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JP5281998B2 - Load following operation method of fuel cell system - Google Patents
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high electric power generation efficiency by carrying out sure reforming at the time of an FC system load following operation. <P>SOLUTION: Two or more (i) reforming methods are determined, and Gi<SB>k</SB>corresponding to the maximum Ti<SB>k</SB>is adopted as Fi<SP>R</SP>. Pi<SP>*</SP>=P<SB>D</SB>and Fi<SP>*</SP>=Fi<SB>DS</SB>are settled at the time of Fi<SB>DS</SB>&le;Fi<SP>R</SP>, when P<SB>D</SB>&le;Pi<SB>Mi</SB>, in the case where the "i" bringing Fi<SP>R</SP>&ge;Fi<SB>min</SB>exists, Pi<SP>*</SP>=(maximum value of Pi<SB>j</SB>) and Fi<SP>*</SP>=(Fi<SB>j</SB>corresponding to Pi<SP>*</SP>) are settled at the time of Fi<SB>DS</SB>&gt;Fi<SP>R</SP>, when Pi<SB>j</SB>less than P<SB>D</SB>and corresponding to Fi<SB>j</SB>less than Fi<SP>R</SP>or less exists, and Pi<SP>*</SP>=0 and Fi<SP>*</SP>=Fi<SP>R</SP>are settled when not existing; Pi<SB>Mi</SB>=Pi<SB>Mi</SB>and Fi<SP>*</SP>=Fi<SB>Mi</SB>are settled at the time of Fi<SB>Mi</SB>&le;Fi<SP>R</SP>, when P<SB>D</SB>&gt;Pi<SB>Mi</SB>, and Pi<SP>*</SP>=(maximum value of Pi<SB>j</SB>corresponding to Fi<SB>j</SB>of Fi<SP>R</SP>or less), and Fi<SP>*</SP>=(Fi<SB>j</SB>corresponding to Pi<SP>*</SP>), are settled at the time of Fi<SB>Mi</SB>&gt;Fi<SP>R</SP>. Pi<SP>*</SP>, the reforming method and Fi<SP>*</SP>as to the "i" bringing &eta;i corresponding to Pi<SP>*</SP>into the maximum are adopted when the plurality of "i"s bringing Fi<SP>R</SP>&ge;Fi<SB>min</SB>exist. Fi<SP>R</SP>or the like is defined separately. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、灯油等の炭化水素系燃料を改質して得た改質ガスを用いて発電を行う燃料電池システムの負荷追従運転方法に関する。   The present invention relates to a load following operation method for a fuel cell system that generates power using a reformed gas obtained by reforming a hydrocarbon fuel such as kerosene.

固体酸化物電解質形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell。以下場合によりSOFCという。)システムには、通常、灯油や都市ガスなどの炭化水素系燃料を改質して水素含有ガス(改質ガス)を発生させるための改質器と、改質ガスと空気を電気化学的に発電反応させるためのSOFCが含まれる。   Solid oxide electrolyte fuel cell (Solid Oxide Fuel Cell, hereinafter referred to as SOFC in some cases) systems typically reform hydrocarbon-based fuels such as kerosene and city gas to produce hydrogen-containing gas (reformed gas). A reformer for generating and SOFC for electrochemically generating and reacting reformed gas and air are included.

SOFCは通常、550〜1000℃の高温で作動させる。   The SOFC is usually operated at a high temperature of 550 to 1000 ° C.

改質には水蒸気改質(SR)、部分酸化改質(POX)、自己熱改質(ATR)など種々の反応が利用されるが、改質触媒を用いるためには、触媒活性が発現する温度に加熱する必要がある。   Various reactions such as steam reforming (SR), partial oxidation reforming (POX), and autothermal reforming (ATR) are used for reforming, but in order to use a reforming catalyst, catalytic activity is manifested. Need to be heated to temperature.

水蒸気改質は非常に大きな吸熱反応であり、また、反応温度が550〜750℃と比較的高く、高温の熱源を必要とする。そのため、SOFCの近傍に改質器(内部改質器)を設置し、主にSOFCからの輻射熱を熱源として改質器を加熱する内部改質型SOFCが知られている(特許文献1)。   Steam reforming is a very large endothermic reaction, and the reaction temperature is relatively high at 550 to 750 ° C., which requires a high-temperature heat source. Therefore, an internal reforming SOFC is known in which a reformer (internal reformer) is installed in the vicinity of the SOFC, and the reformer is heated mainly using radiant heat from the SOFC as a heat source (Patent Document 1).

また特許文献2および3に、燃料電池システムの負荷追従運転に関する提案がなされている。   Further, Patent Documents 2 and 3 make proposals regarding the load following operation of the fuel cell system.

特開2004−319420号公報JP 2004-319420 A 特開2001−185196号公報JP 2001-185196 A 特開2006−32262号公報JP 2006-32262 A

炭化水素系燃料が所定の組成まで改質されず、未改質分がSOFCに供給されてしまうと、特に炭化水素系燃料として灯油などの高次炭化水素を用いた場合には、炭素析出による流路閉塞やアノード劣化を引き起こすこともある。   If the hydrocarbon-based fuel is not reformed to a predetermined composition and the unreformed component is supplied to the SOFC, particularly when higher hydrocarbons such as kerosene are used as the hydrocarbon-based fuel, carbon deposition may occur. It may cause flow path blockage and anode deterioration.

SOFCシステムは、負荷追従運転を行なうことがある。すなわち、電力需要の変動に合わせてSOFCシステムによる発電量を変化させる運転を行なうことがある。例えば、発電量を増加させる場合に、SOFCシステムへの炭化水素系燃料の供給量を増加させることがある。このような場合においても、炭素が析出する可能性がある。したがって、負荷追従運転に際しても炭化水素系燃料を確実に改質することが望まれる。特許文献2および3に開示される技術においても、確実な改質を行なうという点で、未だ改善が望まれる。   The SOFC system may perform load following operation. That is, there is a case where operation is performed in which the amount of power generated by the SOFC system is changed in accordance with fluctuations in power demand. For example, when the power generation amount is increased, the supply amount of hydrocarbon fuel to the SOFC system may be increased. Even in such a case, carbon may be deposited. Therefore, it is desirable to reliably reform the hydrocarbon fuel even during load following operation. In the techniques disclosed in Patent Documents 2 and 3, improvement is still desired in that reliable reform is performed.

また、負荷追従運転の間も、より高い発電効率が求められる。   Also, higher power generation efficiency is required during load following operation.

これはSOFCに限らず溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)等の高温型燃料電池を有する燃料電池システムについても言えることである。   This is true not only for SOFC but also for fuel cell systems having high-temperature fuel cells such as molten carbonate fuel cells (MCFC).

本発明の目的は、改質触媒層を有する改質器と高温型燃料電池とを有する燃料電池システムを負荷追従運転する際に、より確実に改質を行い、流路閉塞やアノード劣化をより確実に防止することができ、かつ、より高い発電効率を得ることができる方法を提供することである。   It is an object of the present invention to perform reforming more reliably when a fuel cell system having a reformer having a reforming catalyst layer and a high-temperature fuel cell is subjected to load following operation, and to prevent channel blockage and anode deterioration. It is an object to provide a method that can be surely prevented and that can achieve higher power generation efficiency.

本発明により、
炭化水素系燃料を改質して水素を含有する改質ガスを製造する、改質触媒層を有する改質器と、該改質ガスを用いて発電を行う高温型燃料電池とを有する燃料電池システムの負荷追従運転方法であって、
水蒸気改質法、部分酸化改質法および自己熱改質法からなる群から選ばれる少なくとも二種の改質法を第iの改質法として定め、ただしiは1以上L以下の整数であってLは2または3であり、
全てのiについて、予め、第iの改質法で製造した改質ガスを該燃料電池に供給して発電した場合における、相異なるMi個の燃料電池電気出力Pijと各Pijに対応する炭化水素系燃料の流量Fijとを設定しておき、かつ、各Pijにおける発電効率ηijを求めておき、
ただし、jは1以上Mi以下の整数であって、Miは2以上の整数であり、
各Fijは対応する電気出力Pijを燃料電池で出力するために第iの改質法を行う改質触媒層に供給することが必要な炭化水素系燃料の流量であり、
各Pijは0以上であってjの増加に伴ってPijが増加し、各Fijは0より大きく、
全てのiについて、jが1である場合のPijであるPi1は0であり、jがMiである場合のPijであるPiMiは第iの改質法を行う場合の燃料電池の最大電気出力であり、
各iにおいて、全てのjについてのFijのうちの最小値をFiminと表し、
かつ、全てのiについて、予め、相異なるNi個の改質触媒層温度Tikと、各Tikに対応する炭化水素系燃料の流量Gikと、を設定しておき、
ただし、kは1以上Ni以下の整数であって、Niは2以上の整数であり、
各Gikは対応する改質触媒層温度Tikにおいて改質触媒層において第iの改質法によって改質可能な炭化水素系燃料の流量であり、各Gikは0より大きく、kの増加に伴ってGikは同じ値であるか増加し、
A)改質触媒層の温度Tを測定する工程、
B)全てのiについて、該温度Tの改質触媒層において第iの改質法によって改質可能な炭化水素系燃料の流量である改質可能流量FiRとして、前記温度T以下で最も大きいTikに対応するGikを採用する工程、
C)全てのiについて前記改質可能流量FiRが前記最小値Fiminより小さい場合、燃料電池における発電を停止する工程、
D)少なくとも一つのiについて前記改質可能流量FiRが前記最小値Fimin以上である場合に、この少なくとも一つのiのそれぞれについて、燃料電池出力要求値PDが前記最大電気出力PiMi以下であれば工程d1を行ない、燃料電池出力要求値PDが前記最大電気出力PiMiを超えていれば工程d2を行なう工程、
d1)全てのjについてのPijのうちに、燃料電池出力要求値PDに等しいPijがあれば、FiDS=(PDに等しいPijに対応するFij)とし、
全てのjについてのPijのうちに、燃料電池出力要求値PDに等しいPijがなければ、FiDS=(PDを超える最も小さいPijに対応するFijと、PD未満で最も大きいPijに対応するFijとのうちの小さくない方)とし、
FiDSが前記改質可能流量FiR以下である場合、Pi*=PD、かつ、Fi*=FiDSとし、
FiDSが前記改質可能流量FiRを超えている場合、
燃料電池出力要求値PD未満の範囲に、FiR以下のFijに対応するPijがあれば、Pi*=(PD未満の範囲にあるFiR以下のFijに対応するPijのうちの最大値)、かつ、Fi*=(PD未満の範囲にあるFiR以下のFijに対応するPijのうちの最大値に対応するFij)とし、
燃料電池出力要求値PD未満の範囲に、FiR以下のFijに対応するPijが無ければ、Pi*=0、かつ、Fi*=FiRとする工程、
d2)最大電気出力PiMiに対応するFijであるFiMiが、前記改質可能流量FiR以下である場合、Pi*=PiMi、かつ、Fi*=FiMiとし、
最大電気出力PiMiに対応するFijであるFiMiが、前記改質可能流量FiRを超えている場合、Pi*=(FiR以下のFijに対応するPijのうちの最大値)、かつ、Fi*=(FiR以下のFijに対応するPijのうちの最大値に対応するFij)とする工程、
E)改質可能流量FiRが最小値Fimin以上となるiが二つ以上ある場合に、この二つ以上のiのそれぞれについてPi*に対応するηiを求め、求めたηiのうちの最も大きいηiを与えるiをIと表し、
PI*がゼロの場合、燃料電池における発電を停止し、
PI*がゼロを超える場合、燃料電池の電気出力をPI*とし、改質器で行う改質法を第Iの改質法とし、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量をFI*とする工程、
F)改質可能流量FiRが最小値Fimin以上となるiがただ一つである場合、このただ一つiをIと表し、
PI*がゼロの場合、燃料電池における発電を停止し、
PI*がゼロを超える場合、燃料電池の電気出力をPI*とし、改質器で行う改質法を第Iの改質法とし、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量をFI*とする工程、
を有する燃料電池システムの負荷追従運転方法が提供される。
According to the present invention,
A fuel cell comprising a reformer having a reforming catalyst layer for producing a reformed gas containing hydrogen by reforming a hydrocarbon fuel, and a high-temperature fuel cell for generating electric power using the reformed gas A load following operation method of the system,
At least two reforming methods selected from the group consisting of steam reforming method, partial oxidation reforming method and autothermal reforming method are defined as i-th reforming method, where i is an integer of 1 or more and L or less. L is 2 or 3,
For all i, when the reformed gas produced by the i-th reforming method is supplied to the fuel cell in advance to generate electric power, it corresponds to different Mi fuel cell electrical outputs Pi j and each Pi j . have set up a flow rate Fi j of the hydrocarbon-based fuel, and, to previously obtain a power generation efficiency .eta.i j in each Pi j,
However, j is an integer of 1 or more and Mi or less, Mi is an integer of 2 or more,
Each Fi j is the flow rate of the corresponding electrical output Pi j need to be supplied to the reforming catalyst layer to perform reforming method of the i to output the fuel cell of the hydrocarbon-based fuel,
Each Pi j is greater than or equal to 0, and Pi j increases as j increases, and each Fi j is greater than 0,
Pi i which is Pi j when j is 1 is 0 for all i, and Pi Mi which is Pi j when j is Mi is the value of the fuel cell in the case of performing the i-th reforming method. Maximum electrical output,
In each i, it represents the minimum value of the Fi j for all j and Fi min,
In addition, for all i, different Ni reforming catalyst layer temperatures Ti k and hydrocarbon-based fuel flow rates Gi k corresponding to the respective Ti k are set in advance.
However, k is an integer of 1 or more and Ni or less, Ni is an integer of 2 or more,
Each Gi k is a flow rate of the hydrocarbon-based fuel that can be reformed by the i-th reforming method in the reforming catalyst layer at the corresponding reforming catalyst layer temperature Ti k , and each Gi k is greater than 0 and increases by k Gi k is increased or the same value with the,
A) a step of measuring the temperature T of the reforming catalyst layer,
B) For all i, the reformable flow rate Fi R that is the flow rate of the hydrocarbon-based fuel that can be reformed by the i-th reforming method in the reforming catalyst layer at the temperature T is the largest below the temperature T Adopting Gi k corresponding to Ti k ,
C) a step of stopping power generation in the fuel cell when the reformable flow rate Fi R is smaller than the minimum value Fi min for all i;
If D) at least one of i the reformable flow rate Fi R about is the minimum value Fi min or more, for each of the at least one i, the fuel cell output demand value P D is equal to or less than the maximum electrical output Pi Mi process performs step d1, the fuel cell output demand value P D is a step d2 if exceeds the maximum electrical output Pi Mi long,
d1) within the Pi j for all j, if there is equal Pi j to the fuel cell output demand value P D, and Fi j) corresponding to Fi DS = (P D equal Pi j,
Among the Pi j for all j, if there is equal Pi j to the fuel cell output demand value P D, and Fi j corresponding to Fi DS = (smallest Pi j exceeding P D, most in less than P D The smaller one of Fi j corresponding to large Pi j ),
When Fi DS is equal to or less than the reformable flow rate Fi R , Pi * = P D and Fi * = Fi DS ,
When Fi DS exceeds the reformable flow rate Fi R ,
If there is Pi j corresponding to Fi j below Fi R in the range below the fuel cell output requirement value P D , Pi * = (P i of Pi j corresponding to Fi j below Fi R in the range below P D the maximum value of the out), and, Fi * = a (Fi j corresponding to the maximum value of the Pi j corresponding to Fi R following Fi j in the range of less than P D),
If there is no Pi j corresponding to Fi j below Fi R in the range less than the fuel cell output required value P D , Pi * = 0 and Fi * = Fi R ,
d2) When Fi Mi which is Fi j corresponding to the maximum electrical output Pi Mi is equal to or less than the reformable flow rate Fi R , Pi * = Pi Mi and Fi * = Fi Mi ,
When Fi Mi that is Fi j corresponding to the maximum electrical output Pi Mi exceeds the reformable flow rate Fi R , Pi * = (maximum value among Pi j corresponding to Fi j less than or equal to Fi R ) and, Fi * = step to (Fi j corresponding to the maximum value of the Pi j corresponding to Fi R following Fi j),
E) When there are two or more i at which the reformable flow rate Fi R becomes the minimum value Fi min or more, ηi corresponding to Pi * is obtained for each of the two or more i, and the most of the obtained ηi I that gives a large ηi is represented as I,
If PI * is zero, stop power generation in the fuel cell,
When PI * exceeds zero, the electric output of the fuel cell is PI * , the reforming method performed by the reformer is the first reforming method, and the flow rate of the hydrocarbon-based fuel supplied to the reforming catalyst layer is FI. The process *
F) When there is only one i at which the reformable flow rate Fi R is not less than the minimum value Fi min , this only i is represented as I
If PI * is zero, stop power generation in the fuel cell,
When PI * exceeds zero, the electric output of the fuel cell is PI * , the reforming method performed by the reformer is the first reforming method, and the flow rate of the hydrocarbon-based fuel supplied to the reforming catalyst layer is FI. The process *
A load following operation method for a fuel cell system is provided.

負荷追従運転の間、前記工程A〜Fを繰り返して行なうことができる。   The steps A to F can be repeated during the load following operation.

前記炭化水素系燃料が、炭素数が2以上の炭化水素系燃料を含むことができる。   The hydrocarbon fuel may include a hydrocarbon fuel having 2 or more carbon atoms.

この場合、前記改質ガス中の、炭素数2以上の化合物の濃度が、質量基準で50ppb以下であることが好ましい。   In this case, the concentration of the compound having 2 or more carbon atoms in the reformed gas is preferably 50 ppb or less on a mass basis.

本発明により、改質触媒層を有する改質器と高温型燃料電池とを有する燃料電池システムを負荷追従運転する際に、より確実に改質を行い、流路閉塞やアノード劣化をより確実に防止することができ、かつ、より高い発電効率を得ることができる方法が提供される。   According to the present invention, when a fuel cell system having a reformer having a reforming catalyst layer and a high-temperature fuel cell is subjected to load following operation, reforming is performed more reliably, and channel blockage and anode deterioration are more reliably performed. There is provided a method that can be prevented and that can achieve higher power generation efficiency.

本発明を実施することのできる間接内部改質型SOFCシステムの例について概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an outline | summary about the example of the indirect internal reforming type | mold SOFC system which can implement this invention. 本発明の方法を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the method of this invention.

本発明において用いる燃料電池システムは、炭化水素系燃料を改質して水素含有ガスを製造する改質器と、高温型燃料電池とを有する。改質器は、改質触媒層を有する。改質器から得られる水素含有ガスは改質ガスと呼ばれる。改質触媒層は改質反応を促進可能な改質触媒によって構成される。高温型燃料電池は、改質器から得られる水素含有ガス(改質ガス)を用いて発電を行う。   The fuel cell system used in the present invention includes a reformer that reforms a hydrocarbon-based fuel to produce a hydrogen-containing gas, and a high-temperature fuel cell. The reformer has a reforming catalyst layer. The hydrogen-containing gas obtained from the reformer is called reformed gas. The reforming catalyst layer is composed of a reforming catalyst that can promote the reforming reaction. A high-temperature fuel cell generates power using a hydrogen-containing gas (reformed gas) obtained from a reformer.

以下、図面を用いて本発明の形態について説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.

〔間接内部改質型SOFC〕
図1に、本発明を実施することのできる間接内部改質型SOFCの一形態を模式的に示す。ここでは、間接内部改質型SOFCシステムについて説明するが、本発明は外部改質型SOFCシステムあるいはMCFCシステムについても適用可能である。
[Indirect internal reforming SOFC]
FIG. 1 schematically shows an embodiment of an indirect internal reforming SOFC that can implement the present invention. Here, an indirect internal reforming SOFC system will be described, but the present invention can also be applied to an external reforming SOFC system or MCFC system.

間接内部改質型SOFCは、炭化水素系燃料を改質して改質ガス(水素含有ガス)を製造する改質器3を有する。改質器は、改質触媒層4を有する。   The indirect internal reforming SOFC has a reformer 3 that reforms a hydrocarbon-based fuel to produce a reformed gas (hydrogen-containing gas). The reformer has a reforming catalyst layer 4.

間接内部改質型SOFCは、上記改質ガスを用いて発電を行うSOFC6を有し、また、SOFC(特にはそのアノード)から排出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼領域5を有する。   The indirect internal reforming SOFC has an SOFC 6 that generates electric power using the reformed gas, and also has a combustion region 5 in which anode off-gas discharged from the SOFC (particularly its anode) is combusted.

間接内部改質型SOFCは、改質器、固体酸化物形燃料電池および燃焼領域を収容する筐体8を有する。   The indirect internal reforming SOFC has a housing 8 that houses a reformer, a solid oxide fuel cell, and a combustion region.

間接内部改質型SOFCは、筐体(モジュール容器)8およびその内部に含まれる設備をいう。   The indirect internal reforming SOFC refers to a casing (module container) 8 and equipment included therein.

図1に示した形態の間接内部改質型SOFCでは、アノードオフガスに着火するための着火手段であるイグナイター7が設けられており、また、改質器は電気ヒータ9を備える。   In the indirect internal reforming SOFC of the form shown in FIG. 1, an igniter 7 that is an ignition means for igniting the anode off gas is provided, and the reformer includes an electric heater 9.

各供給ガスは必要に応じて適宜予熱されたうえで改質器もしくはSOFCに供給される。   Each supply gas is appropriately preheated as necessary and then supplied to the reformer or SOFC.

間接内部改質型SOFCには、電気ヒータ2を備える水気化器1が接続され、その接続配管の途中に炭化水素系燃料を改質器に供給するための配管が接続される。水気化器1は電気ヒータ2による加熱によって水蒸気を発生する。水蒸気は水気化器においてもしくはその下流において適宜スーパーヒートしたうえで改質触媒層に供給することができる。   A water vaporizer 1 including an electric heater 2 is connected to the indirect internal reforming SOFC, and a pipe for supplying hydrocarbon fuel to the reformer is connected in the middle of the connecting pipe. The water vaporizer 1 generates water vapor by heating with the electric heater 2. Water vapor can be superheated appropriately in the water vaporizer or downstream thereof and then supplied to the reforming catalyst layer.

また空気(部分酸化改質反応用)も改質触媒層に供給されうるが、ここでは、空気を水気化器で予熱したうえで改質触媒層に供給できるようになっている。水気化器からは、水蒸気を得ることができ、また空気と水蒸気との混合ガスを得ることができる。   Air (for partial oxidation reforming reaction) can also be supplied to the reforming catalyst layer, but here, air can be supplied to the reforming catalyst layer after preheating with a water vaporizer. Water vapor can be obtained from the water vaporizer, and a mixed gas of air and water vapor can be obtained.

水蒸気または空気と水蒸気との混合ガスは、炭化水素系燃料と混合されて改質器3、特にはその改質触媒層4に供給される。炭化水素系燃料として灯油等の液体燃料を用いる場合は、炭化水素系燃料を適宜気化したうえで改質触媒層に供給することができる。   Steam or a mixed gas of air and steam is mixed with a hydrocarbon fuel and supplied to the reformer 3, particularly the reforming catalyst layer 4. When liquid fuel such as kerosene is used as the hydrocarbon-based fuel, the hydrocarbon-based fuel can be appropriately vaporized and then supplied to the reforming catalyst layer.

改質器から得られる改質ガスがSOFC6、特にはそのアノードに供給される。図示しないが、空気が適宜予熱されてSOFCのカソードに供給される。   The reformed gas obtained from the reformer is supplied to the SOFC 6, particularly to the anode thereof. Although not shown, air is appropriately preheated and supplied to the SOFC cathode.

アノードオフガス(アノードから排出されるガス)中の可燃分がSOFC出口において、カソードオフガス(カソードから排出されるガス)中の酸素によって燃焼される。このために、イグナイター7を用いて着火することができる。アノード、カソードともその出口がモジュール容器8内に開口している。燃焼ガスは、モジュール容器から適宜排出される。   The combustible component in the anode off gas (gas discharged from the anode) is burned by oxygen in the cathode off gas (gas discharged from the cathode) at the SOFC outlet. For this purpose, ignition can be performed using the igniter 7. The outlets of both the anode and the cathode are opened in the module container 8. The combustion gas is appropriately discharged from the module container.

改質器とSOFCが一つのモジュール容器に収容されモジュール化される。改質器はSOFCから受熱可能な位置に配される。例えば改質器をSOFCからの熱輻射を受ける位置に配置すれば、発電時にSOFCからの熱輻射によって改質器が加熱される。   The reformer and SOFC are accommodated in one module container and modularized. The reformer is disposed at a position where heat can be received from the SOFC. For example, if the reformer is disposed at a position where it receives heat radiation from the SOFC, the reformer is heated by heat radiation from the SOFC during power generation.

間接内部改質型SOFCにおいて、改質器は、SOFCから改質器の外表面へと直接輻射伝熱可能な位置に配することが好ましい。従って改質器とSOFCとの間には実質的に遮蔽物は配置しないこと、つまり改質器とSOFCとの間は空隙にすることが好ましい。また、改質器とSOFCとの距離は極力短くすることが好ましい。   In the indirect internal reforming SOFC, the reformer is preferably arranged at a position where direct heat transfer from the SOFC to the outer surface of the reformer is possible. Therefore, it is preferable that a shielding object is not substantially disposed between the reformer and the SOFC, that is, a gap is provided between the reformer and the SOFC. Further, it is preferable to shorten the distance between the reformer and the SOFC as much as possible.

燃焼領域5において発生するアノードオフガスの燃焼熱によって、改質器3が加熱される。また、SOFCが改質器より高温である場合には、SOFCからの輻射熱によっても改質器が加熱される。   The reformer 3 is heated by the combustion heat of the anode off gas generated in the combustion region 5. Further, when the SOFC is at a higher temperature than the reformer, the reformer is also heated by radiant heat from the SOFC.

さらに、改質による発熱によって改質器が加熱される場合もある。改質が部分酸化改質である場合、あるいは自己熱改質(オートサーマルリフォーミング)の場合であって水蒸気改質反応による吸熱より部分酸化改質反応による発熱の方が大きい場合、改質に伴って発熱する。   Furthermore, the reformer may be heated by heat generated by reforming. If the reforming is partial oxidation reforming or autothermal reforming (autothermal reforming) and the heat generation by the partial oxidation reforming reaction is greater than the endothermic reaction by the steam reforming reaction, Fever accompanies.

〔負荷追従運転方法〕
本発明によれば、改質を確実に行うために適切な炭化水素系燃料の流量(改質器への供給流量)と燃料電池の電気出力とを選び、かつ、より高い発電効率を得るために適切な改質法を選ぶことができる。以下にその手順を詳細に説明する。
(Load following operation method)
According to the present invention, an appropriate flow rate of hydrocarbon fuel (supply flow rate to the reformer) and an electric output of the fuel cell are selected in order to surely perform reforming, and higher power generation efficiency is obtained. An appropriate reforming method can be selected. The procedure will be described in detail below.

〔第iの改質法〕
本発明では、水蒸気改質法(SR)、部分酸化改質法(POX)および自己熱改質法()ATRからなる群から選ばれる少なくとも二種の改質法を第iの改質法として定める。ただしiは1以上L以下の整数であって、Lは2または3である。二種の改質法を選ぶ場合(L=2の場合)、第iの改質法として第1の改質法および第2の改質法が定まる。三種の改質法を選ぶ場合(L=3の場合)、第iの改質法として、第1、第2および第3の改質法が定まる。i=2の場合、例えば、第1の改質法としてSRが、第2の改質法としてATRが選ばれる。第1の改質法としてATRが、第2の改質法としてSRが選ばれてもよい。i=3の場合、例えば、第1の改質法としてSRが、第2の改質法としてATRが、第3の改質法としてPOXが選ばれる。
[I-th modification method]
In the present invention, at least two reforming methods selected from the group consisting of a steam reforming method (SR), a partial oxidation reforming method (POX), and an autothermal reforming method () ATR are used as the i-th reforming method. Determine. However, i is an integer of 1 or more and L or less, and L is 2 or 3. When two kinds of reforming methods are selected (when L = 2), the first reforming method and the second reforming method are determined as the i-th reforming method. When three types of reforming methods are selected (when L = 3), the first, second, and third reforming methods are determined as the i-th reforming method. When i = 2, for example, SR is selected as the first reforming method and ATR is selected as the second reforming method. ATR may be selected as the first reforming method, and SR may be selected as the second reforming method. When i = 3, for example, SR is selected as the first reforming method, ATR is selected as the second reforming method, and POX is selected as the third reforming method.

〔Pij、Pijに対応するFijおよびηi〕
本発明では、全てのiについて、予め、第iの改質法で製造した改質ガスを燃料電池に供給して発電した場合における、相異なるMi個の燃料電池電気出力Pij(jは1以上Mi以下の整数、ただしMiは2以上の整数)と、各Pijに対応する炭化水素系燃料の流量Fijとを、設定しておく。また、各Pijにおける発電効率ηijを求めておく。
[Pi j, Fi j and ηi corresponding to Pi j]
In the present invention, for all i, when the reformed gas produced by the i-th reforming method is supplied to the fuel cell in advance to generate power, Mi different fuel cell electrical outputs Pi j (j is 1). or Mi an integer, provided Mi and is an integer of 2 or more), and a flow rate Fi j of the hydrocarbon-based fuel corresponding to each Pi j, is set. Also, previously obtained the power generation efficiency .eta.i j in each Pi j.

各Fijは、改質触媒層で第iの改質法を行っている場合に、対応する電気出力Pijを燃料電池で出力するために改質触媒層に供給することが必要な炭化水素系燃料の流量である。例えば、SOFCを好ましく発電可能な温度に維持しつつもできるだけ発電効率が高くなるよう、予備実験やシミュレーションなどにより、各Pijに対する電流と燃料利用率を予め定めておくことで、各Pijに対応する炭化水素系燃料の流量Fijを設定しておくことができる。この際、同時に、各Pijにおける発電効率ηijを求めることができる。 Each Fi j is a hydrocarbon that needs to be supplied to the reforming catalyst layer in order to output the corresponding electric output Pi j by the fuel cell when the i-th reforming method is performed in the reforming catalyst layer. This is the flow rate of the system fuel. For example, so that even as much as possible the power generation efficiency increases while maintaining the SOFC preferably the temperature at which electricity can be generated, due preliminary experiment or simulation, by predetermining the current and the fuel utilization rate for each Pi j, each Pi j it is possible to set the flow rate Fi j of the corresponding hydrocarbon fuel. At this time, at the same time, it is possible to obtain a power generation efficiency .eta.i j in each Pi j.

各Pijは0以上である。つまり、全てのiおよびjについて、0≦Pijである。またjの増加に伴ってPijが増加する。つまり、Pij<Pij+1(ここではjは1以上Mi−1以下の整数)である。 Each Pi j is 0 or more. In other words, for all i and j, is 0 ≦ Pi j. Pi j increases as j increases. That is, Pi j <Pi j + 1 (where j is an integer from 1 to Mi−1).

さらに各Fijは0より大きい。つまり全てのiおよびjについて0<Fijである。 Furthermore, each Fij is greater than zero. That is, 0 <Fi j for all i and j.

全てのiについて、jが1である場合のPijであるPi1は0であり、jがMiである場合のPij(すなわちPiMi)は、改質触媒層にて第iの改質法を行う場合の燃料電池の最大電気出力である。PiMiは燃料電池システムの仕様として予め定められる。 For all i, Pi 1 which is Pi j when j is 1 is 0, and Pi j (ie Pi Mi ) when j is Mi is the i-th reforming in the reforming catalyst layer. This is the maximum electrical output of the fuel cell when the method is used. Pi Mi is predetermined as a specification of the fuel cell system.

各iにおいて、全てのjについてのFijのうちの最小値をFimin、最大値をFimaxと表す。つまり、あるiが与えられた場合に、全てのjについてのFijのうちの、最小値をFimin、最大値をFimaxと表す。 In each i, it represents the minimum value Fi min of Fi j for all j, the maximum value and Fi max. That is, if a i is given, indicating the among Fi j for all j, the minimum value Fi min, the maximum value and Fi max.

Miは発電効率の観点から、制御手段のメモリの許容範囲内で、できるだけ大きくするのが好ましい。   From the viewpoint of power generation efficiency, Mi is preferably as large as possible within the allowable range of the memory of the control means.

〔TikおよびTikに対応するGik
さらに、全てのiについて、予め、相異なるNi個の改質触媒層温度Tik(kは1以上Ni以下の整数、ただしNiは2以上の整数)と、各Tikに対応する炭化水素系燃料の流量Gikと、を設定しておく。
[Ti k and Gi k corresponding to Ti k]
Furthermore, for all i, different Ni reforming catalyst layer temperatures Ti k (k is an integer of 1 or more and Ni or less, where Ni is an integer of 2 or more) and hydrocarbon systems corresponding to each Ti k. and the flow rate Gi k of fuel, setting the.

ただし、各Gikは対応する改質触媒層温度Tikにおいて改質触媒層において第iの改質法によって改質可能な炭化水素系燃料の流量である。 However, a flow rate of each Gi k is the corresponding reforming hydrocarbon-based fuel that can be by reforming method of the i in the reforming catalyst layer in the reforming catalyst layer temperature Ti k.

各Gikは0より大きい。つまり全てのiおよびkについて0<Gikである。またkの増加に伴ってGikは同じ値であるか増加する。つまり、Gik≦Gik+1(ここではkは1以上Ni−1以下の整数)である。 Each Gi k is greater than zero. This means that for all i and k is 0 <Gi k. Further, Gi k is the same value or increases as k increases. That is, Gi k ≦ G i k +1 (here, k is an integer from 1 to Ni−1).

なお、kがNiである場合のGik(GiNi)は、Fimax以上である。すなわち、GiNi≧Fimaxである。GiNiは想定している最高温度の改質触媒層において第iの改質法によって改質可能な炭化水素系燃料の流量、すなわち改質可能な炭化水素系燃料の最大値である。GiNi<Fimaxであっては、Fimaxの流量の炭化水素系燃料を改質できないことになってしまうので、燃料電池システムは、当然にGiNi≧Fimaxとなるよう設計される。 Note that Gi k (Gi Ni ) when k is Ni is equal to or greater than Fi max . That is, Gi Ni ≧ Fi max . Gi Ni is the flow rate of the hydrocarbon-based fuel that can be reformed by the i-th reforming method in the assumed maximum temperature reforming catalyst layer, that is, the maximum value of the reformable hydrocarbon-based fuel. If Gi Ni <Fi max , the hydrocarbon-based fuel having a flow rate of Fi max cannot be reformed, so the fuel cell system is naturally designed to satisfy Gi Ni ≧ Fi max .

〔燃料流量・燃料電池電気出力以外の操作条件〕
また、それぞれの改質法について、必要に応じて、予め、各Pijに対応させて、炭化水素系燃料以外の間接内部改質型SOFCに供給する流体の流量、燃料電池の出力以外の間接内部改質型SOFCへの電気の入出力を設定しておくことができる。例えば、改質器に供給する水流量については、炭素析出抑制のため、スチーム/カーボン比(改質触媒層に供給されるガス中の炭素原子モル数に対する水分子モル数の比)が所定の値となるよう設定しておくことができる。改質器に供給する空気流量については、酸素/カーボン比(改質触媒層に供給されるガス中の炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比)が所定の値となるよう設定しておくことができる。改質器に供給する水および空気以外の間接内部改質型SOFCに供給する流体の流量、間接内部改質型SOFCへの電気の入出力については、SOFCを好ましく発電可能な温度に維持しつつもできるだけ発電効率が高くなるよう、予備実験やシミュレーションなどにより、設定しておくことができる。このようにすれば、燃料電池の出力を或る値Pにする際に、予め求めた関数を用いて、これら流量や電気入出力を決めることができる。
[Operation conditions other than fuel flow and fuel cell electrical output]
Also, for each of the reforming process, if necessary, in advance, in correspondence with each Pi j, the flow rate of the fluid supplied to the indirect internal reforming SOFC, other than the hydrocarbon-based fuel, indirect other than the output of the fuel cell Input / output of electricity to the internal reforming SOFC can be set in advance. For example, with respect to the flow rate of water supplied to the reformer, a steam / carbon ratio (ratio of the number of moles of water molecules to the number of moles of carbon atoms in the gas supplied to the reforming catalyst layer) is predetermined in order to suppress carbon precipitation. It can be set to be a value. The air flow rate supplied to the reformer is set so that the oxygen / carbon ratio (ratio of the number of moles of oxygen molecules to the number of moles of carbon atoms in the gas supplied to the reforming catalyst layer) becomes a predetermined value. be able to. Regarding the flow rate of the fluid supplied to the indirect internal reforming SOFC other than water and air supplied to the reformer and the input / output of electricity to the indirect internal reforming SOFC, the SOFC is preferably maintained at a temperature at which power can be generated. However, it can be set by preliminary experiments or simulations so that the power generation efficiency is as high as possible. In this way, when the output of the fuel cell is set to a certain value P, these flow rates and electrical input / output can be determined using a function obtained in advance.

あるいは、炭化水素系燃料以外の間接内部改質型SOFCに供給する流体の流量、燃料電池の出力以外の間接内部改質型SOFCへの電気の入出力を炭化水素系燃料の流量の関数とすることができる。例えば、改質器に供給する水流量については、炭素析出抑制のため、スチーム/カーボン比が一定の値となる流量とすることができる。改質器に供給する空気流量については、酸素/カーボン比が一定の値となる流量とすることができる。   Alternatively, the flow rate of the fluid supplied to the indirect internal reforming SOFC other than the hydrocarbon fuel and the input / output of electricity to the indirect internal reforming SOFC other than the output of the fuel cell are used as a function of the flow rate of the hydrocarbon fuel. be able to. For example, the flow rate of water supplied to the reformer can be set to a flow rate at which the steam / carbon ratio becomes a constant value in order to suppress carbon deposition. The air flow rate supplied to the reformer can be a flow rate at which the oxygen / carbon ratio becomes a constant value.

あるいは、炭化水素系燃料以外の間接内部改質型SOFCに供給する流体の流量、燃料電池の出力以外の間接内部改質型SOFCへの電気の入出力は、制御目的に合わせて、適宜の制御手法により求められる値とすることができる。   Alternatively, the flow rate of the fluid supplied to the indirect internal reforming SOFC other than the hydrocarbon fuel and the input / output of electricity to the indirect internal reforming SOFC other than the output of the fuel cell are appropriately controlled according to the control purpose. The value can be obtained by a technique.

例えば、カソードに供給する空気流量については、SOFCを好ましく発電可能な温度に維持できるよう、設定することができる。   For example, the flow rate of air supplied to the cathode can be set so that the SOFC can be maintained at a temperature that can preferably generate power.

改質器に付設された電気ヒータ出力については、改質触媒層が所定の温度に維持できるよう(例えば、改質触媒層が改質に好ましい温度に維持できるよう)、設定することができる。   The output of the electric heater attached to the reformer can be set so that the reforming catalyst layer can be maintained at a predetermined temperature (for example, the reforming catalyst layer can be maintained at a temperature preferable for reforming).

改質器に触媒層加熱用バーナを付設する場合、燃料流量については、改質触媒層が所定の温度に維持できるよう、設定することができ、空気流量については、空気比が所定の値(例えば、燃焼に好ましい値)となる流量とすることができる。   When a catalyst layer heating burner is attached to the reformer, the fuel flow rate can be set so that the reforming catalyst layer can be maintained at a predetermined temperature, and the air ratio is set to a predetermined value ( For example, the flow rate can be a value preferable for combustion.

気化器に付設された電気ヒータ出力については、蒸気が所定の温度に維持できるよう(例えば、改質器入口における蒸気温度を改質に好ましい温度に維持できるよう)、設定することができる。   The output of the electric heater attached to the vaporizer can be set so that the steam can be maintained at a predetermined temperature (for example, the steam temperature at the reformer inlet can be maintained at a temperature preferable for reforming).

気化器に加熱用バーナを付設する場合、燃料流量については、蒸気が所定の温度に維持できるよう、設定することができ、空気流量については、空気比が所定の値となる流量とすることができる。   When a heating burner is attached to the vaporizer, the fuel flow rate can be set so that the steam can be maintained at a predetermined temperature, and the air flow rate should be a flow rate at which the air ratio becomes a predetermined value. it can.

SOFC近傍に加熱用バーナを付設する場合、燃料流量については、SOFCを好ましく発電可能な温度に維持できるよう、設定することができ、空気流量については、空気比が所定の値となる流量とすることができる。   When a heating burner is attached in the vicinity of the SOFC, the fuel flow rate can be set so that the SOFC can be maintained at a temperature that can preferably generate power, and the air flow rate is a flow rate at which the air ratio becomes a predetermined value. be able to.

SOFC近傍にSOFC冷却用熱交換器を配する場合、熱交換器に供給する冷却流体流量については、SOFCを好ましく発電可能な温度に維持できるよう、設定することができる。   When the SOFC cooling heat exchanger is arranged in the vicinity of the SOFC, the flow rate of the cooling fluid supplied to the heat exchanger can be set so that the SOFC can be preferably maintained at a temperature at which power generation is possible.

SOFCに最も近い改質触媒層近傍に、改質ガス中のメタン濃度を平衡化反応により増加させ、SOFCのアノード上で吸熱反応を生じさせることによりSOFCの冷却を行うための改質触媒層冷却用熱交換器を付設する場合、熱交換器に供給する冷却流体流量については、SOFCを好ましく発電可能な温度に維持できるよう、設定することができる。   In the vicinity of the reforming catalyst layer closest to the SOFC, the reforming catalyst layer cooling is performed to cool the SOFC by increasing the methane concentration in the reformed gas by an equilibration reaction and causing an endothermic reaction on the anode of the SOFC. When the heat exchanger is attached, the flow rate of the cooling fluid supplied to the heat exchanger can be set so that the SOFC can be preferably maintained at a temperature at which power can be generated.

〔工程A〜F〕
負荷追従運転の間、工程A〜Fを好ましくは繰り返して行なうことによって、つまり、工程A、B、CおよびDと、工程EもしくはFと、をこの順に繰り返して行なうことによって、より確実に改質を行い、アノードの劣化をより確実に防止するとともに、より高い発電効率を得ることができる。
[Steps A to F]
During the load following operation, the steps A to F are preferably repeated, that is, the steps A, B, C and D and the steps E or F are repeated in this order, thereby improving the reliability more reliably. As a result, the anode can be more reliably prevented from deteriorating and higher power generation efficiency can be obtained.

図2に、工程A〜Fを説明するためのフローチャートを示す。   In FIG. 2, the flowchart for demonstrating process AF is shown.

〔工程A〕
実際に負荷変動運転を行なう際には、改質触媒層の温度を測定する工程Aを行なう。この測定は、負荷追従運転を行う間継続して行なうことができる。
[Process A]
When actually performing the load fluctuation operation, the process A for measuring the temperature of the reforming catalyst layer is performed. This measurement can be performed continuously during the load following operation.

工程Aは、後述する改質可能流量FiRを求める際に使用する、改質触媒層の温度Tを知るために行なう。工程Aは、負荷追従運転開始時点から極力短時間のうちに始めることが好ましい。負荷追従運転を開始して直ちに工程Aを始めることが好ましい。負荷追従運転開始より前から改質触媒層の温度監視(継続的計測)を行なっている場合は、そのまま継続して温度監視を行なえばよい。 Step A is performed in order to know the temperature T of the reforming catalyst layer used when determining the reformable flow rate Fi R described later. It is preferable to start the process A within the shortest possible time from the start of the load following operation. It is preferable to start the process A immediately after starting the load following operation. If the temperature of the reforming catalyst layer is monitored (continuous measurement) before the start of the load following operation, the temperature may be monitored continuously.

温度測定のために、熱電対等の適宜の温度センサーを用いることができる。   For temperature measurement, an appropriate temperature sensor such as a thermocouple can be used.

〔工程B〕
工程Bでは、全てのiについて、温度T(工程Aで測定した温度)の改質触媒層において改質可能な炭化水素系燃料の流量(改質可能流量FiR)として、温度T以下で最も大きいTikに対応するGikを採用する。つまり、予め設定したTikのうち、測定した温度T以下の範囲で最も大きいTikを選ぶ。そして、予め設定したTikとGikとの対応関係から、選んだTikに対応するGikを求め、このGikを改質可能流量FiRとする。
[Process B]
In step B, the flow rate of the hydrocarbon-based fuel that can be reformed in the reforming catalyst layer at the temperature T (temperature measured in step A) for all i (reformable flow rate Fi R ) Gi k corresponding to large Ti k is adopted. That is, among the preset Ti k , the largest Ti k in the range below the measured temperature T is selected. Then, from the relationship between the Ti k and Gi k which is set in advance, asked the Gi k corresponding to the selected Ti k, to the Gi k and reformable flow rate Fi R.

〔工程C〕
全てのiについて、工程Bで求めた改質可能流量FiRが、前記最小値Fiminより小さい場合、燃料電池における発電を停止する。つまり、全てのiについてFiR<Fiminのとき、最低限必要な改質ガスを改質できないとみなし、燃料電池の電気出力をゼロにする。このとき、次のような操作を行うことができる。すなわち、第iの改質法として定めた複数の改質法のうち、反応の吸熱量に対する発熱量の比率が最も大きい改質法を採用する。改質器に供給する炭化水素系燃料の流量を、この改質法についてのFiRに設定する。そして、少なくとも一つのiについて、少なくともFiR≧Fiminとなるまで(FiRは工程AおよびBにより求める)、改質器に付設されたヒータやバーナなどで改質触媒層を昇温することができる。少なくとも一つのiについてFiR≧Fiminとなったら、工程D以降を行うことができる。
[Process C]
When the reformable flow rate Fi R obtained in step B is smaller than the minimum value Fi min for all i, power generation in the fuel cell is stopped. That is, when Fi R <Fi min for all i, it is considered that the minimum required reformed gas cannot be reformed, and the electric output of the fuel cell is set to zero. At this time, the following operations can be performed. That is, among the plurality of reforming methods determined as the i-th reforming method, the reforming method having the largest ratio of the calorific value to the endothermic amount of the reaction is adopted. The flow rate of the hydrocarbon-based fuel supplied to the reformer is set to Fi R for this reforming method. Then, for at least one i, the temperature of the reforming catalyst layer is raised with a heater or a burner attached to the reformer until at least Fi R ≧ Fi min (Fi R is obtained by steps A and B). Can do. If Fi R ≧ Fi min for at least one i, step D and subsequent steps can be performed.

〔工程D〕
少なくとも一つのiについて、工程Bで求めた改質可能流量FiRが、前記最小値Fimin以上である場合に、工程Dを行なう。つまり、FiR≧Fiminとなるiが一つでもあれば、例えばF1R≧F1minであれば、工程Dを行う。
[Process D]
For at least one i, step D is performed when the reformable flow rate Fi R determined in step B is equal to or greater than the minimum value Fi min . That is, if there is at least one i that satisfies Fi R ≧ Fi min , for example, if F1 R ≧ F1 min , the process D is performed.

工程Dでは、この少なくとも一つのiのそれぞれについて、つまりFiR≧Fiminとなるiのそれぞれについて、燃料電池出力要求値PDが、燃料電池の最大電気出力PiMi以下であれば工程d1を行なう。PD≦PiMiは、改質器で第iの改質法を行う場合に、燃料電池出力要求値PDを、燃料電池が出力可能であることを意味するとみなす。 In step D, for each of the at least one i, i.e. for each i as the Fi R ≧ Fi min, the fuel cell output demand value P D, the step d1 if less than the maximum electrical output Pi Mi of the fuel cell Do. P D ≦ Pi Mi is considered to mean that the fuel cell output required value P D means that the fuel cell can output when the i-th reforming method is performed in the reformer.

あるいは、この少なくとも一つのiのそれぞれについて、つまりFiR≧Fiminとなるiのそれぞれについて、燃料電池出力要求値PDが、燃料電池の最大電気出力PiMiを超えていれば工程d2を行なう。PD>PiMiは、改質器で第iの改質法を行う場合に、燃料電池出力要求値PDに対して、燃料電池の電気出力が不足することを意味するとみなす。 Alternatively, for each of the at least one i, i.e. for each i as the Fi R ≧ Fi min, the fuel cell output demand value P D, the step d2 if exceeds the maximum electrical output Pi Mi of the fuel cell . P D > Pi Mi is considered to mean that the electric output of the fuel cell is insufficient with respect to the required fuel cell output value P D when the i-th reforming method is performed in the reformer.

<工程d1>
工程d1では、まず、さらなる判断を行なうためにFiDSという値を求める。ここで、FiDSは、安全側に改質可否を判断するために求められる、燃料電池出力要求値PDに近いPijに対応する炭化水素系燃料の流量という意味合いを持つ。
<Step d1>
In step d1, first, a value of Fi DS is obtained for further determination. Here, Fi DS is determined in order to determine the reforming whether the safe side, with a sense that the flow rate of the hydrocarbon-based fuel that corresponds to Pi j close to the fuel cell output demand value P D.

全てのjについてのPijのうちに、燃料電池出力要求値PDに等しいPijがあるかどうか調べる。 Among the Pi j for all j, see if there is equal Pi j to the fuel cell output demand value P D.

Dに等しいPijがあれば、予め設定しておいたPijとFijとの対応関係を用いて、そのPij(=PD)に対応するFijを求め、このFijの値をFiDSに代入する。以下においても、Pijに対応するFijやFijに対応するPijを求める際には、予め定めたPijとFijとの対応関係を用いる。 If there is equal Pi j to P D, using the correspondence relationship between Pi j and Fi j that is set in advance, obtains the Pi j (= P D) corresponding to Fi j, the value of the Fi j Is substituted into Fi DS . In the following, when obtaining the Pi j corresponding to Fi j and Fi j corresponding to Pi j uses the correspondence between the predetermined Pi j and Fi j.

全てのjについてのPijのうちに、PDに等しいPijがなければ、より安全側に改質可否を判断するため、「PDを超える最も小さいPij」に対応するFijと「PD未満で最も大きいPij」に対応するFijとのうちの、大きい方(これら二つの値が等しい場合はその値)をFiDSとする。 Among the Pi j for all j, if there is equal Pi j to P D, to determine reforming whether safer side, and Fi j corresponding to "the smallest Pi j exceeding P D", " Of Fi j corresponding to “the largest Pi j less than P D ”, the larger one (if these two values are equal, the value thereof) is defined as Fi DS .

次に、このFiDSと前記算出した改質可能流量FiRとを比較する。 Next, this Fi DS is compared with the calculated reformable flow rate Fi R.

・FiDS≦FiRである場合
FiDSが改質可能流量FiR以下である場合、Pi*=PD、Fi*=FiDS、とする。FiDS≦FiRは、改質器で第iの改質法を行う場合に、流量FiDSの炭化水素系燃料を、改質触媒層において改質可能であることを意味するとみなす。
When Fi DS ≦ Fi R When Fi DS is equal to or less than the reformable flow rate Fi R , Pi * = P D and Fi * = Fi DS . Fi DS ≦ Fi R is considered to mean that the hydrocarbon-based fuel having the flow rate Fi DS can be reformed in the reforming catalyst layer when the i-th reforming method is performed in the reformer.

なお、Pi*およびFi*は、それぞれ、最終的に設定する燃料電池の電気出力および炭化水素系燃料の改質器への供給流量の候補となる変数である。 Pi * and Fi * are variables that are candidates for the electric output of the fuel cell to be finally set and the supply flow rate to the hydrocarbon-based fuel reformer, respectively.

・FiDS>FiRである場合
FiDSが前記改質可能流量FiRを超えている場合は次の(1)または(2)の工程を行なう。FiDS>FiRは、流量FiDSの炭化水素系燃料を、改質触媒層において改質しきれないことを意味するとみなす。
When Fi DS > Fi R When Fi DS exceeds the reformable flow rate Fi R , the following step (1) or (2) is performed. Fi DS > Fi R is considered to mean that the hydrocarbon-based fuel having the flow rate Fi DS cannot be completely reformed in the reforming catalyst layer.

(1)燃料電池出力要求値PD未満の範囲に、FiR以下のFijに対応するPijが存在する場合
この場合、PI*=上記Pij(PD未満、かつFiR以下のFijに対応するPij)のうちの最大値、FI*=(この最大値に対応するFij)、とする。
(1) When Pi j corresponding to Fi j equal to or less than Fi R exists in a range less than the fuel cell output requirement value P D In this case, PI * = P i j (Fi less than P D and less than Fi R). Let the maximum value of Pi j ) corresponding to j , FI * = (Fi j corresponding to this maximum value).

(2)燃料電池出力要求値PD未満の範囲に、FiR以下のFijに対応するPijが存在しない場合
この場合、PI*=0(ゼロ)、Fi*=FiRとする。
(2) When Pi j corresponding to Fi j below Fi R does not exist in the range less than the fuel cell output required value P D In this case, PI * = 0 (zero) and Fi * = Fi R.

<工程d2>
前述のように、工程d2は、燃料電池出力要求値PDに対して、燃料電池の電気出力が不足すると判断される場合に行なう。
<Step d2>
As mentioned above, step d2, to the fuel cell output demand value P D, performed when the electrical output of the fuel cell is judged to be insufficient.

この工程では、FiMi(最大電気出力PiMiに対応するFij)と、前記改質可能流量FiRとを比較する。 In this step, Fi Mi (Fi j corresponding to the maximum electric output Pi Mi ) is compared with the reformable flow rate Fi R.

・FiMi≦FiRである場合
FiMiが前記改質可能流量FiR以下である場合、Pi*=PiMi、Fi*=FiMi、とする。FiMi≦FiRは、流量FiMiの炭化水素系燃料を、改質触媒層において改質可能であることを意味するとみなす。
When Fi Mi ≦ Fi R When Fi Mi is equal to or less than the reformable flow rate Fi R , Pi * = Pi Mi and Fi * = Fi Mi. Fi Mi ≦ Fi R is considered to mean that a hydrocarbon-based fuel having a flow rate Fi Mi can be reformed in the reforming catalyst layer.

・FiMi>FiRである場合
FiMiが前記改質可能流量FiRを超えている場合、
Pi*=(FiR以下のFijに対応するPijのうちの最大値)、
Fi*=(この最大値に対応するFij
とする。FiMi>FiRは、流量FiMiの炭化水素系燃料を、改質触媒層において改質しきれないことを意味するとみなす。
When Fi Mi > Fi R When Fi Mi exceeds the reformable flow rate Fi R ,
Pi * = (maximum value of Pi j corresponding to Fi j equal to or less than Fi R ),
Fi * = (Fi j corresponding to this maximum value)
And Fi Mi > Fi R is considered to mean that the hydrocarbon-based fuel having the flow rate Fi Mi cannot be reformed in the reforming catalyst layer.

〔工程E〕
工程Bで決めた改質可能流量FiRが最小値Fimin以上となるiが二つ以上ある場合に、この二つ以上のiのそれぞれについて、工程Dで定めたPi*に対応するηiを求める。このように求めた二つ以上のηiの中で最も大きいηiを与えるiをIと表す。
[Process E]
When there are two or more i in which the reformable flow rate Fi R determined in the process B is equal to or greater than the minimum value Fi min, ηi corresponding to Pi * determined in the process D is set for each of the two or more i. Ask. I that gives the largest ηi among the two or more ηi thus obtained is represented by I.

例えば、FiR≧Fiminとなるiが、1および2の二つである場合、つまりF1R≧F1minかつF2R≧F2minで、iが3になり得たとしてもF3R<F3minである場合、工程Dで決めたP1*に対応するη1、および工程Dで決めたP2*に対応するη2を求める。これらη1およびη2のうちで最も大きいηiがη1であれば、最も大きいηiを与えるi(Iと表される)は1であり、すなわちI=1とする。 For example, if i satisfying Fi R ≧ Fi min is two of 1 and 2, that is, if F1 R ≧ F1 min and F2 R ≧ F2 min and i can be 3, F3 R <F3 min In this case, η1 corresponding to P1 * determined in step D and η2 corresponding to P2 * determined in step D are obtained. If the largest ηi of these η1 and η2 is η1, i (expressed as I) giving the largest ηi is 1, that is, I = 1.

上記のように求めた二つ以上のηiの中で最も大きいηiが複数ある場合は、その複数のηi(これらは等しい値である)のうち、任意のηiを与えるiをIと表すことができる。例えば、工程Bで決めた改質可能流量FiRが最小値Fimin以上となる二つ以上の改質法のうち、電気出力Pi*がより大きいiをIとすることができる。 In the case where there are a plurality of the largest ηi among the two or more ηi obtained as described above, among those ηi (these are equal values), i giving an arbitrary ηi can be expressed as I. it can. For example, among the two or more reforming methods in which the reformable flow rate Fi R determined in the step B is equal to or greater than the minimum value Fi min , i having a larger electrical output Pi * can be set to I.

そして、PI*がゼロを超える場合は、燃料電池の電気出力をPI*とし、改質器で行う改質法を第Iの改質法とし、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量をFI*とする。 If PI * exceeds zero, the electric output of the fuel cell is PI * , the reforming method performed in the reformer is the first reforming method, and the hydrocarbon-based fuel supplied to the reforming catalyst layer Let the flow rate be FI * .

PI*がゼロの場合は、燃料電池における発電を停止する。つまり、燃料電池の電気出力をゼロにする。このとき、次のような操作を行うことができる。すなわち、第iの改質法として定めた複数の改質法のうち、反応の吸熱量に対する発熱量の比率が最も大きい改質法を採用する。改質器に供給する炭化水素系燃料の流量を、この改質法についてのFiRに設定する。そして、少なくとも一つのiについて、少なくともFiR≧Fiminとなるまで(FiRは工程AおよびBにより求める)、改質器に付設されたヒータやバーナなどで改質触媒層を昇温することができる。少なくとも一つのiについてFiR≧Fiminとなったら、改めて工程D以降を行うことができる。 When PI * is zero, power generation in the fuel cell is stopped. That is, the electric output of the fuel cell is set to zero. At this time, the following operations can be performed. That is, among the plurality of reforming methods determined as the i-th reforming method, the reforming method having the largest ratio of the calorific value to the endothermic amount of the reaction is adopted. The flow rate of the hydrocarbon-based fuel supplied to the reformer is set to Fi R for this reforming method. Then, for at least one i, the temperature of the reforming catalyst layer is raised with a heater or a burner attached to the reformer until at least Fi R ≧ Fi min (Fi R is obtained by steps A and B). Can do. If Fi R ≧ Fi min for at least one i, step D and subsequent steps can be performed again.

〔工程F〕
工程Bで決めた改質可能流量FiRが最小値Fimin以上となるiがただ一つである場合、このただ一つiをIと表す。
[Process F]
When there is only one i at which the reformable flow rate Fi R determined in the step B is equal to or greater than the minimum value Fi min , this only i is represented as I.

例えば、FiR≧Fiminとなるiが、1だけである場合、つまりF1R≧F1minであって、F2R<F2minである場合、さらにはiが3になり得たとしてもF3R<F3minである場合、I=1とする。 For example, if i satisfying Fi R ≧ Fi min is only 1, that is, F1 R ≧ F1 min and F2 R <F2 min , even if i can be 3, F3 R If <F3 min , I = 1.

そして、PI*がゼロを超える場合は、燃料電池の電気出力をPI*とし、改質器で行う改質法を第Iの改質法とし、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量をFI*とする。 If PI * exceeds zero, the electric output of the fuel cell is PI * , the reforming method performed in the reformer is the first reforming method, and the hydrocarbon-based fuel supplied to the reforming catalyst layer Let the flow rate be FI * .

PI*がゼロの場合は、燃料電池における発電を停止する。つまり、燃料電池の電気出力をゼロにする。このとき、次のような操作を行うことができる。すなわち、第iの改質法として定めた複数の改質法のうち、反応の吸熱量に対する発熱量の比率が最も大きい改質法を採用する。改質器に供給する炭化水素系燃料の流量を、この改質法についてのFiRに設定する。そして、少なくとも一つのiについて、少なくともFiR≧Fiminとなるまで(FiRは工程AおよびBにより求める)、改質器に付設されたヒータやバーナなどで改質触媒層を昇温することができる。少なくとも一つのiについてFiR≧Fiminとなったら、改めて工程D以降を行うことができる。 When PI * is zero, power generation in the fuel cell is stopped. That is, the electric output of the fuel cell is set to zero. At this time, the following operations can be performed. That is, among the plurality of reforming methods determined as the i-th reforming method, the reforming method having the largest ratio of the calorific value to the endothermic amount of the reaction is adopted. The flow rate of the hydrocarbon-based fuel supplied to the reformer is set to Fi R for this reforming method. Then, for at least one i, the temperature of the reforming catalyst layer is raised with a heater or a burner attached to the reformer until at least Fi R ≧ Fi min (Fi R is obtained by steps A and B). Can do. If Fi R ≧ Fi min for at least one i, step D and subsequent steps can be performed again.

〔負荷追従運転例〕
以下、或る一つの燃料電池システムの負荷追従運転を行なう際に、様々な条件において、どのように運転するかについて具体例を挙げて説明する。ただし、本発明はこれによって限定されるものではない。
[Example of load following operation]
Hereinafter, how to operate under a variety of conditions when performing a load following operation of a certain fuel cell system will be described with specific examples. However, the present invention is not limited thereby.

<Pi*、Fi*の決定例>
まず、工程DでPi*、Fi*を決めるまでの手順について説明する。ただし、ここでは第1の改質法についてのみ具体的に説明する。第2の改質法については、また第3の改質法が存在する場合には第3の改質法についても、同様の手順でPi*、Fi*を求めることができる。
<Determination of Pi * and Fi * >
First, the procedure for determining Pi * and Fi * in step D will be described. However, only the first reforming method will be specifically described here. For the second reforming method, and when the third reforming method exists, Pi * and Fi * can be obtained by the same procedure for the third reforming method.

まず、燃料電池システムについて、予め、表1に示されるように、第1の改質法を行う場合における、電気出力P1jと、各P1jに対応する炭化水素系燃料の流量F1jとが設定されたとする。ここで、P1M1=700W、F1min=1g/minであり、これらはこの燃料電池システムに固有の値である。一方PDは電力需要に応じて変動しうるものであり、F1Rは改質触媒層温度に応じて変動しうるものである。またM1=7、つまり7個の相異なるP1jが設定されている。 First, as shown in Table 1, for the fuel cell system, when the first reforming method is performed, the electric output P1 j and the flow rate F1 j of the hydrocarbon fuel corresponding to each P1 j are as follows. Suppose that it is set. Here, P1 M1 = 700 W and F1 min = 1 g / min, which are values inherent to this fuel cell system. Meanwhile P D are those that may vary depending upon the power demand, F1 R are those which may vary depending on the reforming catalyst layer temperature. Further, M1 = 7, that is, seven different P1 j are set.

Figure 0005281998
Figure 0005281998

また、同じ燃料電池システムについて、予め表2に示されるように、第1の改質法を行う場合における、改質触媒層の温度T1kと、各T1kに対応する炭化水素系燃料の流量G1kとが設定されたとする。ここでT1N1=700℃、G1N1=15g/minであり、これらは燃料電池システムに固有の値である。Ni=5、つまり5個の相異なるT1kが設定されている。 Further, as shown in Table 2 in advance for the same fuel cell system, the temperature T1 k of the reforming catalyst layer and the flow rate of hydrocarbon fuel corresponding to each T1 k when the first reforming method is performed. Assume that G1 k is set. Here, T1 N1 = 700 ° C. and G1 N1 = 15 g / min, which are values specific to the fuel cell system. Ni = 5, that is, five different T1 k are set.

なお、G1Ni=15g/min≧5g/min=F1M1=F1maxとなっている。 Note that G1 Ni = 15 g / min ≧ 5 g / min = F1 M1 = F1 max .

Figure 0005281998
Figure 0005281998

工程Aで改質触媒層の温度Tを測定する。   In step A, the temperature T of the reforming catalyst layer is measured.

(ケース1)
D=450W、T=660℃の場合を考える。
(Case 1)
Consider the case where P D = 450 W and T = 660 ° C.

工程Bを行なう。表2から、T(660℃)以下の範囲で最も大きいT1kはT13(650℃)である。T13に対応するG1k(G13)は6g/minである。改質可能流量F1Rとして、G13を採用する。よってF1R=6g/minである。 Step B is performed. From Table 2, the largest T1 k in the range of T (660 ° C.) or less is T1 3 (650 ° C.). G1 k (G1 3 ) corresponding to T1 3 is 6 g / min. As reformable flow rate F1 R, adopt a G1 3. Therefore, F1 R = 6 g / min.

F1R=6g/min≧1g/min=F1minなので、工程Cは行なわずに、工程Dを行なう。 Since F1 R = 6 g / min ≧ 1 g / min = F1 min , the process D is performed without performing the process C.

そして、PD=450W≦700W=P1M1なので、工程d2ではなく工程d1を行なう。 Since P D = 450W ≦ 700W = P1 M1 , step d1 is performed instead of step d2.

工程d1においてはまずF1DSを求める。表1から、PD(450W)と等しいPiがないことがわかる。よって、「PDを超える最も小さいP1jに対応するF1j」と、「PD未満で最も大きいP1jに対応するF1j」とを表1から求める。PDを超える最も小さいP1jは500W(P15)であり、P15に対応するF1j(F15)は3g/minである。PD未満で最も大きいP1jは400W(P14)であり、P14に対応するF1j(F14)は4g/minである。F15およびF14のうちの、小さくない方、すなわちF14をF1DSとする。よって、F1DS=4g/minである。 In step d1, first, F1 DS is obtained. From Table 1, it can be seen that there is no P i equal to P D (450 W). Therefore, finding a "F1 j corresponding to the smallest P1 j exceeding P D", and "F1 j corresponding to the largest P1 j is less than P D" in Table 1. The smallest P1 j exceeding P D is 500 W (P1 5 ), and F1 j (F1 5 ) corresponding to P1 5 is 3 g / min. The largest P1 j less than P D is 400 W (P1 4 ), and F1 j (F1 4 ) corresponding to P1 4 is 4 g / min. The lesser of F1 5 and F1 4 , that is, F1 4 is defined as F1 DS . Therefore, F1 DS = 4 g / min.

F1DSとF1Rとを比較する。F1DS=4g/min≦6g/min=F1Rなので、
P1*=PD=450W、F1*=F1DS=4g/minとする。
Compare F1 DS with F1 R. Since F1 DS = 4 g / min ≦ 6 g / min = F1 R ,
P1 * = P D = 450 W, F1 * = F1 DS = 4 g / min.

(ケース2)
D=400W、T=660℃の場合を考える。
(Case 2)
Consider the case where P D = 400 W and T = 660 ° C.

工程Bを行なう。表2から、T(660℃)以下の範囲で最も大きいT1kはT13(650℃)である。T13に対応するG1k(G13)は6g/minである。改質可能流量F1Rとして、G13を採用する。よってF1R=6g/minである。 Step B is performed. From Table 2, the largest T1 k in the range of T (660 ° C.) or less is T1 3 (650 ° C.). G1 k (G1 3 ) corresponding to T1 3 is 6 g / min. As reformable flow rate F1 R, adopt a G1 3. Therefore, F1 R = 6 g / min.

F1R=6g/min≧1g/min=F1minなので、工程Cは行なわずに、工程Dを行なう。 Since F1 R = 6 g / min ≧ 1 g / min = F1 min , the process D is performed without performing the process C.

そして、PD=400W≦700W=P1M1なので、工程d2ではなく工程d1を行なう。 Since P D = 400W ≦ 700W = P1 M1 , step d1 is performed instead of step d2.

工程d1においてはまずF1DSを求める。表1から、PD(400W)と等しいP1i(P14)があるためF14をF1DSとする。よって、F1DS=4g/minである。 In step d1, first, F1 DS is obtained. From Table 1, since there is P1 i (P1 4 ) equal to P D (400 W), F1 4 is defined as F1 DS . Therefore, F1 DS = 4 g / min.

F1DSとF1Rとを比較する。F1DS=4g/min≦6g/min=F1Rなので、
P1*=PD=400W、F1*=F1DS=4g/minとする。
Compare F1 DS with F1 R. Since F1 DS = 4 g / min ≦ 6 g / min = F1 R ,
P1 * = P D = 400 W, F1 * = F1 DS = 4 g / min.

(ケース3)
D=350W、T=630℃の場合を考える。
(Case 3)
Consider the case of P D = 350 W and T = 630 ° C.

工程Bを行なう。表2から、T(630℃)以下の範囲で最も大きいT1kはT12(625℃)である。T12に対応するG1k(G12)は3g/minである。改質可能流量F1Rとして、G12を採用する。よってF1R=3g/minである。 Step B is performed. From Table 2, the largest T1 k in the range of T (630 ° C.) or less is T1 2 (625 ° C.). G1 k (G1 2 ) corresponding to T1 2 is 3 g / min. As reformable flow rate F1 R, adopt a G1 2. Therefore, F1 R = 3 g / min.

F1R=3g/min≧1g/min=F1minなので、工程Cは行なわずに、工程Dを行なう。 Since F1 R = 3 g / min ≧ 1 g / min = F1 min , the process D is performed without performing the process C.

そして、PD=350W≦700W=P1M1なので、工程d2ではなく工程d1を行なう。 Since P D = 350W ≦ 700W = P1 M1 , step d1 is performed instead of step d2.

工程d1においてはまずF1DSを求める。表1から、PD(350W)と等しいP1jがないことがわかる。よって、「PDを超える最も小さいP1jに対応するF1j」と、「PD未満で最も大きいP1jに対応するF1j」とを表1から求める。PDを超える最も小さいP1jは400W(P14)であり、P14に対応するF1j(F14)は4g/minである。PD未満で最も大きいP1jは300W(P13)であり、P13に対応するF1j(F13)は3g/minである。F14およびF13のうちの、小さくない方、すなわちF14をF1DSとする。よって、F1DS=4g/minである。 In step d1, first, F1 DS is obtained. From Table 1, it can be seen that there is no P1 j equal to P D (350 W). Therefore, finding a "F1 j corresponding to the smallest P1 j exceeding P D", and "F1 j corresponding to the largest P1 j is less than P D" in Table 1. The smallest P1 j exceeding P D is 400 W (P1 4 ), and F1 j (F1 4 ) corresponding to P1 4 is 4 g / min. The largest P1 j less than P D is 300 W (P1 3 ), and F1 j (F1 3 ) corresponding to P1 3 is 3 g / min. The smaller one of F1 4 and F1 3 , that is, F1 4 is defined as F1 DS . Therefore, F1 DS = 4 g / min.

F1DSとF1Rとを比較する。F1DS=4g/min>3g/min=F1Rなので、状況に応じて前述の工程(1)または(2)を行なう。具体的には、PD未満、かつF1R以下のF1jに対応するP1jがあるので、工程(1)を行なう。 Compare F1 DS with F1 R. Since F1 DS = 4 g / min> 3 g / min = F1 R , the above-described step (1) or (2) is performed depending on the situation. Specifically, since there is P1 j corresponding to F1 j less than P D and F1 R or less, step (1) is performed.

D未満すなわち350W未満の範囲で、F1Rすなわち3g/min以下のF1jに対応するP1jは、P11(0W)、P12(200W)およびP13(300W)である。これらのうちの最大値はP13(300W)である。この最大値P13に対応するF1j(F13)は、3g/minである。 In P D below i.e. the range of less than 350 W, P1 j corresponding to F1 R i.e. 3 g / min following F1 j is, P1 1 (0W), a P1 2 (200 W) and P1 3 (300W). The maximum value of these is P1 3 (300 W). F1 j (F1 3 ) corresponding to the maximum value P1 3 is 3 g / min.

よって、PI*=P13=300W、FI*=F13=3g/minとする。 Therefore, PI * = P1 3 = 300 W and FI * = F1 3 = 3 g / min.

(ケース4)
D=350W、T=610℃の場合を考える。
(Case 4)
Consider the case where P D = 350 W and T = 610 ° C.

工程Bを行なう。表2から、T(610℃)以下の範囲で最も大きいT1kはT11(600℃)である。T11に対応するG1k(G11)は1g/minである。改質可能流量F1Rとして、G11を採用する。よってF1R=1g/minである。 Step B is performed. From Table 2, the largest T1 k in the range of T (610 ° C.) or less is T1 1 (600 ° C.). G1 k (G1 1 ) corresponding to T1 1 is 1 g / min. G1 1 is adopted as the reformable flow rate F1 R. Therefore, F1 R = 1 g / min.

F1R=1g/min≧1g/min=F1minなので、工程Cは行なわずに、工程Dを行なう。 Since F1 R = 1 g / min ≧ 1 g / min = F1 min , the process D is performed without performing the process C.

そして、PD=350W≦700W=P1M1なので、工程d2ではなく、工程d1を行なう。 Since P D = 350W ≦ 700W = P1 M1 , step d1 is performed instead of step d2.

工程d1においてはまずF1DSを求める。表1から、PD(350W)と等しいP1jがないことがわかる。よって、「PDを超える最も小さいP1jに対応するF1j」と、「PD未満で最も大きいP1jに対応するF1j」とを表1から求める。PDを超える最も小さいP1jは400W(P14)であり、P14に対応するF1j(F14)は4g/minである。PD未満で最も大きいP1jは300W(P13)であり、P13に対応するF1j(F13)は3g/minである。F14およびF13のうちの、小さくない方、すなわちF14をF1DSとする。よって、F1DS=4g/minである。 In step d1, first, F1 DS is obtained. From Table 1, it can be seen that there is no P1 j equal to P D (350 W). Therefore, finding a "F1 j corresponding to the smallest P1 j exceeding P D", and "F1 j corresponding to the largest P1 j is less than P D" in Table 1. The smallest P1 j exceeding P D is 400 W (P1 4 ), and F1 j (F1 4 ) corresponding to P1 4 is 4 g / min. The largest P1 j less than P D is 300 W (P1 3 ), and F1 j (F1 3 ) corresponding to P1 3 is 3 g / min. The smaller one of F1 4 and F1 3 , that is, F1 4 is defined as F1 DS . Therefore, F1 DS = 4 g / min.

F1DSとF1Rとを比較する。F1DS=4g/min>1g/min=F1Rなので、状況に応じて前述の工程(1)または(2)を行なう。具体的には、PD未満かつF1R以下のF1jに対応するP1jがないので、工程(2)を行なう。詳しくは、PD未満の範囲のP1jに対応するF1jはF11、F12およびF13であるが、これらは全てF1R(1g/min)より大きい。よってPD未満かつF1R以下のF1jに対応するP1jがない。 Compare F1 DS with F1 R. Since F1 DS = 4 g / min> 1 g / min = F1 R , the above-described step (1) or (2) is performed depending on the situation. Specifically, since there is no P1 j corresponding to F1 j less than P D and F1 R or less, step (2) is performed. Specifically, F1 j corresponding to P1 j in a range less than P D is F1 1 , F1 2 and F1 3 , all of which are greater than F1 R (1 g / min). Therefore, there is no P1 j corresponding to F1 j less than P D and less than or equal to F1 R.

したがって工程(2)で、P1*=0(ゼロ)W、F1*=F1R(1g/min)とする。 Therefore, in step (2), P1 * = 0 (zero) W and F1 * = F1 R (1 g / min).

(ケース5)
D=800W、T=660℃の場合を考える。
(Case 5)
Consider the case where P D = 800 W and T = 660 ° C.

工程Bを行なう。表2から、T(660℃)以下の範囲で最も大きいT1kはT13(650℃)である。T13に対応するG1k(G13)は6g/minである。改質可能流量F1Rとして、G13を採用する。よってF1R=6g/minである。 Step B is performed. From Table 2, the largest T1 k in the range of T (660 ° C.) or less is T1 3 (650 ° C.). G1 k (G1 3 ) corresponding to T1 3 is 6 g / min. As reformable flow rate F1 R, adopt a G1 3. Therefore, F1 R = 6 g / min.

F1R=6g/min≧1g/min=F1minなので、工程Cは行なわずに、工程Dを行なう。 Since F1 R = 6 g / min ≧ 1 g / min = F1 min , the process D is performed without performing the process C.

そして、PD=800W>700W=P1M1なので、工程d1ではなく工程d2を行なう。 Since P D = 800W> 700W = P1 M1 , step d2 is performed instead of step d1.

工程d2において、F1M1とF1Rとを比較する。F1M1=5g/min≦6g/min=F1Rなので、
P1*=P1M1=700W、F1*=F1M1=5g/minとする。
In step d2, F1 M1 and F1 R are compared. Since F1 M1 = 5 g / min ≦ 6 g / min = F1 R ,
P1 * = P1 M1 = 700 W, F1 * = F1 M1 = 5 g / min.

(ケース6)
D=800W、T=630℃の場合を考える。
(Case 6)
Consider the case where P D = 800 W and T = 630 ° C.

工程Bを行なう。表2から、T(630℃)以下の範囲で最も大きいT1kはT12(625℃)である。T12に対応するG1k(G12)は3g/minである。改質可能流量F1Rとして、G12を採用する。よってF1R=3g/minである。 Step B is performed. From Table 2, the largest T1 k in the range of T (630 ° C.) or less is T1 2 (625 ° C.). G1 k (G1 2 ) corresponding to T1 2 is 3 g / min. As reformable flow rate F1 R, adopt a G1 2. Therefore, F1 R = 3 g / min.

F1R=3g/min≧1g/min=F1minなので、工程Cは行なわずに、工程Dを行なう。 Since F1 R = 3 g / min ≧ 1 g / min = F1 min , the process D is performed without performing the process C.

そして、PD=800W>700W=P1M1なので、工程d1ではなく工程d2を行なう。 Since P D = 800W> 700W = P1 M1 , step d2 is performed instead of step d1.

工程d2において、F1M1とF1Rとを比較する。F1M1=5g/min>3g/min=F1Rなので、次の工程を行う。 In step d2, F1 M1 and F1 R are compared. Since F1 M1 = 5 g / min> 3 g / min = F1 R , the next step is performed.

F1Rすなわち3g/min以下のF1jに対応するP1jは、P11(0W)、P12(200W)、P13(300W)、P15(500W)およびP16(600W)である。これらのうちの最大値はP16(600W)である。この最大値P16に対応するF1j(F16)は、1g/minである。 P1 j corresponding to F1 R, that is, F1 j of 3 g / min or less is P1 1 (0 W), P1 2 (200 W), P1 3 (300 W), P1 5 (500 W), and P1 6 (600 W). The maximum value of these is P1 6 (600 W). F1 j (F1 6 ) corresponding to the maximum value P1 6 is 1 g / min.

よって、PI*=P13=600W、FI*=F13=1g/minとする。 Therefore, PI * = P1 3 = 600 W and FI * = F1 3 = 1 g / min.

表1に示した対応は、説明のために、極端なものとした。しかし実用上は、表3に示すような対応に近い場合が多いと考えられる。表3では、電気出力Pijが小さい範囲、すなわち電気出力Pijが0W以上、300W以下の範囲において、SOFCを好ましく発電可能温度に維持するために炭化水素系燃料の流量Fijを1.0g/minで一定としている。また、電気出力Pijが大きい範囲、すなわち電気出力Pijが400W以上、最大電気出力PiMi(1000W)以下の範囲において、発電効率を高くするために、電気出力Pijの増加に対応して炭化水素系燃料の流量Fijが1.5g/minから4.5g/minまで増加するとしている。 The correspondence shown in Table 1 is extreme for explanation. However, in practice, it is considered that there are many cases that are close to the correspondence shown in Table 3. In Table 3, in the range where the electric output Pi j is small, that is, the electric output Pi j is in the range of 0 W or more and 300 W or less, the flow rate Fi j of the hydrocarbon-based fuel is set to 1.0 g in order to maintain the SOFC at a preferable power generation temperature. / Min is constant. Further, in order to increase the power generation efficiency in the range where the electrical output Pi j is large, that is, the range where the electrical output Pi j is 400 W or more and the maximum electrical output Pi Mi (1000 W) or less, it corresponds to the increase of the electrical output Pi j. flow rate Fi j of the hydrocarbon-based fuel is to increase from 1.5 g / min until 4.5 g / min.

Figure 0005281998
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<燃料電池の電気出力および改質器への供給燃料流量の決定例>
以下に、工程EまたはFにおいて、燃料電池の電気出力と、改質器に供給する炭化水素系燃料の流量を決定する手順について詳述する。
<Determination of fuel cell electrical output and fuel flow rate supplied to reformer>
The procedure for determining the electric output of the fuel cell and the flow rate of the hydrocarbon-based fuel supplied to the reformer in step E or F will be described in detail below.

以下の説明では、L=2の場合を考え、以下の値が求められているものとする。
F1min=1g/min、F2min=2g/min。
In the following description, it is assumed that the following values are obtained considering the case of L = 2.
F1 min = 1 g / min, F2 min = 2 g / min.

表4および表5に示すように、第1の改質法および第二の改質法のそれぞれについて、燃料電池電気出力と、その出力における発電効率との対応が求められているものとする。同じ電気出力では、第1の改質法の方が、第2の改質法より発電効率が高いが、電気出力が異なれば、発電効率の大小関係は異なる。例えば、第1の改質法より第2の改質法の方が、完全改質を担保した状態で発電可能な最大の電気出力が大きく、発電効率が高い場合がある。本発明では、リアルタイムに、完全改質を担保した状態での電気出力および炭化水素系燃料流量、発電効率が高くなる改質法を判定するため、負荷追従運転中の電気出力をなるべく大きくしつつ、発電効率を高く維持することができる。   As shown in Tables 4 and 5, for each of the first reforming method and the second reforming method, it is assumed that correspondence between the fuel cell electrical output and the power generation efficiency at the output is required. For the same electrical output, the first reforming method has a higher power generation efficiency than the second reforming method, but the magnitude relationship of the power generation efficiency differs for different electrical outputs. For example, in some cases, the second reforming method has a higher maximum electric output that can be generated in a state in which complete reforming is ensured and the power generation efficiency is higher than the first reforming method. In the present invention, in order to determine the reforming method in which the electric output, the hydrocarbon fuel flow rate, and the power generation efficiency are ensured in a state in which complete reforming is ensured in real time, the electric output during the load following operation is increased as much as possible. The power generation efficiency can be kept high.

Figure 0005281998
Figure 0005281998

Figure 0005281998
Figure 0005281998

(ケース7)
ここでは、
D=600W
であり、工程Bにおいて
F1R=2g/min、F2R=5g/min
と決定されているものとする。さらに工程Dにおいて、
P1*=500W、F1*=2g/min、
P2*=600W、F2*=4g/min
と決定されているものとする。
(Case 7)
here,
P D = 600W
In step B, F1 R = 2 g / min, F2 R = 5 g / min
It is assumed that Further, in step D,
P1 * = 500 W, F1 * = 2 g / min,
P2 * = 600W, F2 * = 4g / min
It is assumed that

F1R=2g/min≧1g/min=F1minであり、かつ、F2R=5g/min≧2g/min=F2minなので、FiR≧Fiminとなるiとして、1と2の二つが存在する。したがって、工程Fではなく工程Eを行う。 Since F1 R = 2 g / min ≧ 1 g / min = F1 min and F2 R = 5 g / min ≧ 2 g / min = F2 min , there are two i and 1 that satisfy Fi R ≧ Fi min. To do. Therefore, process E is performed instead of process F.

P1*(500W)に対応するη1は、表4から30%である。P2*(600W)に対応するη2は、表5から33%である。 Η1 corresponding to P1 * (500 W) is 30% from Table 4. Η2 corresponding to P2 * (600 W) is 33% from Table 5.

これらのηiのうちの最も大きいηiはη2であり、I(η2を与えるi)は2である。   The largest ηi among these ηi is η2, and I (i giving η2) is 2.

PI*=P2*=600(W)≠0である。したがって、燃料電池の電気出力をPI*すなわちP2*(600W)とし、改質法を第2の改質法とし、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量をF2*=4g/minとする。 PI * = P2 * = 600 (W) ≠ 0. Therefore, the electric output of the fuel cell is PI *, that is, P2 * (600 W), the reforming method is the second reforming method, and the flow rate of the hydrocarbon-based fuel supplied to the reforming catalyst layer is F2 * = 4 g / min. And

(ケース8)
ここでは
D=600W
であり、工程Bにおいて
F1R=2g/min、F2R=1.5g/min
と決定されているものとする。さらに、工程Dにおいて、
P1*=500W、F1*=2g/min
と決定されているものとする。
(Case 8)
Here, P D = 600W
In step B, F1 R = 2 g / min, F2 R = 1.5 g / min
It is assumed that Further, in step D,
P1 * = 500W, F1 * = 2g / min
It is assumed that

F1R=2g/min≧1g/min=F1minである一方、F2R=1.5g/min<2g/min=F2minであるので、FiR≧Fiminとなるiとして、1だけが存在する。したがって、I(このただ一つのi)=1である。 While F1 R = 2 g / min ≧ 1 g / min = F1 min , F2 R = 1.5 g / min <2 g / min = F2 min , so there is only 1 as i where Fi R ≧ Fi min. To do. Therefore, I (this only i) = 1.

PI*=P1*=500(W)≠0である。よって、燃料電池の電気出力をPI*すなわちP1*(500W)とし、改質法を第1の改質法とし、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量をF1*=2g/minとする。 PI * = P1 * = 500 (W) ≠ 0. Therefore, the electric output of the fuel cell is PI *, that is, P1 * (500 W), the reforming method is the first reforming method, and the flow rate of the hydrocarbon-based fuel supplied to the reforming catalyst layer is F1 * = 2 g / min. And

(ケース9)
ここでは
D=600W
であり、工程Bにおいて
F1R=0.5g/min、F2R=5g/min
と決定されているものとする。さらに、工程Dにおいて、
P2*=600W、F2*=4g/min
と決定されているものとする。
(Case 9)
Here, P D = 600W
In process B, F1 R = 0.5 g / min, F2 R = 5 g / min
It is assumed that Further, in step D,
P2 * = 600W, F2 * = 4g / min
It is assumed that

F2R=5g/min≧2g/min=F2minである一方、F1R=0.5g/min<1g/min=F1minであるので、FiR≧Fiminとなるiとして、2だけが存在する。したがって、I(このただ一つのi)=2である。 While F2 R = 5 g / min ≧ 2 g / min = F2 min , while F1 R = 0.5 g / min <1 g / min = F1 min , there is only 2 as i where Fi R ≧ Fi min. To do. Therefore, I (this only i) = 2.

PI*=P2*=600(W)≠0である。よって、燃料電池の電気出力をPI*すなわちP2*=600Wとし、改質法を第2の改質法とし、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量をF2*=4g/minとする。 PI * = P2 * = 600 (W) ≠ 0. Therefore, the electric output of the fuel cell is PI *, that is, P2 * = 600 W, the reforming method is the second reforming method, and the flow rate of the hydrocarbon fuel supplied to the reforming catalyst layer is F2 * = 4 g / min. To do.

<工程Cを行う例>
(ケース10)
ここでは工程Bにおいて
F1R=0.5g/min、F2R=1.5g/min
と決定されているものとする。
<Example of performing step C>
(Case 10)
Here, in step B, F1 R = 0.5 g / min, F2 R = 1.5 g / min
It is assumed that

このとき、F1R=0.5g/min<1g/min=F1min、F2R=1.5g/min<2g/min=F2minなので、すなわち全てのiについて、FiR<Fiminなので、工程Dは行なわずに、工程Cを行ない、燃料電池の電気出力をゼロにする。 At this time, since F1 R = 0.5 g / min <1 g / min = F1 min and F2 R = 1.5 g / min <2 g / min = F2 min , that is, since Fi R <Fi min for all i, D is not performed, but process C is performed, and the electric output of the fuel cell is made zero.

このとき、第1および第2の改質法のうち吸熱量に対する発熱量の比率が最も大きい改質法が第2の改質法であれば、第2の改質法を採用するとともにF2Rの流量の炭化水素系燃料を改質器に供給し、少なくとも一つのiについて、少なくともFiR≧Fiminとなるまで、改質器に付設されたヒータやバーナなどで改質触媒層を昇温することができる。工程A〜Cを繰り返しているうちに改質触媒層の温度が上昇し、少なくとも一つのiについてFiR≧Fiminとなったら、工程D以降を行うことができる。 At this time, if the reforming method having the largest ratio of the calorific value to the endothermic amount among the first and second reforming methods is the second reforming method, the second reforming method is adopted and F2 R Is supplied to the reformer, and the temperature of the reforming catalyst layer is raised with a heater or a burner attached to the reformer until at least Fi R ≧ Fi min for at least one i. can do. If the temperature of the reforming catalyst layer rises while steps A to C are repeated and Fi R ≧ Fi min for at least one i, step D and subsequent steps can be performed.

〔TikおよびTikに対応するGikの設定の仕方〕
・Tikの設定の仕方
触媒層の測定温度TがTikのうちの最小値より小さい場合、工程Bが実施不可能となるため、Tikの最小値は、できるだけ小さい方が好ましく、例えば、第iの改質法によって改質可能な炭化水素系燃料の流量がゼロを超える温度のうちの最低温度することができる。
[Way of Gi k of settings corresponding to Ti k and Ti k]
-How to set Ti k When the measured temperature T of the catalyst layer is smaller than the minimum value of Ti k , step B cannot be performed. Therefore, the minimum value of Ti k is preferably as small as possible. The lowest temperature among the temperatures at which the flow rate of the hydrocarbon-based fuel that can be reformed by the i-th reforming method exceeds zero can be achieved.

Niは発電効率の観点から、制御手段のメモリの許容範囲内で、できるだけ大きくするのが好ましい。特に、触媒層温度が高くなるにつれ、第iの改質法によって改質可能な炭化水素系燃料の流量の増加率が高くなる場合には、温度が高くなるほど、Tikの間隔を小さくするのが好ましい。 From the viewpoint of power generation efficiency, Ni is preferably as large as possible within the allowable range of the memory of the control means. In particular, when the rate of increase in the flow rate of the hydrocarbon-based fuel that can be reformed by the i-th reforming method increases as the catalyst layer temperature increases, the interval between Ti k decreases as the temperature increases. Is preferred.

・Gikの設定の仕方
Gikは対応する改質触媒層温度Tikにおいて改質触媒層において第iの改質法によって改質可能な炭化水素系燃料の流量である。したがって、改質触媒層の温度が温度Tikのときの、改質触媒層において第iの改質法によって改質可能な炭化水素系燃料の流量Gikを予め求め、TikとGikとの対応関係を予め設定する。以下、Gikの求め方について、説明する。
· Gi k setting way Gi k of a flow rate of reforming hydrocarbon-based fuel that can be by reforming method of the i in the reforming catalyst layer at the corresponding reforming catalyst layer temperature Ti k. Therefore, when the temperature of the reforming catalyst layer is the temperature Ti k , the flow rate Gi k of the hydrocarbon-based fuel that can be reformed in the reforming catalyst layer by the i-th reforming method is obtained in advance, and Ti k and Gi k Is set in advance. Hereinafter, how to obtain Gi k will be described.

改質触媒層において改質可能な炭化水素系燃料の流量は、その流量の炭化水素系燃料を改質触媒層に供給した場合に、改質触媒層から排出されるガスの組成が、燃料電池のアノードに供給するに適した組成になる流量をいう。   The flow rate of the hydrocarbon-based fuel that can be reformed in the reforming catalyst layer is such that when the hydrocarbon-based fuel at that flow rate is supplied to the reforming catalyst layer, the composition of the gas discharged from the reforming catalyst layer is the fuel cell. The flow rate at which the composition is suitable for supply to the anode.

例えば、改質触媒層における改質可能流量は、供給した炭化水素系燃料がC1化合物(炭素数1の化合物)まで分解されうる流量の最大値以下の任意の流量とすることができる。すなわち、改質触媒層出口ガスにおけるC2+成分(炭素数が2以上の成分)が炭素析出による流路閉塞やアノード劣化に対して問題にならない濃度以下である組成になるまで改質触媒層において改質が進みうる場合の、改質触媒層への炭化水素系燃料の供給流量の最大値以下の任意の流量とすることができる。改質可能流量は、この最大値とすることができ、あるいは、この最大値を安全率(1を超える値。例えば1.4。)で除した値とすることができる。このときのC2+成分の濃度は、改質ガス中の質量分率として50ppb以下が好ましい。そしてこのとき、改質触媒層出口ガスが還元性になっていればよい。改質触媒層出口ガス中に、メタンが含まれることは許容される。炭化水素系燃料の改質においては、通常、平衡論上メタンが残留する。改質触媒層出口ガス中に、メタン、COあるいはCO2の形で炭素が含まれていても、必要に応じてスチームを添加することで炭素析出を防止することができる。炭化水素系燃料としてメタンを用いる場合は、改質触媒層出口ガスが還元性になるように、改質が進めばよい。 For example, the reformable flow rate in the reforming catalyst layer can be an arbitrary flow rate that is not more than the maximum value of the flow rate at which the supplied hydrocarbon fuel can be decomposed to the C1 compound (compound having 1 carbon atom). That is, the reforming catalyst layer is modified until the C2 + component (the component having 2 or more carbon atoms) in the reforming catalyst layer outlet gas has a concentration that does not cause a problem with respect to channel blockage or anode deterioration due to carbon deposition. When the quality can proceed, the flow rate can be set to an arbitrary flow rate that is not more than the maximum value of the supply flow rate of the hydrocarbon-based fuel to the reforming catalyst layer. The reformable flow rate can be the maximum value, or can be a value obtained by dividing the maximum value by a safety factor (a value exceeding 1; for example, 1.4). The concentration of the C2 + component at this time is preferably 50 ppb or less as a mass fraction in the reformed gas. At this time, the reforming catalyst layer outlet gas only needs to be reducible. It is allowed that methane is contained in the reforming catalyst layer outlet gas. In the reforming of hydrocarbon-based fuels, methane usually remains in equilibrium. Even if the reforming catalyst layer outlet gas contains carbon in the form of methane, CO, or CO 2 , carbon deposition can be prevented by adding steam as necessary. When methane is used as the hydrocarbon-based fuel, reforming may be advanced so that the reforming catalyst layer outlet gas becomes reducible.

改質触媒層出口ガスの還元性については、このガスがアノードに供給されても、アノードの酸化劣化を抑えられる程度であればよい。このために、例えば、改質触媒層出口ガスに含まれる酸化性のO2、H2O、CO2などの分圧をアノード電極の酸化反応における平衡分圧より低くすることができる。例えば、アノード電極材料がニッケルで、アノード温度が800℃のとき、改質触媒層出口ガスに含まれるO2分圧を1.2×10-14atm(1.2×10-9Pa)未満、H2に対するH2Oの分圧比を1.7×102未満、COに対するCO2の分圧比を1.8×102未満とすることができる。 Regarding the reducing property of the reforming catalyst layer outlet gas, even if this gas is supplied to the anode, it only needs to be capable of suppressing oxidative deterioration of the anode. For this purpose, for example, the partial pressure of oxidizing O 2 , H 2 O, CO 2 and the like contained in the reforming catalyst layer outlet gas can be made lower than the equilibrium partial pressure in the oxidation reaction of the anode electrode. For example, when the anode electrode material is nickel and the anode temperature is 800 ° C., the O 2 partial pressure contained in the reforming catalyst layer outlet gas is less than 1.2 × 10 −14 atm (1.2 × 10 −9 Pa). , less than 1.7 × 10 2 partial pressure ratio of H 2 O for H 2, the partial pressure ratio of CO 2 to CO may be less than 1.8 × 10 2.

改質可能流量は、改質触媒層の温度に依存する。そのため、改質触媒層における改質可能流量は、改質触媒層の温度に基づいて求める。   The reformable flow rate depends on the temperature of the reforming catalyst layer. Therefore, the reformable flow rate in the reforming catalyst layer is obtained based on the temperature of the reforming catalyst layer.

改質可能流量Gikは、改質触媒層の温度Tikに対応する値として、予め実験により求めることができる。また、実験により求めた値を安全率で除したり、安全側に温度を補正したりしたうえで、改質可能流量とすることもできる。なお、Gikの単位は例えばg/minやmol/sである。改質可能流量Gikは、温度Tikのみに対応する値とすることができる。しかしその限りではなく、改質可能流量Gikは、温度Tikに加えて、触媒層体積やガス成分の濃度などのTik以外の変数にも対応する値であってもよい。その場合、改質可能流量Gikを求める際には、Tik以外の変数を適宜求め、Tik以外の変数と、測定されたTikとから改質可能流量Gikを求めることができる。 The reformable flow rate Gi k can be obtained in advance by experiments as a value corresponding to the temperature Ti k of the reforming catalyst layer. In addition, it is possible to obtain the reformable flow rate after dividing the value obtained by the experiment by the safety factor or correcting the temperature to the safe side. The unit of Gi k is, for example, g / min or mol / s. The reformable flow rate Gi k can be a value corresponding only to the temperature Ti k . However, the reformable flow rate Gi k may be a value corresponding to a variable other than Ti k such as the catalyst layer volume and the concentration of the gas component in addition to the temperature Ti k . In this case, when obtaining a reformable flow rate Gi k is appropriately determined variables other than Ti k, and variables other than Ti k, it is possible to obtain the reformable flow rate Gi k from the measured Ti k.

Gikを求めるための予備実験において、改質触媒層の温度測定箇所は、1点でも、複数点でもよい。また、改質触媒層の温度としては、複数点の平均値などの代表温度などを用いることができる。 In preliminary experiment for obtaining the gi k, the temperature measuring portion of the reforming catalyst layer, in one point, or at a plurality of points. In addition, as the temperature of the reforming catalyst layer, a representative temperature such as an average value of a plurality of points can be used.

改質触媒層をガス流通方向に沿って分割した複数個の分割領域を考え、改質触媒層のガス流通方向に相異なる位置にある複数点の温度を測定し、それらの温度に基づいて、複数個の分割領域のうちの少なくとも一部において改質可能な燃料の流量を求め、求めた流量の合計値を改質触媒層において改質可能な燃料の流量としてもよい。   Considering a plurality of divided regions obtained by dividing the reforming catalyst layer along the gas flow direction, measuring temperatures at a plurality of points at different positions in the gas flow direction of the reforming catalyst layer, and based on those temperatures, The flow rate of fuel that can be reformed in at least a part of the plurality of divided regions may be obtained, and the total value of the obtained flow rates may be used as the flow rate of fuel that can be reformed in the reforming catalyst layer.

工程Aにおいて実運転中の改質触媒層の温度Tを求める際には、Gikを求めるための予備実験と同様にして、改質触媒層の温度を測定することが望ましい。つまり、予備実験と同じ個所において改質触媒層の温度を測定することが望ましい。予備実験で代表温度などを用いている場合には、工程Aにおいても、同じ代表温度を改質触媒層の温度Tとすることが望ましい。 When obtaining the temperature T of the reforming catalyst layer in actual operation in step A, it is desirable to measure the temperature of the reforming catalyst layer in the same manner as the preliminary experiment for obtaining Gi k . That is, it is desirable to measure the temperature of the reforming catalyst layer at the same location as in the preliminary experiment. When the representative temperature is used in the preliminary experiment, it is desirable that the same representative temperature is set as the temperature T of the reforming catalyst layer in the process A.

〔その他〕
また、燃料電池を系統電源と連系することで、電力負荷に対する燃料電池の電気出力の不足分を系統電源から供給することができる。
[Others]
In addition, by connecting the fuel cell with the system power supply, the shortage of the electrical output of the fuel cell with respect to the power load can be supplied from the system power supply.

燃料電池出力要求値PDは、適宜の電力計で測定した電力負荷の値とすることができる。あるいは、他の発電機や蓄電池と連系する場合に、測定した電力負荷の一部を燃料電池出力要求値PDとすることができる。 Fuel cell output demand value P D may be the value of the power load measured by an appropriate power meter. Alternatively, in the case of other generators and battery and interconnection, a portion of the measured electric power load may be a fuel cell output demand value P D.

工程E、Fなどにおいて炭化水素系燃料の流量を定める際に、必要に応じ、これにあわせて炭化水素系燃料以外の間接内部改質型SOFCに供給する流体の流量、SOFCの出力以外の間接内部改質型SOFCへの電気の入出力を、予め、各Pijに対応させて設定しておいた値(第iの改質法における、定めた炭化水素系燃料の流量と同じj番目の値)に定めることができる。 When determining the flow rate of the hydrocarbon fuel in the processes E, F, etc., the flow rate of the fluid supplied to the indirect internal reforming SOFC other than the hydrocarbon fuel and the indirect other than the output of the SOFC as necessary The electric input / output to / from the internal reforming SOFC is a value set in advance corresponding to each Pi j (the same j-th flow rate as the determined hydrocarbon fuel flow rate in the i-th reforming method). Value).

本発明は、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料が、炭素数が2以上の炭化水素系燃料を含む場合に、特に効果的である。本発明によって、負荷追従運転時においても、改質ガス中の、炭素数2以上の化合物の濃度を、質量基準で50ppb以下とすることができ、これにより、炭素析出による流路閉塞やアノード劣化をさらに確実に防止することができる。   The present invention is particularly effective when the hydrocarbon fuel supplied to the reforming catalyst layer contains a hydrocarbon fuel having 2 or more carbon atoms. According to the present invention, even during load following operation, the concentration of the compound having 2 or more carbon atoms in the reformed gas can be reduced to 50 ppb or less on the mass basis. Can be more reliably prevented.

本発明の方法を行なうために、コンピュータ等の演算手段を含めて適宜の計装制御機器を使用することができる。   In order to perform the method of the present invention, an appropriate instrumentation control device including a calculation means such as a computer can be used.

〔炭化水素系燃料〕
炭化水素系燃料としては、改質ガスの原料として高温型燃料電池の分野で公知の、分子中に炭素と水素を含む(酸素など他の元素を含んでもよい)化合物もしくはその混合物から適宜選んで用いることができ、炭化水素類、アルコール類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、LPG(液化石油ガス)、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等の炭化水素燃料、また、メタノール、エタノール等のアルコール、ジメチルエーテル等のエーテル等である。
[Hydrocarbon fuel]
The hydrocarbon-based fuel is appropriately selected from compounds or mixtures thereof containing carbon and hydrogen (may contain other elements such as oxygen) known in the field of high-temperature fuel cells as a reformed gas raw material. Compounds having carbon and hydrogen in the molecule such as hydrocarbons and alcohols can be used. For example, hydrocarbon fuels such as methane, ethane, propane, butane, natural gas, LPG (liquefied petroleum gas), city gas, gasoline, naphtha, kerosene, light oil, etc., alcohols such as methanol and ethanol, ethers such as dimethyl ether, etc. is there.

なかでも灯油やLPGは、入手容易であり好ましい。また独立して貯蔵可能であるため、都市ガスのラインが普及していない地域において有用である。さらに、灯油やLPGを利用した高温型燃料電池発電装置は、非常用電源として有用である。特には、取り扱いも容易である点で、灯油が好ましい。   Of these, kerosene and LPG are preferred because they are readily available. Moreover, since it can be stored independently, it is useful in areas where city gas lines are not widespread. Furthermore, a high-temperature fuel cell power generator using kerosene or LPG is useful as an emergency power source. In particular, kerosene is preferable because it is easy to handle.

〔高温型燃料電池〕
本発明は、炭素析出による流路閉塞やアノード劣化が生じる可能性のある高温型燃料電池を備えるシステムに好適に適用することができる。このような燃料電池としては、SOFCやMCFCがある。
[High-temperature fuel cell]
The present invention can be suitably applied to a system including a high-temperature fuel cell that may cause channel blockage or anode deterioration due to carbon deposition. Such fuel cells include SOFC and MCFC.

SOFCとしては、平板型や円筒型などの各種形状の公知のSOFCから適宜選んで採用できる。SOFCでは、一般的に、酸素イオン導電性セラミックスもしくはプロトンイオン導電性セラミックスが電解質として利用される。   As the SOFC, various known shapes such as a flat plate type and a cylindrical type can be appropriately selected and used. In the SOFC, oxygen ion conductive ceramics or proton ion conductive ceramics are generally used as an electrolyte.

MCFCについても、公知のMCFCから適宜選んで採用できる。   The MCFC can be appropriately selected from known MCFCs.

SOFCやMCFCは単セルであってもよいが、実用上は複数の単セルを配列させたスタック(円筒型の場合はバンドルと呼ばれることもあるが、本明細書でいうスタックはバンドルも含む)が好ましく用いられる。この場合、スタックは1つでも複数でもよい。   The SOFC or MCFC may be a single cell, but in practice, a stack in which a plurality of single cells are arranged (in the case of a cylindrical type, it may be called a bundle, but the stack referred to in this specification also includes a bundle) Is preferably used. In this case, one or more stacks may be used.

高温型燃料電池のなかでも、間接内部改質型SOFCはシステムの熱効率を高めることができる点で優れている。間接内部改質型SOFCは、水蒸気改質等の改質反応を利用して炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを製造する改質器と、SOFCとを有する。この改質器では、水蒸気改質反応を行うことができ、また、部分酸化反応、水蒸気改質反応に部分酸化反応が伴うオートサーマルリフォーミングを行ってもよい。そして、改質反応に必要な熱がSOFCから供給される。改質器とSOFCが一つのモジュール容器に収容されモジュール化される。改質器はSOFCから熱輻射を受ける位置に配される。こうすることによって、発電時にSOFCからの熱輻射によって改質器が加熱される。また、SOFCから排出されるアノードオフガスをセル出口で燃焼させることにより、SOFCを加熱することもできる。   Among high temperature fuel cells, the indirect internal reforming SOFC is superior in that it can increase the thermal efficiency of the system. The indirect internal reforming SOFC includes a reformer that produces a reformed gas containing hydrogen from a hydrocarbon fuel using a reforming reaction such as steam reforming, and the SOFC. In this reformer, a steam reforming reaction can be performed, and a partial oxidation reaction or autothermal reforming accompanied by a partial oxidation reaction in the steam reforming reaction may be performed. Then, heat necessary for the reforming reaction is supplied from the SOFC. The reformer and SOFC are accommodated in one module container and modularized. The reformer is disposed at a position that receives heat radiation from the SOFC. By doing so, the reformer is heated by heat radiation from the SOFC during power generation. In addition, the SOFC can be heated by burning the anode off-gas discharged from the SOFC at the cell outlet.

間接内部改質型SOFCにおいて、改質器は、SOFCから改質器の外表面へと直接輻射伝熱可能な位置に配することが好ましい。従って改質器とSOFCとの間には実質的に遮蔽物は配置しないこと、つまり改質器とSOFCとの間は空隙にすることが好ましい。また、改質器とSOFCとの距離は極力短くすることが好ましい。   In the indirect internal reforming SOFC, the reformer is preferably arranged at a position where direct heat transfer from the SOFC to the outer surface of the reformer is possible. Therefore, it is preferable that a shielding object is not substantially disposed between the reformer and the SOFC, that is, a gap is provided between the reformer and the SOFC. Further, it is preferable to shorten the distance between the reformer and the SOFC as much as possible.

各供給ガスは必要に応じて適宜予熱されたうえで改質器もしくはSOFCに供給される。   Each supply gas is appropriately preheated as necessary and then supplied to the reformer or SOFC.

モジュール容器としては、SOFCと改質器とを収容可能な適宜の容器を用いることができる。その材料としては、例えばステンレス鋼など、使用する環境に耐性を有する適宜の材料を用いることができる。容器には、ガスの取り合い等のために、適宜接続口が設けられる。   As the module container, an appropriate container capable of accommodating the SOFC and the reformer can be used. As the material, for example, an appropriate material having resistance to the environment to be used, such as stainless steel, can be used. The container is appropriately provided with a connection port for gas exchange and the like.

セル出口がモジュール容器内で開口している場合は特に、モジュール容器の内部と外界(大気)とが連通しないように、モジュール容器が気密性を持つことが好ましい。   In particular, when the cell outlet is open in the module container, the module container is preferably airtight so that the inside of the module container and the outside (atmosphere) do not communicate with each other.

燃焼領域は、SOFCのアノードから排出されるアノードオフガスを燃焼可能な領域である。例えば、アノード出口を筐体内に開放し、アノード出口近傍の空間を燃焼領域とすることができる。酸素含有ガスとして例えばカソードオフガスを用いてこの燃焼を行なうことができる。このために、カソード出口を筐体内に開放することができる。   The combustion region is a region where the anode off gas discharged from the anode of the SOFC can be combusted. For example, the anode outlet can be opened in the housing, and the space near the anode outlet can be used as a combustion region. This combustion can be performed using, for example, a cathode off gas as the oxygen-containing gas. For this purpose, the cathode outlet can be opened in the housing.

燃焼用燃料もしくはアノードオフガスを燃焼させるために、イグナイターなどの着火手段を適宜用いることができる。   An ignition means such as an igniter can be appropriately used to burn the combustion fuel or anode off gas.

〔改質器〕
改質器は、炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを製造する。
[Reformer]
The reformer produces a reformed gas containing hydrogen from a hydrocarbon fuel.

改質器においては、水蒸気改質、部分酸化改質、および、水蒸気改質反応に部分酸化反応が伴うオートサーマルリフォーミングのいずれを行ってもよい。   In the reformer, any of steam reforming, partial oxidation reforming, and autothermal reforming accompanied by a partial oxidation reaction in the steam reforming reaction may be performed.

改質器には、部分酸化改質能と水蒸気改質能とを併せ持つ自己熱改質触媒を用いることができる。   An autothermal reforming catalyst having both partial oxidation reforming ability and steam reforming ability can be used for the reformer.

改質器の構造は、改質器として公知の構造を適宜採用できる。例えば、密閉可能な容器内に改質触媒を収容する領域を有し、改質に必要な流体の導入口と改質ガスの排出口を有する構造とすることができる。   As the structure of the reformer, a structure known as a reformer can be appropriately adopted. For example, it is possible to have a structure having a region for accommodating the reforming catalyst in a sealable container and having an inlet for fluid necessary for reforming and an outlet for reforming gas.

改質器の材質は、改質器として公知の材質から、使用環境における耐性を考慮して適宜選んで採用できる。   The material of the reformer can be appropriately selected and adopted from materials known as reformers in consideration of resistance in the use environment.

改質器の形状は、直方体状や円管状など適宜の形状とすることができる。   The shape of the reformer can be an appropriate shape such as a rectangular parallelepiped or a circular tube.

炭化水素系燃料(必要に応じて予め気化される)および水蒸気、さらに必要に応じて空気等の酸素含有ガスをそれぞれ単独で、もしくは適宜混合した上で改質器(改質触媒層)に供給することができる。また、改質ガスはSOFCのアノードに供給される。   Supply hydrocarbon-based fuel (pre-vaporized if necessary), water vapor, and oxygen-containing gas such as air, if necessary, individually or appropriately mixed to the reformer (reforming catalyst layer) can do. The reformed gas is supplied to the anode of the SOFC.

〔改質触媒〕
改質器で用いる改質触媒としては、例えば、ロジウム系触媒等、公知の自己熱改質触媒を用いることができる。
[Reforming catalyst]
As the reforming catalyst used in the reformer, for example, a known autothermal reforming catalyst such as a rhodium catalyst can be used.

〔改質器の運転条件〕
以下、水蒸気改質、オートサーマル改質、部分酸化改質のそれぞれにつき、改質器における負荷追従運転時の条件について説明する。
[Reformer operating conditions]
Hereinafter, the conditions at the time of load follow-up operation in the reformer will be described for each of steam reforming, autothermal reforming, and partial oxidation reforming.

水蒸気改質では、灯油等の改質原料にスチームが添加される。水蒸気改質の反応温度は例えば400℃〜1000℃、好ましくは500℃〜850℃、さらに好ましくは550℃〜800℃の範囲で行うことができる。反応系に導入するスチームの量は、炭化水素系燃料に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比(スチーム/カーボン比)として定義され、この値は好ましくは1〜10、より好ましくは1.5〜7、さらに好ましくは2〜5とされる。炭化水素系燃料が液体の場合、この時の空間速度(LHSV)は炭化水素系燃料の液体状態での流速をA(L/h)、触媒層体積をB(L)とした場合A/Bで表すことができ、この値は好ましくは0.05〜20h-1、より好ましくは0.1〜10h-1、さらに好ましくは0.2〜5h-1の範囲で設定される。 In steam reforming, steam is added to reforming raw materials such as kerosene. The reaction temperature of the steam reforming can be performed, for example, in the range of 400 ° C to 1000 ° C, preferably 500 ° C to 850 ° C, more preferably 550 ° C to 800 ° C. The amount of steam introduced into the reaction system is defined as the ratio of the number of moles of water molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the hydrocarbon fuel (steam / carbon ratio), and this value is preferably 1 to 10, more preferably 1.5-7, more preferably 2-5. When the hydrocarbon fuel is liquid, the space velocity (LHSV) at this time is A / B when the flow rate in the liquid state of the hydrocarbon fuel is A (L / h) and the catalyst layer volume is B (L). This value is preferably set in the range of 0.05 to 20 h −1 , more preferably 0.1 to 10 h −1 , and still more preferably 0.2 to 5 h −1 .

オートサーマル改質ではスチームの他に酸素含有ガスが改質原料に添加される。酸素含有ガスとしては純酸素でも良いが入手容易性から空気が好ましい。水蒸気改質反応に伴う吸熱反応をバランスし、かつ、改質触媒層やSOFCの温度を保持もしくはこれらを昇温できる発熱量が得られるように酸素含有ガスを添加することができる。酸素含有ガスの添加量は、炭化水素系燃料に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比(酸素/カーボン比)として好ましくは0.005〜1、より好ましくは0.01〜0.75、さらに好ましくは0.02〜0.6とされる。オートサーマル改質反応の反応温度は例えば400℃〜1000℃、好ましくは450℃〜850℃、さらに好ましくは500℃〜800℃の範囲で設定される。炭化水素系燃料が液体の場合、この時の空間速度(LHSV)は、好ましくは0.05〜20h-1、より好ましくは0.1〜10h-1、さらに好ましくは0.2〜5h-1の範囲で選ばれる。反応系に導入するスチームの量は、スチーム/カーボン比として好ましくは1〜10、より好ましくは1.5〜7、さらに好ましくは2〜5とされる。 In autothermal reforming, an oxygen-containing gas is added to the reforming raw material in addition to steam. The oxygen-containing gas may be pure oxygen, but air is preferred because of its availability. An oxygen-containing gas can be added so that the endothermic reaction accompanying the steam reforming reaction is balanced, and a heat generation amount capable of maintaining the temperature of the reforming catalyst layer and SOFC or raising the temperature thereof can be obtained. The addition amount of the oxygen-containing gas is preferably 0.005 to 1, more preferably 0.01 to 0.00 as the ratio of the number of moles of oxygen molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the hydrocarbon fuel (oxygen / carbon ratio). 75, more preferably 0.02 to 0.6. The reaction temperature of the autothermal reforming reaction is set, for example, in the range of 400 ° C to 1000 ° C, preferably 450 ° C to 850 ° C, and more preferably 500 ° C to 800 ° C. When the hydrocarbon fuel is a liquid, the space velocity (LHSV) at this time is preferably 0.05 to 20 h −1 , more preferably 0.1 to 10 h −1 , further preferably 0.2 to 5 h −1. Is selected within the range. The amount of steam introduced into the reaction system is preferably 1 to 10, more preferably 1.5 to 7, and still more preferably 2 to 5 as a steam / carbon ratio.

部分酸化改質では酸素含有ガスが改質原料に添加される。酸素含有ガスとしては純酸素でも良いが入手容易性から空気が好ましい。反応を進めるための温度を確保するため、熱のロス等において適宜添加量は決定される。その量は、炭化水素系燃料に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比(酸素/カーボン比)として好ましくは0.1〜3、より好ましくは0.2〜0.7とされる。部分酸化反応の反応温度は、例えば450℃〜1000℃、好ましくは500℃〜850℃、さらに好ましくは550℃〜800℃の範囲で設定することができる。炭化水素系燃料が液体の場合、この時の空間速度(LHSV)は、好ましくは0.1〜30h-1の範囲で選ばれる。反応系においてすすの発生を抑制するためにスチームを導入することができ、その量は、スチーム/カーボン比として好ましくは0.1〜5、より好ましくは0.1〜3、さらに好ましくは1〜2とされる。 In partial oxidation reforming, an oxygen-containing gas is added to the reforming raw material. The oxygen-containing gas may be pure oxygen, but air is preferred because of its availability. In order to secure a temperature for proceeding the reaction, the amount added is appropriately determined in terms of heat loss and the like. The amount is preferably 0.1 to 3, more preferably 0.2 to 0.7 as the ratio of the number of moles of oxygen molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the hydrocarbon fuel (oxygen / carbon ratio). . The reaction temperature of the partial oxidation reaction can be set, for example, in the range of 450 ° C to 1000 ° C, preferably 500 ° C to 850 ° C, and more preferably 550 ° C to 800 ° C. When the hydrocarbon fuel is a liquid, the space velocity (LHSV) at this time is preferably selected in the range of 0.1 to 30 h −1 . Steam can be introduced to suppress the generation of soot in the reaction system, and the amount thereof is preferably 0.1 to 5, more preferably 0.1 to 3, more preferably 1 to 1, as a steam / carbon ratio. 2.

〔他の機器〕
本発明で用いる高温型燃料電池システムにおいて、高温型燃料電池システムの公知の構成要素は、必要に応じて適宜設けることができる。具体例を挙げれば、炭化水素系燃料に含まれる硫黄分を低減する脱硫器、液体を気化させる気化器、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの昇圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断/切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断/切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱/保温手段、炭化水素系燃料や可燃物の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統などである。
[Other equipment]
In the high-temperature fuel cell system used in the present invention, known components of the high-temperature fuel cell system can be appropriately provided as necessary. Specific examples include desulfurizers that reduce sulfur content in hydrocarbon fuels, vaporizers that vaporize liquids, pumps for pressurizing various fluids, compressors, boosters such as blowers, and the flow rate of fluids. Flow adjustment means such as valves for controlling or shutting off / switching the flow of fluid, flow path shutting / switching means, heat exchangers for heat exchange and heat recovery, condensers for condensing gas, steam, etc. Heating / heat-retaining means for externally heating various equipment, storage means for hydrocarbon fuels and combustibles, instrumentation air and electrical systems, control signal systems, control devices, output and power electrical systems, etc. is there.

本発明は、例えば定置用もしくは移動体用の発電システムに、またコージェネレーションシステムに利用される高温型燃料電池システムに適用できる。   The present invention can be applied to, for example, a stationary or mobile power generation system, and a high-temperature fuel cell system used for a cogeneration system.

1 水気化器
2 水気化器に付設された電気ヒータ
3 改質器
4 改質触媒層
5 燃焼領域
6 SOFC
7 イグナイター
8 モジュール容器
9 改質器に付設された電気ヒータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Water vaporizer 2 Electric heater attached to water vaporizer 3 Reformer 4 Reforming catalyst layer 5 Combustion zone 6 SOFC
7 Igniter 8 Module container 9 Electric heater attached to reformer

Claims (4)

炭化水素系燃料を改質して水素を含有する改質ガスを製造する、改質触媒層を有する改質器と、該改質ガスを用いて発電を行う高温型燃料電池とを有する燃料電池システムの負荷追従運転方法であって、
水蒸気改質法、部分酸化改質法および自己熱改質法からなる群から選ばれる少なくとも二種の改質法を第iの改質法として定め、ただしiは1以上L以下の整数であってLは2または3であり、
全てのiについて、予め、第iの改質法で製造した改質ガスを該燃料電池に供給して発電した場合における、相異なるMi個の燃料電池電気出力Pijと各Pijに対応する炭化水素系燃料の流量Fijとを設定しておき、かつ、各Pijにおける発電効率ηijを求めておき、
ただし、jは1以上Mi以下の整数であって、Miは2以上の整数であり、
各Fijは対応する電気出力Pijを燃料電池で出力するために第iの改質法を行う改質触媒層に供給することが必要な炭化水素系燃料の流量であり、
各Pijは0以上であってjの増加に伴ってPijが増加し、各Fijは0より大きく、
全てのiについて、jが1である場合のPijであるPi1は0であり、jがMiである場合のPijであるPiMiは第iの改質法を行う場合の燃料電池の最大電気出力であり、
各iにおいて、全てのjについてのFijのうちの最小値をFiminと表し、
かつ、全てのiについて、予め、相異なるNi個の改質触媒層温度Tikと、各Tikに対応する炭化水素系燃料の流量Gikと、を設定しておき、
ただし、kは1以上Ni以下の整数であって、Niは2以上の整数であり、
各Gikは対応する改質触媒層温度Tikにおいて改質触媒層において第iの改質法によって改質可能な炭化水素系燃料の流量であり、各Gikは0より大きく、kの増加に伴ってGikは同じ値であるか増加し、
A)改質触媒層の温度Tを測定する工程、
B)全てのiについて、該温度Tの改質触媒層において第iの改質法によって改質可能な炭化水素系燃料の流量である改質可能流量FiRとして、前記温度T以下で最も大きいTikに対応するGikを採用する工程、
C)全てのiについて前記改質可能流量FiRが前記最小値Fiminより小さい場合、燃料電池における発電を停止する工程、
D)少なくとも一つのiについて前記改質可能流量FiRが前記最小値Fimin以上である場合に、この少なくとも一つのiのそれぞれについて、燃料電池出力要求値PDが前記最大電気出力PiMi以下であれば工程d1を行ない、燃料電池出力要求値PDが前記最大電気出力PiMiを超えていれば工程d2を行なう工程、
d1)全てのjについてのPijのうちに、燃料電池出力要求値PDに等しいPijがあれば、FiDS=(PDに等しいPijに対応するFij)とし、
全てのjについてのPijのうちに、燃料電池出力要求値PDに等しいPijがなければ、FiDS=(PDを超える最も小さいPijに対応するFijと、PD未満で最も大きいPijに対応するFijとのうちの小さくない方)とし、
FiDSが前記改質可能流量FiR以下である場合、Pi*=PD、かつ、Fi*=FiDSとし、
FiDSが前記改質可能流量FiRを超えている場合、
燃料電池出力要求値PD未満の範囲に、FiR以下のFijに対応するPijがあれば、Pi*=(PD未満の範囲にあるFiR以下のFijに対応するPijのうちの最大値)、かつ、Fi*=(PD未満の範囲にあるFiR以下のFijに対応するPijのうちの最大値に対応するFij)とし、
燃料電池出力要求値PD未満の範囲に、FiR以下のFijに対応するPijが無ければ、Pi*=0、かつ、Fi*=FiRとする工程、
d2)最大電気出力PiMiに対応するFijであるFiMiが、前記改質可能流量FiR以下である場合、Pi*=PiMi、かつ、Fi*=FiMiとし、
最大電気出力PiMiに対応するFijであるFiMiが、前記改質可能流量FiRを超えている場合、Pi*=(FiR以下のFijに対応するPijのうちの最大値)、かつ、Fi*=(FiR以下のFijに対応するPijのうちの最大値に対応するFij)とする工程、
E)改質可能流量FiRが最小値Fimin以上となるiが二つ以上ある場合に、この二つ以上のiのそれぞれについてPi*に対応するηiを求め、求めたηiのうちの最も大きいηiを与えるiをIと表し、
PI*がゼロの場合、燃料電池における発電を停止し、
PI*がゼロを超える場合、燃料電池の電気出力をPI*とし、改質器で行う改質法を第Iの改質法とし、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量をFI*とする工程、
F)改質可能流量FiRが最小値Fimin以上となるiがただ一つである場合、このただ一つiをIと表し、
PI*がゼロの場合、燃料電池における発電を停止し、
PI*がゼロを超える場合、燃料電池の電気出力をPI*とし、改質器で行う改質法を第Iの改質法とし、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量をFI*とする工程、
を有する燃料電池システムの負荷追従運転方法。
A fuel cell comprising a reformer having a reforming catalyst layer for producing a reformed gas containing hydrogen by reforming a hydrocarbon fuel, and a high-temperature fuel cell for generating electric power using the reformed gas A load following operation method of the system,
At least two reforming methods selected from the group consisting of steam reforming method, partial oxidation reforming method and autothermal reforming method are defined as i-th reforming method, where i is an integer of 1 or more and L or less. L is 2 or 3,
For all i, when the reformed gas produced by the i-th reforming method is supplied to the fuel cell in advance to generate electric power, it corresponds to different Mi fuel cell electrical outputs Pi j and each Pi j . have set up a flow rate Fi j of the hydrocarbon-based fuel, and, to previously obtain a power generation efficiency .eta.i j in each Pi j,
However, j is an integer of 1 or more and Mi or less, Mi is an integer of 2 or more,
Each Fi j is the flow rate of the corresponding electrical output Pi j need to be supplied to the reforming catalyst layer to perform reforming method of the i to output the fuel cell of the hydrocarbon-based fuel,
Each Pi j is greater than or equal to 0, and Pi j increases as j increases, and each Fi j is greater than 0,
Pi i which is Pi j when j is 1 is 0 for all i, and Pi Mi which is Pi j when j is Mi is the value of the fuel cell in the case of performing the i-th reforming method. Maximum electrical output,
In each i, it represents the minimum value of the Fi j for all j and Fi min,
In addition, for all i, different Ni reforming catalyst layer temperatures Ti k and hydrocarbon-based fuel flow rates Gi k corresponding to the respective Ti k are set in advance.
However, k is an integer of 1 or more and Ni or less, Ni is an integer of 2 or more,
Each Gi k is a flow rate of the hydrocarbon-based fuel that can be reformed by the i-th reforming method in the reforming catalyst layer at the corresponding reforming catalyst layer temperature Ti k , and each Gi k is greater than 0 and increases by k Gi k is increased or the same value with the,
A) a step of measuring the temperature T of the reforming catalyst layer,
B) For all i, the reformable flow rate Fi R that is the flow rate of the hydrocarbon-based fuel that can be reformed by the i-th reforming method in the reforming catalyst layer at the temperature T is the largest below the temperature T Adopting Gi k corresponding to Ti k ,
C) a step of stopping power generation in the fuel cell when the reformable flow rate Fi R is smaller than the minimum value Fi min for all i;
If D) at least one of i the reformable flow rate Fi R about is the minimum value Fi min or more, for each of the at least one i, the fuel cell output demand value P D is equal to or less than the maximum electrical output Pi Mi process performs step d1, the fuel cell output demand value P D is a step d2 if exceeds the maximum electrical output Pi Mi long,
d1) within the Pi j for all j, if there is equal Pi j to the fuel cell output demand value P D, and Fi j) corresponding to Fi DS = (P D equal Pi j,
Among the Pi j for all j, if there is equal Pi j to the fuel cell output demand value P D, and Fi j corresponding to Fi DS = (smallest Pi j exceeding P D, most in less than P D The smaller one of Fi j corresponding to large Pi j ),
When Fi DS is equal to or less than the reformable flow rate Fi R , Pi * = P D and Fi * = Fi DS ,
When Fi DS exceeds the reformable flow rate Fi R ,
If there is Pi j corresponding to Fi j below Fi R in the range below the fuel cell output requirement value P D , Pi * = (P i of Pi j corresponding to Fi j below Fi R in the range below P D the maximum value of the out), and, Fi * = a (Fi j corresponding to the maximum value of the Pi j corresponding to Fi R following Fi j in the range of less than P D),
If there is no Pi j corresponding to Fi j below Fi R in the range less than the fuel cell output required value P D , Pi * = 0 and Fi * = Fi R ,
d2) When Fi Mi which is Fi j corresponding to the maximum electrical output Pi Mi is equal to or less than the reformable flow rate Fi R , Pi * = Pi Mi and Fi * = Fi Mi ,
When Fi Mi that is Fi j corresponding to the maximum electrical output Pi Mi exceeds the reformable flow rate Fi R , Pi * = (maximum value among Pi j corresponding to Fi j less than or equal to Fi R ) and, Fi * = step to (Fi j corresponding to the maximum value of the Pi j corresponding to Fi R following Fi j),
E) When there are two or more i at which the reformable flow rate Fi R becomes the minimum value Fi min or more, ηi corresponding to Pi * is obtained for each of the two or more i, and the most of the obtained ηi I that gives a large ηi is represented as I,
If PI * is zero, stop power generation in the fuel cell,
When PI * exceeds zero, the electric output of the fuel cell is PI * , the reforming method performed by the reformer is the first reforming method, and the flow rate of the hydrocarbon-based fuel supplied to the reforming catalyst layer is FI. The process *
F) When there is only one i at which the reformable flow rate Fi R is not less than the minimum value Fi min , this only i is represented as I
If PI * is zero, stop power generation in the fuel cell,
When PI * exceeds zero, the electric output of the fuel cell is PI * , the reforming method performed by the reformer is the first reforming method, and the flow rate of the hydrocarbon-based fuel supplied to the reforming catalyst layer is FI. The process *
A load following operation method for a fuel cell system.
負荷追従運転の間、前記工程A〜Fを繰り返して行なう請求項1記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the steps A to F are repeated during the load following operation. 前記炭化水素系燃料が、炭素数が2以上の炭化水素系燃料を含む請求項1または2記載の方法。   The method according to claim 1 or 2, wherein the hydrocarbon fuel includes a hydrocarbon fuel having 2 or more carbon atoms. 前記改質ガス中の、炭素数2以上の化合物の濃度が、質量基準で50ppb以下である請求項3記載の方法。   The method according to claim 3, wherein the concentration of the compound having 2 or more carbon atoms in the reformed gas is 50 ppb or less on a mass basis.
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