JP5611709B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、スタックのアノードから吐出されたアノードオフガスを酸素含有ガスで燃焼させる燃焼用空間を有する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system having a combustion space for burning an anode off-gas discharged from an anode of a stack with an oxygen-containing gas.
特許文献１は、アノードガスおよびカソードガスのうちの少なくとも一方を予熱する燃焼器と、アノードガスおよびカソードガスにより発電する燃料電池と、制御部とを有する燃料電池システムを開示している。このシステムによれば、燃焼器の燃焼火災の状態に関する火炎情報と、アノードガスおよびカソードガスの燃焼器における濃度に関する濃度情報と、燃焼器における温度情報とに基づいて、燃焼器における燃焼火炎が全部または一部が消える未燃焼の判定を行い、未燃焼である判定された場合には、アノードガスおよびカソードガスを制御すると共に燃料電池の運転を制御する制御部とを有する燃料電池システムを開示している。 Patent Document 1 discloses a fuel cell system that includes a combustor that preheats at least one of anode gas and cathode gas, a fuel cell that generates power using the anode gas and cathode gas, and a control unit. According to this system, all the combustion flames in the combustor are based on the flame information regarding the state of the combustion fire of the combustor, the concentration information regarding the concentrations of the anode gas and the cathode gas in the combustor, and the temperature information in the combustor. Alternatively, a fuel cell system is disclosed that includes a control unit that performs non-burning determination in which part of the fuel gas disappears, and controls the anode gas and the cathode gas and controls the operation of the fuel cell when it is determined to be unburned. ing.
産業界では、燃焼火炎の未燃焼の判定を更に良好に行い得る燃料電池システムが要請されている。 There is a demand in the industry for a fuel cell system that can better determine whether a combustion flame is unburned.
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、スタックから燃焼用空間に吐出されたアノードオフガスを燃焼用空間において燃焼させるにあたり、燃焼状態の判定を更に良好に行い得る燃料電池システムを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides a fuel cell system that can better determine the combustion state when the anode off-gas discharged from the stack to the combustion space is burned in the combustion space. The task is to do.
本発明に係る燃料電池システム（以下、システムともいう）は、アノードおよびカソードをもつ燃料電池で形成されたスタックと、アノード活物質を含むアノードガスをスタックのアノードに供給させるアノードガス供給部と、カソード活物質を含むカソードガスをスタックのカソードに供給させるカソードガス供給部と、スタックのアノードから吐出されたアノードオフガスを酸素含有ガスで燃焼させる燃焼用空間と、燃焼用空間よりも下流に設けられアノードオフガスを燃焼用空間で燃焼させた排ガスが流れ、アノードオフガスを燃焼用空間で燃焼させた排ガスに含まれる可燃性の有害成分の燃焼を促進させて有害成分を低減させる触媒を有する燃焼触媒部で形成されている再燃焼部と、燃焼触媒部における燃焼に起因する排ガスの時間的な温度上昇幅または時間的な温度上昇率或いは、燃焼触媒部の直後の温度と直前の温度との間における場所的な温度上昇幅又は場所的な温度上昇率に基づいて、燃焼用空間における燃焼状態を判定する制御部とを具備する。 A fuel cell system according to the present invention (hereinafter also referred to as a system) includes a stack formed of a fuel cell having an anode and a cathode, an anode gas supply unit that supplies an anode gas containing an anode active material to the anode of the stack, A cathode gas supply unit for supplying a cathode gas containing a cathode active material to the cathode of the stack, a combustion space for burning the anode off-gas discharged from the anode of the stack with an oxygen-containing gas, and a downstream of the combustion space. Combustion catalyst unit having a catalyst for reducing the harmful components by promoting combustion of combustible harmful components contained in the exhaust gas in which the anode off gas is combusted in the combustion space. in the afterburner section being formed, the exhaust gas due to combustion in the combustion catalyst unit time A temperature rise or temporal temperature increase rate or based on where temperature rise width or location temperature rise rate between the temperature and the previous temperature immediately after the combustion catalyst section, combustion in the combustion space And a control unit for determining the state.
スタックのアノードにはアノードガスが供給される。スタックのカソードにはカソードガスが供給される。スタックから吐出されたアノードオフガスは、燃焼用空間に流れる。アノードオフガスは可燃成分を含むため、燃焼用空間において酸素含有ガスで燃焼され、燃焼火炎を形成すると共に排ガスを形成する。排ガスは、燃焼用空間よりも下流に配置されている再燃焼部に流れる。排ガスに含まれる可燃成分は再燃焼部において燃焼する。この燃焼は酸化反応であり、発熱反応であり、再燃焼部を昇温させる。従って再燃焼部を流れる排ガスが昇温する。制御部は、上記した排ガスの温度上昇幅または温度上昇率（温度の上昇に関する物理量）を求め、排ガスの温度上昇幅または温度上昇率に基づいて、燃焼用空間における燃焼火炎の燃焼状態を判定する。温度上昇幅が温度上昇幅用の所定の許容値よりも大きいときには、燃焼用空間における燃焼火炎の未燃焼があると推定される。温度上昇幅が温度上昇幅用の所定の許容値以下のときには、燃焼用空間における燃焼火炎の未燃焼が実質的にないか、許容範囲内であると推定される。また、温度上昇率が温度上昇率用の所定の許容値よりも大きいときには、燃焼用空間における燃焼火炎の未燃焼があると推定される。温度上昇率が温度上昇率用の所定の許容値以下のときには、燃焼用空間における燃焼火炎の未燃焼が実質的にないか、許容範囲内であると推定される。未燃焼とは局部未燃焼、微視的な未燃焼も含む。 Anode gas is supplied to the anode of the stack. Cathode gas is supplied to the cathode of the stack. The anode off gas discharged from the stack flows into the combustion space. Since the anode off gas contains a combustible component, it is burned with an oxygen-containing gas in the combustion space to form a combustion flame and exhaust gas. Exhaust gas flows to the recombustion part arrange | positioned downstream from the space for combustion. The combustible component contained in the exhaust gas burns in the reburning section. This combustion is an oxidation reaction and is an exothermic reaction, and raises the temperature of the reburning section. Accordingly, the temperature of the exhaust gas flowing through the recombustion section is increased. A control part calculates | requires the temperature rise width or temperature rise rate (physical quantity regarding temperature rise) of the above-mentioned exhaust gas, and determines the combustion state of the combustion flame in the combustion space based on the temperature rise width or temperature rise rate of the exhaust gas . When the temperature increase width is larger than a predetermined allowable value for the temperature increase width, it is estimated that there is unburned combustion flame in the combustion space. When the temperature increase width is equal to or less than a predetermined allowable value for the temperature increase width, it is estimated that there is substantially no unburned combustion flame in the combustion space or is within an allowable range. Further, when the temperature increase rate is larger than a predetermined allowable value for the temperature increase rate, it is estimated that there is unburned combustion flame in the combustion space. When the temperature increase rate is equal to or less than a predetermined allowable value for the temperature increase rate, it is estimated that the combustion flame is not substantially unburned in the combustion space or is within an allowable range. Unburned includes local unburned and microscopic unburned.
本発明に係るシステムによれば、燃焼火炎の排ガスに含まれる可燃成分は再燃焼部において再燃焼する。従って、再燃焼部における排ガス、または、再燃焼部よりも下流における排ガスが昇温する。制御部は、上記した再燃焼部を流れる排ガスについて温度上昇幅または温度上昇率を求め、温度上昇幅または温度上昇率に基づいて、燃焼用空間における燃焼火炎の燃焼状態を判定する。燃焼火炎の燃焼状態は、スタックから吐出されるアノードオフガスに含まれる可燃成分の未燃焼の程度に影響される。 According to the system of the present invention, the combustible component contained in the exhaust gas of the combustion flame is reburned in the reburning section. Therefore, the temperature of the exhaust gas in the recombustion part or the exhaust gas downstream of the recombustion part is increased. A control part calculates | requires a temperature rise width or a temperature rise rate about the waste gas which flows through the above-mentioned recombustion part, and determines the combustion state of the combustion flame in the combustion space based on a temperature rise width or a temperature rise rate. The combustion state of the combustion flame is affected by the degree of unburned combustible components contained in the anode off gas discharged from the stack.
ここで、排ガスの温度の絶対値に基づいて燃焼用空間における燃焼火炎の燃焼状態を判定する場合も考えられる。しかしこの場合には、排ガスの温度の上昇開始温度の絶対値、上昇終了温度等の絶対値等がシステムの運転状態のばらつき、システムの補機のばらつきの影響を受け易く、判定精度の向上には限界があるおそれがある。この点について排ガスの温度上昇幅または温度上昇率に基づいて燃焼用空間における燃焼火炎の燃焼状態が判定される場合には、システムの運転状態のばらつき、システムの補機のばらつきによる影響が軽減される。このため燃焼用空間における燃焼火炎の燃焼状態を判定するにあたり、判定精度が向上される。 Here, it may be considered that the combustion state of the combustion flame in the combustion space is determined based on the absolute value of the temperature of the exhaust gas. However, in this case, the absolute value of the exhaust gas temperature rise start temperature, the absolute value such as the rise end temperature, etc. are easily affected by variations in the operating state of the system and system auxiliary equipment, thereby improving the determination accuracy. May have limitations. In this regard, when the combustion state of the combustion flame in the combustion space is determined based on the temperature rise width or the temperature rise rate of the exhaust gas, the influence due to variations in system operating conditions and system auxiliary equipment is reduced. The For this reason, in determining the combustion state of the combustion flame in the combustion space, the determination accuracy is improved.
本発明の一視点によれば、燃焼用空間は壁体で形成されていることが好ましい。壁体は、燃焼用空間を形成すると共にスタックを覆う。燃焼用空間は、スタックから吐出されたアノードオフガスを酸素含有ガスで燃焼させる。再燃焼部は、燃焼用空間よりも下流に設けられており、スタックから吐出されたアノードオフガスを燃焼用空間で燃焼させた排ガスに含まれるアノード活物質を含む可燃成分を再燃焼させる。制御部は、再燃焼部における測温部位、または、再燃焼部よりも下流における測温部位についての温度上昇率（温度上昇の傾き，温度を時間で微分した値）に基づいて、燃焼区間における燃焼状態を判定する。温度上昇率を求める単位時間Δｔとしては、燃焼用空間で燃焼される燃焼火炎の大きさ、燃焼程度、予想される未燃焼の程度などに応じて設定でき、０．０１〜１０分間の範囲内、０．０２〜５分間の範囲内、０．１〜３分間の範囲内等が例示される。単位時間の上限値としては、１５分間、８分間、２分間が例示される。測温部位における単位時間において温度の上昇幅としては４０〜７００℃、５０〜５００℃、７０〜４００℃等が例示される。温度上昇率が所定の許容値よりも大きいとき、制御部は、燃焼用空間において未燃焼が発生していると判定することが好ましい。このように本発明によれば、制御部は、再燃焼部を流れる排ガスの時間的な温度上昇幅を求め、更に、当該温度上昇幅に基づいて、時間的な温度上昇率を求め、時間的に温度上昇率に基づいて、燃焼用空間における可燃成分の未燃焼の有無を判定することができる。あるいは、制御部は、再燃焼部を流れる排ガスの場所的な温度上昇幅を求め、更に、当該温度上昇幅に基づいて、場所的な温度上昇率を求め、場所的な温度上昇率に基づいて、燃焼用空間における可燃成分の未燃焼の有無を判定することができる。 According to one aspect of the present invention, the combustion space is preferably formed by a wall. The wall forms a combustion space and covers the stack. In the combustion space, the anode off-gas discharged from the stack is burned with an oxygen-containing gas. The reburning part is provided downstream of the combustion space, and reburns combustible components including the anode active material contained in the exhaust gas obtained by burning the anode offgas discharged from the stack in the combustion space. Based on the temperature rise rate (temperature rise slope, value obtained by differentiating the temperature with respect to time) of the temperature measurement part in the recombustion part or the temperature measurement part downstream from the recombustion part, the control unit Determine the combustion state. The unit time Δt for obtaining the temperature rise rate can be set according to the size of the combustion flame burned in the combustion space, the degree of combustion, the expected degree of unburned, etc., and is within a range of 0.01 to 10 minutes. , 0.02 to 5 minutes, 0.1 to 3 minutes, etc. Examples of the upper limit of unit time include 15 minutes, 8 minutes, and 2 minutes. 40-700 degreeC, 50-500 degreeC, 70-400 degreeC etc. are illustrated as a raise range of temperature in the unit time in a temperature measurement site | part. When the temperature increase rate is larger than a predetermined allowable value, the control unit preferably determines that unburned has occurred in the combustion space. Thus, according to the present invention, the control unit obtains the temporal temperature rise width of the exhaust gas flowing through the reburning section, further obtains the temporal temperature rise rate based on the temperature rise width, In addition, based on the rate of temperature rise, the presence or absence of unburned combustible components in the combustion space can be determined. Alternatively, the control unit obtains a local temperature rise width of the exhaust gas flowing through the recombustion unit, further obtains a local temperature rise rate based on the temperature rise width, and based on the local temperature rise rate. The presence or absence of unburned combustible components in the combustion space can be determined.
本発明の一視点によれば、再燃焼部は、アノードオフガスを燃焼用空間で燃焼させた排ガスに含まれる可燃性の有害成分の燃焼を促進させて有害成分を低減させる触媒を有する燃焼触媒部で形成されている。触媒としては、排ガスに含まれる可燃性の有害成分を燃焼を促進させるものであればよく、白金、ロジウム、パラジウム、鉄、ニッケル等が例示される。セラミックスなどの担体に担持させていることが好ましい。有害成分としては、燃料原料を改質させるとき、燃焼用空間における燃焼により発生する一酸化炭素、硫黄酸化物などが例示される。 According to one aspect of the present invention, the re-combustion unit includes a catalyst that has a catalyst that promotes the combustion of combustible harmful components contained in the exhaust gas obtained by burning the anode off-gas in the combustion space to reduce the harmful components. It is formed with. The catalyst may be any catalyst that promotes combustion of flammable harmful components contained in the exhaust gas, and examples thereof include platinum, rhodium, palladium, iron, nickel, and the like. It is preferably carried on a carrier such as ceramics. Examples of harmful components include carbon monoxide and sulfur oxide generated by combustion in a combustion space when reforming a fuel material.
本発明の一視点によれば、再燃焼部における排ガス、または、再燃焼部よりも下流における排ガスの温度を検知する測温部位が設けられており、更に、排ガスが有する熱を熱交換して水を加熱して温水を生成させる熱交換器が設けられており、測温部位は、燃焼用空間よりも下流で且つ熱交換器よりも上流に位置している。熱交換する前の排ガスの温度を計測することが好ましいためである。 According to one aspect of the present invention, a temperature measuring part for detecting the temperature of the exhaust gas in the reburning part or the exhaust gas downstream of the reburning part is provided, and heat exchange of the heat of the exhaust gas is further performed. A heat exchanger that heats water to generate hot water is provided, and the temperature measurement part is located downstream from the combustion space and upstream from the heat exchanger. This is because it is preferable to measure the temperature of the exhaust gas before heat exchange.
（実施形態１）
図１はシステムの概念図を示す。これは固体酸化物形の燃料電池に適用している。システムは、基本的には、固体酸化物形の多数の燃料電池を組み付けた形成されたスタック１と、改質器２と、制御部１００と、筐体９とを有する。更に、システムは、筐体９の内部において、改質水系４と、燃料原料供給部（アノードガス供給部）５、カソードガス供給部６、貯湯系７とを有する。なお図１及び図２では、スタック１は模式化されて図示されている。スタック１は発電モジュール３の断熱部３２で形成された発電室３２に収容されている。図１および図２に示すように、改質器２は、蒸発部２０と、燃料原料として燃料原料ガスが供給される改質部２２とを備えている。蒸発部２０は、改質水系４から蒸発部２０に供給される液相状の改質水を水蒸気化させる。改質部２２は蒸発部２０よりも下流に設けられており、改質触媒２２０を有しており、蒸発部２０で生成された水蒸気で燃料原料ガスを水蒸気改質させてアノードガス（水素リッチのため還元性雰囲気）を生成させ、アノードガスをアノードガス通路１４およびアノードガスマニホルド１３を介してスタック１に供給させる。アノードガスは水素ガスまたは水素含有ガスである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a conceptual diagram of the system. This is applied to a solid oxide fuel cell. The system basically includes a stack 1 formed by assembling a number of solid oxide fuel cells, a reformer 2, a control unit 100, and a housing 9. The system further includes a reforming water system 4, a fuel material supply unit (anode gas supply unit) 5, a cathode gas supply unit 6, and a hot water storage system 7 inside the housing 9. In FIG. 1 and FIG. 2, the stack 1 is schematically shown. The stack 1 is accommodated in a power generation chamber 32 formed by a heat insulating portion 32 of the power generation module 3. As shown in FIGS. 1 and 2, the reformer 2 includes an evaporation unit 20 and a reforming unit 22 to which a fuel raw material gas is supplied as a fuel raw material. The evaporator 20 vaporizes the liquid phase reformed water supplied from the reforming water system 4 to the evaporator 20. The reforming unit 22 is provided downstream of the evaporation unit 20 and includes a reforming catalyst 220. The fuel raw material gas is steam-reformed with water vapor generated by the evaporation unit 20 to produce anode gas (hydrogen-rich). Therefore, an anode gas is supplied to the stack 1 through the anode gas passage 14 and the anode gas manifold 13. The anode gas is hydrogen gas or hydrogen-containing gas.
筐体９は、筐体９の収容室９１と外気とを連通させる外気取込口９２および排出口９３をもつ。発電モジュール３は筐体９の内部に収容されており、前述したようにスタック１を収容する発電室３２を形成する断熱材で形成された容器状の断熱部３０（壁体）を有する。断熱部３０の内部にスタック１および改質器２を燃焼用空間２３を介して収容して形成されている。発電モジュール３の発電室３２では、スタック１の上側には改質器２（改質部２２および蒸発部２０）が配置されている。発電モジュール３の発電室３２では、スタック１と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）との間には、燃焼用空間２３が形成されている。殊に、スタック１の上部と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）の下部との間には、燃焼用空間２３が形成されている。ここで、発電モジュール３は、断熱性を有する断熱部３０で包囲されているため、高い熱容量、高い蓄熱性、高い保温性をもつ。従って、システムの運転条件が変化したとしても、排気ガスの温度の応答性は低い。このため燃焼用空間２３で一部に未燃焼が発生したとしても、その温度検知は必ずしも容易ではない。 The housing 9 has an outside air intake port 92 and a discharge port 93 that allow the storage chamber 91 of the housing 9 to communicate with the outside air. The power generation module 3 is housed inside the housing 9 and has a container-like heat insulating portion 30 (wall body) formed of a heat insulating material that forms the power generation chamber 32 that houses the stack 1 as described above. The stack 1 and the reformer 2 are accommodated inside the heat insulating portion 30 via the combustion space 23. In the power generation chamber 32 of the power generation module 3, the reformer 2 (the reforming unit 22 and the evaporation unit 20) is disposed above the stack 1. In the power generation chamber 32 of the power generation module 3, a combustion space 23 is formed between the stack 1 and the reformer 2 (the reforming unit 22 and the evaporation unit 20). In particular, a combustion space 23 is formed between the upper part of the stack 1 and the lower part of the reformer 2 (the reforming part 22 and the evaporation part 20). Here, since the power generation module 3 is surrounded by the heat insulating portion 30 having heat insulating properties, the power generating module 3 has high heat capacity, high heat storage property, and high heat retention. Therefore, even if the operating conditions of the system change, the responsiveness of the exhaust gas temperature is low. For this reason, even if non-combustion occurs partially in the combustion space 23, the temperature detection is not always easy.
図１に示すように、改質水系４は、改質部２２における水蒸気改質において水蒸気として消費される改質水を改質部２２に供給するものであり、水精製器４０と改質器２とを結ぶ改質水通路４１と、改質水ポンプ４２（改質水搬送源）と、給水バルブ４３とを有する。水精製器４０は、水を浄化させ得るイオン交換樹脂等の水精製材４０ａを有する。改質水通路４１には、タンク４４、改質水ポンプ４２、給水バルブ４３が設けられている。図１に示すように、燃料原料供給部５は、炭化水素系等の燃料原料ガスを改質器２に供給させるために燃料源５０に繋がる燃料原料供給通路５１と、入口バルブ５２と、流量計５３、脱硫器５４と、燃料原料ポンプ５５（燃料原料搬送源）とを有する。燃料原料供給通路５１には、入口バルブ５２、流量計５３、脱硫器５４および燃料原料ポンプ５５がこの順番に設けられているが、順番はこれに限定されるものではない。カソードガス供給部６は、空気であるカソードガスをスタック１のカソードに供給するカソードガス供給通路６０と、除塵フィルタ６１と、カソードガスポンプ６２（カソードガス搬送源）と、流量計６３とを有する。カソードガス供給通路６０には、除塵フィルタ６１、カソードガスポンプ６２および流量計６３がこの順番に配置されているが、この順番に限定されるものではない。除塵フィルタ６１は、筐体９の収容室９１に配置されている。カソードガスポンプ６２が駆動すると、外気は外気取込口９２から収容室９１に流入し、除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介してカソードガスとして発電モジュール３の発電室３２に供給され、ひいてはスタック１に供給される。 As shown in FIG. 1, the reforming water system 4 supplies reforming water that is consumed as water vapor in steam reforming in the reforming unit 22 to the reforming unit 22. 2, a reforming water passage 41, a reforming water pump 42 (reforming water transport source), and a water supply valve 43. The water purifier 40 includes a water purification material 40a such as an ion exchange resin that can purify water. In the reforming water passage 41, a tank 44, a reforming water pump 42, and a water supply valve 43 are provided. As shown in FIG. 1, the fuel raw material supply unit 5 includes a fuel raw material supply passage 51 connected to the fuel source 50 for supplying a hydrocarbon-based fuel raw material gas to the reformer 2, an inlet valve 52, a flow rate, and the like. A total 53, a desulfurizer 54, and a fuel material pump 55 (fuel material conveyance source) are included. In the fuel material supply passage 51, an inlet valve 52, a flow meter 53, a desulfurizer 54, and a fuel material pump 55 are provided in this order. However, the order is not limited to this. The cathode gas supply unit 6 includes a cathode gas supply passage 60 that supplies a cathode gas that is air to the cathode of the stack 1, a dust filter 61, a cathode gas pump 62 (cathode gas transport source), and a flow meter 63. Although the dust filter 61, the cathode gas pump 62, and the flow meter 63 are arranged in this order in the cathode gas supply passage 60, the order is not limited to this order. The dust filter 61 is disposed in the housing chamber 91 of the housing 9. When the cathode gas pump 62 is driven, outside air flows into the housing chamber 91 from the outside air inlet 92 and is supplied to the power generation chamber 32 of the power generation module 3 as the cathode gas via the dust filter 61 and the cathode gas supply passage 60, and as a result, the stack. 1 is supplied.
図１に示すように、貯湯系７は、熱交換器７４および貯湯槽７０を循環する貯湯通路７１と、貯湯通路７１に設けられた貯湯ポンプ７２（貯湯水搬送源）と、熱交換器７４とを有する。貯湯通路７１は、出水口７０ｐから熱交換器７４までの往路７１ａと、熱交換器７４から入水口７０ｉまでの復路７１ｃとを有する。貯湯ポンプ７２が作動すると、貯湯槽７２の下部の水は出水口７０ｐから吐出され、貯湯通路７１の往路７１ａから熱交換器７４に供給され、熱交換器７４における排ガスとの熱交換により加熱される。加熱された水は復路７１ｃを介して入水口７０ｉから貯湯槽７０に戻る。これにより貯湯槽７０は温水を貯留させる。貯湯槽７０には高さ方向に沿って複数個の温度センサ７０ｔが配置されている。なお、貯湯槽７０の温水が給湯通路７０ｍから消費されると、消費された水量は給水通路７０ｋから貯湯槽７０に自動的に給水される。図１に示すように、発電モジュール３の近傍には熱交換器７４が設けられている。熱交換器７４は、発電モジュール３から排出される排ガスが通過するガス通路７４ｇと、貯湯系７の貯湯通路７１の水が通過する水通路７４ｗとをもつ。熱交換器７４のガス通路７４ｇを流れる排ガスの熱は、水通路７４ｗに伝達され、更に貯湯系７の貯湯通路７１の水に伝達される。熱交換器７４のガス通路７４ｇから排気通路７５が筐体９の排気口７６に向けて延設されている。排気通路７５は単数とされている。発電モジュール３の発電室３２の排ガスは、排気通路７５を介して排気口７６から排出される。熱交換器７４のガス通路７４ｇから凝縮水通路７７が水精製器４０に向けて延設されている。この排ガスは、アノードオフガスと、カソードオフガスと、燃焼ガスとを含む。従って排ガスに含まれている気相状の水分は、熱交換器７４のガス通路７４ｇにおいて水通路７４ｗにより冷却されて凝縮水を生成する。凝縮水は凝縮水通路７７から水精製器４０を介して改質水タンク４４に貯留される。 As shown in FIG. 1, the hot water storage system 7 includes a hot water storage passage 71 that circulates through the heat exchanger 74 and the hot water storage tank 70, a hot water storage pump 72 (a hot water transfer source) provided in the hot water storage passage 71, and a heat exchanger 74. And have. The hot water storage passage 71 has an outward path 71a from the water outlet 70p to the heat exchanger 74 and a return path 71c from the heat exchanger 74 to the water inlet 70i. When the hot water storage pump 72 is activated, water in the lower part of the hot water storage tank 72 is discharged from the outlet 70p, supplied to the heat exchanger 74 from the forward path 71a of the hot water storage passage 71, and heated by heat exchange with the exhaust gas in the heat exchanger 74. The The heated water returns to the hot water tank 70 from the water inlet 70i through the return path 71c. Thereby, the hot water tank 70 stores hot water. In the hot water storage tank 70, a plurality of temperature sensors 70t are arranged along the height direction. When the hot water in the hot water tank 70 is consumed from the hot water supply passage 70m, the consumed water amount is automatically supplied to the hot water storage tank 70 from the water supply passage 70k. As shown in FIG. 1, a heat exchanger 74 is provided in the vicinity of the power generation module 3. The heat exchanger 74 has a gas passage 74g through which the exhaust gas discharged from the power generation module 3 passes and a water passage 74w through which water in the hot water storage passage 71 of the hot water storage system 7 passes. The heat of the exhaust gas flowing through the gas passage 74g of the heat exchanger 74 is transmitted to the water passage 74w and further to the water in the hot water storage passage 71 of the hot water storage system 7. An exhaust passage 75 extends from the gas passage 74 g of the heat exchanger 74 toward the exhaust port 76 of the housing 9. The exhaust passage 75 is single. The exhaust gas in the power generation chamber 32 of the power generation module 3 is discharged from the exhaust port 76 through the exhaust passage 75. A condensed water passage 77 extends from the gas passage 74 g of the heat exchanger 74 toward the water purifier 40. The exhaust gas includes an anode off gas, a cathode off gas, and a combustion gas. Accordingly, the vapor-phase moisture contained in the exhaust gas is cooled by the water passage 74w in the gas passage 74g of the heat exchanger 74 to generate condensed water. The condensed water is stored in the reformed water tank 44 from the condensed water passage 77 through the water purifier 40.
さて、スタック１の発電運転の開始前には、燃料原料ポンプ５５が駆動し、燃料原料ガスが脱硫器５４、燃料原料供給通路５１、蒸発部２０および改質部２２を経てスタック１に供給され、スタック１を上向きに流れ、燃焼用空間２３に供給される。またカソードガスポンプ６２が駆動するため、収容室９１内のカソードガス（空気）が燃焼用空気として発電モジュール３の発電室３２に供給される。この状態で、着火ヒータ２３ｘの着火により、可燃性の燃料原料ガスが燃焼用空間２３において燃焼用空気により燃焼され、燃焼火炎２４を燃焼用空間２３において形成する。燃焼火炎２４は蒸発部２０および改質部２２を高温に加熱させ、蒸発部２２を水蒸気化可能温度以上に、改質部２２を改質反応に適する温度領域に維持させる。上記したように蒸発部２０および改質部２２が適温に加熱された後、スタック１の発電運転を開始する。この場合、前述同様に燃料原料ポンプ５５が駆動しているため、燃料原料ガスが燃料原料供給通路５１を介して改質器２の蒸発部２０を介して改質部２２に供給される。また改質水ポンプ４２が駆動し、タンク４４の液相状の改質水が改質水通路４１を介して蒸発部２０に供給される。ここで、蒸発部２０は加熱されているため、蒸発部２０は改質水を水蒸気化させる。水蒸気は改質部２２に供給される。改質部２２は燃料原料を水蒸気改質させ、水素（アノード活物質）を主要成分（例えば２０モル％以上）とするアノードガスを生成させる。ここで、燃料原料がメタン系である場合には、水蒸気改質ではアノードガスの生成は、次の（１）式に基づくと考えられている。固体酸化物形のスタック１では、Ｈ２他にＣＯも燃料となりうる。
（１）…ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→４Ｈ２＋ＣＯ２ ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ
生成されたアノードガスは、アノードガス通路１４およびアノードガスマニホルド１３を介して、スタック１に供給され、アノード発電反応に使用される。また発電運転時には、カソードガスポンプ６２が前述同様に駆動しているため、筐体９の外の空気がカソードガス（カソード活物質である酸素を含む）として収容室９１に吸い込まれ、更に、除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介して発電モジュール３の発電室３２に供給され、更にスタック１に供給され、カソード発電反応に使用される。これによりスタック１は発電する。
Before starting the power generation operation of the stack 1, the fuel raw material pump 55 is driven, and the fuel raw material gas is supplied to the stack 1 through the desulfurizer 54, the fuel raw material supply passage 51, the evaporation unit 20, and the reforming unit 22. , Flows upward in the stack 1 and is supplied to the combustion space 23. Further, since the cathode gas pump 62 is driven, the cathode gas (air) in the accommodation chamber 91 is supplied to the power generation chamber 32 of the power generation module 3 as combustion air. In this state, by the ignition of the ignition heater 23 x, the combustible fuel raw material gas is burned by the combustion air in the combustion space 23, and a combustion flame 24 is formed in the combustion space 23. The combustion flame 24 heats the evaporation unit 20 and the reforming unit 22 to a high temperature, and maintains the evaporation unit 22 at a temperature higher than the steamable temperature and the reforming unit 22 in a temperature range suitable for the reforming reaction. As described above, after the evaporation unit 20 and the reforming unit 22 are heated to an appropriate temperature, the power generation operation of the stack 1 is started. In this case, since the fuel raw material pump 55 is driven as described above, the fuel raw material gas is supplied to the reforming unit 22 via the fuel raw material supply passage 51 and the evaporation unit 20 of the reformer 2. Further, the reforming water pump 42 is driven, and the liquid phase reforming water in the tank 44 is supplied to the evaporation unit 20 through the reforming water passage 41. Here, since the evaporation unit 20 is heated, the evaporation unit 20 vaporizes the reformed water. The steam is supplied to the reforming unit 22. The reforming unit 22 steam reforms the fuel material to generate an anode gas containing hydrogen (anode active material) as a main component (for example, 20 mol% or more). Here, when the fuel material is methane, it is considered that the generation of the anode gas in the steam reforming is based on the following equation (1). In the solid oxide stack 1, CO can be used as fuel in addition to H 2 .
(1) ... CH 4 + 2H 2 O → 4H 2 + CO 2 CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO
The produced anode gas is supplied to the stack 1 through the anode gas passage 14 and the anode gas manifold 13 and used for the anode power generation reaction. In addition, during the power generation operation, the cathode gas pump 62 is driven in the same manner as described above, so that air outside the housing 9 is sucked into the storage chamber 91 as cathode gas (including oxygen as a cathode active material), and further, a dust removal filter. 61 and the cathode gas supply passage 60 are supplied to the power generation chamber 32 of the power generation module 3 and further supplied to the stack 1 for use in the cathode power generation reaction. As a result, the stack 1 generates power.
発電反応として、水素含有ガスで供給されるアノードでは基本的には（２）のアノード発電反応が発生すると考えられている。酸素が供給されるカソードでは基本的には（３）のカソード発電反応が発生すると考えられている。カソードにおいて発生した酸素イオン（Ｏ２−）がカソードからアノードに向けて電解質を伝導する。
（２）…Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
アノードガスにＣＯが含まれている場合には、ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
（３）…１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
スタック１に供給されたアノードガスは、スタック１から燃焼用空間２３に向けてアノードオフガスとして吐出される。アノードオフガスは発電反応に対して未反応の水素を含むため、可燃性をもつ。カソードオフガスは酸素を含む。カソードオフガスは、スタック１の上方の燃焼用空間２３に燃焼用空気として排出される。これによりアノードオフガスを燃焼させた燃焼火炎２４が燃焼用空間２３において形成される。上記したようにスタック１の上部からアノードオフガスが燃焼用空間２３に吐出され、アノードオフガスが発電室３２の燃焼用空気（カソードガス，カソードオフガス）により燃焼されて燃焼火炎２４を形成し、改質部２２および蒸発部２０を加熱させる。なお、固体酸化物形のスタック１を搭載するシステムによれば、定常運転におけるスタック１の作動温度は４００〜１１００℃の範囲内、５００〜８００℃の範囲内が例示される。
As the power generation reaction, it is considered that the anode power generation reaction (2) basically occurs in the anode supplied with the hydrogen-containing gas. It is considered that the cathode power generation reaction (3) basically occurs at the cathode to which oxygen is supplied. Oxygen ions (O 2− ) generated at the cathode conduct the electrolyte from the cathode toward the anode.
(2) ... H 2 + O 2− → H 2 O + 2e −
When the anode gas contains CO, CO + O 2− → CO 2 + 2e −
(3)... 1 / 2O 2 + 2e − → O 2−
The anode gas supplied to the stack 1 is discharged as an anode off gas from the stack 1 toward the combustion space 23. Since the anode off gas contains unreacted hydrogen for the power generation reaction, it is flammable. The cathode off gas contains oxygen. The cathode off gas is discharged as combustion air into the combustion space 23 above the stack 1. As a result, a combustion flame 24 obtained by burning the anode off gas is formed in the combustion space 23. As described above, the anode off-gas is discharged from the upper portion of the stack 1 into the combustion space 23, and the anode off-gas is burned by the combustion air (cathode gas, cathode off-gas) in the power generation chamber 32 to form the combustion flame 24. The part 22 and the evaporation part 20 are heated. In addition, according to the system in which the stack 1 of the solid oxide type is mounted, the operating temperature of the stack 1 in the steady operation is exemplified in the range of 400 to 1100 ° C and in the range of 500 to 800 ° C.
燃焼火炎２４における燃焼反応において水素および酸素が反応するため、燃焼反応によりＨ２Ｏが生成される。燃焼した後のアノードオフガスおよびカソードオフガスは、排ガスとなり、熱交換器７４のガス通路７４ｇ、ガス出口７８を経て排気通路７５を流れ、更に、排気通路７５の先端の排気口７６から筐体９の外部に放出される。ここで、熱交換器７４を流れる排ガスは、水分を含む。この水分は、上記した（２）におけるＨ２Ｏ、燃焼火炎２４の燃焼反応により生成されたＨ２Ｏを含む。排ガスに含まれている水分は、熱交換器７４のガス通路７４ｇにおいて水通路７４により冷却されて凝縮し、凝縮水を生成させる。熱交換器７４のガス通路７４ｇで生成された凝縮水は凝縮水通路７７から水精製器４０に供給され、水精製器４０で精製される。精製された水は、タンク４４に改質水４４ｗとして貯留される。
制御部１００は、入力処理回路と、出力処理回路と、プロセッサ１００ｃと、メモリ１００ｍとを有する。制御部１００は、ポンプ６２，５５，７２，４２，バルブ５２，４３、ファン７９ｃ等を制御する。
Since hydrogen and oxygen react in the combustion reaction in the combustion flame 24, H 2 O is generated by the combustion reaction. The anode off-gas and cathode off-gas after combustion become exhaust gas, flow through the exhaust passage 75 through the gas passage 74g and the gas outlet 78 of the heat exchanger 74, and further from the exhaust port 76 at the tip of the exhaust passage 75 to the housing 9. Released to the outside. Here, the exhaust gas flowing through the heat exchanger 74 contains moisture. This water contains of H 2 O produced by combustion reaction of H 2 O, the combustion flame 24 in the above (2). Moisture contained in the exhaust gas is cooled by the water passage 74 in the gas passage 74g of the heat exchanger 74 and condensed to generate condensed water. The condensed water generated in the gas passage 74 g of the heat exchanger 74 is supplied from the condensed water passage 77 to the water purifier 40 and purified by the water purifier 40. The purified water is stored in the tank 44 as the reformed water 44w.
The control unit 100 includes an input processing circuit, an output processing circuit, a processor 100c, and a memory 100m. The control unit 100 controls the pumps 62, 55, 72, and 42, the valves 52 and 43, the fan 79c, and the like.
図２に示すように、再燃焼部として機能する燃焼触媒部８０が燃焼用空間２３よりも下流に設けられている。燃焼触媒部８０は、排気通路７５の始端部に設けられており、アノードオフガスを燃焼用空間２３で燃焼させた排ガスに含まれる可燃性の有害成分を燃焼させて低減させる部位であり、排ガスに含まれる可燃性の有害成分の燃焼を促進させる燃焼触媒を有する。触媒としては、排ガスに含まれる可燃性の有害成分の燃焼を促進させるものであればよく、白金、ロジウム、パラジウム、鉄、ニッケル等が例示される。触媒は、排ガスが流れる通路を形成するセラミックスなどの担体に担持されている。燃焼触媒部８０の見掛け上の流路距離はＬａとして示される。図２に示すように、燃焼触媒部８０よりも下流において、燃焼触媒部８０と熱交換器７４のガス通路７４ｇとの間には測温部位８２が設けられている。測温部位８２には温度センサ８４が設けられており、測温部位８２の温度、すなわち、測温部位８２を流れる排ガスの温度を検知する。なお、発電モジュール３の発電室３２で発生した排ガスの全部は、基本的には、燃焼触媒部８０を流れ、排気通路７５を介して外方に排出される。従って、排ガスに含まれる可燃成分のうち未燃焼成分は、燃焼触媒部８０において触媒のアシストにより燃焼される。 As shown in FIG. 2, a combustion catalyst unit 80 that functions as a reburning unit is provided downstream of the combustion space 23. The combustion catalyst unit 80 is provided at the start end of the exhaust passage 75, and is a part that burns and reduces flammable harmful components contained in the exhaust gas obtained by burning the anode off-gas in the combustion space 23. It has a combustion catalyst that promotes the combustion of contained combustible harmful components. The catalyst may be any catalyst that promotes the combustion of flammable harmful components contained in the exhaust gas, and examples thereof include platinum, rhodium, palladium, iron, nickel, and the like. The catalyst is supported on a carrier such as ceramics that forms a passage through which exhaust gas flows. The apparent flow path distance of the combustion catalyst unit 80 is indicated as La. As shown in FIG. 2, a temperature measuring portion 82 is provided between the combustion catalyst unit 80 and the gas passage 74 g of the heat exchanger 74 downstream of the combustion catalyst unit 80. A temperature sensor 84 is provided in the temperature measurement part 82 and detects the temperature of the temperature measurement part 82, that is, the temperature of the exhaust gas flowing through the temperature measurement part 82. Note that all of the exhaust gas generated in the power generation chamber 32 of the power generation module 3 basically flows through the combustion catalyst unit 80 and is discharged outward through the exhaust passage 75. Therefore, unburned components among the combustible components contained in the exhaust gas are burned in the combustion catalyst unit 80 with the assistance of the catalyst.
さてスタック１が発電運転しているとき、前述したように、スタック１から吐出されたアノードオフガスは、燃焼用空気（カソードガス，カソードオフガス）により燃焼され、燃焼火炎２４を燃焼用空間２３において形成している。燃焼火炎２４は蒸発部２０および改質部２２を加熱させている。これにより蒸発部２０において改質水の蒸発工程が行われ、改質部２２において水蒸気を利用した燃料原料ガスの改質反応が行われている。このとき、スタック１から燃焼用空間２３に吐出されたアノードオフガスに含まれている可燃成分のうち一部が燃焼していないおそれも皆無ではない。特に、スタック１はセル１０を間隔を隔てて並設して形成されており、スタック１から吐出されたアノードオフガスを燃焼用空間２３に吐出させる部位は、多数形成されているため、局部的な未燃焼、微視的な未燃焼が発生するおそれが皆無ではない。局部的な未燃焼、微視的な未燃焼とは、燃焼火炎２４を形成するアノードオフガスに含まれている水素等の可燃成分が未燃焼であることをいう。局部的な未燃焼、微視的な未燃焼の程度が増加すると、可燃成分である水素が未燃焼のまま、排気通路７５および排気口７６から外方に排気されることになり、好ましくない。可燃成分は実質的に水素であると考えられる。 When the stack 1 is in power generation operation, as described above, the anode off-gas discharged from the stack 1 is combusted by combustion air (cathode gas, cathode off-gas), and a combustion flame 24 is formed in the combustion space 23. doing. The combustion flame 24 heats the evaporation unit 20 and the reforming unit 22. As a result, the evaporating unit 20 performs the reforming water evaporating step, and the reforming unit 22 performs the reforming reaction of the fuel raw material gas using the steam. At this time, there is no risk that some of the combustible components contained in the anode off-gas discharged from the stack 1 to the combustion space 23 are not combusted. In particular, the stack 1 is formed by arranging the cells 10 side by side at intervals, and since there are a large number of portions for discharging the anode off-gas discharged from the stack 1 to the combustion space 23, the stack 1 is localized. There is no danger of unburned or microscopic unburned. Local unburned and microscopic unburned mean that combustible components such as hydrogen contained in the anode off-gas forming the combustion flame 24 are unburned. When the degree of local unburned and microscopic unburned increases, hydrogen as a combustible component is exhausted outward from the exhaust passage 75 and the exhaust port 76 without being burned, which is not preferable. The combustible component is considered to be substantially hydrogen.
この点本実施形態によれば、図２に示すように、発電モジュール３の発電室３２の燃焼用空間２３と熱交換器７４との間に燃焼触媒部８０が設けられている。燃焼触媒部８０は、スタック１から吐出された水素を主要成分とするアノードオフガスを燃焼用空間２３で燃焼させて燃焼火炎２４を形成した排ガスに含まれる可燃性成分を燃焼させて低減させる機能を有する。排ガスは水素，一酸化炭素、燃料原料ガス成分、酸素、水蒸気などを含むが、基本的には、水素および一酸化炭素が燃焼触媒部８０において燃焼し、排気ガスの温度を上昇させる。ここで、燃焼用空間２３において発生した未燃焼の可燃成分を燃焼触媒部８０において燃焼させるにあたり、燃焼触媒部８０は高い応答性を有する。換言すると、未燃焼の可燃成分が存在しなければ、未燃焼の可燃成分が燃焼触媒部８０において燃焼することが期待できないため、燃焼触媒部８０の温度の上昇は抑えられる。これに対して、未燃焼の可燃成分が多ければ、これを燃焼触媒部８０で燃焼させれば、燃焼触媒部８０の温度は早期に上昇し、燃焼触媒部８０の温度上昇幅、温度上昇率も高い。このように未燃焼の可燃成分の量に対して、燃焼触媒部８０の温度は高い応答性を有する。このため燃焼触媒部８０における燃焼熱に基づいて、燃焼触媒部８０の温度が上昇し、ひいては測温部位８２の温度も上昇する。なお、燃焼触媒部８０では、触媒が燃焼をアシストするため、燃焼条件が充分でないときであっても、燃焼性が確保される。その燃焼は有炎燃焼でもよいし、無炎燃焼でも良い。 In this regard, according to this embodiment, as shown in FIG. 2, the combustion catalyst unit 80 is provided between the combustion space 23 of the power generation chamber 32 of the power generation module 3 and the heat exchanger 74. The combustion catalyst unit 80 has a function of burning and reducing combustible components contained in the exhaust gas formed by burning the anode off-gas mainly composed of hydrogen discharged from the stack 1 in the combustion space 23 to form the combustion flame 24. Have. The exhaust gas contains hydrogen, carbon monoxide, a fuel raw material gas component, oxygen, water vapor, and the like. Basically, hydrogen and carbon monoxide are combusted in the combustion catalyst unit 80 to raise the temperature of the exhaust gas. Here, when the unburned combustible component generated in the combustion space 23 is burned in the combustion catalyst unit 80, the combustion catalyst unit 80 has high responsiveness. In other words, if there is no unburned combustible component, it is not expected that the unburned combustible component will burn in the combustion catalyst unit 80, and therefore the temperature rise of the combustion catalyst unit 80 can be suppressed. On the other hand, if there are many unburned combustible components, if this is burned in the combustion catalyst part 80, the temperature of the combustion catalyst part 80 will rise early, and the temperature rise width and temperature rise rate of the combustion catalyst part 80 will increase. Is also expensive. Thus, the temperature of the combustion catalyst unit 80 has high responsiveness with respect to the amount of unburned combustible components. For this reason, based on the combustion heat in the combustion catalyst unit 80, the temperature of the combustion catalyst unit 80 rises, and as a result, the temperature of the temperature measuring portion 82 also rises. In the combustion catalyst unit 80, the catalyst assists the combustion, so that the combustibility is ensured even when the combustion conditions are not sufficient. The combustion may be flamed combustion or flameless combustion.
本実施形態によれば、図２に示すように、燃焼触媒部８０と熱交換器７４との間に測温部位８２が設けられている。測温部位８２には温度センサ８４が設けられており、その温度信号は制御部１００に入力される。制御部１００は、測温部位８２についての温度上昇幅、温度上昇率（測温部位８２の昇温に関する物理量）を求め、温度上昇率に基づいて、燃焼用空間２３における燃焼状態の程度を判定する。特に、測温部位８２の温度上昇率が許容値よりも大きいとき、制御部１００は、燃焼用空間２３において局部的な未燃焼または微視的な未燃焼が発生していると判定することができる。温度上昇率が許容値よりも小さいとき、制御部１００は、燃焼用空間２３において未燃焼が事実上発生していないと判定することができる。温度上昇率を求めるときにおける単位時間は１〜３００秒、特に５〜１８０秒とすることができる。ここで、燃焼用空間２３において未燃焼が発生すると、燃焼用空間２３における未燃焼の水素量が増加し、燃焼用空間２３から燃焼触媒部８０に流れる排ガスに含まれる未燃焼の水素量が増加する。このような未燃焼の水素が燃焼触媒部８０に搬送されると、燃焼触媒部８０の触媒のアシストにより未燃焼の水素（未燃焼の可燃成分）の燃焼が促進されるものと推定される。燃焼用空間２３に吐出される排ガスには一酸化炭素も含まれ、未燃焼の一酸化炭素が燃焼触媒部８０で燃焼される。但し、水素と比較すると、一酸化炭素は遙かに少ない。 According to the present embodiment, as shown in FIG. 2, the temperature measuring portion 82 is provided between the combustion catalyst unit 80 and the heat exchanger 74. A temperature sensor 84 is provided in the temperature measuring portion 82, and the temperature signal is input to the control unit 100. The control unit 100 obtains the temperature rise width and the temperature rise rate (physical quantity related to the temperature rise of the temperature measurement portion 82) for the temperature measurement portion 82, and determines the degree of the combustion state in the combustion space 23 based on the temperature rise rate. To do. In particular, when the rate of temperature increase of the temperature measuring portion 82 is larger than the allowable value, the control unit 100 can determine that local unburned or microscopic unburned has occurred in the combustion space 23. it can. When the rate of temperature increase is smaller than the allowable value, the control unit 100 can determine that no unburned state has actually occurred in the combustion space 23. The unit time for obtaining the temperature increase rate can be 1 to 300 seconds, particularly 5 to 180 seconds. Here, when unburned in the combustion space 23 occurs, the amount of unburned hydrogen in the combustion space 23 increases, and the amount of unburned hydrogen contained in the exhaust gas flowing from the combustion space 23 to the combustion catalyst unit 80 increases. To do. When such unburned hydrogen is conveyed to the combustion catalyst unit 80, it is estimated that combustion of unburned hydrogen (unburned combustible component) is promoted by the assistance of the catalyst of the combustion catalyst unit 80. The exhaust gas discharged into the combustion space 23 includes carbon monoxide, and unburned carbon monoxide is burned in the combustion catalyst unit 80. However, carbon monoxide is much less than hydrogen.
上記したように本実施形態によれば、制御部１００は、燃焼触媒部８０を流れる排ガスの時間的な温度上昇幅を求め、更に、当該温度上昇幅に基づいて、時間的な温度上昇率を求め、時間的に温度上昇率に基づいて、燃焼用空間２３における水素の未燃焼の有無を判定している。未燃焼が発生していると判定されるときには、制御部１００は、システムの運転条件を変更したり着火ヒータ２３ｘにより再着火したりできる。 As described above, according to the present embodiment, the control unit 100 obtains the temporal temperature increase width of the exhaust gas flowing through the combustion catalyst unit 80, and further calculates the temporal temperature increase rate based on the temperature increase width. Based on the temperature rise rate over time, the presence or absence of unburned hydrogen in the combustion space 23 is determined. When it is determined that non-combustion has occurred, the control unit 100 can change the operating conditions of the system or re-ignite with the ignition heater 23x.
本実施形態によれば、測温部位８２は燃焼触媒部８０にこれよりも下流側に隣接しつつも、発電モジュール３の断熱部３０の外側に配置されている。このため、測温部位８２は、蓄熱性および保温性が高いため温度変化しにくい発電モジュール３の影響を受けにくくなり、排気ガスの温度上昇幅、排気ガスの温度上昇率を精度良く検知できる。 According to the present embodiment, the temperature measuring portion 82 is disposed outside the heat insulating portion 30 of the power generation module 3 while being adjacent to the combustion catalyst portion 80 on the downstream side. For this reason, the temperature measuring portion 82 is less susceptible to the power generation module 3 that hardly changes in temperature because of its high heat storage and heat retention properties, and can detect the temperature rise width of the exhaust gas and the temperature rise rate of the exhaust gas with high accuracy.
ところで、測温部位８２の温度の上昇の絶対値に基づいて燃焼用空間２３における燃焼火炎２４の燃焼状態を判定する場合も考えられる。しかしこの場合には、測温部位８２の温度の上昇開始温度、上昇終了温度等の絶対値等がシステムの運転状態のばらつき、システムの補機のばらつきの影響を受け易く、燃焼状態を判定する判定精度の向上には限界があるおそれがある。この点について本実施形態によれば、排ガスが流れる測温部位８２の温度上昇率に基づいて燃焼用空間２３における燃焼火炎２４の燃焼状態が判定される場合には、システムの運転状態のばらつき、システムの補機のばらつきによる影響が軽減されるため、燃焼用空間２３における燃焼火炎２４の燃焼状態を判定するにあたり、判定精度が向上される。 By the way, it is conceivable to determine the combustion state of the combustion flame 24 in the combustion space 23 based on the absolute value of the temperature rise of the temperature measuring portion 82. In this case, however, the absolute values such as the temperature rise start temperature rise start temperature and temperature rise end temperature are easily affected by variations in system operating conditions and system auxiliary equipment, and the combustion state is determined. There is a possibility that there is a limit in improving the determination accuracy. In this regard, according to the present embodiment, when the combustion state of the combustion flame 24 in the combustion space 23 is determined based on the temperature rise rate of the temperature measuring portion 82 through which the exhaust gas flows, the variation in the operating state of the system, Since the influence due to the variation of the auxiliary equipment of the system is reduced, the determination accuracy is improved in determining the combustion state of the combustion flame 24 in the combustion space 23.
本実施形態によれば、スタック１からアノードオフガスが燃焼用空間２３に吐出されて燃焼されて燃焼火炎２４を形成するが、そのスタック１においてアノードオフガスの吐出口の数は多数である。このため燃焼用空間２３における水素の局部的または微視的な未燃焼を温度で確認するためには、多数の温度センサを燃焼用空間２３に配置する必要があり、コストおよびスペースなどの制約がある。この点本実施形態によれば、未燃焼水素を含む排ガスは、基本的には燃焼触媒部８０を介して排気通路７５に全て流れるため、燃焼触媒部８０を流れた直後の排ガスの温度を検知する温度センサ８４（一般的には単数にできる）で済ませ得る利点が挙げられる。 According to the present embodiment, the anode off gas is discharged from the stack 1 to the combustion space 23 and burned to form the combustion flame 24. The stack 1 has a large number of anode off gas discharge ports. For this reason, in order to confirm the local or microscopic unburned hydrogen in the combustion space 23 by temperature, it is necessary to arrange a large number of temperature sensors in the combustion space 23, and there are restrictions such as cost and space. is there. In this regard, according to the present embodiment, all the exhaust gas containing unburned hydrogen flows to the exhaust passage 75 via the combustion catalyst unit 80, so the temperature of the exhaust gas immediately after flowing through the combustion catalyst unit 80 is detected. The temperature sensor 84 (generally, a single sensor) can be used.
本実施形態によれば、前述したように、発電モジュール３の発電室３２から排出され排気口７６に向かう排ガスが有する熱を熱交換して水を加熱して温水を生成させる凝縮器として機能する熱交換器７４が設けられており、測温部位８２は、燃焼用空間２３よりも下流で且つ熱交換器７４よりも上流に位置している。このため熱交換器７４のガス通路７４ｇを流れる排ガスが水通路７４ｗにより冷却される前に、測温部位８２で排ガスを測温できる。このため燃焼状態の判定に熱交換器７４の冷却作用が影響を与えることが抑えられる。 According to the present embodiment, as described above, it functions as a condenser that heats the heat of the exhaust gas discharged from the power generation chamber 32 of the power generation module 3 and travels toward the exhaust port 76 to heat the water and generate hot water. A heat exchanger 74 is provided, and the temperature measuring portion 82 is located downstream from the combustion space 23 and upstream from the heat exchanger 74. Therefore, the temperature of the exhaust gas can be measured at the temperature measuring portion 82 before the exhaust gas flowing through the gas passage 74g of the heat exchanger 74 is cooled by the water passage 74w. For this reason, it is suppressed that the cooling action of the heat exchanger 74 affects the determination of the combustion state.
図３は、燃焼触媒部８０において排ガスが温度上昇するとき、温度上昇率の許容値としては、基本的には、次のように求めることができる。すなわち図３に示すように、発電モジュール３の運転情報を取得する（ステップＳ１１０）。発電モジュール３の運転情報としては、スタック１の出力電力Uh [W]、改質部２２に供給される燃料原料ガス（13A）の流量Qg [NLM]、改質部２２に供給される改質水の流量Qw [ccm]、スタック１に供給されるカソードガス（空気）のエア流量Qa [NLM]、改質部２２の出口温度Tr [℃]、燃料利用率Uf [%]、水蒸気と炭素とのモル比S/C [無次元]が挙げられる。次に、燃焼用空間２３において燃焼に用いる水素流量を算出する（ステップＳ１２０）。次に、燃焼用空間２３において未燃焼が許容される比率（未燃焼が許容される水素の割合に相当）を入力する（ステップＳ１３０）。未燃焼によって排ガスに混入される単位時間あたりの未燃焼の水素流量を算出する（ステップＳ１４０）。次に、排ガスのうち燃焼触媒部８０で燃焼する水素の燃焼熱量を算出する（ステップＳ１５０）。次に、燃焼触媒部８０で燃焼する水素の燃焼熱量に基づいて加熱される排ガスの温度上昇幅ΔTEを算出する（ステップＳ１６０）。単位時間を考慮し、排ガスの温度上昇率を算出する（ステップＳ１６０）。 In FIG. 3, when the temperature of the exhaust gas rises in the combustion catalyst unit 80, the allowable value of the rate of temperature rise can be basically obtained as follows. That is, as shown in FIG. 3, the operation information of the power generation module 3 is acquired (step S110). The operation information of the power generation module 3 includes the output power Uh [W] of the stack 1, the flow rate Qg [NLM] of the fuel raw material gas (13A) supplied to the reforming unit 22, and the reforming supplied to the reforming unit 22. Water flow rate Qw [ccm], cathode gas (air) flow rate Qa [NLM] supplied to the stack 1, outlet temperature Tr [° C] of reforming section 22, fuel utilization rate Uf [%], water vapor and carbon And the molar ratio S / C [dimensionless]. Next, the hydrogen flow rate used for combustion in the combustion space 23 is calculated (step S120). Next, a ratio at which unburned is allowed in the combustion space 23 (corresponding to a ratio of hydrogen at which unburned is allowed) is input (step S130). The unburned hydrogen flow rate per unit time mixed in the exhaust gas due to unburned is calculated (step S140). Next, the amount of combustion heat of hydrogen combusted in the combustion catalyst unit 80 in the exhaust gas is calculated (step S150). Next, the temperature rise width ΔTE of the exhaust gas heated is calculated based on the combustion heat quantity of hydrogen combusted in the combustion catalyst unit 80 (step S160). Considering the unit time, the temperature increase rate of the exhaust gas is calculated (step S160).
（排ガスの温度上昇幅ΔTE，排ガスの温度上昇率ΔT／Δｔの算出例）
排ガスの温度上昇率の算出例を述べる。まず、発電モジュール３の運転情報である出力電力Uh [W]、改質部２２に供給される燃料原料ガス（13A）の単位時間あたりの流量Qg [NLM]、改質部２２に供給される改質水の流量Qw [ccm]、スタック１に供給されるカソードガス（カソードエア）のエア流量Qa [NLM]、改質部２２の出口２２ｐの出口温度Tr [℃]、燃料利用率Uf [%]、水蒸気と炭素とのモル比S/C [無次元]をシステム制御回路から取得する（ステップＳ１００）。NLMはL/min(normal)の意味である。ccmはcc/minの意味である。スタック１のアノードに流入する水素流量Qh [NLM]は、燃料原料ガス（13A）の流量Qgと、燃料原料ガス（13A）に対する水素のモル比m4とに基づいて、（１０）の式により求められる。
（１０）…Qh = Qg × m4。
(Calculation example of exhaust gas temperature rise ΔTE, exhaust gas temperature rise rate ΔT / Δt)
An example of calculating the temperature rise rate of exhaust gas will be described. First, the output power Uh [W] which is operation information of the power generation module 3, the flow rate Qg [NLM] per unit time of the fuel raw material gas (13 A) supplied to the reforming unit 22, and the reforming unit 22 are supplied. The flow rate Qw [ccm] of reforming water, the air flow rate Qa [NLM] of the cathode gas (cathode air) supplied to the stack 1, the outlet temperature Tr [° C.] of the outlet 22p of the reforming unit 22, and the fuel utilization rate Uf [ %], And the molar ratio S / C [dimensionalless] of water vapor and carbon is acquired from the system control circuit (step S100). NLM means L / min (normal). ccm means cc / min. The hydrogen flow rate Qh [NLM] flowing into the anode of the stack 1 is obtained from the equation (10) based on the flow rate Qg of the fuel feed gas (13A) and the molar ratio m4 of hydrogen to the fuel feed gas (13A). It is done.
(10) ... Qh = Qg x m4.
ここで、m4は、燃料原料ガス（CH4，メタン）を水蒸気改質反応において、改質部２２の出口温度Tr{℃}と、S/Cとを用いて数値計算で（１１）の式により求められる。m1〜m5はモル比を示す。
（１１）…CH4 + S/C・H2O → m1・CH4 + m2・H2O + m3・CO + m4・H2 + m5・CO2
続いてスタック１のアノードに流入する水素流量Qh [NLM]のうち、燃焼用空間２３において燃焼される水素流量Qhc [NLM]は、燃料原料ガス（13A）の流量Qgとスタック１の燃料利用率Uf{%}に基づいて（１２）の式により求められる（ステップＳ１２０）。
（１２）…Qhc = Qh ×(100-Uf)/100
ここで、発電モジュール３の燃焼用空間２３において燃焼火炎２４を生成させるにあたり、未燃焼が発生すると仮定する。すなわち、水素流量Qhc[NLM]の一部が燃焼せずに、水素が未燃焼のまま、発電モジュール３の発電室３２から燃焼触媒部８０を介して排気通路７５に流れた場合には、未燃焼の水素が燃焼触媒部８０で燃焼する。このため燃焼触媒部８０が燃焼反応により発熱し、燃焼触媒部８０の近傍下流の測温部位８２が昇温し、温度センサ８４で検知される。
Here, m4 is a numerical calculation using the outlet temperature Tr {° C.} of the reforming unit 22 and S / C in the steam reforming reaction of the fuel raw material gas (CH4, methane) by the equation (11). Desired. m1 to m5 indicate molar ratios.
(11)… CH4 + S / C ・ H2O → m1 ・ CH4 + m2 ・ H2O + m3 ・ CO + m4 ・ H2 + m5 ・ CO2
Subsequently, of the hydrogen flow rate Qh [NLM] flowing into the anode of the stack 1, the hydrogen flow rate Qhc [NLM] burned in the combustion space 23 is the flow rate Qg of the fuel raw material gas (13A) and the fuel utilization rate of the stack 1 Based on Uf {%}, it is obtained by the equation (12) (step S120).
(12) ... Qhc = Qh x (100-Uf) / 100
Here, it is assumed that the combustion flame 24 is generated in the combustion space 23 of the power generation module 3 so that unburned combustion occurs. That is, when a part of the hydrogen flow rate Qhc [NLM] does not burn and hydrogen flows from the power generation chamber 32 of the power generation module 3 to the exhaust passage 75 via the combustion catalyst unit 80 without being burned, The combustion hydrogen burns in the combustion catalyst unit 80. For this reason, the combustion catalyst unit 80 generates heat due to the combustion reaction, and the temperature measuring portion 82 in the vicinity of the combustion catalyst unit 80 is heated and detected by the temperature sensor 84.
水素の未燃焼が発生したとしても、システムの寿命や安全性から許容できる未燃焼の水素流量Qhc1は、スタック１の出力電力Uh{W}や燃料原料ガス（13A）の流量Qg{NLM}などの運転条件によって設定される。例えば、システムの運転条件に対して許容可能な燃焼用空間２３における未燃焼率Af [%]= Qhc1/Qhc×１００%を設定する（ステップＳ１３０）。更にシステムの運転条件と未燃焼率Af[%]とのマップに基づいて、燃焼用空間２３において燃焼火炎２４の未燃焼によって排ガスに含まれる未燃焼の水素流量Qhc1[NLM]を算出する（ステップＳ１４０）。 Even if unburned hydrogen occurs, the unburned hydrogen flow rate Qhc1 that can be allowed from the life and safety of the system is the output power Uh {W} of the stack 1 and the flow rate Qg {NLM} of the fuel source gas (13A). It is set according to the operating conditions. For example, the unburned rate Af [%] = Qhc1 / Qhc × 100% in the allowable combustion space 23 with respect to the operating conditions of the system is set (step S130). Further, an unburned hydrogen flow rate Qhc1 [NLM] included in the exhaust gas is calculated in the combustion space 23 due to unburned combustion flame 24 based on the map of the system operating conditions and the unburned rate Af [%] (step) S140).
未燃焼の水素流量Qhc1[NLM]が算出されると、未燃焼の水素流量Qhc1[NLM]が燃焼触媒部８０において燃焼するときに発生する燃焼熱量Wqhc1 [kJ]は、（１３）の式のように求めることができる（ステップＳ１５０）。ここで、水素燃焼反応の物性値W1(水素の燃焼熱，HHV換算値：285.8 kJ/mol，12.8[MJ/Nm3，12.8[KJ/NLM]]が（１３）の式に含まれている。
（１３）…燃焼熱量Wqhc1[kJ]= W1×Qhc1/22.4
燃焼用空間２３において未燃焼であった水素が燃焼触媒部８０において燃焼すると、排ガスの温度が上昇する。排ガスの温度が上昇する上昇幅ΔTE[℃]は、排ガスの比熱Cpと排ガスの流量Qeに基づいて、（１４）の式により求めることができる。ここで、排ガスの比熱Cpと排ガスの流量Qeとは、出力電力Uh{W}、燃料原料ガスの流量Qg[NLM]、カソードエア流量スQa[NLM]、S/Cの運転条件との関係を示すマップで定義できる。
（１４）…ΔTE [℃]= Wqhc1/(Cp×Qe)
以上によって、各運転条件における燃焼用空間２３の可燃性を持つ水素が燃焼していない未燃焼現象が局部的または微視的に発生しているときにおいて、燃焼触媒部８０における排ガスの温度上昇幅ΔTE[℃]が算出される（ステップＳ１６０）。温度上昇幅ΔTE[℃]のうち、一部の温度上昇幅ΔＴに必要とされる時間をΔt[sec]とすると、温度上昇率はΔT/Δtとして求められる（ステップＳ１６０）。なお、改質部２２に供給される燃料原料ガス（13A）の単位時間あたりの流量Qg [NLM]、改質部２２に供給される改質水の流量Qw [ccm]、スタック１に供給されるカソードガス（カソードエア）のエア流量Qa [NLM]は、 Δt[sec]を前提とする流量である。
When the unburned hydrogen flow rate Qhc1 [NLM] is calculated, the combustion heat quantity Wqhc1 [kJ] generated when the unburned hydrogen flow rate Qhc1 [NLM] burns in the combustion catalyst unit 80 is expressed by the equation (13). (Step S150). Here, the physical property value W1 of hydrogen combustion reaction (hydrogen combustion heat, HHV conversion value: 285.8 kJ / mol, 12.8 [MJ / Nm 3 , 12.8 [KJ / NLM]] is included in the equation (13). .
(13) ... Combustion heat quantity Wqhc1 [kJ] = W1 × Qhc1 / 22.4
When unburned hydrogen burns in the combustion space 23 in the combustion space 23, the temperature of the exhaust gas rises. The increase width ΔTE [° C.] in which the temperature of the exhaust gas rises can be obtained from the equation (14) based on the specific heat Cp of the exhaust gas and the flow rate Qe of the exhaust gas. Here, the specific heat Cp of the exhaust gas and the flow rate Qe of the exhaust gas are related to the output power Uh {W}, the fuel material gas flow rate Qg [NLM], the cathode air flow rate Qa [NLM], and the operating conditions of the S / C. Can be defined by a map showing
(14)… ΔTE [° C] = Wqhc1 / (Cp × Qe)
As described above, when the unburned phenomenon in which the flammable hydrogen in the combustion space 23 in each operating condition is not combusted is generated locally or microscopically, the temperature increase range of the exhaust gas in the combustion catalyst unit 80 ΔTE [° C.] is calculated (step S160). Of the temperature increase width ΔTE [° C.], if the time required for a part of the temperature increase width ΔT is Δt [sec], the temperature increase rate is obtained as ΔT / Δt (step S160). The flow rate Qg [NLM] per unit time of the fuel raw material gas (13A) supplied to the reforming unit 22 and the flow rate Qw [ccm] of reforming water supplied to the reforming unit 22 are supplied to the stack 1. The air flow rate Qa [NLM] of the cathode gas (cathode air) is a flow rate assuming Δt [sec].
実際例を述べる。出力電力Uhを200[W]とし、改質部２２に供給される燃料原料ガス（13A）の流量Qgを0.88[NLM]とし、改質部２２に供給される改質水の流量Qwを2.1[ccm]とし、スタック１に供給されるカソードガス（カソードエア）のエア流量Qaを18[NLM]とし、改質部２２の出口温度Trを５５０[℃]し、燃料利用率Ufを48.4[%]とし、水蒸気と炭素とのモル比S/C を2.5 とした。更に、水素の燃焼熱[HHV]を12.8[KJ/NLM]とし、水蒸気の定圧モル比熱Cpを33.577[J/mol・K]とした。燃焼用空間２３における未燃焼率Afを25［%］とした。排ガスの流量（エア換算）を22[NLM]、0.98mol］とした。未燃焼が発生する前後における排ガスの温度上昇幅ΔTE[℃]を算出すると、ΔTE＝88.9[℃］であった。これは、後述する図４および図５における実記試験例の結果とほぼ対応した。この場合には、排ガスに流出する水素流量は0.229[NLM]となる。 An actual example will be described. The output power Uh is 200 [W], the flow rate Qg of the fuel raw material gas (13A) supplied to the reforming unit 22 is 0.88 [NLM], and the flow rate Qw of the reforming water supplied to the reforming unit 22 is 2.1. [ccm], the air flow rate Qa of the cathode gas (cathode air) supplied to the stack 1 is 18 [NLM], the outlet temperature Tr of the reforming unit 22 is 550 [° C.], and the fuel utilization rate Uf is 48.4 [ %], And the molar ratio S / C of water vapor to carbon was 2.5. Further, the combustion heat [HHV] of hydrogen was set to 12.8 [KJ / NLM], and the constant pressure molar specific heat Cp of water vapor was set to 33.577 [J / mol · K]. The unburned rate Af in the combustion space 23 was set to 25 [%]. The exhaust gas flow rate (air conversion) was 22 [NLM], 0.98 mol]. When calculating the temperature rise ΔTE [° C.] of the exhaust gas before and after the occurrence of unburned, ΔTE = 88.9 [° C.]. This substantially corresponded to the results of the actual test examples in FIGS. 4 and 5 described later. In this case, the flow rate of hydrogen flowing into the exhaust gas is 0.229 [NLM].
（試験例）
図４及び図５は実際の試験例を示す。横軸は時間を示し、縦軸は温度を示す。特性線Ｋ１は燃焼用空間２３の温度（未燃焼が起こっている部分の温度）を示す。図５は図４の時間軸を拡大している。特性線Ｋ２は測温部位８２（図２参照）の温度を示す。特性線Ｋ３はスタック１の電圧を示す。この試験例では、スタック１の発電電圧が一定となるようにシステムが発電運転しているとき、時刻ｔ２において未燃焼を強制的に発生させた。このため特性線Ｋ１の部位Ｋ１Ａに示すように、時刻ｔ２において燃焼用空間２３の温度が低下した。同様な時刻ｔ２から、特性線Ｋ２の部位Ｋ２Ａに示すように、測温部位８２の温度も一次的に低下した。また、特性線Ｋ３に示すように、スタックの電圧は時刻ｔ２以降少しずつ下降している。すなわち、特性線Ｋ２に示すように、時刻ｔ２の直前の時刻ｔ１（図５参照）では、測温部位８２の温度はＴbeforeで維持されていたが、時刻ｔ２から、測温部位８２の温度はＴbeforeよりも一時的に低下した。更に特性線Ｋ２に示すように、時刻ｔ３から、測温部位８２の温度は昇温し始め、Ｔbeforeよりも高温となり、最終的には、時刻ｔ５付近において、測温部位８２の温度は温度Ｔset（Ｔset＞Ｔbefore）付近で飽和した。
(Test example)
4 and 5 show actual test examples. The horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates temperature. A characteristic line K1 indicates the temperature of the combustion space 23 (the temperature of the portion where unburned has occurred). FIG. 5 is an enlarged view of the time axis of FIG. A characteristic line K2 indicates the temperature of the temperature measuring portion 82 (see FIG. 2). A characteristic line K3 indicates the voltage of the stack 1. In this test example, when the system is in a power generation operation so that the power generation voltage of the stack 1 is constant, unburned is forcibly generated at time t2. For this reason, as indicated by the part K1A of the characteristic line K1, the temperature of the combustion space 23 decreased at time t2. From a similar time t2, the temperature of the temperature measuring portion 82 also decreased temporarily as indicated by the portion K2A of the characteristic line K2. Further, as indicated by the characteristic line K3, the voltage of the stack gradually decreases after time t2. That is, as shown by the characteristic line K2, at the time t1 (see FIG. 5) immediately before the time t2, the temperature of the temperature measuring portion 82 was maintained at Tbefore, but from the time t2, the temperature of the temperature measuring portion 82 is It was temporarily lower than Tbefore. Further, as shown by the characteristic line K2, the temperature of the temperature measuring portion 82 starts to rise from time t3 and becomes higher than Tbefore, and finally, the temperature of the temperature measuring portion 82 becomes the temperature Tset near time t5. Saturated in the vicinity of (Tset> Tbefore).
ここで、温度Ｔsetとなる時刻ｔ５付近において、未燃焼が発生していると判定することは、時刻ｔ２で未燃焼が発生していたことを考慮すると、時間的に遅過ぎると考えられ、できるだけ初期の段階において、未燃焼である旨の判定をすることが好ましい。 Here, it is considered that it is too late to determine that unburned has occurred near time t5 when the temperature Tset is reached, considering that unburned has occurred at time t2. In an initial stage, it is preferable to determine that the fuel is not burned.
そこで本実施形態によれば、測温部位８２の温度（排ガスの温度）が上昇を開始した時刻ｔ３を起点として、時間Δｔ経過したときにおける温度上昇幅をΔＴ[℃ ]を求める。温度上昇率はΔＴ／Δｔとして求められる。ここで図５によれば、Δｔ＝３[min]、ΔT＝３６［℃］であり、温度上昇率は３６［℃／３min］＝１２［℃／min］であった。時間Δｔ[min]として、例えば０．５〜１０分間の範囲内、１〜５分間が採用できる。但しこれに限定されるものではない。 Therefore, according to the present embodiment, ΔT [° C.] is obtained as the temperature rise width when time Δt has elapsed, starting from time t3 when the temperature of the temperature measuring portion 82 (temperature of exhaust gas) starts to rise. The rate of temperature increase is obtained as ΔT / Δt. Here, according to FIG. 5, Δt = 3 [min], ΔT = 36 [° C.], and the temperature increase rate was 36 [° C./3 min] = 12 [° C./min]. As the time Δt [min], for example, 1 to 5 minutes can be employed within a range of 0.5 to 10 minutes. However, it is not limited to this.
更に説明を加えると、本試験例によれば、図５において、特性線Ｋ２に示すように、測温部位８２の温度が下降する下降傾斜領域ＫＤ、下降傾斜領域ＫＤの後に、測温部位８２の温度が上昇する上昇傾斜領域ＫＵが認められた。下降傾斜領域ＫＤは、燃焼用空間２３における水素等の可燃成分の未燃焼により排ガスの温度が低下したことによる影響であると推定される。上昇傾斜領域ＫＵは、燃焼用空間２３における未燃焼水素などの可燃成分が燃焼触媒部８０において燃焼したことに影響であると推定される。排ガスにおいて水素よりも一酸化炭素は微量である。このため排ガスの温度上昇は、水素による温度上昇幅に実質的に起因するものと考えて差し支えない。なお、運転条件を変更して試験例を多数回実行したところ、上昇傾斜領域ＫＵが認められるものの、下降傾斜領域ＫＤが認められない場合もあった。 Further explaining, according to the present test example, as shown by the characteristic line K2 in FIG. 5, the temperature measurement region 82 is provided after the downward inclination region KD in which the temperature of the temperature measurement region 82 decreases and after the downward inclination region KD. Ascending slope region KU in which the temperature of the temperature rises was observed. The downward slope region KD is presumed to be due to the temperature of the exhaust gas being lowered due to the unburned combustible component such as hydrogen in the combustion space 23. The ascending slope region KU is presumed to be due to the combustion of combustible components such as unburned hydrogen in the combustion space 23 in the combustion catalyst unit 80. The amount of carbon monoxide in the exhaust gas is less than that of hydrogen. For this reason, the temperature rise of the exhaust gas may be considered to be substantially caused by the temperature rise width due to hydrogen. In addition, when the test example was executed many times by changing the operating conditions, there was a case where the descending slope area KD was not recognized although the rising slope area KU was recognized.
（実施形態２）
図６は実施形態２を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図５を準用できる。図６は制御部１００のプロセッサ１００ｃが実行するフローチャートを示す。まず、発電モジュール３の運転情報を取得する（ステップＳ２）。発電モジュール３の運転情報としては、スタックの出力電力Uh [W]、改質部２２に供給される燃料原料ガス（13A）の流量Qg [NLM]、改質部２２に供給される改質水の流量Qw [ccm]、スタック１に供給されるカソードガス（空気）のエア流量Qa [NLM]、改質部２２の出口温度Tr [℃]、燃料利用率Uf [%]、水蒸気と炭素とのモル比S/C [無次元]が挙げられる。
(Embodiment 2)
FIG. 6 shows a second embodiment. Since this embodiment basically has the same configuration and the same function and effect as the first embodiment, FIGS. 1 to 5 can be applied mutatis mutandis. FIG. 6 shows a flowchart executed by the processor 100 c of the control unit 100. First, the operation information of the power generation module 3 is acquired (step S2). The operation information of the power generation module 3 includes the output power Uh [W] of the stack, the flow rate Qg [NLM] of the fuel raw material gas (13A) supplied to the reforming unit 22, and the reforming water supplied to the reforming unit 22. Flow rate Qw [ccm], cathode gas (air) flow rate Qa [NLM], outlet temperature Tr [° C.] of reforming section 22, fuel utilization rate Uf [%], steam and carbon The molar ratio of S / C [dimensionless].
次に、温度上昇幅の許容値ΔＴＥmax[℃]、温度上昇率の許容値βmax（βmax＝ΔＴＥmax／Δｔ）を算出する（ステップＳ４）。測温部位８２における排ガス温度を測定し、温度情報ＴＥ１[℃ ]としてメモリ１００ｍに格納させる（ステップＳ６）。一定時間Δｔ（例えば３０ｓｅｃ）保持する（ステップＳ８）。再度、測温部位８２における排ガス温度を測定し、温度情報ＴＥ２[℃ ]として制御部１００のメモリ１００ｍに格納させる（ステップＳ１０）。温度上昇幅ΔＴＥ（ΔＴＥ＝ＴＥ２−ＴＥ１）を算出し、更に、温度上昇率β ［β＝（ＴＥ２−ＴＥ１）／Δｔ］を算出する（ステップＳ１２）。温度上昇率の計測値βと温度上昇率の許容値βmaxとを比較する（ステップＳ１４）。温度上昇率の計測値βが温度上昇率の許容値βmax以上である場合には（ステップＳ１４のＹｅｓ）、燃焼用空間２３で燃焼している燃焼火炎２４において未燃焼部分が有りと判定する（ステップＳ１６）。更に、未燃焼に対する処理を実行する（ステップＳ１８）。具体的には、システムの運転条件の変更、異常停止などが挙げられる。温度上昇率の計測値βが温度上昇率の許容値βmax以上でない場合には（ステップＳ１４のＮｏ）、燃焼用空間２３で燃焼している燃焼火炎２４は許容範囲内である判定し、ＴＥ２をＴＥ１に置換して、制御部１００のメモリ１００ｍのエリアに格納させ（ステップＳ２０）、ステップＳ８に戻る。 Next, an allowable value ΔTEmax [° C.] of the temperature rise width and an allowable value βmax (βmax = ΔTEmax / Δt) of the temperature rise rate are calculated (step S4). The exhaust gas temperature at the temperature measuring portion 82 is measured and stored in the memory 100m as temperature information TE1 [° C.] (step S6). Hold for a certain time Δt (for example, 30 sec) (step S8). Again, the exhaust gas temperature at the temperature measuring portion 82 is measured and stored in the memory 100m of the control unit 100 as temperature information TE2 [° C.] (step S10). A temperature increase width ΔTE (ΔTE = TE2−TE1) is calculated, and further a temperature increase rate β [β = (TE2−TE1) / Δt] is calculated (step S12). The measured value β of the temperature increase rate is compared with the allowable value βmax of the temperature increase rate (step S14). If the measured value β of the temperature increase rate is equal to or greater than the allowable value βmax of the temperature increase rate (Yes in step S14), it is determined that there is an unburned portion in the combustion flame 24 combusting in the combustion space 23 ( Step S16). Further, a process for unburned is executed (step S18). Specifically, a change in system operating conditions, an abnormal stop, and the like can be given. If the measured value β of the temperature increase rate is not equal to or greater than the allowable value βmax of the temperature increase rate (No in step S14), it is determined that the combustion flame 24 burning in the combustion space 23 is within the allowable range, and TE2 is determined. It replaces with TE1 and is stored in the area of the memory 100m of the control unit 100 (step S20), and returns to step S8.
（実施形態３）
図７は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。実施形態１では、制御部１００は、燃焼触媒部８０を流れる排ガスの時間的な温度上昇幅を求め、更に、当該温度上昇幅に基づいて、時間的な温度上昇率を求め、時間的に温度上昇率に基づいて燃焼用空間２３における水素の未燃焼の有無を判定している。しかしながら本実施形態によれば、図７に示すように、燃焼触媒部８０よりも下流の測温部位８２に温度センサ８４を設けている他に、燃焼触媒部８０よりも上流（燃焼用空間２３と燃焼触媒部８０との間）の測温部位８５に温度センサ８６を設けている。温度センサ８６が検知する排ガスの温度Ｔｅ［℃］は、燃焼触媒部８０の直前の温度であるため、燃焼触媒部８０において未燃焼水素が燃焼する前の温度に相当する。これに対して、温度センサ８４が検知する排ガスの温度Ｔｆ［℃］は、燃焼触媒部８０の直後の温度であるため、燃焼触媒部８０において未燃焼水素が燃焼した後の温度に相当する。従って、制御部１００は、再燃焼部である燃焼触媒部８０を流れる排ガスについて、燃焼触媒部８０の直後の温度Ｔｆと直前の温度Ｔｅとの間における場所的な温度上昇幅ΔTR［℃］を求める。つまり、温度センサ８４が検知する排ガスの温度Ｔｆと、温度センサ８６が検知する排ガスの温度Ｔｅとの間のおける温度上昇幅ΔTR（ΔTR＝Ｔｆ−Ｔｅ）を求める。場所的な温度上昇幅ΔTR［℃］に基づいて燃焼用空間２３における水素の未燃焼の有無を判定する。温度上昇幅ΔTRが所定のΔTR用許容値よりも大きいとき、制御部１００は、燃焼用空間２３において未燃焼が発生していると判定する。温度上昇幅ΔTRが所定のΔTR用許容値よりも小さいとき、制御部１００は、燃焼用空間２３において有害な未燃焼は発生していないと判定する。なお、当該温度上昇幅ΔTRに基づいて、燃焼触媒部８０の流路距離Ｌａ［mm］を考慮し、場所的な温度上昇率ΔTR／Ｌａ［mm］を求め、その温度上昇率に基づいて燃焼用空間２３における水素の未燃焼の有無を判定することにしてもよい。本実施形態によれば、温度Ｔｆおよび温度Ｔｅは同時刻の温度であるため、判定に要する時間が短縮される。
(Embodiment 3)
FIG. 7 shows a third embodiment. The present embodiment has basically the same configuration and operational effects as the first embodiment. In the first embodiment, the control unit 100 obtains the temporal temperature rise width of the exhaust gas flowing through the combustion catalyst unit 80, further obtains the temporal temperature rise rate based on the temperature rise width, and temporally increases the temperature. The presence or absence of unburned hydrogen in the combustion space 23 is determined based on the rate of increase. However, according to the present embodiment, as shown in FIG. 7, in addition to providing the temperature sensor 84 at the temperature measuring portion 82 downstream of the combustion catalyst unit 80, the temperature sensor 84 is upstream (combustion space 23). The temperature sensor 86 is provided at a temperature measuring portion 85 between the combustion catalyst unit 80 and the combustion catalyst unit 80. Since the temperature Te [° C.] of the exhaust gas detected by the temperature sensor 86 is the temperature immediately before the combustion catalyst unit 80, it corresponds to the temperature before unburned hydrogen is combusted in the combustion catalyst unit 80. On the other hand, the temperature Tf [° C.] of the exhaust gas detected by the temperature sensor 84 is a temperature immediately after the combustion catalyst unit 80, and thus corresponds to the temperature after unburned hydrogen burns in the combustion catalyst unit 80. Therefore, the control unit 100 sets the local temperature rise ΔTR [° C.] between the temperature Tf immediately after the combustion catalyst unit 80 and the immediately preceding temperature Te with respect to the exhaust gas flowing through the combustion catalyst unit 80 that is a recombustion unit. Ask. That is, the temperature rise width ΔTR (ΔTR = Tf−Te) between the temperature Tf of the exhaust gas detected by the temperature sensor 84 and the temperature Te of the exhaust gas detected by the temperature sensor 86 is obtained. The presence or absence of unburned hydrogen in the combustion space 23 is determined based on the local temperature rise ΔTR [° C.]. When the temperature increase width ΔTR is larger than the predetermined ΔTR allowable value, the control unit 100 determines that unburned has occurred in the combustion space 23. When the temperature increase width ΔTR is smaller than the predetermined ΔTR allowable value, the control unit 100 determines that harmful unburned has not occurred in the combustion space 23. Based on the temperature increase width ΔTR, the flow path distance La [mm] of the combustion catalyst unit 80 is taken into consideration, and the local temperature increase rate ΔTR / La [mm] is obtained, and combustion is performed based on the temperature increase rate. The presence or absence of unburned hydrogen in the work space 23 may be determined. According to the present embodiment, since the temperature Tf and the temperature Te are the temperatures at the same time, the time required for the determination is shortened.
（実施形態４）
図８は実施形態４を示す。本実施形態は前記した各実施形態と同様の構成を有するため、図１〜図７を準用できる。図８はスタック１の概念図の一例を示す。スタック１は、発電室３２において、カソードガスが通過できる通路３２ｒを介して複数のセル１０を並設して形成されている。セル１０は、アノードガスが供給される燃料極として機能するアノード１１と、カソードガスが供給される酸化剤極として機能するカソード１２と、アノード１１およびカソード１２で挟まれた固体酸化物を母材とする電解質１５と、アノードガスを通過させる通路１１ｒをもつ多孔性導電部１１ｗと、導電コネクタ１０ｘとを有する。カソード１２は、カソードガスが流れる通路３２ｒに対面しており、カソードガスが供給される。電解質５を構成する固体酸化物は、酸素イオン（Ｏ２−）を伝導させる性質をもつものであり、イットリアを添加した安定化ジルコニア系、ランタンガレート系が例示される。多孔質導電部１１ｗは、通路１１ｒに供給されたアノードガスをアノード１１に供給するとともにアノード１１、電解質１５、カソード１２およびコネクタ１０ｘを支持するものであり、材質はガス透過性と導電性を有し、金属と希土類酸化物の複合体が例示される。隣接するセル１０のコネクタ１０ｘは図示しない導電部材によって電気的に接続されている。
(Embodiment 4)
FIG. 8 shows a fourth embodiment. Since this embodiment has the same configuration as each of the embodiments described above, FIGS. 1 to 7 can be applied mutatis mutandis. FIG. 8 shows an example of a conceptual diagram of the stack 1. In the power generation chamber 32, the stack 1 is formed by arranging a plurality of cells 10 in parallel through a passage 32r through which the cathode gas can pass. The cell 10 includes an anode 11 that functions as a fuel electrode to which anode gas is supplied, a cathode 12 that functions as an oxidant electrode to which cathode gas is supplied, and a solid oxide sandwiched between the anode 11 and the cathode 12 as a base material. An electrolyte 15, a porous conductive portion 11w having a passage 11r through which anode gas passes, and a conductive connector 10x. The cathode 12 faces the passage 32r through which the cathode gas flows, and is supplied with the cathode gas. The solid oxide constituting the electrolyte 5 has a property of conducting oxygen ions (O 2− ), and examples thereof include a stabilized zirconia system and a lanthanum gallate system to which yttria is added. The porous conductive portion 11w supplies the anode gas supplied to the passage 11r to the anode 11 and supports the anode 11, the electrolyte 15, the cathode 12, and the connector 10x. The material has gas permeability and conductivity. In addition, a composite of a metal and a rare earth oxide is exemplified. The connector 10x of the adjacent cell 10 is electrically connected by a conductive member (not shown).
アノード１１は、ニッケル等の金属相とジルコニアとが混在するサーメットが例示される。カソード１２は、サマリウムコバルタイト、ランタンマンガナイトが例示される。コネクタ１０ｘは、ガス不透過性と導電性を有し、通路１１ｒから多孔質導電部２６に拡散されたアノードガスと、カソードガスの通路３２ｒに供給されたカソードガスを遮断するものであり、ペロブスカイト型酸化物が例示される。材質は上記に限定されるものではない。なお、スタック１の下部には、アノードガス通路１４を介して供給されたアノードガスをスタック１の入口に案内するアノードガスマニホルド１３が配置されている。アノードガスマニホルド１３を介してスタック１の通路１１ｒに供給されたアノードガスは、多孔質導電部１１ｗを透過してアノード１１に至る。また、前述したようにカソードガスポンプが駆動すると、カソードガスが発電室３２に供給されてカソード１２に供給される。このようにスタック１のアノード１１にアノードガスが供給され、カソード１２にカソードガスが供給され、スタック１は発電する。 The anode 11 is exemplified by a cermet in which a metal phase such as nickel and zirconia are mixed. Examples of the cathode 12 include samarium cobaltite and lanthanum manganite. The connector 10x has gas impermeability and conductivity, and cuts off the anode gas diffused from the passage 11r into the porous conductive portion 26 and the cathode gas supplied to the cathode gas passage 32r. Examples are type oxides. The material is not limited to the above. An anode gas manifold 13 that guides the anode gas supplied via the anode gas passage 14 to the inlet of the stack 1 is disposed at the lower portion of the stack 1. The anode gas supplied to the passage 11r of the stack 1 through the anode gas manifold 13 passes through the porous conductive portion 11w and reaches the anode 11. Further, as described above, when the cathode gas pump is driven, the cathode gas is supplied to the power generation chamber 32 and supplied to the cathode 12. In this way, the anode gas is supplied to the anode 11 of the stack 1 and the cathode gas is supplied to the cathode 12, and the stack 1 generates power.
スタック１の通路１１ｒの上部から燃焼用空間２３に向けて吐出されるガスは、アノードオフガスである。アノードオフガスは、アノードガスがスタック１から排出されたガスを意味し、未反応の水素（可燃成分）を含有して燃焼可能である。カソードガスは未反応の酸素を含有しており、燃焼用空気として機能できる。スタック１から燃焼用空間２３に排出されたアノードオフガスは、酸素を含むカソードガスまたはカソードオフガス（燃焼用空気に相当）により燃焼され、燃焼火炎２４を燃焼用空間２３において形成する。燃焼用空間２３において燃焼火炎２４を形成したガスは、排ガスとなる。ここで、燃焼用空間２３における燃焼火炎２４は改質部２２および蒸発部２０の双方を加熱させ、改質部２２の温度を改質反応温度領域に維持させ、蒸発部２０を水蒸気化可能温度に維持させる。本実施形態は前記した各実施形態と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。すなわち、制御部１００は、上記した燃焼触媒部８０を流れる排ガスについて時間的または場所的な温度上昇率幅と、その温度上昇率を求め、その温度上昇率に基づいて、燃焼用空間２３における燃焼火炎２４の燃焼状態を判定する。 The gas discharged from the upper part of the passage 11r of the stack 1 toward the combustion space 23 is anode off gas. The anode off gas means a gas in which the anode gas is discharged from the stack 1, and can burn by containing unreacted hydrogen (combustible component). The cathode gas contains unreacted oxygen and can function as combustion air. The anode off-gas discharged from the stack 1 to the combustion space 23 is burned by a cathode gas containing oxygen or a cathode off-gas (corresponding to combustion air) to form a combustion flame 24 in the combustion space 23. The gas that forms the combustion flame 24 in the combustion space 23 becomes exhaust gas. Here, the combustion flame 24 in the combustion space 23 heats both the reforming unit 22 and the evaporation unit 20, maintains the temperature of the reforming unit 22 in the reforming reaction temperature region, and allows the evaporation unit 20 to be steamed. To maintain. The present embodiment has basically the same configuration and the same function and effect as the above-described embodiments. That is, the control unit 100 obtains a temporal or local temperature increase rate width and a temperature increase rate of the exhaust gas flowing through the combustion catalyst unit 80, and the combustion in the combustion space 23 is performed based on the temperature increase rate. The combustion state of the flame 24 is determined.
（その他）
上記した実施形態によれば、熱交換器７４で生成された凝縮水を、水精製機能をもつ水精製器４０に溜めて精製させた後にタンク４４に貯留させているが、これに限らず、熱交換器７４で生成された凝縮水をタンク４４に貯留させた後、水精製器４０から改質器２に向けて搬送させても良い。改質する燃料原料として、燃料原料ガスが採用されているが、これに限らず、液状の燃料原料（アルコール、ガソリン、灯油等）を改質させることにしても良い。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。
(Other)
According to the above-described embodiment, the condensed water generated in the heat exchanger 74 is stored in the tank 44 after being collected and purified in the water purifier 40 having a water purification function, but is not limited thereto. The condensed water generated in the heat exchanger 74 may be stored in the tank 44 and then transported from the water purifier 40 toward the reformer 2. The fuel raw material gas is adopted as the fuel raw material to be reformed, but the present invention is not limited to this, and liquid fuel raw materials (alcohol, gasoline, kerosene, etc.) may be reformed. The present invention is not limited to the embodiments described above and shown in the drawings, and can be implemented with appropriate modifications within the scope not departing from the gist.
上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
［付記項１］アノードおよびカソードをもつ燃料電池で形成されたスタックと、アノード活物質を含むアノードガスを燃料電池のアノードに供給させるアノードガス供給部と、カソード活物質を含むカソードガスを燃料電池のカソードに供給させるカソードガス供給部と、スタックの前記アノードから吐出された発電反応後のアノードオフガスを酸素含有ガスで燃焼させる燃焼用空間を形成すると共にスタックを覆う壁体と、燃焼用空間よりも下流に設けられアノードオフガスを燃焼用空間で燃焼させた排ガスに含まれるアノード活物質を含む可燃成分を再燃焼させる再燃焼部と、再燃焼部を流れる排ガスの温度上昇に関する物理量に基づいて、燃焼用空間における未燃焼等の燃焼状態を判定する制御部とを具備する燃料電池システム。物理量としては、時間的なまたは場所的な温度上昇幅、温度上昇率が挙げられる。
［付記項２］付記項１において、時間経過につれて、測温部位の温度が直前の温度よりも下降する下降傾斜領域、下降傾斜領域の後に、測温部位の温度が直前の温度よりも高温側に上昇する上昇傾斜領域が検知されるとき、制御部は、測温部位の温度に関する物理量（温度変化率）に基づいて、燃焼用空間における燃焼状態を判定する燃料電池システム。
［付記項３］アノードおよびカソードをもつ燃料電池で形成されたスタックと、アノード活物質を含むアノードガスを燃料電池のアノードに供給させるアノードガス供給部と、カソード活物質を含むカソードガスを燃料電池のカソードに供給させるカソードガス供給部と、スタックのアノードから吐出された発電反応後のアノードオフガスを酸素含有ガスで燃焼させる燃焼用空間を形成すると共にスタックを覆う壁体と、燃焼用空間よりも下流に設けられアノードオフガスを燃焼用空間で燃焼させた排ガスに含まれるアノード活物質を含む可燃成分を再燃焼させる再燃焼部とを具備する燃料電池システム。再燃焼部としては燃焼触媒部が例示される。
The following technical idea can also be grasped from the above description.
[Additional Item 1] A stack formed of a fuel cell having an anode and a cathode, an anode gas supply unit for supplying an anode gas containing an anode active material to the anode of the fuel cell, and a cathode gas containing a cathode active material as a fuel cell A cathode gas supply unit to be supplied to the cathode, a wall for forming a combustion space for burning the anode-off gas discharged from the anode of the stack with an oxygen-containing gas and covering the stack, and a combustion space Based on the physical quantity related to the temperature increase of the exhaust gas flowing through the re-combustion part, the re-combustion part that re-combusts the combustible component containing the anode active material contained in the exhaust gas that is provided downstream and combusted in the combustion space anode off-gas, A fuel cell system comprising: a control unit that determines a combustion state such as unburned in a combustion space. Examples of the physical quantity include temporal or local temperature rise width and temperature rise rate.
[Additional Item 2] In Additional Item 1, the temperature of the temperature measurement part is higher than the immediately preceding temperature after the descending slope area where the temperature of the temperature measurement part is lower than the immediately preceding temperature as the time passes. When an ascending slope region that rises is detected, the control unit determines the combustion state in the combustion space based on a physical quantity (temperature change rate) related to the temperature of the temperature measurement region.
[Additional Item 3] A stack formed of a fuel cell having an anode and a cathode, an anode gas supply unit for supplying an anode gas containing an anode active material to the anode of the fuel cell, and a cathode gas containing a cathode active material as a fuel cell A cathode gas supply unit to be supplied to the cathode of the stack, a combustion space for burning the anode off-gas discharged from the anode of the stack with the oxygen-containing gas, and a wall covering the stack, and a combustion space. A fuel cell system comprising: a reburning unit that is provided downstream and reburns a combustible component including an anode active material contained in an exhaust gas obtained by burning an anode off gas in a combustion space. A combustion catalyst part is illustrated as a recombustion part.
本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用、可搬用の燃料電池システムに適用できる。 The present invention can be applied to, for example, stationary, vehicle, electrical equipment, electronic equipment, and portable fuel cell systems.
図中、１は燃料電池、２は改質器、２０は蒸発部、２２は改質部、２３は燃焼用空間、２４は燃焼火炎、３は発電モジュール、３０は断熱部（壁体）、３２は発電室、４は改質水系、４０は水精製器、４１は改質水通路、４２は改質水ポンプ（改質水搬送源）、４３は給水バルブ、４４はタンク、５は燃料原料供給部（アノードガス供給部）、５０は燃料源、５１は燃料原料供給通路、６はカソードガス供給部、６０はカソードガス供給通路、７は貯湯系、７０は貯湯槽、７０ｉは入水口、７０ｐは出水口、７１は貯湯通路、７２は貯湯ポンプ（貯湯水搬送源）、７４は熱交換器、７５は排気通路、７６は排気口、７７は凝縮水通路、８０は燃焼触媒部（再燃焼部）、８２は測温部位、８４は温度センサを示す。 In the figure, 1 is a fuel cell, 2 is a reformer, 20 is an evaporation section, 22 is a reforming section, 23 is a combustion space, 24 is a combustion flame, 3 is a power generation module, 30 is a heat insulating section (wall), 32 is a power generation chamber, 4 is a reforming water system, 40 is a water purifier, 41 is a reforming water passage, 42 is a reforming water pump (reforming water transport source), 43 is a water supply valve, 44 is a tank, and 5 is fuel. A raw material supply unit (anode gas supply unit), 50 is a fuel source, 51 is a fuel raw material supply passage, 6 is a cathode gas supply unit, 60 is a cathode gas supply passage, 7 is a hot water storage system, 70 is a hot water storage tank, and 70i is a water inlet. , 70p is a water outlet, 71 is a hot water storage passage, 72 is a hot water storage pump (a hot water transfer source), 74 is a heat exchanger, 75 is an exhaust passage, 76 is an exhaust port, 77 is a condensate water passage, and 80 is a combustion catalyst section ( Recombustion part), 82 is a temperature measuring part, and 84 is a temperature sensor.
Claims (3)
アノード活物質を含むアノードガスを前記スタックの前記アノードに供給させるアノードガス供給部と、
カソード活物質を含むカソードガスを前記スタックの前記カソードに供給させるカソードガス供給部と、
前記スタックのアノードから吐出されたアノードオフガスを酸素含有ガスで燃焼させる燃焼用空間と、
前記燃焼用空間よりも下流に設けられアノードオフガスを前記燃焼用空間で燃焼させた排ガスが流れ、前記アノードオフガスを前記燃焼用空間で燃焼させた排ガスに含まれる可燃性の有害成分の燃焼を促進させて前記有害成分を低減させる触媒を有する燃焼触媒部で形成されている再燃焼部と、
前記燃焼触媒部における燃焼に起因する排ガスの時間的な温度上昇幅または時間的な温度上昇率或いは、前記燃焼触媒部の直後の温度と直前の温度との間における場所的な温度上昇幅又は場所的な温度上昇率に基づいて、前記燃焼用空間における燃焼状態を判定する制御部とを具備する燃料電池システム。 A stack formed of a fuel cell having an anode and a cathode;
An anode gas supply unit configured to supply an anode gas containing an anode active material to the anode of the stack;
A cathode gas supply unit configured to supply a cathode gas containing a cathode active material to the cathode of the stack;
A combustion space for burning the anode off-gas discharged from the anode of the stack with an oxygen-containing gas;
An exhaust gas that is provided downstream of the combustion space and burns anode off gas in the combustion space flows, and promotes combustion of combustible harmful components contained in the exhaust gas burned in the combustion space of the anode off gas. A recombustion portion formed of a combustion catalyst portion having a catalyst that reduces the harmful components;
The temporal temperature rise or temporal temperature increase rate of the exhaust gas due to combustion in the combustion catalyst unit or, where temperature increase range or location between the temperature and the previous temperature immediately after the combustion catalyst portion And a controller that determines a combustion state in the combustion space based on a typical temperature rise rate .
In Claim 1 or 2 , the temperature measurement part which detects the temperature of the exhaust gas in the re-combustion part, or the exhaust gas downstream from the re-combustion part is provided, and also the heat which the exhaust gas has is heat-exchanged. The fuel cell system is provided with a heat exchanger that heats water to generate hot water, and the temperature measuring portion is located downstream from the combustion space and upstream from the heat exchanger.
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