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JP2014229482A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2014229482A JP2013108260A JP2013108260A JP2014229482A JP 2014229482 A JP2014229482 A JP 2014229482A JP 2013108260 A JP2013108260 A JP 2013108260A JP 2013108260 A JP2013108260 A JP 2013108260A JP 2014229482 A JP2014229482 A JP 2014229482A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of preventing the S/C from becoming excessive in a fuel cell, while avoiding carbon deposition.SOLUTION: A fuel cell system includes a fuel reformer 44 generating fuel gas by reforming a hydrocarbon-based fuel by using steam, an internal reforming type fuel cell 10 outputting electric energy by electrochemical reaction of fuel gas and oxidant gas, and capable of internally generating fuel gas by reforming the fuel, fuel supply piping 4 for introducing fuel to the fuel reformer 44, water supply piping 5 for supplying steam to the fuel reformer 44, a water pump 52 provided in the water supply piping 5 and adjusting steam supply to the fuel reformer 44 so that the molar ratio of steam to carbon in the fuel supplied to the fuel reformer 44 is a predetermined reference value less likely to cause carbon deposition or more, and bypass piping 6 for introducing fuel directly to the fuel cell 10 without going through the fuel reformer 44.

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that outputs electric energy by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas.

従来、固体酸化物型の燃料電池(SOFC)を備える燃料電池システムとして、水蒸気を用いて炭化水素系の燃料(例えば、メタン)を燃料ガスに改質する燃料改質器を備える構成(外部改質型のシステム)が知られている(例えば、特許文献1参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell system including a solid oxide fuel cell (SOFC) includes a fuel reformer that reforms a hydrocarbon-based fuel (for example, methane) into fuel gas using water vapor (external modification). A quality type system) is known (for example, see Patent Document 1).

特開2011−238363号公報JP 2011-238363 A

ところで、水蒸気改質では、炭化水素系の燃料の炭素数が増えるに伴って改質反応の際に、改質用の触媒上に炭素が析出され易くなる傾向がある。燃料改質器における炭素析出は、触媒性能の劣化や燃料等の供給経路の閉塞を招く要因となることから好ましくない。   By the way, in steam reforming, as the carbon number of the hydrocarbon fuel increases, carbon tends to be deposited on the reforming catalyst during the reforming reaction. Carbon deposition in the fuel reformer is not preferable because it causes deterioration of catalyst performance and blockage of a supply path of fuel and the like.

このため、一般的な燃料電池システムでは、燃料改質器へ供給する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比(S/C:スチーム/カーボン)を炭素析出が生じ難い基準値(例えば、3)以上とすることが望ましいとされている。   For this reason, in a general fuel cell system, the molar ratio (S / C: steam / carbon) of water vapor to carbon in the fuel supplied to the fuel reformer is a reference value (for example, 3) or more where carbon deposition hardly occurs. It is desirable that

しかしながら、外部改質型のシステムにて、燃料改質器へ供給する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比(S/C)を3以上とすると、燃料電池へ流入する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が過大となってしまうといった問題がある。   However, in the external reforming system, if the molar ratio (S / C) of water vapor to carbon in the fuel supplied to the fuel reformer is 3 or more, the water vapor to carbon in the fuel flowing into the fuel cell There is a problem that the molar ratio becomes excessive.

この点について説明すると、燃料改質器では、以下の反応式で示すように、燃料(CH)に対して2倍程度の水蒸気(HO)が消費されるだけであり、燃料電池へ流入する燃料に比べて水蒸気の量が増加するためである。
CH+2HO→CO+4H
例えば、燃料改質器への水蒸気の供給量B1を燃料の供給量A1の3倍程度とし(B1≒3×A1)、燃料改質器への燃料の供給量A1の半分が消費されるとすると、燃料改質器で消費されずに燃料電池へ流入する燃料の流入量A2がA1の半分程度となる(A2≒A1/2)。
Explaining this point, in the fuel reformer, as shown by the following reaction formula, only about twice as much steam (H 2 O) as that of the fuel (CH 4 ) is consumed, and the fuel reformer This is because the amount of water vapor increases compared to the fuel that flows in.
CH 4 + 2H 2 O → CO 2 + 4H 2
For example, when the supply amount B1 of water vapor to the fuel reformer is set to about three times the supply amount A1 of fuel (B1≈3 × A1), and half of the supply amount A1 of fuel to the fuel reformer is consumed. Then, the inflow amount A2 of fuel that flows into the fuel cell without being consumed by the fuel reformer becomes about half of A1 (A2≈A1 / 2).

一方、燃料改質器への水蒸気の供給量B1が燃料の供給量A1の2倍程度が消費されるとすると、燃料改質器で消費されずに燃料電池へ流入する水蒸気の流入量B2は、「B1−2×A2」程度となる。つまり、燃料電池へ流入する水蒸気の流入量B2は、燃料電池へ流入する燃料の流入量A2の4倍程度となってしまう(B2≒4×A2、S/C≒4)。   On the other hand, if the supply amount B1 of water vapor to the fuel reformer is about twice as much as the supply amount A1 of fuel, the inflow amount B2 of water vapor that flows into the fuel cell without being consumed by the fuel reformer is , About “B1-2 × A2”. That is, the inflow amount B2 of water vapor flowing into the fuel cell is about four times the inflow amount A2 of fuel flowing into the fuel cell (B2≈4 × A2, S / C≈4).

燃料電池におけるS/Cが過大となることは、燃料電池内にて発電に寄与しない水蒸気により燃料電池のネルンスト電圧の減少を招き、システムの発電効率が低下する要因となることから好ましくない。   Excessive S / C in the fuel cell is not preferable because water vapor that does not contribute to power generation in the fuel cell causes a decrease in the Nernst voltage of the fuel cell and causes a reduction in power generation efficiency of the system.

本発明は上記点に鑑みて、炭素析出を回避しつつ、燃料電池にてS/Cが過大となることを抑制可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing S / C from becoming excessive in a fuel cell while avoiding carbon deposition.

上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、水蒸気を用いて炭化水素系の燃料を改質して燃料ガスを生成する燃料改質器(44)と、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力すると共に、燃料を改質して燃料ガスを内部で生成可能な内部改質型の燃料電池(10)と、燃料改質器へ燃料を導く第1燃料供給経路(4)と、燃料改質器へ水蒸気を供給する水供給経路(5)と、水供給経路に設けられ、燃料改質器へ供給される燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が炭素析出の生じ難い所定基準値以上となるように、燃料改質器への水蒸気の供給量を調整する水量調整手段(52)と、燃料改質器を介さずに燃料電池へ燃料を直接的に導く第2燃料供給経路(6)と、を備えることを特徴としている。   In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a fuel reformer (44) for reforming a hydrocarbon-based fuel using steam to generate a fuel gas, and a fuel gas and an oxidant gas An internal reforming type fuel cell (10) capable of generating fuel gas internally by reforming the fuel, and a first fuel supply for guiding the fuel to the fuel reformer The molar ratio of water vapor to carbon in the fuel provided in the path (4), the water supply path (5) for supplying the steam to the fuel reformer, and the water supply path, and the fuel in the fuel reformer is carbon deposition. The water amount adjusting means (52) for adjusting the amount of water vapor supplied to the fuel reformer so as to be equal to or higher than a predetermined reference value, and the fuel is directly guided to the fuel cell without going through the fuel reformer. And a second fuel supply path (6).

このように、燃料改質器に対して炭素析出が生じ難い量の水蒸気を確保しつつ、第2燃料供給経路を介して燃料電池に燃料を流入させる構成とすれば、燃料電池への燃料の流入量を増加させることができる。これにより、燃料電池へ流入する燃料中の炭素に対する燃料電池へ流入する水蒸気のモル比(S/C)が過大となることを抑制できる。なお、燃料電池へ直接的に燃料を供給することで、燃料改質器で消費されずに燃料電池へ流入する水蒸気を利用して燃料電池の内部改質を促進させることも可能となる。   As described above, when the fuel is allowed to flow into the fuel cell through the second fuel supply path while ensuring a sufficient amount of water vapor that is unlikely to cause carbon deposition in the fuel reformer, the fuel is supplied to the fuel cell. The amount of inflow can be increased. Thereby, it can suppress that the molar ratio (S / C) of the water vapor which flows into the fuel cell with respect to the carbon in the fuel which flows into the fuel cell becomes excessive. In addition, by supplying the fuel directly to the fuel cell, it is possible to promote internal reforming of the fuel cell by using water vapor that flows into the fuel cell without being consumed by the fuel reformer.

また、請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、第2燃料供給経路を介して燃料電池へ流入する燃料の流入量を調整する燃料調整手段(61、63)と、燃料改質器の温度を検出する改質温度検出手段(44a)と、改質温度検出手段の検出温度に応じて燃料調整手段を制御する制御手段(100)と、備え、制御手段は、改質温度検出手段の検出温度が高くなるに伴い第2燃料供給経路を介して燃料電池へ流入する燃料の流入量が増加するように、第2燃料調整手段を制御することを特徴としている。   According to a second aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the first aspect, the fuel adjusting means (61, 63) for adjusting the amount of fuel flowing into the fuel cell via the second fuel supply path. And a reforming temperature detecting means (44a) for detecting the temperature of the fuel reformer, and a control means (100) for controlling the fuel adjusting means in accordance with the temperature detected by the reforming temperature detecting means. The second fuel adjustment means is controlled so that the amount of fuel flowing into the fuel cell through the second fuel supply path increases as the temperature detected by the reforming temperature detection means increases. .

このように、改質温度の上昇に応じて、第2燃料供給経路を介して燃料電池へ流入する燃料の流入量を増加させる構成とすれば、燃料電池に流入する燃料中の炭素に対する燃料電池へ流入する水蒸気のモル比(S/C)が過大となることをより適切に抑制できる。   Thus, if the configuration is such that the amount of fuel flowing into the fuel cell via the second fuel supply path is increased in accordance with the rise in the reforming temperature, the fuel cell with respect to carbon in the fuel flowing into the fuel cell. It can suppress more appropriately that the molar ratio (S / C) of the water vapor which flows into the water becomes excessive.

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。   In addition, the code | symbol in the parenthesis of each means described in this column and the claim shows an example of a correspondence relationship with the specific means described in the embodiment described later.

第1実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment. 第1実施形態に係る燃料改質器の配置形態を示す図である。It is a figure which shows the arrangement | positioning form of the fuel reformer which concerns on 1st Embodiment. 燃料改質器における改質温度と改質率との相関特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the correlation characteristic of the reforming temperature and reforming rate in a fuel reformer. S/CとOCVとの相関特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the correlation characteristic of S / C and OCV. 第2実施形態に係る燃料改質器の配置形態を示す図である。It is a figure which shows the arrangement | positioning form of the fuel reformer which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。It is a whole block diagram of the fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付してある。
(第1実施形態)
第1実施形態について図面を用いて説明する。図1に示すように、燃料電池システム1は、作動温度が高温(例えば、500℃〜1000℃)となる固体酸化物型の燃料電池(SOFC)10を備えている。なお、説明の便宜上、図1では、燃料電池10を単一の発電セル10aとして図示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals.
(First embodiment)
A first embodiment will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a solid oxide fuel cell (SOFC) 10 whose operating temperature is high (for example, 500 ° C. to 1000 ° C.). For convenience of explanation, in FIG. 1, the fuel cell 10 is illustrated as a single power generation cell 10a.

本実施形態の燃料電池10は、燃料ガスおよび酸化剤ガス(本実施形態では空気)の電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セル10aを、セパレータ14、15を介して積層したスタック構造となっている。なお、発電セル10aのセル形状は、平板型および円筒型のいずれであってもよい。   The fuel cell 10 of this embodiment has a stack structure in which a plurality of power generation cells 10a that output electric energy by an electrochemical reaction of a fuel gas and an oxidant gas (air in this embodiment) are stacked via separators 14 and 15. It has become. The cell shape of the power generation cell 10a may be either a flat plate type or a cylindrical type.

各発電セル10aは、固体酸化物電解質11、空気極(カソード)12、燃料極(アノード)13で構成されている。本実施形態の発電セル10aは、炭化水素系の燃料であるメタン(CH)を改質して生成される水素(H)、および一酸化炭素(CO)を燃料ガスとしている。なお、使用する燃料は、炭化水素系の燃料であればメタン以外を採用してもよい。 Each power generation cell 10 a includes a solid oxide electrolyte 11, an air electrode (cathode) 12, and a fuel electrode (anode) 13. The power generation cell 10a of the present embodiment uses hydrogen (H 2 ) generated by reforming methane (CH 4 ), which is a hydrocarbon fuel, and carbon monoxide (CO) as fuel gases. The fuel to be used may be other than methane as long as it is a hydrocarbon-based fuel.

ここで、発電セル10aの燃料極13は、改質触媒として機能するニッケル(Ni)を含んで構成されている。つまり、本実施形態の燃料電池10は、燃料極13に含まれるニッケルを改質触媒として燃料を改質して燃料ガスを内部で生成可能な内部改質型の燃料電池で構成されている。   Here, the fuel electrode 13 of the power generation cell 10a includes nickel (Ni) that functions as a reforming catalyst. That is, the fuel cell 10 of the present embodiment is configured by an internal reforming type fuel cell that can reform fuel using nickel contained in the fuel electrode 13 as a reforming catalyst to generate fuel gas therein.

セパレータ14、15は、各発電セル10aを電気的に接続すると共に、燃料ガスおよび酸化剤ガスといった反応ガスを各発電セル10aへ供給する機能を有する。なお、セパレータ14、15には、燃料ガスを各発電セル10aへ供給する燃料ガス通路(図示略)、および空気を各発電セル10aへ供給する空気通路(図示略)が形成されている。   The separators 14 and 15 have functions of electrically connecting the power generation cells 10a and supplying a reaction gas such as a fuel gas and an oxidant gas to the power generation cells 10a. The separators 14 and 15 are formed with a fuel gas passage (not shown) for supplying fuel gas to each power generation cell 10a and an air passage (not shown) for supplying air to each power generation cell 10a.

各発電セル10aでは、以下の反応式[化1]、[化2]に示す水素および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
(燃料極)2H+2O2−→2HO+4e・・・[化1]
(空気極)O+4e→2O2−・・・[化2]
また、各発電セル10aでは、以下の反応式[化3]、[化4]に示す一酸化炭素(CO)および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
(燃料極)2CO+2O2−→2CO+4e・・・[化3]
(空気極)O+4e→2O2−・・・[化4]
燃料電池10の空気の入口側には、空気の供給経路である空気供給配管3が接続されている。この空気供給配管3には、上流側から順に、塵や埃等を除去する空気フィルタ31、燃料電池10へと空気を圧送する空気用ブロワ32、空気予熱器33が設けられている。
In each power generation cell 10a, electric energy is output by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen represented by the following reaction formulas [Chemical Formula 1] and [Chemical Formula 2].
(Fuel electrode) 2H 2 + 2O 2- → 2H 2 O + 4e - ··· [ Formula 1]
(Air electrode) O 2 + 4e → 2O 2− ..
In each power generation cell 10a, electric energy is output by an electrochemical reaction of carbon monoxide (CO) and oxygen represented by the following reaction formulas [Chemical Formula 3] and [Chemical Formula 4].
(Fuel electrode) 2CO + 2O 2- → 2CO 2 + 4e - ··· [ of 3]
(Air electrode) O 2 + 4e → 2O 2− .
An air supply pipe 3 that is an air supply path is connected to the air inlet side of the fuel cell 10. The air supply pipe 3 is provided with an air filter 31 that removes dust and the like, an air blower 32 that pumps air to the fuel cell 10, and an air preheater 33 in order from the upstream side.

本実施形態の空気予熱器33は、空気用ブロワ32から圧送された空気を、後述する燃焼器71で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱するものである。空気予熱器33は、燃料電池10の空気極12に供給する空気と燃料極13に供給する高温の燃料ガスとの温度差を縮小して、各発電セル10aにおける発電効率の向上を図るために設けられている。   The air preheater 33 of the present embodiment heats the air pressure-fed from the air blower 32 by exchanging heat with combustion gas generated by a combustor 71 described later. The air preheater 33 reduces the temperature difference between the air supplied to the air electrode 12 of the fuel cell 10 and the high-temperature fuel gas supplied to the fuel electrode 13 to improve the power generation efficiency in each power generation cell 10a. Is provided.

一方、燃料電池10の燃料ガスおよび燃料の入口側には、燃料ガスおよび燃料の供給経路である燃料供給配管4が接続されている。この燃料供給配管4には、上流側から順に、燃料に含まれる硫黄成分を除去する脱硫器41、燃料電池10側へ燃料を圧送する燃料ポンプ42、燃料予熱器43、燃料改質器44が設けられている。   On the other hand, a fuel supply pipe 4 that is a fuel gas and fuel supply path is connected to the fuel gas and fuel inlet side of the fuel cell 10. The fuel supply pipe 4 includes, in order from the upstream side, a desulfurizer 41 that removes sulfur components contained in the fuel, a fuel pump 42 that pumps fuel to the fuel cell 10 side, a fuel preheater 43, and a fuel reformer 44. Is provided.

燃料予熱器43は、燃料改質器44における改質反応の促進するために、燃料ポンプ42から圧送された燃料を後述する燃焼器71で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱するものである。   The fuel preheater 43 heats the fuel pumped from the fuel pump 42 by exchanging heat with a combustion gas generated by a combustor 71 described later in order to promote the reforming reaction in the fuel reformer 44. .

燃料改質器44は、燃料予熱器43にて加熱された燃料および水蒸気を混合した混合ガスを燃焼ガスと熱交換させて加熱すると共に、以下の反応式[化5]に示す改質反応、および反応式[化6]に示すシフト反応により燃料ガス(水素、一酸化炭素)を生成する。
CH+HO→CO+H・・・[化5]
CO+HO→CO+H・・・[化6]
燃料改質器44は、水供給配管5に接続されており、水供給配管5に設けられた気化器53にて生成された水蒸気が供給される。
The fuel reformer 44 heats the mixed gas, which is a mixture of the fuel heated by the fuel preheater 43 and water vapor, with heat exchange with the combustion gas, and performs a reforming reaction represented by the following reaction formula [Chem. 5]: The fuel gas (hydrogen, carbon monoxide) is generated by the shift reaction shown in the reaction formula [Chem. 6].
CH 4 + H 2 O → CO + H 2 ..
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 [Chemical 6]
The fuel reformer 44 is connected to the water supply pipe 5 and is supplied with water vapor generated by the vaporizer 53 provided in the water supply pipe 5.

ここで、水供給配管5について説明すると、水供給配管5は、燃料改質器44に水蒸気を供給する水供給経路を構成している。水供給配管5には、上流側から順に、純水器51、水ポンプ52、気化器53が設けられており、気化器53の出口側が燃料改質器44に接続されている。水ポンプ52は、気化器53を介して水蒸気を燃料改質器44へ供給するものであり、気化器53は、純水器51を介して水ポンプ52から供給される水を燃焼ガスと熱交換させて蒸発させる蒸発器である。   Here, the water supply pipe 5 will be described. The water supply pipe 5 constitutes a water supply path for supplying water vapor to the fuel reformer 44. The water supply pipe 5 is provided with a pure water device 51, a water pump 52, and a vaporizer 53 in order from the upstream side, and the outlet side of the vaporizer 53 is connected to the fuel reformer 44. The water pump 52 supplies water vapor to the fuel reformer 44 via the vaporizer 53, and the vaporizer 53 uses the water supplied from the water pump 52 via the pure water device 51 as combustion gas and heat. It is an evaporator that exchanges and evaporates.

また、本実施形態の燃料改質器44は、図2に示すように、燃料電池10の発電時に周囲に放出される熱(放射熱)を吸熱できるように、燃料電池10の周囲に配設されている。なお、燃料改質器44は、周囲から吸熱して内部を流通する燃料を加熱可能な放射熱型の熱交換器で構成されている。   Further, as shown in FIG. 2, the fuel reformer 44 of the present embodiment is disposed around the fuel cell 10 so as to absorb heat (radiant heat) released to the surroundings when the fuel cell 10 generates power. Has been. The fuel reformer 44 is constituted by a radiant heat type heat exchanger that can heat the fuel that has absorbed heat from the surroundings and circulated therethrough.

燃料改質器44における水蒸気改質は吸熱反応であり、図3に示すように、高温となる条件下にて改質率F(T)が向上する特性を有している。なお、改質率F(T)は、供給された燃料全体のうち、水蒸気改質に利用された燃料の割合である。   The steam reforming in the fuel reformer 44 is an endothermic reaction, and has a characteristic that the reforming rate F (T) is improved under high temperature conditions as shown in FIG. The reforming rate F (T) is the ratio of the fuel used for steam reforming out of the entire supplied fuel.

本実施形態の如く、燃料電池10の発電時に生ずる放射熱を吸熱可能な高温の環境下に、燃料改質器44を配置することで、燃料改質器44における改質率F(T)の向上を図ることができる。   As in the present embodiment, the reforming rate F (T) of the fuel reformer 44 is increased by arranging the fuel reformer 44 in a high temperature environment capable of absorbing radiant heat generated during power generation of the fuel cell 10. Improvements can be made.

図1に戻り、本実施形態の燃料供給配管4には、燃料改質器44を介さずに燃料予熱器43にて加熱された燃料を燃料電池10へ導くバイパス配管6が接続されている。このバイパス配管6は、上流側が燃料供給配管4における燃料予熱器43と燃料改質器44との間に設けられた分岐部4Aに接続され、下流側が燃料供給配管4における燃料改質器44と燃料電池10の燃料入口側との間に設けられた合流部4Bに接続されている。   Returning to FIG. 1, the fuel supply pipe 4 of the present embodiment is connected to a bypass pipe 6 that guides the fuel heated by the fuel preheater 43 to the fuel cell 10 without going through the fuel reformer 44. The bypass pipe 6 has an upstream side connected to a branch portion 4A provided between the fuel preheater 43 and the fuel reformer 44 in the fuel supply pipe 4 and a downstream side connected to the fuel reformer 44 in the fuel supply pipe 4. The fuel cell 10 is connected to a merging portion 4B provided between the fuel cell 10 and the fuel inlet side.

本実施形態のバイパス配管6は、燃料供給配管4から分岐して設けられており、燃料供給配管4に設けられた燃料ポンプ42から圧送された燃料の一部がバイパス配管6を介して燃料電池10に流入する構成となっている。これによれば、燃料を供給する燃料ポンプ42を単一の燃料供給手段で構成することができ、燃料電池システム1の簡素化を図ることが可能となる。   The bypass pipe 6 of the present embodiment is provided to be branched from the fuel supply pipe 4, and a part of the fuel pressure-fed from the fuel pump 42 provided in the fuel supply pipe 4 is connected to the fuel cell via the bypass pipe 6. 10 is configured to flow in. According to this, the fuel pump 42 for supplying the fuel can be constituted by a single fuel supply means, and the fuel cell system 1 can be simplified.

また、本実施形態のバイパス配管6には、バイパス配管6を介して燃料電池10へ直接的に流入する燃料の流入量を調整する燃料調整弁61が設けられている。この燃料調整弁61は、後述の制御装置100からの制御信号に応じて、バイパス配管6の通路開度を増減する電磁弁で構成されている。   Further, the bypass pipe 6 of the present embodiment is provided with a fuel adjustment valve 61 that adjusts the amount of fuel flowing directly into the fuel cell 10 via the bypass pipe 6. The fuel adjustment valve 61 is composed of an electromagnetic valve that increases or decreases the passage opening of the bypass pipe 6 in accordance with a control signal from the control device 100 described later.

なお、本実施形態では、燃料供給配管4が燃料を燃料改質器44へ導く第1燃料供給経路を構成し、バイパス配管6が燃料を燃料電池1へ直接的に導く第2燃料供給経路を構成している。また、燃料調整弁61が、バイパス配管6を介して燃料電池10へ流入する燃料の流入量を調整する燃料調整手段を構成している。   In this embodiment, the fuel supply pipe 4 constitutes a first fuel supply path that leads the fuel to the fuel reformer 44, and the bypass pipe 6 serves as a second fuel supply path that leads the fuel directly to the fuel cell 1. It is composed. Further, the fuel adjustment valve 61 constitutes fuel adjustment means for adjusting the amount of fuel flowing into the fuel cell 10 via the bypass pipe 6.

燃料改質器44の燃料ガスの出口側には、燃料改質器44における改質温度Tを検出する改質温度センサ44aが設けられている。本実施形態では、改質温度センサ44aが、改質温度検出手段を構成している。なお、改質温度センサ44aの配置は、燃料改質器44における燃料ガスの出口側に限定されない。例えば、改質温度センサ44aを燃料改質器44の表面に配置し、燃料改質器44の表面温度を改質温度Tとして検出するようにしてもよい。   A reforming temperature sensor 44 a for detecting the reforming temperature T in the fuel reformer 44 is provided on the fuel gas outlet side of the fuel reformer 44. In the present embodiment, the reforming temperature sensor 44a constitutes a reforming temperature detecting means. The arrangement of the reforming temperature sensor 44 a is not limited to the fuel gas outlet side in the fuel reformer 44. For example, the reforming temperature sensor 44 a may be disposed on the surface of the fuel reformer 44 and the surface temperature of the fuel reformer 44 may be detected as the reforming temperature T.

燃料電池10の空気の出口側には、燃料電池10からの排出空気(酸化剤ガスのオフガス)が流れる空気排出経路7aが接続され、燃料電池10の燃料ガスの出口側には、排出燃料(燃料ガスのオフガス)が流れる燃料排出経路7bが接続されている。各排出経路7a、7bは、燃焼器71に接続されている。   An air discharge path 7 a through which discharged air (oxidant gas off-gas) from the fuel cell 10 flows is connected to the air outlet side of the fuel cell 10, and discharged fuel ( A fuel discharge path 7b through which fuel gas (off gas) flows is connected. Each discharge path 7a, 7b is connected to a combustor 71.

燃焼器71は、排出燃料と排出空気とを混合した混合ガスを可燃ガスとして燃焼させることで、燃料電池10に供給する空気や燃料ガスの予熱等の熱源として利用される高温(例えば、900℃〜1000℃)の燃焼ガスを生成するものである。   The combustor 71 burns a mixed gas, which is a mixture of exhaust fuel and exhaust air, as combustible gas, so that the combustor 71 is used as a heat source for preheating the air and fuel gas supplied to the fuel cell 10 (for example, 900 ° C.). ˜1000 ° C.).

この燃焼器71には、高温の燃焼ガスを排出する燃焼ガス経路7が接続されている。この燃焼ガス経路7は、内部を流れる燃焼ガスの熱を有効利用すべく、上流側から順に燃料改質器44、空気予熱器33、気化器53、燃料予熱器43といった機器に接続されている。また、図示しないが、燃焼ガス経路7における燃料予熱器43の下流側には、給湯水を加熱する熱交換器を設けられており、燃焼ガスが有する熱にて、給湯水等を加熱するようになっている。なお、燃焼ガスを各機器33、43、44、53に流す順序は、各機器にて必要とされる熱量等に応じて変更してもよい。   The combustor 71 is connected to a combustion gas path 7 for discharging high-temperature combustion gas. This combustion gas path 7 is connected to devices such as a fuel reformer 44, an air preheater 33, a carburetor 53, and a fuel preheater 43 in order from the upstream side in order to effectively use the heat of the combustion gas flowing inside. . Although not shown, a heat exchanger for heating hot water is provided on the downstream side of the fuel preheater 43 in the combustion gas path 7 so that the hot water is heated by the heat of the combustion gas. It has become. In addition, you may change the order which flows combustion gas to each apparatus 33, 43, 44, 53 according to the calorie | heat amount etc. which are required in each apparatus.

次に、燃料電池システム1における電子制御部を構成する制御装置100について説明する。制御装置100は、CPUやROM、RAMといった記憶手段等からなる周知のマイクロコンピュータと、その周辺回路にて構成されている。制御装置100は、記憶手段に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い出力側に接続された各種制御機器の作動を制御する制御手段を構成している。   Next, the control apparatus 100 which comprises the electronic control part in the fuel cell system 1 is demonstrated. The control device 100 includes a well-known microcomputer composed of storage means such as a CPU, ROM, and RAM, and its peripheral circuits. The control device 100 constitutes a control unit that performs various calculations and processes based on a control program stored in the storage unit and controls operations of various control devices connected to the output side.

また、制御装置100の入力側には、改質温度センサ44a等の各種センサが接続されており、各種センサの検出結果が制御装置100に入力されるようになっている。   Various sensors such as a reforming temperature sensor 44 a are connected to the input side of the control device 100, and detection results of the various sensors are input to the control device 100.

一方、制御装置100の出力側には、制御機器として空気用ブロワ32、燃料ポンプ42、水ポンプ52、燃料調整弁61等が接続されている。これら制御機器は、制御装置100から出力される制御信号に応じて、その作動が制御される。   On the other hand, an air blower 32, a fuel pump 42, a water pump 52, a fuel adjustment valve 61, and the like are connected to the output side of the control device 100 as control devices. The operation of these control devices is controlled according to a control signal output from the control device 100.

ここで、燃料改質器44へ供給される燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比(S/C)が小さいと、燃料や一酸化炭素等の熱分解反応により、燃料改質器44の内部で炭素析出が生ずる虞がある。具体的には、水蒸気が不足し、燃料改質器44内部で改質反応やシフト反応が進み難い状況において、炭素析出が生じ易くなってしまう。   Here, when the molar ratio (S / C) of water vapor to carbon in the fuel supplied to the fuel reformer 44 is small, the inside of the fuel reformer 44 is caused by a thermal decomposition reaction of fuel, carbon monoxide or the like. Carbon deposition may occur. Specifically, carbon deposition tends to occur in a situation where water vapor is insufficient and reforming reaction or shift reaction is difficult to proceed inside the fuel reformer 44.

このため、本実施形態の制御装置100は、燃料改質器44へ供給される燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が炭素析出の生じ難い所定基準値以上となるように、水ポンプ52の作動を制御している。本実施形態では、水ポンプ52、および制御装置100における水ポンプ52を制御する構成が、燃料改質器44への水蒸気の供給量を調整する水量調整手段を構成している。   For this reason, the control device 100 according to the present embodiment operates the water pump 52 so that the molar ratio of water vapor to carbon in the fuel supplied to the fuel reformer 44 is equal to or higher than a predetermined reference value at which carbon deposition hardly occurs. Is controlling. In the present embodiment, the configuration for controlling the water pump 52 and the water pump 52 in the control device 100 constitutes a water amount adjusting means for adjusting the amount of water vapor supplied to the fuel reformer 44.

なお、「炭素析出が生じ難い所定基準値」とは、燃料ガスを生成する改質反応やシフト反応を成立させる際に必要な燃料改質器44へ供給される燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比の必要最小値に対し、余裕代を加えた値(例えば3)に設定される。水蒸気は、燃料改質器44内において、炭素のガス化反応(C+HO→CO+H)を進める働きを有することから、前述の必要最小値に対して余裕代を加えることで、燃料改質器44における炭素析出を適切に回避することが可能となる。 The “predetermined reference value at which carbon deposition is unlikely to occur” refers to the mole of water vapor relative to the carbon in the fuel supplied to the fuel reformer 44 that is required to establish a reforming reaction or shift reaction that generates fuel gas. It is set to a value (for example, 3) obtained by adding a margin to the necessary minimum value of the ratio. Since the steam has a function of advancing the gasification reaction of carbon (C + H 2 O → CO + H 2 ) in the fuel reformer 44, the fuel reforming can be performed by adding a margin to the above-mentioned necessary minimum value. Carbon deposition in the vessel 44 can be appropriately avoided.

具体的には、制御装置100は、燃料改質器44へ供給される水蒸気の供給量が燃料改質器44へ供給される燃料の供給量の3倍程度となるように、水ポンプ52の回転数を制御している。なお、燃料改質器44へ供給される燃料の供給量は、燃料ポンプ42の回転数および燃料調整弁61への制御信号から把握することができる。   Specifically, the control device 100 controls the water pump 52 so that the amount of water vapor supplied to the fuel reformer 44 is about three times the amount of fuel supplied to the fuel reformer 44. The number of revolutions is controlled. Note that the amount of fuel supplied to the fuel reformer 44 can be determined from the number of revolutions of the fuel pump 42 and the control signal to the fuel adjustment valve 61.

ここで、図4に示すように、燃料電池10では、その内部に流入する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が低くなるに伴って開回路電圧OCVが上昇する特性があり、高出力を得るためには燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比を抑える必要がある。   Here, as shown in FIG. 4, the fuel cell 10 has a characteristic that the open circuit voltage OCV increases as the molar ratio of water vapor to carbon in the fuel flowing into the fuel cell 10 decreases, and high output is obtained. Therefore, it is necessary to suppress the molar ratio of water vapor to carbon in the fuel.

ところが、燃料改質器44へ供給される燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が炭素析出の生じ難い値となるように水ポンプ52の作動を制御すると、燃料電池10へ流入する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が過大となってしまう。   However, if the operation of the water pump 52 is controlled so that the molar ratio of water vapor to carbon in the fuel supplied to the fuel reformer 44 becomes a value at which carbon deposition is unlikely to occur, the carbon in the fuel flowing into the fuel cell 10 is controlled. The molar ratio of water vapor to water becomes excessive.

また、本発明者らの調査研究によれば、燃料電池10へ流入する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比は、燃料改質器44が高温となって改質率F(T)が高くなる条件で顕著に大きくなってしまうことが分った。   Further, according to the research conducted by the present inventors, the molar ratio of water vapor to carbon in the fuel flowing into the fuel cell 10 increases the reforming rate F (T) due to the high temperature of the fuel reformer 44. It turned out that it becomes remarkably large with conditions.

以下、この点ついて図2を用いて説明する。なお、図2に示す「A1」が燃料改質器44への燃料の供給量、「B1」が水蒸気の供給量、「A2」が燃料改質器44を介して燃料電池10へ流入する燃料の流入量、「B2」が水蒸気の流入量を示している。   Hereinafter, this point will be described with reference to FIG. In FIG. 2, “A1” is the amount of fuel supplied to the fuel reformer 44, “B1” is the amount of steam supplied, and “A2” is the fuel flowing into the fuel cell 10 via the fuel reformer 44. “B2” indicates the inflow amount of water vapor.

また、燃料改質器44における燃料の改質率を「F(T)」とし、燃料改質器44にて消費される燃料に対する水蒸気改質に要する水蒸気との比を「β」とする。なお、燃料改質器44では、以下の反応式[化7]で示すように、燃料(CH)に対して2倍程度の水蒸気(HO)が消費されることから「β」は「2」程度の値となる。
CH+2HO→CO+4H・・・[化7]
燃料改質器44へ供給される燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比αは、以下の関係式[数1]で示す関係が成立する。
α=B1/A1・・・[数1]
また、燃料改質器44における燃料の消費量は「A1×F(T)」となることから、燃料改質器44にて消費されず、燃料改質器44を介して燃料電池10へ流入する燃料の流入量「A2」は、以下の関係式[数2]にて規定できる。
A2=A1−A1×F(T)・・・[数2]
一方、燃料改質器44における水蒸気の消費量は「(A1−A2)×β」となることから、燃料改質器44にて消費されず、燃料改質器44を介して燃料電池10へ流入する水蒸気の流入量「B2」は、以下の関係式[数3]にて規定できる。
B2=B1−(A1−A2)×β・・・[数3]
上述の[数1]〜[数3]を纏めると、燃料改質器44を介して燃料電池10へ流入する燃料の流入量に対する水蒸気の流入量の比は、以下の関係式[数4]で示す関係が成立する。
B2/A2=β+(α−β)/(1−F(T))・・・[数4]
この関係式[数4]によれば、燃料改質器44の改質率F(T)が高いと、燃料改質器44を介して燃料電池10へ流入する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が過大となってしまう。
Further, the fuel reforming rate in the fuel reformer 44 is “F (T)”, and the ratio of the steam consumed for steam reforming to the fuel consumed in the fuel reformer 44 is “β”. In the fuel reformer 44, as shown in the following reaction formula [Chem. 7], about twice as much steam (H 2 O) is consumed as fuel (CH 4 ), so “β” is The value is about “2”.
CH 4 + 2H 2 O → CO 2 + 4H 2 [Chemical 7]
The molar ratio α of water vapor to carbon in the fuel supplied to the fuel reformer 44 satisfies the relationship represented by the following relational expression [Equation 1].
α = B1 / A1 [Equation 1]
Further, the amount of fuel consumed in the fuel reformer 44 is “A1 × F (T)”, so that it is not consumed by the fuel reformer 44 and flows into the fuel cell 10 via the fuel reformer 44. The fuel inflow amount “A2” can be defined by the following relational expression [Equation 2].
A2 = A1−A1 × F (T) (Equation 2)
On the other hand, since the consumption amount of water vapor in the fuel reformer 44 is “(A1-A2) × β”, it is not consumed in the fuel reformer 44 and is sent to the fuel cell 10 via the fuel reformer 44. The inflow amount “B2” of the inflowing steam can be defined by the following relational expression [Formula 3].
B2 = B1− (A1−A2) × β (Equation 3)
Summarizing the above [Expression 1] to [Expression 3], the ratio of the inflow amount of water vapor to the inflow amount of fuel flowing into the fuel cell 10 via the fuel reformer 44 is expressed by the following relational expression [Expression 4]. The relationship indicated by is established.
B2 / A2 = [beta] + ([alpha]-[beta]) / (1-F (T)) [Equation 4]
According to this relational expression [Equation 4], when the reforming rate F (T) of the fuel reformer 44 is high, the mole of water vapor relative to carbon in the fuel flowing into the fuel cell 10 via the fuel reformer 44. The ratio becomes excessive.

これに対して、本実施形態では、バイパス配管6を介して燃料電池10へ直接的に燃料を導く構成としているので、燃料電池10へ流入する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が過大となってしまうことを抑制することができる。   On the other hand, in this embodiment, since the fuel is directly guided to the fuel cell 10 via the bypass pipe 6, the molar ratio of water vapor to carbon in the fuel flowing into the fuel cell 10 is excessive. Can be suppressed.

具体的には、バイパス配管6を介して燃料電池10へ流入する燃料の流入量を「A3」とすると、燃料電池1へ流入する燃料の流入量に対する水蒸気の流入量の比は、「B2/(A2+A3)」となる。つまり、バイパス配管6を介して燃料電池10へ燃料を流入させることで、燃料電池10へ流入する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比を小さくすることができる。   Specifically, if the inflow amount of the fuel flowing into the fuel cell 10 via the bypass pipe 6 is “A3”, the ratio of the inflow amount of water vapor to the inflow amount of fuel flowing into the fuel cell 1 is “B2 / (A2 + A3) ". That is, by allowing the fuel to flow into the fuel cell 10 via the bypass pipe 6, the molar ratio of water vapor to carbon in the fuel flowing into the fuel cell 10 can be reduced.

ここで、燃料改質器44の改質率F(T)は、前述のように、燃料改質器44の改質温度Tの上昇に伴って高くなるといった特性がある。そして、関係式[数4]によれば、燃料改質器44を介して燃料電池10へ流入する燃料の流入量「A2」に対する水蒸気の流入量「B2」の比は、燃料改質器44の改質率F(T)の上昇に伴って顕著に大きくなってしまう。   Here, the reforming rate F (T) of the fuel reformer 44 has a characteristic that it increases as the reforming temperature T of the fuel reformer 44 increases as described above. According to the relational expression [Equation 4], the ratio of the inflow amount “B2” of the steam to the inflow amount “A2” of the fuel flowing into the fuel cell 10 via the fuel reformer 44 is as follows. As the reforming rate F (T) increases, it significantly increases.

そこで、本実施形態の制御装置100では、燃料改質器44の改質温度Tの上昇に伴って、バイパス配管6を介して燃料電池10へ流入する燃料の流入量「A3」が増加するように、燃料調整弁61を制御している。具体的には、制御装置100は、改質温度センサ44aの検出温度が高くなるに伴いバイパス配管6の通路開度が拡大するように燃料調整弁61を制御する。   Therefore, in the control device 100 of the present embodiment, the inflow amount “A3” of the fuel flowing into the fuel cell 10 via the bypass pipe 6 increases as the reforming temperature T of the fuel reformer 44 increases. In addition, the fuel adjustment valve 61 is controlled. Specifically, the control device 100 controls the fuel adjustment valve 61 so that the passage opening degree of the bypass pipe 6 increases as the temperature detected by the reforming temperature sensor 44a increases.

ところで、燃料電池10の内部では、反応式[化1]で示すように、水素および酸素の電気化学反応により水が生成されることから、燃料改質器44に比べて炭素析出が生じ難い。   Meanwhile, in the fuel cell 10, as shown in the reaction formula [Chemical Formula 1], water is generated by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, so that carbon deposition is less likely to occur than in the fuel reformer 44.

しかし、バイパス配管6を介して燃料電池10へ流入する燃料の流入量が過剰となり、燃料電池10へ流入する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が小さくなり過ぎると、燃料電池10内部での炭素析出が懸念される。   However, if the amount of fuel flowing into the fuel cell 10 via the bypass pipe 6 becomes excessive and the molar ratio of water vapor to carbon in the fuel flowing into the fuel cell 10 becomes too small, the carbon inside the fuel cell 10 is reduced. Precipitation is a concern.

このため、バイパス配管6を介して燃料電池10へ流入する燃料の流入量については、例えば、以下の関係式[数5]を満たす範囲で調整することが望ましい。
B2/(A2+A3)>2・・・[数5]
次に、上記構成に係る燃料電池システム1の全体的な作動について説明する。図示しない外部コントローラからの制御指令により、燃料電池システムの運転が開始されると、制御装置100が各制御機器へ作動開始を指示する制御信号を出力する。
For this reason, it is desirable to adjust the amount of fuel flowing into the fuel cell 10 via the bypass pipe 6 within a range satisfying the following relational expression [Equation 5], for example.
B2 / (A2 + A3)> 2 (Equation 5)
Next, the overall operation of the fuel cell system 1 according to the above configuration will be described. When the operation of the fuel cell system is started by a control command from an external controller (not shown), the control device 100 outputs a control signal instructing each control device to start operation.

これにより、空気供給配管3では、空気用ブロワ32にて圧送された空気が空気予熱器33にて所望の温度となるまで加熱された後、当該加熱された空気が燃料電池10に供給される。   As a result, in the air supply pipe 3, after the air pressure-fed by the air blower 32 is heated to a desired temperature by the air preheater 33, the heated air is supplied to the fuel cell 10. .

一方、燃料供給配管4では、燃料ポンプ42から供給された燃料が燃料予熱器43にて所望の温度まで加熱された後、燃料改質器44内部にて気化器53で生成された水蒸気と混合されると共に、水蒸気改質により燃料ガスに改質されて燃料電池10に供給される。   On the other hand, in the fuel supply pipe 4, the fuel supplied from the fuel pump 42 is heated to a desired temperature by the fuel preheater 43 and then mixed with the water vapor generated by the vaporizer 53 inside the fuel reformer 44. At the same time, it is reformed into fuel gas by steam reforming and supplied to the fuel cell 10.

この際、燃料電池10には、燃料ガスに加えて、バイパス配管6を介して燃料予熱器43にて所望の温度まで加熱された燃料の一部が供給される。なお、バイパス配管6を介して供給された燃料は、燃料電池10内部で水蒸気改質により燃料ガスに改質される。   At this time, in addition to the fuel gas, a part of the fuel heated to a desired temperature by the fuel preheater 43 is supplied to the fuel cell 10 through the bypass pipe 6. The fuel supplied via the bypass pipe 6 is reformed into fuel gas by steam reforming inside the fuel cell 10.

燃料電池10は、燃料ガスおよび空気が供給されると、水素および一酸化炭素を燃料ガスとして前述の反応式[化1]〜[化4]に示す電気化学反応により、電気エネルギを出力する。   When fuel gas and air are supplied, the fuel cell 10 outputs electric energy by the electrochemical reaction shown in the above reaction formulas [Chemical Formula 1] to [Chemical Formula 4] using hydrogen and carbon monoxide as fuel gas.

燃料電池10から排出された各オフガスは、各排出経路7a、7bを介して燃焼器71に供給される。燃焼器71に供給された各オフガスは、燃焼器71で燃焼される。その後、燃焼器71にて生成された高温の燃焼ガスは、燃焼ガス経路7を介して燃料改質器44、空気予熱器33、気化器53、燃料予熱器43に流れ、各機器における熱源として利用された後に外部へ排出される。   Each off-gas discharged from the fuel cell 10 is supplied to the combustor 71 through the discharge paths 7a and 7b. Each off gas supplied to the combustor 71 is combusted in the combustor 71. Thereafter, the high-temperature combustion gas generated in the combustor 71 flows to the fuel reformer 44, the air preheater 33, the vaporizer 53, and the fuel preheater 43 via the combustion gas path 7, and serves as a heat source in each device. It is discharged outside after being used.

以上説明した本実施形態の燃料電池システム1では、燃料改質器44へ供給される燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が炭素析出の生じ難い所定基準値以上となるように、燃料改質器44への水蒸気の供給量を調整している。このため、燃料改質器44に対して炭素析出が生じ難い量の水蒸気を確保して、燃料改質器44内部における炭素析出を抑制することができる。   In the fuel cell system 1 of the present embodiment described above, the fuel reformer is configured so that the molar ratio of water vapor to carbon in the fuel supplied to the fuel reformer 44 is equal to or higher than a predetermined reference value at which carbon deposition is difficult to occur. The supply amount of water vapor to 44 is adjusted. For this reason, it is possible to secure an amount of water vapor that is unlikely to cause carbon deposition in the fuel reformer 44 and to suppress carbon deposition in the fuel reformer 44.

加えて、本実施形態では、バイパス配管6を介して燃料電池10に対して直接的に燃料を流入させる構成としている。これにより、燃料電池10へ流入する燃料の流入量が増加するので、燃料電池10へ流入する燃料中の炭素に対する燃料電池10へ流入する水蒸気のモル比(S/C)が過大となることを抑制できる。なお、燃料電池10へ直接的に燃料を供給することで、燃料改質器44で消費されずに燃料電池10へ流入する水蒸気を利用して燃料電池10の内部改質を促進させることも可能となる。   In addition, in this embodiment, the fuel is directly introduced into the fuel cell 10 via the bypass pipe 6. Thereby, since the inflow amount of the fuel flowing into the fuel cell 10 increases, the molar ratio (S / C) of the water vapor flowing into the fuel cell 10 to the carbon in the fuel flowing into the fuel cell 10 becomes excessive. Can be suppressed. In addition, by supplying the fuel directly to the fuel cell 10, it is possible to promote internal reforming of the fuel cell 10 by using the water vapor that flows into the fuel cell 10 without being consumed by the fuel reformer 44. It becomes.

ここで、システム全体における燃料の供給量を一定とした場合、バイパス配管6を介して燃料の一部が燃料改質器44を迂回することで、燃料改質器44への燃料の供給量が減少するので、燃料改質器44への水蒸気の供給量を減らすことができる。この結果、水蒸気の生成に要する熱量の減少させることができるので、気化器53の小型化等を図ることができる。   Here, when the fuel supply amount in the entire system is constant, a part of the fuel bypasses the fuel reformer 44 via the bypass pipe 6, so that the fuel supply amount to the fuel reformer 44 is reduced. Therefore, the amount of water vapor supplied to the fuel reformer 44 can be reduced. As a result, the amount of heat required for generating water vapor can be reduced, so that the vaporizer 53 can be downsized.

また、本実施形態では、燃料改質器44における改質率F(T)が高くなるに伴い、燃料電池10に流入する燃料中の炭素に対する燃料電池10へ流入する水蒸気のモル比が過大となってしまうことに着眼し、制御装置100にて以下の制御を行っている。すなわち、改質温度センサ44aの検出温度が高くなるに伴いバイパス配管6を介して燃料電池10へ流入する燃料の流入量が増加するように、制御装置100が燃料調整弁61を制御している。   In the present embodiment, as the reforming rate F (T) in the fuel reformer 44 increases, the molar ratio of water vapor flowing into the fuel cell 10 to carbon in the fuel flowing into the fuel cell 10 becomes excessive. In view of this, the control apparatus 100 performs the following control. That is, the control device 100 controls the fuel adjustment valve 61 so that the amount of fuel flowing into the fuel cell 10 via the bypass pipe 6 increases as the temperature detected by the reforming temperature sensor 44a increases. .

このように、改質温度Tの上昇に応じてバイパス配管6を介して燃料電池10へ流入する燃料の流入量を増加させる構成とすれば、燃料電池10に流入する燃料中の炭素に対する燃料電池へ流入する水蒸気のモル比が過大となることをより適切に抑制できる。   In this way, if the configuration is such that the amount of fuel flowing into the fuel cell 10 via the bypass pipe 6 increases as the reforming temperature T rises, the fuel cell for carbon in the fuel flowing into the fuel cell 10 It can suppress more appropriately that the molar ratio of the water vapor which flows into is excessive.

また、本実施形態では、燃料電池10から放出される熱を吸熱できるように、燃料改質器44を燃料電池10の周囲に配置している。これによれば、燃料電池10からの放射熱を有効活用して燃料改質器44における改質率F(T)の向上を図ることができる。   In the present embodiment, the fuel reformer 44 is disposed around the fuel cell 10 so that the heat released from the fuel cell 10 can be absorbed. According to this, the reforming rate F (T) in the fuel reformer 44 can be improved by effectively utilizing the radiant heat from the fuel cell 10.

(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第1実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. In the present embodiment, description of the same or equivalent parts as in the first embodiment will be omitted or simplified.

本実施形態では、図5に示すように、燃焼器71から放出される熱を直接的に吸熱できるように、燃料改質器44を燃焼器71に隣接して配置している。より具体的には、燃料改質器44における燃料電池10と対向する対向面の反対側の側面に燃焼器71が当接するように燃料改質器44を配置している。   In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the fuel reformer 44 is disposed adjacent to the combustor 71 so that the heat released from the combustor 71 can be directly absorbed. More specifically, the fuel reformer 44 is disposed so that the combustor 71 comes into contact with the side surface of the fuel reformer 44 opposite to the facing surface facing the fuel cell 10.

これによれば、燃料電池10から放出された熱に加えて、燃焼器71から放出される熱により、燃料改質器44の温度をより効果的に上昇させることができる。これにより、燃料電池10からの放射熱および燃焼器71の熱を有効活用して燃料改質器44における改質率F(T)を一層向上させることが可能となる。   According to this, the temperature of the fuel reformer 44 can be more effectively increased by the heat released from the combustor 71 in addition to the heat released from the fuel cell 10. Thereby, it is possible to further improve the reforming rate F (T) in the fuel reformer 44 by effectively utilizing the radiant heat from the fuel cell 10 and the heat of the combustor 71.

(第3実施形態)
次に、第3実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第1、第2実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. In the present embodiment, description of the same or equivalent parts as in the first and second embodiments will be omitted or simplified.

本実施形態では、図6に示すように、バイパス配管6を燃料供給配管4から分岐させず、バイパス配管6にサブ脱硫器62およびサブポンプ63を設ける構成としている。つまり、本実施形態では、バイパス配管6に設けられたサブポンプ63から圧送された燃料がバイパス配管6を介して燃料電池10に流入する構成となっている。   In the present embodiment, as shown in FIG. 6, the bypass pipe 6 is not branched from the fuel supply pipe 4, and the sub-desulfurizer 62 and the sub-pump 63 are provided in the bypass pipe 6. That is, in the present embodiment, the fuel pumped from the sub pump 63 provided in the bypass pipe 6 flows into the fuel cell 10 via the bypass pipe 6.

本実施形態では、サブポンプ63の回転数を変更することで、バイパス配管6を介して燃料電池10へ流入する燃料の流入量を調整するようなっている。このため、本実施形態では、サブポンプ63が燃料調整手段を構成している。   In the present embodiment, the amount of fuel flowing into the fuel cell 10 via the bypass pipe 6 is adjusted by changing the rotation speed of the sub pump 63. For this reason, in this embodiment, the sub pump 63 comprises the fuel adjustment means.

その他の構成および作動は、第1実施形態と同様である。本実施形態の構成によれば、第1実施形態で説明した効果に加えて、以下の効果を奏する。すなわち、本実施形態では、専用のサブポンプ63を追加しているので、燃料改質器44への燃料の供給量を変更することなく、バイパス配管6を介して燃料電池10へ流入する燃料の流入量を容易に調整することが可能となる。   Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment. According to the configuration of this embodiment, in addition to the effects described in the first embodiment, the following effects can be obtained. That is, in this embodiment, since the dedicated sub pump 63 is added, the inflow of the fuel flowing into the fuel cell 10 through the bypass pipe 6 without changing the amount of fuel supplied to the fuel reformer 44. The amount can be easily adjusted.

また、本実施形態では、燃料予熱器43と気化器53とを一体的に構成して、燃料電池システム1の簡素化を図るようにしてもよい。   In the present embodiment, the fuel preheater 43 and the carburetor 53 may be integrally configured so as to simplify the fuel cell system 1.

(他の実施形態)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。例えば、以下のように種々変形可能である。
(Other embodiments)
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, In the range described in the claim, it can change suitably. For example, various modifications are possible as follows.

(1)上述の第1実施形態の如く、燃料電池10からの放射熱を吸熱できるように、燃料改質器44を燃料電池10の周囲に配設することが望ましいが、これに限定されない。燃料改質器44を昇温させる他の熱源が存在する場合等には、燃料改質器44を燃料電池10の周囲以外に配置してもよい。   (1) Although it is desirable to arrange the fuel reformer 44 around the fuel cell 10 so that the radiant heat from the fuel cell 10 can be absorbed as in the first embodiment described above, the present invention is not limited to this. When there is another heat source that raises the temperature of the fuel reformer 44, the fuel reformer 44 may be disposed outside the periphery of the fuel cell 10.

(2)上述の第1実施形態では、燃料供給配管4における燃料予熱器43と燃料改質器44との間にバイパス配管6の上流側を接続する例について説明したが、これに限定されない。例えば、燃料供給配管4における燃料ポンプ42と燃料予熱器43との間にバイパス配管6の上流側を接続してもよい。この場合、燃料予熱器43と気化器53とを一体的に構成して、燃料電池システム1の簡素化を図るようにしてもよい。   (2) In the first embodiment described above, the example in which the upstream side of the bypass pipe 6 is connected between the fuel preheater 43 and the fuel reformer 44 in the fuel supply pipe 4 has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the upstream side of the bypass pipe 6 may be connected between the fuel pump 42 and the fuel preheater 43 in the fuel supply pipe 4. In this case, the fuel preheater 43 and the carburetor 53 may be integrally configured to simplify the fuel cell system 1.

(3)上述の第1実施形態では、バイパス配管6に設けた燃料調整弁61により燃料調整手段を構成する例について説明したが、これに限定されない。例えば、通路開度を調整可能な電気式の三方弁を分岐部4Aおよび合流部4Bのいずれかに配置し、当該三方弁を燃料調整手段として機能させてもよい。   (3) In the first embodiment described above, the example in which the fuel adjustment means is configured by the fuel adjustment valve 61 provided in the bypass pipe 6 has been described, but the present invention is not limited to this. For example, an electric three-way valve capable of adjusting the opening of the passage may be disposed in either the branching section 4A or the merging section 4B, and the three-way valve may function as the fuel adjusting means.

(4)上述の各実施形態の如く、燃料改質器44の改質温度Tに応じて燃料電池1へ流入する燃料の流入量を調整することが望ましいが、燃料改質器44の改質温度Tによらず、燃料電池1へ流入する燃料の流入量を調整してもよい。例えば、バイパス配管6に固定絞りを配置したり、バイパス配管6の通路断面積を燃料供給配管4の通路断面積を小さくしたりすることで、燃料改質器44への燃料の供給量と燃料電池1へ流入する燃料の流入量とのバランスを調整するようにしてもよい。   (4) Although it is desirable to adjust the amount of fuel flowing into the fuel cell 1 in accordance with the reforming temperature T of the fuel reformer 44 as in the above-described embodiments, the reforming of the fuel reformer 44 Regardless of the temperature T, the amount of fuel flowing into the fuel cell 1 may be adjusted. For example, the amount of fuel supplied to the fuel reformer 44 and the fuel can be reduced by arranging a fixed throttle in the bypass pipe 6 or reducing the passage cross-sectional area of the bypass pipe 6 to be smaller than that of the fuel supply pipe 4. You may make it adjust the balance with the inflow amount of the fuel which flows in into the battery 1. FIG.

(5)上述の各実施形態では、燃料電池10として高温で作動する固体酸化物型の燃料電池を用いる例について説明したが、これに限らず、例えば、燃料電池10として高温で作動する溶融炭酸塩型の燃料電池を用いてもよい。   (5) In each of the above-described embodiments, the example using the solid oxide fuel cell that operates at a high temperature as the fuel cell 10 has been described. However, the present invention is not limited thereto. A salt type fuel cell may be used.

(6)上述の各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。   (6) The above-described embodiments are not irrelevant to each other, and can be appropriately combined unless the combination is clearly impossible.

(7)上述の各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。   (7) In each of the above-described embodiments, elements constituting the embodiment are not necessarily indispensable unless specifically indicated as essential and clearly considered essential in principle. Needless to say.

(8)上述の各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。   (8) In each of the above-described embodiments, when numerical values such as the number, numerical value, quantity, range, etc. of the constituent elements of the embodiment are mentioned, the specific number is clearly specified when clearly indicated as essential. It is not limited to the specific number except when limited to.

(9)上述の各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。   (9) In each of the above-described embodiments, when referring to the shape, positional relationship, etc. of the constituent elements, etc., unless specifically stated or limited in principle to a specific shape, positional relationship, etc. It is not limited to shape, positional relationship, and the like.

10 燃料電池
4 燃料供給配管(第1燃料供給経路)
5 水供給配管(水供給経路)
52 水ポンプ(水量調整手段)
7 バイパス配管(第2燃料供給経路)
10 Fuel cell 4 Fuel supply pipe (first fuel supply path)
5 Water supply piping (water supply route)
52 Water pump (water volume adjustment means)
7 Bypass piping (second fuel supply route)

Claims (4)

水蒸気を用いて炭化水素系の燃料を改質して燃料ガスを生成する燃料改質器(44)と、
前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力すると共に、前記燃料を改質して前記燃料ガスを内部で生成可能な内部改質型の燃料電池(10)と、
前記燃料改質器へ前記燃料を導く第1燃料供給経路(4)と、
前記燃料改質器へ前記水蒸気を供給する水供給経路(5)と、
前記水供給経路に設けられ、前記燃料改質器へ供給される前記燃料中の炭素に対する前記水蒸気のモル比が炭素析出の生じ難い所定基準値以上となるように、前記燃料改質器への前記水蒸気の供給量を調整する水量調整手段(52)と、
前記燃料改質器を介さずに前記燃料電池へ前記燃料を直接的に導く第2燃料供給経路(6)と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel reformer (44) for reforming a hydrocarbon-based fuel using steam to generate fuel gas;
An internal reforming type fuel cell (10) capable of generating electrical energy by outputting electric energy by electrochemical reaction of the fuel gas and oxidant gas, and reforming the fuel to generate the fuel gas internally;
A first fuel supply path (4) for guiding the fuel to the fuel reformer;
A water supply path (5) for supplying the water vapor to the fuel reformer;
The fuel reformer is provided in the water supply path so that a molar ratio of the water vapor to carbon in the fuel supplied to the fuel reformer is equal to or higher than a predetermined reference value at which carbon deposition is difficult to occur. A water amount adjusting means (52) for adjusting the supply amount of the water vapor;
A second fuel supply path (6) for directing the fuel to the fuel cell without going through the fuel reformer;
A fuel cell system comprising:
前記第2燃料供給経路を介して前記燃料電池へ流入する前記燃料の流入量を調整する燃料調整手段(61、63)と、
前記燃料改質器の温度を検出する改質温度検出手段(44a)と、
前記改質温度検出手段の検出温度に応じて前記燃料調整手段を制御する制御手段(100)と、備え、
前記制御手段は、前記改質温度検出手段の検出温度が高くなるに伴い前記第2燃料供給経路を介して前記燃料電池へ流入する前記燃料の流入量が増加するように、前記燃料調整手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
Fuel adjusting means (61, 63) for adjusting an inflow amount of the fuel flowing into the fuel cell via the second fuel supply path;
Reforming temperature detecting means (44a) for detecting the temperature of the fuel reformer;
Control means (100) for controlling the fuel adjusting means according to the temperature detected by the reforming temperature detecting means,
The control means controls the fuel adjustment means so that the amount of the fuel flowing into the fuel cell through the second fuel supply path increases as the temperature detected by the reforming temperature detection means increases. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is controlled.
前記燃料改質器は、前記燃料電池から放出される熱を吸熱できるように、前記燃料電池の周囲に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel reformer is disposed around the fuel cell so as to absorb heat released from the fuel cell. 4. 可燃ガスを燃焼させて高温の燃焼ガスを生成する燃焼器(71)を備え、
前記燃料改質器は、前記燃焼器から放出される熱を吸熱できるように、前記燃焼器に隣接して配置されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
A combustor (71) for combusting combustible gas to generate high-temperature combustion gas;
4. The fuel reformer according to claim 1, wherein the fuel reformer is disposed adjacent to the combustor so as to absorb heat released from the combustor. 5. Fuel cell system.
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