JP5401781B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池システムに使用できる水素生成装置の一形式として、特許文献1に示されているものが知られている。特許文献1の図1に示されているように、水素生成装置は、改質ガスを外部へ排出するための出口部20と、出口部20に設けられた温度検知手段7と、温度検知手段7の検出値に基づいて加熱手段2の加熱温度を制御する制御部8と、を備えている。
上述した特許文献1に記載の水素生成装置においては、改質部出口の温度で加熱手段2の燃焼を制御しているので、その燃焼制御の応答性が遅く、燃焼排ガスを低エミッションに抑制することができない場合があった。 In the hydrogen generator described in Patent Document 1 described above, since the combustion of the heating means 2 is controlled by the temperature of the reforming section outlet, the responsiveness of the combustion control is slow, and the combustion exhaust gas is suppressed to low emission. There was a case that could not be done.
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、燃焼制御の応答性を向上し、燃焼排ガスを確実に低エミッションに抑制することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to improve the responsiveness of combustion control in a fuel cell system and reliably suppress combustion exhaust gas to low emissions.
上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明の構成上の特徴は、燃料極に供給された燃料ガスおよび酸化剤極に供給された酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、改質用燃料を改質することにより水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、定常運転中には、燃料電池の燃料極からのアノードオフガスのみが供給されそのアノードオフガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより改質部を加熱する燃焼部と、改質部に改質用燃料を供給する改質用燃料供給手段と、燃焼部に燃焼用酸化剤ガスを供給する燃焼用酸化剤ガス供給手段と、を備えた燃料電池システムであって、燃焼用酸化剤ガス供給手段によって燃焼用酸化剤ガスの供給量を制御して燃焼部の温度の制御を行う燃焼部温度制御手段と、改質用燃料供給手段によって改質用燃料の供給量を制御して改質部の温度の制御を行う改質部温度制御手段と、を備え、改質部温度制御手段は、改質部の温度が目標温度または目標温度範囲となるように制御を行い、改質部の温度の目標温度または目標温度範囲は、改質部に供給される改質用燃料の熱量に対する燃料電池で消費された水素の熱量の比率であるプロセス効率が最も大きくなるように、燃料電池の発電負荷毎のプロセス効率−改質部温度特性により設定され、燃焼部温度制御手段は、燃焼部の温度が目標温度または目標温度範囲となるように制御を行い、燃焼部の温度の目標温度または目標温度範囲は、実際の燃焼用酸化剤ガスの投入量と理想の燃焼用酸化剤ガスの投入量との比である空気比が、燃焼部からの燃焼排ガスが低エミッションである範囲内となるように、プロセス効率が最も大きくなるように設定された改質部の温度の目標温度または目標温度範囲と、燃料電池の発電負荷毎の転化率−改質部温度特性と、から設定された最適な転化率における、燃料電池の発電負荷毎の空気比−燃焼部温度特性により設定されることである。
In order to solve the above-described problems, the structural feature of the invention according to claim 1 is that a fuel cell that generates power using a fuel gas supplied to the fuel electrode and an oxidant gas supplied to the oxidant electrode, and a reforming A reforming unit that generates a fuel gas containing hydrogen by reforming the fuel, and during steady operation, only the anode off-gas from the fuel electrode of the fuel cell is supplied, and the anode off-gas is burned with combustion oxidant gas A combustion section that heats the reforming section with the combustion gas, a reforming fuel supply means that supplies reforming fuel to the reforming section, and a combustion oxidant gas that supplies combustion oxidant gas to the combustion section. A combustion section temperature control means for controlling the temperature of the combustion section by controlling the supply amount of the combustion oxidant gas by the combustion oxidant gas supply means. Reform by quality fuel supply means Reforming part temperature control means for controlling the temperature of the reforming part by controlling the supply amount of fuel, and the reforming part temperature control means has the temperature of the reforming part within a target temperature or a target temperature range. The target temperature or the target temperature range of the reforming unit temperature is a ratio of the heat amount of hydrogen consumed in the fuel cell to the heat amount of the reforming fuel supplied to the reforming unit. It is set by the process efficiency for each power generation load of the fuel cell and the temperature characteristic of the reforming section so as to be maximized, and the combustion section temperature control means performs control so that the temperature of the combustion section becomes the target temperature or the target temperature range. The target temperature or target temperature range of the temperature of the combustion section is such that the air ratio, which is the ratio of the actual combustion oxidant gas input amount and the ideal combustion oxidant gas input amount, is the combustion exhaust gas from the combustion portion. Is within the range of low emissions In addition, the optimal temperature set from the target temperature or target temperature range of the reforming section temperature set to maximize the process efficiency and the conversion rate-reforming section temperature characteristics for each power generation load of the fuel cell. It is set by the air ratio for each power generation load of the fuel cell-combustion part temperature characteristic in the conversion rate .
また請求項2に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、改質部温度制御手段は、改質部の燃料ガス出口温度の制御を行うことである。 The structural feature of the invention according to claim 2 is that, in claim 1, the reforming section temperature control means controls the fuel gas outlet temperature of the reforming section.
また請求項3に係る発明の構成上の特徴は、請求項1または請求項2において、燃焼部温度制御手段は、燃焼部の燃焼空間内で生じる火炎の輻射温度の制御を行うことである。
A structural feature of the invention according to
また請求項4に係る発明の構成上の特徴は、請求項3において、燃焼部の燃焼空間内で生じる火炎の輻射温度を検出する温度センサをさらに備え、温度センサは、燃焼部に投入される燃焼用酸化剤ガスの投入部が設けられている側から燃焼空間に貫通して燃焼部に固定される構造となっていることである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a structural feature of the third aspect , further comprising a temperature sensor for detecting a radiation temperature of a flame generated in the combustion space of the combustion section, wherein the temperature sensor is input to the combustion section. That is, the combustion oxidant gas is introduced into the combustion space from the side where the oxidant gas injection portion is provided and is fixed to the combustion portion.
また請求項5に係る発明の構成上の特徴は、請求項4において、温度センサは熱電対またはサーミスタであることである。 The structural feature of the invention according to claim 5 is that, in claim 4 , the temperature sensor is a thermocouple or a thermistor.
また請求項6に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、燃焼部の温度の目標温度または目標温度範囲は改質部の温度に基づいて決定されることである。 The structural feature of the invention according to claim 6 is that, in claim 1 , the target temperature or target temperature range of the temperature of the combustion section is determined based on the temperature of the reforming section.
上記のように構成した請求項1に係る発明においては、燃焼部温度制御手段が、燃焼用酸化剤ガス供給手段によって燃焼用酸化剤ガスの供給量を制御して燃焼部の温度の制御を行い、改質部温度制御手段が、改質用燃料供給手段によって改質用燃料の供給量を制御して改質部の温度の制御を行う。これにより、燃焼部以外の部分の温度に基づいて燃焼部での燃焼を制御するのでなく、燃焼部の温度に基づいて燃焼部での燃焼を制御することができるので、その燃焼制御の応答性を向上し、燃焼部からの燃焼排ガスを確実に低エミッションに抑制することができる。さらに、改質用燃料の供給量を調整して改質部温度を所望の温度に制御可能となるので、改質部温度と強い相関性がある改質用燃料の転化率を所望の値に制御可能となる。
さらに、燃焼部温度制御手段は、燃焼部の温度が目標温度または目標温度範囲となるように制御を行い、改質部温度制御手段は、改質部の温度が目標温度または目標温度範囲となるように制御を行うので、燃焼部温度および改質部温度を適切かつ安定的に制御することができる。
さらに、燃焼部および改質部の温度の目標温度または目標温度範囲は燃料電池の発電負荷に応じて決定されるので、燃料電池の負荷に応じて最適な燃焼状態、最適な転化率で運転が可能となる。
In the invention according to claim 1 configured as described above, the combustion section temperature control means controls the temperature of the combustion section by controlling the amount of combustion oxidant gas supplied by the combustion oxidant gas supply means. The reforming section temperature control means controls the reforming section temperature by controlling the amount of reforming fuel supplied by the reforming fuel supply section. Accordingly, the combustion in the combustion part can be controlled based on the temperature of the combustion part, not the combustion in the combustion part based on the temperature of the part other than the combustion part. The combustion exhaust gas from the combustion section can be reliably suppressed to low emission. Furthermore, since the reforming section temperature can be controlled to a desired temperature by adjusting the supply amount of the reforming fuel, the conversion ratio of the reforming fuel having a strong correlation with the reforming section temperature is set to a desired value. Control becomes possible.
Further, the combustion section temperature control means performs control so that the temperature of the combustion section becomes a target temperature or a target temperature range, and the reforming section temperature control means has a temperature of the reforming section that becomes a target temperature or a target temperature range. Thus, the combustion section temperature and the reforming section temperature can be appropriately and stably controlled.
Furthermore, since the target temperature or target temperature range of the temperature of the combustion section and the reforming section is determined according to the power generation load of the fuel cell, the operation can be performed with the optimal combustion state and the optimal conversion rate according to the fuel cell load. It becomes possible.
上記のように構成した請求項2に係る発明においては、請求項1に係る発明において、改質部温度制御手段は、改質部の燃料ガス出口温度の制御を行うので、改質部温度として最適な温度を制御することにより、改質部での反応を最適に制御することができる。さらに、改質部の燃料ガス出口温度は、改質部の改質反応をよりよく反映している。 In the invention according to claim 2 configured as described above, in the invention according to claim 1, the reforming section temperature control means controls the fuel gas outlet temperature of the reforming section. By controlling the optimal temperature, the reaction in the reforming section can be optimally controlled. Further, the fuel gas outlet temperature of the reforming section better reflects the reforming reaction of the reforming section.
上記のように構成した請求項3に係る発明においては、請求項1または請求項2に係る発明において、燃焼部温度制御手段は、燃焼部の燃焼空間内で生じる火炎の輻射温度の制御を行うので、火炎そのものの温度を検出しないで比較的低温の場所に温度センサを設置することができるので、温度センサの耐久性を向上することができる。
In the invention according to
上記のように構成した請求項4に係る発明においては、請求項3に係る発明において、燃焼部の燃焼空間内で生じる火炎の輻射温度を検出する温度センサをさらに備え、温度センサは、燃焼部に投入される燃焼用酸化剤ガスの投入部が設けられている側から燃焼空間に貫通して燃焼部に固定される構造となっているので、燃焼部に投入される燃焼用酸化剤ガスによって温度センサが冷却され、温度センサの耐久性をより向上させることができる。
In the invention according to claim 4 configured as described above, the invention according to
上記のように構成した請求項5に係る発明においては、請求項4に係る発明において、温度センサは熱電対またはサーミスタであるので、一般的に安価な温度センサにより燃焼部の温度を検出することができる。 In the invention according to claim 5 configured as described above, in the invention according to claim 4 , since the temperature sensor is a thermocouple or a thermistor, the temperature of the combustion section is generally detected by an inexpensive temperature sensor. Can do.
ところで、追い焚きレスシステムは、燃焼部でアノードオフガスを燃焼する定常運転中に、アノードオフガスに燃焼用燃料を混合することがない燃料電池システムすなわち定常運転中には燃焼部でアノードオフガスのみを燃焼する燃料電池システムである。この追い焚きレスシステムにおいては、燃焼部に供給され燃焼されるのはアノードオフガスのみであるため、アノードオフガスの組成すなわち転化率に応じて燃焼部温度が変化する。転化率は改質部温度に応じて変化する。転化率を改質部温度で代用し、その改質部温度に応じて燃焼部温度を決定可能である。すなわち、上記のように構成した請求項6に係る発明においては、請求項1に係る発明において、燃焼部の温度の目標温度または目標温度範囲は改質部の温度に基づいて決定されるので、転化率毎に最適な燃焼状態で運転が可能となる。 By the way, the refueling-less system burns only the anode offgas in the fuel cell system in which the combustion fuel is not mixed with the anode offgas during the steady operation in which the anode offgas is burned in the combustion portion, that is, in the steady operation. This is a fuel cell system. In this refueling-less system, only the anode off gas is supplied to the combustion section and burned, so the combustion section temperature changes according to the composition of the anode off gas, that is, the conversion rate. The conversion rate varies depending on the reforming section temperature. The conversion rate can be substituted by the reforming section temperature, and the combustion section temperature can be determined according to the reforming section temperature. That is, in the invention according to claim 6 configured as described above, in the invention according to claim 1 , the target temperature or the target temperature range of the temperature of the combustion section is determined based on the temperature of the reforming section. It becomes possible to operate in an optimal combustion state for each conversion rate.
以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池10とこの燃料電池10に必要な水素ガスを含む改質ガス(燃料ガス)を生成する改質装置20を備えている。
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of this fuel cell system. The fuel cell system includes a
燃料電池10は、燃料極11と酸化剤極である空気極12と両極11,12間に介在された電解質13を備えており、燃料極11に供給された改質ガスおよび空気極12に供給された酸化剤ガスである空気(カソードエア)を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。
The
改質装置20は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池10に供給するものであり、改質部21、冷却部22、一酸化炭素シフト反応部(以下、COシフト部という)23および一酸化炭素選択酸化反応部(以下、CO選択酸化部という)24、燃焼部25、および蒸発部26から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、LPGなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。
The
改質部21は、改質用燃料に改質水が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部21は有底円筒状に形成されており、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路21aを備えている。
The reforming
改質部21の折り返し流路21a内には、触媒21b(例えば、RuまたはNi系の触媒)が充填されており、冷却部22から導入された改質用燃料と水蒸気供給管51から導入された水蒸気との混合ガスが触媒21bによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)は冷却部(熱交換部)22に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
The
また、改質部21には、改質部21の温度(改質部温度:T1)を検出(測定)する温度センサ21cが設けられている。温度センサ21cの検出結果は制御装置30に送信されている。改質部温度は、改質部21内の触媒21bの温度でもよく、触媒21bの温度とよい相関のある触媒21bの充填部を流通する流体の温度でもよい。触媒21bの充填部の温度は、触媒21bの充填部のうち流れ方向の下半分の領域の温度が好ましい。触媒21bの充填部を流通する流体の温度は、触媒21bの充填部中を流れる流体の温度でもよいし、触媒21bの充填部から流出し触媒21bの充填部の温度とほとんど等しい流体の温度(改質部21の出口を流れる流体の温度)でもよい。本実施の形態では、温度センサ21cは改質部21の出口に設けられており、改質部21の出口温度を検出している。具体的には、温度センサ21cは触媒21bの充填部の出口(改質部21の出口)からガス流れ方向に約8mm離れた位置に設けられている。温度センサ21cの温度は、改質部21の出口の流体温度と同等である。
The reforming
冷却部22は、改質部21から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水(水蒸気)との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器(熱交換部)であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してCOシフト部23に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部21に導出するようになっている。
The cooling
具体的には、冷却部22には図示しない燃料供給源(例えば都市ガス管)に接続された改質用燃料供給管41が接続されている。改質用燃料供給管41には、上流から順番に燃料ポンプ42、脱硫器46および改質用燃料バルブ43が設けられている。改質用燃料バルブ43は改質用燃料供給管41を開閉するものである。燃料ポンプ42は改質用燃料を供給しその供給量を調整する改質用燃料供給手段である。脱硫器46は燃料中の硫黄分(例えば、硫黄化合物)を除去するものである。燃料のうち改質部21に供給されて改質されるものを改質用燃料といい、燃焼部25に直接供給されて燃焼されるものを燃焼用燃料という。
Specifically, a reforming fuel supply pipe 41 connected to a fuel supply source (not shown) (for example, a city gas pipe) is connected to the
改質用燃料供給管41の改質用燃料バルブ43と冷却部22との間には蒸発部26に接続された水蒸気供給管51が接続されている。蒸発部26から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部22を通って改質部21に供給されている。
A
蒸発部26は、改質水を蒸発させて水蒸気を生成して冷却部22を介して改質部21に供給するものである。蒸発部26は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路27の外周壁を覆って当接して設けられている。
The
この蒸発部26の下部(例えば側壁面下部、底面)には改質水タンク(図示省略)に接続された給水管52が接続されている。蒸発部26の上部(例えば側壁面上部)には水蒸気供給管51が接続されている。改質水タンクから導入された改質水は、蒸発部26内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびCO選択酸化部24からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気供給管51および冷却部22を介して改質部21へ導出するようになっている。なお、給水管52には、上流から順番に改質水ポンプ53および改質水バルブ54が設けられている。改質水ポンプ53は、蒸発部26に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。改質水バルブ54は給水管52を開閉するものである。
A
また、蒸発部26には、蒸発部26内の水蒸気の温度を検出する温度センサ26aが設けられている。温度センサ26aの検出結果は制御装置30に送信されている。なお、水蒸気の温度が検出できれば、例えば冷却部22の入口付近や、蒸発部26と冷却部22との間の水蒸気供給管51に温度センサ26aを設けるようにしてもよい。この水蒸気の温度は、改質部21に供給される改質水の温度である。
The
COシフト部23は、改質部21から冷却部22を通って供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。COシフト部23は、内部に上下方向に沿って延在する折り返し流路23aを備えている。折り返し流路23a内には触媒23b(例えば、Cu−Zn系の触媒)が充填されている。COシフト部23においては、冷却部22から導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気は、触媒23bにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
The
また、COシフト部23内には、COシフト部23内の温度を測定する温度センサ23cが設けられている。温度センサ23cの検出結果は制御装置30に送信されている。
In the
CO選択酸化部24は、COシフト部23から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池10に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部である。CO選択酸化部24は、円筒状に形成されて、蒸発部26の外周壁を覆って当接して設けられている。CO選択酸化部24の内部には、触媒24a(例えば、RuまたはPt系の触媒)が充填されている。
The CO
また、CO選択酸化部24内には、CO選択酸化部24内の温度を測定する温度センサ24bが設けられている。温度センサ24bの検出結果は制御装置30に送信されている。
In the CO
このCO選択酸化部24の側壁面下部および側壁面上部には、COシフト部23に接続された接続管89および燃料電池10の燃料極11に接続された改質ガス供給管71がそれぞれ接続されている。接続管89には、酸化用空気供給管61が接続されている。これにより、CO選択酸化部24には、COシフト部23からの改質ガスと大気からの酸化用空気が導入されるようになっている。なお、酸化用空気供給管61には、上流から順番に酸化用空気ポンプ62および酸化用空気バルブ63が設けられている。酸化用空気ポンプ62は酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ63は酸化用空気供給管61を開閉するものである。
A connecting
したがって、CO選択酸化部24内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応(酸化)して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒24aによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて(10ppm以下)導出され、燃料電池10の燃料極11に供給されるようになっている。
Therefore, carbon monoxide in the reformed gas introduced into the CO
燃料電池10の燃料極11の導入口には改質ガス供給管71を介してCO選択酸化部24が接続されるとともに、燃料極11の導出口にはオフガス供給管72を介して燃焼部25が接続されている。バイパス管73は燃料電池10をバイパスして改質ガス供給管71およびオフガス供給管72を直結するものである。改質ガス供給管71にはバイパス管73との分岐点と燃料電池10との間に第1改質ガスバルブ74が設けられている。オフガス供給管72にはバイパス管73との合流点と燃料電池10との間にオフガスバルブ75が設けられている。バイパス管73には第2改質ガスバルブ76が設けられている。
A CO
また、燃料電池10の空気極12の導入口には、カソード用空気供給管67が接続されるとともに、空気極12の導出口には、排気管82が接続されている。空気極12に空気が供給され、オフガスが排気されるようになっている。なお、カソード用空気供給管67には上流から順にカソード用空気ポンプ68およびカソード用空気バルブ69が設けられている。カソード用空気ポンプ68はカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ69はカソード用空気供給管67を開閉するものである。
A cathode
燃焼部25は、改質部21を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部21の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。この燃焼部25は、図2に示すように、基部25aと、基部25aに設けられて基部25aと連通する筒状の燃焼筒25bと、オフガスノズル25cと、温度センサ25eと、を備えている。燃焼部25は、制御装置30の指令に応じて点火用電極(図示省略)により着火されるものである。
The
基部25aには、燃焼用空気供給管64が連結され、燃焼用空気が基部25a内の空間25a1に導入される。燃焼筒25bは、上端(一端)が基部25aと接続され連通し下方(他端)が開放されている。燃焼筒25bの長手方向の中間に円盤状の仕切り板25b1が設けられており、燃焼筒25bを長手方向に仕切っている。
A combustion
オフガスノズル25cは、基部25aを貫通し、仕切り板25b1の中央を貫通し、燃焼空間25dまで延びている。オフガスノズル25cの先端部分は閉じられており、先端から少し離れた側面部分に第1噴射口25c1が設けられている。第1噴射口25c1は断面略円形であり、複数設けられている。
The off-
温度センサ25eは、燃焼部25の燃焼空間25d内で生じる火炎25fの輻射温度を検出して、その検出結果を制御装置30に送信するもの(例えば輻射温度計)である。温度センサ25eは、燃焼部25に投入される燃焼用酸化剤ガスの投入部である第2噴射口25b2が設けられている側(仕切り板25b1側)から燃焼空間25dに貫通して燃焼部25に固定される構造となっている。
The
すなわち、温度センサ25eは、シース熱電対であり、基部25aを貫通し仕切り板25b1を貫通して燃焼空間25d内に挿入されている。その先端部分(先端25e1からやや後方)が温度計測部である。温度センサ25eの先端25e1は、第1噴射口25c1の仕切り板25b1側の端25c2より仕切り板25b1側となるように設けられているが、これに限定されない。温度センサ25eの温度計測部が火炎25fの輻射温度を計測できる位置であればよい。具体的には、燃焼空間25dの内部で火炎25fの火炎面25f1の外部であればよい。ここで火炎面とは、燃料ガス(例えばアノードオフガス)の燃焼反応(酸化反応)が起こっている部分とそれ以外の部分の境界面をいう。また、燃焼空間25dは、燃料ガスを燃焼させるために設けた部分であり、燃焼筒25b内で仕切り板25b1のオフガスノズル25cの先端が突出した側の空間のことである。
That is, the
仕切り板25b1のオフガスノズル25cの周りには複数の第2噴射口25b2(実施の形態では20個)が設けられている。オフガスノズル25cはオフガス供給管72に連結されており、アノードオフガスはオフガス供給管72からオフガスノズル25cに供給され、第1噴射口25c1から燃焼空間25dに投入される。燃焼用空気は、燃焼用空気供給管64から基部25a内の空間25a1に供給され、第2噴射口25b2から燃焼空間25dに投入される。燃焼空間25dに投入されたアノードオフガスは燃焼用空気によって燃焼し火炎25fを形成する。
A plurality of second injection ports 25b2 (20 in the embodiment) are provided around the off-
なお、本実施の形態では、温度センサ25eとして熱電対を用いているが、サーミスタを用いてもよい。また、オフガスノズル25cはオフガス用とともに燃料電池10をバイパスした改質ガス用としても使用される。一方、燃焼用燃料は空気と予混合されて燃焼用空気供給管64から供給される。
In the present embodiment, a thermocouple is used as the
また、温度センサ25eを第2噴射口25b2の一つを介して燃焼空間25d内に挿入してもよい。その第2噴射口25b2から燃焼空間25dに噴出される空気により温度センサ25eの先端部分が冷却されるため、温度センサ25eの耐久性をより向上できる。
Further, the
このような構成の燃焼部25によれば、第1噴射口25a1から投入されたアノードオフガスまたは改質ガスを、第2噴射口25a2から投入された燃焼用空気で燃焼させる拡散燃焼を行うことができる。さらに、燃焼用燃料を燃焼用空気と予め混合して第2噴射口25a2から投入させて燃焼させる予混合燃焼を行うことができる。
According to the
なお、燃焼用空気供給管64には燃焼用空気ポンプ(燃焼用酸化剤ガス供給手段)65および燃焼用空気バルブ66が設けられている。燃焼用空気ポンプ65は大気から燃焼用空気を吸い込み燃焼部25に吐出するものであり、制御装置30の指令に応じて燃焼部25に供給する燃焼用空気供給量を調整するものである。燃焼用空気バルブ66は、制御装置30の指令に応じて燃焼用空気供給管64を開閉するものである。
The combustion
さらに、改質用燃料供給管41の脱硫器46と改質用燃料バルブ43との間には、一端が改質ガス供給管71の燃料電池10と第1改質ガスバルブ74との間に接続された燃焼用燃料供給管44の他端が接続されている。燃焼用燃料供給管44には燃焼用燃料バルブ45が設けられている。燃焼用燃料バルブ45は燃焼用燃料供給管44を開閉するものである。また、一端がオフガス供給管72の燃料電池10とオフガスバルブ75との間に接続されるとともに他端が燃焼用空気供給管64の燃焼用空気バルブ66と燃焼部25との間に接続される燃焼用燃料供給管47が設けられている。燃焼用燃料供給管47には燃焼用燃料バルブ48が設けられている。燃焼用燃料バルブ48は燃焼用燃料供給管47を開閉するものである。
Furthermore, between the desulfurizer 46 and the reforming
システム起動開始した時点から改質部21に改質用燃料の供給が開始されるまでの間は、改質用燃料バルブ43、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75が閉じられ、燃焼用燃料バルブ45および燃焼用燃料バルブ48が開かれ、燃料ポンプ42が駆動される。これにより、燃焼部25には燃焼用燃料が改質部21を通らないで燃焼用燃料供給管44、燃料電池10および燃焼用燃料供給管47を通って直接供給される。
From the time when the system is started to the time when the supply of the reforming fuel to the reforming
また、改質部21への改質用燃料の供給開始以降から定常運転(発電)開始までの間は、改質用燃料バルブ43および第2改質ガスバルブ76が開かれ、燃焼用燃料バルブ45および燃焼用燃料バルブ48が閉じられ、燃料ポンプ42が駆動される。第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75は閉じられたままである。これにより、CO選択酸化部24から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池10に供給するのを回避するため、燃焼部25にはCO選択酸化部24からの改質ガスが燃料電池10を通らないで直接供給される。
In addition, the reforming
そして、定常運転(発電)中においては、改質用燃料バルブ43、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75が開かれ、燃焼用燃料バルブ45、燃焼用燃料バルブ48および第2改質ガスバルブ76が閉じられ、燃料ポンプ42が駆動される。これにより、燃焼部25には燃料電池10の燃料極11からのアノードオフガス(燃料電池10の燃料極11に供給され消費されずに排出された水素や未改質の改質用燃料を含んだ改質ガス)のみが供給される。このとき、燃焼部25では燃焼用燃料などの可燃ガスを別途追加して燃焼する追い焚きは行われていない。いわゆる追い焚きレスシステムである。
During steady operation (power generation), the reforming
このように燃焼部25においては、燃焼部25に供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガス(これらは可燃ガスである。)は、燃焼部25に供給された燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、改質部21と断熱部28との間および断熱部28と蒸発部26との間に形成されて改質部21や蒸発部26を加熱するように配設された燃焼ガス流路27を流通し、排気管81を通って燃焼排ガスとして外部に排出される。燃焼ガスは改質部21の改質触媒21aを活性温度域となるように加熱し、蒸発部22を水蒸気生成するために加熱する。
As described above, in the
また、燃料電池システムは制御装置30を備えており、この制御装置30には、上述した温度センサ21c,23c,24b,25e,26a、各ポンプ42,53,62,65,68、各バルブ43,45,48,54,63,66,69,74,75,76、燃焼部25(点火用電極)が接続されている(図3参照)。制御装置30はマイクロコンピュータ(図示省略)を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、CPU、RAMおよびROM(いずれも図示省略)を備えている。CPUは、燃料電池システムの運転を実施している。RAMは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ROMは前記プログラムを記憶するものである。
The fuel cell system also includes a control device 30, which includes the
また、制御装置30には、記憶装置31が接続されている(図3参照)。記憶装置31は、図4に示すように、燃料電池10の発電負荷(要求発電量)Wxと改質部温度目標値T1aとの相関関係(T1a=f1(Wx))を示すマップまたは演算式、および燃料電池10の発電負荷Wxと燃焼部温度目標値T2aとの相関関係(T2a=f2(Wx))を示すマップまたは演算式を記憶するものである。燃料電池10の発電負荷は燃料電池10に接続されている電力負荷(家庭用電化製品)の消費電力(消費電力の総和)に基づいて決定される燃料電池10の発電量である。図4では、横軸は発電負荷(W)であり縦軸は温度(℃)である。
Further, a
燃料電池10の発電負荷Wxと改質部温度目標値T1aとの相関関係(T1a=f1(Wx))を示すマップまたは演算式の算出方法について図5を参照して説明する。図5においては、改質部温度(改質部出口温度)とプロセス効率(プロセス効率−改質部温度特性)との相関関係、および改質部温度(改質部出口温度)と転化率との相関関係(転化率−改質部温度特性)を示している。
A calculation method of a map or an arithmetic expression indicating the correlation (T1a = f1 (Wx)) between the power generation load Wx of the
改質部温度(改質部出口温度)とプロセス効率との相関関係は、実機を使用して測定したデータに基づいて作成する。プロセス効率は、改質部21に供給される改質用燃料の熱量に対する燃料電池10で消費された水素の熱量の比率で表される。具体的には、所定の発電負荷に相当する規定供給量で改質用燃料を改質部21に投入し、燃焼部25での燃焼量(オフガス/模擬オフガス)を可変することで、改質部出口温度を変化させながらプロセス効率を測定する。その結果に基づいて、プロセス効率−改質部温度特性を導出する。このプロセス効率−改質部温度特性を改質部21に投入する改質用燃料の供給量を変化させて改質用燃料供給量毎(発電負荷毎)に導出する。
The correlation between the reforming section temperature (the reforming section outlet temperature) and the process efficiency is created based on data measured using an actual machine. The process efficiency is represented by the ratio of the amount of heat of hydrogen consumed in the
例えば、図5の実線で示されているプロセス効率−改質部温度特性g1−1が燃料電池10の最小発電出力と最大発電出力との中間の発電出力Wmidに相当する改質用燃料の規定供給量の場合を示している。図5の破線で示されているプロセス効率−改質部温度特性g1−2が燃料電池10の最小発電出力Wminに相当する改質用燃料の規定供給量の場合を示している。図5の一点破線で示されているプロセス効率−改質部温度特性g1−3が燃料電池10の最大発電出力Wmaxに相当する改質用燃料の規定供給量の場合を示している。
For example, the process efficiency-reforming portion temperature characteristic g1-1 shown by the solid line in FIG. 5 is defined as the reforming fuel corresponding to the intermediate power generation output Wmid between the minimum power generation output and the maximum power generation output of the
これから明らかなように、各プロセス効率−改質部温度特性g1−1〜g1−3は凸状であり最大値を有しているため、プロセス効率が最も大きい改質部温度を改質部温度目標値と設定することができる。例えば中間の発電出力の場合には、f1(Wmid)を改質部温度目標値T1aと設定する。さらに、改質用燃料の供給量が多くなると、すなわち発電負荷が大きくなると、プロセス効率−改質部温度特性は右斜め上方に移動して(例えば特性g1−1から特性g1−3に向けて移動して)、改質部温度目標値T1aが大きくなる。逆に、改質用燃料の供給量が少なくなると、すなわち発電負荷が小さくなると、プロセス効率−改質部温度特性は左斜め下方に移動して(例えば特性g1−1から特性g1−2に向けて移動して)、改質部温度目標値T1aが小さくなる。このように、各プロセス効率−改質部温度特性毎に(すなわち発電負荷毎に、または改質用燃料供給量毎に)改質部温度目標値を算出できるので、燃料電池10の発電負荷Wxと改質部温度目標値T1aとの相関関係(T1a=f1(Wx))を示すマップまたは演算式の算出することができる。
As is clear from this, each process efficiency-reforming part temperature characteristic g1-1 to g1-3 is convex and has a maximum value, and therefore, the reforming part temperature having the highest process efficiency is determined as the reforming part temperature. The target value can be set. For example, in the case of an intermediate power generation output, f1 (Wmid) is set as the reforming unit temperature target value T1a. Further, when the amount of reforming fuel supplied increases, that is, when the power generation load increases, the process efficiency-reforming portion temperature characteristic moves obliquely upward to the right (for example, from characteristic g1-1 to characteristic g1-3). The reforming section temperature target value T1a is increased. Conversely, when the supply amount of reforming fuel decreases, that is, when the power generation load decreases, the process efficiency-reforming portion temperature characteristic moves obliquely downward to the left (for example, from characteristic g1-1 to characteristic g1-2). The reforming section temperature target value T1a becomes smaller. Thus, since the reforming unit temperature target value can be calculated for each process efficiency-reforming unit temperature characteristic (that is, for each power generation load or for each reforming fuel supply amount), the power generation load Wx of the
なお、図5においては、発電負荷がWminのとき改質部温度目標値T1aがf1(Wmin)であり、発電負荷がWmidのとき改質部温度目標値T1aがf1(Wmid)であり、発電負荷がWmaxのとき改質部温度目標値T1aがf1(Wmax)である。 In FIG. 5, when the power generation load is Wmin, the reformer temperature target value T1a is f1 (Wmin), and when the power generation load is Wmid, the reformer temperature target value T1a is f1 (Wmid). When the load is Wmax, the reformer temperature target value T1a is f1 (Wmax).
次に、燃料電池10の発電負荷Wxと改質部温度目標値T2aとの相関関係(T2a=f2(Wx))を示すマップまたは演算式の算出方法について図6を参照して説明する。図6においては、転化率毎の、空気比λと燃焼部温度T2との相関関係(空気比−燃焼部温度特性)を示している。
Next, a calculation method of a map or an arithmetic expression indicating the correlation (T2a = f2 (Wx)) between the power generation load Wx of the
転化率毎の、空気比λと燃焼部温度T2との相関関係は、実機を使用して測定したデータに基づいて作成する。空気比λは、(実際の燃焼用空気の投入量/理想の燃焼用空気の投入量)で表される。空気比λを変化させるには、実際の燃焼用空気の投入量(供給量)を変更すればよい。具体的には、所定の転化率において、所定の発電負荷に相当する規定供給量で改質用燃料を改質部21に投入し、空気比λを変化させながら燃焼部温度T2を測定する。その結果に基づいて、空気比−燃焼部温度特性を導出する。この空気比−燃焼部温度特性を改質部21に投入する改質用燃料の供給量を変化させて改質用燃料供給量毎(発電負荷毎)に導出する。
The correlation between the air ratio λ and the combustion part temperature T2 for each conversion rate is created based on data measured using an actual machine. The air ratio λ is expressed by (actual combustion air input amount / ideal combustion air input amount). In order to change the air ratio λ, the actual input amount (supply amount) of combustion air may be changed. Specifically, at a predetermined conversion rate, reforming fuel is introduced into the reforming
例えば、各転化率(Xa,Xb,Xc,Xd)の空気比−燃焼部温度特性(h1(Xa),h1(Xb),h1(Xc),h1(Xd))が、図6の実線で示されているように、燃料電池10の最小発電出力と最大発電出力との中間の発電出力Wmidに相当する改質用燃料の規定供給量の場合を示している。図6の破線で示されている各転化率(Xa,Xb,Xc,Xd)の空気比−燃焼部温度特性(h2(Xa),h2(Xb),h2(Xc),h2(Xd))が燃料電池10の最小発電出力Wminに相当する改質用燃料の規定供給量の場合を示している。図6の一点破線で示されている各転化率(Xa,Xb,Xc,Xd)の空気比−燃焼部温度特性(h3(Xa),h3(Xb),h3(Xc),h3(Xd))が燃料電池10の最大発電出力Wmaxに相当する改質用燃料の規定供給量の場合を示している。なお、各転化率の関係は、Xa<Xb<Xc<Xdである。
For example, the air ratio-combustion part temperature characteristics (h1 (Xa), h1 (Xb), h1 (Xc), h1 (Xd)) of each conversion rate (Xa, Xb, Xc, Xd) are shown by the solid line in FIG. As shown in the figure, a case of a specified supply amount of reforming fuel corresponding to an intermediate power generation output Wmid between the minimum power generation output and the maximum power generation output of the
これから明らかなように、同じ空気比λであっても転化率が大きいほど燃焼部温度T2が高くなっている。これは、アノードオフガス中の組成(メタン濃度)が変化することで火炎の位置、形状が異なるからである。そのために安定した燃焼を行うためには、最適転化率で燃焼させ、かつ、最適転化率において低エミッション範囲で燃焼させる必要がある。すなわち、最適転化率に対する低エミッション範囲の中間値の空気比λに対応する燃焼部温度T2を燃焼部温度目標値と設定すればよい。 As is apparent from this, even with the same air ratio λ, the greater the conversion rate, the higher the combustor temperature T2. This is because the position and shape of the flame differ as the composition (methane concentration) in the anode off-gas changes. Therefore, in order to perform stable combustion, it is necessary to burn at an optimum conversion rate and to burn at a low emission range at the optimum conversion rate. That is, the combustion part temperature T2 corresponding to the air ratio λ of the intermediate value in the low emission range with respect to the optimum conversion rate may be set as the combustion part temperature target value.
さらに、改質用燃料の供給量が多くなると、すなわち発電負荷が大きくなると、空気比−燃焼部温度特性は下方に移動して、燃焼部温度目標値T2aが小さくなる。逆に、改質用燃料の供給量が少なくなると、すなわち発電負荷が小さくなると、空気比−燃焼部温度特性は上方に移動して、燃焼部温度目標値T2aが小さくなる。すなわち、同じ空気比λで比較した場合、発電負荷が小さい場合は、噴射口に近いところで小さい火炎が形成されるため燃焼部温度T2が高くなる。逆に、発電負荷が大きい場合は、流速が速いため、火炎は噴射口から遠いところで形成されるため燃焼部温度T2が低くなる。このように、各転化率の空気比−燃焼部温度特性毎に(すなわち発電負荷毎に、または改質用燃料供給量毎に)燃焼部温度目標値を算出できるので、燃料電池10の発電負荷Wxと燃焼部温度目標値T2aとの相関関係(T2a=f2(Wx))を示すマップまたは演算式の算出することができる。
Further, when the supply amount of reforming fuel increases, that is, when the power generation load increases, the air ratio-combustion section temperature characteristic moves downward, and the combustion section temperature target value T2a decreases. On the other hand, when the supply amount of reforming fuel decreases, that is, when the power generation load decreases, the air ratio-combustion section temperature characteristic moves upward, and the combustion section temperature target value T2a decreases. That is, when compared with the same air ratio λ, when the power generation load is small, a small flame is formed near the injection port, so the combustion part temperature T2 becomes high. Conversely, when the power generation load is large, the flow rate is fast, and the flame is formed at a location far from the injection port, so the combustion section temperature T2 is lowered. Thus, since the combustion part temperature target value can be calculated for each air ratio-combustion part temperature characteristic of each conversion rate (that is, for each power generation load or each reforming fuel supply amount), the power generation load of the
なお、図6においては、最適転化率Xcにおける燃焼部温度目標値T2aを例に挙げている。発電負荷がWminのとき燃焼部温度目標値T2aがf2(Wmin)であり、発電負荷がWmidのとき燃焼部温度目標値T2aがf2(Wmid)であり、発電負荷がWmaxのとき燃焼部温度目標値T2aがf2(Wmax)である。 In FIG. 6, the combustion portion temperature target value T2a at the optimum conversion rate Xc is taken as an example. The combustion part temperature target value T2a is f2 (Wmin) when the power generation load is Wmin, the combustion part temperature target value T2a is f2 (Wmid) when the power generation load is Wmid, and the combustion part temperature target when the power generation load is Wmax. The value T2a is f2 (Wmax).
ところで、図5に示すように、改質部温度(改質部出口温度)と転化率とは高い相関関係がある。この相関関係は、実機を使用して測定したデータに基づいて作成する。転化率は、改質部21へ供給された改質用燃料のうち水素に改質されたものの、その供給された改質用燃料の比率である。具体的には、所定の発電負荷に相当する規定供給量で改質用燃料を改質部21に投入し、燃焼部25での燃焼量(オフガス/模擬オフガス)を可変することで、改質部出口温度を変化させながら改質部21から流出する(導出される)改質ガスの転化率を導出する。その結果に基づいて、転化率−改質部温度特性を導出する。転化率−改質部温度特性は改質部温度が高くなるにつれて転化率が大きくなるものである。この転化率−改質部温度特性を改質部21に投入する改質用燃料の供給量を変化させて改質用燃料供給量毎(発電負荷毎)に導出する。
Incidentally, as shown in FIG. 5, the reforming section temperature (reforming section outlet temperature) and the conversion rate have a high correlation. This correlation is created based on data measured using a real machine. The conversion rate is the ratio of the reformed fuel supplied to the reforming
例えば、図5の実線で示されている転化率−改質部温度特性g2−1が燃料電池10の最小発電出力Wminと最大発電出力Wmaxとの中間の発電出力Wmidに相当する改質用燃料の規定供給量の場合を示している。図5の破線で示されている転化率−改質部温度特性g2−2が燃料電池10の最小発電出力Wminに相当する改質用燃料の規定供給量の場合を示している。図5の一点破線で示されている転化率−改質部温度特性g2−3が燃料電池10の最大発電出力Wmaxに相当する改質用燃料の規定供給量の場合を示している。
For example, the reforming fuel whose conversion rate-reforming portion temperature characteristic g2-1 shown by the solid line in FIG. 5 corresponds to a power generation output Wmid intermediate between the minimum power generation output Wmin and the maximum power generation output Wmax of the
これから明らかなように、改質用燃料の供給量が多くなると、すなわち発電負荷が大きくなると、転化率−改質部温度特性は下方に移動する(例えば特性g2−1から特性g2−3に向けて移動する)。一方、改質用燃料の供給量が少なくなると、すなわち発電負荷が小さくなると、転化率−改質部温度特性は上方に移動する(例えば特性g2−1から特性g2−2に向けて移動する)。 As is clear from this, when the supply amount of reforming fuel increases, that is, when the power generation load increases, the conversion rate-reforming portion temperature characteristic moves downward (for example, from characteristic g2-1 to characteristic g2-3). Move). On the other hand, when the supply amount of reforming fuel decreases, that is, when the power generation load decreases, the conversion rate-reforming portion temperature characteristic moves upward (for example, moves from characteristic g2-1 toward characteristic g2-2). .
さらに、上述したように、プロセス効率が最も大きい改質部温度を改質部温度目標値と設定するのが好ましく、発電負荷がWmidのとき改質部温度目標値T1aはf1(Wmid)である。改質部温度がf1(Wmid)であるとき、転化率−改質部温度特性から最適な転化率はXcとなる。すなわち、改質部温度が改質部温度目標値T1a(=f1(Wmid))となるように改質用燃料の供給量を調整することで、改質部21の転化率を最適転化率Xcに調整することできる。具体的には、改質部温度が改質部温度目標値T1aより高いときは、改質用燃料供給量を減少させることでアノードオフガス熱量を減少させ、改質部温度を低下させる。逆に、改質部温度が改質部温度目標値T1aより低いときは、改質用燃料供給量を増大させることでアノードオフガス熱量を増大させ、改質部温度を上昇させる。
Further, as described above, it is preferable to set the reforming section temperature having the highest process efficiency as the reforming section temperature target value. When the power generation load is Wmid, the reforming section temperature target value T1a is f1 (Wmid). . When the reforming section temperature is f1 (Wmid), the optimum conversion ratio is Xc from the conversion ratio-reforming section temperature characteristic. That is, the conversion rate of the reforming
プロセス効率が最も大きい改質部温度を目標値と設定するのが好ましい。プロセス効率に加えて、燃料電池システム(燃料電池、改質器等)が安定して運転可能な条件を踏まえて目標値を決定する。詳しくは、転化率が低すぎると改質出ガス温度(改質部出口温度)に対する転化率(水素生成量)の変化率が大きくなるため、経時的に燃料電池10の水素不足、燃焼部25の吹き消えなどが起きる可能性が高くなるので、転化率下限値を設定しこれより低くならない範囲で目標値を設定する。 It is preferable to set the reforming section temperature having the highest process efficiency as the target value. In addition to the process efficiency, the target value is determined based on the conditions under which the fuel cell system (fuel cell, reformer, etc.) can be stably operated. Specifically, if the conversion rate is too low, the rate of change of the conversion rate (hydrogen generation amount) with respect to the reformed gas temperature (reforming unit outlet temperature) increases. Therefore, the lower limit of the conversion rate is set, and the target value is set within a range not lower than this.
さらに、同じ空気比λであっても転化率が大きいほど燃焼部温度T2が高くなっている。これは、アノードオフガス中の組成(メタン濃度)が変化することで火炎の位置、形状が異なるからである。そのために安定した燃焼を行うためには、最適転化率Xcで燃焼させ、かつ、その最適転化率Xcにおいて低エミッション範囲で燃焼させる必要がある。すなわち、最適転化率に対する低エミッション範囲の中間値の空気比λに対応する燃焼部温度T2を燃焼部温度目標値T2aとなるように燃焼用空気の供給量を調整する必要がある。具体的には、規定の可燃性ガスにおいて燃焼用空気を増大(高λ)すると火炎は噴射口から遠ざかる方向に、燃焼用空気を減少(低λ)すると火炎は噴射口から近づく方向に移動する。つまり、低λだと燃焼部温度T2が高温に、高λだと燃焼部温度T2は低温になるため、燃焼排ガス中CO、NOx濃度が規定濃度以下となるような低エミッション範囲の燃焼部温度T2になるように燃焼用空気の供給量を調整する。 Furthermore, even at the same air ratio λ, the greater the conversion rate, the higher the combustion section temperature T2. This is because the position and shape of the flame differ as the composition (methane concentration) in the anode off-gas changes. Therefore, in order to perform stable combustion, it is necessary to burn at the optimum conversion rate Xc and to burn in the low emission range at the optimum conversion rate Xc. That is, it is necessary to adjust the supply amount of the combustion air so that the combustion section temperature T2 corresponding to the intermediate air ratio λ in the low emission range with respect to the optimum conversion rate becomes the combustion section temperature target value T2a. Specifically, when the combustion air is increased (high λ) in a prescribed combustible gas, the flame moves away from the injection port, and when the combustion air is decreased (low λ), the flame moves closer to the injection port. . That is, if the temperature is low λ, the combustion zone temperature T2 is high, and if it is high λ, the combustion zone temperature T2 is low. Therefore, the combustion zone temperature is such that the CO and NOx concentration in the flue gas is below the specified concentration. The supply amount of combustion air is adjusted so as to be T2.
このように、改質部温度で改質部21の転化率を最適に制御し、燃焼部温度で燃焼部25の燃焼を最適に制御することで、高効率運転、かつ、低エミッションが得られる燃焼制御が可能となる。
Thus, by controlling the conversion rate of the reforming
また、アノードオフガスの組成すなわち転化率に応じて燃焼部温度が変化する。転化率は改質部温度に応じて変化する。転化率を改質部温度で代用し、その改質部温度に応じて燃焼部温度を決定可能である。すなわち、燃焼部の温度の目標温度または目標温度範囲は改質部の温度に基づいて決定されるので、転化率毎に最適な燃焼状態で運転が可能となる。このとき、図7に示すように、改質部温度に対して燃焼部温度目標値を示すマップを使用してもよい。このマップは、上記図5および図6に示すマップを用いれば容易に導出することができる。このマップは記憶装置31に記憶されている。
Further, the temperature of the combustor varies depending on the composition of the anode off gas, that is, the conversion rate. The conversion rate varies depending on the reforming section temperature. The conversion rate can be substituted by the reforming section temperature, and the combustion section temperature can be determined according to the reforming section temperature. That is, since the target temperature or target temperature range of the temperature of the combustion section is determined based on the temperature of the reforming section, it is possible to operate in an optimal combustion state for each conversion rate. At this time, as shown in FIG. 7, a map indicating the combustion part temperature target value with respect to the reforming part temperature may be used. This map can be easily derived by using the maps shown in FIGS. This map is stored in the
上述した燃料電池システムの作動について説明する。制御装置30は、時刻t0にて図示しない起動スイッチがオンされると、燃料電池システムの起動運転を開始する。すなわち燃料電池システムは暖機モードに入る。制御装置30は、燃焼用空気バルブ66を開いて燃焼用空気ポンプ65を駆動して、燃焼用空気を燃焼部25に供給する。また、制御装置30は、燃焼部25の点火用電極に通電する。さらに、制御装置30は、改質用燃料バルブ43、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を閉じ、燃焼用燃料バルブ45,48を開いて、燃料ポンプ42を駆動して、燃焼用燃料を燃料電池10を介して直接燃焼部25に供給する。これにより、燃焼用燃料が燃焼部25で燃焼され、その燃焼ガスにより改質部21および蒸発部26が加熱される。
The operation of the fuel cell system described above will be described. When a start switch (not shown) is turned on at time t0, control device 30 starts the start-up operation of the fuel cell system. That is, the fuel cell system enters the warm-up mode. The control device 30 opens the
制御装置30は、起動すると蒸発部26に所定量の水を供給し(システムが負圧になっていた場合、負圧が解消されてから水を供給する。)、一旦、水を供給を停止する。その後、制御装置30は、温度センサ26aが所定値(例えば、100℃)以上になったら水蒸気が発生したと判断する。そして、制御装置30は、水蒸気の発生を確認してから蒸発部26に所定流量の水を供給開始する。
When activated, the control device 30 supplies a predetermined amount of water to the evaporation unit 26 (if the system is in negative pressure, the water is supplied after the negative pressure is eliminated), and the supply of water is temporarily stopped. To do. Thereafter, the control device 30 determines that water vapor has been generated when the
その後、制御装置30は、改質用燃料バルブ43を開き、燃焼用燃料バルブ45,48、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を閉じて、燃料ポンプ42を駆動して、改質用燃料を改質部21に供給する。また、制御装置30は酸化用空気バルブ63を開いて酸化用空気ポンプ62を駆動させ酸化用空気を所定流量(所定供給量)だけCO選択酸化部24に供給する。これにより、改質部21に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、改質部21では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部21から導出された改質ガスはCOシフト部23およびCO選択酸化部24により一酸化炭素ガスを低減されてCO選択酸化部24から導出され、燃料電池10を通らないで、バイパス管73を通って直接燃焼部25に供給され燃焼される。
Thereafter, the control device 30 opens the reforming
燃焼用燃料や燃料電池10をバイパスした改質ガスの燃焼時の起動モードに関しても、改質出ガス温度制御(改質部出口温度制御)はないものの、各モードの空気比λ−燃焼部温度T2温度マップ(図6)を用いて燃焼制御を行う。
Although there is no reformed output gas temperature control (reformer outlet temperature control) for the combustion mode and the start-up mode during combustion of the reformed gas bypassing the
このような改質ガスの生成中において、制御装置30は、温度センサ24b(および/または温度センサ23c)によりCO選択酸化部24の触媒24aの温度(および/またはCOシフト部23の触媒23bの温度)を検出し、この検出した温度が所定温度以上となれば、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定の低濃度以下となったとして、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を開き第2改質ガスバルブ76を閉じてCO選択酸化部24を燃料電池10の燃料極11の導入口に接続するとともに燃料極11の導出口を燃焼部25に接続する。これにより、燃料電池システムを暖機する起動運転が終了して続いて定常運転が開始される。すなわち燃料電池システムは発電モードに入る。
During the generation of the reformed gas, the control device 30 uses the
制御装置30は、発電モードにおいては、所望の出力電力(負荷装置で消費される電流・電力)となるように改質用燃料、燃焼用空気、酸化用空気、カソード用空気および改質水を供給するようになっている。すなわち、制御装置30は、発電開始時や発電負荷変更時に、改質用燃料の供給量を演算し、その供給量となるように燃料ポンプ42を駆動する。
In the power generation mode, the control device 30 supplies the reforming fuel, the combustion air, the oxidizing air, the cathode air, and the reforming water so as to obtain a desired output power (current / power consumed by the load device). It comes to supply. That is, the control device 30 calculates the supply amount of the reforming fuel at the start of power generation or when the power generation load is changed, and drives the
具体的には、制御装置30は、定常運転を開始すると、図8(a)に示すプログラムを所定の短時間Ta毎に実行する。制御装置30は、ステップ102において、燃料電池10に対する要求発電量(発電負荷)を取得し、ステップ104において、発電負荷が変更したか否かを判定する。発電開始時にあっては、発電が開始されたか否かを判定する。
Specifically, when starting the steady operation, the control device 30 executes the program shown in FIG. 8A every predetermined short time Ta. The control device 30 acquires the required power generation amount (power generation load) for the
制御装置30は、発電開始時、発電負荷変更時である場合、ステップ104で「YES」と判定し、先に取得した燃料電池10に対する要求発電量(発電負荷)に基づいて改質用燃料供給量(要求燃料供給量)を決定し(ステップ106)、決定された供給量で燃料ポンプ42を駆動する(ステップ108)。さらに、制御装置30は、ステップ102で先に取得した発電負荷と、燃料電池10の発電負荷Wxと燃焼部温度目標値T2aとの相関関係(T2a=f2(Wx))を示すマップまたは演算式(図4参照)とから燃焼部温度目標値T2aを導出する(ステップ110)。例えば、発電負荷がWaであるとき、燃焼部温度目標値T2aはf2(Wa)である。
The control device 30 determines “YES” in
制御装置30は、ステップ102で先に取得した発電負荷と、燃料電池10の発電負荷Wxと改質部温度目標値T1aとの相関関係(T1a=f1(Wx))を示すマップまたは演算式(図4参照)とから改質部温度目標値T1aを導出する(ステップ112)。例えば、発電負荷がWaであるとき、改質部温度目標値T1aはf1(Wa)である。
The control device 30 is a map or an arithmetic expression (T1a = f1 (Wx)) indicating the correlation (T1a = f1 (Wx)) between the power generation load previously acquired in
一方、制御装置30は、発電開始時、発電負荷変更時でない場合、発電開始より後で発電負荷が変更されない間は、ステップ106〜112の処理を実行しない。 On the other hand, when the power generation load is not changed at the start of power generation, the control device 30 does not execute the processes of steps 106 to 112 while the power generation load is not changed after the start of power generation.
このように発電開始時、発電負荷変更時に改質用燃料供給量を決定しその供給量で燃料ポンプ42を駆動させた後、制御装置30は、燃焼用空気供給量を所定の短周期で制御し、これと並行して、改質用燃料供給量を所定の長周期で制御している。これは以下の理由による。燃焼部温度T2は応答性が速く短周期の制御が必要である。一方、改質部出口温度T1は、応答性が遅い、規定値(幅)からズレル要因としては改質用燃料流量(供給量)が指示値に対して実流量がずれた場合などが主と考えられるためだからである。
Thus, after the reforming fuel supply amount is determined at the start of power generation or when the power generation load is changed and the
具体的には、制御装置30は、図8(b)に示すプログラムを所定の短時間Tb毎に(所定の短周期で)実行する。短時間Tbは上記短時間Taと同時間である。制御装置30は、ステップ202において、温度センサ25eによって燃焼部温度T2を取得し、その取得した燃焼部温度T2が、先にステップ110で導出された燃焼部温度目標値T2aとなるように燃焼用空気供給手段である燃焼用空気ポンプ65によって燃焼用空気供給量を制御する(燃焼部温度制御手段)。
Specifically, the control device 30 executes the program shown in FIG. 8B every predetermined short time Tb (with a predetermined short cycle). The short time Tb is the same time as the short time Ta. In
さらに、制御装置30は、図8(c)に示すプログラムを所定の長時間毎に(所定の長周期で)実行する。この長時間Tcは上記短時間Tbより長い時間である。制御装置30は、ステップ302において、温度センサ21cによって改質部温度T1を取得し、その取得した改質部温度T1が改質部温度目標値T1aとなるように改質用燃料供給手段である燃料ポンプ42によって改質用燃料供給量を制御する(改質部温度制御手段)。
Further, the control device 30 executes the program shown in FIG. 8C every predetermined long time (with a predetermined long cycle). This long time Tc is longer than the short time Tb. In step 302, the control device 30 acquires reforming unit temperature T1 by the
さらに、制御装置30は、改質用燃料の供給量およびS/C(スチームカーボン比)に基づいて改質水の供給量を演算しその供給量となるように改質水ポンプ53を駆動させている。また、制御装置30は、一酸化炭素を所定量以下とするように酸化用空気の供給量を演算しその供給量となるように酸化用空気ポンプ62を駆動させている。そして、制御装置30は、改質器20から供給された改質ガスと反応するに十分なカソード用空気の供給量を演算しその供給量となるようにカソード用空気ポンプ68を駆動させている。そして、停止スイッチが押されると、燃料電池システムは停止運転を実施して停止する。
Further, the control device 30 calculates the supply amount of reforming water based on the supply amount of reforming fuel and the S / C (steam carbon ratio), and drives the reforming
上述の説明から明らかなように、この実施の形態においては、燃焼部温度制御手段(ステップ202)が、燃焼用酸化剤ガス供給手段(燃焼用空気ポンプ65)によって燃焼用酸化剤ガス(燃焼用空気)の供給量を制御して燃焼部25の温度の制御を行い、改質部温度制御手段(ステップ302)が、改質用燃料供給手段(燃料ポンプ42)によって改質用燃料の供給量を制御して改質部21の温度の制御を行う。これにより、燃焼部25以外の部分の温度に基づいて燃焼部25での燃焼を制御するのでなく、燃焼部の温度(燃焼空間温度)に基づいて燃焼部25での燃焼を制御することができるので、その燃焼制御の応答性を向上し、燃焼部25からの燃焼排ガスを確実に低エミッションに抑制することができる。さらに、改質用燃料の供給量を調整して改質部温度を所望の温度に制御可能となるので、改質部温度と強い相関性がある改質用燃料の転化率を所望の値に制御可能となる。
As is apparent from the above description, in this embodiment, the combustion section temperature control means (step 202) is operated by the combustion oxidant gas supply means (combustion air pump 65) for the combustion oxidant gas (combustion oxidant gas). The temperature of the
また、燃焼用空気供給量の制御と改質用燃料供給量の制御とは並行に行われている。これにより、燃焼用空気供給量、改質用燃料供給量のいずれを変化させても、燃焼部温度を発散させるのを抑制し適切に制御することができる。 The control of the combustion air supply amount and the control of the reforming fuel supply amount are performed in parallel. As a result, it is possible to suppress and appropriately control the divergence of the combustion section temperature regardless of which of the combustion air supply amount and the reforming fuel supply amount is changed.
また、改質部温度制御手段は、改質部21の燃料ガス出口温度の制御を行うので、改質部温度として最適な温度を制御することにより、改質部21での反応を最適に制御することができる。すなわち、改質部21の燃料ガス出口温度は、改質部21の改質反応をよりよく反映しており、改質部21の燃料ガス出口温度を最適な温度に制御して、改質部21での反応を最適に制御することができる。
Further, since the reforming unit temperature control means controls the fuel gas outlet temperature of the reforming
また、燃焼部温度制御手段は、燃焼部25の温度が目標温度または目標温度範囲となるように制御を行い、改質部温度制御手段は、改質部の温度が目標温度または目標温度範囲となるように制御を行うので、燃焼部温度および改質部温度を適切かつ安定的に制御することができる。
Further, the combustion section temperature control means performs control so that the temperature of the
また、燃焼部温度制御手段は、燃焼部25の燃焼空間内で生じる火炎の輻射温度の制御を行うので、火炎そのものの温度を検出しないで比較的低温の場所に温度センサ25eを設置することができるので、温度センサ25eの耐久性を向上することができる。
Further, since the combustion part temperature control means controls the radiation temperature of the flame generated in the combustion space of the
また、燃焼部25の燃焼空間内で生じる火炎の輻射温度を検出する温度センサ25e(例えば熱電対、サーミスタ)をさらに備え、温度センサ25eは、燃焼部25に投入される燃焼用酸化剤ガスの投入部が設けられている側から燃焼空間に貫通して燃焼部25に固定される構造となっているので、燃焼部25に投入される燃焼用酸化剤ガスによって温度センサ25eが冷却され、温度センサ25eの耐久性をより向上させることができる。温度センサ25eの位置によってはアノードオフガスによっても冷却される。
The
また、温度センサ25eは熱電対であるので、一般的に安価な温度センサにより燃焼部の温度を検出することができる。
Moreover, since the
ところで、追い焚きレスシステムは、燃焼部25でアノードオフガスを燃焼する定常運転中に、アノードオフガスに燃焼用燃料を混合することがない燃料電池システムすなわち定常運転中には燃焼部25でアノードオフガスのみを燃焼する燃料電池システムである。この追い焚きレスシステムにおいては、燃焼部25に供給され燃焼されるのはアノードオフガスのみであるため、アノードオフガスの組成すなわち転化率に応じて燃焼部温度が変化する。転化率は改質部温度に応じて変化する。転化率を改質部温度で代用し、その改質部温度に応じて燃焼部温度を決定可能である。すなわち、燃焼部25の温度の目標温度または目標温度範囲は改質部21の温度に基づいて決定されるので、転化率毎に最適な燃焼状態で運転が可能となる。
By the way, the refueling-less system is a fuel cell system in which combustion fuel is not mixed with the anode off gas during the steady operation in which the anode off gas is burned in the
また、燃焼部25および改質部21の温度の目標温度または目標温度範囲は燃料電池10の発電負荷に応じて決定されるので、燃料電池10の負荷に応じて最適な燃焼状態、最適な転化率で運転が可能となる。
Further, since the target temperature or the target temperature range of the temperature of the
また、燃焼部25および改質部21の各温度の目標温度または目標温度範囲は、燃料電池10の発電負荷と燃焼部25の温度および改質部21の温度との関係を示す各マップまたは各関数を使用して決定されるので、燃焼部温度および改質部温度を容易に制御することができる。
Further, the target temperature or the target temperature range of each temperature of the
また、燃料極11および酸化剤極12にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池10と、改質用燃料を改質することにより水素を含む燃料ガスを生成する改質部21と、可燃性ガスが供給されその可燃性ガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより改質部21を加熱する燃焼部25と、を備えた燃料電池システムであって、燃焼部25の燃焼空間内に配設され、該燃焼空間で生じる火炎の輻射温度を検出する温度センサ25eをさらに備えた。これにより、改質部21の影響をできるだけ受けないようにして燃焼部25の温度を確実かつ早期に検出することができる。したがって、燃焼部25以外の部分の温度に基づいて燃焼部25での燃焼を制御するのでなく、燃焼部25の温度に基づいて燃焼部25での燃焼を制御することができるので、その燃焼制御の応答性を向上し、燃焼部25からの燃焼排ガスを確実に低エミッションに抑制することができる。
In addition, a
10…燃料電池、11…燃料極、12…空気極、20…改質装置、21…改質部、21c…温度センサ(改質部温度検出手段)、22…冷却部(熱交換部)、23…一酸化炭素シフト反応部(COシフト部)、24…一酸化炭素選択酸化反応部(CO選択酸化部)、25…燃焼部、25a…基部、25b…燃焼筒、25c…オフガスノズル、25e…温度センサ(燃焼部温度検出手段)26…蒸発部、27…燃焼ガス流路、28…断熱部、30…制御装置(改質部温度制御手段、燃焼部温度制御手段)、41…燃料供給管、42…燃料ポンプ(改質用燃料供給手段)、43…改質用燃料バルブ、44,47…燃焼用燃料供給管、45,48…燃焼用燃料バルブ、46…脱硫器、51…水蒸気供給管、52…給水管、53…改質水ポンプ、54…改質水バルブ、61…酸化用空気供給管、62…酸化用空気ポンプ、63…酸化用空気バルブ、64…燃焼用空気供給管、65…燃焼用空気ポンプ(燃焼用酸化剤ガス供給手段)、66…燃焼用空気バルブ、67…カソード用空気供給管、68…カソード用空気ポンプ、69…カソード用空気バルブ、71…改質ガス供給管、72…オフガス供給管、73…バイパス管、74…第1改質ガスバルブ、75…オフガスバルブ、76…第2改質ガスバルブ、81,82…排気管、89…接続管。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
改質用燃料を改質することにより水素を含む前記燃料ガスを生成する改質部と、
定常運転中には、前記燃料電池の前記燃料極からのアノードオフガスのみが供給されそのアノードオフガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより前記改質部を加熱する燃焼部と、
前記改質部に改質用燃料を供給する改質用燃料供給手段と、
前記燃焼部に燃焼用酸化剤ガスを供給する燃焼用酸化剤ガス供給手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃焼用酸化剤ガス供給手段によって前記燃焼用酸化剤ガスの供給量を制御して前記燃焼部の温度の制御を行う燃焼部温度制御手段と、
前記改質用燃料供給手段によって前記改質用燃料の供給量を制御して前記改質部の温度の制御を行う改質部温度制御手段と、を備え、
前記改質部温度制御手段は、前記改質部の温度が目標温度または目標温度範囲となるように制御を行い、
前記改質部の温度の目標温度または目標温度範囲は、前記改質部に供給される前記改質用燃料の熱量に対する前記燃料電池で消費された水素の熱量の比率であるプロセス効率が最も大きくなるように、前記燃料電池の発電負荷毎のプロセス効率−改質部温度特性により設定され、
前記燃焼部温度制御手段は、前記燃焼部の温度が目標温度または目標温度範囲となるように制御を行い、
前記燃焼部の温度の目標温度または目標温度範囲は、実際の前記燃焼用酸化剤ガスの投入量と理想の前記燃焼用酸化剤ガスの投入量との比である空気比が、前記燃焼部からの燃焼排ガスが低エミッションである範囲内となるように、前記プロセス効率が最も大きくなるように設定された前記改質部の温度の目標温度または目標温度範囲と、前記燃料電池の発電負荷毎の転化率−改質部温度特性と、から設定された最適な転化率における、前記燃料電池の発電負荷毎の空気比−燃焼部温度特性により設定されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electric power using the fuel gas supplied to the fuel electrode and the oxidant gas supplied to the oxidant electrode;
A reforming section for generating the fuel gas containing hydrogen by reforming the reforming fuel;
During steady operation, only the anode off gas from the fuel electrode of the fuel cell is supplied, the anode off gas is burned with a combustion oxidant gas, and the reforming unit is heated with the combustion gas;
Reforming fuel supply means for supplying reforming fuel to the reforming section;
A fuel cell system comprising a combustion oxidant gas supply means for supplying a combustion oxidant gas to the combustion section,
Combustion part temperature control means for controlling the temperature of the combustion part by controlling the supply amount of the combustion oxidant gas by the combustion oxidant gas supply means;
Reforming part temperature control means for controlling the temperature of the reforming part by controlling the supply amount of the reforming fuel by the reforming fuel supply means,
The reforming unit temperature control means performs control so that the temperature of the reforming unit becomes a target temperature or a target temperature range,
The target temperature or the target temperature range of the temperature of the reforming unit has the largest process efficiency, which is the ratio of the amount of heat of hydrogen consumed in the fuel cell to the amount of heat of the reforming fuel supplied to the reforming unit. So as to be set by the process efficiency-reforming part temperature characteristics for each power generation load of the fuel cell,
The combustion part temperature control means performs control so that the temperature of the combustion part becomes a target temperature or a target temperature range,
The target temperature or target temperature range of the temperature of the combustion section is such that an air ratio, which is a ratio of the actual input amount of the combustion oxidant gas and the ideal input amount of the combustion oxidant gas, is from the combustion portion. The target temperature or the target temperature range of the reforming part temperature set so that the process efficiency is maximized so that the combustion exhaust gas in the range of low emission is within the range where the emission is low, and for each power generation load of the fuel cell A fuel cell system, which is set by an air ratio for each power generation load of the fuel cell and a combustion part temperature characteristic at an optimum conversion ratio set from the conversion ratio-reforming part temperature characteristic .
前記温度センサは、前記燃焼部に投入される前記燃焼用酸化剤ガスの投入部が設けられている側から前記燃焼空間に貫通して前記燃焼部に固定される構造となっていることを特徴とする燃料電池システム。 The temperature sensor according to claim 3 , further comprising a temperature sensor that detects a radiation temperature of a flame generated in the combustion space of the combustion section.
The temperature sensor has a structure that penetrates the combustion space and is fixed to the combustion part from the side where the injection part for the combustion oxidant gas supplied to the combustion part is provided. A fuel cell system.
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