JP5134309B2 - Fuel cell power generator and control method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池発電装置およびその制御方法に関し、特には、発電停止時および起動時における瞬時発電と高効率発電が可能で、負荷、商用電力価格等の外部環境に応じた柔軟な起動停止による経済的な発電を実現するとともに、ピークカット用電源やバックアップ用電源として必要なときに負荷に電力を供給することができる燃料電池発電装置およびその制御方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell power generation apparatus and a control method thereof, and in particular, instantaneous power generation and high-efficiency power generation at the time of power generation stop and start are possible, and flexible start / stop according to the external environment such as load and commercial power price The present invention relates to a fuel cell power generation apparatus capable of realizing economical power generation by the power supply and supplying power to a load when necessary as a peak cut power source or a backup power source, and a control method thereof.

固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池発電装置を例に、従来の燃料電池発電装置を説明する。   A conventional fuel cell power generator will be described by taking a fuel cell power generator using a solid oxide fuel cell as an example.

図４は、従来の燃料電池発電装置の構成（例えば、非特許文献１参照。）を示したブロック図である。   FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a conventional fuel cell power generator (see, for example, Non-Patent Document 1).

図４に示した従来の燃料電池発電装置は、主な構成要素として、脱硫器２、改質器３、空気ブロワ１３、固体酸化物形燃料電池５７、空気予熱器８０、空気予熱器バーナ８１、出力調整装置８６、流量制御弁３７、５９および６２、ならびに配管類を含む。固体酸化物形燃料電池５７は、燃料極５４、固体酸化物電解質５５、および空気極５６を含む。   The conventional fuel cell power generator shown in FIG. 4 includes, as main components, a desulfurizer 2, a reformer 3, an air blower 13, a solid oxide fuel cell 57, an air preheater 80, and an air preheater burner 81. , Output regulator 86, flow control valves 37, 59 and 62, and piping. The solid oxide fuel cell 57 includes a fuel electrode 54, a solid oxide electrolyte 55, and an air electrode 56.

なお、図４および以下の説明では、各要素の名称を以下のように簡略化する。   In addition, in FIG. 4 and the following description, the name of each element is simplified as follows.

水素リッチな改質ガス２７を、「改質ガス２７」と称する。水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス２８を、「混合ガス２８」と称する。固体酸化物形燃料電池５７を、「燃料電池５７」と称する。固体酸化物形燃料電池用空気５８を、「空気５８」と称する。改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池燃料排出ガス６０を、「排出ガス６０」と称する。固体酸化物形燃料電池燃料排出ガス６１を、「排出ガス６１」と称する。固体酸化物形燃料電池空気排出ガス６３を、「排出ガス６３」と称する。空気予熱器バーナ用固体酸化物形燃料電池燃料排出ガス６４を、「排出ガス６４」と称する。空気予熱器バーナ排出ガス８４を、「排出ガス８４」と称する。   The hydrogen-rich reformed gas 27 is referred to as “reformed gas 27”. The mixed gas 28 of steam and desulfurized natural gas is referred to as “mixed gas 28”. The solid oxide fuel cell 57 is referred to as “fuel cell 57”. The solid oxide fuel cell air 58 is referred to as “air 58”. The solid oxide fuel cell fuel exhaust gas 60 for reformer recycling is referred to as “exhaust gas 60”. The solid oxide fuel cell fuel exhaust gas 61 is referred to as “exhaust gas 61”. The solid oxide fuel cell air exhaust gas 63 is referred to as “exhaust gas 63”. The solid oxide fuel cell fuel exhaust gas 64 for the air preheater burner is referred to as “exhaust gas 64”. The air preheater burner exhaust gas 84 is referred to as “exhaust gas 84”.

なお、上記「水素リッチ」は、電池反応によって発電に寄与するに足りる濃度の水素を含有することを意味する。   Note that the above-mentioned “hydrogen rich” means containing hydrogen at a concentration sufficient to contribute to power generation by a battery reaction.

図４において、流量制御弁３７は、燃料の天然ガス１の脱硫器２への供給量を制御する。流量制御弁５９は、脱硫天然ガス２９と混合して混合ガス２８をつくるための排出ガス６０の供給量を制御する。流量制御弁６２は、燃料電池５７の空気極５６へ供給される空気５８の供給量を制御する。   In FIG. 4, the flow control valve 37 controls the supply amount of the natural gas 1 of fuel to the desulfurizer 2. The flow control valve 59 controls the supply amount of the exhaust gas 60 for mixing with the desulfurized natural gas 29 to produce the mixed gas 28. The flow control valve 62 controls the amount of air 58 supplied to the air electrode 56 of the fuel cell 57.

以下、図４を用いて、従来の燃料電池発電装置の作用について説明する。   Hereinafter, the operation of the conventional fuel cell power generator will be described with reference to FIG.

天然ガス１は、脱硫器２に供給される。   Natural gas 1 is supplied to a desulfurizer 2.

天然ガス１の供給量は、予め設定した燃料電池直流出力８８と天然ガス１の供給量の関係に基づいて、流量制御弁３７のガス流量を制御することによって、燃料電池直流出力８８に見合った値に設定される。   The supply amount of the natural gas 1 is commensurate with the fuel cell DC output 88 by controlling the gas flow rate of the flow control valve 37 based on the relationship between the preset fuel cell DC output 88 and the supply amount of the natural gas 1. Set to a value.

脱硫器２は、天然ガス１中に腐臭剤として添加されているメルカプタン等の硫黄分を吸着除去して、脱硫天然ガス２９を出力する。なお、メルカプタン等の硫黄分は、改質器３の改質触媒と燃料電池５７の燃料極５４での電極触媒の劣化原因となる。   The desulfurizer 2 adsorbs and removes sulfur such as mercaptan added as a odorant in the natural gas 1 and outputs a desulfurized natural gas 29. The sulfur content such as mercaptan causes deterioration of the reforming catalyst of the reformer 3 and the electrode catalyst at the fuel electrode 54 of the fuel cell 57.

脱硫天然ガス２９は、燃料電池５７で電池反応により生成された排出ガス６０と混合されて混合ガス２８となり、改質器３に供給される。   The desulfurized natural gas 29 is mixed with the exhaust gas 60 generated by the cell reaction in the fuel cell 57 to become the mixed gas 28 and supplied to the reformer 3.

排出ガス６０の供給量は、予め設定した天然ガス１の供給量と排出ガス６０の供給量の関係に基づいて、流量制御弁５９のガス流量を制御することによって、天然ガス１の供給量に合わせて、混合ガス２８が予め設定された所定のスチームカーボン比（炭素のモル数に対する水蒸気のモル数の比率）を有するように設定される。   The supply amount of the exhaust gas 60 is adjusted to the supply amount of the natural gas 1 by controlling the gas flow rate of the flow control valve 59 based on the relationship between the supply amount of the natural gas 1 and the supply amount of the exhaust gas 60 set in advance. In addition, the mixed gas 28 is set to have a predetermined steam carbon ratio (ratio of the number of moles of water vapor to the number of moles of carbon).

改質器３には、ニッケル系触媒、ルテニウム系触媒等の改質触媒が充填されている。改質器３では、改質触媒の働きにより、天然ガス１に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応が行われ、改質ガス２７がつくられる。   The reformer 3 is filled with a reforming catalyst such as a nickel-based catalyst or a ruthenium-based catalyst. In the reformer 3, the steam reforming reaction of hydrocarbons contained in the natural gas 1 is performed by the action of the reforming catalyst, and the reformed gas 27 is produced.

天然ガス１の主成分であるメタンの水蒸気改質反応は、（１）式で表される。   The steam reforming reaction of methane, which is the main component of natural gas 1, is expressed by equation (1).

（メタンの水蒸気改質反応）
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2 （１）
この（１）式に示したメタンの水蒸気改質反応等の炭化水素の水蒸気改質反応は、吸熱反応である。よって、この反応で効率的に水素を生成させるためには、改質器３に外部から必要な反応熱を供給し、改質器３の温度を７００〜７５０℃に維持する必要がある。 (Methane steam reforming reaction)
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (1)
The hydrocarbon steam reforming reaction such as the methane steam reforming reaction shown in the equation (1) is an endothermic reaction. Therefore, in order to efficiently generate hydrogen by this reaction, it is necessary to supply necessary heat of reaction to the reformer 3 from the outside and maintain the temperature of the reformer 3 at 700 to 750 ° C.

このため、改質器３の近傍には、８００〜１０００℃で発電を行う燃料電池５７が設置されており、燃料電池５７の排熱が、炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として改質器３に供給される。   Therefore, a fuel cell 57 that generates power at 800 to 1000 ° C. is installed in the vicinity of the reformer 3, and the exhaust heat of the fuel cell 57 is used as reaction heat necessary for the steam reforming reaction of hydrocarbons. It is supplied to the reformer 3.

改質器３でつくられた改質ガス２７は、燃料電池５７の燃料極５４に供給される。   The reformed gas 27 produced by the reformer 3 is supplied to the fuel electrode 54 of the fuel cell 57.

一方、燃料電池５７の空気極５６には、酸化剤の空気が供給される。具体的には、空気予熱器８０は、空気ブロワ１３を用いて取り込んだ空気１８を昇温し、空気５８として空気極５６に供給する。   On the other hand, oxidant air is supplied to the air electrode 56 of the fuel cell 57. Specifically, the air preheater 80 raises the temperature of the air 18 taken in using the air blower 13 and supplies the air 18 to the air electrode 56 as air 58.

空気５８の供給量は、予め設定した天然ガス１の供給量と空気５８の供給量の関係に基づいて、流量制御弁６２のガス流量を制御することによって、天然ガス１の供給量に見合った値に設定される。   The supply amount of the air 58 is commensurate with the supply amount of the natural gas 1 by controlling the gas flow rate of the flow rate control valve 62 based on the preset relationship between the supply amount of the natural gas 1 and the supply amount of the air 58. Set to a value.

なお、図４では、燃料電池５７は、燃料極５４、固体酸化物電解質５５、および空気極５６からなる単セルとして示されている。しかしながら、単セル電圧は１Ｖ以下と低いので、所定の電力を取り出すために、実際は、燃料電池５７は、単セルを複数組み合わせたセルスタックで構成される。   In FIG. 4, the fuel cell 57 is shown as a single cell including the fuel electrode 54, the solid oxide electrolyte 55, and the air electrode 56. However, since the single cell voltage is as low as 1 V or less, the fuel cell 57 is actually composed of a cell stack in which a plurality of single cells are combined in order to extract predetermined power.

空気極５６には、金属酸化物系電極触媒が設けられている。このため、空気極５６では、金属酸化物系電極触媒の働きで、空気５８中の酸素が、（２）式に示す空気極反応により電子（ｅ-）と反応して酸化物イオン（Ｏ2-）に変わる。 The air electrode 56 is provided with a metal oxide electrode catalyst. For this reason, in the air electrode 56, oxygen in the air 58 reacts with electrons (e − ) by the air electrode reaction shown in the formula (2) by the action of the metal oxide electrode catalyst, and oxide ions (O 2). - changes to).

（空気極反応）
１／２（Ｏ2）＋２ｅ-→Ｏ2- （２）
空気極５６で生成した酸化物イオンは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の固体酸化物電解質５５の内部を移動し、燃料極５４に到達する。 (Air electrode reaction)
1/2 (O 2 ) + 2e − → O 2− (2)
The oxide ions generated at the air electrode 56 move inside the solid oxide electrolyte 55 such as yttria-stabilized zirconia (YSZ) and reach the fuel electrode 54.

燃料極５４には、ニッケル−ＹＳＺサーメット、ルテニウム−ＹＳＺサーメット等の金属系電極触媒が設けられている。   The fuel electrode 54 is provided with a metal electrode catalyst such as nickel-YSZ cermet or ruthenium-YSZ cermet.

このため、酸化物イオンは、燃料極５４に到達すると、金属系電極触媒の働きで、（３）式および（４）式に示す反応により、改質ガス２７中の水素および一酸化炭素と反応し、水蒸気、および、二酸化炭素と電子が生成される。   For this reason, when the oxide ion reaches the fuel electrode 54, it reacts with hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas 27 by the action of the metal-based electrode catalyst by the reaction shown in the equations (3) and (4). Water vapor, carbon dioxide and electrons are generated.

（燃料極反応）
Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ- （３）
ＣＯ＋Ｏ2-→ＣＯ2＋２ｅ- （４）
燃料極５４で生成された電子は、外部回路（図示せず）を移動し、空気極５６に到達する。空気極５６に到達した電子は、前述した（２）式に示した空気極反応により酸素と反応する。電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力８８として取り出すことができる。 (Fuel electrode reaction)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − (3)
CO + O 2− → CO 2 + 2e − (4)
Electrons generated at the fuel electrode 54 travel through an external circuit (not shown) and reach the air electrode 56. The electrons that have reached the air electrode 56 react with oxygen by the air electrode reaction shown in the above-described equation (2). In the process of electrons moving through the external circuit, electric energy can be extracted as the fuel cell DC output 88.

（２）式と（３）式、および（２）式と（４）式をまとめると、燃料電池５７の電池反応は、（５）式に示した水素と酸素から水蒸気ができる水の電気分解の逆反応と、（６）式に示す一酸化炭素と酸素から二酸化炭素が生成する反応として表すことができる。   Summarizing Equations (2) and (3), and Equations (2) and (4), the cell reaction of the fuel cell 57 is the electrolysis of water that generates water vapor from hydrogen and oxygen as shown in Equation (5). And a reaction in which carbon dioxide is generated from carbon monoxide and oxygen shown in the formula (6).

（電池反応）
Ｈ2＋１／２（Ｏ2）→Ｈ2Ｏ （５）
ＣＯ＋１／２（Ｏ2）→ＣＯ2 （６）
燃料電池５７の発電によって得られた燃料電池直流出力８８は、出力調整装置８６によって、負荷８７に合わせて電圧の変換と直流から交流への変換が行われ、その後、送電端交流出力８９として負荷８７に供給される。 (Battery reaction)
H 2 +1/2 (O 2 ) → H 2 O (5)
CO + 1/2 (O 2 ) → CO 2 (6)
The fuel cell direct current output 88 obtained by the power generation of the fuel cell 57 is subjected to voltage conversion and direct current to alternating current conversion in accordance with the load 87 by the output adjusting device 86, and thereafter, the load is transmitted as the power transmission end alternating current output 89. 87.

なお、図４に示した例では、出力調整装置８６が、燃料電池直流出力８８を直流から交流に変換しているが、出力調整装置８６は、電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷８７に供給してもよい。   In the example shown in FIG. 4, the output adjustment device 86 converts the fuel cell DC output 88 from direct current to alternating current. However, the output adjustment device 86 performs only voltage conversion and loads the power transmission end DC output as a load. 87 may be supplied.

燃料電池５７の動作温度は一般的に８００〜１０００℃であり、電池反応による発熱により動作温度が維持されている。このため、燃料電池５７の排熱は、前述したように改質器３で天然ガス１の水蒸気改質反応の反応熱として利用することができる。   The operating temperature of the fuel cell 57 is generally 800 to 1000 ° C., and the operating temperature is maintained by heat generated by the cell reaction. For this reason, the exhaust heat of the fuel cell 57 can be used as the reaction heat of the steam reforming reaction of the natural gas 1 in the reformer 3 as described above.

実際、燃料電池５７での電池反応による発熱量は多い。具体的には、燃料電池５７を８００〜１０００℃の動作温度範囲に維持するためには、空気極５６で（２）式に示した空気極反応に使用する酸素に比べて過剰の酸素を含む大量の空気５８が、空気極５６に供給されて、燃料電池５７が冷却される。このため、空気極５６での酸素利用率は、２０％程度である。   In fact, the amount of heat generated by the cell reaction in the fuel cell 57 is large. Specifically, in order to maintain the fuel cell 57 in the operating temperature range of 800 to 1000 ° C., the air electrode 56 contains excess oxygen as compared with the oxygen used for the air electrode reaction shown in the formula (2). A large amount of air 58 is supplied to the air electrode 56 to cool the fuel cell 57. For this reason, the oxygen utilization rate in the air electrode 56 is about 20%.

燃料極５４で電池反応により生成された排出ガス６１の一部は、前述したように、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給するために、排出ガス６０としてリサイクルされ、脱硫天然ガス２９と混合される。   As described above, a part of the exhaust gas 61 generated by the cell reaction at the fuel electrode 54 is used as the exhaust gas 60 in order to supply steam necessary for the steam reforming reaction of hydrocarbons in the reformer 3. Recycled and mixed with desulfurized natural gas 29.

燃料極５４の排出ガス６４と、空気極５６の排出ガス６３は、空気予熱器バーナ８１に供給される。   The exhaust gas 64 from the fuel electrode 54 and the exhaust gas 63 from the air electrode 56 are supplied to an air preheater burner 81.

空気予熱器バーナ８１では、排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素、および未反応一酸化炭素と、排出ガス６３中の未反応酸素とが燃焼され、空気予熱器８０が加熱される。空気予熱器８０では、熱交換により空気１６が昇温する。   In the air preheater burner 81, the unreacted fuel, unreacted hydrogen and unreacted carbon monoxide in the exhaust gas 64 and unreacted oxygen in the exhaust gas 63 are combusted, and the air preheater 80 is heated. In the air preheater 80, the temperature of the air 16 is increased by heat exchange.

水素と一酸化炭素の燃焼反応を（７）式および（８）式に示す。   The combustion reaction of hydrogen and carbon monoxide is shown in Equations (7) and (8).

（水素の燃焼反応）
Ｈ2＋１／２（Ｏ2）→Ｈ2Ｏ （７）
（一酸化炭素の燃焼反応）
ＣＯ＋１／２（Ｏ2）→ＣＯ2 （８）
空気予熱器８０で昇温した空気１６は、空気５８として、空気極５６に供給され、燃料電池５７の発電に用いられる。 (Hydrogen combustion reaction)
H 2 +1/2 (O 2 ) → H 2 O (7)
(Combustion reaction of carbon monoxide)
CO + 1/2 (O 2 ) → CO 2 (8)
The air 16 heated by the air preheater 80 is supplied to the air electrode 56 as air 58 and used for power generation of the fuel cell 57.

また、空気予熱器バーナ８１からは、排出ガス６４と排出ガス６３を燃焼させることによって生じた排出ガス８４が排出される。
電気学会・燃料電池発電次世代システム技術調査専門委員会編：「燃料電池の技術」，オーム社，ｐｐ．２０３−２０８（２００２） Further, the air preheater burner 81 discharges the exhaust gas 84 generated by burning the exhaust gas 64 and the exhaust gas 63.
The Institute of Electrical Engineers, Fuel Cell Power Generation Next Generation System Technology Research Special Edition: “Fuel Cell Technology”, Ohm, pp. 203-208 (2002)

次に、図４に示した従来の燃料電池発電装置の問題点について述べる。   Next, problems of the conventional fuel cell power generator shown in FIG. 4 will be described.

図４に示した従来の燃料電池発電装置では、燃料電池５７の発電温度は一般的に８００〜１０００℃であり、起動に１時間以上を要する。このため、電力が必要になったときに瞬時に負荷に電力を供給するためには、燃料電池５７は連続発電する必要がある。   In the conventional fuel cell power generator shown in FIG. 4, the power generation temperature of the fuel cell 57 is generally 800 to 1000 ° C., and it takes 1 hour or more to start. For this reason, in order to instantaneously supply power to the load when power is required, the fuel cell 57 needs to continuously generate power.

しかしながら、燃料電池５７が連続発電をする場合、夜間の電力負荷が少ない時間帯には、蓄電池、ＮａＳ電池等の蓄電設備を設けて充電する必要がある。よって、広い設置スペースを必要とする大容量の蓄電設備が必要となるとともに、蓄電設備の充放電効率を考慮すると、せっかく燃料電池５７を用いて高効率で発電しても蓄電設備を用いることによりエネルギー利用効率が大幅に低下するという問題があった。   However, in the case where the fuel cell 57 continuously generates power, it is necessary to provide power storage equipment such as a storage battery and a NaS battery for charging in a time zone where the nighttime power load is small. Therefore, a large-capacity power storage facility that requires a large installation space is required, and considering the charge / discharge efficiency of the power storage facility, the power storage facility can be used even if power is generated with high efficiency using the fuel cell 57. There was a problem that the energy utilization efficiency was greatly reduced.

また、燃料電池５７が連続発電をすると、安価な深夜電力の購入が可能な時間帯には、深夜電力よりも高価な発電単価となる可能性が生じ不経済になるという問題があった。   In addition, when the fuel cell 57 continuously generates power, there is a problem that it may become uneconomical because a unit price of power generation that is more expensive than midnight power may occur in a time zone in which inexpensive midnight power can be purchased.

一方、燃料電池５７が発電を一旦停止すると、その再起動に時間がかかるため、電力が必要になっても瞬時に燃料電池５７から負荷８７に電力を供給できないという問題があった。   On the other hand, once the fuel cell 57 stops generating power, it takes time to restart the power generation. Therefore, there is a problem that power cannot be instantaneously supplied from the fuel cell 57 to the load 87 even if power is required.

さらに、燃料電池５７が起動するまでの間、蓄電池、ＮａＳ電池等の蓄電設備でバックアップしようとすると、広い設置スペースが必要な大容量の蓄電設備を設置する必要があり、また、蓄電設備の充放電効率を考慮すると、燃料電池５７や深夜電力を利用して充電を行ったとしても蓄電設備を用いることによりエネルギー利用効率が大幅に低下するという問題があった。   Furthermore, if it is attempted to back up with a power storage facility such as a storage battery or a NaS battery until the fuel cell 57 is activated, it is necessary to install a large-capacity power storage facility that requires a large installation space. Considering the discharge efficiency, there is a problem that the energy use efficiency is significantly reduced by using the power storage equipment even if charging is performed using the fuel cell 57 or midnight power.

本発明の目的は、迅速な発電開始と高効率発電が可能で、負荷、商用電力価格等の外部環境に応じた柔軟な起動停止による経済的な発電を実現するとともに、ピークカット用電源やバックアップ用電源として、必要なときに負荷に電力を供給することができる燃料電池発電装置およびその制御方法を提供することにある。   The object of the present invention is to enable rapid power generation start and high-efficiency power generation, to realize economical power generation by flexible start and stop according to the external environment such as load, commercial power price, etc. An object of the present invention is to provide a fuel cell power generation apparatus capable of supplying power to a load when necessary, and a control method thereof.

前述した目的を達成するために、本発明による燃料電池発電装置は、燃料を改質することによって改質ガスを生成する改質手段と、前記改質ガスを用いて発電を行う、固体酸化物形燃料電池もしくは溶融炭酸塩形燃料電池である第１の燃料電池と、前記第１の燃料電池が発電しているときに、前記改質ガスを処理することによって水素含有ガスもしくは水素を生成する処理手段と、前記水素含有ガスもしくは水素を貯蔵する貯蔵手段と、前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素が供給された際に、当該水素含有ガスもしくは水素を用いて、前記第１の燃料電池の起動時間よりも短い起動時間で発電を行う第２の燃料電池と、発電を一旦停止した前記第１の燃料電池に起動の指示が入力されると、前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素の前記第２の燃料電池への供給を開始する供給手段とを含む。 In order to achieve the above-described object, a fuel cell power generator according to the present invention includes a reforming unit that generates a reformed gas by reforming a fuel , and a solid oxide that generates power using the reformed gas . A hydrogen-containing gas or hydrogen is produced by processing the reformed gas when the first fuel cell that is a fuel cell or a molten carbonate fuel cell and the first fuel cell is generating power A treatment means; a storage means for storing the hydrogen-containing gas or hydrogen; and when the hydrogen-containing gas or hydrogen stored in the storage means is supplied, the hydrogen-containing gas or hydrogen is used to supply the first When a start instruction is input to the second fuel cell that generates power with a start-up time shorter than the start-up time of the fuel cell, and the first fuel cell that has stopped power generation, it is stored in the storage means Previous And a supply means for starting the supply to the second fuel cell of the hydrogen-containing gas or hydrogen.

前記第２の燃料電池は、固体高分子形燃料電池であることが望ましい。   The second fuel cell is preferably a polymer electrolyte fuel cell.

前記改質手段は、前記第１の燃料電池の排熱を利用して前記改質ガスを生成することが望ましい。   It is desirable that the reforming unit generates the reformed gas using the exhaust heat of the first fuel cell.

また、本発明による燃料電池発電装置の制御方法は、燃料を改質することによって改質ガスを生成する改質工程と、前記改質ガスを用いて、固体酸化物形燃料電池もしくは溶融炭酸塩形燃料電池である第１の燃料電池にて発電を行う第１発電工程と、前記第１の燃料電池が発電しているときに前記改質ガスを処理することによって水素含有ガスもしくは水素を生成し、当該水素含有ガスもしくは水素を貯蔵手段に貯蔵する貯蔵工程と、前記第１発電工程を一旦停止した後、該第１発電工程を再開する際、前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素の第２の燃料電池への供給を開始する調節工程と、前記水素含有ガスもしくは水素が前記第２の燃料電池に供給された際に、当該水素含有ガスもしくは水素を用いて、前記第１の燃料電池の起動時間よりも短い起動時間で前記第２の燃料電池にて発電を行う第２発電工程とを含む。 The control method for a fuel cell power generator according to the present invention includes a reforming step for generating a reformed gas by reforming a fuel, and a solid oxide fuel cell or a molten carbonate using the reformed gas. generating a first generation step for generating electric power by the first fuel cell is a fuel cell, a hydrogen-containing gas or hydrogen by treating the reformed gas when the first fuel cell is generating The hydrogen-containing gas or hydrogen stored in the storage means, and the hydrogen-containing gas stored in the storage means when the first power generation process is resumed after temporarily stopping the first power generation process. Alternatively, an adjustment step of starting supply of hydrogen to the second fuel cell, and when the hydrogen-containing gas or hydrogen is supplied to the second fuel cell, the hydrogen-containing gas or hydrogen is used to 1 burning In short startup time than cell startup time and a second power generating step for generating power by the second fuel cell.

前記貯蔵工程では、前記第１の燃料電池の発電電力が所要の下限値以上の場合に、前記改質ガスを処理することによって前記水素含有ガスもしくは水素を生成し、当該水素含有ガスもしくは水素を前記貯蔵手段に貯蔵することが望ましい。   In the storage step, when the generated power of the first fuel cell is equal to or higher than a required lower limit value, the hydrogen-containing gas or hydrogen is generated by treating the reformed gas, and the hydrogen-containing gas or hydrogen is It is desirable to store in the storage means.

前記貯蔵工程では、前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素の貯蔵量が所定の上限値以下の場合に、前記改質ガスを処理することによって前記水素含有ガスもしくは水素を生成し、当該水素含有ガスもしくは水素を前記貯蔵手段に貯蔵することが望ましい。   In the storage step, when the storage amount of the hydrogen-containing gas or hydrogen stored in the storage means is a predetermined upper limit value or less, the hydrogen-containing gas or hydrogen is generated by treating the reformed gas, It is desirable to store the hydrogen-containing gas or hydrogen in the storage means.

前記調節工程では、前記調節工程では、前記第１の燃料電池で発電を開始する旨の発電指令があった場合に、前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素を前記第２の燃料電池に供給することが望ましい。 Wherein the regulation process, the the regulation process, in case there is a power generation instruction to start power generation in the first fuel cell, has been the hydrogen-containing gas or hydrogen said second storage to said storage means It is desirable to supply the fuel cell.

前記所定の発電電力は、前記第１の燃料電池の発電電力の上限値であることが望ましい。   The predetermined generated power is preferably an upper limit value of the generated power of the first fuel cell.

前記調節工程では、前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素の貯蔵量が所定の下限値以上の場合に、前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素を前記第２の燃料電池に供給することが望ましい。   In the adjusting step, when the amount of the hydrogen-containing gas or hydrogen stored in the storage means is equal to or greater than a predetermined lower limit value, the hydrogen-containing gas or hydrogen stored in the storage means is converted to the second fuel. It is desirable to supply the battery.

本発明によれば、第１の燃料電池で発電を行うとともに第２の燃料電池の発電に必要な水素含有ガスもしくは水素を生成させ、水素含有ガスもしくは水素を貯蔵し、貯蔵した水素含有ガスもしくは水素の第２の燃料電池への供給が調節される。   According to the present invention, the first fuel cell generates power, the hydrogen-containing gas or hydrogen necessary for power generation of the second fuel cell is generated, the hydrogen-containing gas or hydrogen is stored, the stored hydrogen-containing gas or The supply of hydrogen to the second fuel cell is adjusted.

よって、第２の燃料電池による発電が必要となった場合に、例えば、第１の燃料電池で発電を開始する旨の発電指令があった場合、および、第１の燃料電池の発電時に所定の発電電力以上の発電を指示する出力指令があった場合に、貯蔵した水素含有ガスもしくは水素を第２の燃料電池へ供給して、第２の燃料電池による発電を開始させることが可能になる。   Therefore, when power generation by the second fuel cell is necessary, for example, when there is a power generation command to start power generation by the first fuel cell, and at the time of power generation by the first fuel cell, When there is an output command for instructing power generation equal to or greater than the generated power, the stored hydrogen-containing gas or hydrogen can be supplied to the second fuel cell, and power generation by the second fuel cell can be started.

このため、夜間の電力負荷が少ない時間帯や安価な深夜電力の購入が可能な時間帯には、第１の燃料電池による発電を計画的に停止することが可能になる。また、負荷や商用電力価格等の外部環境にあわせて、必要なときに柔軟に第２の燃料電池から負荷に電力を供給する経済的な発電を実現することが可能になる。また、ピークカット用電源やバックアップ用電源として必要なときに第２の燃料電池から負荷に電力を供給することができる。   For this reason, it is possible to systematically stop the power generation by the first fuel cell in a time zone in which the nighttime power load is low or in a time zone in which inexpensive midnight power can be purchased. In addition, it is possible to realize economical power generation that flexibly supplies power from the second fuel cell to the load when necessary in accordance with the external environment such as the load and commercial power price. In addition, power can be supplied from the second fuel cell to the load when necessary as a peak cut power source or a backup power source.

なお、第１の燃料電池の排熱を利用して第２の燃料電池の発電にも必要な改質ガスを生成してもよい。この場合、この改質ガスの一部を水素含有ガスもしくは水素に変換した後に貯蔵手段に貯蔵し、この貯蔵した水素含有ガスもしくは水素を必要に応じて第２の燃料電池の発電に利用することができる。   In addition, you may produce | generate the reformed gas required also for the electric power generation of a 2nd fuel cell using the exhaust heat of a 1st fuel cell. In this case, a part of the reformed gas is converted into a hydrogen-containing gas or hydrogen and then stored in storage means, and the stored hydrogen-containing gas or hydrogen is used for power generation of the second fuel cell as necessary. Can do.

このため、第１の燃料電池で単独に発電を行う場合と比較すると、第１の燃料電池の冷却に必要な空気の供給量を減少させることができ、その空気の供給源の動力を削減すること可能となる。また、外部に無駄捨てられていた第１の燃料電池の排熱を第２の燃料電池の発電に有効利用することが可能になる。   For this reason, compared with the case where the first fuel cell generates electricity alone, the supply amount of air necessary for cooling the first fuel cell can be reduced, and the power of the air supply source is reduced. It becomes possible. In addition, the exhaust heat of the first fuel cell, which has been wasted outside, can be effectively used for power generation of the second fuel cell.

その結果、第１の燃料電池の発電電力と第２の燃料電池の発電電力をあわせた発電効率が、第１の燃料電池で単独で発電を行う場合と比較して向上するので、高効率な燃料電池発電装置を実現することができる。   As a result, the power generation efficiency obtained by combining the power generated by the first fuel cell and the power generated by the second fuel cell is improved as compared with the case where power is generated alone by the first fuel cell. A fuel cell power generator can be realized.

図１は、本発明の燃料電池発電装置の一実施形態を表すブロック図である。   FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a fuel cell power generator of the present invention.

図１に示した燃料電池発電装置では、第１の燃料電池として固体酸化物形燃料電池を用い、第２の燃料電池として固体高分子形燃料電池を用いている。   In the fuel cell power generator shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell is used as the first fuel cell, and a solid polymer fuel cell is used as the second fuel cell.

図１に示した燃料電池発電装置は、主な構成要素として、脱硫器２、改質手段の一例である改質器３、処理手段の一例である改質ガス処理部３９、貯蔵手段の一例である水素貯蔵器７、供給手段の一例である水素供給装置８、固体高分子形燃料電池９、空気ブロワ１３、出力調整装置１４、水素貯蔵量検出器１５、固体酸化物形燃料電池５７、空気予熱器８０、空気予熱器バーナ８１、出力調整装置８６、流量制御弁１９、２１、３７、４６、５９および６２、遮断弁４７、ならびに配管類を含む。   The fuel cell power generator shown in FIG. 1 includes, as main components, a desulfurizer 2, a reformer 3 as an example of a reforming unit, a reformed gas processing unit 39 as an example of a processing unit, and an example of a storage unit. A hydrogen storage device 7, a hydrogen supply device 8 as an example of a supply means, a polymer electrolyte fuel cell 9, an air blower 13, an output regulator 14, a hydrogen storage amount detector 15, a solid oxide fuel cell 57, The air preheater 80, the air preheater burner 81, the output regulator 86, the flow control valves 19, 21, 37, 46, 59 and 62, the shutoff valve 47, and piping are included.

改質ガス処理部３９は、ＣＯシフトコンバータ４、ＣＯ選択酸化器５、および凝縮器６を含む。固体高分子形燃料電池９は、燃料極１０、固体高分子電解質１１、および空気極１２を含む。   The reformed gas processing unit 39 includes a CO shift converter 4, a CO selective oxidizer 5, and a condenser 6. The polymer electrolyte fuel cell 9 includes a fuel electrode 10, a solid polymer electrolyte 11, and an air electrode 12.

図１において図４に示したものと同一のものは同一符号を付してあり、これらのものについてはその説明を省略する。   1, the same components as those shown in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

図１および以下の説明では、各要素の名称を以下のように簡略化する。   In FIG. 1 and the following description, the names of the respective elements are simplified as follows.

固体高分子形燃料電池９を、「燃料電池９」と称する。空気予熱器用空気１６を、「空気１６」と称する。固体高分子形燃料電池用空気１７を、「空気１７」と称する。ＣＯ選択酸化器用空気２０を、「空気２０」と称する。固体高分子形燃料電池空気排出ガス２２を、「排出ガス２２」と称する。固体高分子形燃料電池燃料排出ガス２３を、「排出ガス２３」と称する。ＣＯ選択酸化器排出ガス２６を、「排出ガス２６」と称する。ＣＯシフトコンバータ排出ガス３０を、「排出ガス３０」と称する。電池反応による生成水３１を、「生成水３１」と称する。凝縮器排出ガス３３を、「排出ガス３３」と称する。ＣＯシフトコンバータ用改質ガス３４を、「改質ガス３４」と称する。固体酸化物形燃料電池用改質ガス３５を、「改質ガス３５」と称する。冷却水等の冷媒３６を、「冷媒３６」と称する。   The polymer electrolyte fuel cell 9 is referred to as “fuel cell 9”. The air preheater air 16 is referred to as “air 16”. The polymer electrolyte fuel cell air 17 is referred to as “air 17”. The CO selective oxidizer air 20 is referred to as “air 20”. The polymer electrolyte fuel cell air exhaust gas 22 is referred to as “exhaust gas 22”. The polymer electrolyte fuel cell fuel exhaust gas 23 is referred to as “exhaust gas 23”. The CO selective oxidizer exhaust gas 26 is referred to as “exhaust gas 26”. The CO shift converter exhaust gas 30 is referred to as “exhaust gas 30”. The water 31 produced by the battery reaction is referred to as “product water 31”. The condenser exhaust gas 33 is referred to as “exhaust gas 33”. The reformed gas 34 for the CO shift converter is referred to as “reformed gas 34”. The reformed gas 35 for the solid oxide fuel cell is referred to as “reformed gas 35”. The refrigerant 36 such as cooling water is referred to as “refrigerant 36”.

図１において、流量制御弁１９は、空気１７の供給量を制御する。流量制御弁２１は、空気２０の供給量を制御する。流量制御弁４６は、改質ガス３４の供給量を制御する。   In FIG. 1, the flow control valve 19 controls the supply amount of the air 17. The flow control valve 21 controls the supply amount of the air 20. The flow control valve 46 controls the supply amount of the reformed gas 34.

本実施形態では、燃料電池９に燃料である排出ガス３３が供給されてから燃料電池９が発電を開始するまでの起動時間は、燃料電池５７に燃料である改質ガス３５が供給されてから燃料電池５７が発電を開始するまでの起動時間よりも短い。   In the present embodiment, the start-up time from when the exhaust gas 33 that is fuel is supplied to the fuel cell 9 to when the fuel cell 9 starts power generation is after the reformed gas 35 that is fuel is supplied to the fuel cell 57. It is shorter than the start-up time until the fuel cell 57 starts power generation.

また、流量制御弁１９、２１、３７、４６、５９および６２、遮断弁４７、ならびに、水素供給装置８は、例えば、不図示の制御部（制御手段）によって制御されてもよい。   Further, the flow rate control valves 19, 21, 37, 46, 59 and 62, the shutoff valve 47, and the hydrogen supply device 8 may be controlled by a control unit (control means) (not shown), for example.

図１において、燃料電池９が、一組の燃料極１０、固体高分子電解質１１、および空気極１２からなる単セルによって構成されているように示されているが、実際には、燃料電池９は、複数の単セルからなるセルスタック９で構成される。   In FIG. 1, the fuel cell 9 is shown as being constituted by a single cell composed of a pair of the fuel electrode 10, the solid polymer electrolyte 11, and the air electrode 12. Consists of a cell stack 9 composed of a plurality of single cells.

以下、図１を用いて、本発明の燃料電池発電装置の制御方法を適用する燃料電池発電装置の動作を説明する。   Hereinafter, the operation of the fuel cell power generation apparatus to which the control method of the fuel cell power generation apparatus of the present invention is applied will be described with reference to FIG.

燃料電池５７の発電時に、燃料電池直流出力８８が予め設定した下限値以上の場合で、水素貯蔵量検出器１５が検出した水素貯蔵器７内の排出ガス（水素含有ガス）３３の貯蔵量が予め設定した上限値以下のときには、遮断弁４７が開けられる。   When the fuel cell 57 generates power, when the fuel cell DC output 88 is equal to or greater than a preset lower limit, the storage amount of the exhaust gas (hydrogen-containing gas) 33 in the hydrogen storage 7 detected by the hydrogen storage amount detector 15 is When it is below the preset upper limit value, the shutoff valve 47 is opened.

遮断弁４７が開けられると、改質器３でつくられた改質ガス２７の一部が、改質ガス３４としてＣＯシフトコンバータ４に供給される。改質ガス２７の残りは、改質ガス３５として燃料電池５７の燃料極５４に供給される。   When the shut-off valve 47 is opened, a part of the reformed gas 27 produced by the reformer 3 is supplied to the CO shift converter 4 as the reformed gas 34. The remainder of the reformed gas 27 is supplied as the reformed gas 35 to the fuel electrode 54 of the fuel cell 57.

改質ガス３４がＣＯシフトコンバータ４に供給される際、天然ガス１の脱硫器２への供給量は、予め設定した、燃料電池直流出力８８と、ＣＯシフトコンバータ４への改質ガス３４の供給量と、天然ガス１の供給量との関係に基づいて、流量制御弁３７のガス流量を制御することによって、燃料電池直流出力８８およびＣＯシフトコンバータ４への改質ガス３４の供給量に見合った値に設定される。   When the reformed gas 34 is supplied to the CO shift converter 4, the supply amount of the natural gas 1 to the desulfurizer 2 is the fuel cell DC output 88 and the reformed gas 34 to the CO shift converter 4 set in advance. By controlling the gas flow rate of the flow rate control valve 37 based on the relationship between the supply amount and the supply amount of the natural gas 1, the supply amount of the reformed gas 34 to the fuel cell DC output 88 and the CO shift converter 4 is controlled. Set to a reasonable value.

ＣＯシフトコンバータ４への改質ガス３４の供給量は、燃料電池直流出力８８に対して予め設定した所定の値に応じて制御されてもよいし、燃料電池直流出力８８に対して予め設定した水素貯蔵器７内の排出ガス３３の貯蔵量との関係を用いて、水素貯蔵器７内の排出ガス３３の貯蔵量に比例して増減するように制御されてもよい。   The supply amount of the reformed gas 34 to the CO shift converter 4 may be controlled in accordance with a predetermined value set in advance for the fuel cell DC output 88, or may be set in advance for the fuel cell DC output 88. Control may be performed so as to increase or decrease in proportion to the storage amount of the exhaust gas 33 in the hydrogen storage device 7 using the relationship with the storage amount of the exhaust gas 33 in the hydrogen storage device 7.

水素貯蔵量検出器１５が検出した水素貯蔵器７内の排出ガス３３の貯蔵量が、予め設定した上限値以上になった場合には、遮断弁４７が閉じられ、改質ガス３４のＣＯシフトコンバータ４への供給が停止する。   When the storage amount of the exhaust gas 33 in the hydrogen storage 7 detected by the hydrogen storage amount detector 15 exceeds a preset upper limit value, the shutoff valve 47 is closed and the CO shift of the reformed gas 34 is performed. Supply to the converter 4 is stopped.

その際には、天然ガス１の脱硫器２への供給量は、予め設定した燃料電池直流出力８８と天然ガス１の供給量の関係に基づいて、流量制御弁３７のガス流量を制御することによって、燃料電池直流出力８８に見合った値に設定され、改質ガス２７はすべて改質ガス３５として燃料電池５７の燃料極５４に供給される。   In this case, the supply amount of the natural gas 1 to the desulfurizer 2 is controlled by controlling the gas flow rate of the flow control valve 37 based on the relationship between the preset fuel cell DC output 88 and the supply amount of the natural gas 1. Thus, a value commensurate with the fuel cell DC output 88 is set, and all the reformed gas 27 is supplied as the reformed gas 35 to the fuel electrode 54 of the fuel cell 57.

前述したように、燃料電池５７では、電池反応による発熱量が多い。   As described above, in the fuel cell 57, the amount of heat generated by the cell reaction is large.

よって、本実施形態では、まず、燃料電池５７の発電に必要な改質ガス２７を改質器３で生成させるために、吸熱反応である天然ガス１の水蒸気改質反応に必要な反応熱が、改質器３に対して、燃料電池５７からの排熱によって供給される。   Therefore, in the present embodiment, first, in order to generate the reformed gas 27 necessary for power generation of the fuel cell 57 in the reformer 3, the reaction heat necessary for the steam reforming reaction of the natural gas 1 that is an endothermic reaction is generated. The reformer 3 is supplied by exhaust heat from the fuel cell 57.

燃料電池５７からの排熱が改質器３に供給されても、燃料電池５７を８００〜１０００℃の動作温度範囲に維持するためには、空気極５６で（２）式に示した空気極反応に使用する酸素より過剰の酸素を含む大量の空気５８が空気極５６に供給され、燃料電池５７が冷却される。このため、空気極５６での酸素利用率は２０％程度である。   Even if the exhaust heat from the fuel cell 57 is supplied to the reformer 3, in order to maintain the fuel cell 57 in the operating temperature range of 800 to 1000 ° C., the air electrode 56 shown in the equation (2) is used. A large amount of air 58 containing oxygen in excess of the oxygen used for the reaction is supplied to the air electrode 56, and the fuel cell 57 is cooled. For this reason, the oxygen utilization rate in the air electrode 56 is about 20%.

したがって、天然ガス１の供給量に合わせて、空気５８の供給量を変化させて、燃料電池５７から改質器３に供給する排熱量を変化させることによって、改質器３で効率的に天然ガス１の水蒸気改質反応を行わせ、燃料電池５７の発電と排出ガス３３の水素貯蔵器７への貯蔵に必要な改質ガス２７を生成させることが可能となる。   Therefore, by changing the supply amount of the air 58 in accordance with the supply amount of the natural gas 1 and changing the amount of exhaust heat supplied from the fuel cell 57 to the reformer 3, the reformer 3 efficiently produces natural gas. By performing the steam reforming reaction of the gas 1, it is possible to generate the reformed gas 27 necessary for power generation of the fuel cell 57 and storage of the exhaust gas 33 in the hydrogen storage 7.

すなわち、燃料電池５７の発電中に改質ガス３４をＣＯシフトコンバータ４に供給して排出ガス３３を水素貯蔵器７に貯蔵するために、脱硫器２への天然ガス１の供給量を、燃料電池５７の発電に必要な天然ガス１の供給量よりも増加させる場合には、予め設定した改質ガス３４の供給量と空気５８の供給量の補正量との関係に基づいて、流量制御弁６２のガス流量を減少させることによって、空気５８の供給量を減少させる。   That is, in order to supply the reformed gas 34 to the CO shift converter 4 and store the exhaust gas 33 in the hydrogen storage 7 during the power generation of the fuel cell 57, the supply amount of the natural gas 1 to the desulfurizer 2 is changed to the fuel. When the supply amount of the natural gas 1 necessary for the power generation of the battery 57 is increased, the flow rate control valve is set based on the relationship between the preset supply amount of the reformed gas 34 and the correction amount of the supply amount of the air 58. By reducing the gas flow rate of 62, the supply of air 58 is reduced.

その結果、燃料電池５７の空気５８による冷却が抑制され、燃料電池５７の動作温度を８００〜１０００℃に維持しながら、燃料電池５７から改質器３に供給される排熱量が増す。結果として、空気極５６での酸素利用率は上昇する。   As a result, the cooling of the fuel cell 57 by the air 58 is suppressed, and the amount of exhaust heat supplied from the fuel cell 57 to the reformer 3 is increased while maintaining the operating temperature of the fuel cell 57 at 800 to 1000 ° C. As a result, the oxygen utilization rate at the air electrode 56 increases.

一方、燃料電池５７の発電中に改質ガス３４のＣＯシフトコンバータ４への供給を止めて排出ガス３３の水素貯蔵器７への貯蔵を停止するために、脱硫器２への天然ガス１の供給量を燃料電池５７の発電に必要な天然ガス１の供給量に減少させる場合には、予め設定した改質ガス３４の供給量と空気５８の供給量の補正量との関係に基づいて、流量制御弁６２のガス流量を増加させることによって、空気５８の供給量を増加させる。   On the other hand, in order to stop the supply of the reformed gas 34 to the CO shift converter 4 and stop the storage of the exhaust gas 33 in the hydrogen storage 7 during the power generation of the fuel cell 57, the natural gas 1 to the desulfurizer 2 is stopped. When reducing the supply amount to the supply amount of the natural gas 1 necessary for the power generation of the fuel cell 57, based on the relationship between the preset supply amount of the reformed gas 34 and the correction amount of the supply amount of the air 58, By increasing the gas flow rate of the flow control valve 62, the supply amount of the air 58 is increased.

その結果、燃料電池５７の空気５８による冷却が促進され、燃料電池５７の動作温度を８００〜１０００℃に維持しながら、燃料電池５７から改質器３に供給される排熱量が減る。結果として、空気極５６での酸素利用率は低下する。   As a result, cooling of the fuel cell 57 by the air 58 is promoted, and the amount of exhaust heat supplied from the fuel cell 57 to the reformer 3 is reduced while maintaining the operating temperature of the fuel cell 57 at 800 to 1000 ° C. As a result, the oxygen utilization rate at the air electrode 56 decreases.

改質ガス３４には、燃料極１０の電極触媒の劣化原因となる一酸化炭素が含まれている。また、ＣＯシフトコンバータ４には、銅−亜鉛系触媒等のシフト触媒が充填されている。ＣＯシフトコンバータ４は、シフト触媒の働きにより、（９）式に示す発熱反応である水性シフト反応を行わせることによって、改質ガス３４内の一酸化炭素の濃度を１％以下まで低減させる。   The reformed gas 34 contains carbon monoxide that causes deterioration of the electrode catalyst of the fuel electrode 10. The CO shift converter 4 is filled with a shift catalyst such as a copper-zinc catalyst. The CO shift converter 4 reduces the concentration of carbon monoxide in the reformed gas 34 to 1% or less by performing an aqueous shift reaction, which is an exothermic reaction shown in Formula (9), by the action of the shift catalyst.

（水性シフト反応）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2 （９）
一酸化炭素濃度が１％以下に低減された排出ガス３０が、燃料極１０にそのまま供給されると、燃料極１０では、一酸化炭素による電極触媒の劣化が起こる。 (Water-based shift reaction)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (9)
When the exhaust gas 30 with the carbon monoxide concentration reduced to 1% or less is supplied to the fuel electrode 10 as it is, the electrode catalyst deteriorates due to carbon monoxide at the fuel electrode 10.

このため、排出ガス３０の一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させるために、排出ガス３０は、ＣＯ選択酸化器５に供給される。ＣＯ選択酸化器５には、白金、ルテニウム等の貴金属系触媒がＣＯ選択酸化触媒として充填されている。   For this reason, the exhaust gas 30 is supplied to the CO selective oxidizer 5 in order to reduce the carbon monoxide concentration of the exhaust gas 30 to the order of ppm. The CO selective oxidizer 5 is filled with a noble metal catalyst such as platinum or ruthenium as a CO selective oxidation catalyst.

また、空気ブロワ１３で取り込んだ空気１８の一部が、空気２０として、ＣＯ選択酸化器５に供給される。なお、空気ブロワ１３で取り込んだ空気１８の一部は、空気１６として空気予熱器８０に供給され、空気予熱器８０で昇温された後に、空気５８として空気極５６に供給される。   A part of the air 18 taken in by the air blower 13 is supplied to the CO selective oxidizer 5 as air 20. A part of the air 18 taken in by the air blower 13 is supplied as air 16 to the air preheater 80, heated by the air preheater 80, and then supplied as air 58 to the air electrode 56.

ＣＯ選択酸化器５は、排出ガス３０に含まれる一酸化炭素を、空気２０中の酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換し、排出ガス３０中の一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた排出ガス２６を出力する。この発熱反応であるＣＯ酸化反応を（１０）式に示す。   The CO selective oxidizer 5 converts carbon monoxide contained in the exhaust gas 30 into carbon dioxide by reacting with oxygen in the air 20, and reduces the carbon monoxide concentration in the exhaust gas 30 to the order of ppm. The exhaust gas 26 is output. The CO oxidation reaction, which is an exothermic reaction, is shown in equation (10).

（ＣＯ酸化反応）
ＣＯ＋１／２（Ｏ2）→ＣＯ2 （１０）
空気２０の供給量は、予め設定されたＣＯシフトコンバータ４への改質ガス３４の供給量と空気２０の供給量の関係に基づいて、流量制御弁２１のガス流量を制御することによって、ＣＯシフトコンバータ４への改質ガス３４の供給量に見合った値に設定される。 (CO oxidation reaction)
CO + 1/2 (O 2 ) → CO 2 (10)
The supply amount of the air 20 is controlled by controlling the gas flow rate of the flow rate control valve 21 based on a preset relationship between the supply amount of the reformed gas 34 to the CO shift converter 4 and the supply amount of the air 20. It is set to a value commensurate with the supply amount of the reformed gas 34 to the shift converter 4.

一酸化炭素濃度がｐｐｍオーダーに低減させられた排出ガス２６は、凝縮器６に供給され、冷媒３６と熱交換することによって、１００℃以下に冷却される。その結果、凝縮器６は、排出ガス２６中に含まれる未反応水蒸気を凝縮水３２として回収する。   The exhaust gas 26 with the carbon monoxide concentration reduced to the ppm order is supplied to the condenser 6 and is cooled to 100 ° C. or less by exchanging heat with the refrigerant 36. As a result, the condenser 6 collects unreacted water vapor contained in the exhaust gas 26 as condensed water 32.

凝縮器６で未反応水蒸気を凝縮された排出ガス（水素含有ガス）３３は、水素貯蔵器７に供給され貯蔵される。   The exhaust gas (hydrogen-containing gas) 33 obtained by condensing unreacted water vapor in the condenser 6 is supplied to and stored in the hydrogen storage 7.

排出ガス３３を水素貯蔵器７に貯蔵するにあたっては、水素貯蔵器７の小型化のために、必要に応じて昇圧手段（図示せず）を用いて排出ガス３３を昇圧してから水素貯蔵器７に貯蔵する。   In storing the exhaust gas 33 in the hydrogen storage device 7, in order to reduce the size of the hydrogen storage device 7, the pressure of the exhaust gas 33 is increased using a booster (not shown) as necessary, and then the hydrogen storage device is used. Store in 7.

水素供給装置８は、水素貯蔵器７に貯蔵された排出ガス３３の燃料電池９への供給を調節可能である。   The hydrogen supply device 8 can adjust the supply of the exhaust gas 33 stored in the hydrogen storage device 7 to the fuel cell 9.

燃料電池５７の停止時または起動時に燃料電池発電装置に発電指令があった場合、並びに燃料電池５７の発電時に燃料電池発電装置に予め設定した発電電力（例えば、燃料電池５７の発電電力の上限値。）以上の発電を指示する出力指令があった場合には、水素供給装置８は、その発電指令または出力指令に基づく所定の発電電力で燃料電池９が発電するように、水素貯蔵器７内の排出ガス３３を燃料電池９の燃料極１０に供給する。   When a power generation command is issued to the fuel cell power generator when the fuel cell 57 is stopped or started, and when the fuel cell 57 generates power, the generated power preset in the fuel cell power generator (for example, the upper limit value of the power generated by the fuel cell 57) .) When there is an output command for instructing the above power generation, the hydrogen supply device 8 causes the fuel cell 9 to generate power with a predetermined generated power based on the power generation command or the output command. The exhaust gas 33 is supplied to the fuel electrode 10 of the fuel cell 9.

なお、燃料電池５７の停止時または起動時に燃料電池発電装置に入力される発電指令は、燃料電池５７で発電を開始する旨の発電指令の一例である。   The power generation command input to the fuel cell power generator when the fuel cell 57 is stopped or started is an example of a power generation command indicating that the fuel cell 57 starts power generation.

燃料電池９は、排出ガス３３を受け付けると、排出ガス３３を用いて発電を開始し、負荷８７に電力を供給する。   When the fuel cell 9 receives the exhaust gas 33, the fuel cell 9 starts power generation using the exhaust gas 33 and supplies power to the load 87.

燃料電池９の発電は、水素貯蔵量検出器１５が検出した水素貯蔵器７内の排出ガス３３の貯蔵量が所定の下限値以上のときに限定して行ってもよい。また、燃料電池９の発電電力は、その定格出力以下に制御する。   The power generation of the fuel cell 9 may be performed only when the storage amount of the exhaust gas 33 in the hydrogen storage 7 detected by the hydrogen storage amount detector 15 is equal to or greater than a predetermined lower limit value. Further, the generated power of the fuel cell 9 is controlled to be equal to or lower than the rated output.

燃料電池９で発電を行う場合には、水素貯蔵器７から燃料極１０への排出ガス３３の供給量は、水素供給装置８を制御することにより、燃料電池９の燃料電池直流出力２４に見合った値に設定される。   When power generation is performed by the fuel cell 9, the supply amount of the exhaust gas 33 from the hydrogen storage 7 to the fuel electrode 10 is commensurate with the fuel cell DC output 24 of the fuel cell 9 by controlling the hydrogen supply device 8. Value is set.

また、水素供給装置８が水素貯蔵器７内の排出ガス３３を燃料極１０に供給すると同時に、空気ブロワ１３で取り込んだ空気１８の一部が、空気１７として、空気極１２に供給される。   Further, at the same time when the hydrogen supply device 8 supplies the exhaust gas 33 in the hydrogen storage device 7 to the fuel electrode 10, a part of the air 18 taken in by the air blower 13 is supplied to the air electrode 12 as air 17.

空気極１２への空気１７の供給量は、予め設定した燃料電池直流出力２４と空気１７の供給量との関係に基づいて、流量制御弁１９のガス流量を制御することによって、燃料電池直流出力２４に見合った値に設定される。   The supply amount of the air 17 to the air electrode 12 is controlled by controlling the gas flow rate of the flow rate control valve 19 based on a predetermined relationship between the fuel cell DC output 24 and the supply amount of the air 17. A value corresponding to 24 is set.

燃料電池９の作動温度は、６０〜８０℃が一般的であり、電池反応による発熱により作動温度が維持される。   The operating temperature of the fuel cell 9 is generally 60 to 80 ° C., and the operating temperature is maintained by heat generated by the cell reaction.

燃料極１０は、白金系電極触媒を含む。燃料極１０では、白金系電極触媒の働きで、水素含有ガスである排出ガス中に含まれる水素の約８０％が、（１１）式に示す燃料極反応によりプロトン（Ｈ+）と電子（ｅ-）に変わる。 The fuel electrode 10 includes a platinum-based electrode catalyst. In the fuel electrode 10, about 80% of the hydrogen contained in the exhaust gas, which is a hydrogen-containing gas, is converted into protons (H + ) and electrons (e by the fuel electrode reaction shown in the equation (11) by the action of the platinum-based electrode catalyst. - changes to).

（燃料極反応）
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１１）
燃料極１０で生成されたプロトンは、ナフィオン（パーフルオロスルフォン酸膜）等のスルフォン酸基を有するフッ素系高分子から構成される固体高分子電解質１１の内部を移動し、空気極１２に到達する。 (Fuel electrode reaction)
H 2 → 2H + + 2e − (11)
Protons generated at the fuel electrode 10 move inside the solid polymer electrolyte 11 composed of a fluorine-based polymer having a sulfonic acid group such as Nafion (perfluorosulfonic acid film) and reach the air electrode 12. .

一方、燃料極１０で生成された電子は、外部回路（図示せず）を移動し、空気極１２に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力２４として取り出すことができる。   On the other hand, the electrons generated at the fuel electrode 10 travel through an external circuit (not shown) and reach the air electrode 12. Electric energy can be taken out as the fuel cell DC output 24 in the process of the electrons moving through the external circuit.

空気極１２は、白金系電極触媒を含む。空気極１２では、燃料極１０から固体高分子電解質１１の内部を通過して空気極１２に移動してきたプロトン、燃料極１０から外部回路を通って空気極１２に移動してきた電子、および空気極１２に供給された空気１７中の酸素が、白金系電極触媒の働きで（１２）式に示す空気極反応により反応し、生成水３１が生成される。   The air electrode 12 includes a platinum-based electrode catalyst. In the air electrode 12, protons that have passed from the fuel electrode 10 through the inside of the solid polymer electrolyte 11 to the air electrode 12, electrons that have moved from the fuel electrode 10 through the external circuit to the air electrode 12, and the air electrode The oxygen in the air 17 supplied to 12 reacts by the air electrode reaction shown in the equation (12) by the action of the platinum-based electrode catalyst, and the produced water 31 is produced.

（空気極反応）
２Ｈ+＋１／２（Ｏ2）＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ （１２）
（１１）式と（１２）式をまとめると、燃料電池９の電池反応は、（１３）式に示す水素と酸素から水ができる水の電気分解の逆反応として表すことができる。 (Air electrode reaction)
2H + +1/2 (O 2 ) + 2e − → H 2 O (12)
Summarizing the formulas (11) and (12), the cell reaction of the fuel cell 9 can be expressed as the reverse reaction of the electrolysis of water formed from hydrogen and oxygen shown in the formula (13).

（電池反応）
Ｈ2＋１／２（Ｏ2）→Ｈ2Ｏ （１３）
燃料電池９の発電によって得られた燃料電池直流出力２４は、負荷８７に合わせて、出力調整装置１４で電圧の変換と直流から交流への変換が行われ、その後、送電端交流出力２５として負荷８７に供給される。 (Battery reaction)
H 2 +1/2 (O 2 ) → H 2 O (13)
The fuel cell direct current output 24 obtained by the power generation of the fuel cell 9 is subjected to voltage conversion and direct current to alternating current conversion by the output adjusting device 14 in accordance with the load 87, and then the load is transmitted as the alternating current output 25 at the transmission end. 87.

なお、図１では、出力調整装置１４が燃料電池直流出力２４を直流から交流へ変換しているが、出力調整装置１４は燃料電池直流出力２４の電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷８７に供給してもよい。   In FIG. 1, the output regulator 14 converts the fuel cell DC output 24 from DC to AC. However, the output regulator 14 only converts the voltage of the fuel cell DC output 24 and loads the power transmission end DC output as a load. 87 may be supplied.

空気１７は、空気極１２で酸素の一部を（１２）式に示した空気極反応により消費した後に、排出ガス２２として空気極１２から排出される。   The air 17 is exhausted from the air electrode 12 as exhaust gas 22 after a part of oxygen is consumed by the air electrode reaction shown in the equation (12) at the air electrode 12.

一方、排出ガス３３は、燃料極１０で水素の約８０％を（１１）式に示した燃料極反応により消費した後に、排出ガス２３として燃料極１０から排出される。   On the other hand, the exhaust gas 33 is discharged from the fuel electrode 10 as the exhaust gas 23 after approximately 80% of the hydrogen is consumed by the fuel electrode reaction shown in the equation (11) at the fuel electrode 10.

なお、図１に示した燃料電池発電装置では、改質ガス処理部３９は、ＣＯシフトコンバータ４、ＣＯ選択酸化器５、および凝縮器６から構成されているが、改質ガスから一酸化炭素の濃度をｐｐｍオーダーに低減させた水素含有ガスもしくは水素が得られれば、特に改質ガス処理部３９の構成にはこだわらない。   In the fuel cell power generator shown in FIG. 1, the reformed gas processing unit 39 includes the CO shift converter 4, the CO selective oxidizer 5, and the condenser 6. If the hydrogen-containing gas or hydrogen whose concentration is reduced to the ppm order is obtained, the configuration of the reformed gas processing unit 39 is not particularly concerned.

例えば、改質ガス処理部３９が、ＣＯシフトコンバータ、水素分離手段である水素分離膜および水素吸蔵合金等を用いた水素分離器を含み、ＣＯシフトコンバータの排出ガスが水素分離器に供給され、水素分離器で選択的に分離した水素を水素貯蔵器７に貯蔵してもよい。   For example, the reformed gas processing section 39 includes a hydrogen separator using a CO shift converter, a hydrogen separation membrane as a hydrogen separation means, a hydrogen storage alloy, etc., and the exhaust gas of the CO shift converter is supplied to the hydrogen separator, The hydrogen selectively separated by the hydrogen separator may be stored in the hydrogen reservoir 7.

この場合、燃料電池５７の停止時または起動時に燃料電池発電装置に発電指令があった場合、並びに燃料電池５７の発電時に燃料電池発電装置に予め設定した発電電力以上の発電を指示する出力指令があった場合には、水素供給装置８は、水素貯蔵器７内の水素を燃料極１０に供給し、その発電指令または出力指令に基づいて所定の発電電力で燃料電池９に発電を行わせる。   In this case, when the fuel cell power generation device receives a power generation command when the fuel cell 57 is stopped or started, and when the fuel cell 57 generates power, an output command for instructing the fuel cell power generation device to generate power that is equal to or greater than the generated power is set. If there is, the hydrogen supply device 8 supplies the hydrogen in the hydrogen storage 7 to the fuel electrode 10 and causes the fuel cell 9 to generate power with a predetermined generated power based on the power generation command or the output command.

燃料電池９の発電は、水素貯蔵量検出器１５が検出した水素貯蔵器７内の水素の貯蔵量が所定の下限値以上のときに限定して行ってもよい。   The power generation of the fuel cell 9 may be performed only when the hydrogen storage amount in the hydrogen storage 7 detected by the hydrogen storage amount detector 15 is equal to or greater than a predetermined lower limit value.

水素貯蔵器７から燃料極１０への水素の供給量は、水素供給装置８を制御することにより、燃料電池直流出力２４に見合った値に設定される。   The amount of hydrogen supplied from the hydrogen reservoir 7 to the fuel electrode 10 is set to a value commensurate with the fuel cell DC output 24 by controlling the hydrogen supply device 8.

また、水素貯蔵器７内の水素を水素供給装置８が燃料極１０に供給すると同時に、空気ブロワ１３で取り込んだ空気１８の一部が、空気１７として空気極１２に供給される。   At the same time as the hydrogen supply device 8 supplies the hydrogen in the hydrogen reservoir 7 to the fuel electrode 10, part of the air 18 taken in by the air blower 13 is supplied to the air electrode 12 as the air 17.

なお、改質ガス処理部３９のＣＯシフトコンバータと水素分離器の間に、水蒸気分離手段である凝縮器とＣＯ分離手段であるＣＯ吸着器とを設けてもよい。   Note that a condenser that is a water vapor separation unit and a CO adsorber that is a CO separation unit may be provided between the CO shift converter and the hydrogen separator of the reformed gas processing unit 39.

その際、凝縮器のみを設けて、ＣＯシフトコンバータの排出ガスを凝縮器に供給し、凝縮器の排出ガスを水素分離器に供給してもよいし、ＣＯ吸着器のみを設けて、ＣＯシフトコンバータの排出ガスをＣＯ吸着器に供給し、ＣＯ吸着器の排出ガスを水素分離器に供給してもよい。   At that time, only the condenser may be provided, and the exhaust gas of the CO shift converter may be supplied to the condenser, and the exhaust gas of the condenser may be supplied to the hydrogen separator, or the CO shift may be provided only with the CO adsorber. The converter exhaust gas may be supplied to a CO adsorber, and the CO adsorber exhaust gas may be supplied to a hydrogen separator.

一方、改質ガス処理部３９のＣＯシフトコンバータと水素分離器との間に凝縮器とＣＯ吸着器を設ける場合には、ＣＯシフトコンバータの排出ガスを凝縮器に供給し、凝縮器の排出ガスをＣＯ吸着器に供給し、ＣＯ吸着器の排出ガスを水素分離器に供給してもよいし、ＣＯシフトコンバータの排出ガスをＣＯ吸着器に供給し、ＣＯ吸着器の排出ガスを凝縮器に供給し、凝縮器の排出ガスを水素分離器に供給してもよい。   On the other hand, when a condenser and a CO adsorber are provided between the CO shift converter and the hydrogen separator of the reformed gas processing unit 39, the exhaust gas of the CO shift converter is supplied to the condenser and the exhaust gas of the condenser is supplied. May be supplied to the CO adsorber, and the exhaust gas of the CO adsorber may be supplied to the hydrogen separator, the exhaust gas of the CO shift converter may be supplied to the CO adsorber, and the exhaust gas of the CO adsorber may be supplied to the condenser And the exhaust gas of the condenser may be supplied to the hydrogen separator.

なお、水素貯蔵器７に水素分離器で選択的に分離した水素を貯蔵する場合に、水素貯蔵器７として水素吸蔵合金を充填した水素貯蔵器７を用い、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させてもよい。ただし、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させる場合には、水素貯蔵器を水等の冷媒で冷却し、水素吸蔵合金から水素を放出させる場合には、排出ガス８４等の燃料電池排熱を利用して水素貯蔵器７を加熱する。   When storing hydrogen selectively separated by the hydrogen separator in the hydrogen storage 7, the hydrogen storage 7 filled with the hydrogen storage alloy is used as the hydrogen storage 7 and the hydrogen storage alloy is made to store hydrogen. Also good. However, when hydrogen is stored in the hydrogen storage alloy, the hydrogen storage device is cooled with a coolant such as water, and when hydrogen is released from the hydrogen storage alloy, exhaust heat from the fuel cell such as the exhaust gas 84 is used. Then, the hydrogen storage 7 is heated.

また、改質ガス処理部３９は、ＣＯシフトコンバータ、ＣＯ分離手段であるＣＯ吸着器、および凝縮器を含んでもよい。   Further, the reformed gas processing unit 39 may include a CO shift converter, a CO adsorber that is a CO separation means, and a condenser.

この場合、ＣＯシフトコンバータの排出ガスをＣＯ吸着器に供給し、ＣＯ吸着器の排出ガスを凝縮器に供給する構成としてもよいし、ＣＯシフトコンバータの排出ガスを凝縮器に供給し、凝縮器の排出ガスをＣＯ吸着器に供給する構成としてもよい。   In this case, the CO shift converter exhaust gas may be supplied to the CO adsorber, and the CO adsorber exhaust gas may be supplied to the condenser. Alternatively, the CO shift converter exhaust gas may be supplied to the condenser. The exhaust gas may be supplied to the CO adsorber.

なお、ＣＯシフトコンバータの排出ガスをＣＯ吸着器に供給し、ＣＯ吸着器の排出ガスを凝縮器に供給する構成の場合、ＣＯ濃度をｐｐｍオーダーに低減させた水素含有ガスである凝縮器の排出ガスが、水素貯蔵器７に貯蔵される。一方、ＣＯシフトコンバータの排出ガスを凝縮器に供給し、凝縮器の排出ガスをＣＯ吸着器に供給する構成の場合、ＣＯ吸着器の排出ガスが水素貯蔵器７に貯蔵される。   In the case of a configuration in which the exhaust gas of the CO shift converter is supplied to the CO adsorber and the exhaust gas of the CO adsorber is supplied to the condenser, the discharge of the condenser, which is a hydrogen-containing gas with the CO concentration reduced to the ppm order. The gas is stored in the hydrogen reservoir 7. On the other hand, when the exhaust gas of the CO shift converter is supplied to the condenser and the exhaust gas of the condenser is supplied to the CO adsorber, the exhaust gas of the CO adsorber is stored in the hydrogen storage device 7.

この場合、燃料電池５７の停止時または起動時に燃料電池発電装置に発電指令があった場合、並びに、燃料電池５７の発電時に燃料電池発電装置に予め設定した発電電力以上の発電を指示する出力指令があった場合には、水素供給装置８が、水素貯蔵器７内の凝縮器の排出ガスもしくはＣＯ吸着器の排出ガスを燃料極１０に供給し、発電指令または出力指令に基づいて所定の発電電力で燃料電池９に発電を行わせる。   In this case, when there is a power generation command to the fuel cell power generation device when the fuel cell 57 is stopped or started, and when the fuel cell 57 generates power, an output command for instructing the fuel cell power generation device to generate power that is equal to or greater than the generated power. If there is, the hydrogen supply device 8 supplies the exhaust gas of the condenser or the exhaust gas of the CO adsorber in the hydrogen storage 7 to the fuel electrode 10, and generates a predetermined power generation based on the power generation command or the output command. The fuel cell 9 is caused to generate power with electric power.

水素貯蔵器７内の凝縮器の排出ガスもしくはＣＯ吸着器の排出ガスによる燃料電池９の発電は、水素貯蔵量検出器１５が検出した水素貯蔵器７内の凝縮器の排出ガスもしくはＣＯ吸着器の排出ガスの貯蔵量が所定の下限値以上のときに限定して行ってもよい。   The power generation of the fuel cell 9 by the exhaust gas of the condenser in the hydrogen storage 7 or the exhaust gas of the CO adsorber is performed by the exhaust gas of the condenser in the hydrogen storage 7 detected by the hydrogen storage amount detector 15 or the CO adsorber. The exhaust gas storage amount may be limited to a predetermined lower limit value or more.

水素貯蔵器７から燃料極１０への凝縮器の排出ガスもしくはＣＯ吸着器の排出ガスの供給量は、例えば、不図示の制御装置で水素供給装置８を制御することにより、燃料電池直流出力２４に見合った値に設定される。また、水素貯蔵器７に貯蔵した水素を水素供給装置８が燃料極１０に供給すると同時に、空気ブロワ１３で取り込んだ空気１８の一部が、空気１７として、空気極１２に供給される。   The supply amount of the exhaust gas of the condenser or the exhaust gas of the CO adsorber from the hydrogen storage device 7 to the fuel electrode 10 is determined by, for example, controlling the hydrogen supply device 8 with a control device (not shown), thereby directing the fuel cell DC output 24 Is set to a value commensurate with. Further, simultaneously with the hydrogen supply device 8 supplying the hydrogen stored in the hydrogen storage device 7 to the fuel electrode 10, a part of the air 18 taken in by the air blower 13 is supplied to the air electrode 12 as the air 17.

本実施形態の燃料電池発電装置の制御方法は、基本的に、改質器３で改質した改質ガスを改質ガス処理部３９に供給することによって水素含有ガスもしくは水素を水素貯蔵器７に貯蔵する水素貯蔵工程と、水素貯蔵器７に貯蔵した水素含有ガスもしくは水素を用いて第２の燃料電池９で発電を行う第２の燃料電池発電工程とを含む。   The control method of the fuel cell power generation apparatus of this embodiment basically supplies the hydrogen-containing gas or hydrogen to the hydrogen storage unit 7 by supplying the reformed gas reformed by the reformer 3 to the reformed gas processing unit 39. And a second fuel cell power generation step in which power is generated by the second fuel cell 9 using the hydrogen-containing gas or hydrogen stored in the hydrogen reservoir 7.

図２は、本実施形態の燃料電池発電装置の制御方法の水素貯蔵工程の制御フローの一例を示したフローチャートであり、図３は、本実施形態の燃料電池発電装置の制御方法の第２の燃料電池発電工程の制御フローの一例を示したフローチャートである。   FIG. 2 is a flowchart showing an example of a control flow of the hydrogen storage step of the control method for the fuel cell power generator of the present embodiment, and FIG. 3 shows a second control method for the fuel cell power generator of the present embodiment. It is the flowchart which showed an example of the control flow of a fuel cell power generation process.

図２を参照すると、水素貯蔵工程では、第１の燃料電池５７の発電電力が所定の下限値以上の場合で（ステップ２０１）、水素貯蔵器７内の水素含有ガスの貯蔵量もしくは水素の貯蔵量が所定の上限値以下のときに（ステップ２０２）、改質器３で改質した改質ガスを改質ガス処理部３９に供給することによって、水素含有ガスもしくは水素が水素貯蔵器７に貯蔵される（ステップ２０３、２０４）。   Referring to FIG. 2, in the hydrogen storage process, when the generated power of the first fuel cell 57 is equal to or higher than a predetermined lower limit (step 201), the storage amount of hydrogen-containing gas in the hydrogen storage 7 or the storage of hydrogen is stored. When the amount is less than or equal to a predetermined upper limit value (step 202), the reformed gas reformed by the reformer 3 is supplied to the reformed gas processing unit 39, whereby hydrogen-containing gas or hydrogen is supplied to the hydrogen reservoir 7. Stored (steps 203 and 204).

このため、水素含有ガスもしくは水素をさらに水素貯蔵器７に貯蔵可能なときに、水素含有ガスもしくは水素をさらに水素貯蔵器７に貯蔵することができる。   For this reason, when the hydrogen-containing gas or hydrogen can be further stored in the hydrogen storage 7, the hydrogen-containing gas or hydrogen can be further stored in the hydrogen storage 7.

一方、図３を参照すると、第２の燃料電池発電工程では、第１の燃料電池５７の停止時または起動時に燃料電池発電装置に発電指令があった場合もしくは第１の燃料電池５７の発電時に所定の発電電力以上の発電を指示する出力指令があった場合で（ステップ３０１、３０２、３０３）、水素貯蔵器７内の水素含有ガスの貯蔵量もしくは水素の貯蔵量が所定の下限値以上のときに（ステップ３０４）、水素貯蔵器７内の水素含有ガスもしくは水素を用いて、発電指令または出力指令に基づく所定の発電電力を第２の燃料電池９が発電し、負荷８７に電力を供給する（ステップ３０５、３０６）。   On the other hand, referring to FIG. 3, in the second fuel cell power generation step, when the first fuel cell 57 is stopped or started, when a power generation command is issued to the fuel cell power generation device or when the first fuel cell 57 generates power. When there is an output command for instructing power generation equal to or greater than the predetermined generated power (steps 301, 302, and 303), the hydrogen-containing gas storage amount or the hydrogen storage amount in the hydrogen storage 7 is equal to or greater than a predetermined lower limit value. Sometimes (step 304), the second fuel cell 9 generates a predetermined generated power based on the power generation command or the output command using the hydrogen-containing gas or hydrogen in the hydrogen storage 7 and supplies the load 87 with power. (Steps 305 and 306).

本実施形態の燃料電池発電装置の制御方法を適用することにより、燃料電池５７の排熱を利用して燃料電池９の発電に必要な改質ガス２７が生成され、改質ガス２７の一部が改質ガス処理部３９で水素含有ガスもしくは水素（図１に示した燃料電池発電装置の場合は水素含有ガスである排出ガス３３）に変換された後に水素貯蔵器７に貯蔵され、この貯蔵された水素含有ガスもしくは水素が、必要に応じて、燃料電池９の発電に利用される。   By applying the control method of the fuel cell power generation device of this embodiment, the reformed gas 27 necessary for power generation of the fuel cell 9 is generated using the exhaust heat of the fuel cell 57, and a part of the reformed gas 27 is generated. Is converted into hydrogen-containing gas or hydrogen (exhaust gas 33 which is hydrogen-containing gas in the case of the fuel cell power generator shown in FIG. 1) in the reformed gas processing unit 39, and then stored in the hydrogen storage device 7, and this storage The hydrogen-containing gas or hydrogen thus used is used for power generation of the fuel cell 9 as necessary.

よって、燃料電池５７が単独で発電を行う場合と比較すると、燃料電池５７の冷却に必要な空気５８の供給量を減少させることができ、空気供給源である空気ブロワ１３の動力の削減が可能となる。また、外部に無駄捨てられていた燃料電池５７の排熱を燃料電池９の発電に有効利用することが可能とある。   Therefore, compared with the case where the fuel cell 57 generates power alone, the supply amount of the air 58 necessary for cooling the fuel cell 57 can be reduced, and the power of the air blower 13 as the air supply source can be reduced. It becomes. In addition, the exhaust heat of the fuel cell 57 that has been wasted outside can be used effectively for power generation of the fuel cell 9.

その結果、燃料電池５７の発電電力と燃料電池９の発電電力をあわせた発電効率が、燃料電池５７が単独で発電を行う場合と比較して向上するので、高効率な燃料電池発電装置を実現することができる。   As a result, the power generation efficiency obtained by combining the power generated by the fuel cell 57 and the power generated by the fuel cell 9 is improved as compared with the case where the fuel cell 57 generates power alone, thereby realizing a highly efficient fuel cell power generator. can do.

また、本実施形態の燃料電池発電装置の制御方法を適用することにより、燃料電池５７の停止時または起動時に燃料電池発電装置に発電指令があった場合に、水素貯蔵器７に貯蔵した水素含有ガスもしくは水素を燃料電池９の燃料極１０に供給し、水素含有ガスもしくは水素を用いて燃料電池９で発電を行うことができる。   In addition, by applying the control method of the fuel cell power generation device of the present embodiment, when the fuel cell power generation device has a power generation command when the fuel cell 57 is stopped or started, the hydrogen content stored in the hydrogen reservoir 7 is contained. Gas or hydrogen can be supplied to the fuel electrode 10 of the fuel cell 9 and power can be generated by the fuel cell 9 using the hydrogen-containing gas or hydrogen.

このため、充電が必要で充放電効率が低く装置全体のエネルギー効率の低下をもたらす蓄電池を設けなくても、燃料電池発電装置に発電指令があった場合には、直ちに燃料電池９で発電を行うことにより、負荷８７に電力を供給することが可能となる。   For this reason, even if there is no storage battery that requires charging and has low charge and discharge efficiency and lowers the energy efficiency of the entire apparatus, when the fuel cell power generation apparatus has a power generation command, the fuel cell 9 immediately generates power. As a result, it is possible to supply power to the load 87.

その結果、負荷８７が小さく商用電力のコストが低い夜間等に燃料電池５７を停止しても、燃料電池発電装置に発電指令があった場合に燃料電池９で直ちに発電（バックアップ発電）を行うことによって、発電電力を負荷８７に供給することができる。よって、高信頼で高効率な燃料電池発電装置を経済的に実現することが可能である。   As a result, even if the fuel cell 57 is stopped at night when the load 87 is small and the cost of commercial power is low, the fuel cell 9 immediately generates power (backup power generation) when a power generation command is issued to the fuel cell power generation device. Thus, the generated power can be supplied to the load 87. Therefore, it is possible to economically realize a highly reliable and highly efficient fuel cell power generator.

さらに、本実施形態の燃料電池発電装置の制御方法を適用することにより、燃料電池５７の発電時に燃料電池発電装置に所定の発電電力（例えば、燃料電池５７の発電電力の上限値。）以上の発電を指示する出力指令があった場合に、水素貯蔵器７内の水素含有ガスもしくは水素を燃料極１０に供給し、排出ガス３３を用いて燃料電池９で発電を行うことができる。   Furthermore, by applying the control method of the fuel cell power generation device of the present embodiment, the fuel cell power generation device can generate a power that is equal to or greater than a predetermined power generation (for example, the upper limit value of the power generated by the fuel cell 57). When there is an output command for instructing power generation, the hydrogen-containing gas or hydrogen in the hydrogen storage 7 can be supplied to the fuel electrode 10, and the fuel cell 9 can generate power using the exhaust gas 33.

このため、負荷８７がピークとなる期間だけ燃料電池９でも発電を行い、燃料電池９から負荷８７に電力を供給すること（ピークカット発電）が可能である。   For this reason, it is possible to generate power in the fuel cell 9 only during a period when the load 87 is at a peak, and supply power from the fuel cell 9 to the load 87 (peak cut power generation).

その結果、負荷８７のピークに合わせた発電電力を有する燃料電池５７で発電を行い、負荷８７に合わせて燃料電池５７の発電電力を増減させる場合と比較して、燃料電池９より高温で発電するために設備コストが高い燃料電池５７の定格出力を削減することができ、燃料電池発電装置全体の設備コストの低減が図れる。   As a result, the fuel cell 57 having power generated according to the peak of the load 87 is used to generate power, and the power generated by the fuel cell 57 is increased or decreased according to the load 87. Therefore, the rated output of the fuel cell 57 with high equipment cost can be reduced, and the equipment cost of the entire fuel cell power generator can be reduced.

なお、上記実施形態では、第１の燃料電池として固体酸化物形燃料電池を用いている。しかしながら、第１の燃料電池として、固体酸化物形燃料電池の代わりに溶融炭酸塩形燃料電池を用いても、上記と同様な効果が得られる。   In the above embodiment, a solid oxide fuel cell is used as the first fuel cell. However, even if a molten carbonate fuel cell is used as the first fuel cell instead of the solid oxide fuel cell, the same effect as described above can be obtained.

また、上記実施形態では、第１の燃料電池、水素貯蔵器、および第２の燃料電池の個数はそれぞれ１個であるが、それらは特に１個に限定させるわけではなく、第１の燃料電池、水素貯蔵器、および第２の燃料電池の個数がそれぞれ１個以上であっても、上記と同様な効果が得られる。ただし、水素貯蔵器を複数個設ける場合には、水素貯蔵器毎に水素貯蔵量検出器と水素供給装置を設けて水素貯蔵量を個別に制御することが必要である。   In the above embodiment, the number of the first fuel cell, the hydrogen storage device, and the second fuel cell is one, but the number of the first fuel cell is not limited to one. Even if the number of the hydrogen storage device and the second fuel cell is one or more, the same effect as described above can be obtained. However, when a plurality of hydrogen reservoirs are provided, it is necessary to individually control the hydrogen storage amount by providing a hydrogen storage amount detector and a hydrogen supply device for each hydrogen reservoir.

また、本発明は、前述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることは勿論である。   Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are of course added without departing from the spirit of the present invention.

本発明の燃料電池発電装置の一例を表すブロック図である。It is a block diagram showing an example of the fuel cell power generator of the present invention. 本発明の燃料電池発電装置の制御方法の水素貯蔵工程の制御フローの一例を表す制御フロー図である。It is a control flow figure showing an example of the control flow of the hydrogen storage process of the control method of the fuel cell power generator of the present invention. 本発明の燃料電池発電装置の制御方法の第２の燃料電池発電工程の制御フローの一例を表す制御フロー図である。It is a control flow figure showing an example of the control flow of the 2nd fuel cell power generation process of the control method of the fuel cell power generator of the present invention. 従来の燃料電池発電装置を表すブロック図である。It is a block diagram showing the conventional fuel cell power generator.

符号の説明Explanation of symbols

１ 天然ガス
２ 脱硫器
３ 改質器
４ ＣＯシフトコンバータ
５ ＣＯ選択酸化器
６ 凝縮器
７ 水素貯蔵器
８ 水素供給装置
９ 固体高分子形燃料電池
１０ 燃料極
１１ 固体高分子電解質
１２ 空気極
１３ 空気ブロワ
１４ 出力調整装置
１５ 水素貯蔵量検出器
１６ 空気予熱器用空気
１７ 固体高分子形燃料電池用空気
１８ 空気
１９ 流量制御弁
２０ ＣＯ選択酸化器用空気
２１ 流量制御弁
２２ 固体高分子形燃料電池空気排出ガス
２３ 固体高分子形燃料電池燃料排出ガス
２４ 燃料電池直流出力
２５ 送電端交流出力
２６ ＣＯ選択酸化器排出ガス
２７ 水素リッチな改質ガス
２８ 水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス
２９ 脱硫天然ガス
３０ ＣＯシフトコンバータ排出ガス
３１ 生成水
３２ 凝縮水
３３ 凝縮器排出ガス
３４ ＣＯシフトコンバータ用改質ガス
３５ 固体酸化物形燃料電池用改質ガス
３６ 冷媒
３７ 流量制御弁
３９ 改質ガス処理部
４６ 流量制御弁
４７ 遮断弁
５４ 燃料極
５５ 固体酸化物電解質
５６ 空気極
５７ 固体酸化物形燃料電池
５８ 固体酸化物形燃料電池用空気
５９ 流量制御弁
６０ 改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池燃料排出ガス
６１ 固体酸化物形燃料電池燃料排出ガス
６２ 流量制御弁
６３ 固体酸化物形燃料電池空気排出ガス
６４ 空気予熱器バーナ用固体酸化物形燃料電池燃料排出ガス
８０ 空気予熱器
８１ 空気予熱器バーナ
８４ 空気予熱器バーナ排出ガス
８６ 出力調整装置
８７ 負荷
８８ 燃料電池直流出力
８９ 送電端交流出力 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Natural gas 2 Desulfurizer 3 Reformer 4 CO shift converter 5 CO selective oxidizer 6 Condenser 7 Hydrogen storage device 8 Hydrogen supply device 9 Solid polymer fuel cell 10 Fuel electrode 11 Solid polymer electrolyte 12 Air electrode 13 Air Blower 14 Output adjustment device 15 Hydrogen storage amount detector 16 Air preheater air 17 Air for polymer electrolyte fuel cell 18 Air 19 Flow control valve 20 CO selective oxidizer air 21 Flow control valve 22 Solid polymer fuel cell air discharge Gas 23 Solid polymer fuel cell fuel exhaust gas 24 Fuel cell DC output 25 Transmitter end AC output 26 CO selective oxidizer exhaust gas 27 Hydrogen-rich reformed gas 28 Mixed gas of steam and desulfurized natural gas 29 Desulfurized natural gas 30 CO Shift converter exhaust gas 31 Product water 32 Condensed water 33 Condenser exhaust gas 34 CO shift converter Reformed gas 35 reformed gas for solid oxide fuel cell 36 refrigerant 37 flow control valve 39 reformed gas processing section 46 flow control valve 47 shut-off valve 54 fuel electrode 55 solid oxide electrolyte 56 air electrode 57 solid oxide Fuel cell 58 Air for solid oxide fuel cell 59 Flow control valve 60 Solid oxide fuel cell fuel exhaust gas for reformer recycling 61 Solid oxide fuel cell fuel exhaust gas 62 Flow control valve 63 Solid oxide type Fuel cell air exhaust gas 64 Solid oxide fuel cell fuel exhaust gas for air preheater burner 80 Air preheater 81 Air preheater burner 84 Air preheater burner exhaust gas 86 Output regulator 87 Load 88 Fuel cell DC output 89 Power transmission end AC output

Claims (8)

燃料を改質することによって改質ガスを生成する改質手段と、
前記改質ガスを用いて発電を行う、固体酸化物形燃料電池もしくは溶融炭酸塩形燃料電池である第１の燃料電池と、
前記第１の燃料電池が発電しているときに、前記改質ガスを処理することによって水素含有ガスもしくは水素を生成する処理手段と、
前記水素含有ガスもしくは水素を貯蔵する貯蔵手段と、
前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素が供給された際に、当該水素含有ガスもしくは水素を用いて、前記第１の燃料電池の起動時間よりも短い起動時間で発電を行う第２の燃料電池と、
発電を一旦停止した前記第１の燃料電池に起動の指示が入力されると、前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素の前記第２の燃料電池への供給を開始する供給手段と、を含む燃料電池発電装置。 Reforming means for generating reformed gas by reforming the fuel;
A first fuel cell that is a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell that generates electric power using the reformed gas;
A processing means for generating a hydrogen-containing gas or hydrogen by processing the reformed gas when the first fuel cell is generating electricity;
A storage means for storing the hydrogen-containing gas or hydrogen;
When the hydrogen-containing gas or hydrogen stored in the storage means is supplied, the hydrogen-containing gas or hydrogen is used to generate power with a startup time shorter than the startup time of the first fuel cell. With a fuel cell,
Supply means for starting supply of the hydrogen-containing gas or hydrogen stored in the storage means to the second fuel cell when a start instruction is input to the first fuel cell that has stopped power generation; , Including a fuel cell power generator. 前記第２の燃料電池が、固体高分子形燃料電池である、請求項１に記載の燃料電池発電装置。   The fuel cell power generator according to claim 1, wherein the second fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell. 前記改質手段は、前記第１の燃料電池の排熱を利用して前記改質ガスを生成する、請求項１または２に記載の燃料電池発電装置。   3. The fuel cell power generator according to claim 1, wherein the reforming unit generates the reformed gas using exhaust heat of the first fuel cell. 燃料を改質することによって改質ガスを生成する改質工程と、
前記改質ガスを用いて、固体酸化物形燃料電池もしくは溶融炭酸塩形燃料電池である第１の燃料電池にて発電を行う第１発電工程と、
前記第１の燃料電池が発電しているときに前記改質ガスを処理することによって水素含有ガスもしくは水素を生成し、当該水素含有ガスもしくは水素を貯蔵手段に貯蔵する貯蔵工程と、
前記第１発電工程を一旦停止した後、該第１発電工程を再開する際、前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素の第２の燃料電池への供給を開始する調節工程と、
前記水素含有ガスもしくは水素が前記第２の燃料電池に供給された際に、当該水素含有ガスもしくは水素を用いて、前記第１の燃料電池の起動時間よりも短い起動時間で前記第２の燃料電池にて発電を行う第２発電工程と、を含む燃料電池発電装置の制御方法。 A reforming process for generating reformed gas by reforming the fuel;
A first power generation step of generating power in the first fuel cell, which is a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell, using the reformed gas;
A storage step of generating a hydrogen-containing gas or hydrogen by treating the reformed gas when the first fuel cell is generating electricity, and storing the hydrogen-containing gas or hydrogen in a storage means;
An adjustment step of starting supply of the hydrogen-containing gas or hydrogen stored in the storage means to the second fuel cell when the first power generation step is resumed after temporarily stopping the first power generation step;
When the hydrogen-containing gas or hydrogen is supplied to the second fuel cell, the second fuel is used with a start-up time shorter than the start-up time of the first fuel cell using the hydrogen-containing gas or hydrogen. And a second power generation step of generating power with a battery. 前記貯蔵工程では、前記第１の燃料電池の発電電力が所要の下限値以上の場合に、前記改質ガスを処理することによって前記水素含有ガスもしくは水素を生成し、当該水素含有ガスもしくは水素を前記貯蔵手段に貯蔵する、請求項４に記載の燃料電池発電装置の制御方法。   In the storage step, when the generated power of the first fuel cell is equal to or higher than a required lower limit value, the hydrogen-containing gas or hydrogen is generated by treating the reformed gas, and the hydrogen-containing gas or hydrogen is The method for controlling a fuel cell power generation device according to claim 4, wherein the fuel cell power generation device is stored in the storage unit. 前記貯蔵工程では、前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素の貯蔵量が所定の上限値以下の場合に、前記改質ガスを処理することによって前記水素含有ガスもしくは水素を生成し、当該水素含有ガスもしくは水素を前記貯蔵手段に貯蔵する、請求項４または５に記載の燃料電池発電装置の制御方法。   In the storage step, when the storage amount of the hydrogen-containing gas or hydrogen stored in the storage means is a predetermined upper limit value or less, the hydrogen-containing gas or hydrogen is generated by treating the reformed gas, The method for controlling a fuel cell power generator according to claim 4 or 5, wherein the hydrogen-containing gas or hydrogen is stored in the storage means. 前記調節工程では、前記第１の燃料電池で発電を開始する旨の発電指令があった場合に、前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素を前記第２の燃料電池に供給する、請求項４から６のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置の制御方法。   In the adjusting step, when there is a power generation command to start power generation in the first fuel cell, the hydrogen-containing gas or hydrogen stored in the storage means is supplied to the second fuel cell. The control method of the fuel cell power generator according to any one of claims 4 to 6. 前記調節工程では、前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素の貯蔵量が所定の下限値以上の場合に、前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素を前記第２の燃料電池に供給する、請求項４から７のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置の制御方法。 In the adjusting step, when the amount of the hydrogen-containing gas or hydrogen stored in the storage means is equal to or greater than a predetermined lower limit value, the hydrogen-containing gas or hydrogen stored in the storage means is converted to the second fuel. The control method of the fuel cell power generator according to any one of claims 4 to 7 , which is supplied to the battery.
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