WO2005057705A1 - 燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システム - Google Patents

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Qingquan Su
Toshihiro Horie
Masaki Ando
Takahide Haga
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Ebara Ballard Corporation
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a method for starting and controlling a fuel cell system.
  • the conventional fuel cell power generation system is provided with a so-called assist combustion means for supplying the raw material fuel as an auxiliary fuel to the combustion section of the reformer, so that the fluctuation of the temperature of the reforming section due to disturbances such as an error in the reading of the raw material fuel flow meter can be prevented.
  • assist combustion by increasing or decreasing the amount of assist combustion, the temperature of the combustion section and the reforming section was maintained at a predetermined temperature, and the operation of the fuel cell power generation system was stabilized.
  • an object of the present invention is to provide a fuel cell system having a simple system configuration without an assist combustion system, a start-up and operation control method thereof, and to provide a fuel cell system capable of stable operation with high reliability.
  • a raw material fuel m is reformed to generate a reformed gas r.
  • Reforming unit 5 Combustion unit 4 that burns raw fuel m to heat reforming unit 5, and Carbon monoxide that reduces carbon monoxide in reformed gas r to generate carbon monoxide reduced gas g
  • This is an operation method of a fuel cell system 100 including reduction units 6 and 7 and a fuel cell 30 using carbon monoxide reduction gas g as fuel gas, and supplies a raw material fuel m to a combustion unit 4 and a reforming unit.
  • Step ST4 After the first preheating step (Step ST2) for heating 5 to a predetermined temperature and the first preheating step (Step ST2), the supply of the raw material fuel m to the combustion section 4 is stopped (Step ST4).
  • the raw material fuel m is supplied to the reforming section 5 to generate the reformed gas r, and the reformed gas r is introduced into the carbon monoxide reducing sections 6 and 7 to form the carbon monoxide.
  • Step ST6 for heating the reduction units 6 and 7, and the second preheating step (Step ST6)
  • the carbon monoxide reduction gas g generated in the carbon monoxide reduction units 6 and 7 is used.
  • the raw material fuel is supplied to the combustion unit to heat the reforming unit, and the heat of the heated reforming unit stores the raw material fuel in the reforming unit.
  • the fuel cell system can be started by supplying the reformed gas to generate the reformed gas, heating the carbon monoxide reduction section with the reformed gas, generating the carbon monoxide reduced gas, and starting power generation. . Also, since there is no assist combustion system and only the first preheating step supplies the raw fuel to the combustion section and directly burns it, it is assumed that the raw fuel burns for a short time to burn the raw fuel. The amount of NOx and soot generated during the operation is reduced, resulting in high environmental performance! This is the method of operating the fuel cell system.
  • the temperature of the carbon monoxide reduction units 6, 7 is set to a predetermined value.
  • the process may shift from the second preheating step (step ST6) to the power generation step (step ST10).
  • the carbon monoxide reducing section is preheated to a predetermined temperature, and the carbon monoxide generated in the state in which carbon monoxide is removed from the reformed gas is obtained. Since the dangling carbon reducing gas is supplied to the fuel cell, the power generation efficiency of the fuel cell does not decrease due to the presence of carbon monoxide.
  • a method for operating a fuel cell system includes, as shown in Figs. 1 and 3, for example, a raw fuel supply unit 1 for supplying a raw fuel m, Raw material Reforming unit 5 that reforms fuel m to generate reformed gas r, and carbon monoxide reducing unit 6 that reduces carbon monoxide in reformed gas r to generate carbon monoxide reduced gas g , 7, a fuel cell 30 that uses the carbon monoxide reducing gas g as a fuel gas, and a combustion unit 4 that burns off-gas p of the fuel cell 30 to heat the reforming unit 5
  • a temperature of the reforming section 5 is detected, and the detected temperature Ta is compared with a predetermined first temperature A1 and a predetermined second temperature A2 (steps ST11 and ST12).
  • the fuel cell 30 is a step of reducing the generated current (step ST22), and a current reducing step of maintaining the generated current for a predetermined time tl after the reduced generated current (step ST23); and a reforming unit temperature comparison step (step ST12).
  • step ST22 the step of reducing the generated current
  • step ST23 a current reducing step of maintaining the generated current for a predetermined time tl after the reduced generated current
  • step ST12 a reforming unit temperature comparison step
  • step ST33 a current increasing step of holding
  • the number of continuous executions N1 of the current reduction process reaches the predetermined number nl.
  • the fuel increase step (step ST26) in which the supply amount of the raw fuel m from the raw fuel supply unit 1 is increased, and the number of continuous executions N2 of the current increase step reach the predetermined number n2, the raw fuel A fuel reduction process (step ST36) for reducing the supply amount of the raw material fuel m from the supply unit 1 may be provided.
  • the temperature of the reforming unit does not reach the predetermined temperature simply by reducing or increasing the predetermined integral amount (nl, n2 times the amount of increase / decrease per operation) of the current generated by the fuel cell.
  • the temperature of the reforming unit becomes a predetermined temperature, and the system generates a certain range of the generated current, that is, a certain amount of generated power. Stable operation is performed in the range.
  • a fuel cell system comprises, as shown in FIG. 1, for example, a raw fuel supply unit 1 for supplying a raw fuel m, and a reforming of the raw fuel m.
  • a reforming unit 5 that generates reformed gas r, and a carbon monoxide reducing unit 6 and 7 that generates carbon monoxide reduced gas g by reducing carbon monoxide in the reformed gas r.
  • a fuel cell 30 that uses the carbon monoxide reducing gas g as a fuel gas, and a combustion unit that heats the reforming unit 5 by burning the raw material fuel m, the carbon monoxide reducing gas g, or the off-gas P of the fuel cell.
  • channels 12 and 14 for supplying the raw fuel m to the combustion unit 4, channels 12 and 13 for supplying the raw fuel m to the reforming unit 5, and a carbon monoxide reducing gas g to the fuel cell 30
  • a first flow path switching means 3 for switching a flow path 14 for supplying the raw material fuel m to the combustion section 4 and a flow path 13 for supplying the raw material fuel m to the reforming section 5 and a carbon monoxide reducing gas g to the fuel cell 30
  • a second flow path switching means 8 for switching between the flow path 20 to be supplied and the flow path 21 to be supplied to the combustion section 4.
  • the raw material fuel is supplied to the combustion section, the reforming section is heated to a predetermined temperature, and the flow path is switched by the first flow path switching means, so that the raw material fuel is supplied to the reforming section.
  • Supply and reform Gas can be generated.
  • the first flow path switching means is switched, the fuel supply to the combustion section is interrupted until the carbon monoxide-reducing gas is supplied to the combustion section.
  • the predetermined temperature of the reforming unit at the time of switching is set so that the temperature of the reforming unit does not drop below the minimum temperature required for the reforming reaction, and the time during which fuel supply is cut off is short. Thus, the reforming reaction is continued.
  • the reformed gas is introduced into the Ichidani carbon reduction section to heat the Idori carbon reduction section, and the gas before the temperature of the Ichidani carbon reduction section is sufficiently increased is supplied to the combustion section. Then, after sufficiently rising, the second flow path switching means is switched to introduce a carbon monoxide reducing gas into the fuel cell, thereby generating a fuel cell system. Further, when the second flow path switching means is switched, the fuel supply to the combustion section is interrupted until the off-gas of the fuel cell is supplied to the combustion section. Force to stop the supply of heat to the reforming unit Set the predetermined temperature of the reforming unit at the time of switching so that the temperature of the reforming unit does not drop below the minimum temperature required for the reforming reaction.
  • the reforming reaction is continued. Furthermore, since only the first preheating step supplies the raw fuel to the combustion section and directly burns it without an assist combustion system, the raw fuel burn time is short, and the raw fuel is burned. The amount of NOx and soot generated at that time is reduced, resulting in an environmentally-friendly V ⁇ fuel cell system.
  • the fuel cell system includes a reforming unit temperature detector 9 for detecting the temperature of the reforming unit 5 and a carbon monoxide reducing unit 6 in the fuel cell system 100.
  • the first, second, and third temperatures and the monoxide that are compared with the temperatures detected by the carbon monoxide reduction section temperature detectors 10 and 11 that detect the temperatures of
  • a storage unit that stores a fourth temperature that is compared with the temperatures detected by the carbon reduction unit temperature detectors 10 and 11, and a reforming unit temperature detector that supplies the raw fuel m to the combustion unit 4 at startup.
  • step 9 When the temperature detected in step 9 becomes equal to or higher than the third temperature, the supply of the raw fuel m to the combustion unit 4 is stopped, and the raw fuel m is supplied to the reforming unit 5 to generate a reformed gas r.
  • the reformed gas r is introduced into the carbon monoxide reduction units 6 and 7 to heat the carbon monoxide reduction units 6 and 7, and the carbon monoxide reduction unit temperature detector 10,
  • control is performed to introduce the carbon monoxide reducing gas g generated in the carbon monoxide reducing units 6 and 7 into the fuel cell 30 and start power generation.
  • the power generation current is reduced in the fuel cell 30, but for a predetermined time after the power generation current is reduced. Holds the generated current, and when the temperature detected by the reforming section temperature detector 9 is equal to or higher than the second temperature, the power generated by the fuel cell 30 to increase the generated current. During this period, control is performed to hold the generated current and increase or decrease the supply amount of the raw fuel m supplied from the raw fuel unit 1 when the number of times the generated current is continuously reduced or increased reaches a predetermined number. And a control device 40 having a control unit for performing the control.
  • the raw fuel is supplied to the combustion unit to heat the reforming unit, and when the temperature of the reforming unit reaches a predetermined third temperature or higher, the first flow path switching unit is activated. Then, the raw material fuel is supplied to the reforming section to generate a reformed gas, the reformed gas is introduced to heat the carbon monoxide reducing section, and the carbon monoxide reducing section is heated to a predetermined fourth temperature.
  • the control device realizes the operation of introducing the carbon monoxide reduction gas into the fuel cell and starting the power generation.
  • the current generated by the fuel cell is reduced to raise the temperature of the reforming section, and the temperature of the reforming section is increased.
  • the generated current in the fuel cell is increased to lower the temperature of the reforming unit, and the temperature of the reforming unit is reduced or increased by a predetermined number of continuous generations. If the temperature does not reach the predetermined temperature, the operation of increasing or decreasing the supply amount of the raw material fuel is realized by the fuel cell system realized by the control device.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a control method when starting up the fuel cell power generation system according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a control method during normal operation of the fuel cell power generation system according to the embodiment of the present invention.
  • Metamorphic section temperature detector carbon monoxide reduction section temperature detector
  • Selective oxidation section temperature detector carbon monoxide reduction section temperature detector
  • nl, n2 Generated current is reduced and increased a predetermined number of consecutive times
  • Tb, Tc metamorphic zone temperature carbon monoxide reduced zone temperature
  • selective oxidation zone temperature carbon monoxide reduced zone temperature
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a fuel cell power generation system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell power generation system 100 includes a raw fuel supply unit 1 for supplying raw fuel m such as city gas and kerosene, a combustion air supply unit 2 for supplying combustion air a for burning the raw fuel m, and a raw fuel m A reforming section 5 for reforming the gas to generate a reformed gas r rich in hydrogen, a combustion section 4 for heating the reforming section 5, and a former section of a carbon monoxide reduction section for performing a shift reaction of the reformed gas r.
  • raw fuel supply unit 1 for supplying raw fuel m such as city gas and kerosene
  • a combustion air supply unit 2 for supplying combustion air a for burning the raw fuel m
  • a raw fuel m A reforming section 5 for reforming the gas to generate a reformed gas r rich in hydrogen
  • a combustion section 4 for heating the reforming section 5
  • a selective oxidizing section 7 as a latter part of the carbon monoxide reducing section for performing the selective oxidizing reaction of the reformed gas gl which has undergone the metamorphic reaction, and a carbon monoxide reducing gas.
  • a fuel cell 30 that generates power using the hydrogen-rich gas g as a fuel gas. Further, the fuel cell power generation system 100 switches between a flow path 13 for supplying the raw material fuel m supplied from the fuel supply section 1 to the reforming section 5 and a flow path 14 for supplying the fuel section m to the combustion section 4.
  • a three-way valve 3 as a flow path switching means, a flow path 20 for supplying a gas derived from the selective oxidation section 7 as a fuel gas g to the fuel cell 30 and a combustion gas g 'to the combustion section 4
  • a three-way valve 8 is provided as second flow path switching means for switching the flow path 21 to be supplied.
  • the fuel cell power generation system 100 includes a reforming section temperature detector 9 for detecting the temperature of the reforming section 5, a transformation section temperature detector 10 for detecting the temperature of the transformation section 6, and a temperature of the selective oxidation section 7.
  • the apparatus includes a selective oxidation unit temperature detector 11 for detecting, and a control device 40 for controlling the supply amount of the raw fuel from the raw fuel supply unit 1 and the operation of the three-way valves 3 and 8 based on these temperatures.
  • a pipe 12 is laid from the raw material fuel supply section 1 to the three-way valve 3, and branches into a pipe 13 connected to the reforming section 5 and a pipe 14 connected to the combustion section 4 at the three-way valve 3.
  • the combustion air supply unit 2 Then, a pipe 15 is laid in the combustion section 4.
  • the combustion section 4 is connected with a pipe 16 for discharging exhaust gas after combustion.
  • a pipe 23 for supplying reforming water s, which is water used for the reforming reaction, is also connected to the reforming section 5.
  • a pipe 17 is laid between the reforming section 5 and the shift section 6, and a pipe 18 is laid between the shift section 6 and the selective oxidation section 7.
  • a pipe 19 connected to the selective oxidation section 7 is connected to the three-way valve 8, and a pipe 20 leading to the fuel cell 30 and a pipe 21 leading to the pipe 22 are laid from the three-way valve 8.
  • the pipe 22 is laid between the fuel cell 30 and the combustion section 4.
  • the raw fuel supply unit 1 is a device that quantitatively supplies raw fuel m such as city gas, LPG, digestive gas, methanol, GTL, and kerosene.
  • a tank for storing the raw fuel m may be provided, or an external force may be introduced for the raw fuel m.
  • a flow control valve is provided.
  • a blower is provided to secure the pressure for supplying the raw material fuel into the fuel cell power generation system 100.
  • a metering pump may be provided, or a pump having no flow rate control function and a flow rate control valve may be provided.
  • the raw fuel supply unit 1 increases or decreases the raw fuel supply amount in response to an instruction signal il from the control device 40.
  • the combustion air supply unit 2 is a device that supplies oxygen consumed by combustion in the combustion unit.
  • the fuel cell power generation system 100 is connected to the combustion unit 4 via the pipe 15, but may be directly connected to the combustion unit 4.
  • the reforming section 5 is a device that generates a hydrogen-rich reformed gas r from a raw material fuel m and reforming water s by a reforming reaction.
  • the reforming reaction is a reaction that generates hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide from hydrocarbons and water in the raw material fuel m by a reforming catalyst (not shown) at a high temperature.
  • the reforming reaction is an endothermic reaction, and it is necessary to supply heat from the outside for the reforming reaction.
  • Any reforming catalyst may be used as long as it promotes the reforming reaction.
  • a nickel-Ni based reforming catalyst, a ruthenium Ru-based reforming catalyst or the like is used.
  • the reforming section 5 is preferably a cylindrical vessel containing a reforming catalyst, which is preferable in terms of strength and production. However, in high temperature In order to keep it, a combustion section 4 described later may be arranged inside.
  • the combustion unit 4 receives the raw material fuel m, the combustion gas g sent from the selective oxidizing unit 7 without sufficient reduction of carbon monoxide, or the anode off-gas P that is an off-gas of the anode electrode of the fuel cell 30.
  • This is a device for heating the reforming section 5 by burning with the combustion air a.
  • the raw fuel m is a liquid such as kerosene, it preferably has a vaporizer. It has a burner nozzle that can handle a variety of fuels, such as kerosene, city gas, LPG, etc., raw fuel m, combustion gas g 'delivered from the selective oxidation unit 7 or anode off-gas p of the fuel cell 30.
  • ing ing.
  • they may have different burner nozzles. Since it is a device for heating the reforming section 5, it is preferably disposed at the center of the reforming section 5, which is preferably formed integrally with the reforming section 5, and is burned in the combustion section 4 to form a surrounding reforming section. 5 may be heated, or the high-temperature gas burned in the combustion section 4 may flow around the reforming section 5 to heat the reforming section 5. Configuration may be used.
  • the shift section 6 converts the carbon monoxide in the reformed gas r with the water in the reformed gas r to generate carbon dioxide and hydrogen under a shift catalyst (not shown).
  • the metamorphic reaction is an exothermic reaction. If the reaction temperature is lowered, the concentration of carbon monoxide after the denaturation decreases, but the reaction rate decreases.
  • As the shift catalyst an iron-Fe-chromium Cr-based high-temperature shift catalyst, a platinum Pt-based medium-high-temperature shift catalyst, a copper Cu-zinc Zn-based low-temperature shift catalyst, or the like is used.
  • the shift section 6 is a container containing these catalysts, and typically has a cylindrical shape.
  • the selective oxidizing unit 7 selects the carbon in the reformed gas r under the selective oxidation catalyst (not shown) using oxygen in air (not shown) supplied from the outside.
  • This is an apparatus for oxidizing and reducing the concentration of carbon in the fuel gas g. If, for example, a polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 30, the platinum Pt catalyst at the anode (fuel electrode) is poisoned by carbon monoxide in the fuel gas g, and the power generation efficiency is reduced. There is a problem that happens. Therefore, carbon monoxide is oxidized to carbon dioxide using a selective oxidation catalyst having a high selective oxidation property for carbon monoxide.
  • the selective oxidation catalyst for example, a platinum Pt-based selective oxidation catalyst, a ruthenium Ru-based selective oxidation catalyst, or the like is used.
  • the fuel cell system 100 includes the shift section 6 and the selective oxidation section 7 to reduce carbon monoxide, the carbon monoxide concentration is reduced even when only one of the devices is provided. It should be done.
  • the shift part 6 and the selective oxidation part 7 By providing the following, the concentration of carbon monoxide is reduced in the shift part 6, the concentration of hydrogen as fuel is increased, and the concentration of carbon monoxide is sufficiently reduced in the selective oxidation part 7. Therefore, it is preferable.
  • the fuel cell 30 introduces a fuel gas g rich in hydrogen as a fuel gas into an anode (not shown) and introduces an oxidizing gas such as air into a force sword (not shown) to generate power.
  • a fuel gas g rich in hydrogen as a fuel gas into an anode (not shown) and introduces an oxidizing gas such as air into a force sword (not shown) to generate power.
  • a polymer electrolyte fuel cell is preferably used, but other types of fuel cells may be used.
  • the hydrogen in the fuel gas g introduced into the anode electrode reacts with the oxygen in the oxidizing gas at the power source electrode to form water vapor, but the residual hydrogen is not consumed until all of the hydrogen is consumed. Discharge node off-gas p.
  • the amount of hydrogen contained in the anode off-gas p is obtained by subtracting the amount of hydrogen consumed for power generation in the fuel cell 30 from the hydrogen contained in the fuel gas g. Increases the amount of hydrogen.
  • the electric power generated by the fuel cell 30 is supplied to an external electric demand (not shown) through the electric power cable 31.
  • the fuel cell 30 increases or decreases the amount of current generated by the control signal i7 of the control device.
  • the reforming unit 5, the converting unit 6, and the selective oxidizing unit 7 include a reforming unit temperature detector 9, a converting unit temperature detector 10, and a selective oxidizing unit temperature detector 11, respectively, which detect internal temperatures. Are provided. From these temperature detectors 9, 10, and 11, signal cables for transmitting the detected temperature signals to the control device 40 are wired, and the reforming section temperature signal i3, the transformation section temperature signal i4, and the selective oxidation section are provided. The temperature signal i5 is transmitted to the control device.
  • the control device 40 operates the three-way valve 3 and the three-way valve 8 based on the reforming section temperature signal i3, the transformation section temperature signal i4, and the selective oxidation section temperature signal i5,
  • the feed rate of raw fuel from the raw fuel supply unit 1 is controlled.
  • the control device 40 includes a reforming unit operation start temperature A (see FIG. 2) as a third temperature for performing the above control, a shift unit operation start temperature B (see FIG. 2) as a fourth temperature, and Similarly, the selective oxidation section as the fourth temperature, the operation start temperature C (see FIG. 2), the first temperature as the lower limit temperature A1 of the reforming section (see FIG. 3), and the reforming section as the second temperature.
  • the storage unit (not shown) that stores the critical high temperature A2 (see Fig.
  • the fourth temperature is the shift start operation temperature B (FIG. 2).
  • the selected starting temperature C see Fig. 2.
  • the temperature Tb of the shift unit 6 is equal to or higher than the shift start temperature B (see FIG. 2) and the temperature Tc of the selective oxidation unit 7 (see FIG. 2) is selected.
  • the temperature of the operation start temperature C (see Fig. 2) or higher. This means that the temperature is higher than the temperature C).
  • the three-way valves 3 and 8 are valves as flow switching means having one inlet and two outlets.
  • the three-way valve 3 switches and supplies the raw fuel m supplied from the raw fuel supply unit 1 to the combustion unit 4 and the reforming unit 5.
  • the three-way valve 8 switches between supplying the gas delivered from the selective oxidation unit 7 to the fuel cell 30 as the fuel gas g, or supplying the gas to the combustion unit 4 as the combustion gas g '.
  • These switching units may be configured by a combination of a branch pipe and a gate valve instead of a three-way valve. However, if a three-way valve is used, the fuel cell system 100 can be reduced in size without taking up space.
  • the three-way valves 3 and 8 are configured to operate by driving a solenoid or a motor, and operate according to control signals i2 and 16 from the control device 40.
  • the raw material fuel supply unit 1, the combustion air supply unit 2, the reforming unit 5, the combustion unit 4, the shift unit 6, the selective oxidation unit 7, and the three-way valves 3 and 8 are separately provided.
  • All or some of these devices may be integrally formed as a fuel processor. If each device is composed of separate devices, maintenance can be performed or replaced for each device, so that the system is easy to use. In addition, a compact system can be obtained by using an integrated device.
  • the supply of the raw fuel m from the raw fuel supply unit 1 is started.
  • the three-way valve 3 is in a state of supplying the raw fuel m to the combustion part 4, and the raw fuel m is supplied to the combustion part 4 through the pipe 12, the three-way valve 3, and the pipe 14.
  • combustion air a is supplied from the combustion air supply unit 2 to the combustion unit 4. Therefore, in the combustion section 4, the raw fuel m ejected by the burner nozzle force is ignited and combustion starts (step ST1).
  • the reforming unit 5 is heated by the heat of combustion in the burning unit 4, and the temperature of the reforming unit 5 rises (step ST2). This corresponds to the first preheating step.
  • the control device 40 determines whether or not the force has caused the temperature Ta of the reforming unit 5 to reach a predetermined third temperature A or higher ( Step ST3).
  • the third temperature A is set higher than the temperature at which the raw material fuel m undergoes the reforming reaction. For example, when the temperature for the reforming reaction is 650 ° C, the third temperature A is set to 700 ° C.
  • the control section (not shown) of the control device 40 operates the three-way valve 3 so as to supply the raw material fuel m to the reformer 5.
  • Signal i2 is transmitted to three-way valve 3 (step ST4).
  • the combustion unit 4 stops supplying the fuel for combustion, and the combustion stops.
  • the reforming section 5 is heated to the third temperature A or higher, which is higher than the temperature at which the reforming reaction takes place, the raw material fuel m is reformed into hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide by the reforming reaction. .
  • Heating from the combustion section 4 is stopped, but since the heat is stored in the reforming vessel (not shown) ⁇ reforming catalyst (not shown), the temperature drops slowly, and the reforming section 5 further reforms. It is heated to a third temperature A or higher, which is higher than the reaction temperature, and the reforming reaction continues even if the temperature is slightly lowered.
  • the reformed gas r generated by the reforming reaction is supplied to the shift section 6 through the pipe 17. At this time, the temperature of the shift unit 6 is low and the shift reaction is not performed even if the reformed gas r is supplied. However, the temperature gradually rises due to the supply of the high-temperature reformed gas r.
  • the reformed gas r is supplied to the selective oxidation unit 7 through the pipe 18 following the shift unit 6. Also in the selective oxidation section 7, the carbon monoxide selective oxidation reaction is not performed because the temperature is low. The temperature of the selective oxidizing section 7 also gradually rises due to the supply of the high-temperature reformed gas r.
  • the reformed gas r whose temperature has been raised in the shift section 6 and the selective oxidation section 7 flows from the pipe 19 to the three-way valve 8.
  • the reformed gas r since it has not yet undergone the shift reaction or the carbon monoxide selective reaction, it contains a large amount of carbon monoxide and is not suitable for supply to the fuel cell 30.
  • the gas is sent from the three-way valve 8 to the pipe 21 as the combustion gas g ′, and is supplied to the combustion section 4 via the pipe 22.
  • the combustion section 4 starts combustion with the combustion gas g 'and the combustion air a (step ST5).
  • the combustion is stopped in the combustion section 4 when the three-way valve 3 is switched from the pipe 14 side to the pipe 13 side, and the raw fuel m sent to the reforming section 5 by the switching is reformed. It takes about 10 seconds until it is sent to the combustion unit 4 through the shift unit 6, the selective oxidation unit 7, and the three-way valve 8. Since the time in which the combustion in the combustion section 4 is stopped is short, the raw fuel m undergoes a reforming reaction in the reforming section 5 and the temperature is lowered to the third temperature A or higher. The reforming reaction is continued without lowering from the temperature to the minimum temperature at which the reforming reaction is performed. At the same time as the reforming reaction is continued, the temperature of the shift section 6 and the selective oxidation section 7 is continuously increased (step ST6). This corresponds to the second preheating step.
  • the temperature of the metamorphic section 6 and the temperature of the selective oxidizing section 7 during the temperature increase are detected by the metamorphic section temperature detector 10 and the selective oxidation section temperature detector 11.
  • the detected temperature Tb of the shift unit 6 and the detected temperature Tc of the selective oxidation unit 7 are transmitted to the control device 40 as signals i4 and i5.
  • the control unit (not shown) of the control device 40 compares the temperature of the metamorphic portion Tb with the predetermined temperature B as the fourth temperature stored in the storage unit, and compares the temperature with the predetermined temperature Bc as the fourth temperature. It is stored and compared with a predetermined temperature C as a fourth temperature (step ST7).
  • the temperature B is the temperature at which the metamorphic reaction is performed in the metamorphic section 6, and the temperature C is the temperature at which the carbon monoxide selective oxidizing reaction is performed in the selective oxidizing section 7.
  • the temperature suitable for the conversion reaction is about 200 to 280 ° C
  • the fourth temperature B is 240 ° C
  • the temperature suitable for the oxidation reaction is 100-160 ° C
  • the fourth temperature is 110 ° C.
  • the temperature of the reforming section 5 at the time of switching is kept high so that the temperature of the reforming section 5 does not drop below the minimum temperature necessary for the reforming reaction during the misfire. . Since the time from when the combustion unit 4 misfires until the off-gas p is supplied from the fuel cell 30 and re-ignites is different from the case where the three-way valve 3 is switched, the temperature to be compared with the reforming unit temperature Ta is the third temperature. The temperature of 3 may be different from the temperature A. In the fuel cell system 100 according to the present embodiment, the time until re-ignition is shorter when the three-way valve 8 is switched than when the three-way valve 3 is switched. The temperature may be lower than the third temperature A.
  • the reformed gas r is transformed gas gl in the transformation section 6 in the transformation section, and the transformed gas gl is reduced in the selective oxidation section 7 in the selective oxidation section 7.
  • the fuel gas g has a sufficiently reduced carbon monoxide due to the carbon oxide selective oxidation reaction. Therefore, a signal i6 for operating the three-way valve 8 to transmit the gas from the selective oxidation unit 7 to the fuel cell 30 is transmitted from the control unit (not shown) of the control device 40 to the three-way valve 8 ( Step ST8).
  • the anode off-gas p having the component of the fuel gas g is supplied to the combustion unit 4, so that the hydrogen concentration is high and the ignition is easy. Since the time during this period is as short as about 5 seconds, the temperature drop of the reforming section 5 due to the stoppage of the combustion of the combustion section 4 is small, and the reforming reaction is continued.
  • step ST10 steady power generation is started through the step of increasing the generated current (step ST10). This corresponds to the power generation process.
  • step ST10 the fuel gas g is used for power generation in the fuel cell 30, and the anode off-gas p is supplied to the combustion unit 4 through the pipe 22. To be continued.
  • the fuel gas g supplied to the fuel cell 30 has undergone a metamorphic reaction and a selective oxidation reaction of carbon monoxide, even if supplied to the fuel cell 30 having a sufficiently low carbon monoxide concentration, the fuel gas g It is preferable that the platinum (Pt) catalyst of (fuel electrode) is not poisoned.
  • the fuel cell power generation system 100 can be started without damaging the fuel cell 30 and the like by carbon monoxide without providing the assist combustion system. Except when the raw fuel m is first supplied to the combustion section 4 to raise the temperature of the reforming section 5, the raw fuel m is not burned, and the reformed gas r or the anode off-gas p Combustion, etc., the gas exhausted from the combustion section 4 is also clean gas containing no NOx or SOx. It is suitable from the viewpoint of environmental protection.
  • the temperature of the reforming section 5 may change due to an indication error of the raw material fuel flow meter, a variation in quality of the raw material fuel m, and the like. If the change in the temperature of the reforming section 5 is large, the reforming reaction may not be performed properly. Therefore, adjustment must be performed to maintain the temperature of the reforming section 5 within a predetermined range.
  • the temperature detected by the reforming unit temperature detector 9 is transmitted to the control unit of the control device 40 as a signal i3.
  • the control unit first compares the predetermined first temperature A1 stored in the storage unit with the detected reforming unit temperature Ta (step ST11).
  • the reforming section temperature Ta is equal to or lower than the first temperature A1
  • a step of reducing the generated current in the fuel cell 30 is performed, and when the temperature exceeds the first temperature A1 and when the temperature exceeds the first temperature A1, a predetermined second temperature A2 is set. Is compared.
  • step ST21 the control unit of the control device 40
  • the number of consecutive times N2 at which the generated current is increased is reset to 0 (step ST21). This is because, when the step of increasing the generated current is performed after reducing the generated current, the number of times N2 in which the generated current is continuously increased is not erroneously counted. Note that, in FIG. 3, the above-described step ST21 is performed at the beginning of the generation current reduction step, but may be performed at any stage as long as it is performed during the generation current reduction step.
  • an instruction signal i7 for reducing the generated current value by a predetermined amount al is transmitted from the control unit of the control device 40 to the fuel cell 30.
  • the fuel cell 30 receives the control signal i7 and reduces the generated current (step ST22).
  • the predetermined amount al to be reduced is set to a small value, for example, 2% of the generated current value set at the time of startup. If the generated current value is greatly changed, the operation of the system may become unstable due to a sudden change. Therefore, set a small value to gradually adjust the value.
  • the control unit of the control device 40 adds 1 to the number of consecutive times N1 at which the generated current is reduced (step ST24). As described below, when the temperature Ta of the reforming section 5 does not become higher than the predetermined first temperature A1 even when the generated current is reduced, it is used to determine whether to increase the supply amount of the raw material fuel m. is there. If the number of continuous times N1 has not reached the predetermined number of times nl, the process returns to the comparison between the reforming section temperature Ta and the first temperature A1 (step 11).
  • step 11 the state in which the generation current is reduced is held for a predetermined time tl. Therefore, the control unit of the control device 40 counts a predetermined time tl with a timer (step ST23). This is to stabilize the state in which the generated current value is reduced by the predetermined amount al. That is, if further control is performed based on the transient change that occurs immediately after the generation current is reduced, the operation of the system may become unstable. In particular, when the heat capacity of the reforming unit 5 is large with respect to the reduction amount of the combustion amount, if the feedback is constantly performed as in the PID control method, the temperature of the reforming unit 5 may hunt.
  • the predetermined time tl is large enough to hinder the operation of the system during the predetermined time tl, which is about 30 seconds. It's hard to imagine a change.
  • the process up to here corresponds to the generated current reduction process.
  • the control unit of the control device 40 compares the reforming unit temperature Ta with a predetermined second temperature A2 (step ST12). If the reforming section temperature Ta is not equal to or higher than the second temperature A2, the operation of the reforming section 5 is within the appropriate range and the operation is continued as it is, but the reforming section temperature Ta is equal to or higher than the second temperature A2. If so, the generated current increasing step is performed. Contrary to the power generation current reduction step, the purpose is to increase the hydrogen consumption in the fuel cell 30, reduce the amount of hydrogen in the anode off-gas p, and suppress the combustion in the combustion section 4.
  • the generated current increasing step the number of consecutive times N1 at which the generated current is reduced is reset to 0 (step ST31), the generated current value is increased by a predetermined amount a2 (step ST32), and the generated current is continuously increased. One is added to the number of times N2 (step ST34). Then, before comparing the next reforming section temperature Ta with the first temperature A1 (Step 21), the state in which the generated current is increased is held for a predetermined time t2 (Step ST33). Since the details of these steps are the same as those of the generated current reduction step, detailed description will be omitted. Note that the predetermined amount a1 for reducing the generated current value and the predetermined amount a2 for increasing may be the same or different. In addition, the predetermined time tl for maintaining the reduced state of the generated current and the predetermined time t2 for maintaining the increased state may be the same or different.
  • the continuous number of times N1 at which the generated current is reduced is the number of times the generated current is reduced and thereafter the reforming section temperature Ta falls to or below the first temperature A1 again without exceeding the second temperature A2. That is, this is the number of times that although the generated current was reduced and the amount of hydrogen in the anode off-gas p was increased, the combustion in the combustion section 4 was not yet sufficient and the temperature of the reforming section 5 was lowered. If the number of times the generated current is reduced is increased, the amount of power generation in the fuel cell 30 is greatly reduced, and there is a possibility that the demand for external electricity demand may not be satisfied.
  • the supply amount of the raw fuel m from the raw fuel supply unit 1 is increased to increase the amount of the anode offgas p.
  • the amount is increased, the combustion in the combustion section 4 is increased, and the temperature of the reforming section 5 is increased.
  • the supply amount of the raw material fuel m is increased, the supply amount of the reforming water s to the reforming section 5 must also be increased, and the temperature of the reforming section 5 temporarily decreases.
  • Second the temperature rises.
  • the function of adjusting the supply amount of the raw fuel m is improved, thereby improving the reliability of the system for stable operation. For example, if the predetermined reduction amount of the generated current is set to 2% of the generated current at startup and the predetermined continuous number nl is set to 5, if the generated current decreases by 10%, the supply amount of the raw material fuel m increases, and the generated current decreases. Will be kept within 10%. At this time, if the increased supply amount of the raw fuel m is set to 10% of the starting fuel, the supply amount of the raw fuel m is kept in an appropriate range.
  • the control unit of the control device 40 determines whether or not the number of times N1 at which the generated current is reduced has become equal to a predetermined number of consecutive times nl (step ST25).
  • the control unit of the control device 40 issues a control signal il for increasing the raw material fuel flow value by the predetermined amount fl. Communicated to 1. Therefore, the raw fuel supply unit 1 receives the instruction signal il and increases the flow rate of the fixed flow pump or adjusts the flow rate with the flow control valve to increase the raw fuel flow value (step 26).
  • the control unit of the control device 40 While increasing the raw fuel flow value, the control unit of the control device 40 returns the number of times N1 at which the generated current was reduced to 0 (step ST27). Then, the process returns to the comparison between the reforming section temperature Ta and the first temperature A1 (step ST11). However, before that, the state in which the generated current is reduced and the raw material fuel m is increased is maintained for a predetermined time tl. Therefore, the control unit of the control device 40 counts the predetermined time tl with a timer (step ST23). This is to reduce the generated current and secure a period of time during which the operation with the amount of the raw material fuel m increased stabilizes.
  • the number of consecutive times N2 at which the generated current is increased reaches the predetermined number of times n2
  • the number of consecutive times N1 at which the generated current is reduced reaches the predetermined number of times nl.
  • the supply amount of the raw material fuel m is reduced (step ST36), and the number N2 of increasing the generated current is returned to 0 (step ST37).
  • the amount of supplied reforming water decreases along with the amount of feed fuel m.
  • the amount of combustion in the combustion section 4 decreases, and the temperature of the reforming section 5 decreases.
  • the detailed description is omitted because it is similar to the case where the supply amount of the raw material fuel m is increased.
  • the number of consecutive times N1 in which the generated current is reduced or the number of continuous times in which the generated current is increased When the number of times N2 reaches the predetermined number of times nl and n2, by adjusting the supply amount of the raw material fuel m, the generated current of the fuel cell 30 can be kept within a certain range, and the demand for external power demand can be maintained.
  • the fuel cell power generation system 100 satisfies the above.

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Abstract

　アシスト燃焼系を備えることなくシステム構成が簡単な燃料電池システムと、その起動及び運転制御方法を提供し、信頼性の高い安定運転ができる燃料電池システムを提供する。 　原料燃料ｍを改質して改質ガスｒを生成する改質部５と、原料燃料を燃焼して改質部を加熱する燃焼部４と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して一酸化炭素低減ガスｇを生成する一酸化炭素低減部６、７と、一酸化炭素低減ガスを燃料ガスとする燃料電池３０とを備える燃料電池システムにおいて、原料燃料を燃焼部に供給して改質部を所定の温度に加熱し、続いて、原料燃料の燃焼部への供給を停止し、原料燃料を改質部に供給して改質ガスを生成し、改質ガスを一酸化炭素低減部に導入して一酸化炭素低減部を加熱し、続いて、一酸化炭素低減部で生成した一酸化炭素低減ガスを燃料電池に導入して発電する。

Description

明 細 書
燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システム
技術分野
[0001] 本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池システムの起動及び制御方 法に関する。
背景技術
[0002] 都市ガス、 LPG、消化ガス、メタノール、 GTLや灯油のような原料燃料を改質して 水素に富む燃料ガスを生成し、燃料電池のアノード極 (燃料極）に供給すると共に、 空気等の酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池の空気極に供給して電気化学的反応に より発電する燃料電池発電システムにおいて、システムは安定的に運転されることが 要求される。そこで、外乱に対しても安定的に運転されるためのシステム構成の構築 が必要となるが、安定運転を保証するためのシステム構成が複雑になれば、外乱要 因が却って増加し、システム全体の信頼性や経済性の低下を招来する結果にもなり かねない。
[0003] また、原料燃料を改質する改質装置では、改質反応が吸熱反応であるため、装置 を所定の温度に加熱する必要がある。従来の燃料電池発電システムでは、原料燃料 を補助燃料として改質装置の燃焼部に供給するいわゆるアシスト燃焼の手段を備え 、原料燃料流量計の指示誤差等の外乱による改質部温度等の変動に対してアシスト 燃焼の燃焼量を増減することにより燃焼部および改質部の温度を所定の温度に維持 し、燃料電池発電システムの運転を安定させていた。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] し力しながら、アシスト燃焼を行うにはアシスト燃料供給部等が必要になるので、シ ステムの構成が複雑になり消費電力も増加するという課題があった。また、家庭用燃 料電池発電システムのような 1一数 kWの小規模発電システムの場合、アシスト燃焼 の燃焼量が少ないので、とりわけ原料燃料が液体燃料のときに極めて微小な流量を 定量的且つ正確に送出できる高度のアシスト燃料供給手段が求められていた。また 、微少な流量を正確に定量的に送れない場合には、逆にアシスト燃焼自体が外乱要 因になるという外乱要因を増加することにもなつていた。更に、原料燃料を燃焼する アシスト燃焼はとりわけ原料燃料が液体燃料の場合 NOxや煤を発生し易ぐ環境性 の面でも好ましくな 、ものであった。
そこで、本発明は、アシスト燃焼系を備えることなくシステム構成が簡単な燃料電池 システムと、その起動及び運転制御方法を提供し、信頼性の高い安定運転できる燃 料電池システムを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0005] 上記の目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、 例えば図 1及び図 2に示すように、原料燃料 mを改質して改質ガス rを生成する改質 部 5と、原料燃料 mを燃焼して改質部 5を加熱する燃焼部 4と、改質ガス r中の一酸化 炭素を低減して一酸化炭素低減ガス gを生成する一酸化炭素低減部 6、 7と、一酸化 炭素低減ガス gを燃料ガスとする燃料電池 30とを備える燃料電池システム 100の運 転方法であって、原料燃料 mを燃焼部 4に供給して改質部 5を所定の温度に加熱す る第 1の予熱工程 (ステップ ST2)と、第 1の予熱工程 (ステップ ST2)に続いて、原料 燃料 mの燃焼部 4への供給を停止 (ステップ ST4)し、原料燃料 mを改質部 5に供給 して改質ガス rを生成し、改質ガス rを一酸ィ匕炭素低減部 6、 7に導入して一酸化炭素 低減部 6、 7を加熱する第 2の予熱工程 (ステップ ST6)と、第 2の予熱工程 (ステップ ST6)の後に、一酸化炭素低減部 6、 7で生成した一酸ィ匕炭素低減ガス gを燃料電池 30に導入して発電する発電工程 (ステップ ST10)とを備える。
[0006] このように構成すると、アシスト燃焼系を備えなくても、原料燃料を燃焼部に供給し て改質部を加熱し、加熱された改質部の蓄熱により原料燃料を改質部に供給して改 質ガスを生成し、改質ガスにより一酸ィ匕炭素低減部を加熱し、一酸化炭素低減ガス を生成して発電を開始することで、燃料電池システムを起動することができる。また、 アシスト燃焼系を有さず、原料燃料を燃焼部に供給して直接に燃焼するのが第 1の 予熱工程だけであるので、原料燃料を燃焼する時間が短ぐ原料燃料を燃焼したと きに発生する NOxや煤の発生量が少なくなり、環境性の高!ヽ燃料電池システムの運 転方法となる。 [0007] また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、例えば図 1及び図 2に示すよ うに、燃料電池システム 100の運転方法において、一酸化炭素低減部 6、 7の温度が 所定の温度以上となったとき (ステップ ST7)に、第 2の予熱工程 (ステップ ST6)から 発電工程 (ステップ ST10)へ移行してもよ 、。
[0008] このように構成すると、一酸ィヒ炭素低減部が所定の温度まで予熱され、改質ガスか らー酸ィ匕炭素を除去する状態になってカゝら生成された一酸ィ匕炭素低減ガスを燃料 電池に供給するので、一酸化炭素の存在のために燃料電池の発電効率が低下する ことがない。
[0009] 前記の目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、例 えば、図 1及び図 3に示すように、原料燃料 mを供給する原料燃料供給部 1と、原料 燃料 mを改質して改質ガス rを生成する改質部 5と、改質ガス r中の一酸化炭素を低 減して一酸化炭素低減ガス gを生成する一酸化炭素低減部 6、 7と、一酸化炭素低減 ガス gを燃料ガスとする燃料電池 30と、燃料電池 30のオフガス pを燃焼して改質部 5 を加熱する燃焼部 4とを備える燃料電池システム 100の運転方法であって、改質部 5 の温度を検知し、検知された温度 Taを所定の第 1の温度 A1及び所定の第 2の温度 A2と比較する改質部温度比較工程 (ステップ ST11、 ST12)と、改質部温度比較ェ 程 (ステップ STl 1)における検知された温度 Taが前記第 1の温度 A1以下のときに燃 料電池 30において発電電流を低減する工程 (ステップ ST22)であって、発電電流を 低減した後所定の時間 tlは発電電流を保持 (ステップ ST23)する電流低減工程と、 改質部温度比較工程 (ステップ ST12)における検知された温度 Taが第 2の温度 A2 以上のときに、燃料電池 30において発電電流を増大する工程 (ステップ ST32)であ つて、発電電流を増大した後所定の時間 t2は発電電流を保持 (ステップ ST33)する 電流増大工程とを備える。
[0010] このように構成すると、改質部の温度が所定の第 1の温度以下となった場合に、燃 料電池での発電電流を低減し、その結果燃料電池のオフガス中の水素含有量が増 加し、燃焼部の燃焼発熱量が多くなり、改質部がより加熱され温度が上昇する。また 、改質部の温度が所定の第 2の温度以上となった場合に、燃料電池での発電電流を 増大し、その結果燃料電池のオフガス中の水素含有量が減少し、燃焼部の燃焼発 熱量が少なくなり、改質部の温度が低下する。更に、発電量電流を低減しあるいは増 大した後は、所定の時間更なる発電電流の変動を行わないため、システムが不安定 になることが防止される。
[0011] また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、例えば図 3に示すように、燃 料電池システム 100の運転方法において、電流低減工程の連続実施回数 N1が所 定回数 nlに達したときに、原料燃料供給部 1からの原料燃料 mの供給量を増加する 燃料増加工程 (ステップ ST26)と、電流増大工程の連続実施回数 N2が所定回数 n 2に達したときに、原料燃料供給部 1からの原料燃料 mの供給量を減少する燃料減 少工程 (ステップ ST36)とを備えてもょ 、。
[0012] このように構成すると、燃料電池での発電電流の所定積分量（1回当りの増減量の nl、 n2倍)の低減あるいは増大だけでは改質部の温度が所定の温度とならない場 合に、発電電流の所定積分量に相当する分の原料燃料を増加しあるいは減少する ことにより、改質部の温度が所定の温度となり、システムとして一定の発電電流範囲、 すなわち一定の発電量の範囲において安定した運転がなされる。
[0013] また、前記の目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、例えば図 1に示すように、原料燃料 mを供給する原料燃料供給部 1と、原料燃料 mを改質して 改質ガス rを生成する改質部 5と、改質ガス r中の一酸ィヒ炭素を低減して一酸ィヒ炭素 低減ガス gを生成する一酸化炭素低減部 6、 7と、一酸ィヒ炭素低減ガス gを燃料ガスと する燃料電池 30と、原料燃料 m、一酸ィ匕炭素低減ガス gまたは燃料電池のオフガス Pを燃焼して改質部 5を加熱する燃焼部 4と、原料燃料 mを燃焼部 4に供給する流路 12、 14と、原料燃料 mを改質部 5に供給する流路 12、 13と、一酸化炭素低減ガス g を燃料電池 30に供給する流路 19、 20と、一酸化炭素低減ガス gを燃焼部 4に供給 する流路 21、 22と、燃料電池 30のオフガス pを燃焼部 4に供給する流路 22と、原料 燃料 mを燃焼部 4に供給する流路 14と改質部 5に供給する流路 13とを切り替える第 1の流路切替手段 3と、一酸化炭素低減ガス gを燃料電池 30に供給する流路 20と燃 焼部 4に供給する流路 21とを切り替える第 2の流路切替手段 8とを備える。
[0014] このように構成すると、原料燃料を燃焼部に供給して改質部を所定の温度に加熱し 、第 1の流路切替手段により流路を切り替えて、原料燃料を改質部に供給して改質 ガスを生成することができる。第 1の流路切替手段を切り替えた際に、一酸化炭素低 減ガスが燃焼部に供給されるまでの間燃焼部への燃料供給が途絶えるので、一旦 燃焼部が失火し改質部への熱の供給が止まるが、改質部の温度が改質反応に必要 な最低温度以下に下がらないように切替時の改質部の所定の温度を設定し、また、 燃料供給が途絶える時間が短くなるように構成されて ヽるので、改質反応は継続され る。また、改質ガスを一酸ィ匕炭素低減部に導入して一酸ィ匕炭素低減部を加熱し、一 酸ィ匕炭素低減部の温度が充分に上昇する前のガスは燃焼部に供給し、充分に上昇 した後に第 2の流路切替手段を切り替えて、一酸化炭素低減ガスを燃料電池に導入 して発電する燃料電池システムとなる。また、第 2の流路切替手段を切り替えた際に、 燃料電池のオフガスが燃焼部に供給されるまでの間燃焼部への燃料供給が途絶え るので、ー且燃焼部が失火し改質部への熱の供給が止まる力 改質部の温度が改 質反応に必要な最低温度以下に下がらないように切替時の改質部の所定の温度を 設定し、また、燃料供給が途絶える時間が短くなるように構成されているので、改質 反応は継続される。更に、アシスト燃焼系を有さず、原料燃料を燃焼部に供給して直 接に燃焼するのが第 1の予熱工程だけであるので、原料燃料を燃焼する時間が短く 、原料燃料を燃焼したときに発生する NOxや煤の発生量が少なくなり、環境性の高 Vヽ燃料電池システムとなる。
更に、本発明に係る燃料電池システムは、例えば図 1に示すように、燃料電池シス テム 100において、改質部 5の温度を検知する改質部温度検知器 9と、一酸化炭素 低減部 6、 7の温度を検知する一酸化炭素低減部温度検知器 10、 11と、改質部温 度検知器 9で検知された温度と比較される第 1、第 2及び第 3の温度並びに一酸化炭 素低減部温度検知器 10、 11で検知された温度と比較される第 4の温度を記憶する 記憶部と、起動時に、原料燃料 mを燃焼部 4に供給して改質部温度検知器 9で検知 された温度が第 3の温度以上となると、原料燃料 mの燃焼部 4への供給を停止し、原 料燃料 mを改質部 5に供給して改質ガス rを生成し、改質ガス rを一酸化炭素低減部 6、 7に導入して一酸化炭素低減部 6、 7を加熱し、また、一酸化炭素低減部温度検 知器 10、 11で検知された温度が第 4の温度以上となると、一酸化炭素低減部 6、 7で 生成される一酸化炭素低減ガス gを燃料電池 30に導入し発電を開始する制御を行 い、通常運転時に、改質部温度検知器 9で検知された温度が第 1の温度以下のとき に燃料電池 30にお 、て発電電流を低減するが、発電電流を低減した後所定の時間 は発電電流を保持し、また、改質部温度検知器 9で検知された温度が第 2の温度以 上のときに、燃料電池 30において発電電流を増大する力 発電電流を増大した後所 定の時間は発電電流を保持し、且つ、連続して発電電流を低減あるいは増大した回 数が所定の回数に達すると原料燃料部 1から供給する原料燃料 mの供給量を増加 あるいは減少する制御を行う制御部とを有する制御装置 40とを備えてもょ 、。
[0016] このように構成すると、起動時に、原料燃料を燃焼部に供給して改質部を加熱し、 改質部が所定の第 3の温度以上となると、第 1の流路切替手段を切り替えて、原料燃 料を改質部に供給し改質ガスを生成し、改質ガスを導入して一酸化炭素低減部を加 熱し、一酸ィ匕炭素低減部が所定の第 4の温度以上になると一酸ィ匕炭素低減ガスを燃 料電池に導入して発電を開始する運転が制御装置により実現される燃料電池発電 システムとなる。また、通常運転時に、改質部の温度が所定の第 1の温度以下となつ たときに、燃料電池での発電電流を低減して改質部の温度を上昇させ、改質部の温 度が所定の第 2の温度以上となったときに、燃料電池での発電電流を増大して改質 部の温度を低下させ、所定連続回数の発電電流の低減あるいは増大により改質部 の温度が所定の温度とならな 、場合には原料燃料の供給量を増加しあるいは減少 する運転が制御装置により実現される燃料電池システムとなる。
[0017] この出願は、曰本国で 2003年 12月 11曰に出願された特願 2003— 413324号に 基づいており、その内容は本出願の内容として、その一部を形成する。
本発明は以下の詳細な説明によりさらに完全に理解できるであろう。本発明のさら なる応用範囲は、以下の詳細な説明により明らかとなろう。し力しながら、詳細な説明 及び特定の実例は、本発明の望ましい実施の形態であり、説明の目的のためにのみ 記載されているものである。この詳細な説明から、種々の変更、改変が、本発明の精 神と範囲内で、当業者にとって明らかであるからである。出願人は、記載された実施 の形態のいずれをも公衆に献上する意図はなぐ改変、代替案のうち、特許請求の 範囲内に文言上含まれないかもしれないものも、均等論下での発明の一部とする。 本明細書あるいは請求の範囲の記載にぉ 、て、名詞及び同様な指示語の使用は 、特に指示されない限り、または文脈によって明瞭に否定されない限り、単数および 複数の両方を含むものと解釈すべきである。本明細書中で提供されたいずれの例示 または例示的な用語 (例えば、「等」）の使用も、単に本発明を説明し易くするという意 図であるに過ぎず、特に請求の範囲に記載しない限り、本発明の範囲に制限を加え るものではない。
発明の効果
[0018] 本発明によれば、アシスト燃焼系を備えることなぐシステムの起動を行うことができ 、また、外乱に対しても安定した運転が行われる、システム構成が簡単で、信頼性並 びに環境性の高い燃料電池発電システムの運転方法並びに燃料電池発電システム が提供される。
図面の簡単な説明
[0019] [図 1]本発明の実施の形態である燃料電池発電システムを説明するブロック図である
[図 2]本発明の実施の形態である燃料電池発電システムの起動時の制御方法を説明 するフロー図である。
[図 3]本発明の実施の形態である燃料電池発電システムの通常運転時の制御方法を 説明するフロー図である。
符号の説明
[0020] 1 原料燃料供給部
2 燃焼空気供給部
3 三方弁 (第 1の流路切替手段）
4 燃焼部
5 改質部
6 変成部 (一酸化炭素低減部）
7 選択酸化部 (一酸化炭素低減部）
8 三方弁 (第 2の流路切替手段）
9 改質部温度検知器
10 変成部温度検知器 (一酸化炭素低減部温度検知器） 11 選択酸化部温度検知器 (一酸化炭素低減部温度検知器）
12 原料燃料吐出配管
13 原料燃料供給配管
14 原料燃料燃焼配管
15 酸化剤ガス配管
16 燃焼部排気配管
17 改質ガス配管
18 変成ガス配管
19 燃料ガス吐出配管
20 燃料ガス供給配管
21 改質ガス燃焼配管
22 燃料電池オフガス配管
22 改質用水供給配管
30 燃料電池
31 電力ケーブル
40 制御装置
a 燃焼空気
A、 B、 C 起動時の改質部所定温度 (第 3の温度）、変成部所定温度 (第 4の温度）、 選択酸化部所定温度 (第 4の温度）
A1、A2 第 1の温度、第 2の温度
al、a2 発電電流値の所定低減'増大量
g、 gl 燃料ガス、変成ガス
g' 燃焼用ガス
il一 i7 制御信号
m 原料燃料
N1、N2 発電電流を低減，増大した連続回数
nl、n2 発電電流を低減，増大した連続回数の所定回数
r 改質ガス Ta 改質部温度
Tb、 Tc 変成部温度 (一酸化炭素低減部温度）、選択酸化部温度 (一酸化炭素低 減部温度）
TI 温度検知器
tl、t2 所定時間
発明を実施するための最良の形態
[0021] 以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図にお いて、互いに同一又は相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する 。なお、図 1中、破線は制御信号を表す。
[0022] 図 1は、本発明の実施の形態である燃料電池発電システム 100を説明するブロック 図である。燃料電池発電システム 100は、都市ガス、灯油などの原料燃料 mを供給 する原料燃料供給部 1と、原料燃料 mを燃焼するための燃焼空気 aを供給する燃焼 空気供給部 2と、原料燃料 mを改質して水素に富む改質ガス rを生成する改質部 5と 、改質部 5を加熱する燃焼部 4と、改質ガス rの変成反応を行う一酸化炭素低減部の 前段部としての変成部 6と、変成反応した改質ガス glの一酸ィ匕炭素選択酸ィ匕反応を 行う一酸化炭素低減部の後段部としての選択酸化部 7と、一酸ィヒ炭素低減ガスとし ての水素に富むガス gを燃料ガスとして発電を行う燃料電池 30とを備える。また、燃 料電池発電システム 100は、燃料供給部 1から供給される原料燃料 mを改質部 5〖こ 供給する流路 13と燃焼部 4に供給する流路 14との切替を行う第 1の流路切替手段と しての三方弁 3と、選択酸ィ匕部 7から導出されるガスを燃料ガス gとして燃料電池 30に 供給する流路 20と燃焼用ガス g'として燃焼部 4に供給する流路 21とを切り替える第 2の流路切替手段としての三方弁 8とを備える。また、燃料電池発電システム 100は、 改質部 5の温度を検知する改質部温度検知器 9と、変成部 6の温度を検知する変成 部温度検知器 10と、選択酸化部 7の温度を検知する選択酸化部温度検知器 11と、 これらの温度に基づいて原料燃料供給部 1からの原料燃料供給量と三方弁 3、 8の 作動とを制御する制御装置 40とを備える。
[0023] 原料燃料供給部 1から三方弁 3に配管 12が敷設され、三方弁 3で改質部 5に接続 する配管 13と燃焼部 4に接続する配管 14とに分岐する。また、燃焼空気供給部 2か ら燃焼部 4に配管 15が敷設される。燃焼部 4には、燃焼した後の排ガスを放出するた めの配管 16が接続される。改質部 5には、改質反応に用いられる水分である改質用 水 sを供給する配管 23も接続される。改質部 5と変成部 6との間には配管 17が、変成 部 6と選択酸ィ匕部 7との間には配管 18が敷設される。選択酸化部 7に接続された配 管 19は三方弁 8に接続し、三方弁 8からは燃料電池 30に至る配管 20と配管 22に至 る配管 21とが敷設される。配管 22は、燃料電池 30と燃焼部 4との間に敷設される。
[0024] 原料燃料供給部 1は、都市ガス、 LPG、消化ガス、メタノール、 GTLや灯油のような 原料燃料 mを定量的に供給する装置である。原料燃料 mを貯蔵するタンクを備えて いてもよいし、原料燃料 mを系外力も導入してもよい。都市ガスや LPGのように供給 元の気体の圧力が高く維持されている場合には、流量調節弁を備える。供給元の圧 力が高くない場合には、ブロワを備え、原料燃料を燃料電池発電システム 100内へ 供給するための圧力を確保する。また、 GTLや灯油のように原料燃料 mが液体の場 合には、定量ポンプを備えてもよいし、流量調節機能を有さないポンプと流量調節弁 とを備えてもよい。原料燃料供給部 1は、制御装置 40からの指示信号 ilにより、その 原料燃料供給量を増減させる。
[0025] 燃焼空気供給部 2は、燃焼部での燃焼で消費される酸素を供給する装置である。
ブロワにより大気を燃焼空気 aとして送り込む構成でよぐ大気中の浮遊物の混入を 防止するためのフィルターを有するのが好適である。また、燃焼空気 aの供給量を調 整するための流量調整弁を有するのが好適である。燃料電池発電システム 100では 、配管 15を介して燃焼部 4と接続されているが、燃焼部 4に直接接続されていてもよ い。
[0026] 改質部 5は、原料燃料 mと改質用水 sから改質反応により水素に富む改質ガス rを 生成する装置である。改質反応は、高温下において改質触媒 (不図示）により原料燃 料 m中の炭化水素と水分とから、水素と二酸化炭素、一酸化炭素を生成する反応で ある。改質反応は、吸熱反応であり、改質反応のために外部より熱を供給する必要が ある。改質触媒は、改質反応を促進するものであれば何でもよぐ例えばニッケル Ni 系改質触媒やルテニウム Ru系改質触媒などが用いられる。改質部 5は、改質触媒を 収容した円筒形の容器とするのが、強度的にも製造上も好適である。ただし、高温に 保っために、その内部に、後述する燃焼部 4が配置されていてもよい。
[0027] 燃焼部 4は、原料燃料 m、一酸化炭素が充分に減じられずに選択酸化部 7から送 出される燃焼用ガス g，あるいは燃料電池 30のアノード極のオフガスであるアノードォ フガス Pを、燃焼空気 aと共に燃焼させて、改質部 5を加熱する装置である。原料燃料 mが灯油などの液体であるときに備え、好適には気化器を有している。灯油、都巿ガ ス、 LPGなどの原料燃料 m、選択酸ィ匕部 7から送出される燃焼用ガス g'あるいは燃 料電池 30のアノードオフガス pと多種の燃料に対応できるバーナーノズルを有してい る。あるいはそれぞれ異なるバーナーノズルを有していてもよい。改質部 5を加熱する 装置であるので、改質部 5と一体で形成されることが好ましぐ改質部 5の中央に配置 され、燃焼部 4で燃焼することにより周囲の改質部 5を加熱する構成としてもよいし、 燃焼部 4で燃焼した高温ガスが改質部 5の周囲に流れ改質部 5を加熱する構成とし てもよく、改質部 5を加熱すればどのような構成であってもよい。
[0028] 変成部 6は、変成触媒 (不図示）の下で改質ガス r中の一酸ィヒ炭素を改質ガス r中の 水分との変成反応により二酸ィ匕炭素と水素を生成する装置である。変成反応は、発 熱反応であり、反応温度を低くすれば、変成後の一酸ィ匕炭素濃度が低くなるが、反 応速度は遅くなる。変成触媒としては、鉄 Fe -クロム Cr系高温変成触媒、プラチナ Pt 系中高温変成触媒、銅 Cu—亜鉛 Zn系低温変成触媒などが用いられる。変成部 6は 、これらの触媒を収容した容器であり、典型的には円筒形をしている。
[0029] 選択酸化部 7は、選択酸ィ匕触媒 (不図示)の下で改質ガス r中の一酸ィ匕炭素を、外 部より供給される空気 (不図示）中の酸素により選択酸化させ、燃料ガス g中の一酸ィ匕 炭素濃度を低減するための装置である。燃料電池 30として、例えば固体高分子形燃 料電池を用いると、燃料ガス g中の一酸ィ匕炭素により、アノード極 (燃料極)のプラチ ナ Pt触媒が被毒し、発電効率の低下が起こるという問題がある。そこで、一酸化炭素 に対する選択酸化性が高い選択酸化触媒を用いて、一酸化炭素を二酸化炭素に酸 化する。選択酸化触媒としては、例えば、プラチナ Pt系選択酸化触媒、ルテニウム R u系選択酸化触媒などが用いられる。燃料電池システム 100では、変成部 6と選択酸 化部 7とを備え、一酸ィ匕炭素を低減しているが、いずれか一つの装置だけを備える構 成としても、一酸化炭素濃度が低減されればよい。ただし、変成部 6と選択酸化部 7と を備えることにより、変成部 6で、一酸ィ匕炭素濃度が低減させられると共に、燃料とし ての水素濃度が高められ、更に、選択酸化部 7で一酸化炭素濃度が充分に低下さ せられるので、好適である。
[0030] 燃料電池 30は、水素に富む燃料ガス gを燃料ガスとしてアノード極 (不図示）に導 入し、空気などの酸化剤ガスを力ソード極 (不図示）に導入して発電を行う装置で、例 えば固形高分子形燃料電池が好適に用 ヽられるが、他の形の燃料電池であってもよ い。アノード極に導入された燃料ガス g中の水素は、力ソード極の酸化剤ガス中の酸 素と反応して、水蒸気となるが、水素が総て消費されることはなぐ残留水素を含むァ ノードオフガス pを排出する。アノードオフガス p中に含まれる水素量は、燃料ガス g中 に含まれる水素から、燃料電池 30で発電に消費された水素を減じたものであるから、 発電電流が低減するときには、アノードオフガス p中の水素量が増加する。燃料電池 30で発電された電力は、電力ケーブル 31を通じて、外部の電気需要 (不図示）に供 給される。燃料電池 30は、制御装置力もの制御信号 i7により、その発電電流量を増 減させる。
[0031] 改質部 5、変成部 6および選択酸化部 7には、それぞれ内部の温度を検知する改 質部温度検知器 9、変成部温度検知器 10および選択酸ィ匕部温度検知器 11が備え られている。これらの温度検知器 9、 10、 11からは、検知した温度の信号を制御装置 40に伝達する信号ケーブルが配線され、改質部温度信号 i3、変成部温度信号 i4お よび選択酸ィ匕部温度信号 i5を制御装置に伝達する。
[0032] 制御装置 40は、改質部温度信号 i3、変成部温度信号 i4および選択酸化部温度信 号 i5に基き、三方弁 3及び三方弁 8の作動、燃料電池 30での発電電流量並びに原 料燃料供給部 1からの原料燃料の供給量を制御する。制御装置 40は、上記の制御 を行うための第 3の温度としての改質部運転開始温度 A (図 2参照）、第 4の温度とし ての変成部運転開始温度 B (図 2参照）および同じく第 4の温度としての選択酸ィ匕部 運転開始温度 C (図 2参照）並びに第 1の温度としての改質部限界低温温度 A1 (図 3 参照）および第 2の温度としての改質部限界高温温度 A2 (図 3参照）を記憶する記憶 部 (不図示）と、改質部温度検知器 9、変成部温度検知器 10および選択酸ィヒ部温度 検知器 11にて検知した温度から、三方弁 3、 8、燃料電池 30での発電電流量および 原料燃料供給部 1から供給される原料燃料 mの量を制御する制御部 (不図示)とを備 える。なお、本実施の形態である燃料電池発電システム 100では、一酸化炭素低減 部として変成部 6と選択酸ィ匕部 7とを備えるので、第 4の温度が変成部運転開始温度 B (図 2参照）と選択酸ィ匕部運転開始温度 C (図 2参照）との 2つとなる。この場合には 、変成部 6の温度 Tb (図 2参照）が変成部運転開始温度 B (図 2参照）以上と、選択酸 化部 7の温度 Tc (図 2参照）が選択酸ィ匕部運転開始温度 C (図 2参照）以上となること 力 一酸化炭素低減部 (変成部 6と選択酸化部 7)の温度が所定温度 (変成部運転開 始温度 Bと選択酸ィ匕部運転開始温度 C)以上になった状態ということになる。
[0033] 三方弁 3、 8は、一つの入口部と二つの出口部を有する流路切替手段としての弁で ある。三方弁 3は、原料燃料供給部 1から供給される原料燃料 mを燃焼部 4と改質部 5とに切り替えて供給する。三方弁 8は、選択酸ィ匕部 7から送出されるガスを燃料ガス gとして燃料電池 30に供給し、あるいは、燃焼用ガス g'として燃焼部 4に供給する切 り替えを行う。これらの切替部は、三方弁ではなぐ分岐管と仕切弁との組合せで構 成してもよいが、三方弁とすると、場所をとらず燃料電池システム 100を小型化するこ とができる。三方弁 3、 8は、ソレノイドあるいはモータ駆動により作動する構成とし、制 御装置 40からの制御信号 i2、 16に従 、作動する。
[0034] なお、燃料電池発電システム 100では、原料燃料供給部 1、燃焼空気供給部 2、改 質部 5、燃焼部 4、変成部 6、選択酸化部 7および三方弁 3、 8はそれぞれ別の装置で 、その間を配管 12— 19で接続している力 これらの装置の総てあるいは一部を燃料 処理装置として一体で構成してもよい。それぞれ別の装置で構成すると、装置ごと〖こ メンテナンスを行い、あるいは取り替えることができるので、使い勝手のよいシステムと なる。また、一体の装置とすると、コンパクトなシステムとすることができる。
[0035] 続いて、図 2のフロー図を参照して、図 1の燃料電池発電システム 100の起動運転 について説明する。先ず、原料燃料供給部 1から原料燃料 mの供給を開始する。そ のときには、三方弁 3は、燃焼部 4に原料燃料 mを供給する状態となっており、原料 燃料 mは、配管 12、三方弁 3、配管 14を通って、燃焼部 4に供給される。同時に、燃 焼空気供給部 2から燃焼部 4に燃焼空気 aを供給する。そこで、燃焼部 4では、バー ナーノズル力 噴出する原料燃料 mが着火し、燃焼を開始する（ステップ ST1)。 [0036] 燃焼部 4での燃焼熱により改質部 5が加熱され、改質部 5は昇温する (ステップ ST2 )。これが第 1の予熱工程に該当する。改質部温度検知器 9で検知された温度の信 号 i3から、制御装置 40では、改質部 5の温度 Taが所定の第 3の温度 A以上に達して いる力否かを判定する (ステップ ST3)。ここで、第 3の温度 Aは、原料燃料 mが改質 反応をする温度より高く設定してある。例えば、改質反応をする温度が 650°Cのとき に、第 3の温度 Aを 700°Cに設定する。改質部 5の温度 Taが第 3の温度 A以上となる と、制御装置 40の制御部 (不図示)から、原料燃料 mを改質器 5に供給するように三 方弁 3を作動する信号 i2が三方弁 3に送信される（ステップ ST4)。
[0037] 原料燃料 mが三方弁 3により改質部 5に供給されることになると、燃焼部 4では燃焼 するための燃料が供給されなくなるので、燃焼が停止する。一方、改質部 5では、改 質反応する温度より高い第 3の温度 A以上に加熱されているので、原料燃料 mは、改 質反応により水素と一酸化炭素、二酸化炭素に改質される。燃焼部 4からの加熱は 停止するが、改質部の容器 (不図示)ゃ改質触媒 (不図示）に蓄熱されているので、 温度の低下は緩やかで、更に改質部 5が改質反応する温度より高い第 3の温度 A以 上に加熱されており、多少温度が低下しても、改質反応は継続される。改質反応によ り生成された改質ガス rは、配管 17を通って変成部 6へ供給される。この時点では、 変成部 6は温度が低く改質ガス rが供給されても変成反応は行われない。ただし、高 温の改質ガス rが供給されることにより、徐々に温度が上昇する。改質ガス rは、変成 部 6に続いて、配管 18を通って、選択酸化部 7に供給される。選択酸化部 7において も、温度が低いため、一酸化炭素選択酸化反応は行われない。選択酸化部 7も高温 の改質ガス rが供給されることにより、徐々に温度が上昇する。
[0038] 変成部 6、選択酸ィ匕部 7を昇温させた改質ガス rは、配管 19から三方弁 8に至る。こ こで、この改質ガス rは、まだ変成反応も一酸ィ匕炭素選択反応も受けていないので、 一酸化炭素を多く含有しており、燃料電池 30に供給するには適さない。そこで、三方 弁 8から、燃焼用ガス g'として、配管 21へ送られ、配管 22を経て、燃焼部 4に供給さ れる。燃焼部 4では、この燃焼用ガス g'と燃焼空気 aにより燃焼を開始する (ステップ ST5)。すなわち、燃焼部 4で燃焼が停止されるのは、三方弁 3を配管 14側から配管 13側に切り替えたときから、切り替えにより改質部 5に送られた原料燃料 mが改質さ れ、変成部 6、選択酸化部 7、三方弁 8を経て、燃焼部 4に送られるまでの間であり、 おおよそ 10秒程度である。燃焼部 4での燃焼が停止して 、る時間はこの短 、時間で あるので、改質部 5で原料燃料 mが改質反応を行い、温度が低下しても、第 3の温度 A以上の温度から改質反応が行われる最低温度以下にまで低下することがなぐ改 質反応は継続される。改質反応が継続されると共に、変成部 6および選択酸化部 7の 昇温が継続される (ステップ ST6)。これが、第 2の予熱工程に該当する。
[0039] 変成部温度検知器 10および選択酸ィ匕部温度検知器 11で昇温中の変成部 6およ び選択酸化部 7の温度を検知する。検知した変成部 6の温度 Tbと選択酸化部 7の温 度 Tcとは、信号 i4、 i5として、制御装置 40に伝達される。制御装置 40の制御部（不 図示)では、変成部温度 Tbと記憶部で記憶して 、る第 4の温度としての所定の温度 Bと比較し、選択酸ィ匕部温度 Tcと記憶部で記憶して 、る第 4の温度としての所定の 温度 Cと比較する (ステップ ST7)。ここで、温度 Bは、変成部 6で変成反応が行われ る温度であり、温度 Cは、選択酸化部 7で一酸化炭素選択酸化反応が行われる温度 であり、例えば、銅 Cu—亜鉛 Zn系変成触媒とプラチナ Pt系選択酸ィ匕触媒を用いる 場合には、変成反応に適した温度は 200— 280°C程度であり、第 4の温度 Bは 240 °C、一酸ィ匕炭素選択酸ィ匕反応に適した温度は 100— 160°Cであり、第 4の温度 ま 110°Cとする。なお、同時に、改質部温度 Taが第 3の温度 A以上であることを確認す る。これは、三方弁 8を切り替えることにより、選択酸化部 7から三方弁 8、配管 21、配 管 22を経て燃焼部 4に供給されていた燃焼用ガス g'の供給が途絶え、燃焼部 4がー 且失火するので、その間に改質部 5の温度が改質反応に必要な最低温度以下に低 下することがないよう、切替時の改質部 5の温度を高くしておくためである。燃焼部 4 が失火して、燃料電池 30からのオフガス pが供給され再度着火するまでの時間は、 三方弁 3を切り替えた場合とは異なるので、改質部温度 Taと比較すべき温度は第 3 の温度 Aと異なる温度としてもょ 、。本実施の形態である燃料電池システム 100では 、三方弁 3を切り替えたときより、三方弁 8を切り替えたときの方が、再着火するまでの 時間が短いので、改質部温度 Taと比較する温度は、第 3の温度 Aより低くてもよい。
[0040] 検知した温度 Tb、 Tcが共に所定の温度 B、 C以上になると、変成部 6において改 質ガス rが変成反応された変成ガス glとなり、選択酸化部 7において変成ガス glがー 酸化炭素選択酸化反応により一酸化炭素が充分に減少された燃料ガス gとなってい る。そこで、制御装置 40の制御部 (不図示)から、選択酸ィ匕部 7からのガスを燃料電 池 30に供給するように三方弁 8を作動する信号 i6が三方弁 8に送信される（ステップ ST8)。この場合、三方弁 8を切り替えることにより、燃焼用ガス g'の燃焼部 4への供 給が止まり、燃焼部 4での燃焼が停止する。しかし、すぐに燃料電池 30に供給された 燃料ガス gが燃料電池 30で発電に利用されることなぐアノードオフガス pとして配管 22を通って燃焼部 4に送出される。なお、燃料ガス gが燃料電池 30に供給された時 点で、燃料電池 30での発電を少ない発電電流より開始してもよい。そこで、燃焼部 4 では、燃料ガス gと同じ成分であるが配管 22から供給されるアノードオフガス pと燃焼 空気 aにより燃焼を開始する (ステップ ST9)。ここで、燃料ガス gの成分を有するァノ ードオフガス pが燃焼部 4に供給されるので、水素濃度も高ぐ着火し易い。この間の 時間は、 5秒程度と短いので、前述のように燃焼部 4の燃焼停止による改質部 5の温 度低下は小さぐ改質反応は継続される。
[0041] 燃料ガスと同じ成分であるアノードオフガス pにより燃焼部 4の燃焼が行われると、改 質部 5の温度も安定し、原料燃料 mは、改質部 5で改質され、変成部 6および選択酸 化部 7で一酸化炭素が減じられて、燃料電池 30に供給される。そこで、燃料電池 30 では、発電電流の増段過程を経て、定常的な発電が開始される (ステップ ST10)。こ れが、発電工程に該当する。燃料電池 30で発電が開始された後は、燃料電池 30で 燃料ガス gを発電に利用し、そのアノードオフガス pが配管 22を通って燃焼部 4に供 給され、燃焼部 4での燃焼は継続される。燃料電池 30に供給される燃料ガス gは、変 成反応および一酸化炭素選択酸化反応を受けているので一酸化炭素濃度が充分 に低ぐ燃料電池 30に供給しても燃料電池 30のアノード極 (燃料極)のプラチナ Pt 触媒が被毒することもなぐ好適である。
[0042] 上記の起動方法によれば、アシスト燃焼系を備えることなぐ一酸化炭素により燃料 電池 30等を損傷することなぐ燃料電池発電システム 100を起動することができる。 また、始めに原料燃料 mを燃焼部 4に供給して改質部 5を昇温するときを除いて、原 料燃料 mを燃焼せず、燃焼部 4では、改質ガス rあるいはアノードオフガス pなどを燃 焼しているので、燃焼部 4から排気されるガスも、 NOxや SOxを含まないクリーンなガ スとなり、環境保護の観点からも好適である。
[0043] 続いて、図 3を参照して、図 1の燃料電池発電システム 100の外乱要因に対する制 御方法について説明する。例えば、原料燃料流量計の指示誤差、原料燃料 mの品 質のばらつきなどにより、改質部 5の温度が変化することがある。改質部 5の温度の変 化が大きいと、改質反応が適切に行われなくなる恐れがある。そこで、改質部 5の温 度を所定の範囲内に保持するための調整を行わなければならない。
[0044] 改質部 5の温度が低下した場合、温度を上昇するには、燃焼部 4での燃焼量を増 大することが考えられる。そのために原料燃料 mの供給量を増加すると、改質部 5で の改質反応が盛んになるために吸熱が進み更に改質部 5の温度が低下する。更に、 改質反応には改質用水 sの供給が必要であり、原料燃料 mの供給量の増大と共に、 改質用水 sの供給量も増大しなければならず、システムとしての変動が大きくなり運転 が不安定になる恐れもある。
[0045] そこで、改質部 5の温度が低下した場合には、燃料電池 30における発電電流を低 減する。発電電流の低減は、燃料電池 30で消費される水素量の減少を招来するの で、その結果アノードオフガス pに含有される残留水素量が増加する。アノードオフガ ス P中の水素量が増加すると、燃焼部 4での燃焼量が増え、改質部 5の温度が上昇 する。逆に改質部 5の温度が上昇したときには、発電電流を増やせば、アノードオフ ガス p中の水素量が減少し、燃焼部 4での燃焼量が減少して、改質部 5の温度が低 下する。この改質部 5の温度変化は、燃焼部 4での燃焼量の変化が発電電流の増減 力 すぐに発生するので、応答が速ぐ燃料電池システム 100の運転制御方法として 好適である。
[0046] 具体的な制御を図 3に従って説明する。改質部温度検知器 9で検知した温度は、 信号 i3として、制御装置 40の制御部に伝達される。制御部では、先ず、記憶部に記 憶された所定の第 1の温度 A1と検知された改質部温度 Taとを比較する (ステップ ST 11)。改質部温度 Taが第 1の温度 A1以下のときには、燃料電池 30での発電電流を 低減する工程を実施し、第 1の温度 A 1を超えて 、るときには所定の第 2の温度 A2と の比較を行う。
[0047] 燃料電池 30での発電電流を低減する工程では、制御装置 40の制御部において、 発電電流を増大した連続回数 N2を 0にリセットする (ステップ ST21)。発電電流を低 減した後、発電電流を増大する工程を実施することになつた場合に連続して発電電 流を増大した回数 N2のカウントを誤らないためである。なお、図 3では、上記のステツ プ ST21を発電電流の低減工程の最初に行つているが、発電電流の低減工程中に 行えば、どの段階で行ってもよい。
[0048] 次に制御装置 40の制御部より発電電流値を所定量 alだけ低減するための指示信 号 i7が燃料電池 30に伝達される。燃料電池 30では、制御信号 i7を受け、発電電流 を低減する (ステップ ST22)。低減する所定量 alは、例えば起動時に設定された発 電電流値の 2%という小さな値に設定する。発電電流値を大きく変化させると急激な 変化のためにシステムの運転が不安定になる恐れがあり、徐々に調整するために小 さな値に設定する。
[0049] 次に、制御装置 40の制御部において、発電電流を低減した連続回数 N1に 1を加 算する (ステップ ST24)。後述のように、発電電流を低減しても改質部 5の温度 Taが 所定の第 1の温度 A1より高温とならない場合に、原料燃料 mの供給量を増加すると きの判定に用いるためである。連続回数 N1が所定の回数 nlに達して 、なければ、 改質部温度 Taと第 1の温度 A1との比較 (ステップ 11)に戻る。
[0050] ただし、次の改質部温度 Taと第 1の温度 A1との比較 (ステップ 11)を行う前に、発 電電流を低減した状態を所定時間 tl保持する。そのため、制御装置 40の制御部に おいて、タイマーで所定時間 tlをカウントする (ステップ ST23)。発電電流値を所定 量 alだけ低減した状態を安定させるためである。すなわち、発電電流を低減した直 後に生じる過渡的な変化に基いて更なる制御を行うと、システムの運転が不安定に なる恐れがあるからである。特に燃焼量の低減量に対して改質部 5の熱容量が大き い場合、 PID制御方式のように絶えずフィードバックを行うと、改質部 5の温度のハン チングが起きる恐れがある。ここで、所定時間 tlは、 1一 5kWの発電能力を有する小 型の燃料電池発電システム 100においては、 30秒程度でよぐ所定時間 tlの間にシ ステムの運転に支障が生じるような大きな変化が起きることは考えにく 、。ここまでが、 発電電流低減工程に該当する。
[0051] 次に、改質部温度 Taが第 1の温度 A1を超えている場合について説明する。先ず、 制御装置 40の制御部にぉ 、て、改質部温度 Taと所定の第 2の温度 A2との比較を 行う（ステップ ST12)。改質部温度 Taが第 2の温度 A2以上でなければ、改質部 5の 温度が適正範囲内であるということで、そのまま運転を続けるが、改質部温度 Taが第 2の温度 A2以上であれば、発電電流増大工程を実施する。発電電流低減工程とは 反対に、燃料電池 30での水素消費量を増やし、アノードオフガス p中の水素量を減 少し、燃焼部 4での燃焼を抑えるためである。
[0052] 発電電流増大工程では、発電電流を低減した連続回数 N1を 0にリセットし (ステツ プ ST31)、発電電流値を所定量 a2だけ増大し (ステップ ST32)、発電電流を増大し た連続回数 N2に 1を加算する (ステップ ST34)。そして、次の改質部温度 Taと第 1 の温度 A1との比較 (ステップ 21)を行う前に、発電電流を増大した状態を所定時間 t 2保持する (ステップ ST33)。これらの工程の詳細は、発電電流低減工程と同様であ るので、詳細な説明は省略する。なお、発電電流値を低減する所定量 a 1と増大する 所定量 a2とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、発電電流を低減し た状態を保持する所定時間 tlと増大した状態を保持する所定時間 t2とは、同じであ つてもよいし、異なっていてもよい。
[0053] 続いて、発電電流を低減した連続回数 N1が所定の回数 nlに達し、あるいは、発電 電流を増大した連続回数 N2が所定の回数 n2に達した場合の運転について説明す る。発電電流を低減した連続回数 N1とは、発電電流を低減し、その後に改質部温度 Taが第 2の温度 A2を超えることなぐ再度第 1の温度 A1以下となった回数のことで ある。すなわち、発電電流を低減し、アノードオフガス p中の水素量を増やしたものの 、未だ燃焼部 4での燃焼が充分でなく改質部 5の温度が低下してしまう状態が生じた 回数である。発電電流を低減する回数が重なると燃料電池 30での発電量の減少が 大きくなり、外部の電気需要における需要量を満足できなくなる恐れがある。
[0054] そこで、発電電流を低減した回数 N1が、所定の連続回数 nlに達した場合には、原 料燃料供給部 1からの原料燃料 mの供給量を増カロして、アノードオフガス pの量を増 加し、燃焼部 4での燃焼を増やし、改質部 5の温度を上昇させることにする。原料燃 料 mの供給量を増やすと、改質部 5への改質用水 sの供給量も増やさなければなら ず、改質部 5の温度が一時的に低下するが、燃焼部 4での燃焼量が増えるので、次 第に温度は上昇する。このように、発電電流の調整で対処できないときには、原料燃 料 m供給量を調整する機能を有することで、システムの安定運転への信頼性が向上 する。例えば、発電電流の所定低減量を起動時発電電流の 2%とし、所定の連続回 数 nlを 5回とすると、発電電流が 10%低下すると、原料燃料 mの供給量が増加され 、発電電流の変動は 10%以内に抑えられることになる。また、このときには、増加する 原料燃料 mの供給量を、起動時燃料の 10%とすれば、原料燃料 mの供給量が適切 な範囲に保たれる。
[0055] 図 3のフロー図を参照して、具体的な運転の制御について説明する。制御装置 40 の制御部で、発電電流を低減した回数 N1が、所定の連続回数 nlと等しくなつたか 否かを判定する (ステップ ST25)。発電電流を低減した回数 Nlが、所定の連続回数 nlと等しくなつた場合には、制御装置 40の制御部から原料燃料流量値を所定量 fl だけ増加するための制御信号 ilが原料燃料供給部 1に伝達される。そこで、原料燃 料供給部 1では、指示信号 ilを受け、定量流量ポンプの流量を増加しあるいは流量 調節弁で流量を調節して、原料燃料流量値を増加する (ステップ 26)。原料燃料流 量値を増加すると共に、制御装置 40の制御部では、発電電流を低減した回数 N1を 0に戻す (ステップ ST27)。そして、再度改質部温度 Taと第 1の温度 A1との比較 (ス テツプ ST11)に戻る。ただし、その前に発電電流を低減し、原料燃料 mを増加した状 態を所定時間 tl保持する。そのため、制御装置 40の制御部において、タイマーで所 定時間 tlをカウントする (ステップ ST23)。発電電流を低減し、原料燃料 mを増加し た状態での運転が安定する時間を確保するためである。
[0056] 発電電流を増大した連続回数 N2が所定の回数 n2に達した場合は、上記の発電 電流を低減した連続回数 N1が所定の回数 nlに達した場合と反対に原料燃料供給 部 1からの原料燃料 mの供給量を減少し (ステップ ST36)、発電電流を増加した回 数 N2を 0に戻す (ステップ ST37)。原料燃料 mの供給量と共に、供給する改質用水 量も減少する。その結果、燃焼部 4での燃焼量が減少して、改質部 5の温度は低下 することになる。詳細な説明は、上記の原料燃料 m供給量を増加する場合と同様で あるので、省略する。
[0057] 以上のように、発電電流を低減した連続回数 N1あるいは発電電流を増大した連続 回数 N2が所定回数 nl、 n2に達したら、原料燃料 mの供給量を調整することで、燃 料電池 30の発電電流を一定の範囲内に保持することができ、外部の電力需要の要 求を満たす燃料電池発電システム 100となる。

Claims

請求の範囲
[1] 原料燃料を改質して改質ガスを生成する改質部と、前記原料燃料を燃焼して前記 改質部を加熱する燃焼部と、前記改質ガス中の一酸ィ匕炭素を低減して一酸ィ匕炭素 低減ガスを生成する一酸化炭素低減部と、前記一酸化炭素低減ガスを燃料ガスとす る燃料電池とを備える燃料電池システムの運転方法であって；
前記原料燃料を前記燃焼部に供給して前記改質部を所定の温度に加熱する第 1 の予熱工程と；
前記第 1の予熱工程に続いて、前記原料燃料の燃焼部への供給を停止し、前記原 料燃料を前記改質部に供給して改質ガスを生成し、前記改質ガスを前記一酸化炭 素低減部に導入して前記一酸ィヒ炭素低減部を加熱する第 2の予熱工程と； 前記第 2の予熱工程の後に、前記一酸化炭素低減部で生成した一酸化炭素低減 ガスを前記燃料電池に導入して発電する発電工程とを備える；
燃料電池システムの運転方法。
[2] 前記一酸ィ匕炭素低減部の温度が所定の温度以上となったときに、前記第 2の予熱 工程から前記発電工程へ移行する；
請求項 1に記載の燃料電池システムの運転方法。
[3] 原料燃料を供給する原料燃料供給部と、前記原料燃料を改質して改質ガスを生成 する改質部と、前記改質ガス中の一酸ィヒ炭素を低減して一酸ィヒ炭素低減ガスを生 成する一酸化炭素低減部と、前記一酸化炭素低減ガスを燃料ガスとする燃料電池と 、前記燃料電池のオフガスを燃焼して前記改質部を加熱する燃焼部とを備える燃料 電池システムの運転方法であって；
前記改質部の温度を検知し、検知された温度を所定の第 1の温度及び所定の第 2 の温度と比較する改質部温度比較工程と；
前記改質部温度比較工程における前記検知された温度が前記第 1の温度以下の ときに前記燃料電池にぉ 、て発電電流を低減する工程であって、前記発電電流を 低減した後所定の時間は発電電流を保持する電流低減工程と；
前記改質部温度比較工程における前記検知された温度が前記第 2の温度以上の ときに、前記燃料電池において発電電流を増大する工程であって、前記発電電流を 増大した後所定の時間は発電電流を保持する電流増大工程とを備える； 燃料電池システムの運転方法。
[4] 前記電流低減工程の連続実施回数が所定回数に達したときに、前記原料燃料供 給部からの原料燃料の供給量を増加する燃料増加工程と；
前記電流増大工程の連続実施回数が所定回数に達したときに、前記原料燃料供 給部からの原料燃料の供給量を減少する燃料減少工程とを備える；
請求項 3に記載の燃料電池システムの運転方法。
[5] 原料燃料を供給する原料燃料供給部と；
前記原料燃料を改質して改質ガスを生成する改質部と；
前記改質ガス中の一酸ィ匕炭素を低減して一酸ィ匕炭素低減ガスを生成する一酸ィ匕 炭素低減部と；
前記一酸化炭素低減ガスを燃料ガスとする燃料電池と；
前記原料燃料、前記一酸ィ匕炭素低減ガスまたは前記燃料電池のオフガスを燃焼し て前記改質部を加熱する燃焼部と；
前記原料燃料を前記燃焼部に供給する流路と；
前記原料燃料を前記改質部に供給する流路と；
前記一酸化炭素低減ガスを前記燃料電池に供給する流路と；
前記一酸化炭素低減ガスを前記燃焼部に供給する流路と；
前記燃料電池のオフガスを前記燃焼部に供給する流路と；
前記原料燃料を前記燃焼部に供給する流路と前記改質部に供給する流路とを切り 替える第 1の流路切替手段と；
前記一酸化炭素低減ガスを前記燃料電池に供給する流路と前記燃焼部に供給す る流路とを切り替える第 2の流路切替手段とを備える；
燃料電池システム。
[6] 前記改質部の温度を検知する改質部温度検知器と；
前記一酸化炭素低減部の温度を検知する一酸化炭素低減部温度検知器と； 前記改質部温度検知器で検知された温度と比較される第 1、第 2及び第 3の温度並 びに前記一酸化炭素低減部温度検知器で検知された温度と比較される第 4の温度 を記憶する記憶部と、
起動時に、前記原料燃料を前記燃焼部に供給して前記改質部温度検知器で検知 された温度が第 3の温度以上となると、前記原料燃料の燃焼部への供給を停止し、 前記原料燃料を前記改質部に供給して改質ガスを生成し、前記改質ガスを前記一 酸化炭素低減部に導入して前記一酸化炭素低減部を加熱し、また、前記一酸化炭 素低減部温度検知器で検知された温度が第 4の温度以上となると、前記一酸化炭素 低減部で生成される一酸化炭素低減ガスを前記燃料電池に導入し発電を開始する 制御を行い、
通常運転時に、前記改質部温度検知器で検知された温度が前記第 1の温度以下 のときに前記燃料電池にぉ ヽて発電電流を低減するが、前記発電電流を低減した 後所定の時間は発電電流を保持し、また、前記改質部温度検知器で検知された温 度が前記第 2の温度以上のときに、前記燃料電池において発電電流を増大するが、 前記発電電流を増大した後所定の時間は発電電流を保持し、且つ、連続して発電 電流を低減あるいは増大した回数が所定の回数に達すると前記原料燃料供給部か ら供給する原料燃料の供給量を増加あるいは減少する制御を行う制御部とを有する 制御装置とを備える；
請求項 5に記載の燃料電池システム。
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