxidizer 4 Fuel cell stack 6 Burner 7 Reforming reaction part 8 Primary air supply pump 9 Secondary air supply pump 10 Fuel supply pump 11 Operation control part 71 Temperature detection means FC fuel cell system

Claims

A fuel cell system in which air and reformed gas generated by a reformer are introduced into a cathode and an anode of a fuel cell stack, respectively, and electricity is generated by an electrochemical reaction between oxygen and hydrogen,
The reformer is
A reforming reaction section for producing the reformed gas by a reforming reaction between a hydrocarbon raw material and steam;
And combustion air, fuel and / or an exhaust gas containing hydrogen discharged from the anode of the fuel cell stack, and the burner you heat the reformer is combusted at a predetermined air-fuel ratio,
An operation control unit that adjusts the amount of reformed gas supplied to the anode of the fuel cell stack when starting the fuel cell system ;
A temperature detecting means provided in the reforming reaction section ,
The operation control unit increases the reformed gas supplied to the anode of the fuel cell stack to a preset reformed gas amount when power generation of the fuel cell stack is started after starting the fuel cell system ,
In the state increased to this preset reformed gas amount,
When the temperature of the reforming reaction section detected by the temperature detecting means is higher than the first reference temperature on the predetermined high temperature side, the burner is set so that the air amount becomes excessive from the normal air-fuel ratio. A step to increase the supply amount of combustion air to the
The temperature of the reforming reaction section detected by the temperature detecting means is lower than the first reference temperature and higher than a predetermined second reference temperature that is lower than the first reference temperature. If this is the case, execute step B for maintaining the amount of combustion air supplied to the burner,
When the temperature of the reforming reaction section detected by the temperature detection means is lower than the first reference temperature and lower than the second reference temperature, the A It is determined whether or not the step has been executed. When the A step is being executed, the supply amount of the combustion air to the burner is decreased, and when the A step is not being executed, the supply of the fuel to be supplied to the burner Performing a C step to increase the amount;
A fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the preset reformed gas amount is a reformed gas amount at the time of rated power generation .

The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the hydrocarbon feedstock is kerosene.