JP5086743B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は改質装置、燃料電池システム、及び改質装置の運転方法に関し、特に改質部、変成部、選択酸化部を定常運転時の適切な温度まで昇温するのに要する時間を短縮することができる改質装置、燃料電池システム、及び改質装置の運転方法に関する。   The present invention relates to a reformer, a fuel cell system, and a method for operating the reformer, and in particular, reduces the time required to raise the temperature of the reforming unit, the shift unit, and the selective oxidation unit to an appropriate temperature during steady operation. The present invention relates to a reformer, a fuel cell system, and a method for operating the reformer.

水素と酸素とを使用して、これらの電気化学的反応により発電する燃料電池は、環境に優しい発電装置として注目されている。燃料電池は発電に水素を必要とするが、水素自体を供給するインフラが普及していないことから入手が比較的困難であるため、都市ガスや灯油等の原料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質装置を燃料電池に併設することが多い。改質装置は、改質ガスとなる原料を導入して改質する改質部と、改質部で生成されたガス中の一酸化炭素濃度を段階的に低減する変成部及び選択酸化部と、改質部における改質に利用される改質熱を発生する加熱部とを有するのが一般的である。改質装置の改質部、変成部、選択酸化部は、それぞれ各部における反応に適した温度がある(例えば、特許文献1参照)。
特開2006−210131号公報
A fuel cell that uses hydrogen and oxygen to generate electric power through these electrochemical reactions has attracted attention as an environmentally friendly power generator. Fuel cells require hydrogen for power generation, but they are relatively difficult to obtain because the infrastructure for supplying hydrogen itself is not widespread. In many cases, a reformer for generating a quality gas is provided in the fuel cell. The reformer includes a reforming unit that introduces and reforms a raw material that serves as a reformed gas, a transformation unit that selectively reduces the concentration of carbon monoxide in the gas generated in the reforming unit, and a selective oxidation unit. It is common to have a heating unit that generates reforming heat used for reforming in the reforming unit. Each of the reforming unit, the shift unit, and the selective oxidation unit of the reformer has a temperature suitable for the reaction in each unit (see, for example, Patent Document 1).
JP 2006-210131 A

改質装置は、停止している状態(改質ガスを生成していない状態)の温度が典型的には周囲環境の温度(室温あるいは外気温)となっている。改質装置が停止している状態から起動する際、改質部は加熱部からの受熱があるため比較的短時間で昇温する。他方、変成部及び選択酸化部は、構成部材を介した改質部からの伝達熱あるいは変成部及び選択酸化部における反応の際に生じる熱により昇温するため、定常運転時の適切な温度まで昇温するのに相当の時間を要していた。   In the reformer, the temperature in a stopped state (a state in which no reformed gas is generated) is typically the ambient temperature (room temperature or outside temperature). When starting from the state where the reforming apparatus is stopped, the reforming section rises in a relatively short time because of heat received from the heating section. On the other hand, since the temperature of the shift unit and the selective oxidation unit is raised by heat transferred from the reforming unit via the constituent members or heat generated during the reaction in the shift unit and the selective oxidation unit, the temperature is increased to an appropriate temperature during steady operation. It took considerable time to raise the temperature.

本発明は上述の課題に鑑み、改質装置が停止している状態から起動する際に、改質部、変成部、選択酸化部を定常運転時の適切な温度まで昇温するのに要する時間を短縮することができる改質装置、この改質装置を備える燃料電池システム、及びこの改質装置の運転方法を提供することを目的とする。   In view of the above-described problems, the present invention takes time required to raise the temperature of the reforming unit, the shift unit, and the selective oxidation unit to an appropriate temperature during steady operation when the reformer is started from a stopped state. It is an object of the present invention to provide a reformer capable of shortening the time, a fuel cell system including the reformer, and a method for operating the reformer.

上記目的を達成するために、本発明の第1の態様に係る改質装置は、例えば図1に示すように、改質用原料mを導入し改質して水素に富む水素多含有ガスr1を生成する改質部21と;水素多含有ガスr1を導入し水素多含有ガスr1よりも一酸化炭素濃度が低い変成ガスr2を生成する変成部23と;変成ガスr2を導入し変成ガスr2よりも一酸化炭素濃度が低い改質ガスgを生成する選択酸化部25と;改質部21に隣接する部分、変成部23に隣接する部分、選択酸化部25に隣接する部分にこの順で熱媒体wを流す第1の熱媒体流路83とを備える。   In order to achieve the above object, the reformer according to the first aspect of the present invention, for example, as shown in FIG. 1, introduces a reforming raw material m and reforms it to enrich the hydrogen-rich gas r1 rich in hydrogen. A reforming part 21 that generates hydrogen; a reforming part 23 that introduces a hydrogen-rich gas r1 and produces a modified gas r2 having a carbon monoxide concentration lower than that of the hydrogen-rich gas r1; A selective oxidation unit 25 that generates a reformed gas g having a lower carbon monoxide concentration; a portion adjacent to the reforming unit 21, a portion adjacent to the shift unit 23, and a portion adjacent to the selective oxidation unit 25 in this order. And a first heat medium flow path 83 through which the heat medium w flows.

このように構成すると、改質部に隣接する部分、変成部に隣接する部分、選択酸化部に隣接する部分にこの順で熱媒体を流す第1の熱媒体流路を備えるので、改質装置が停止している状態から起動する際に、熱媒体によって改質部の熱を変成部及び選択酸化部に伝達することが可能になり、改質部、変成部、選択酸化部を定常運転時の適切な温度に昇温するのに要する時間を短縮することができる。   If comprised in this way, since the 1st heat-medium flow path which flows a heat medium in this order is provided in the part adjacent to a reforming part, the part adjacent to a transformation part, and the part adjacent to a selective oxidation part, a reformer It is possible to transfer the heat of the reforming unit to the transformation unit and the selective oxidation unit by the heat medium when starting from a state where the gas is stopped, and the reforming unit, the transformation unit, and the selective oxidation unit are in steady operation. The time required to raise the temperature to an appropriate temperature can be shortened.

また、本発明の第2の態様に係る改質装置は、例えば図1に示すように、上記本発明の第1の態様に係る改質装置20において、選択酸化部25に隣接する部分、変成部23に隣接する部分、改質部21に隣接する部分にこの順で熱媒体wを流す第2の熱媒体流路83を備える。   Further, the reforming apparatus according to the second aspect of the present invention is, for example, as shown in FIG. 1, in the reforming apparatus 20 according to the first aspect of the present invention, a portion adjacent to the selective oxidation unit 25, The part adjacent to the part 23 and the part adjacent to the reforming part 21 are provided with a second heat medium flow path 83 through which the heat medium w flows in this order.

このように構成すると、選択酸化部の温度が定常運転時の適切な温度よりも高くなったときに、選択酸化部を熱媒体で冷却することができ、その反動として熱媒体を加熱することができる。   If comprised in this way, when the temperature of a selective oxidation part becomes higher than the suitable temperature at the time of steady operation, a selective oxidation part can be cooled with a heat medium, and a heat medium can be heated as the reaction. it can.

また、本発明の第3の態様に係る改質装置は、例えば図1に示すように、上記本発明の第2の態様に係る改質装置20において、第1の熱媒体流路と第2の熱媒体流路とが一つの流路83であって、時間の経過に従い第1の熱媒体流路と第2の熱媒体流路とが切り替わるように構成されている。ここで、第1の熱媒体流路と第2の熱媒体流路とが一つの流路であるとは、当該一つの流路が第1の熱媒体流路と第2の熱媒体流路とを兼ねることをいう。   Moreover, the reforming apparatus according to the third aspect of the present invention includes, as shown in FIG. 1, for example, in the reforming apparatus 20 according to the second aspect of the present invention, the first heat medium flow path and the second These heat medium flow paths are one flow path 83, and are configured so that the first heat medium flow path and the second heat medium flow path are switched over time. Here, the first heat medium flow path and the second heat medium flow path are one flow path. The one flow path is the first heat medium flow path and the second heat medium flow path. It means to serve as both.

このように構成すると、熱媒体流路の設置スペースを小さくすることができ、改質装置をコンパクトにすることができる。   If comprised in this way, the installation space of a heat carrier channel can be made small, and a reformer can be made compact.

また、本発明の第4の態様に係る改質装置は、例えば図1に示すように、上記本発明の第2の態様又は第3の態様に係る改質装置20において、改質部21に隣接する部分を通過した第2の熱媒体流路83を流れる熱媒体wを、改質部21に導く改質用水流路85を備え;熱媒体wが、改質用原料mを改質する際に用いられる改質用水sである。   Further, the reforming apparatus according to the fourth aspect of the present invention includes a reforming unit 21 in the reforming apparatus 20 according to the second aspect or the third aspect of the present invention as shown in FIG. A reforming water flow path 85 is provided for guiding the heat medium w flowing through the second heat medium flow path 83 that has passed through the adjacent portion to the reforming unit 21; the heat medium w reforms the reforming raw material m. It is the water for reforming s used at the time.

このように構成すると、改質部の熱を改質用水に与えることができる。   If comprised in this way, the heat | fever of a modification part can be given to the water for a modification | reformation.

上記目的を達成するために、本発明の第5の態様に係る燃料電池システムは、例えば図2に示すように、上記本発明の第1の態様乃至第4の態様のいずれか1つの態様に係る改質装置20と;改質ガスgと酸素を含有する酸化剤ガスtとを導入して発電する燃料電池30とを備える。   In order to achieve the above object, a fuel cell system according to a fifth aspect of the present invention is provided in any one of the first to fourth aspects of the present invention as shown in FIG. And a fuel cell 30 that generates power by introducing the reformed gas g and an oxidant gas t containing oxygen.

このように構成すると、燃料電池システムが停止している状態から起動するまでに要する時間を短縮することができる。   If comprised in this way, the time required until it starts from the state which the fuel cell system has stopped can be shortened.

上記目的を達成するために、本発明の第6の態様に係る改質装置の運転方法は、例えば図1及び図3を参照して示すと、改質用原料mを導入し改質して水素に富む水素多含有ガスr1を生成する改質部21と、水素多含有ガスr1を導入し水素多含有ガスr1よりも一酸化炭素濃度が低い変成ガスr2を生成する変成部23と、変成ガスr2を導入し変成ガスr2よりも一酸化炭素濃度が低い改質ガスgを生成する選択酸化部25と、を有する改質装置20を運転する方法であって;改質部21の熱を変成部23及び選択酸化部25の少なくとも一方に移動させる熱移動工程(St1、St2)を備える。   In order to achieve the above object, the operation method of the reforming apparatus according to the sixth aspect of the present invention is, for example, shown by referring to FIG. 1 and FIG. A reforming unit 21 that generates a hydrogen-rich hydrogen-containing gas r1, a reforming unit 23 that introduces the hydrogen-rich gas r1 and generates a modified gas r2 having a lower carbon monoxide concentration than the hydrogen-rich gas r1, A method of operating a reformer 20 having a selective oxidation unit 25 that introduces a gas r2 and generates a reformed gas g having a carbon monoxide concentration lower than that of the modified gas r2; A heat transfer process (St1, St2) for transferring to at least one of the transformation unit 23 and the selective oxidation unit 25 is provided.

このように構成すると、改質装置が停止している状態から起動する際に、改質部、変成部、選択酸化部を定常運転時の適切な温度に昇温するのに要する時間を短縮することができる。   With this configuration, when the reformer is started from a stopped state, the time required to raise the temperature of the reforming unit, the shift unit, and the selective oxidation unit to an appropriate temperature during steady operation is shortened. be able to.

また、本発明の第7の態様に係る改質装置の運転方法は、例えば図1及び図3を参照して示すと、上記本発明の6の態様に係る改質装置の運転方法において、変成部23及び選択酸化部25の少なくとも一方を冷却する冷却工程(St3、St4)を備える。   The reformer operating method according to the seventh aspect of the present invention is, for example, referring to FIG. 1 and FIG. 3, in the reformer operating method according to the sixth aspect of the present invention. A cooling step (St3, St4) for cooling at least one of the unit 23 and the selective oxidation unit 25 is provided.

このように構成すると、改質部、変成部、選択酸化部を定常運転時の適切な温度に維持することができる。   If comprised in this way, a reforming part, a change part, and a selective oxidation part can be maintained at the appropriate temperature at the time of steady operation.

本発明によれば、改質装置が停止している状態から起動する際に、熱媒体によって改質部の熱を変成部及び選択酸化部に伝達することが可能になり、改質部、変成部、選択酸化部を定常運転時の適切な温度に昇温するのに要する時間を短縮することができる。   According to the present invention, when the reforming apparatus is started from a stopped state, it becomes possible to transfer the heat of the reforming section to the transforming section and the selective oxidation section by the heat medium. The time required to raise the temperature of the part and the selective oxidation part to an appropriate temperature during steady operation can be shortened.

以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each drawing, the same or corresponding members are denoted by the same or similar reference numerals, and redundant description is omitted.

まず図1を参照して本発明の実施の形態に係る改質装置20の構成について説明する。図1は、改質装置20の模式的系統図である。改質装置20は、改質部21と、変成部23と、選択酸化部25と、加熱部26と、第1の熱媒体流路と第2の熱媒体流路とを兼ねる加熱冷却流路83と、改質用水流路を形成する改質用水管85と、改質装置20の運転を制御する制御装置38とを備えている。改質部21と変成部23とは水素多含有ガス流路22を介して接続されることにより互いに連通している。水素多含有ガス流路22は典型的には配管であるが、両部分21、23の開口部が直接接続されることにより形成されていてもよい。変成部23と選択酸化部25とは変成ガス流路24を介して接続されることにより互いに連通している。変成ガス流路24は典型的には配管であるが、両部分23、25の開口部が直接接続されることにより形成されていてもよい。   First, the structure of the reformer 20 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic system diagram of the reformer 20. The reforming apparatus 20 includes a reforming unit 21, a transformation unit 23, a selective oxidation unit 25, a heating unit 26, and a heating / cooling channel serving as both a first heat medium channel and a second heat medium channel. 83, a reforming water pipe 85 that forms a reforming water flow path, and a control device 38 that controls the operation of the reforming device 20. The reforming unit 21 and the shift unit 23 are connected to each other by being connected via the hydrogen-rich gas flow path 22. The hydrogen-rich gas flow path 22 is typically a pipe, but may be formed by directly connecting the openings of both portions 21 and 23. The shift unit 23 and the selective oxidation unit 25 are connected to each other by being connected via the shift gas channel 24. The metamorphic gas channel 24 is typically a pipe, but may be formed by directly connecting the openings of both portions 23 and 25.

改質部21は、改質用原料mと改質用水としての水蒸気sとを導入し、水蒸気改質反応により、改質用原料mを水素に富む水素多含有ガスr1に改質する。水素に富む水素多含有ガスr1とは、水素を主成分とするガスであり、水素を40体積%以上、典型的には70〜80体積%程度含んだ、燃料電池30(図2参照)に供給するガスである。水素多含有ガスr1中の水素濃度は80体積%以上でもよく、すなわち燃料電池30(図2参照)に供給したときに酸化剤ガスt中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。水素多含有ガスr1には、典型的には、一酸化炭素が10体積%程度含まれている。改質用原料mは、典型的には、メタン、エタン等の鎖式炭化水素(天然ガスも含む)、あるいはメタノール、石油製品(灯油、ガソリン、ナフサ、LPG等)等の炭化水素を主成分とする炭化水素系の燃料である。改質部21には改質触媒(不図示)が充填されており、水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。改質触媒は、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。また、改質部21には、改質用原料mを導入する原料導入管41が接続されている。原料導入管41には、改質用原料mが液体である場合に気化させる気化器(不図示)が配設されている。改質部21の定常運転時の適正温度は、本実施の形態では約680℃〜750℃である。改質部21には、内部の温度を検出する改質部温度センサ21tが配設されている。改質部温度センサ21tは制御装置38と信号ケーブルで接続されており、検出した改質部21内の温度を信号として制御装置38に送信することができるように構成されている。   The reforming unit 21 introduces the reforming raw material m and steam s as reforming water, and reforms the reforming raw material m into a hydrogen-rich hydrogen-containing gas r1 by a steam reforming reaction. The hydrogen-rich gas r1 rich in hydrogen is a gas mainly composed of hydrogen, and is contained in the fuel cell 30 (see FIG. 2) containing 40% by volume or more, typically about 70 to 80% by volume of hydrogen. Gas to be supplied. The hydrogen concentration in the hydrogen-rich gas r1 may be 80% by volume or higher, that is, at a concentration that enables power generation by an electrochemical reaction with oxygen in the oxidant gas t when supplied to the fuel cell 30 (see FIG. 2). I just need it. The hydrogen-rich gas r1 typically contains about 10% by volume of carbon monoxide. The reforming material m is typically composed mainly of chain hydrocarbons such as methane and ethane (including natural gas), or hydrocarbons such as methanol and petroleum products (kerosene, gasoline, naphtha, LPG, etc.). This is a hydrocarbon fuel. The reforming unit 21 is filled with a reforming catalyst (not shown) and configured to promote a steam reforming reaction. As the reforming catalyst, a nickel-based reforming catalyst or a ruthenium-based reforming catalyst is typically used. In addition, a raw material introduction pipe 41 for introducing the reforming raw material m is connected to the reforming unit 21. The raw material introduction pipe 41 is provided with a vaporizer (not shown) that vaporizes when the reforming raw material m is liquid. The proper temperature during steady operation of the reforming unit 21 is about 680 ° C. to 750 ° C. in the present embodiment. The reforming unit 21 is provided with a reforming unit temperature sensor 21t that detects the internal temperature. The reforming unit temperature sensor 21t is connected to the control device 38 via a signal cable, and is configured to transmit the detected temperature in the reforming unit 21 as a signal to the control device 38.

変成部23は、改質部21から水素多含有ガスr1を導入し、水素多含有ガスr1に含まれる一酸化炭素を、同じく水素多含有ガスr1に含まれる水分と変成反応させて、二酸化炭素と水素とを生成することにより水素多含有ガスr1から一酸化炭素濃度が低減した変成ガスr2を生成する。変成反応は発熱反応である。変成部23には、変成触媒(不図示)が充填されており、変成反応を促進させるように構成されている。変成触媒は、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。変成部23で生成される変成ガスr2は、典型的には一酸化炭素濃度が5000〜10000ppm程度に低減されている。変成部23の定常運転時の適正温度は、本実施の形態では約180℃〜250℃である。変成部23には、内部の温度を検出する変成部温度センサ23tが配設されている。変成部温度センサ23tは制御装置38と信号ケーブルで接続されており、検出した変成部23内の温度を信号として制御装置38に送信することができるように構成されている。   The shift unit 23 introduces the hydrogen-rich gas r1 from the reforming unit 21, and converts carbon monoxide contained in the hydrogen-rich gas r1 with water contained in the hydrogen-rich gas r1 to produce carbon dioxide. And hydrogen are generated to produce a modified gas r2 having a reduced carbon monoxide concentration from the hydrogen-rich gas r1. The modification reaction is an exothermic reaction. The shift section 23 is filled with a shift catalyst (not shown), and is configured to promote the shift reaction. As the shift catalyst, typically, an iron-chromium shift catalyst, a copper-zinc shift catalyst, a platinum shift catalyst, or the like is used. The metamorphic gas r2 produced in the metamorphic section 23 typically has a carbon monoxide concentration reduced to about 5000 to 10,000 ppm. In this embodiment, the appropriate temperature during steady operation of the transformation section 23 is about 180 ° C to 250 ° C. The transformation section 23 is provided with a transformation section temperature sensor 23t that detects the internal temperature. The transformer temperature sensor 23t is connected to the control device 38 with a signal cable, and is configured to transmit the detected temperature in the transformer 23 as a signal to the control device 38.

選択酸化部25は、変成部23から変成ガスr2を導入し、系外から空気a(以下「選択酸化空気a」という。)を導入することにより酸素を導入して、変成ガスr2中に残存した一酸化炭素と導入した酸素との選択酸化反応により、変成ガスr2からさらに一酸化炭素濃度が低減した改質ガスgを生成する。選択酸化反応は発熱反応である。選択酸化部25には、選択酸化触媒(不図示)が充填されている。選択酸化触媒は、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。また、選択酸化部25には、選択酸化空気aを導入するための選択酸化空気管43が接続されている。選択酸化空気管43には選択酸化空気ブロワ13が配設されている。選択酸化空気ブロワ13は制御装置38と信号ケーブルで接続されており、制御装置38から信号を受信して選択酸化部25への選択酸化空気aの導入量を調節することができるように構成されている。選択酸化部25の定常運転時の適正温度は、本実施の形態では約130℃〜160℃である。選択酸化部25には、内部の温度を検出する選択酸化部温度センサ25tが配設されている。選択酸化部温度センサ25tは制御装置38と信号ケーブルで接続されており、検出した選択酸化部25内の温度を信号として制御装置38に送信することができるように構成されている。また、選択酸化部25には、改質ガスgを導出する改質ガス管51が接続されている。定常運転時に改質ガス管51から導出される改質ガスgは、典型的には水素を75%程度含むガスであり、改質ガスg中の一酸化炭素濃度はおよそ10ppm以下程度である。   The selective oxidation unit 25 introduces the modified gas r2 from the modified unit 23, introduces oxygen by introducing air a (hereinafter referred to as “selective oxidized air a”) from outside the system, and remains in the modified gas r2. By the selective oxidation reaction between the carbon monoxide thus introduced and the introduced oxygen, a reformed gas g having a further reduced carbon monoxide concentration is generated from the modified gas r2. The selective oxidation reaction is an exothermic reaction. The selective oxidation unit 25 is filled with a selective oxidation catalyst (not shown). As the selective oxidation catalyst, typically, a platinum-based selective oxidation catalyst, a ruthenium-based selective oxidation catalyst, a platinum-ruthenium-based selective oxidation catalyst, or the like is used. The selective oxidation unit 25 is connected to a selective oxidation air pipe 43 for introducing the selective oxidation air a. A selective oxidation air blower 13 is disposed in the selective oxidation air pipe 43. The selective oxidation air blower 13 is connected to the control device 38 through a signal cable, and is configured to receive a signal from the control device 38 and adjust the amount of selective oxidation air a introduced into the selective oxidation unit 25. ing. The appropriate temperature during steady operation of the selective oxidation unit 25 is about 130 ° C. to 160 ° C. in the present embodiment. The selective oxidation unit 25 is provided with a selective oxidation unit temperature sensor 25t that detects the internal temperature. The selective oxidation unit temperature sensor 25t is connected to the control device 38 through a signal cable, and is configured to transmit the detected temperature in the selective oxidation unit 25 as a signal to the control device 38. The selective oxidation unit 25 is connected to a reformed gas pipe 51 for deriving the reformed gas g. The reformed gas g derived from the reformed gas pipe 51 during steady operation is typically a gas containing about 75% hydrogen, and the carbon monoxide concentration in the reformed gas g is about 10 ppm or less.

加熱部26は、典型的には、バーナー(不図示)を有しており、燃焼用燃料(不図示)、アノードオフガスp、改質ガスgのうちの1種類あるいは2種類以上と、燃焼用空気(不図示)とを導入し、燃焼用燃料等を燃焼させて改質熱を発生する。ここで、アノードオフガスpとは、燃料電池30(図2参照)から排出されるガスであって燃料電池30における電気化学反応に使われなかった水素を含んでいるガスである。また燃焼用燃料は、典型的には、改質用原料mと同じものが利用されるが異なる種類の燃料であってもよい。加熱部26は、改質に利用する熱を改質部21に与えることができる程度に改質部21の近くに配設されており、好ましくは改質部21をその中央に空間が形成されるように竹輪状に形成した上で中央の空間内に配設されるようにすると、効果的に改質部21に改質熱を伝えることができる。燃料を燃焼して生じた燃焼排ガスeを系外に排出する流路として、燃焼排ガス管88が加熱部26に接続されている。燃焼排ガス管88は、改質部21及び変成部23に近接して配置された後に系外に導かれるように配設されている。   Typically, the heating unit 26 has a burner (not shown), one or more of combustion fuel (not shown), anode offgas p, reformed gas g, and combustion. Air (not shown) is introduced and combustion fuel or the like is burned to generate reforming heat. Here, the anode off gas p is a gas exhausted from the fuel cell 30 (see FIG. 2) and containing hydrogen that has not been used in the electrochemical reaction in the fuel cell 30. The combustion fuel is typically the same as the reforming raw material m, but may be a different type of fuel. The heating unit 26 is disposed close to the reforming unit 21 to such an extent that heat used for reforming can be given to the reforming unit 21, and preferably a space is formed in the center of the reforming unit 21. Thus, when it is formed in a bamboo ring shape and disposed in the central space, the reforming heat can be effectively transmitted to the reforming section 21. A combustion exhaust gas pipe 88 is connected to the heating unit 26 as a flow path for discharging the combustion exhaust gas e generated by burning the fuel out of the system. The combustion exhaust gas pipe 88 is disposed so as to be guided out of the system after being disposed in the vicinity of the reforming unit 21 and the transformation unit 23.

また加熱部26には、燃焼用燃料(不図示)を導入する燃焼用燃料導入管(不図示)、及びアノードオフガスp及び改質ガスgを導入するアノードオフガス管52が接続されている。変成部23に近接した部分よりも系外側の燃焼排ガス管88とアノードオフガス管52とには、燃焼排ガスeとアノードオフガスp又は改質ガスgとの間における熱交換を可能にする第1燃焼排ガス熱交換器29Aが挿入配置されている。   The heating unit 26 is connected to a combustion fuel introduction pipe (not shown) for introducing combustion fuel (not shown) and an anode off gas pipe 52 for introducing the anode off gas p and the reformed gas g. The first combustion that enables heat exchange between the combustion exhaust gas e and the anode off gas p or the reformed gas g in the combustion exhaust gas pipe 88 and the anode off gas pipe 52 outside the system in the vicinity of the portion near the shift portion 23. An exhaust gas heat exchanger 29A is inserted and arranged.

加熱冷却流路83は、内部に熱媒体wを流す流路である。加熱冷却流路83は、改質部21に隣接する部分を通り、次に変成部23に隣接する部分を通り、次に選択酸化部25に隣接する部分を通るように配設されている。ここで「隣接する」とは、当該隣接する部位(改質部21等)と加熱冷却流路83内の熱媒体wとの間で熱の授受がある程度の近さで両者が配置されていることをいう。加熱冷却流路83は、当該隣接する部位と熱媒体wとの交換熱量を増やすために(流路面積を大きくするために)、典型的には、改質部21、変成部23、選択酸化部25の各触媒層の周りを囲むように形成されたジャケット(熱交換器)構造により構成されている。なお、加熱冷却流路83は、配管で構成されることとし、配管を当該部位と隣接する部分で蛇行するように配設してもよい。交換熱量の増加という趣旨に鑑み、加熱冷却流路83を例えば渦巻状に配設することも蛇行の概念に含まれることとする。   The heating / cooling channel 83 is a channel through which the heat medium w flows. The heating / cooling flow path 83 is disposed so as to pass through a portion adjacent to the reforming unit 21, then pass through a portion adjacent to the transformation unit 23, and then pass through a portion adjacent to the selective oxidation unit 25. Here, “adjacent” means that the heat transfer between the adjacent portion (the reforming portion 21 and the like) and the heat medium w in the heating / cooling flow path 83 is close to a certain degree. That means. The heating / cooling channel 83 typically has a reforming unit 21, a transformation unit 23, a selective oxidation unit in order to increase the amount of heat exchanged between the adjacent part and the heat medium w (in order to increase the channel area). It is comprised by the jacket (heat exchanger) structure formed so that the circumference | surroundings of each catalyst layer of the part 25 might be enclosed. The heating / cooling flow path 83 may be configured by piping, and the piping may be arranged to meander at a portion adjacent to the portion. In view of the purpose of increasing the amount of heat exchanged, it is assumed that the concept of meandering also includes arranging the heating / cooling channel 83 in a spiral shape, for example.

改質部21に隣接する部分と変成部23に隣接する部分との間の加熱冷却流路83と、水素多含有ガス流路22とには、熱媒体wと水素多含有ガスr1との間における熱交換を可能にする水素多含有ガス熱交換器27が挿入配置されている。また、変成部23に隣接する部分と選択酸化部25に隣接する部分との間の加熱冷却流路83と、変成ガス流路24とには、熱媒体wと変成ガスr2との間における熱交換を可能にする変成ガス熱交換器28が挿入配置されている。   The heating / cooling flow path 83 between the part adjacent to the reforming part 21 and the part adjacent to the transformation part 23 and the hydrogen-rich gas flow path 22 are between the heat medium w and the hydrogen-rich gas r1. A hydrogen-rich gas heat exchanger 27 that enables heat exchange is inserted and arranged. Further, the heating / cooling channel 83 between the portion adjacent to the shift unit 23 and the portion adjacent to the selective oxidation unit 25 and the shift gas channel 24 have heat between the heat medium w and the shift gas r2. A modified gas heat exchanger 28 is inserted to allow replacement.

加熱冷却流路83の、改質部21に隣接して配設された部分から変成部23への方向とは逆の方向に延びた先の端部は、改質用水sを改質部21に導く改質用水管85に接続されている。換言すれば、加熱冷却流路83と改質用水管85とは、接続点J1で接続されている。改質用水管85の接続点J1とは反対側の端部は、原料導入管41(典型的には原料導入管41に配設された気化器(不図示))に接続されている。   The front end portion of the heating / cooling flow path 83 extending in the direction opposite to the direction from the portion disposed adjacent to the reforming unit 21 to the transformation unit 23 receives the reforming water s from the reforming unit 21. To the reforming water pipe 85. In other words, the heating / cooling channel 83 and the reforming water pipe 85 are connected at the connection point J1. The end of the reforming water pipe 85 opposite to the connection point J1 is connected to a raw material introduction pipe 41 (typically a vaporizer (not shown) disposed in the raw material introduction pipe 41).

また、接続点J1には、内部に熱媒体wを流す加熱水導入管82が接続されている。加熱水導入管82は、接続点J1とは反対側の端部で、加熱冷却流路83の選択酸化部25に隣接して配設された部分から変成部23への方向とは逆の方向に延びた先の端部と接続されている。換言すれば、加熱水導入管82と加熱冷却流路83とは、接続点J2で接続されている。加熱水導入管82には、熱媒体wの流れを遮断可能な開閉弁82vが挿入配置されている。接続点J2と選択酸化部25に隣接する部分との間の加熱冷却流路83には、熱媒体wの流れを遮断可能な開閉弁83vが挿入配置されている。開閉弁82v及び開閉弁83vは、それぞれ制御装置38と信号ケーブルで接続されており、それぞれ制御装置38からの信号を受信して弁の開閉をすることができるように構成されている。   In addition, a heating water introduction pipe 82 for flowing the heat medium w is connected to the connection point J1. The heated water introduction pipe 82 is at the end opposite to the connection point J1, and in the direction opposite to the direction from the portion disposed adjacent to the selective oxidation unit 25 of the heating / cooling flow path 83 to the transformation unit 23. It is connected with the end part which extended to. In other words, the heated water introduction pipe 82 and the heating / cooling flow path 83 are connected at the connection point J2. An open / close valve 82v capable of blocking the flow of the heat medium w is inserted and disposed in the heated water introduction pipe 82. An opening / closing valve 83v capable of blocking the flow of the heat medium w is inserted and disposed in the heating / cooling flow path 83 between the connection point J2 and the portion adjacent to the selective oxidation unit 25. The on-off valve 82v and the on-off valve 83v are each connected to the control device 38 by a signal cable, and are configured to be able to open and close the valve by receiving a signal from the control device 38, respectively.

また、接続点J2には、系外から加熱水導入管82及び加熱冷却流路83に熱媒体wを導く加熱冷却水導入管81が接続されている。加熱冷却水導入管81には熱媒体wを圧送する改質用水ポンプ14が挿入配置されている。改質用水ポンプ14は制御装置38と信号ケーブルで接続されており、制御装置38から信号を受信して加熱水導入管82又は加熱冷却流路83への熱媒体wの導入量を調節することができるように構成されている。改質用水ポンプ14と接続点J2との間の加熱冷却水導入管81と、燃焼排ガス管88とには、熱媒体wと燃焼排ガスeとの間における熱交換を可能にする第2燃焼排ガス熱交換器29Bが挿入配置されている。第2燃焼排ガス熱交換器29Bが改質用水ポンプ14の下流側に配設されていることで、第2燃焼排ガス熱交換器29B内が負圧になることを回避することができる。なお、系外から導入され、加熱冷却水導入管81内を流れる熱媒体wが蒸気の場合は改質用水ポンプ14を設けなくてもよい。   In addition, a heating / cooling water introduction pipe 81 that guides the heat medium w from outside the system to the heating water introduction pipe 82 and the heating / cooling flow path 83 is connected to the connection point J2. A reforming water pump 14 for pumping the heat medium w is inserted and disposed in the heating / cooling water introduction pipe 81. The reforming water pump 14 is connected to the control device 38 through a signal cable, and receives a signal from the control device 38 to adjust the introduction amount of the heat medium w into the heating water introduction pipe 82 or the heating / cooling flow path 83. It is configured to be able to. The second combustion exhaust gas that enables heat exchange between the heat medium w and the combustion exhaust gas e is provided in the heating / cooling water introduction pipe 81 and the combustion exhaust gas pipe 88 between the reforming water pump 14 and the connection point J2. A heat exchanger 29B is inserted and arranged. By disposing the second combustion exhaust gas heat exchanger 29B on the downstream side of the reforming water pump 14, it is possible to avoid a negative pressure inside the second combustion exhaust gas heat exchanger 29B. When the heat medium w introduced from outside the system and flowing in the heating / cooling water introduction pipe 81 is steam, the reforming water pump 14 may not be provided.

選択酸化部25に隣接する部分と接続点J2との間の加熱冷却流路83には、熱媒体wを改質装置20外へ導出する加熱水導出管84が接続されている。加熱水導出管84には、熱媒体wの流れを遮断可能な開閉弁84vが挿入配置されている。開閉弁84vは、制御装置38と信号ケーブルで接続されており、制御装置38からの信号を受信して弁の開閉をすることができるように構成されている。また、接続点J1と開閉弁82vとの間の加熱水導入管82には、熱媒体wを改質装置20外へ導出する冷却水導出管86が接続されている。冷却水導出管86には、熱媒体wの流れを遮断可能な開閉弁86vが挿入配置されている。開閉弁86vは、制御装置38と信号ケーブルで接続されており、制御装置38からの信号を受信して弁の開閉をすることができるように構成されている。   A heating water outlet pipe 84 for leading the heat medium w out of the reformer 20 is connected to the heating / cooling flow path 83 between the portion adjacent to the selective oxidation unit 25 and the connection point J2. An opening / closing valve 84v that can block the flow of the heat medium w is inserted into the heating water outlet pipe 84. The on-off valve 84v is connected to the control device 38 by a signal cable, and is configured to receive a signal from the control device 38 and to open and close the valve. In addition, a cooling water outlet pipe 86 for leading the heat medium w out of the reformer 20 is connected to the heating water inlet pipe 82 between the connection point J1 and the open / close valve 82v. An on-off valve 86v that can block the flow of the heat medium w is inserted into the cooling water outlet pipe 86. The on-off valve 86v is connected to the control device 38 through a signal cable, and is configured to receive a signal from the control device 38 and open and close the valve.

制御装置38は、改質装置20の運転を制御するように構成されている。制御装置38は、改質部温度センサ21t、変成部温度センサ23t、選択酸化部温度センサ25t、のそれぞれと信号ケーブルで接続されており、温度信号を受信する。また、制御装置38は、各開閉弁82v、83v、84v、86vのそれぞれに、弁を開又は閉にする開閉信号を送信する。なお、各開閉弁は制御装置38から受信する信号により弁の開度(全開及び全閉を含む)を調節することができるように構成されていてもよい。また、制御装置38は、選択酸化空気ブロワ13及び改質用水ポンプ14のそれぞれに、流体の流量を調節する流量調節信号を送信する。制御装置38による制御(改質装置20の作用)の説明は後述する。   The control device 38 is configured to control the operation of the reforming device 20. The control device 38 is connected to each of the reforming unit temperature sensor 21t, the transformation unit temperature sensor 23t, and the selective oxidation unit temperature sensor 25t via a signal cable, and receives a temperature signal. The control device 38 transmits an open / close signal for opening or closing the valve to each of the open / close valves 82v, 83v, 84v, 86v. Each on-off valve may be configured to be able to adjust the opening of the valve (including fully open and fully closed) by a signal received from the control device 38. In addition, the control device 38 transmits a flow rate adjustment signal for adjusting the flow rate of the fluid to each of the selective oxidation air blower 13 and the reforming water pump 14. The description of the control by the control device 38 (the operation of the reforming device 20) will be described later.

次に図2を参照して本発明の実施の形態に係る燃料電池システム10の構成について説明する。図2は、燃料電池システム10の模式的系統図である。燃料電池システム10は、これまでに説明した改質装置20と、水素と酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池30と、燃料電池システム10を制御する制御装置38とを備えている。本実施の形態では、燃料電池システム10を制御する制御装置と改質装置20を制御する制御装置とを共通のものとしているが、別々に構成してもよい。   Next, the configuration of the fuel cell system 10 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic system diagram of the fuel cell system 10. The fuel cell system 10 includes the reformer 20 described so far, a fuel cell 30 that generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and a controller 38 that controls the fuel cell system 10. In the present embodiment, the control device that controls the fuel cell system 10 and the control device that controls the reforming device 20 are common, but may be configured separately.

燃料電池30は、典型的には固体高分子型燃料電池である。燃料電池30は、改質ガスgを導入する燃料極と、酸化剤ガスtを導入する空気極と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部とを含んで構成されている。酸化剤ガスtは、典型的には空気である。燃料電池30は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜を燃料極と空気極とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池30では、燃料極に供給された改質ガスg中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過して空気極に移動すると共に電子が燃料極と空気極とを結ぶ導線を通って空気極に移動して、空気極に供給された酸化剤ガスt中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池30には、必要に応じて、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナー(不図示)が接続される。   The fuel cell 30 is typically a polymer electrolyte fuel cell. The fuel cell 30 includes a fuel electrode that introduces the reformed gas g, an air electrode that introduces the oxidant gas t, and a cooling unit that removes heat generated by the electrochemical reaction. The oxidant gas t is typically air. Although the fuel cell 30 is shown in a simplified manner in the figure, in practice, a single cell is formed by sandwiching a solid polymer film between a fuel electrode and an air electrode, and a plurality of cells are formed via a cooling unit. It is configured by stacking sheets. In the fuel cell 30, hydrogen in the reformed gas g supplied to the fuel electrode is decomposed into hydrogen ions and electrons, and the hydrogen ions pass through the solid polymer film and move to the air electrode. It moves to the air electrode through a conducting wire connecting to the air electrode, reacts with oxygen in the oxidant gas t supplied to the air electrode to generate water, and generates heat during this reaction. In this reaction, the direct current can be taken out by passing electrons through the conducting wire. A power conditioner (not shown) that converts DC power to AC power is connected to the fuel cell 30 as necessary.

燃料電池30の燃料極と改質装置20の選択酸化部25(図1参照)とは、改質ガス管51を介して接続されている。改質ガス管51には改質ガス開閉弁61が挿入配置されている。また、燃料電池30の燃料極と改質装置20の加熱部26(図1参照)とは、アノードオフガス管52を介して接続され、燃料電池30での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスpを加熱部26(図1参照)に導入することができるようになっている。アノードオフガス管52には、アノードオフガス開閉弁62が挿入配置されている。また、改質ガス開閉弁61の上流側の改質ガス管51と、アノードオフガス開閉弁62よりも下流のアノードオフガス管52とが、バイパス管53で接続されている。バイパス管53にはバイパス開閉弁63が挿入配置されている。燃料電池30の空気極には、酸化剤ガスtを導入する酸化剤ガス管54と、燃料電池30での電気化学的反応に利用されなかった酸素を含むカソードオフガスqを排出するカソードオフガス管55とが接続されている。酸化剤ガス管54には酸化剤ガスtを圧送する酸化剤ガスブロワ18が挿入配置されている。酸化剤ガスブロワ18は、制御装置38からの指令(制御信号を含む)を受けて起動及び停止(回転速度が調節可能な場合は回転速度の調節を含む)が行なわれるように構成されている。また、各開閉弁61〜63は、それぞれ制御装置38と信号ケーブルで接続されており、それぞれ制御装置38から開閉信号を受信して弁の開度(全開及び全閉を含む)を調節することができるように構成されている。   The fuel electrode of the fuel cell 30 and the selective oxidation unit 25 (see FIG. 1) of the reformer 20 are connected via a reformed gas pipe 51. A reformed gas opening / closing valve 61 is inserted into the reformed gas pipe 51. The fuel electrode of the fuel cell 30 and the heating unit 26 (see FIG. 1) of the reformer 20 are connected via the anode off-gas pipe 52 and hydrogen that has not been used for the electrochemical reaction in the fuel cell 30. The anode off gas p containing can be introduced into the heating unit 26 (see FIG. 1). An anode off-gas on / off valve 62 is inserted into the anode off-gas pipe 52. A reformed gas pipe 51 upstream of the reformed gas on-off valve 61 and an anode off-gas pipe 52 downstream of the anode off-gas on / off valve 62 are connected by a bypass pipe 53. A bypass opening / closing valve 63 is inserted into the bypass pipe 53. At the air electrode of the fuel cell 30, an oxidant gas tube 54 for introducing the oxidant gas t and a cathode offgas tube 55 for discharging the cathode offgas q containing oxygen that has not been used for the electrochemical reaction in the fuel cell 30. And are connected. An oxidant gas blower 18 for pumping the oxidant gas t is inserted and disposed in the oxidant gas pipe 54. The oxidant gas blower 18 is configured to be activated and stopped (including adjustment of the rotation speed when the rotation speed is adjustable) in response to a command (including a control signal) from the control device 38. Each of the on-off valves 61 to 63 is connected to the control device 38 via a signal cable, and receives an open / close signal from the control device 38 to adjust the opening degree (including full open and full close) of the valve. It is configured to be able to.

続いて改質装置20及びこれを備える燃料電池システム10の作用を説明する。
まず図3を参照し、また適宜図1及び図2を参照して、改質装置20の起動時の動作を説明する。図3は、改質装置20の起動時の動作を説明するフローチャートである。本発明に係る改質装置の起動時の動作の概要は以下のとおりである。
Next, the operation of the reformer 20 and the fuel cell system 10 including the reformer 20 will be described.
First, with reference to FIG. 3, and with reference to FIGS. 1 and 2 as appropriate, the operation at the start-up of the reformer 20 will be described. FIG. 3 is a flowchart for explaining the operation at the start-up of the reforming apparatus 20. The outline of the operation at the start-up of the reformer according to the present invention is as follows.

改質装置20が停止している状態で、改質装置20の各部21、23、25の温度が周囲の環境温度(室内温度や外気温度)あるいはこれに近い温度となっている状態から改質装置20を起動する場合、まず、加熱部26のバーナーを着火すると共に熱媒体wを改質部21、変成部23、選択酸化部25に隣接する部分をこの順番で流す(熱移動工程:St1、St2)。改質部21は加熱部26から最も近い位置に配置されているので比較的短時間で目標温度(各部21、23、25の性能を一応発揮できる温度)に昇温する一方、変成部23及び選択酸化部25は加熱部26から離れているので短時間で目標温度まで昇温することが困難である。しかし、熱移動工程により熱媒体wを介して改質部21の熱を変成部23及び/又は選択酸化部25に伝達することで、変成部23及び選択酸化部25の温度が目標温度まで昇温するのに要する時間を短縮することができる。   Reforming from the state in which the temperature of each part 21, 23, 25 of the reforming apparatus 20 is at or near the ambient environmental temperature (indoor temperature or outside air temperature) while the reforming apparatus 20 is stopped. When the apparatus 20 is started, first, the burner of the heating unit 26 is ignited, and the heat medium w is allowed to flow in the order adjacent to the reforming unit 21, the transformation unit 23, and the selective oxidation unit 25 (heat transfer step: St1). , St2). Since the reforming unit 21 is disposed at a position closest to the heating unit 26, the temperature of the reforming unit 21 is raised to a target temperature (a temperature at which the performance of each unit 21, 23, 25 can be exhibited) in a relatively short time. Since the selective oxidation unit 25 is separated from the heating unit 26, it is difficult to raise the temperature to the target temperature in a short time. However, the heat of the reforming unit 21 is transferred to the transformation unit 23 and / or the selective oxidation unit 25 through the heat medium w through the heat transfer process, so that the temperatures of the transformation unit 23 and the selective oxidation unit 25 rise to the target temperature. The time required for heating can be shortened.

変成部23及び選択酸化部25が目標温度に達したら、熱媒体wの流れを逆転させて選択酸化部25、変成部23、改質部21に隣接する部分をこの順番で流す(冷却工程:St3、St4)。このように熱媒体wの流れを変えることで、変成部23及び選択酸化部25の温度が適正温度よりも上昇することを防ぐことができる。概要は以上のとおりであり、以下詳細に説明する。   When the shift unit 23 and the selective oxidation unit 25 reach the target temperature, the flow of the heat medium w is reversed to flow the selective oxidation unit 25, the shift unit 23, and the portion adjacent to the reforming unit 21 in this order (cooling step: St3, St4). By changing the flow of the heat medium w in this way, it is possible to prevent the temperatures of the transformation unit 23 and the selective oxidation unit 25 from rising above the appropriate temperature. The outline is as described above, and will be described in detail below.

本実施の形態では、熱媒体w及び改質用水sを水としている。したがって、両者は物質としては同じものであるが、その機能に着目して、水が熱の媒体として作用しているときは熱媒体wと、改質用原料mの改質に用いる水として作用しているときは改質用水sと呼称している。改質装置20を起動すると、制御装置38は各開閉弁82v〜86vに信号を送信し、開閉弁83v、86vを閉にし、開閉弁82v、84vを開にする(St1)。また、制御装置38は、改質ガス開閉弁61(図2参照)及びバイパス開閉弁63(図2参照)に信号を送信し、改質ガス開閉弁61及びバイパス開閉弁63を閉にする。改質ガス開閉弁61及びバイパス開閉弁63を閉にすることで、熱媒体wが改質用水管85を介して改質部21に流入することを防いでいる。この各開閉弁の状態となったら、制御装置38は、加熱部26のバーナーを点火し(このとき加熱部26に燃焼用燃料が導入される。)、改質用水ポンプ14を起動する。すると、熱媒体wは、加熱冷却水導入管81、加熱水導入管82、加熱冷却流路83、加熱水導出管84の順に流れる(以下、この方向の熱媒体wの流れを「加熱方向」(図1中符号Hで示される方向)という。)。この流れの中で、熱媒体wは、改質部21に隣接した部分を流れる際に改質部21から熱を受け取り、変成部23に隣接した部分を流れる際に変成部23に熱を与え、また選択酸化部25に隣接する部分を流れる際に選択酸化部25に熱を与え、そのあと系外に導出される。この熱媒体wの熱の授受により、変成部23及び選択酸化部25が後述する目標温度に上昇するのに要する時間を、従来に比べて短縮することができる。この起動時間の短縮は、起動時に消費するエネルギーの減少にも寄与することとなる。なお、熱媒体wが加熱方向Hに流れるときの加熱冷却流路83は、本発明の第1の熱媒体流路を形成している。   In the present embodiment, the heat medium w and the reforming water s are water. Therefore, both are the same as substances, but paying attention to their functions, when water acts as a heat medium, it acts as water used for reforming the heat medium w and the reforming raw material m. In this case, it is called reforming water s. When the reformer 20 is started, the control device 38 transmits a signal to each of the on-off valves 82v to 86v, closes the on-off valves 83v and 86v, and opens the on-off valves 82v and 84v (St1). Further, the control device 38 transmits a signal to the reformed gas on-off valve 61 (see FIG. 2) and the bypass on-off valve 63 (see FIG. 2), and closes the reformed gas on-off valve 61 and the bypass on-off valve 63. By closing the reformed gas on-off valve 61 and the bypass on-off valve 63, the heat medium w is prevented from flowing into the reforming section 21 via the reforming water pipe 85. When each of the on-off valves is in the state, the control device 38 ignites the burner of the heating unit 26 (at this time, the combustion fuel is introduced into the heating unit 26), and starts the reforming water pump 14. Then, the heat medium w flows in the order of the heating / cooling water introduction pipe 81, the heating water introduction pipe 82, the heating / cooling flow path 83, and the heating water outlet pipe 84 (hereinafter, the flow of the heat medium w in this direction is referred to as “heating direction”). (It is referred to as a direction indicated by a symbol H in FIG. 1). In this flow, the heat medium w receives heat from the reforming unit 21 when flowing through a portion adjacent to the reforming unit 21, and gives heat to the transforming unit 23 when flowing through a portion adjacent to the transforming unit 23. In addition, when flowing through a portion adjacent to the selective oxidation unit 25, heat is applied to the selective oxidation unit 25, and thereafter, it is led out of the system. By transferring the heat of the heat medium w, the time required for the transformation unit 23 and the selective oxidation unit 25 to rise to a target temperature, which will be described later, can be shortened compared to the conventional case. This shortening of the startup time also contributes to a reduction in energy consumed at startup. The heating / cooling flow path 83 when the heat medium w flows in the heating direction H forms the first heat medium flow path of the present invention.

熱媒体wが加熱方向Hに流れているとき、制御装置38は、各温度センサ21t、23t、25tから温度信号を受信している。制御装置38は、改質部温度センサ21tからの温度信号に基づき、改質部21の温度が適正温度を超えないように加熱部26における燃焼量(典型的には燃焼用燃料の投入量)を制御する。さらに制御装置38は、変成部温度センサ23t及び選択酸化部温度センサ25tから温度信号を受信して、変成部23及び選択酸化部25の温度が目標温度に達したか否かを判断する(St2)。ここでの目標温度は、各部23、25の適正温度の下限温度(本実施の形態の場合、変成部23は180℃、選択酸化部25は130℃)あるいは適正温度の範囲内の温度としてもよく、適正温度の下限温度よりも低い温度であってもよい。上述のように変成部23及び選択酸化部25における反応は発熱反応であるので、改質用原料mが投入され、反応が開始されると熱が発生し、適正温度の下限温度よりも低い温度であっても両部23、25の温度が上昇して適正温度になるからである。この趣旨に鑑み、目標温度は両部23、25における反応が開始されたときに、この反応により速やかに適正温度になる温度とするのが好ましい。   When the heat medium w flows in the heating direction H, the control device 38 receives temperature signals from the temperature sensors 21t, 23t, and 25t. Based on the temperature signal from the reforming section temperature sensor 21t, the control device 38 burns in the heating section 26 (typically, the amount of fuel injected) so that the temperature of the reforming section 21 does not exceed the appropriate temperature. To control. Further, the control device 38 receives temperature signals from the shift temperature sensor 23t and the selective oxidation temperature sensor 25t, and determines whether or not the temperatures of the shift temperature 23 and the selective oxidation temperature 25 have reached the target temperature (St2). ). The target temperature here may be the lower limit temperature of the appropriate temperature of each part 23, 25 (in this embodiment, the shift part 23 is 180 ° C. and the selective oxidation part 25 is 130 ° C.) or a temperature within the appropriate temperature range. The temperature may be lower than the lower limit temperature of the appropriate temperature. As described above, since the reaction in the transformation unit 23 and the selective oxidation unit 25 is an exothermic reaction, heat is generated when the reforming raw material m is input and the reaction is started, and the temperature is lower than the lower limit temperature of the appropriate temperature. Even so, the temperature of both parts 23 and 25 rises to an appropriate temperature. In view of this point, it is preferable that the target temperature is set to a temperature at which the reaction temperature is quickly brought to an appropriate temperature when the reactions in both portions 23 and 25 are started.

変成部23及び選択酸化部25の温度が目標温度に達したか否かを判断する工程(St2)において、目標温度に達していないときは熱媒体wの加熱方向Hの流れを維持する。目標温度に達したときは、制御装置38は、各開閉弁82v〜86vに信号を送信し、開閉弁83v、86vを開にし、開閉弁82v、84vを閉にする(St3)。すると、熱媒体wは、加熱冷却水導入管81、加熱冷却流路83、加熱水導入管82、冷却水導出管86の順に流れる(以下、この方向の熱媒体wの流れを「冷却方向」(図1中符号Cで示される方向)という。)。この流れの中で、熱媒体wは、選択酸化部25及び変成部23の温度が適正温度を超えないように冷却し、改質部21に隣接した部分を流れてから系外に導出される。この熱媒体wの流れにより、変成部23及び選択酸化部25の温度が適切な温度に維持される。なお、熱媒体wが冷却方向Cに流れるときの加熱冷却流路83は、本発明の第2の熱媒体流路を形成している。   In the step (St2) of determining whether or not the temperatures of the shift unit 23 and the selective oxidation unit 25 have reached the target temperature, when the target temperature has not been reached, the flow of the heat medium w in the heating direction H is maintained. When the target temperature is reached, the control device 38 transmits a signal to each of the on-off valves 82v to 86v, opens the on-off valves 83v and 86v, and closes the on-off valves 82v and 84v (St3). Then, the heat medium w flows in the order of the heating / cooling water introduction pipe 81, the heating / cooling flow path 83, the heating water introduction pipe 82, and the cooling water outlet pipe 86 (hereinafter, the flow of the heat medium w in this direction is referred to as “cooling direction”). (The direction indicated by the symbol C in FIG. 1). In this flow, the heat medium w is cooled so that the temperature of the selective oxidation unit 25 and the transformation unit 23 does not exceed the appropriate temperature, and flows through a portion adjacent to the reforming unit 21 and then is led out of the system. . Due to the flow of the heat medium w, the temperatures of the transformation unit 23 and the selective oxidation unit 25 are maintained at appropriate temperatures. The heating / cooling flow path 83 when the heat medium w flows in the cooling direction C forms the second heat medium flow path of the present invention.

熱媒体wが冷却方向Cに流れているときも、制御装置38は各温度センサ21t、23t、25tから温度信号を受信している。制御装置38は、変成部温度センサ23t及び選択酸化部温度センサ25tからの温度信号に基づき、変成部23及び選択酸化部25の温度が適切な温度を維持するように改質用水ポンプ14の回転速度を調節して熱媒体wの流量を調節する。さらに制御装置38は、改質部温度センサ21tから温度信号を受信して、改質部21が所定の温度に達したか否かを判断する(St4)。ここでの所定の温度は、改質部21に改質用原料mを投入しうる温度(典型的には改質触媒が作用して改質用原料mの改質を行うことができる温度)である。改質部21が所定の温度に達していなければ熱媒体wの冷却方向Cの流れを維持し、変成部23及び選択酸化部25の適切な温度を維持しつつ加熱部26による改質部21の昇温を続ける。他方、改質部21が所定の温度に達した場合、制御装置38は、各開閉弁82v〜86v、63(図2参照)に信号を送信し、バイパス開閉弁63(図2参照)を開にし、開閉弁86vを閉にする(St5)。開閉弁83vは開のまま維持し、開閉弁82v、84v、改質ガス開閉弁61(図2参照)は閉のまま維持する。すると、熱媒体wは改質用水sとして改質用水管85を介して改質部21に導入され、以降は定常運転となる。   Even when the heat medium w flows in the cooling direction C, the control device 38 receives temperature signals from the temperature sensors 21t, 23t, and 25t. The control device 38 rotates the reforming water pump 14 based on the temperature signals from the shift section temperature sensor 23t and the selective oxidation section temperature sensor 25t so that the temperatures of the shift section 23 and the selective oxidation section 25 are maintained at appropriate temperatures. The flow rate of the heat medium w is adjusted by adjusting the speed. Further, the control device 38 receives the temperature signal from the reforming unit temperature sensor 21t, and determines whether or not the reforming unit 21 has reached a predetermined temperature (St4). The predetermined temperature here is a temperature at which the reforming material m can be charged into the reforming section 21 (typically a temperature at which the reforming catalyst m can act to reform the reforming material m). It is. If the reforming unit 21 has not reached the predetermined temperature, the flow of the heat medium w in the cooling direction C is maintained, and the reforming unit 21 by the heating unit 26 is maintained while maintaining appropriate temperatures of the transformation unit 23 and the selective oxidation unit 25. Continue to heat up. On the other hand, when the reforming unit 21 reaches a predetermined temperature, the control device 38 transmits a signal to each of the on-off valves 82v to 86v, 63 (see FIG. 2), and opens the bypass on-off valve 63 (see FIG. 2). And the on-off valve 86v is closed (St5). The on-off valve 83v is kept open, and the on-off valves 82v and 84v and the reformed gas on-off valve 61 (see FIG. 2) are kept closed. Then, the heat medium w is introduced into the reforming unit 21 through the reforming water pipe 85 as the reforming water s, and thereafter the steady operation is performed.

改質用水sが改質部21に導入される頃には、各部21、23、25はほぼ適正温度となっている。このとき、改質用水s(熱媒体w)は、選択酸化部25に隣接する部分、変成部23に隣接する部分と流れるにしたがって昇温し、改質部21に隣接する部分を流れるときには蒸気となっている。ゆえに、本実施の形態では、加熱冷却水導入管81を流れるときは液体であった改質用水s(熱媒体w)が蒸気となって改質部21に導入される。以下、引き続き図1を参照して改質装置20の定常運転について説明する。   When the reforming water s is introduced into the reforming section 21, the sections 21, 23, and 25 are at an appropriate temperature. At this time, the reforming water s (heat medium w) rises in temperature as it flows through the part adjacent to the selective oxidation unit 25 and the part adjacent to the transformation unit 23, and steam flows when flowing through the part adjacent to the reforming unit 21. It has become. Therefore, in the present embodiment, the reforming water s (heat medium w) that was liquid when flowing through the heating / cooling water introduction pipe 81 is introduced into the reforming unit 21 as steam. Hereinafter, the steady operation of the reformer 20 will be described with reference to FIG.

改質部21に改質用水sが導入されると、同じく改質部21には改質用原料mが導入される。改質部21では、以下の(1)式に示すような水蒸気改質反応が行なわれ、改質用原料mが改質されて水素多含有ガスr1が生成される。
CH4+H2O→3H2+CO ・・・(1)
なお、本実施の形態では、改質用原料mにメタンを使用している。上述のように、水素多含有ガスr1には、水素が約75体積%程度、一酸化炭素が10体積%程度含まれており、その他水蒸気等の上記(1)式に示していないガスが含まれている。
When the reforming water s is introduced into the reforming unit 21, the reforming material m is also introduced into the reforming unit 21. In the reforming unit 21, a steam reforming reaction as shown in the following formula (1) is performed, the reforming raw material m is reformed, and a hydrogen-rich gas r1 is generated.
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO (1)
In the present embodiment, methane is used as the reforming material m. As described above, the hydrogen-rich gas r1 contains about 75% by volume of hydrogen, about 10% by volume of carbon monoxide, and other gases not shown in the above formula (1) such as water vapor. It is.

改質部21で生成された水素多含有ガスr1は、その後変成部23に送られる。水素多含有ガスr1が水素多含有ガス流路22を流れる際、水素多含有ガス熱交換器27において改質用水sとの間で熱交換が行なわれる。この熱交換で水素多含有ガスr1の温度が下がり、改質用水sの温度が上がることにより、変成部23の温度が適正範囲を超えることを抑制すると共に改質用水sの蒸気化を促進している。水素多含有ガスr1が変成部23に導入されると、変成触媒の作用により以下の(2)式に示すような水蒸気との変成反応が行なわれて、変成ガスr2が生成される。
CO+H2O→H2+CO2 ・・・(2)
変成反応の際、変成部23の温度は、約180℃〜250℃となる。変成反応は発熱反応であり、変成反応によって発生した熱は加熱冷却流路83を流れる改質用水sに授熱される。変成部23における変成反応により、変成ガスr2中の一酸化炭素濃度は、5000〜10000ppm程度にまで低減される。
The hydrogen-rich gas r1 generated in the reforming unit 21 is then sent to the shift unit 23. When the hydrogen-rich gas r1 flows through the hydrogen-rich gas flow path 22, heat exchange is performed between the hydrogen-rich gas heat exchanger 27 and the reforming water s. This heat exchange reduces the temperature of the hydrogen-rich gas r1 and increases the temperature of the reforming water s, thereby suppressing the temperature of the shift section 23 from exceeding the appropriate range and promoting the vaporization of the reforming water s. ing. When the hydrogen-rich gas r1 is introduced into the shift section 23, a shift reaction with water vapor as shown in the following equation (2) is performed by the action of the shift catalyst, and the shift gas r2 is generated.
CO + H 2 O → H 2 + CO 2 (2)
During the shift reaction, the temperature of the shift section 23 is about 180 ° C to 250 ° C. The shift reaction is an exothermic reaction, and the heat generated by the shift reaction is transferred to the reforming water s flowing through the heating / cooling channel 83. The carbon monoxide concentration in the shift gas r2 is reduced to about 5000 to 10,000 ppm by the shift reaction in the shift section 23.

変成部23で生成された変成ガスr2は、その後選択酸化部25に送られる。変成ガスr2が変成ガス流路24を流れる際、変成ガス熱交換器28において改質用水sとの間で熱交換が行なわれる。この熱交換で変成ガスr2の温度が下がり、改質用水sの温度が上がることにより、選択酸化部25の温度が適正範囲を超えることを抑制すると共に改質用水sの蒸気化を促進している。選択酸化部25には、変成ガスr2の他に、選択酸化空気aが導入され、以下の(3)式に示すような選択酸化反応が行なわれて、改質ガスgが生成される。
2CO+O2→2CO2 ・・・(3)
選択酸化反応の際、選択酸化部25の温度は、約130℃〜160℃となる。選択酸化反応は発熱反応であり、選択酸化反応によって発生した熱は加熱冷却流路83を流れる改質用水sに授熱される。選択酸化部25における選択酸化反応により、改質ガスg中の一酸化炭素濃度は、10ppm以下程度となる。改質ガスg中の一酸化炭素濃度を10ppm以下程度とすることで、改質ガスgを燃料電池30(図2参照)に供給したときに燃料電池の電極触媒が被毒するのを防ぐことができる。選択酸化部25で生成された改質ガスgは、燃料電池30(図2参照)へ向けて、改質ガス管51から導出される。
The shift gas r <b> 2 generated in the shift unit 23 is then sent to the selective oxidation unit 25. When the modified gas r2 flows through the modified gas flow path 24, heat is exchanged with the reforming water s in the modified gas heat exchanger 28. By this heat exchange, the temperature of the reformed gas r2 is lowered and the temperature of the reforming water s is raised, thereby suppressing the temperature of the selective oxidation unit 25 from exceeding an appropriate range and promoting the vaporization of the reforming water s. Yes. In addition to the modified gas r2, the selective oxidation air a is introduced into the selective oxidation unit 25, and a selective oxidation reaction as shown in the following equation (3) is performed to generate a reformed gas g.
2CO + O 2 → 2CO 2 (3)
During the selective oxidation reaction, the temperature of the selective oxidation unit 25 is about 130 ° C to 160 ° C. The selective oxidation reaction is an exothermic reaction, and the heat generated by the selective oxidation reaction is transferred to the reforming water s flowing through the heating / cooling channel 83. By the selective oxidation reaction in the selective oxidation unit 25, the carbon monoxide concentration in the reformed gas g is about 10 ppm or less. By preventing the carbon monoxide concentration in the reformed gas g from being about 10 ppm or less, the electrode catalyst of the fuel cell is prevented from being poisoned when the reformed gas g is supplied to the fuel cell 30 (see FIG. 2). Can do. The reformed gas g generated in the selective oxidation unit 25 is led out from the reformed gas pipe 51 toward the fuel cell 30 (see FIG. 2).

続いて図2を主に参照し、適宜図1を参照して燃料電池システム10の作用を説明する。改質装置20で生成された改質ガスgは、改質ガス管51を介して燃料電池30に向けて導出されるが、改質ガスgが生成され始めの頃は改質ガスgの組成が安定していないため、改質ガス開閉弁61及びアノードオフガス開閉弁62を閉にし、バイパス開閉弁63を開にして、組成が安定していない改質ガスgを燃料電池30に供給せずに改質装置20の加熱部26に導いて燃焼させる。改質装置20で生成される改質ガスgの組成が安定するようになると、制御装置38が改質ガス開閉弁61及びアノードオフガス開閉弁62を開に、バイパス開閉弁63を閉に切り替えて、改質ガスgが燃料電池30に導入されるようにする。これにより、燃料電池30の燃料極に改質ガスgが導入される。他方、制御装置38は、酸化剤ガスブロワ18を起動させ、燃料電池30の空気極に酸化剤ガスtを導入する。   Next, the operation of the fuel cell system 10 will be described with reference mainly to FIG. The reformed gas g generated by the reformer 20 is led out toward the fuel cell 30 via the reformed gas pipe 51. When the reformed gas g is first generated, the composition of the reformed gas g is started. Therefore, the reformed gas on-off valve 61 and the anode off-gas on-off valve 62 are closed, the bypass on-off valve 63 is opened, and the reformed gas g whose composition is not stable is not supplied to the fuel cell 30. Then, it is guided to the heating unit 26 of the reformer 20 and burned. When the composition of the reformed gas g produced by the reformer 20 becomes stable, the controller 38 switches the reformed gas on-off valve 61 and the anode off-gas on-off valve 62 to open and the bypass on-off valve 63 to close. The reformed gas g is introduced into the fuel cell 30. As a result, the reformed gas g is introduced into the fuel electrode of the fuel cell 30. On the other hand, the control device 38 starts the oxidant gas blower 18 and introduces the oxidant gas t into the air electrode of the fuel cell 30.

燃料電池30では燃料極に導入された改質ガスg中の水素と、空気極に導入された酸化剤ガスt中の酸素とによる電気化学的反応が行なわれる。電気化学的反応は、燃料極側では以下の(4)式に示す反応が行なわれ、空気極側では以下の(5)式に示す反応が行なわれる。
2H2 → 4H+ + 4e- ・・・(4)
2 + 4H+ + 4e- → 2H2O ・・・(5)
この電気化学的反応によって発電し、発熱すると共に水分が生成される。さらに説明を加えると、燃料極側の電子が外部電気回路を通って空気極側に移動する際に電力を得ることができる。燃料極側の水素イオンは固体高分子膜を通過して空気極側に移動し、酸素と結合して水分が発生する。この電気化学的反応は発熱反応である。
In the fuel cell 30, an electrochemical reaction is performed between hydrogen in the reformed gas g introduced into the fuel electrode and oxygen in the oxidant gas t introduced into the air electrode. In the electrochemical reaction, the reaction shown in the following formula (4) is performed on the fuel electrode side, and the reaction shown in the following formula (5) is performed on the air electrode side.
2H 2 → 4H + + 4e - ··· (4)
O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (5)
Electricity is generated by this electrochemical reaction, heat is generated, and moisture is generated. In further explanation, electric power can be obtained when electrons on the fuel electrode side move to the air electrode side through the external electric circuit. Hydrogen ions on the fuel electrode side move to the air electrode side through the solid polymer membrane, and combine with oxygen to generate moisture. This electrochemical reaction is an exothermic reaction.

燃料電池30によって得られる電力は直流電力であり、必要に応じてパワーコンディショナー(不図示)で交流電力に変換されて電力負荷(不図示)に送電される。他方、燃料電池30で発生する熱は、例えば貯湯タンク(不図示)に蓄えられ、必要に応じて給湯や暖房等の熱負荷において消費される。燃料電池30で発生した熱を有効利用することにより、燃料電池システム10の効率が向上することとなる。   The electric power obtained by the fuel cell 30 is direct-current power, which is converted into alternating-current power by a power conditioner (not shown) as necessary and transmitted to an electric power load (not shown). On the other hand, the heat generated in the fuel cell 30 is stored, for example, in a hot water storage tank (not shown), and is consumed in a heat load such as hot water supply or heating as necessary. By effectively using the heat generated in the fuel cell 30, the efficiency of the fuel cell system 10 is improved.

燃料電池30の燃料極からはアノードオフガスpが排出される。排出されたアノードオフガスpは、改質装置20に導かれ燃焼されて改質熱を発生するのに用いられる。他方、燃料電池30の空気極からはカソードオフガスqが排出され、カソードオフガス管55を介して系外に排出される。アノードオフガスp等が改質装置20の加熱部26における燃焼によって生じた燃焼排ガスeは燃焼排ガス管88を介して系外に排出される。燃焼排ガスeは、燃焼排ガス管88を介して系外に排出される過程で、まず第1燃焼排ガス熱交換器29Aにおいてアノードオフガスp(起動初期は改質ガスg)との間で熱交換が行なわれ、次いで第2燃焼排ガス熱交換器29Bにおいて改質用水s(熱媒体w)との間で熱交換が行なわれる。第1燃焼排ガス熱交換器29Aでは、熱交換により燃焼排ガスeの温度が下がり、アノードオフガスpの温度が上がることにより、排熱を利用してアノードオフガスpの着火温度に近づけることができる。第2燃焼排ガス熱交換器29Bでは、熱交換により燃焼排ガスeの温度がさらに下がり、改質用水sの温度が上ることにより、熱公害の発生が抑制されると共に改質用水sの蒸気化が促進される。   The anode off gas p is discharged from the fuel electrode of the fuel cell 30. The discharged anode off gas p is led to the reformer 20 and burned to generate reforming heat. On the other hand, the cathode offgas q is discharged from the air electrode of the fuel cell 30 and discharged outside the system through the cathode offgas pipe 55. The combustion exhaust gas e generated by the combustion of the anode off gas p and the like in the heating unit 26 of the reformer 20 is discharged out of the system through the combustion exhaust gas pipe 88. In the process in which the combustion exhaust gas e is discharged out of the system through the combustion exhaust gas pipe 88, first, heat exchange is performed with the anode off-gas p (initial reformed gas g) in the first combustion exhaust gas heat exchanger 29A. Then, heat exchange is performed with the reforming water s (heat medium w) in the second combustion exhaust gas heat exchanger 29B. In the first combustion exhaust gas heat exchanger 29A, the temperature of the combustion exhaust gas e decreases due to heat exchange, and the temperature of the anode off gas p increases, so that the exhaust heat can be used to approach the ignition temperature of the anode off gas p. In the second combustion exhaust gas heat exchanger 29B, the temperature of the combustion exhaust gas e further decreases due to heat exchange, and the temperature of the reforming water s rises, thereby suppressing the occurrence of thermal pollution and vaporizing the reforming water s. Promoted.

以上の説明では、加熱冷却流路83が第1の熱媒体流路と第2の熱媒体流路とを兼ねることとしたが、各々別個に設けるようにしてもよい。第1の熱媒体流路と第2の熱媒体流路とを別個の管で形成した場合は、開閉弁の数を減らすことができる。しかしながら第1の熱媒体流路と第2の熱媒体流路とを一つの管で兼用すると、改質装置20をコンパクトにすることができ、設置場所の自由度が向上することとなる。   In the above description, the heating / cooling flow path 83 serves as both the first heat medium flow path and the second heat medium flow path, but each may be provided separately. When the first heat medium flow path and the second heat medium flow path are formed by separate pipes, the number of on-off valves can be reduced. However, if the first heat medium flow path and the second heat medium flow path are shared by a single tube, the reformer 20 can be made compact, and the degree of freedom of installation location is improved.

以上の説明では、改質装置20は改質部温度センサ21t、変成部温度センサ23t、選択酸化部温度センサ25tを有し、検出した温度により熱媒体w(改質用水s)の流れをフィードバック制御することとしたが、各温度センサ21t、23t、25tを有さずに熱媒体wの流れをシーケンス制御(例えば起動からの経過時間に応じて熱媒体wの流れ方向を変える等。)することとしてもよい。各温度センサ21t、23t、25tを用いなければコストダウンを図ることができる。しかしながら、各温度センサ21t、23t、25tを用いてフィードバック制御とすると、周囲環境温度の変化等の外乱が生じた場合でもそのときの改質装置20の状態に応じた適切な制御を行うことができ、効率よい熱収支が可能になる。   In the above description, the reformer 20 has the reforming unit temperature sensor 21t, the shift unit temperature sensor 23t, and the selective oxidation unit temperature sensor 25t, and feeds back the flow of the heat medium w (reforming water s) according to the detected temperature. Although the control is performed, the flow of the heat medium w is sequence-controlled without the temperature sensors 21t, 23t, and 25t (for example, the flow direction of the heat medium w is changed in accordance with the elapsed time from the start-up). It is good as well. If the temperature sensors 21t, 23t, and 25t are not used, the cost can be reduced. However, when feedback control is performed using each of the temperature sensors 21t, 23t, and 25t, even when a disturbance such as a change in ambient environment temperature occurs, appropriate control according to the state of the reformer 20 at that time can be performed. This enables efficient heat balance.

以上の説明では、燃料電池30が固体高分子型燃料電池であるとして説明したが、りん酸型燃料電池等の固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子型燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。   In the above description, the fuel cell 30 has been described as a solid polymer fuel cell, but it may be a fuel cell other than a solid polymer fuel cell such as a phosphoric acid fuel cell. However, the polymer electrolyte fuel cell can be operated at a relatively low temperature and can be downsized, so that it is suitable for installation in a general household.

本発明の実施の形態に係る改質装置の模式的系統図である。1 is a schematic system diagram of a reformer according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの模式的系統図である。1 is a schematic system diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態に係る改質装置の起動時の動作を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the operation | movement at the time of starting of the reforming apparatus which concerns on embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池システム
20 改質装置
21 改質部
23 変成部
25 選択酸化部
30 燃料電池
83 第1、第2の熱媒体流路
85 改質用水流路
g 改質ガス
m 改質用原料
r1 水素多含有ガス
r2 変成ガス
w 熱媒体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell system 20 Reformer 21 Reformer 23 Transformer 25 Selective oxidizer 30 Fuel cell 83 First and second heat medium channels 85 Reforming water channel g Reformed gas m Reforming raw material r1 Hydrogen Multi-containing gas r2 Metamorphic gas w Heat medium

Claims (6)

改質用原料を導入し改質して水素に富む水素多含有ガスを生成する改質部と;
前記水素多含有ガスを導入し前記水素多含有ガスよりも一酸化炭素濃度が低い変成ガスを生成する変成部と;
前記変成ガスを導入し前記変成ガスよりも一酸化炭素濃度が低い改質ガスを生成する選択酸化部と;
前記改質部に隣接する部分、前記変成部に隣接する部分、前記選択酸化部に隣接する部分にこの順で熱媒体を流す第1の熱媒体流路と;
前記選択酸化部に隣接する部分、前記変成部に隣接する部分、前記改質部に隣接する部分にこの順で熱媒体を流す第2の熱媒体流路を備え;
前記第1の熱媒体流路と前記第2の熱媒体流路とが一つの流路であって、時間の経過に従い前記第1の熱媒体流路と前記第2の熱媒体流路とが切り替わるように構成され;
前記選択酸化部に隣接する部分を通過した前記第1の熱媒体流路を流れる前記熱媒体を、外へ導出する加熱水導出管と;
前記改質部に隣接する部分を通過した前記第2の熱媒体流路を流れる前記熱媒体を、外へ導出する冷却水導出管と;
前記改質部に隣接する部分を通過した前記第2の熱媒体流路を流れる前記熱媒体を、前記改質部に導く改質用水流路
前記第1の熱媒体流路に導入される前記熱媒体の流れを遮断する加熱水導入開閉弁と;
前記第2の熱媒体流路に導入される前記熱媒体の流れを遮断する冷却水導入開閉弁と;
前記加熱水導出管における前記熱媒体の流れを遮断する加熱水導出開閉弁と;
前記冷却水導出管における前記熱媒体の流れを遮断する冷却水導出開閉弁と;
前記熱媒体が、最初に前記第1の熱媒体流路及び前記加熱水導出管を流れ、次に前記第2の熱媒体流路及び前記冷却水導出管を流れるように流れを切り替えるために、前記加熱水導入開閉弁、前記冷却水導入開閉弁、前記加熱水導出開閉弁、及び前記冷却水導出開閉弁を制御する制御装置とをさらに備え;
前記熱媒体が、前記改質用原料を改質する際に用いられる改質用水である;
質装置と;
前記改質ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとを導入して発電する燃料電池とを備える;
燃料電池システム。
A reforming section for introducing a reforming raw material to generate a hydrogen-rich gas rich in hydrogen;
A shift section that introduces the hydrogen-rich gas and generates a shift gas having a lower carbon monoxide concentration than the hydrogen-rich gas;
A selective oxidation unit that introduces the modified gas and generates a reformed gas having a lower carbon monoxide concentration than the modified gas;
A first heat medium flow path for flowing a heat medium in this order through a part adjacent to the reforming part, a part adjacent to the shift part, and a part adjacent to the selective oxidation part ;
Portion adjacent to the selective oxidation unit, the portion adjacent to the shift converter, e Bei a second heat medium passage for flowing a thermal medium in this order in a portion adjacent to the reforming portion;
The first heat medium flow path and the second heat medium flow path are one flow path, and the first heat medium flow path and the second heat medium flow path are in accordance with the passage of time. Configured to switch ;
A heated water outlet pipe for leading out the heat medium flowing through the first heat medium flow path that has passed through the portion adjacent to the selective oxidation section;
A cooling water outlet pipe for leading out the heat medium flowing through the second heat medium flow path that has passed through the portion adjacent to the reforming section;
The heat medium flowing through the second heat medium channel passing through the portion adjacent to the reforming portion, the reforming water passage leading to the reformer;
A heated water introduction on-off valve that blocks the flow of the heat medium introduced into the first heat medium flow path;
A cooling water introduction opening / closing valve that blocks the flow of the heat medium introduced into the second heat medium flow path;
A heated water outlet opening / closing valve for blocking the flow of the heat medium in the heated water outlet pipe;
A cooling water outlet opening / closing valve for blocking the flow of the heat medium in the cooling water outlet pipe;
In order to switch the flow so that the heat medium first flows through the first heat medium flow path and the heating water discharge pipe, and then flows through the second heat medium flow path and the cooling water discharge pipe, And further comprising a control device for controlling the heating water introduction opening / closing valve, the cooling water introduction opening / closing valve, the heating water outlet opening / closing valve, and the cooling water outlet opening / closing valve;
The heat medium is reforming water used when reforming the reforming raw material;
A reformer ;
A fuel cell that generates electricity by introducing the reformed gas and an oxidant gas containing oxygen;
Fuel cell system.
前記変成部の内部の温度を検出する変成部温度センサと;
前記選択酸化部の内部の温度を検出する選択酸化部温度センサとを備え;
前記制御装置が、前記変成部温度センサで検出した温度及び前記選択酸化部温度センサで検出した温度が目標温度に達したときに、前記第1の熱媒体流路及び前記加熱水導出管を流れていた前記熱媒体の流れを、前記第2の熱媒体流路及び前記冷却水導出管を流れるように切り替える;
請求項1に記載の燃料電池システム
A transformer temperature sensor for detecting a temperature inside the transformer;
A selective oxidation part temperature sensor for detecting a temperature inside the selective oxidation part;
When the temperature detected by the shift temperature sensor and the temperature detected by the selective oxidation temperature sensor reach a target temperature, the control device flows through the first heat medium flow path and the heating water outlet pipe. Switching the flow of the heat medium that has flown through the second heat medium flow path and the cooling water outlet pipe;
The fuel cell system according to claim 1.
前記熱媒体を前記第1の熱媒体流路及び前記第2の熱媒体流路に導く改質用水ポンプであって、前記第1の熱媒体流路及び前記第2の熱媒体流路への前記熱媒体の導入量を調節できるように構成された改質用水ポンプを備え;
前記制御装置が、前記第2の熱媒体流路及び前記冷却水導出管を前記熱媒体が流れている際、前記変成部温度センサ及び前記選択酸化部温度センサで検出した温度に基づいて、前記変成部及び前記選択酸化部の温度が適切な温度を維持するように、前記改質用水ポンプの回転速度を調節する;
請求項2に記載の燃料電池システム
A reforming water pump that guides the heat medium to the first heat medium flow path and the second heat medium flow path, and to the first heat medium flow path and the second heat medium flow path A reforming water pump configured to adjust the introduction amount of the heat medium;
When the heat medium is flowing through the second heat medium flow path and the cooling water outlet pipe, the control device, based on the temperature detected by the shift temperature sensor and the selective oxidation unit temperature sensor, Adjusting the rotation speed of the reforming water pump so that the temperature of the shift section and the selective oxidation section is maintained at an appropriate temperature;
The fuel cell system according to claim 2.
前記制御装置が、前記改質装置が起動してから所定の時間が経過したときに、前記第1の熱媒体流路及び前記加熱水導出管を流れていた前記熱媒体の流れを、前記第2の熱媒体流路及び前記冷却水導出管を流れるように切り替える;
請求項に記載の燃料電池システム
When the control device has passed a predetermined time from the start of the reformer, the flow of the heat medium flowing through the first heat medium flow path and the heating water outlet pipe is changed to the first heat medium flow path. Switching to flow through the two heat medium flow paths and the cooling water outlet pipe;
The fuel cell system according to claim 1 .
前記改質部の内部の温度を検出する改質部温度センサを備え;  A reforming unit temperature sensor for detecting a temperature inside the reforming unit;
前記制御装置は、前記第2の熱媒体流路及び前記冷却水導出管を前記熱媒体が流れている際、前記改質部温度センサが検出した温度が所定の温度に達したときに、前記熱媒体が前記改質用水流路を流れるように流れを切り替えるために、前記加熱水導入開閉弁、前記冷却水導入開閉弁、前記加熱水導出開閉弁、及び前記冷却水導出開閉弁を制御するように構成された;  When the temperature detected by the reformer temperature sensor reaches a predetermined temperature when the heat medium is flowing through the second heat medium flow path and the cooling water outlet pipe, the control device The heating water introduction on / off valve, the cooling water introduction on / off valve, the heating water derivation on / off valve, and the cooling water derivation on / off valve are controlled to switch the flow so that the heat medium flows through the reforming water flow path. Configured as follows;
請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。  The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4.
前記選択酸化部から導出された前記改質ガスを前記燃料電池に導く改質ガス管と;  A reformed gas pipe for guiding the reformed gas derived from the selective oxidation unit to the fuel cell;
前記改質ガスを前記燃料電池に導入しないようにバイパスさせるバイパス管と;  A bypass pipe for bypassing the reformed gas so as not to be introduced into the fuel cell;
前記改質ガス管に配設された改質ガス開閉弁と;  A reformed gas on-off valve disposed in the reformed gas pipe;
前記バイパス管に配設されたバイパス開閉弁とを備え;  A bypass on-off valve disposed in the bypass pipe;
前記制御装置は、前記改質用水を前記改質用水流路に流さないときに前記改質ガス開閉弁及び前記バイパス開閉弁を閉にし、前記改質用水を前記改質用水流路に流すときに前記バイパス開閉弁を開にするように構成された;  The control device closes the reforming gas on-off valve and the bypass on-off valve when the reforming water does not flow into the reforming water flow path, and flows the reforming water into the reforming water flow path Configured to open the bypass on-off valve;
請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。  The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5.
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