JP5299207B2 - FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING FUEL CELL SYSTEM - Google Patents

FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING FUEL CELL SYSTEM Download PDF

Info

Publication number
JP5299207B2
JP5299207B2 JP2009231903A JP2009231903A JP5299207B2 JP 5299207 B2 JP5299207 B2 JP 5299207B2 JP 2009231903 A JP2009231903 A JP 2009231903A JP 2009231903 A JP2009231903 A JP 2009231903A JP 5299207 B2 JP5299207 B2 JP 5299207B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel
supply amount
ratio
reformer
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2009231903A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2011081972A (en
Inventor
孝年 増井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2009231903A priority Critical patent/JP5299207B2/en
Publication of JP2011081972A publication Critical patent/JP2011081972A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5299207B2 publication Critical patent/JP5299207B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Description

本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell and a method for operating the fuel cell system.

燃料電池を備える燃料電池システムは、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得るシステムである。この燃料電池システムは、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。   A fuel cell system including a fuel cell is generally a system that obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell system is excellent in terms of environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.

燃料電池で消費される水素は、例えば、改質器において生成される。改質器においては、炭化水素等の原燃料と改質水との水蒸気改質反応によって水素が生成される。水蒸気改質反応は化学反応のプロセスであるため、改質器に供給される原燃料および改質水の供給量が不安定になると生成水素量が不安定化する。そこで、特許文献1の技術では、水流量検出部によって検出された水供給量に基づいて、改質器用供給水量を制御する技術が開示されている。   Hydrogen consumed in the fuel cell is generated, for example, in a reformer. In the reformer, hydrogen is generated by a steam reforming reaction between raw fuel such as hydrocarbon and reformed water. Since the steam reforming reaction is a chemical reaction process, the amount of generated hydrogen becomes unstable when the supply amounts of raw fuel and reforming water supplied to the reformer become unstable. Therefore, in the technique of Patent Document 1, a technique for controlling the amount of water supplied for the reformer based on the amount of water supplied detected by the water flow rate detection unit is disclosed.

特開2008−247688号公報JP 2008-247688 A

しかしながら、特許文献1の技術では、水流量を検出する流量計が必要となる。そのため、流量計に精度不良、故障等が生じると、誤った水量が検出されてしまうことになる。   However, the technique of Patent Document 1 requires a flow meter that detects the water flow rate. For this reason, if an accuracy defect, a failure, or the like occurs in the flow meter, an incorrect amount of water is detected.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and a fuel cell system capable of optimizing and controlling the supply amounts of raw fuel and reformed water without using a detector such as a flow meter for detecting a water flow rate. And it aims at providing the operating method of a fuel cell system.

本発明に係る燃料電池システムは、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、酸化剤ガスと改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼室と、改質器の温度を直接的または間接的に検出する温度センサと、改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を制御する制御部と、を備え、制御部は、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させた場合に温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の供給量比に基づいて、供給量比を制御することを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。   A fuel cell system according to the present invention includes a reformer that generates a fuel gas by a steam reforming reaction, a fuel cell that generates power using an oxidant gas and a fuel gas generated by the reformer, and a fuel cell A combustion chamber that burns fuel off-gas to heat the reformer, a temperature sensor that directly or indirectly detects the temperature of the reformer, and a ratio of the amount of reformed water supplied to the raw fuel to the reformer A control unit that controls the supply amount ratio when the temperature rise detected by the temperature sensor changes from positive to negative when the ratio of the reforming water supply amount to the raw fuel supply amount is increased. Based on the above, the supply amount ratio is controlled. In the fuel cell system according to the present invention, the supply amounts of raw fuel and reforming water can be optimized and controlled without using a detector such as a flow meter for detecting the water flow rate.

温度センサは、燃焼室内に配置されていてもよい。この場合、改質器の熱容量が燃焼室内のガスの熱容量に比較して大きい場合に、温度変化を検出しやすくなる。   The temperature sensor may be disposed in the combustion chamber. In this case, when the heat capacity of the reformer is larger than the heat capacity of the gas in the combustion chamber, it becomes easy to detect a temperature change.

制御部は、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させた場合に温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の供給量比を制御目標値としてもよい。この場合、各機器のばらつき、経年変化等が生じても、原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。   The control unit may set the supply amount ratio when the temperature increase detected by the temperature sensor changes from positive to negative when the ratio of the supply amount of reforming water to the supply amount of raw fuel is increased, as the control target value. In this case, it is possible to optimize and control the supply amounts of the raw fuel and reforming water even if variations of each device, aging, etc. occur.

制御部は、燃料電池セルの起動時に、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させて温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の供給量比を求めてもよい。この場合、燃料電池セルの起動ごとに、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を最適化することができる。   Even when the control unit increases the ratio of the supply amount of the reforming water to the supply amount of the raw fuel at the time of starting the fuel cell, the control unit obtains the supply amount ratio when the detected temperature rise of the temperature sensor changes from positive to negative. Good. In this case, the ratio of the supply amount of the reforming water to the supply amount of the raw fuel can be optimized every time the fuel cell is started.

制御部は、所定の時間周期で、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させて温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の供給量比を求めてもよい。この場合、所定の時間周期で、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を最適化することができる。   The control unit may obtain a supply amount ratio in a case where the temperature rise detected by the temperature sensor changes from positive to negative by increasing a ratio of the supply amount of the reforming water to the supply amount of the raw fuel in a predetermined time period. . In this case, the ratio of the supply amount of reforming water to the supply amount of raw fuel can be optimized in a predetermined time period.

本発明に係る他の燃料電池システムは、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、酸化剤ガスと改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼室と、燃焼室内の温度を検出する温度センサと、改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を制御する制御部と、を備え、制御部は、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させた場合に温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の供給量比に基づいて、供給量比を制御することを特徴とするものである。本発明に係る他の燃料電池システムにおいては、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。   Another fuel cell system according to the present invention includes a reformer that generates a fuel gas by a steam reforming reaction, a fuel cell that generates power using an oxidant gas and a fuel gas generated by the reformer, and a fuel cell. A combustion chamber for burning the fuel off-gas in the cell to heat the reformer, a temperature sensor for detecting the temperature in the combustion chamber, and a controller for controlling the ratio of the amount of reformed water supplied to the raw fuel to the reformer; The control unit supplies the water based on the supply amount ratio when the temperature rise detected by the temperature sensor changes from positive to negative when the ratio of the supply amount of the reforming water to the supply amount of the raw fuel is increased. The quantity ratio is controlled. In another fuel cell system according to the present invention, the supply amounts of raw fuel and reforming water can be optimized and controlled without using a detector such as a flow meter for detecting the water flow rate.

本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、酸化剤ガスと改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼室と、を備える燃料電池システムにおいて、改質器の温度を直接的または間接的に検出する温度検出ステップと、改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を増加させた場合に温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の供給量比に基づいて供給量比を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムの運転方法においては、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。   An operation method of a fuel cell system according to the present invention includes a reformer that generates a fuel gas by a steam reforming reaction, a fuel cell that generates electric power from an oxidant gas and a fuel gas generated by the reformer, and a fuel And a combustion chamber that heats the reformer by burning fuel off-gas of the battery cell, and a temperature detection step for directly or indirectly detecting the temperature of the reformer; A control step of controlling the supply amount ratio based on the supply amount ratio when the temperature increase detected in the temperature detection step changes from positive to negative when the ratio of the reforming water supply to the raw fuel is increased; It is characterized by including. In the operation method of the fuel cell system according to the present invention, the supply amounts of the raw fuel and the reforming water can be optimized and controlled without using a detector such as a flow meter for detecting the water flow rate.

温度検出ステップは、燃焼室内の温度を検出するステップであってもよい。この場合、改質器の熱容量が燃焼室内のガスの熱容量に比較して大きい場合に、温度変化を検出しやすくなる。   The temperature detection step may be a step of detecting the temperature in the combustion chamber. In this case, when the heat capacity of the reformer is larger than the heat capacity of the gas in the combustion chamber, it becomes easy to detect a temperature change.

制御ステップは、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させた場合に温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の供給量比を制御目標値とするステップであってもよい。この場合、各機器のばらつき、経年変化等が生じても、原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。   In the control step, when the ratio of the supply amount of reforming water to the supply amount of raw fuel is increased, the supply amount ratio when the temperature increase detected in the temperature detection step changes from positive to negative is set as the control target value. It may be a step. In this case, it is possible to optimize and control the supply amounts of the raw fuel and reforming water even if variations of each device, aging, etc. occur.

制御ステップは、燃料電池セルの起動時に、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させて温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の供給量比を求めるステップであってもよい。この場合、燃料電池セルの起動ごとに、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を最適化することができる。   The control step is to increase the ratio of the supply amount of reforming water to the supply amount of raw fuel at the start of the fuel cell, and the supply amount ratio when the temperature rise detected in the temperature detection step changes from positive to negative It may be a step for obtaining. In this case, the ratio of the supply amount of the reforming water to the supply amount of the raw fuel can be optimized every time the fuel cell is started.

制御ステップは、所定の時間周期で、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させて温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の供給量比を求めるステップであってもよい。この場合、所定の時間周期で、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を最適化することができる。   The control step increases the ratio of the supply amount of the reforming water to the supply amount of the raw fuel at a predetermined time period, and determines the supply amount ratio when the temperature rise detected in the temperature detection step changes from positive to negative. It may be a step of obtaining. In this case, the ratio of the supply amount of reforming water to the supply amount of raw fuel can be optimized in a predetermined time period.

本発明に係る燃料電池システムの他の運転方法は、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、酸化剤ガスと改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼室と、を備える燃料電池システムにおいて、燃焼室内の温度を検出する温度検出ステップと、改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を増加させた場合に温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の供給量比に基づいて供給量比を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムの他の運転方法においては、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。   Another operating method of the fuel cell system according to the present invention includes a reformer that generates a fuel gas by a steam reforming reaction, a fuel cell that generates electric power from the oxidant gas and the fuel gas generated by the reformer, And a combustion chamber for heating the reformer by burning the fuel off-gas of the fuel cell, a temperature detection step for detecting the temperature in the combustion chamber, and reforming of the raw fuel to the reformer And a control step for controlling the supply amount ratio based on the supply amount ratio when the temperature rise detected in the temperature detection step changes from positive to negative when the water supply amount ratio is increased. It is what. In another operation method of the fuel cell system according to the present invention, the supply amounts of the raw fuel and the reformed water can be optimized and controlled without using a detector such as a flow meter for detecting the water flow rate.

本発明によれば、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することができる。   According to the present invention, there are provided a fuel cell system and a fuel cell system operating method capable of optimizing and controlling the supply amounts of raw fuel and reformed water without using a detector such as a flow meter for detecting the water flow rate. can do.

例1に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of a fuel cell system according to Example 1. FIG. 燃料電池セルの断面を含む部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view containing the cross section of a fuel cell. 燃料電池スタック装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a fuel cell stack apparatus. 改質水の供給を開始して改質水供給量をS/C比=2.5で一定に保つ場合の、燃焼室の温度変化を示す図である。It is a figure which shows the temperature change of a combustion chamber when supply of reforming water is started and the amount of reforming water supply is kept constant at S / C ratio = 2.5. S/C比を徐々に増加させた場合の燃焼室の温度および燃焼室の温度の微分値を示す図である。It is a figure which shows the differential value of the temperature of a combustion chamber when the S / C ratio is made to increase gradually, and the temperature of a combustion chamber. 最適S/C比を検出する際に実行されるフローチャートの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the flowchart performed when detecting an optimal S / C ratio. 例2に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of a fuel cell system according to Example 2.

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.

(例1)
図1は、例1に係る燃料電池システム100の全体構成を示す模式図である。図1に示すように、燃料電池システム100は、制御部10、原燃料供給部20、改質水供給部30、酸化剤ガス供給部40、改質器50、燃焼室60、燃料電池セル70、温度センサ81、グロープラグ82、および熱交換器90を備える。
(Example 1)
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of a fuel cell system 100 according to Example 1. As illustrated in FIG. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 includes a control unit 10, a raw fuel supply unit 20, a reforming water supply unit 30, an oxidant gas supply unit 40, a reformer 50, a combustion chamber 60, and a fuel cell 70. , A temperature sensor 81, a glow plug 82, and a heat exchanger 90 are provided.

制御部10は、CPU(中央演算処理装置)、ROM(リードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)等から構成される。原燃料供給部20は、炭化水素等の原燃料を改質器50に供給するための燃料ポンプ等を含む。改質水供給部30は、改質器50における水蒸気改質反応に必要な改質水を貯蔵する改質水タンク31、改質水タンク31に貯蔵された改質水を改質器50に供給するための改質水ポンプ32等を含む。   The control unit 10 includes a CPU (Central Processing Unit), ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), and the like. The raw fuel supply unit 20 includes a fuel pump for supplying raw fuel such as hydrocarbons to the reformer 50. The reforming water supply unit 30 stores the reforming water tank 31 that stores the reforming water necessary for the steam reforming reaction in the reformer 50, and the reforming water stored in the reforming water tank 31 is supplied to the reformer 50. A reforming water pump 32 and the like for supply are included.

酸化剤ガス供給部40は、燃料電池セル70のカソード71にエア等の酸化剤ガスを供給するためのエアポンプ等を含む。改質器50は、改質水を気化させるための気化部51、および、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成するための改質部52を含む。燃料電池セル70は、カソード71とアノード72とによって電解質73が挟持された構造を有する。温度センサ81は、温度を検出するセンサであり、燃焼室60の内部に配置されている。グロープラグ82は、可燃成分に着火するための着火用グロープラグであり、燃焼室60の内部に配置されている。   The oxidant gas supply unit 40 includes an air pump or the like for supplying an oxidant gas such as air to the cathode 71 of the fuel cell 70. The reformer 50 includes a vaporization unit 51 for vaporizing reformed water and a reforming unit 52 for generating fuel gas by a steam reforming reaction. The fuel cell 70 has a structure in which an electrolyte 73 is sandwiched between a cathode 71 and an anode 72. The temperature sensor 81 is a sensor that detects temperature, and is disposed inside the combustion chamber 60. The glow plug 82 is an ignition glow plug for igniting combustible components, and is disposed inside the combustion chamber 60.

続いて、図2〜図4を参照して、改質器50、燃焼室60、および燃料電池セル70の具体的な構成例について説明する。図2は、燃料電池セル70の断面を含む部分斜視図である。図2に示すように、燃料電池セル70は、平板柱状の全体形状を有する。ガス透過性を有する導電性支持体11の内部に、軸方向(長手方向)に沿って貫通する複数の燃料ガス通路12が形成されている。導電性支持体11の外周面における一方の平面上に、燃料極13、固体電解質14、および酸素極15がこの順に積層されている。酸素極15に対向する他方の平面上には、接合層16を介してインターコネクタ17が設けられ、その上に接触抵抗低減用のP型半導体層18が設けられている。燃料極13が図1のアノード72として機能し、酸素極15が図1のカソード71として機能する。   Next, specific configuration examples of the reformer 50, the combustion chamber 60, and the fuel battery cell 70 will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a partial perspective view including a cross section of the fuel battery cell 70. As shown in FIG. 2, the fuel battery cell 70 has an overall shape of a flat plate column. A plurality of fuel gas passages 12 penetrating along the axial direction (longitudinal direction) are formed in the conductive support 11 having gas permeability. A fuel electrode 13, a solid electrolyte 14, and an oxygen electrode 15 are laminated in this order on one plane on the outer peripheral surface of the conductive support 11. On the other plane facing the oxygen electrode 15, an interconnector 17 is provided via a bonding layer 16, and a P-type semiconductor layer 18 for reducing contact resistance is provided thereon. The fuel electrode 13 functions as the anode 72 in FIG. 1, and the oxygen electrode 15 functions as the cathode 71 in FIG.

燃料ガス通路12に水素を含む改質ガスが供給されることによって、燃料極13に水素が供給される。一方、燃料電池セル70の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極15に酸素が供給される。それにより、酸素極15及び燃料極13において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、600℃〜1000℃で行われる。
酸素極:1/2O+2e→O2−(固体電解質)
燃料極:O2−(固体電解質)+H→HO+2e
By supplying the reformed gas containing hydrogen to the fuel gas passage 12, hydrogen is supplied to the fuel electrode 13. On the other hand, oxygen is supplied to the oxygen electrode 15 by supplying an oxidant gas containing oxygen around the fuel cell 70. As a result, the following electrode reactions occur in the oxygen electrode 15 and the fuel electrode 13 to generate power. The power generation reaction is performed at 600 ° C. to 1000 ° C., for example.
Oxygen electrode: 1 / 2O 2 + 2e → O 2− (solid electrolyte)
Fuel electrode: O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e

酸素極15の材料は、耐酸化性を有し、気体の酸素が固体電解質14との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質14は、酸素極15から燃料極13へ酸素イオンO2−を移動させる機能を有する。固体電解質14は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質14は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化/還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。燃料極13は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有する材料によって構成される。インターコネクタ17は、燃料電池セル70同士を電気的に直列に接続するために設けられており、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。 The material of the oxygen electrode 15 has oxidation resistance and is porous so that gaseous oxygen can reach the interface with the solid electrolyte 14. The solid electrolyte 14 has a function of moving oxygen ions O 2− from the oxygen electrode 15 to the fuel electrode 13. The solid electrolyte 14 is composed of an oxygen ion conductive oxide. Further, since the solid electrolyte 14 physically separates the fuel gas and the oxidant gas, the solid electrolyte 14 is stable and dense in the oxidizing / reducing atmosphere. The fuel electrode 13 is made of a material that is stable in a reducing atmosphere and has an affinity for hydrogen. The interconnector 17 is provided to electrically connect the fuel cells 70 in series, and is dense to physically separate the fuel gas and the oxidant gas.

例えば、酸素極15は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質14は、イオン導電性の高いYを含有するZrO(YSZ)等によって形成される。燃料極13は、電子導電性の高いNiとYを含有するZrO(YSZ)との混合物等によって形成される。インターコネクタ17は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したLaCrO等によって形成される。これらの材料は、熱膨張率が近いものが好適である。 For example, the oxygen electrode 15 is formed of a lanthanum cobaltite-based perovskite complex oxide having high conductivity of both electrons and ions. The solid electrolyte 14 is formed of ZrO 2 (YSZ) containing Y 2 O 3 having high ion conductivity. The fuel electrode 13 is formed of a mixture of Ni having high electronic conductivity and ZrO 2 (YSZ) containing Y 2 O 3 . The interconnector 17 is made of LaCrO 3 or the like that has a high electronic conductivity and in which an alkaline earth oxide is dissolved. These materials are preferably close in thermal expansion coefficient.

図3(a)は、燃料電池スタック装置200を示す斜視図である。図3(b)は、燃料電池スタック装置200の酸化剤ガス導入部材210を抜粋して示す斜視図である。図3(a)に示すように、燃料電池スタック装置200においては、マニホールド220の上に、2組の燃料電池スタック230(燃料電池セル70)が、互いの積層方向が略並行になるように並列配置されている。燃料電池スタック230は、固体酸化物形の燃料電池セル70が複数枚積層された構造を有する。   FIG. 3A is a perspective view showing the fuel cell stack device 200. FIG. 3B is a perspective view showing the oxidant gas introduction member 210 of the fuel cell stack apparatus 200 extracted. As shown in FIG. 3A, in the fuel cell stack apparatus 200, two sets of fuel cell stacks 230 (fuel cell 70) are arranged on the manifold 220 so that their stacking directions are substantially parallel to each other. They are arranged in parallel. The fuel cell stack 230 has a structure in which a plurality of solid oxide fuel cells 70 are stacked.

図3(a)のマニホールド220には、各燃料電池セル70の燃料ガス通路12に連通する孔が形成されている。それにより、マニホールド220を流動する燃料ガスが燃料ガス通路12に流入する。改質器50は、燃料電池スタック230のマニホールド220と反対側に配置されている。例えば、改質器50は、一方の燃料電池スタック230の積層方向に延び、一端側で折り返し、他方の燃料電池スタック230の積層方向に延びる構造を有する。   In the manifold 220 in FIG. 3A, a hole communicating with the fuel gas passage 12 of each fuel cell 70 is formed. Thereby, the fuel gas flowing through the manifold 220 flows into the fuel gas passage 12. The reformer 50 is disposed on the opposite side of the manifold 220 of the fuel cell stack 230. For example, the reformer 50 has a structure that extends in the stacking direction of one fuel cell stack 230, is folded at one end, and extends in the stacking direction of the other fuel cell stack 230.

また、図3(b)に示すように、燃料電池スタック230同士の間には、酸化剤ガス導入部材210が配置されている。酸化剤ガス導入部材210には、酸化剤ガスが流動するための空間が形成されている。酸化剤ガス導入部材210のマニホールド220側端部には、孔211が形成されている。それにより、各燃料電池セル70の外側を酸化剤ガスが流動する。燃料電池セル70の燃料ガス通路12を燃料ガスが流動しかつ燃料電池セル70の外側を酸化剤ガスが流動することによって、燃料電池セル70において発電が行われる。   Further, as shown in FIG. 3B, an oxidant gas introduction member 210 is disposed between the fuel cell stacks 230. The oxidant gas introduction member 210 has a space for the oxidant gas to flow. A hole 211 is formed at the end of the oxidant gas introduction member 210 on the manifold 220 side. Thereby, the oxidant gas flows outside each fuel cell 70. Electric power is generated in the fuel cell 70 when the fuel gas flows through the fuel gas passage 12 of the fuel cell 70 and the oxidant gas flows outside the fuel cell 70.

燃料電池セル70において発電に供された後の燃料ガス(燃料オフガス)と発電に供された後の酸化剤ガス(酸化剤オフガス)とは、各燃料電池セル70のマニホールド220と反対側の端部において合流する。燃料オフガスには未燃の水素等の可燃物が含まれていることから、燃料オフガスは、酸化剤オフガスに含まれる酸素を利用して燃焼する。本例においては、燃焼室60は、燃料電池セル70(燃料電池スタック230)の上端と改質器50との間において燃料オフガスが燃焼する空間のことをいう。   The fuel gas (fuel off gas) after being used for power generation in the fuel cell 70 and the oxidant gas (oxidant off gas) after being used for power generation are the ends of the fuel cells 70 opposite to the manifold 220. Join at the part. Since the fuel off-gas contains a combustible material such as unburned hydrogen, the fuel off-gas burns using oxygen contained in the oxidant off-gas. In this example, the combustion chamber 60 refers to a space in which the fuel off-gas burns between the upper end of the fuel cell 70 (fuel cell stack 230) and the reformer 50.

改質器50の上流側が気化部51として機能し、改質器50の下流側が改質部52として機能する。図3(c)に示すように、改質器50に炭化水素等の原燃料および改質水が供給されると、気化部51においては、改質水が蒸発して水蒸気が発生し、発生した水蒸気と炭化水素等の原燃料とが混合される。改質部52においては、触媒を介して水蒸気と炭化水素等の原燃料とが水蒸気改質反応を起こして燃料ガスが生成される。   The upstream side of the reformer 50 functions as the vaporization unit 51, and the downstream side of the reformer 50 functions as the reforming unit 52. As shown in FIG. 3 (c), when raw fuel such as hydrocarbons and reformed water are supplied to the reformer 50, the reforming water evaporates and steam is generated in the vaporization section 51, which is generated. The steam and the raw fuel such as hydrocarbon are mixed. In the reforming unit 52, steam and raw fuel such as hydrocarbons undergo a steam reforming reaction via a catalyst to generate fuel gas.

続いて、図1〜図3を参照しつつ、燃料電池システム100の起動時の動作の概要を説明する。まず、酸化剤ガス供給部40は、制御部10の指示に従って、燃焼室60における燃焼に必要な酸化剤ガスを、燃料電池セル70のカソード71を経由して燃焼室60に供給する。次に、グロープラグ82は、制御部10の指示に従って、着火ヒータを加熱する。   Next, the outline of the operation at the time of starting the fuel cell system 100 will be described with reference to FIGS. First, the oxidant gas supply unit 40 supplies oxidant gas necessary for combustion in the combustion chamber 60 to the combustion chamber 60 via the cathode 71 of the fuel cell 70 in accordance with an instruction from the control unit 10. Next, the glow plug 82 heats the ignition heater according to the instruction of the control unit 10.

着火ヒータの加熱後、原燃料供給部20は、制御部10の指示に従って、燃焼室60における燃焼に必要な原燃料ガスを、燃料電池セル70のアノード72を経由して燃焼室60に供給する。それにより、着火ヒータ近傍において、原燃料ガスが酸化剤ガスの酸素を利用して燃焼する。その結果、着火ヒータを基点として燃焼室60の全体に火炎が広がる。制御部10は、温度センサ81の検出結果に基づいて、改質部52の改質触媒温度を推定する。改質触媒の推定温度が水蒸気改質反応可能温度に到達した後、改質水ポンプ32は、制御部10の指示に従って改質水の供給を開始する。それにより、改質器50の改質部52は、燃焼室60で発生する熱を利用した改質反応によって燃料ガスと改質水とから、水素を含む燃料ガスを生成する。燃料ガスは、燃料電池セル70のアノード72に供給される。それにより、燃料電池セル70において発電が開始される。   After heating the ignition heater, the raw fuel supply unit 20 supplies the raw fuel gas necessary for combustion in the combustion chamber 60 to the combustion chamber 60 via the anode 72 of the fuel cell 70 in accordance with an instruction from the control unit 10. . Thereby, in the vicinity of the ignition heater, the raw fuel gas is burned using oxygen of the oxidant gas. As a result, the flame spreads over the entire combustion chamber 60 with the ignition heater as a base point. The control unit 10 estimates the reforming catalyst temperature of the reforming unit 52 based on the detection result of the temperature sensor 81. After the estimated temperature of the reforming catalyst reaches the steam reforming reaction possible temperature, the reforming water pump 32 starts supplying reforming water according to the instruction of the control unit 10. Thereby, the reforming unit 52 of the reformer 50 generates a fuel gas containing hydrogen from the fuel gas and the reformed water by a reforming reaction using heat generated in the combustion chamber 60. The fuel gas is supplied to the anode 72 of the fuel battery cell 70. Thereby, power generation is started in the fuel cell 70.

続いて、燃料電池システム100の通常発電時の動作の概要を説明する。原燃料供給部20は、制御部10の指示に従って必要量の原燃料ガスを改質器50に供給する。改質水ポンプ32は、制御部10の指示に従って必要量の改質水を改質器50に供給する。改質器50において生成された燃料ガスは、燃料電池セル70のアノード72に供給される。   Next, an outline of the operation of the fuel cell system 100 during normal power generation will be described. The raw fuel supply unit 20 supplies a required amount of raw fuel gas to the reformer 50 in accordance with instructions from the control unit 10. The reforming water pump 32 supplies a necessary amount of reforming water to the reformer 50 in accordance with instructions from the control unit 10. The fuel gas generated in the reformer 50 is supplied to the anode 72 of the fuel cell 70.

酸化剤ガス供給部40は、制御部10の指示に従って必要量の酸化剤ガスを燃料電池セル70のカソード71に供給する。それにより、燃料電池セル70において発電が継続される。カソード71から排出された酸化剤オフガスおよびアノード72から排出された燃料オフガスは、燃焼室60に流入する。燃焼室60においては、燃料オフガスが酸化剤オフガス中の酸素によって燃焼する。燃焼によって得られた熱は、改質器50および燃料電池セル70に与えられる。このように、燃料電池システム100においては、燃料オフガス中に含まれる水素、一酸化炭素等の可燃成分を燃焼室60において燃焼させることができる。   The oxidant gas supply unit 40 supplies a necessary amount of oxidant gas to the cathode 71 of the fuel cell 70 in accordance with instructions from the control unit 10. Thereby, power generation is continued in the fuel cell 70. The oxidant off-gas discharged from the cathode 71 and the fuel off-gas discharged from the anode 72 flow into the combustion chamber 60. In the combustion chamber 60, the fuel off-gas burns with oxygen in the oxidant off-gas. The heat obtained by the combustion is given to the reformer 50 and the fuel cell 70. Thus, in the fuel cell system 100, combustible components such as hydrogen and carbon monoxide contained in the fuel off-gas can be burned in the combustion chamber 60.

熱交換器90は、燃焼室60から排出された排気ガスと熱交換器90内を流れる水道水との間で熱交換する。熱交換によって排気ガスから得られた凝縮水は、改質水タンク31に貯蔵される。温度センサ81は、燃焼室60の内部の温度を検知し、その結果を制御部10に与える。制御部10は、温度センサ81の結果に応じて、原燃料供給部20、改質水供給部30、および酸化剤ガス供給部40の少なくともいずれか1つを制御する。   The heat exchanger 90 exchanges heat between the exhaust gas discharged from the combustion chamber 60 and tap water flowing in the heat exchanger 90. Condensed water obtained from the exhaust gas by heat exchange is stored in the reformed water tank 31. The temperature sensor 81 detects the temperature inside the combustion chamber 60 and gives the result to the control unit 10. The control unit 10 controls at least one of the raw fuel supply unit 20, the reforming water supply unit 30, and the oxidant gas supply unit 40 according to the result of the temperature sensor 81.

ここで、改質部52への改質水の供給量について述べる。改質部52への改質水の供給量が過小になると、水蒸気に対して原燃料中のカーボン量が過剰になる。この場合、改質部52においてカーボンが析出しやすくなる。それにより、改質部52の改質機能が劣化する。一方で、改質部52への改質水の供給量が過剰になると、原燃料中のカーボン量に対して水蒸気量が過剰になる。この場合、改質部52の温度が低下する。それにより、改質効率が低下する。以上のことから、改質部52への改質水の供給量には適正な範囲が存在し、その範囲に改質水の供給量を制御することによって改質部52における改質効率低下を抑制することができる。適正な改質水量は、改質器50内の温度から得ることができる。この改質器50内の温度は、例えば、燃焼室60の温度から間接的に取得することができる。   Here, the amount of reforming water supplied to the reforming section 52 will be described. When the supply amount of the reforming water to the reforming unit 52 becomes too small, the amount of carbon in the raw fuel becomes excessive with respect to the water vapor. In this case, carbon is easily deposited in the reforming part 52. Thereby, the reforming function of the reforming unit 52 is deteriorated. On the other hand, if the amount of reforming water supplied to the reforming section 52 becomes excessive, the amount of water vapor becomes excessive with respect to the amount of carbon in the raw fuel. In this case, the temperature of the reforming unit 52 decreases. Thereby, the reforming efficiency is lowered. From the above, there is an appropriate range for the amount of reforming water supplied to the reforming section 52, and the reforming efficiency in the reforming section 52 is reduced by controlling the amount of reforming water supplied within that range. Can be suppressed. An appropriate amount of reforming water can be obtained from the temperature in the reformer 50. The temperature in the reformer 50 can be indirectly obtained from the temperature of the combustion chamber 60, for example.

しかしながら、燃焼室60の温度は、複数の要因で決定される。例えば、燃焼室60の温度は、改質水の気化部51における気化潜熱熱量、改質部52における水蒸気改質による吸熱反応熱量、燃焼室60における燃料オフガスの燃焼熱量、燃焼室60における燃焼効率、燃料電池セル70への供給熱量、燃料電池システム100の外部への放熱熱量等の要因が重畳して決定される。したがって、改質器50への改質水の供給量が過小または過剰であることは、燃焼室60内の温度変化からは検出しにくい。   However, the temperature of the combustion chamber 60 is determined by a plurality of factors. For example, the temperature of the combustion chamber 60 is the amount of latent heat of vaporization in the vaporizing section 51 of reformed water, the amount of endothermic reaction heat by steam reforming in the reforming section 52, the amount of combustion heat of the fuel off-gas in the combustion chamber 60, and the combustion efficiency in the combustion chamber 60. Factors such as the amount of heat supplied to the fuel cell 70 and the amount of heat radiated to the outside of the fuel cell system 100 are determined in a superimposed manner. Therefore, it is difficult to detect from the temperature change in the combustion chamber 60 that the amount of reforming water supplied to the reformer 50 is too small or excessive.

図4は、改質水の供給を開始して改質水供給量をS/C比=2.5で一定に保つ場合の、燃焼室60の温度変化を示す図である。図4において、横軸は燃焼室60における燃焼開始後の時間経過を示し、縦軸は燃焼室60の内部の温度を示す。なお、S/C比の「S」は改質水ポンプ32によって供給される改質水のモル数を示し、「C」は原燃料供給部20によって供給される原燃料中の炭素のモル数を示す。   FIG. 4 is a diagram showing a temperature change of the combustion chamber 60 when supply of the reforming water is started and the reforming water supply amount is kept constant at S / C ratio = 2.5. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the time elapsed after the start of combustion in the combustion chamber 60, and the vertical axis indicates the temperature inside the combustion chamber 60. The S / C ratio “S” indicates the number of moles of reforming water supplied by the reforming water pump 32, and “C” indicates the number of moles of carbon in the raw fuel supplied by the raw fuel supply unit 20. Indicates.

図4に示すように、燃焼開始によって燃焼室60の温度が上昇していく。しかしながら、改質水の供給が開始されると、燃焼室60の温度は、一時的に低下してその後上昇する。この温度変化の要因は上記のように多岐にわたることから、図4の温度変化からは、改質水供給量の過小または過剰は検出しにくい。   As shown in FIG. 4, the temperature of the combustion chamber 60 increases with the start of combustion. However, when the supply of the reforming water is started, the temperature of the combustion chamber 60 temporarily decreases and then increases. Since the factors of this temperature change are diverse as described above, it is difficult to detect whether the reforming water supply amount is too small or excessive from the temperature change of FIG.

そこで、本例においては、改質水ポンプ32による改質水供給開始後、S/C比を徐々に増加させることによって、上記の温度変化の要因を分離する。具体的には、S/C比を徐増させることによって、改質水の気化潜熱熱量および水蒸気改質反応の吸熱熱量の急増を抑制することができる。なお、S/C比は、改質水ポンプ32への制御値と原燃料供給部20への制御値とから算出することができる。   Therefore, in this example, after the reforming water supply by the reforming water pump 32 is started, the S / C ratio is gradually increased to separate the factors of the temperature change. Specifically, by gradually increasing the S / C ratio, it is possible to suppress a rapid increase in the latent heat of vaporization of reformed water and the endothermic heat of the steam reforming reaction. The S / C ratio can be calculated from the control value for the reforming water pump 32 and the control value for the raw fuel supply unit 20.

図5は、S/C比を徐々に増加させた場合の燃焼室60の温度および燃焼室60の温度の微分値を示す図である。図5において、横軸は時間を示し、左側の縦軸は燃焼室60の温度を示し、右側の縦軸はS/C比および燃焼室60の温度の微分値を示す。図5では、S/C比の増加速度を一例として0.25[S/C]/60秒に設定してある。   FIG. 5 is a diagram showing the differential value of the temperature of the combustion chamber 60 and the temperature of the combustion chamber 60 when the S / C ratio is gradually increased. In FIG. 5, the horizontal axis indicates time, the left vertical axis indicates the temperature of the combustion chamber 60, and the right vertical axis indicates the differential value of the S / C ratio and the temperature of the combustion chamber 60. In FIG. 5, the increase rate of the S / C ratio is set to 0.25 [S / C] / 60 seconds as an example.

図5に示すように、S/C比が過小で水蒸気改質反応が改質水不足の状態で進行すると、改質水の気化潜熱熱量および水蒸気改質反応の吸熱熱量は少ない。一方で、燃料オフガスの燃焼熱量は増加するので、燃焼室60の温度は上昇する。   As shown in FIG. 5, when the S / C ratio is too small and the steam reforming reaction proceeds in a state where the reforming water is insufficient, the latent heat of vaporization of the reforming water and the endothermic heat of the steam reforming reaction are small. On the other hand, since the amount of combustion heat of the fuel off gas increases, the temperature of the combustion chamber 60 rises.

S/C比が増加すると、改質水の気化潜熱熱量および水蒸気改質反応の吸熱熱量が増加し、水蒸気改質反応の吸熱熱量および改質水の気化潜熱熱量と燃料オフガスの燃焼熱量とが拮抗する。それにより、燃焼室60の温度上昇が停止する。この状態では、改質部52への改質水の供給量は過小でも過剰でもなくなる。それにより、改質部52におけるカーボン析出を抑制することができる。また、熱量損失の少ない制御が実現される。   When the S / C ratio increases, the amount of latent heat of vaporization of reformed water and the amount of endothermic heat of the steam reforming reaction increase. Antagonize. Thereby, the temperature rise of the combustion chamber 60 stops. In this state, the supply amount of the reforming water to the reforming unit 52 is neither too small nor excessive. Thereby, carbon deposition in the reforming part 52 can be suppressed. In addition, control with less heat loss is realized.

さらにS/C比が増加すると、水蒸気改質反応の吸熱熱量および改質水の気化潜熱熱量が燃料オフガスの燃焼熱量に比較して多くなる。それにより、燃焼室60の温度は低下する。その後、S/C比を適当量で収束させると、燃焼室60の温度は、燃焼室60における燃焼熱量と放熱量との拮抗点まで再度上昇していく。   When the S / C ratio is further increased, the endothermic heat amount of the steam reforming reaction and the latent heat of vaporization of the reformed water are increased as compared with the combustion heat amount of the fuel offgas. Thereby, the temperature of the combustion chamber 60 falls. Thereafter, when the S / C ratio is converged by an appropriate amount, the temperature of the combustion chamber 60 rises again to an antagonistic point between the combustion heat amount and the heat radiation amount in the combustion chamber 60.

本例においては、S/C比を徐増させた場合に燃焼室60の温度の上昇が正から負になる場合のS/C比を最適S/C比とし、最適S/C比を制御目標値として改質水供給量および原燃料ガス供給量を制御することによって、改質部52におけるカーボン析出を抑制できるとともに、熱量損失の少ない制御を実現することができる。このように、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに、原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。   In this example, when the S / C ratio is gradually increased, the S / C ratio when the temperature rise of the combustion chamber 60 changes from positive to negative is set as the optimal S / C ratio, and the optimal S / C ratio is controlled. By controlling the reforming water supply amount and the raw fuel gas supply amount as the target values, it is possible to suppress carbon deposition in the reforming section 52 and to realize control with less heat loss. As described above, the supply amounts of the raw fuel and the reforming water can be optimized and controlled without using a detector such as a flow meter for detecting the water flow rate.

なお、最適S/C比として求めた値が最適値から変動することがある。例えば、燃料電池システム100内に原燃料ガス分配変化、酸化剤ガス分配変化、改質水分配変化、改質触媒性能劣化、各種機器のばらつき、経年変化等が生じた場合に、最適S/C比として求めた値が最適値から変動することがある。しかしながら、S/C比を徐増させた場合に燃焼室60の温度の上昇が正から負になる場合のS/C比を最適S/C比として再度取得することによって、最適値を更新することができる。   Note that the value obtained as the optimum S / C ratio may vary from the optimum value. For example, when the raw fuel gas distribution change, the oxidant gas distribution change, the reforming water distribution change, the reforming catalyst performance deterioration, the variation of various devices, the secular change, etc. occur in the fuel cell system 100, the optimum S / C The value obtained as the ratio may vary from the optimum value. However, when the S / C ratio is gradually increased, the optimum value is updated by acquiring again the S / C ratio when the temperature increase of the combustion chamber 60 changes from positive to negative as the optimum S / C ratio. be able to.

例えば、燃料電池システム100の起動時に最適S/C比を検出することによって、燃料電池システム100の起動ごとにS/C比を最適化することができる。また、起動後においても、所定の時間周期でS/C比を低い値から徐増させて最適S/C比を検出することによって、燃料電池システム100の各種機器の経年変化に関わらずS/C比を最適化することができる。   For example, by detecting the optimum S / C ratio when the fuel cell system 100 is activated, the S / C ratio can be optimized every time the fuel cell system 100 is activated. Further, even after startup, the S / C ratio is gradually increased from a low value at a predetermined time period to detect the optimum S / C ratio, so that the S / C regardless of the secular change of various devices of the fuel cell system 100. The C ratio can be optimized.

なお、燃焼室60の温度微分値を用いることによって、最適S/C比を検出しやすくなる。具体的には、燃焼室60の温度微分値がプラスからマイナスに転じる場合のS/C比を最適S/C比として検出することができる。また、S/C比を徐増させる過程において一時的にカーボンが析出することも考えられるが、最適S/C比を得た後で、改質触媒が失活しない状態で改質水を供給することによって析出カーボンを酸化させることができる。   In addition, it becomes easy to detect the optimal S / C ratio by using the temperature differential value of the combustion chamber 60. Specifically, the S / C ratio when the temperature differential value of the combustion chamber 60 changes from positive to negative can be detected as the optimum S / C ratio. In addition, carbon may be temporarily deposited in the process of gradually increasing the S / C ratio, but after obtaining the optimum S / C ratio, the reforming water is supplied in a state where the reforming catalyst is not deactivated. By doing so, the deposited carbon can be oxidized.

図6は、燃料電池セル70の起動時に最適S/C比を検出する際に実行されるフローチャートの一例を示す図である。図6に示すように、まず、制御部10は、燃焼室60における燃焼に必要な酸化剤ガスが燃料電池セル70のカソード71を経由して燃焼室60に供給されるように、酸化剤ガス供給部40を制御する(ステップS1)。次に、制御部10は、グロープラグ82の着火ヒータが加熱されるように、グロープラグ82を制御する(ステップS2)。   FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a flowchart executed when the optimum S / C ratio is detected when the fuel cell 70 is activated. As shown in FIG. 6, first, the control unit 10 causes the oxidant gas so that the oxidant gas necessary for combustion in the combustion chamber 60 is supplied to the combustion chamber 60 via the cathode 71 of the fuel cell 70. The supply unit 40 is controlled (step S1). Next, the control unit 10 controls the glow plug 82 so that the ignition heater of the glow plug 82 is heated (step S2).

着火ヒータの加熱後、制御部10は、燃焼室60における燃焼に必要な原燃料ガスが燃料電池セル70のアノード72を経由して燃焼室60に供給されるように、原燃料供給部20を制御する(ステップS3)。それにより、着火ヒータ近傍において、原燃料ガスが酸化剤ガスの酸素を利用して燃焼する。その結果、着火ヒータを基点として燃焼室60の全体に火炎が広がる。   After heating the ignition heater, the control unit 10 controls the raw fuel supply unit 20 so that the raw fuel gas necessary for combustion in the combustion chamber 60 is supplied to the combustion chamber 60 via the anode 72 of the fuel cell 70. Control (step S3). Thereby, in the vicinity of the ignition heater, the raw fuel gas is burned using oxygen of the oxidant gas. As a result, the flame spreads over the entire combustion chamber 60 with the ignition heater as a base point.

制御部10は、温度センサ81の検出結果を取得して、その検出結果に基づいて改質部52の改質触媒温度を推定する(ステップS4)。改質触媒の推定温度が水蒸気改質反応可能温度に到達した後、改質水ポンプ32は、制御部10の指示に従って改質水の供給を開始する(ステップS5)。それにより、改質器50の改質部52は、燃焼室60で発生する熱を利用した改質反応によって燃料ガスと改質水とから、水素を含む燃料ガスを生成する。燃料ガスは、燃料電池セル70のアノード72に供給される。それにより、燃料電池セル70において発電が開始される。   The control unit 10 acquires the detection result of the temperature sensor 81, and estimates the reforming catalyst temperature of the reforming unit 52 based on the detection result (step S4). After the estimated temperature of the reforming catalyst reaches the steam reforming reaction possible temperature, the reforming water pump 32 starts supplying reforming water according to the instruction of the control unit 10 (step S5). Thereby, the reforming unit 52 of the reformer 50 generates a fuel gas containing hydrogen from the fuel gas and the reformed water by a reforming reaction using heat generated in the combustion chamber 60. The fuel gas is supplied to the anode 72 of the fuel battery cell 70. Thereby, power generation is started in the fuel cell 70.

次に、制御部10は、S/C比を徐々に増加させる(ステップS6)。次いで、制御部10は、温度センサ81の検出結果を取得して、その微分値Dがプラスからマイナスに転じたか否かを判定する(ステップS7)。ステップS7において微分値がプラスからマイナスに転じたと判定されなかった場合、制御部10は、ステップS6を再度実行する。   Next, the control unit 10 gradually increases the S / C ratio (step S6). Next, the control unit 10 acquires the detection result of the temperature sensor 81 and determines whether or not the differential value D has changed from positive to negative (step S7). If it is not determined in step S7 that the differential value has changed from positive to negative, the control unit 10 executes step S6 again.

ステップS7において微分値Dがプラスからマイナスに転じたと判定された場合、制御部10は、現時点のS/C比を最適S/C比に設定する(ステップS8)。次に、制御部10は、S/C比が最適S/Cになるように改質水ポンプ32および原燃料供給部20を制御する(ステップS9)。その後、制御部10は、フローチャートの実行を終了する。   When it is determined in step S7 that the differential value D has changed from plus to minus, the control unit 10 sets the current S / C ratio to the optimum S / C ratio (step S8). Next, the control unit 10 controls the reforming water pump 32 and the raw fuel supply unit 20 so that the S / C ratio becomes the optimum S / C (step S9). Thereafter, the control unit 10 ends the execution of the flowchart.

図6のフローチャートによれば、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに、原燃料および改質水の供給量を最適化することができる。   According to the flowchart of FIG. 6, the supply amounts of raw fuel and reformed water can be optimized without using a detector such as a flow meter that detects the water flow rate.

なお、本実施例においては、S/C比を徐増させた場合に燃焼室60の温度の上昇が正から負になる場合のS/C比を最適S/C比としているが、それに限られない。例えば、S/C比を徐増させた場合に燃焼室60の温度の上昇が正から負になる場合のS/C比に基づいて、最適S/C比を導き出してもよい。具体的には、S/C比を徐増させた場合に燃焼室60の温度の上昇が正から負になる場合のS/C比に所定のオフセットを持たせた値を最適S/C比としてもよい。   In the present embodiment, when the S / C ratio is gradually increased, the S / C ratio when the temperature rise of the combustion chamber 60 changes from positive to negative is set as the optimum S / C ratio. I can't. For example, the optimum S / C ratio may be derived based on the S / C ratio when the temperature increase of the combustion chamber 60 changes from positive to negative when the S / C ratio is gradually increased. Specifically, when the S / C ratio is gradually increased, a value obtained by giving a predetermined offset to the S / C ratio when the temperature increase of the combustion chamber 60 changes from positive to negative is the optimum S / C ratio. It is good.

(例2)
図7は、例2に係る燃料電池システム100aの全体構成を示す模式図である。図7に示すように、燃料電池システム100aにおいては、温度センサ81は、燃焼室60内ではなく改質器50内に配置されている。この構成によれば、温度センサ81は、改質器50内の温度を直接検出することができる。
(Example 2)
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of the fuel cell system 100a according to the second example. As shown in FIG. 7, in the fuel cell system 100 a, the temperature sensor 81 is disposed not in the combustion chamber 60 but in the reformer 50. According to this configuration, the temperature sensor 81 can directly detect the temperature in the reformer 50.

本実施例においても、S/C比を徐増させた場合に温度センサ81が検出する温度の上昇が正から負になる場合のS/C比に基づいて最適S/C比を取得とし、最適S/C比を制御目標値として改質水供給量および原燃料ガス供給量を制御することによって、改質部52におけるカーボン析出を抑制できるとともに、熱量損失の少ない制御を実現することができる。このように、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに、原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。   Also in this embodiment, when the S / C ratio is gradually increased, the optimum S / C ratio is obtained based on the S / C ratio when the temperature increase detected by the temperature sensor 81 changes from positive to negative. By controlling the reforming water supply amount and the raw fuel gas supply amount with the optimum S / C ratio as the control target value, it is possible to suppress carbon deposition in the reforming section 52 and realize control with less heat loss. . As described above, the supply amounts of the raw fuel and the reforming water can be optimized and controlled without using a detector such as a flow meter for detecting the water flow rate.

なお、改質器50の気化部51において改質水が気化するため、改質部52よりも気化部51において改質水の気化潜熱が影響しやすい。したがって、温度センサ81は、気化部51内に配置されていることが好ましい。   In addition, since reforming water vaporizes in the vaporization part 51 of the reformer 50, the latent heat of vaporization of reforming water is more likely to affect the vaporization part 51 than the reforming part 52. Therefore, the temperature sensor 81 is preferably disposed in the vaporization unit 51.

また、燃焼室60内のガスの熱容量に比較して、改質器50の熱容量は大きい。そのため、S/C比変化に起因する温度変化は、改質器50に比較して燃焼室60において大きくなる。したがって、改質器50内の温度を直接検出するよりも、燃焼室60の温度を通じて改質器50内の温度を間接的に検出する方が、温度変化を検出しやすい。以上のことから、燃焼室60内に温度センサ81を配置することがより好ましい。   Further, the heat capacity of the reformer 50 is larger than the heat capacity of the gas in the combustion chamber 60. Therefore, the temperature change due to the S / C ratio change is larger in the combustion chamber 60 than in the reformer 50. Therefore, it is easier to detect the temperature change if the temperature in the reformer 50 is indirectly detected through the temperature of the combustion chamber 60 than the temperature in the reformer 50 is directly detected. From the above, it is more preferable to arrange the temperature sensor 81 in the combustion chamber 60.

なお、上記各例は、固体高分子形、固体酸化物形、炭酸溶融塩形等の他のいずれのタイプの燃料電池にも適用可能である。   Each of the above examples can be applied to any other type of fuel cell such as a solid polymer type, a solid oxide type, or a carbonated molten salt type.

10 制御部
20 原燃料供給部
30 改質水供給部
31 改質水タンク
32 改質水ポンプ
40 酸化剤ガス供給部
50 改質器
51 気化部
52 改質部
60 燃焼室
70 燃料電池
71 カソード
72 アノード
73 電解質
81 温度センサ
82 グロープラグ
90 熱交換器
100 燃料電池システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Control part 20 Raw fuel supply part 30 Reformed water supply part 31 Reformed water tank 32 Reformed water pump 40 Oxidant gas supply part 50 Reformer 51 Vaporizer 52 Reformer 60 Combustion chamber 70 Fuel cell 71 Cathode 72 Anode 73 Electrolyte 81 Temperature sensor 82 Glow plug 90 Heat exchanger 100 Fuel cell system

Claims (12)

水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、
酸化剤ガスと前記改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼室と、
前記改質器の温度を直接的または間接的に検出する温度センサと、
前記改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させた場合に前記温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の前記供給量比に基づいて、前記供給量比を制御することを特徴とする燃料電池システム。
A reformer that generates fuel gas by a steam reforming reaction;
A fuel battery cell that generates electricity with an oxidant gas and the fuel gas generated by the reformer;
A combustion chamber for heating the reformer by burning fuel off-gas of the fuel cell;
A temperature sensor for directly or indirectly detecting the temperature of the reformer;
A control unit that controls the ratio of the supply amount of reforming water to the raw fuel to the reformer,
The control unit is based on the supply amount ratio when the detected temperature rise of the temperature sensor changes from positive to negative when the ratio of the supply amount of the reforming water to the supply amount of the raw fuel is increased. A fuel cell system that controls the supply amount ratio.
前記温度センサは、前記燃焼室内に配置されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the temperature sensor is disposed in the combustion chamber. 前記制御部は、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させた場合に前記温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の前記供給量比を制御目標値とすることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池システム。   When the ratio of the reforming water supply amount to the raw fuel supply amount is increased, the control unit determines the supply amount ratio when the temperature increase detected by the temperature sensor changes from positive to negative. The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein 前記制御部は、前記燃料電池セルの起動時に、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させて前記温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の前記供給量比を求めることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池システム。   The control unit increases the ratio of the supply amount of the reforming water to the supply amount of the raw fuel when the fuel cell is started up, and the supply when the temperature rise detected by the temperature sensor changes from positive to negative. The fuel cell system according to claim 1, wherein a quantitative ratio is obtained. 前記制御部は、所定の時間周期で、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させて前記温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の前記供給量比を求めることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池システム。   The control unit increases the ratio of the supply amount of the reforming water to the supply amount of the raw fuel in a predetermined time period, and the supply amount ratio when the temperature rise detected by the temperature sensor changes from positive to negative. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein: 水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、
酸化剤ガスと前記改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼室と、
前記燃焼室内の温度を検出する温度センサと、
前記改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させた場合に前記温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の前記供給量比に基づいて、前記供給量比を制御することを特徴とする燃料電池システム。
A reformer that generates fuel gas by a steam reforming reaction;
A fuel battery cell that generates electricity with an oxidant gas and the fuel gas generated by the reformer;
A combustion chamber for heating the reformer by burning fuel off-gas of the fuel cell;
A temperature sensor for detecting the temperature in the combustion chamber;
A control unit that controls the ratio of the supply amount of reforming water to the raw fuel to the reformer,
The control unit is based on the supply amount ratio when the detected temperature rise of the temperature sensor changes from positive to negative when the ratio of the supply amount of the reforming water to the supply amount of the raw fuel is increased. A fuel cell system that controls the supply amount ratio.
水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、酸化剤ガスと前記改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、前記燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼室と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記改質器の温度を直接的または間接的に検出する温度検出ステップと、
前記改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を増加させた場合に前記温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の前記供給量比に基づいて前記供給量比を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
A reformer that generates fuel gas by a steam reforming reaction; a fuel battery cell that generates electric power using an oxidant gas and the fuel gas generated by the reformer; A fuel cell system comprising: a combustion chamber for heating the reformer;
A temperature detection step for directly or indirectly detecting the temperature of the reformer;
The supply based on the supply amount ratio when the temperature increase detected in the temperature detection step changes from positive to negative when the supply amount ratio of reforming water to raw fuel to the reformer is increased. A control step for controlling the quantity ratio, and a method for operating the fuel cell system.
前記温度検出ステップは、前記燃焼室内の温度を検出するステップであることを特徴とする請求項7記載の燃料電池システムの運転方法。   8. The method of operating a fuel cell system according to claim 7, wherein the temperature detecting step is a step of detecting a temperature in the combustion chamber. 前記制御ステップは、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させた場合に前記温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の前記供給量比を制御目標値とするステップであることを特徴とする請求項7または8記載の燃料電池システムの運転方法。   In the control step, when the ratio of the supply amount of the reforming water to the supply amount of the raw fuel is increased, the supply amount ratio when the temperature increase detected in the temperature detection step changes from positive to negative. 9. The method for operating a fuel cell system according to claim 7, wherein the control target value is a step. 前記制御ステップは、前記燃料電池セルの起動時に、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させて前記温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の前記供給量比を求めるステップであることを特徴とする請求項7〜9のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。   In the control step, the ratio of the supply amount of the reforming water to the supply amount of the raw fuel is increased at the start-up of the fuel battery cell, and the temperature rise detected in the temperature detection step is changed from positive to negative. The operation method of the fuel cell system according to claim 7, wherein the supply amount ratio is obtained in a case. 前記制御ステップは、所定の時間周期で、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させて前記温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の前記供給量比を求めるステップであることを特徴とする請求項7〜9のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。   In the control step, the ratio of the supply amount of the reforming water to the supply amount of the raw fuel is increased at a predetermined time period, and the temperature increase detected in the temperature detection step is changed from positive to negative. The method for operating a fuel cell system according to any one of claims 7 to 9, wherein the supply amount ratio is obtained. 水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、酸化剤ガスと前記改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、前記燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼室と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記燃焼室内の温度を検出する温度検出ステップと、
前記改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を増加させた場合に前記温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の前記供給量比に基づいて前記供給量比を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
A reformer that generates fuel gas by a steam reforming reaction; a fuel battery cell that generates electric power using an oxidant gas and the fuel gas generated by the reformer; A fuel cell system comprising: a combustion chamber for heating the reformer;
A temperature detecting step for detecting a temperature in the combustion chamber;
The supply based on the supply amount ratio when the temperature increase detected in the temperature detection step changes from positive to negative when the supply amount ratio of reforming water to raw fuel to the reformer is increased. A control step for controlling the quantity ratio, and a method for operating the fuel cell system.
JP2009231903A 2009-10-05 2009-10-05 FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING FUEL CELL SYSTEM Expired - Fee Related JP5299207B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009231903A JP5299207B2 (en) 2009-10-05 2009-10-05 FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING FUEL CELL SYSTEM

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009231903A JP5299207B2 (en) 2009-10-05 2009-10-05 FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING FUEL CELL SYSTEM

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2011081972A JP2011081972A (en) 2011-04-21
JP5299207B2 true JP5299207B2 (en) 2013-09-25

Family

ID=44075834

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009231903A Expired - Fee Related JP5299207B2 (en) 2009-10-05 2009-10-05 FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING FUEL CELL SYSTEM

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5299207B2 (en)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004006093A (en) * 2002-05-31 2004-01-08 Ebara Ballard Corp Fuel treating equipment and fuel cell power generation system
JP2006302881A (en) * 2005-03-25 2006-11-02 Kyocera Corp Fuel cell assembly
JP2009084135A (en) * 2007-10-03 2009-04-23 Corona Corp Fuel processor, driving method therefor, and fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
JP2011081972A (en) 2011-04-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5763405B2 (en) Fuel cell system
US10396377B2 (en) Fuel cell device
JP4750374B2 (en) Operation method of fuel cell structure
US20130084510A1 (en) Fuel cell system, control method for fuel cell system, and degradation determining method for fuel cell stack
JP4707023B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP4745618B2 (en) Operation method of fuel cell structure
JP2011044290A (en) Fuel cell system and method for operating the same
JP2004335163A (en) Solid oxide type fuel cell and its operation method
JP4736309B2 (en) Preheating method at the start of operation of solid oxide fuel cell
JP2011076941A (en) Solid oxide fuel cell
JP2007080761A (en) Fuel cell and its starting method
JP5248194B2 (en) Solid oxide fuel cell and starting method thereof
JP7162170B2 (en) Solid oxide fuel cell system
JP5002025B2 (en) Fuel reforming system and control method of fuel reforming system
JP5435191B2 (en) Fuel cell module and fuel cell including the same
JP5299207B2 (en) FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING FUEL CELL SYSTEM
JP5659975B2 (en) FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM
JP2010238433A (en) Fuel battery module
JP6185312B2 (en) Fuel cell
JP6169917B2 (en) Fuel cell
JP2011076942A (en) Solid oxide fuel cell
JP2010257823A (en) Combustion device of fuel cell system
JP5552380B2 (en) Power generator
JP2010257743A (en) Fuel cell system
JP2009081112A (en) Operation method of fuel cell power generation device and fuel cell power generation device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20120120

TRDD Decision of grant or rejection written
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130515

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130521

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130603

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees