JP5348401B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池セルを含む燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system including fuel cells.

従来から、燃料電池の一種として、固体電解質形燃料電池(以下、SOFCともいう)がある。この燃料電池セルを含む燃料電池システムとしては、例えば、燃料電池セルを無底又は有底の筒形状等に構成し、その内側又は外側に水素を含む燃料ガスを通すと共に、反対側には酸化剤ガス(空気)を通すことで発電反応を行わせるものが知られている。前記燃料ガスの供給源としては、通常、都市ガス等の被改質ガスが使用されるため、改質器によって水蒸気改質反応(SR:Steam Reforming)を起こさせて水素リッチな燃料ガスを得ている。   Conventionally, there is a solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as SOFC) as a kind of fuel cell. As a fuel cell system including this fuel cell, for example, the fuel cell is formed into a bottomed or bottomed cylindrical shape and the like, and a fuel gas containing hydrogen is passed inside or outside thereof, and oxidation is performed on the opposite side. What makes an electric power generation reaction by passing agent gas (air) is known. As the fuel gas supply source, a gas to be reformed such as city gas is usually used. Therefore, a steam reforming reaction (SR: Steam Reforming) is caused by a reformer to obtain a hydrogen-rich fuel gas. ing.

このような燃料電池セルを含む燃料電池システムの運転に伴う問題として、起動当初(運転開始期)及び運転停止期における燃料電池セルの酸化が挙げられる。また、前記水蒸気改質反応(SR)は、吸熱反応であるから、燃料電池システムの起動当初において即座に水蒸気改質反応(SR)を行わせてしまうと、燃料電池モジュールの温度が上がらず、安定した運転温度まで上昇しないことも知られている。そこで、起動当初は、改質器に空気と被改質ガスのみを送り込み、発熱反応としての部分酸化改質反応(POX:Partial Oxidation Reforming)を行わせ、燃料電池セルの加熱が進み、発電温度である700℃程度に達した際に水蒸気改質反応(SR)に切り替え、運転停止期は、水蒸気改質反応(SR)から部分酸化改質反応(POX)に切り替えて、燃料電池セルの酸化防止を行う運転方法が行われている。(例えば、特許文献1参照)。   As a problem associated with the operation of the fuel cell system including such a fuel cell, oxidation of the fuel cell in the initial start (operation start period) and the operation stop period can be cited. Further, since the steam reforming reaction (SR) is an endothermic reaction, if the steam reforming reaction (SR) is performed immediately at the beginning of the start of the fuel cell system, the temperature of the fuel cell module does not rise, It is also known that it does not rise to a stable operating temperature. Therefore, at the beginning of startup, only the air and the gas to be reformed are sent to the reformer, and a partial oxidation reforming reaction (POX: Partial Oxidation Reforming) is performed as an exothermic reaction. When the temperature reaches about 700 ° C., the steam reforming reaction (SR) is switched, and during the shutdown period, the steam reforming reaction (SR) is switched to the partial oxidation reforming reaction (POX) to oxidize the fuel cell. There is a driving method to prevent it. (For example, refer to Patent Document 1).

特開2005−293951号公報JP 2005-293951 A

ここで、部分酸化改質反応(POX)は、約300℃以上で行われるが、この部分酸化改質反応(POX)を行う部分酸化改質器は、通常、運転開始から約10分程度で約300℃以上に加熱される。これに対し、燃料電池セルの発電温度領域は、約650℃以上、好ましくは700℃以上であるが、燃料電池セルの温度上昇速度は、部分酸化改質器の温度上昇速度に比べ非常に遅く、前記部分酸化改質器が300℃以上になっても、燃料電池セルの温度が50℃未満、あるいは室温程度であるのが通常である。   Here, the partial oxidation reforming reaction (POX) is performed at about 300 ° C. or more, and the partial oxidation reformer that performs the partial oxidation reforming reaction (POX) is usually about 10 minutes from the start of operation. Heated to about 300 ° C. or higher. On the other hand, the power generation temperature region of the fuel cell is about 650 ° C. or higher, preferably 700 ° C. or higher, but the temperature increase rate of the fuel cell is very slow compared to the temperature increase rate of the partial oxidation reformer. Even when the partial oxidation reformer reaches 300 ° C. or higher, the temperature of the fuel cell is usually less than 50 ° C. or about room temperature.

ところで、前述した特許文献1に記載された燃料電池システムは、燃料電池モジュール内に、水蒸気改質反応(SR)を行う水蒸気改質器と、部分酸化改質器の両者が配設された構成を備えている。即ち、部分酸化改質器が燃料電池セルに近接した位置に配設されている。したがって、特許文献1に記載された燃料電池システムにおいて、起動当初に部分酸化改質反応(POX)を行なわせるため、部分酸化改質器を加熱すると、燃料電池セルが昇温する前に、部分酸化改質器の温度が300℃以上となり、燃料電池セルのうち、部分酸化改質器からの輻射熱を受ける領域が局所的に加熱されることになる。このため、燃料電池セルに高温の部分と低温の部分が生じ(熱ムラが生じ)、破損し易くなる虞がある。また、複数の燃料電池セルからなるセルスタック全体に着目すると、部分酸化改質器に近い位置に配置されている燃料電池セルの温度が高くなり、セルスタック全体にも局所的に高温部が偏在する温度分布が生じ、安定した運転が行えない虞がある。   By the way, the fuel cell system described in Patent Document 1 described above has a configuration in which both a steam reformer that performs a steam reforming reaction (SR) and a partial oxidation reformer are disposed in the fuel cell module. It has. That is, the partial oxidation reformer is disposed at a position close to the fuel cell. Therefore, in the fuel cell system described in Patent Document 1, when the partial oxidation reformer is heated in order to perform a partial oxidation reforming reaction (POX) at the beginning of startup, before the temperature of the fuel cell rises, The temperature of the oxidation reformer becomes 300 ° C. or higher, and the region of the fuel cell that receives the radiant heat from the partial oxidation reformer is locally heated. For this reason, a high-temperature part and a low-temperature part are generated in the fuel cell (heat unevenness occurs), and there is a possibility that the fuel cell is likely to be damaged. Further, when focusing on the entire cell stack composed of a plurality of fuel cells, the temperature of the fuel cells arranged near the partial oxidation reformer increases, and the high temperature portion is also unevenly distributed in the entire cell stack. Temperature distribution may occur, and stable operation may not be possible.

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、燃料電池セルを含む燃料電池システムにおいて、燃料電池セルが酸化することを防止することができると共に、起動当初に燃料電池セルやセルスタック全体に熱ムラが生じることを抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and in a fuel cell system including fuel cells, the fuel cells can be prevented from being oxidized, and the fuel cells and the cell stack at the beginning of startup. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing the occurrence of heat unevenness throughout.

この目的を達成するため本発明は、固体電解質形の燃料電池セルを含む燃料電池システムであって、複数の燃料電池セルが配置された発電室と、前記発電室の上方に配設された燃焼室と、前記燃焼室の上方に配設され且つ燃料ガスの水蒸気改質を行う第1改質器と、前記燃料電池システムを起動させる起動モードの際及び前記発電を停止する運転停止モードの際に燃料ガスの部分酸化改質を行う第2改質器と、を有する燃料電池モジュールを備え、前記発電室は、前記第1改質器及び第2改質器で改質された燃料ガスが下部から導入され、前記第2改質器は、前記発電室及び燃焼室を形成する容器の外側下方に配設されてなる燃料電池システムを提供するものである。   In order to achieve this object, the present invention provides a fuel cell system including solid electrolyte fuel cells, a power generation chamber in which a plurality of fuel cells are disposed, and a combustion disposed above the power generation chamber. A first reformer that is disposed above the combustion chamber and performs steam reforming of the fuel gas, a start mode for starting the fuel cell system, and a stop mode for stopping the power generation A fuel cell module having a second reformer that performs partial oxidation reforming of the fuel gas, and the power generation chamber contains the fuel gas reformed by the first reformer and the second reformer. The second reformer is introduced from the lower part and provides a fuel cell system that is disposed outside and outside the vessel forming the power generation chamber and the combustion chamber.

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動モードの際及び運転停止モード(運転停止期)の際に燃料ガスの部分酸化改質を行う第2改質器が、前記発電室及び燃焼室を形成する容器の外部に配設されているため、第2改質器の輻射熱が、前記容器内に配設されている燃料電池セルに対し直接影響を及ぼすことがない。したがって、前記第2改質器が起動開始から10分程度で約300℃以上になり、この時点で、前記容器内に配設されている燃料電池セルの温度が低温であっても、当該燃料電池セルが前記第2改質器の輻射熱によって局所的に昇温することを防止でき、当該燃料電池セルに熱ムラが生じることを抑制することができる。また、複数の燃料電池セルからなるセルスタック全体に局所的な高温部が偏在する温度分布が生じることも防止することができる。そしてまた、第2改質器が前記容器の外側下方に配設され、前記発電室に前記燃料ガスが下部から導入されることで、前記第2改質器が放熱することを防止することができ、前記容器内の加熱を促進させることができる。さらにまた、第2改質器は、前記容器の外部に配設されているため、触媒交換を簡単に行うことができる。一方、燃料ガスの水蒸気改質を行う第1改質器は、燃焼室の上方に配設されているため、燃焼室で生じる熱を用いて吸熱反応を効率よく行うことができる。   According to the fuel cell system of the present invention, the second reformer that performs partial oxidation reforming of the fuel gas during the start-up mode and the operation stop mode (operation stop period) of the fuel cell system includes the power generation chamber. In addition, since the second reformer is disposed outside the container forming the combustion chamber, the radiant heat of the second reformer does not directly affect the fuel cells disposed in the container. Accordingly, the second reformer reaches about 300 ° C. or more in about 10 minutes from the start of startup, and at this time, even if the temperature of the fuel cell disposed in the container is low, the fuel It is possible to prevent the battery cell from being locally heated by the radiant heat of the second reformer, and to suppress the occurrence of heat unevenness in the fuel battery cell. In addition, it is possible to prevent a temperature distribution in which local high temperature portions are unevenly distributed in the entire cell stack including a plurality of fuel cells. In addition, the second reformer is disposed on the outside lower side of the container, and the fuel gas is introduced into the power generation chamber from the bottom, thereby preventing the second reformer from radiating heat. The heating in the container can be promoted. Furthermore, since the second reformer is disposed outside the vessel, the catalyst can be easily exchanged. On the other hand, since the first reformer that performs steam reforming of the fuel gas is disposed above the combustion chamber, it can efficiently perform an endothermic reaction using heat generated in the combustion chamber.

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第2改質器を前記発電室の近傍に配設することができる。この構成により、前記起動モードの際には、前記第2改質器が放熱することをさらに防止することができ、前記容器内の加熱を促進させることができる。一方、前記運転停止モードとなる際には、前記発電室が高温(例えば、約900℃程度)となっているため、水蒸気改質反応(SR)から部分酸化改質反応(POX)に移行させる際に、当該発電室の熱を、当該第2改質器を昇温させるための熱として利用することができ、前記切り替えをスムーズに行うことができる。   In the fuel cell system according to the present invention, the second reformer can be disposed in the vicinity of the power generation chamber. With this configuration, it is possible to further prevent the second reformer from radiating heat during the start-up mode, and to promote heating in the container. On the other hand, when the operation stop mode is entered, since the power generation chamber is at a high temperature (for example, about 900 ° C.), the steam reforming reaction (SR) is shifted to the partial oxidation reforming reaction (POX). In this case, the heat of the power generation chamber can be used as heat for raising the temperature of the second reformer, and the switching can be performed smoothly.

そしてまた、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第2改質器は、断熱材を介して前記容器の外側下方に配設することができる。この構成により、起動当初に第2改質器が高温になっても、この熱は断熱材に吸収されるため、前記燃料電池セルが前記第2改質器の輻射熱の影響を受けることをさらに防止することができる。   Moreover, in the fuel cell system according to the present invention, the second reformer can be disposed below the outside of the container via a heat insulating material. With this configuration, even when the second reformer reaches a high temperature at the beginning of startup, since this heat is absorbed by the heat insulating material, the fuel cell is further affected by the radiant heat of the second reformer. Can be prevented.

さらにまた、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第2改質器で改質された燃料ガスを前記容器内に供給する配管に、断熱材を配設することもできる。この構成により、前記配管からの放熱を防止することができ、前記起動モードの際には、前記容器内の加熱をさらに促進させることができる。   Furthermore, in the fuel cell system according to the present invention, a heat insulating material can be provided in a pipe for supplying the fuel gas reformed by the second reformer into the container. With this configuration, heat radiation from the pipe can be prevented, and heating in the container can be further promoted in the startup mode.

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記容器が、前記発電室の下方に配設され且つ前記第1改質器及び第2改質器で改質された燃料ガスを分散させて当該発電室に供給する分散室をさらに形成してなり、前記第2改質器は、前記分散室の下面外側となる位置に配設することもできる。このように構成することで、前記第2改質器で昇温された燃料ガスが分散室を介して発電室に導入されるため、当該発電室に燃料ガスを均一な状態で供給することができると共に、前記起動モードの際には、前記容器内の加熱を促進させることができる。   Further, in the fuel cell system according to the present invention, the container is disposed below the power generation chamber and the fuel gas reformed by the first reformer and the second reformer is dispersed to generate the power generation. A dispersion chamber supplied to the chamber may be further formed, and the second reformer may be disposed at a position outside the lower surface of the dispersion chamber. With this configuration, since the fuel gas heated in the second reformer is introduced into the power generation chamber via the dispersion chamber, the fuel gas can be supplied to the power generation chamber in a uniform state. In addition, heating in the container can be promoted during the start-up mode.

そしてまた、この構成の場合、前記第2改質器を、前記分散室の下面外側となる位置の中央部に配設することで、当該第2改質器からの放熱をさらに防止することができると共に、前記燃料ガスの分散性を向上させることができ、前記発電室に燃料ガスをより均一な状態で供給することができる。   In addition, in the case of this configuration, by disposing the second reformer in the central portion at the position outside the lower surface of the dispersion chamber, it is possible to further prevent heat dissipation from the second reformer. In addition, the dispersibility of the fuel gas can be improved, and the fuel gas can be supplied to the power generation chamber in a more uniform state.

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第2改質器が、燃料電池システムの起動モードの際に前記燃料ガスの部分酸化改質を行う起動用部分酸化改質器と、当該燃料電池システムの運転停止モードの際に前記燃料ガスの部分酸化改質を行う停止用部分酸化改質器とを有し、前記停止用部分酸化改質器を、前記起動用部分酸化改質器よりも前記容器から遠い位置に配設することもできる。ここで、前記第2改質器は、前記容器の近傍に配設される程、放熱を防止することができる。したがって、このように構成することで、起動モードの際には、前記第2改質器からの放熱を効率よく防止して、前記容器内の加熱を促進させることができ、運転停止モードの際は、前記容器に、当該起動モードの際よりも低温の流体を供給することができるため、前記容器内をより効率よく冷却させることができる。   In the fuel cell system according to the present invention, the second reformer includes a partial oxidation reformer for start-up that performs partial oxidation reforming of the fuel gas in the start-up mode of the fuel cell system, and the fuel cell. A partial oxidation reformer for stopping that performs partial oxidation reforming of the fuel gas during the system shutdown mode, and the partial oxidation reformer for stop is more than the partial oxidation reformer for startup It can also be arranged at a position far from the container. Here, the second reformer can prevent heat radiation as it is disposed in the vicinity of the container. Therefore, with this configuration, in the start-up mode, heat release from the second reformer can be efficiently prevented, and heating in the vessel can be promoted. Since it is possible to supply the container with a fluid having a temperature lower than that in the activation mode, the inside of the container can be cooled more efficiently.

さらにまた、本発明に係る燃料電池システムは、前記第2改質器の下流側に配設され、当該第2改質器と前記容器とを連通させる配管を複数有し、前記複数の配管のうち、前記容器に最も近い位置に配設されている配管に、燃料電池システムの起動モードの際に前記第2改質器から排出された流体を通過させ、前記容器から最も遠い位置に配設されている配管に、燃料電池システムの運転停止モードの際に前記第2改質器から排出された流体を通過させる構成を備えることができる。この構成により、起動モードの際には、前記第2改質器から排出される流体が流通する配管の放熱を効率よく防止して、前記容器内の加熱を促進させることができ、運転停止モードの際は、前記容器内に当該起動モードの際よりも低温の流体を供給することができるため、前記容器内をより効率よく冷却させることができる。   Furthermore, the fuel cell system according to the present invention includes a plurality of pipes that are disposed on the downstream side of the second reformer, and communicates the second reformer and the container. Among them, the fluid discharged from the second reformer during the start-up mode of the fuel cell system is passed through a pipe disposed at a position closest to the container, and is disposed at a position farthest from the container. The pipe that is provided can be provided with a configuration that allows the fluid discharged from the second reformer to pass in the operation stop mode of the fuel cell system. With this configuration, in the start-up mode, it is possible to efficiently prevent heat dissipation of the pipe through which the fluid discharged from the second reformer flows, and to promote heating in the container. In this case, since the fluid having a temperature lower than that in the activation mode can be supplied into the container, the inside of the container can be cooled more efficiently.

本発明によれば、燃料電池セルを含む燃料電池システムにおいて、燃料電池セルが酸化することを防止することができると共に、起動当初に燃料電池セルやセルスタック全体に熱ムラが生じることを抑制することが可能な燃料電池システムを提供することができる。   According to the present invention, in a fuel cell system including a fuel cell, it is possible to prevent the fuel cell from being oxidized, and to suppress the occurrence of heat unevenness in the entire fuel cell or cell stack at the beginning of startup. The fuel cell system which can be provided can be provided.

本発明の実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 図1に示す燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the control structure of the fuel cell system shown in FIG. 図1に示す燃料電池システムの起動モードにおける各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature of each part in the starting mode of the fuel cell system shown in FIG. 1, and the control voltage of each part. 図1に示す燃料電池システムの燃料電池モジュール付近の構成をさらに具体的に示す概略構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram more specifically showing a configuration in the vicinity of the fuel cell module of the fuel cell system shown in FIG. 1. 図4に示すV−V線に沿った断面図である。It is sectional drawing along the VV line shown in FIG. 図1に示す燃料電池システムの運動停止モードにおける各部の温度や各部に供給する流体流量を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature of each part in the motion stop mode of the fuel cell system shown in FIG. 1, and the fluid flow volume supplied to each part. 本発明の他の実施例に係る燃料電池システムの燃料電池モジュール付近の構成をさらに具体的に示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows more specifically the structure of the vicinity of the fuel cell module of the fuel cell system according to another embodiment of the present invention. 本発明の他の実施例に係る燃料電池システムの燃料電池モジュール付近の構成をさらに具体的に示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows more specifically the structure of the vicinity of the fuel cell module of the fuel cell system according to another embodiment of the present invention. 本発明の他の実施例に係る燃料電池システムの燃料電池モジュール付近の構成をさらに具体的に示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows more specifically the structure of the vicinity of the fuel cell module of the fuel cell system according to another embodiment of the present invention.

次に、本発明の実施例に係る燃料電池システムについて図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施例は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施例にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。   Next, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the Example described below is the illustration for demonstrating this invention, and this invention is not limited only to these Examples. Therefore, the present invention can be implemented in various forms without departing from the gist thereof.

図1は、本発明の実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。図1に示すように、本実施例に係る燃料電池システムFCSは、燃料電池モジュールFCMと、補器ユニットADUと、貯水タンクWP2と、温水製造装置HWとを備えて構成されている。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system FCS according to the present embodiment includes a fuel cell module FCM, an auxiliary unit ADU, a water storage tank WP2, and a hot water production apparatus HW.

燃料電池モジュールFCMは、燃料電池FCと、改質器RFと、制御ボックスCBと、一酸化炭素検知器CODと、可燃ガス検知器GD1とを備えている。燃料電池FCは、固体電解質形の燃料電池(SOFC)であって、発電室FC1と、燃焼室FC2とを備えている。発電室FC1には複数本の燃料電池セルCEが配置されている。燃料電池セルCEは、電解質を挟んで燃料極と空気極とが設けられているものであって、燃料極側に燃料ガスを通し、空気極側に酸化剤ガスとしての空気を通すことで発電反応を起こすことができるように構成されている。   The fuel cell module FCM includes a fuel cell FC, a reformer RF, a control box CB, a carbon monoxide detector COD, and a combustible gas detector GD1. The fuel cell FC is a solid electrolyte fuel cell (SOFC), and includes a power generation chamber FC1 and a combustion chamber FC2. A plurality of fuel cells CE are arranged in the power generation chamber FC1. The fuel cell CE is provided with a fuel electrode and an air electrode with an electrolyte sandwiched between them. Electric power is generated by passing fuel gas to the fuel electrode side and air as oxidant gas to the air electrode side. It is configured so that a reaction can occur.

なお、本実施例に係る燃料電池FCは、固体電解質形の燃料電池(SOFC)であるので、電解質を構成する材料としては、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートといった酸素イオン導電性酸化物を用いている。   In addition, since the fuel cell FC according to the present embodiment is a solid electrolyte fuel cell (SOFC), the material constituting the electrolyte is doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, for example. Oxygen ion conductive oxides such as ceria doped with at least one selected from zirconia and rare earth elements, and lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg are used.

燃料極を構成する材料としては、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体といった材料が用いられる。   As a material constituting the fuel electrode, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, Ni and at least one selected from rare earth elements are doped. A material such as a mixture of ceria, a mixture of Ni and lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu is used.

空気極を構成する材料としては、例えば、Sr、Caから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀といった材料が用いられる。もっとも、電解質や燃料極及び空気極を構成する材料はこれらに限られるものではない。   Examples of the material constituting the air electrode include lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni, and Cu, Sr, Fe, Ni, A material such as lanthanum cobaltite or silver doped with at least one selected from Cu is used. But the material which comprises an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode is not restricted to these.

発電室FC1において発電された電気は、電力取出ラインEP1によって発電電力として取り出されて利用される。燃焼室FC2は、発電室FC1に配置された燃料電池セルCEによって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる部分である。燃焼室FC2において燃料ガスが燃焼した結果生じる排気ガスは、改質器RFと熱交換をした後に温水製造装置HWへと供給される。温水製造装置HWへと供給された排気ガスは更に熱交換を行い、水道水を昇温して温水とした後に外部へと排出される。   The electricity generated in the power generation chamber FC1 is taken out and used as generated power by the power extraction line EP1. The combustion chamber FC2 is a portion where the remaining fuel gas used for the power generation reaction is burned by the fuel cell CE arranged in the power generation chamber FC1. The exhaust gas generated as a result of the combustion of the fuel gas in the combustion chamber FC2 is supplied to the hot water production apparatus HW after heat exchange with the reformer RF. The exhaust gas supplied to the hot water production apparatus HW is further subjected to heat exchange, the temperature of the tap water is raised to warm water, and then discharged to the outside.

改質器RFは、例えば、都市ガス等の被改質ガスを改質して燃料ガスとし、燃料電池FCの発電室FC1へと供給する部分である。被改質ガスの改質態様としては、部分酸化改質反応(POX)、オートサーマル改質反応(ATR;Auto Thermal Reforming)、水蒸気改質反応(SR)があり、運転状況に応じて選択的に実行される(詳細は後述する)。改質器RFは、改質部RF1と、蒸発部RF2とを備えている。なお、改質器RFについての詳細は、後に詳述する。   The reformer RF is a portion that reforms a gas to be reformed, such as city gas, into fuel gas and supplies it to the power generation chamber FC1 of the fuel cell FC. As reforming modes of the gas to be reformed, there are partial oxidation reforming reaction (POX), auto thermal reforming reaction (ATR), and steam reforming reaction (SR). (Details will be described later). The reformer RF includes a reforming unit RF1 and an evaporation unit RF2. Details of the reformer RF will be described later.

蒸発部RF2は、補器ユニットADU側から供給される純水を蒸発させて水蒸気とし、その水蒸気を改質部RF1に供給する部分である。改質部RF1は、補器ユニットADU側から供給される被改質ガス、空気及び蒸発部RF2から供給される水蒸気を用いて被改質ガスを改質して燃料ガスとする部分である。改質部RF1には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にNiを付与したもの、アルミナの球体表面にRuを付与したもの、が適宜用いられる。本実施例の場合、これらの改質触媒は球体である。   The evaporating unit RF2 is a part that evaporates pure water supplied from the auxiliary unit ADU side into water vapor and supplies the water vapor to the reforming unit RF1. The reforming unit RF1 is a part that reforms the gas to be reformed using the gas to be reformed supplied from the auxiliary unit ADU side, air, and water vapor supplied from the evaporation unit RF2 to form a fuel gas. A reforming catalyst is enclosed in the reforming unit RF1. As the reforming catalyst, those obtained by imparting Ni to the sphere surface of alumina and those imparting Ru to the sphere surface of alumina are appropriately used. In this embodiment, these reforming catalysts are spheres.

制御ボックスCBは、燃料電池システム制御部をその内部に収納し、操作装置や表示装置、報知装置が設けられているものである。燃料電池システム制御部、操作装置、表示装置、報知装置については後述する。   The control box CB houses the fuel cell system control unit therein, and is provided with an operation device, a display device, and a notification device. The fuel cell system control unit, operation device, display device, and notification device will be described later.

一酸化炭素検知器CODは、燃焼室FC2において残余の燃料ガスの不完全燃焼が起きてしまい、一酸化炭素が発生していないか検知するためのセンサである。可燃ガス検知器GD1は、燃焼室FC2において残余の燃料ガスが燃え残ってしまい、いわゆる生ガスが排気ガスとして外部に放出されないか検知するためのセンサである。   The carbon monoxide detector COD is a sensor for detecting whether or not carbon monoxide is generated due to incomplete combustion of the remaining fuel gas in the combustion chamber FC2. The combustible gas detector GD1 is a sensor for detecting whether the remaining fuel gas remains unburned in the combustion chamber FC2, and so-called raw gas is discharged outside as exhaust gas.

続いて、補器ユニットADUについて説明する。補器ユニットADUは、燃料電池モジュールFCMに水、被改質ガス及び空気を供給するための補器を備えるユニットである。補器ユニットADUは、空気供給部として空気ブロワや流量調整弁等を含む流量調整ユニットAP1a、AP1b、及び電磁弁AP2と、燃料供給部として燃料ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットFP1、脱硫器FP2、ガス遮断弁FP4、及びガス遮断弁FP5と、水供給部として水ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットWP1と、可燃ガス検知器GD2と、を備えている。   Subsequently, the auxiliary unit ADU will be described. The auxiliary device unit ADU is a unit including auxiliary devices for supplying water, reformed gas, and air to the fuel cell module FCM. The auxiliary unit ADU includes flow rate adjustment units AP1a, AP1b, and an electromagnetic valve AP2 that include an air blower, a flow rate adjustment valve, and the like as an air supply unit, and a flow rate adjustment unit FP1, which includes a fuel pump, a flow rate adjustment valve, and the like as a fuel supply unit, A desulfurizer FP2, a gas cutoff valve FP4, and a gas cutoff valve FP5, a flow rate adjustment unit WP1 including a water pump and a flow rate adjustment valve as a water supply unit, and a combustible gas detector GD2 are provided.

外部の空気供給源から供給される空気は、電磁弁AP2が閉じていれば流量調整ユニットAP1a、AP1bに供給されず、電磁弁AP2が開いていれば流量調整ユニットAP1a、AP1bに供給される。流量調整ユニットAP1aによって流量調整された空気は改質用空気として、ヒータAH1によって昇温され、被改質ガスとの混合部MVに供給される。流量調整ユニットAP1bによって流量調整された空気は発電用空気として、ヒータAH2によって昇温され、発電室FC1に供給される。発電室FC1に供給された発電用空気は、燃料電池セルCEの空気極に供給され、燃料電池セルCEの発電に用いられる。   Air supplied from an external air supply source is not supplied to the flow rate adjustment units AP1a and AP1b when the electromagnetic valve AP2 is closed, and is supplied to the flow rate adjustment units AP1a and AP1b when the electromagnetic valve AP2 is open. The air whose flow rate is adjusted by the flow rate adjusting unit AP1a is heated as the reforming air by the heater AH1 and supplied to the mixing portion MV with the reformed gas. The air whose flow rate is adjusted by the flow rate adjusting unit AP1b is heated by the heater AH2 as power generation air and supplied to the power generation chamber FC1. The power generation air supplied to the power generation chamber FC1 is supplied to the air electrode of the fuel cell CE and used for power generation of the fuel cell CE.

外部の燃料供給源から供給される都市ガスは、2連電磁弁であるガス遮断弁FP4及びガス遮断弁FP5によってその流入が制御される。ガス遮断弁FP4、FP5の両者が開いていれば、都市ガスは脱硫器FP2に供給され、ガス遮断弁FP4、FP5のいずれか一方が閉じていれば、都市ガスは遮断される。脱硫器FP2に供給された都市ガスは、硫黄成分を除去されて被改質ガスとなり、流量調整ユニットFP1に供給される。流量調整ユニットFP1によって流量調整された被改質ガスは、改質用空気との混合部MVに供給される。混合部MVにおいて混合された被改質ガスと改質用空気とは、改質器RFに供給される。   The inflow of city gas supplied from an external fuel supply source is controlled by a gas shut-off valve FP4 and a gas shut-off valve FP5 which are double solenoid valves. If both of the gas cutoff valves FP4 and FP5 are open, the city gas is supplied to the desulfurizer FP2, and if one of the gas cutoff valves FP4 and FP5 is closed, the city gas is shut off. The city gas supplied to the desulfurizer FP2 is removed from the sulfur component to become a reformed gas, and is supplied to the flow rate adjustment unit FP1. The to-be-reformed gas whose flow rate has been adjusted by the flow rate adjusting unit FP1 is supplied to the mixing unit MV with the reforming air. The gas to be reformed and the reforming air mixed in the mixing unit MV are supplied to the reformer RF.

外部の水供給源から供給される水道水は、純水とされてから貯水タンクWP2に貯水される。貯水タンクWP2に貯水されている純水は、流量調整ユニットWP1によって流量が調整されて改質器RFへと供給される。   Tap water supplied from an external water supply source is made pure water and then stored in the water storage tank WP2. The pure water stored in the water storage tank WP2 is supplied to the reformer RF after the flow rate is adjusted by the flow rate adjustment unit WP1.

可燃ガス検知器GD2は、燃料供給部としての系統であるガス遮断弁FP5、ガス遮断弁FP4、脱硫器FP2、流量調整ユニットFP1において、ガス漏れが発生していわゆる生ガスが外部に放出されないか検知するためのセンサである。   The combustible gas detector GD2 is a system that serves as a fuel supply unit. In the gas cutoff valve FP5, the gas cutoff valve FP4, the desulfurizer FP2, and the flow rate adjustment unit FP1, gas leakage occurs and so-called raw gas is not released to the outside. It is a sensor for detecting.

次に、図2を参照しながら本実施例の燃料電池システムFCSの制御的な構成について説明する。図2は、燃料電池システムFCSの制御的な構成を示すブロック図である。図2に示すように、燃料電池システムFCSは、燃料電池モジュールFCMと、燃料電池モジュールFCMに空気を供給する空気供給部APと、燃料電池モジュールFCMに燃料ガスとなる被改質ガスを供給する燃料供給部FPと、燃料電池モジュールFCMに水を供給する水供給部WPと、燃料電池モジュールFCMから電力を取り出す電力取出部EPとを備えている。空気供給部AP、燃料供給部FP、水供給部WP、及び電力取出部EPは補器ユニットADUに収められている。   Next, the control configuration of the fuel cell system FCS of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a block diagram showing a control configuration of the fuel cell system FCS. As shown in FIG. 2, the fuel cell system FCS supplies a fuel cell module FCM, an air supply unit AP that supplies air to the fuel cell module FCM, and a reformed gas that becomes fuel gas to the fuel cell module FCM. A fuel supply unit FP, a water supply unit WP that supplies water to the fuel cell module FCM, and a power extraction unit EP that extracts power from the fuel cell module FCM are provided. The air supply unit AP, the fuel supply unit FP, the water supply unit WP, and the power extraction unit EP are housed in the auxiliary unit ADU.

燃料電池モジュールFCM、空気供給部AP、燃料供給部FP、水供給部WP、及び電力取出部EPは、燃料電池システム制御部CSから出力される制御信号に基づいて制御される。燃料電池システム制御部SCは、CPU、ROM及びRAMといったメモリ、及び制御信号やセンサ信号を授受するためのインターフェイスによって構成されている。燃料電池システム制御部SCには、操作装置CS1、表示装置CS2、及び報知装置CS3が取り付けられている。操作装置CS1から入力される操作指示信号は、燃料電池システム制御部CSに出力され、燃料電池システム制御部CSは、その操作指示信号に基づいて、燃料電池モジュールFCM等を制御する。燃料電池システム制御部CSが制御した情報や、所定の警告情報は、表示装置CS2及び報知装置CS3に出力される。操作装置CS1、表示装置CS2、及び報知装置CS3の具体的なハードウェア構成は特に限定されるものではなく、必要となる機能に応じて最適なハードウェア構成が選択される。一例としては、操作装置CS1として、キーボード、マウス、タッチパネルといったハードウェアが用いられる。表示装置CS2としては、CRTディスプレイ、液晶ディスプレイといった表示系のハードウェアが用いられる。報知装置CS3としては、スピーカー、点灯器といったハードウェアが用いられる。燃料電池システム制御部CS、操作装置CS1、表示装置CS2、報知装置CS3は、制御ボックスCBに収められている。   The fuel cell module FCM, the air supply unit AP, the fuel supply unit FP, the water supply unit WP, and the power extraction unit EP are controlled based on a control signal output from the fuel cell system control unit CS. The fuel cell system control unit SC includes a CPU, a memory such as a ROM and a RAM, and an interface for sending and receiving control signals and sensor signals. An operating device CS1, a display device CS2, and a notification device CS3 are attached to the fuel cell system controller SC. The operation instruction signal input from the operation device CS1 is output to the fuel cell system control unit CS, and the fuel cell system control unit CS controls the fuel cell module FCM and the like based on the operation instruction signal. Information controlled by the fuel cell system control unit CS and predetermined warning information are output to the display device CS2 and the notification device CS3. Specific hardware configurations of the operation device CS1, the display device CS2, and the notification device CS3 are not particularly limited, and an optimal hardware configuration is selected according to a required function. As an example, hardware such as a keyboard, a mouse, and a touch panel is used as the operating device CS1. As the display device CS2, display system hardware such as a CRT display or a liquid crystal display is used. As the notification device CS3, hardware such as a speaker and a lighting device is used. The fuel cell system controller CS, the operation device CS1, the display device CS2, and the notification device CS3 are housed in a control box CB.

燃料電池システム制御部CSには、燃料電池システムFCSの各所に設けられたセンサからセンサ信号が出力される。燃料電池システム制御部CSに信号を出力するセンサとしては、改質器温度センサDS1、スタック温度センサDS2、排気温度センサDS3、改質器内圧力センサDS4、水位センサDS5、水流量センサDS6、燃料流量センサDS7、改質用空気流量センサDS8、発電用空気流量センサDS9、電力状態検出部DS10、貯湯状態検出センサDS11、一酸化炭素検出センサDS12、可燃ガス検出センサDS13が設けられている。   Sensor signals are output to the fuel cell system controller CS from sensors provided at various locations in the fuel cell system FCS. The sensors that output signals to the fuel cell system controller CS include a reformer temperature sensor DS1, a stack temperature sensor DS2, an exhaust temperature sensor DS3, a reformer pressure sensor DS4, a water level sensor DS5, a water flow rate sensor DS6, fuel A flow rate sensor DS7, a reforming air flow rate sensor DS8, a power generation air flow rate sensor DS9, a power state detection unit DS10, a hot water storage state detection sensor DS11, a carbon monoxide detection sensor DS12, and a combustible gas detection sensor DS13 are provided.

改質器温度センサDS1は、改質器RFの温度を測定するためのセンサであって、本実施例の場合は2つ設けられている。スタック温度センサDS2は、発電室FC1に配置されている燃料電池セルCEの温度を測定するためのセンサであって、複数の燃料電池セルCEからなる燃料電池セルスタック近傍に配置されている。排気温度センサDS3は、燃焼室FC2から排出される排気ガスの温度を測定するためのセンサであって、燃焼室FC2から改質器RF近傍を通って温水製造装置HWに至る経路に配置されている。改質器内圧力センサDS4は、改質器RF内の圧力を測定するためのセンサである。   The reformer temperature sensor DS1 is a sensor for measuring the temperature of the reformer RF. In the present embodiment, two reformer temperature sensors DS1 are provided. The stack temperature sensor DS2 is a sensor for measuring the temperature of the fuel cell CE arranged in the power generation chamber FC1, and is arranged in the vicinity of the fuel cell stack composed of a plurality of fuel cells CE. The exhaust temperature sensor DS3 is a sensor for measuring the temperature of the exhaust gas discharged from the combustion chamber FC2, and is disposed in a path from the combustion chamber FC2 through the vicinity of the reformer RF to the hot water production apparatus HW. Yes. The reformer pressure sensor DS4 is a sensor for measuring the pressure in the reformer RF.

水位センサDS5は、貯水タンクWP2の水位を測定するためのセンサであって、本実施例の場合は4つ設けられている。水流量センサDS6は、補器ユニットADUから燃料電池モジュールFCMへと供給される純水の流量を測定するためのセンサである。燃料流量センサDS7は、補器ユニットADUから燃料電池モジュールFCMへと供給される被改質ガスの流量を測定するためのセンサである。改質用空気流量センサDS8は、補器ユニットADUから燃料電池モジュールFCMの改質器RFへと供給される改質用空気の流量を測定するためのセンサである。発電用空気流量センサDS9は、補器ユニットADUから燃料電池モジュールFCMへと供給される発電用空気の流量を測定するためのセンサである。   The water level sensor DS5 is a sensor for measuring the water level of the water storage tank WP2. In the present embodiment, four water level sensors DS5 are provided. The water flow rate sensor DS6 is a sensor for measuring the flow rate of pure water supplied from the auxiliary unit ADU to the fuel cell module FCM. The fuel flow rate sensor DS7 is a sensor for measuring the flow rate of the reformed gas supplied from the auxiliary unit ADU to the fuel cell module FCM. The reforming air flow rate sensor DS8 is a sensor for measuring the flow rate of the reforming air supplied from the auxiliary unit ADU to the reformer RF of the fuel cell module FCM. The power generation air flow rate sensor DS9 is a sensor for measuring the flow rate of power generation air supplied from the auxiliary unit ADU to the fuel cell module FCM.

電力状態検出部DS10は、センシング手段の集合体であって、燃料電池モジュールFCMから取り出す発電電力の状態を検出する部分である。貯湯状態検出センサDS11は、センシング手段の集合体であって、温水製造装置HWの貯湯状態を検出する部分である。   The power state detection unit DS10 is an assembly of sensing means, and is a part that detects the state of generated power extracted from the fuel cell module FCM. The hot water storage state detection sensor DS11 is an assembly of sensing means, and is a part that detects the hot water storage state of the hot water production apparatus HW.

一酸化炭素検出センサDS12は、一酸化炭素検知器CODに備えられているセンサであって、燃料電池モジュールFCM内における一酸化炭素の発生を検出するセンサである。可燃ガス検出センサDS13は、可燃ガス検知器GD1、GD2に備えられているセンサであって、可燃ガス検知器GD1においては、燃料電池モジュールFCMの燃焼室FC2において残余の燃料ガスが燃え残ってしまい、いわゆる生ガスが排気ガスとして外部に放出されないか検知し、可燃ガス検知器GD2においては、燃料電池モジュールFCM及び補器ユニットADU内における可燃ガスの漏洩を検出するセンサである。   The carbon monoxide detection sensor DS12 is a sensor provided in the carbon monoxide detector COD, and is a sensor that detects the generation of carbon monoxide in the fuel cell module FCM. The combustible gas detection sensor DS13 is a sensor provided in the combustible gas detectors GD1 and GD2. In the combustible gas detector GD1, the remaining fuel gas remains unburned in the combustion chamber FC2 of the fuel cell module FCM. In other words, the combustible gas detector GD2 is a sensor that detects leakage of combustible gas in the fuel cell module FCM and the auxiliary unit ADU.

続いて、燃料電池システムFCSの起動時(起動モード)における各種改質反応の切り替えについて図3を参照しながら説明する。図3は、燃料電池システムFCSの起動モードにおける各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。   Next, switching of various reforming reactions when the fuel cell system FCS is started (starting mode) will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a graph showing the temperature of each part and the control voltage of each part in the startup mode of the fuel cell system FCS.

本実施例における燃料電池システムFCSの起動モードにおいては、燃焼運転と、部分酸化改質反応(POX)と、第1オートサーマル改質反応(ATR1)と、第2オートサーマル改質反応(ATR2)と、水蒸気改質反応(SR)とを順次切り替えながら改質反応を進行している。図3を説明するのに先立って、各改質反応について説明する。   In the start-up mode of the fuel cell system FCS in this embodiment, combustion operation, partial oxidation reforming reaction (POX), first autothermal reforming reaction (ATR1), and second autothermal reforming reaction (ATR2) And the steam reforming reaction (SR) are sequentially switched and the reforming reaction proceeds. Prior to explaining FIG. 3, each reforming reaction will be explained.

部分酸化改質反応(POX)は、改質器SRに被改質ガスと空気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式(1)に示す反応が進行する。
mn+xO2 → aCO2+bCO+cH2 (1)
この部分酸化改質反応(POX)は発熱反応であるので起動性が高く、燃料電池システムFCSの起動当初において好適な改質反応である。但し、部分酸化改質反応(POX)は、水素収率が理論上少なく、発熱反応を制御するのも難しいことから、燃料電池モジュールFCMへ熱供給が必要な起動当初においてのみ利用されるのが好ましい改質反応である。なお、部分酸化改質反応(POX)のみに着目すれば、空間速度を高く設定するので、例えば改質器RFを分割形成して部分酸化改質反応(POX)専用の改質器を設ける場合には、その専用の改質器を小型化することができる。
The partial oxidation reforming reaction (POX) is a reforming reaction performed by supplying a reformed gas and air to the reformer SR, and the reaction shown in the chemical reaction formula (1) proceeds.
C m H n + xO 2 → aCO 2 + bCO + cH 2 (1)
Since this partial oxidation reforming reaction (POX) is an exothermic reaction, its startability is high, and is a suitable reforming reaction at the beginning of starting the fuel cell system FCS. However, since the partial oxidation reforming reaction (POX) has a theoretically low hydrogen yield and it is difficult to control the exothermic reaction, the partial oxidation reforming reaction (POX) is used only at the beginning of startup when heat supply to the fuel cell module FCM is required. This is a preferred reforming reaction. If attention is paid only to the partial oxidation reforming reaction (POX), the space velocity is set high. For example, when the reformer RF is dividedly formed and a reformer dedicated to the partial oxidation reforming reaction (POX) is provided. In addition, the dedicated reformer can be miniaturized.

水蒸気改質反応(SR)は、改質器SRに被改質ガスと水蒸気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式(2)に示す反応が進行する。
mn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (2)
水蒸気改質反応(SR)は、水素収率が最も高く、高効率な反応である。ただし、水蒸気改質反応(SR)は、吸熱反応であるので熱源が必要であり、燃料電池システムFCSの起動当初よりはある程度温度が上昇した段階において好適な改質反応である。なお、水蒸気改質反応(SR)のみに着目すれば、空間速度を低く設定するので、改質器RFが大型化する傾向にある。
The steam reforming reaction (SR) is a reforming reaction performed by supplying the reformed gas and steam to the reformer SR, and the reaction shown in the chemical reaction formula (2) proceeds.
C m H n + xH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (2)
The steam reforming reaction (SR) has the highest hydrogen yield and is a highly efficient reaction. However, since the steam reforming reaction (SR) is an endothermic reaction, it requires a heat source, and is a suitable reforming reaction at a stage where the temperature has risen to some extent from the beginning of the start of the fuel cell system FCS. If attention is paid only to the steam reforming reaction (SR), the space velocity is set low, so that the reformer RF tends to increase in size.

第1オートサーマル改質反応(ATR1)と第2オートサーマル改質反応(ATR2)とからなるオートサーマル改質反応(ATR)は、部分酸化改質反応(POX)と水蒸気改質反応(SR)とが併用された改質反応であって、改質器RFに被改質ガスと空気と水蒸気とを供給して行われる改質反応であり、化学反応式(3)に示す反応が進行する。
mn+xO2+yH2O → aCO2+bCO+cH2 (3)
オートサーマル改質反応(ATR)は、水素収率が部分酸化改質反応(POX)と水蒸気改質反応(SR)との併用であり、反応熱のバランスが取りやすく、部分酸化改質反応(POX)と水蒸気改質反応(SR)とを繋ぐ反応として好適な改質反応である。本実施例の場合は、水を少なく供給して部分酸化改質反応(POX)により近い第1オートサーマル改質反応(ATR1)を先に行い、温度が上昇した後に水を増やすように供給して水蒸気改質反応(SR)により近い第2オートサーマル改質反応(ATR2)を後に行っている。
The autothermal reforming reaction (ATR) comprising the first autothermal reforming reaction (ATR1) and the second autothermal reforming reaction (ATR2) is a partial oxidation reforming reaction (POX) and a steam reforming reaction (SR). Is a reforming reaction that is performed by supplying a reforming gas, air, and steam to the reformer RF, and the reaction shown in the chemical reaction formula (3) proceeds. .
C m H n + xO 2 + yH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (3)
Autothermal reforming reaction (ATR) is a combined use of partial oxidation reforming reaction (POX) and steam reforming reaction (SR) in hydrogen yield, and it is easy to balance reaction heat. POX) is a reforming reaction suitable as a reaction that connects the steam reforming reaction (SR). In the case of the present embodiment, the first autothermal reforming reaction (ATR1) closer to the partial oxidation reforming reaction (POX) is performed by supplying a small amount of water, and the water is supplied to increase after the temperature rises. Then, the second autothermal reforming reaction (ATR2) closer to the steam reforming reaction (SR) is performed later.

次に、燃料電池システムFCSの起動モードについて説明する。図3は、横軸に起動開始後の経過時間を取り、左縦軸には各部の温度を取っている。制御電圧であるため特段の目盛りは付していないが、改質用空気を供給するための流量調整ユニットAP1aに含まれる改質用空気ブロワの制御電圧、発電用空気を供給するための流量調整ユニットAP1bに含まれる発電用空気ブロワの制御電圧、被改質ガスを供給するための流量調整ユニットFP1に含まれる燃料ポンプの制御電圧、及び純水を供給するための流量調整ユニットWP1に含まれる水ポンプの制御電圧は、図中上方に行くほど電圧が高くなる(供給量が増える)ように示している。図3には、改質器RFの温度、燃料電池セルCEのスタック温度、燃焼室FC2の温度(改質器RFの温度等から推定している)、流量調整ユニットAP1aに含まれる改質用空気ブロワの制御電圧、流量調整ユニットAP1bに含まれる発電用空気ブロワの制御電圧、流量調整ユニットFP2に含まれる燃料ポンプの制御電圧、流量調整ユニットWP1に含まれる水ポンプの制御電圧を示している。   Next, the startup mode of the fuel cell system FCS will be described. In FIG. 3, the horizontal axis indicates the elapsed time after the start of startup, and the left vertical axis indicates the temperature of each part. Although it is a control voltage, no special scale is provided, but the control voltage of the reforming air blower included in the flow rate adjusting unit AP1a for supplying reforming air, the flow rate adjustment for supplying power generation air Included in the control voltage of the power generation air blower included in the unit AP1b, the control voltage of the fuel pump included in the flow rate adjustment unit FP1 for supplying the reformed gas, and the flow rate adjustment unit WP1 for supplying pure water The control voltage of the water pump is shown so that the voltage increases (the supply amount increases) as it goes upward in the figure. FIG. 3 shows the temperature of the reformer RF, the stack temperature of the fuel cell CE, the temperature of the combustion chamber FC2 (estimated from the temperature of the reformer RF, etc.), and the reforming included in the flow rate adjustment unit AP1a. The control voltage of the air blower, the control voltage of the power generation air blower included in the flow rate adjustment unit AP1b, the control voltage of the fuel pump included in the flow rate adjustment unit FP2, and the control voltage of the water pump included in the flow rate adjustment unit WP1 are shown. .

まず、改質用空気を増やすように流量調整ユニットAP1a、電磁弁AP2、ヒータAH1、及び混合部MVを制御し、改質器RFに空気を供給する。また、被改質ガスの供給を増やすように流量調整ユニットFP1、ガス遮断弁FP4、FP5、及び混合部MVを制御し、改質器RFに被改質ガスを供給する。このように、空気と被改質ガスを供給し、イグナイタによって着火して燃焼運転を実行する。また、燃焼運転の実行は、燃焼室FC2の温度を上昇させて、空気と被改質ガスを自然着火させることで行ってもよい。なお、発電室FC1上方の燃焼室FC2においては、改質器RFを通過した燃料ガスと発電用空気とが混合して燃焼しており、燃焼室FC2の温度が徐々に上昇する。   First, the flow rate adjustment unit AP1a, the electromagnetic valve AP2, the heater AH1, and the mixing unit MV are controlled so as to increase the reforming air, and air is supplied to the reformer RF. Further, the flow rate adjusting unit FP1, the gas cutoff valves FP4 and FP5, and the mixing unit MV are controlled so as to increase the supply of the reformed gas, and the reformed gas is supplied to the reformer RF. In this way, air and the gas to be reformed are supplied, and ignited by the igniter to execute the combustion operation. The combustion operation may be performed by raising the temperature of the combustion chamber FC2 and spontaneously igniting the air and the reformed gas. In the combustion chamber FC2 above the power generation chamber FC1, the fuel gas that has passed through the reformer RF and the power generation air are mixed and burned, and the temperature of the combustion chamber FC2 gradually increases.

続いて、改質器RFの温度が約300℃程度になった際に、改質器RFが部分酸化改質反応運転(POX運転)可能な状態になることから、改質器RFが300℃前後になった時に成行きで部分酸化改質反応(POX)が進行する。部分酸化改質反応(POX)は発熱反応なので、各部の温度が上昇する。部分酸化改質反応(POX)を開始してから所定時間が経過した後、改質用空気の供給量を更に増やして部分酸化改質反応(POX)をより進行させる。   Subsequently, when the temperature of the reformer RF reaches about 300 ° C., the reformer RF becomes ready for partial oxidation reforming reaction operation (POX operation). The partial oxidation reforming reaction (POX) proceeds when it becomes forward or backward. Since the partial oxidation reforming reaction (POX) is an exothermic reaction, the temperature of each part increases. After a predetermined time has elapsed since the partial oxidation reforming reaction (POX) was started, the supply amount of reforming air is further increased to further advance the partial oxidation reforming reaction (POX).

続いて、改質器RFの温度が約600℃以上になり、且つ燃料電池セルCEによって構成されるセルスタックの温度が約250℃を超えたことを条件として、第1オートサーマル改質反応ATR1へと移行させる。第1オートサーマル改質反応ATR1では、改質器RFに供給する改質用空気の流量を減らし、改質器RFに供給する被改質ガスの流量はそのまま維持し、極微量な純水を改質器RFに供給する。オートサーマル改質反応(ATR)は、部分酸化改質反応(ATR)と水蒸気改質反応(SR)とを混合した反応であって、熱的に内部バランスが取れるので改質器RF内では熱自立しながら反応が進行する。また、第1オートサーマル改質反応(ATR1)は、空気が比較的多く部分酸化改質反応(POX)に近い反応であり、発熱が支配的な反応となっている。なお、第1オートサーマル改質反応(ATR1)中において、燃料電池セルCEによって構成されるセルスタックの温度は約250〜約400℃である。   Subsequently, the first autothermal reforming reaction ATR1 is performed on the condition that the temperature of the reformer RF becomes about 600 ° C. or higher and the temperature of the cell stack constituted by the fuel cells CE exceeds about 250 ° C. To move to. In the first autothermal reforming reaction ATR1, the flow rate of reforming air supplied to the reformer RF is reduced, the flow rate of the gas to be reformed supplied to the reformer RF is maintained as it is, and a very small amount of pure water is supplied. Supply to reformer RF. The autothermal reforming reaction (ATR) is a reaction in which a partial oxidation reforming reaction (ATR) and a steam reforming reaction (SR) are mixed and is thermally balanced in the reformer RF. The reaction proceeds independently. The first autothermal reforming reaction (ATR1) is a reaction that has a relatively large amount of air and is close to the partial oxidation reforming reaction (POX), and heat generation is the dominant reaction. Note that, in the first autothermal reforming reaction (ATR1), the temperature of the cell stack constituted by the fuel cells CE is about 250 to about 400 ° C.

続いて、改質器RFの温度が600℃以上となり、且つ燃料電池セルCEによって構成されるセルスタックの温度が約400℃を超えたことを条件として、第2オートサーマル改質反応(ATR2)へと移行させる。第2オートサーマル改質反応(ATR2)では、改質器RFに供給する改質用空気の流量を減らし、改質器RFに供給する被改質ガスの流量も減らし、微量な純水を改質器RFに供給する。第2オートサーマル改質反応(ATR2)は、空気が比較的少なく水が多いため水蒸気改質反応(SR)に近い反応であり、吸熱が支配的な反応となっている。しかしながら、発電室FC1内の温度を示すセルスタック温度が約400℃を超えているため、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を招くことはない。なお、第2オートサーマル改質反応(ATR2)中における蒸発部RF2の温度は約100℃以上である。   Subsequently, the second autothermal reforming reaction (ATR2) is performed on the condition that the temperature of the reformer RF becomes 600 ° C. or higher and the temperature of the cell stack constituted by the fuel cell CE exceeds about 400 ° C. To move to. In the second autothermal reforming reaction (ATR2), the flow rate of reforming air supplied to the reformer RF is reduced, the flow rate of reformed gas supplied to the reformer RF is also reduced, and a small amount of pure water is modified. Supply to mass device RF. The second autothermal reforming reaction (ATR2) is a reaction close to the steam reforming reaction (SR) because of relatively little air and a lot of water, and the endothermic reaction is dominant. However, since the cell stack temperature indicating the temperature in the power generation chamber FC1 exceeds about 400 ° C., even if the endothermic reaction is dominant, there is no significant temperature drop. In addition, the temperature of the evaporation part RF2 in the second autothermal reforming reaction (ATR2) is about 100 ° C. or higher.

続いて、改質器RFの温度が650℃以上となり、且つ燃料電池セルCEによって構成されるセルスタックの温度が約600℃を超えたことを条件として、水蒸気改質反応(SR)へと移行させる。水蒸気改質反応(SR)では、改質器RFに供給する改質用空気は遮断し、改質器RFに供給する被改質ガスの流量を減らし、所定量の純水を改質器RFに供給する。この水蒸気改質反応(SR)は、吸熱反応であるので、燃焼室FC2からの燃焼熱による熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、既に起動の最終段階であるため、発電室FC1内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応を主体としても大幅な温度低下を招くことはない。また水蒸気改質反応(SR)が進行しても燃焼室FC2では継続して燃焼反応が持続する。   Subsequently, the process proceeds to the steam reforming reaction (SR) on the condition that the temperature of the reformer RF becomes 650 ° C. or higher and the temperature of the cell stack constituted by the fuel cell CE exceeds about 600 ° C. Let In the steam reforming reaction (SR), the reforming air supplied to the reformer RF is shut off, the flow rate of the reformed gas supplied to the reformer RF is reduced, and a predetermined amount of pure water is supplied to the reformer RF. To supply. Since this steam reforming reaction (SR) is an endothermic reaction, the reaction proceeds while maintaining a heat balance by the combustion heat from the combustion chamber FC2. At this stage, since it is already the final stage of startup, the inside of the power generation chamber FC1 has been heated to a sufficiently high temperature, so that no significant temperature decrease is caused even with the endothermic reaction as a main component. Even if the steam reforming reaction (SR) proceeds, the combustion reaction continues in the combustion chamber FC2.

上述したように着火から燃焼工程の進行に合わせて改質工程を切り替えていくことで、発電室FC1内の温度が徐々に上昇する。発電室FC1の温度(セルスタックの温度)が、燃料電池モジュールFCMを安定的に作動させる定格温度(約700℃)よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュールFCMを含む電気回路を閉じる。それにより、燃料電池モジュールFCMは発電を開始し、回路に電流が流れて外部に電力を供給することができる。燃料電池セルCEの発電により、燃料電池セルCE自体も発熱し、更に、燃料電池セルCEの温度が上昇する。その結果、燃料電池モジュールFCMを作動させる定格温度、例えば700〜800℃になる。   As described above, the temperature in the power generation chamber FC1 gradually increases by switching the reforming process from the ignition to the progress of the combustion process. When the temperature of the power generation chamber FC1 (cell stack temperature) reaches a predetermined power generation temperature lower than the rated temperature (about 700 ° C.) at which the fuel cell module FCM is stably operated, the electric circuit including the fuel cell module FCM is changed. close up. As a result, the fuel cell module FCM starts power generation, and a current flows through the circuit to supply power to the outside. Due to the power generation of the fuel cell CE, the fuel cell CE itself also generates heat, and the temperature of the fuel cell CE rises. As a result, the rated temperature for operating the fuel cell module FCM, for example, 700 to 800 ° C. is reached.

その後、定格温度を維持するために、燃料電池セルCEで消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い量の燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室FC2での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応(SR)で発電が進行する。水蒸気改質反応(SR)自体は、厳密には400〜800℃程度で行われるが、燃料電池セルCEとの組み合わせにおいては500〜700℃程度で反応が進行する。   Thereafter, in order to maintain the rated temperature, fuel gas and air in an amount larger than the amount of fuel gas and air consumed in the fuel battery cell CE are supplied, and combustion in the combustion chamber FC2 is continued. During power generation, power generation proceeds by a steam reforming reaction (SR) with high reforming efficiency. Strictly speaking, the steam reforming reaction (SR) itself is performed at about 400 to 800 ° C., but the reaction proceeds at about 500 to 700 ° C. in combination with the fuel cell CE.

次に、図4及び図5を参照して、本実施例に係る燃料電池モジュールについてさらに詳細に説明する。図4は、本実施例に係る燃料電池モジュール付近の構成をさらに具体的に示す概略構成図、図5は、図4に示すV−V線に沿った断面図である。   Next, the fuel cell module according to this embodiment will be described in more detail with reference to FIGS. FIG. 4 is a schematic configuration diagram more specifically showing the configuration in the vicinity of the fuel cell module according to the present embodiment, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV shown in FIG.

図4に示すように、本実施例に係る燃料電池モジュールFCMは、発電室FC1と、分散室DBと、燃焼室FC2と、水蒸気改質器RFSと、予熱器PHと、蒸発部RF2と、部分酸化改質器RFPとを備えており、発電室FC1と、分散室DBと、燃焼室FC2と、水蒸気改質器RFSと、予熱器PHと、蒸発部RF2は同一の容器C内に収容されており、部分酸化改質器RFPは、容器Cの外部に配設されている。   As shown in FIG. 4, the fuel cell module FCM according to the present embodiment includes a power generation chamber FC1, a dispersion chamber DB, a combustion chamber FC2, a steam reformer RFS, a preheater PH, an evaporation unit RF2, The partial oxidation reformer RFP is provided, and the power generation chamber FC1, the dispersion chamber DB, the combustion chamber FC2, the steam reformer RFS, the preheater PH, and the evaporation unit RF2 are accommodated in the same container C. The partial oxidation reformer RFP is disposed outside the container C.

分散室DBは、発電室FC1の下部に配設されている。この分散室DBは、改質器RFで改質された燃料ガスを分散させ、発電室FC1内に燃料ガスを均一に供給するためのものであり、その上壁には、燃料ガスを発電室FC1内に供給する複数の穴DBHが貫通形成されている。この複数の穴DBHは、特に図5に示すように、発電室FC1内に立設された複数の燃料電池セルCE同士の隙間に開口されている。また、分散室DBの底面には、後に詳述する部分酸化改質器RFPから供給される燃料ガスを分散室DB内に導入するための導入穴(図示せず)が貫通形成されている。これにより、分散室DBの底面側(下側)から導入された燃料ガスは、ここで分散され、発電室FC1の底面側(下側)から発電室FC1内に導入され、図1及び図4に示すように、発電室FC1内に立設された燃料電池セルCEの燃料極に供給される。なお、容器Cの側壁外面と底面の外面には、断熱材HIが配設されている。   The dispersion chamber DB is disposed below the power generation chamber FC1. The dispersion chamber DB is for dispersing the fuel gas reformed by the reformer RF and uniformly supplying the fuel gas into the power generation chamber FC1, and the fuel gas is generated on the upper wall of the power generation chamber. A plurality of holes DBH to be supplied into FC1 are formed through. As shown in FIG. 5 in particular, the plurality of holes DBH are opened in the gaps between the plurality of fuel cells CE provided upright in the power generation chamber FC1. Further, an introduction hole (not shown) for introducing a fuel gas supplied from a partial oxidation reformer RFP, which will be described in detail later, into the dispersion chamber DB is formed through the bottom surface of the dispersion chamber DB. Thereby, the fuel gas introduced from the bottom surface side (lower side) of the dispersion chamber DB is dispersed here and introduced into the power generation chamber FC1 from the bottom surface side (lower side) of the power generation chamber FC1, and FIG. 1 and FIG. As shown in FIG. 2, the fuel cell CE is installed in the power generation chamber FC1 and supplied to the fuel electrode of the fuel cell CE. A heat insulating material HI is disposed on the outer surface of the side wall and the outer surface of the bottom surface of the container C.

改質器RFは、前述したように、改質部RF1と、蒸発部RF2とを備えており、改質部RF1は、さらに燃料ガスの水蒸気改質を行う水蒸気改質器RFSと、燃料ガスの部分酸化改質を行う部分酸化改質器RFPとから構成されている。   As described above, the reformer RF includes the reforming unit RF1 and the evaporation unit RF2. The reforming unit RF1 further includes a steam reformer RFS that performs steam reforming of the fuel gas, and a fuel gas. And a partial oxidation reformer RFP for performing partial oxidation reforming.

水蒸気改質器RFSは、燃焼室FC2の上部に配設されている。水蒸気改質器RFSの上部には、予熱器PHが配設されており、水蒸気改質器RFSに供給される純水及び被改質ガスは、予熱器PHを介して水蒸気改質器RFSに供給される。なお、蒸発部RF2は、補器ユニットADU側から供給される純水を蒸発させて水蒸気とし、その水蒸気を水蒸気改質器RFSに供給する。この水蒸気改質器RFSは、容器C内に配設されており、且つ同じ容器C内に配設された燃焼室FC2の上方に配設されているため、燃焼室FC2で生じる熱を用いて吸熱反応を効率よく行うことができる。   The steam reformer RFS is disposed in the upper part of the combustion chamber FC2. A preheater PH is disposed above the steam reformer RFS, and the pure water and the gas to be reformed supplied to the steam reformer RFS are supplied to the steam reformer RFS via the preheater PH. Supplied. The evaporating unit RF2 evaporates pure water supplied from the auxiliary unit ADU side into steam, and supplies the steam to the steam reformer RFS. Since this steam reformer RFS is disposed in the container C and is disposed above the combustion chamber FC2 disposed in the same container C, it uses heat generated in the combustion chamber FC2. An endothermic reaction can be performed efficiently.

部分酸化改質器RFPは、容器Cの外部底面を画定する分散室DBの外部底面の略中央部に配設されている。この部分酸化改質器RFPは、本実施例では、被改質ガス、空気、純水が供給されるようになっており、ここで改質された燃料ガスは、分散室DBの底面に形成された前述した図示しない導入穴から分散室DBに供給される。この部分酸化改質器RFPを分散室DBの下部中央に配置させることで、部分酸化改質器RFPからの放熱を防止することができると共に、分散室DBにおける燃料ガスの分散性を向上させることができる。したがって、発電室FC1に燃料ガスを均一な状態で供給することができ、発電効率を向上させることができる。なお、部分酸化改質器RFPは、起動モードの際と、後に詳述する運転停止モードの際に、被改質ガスに部分酸化改質を行うが、水を必要としない部分酸化改質反応(POX)時には、燃料電池システム制御部CSによって、部分酸化改質器RFPに純水が供給されないように制御される。   The partial oxidation reformer RFP is disposed substantially at the center of the outer bottom surface of the dispersion chamber DB that defines the outer bottom surface of the container C. In this embodiment, the partial oxidation reformer RFP is supplied with a gas to be reformed, air, and pure water. The reformed fuel gas is formed on the bottom surface of the dispersion chamber DB. The dispersion chamber DB is supplied from the introduction hole (not shown). By disposing the partial oxidation reformer RFP at the lower center of the dispersion chamber DB, heat radiation from the partial oxidation reformer RFP can be prevented and the dispersibility of the fuel gas in the dispersion chamber DB can be improved. Can do. Therefore, the fuel gas can be supplied to the power generation chamber FC1 in a uniform state, and the power generation efficiency can be improved. The partial oxidation reformer RFP performs partial oxidation reforming on the gas to be reformed in the start-up mode and in the operation stop mode described in detail later, but does not require water. At (POX), the fuel cell system control unit CS performs control so that pure water is not supplied to the partial oxidation reformer RFP.

ここで、図3に示すように、部分酸化改質器RFPは起動モードにおいて、着火から約10分程度で約300℃となり、この時点では、セルスタックの温度は、約100℃程度であり、両者には大幅な温度差が生じている。この時、従来の燃料電池システムのように、部分酸化改質器RFPが容器C内に配設されていると、部分酸化改質器RFPの輻射熱により燃料電池セルCEが局所的に加熱され、燃料電池セルCEに熱ムラが生じて破損し易くなる。また、セルスタック全体に、局所的な高温部が偏在する温度分布が生じ、発電効率が低下する虞もある。これに対し、本実施例では、部分酸化改質器RFPを容器Cの外側下方(分散室DBの底面の外面)に配設したため、起動モードの際に、部分酸化改質器RFPの輻射熱により燃料電池セルCEが局所的に加熱されることを防止することができると共に、セルスタック全体にも局所的な高温部が偏在する温度分布が生じることを防止することができる。また、部分酸化改質器RFPと分散室DBとの間の燃料ガス流通用の配管を短くする、あるいは無くすことができるため、この配管部分での放熱を極力少なくすることができ、部分酸化改質器RFPで昇温された燃料ガスによる容器C内の加熱をさらに促進させることができる。そしてまた、容器Cの側壁外面と底面の外面には、断熱材HIが配設されているため、起動モードの際に、部分酸化改質器RFPの輻射熱により燃料電池セルCE及びセルスタック全体が影響を受けることをさらに防止することができる。   Here, as shown in FIG. 3, the partial oxidation reformer RFP reaches about 300 ° C. in about 10 minutes after ignition in the startup mode, and at this time, the temperature of the cell stack is about 100 ° C. There is a significant temperature difference between the two. At this time, if the partial oxidation reformer RFP is disposed in the container C as in the conventional fuel cell system, the fuel cell CE is locally heated by the radiant heat of the partial oxidation reformer RFP, Heat unevenness occurs in the fuel cell CE and is easily damaged. In addition, a temperature distribution in which local high temperature portions are unevenly distributed occurs in the entire cell stack, and power generation efficiency may be reduced. On the other hand, in the present embodiment, the partial oxidation reformer RFP is disposed on the outside lower side of the container C (outside of the bottom surface of the dispersion chamber DB), so that in the start-up mode, the partial oxidation reformer RFP radiates heat. The fuel cell CE can be prevented from being locally heated, and the temperature distribution in which local high temperature portions are unevenly distributed can be prevented from occurring in the entire cell stack. In addition, since the piping for fuel gas distribution between the partial oxidation reformer RFP and the dispersion chamber DB can be shortened or eliminated, the heat radiation in the piping portion can be reduced as much as possible, and the partial oxidation reforming can be performed. Heating of the container C by the fuel gas heated by the mass device RFP can be further promoted. Further, since the heat insulating material HI is disposed on the outer surface of the side wall and the bottom surface of the container C, the fuel cell CE and the entire cell stack are caused by the radiant heat of the partial oxidation reformer RFP in the start-up mode. It can be further prevented from being affected.

次に、燃料電池システムFCSの運転停止時(運転停止モード)における各種改質反応の切り替えについて図6を参照しながら説明する。図6は、燃料電池システムFCSの運動停止モードにおける各部の温度や各部に供給する流体流量を示すグラフである。なお、図6は、横軸に運転停止モードの経過時間を取り、左縦軸には各部に供給する流体流量を取っている。流体流量であるため特段の目盛りは付していないが、図中上方に行くほど流量が増えるように示している。   Next, switching of various reforming reactions when the fuel cell system FCS is stopped (operation stop mode) will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a graph showing the temperature of each part and the flow rate of fluid supplied to each part in the motion stop mode of the fuel cell system FCS. In FIG. 6, the horizontal axis represents the elapsed time of the operation stop mode, and the left vertical axis represents the flow rate of the fluid supplied to each part. Since it is a fluid flow rate, no special scale is given, but the flow rate increases as it goes upward in the figure.

図6には、部分酸化改質器RFPの温度、燃料電池セルCEのスタック温度、水蒸気改質器RFSへ供給する純水の流量、水蒸気改質器RFSへ供給する燃料ガスの流量、部分酸化改質器RFPへ供給する空気の流量、部分酸化改質器RFPへ供給する純水の流量、部分酸化改質器RFPへ供給する燃料ガスの流量、及び燃料電池FCの発電電流量を示している。   FIG. 6 shows the temperature of the partial oxidation reformer RFP, the stack temperature of the fuel cell CE, the flow rate of pure water supplied to the steam reformer RFS, the flow rate of fuel gas supplied to the steam reformer RFS, and the partial oxidation. The flow rate of air supplied to the reformer RFP, the flow rate of pure water supplied to the partial oxidation reformer RFP, the flow rate of fuel gas supplied to the partial oxidation reformer RFP, and the amount of power generation current of the fuel cell FC are shown. Yes.

運転停止モードでは、先ず、水蒸気改質反応(SR)から部分酸化改質反応(POX)を含む反応に移行するため、流量調整ユニットWP1を制御し、水蒸気改質器RFSへの純水流量を減少させる。また、水蒸気改質器RFSへ供給する被改質ガスの流量を減少させるように流量調整ユニットFP1、ガス遮断弁FP4、FP5、及び混合部MVを制御する。さらに、発電室FC1に供給する発電用空気の流量を減少させるように流量調整ユニットAP1bが制御される。燃料電池FCによる発電電流は、水蒸気改質器RFSへの純水流量及び燃料ガス流量の減少に伴って減少する。なお、水蒸気改質反応(SR)時には、容器Cからの輻射熱により、部分酸化改質器RFPは約500℃となっているが、この時点では、燃料電池セルCEが部分酸化改質器RFPよりも高温になっているため、部分酸化改質器RFPの温度によって、燃料電池セルCEが局所的に高温になることはない。   In the shutdown mode, first, in order to shift from the steam reforming reaction (SR) to the reaction including the partial oxidation reforming reaction (POX), the flow rate adjusting unit WP1 is controlled to control the flow rate of pure water to the steam reformer RFS. Decrease. Further, the flow rate adjusting unit FP1, the gas shut-off valves FP4 and FP5, and the mixing unit MV are controlled so as to reduce the flow rate of the reformed gas supplied to the steam reformer RFS. Further, the flow rate adjusting unit AP1b is controlled so as to reduce the flow rate of the power generation air supplied to the power generation chamber FC1. The current generated by the fuel cell FC decreases as the pure water flow rate and the fuel gas flow rate to the steam reformer RFS decrease. During the steam reforming reaction (SR), the partial oxidation reformer RFP is about 500 ° C. due to the radiant heat from the container C. At this time, the fuel cell CE is more than the partial oxidation reformer RFP. Therefore, the temperature of the partial oxidation reformer RFP does not locally increase the temperature of the fuel cell CE.

次に、水蒸気改質器RFSへの純水流量及び燃料ガス流量が所定量となり、この状態で所定時間が経過し、且つ発電室FC1に供給する発電用空気の流量が所定量になったことを条件として、部分酸化改質器RFPに、微量な純水を供給し、次いで、所定量の燃料ガス及び改質用空気を供給し、部分酸化改質反応(POX)を含む反応を行わせる。なお、図6に示すように、部分酸化改質器RFPへの純水、燃料ガス、改質用空気の供給初期には、水蒸気改質器RFSへの純水及び燃料ガスの供給が継続して行われているが、水蒸気改質器RFSへの純水及び燃料ガスの供給は、部分酸化改質反応(POX)を含む反応がある程度進んだ時点で停止される。この部分酸化改質反応(POX)を含む反応時には、発電室FC1に約300℃の発電用空気が供給されるため、部分酸化改質反応(POX)を含む反応の当初に950℃程度まで昇温されていたセルスタックは、主にこの発電用空気によって冷却され、部分酸化改質反応(POX)を含む反応は、セルスタック温度が約300℃になるまで行われる。また、このように、燃料電池セルCEが酸化し易いセル酸化温度領域に部分酸化改質反応(POX)を含む反応を行わせることで、燃料電池セルCEの酸化を防止することができる。   Next, the pure water flow rate and the fuel gas flow rate to the steam reformer RFS have reached a predetermined amount. In this state, a predetermined time has elapsed, and the flow rate of power generation air supplied to the power generation chamber FC1 has reached a predetermined amount. As a condition, a minute amount of pure water is supplied to the partial oxidation reformer RFP, and then a predetermined amount of fuel gas and reforming air are supplied to perform a reaction including a partial oxidation reforming reaction (POX). . As shown in FIG. 6, at the initial stage of supplying pure water, fuel gas, and reforming air to the partial oxidation reformer RFP, the supply of pure water and fuel gas to the steam reformer RFS is continued. However, the supply of pure water and fuel gas to the steam reformer RFS is stopped when the reaction including the partial oxidation reforming reaction (POX) proceeds to some extent. At the time of the reaction including the partial oxidation reforming reaction (POX), the power generation air of about 300 ° C. is supplied to the power generation chamber FC1, so that the temperature is raised to about 950 ° C. at the beginning of the reaction including the partial oxidation reforming reaction (POX). The heated cell stack is mainly cooled by the power generation air, and the reaction including the partial oxidation reforming reaction (POX) is performed until the cell stack temperature reaches about 300 ° C. Further, the oxidation of the fuel cell CE can be prevented by causing the reaction including the partial oxidation reforming reaction (POX) to occur in the cell oxidation temperature region in which the fuel cell CE is easily oxidized.

セルスタックの温度が、約300℃になったことを条件として、部分酸化改質器RFPに対する空気の供給を停止し、次いで、燃料ガスの供給、純水の供給を順に停止する。この動作に伴って、セルスタック温度が徐々に低下し、部分酸化改質器RFPの温度は、燃料ガスの供給が停止された時点から低下し、100℃以下となる。セルスタックの温度及び部分酸化改質器RFPの温度が100℃以下になってから所定時間経過後、発電用空気の供給を停止する。   On condition that the temperature of the cell stack reaches about 300 ° C., the supply of air to the partial oxidation reformer RFP is stopped, and then the supply of fuel gas and the supply of pure water are sequentially stopped. With this operation, the cell stack temperature gradually decreases, and the temperature of the partial oxidation reformer RFP decreases from the time when the supply of the fuel gas is stopped to 100 ° C. or less. After a predetermined time has elapsed after the temperature of the cell stack and the temperature of the partial oxidation reformer RFP have become 100 ° C. or less, the supply of power generation air is stopped.

なお、本実施例では、容器Cの側壁外面と底面の外面に断熱材HIを配設した場合について説明したが、これに限らず、断熱材HIは、必ずしも配設しなくてもよく、断熱材HIを配設する場合は、部分酸化改質器RFPが、断熱材HIを介して容器Cに配設されていれば、断熱材HIの配設箇所、配設面積等は適宜決定すればよい。例えば、後述する図7〜図9に記載された容器Cは、断熱材HIを配設していない状態で記載してあるが、これらの容器Cにも部分酸化改質器RFPが断熱材HIを介して配設されるよう、部分酸化改質器RFPに断熱材HIを配設してもよい。また、断熱材HIは、部分酸化改質器RFPの外面に設けてもよく、容器Cと部分酸化改質器RFPとの間に独立させて設けてもよい。   In addition, although the present Example demonstrated the case where the heat insulating material HI was arrange | positioned on the outer surface of the side wall of the container C, and the outer surface of the bottom face, it is not restricted to this but the heat insulating material HI does not necessarily need to be arrange | positioned. In the case where the material HI is disposed, if the partial oxidation reformer RFP is disposed in the container C via the heat insulating material HI, the location, area, etc. of the heat insulating material HI can be determined as appropriate. Good. For example, although the container C described in FIGS. 7 to 9 described later is described in a state in which the heat insulating material HI is not provided, the partial oxidation reformer RFP also includes the heat insulating material HI in these containers C. The heat insulating material HI may be disposed in the partial oxidation reformer RFP so as to be disposed through the heat exchanger. Further, the heat insulating material HI may be provided on the outer surface of the partial oxidation reformer RFP, or may be provided independently between the container C and the partial oxidation reformer RFP.

また、本実施例では、部分酸化改質器RFPを、容器Cの外部底面の略中央部に配設した場合について説明したが、これに限らず、部分酸化改質器RFPは、容器Cの外側下方に配設されていればよく、例えば、図7に示すように、部分酸化改質器RFPは、容器Cの側壁の外側下部に位置させてもよい。なお、この構成の場合、部分酸化改質器RFPと分散室DBとを連通して燃料ガスを流通させる配管を断熱材HIで包囲してもよい。このように、配管に断熱材HIを配設することで、起動モードの際に、配管から放熱することを防止することができ、容器C内の加熱をさらに促進させることができる。   In the present embodiment, the case where the partial oxidation reformer RFP is disposed at the substantially central portion of the outer bottom surface of the container C has been described. For example, as shown in FIG. 7, the partial oxidation reformer RFP may be located at the lower outer side of the side wall of the container C. In the case of this configuration, the piping that allows the fuel gas to flow through the partial oxidation reformer RFP and the dispersion chamber DB may be surrounded by the heat insulating material HI. Thus, by disposing the heat insulating material HI in the pipe, it is possible to prevent heat from being radiated from the pipe during the start-up mode, and it is possible to further promote the heating in the container C.

そしてまた、本発明に係る燃料電池システムFCSでは、図8に示すように、部分酸化改質器RFPの下流側の配管を2つに分岐させ、起動モードの際に流体を通過させる配管PP1と、運転停止モードの際に流体を通過させる配管PP2とに分けた構成としてもよい。この構成の場合、配管PP1は、起動モードの際に容器C内の加熱を促進させるため、配管PP1からの放熱を防止することができるよう、分散室DBまでの経路を短くし、配管PP2は、運転停止モードの際に容器C内の冷却を促進するため、分散室DBまでの経路を長くすることが望ましい。また、配管PP1及び配管PP2には、ガス遮断弁FP6及びFP7を各々配設し、起動モードの際には、燃料電池システム制御部CSによってガス遮断弁FP6が開き、ガス遮断弁FP7を閉じるよう制御し、運転停止モードの際には、ガス遮断弁FP7が開き、ガス遮断弁FP6を閉じるよう制御する。なお、この構成の場合も、配管PP1に断熱材を配設してもよい。   Further, in the fuel cell system FCS according to the present invention, as shown in FIG. 8, a pipe PP1 for branching the pipe on the downstream side of the partial oxidation reformer RFP into two and allowing the fluid to pass in the start mode and It is good also as a structure divided into piping PP2 which lets a fluid pass in the case of operation stop mode. In this configuration, since the pipe PP1 promotes heating in the container C in the start mode, the path to the dispersion chamber DB is shortened so that the heat radiation from the pipe PP1 can be prevented, and the pipe PP2 is In order to promote cooling in the container C during the operation stop mode, it is desirable to lengthen the path to the dispersion chamber DB. The pipe PP1 and the pipe PP2 are provided with gas cutoff valves FP6 and FP7, respectively, and in the start mode, the fuel cutoff control valve CS opens the gas cutoff valve FP6 and closes the gas cutoff valve FP7. In the operation stop mode, the gas cutoff valve FP7 is opened and the gas cutoff valve FP6 is closed. In addition, also in this structure, you may arrange | position a heat insulating material to piping PP1.

さらにまた、本発明に係る燃料電池システムFCSでは、図9に示すように、部分酸化改質器RFPを、起動モードの際に部分酸化改質反応(POX)を行う起動用部分酸化改質器RFP1と、運転停止モードの際に部分酸化改質反応(POX)を行う停止用部分酸化改質器RFP2とから構成してもよい。図9に示す構成では、停止用部分酸化改質器RFP2を、起動用部分酸化改質器RFP1よりも容器Cから遠い位置に配設している。この構成により、起動モードの際には、起動用部分酸化改質器RFP1からの放熱を効率よく防止して、容器C内の加熱を促進させ、運転停止モードの際は、容器C内に起動モードの際よりも低温の流体を供給することができるため、容器C内をさらに効率よく冷却させることができる。なお、起動用部分酸化改質器RFP1と、停止用部分酸化改質器RFP2を配設する場合、起動用部分酸化改質器RFP1と、停止用部分酸化改質器RFP2は、図9に示すように近接させてもよく、両者間に所望の間隔をおいて配設してもよい。また、この構成の場合も、起動用部分酸化改質器RFP1の下流側に配設された配管に断熱材を配設してもよい。   Furthermore, in the fuel cell system FCS according to the present invention, as shown in FIG. 9, the partial oxidation reformer RFP is a partial oxidation reformer for start-up that performs a partial oxidation reforming reaction (POX) in the start-up mode. You may comprise RFP1 and the partial oxidation reformer RFP2 for a stop which performs a partial oxidation reforming reaction (POX) in the shutdown mode. In the configuration shown in FIG. 9, the partial oxidation reformer RFP2 for stopping is disposed at a position farther from the container C than the partial oxidation reformer RFP1 for activation. With this configuration, in the start-up mode, heat release from the start-up partial oxidation reformer RFP1 is efficiently prevented to promote heating in the container C, and in the operation stop mode, the heat-up is started in the container C. Since the fluid having a temperature lower than that in the mode can be supplied, the inside of the container C can be further efficiently cooled. In the case where the starting partial oxidation reformer RFP1 and the stopping partial oxidation reformer RFP2 are provided, the starting partial oxidation reformer RFP1 and the stopping partial oxidation reformer RFP2 are shown in FIG. They may be close to each other, or may be arranged with a desired interval between them. Moreover, also in this structure, you may arrange | position a heat insulating material to piping arrange | positioned downstream of the partial oxidation reformer RFP1 for starting.

また、本実施例では、水蒸気改質器RFSで改質された燃料ガスを流通させて分散室DBに導入させる配管と、部分酸化改質器RFPで改質された燃料ガスを流通させて分散室DBに導入させる配管とを並列に設けた場合について説明したが、これに限らず、前記燃料ガスを、水蒸気改質器RFSから分散室DBに導入する配管と、部分酸化改質器RFPから分散室DBに導入する配管は、直列に配設してもよい。   In this embodiment, the fuel gas reformed by the steam reformer RFS is circulated and introduced into the dispersion chamber DB, and the fuel gas reformed by the partial oxidation reformer RFP is circulated and dispersed. Although the case where the pipe to be introduced into the chamber DB is provided in parallel has been described, the present invention is not limited thereto, and the pipe for introducing the fuel gas from the steam reformer RFS to the dispersion chamber DB and the partial oxidation reformer RFP. The piping introduced into the dispersion chamber DB may be arranged in series.

ADU:補器ユニット
C:容器
CE:燃料電池セル
CS:燃料電池システム制御部
DB:分散室
FC:燃料電池
FC1:発電室
FC2:燃焼室
FCM:燃料電池モジュール
FCS:燃料電池システム
FP:燃料供給部
FP4、FP5、FP6、FP7:ガス遮断弁
HI:断熱材
POX:部分酸化改質反応
PP1、PP2:配管
RF:改質器
RF1:改質部
RF2:蒸発部
RFP:部分酸化改質器
RFP1:起動用部分酸化改質器
RFP2:停止用部分酸化改質器
RFS:水蒸気改質器
SC:燃料電池システム制御部
SR:水蒸気改質反応
ADU: Auxiliary unit C: Container CE: Fuel cell CS: Fuel cell system controller DB: Dispersion chamber FC: Fuel cell FC1: Power generation chamber FC2: Combustion chamber FCM: Fuel cell module FCS: Fuel cell system FP: Fuel supply Part FP4, FP5, FP6, FP7: Gas shut-off valve HI: Heat insulating material POX: Partial oxidation reforming reaction PP1, PP2: Pipe RF: Reformer RF1: Reforming part RF2: Evaporating part RFP: Partial oxidation reformer RFP1 : Start partial oxidation reformer RFP2: Stop partial oxidation reformer RFS: Steam reformer SC: Fuel cell system controller SR: Steam reforming reaction

Claims (7)

固体電解質形の燃料電池セルを含む燃料電池システムであって、
複数の燃料電池セルが配置された発電室と、前記発電室の上方に配設された燃焼室と、前記燃焼室の上方に配設され且つ燃料ガスの水蒸気改質を行う第1改質器と、前記燃料電池システムを起動させる起動モードの際及び前記発電を停止する運転停止モードの際に燃料ガスの部分酸化改質を行う第2改質器と、を有する燃料電池モジュールを備え、
前記発電室は、前記第1改質器及び第2改質器で改質された燃料ガスが下部から導入され、
前記第2改質器は、前記発電室及び燃焼室を形成する容器の外側下方に配設されるものであって、
前記容器は、前記発電室の下方に配設され且つ前記第1改質器及び第2改質器で改質された燃料ガスを分散させて当該発電室に供給する分散室をさらに形成してなり、前記第2改質器は、前記分散室の下面外側となる位置に配設されてなる燃料電池システム。
A fuel cell system including a solid electrolyte fuel cell,
A power generation chamber in which a plurality of fuel cells are disposed, a combustion chamber disposed above the power generation chamber, and a first reformer disposed above the combustion chamber and performing steam reforming of fuel gas And a second reformer that performs partial oxidation reforming of the fuel gas in the start mode for starting the fuel cell system and in the operation stop mode for stopping the power generation, and a fuel cell module,
In the power generation chamber, the fuel gas reformed by the first reformer and the second reformer is introduced from below,
The second reformer, a shall be disposed outside the lower container forming the power generating chamber and the combustion chamber,
The container further includes a dispersion chamber that is disposed below the power generation chamber and disperses the fuel gas reformed by the first reformer and the second reformer and supplies the fuel gas to the power generation chamber. And the second reformer is disposed at a position outside the lower surface of the dispersion chamber .
前記第2改質器は、前記発電室の近傍に配設されてなる請求項1記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the second reformer is disposed in the vicinity of the power generation chamber. 前記第2改質器は、断熱材を介して配設されてなる請求項1記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the second reformer is disposed via a heat insulating material. 前記第2改質器で改質された燃料ガスを前記容器に供給する配管に、断熱材を配設してなる請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein a heat insulating material is provided in a pipe for supplying the fuel gas reformed by the second reformer to the container. 前記第2改質器は、前記分散室の下面外側となる位置の中央部に配設されてなる請求項1記載の燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the second reformer is disposed at a central portion at a position on the outer side of the lower surface of the dispersion chamber . 前記第2改質器は、燃料電池システムの起動モードの際に前記燃料ガスの部分酸化改質を行う起動用部分酸化改質器と、当該燃料電池システムの運転停止モードの際に前記燃料ガスの部分酸化改質を行う停止用部分酸化改質器と、を有し、The second reformer includes a startup partial oxidation reformer that performs partial oxidation reforming of the fuel gas during a startup mode of the fuel cell system, and the fuel gas during a shutdown mode of the fuel cell system. A partial oxidation reformer for stopping that performs partial oxidation reforming of
前記停止用部分酸化改質器は、前記起動用部分酸化改質器よりも前記容器から遠い位置に配設されてなる請求項1記載の燃料電池システム。  2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the partial oxidation reformer for stop is disposed at a position farther from the container than the partial oxidation reformer for start-up.
前記第2改質器の下流側に配設され、当該第2改質器と前記容器とを連通させる配管を複数有し、前記複数の配管のうち、前記容器に最も近い位置に配設されている配管に、燃料電池システムの起動モードの際に前記第2改質器から排出された流体を通過させ、前記容器から最も遠い位置に配設されている配管に、燃料電池システムの運転停止モードの際に前記第2改質器から排出された流体を通過させる請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。A plurality of pipes are provided downstream of the second reformer and communicate with the second reformer and the container, and are arranged at a position closest to the container among the plurality of pipes. The fluid discharged from the second reformer during the start-up mode of the fuel cell system is passed through the pipe that is in the fuel cell system, and the operation of the fuel cell system is stopped in the pipe that is disposed farthest from the container The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the fluid discharged from the second reformer is passed during the mode.
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