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JP4917756B2 - Fuel cell system startup method, reformer, and fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system startup method, reformer, and fuel cell system Download PDF

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JP4917756B2
JP4917756B2 JP2005094593A JP2005094593A JP4917756B2 JP 4917756 B2 JP4917756 B2 JP 4917756B2 JP 2005094593 A JP2005094593 A JP 2005094593A JP 2005094593 A JP2005094593 A JP 2005094593A JP 4917756 B2 JP4917756 B2 JP 4917756B2
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reformer
fuel cell
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Description

本発明は燃料電池システムの起動方法並びに改質装置及び燃料電池システムに関し、特に停止時に原料ガスを封入した改質装置を含む燃料電池システムを安全に起動する方法、並びに停止時に原料ガスが封入してあっても安全に起動し得る改質装置、及びそのような改質装置を備える燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system startup method, a reformer, and a fuel cell system, and more particularly to a method for safely starting a fuel cell system including a reformer in which a raw material gas is sealed when stopped, and a raw material gas sealed when stopped. In particular, the present invention relates to a reforming apparatus that can be safely started, and a fuel cell system including such a reforming apparatus.

近年の地球環境保全意識の高まりを背景に、二酸化炭素排出抑制に資する燃料電池で発電する燃料電池システムが注目を集めている。燃料電池システムとして、水素と酸素とを導入してこれらの電気化学的反応により発電する燃料電池スタックと、炭化水素系原料のガスを改質して改質ガスを生成する改質装置とを備えたものが知られている。改質ガスは水素を多く含んでおり燃料電池スタックに供給されるものである。   With the recent increase in awareness of global environmental conservation, fuel cell systems that generate power with fuel cells that contribute to the suppression of carbon dioxide emissions are attracting attention. The fuel cell system includes a fuel cell stack that introduces hydrogen and oxygen and generates electricity through these electrochemical reactions, and a reformer that reforms the hydrocarbon raw material gas to generate a reformed gas. Is known. The reformed gas contains a large amount of hydrogen and is supplied to the fuel cell stack.

改質装置は、原料ガスを改質する改質部と、改質部で改質されたガスから一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素低減部とを有しており、改質部における改質反応が吸熱反応であることから反応に必要な改質熱を発生させる燃焼部をさらに有しているのが一般的である。また、原料ガスは改質部に導入されると共に、改質熱を発生させるための燃焼用燃料として燃焼部にも導入されるのが一般的である。改質部及び一酸化炭素低減部には、反応を促進させる触媒がそれぞれ充填されている。改質装置の停止時は、改質部及び一酸化炭素低減部の触媒の酸化を防ぐ必要がある。この触媒酸化防止のため、改質装置内に原料ガスを封入して改質装置内の圧力を外部の圧力より高く維持することにより外部から空気の侵入を防ぐ技術が知られている(例えば特許文献1参照)。原料ガスを封入することにより、窒素等の不活性ガスを封入する場合に比べて管理や補充が容易になるという利点がある。
特開2003−288930号公報
The reformer has a reforming section for reforming the raw material gas and a carbon monoxide reduction section for reducing the carbon monoxide concentration from the gas reformed in the reforming section. Since the quality reaction is an endothermic reaction, it generally has a combustion section that generates the heat of reforming necessary for the reaction. In addition, the raw material gas is generally introduced into the reforming section and is also introduced into the combustion section as a combustion fuel for generating reforming heat. The reforming section and the carbon monoxide reduction section are each filled with a catalyst that promotes the reaction. When the reformer is stopped, it is necessary to prevent oxidation of the catalyst in the reforming section and the carbon monoxide reduction section. In order to prevent this catalytic oxidation, a technique is known in which raw material gas is enclosed in a reformer and the pressure in the reformer is maintained higher than the external pressure to prevent air from entering from the outside (for example, a patent) Reference 1). By enclosing the source gas, there is an advantage that management and replenishment are easier than in the case of enclosing an inert gas such as nitrogen.
JP 2003-288930 A

上記のような状態で停止状態にある燃料電池システム、特に改質装置を起動するには、封入された原料ガスをパージする必要がある。封入された原料ガスを燃焼部に導き燃焼用燃料として利用することができればよいが、圧力が高い状態で燃焼部に送ると空燃比を調整することが困難なことから失火あるいは不完全燃焼を起こすこととなる。したがって、改質装置内の圧力が、燃焼に適した空燃比となる原料ガス量を燃焼部ヘ供給できる圧力に下がるまでは、封入された原料ガスを燃料電池システム外に排出するのが現実的である。   In order to start the fuel cell system in a stopped state in the above-described state, particularly the reformer, it is necessary to purge the enclosed raw material gas. It is sufficient if the enclosed raw material gas can be guided to the combustion section and used as a fuel for combustion. However, if it is sent to the combustion section under high pressure, it is difficult to adjust the air-fuel ratio, causing misfire or incomplete combustion. It will be. Therefore, it is realistic to discharge the enclosed source gas outside the fuel cell system until the pressure in the reformer is reduced to a pressure at which the amount of source gas having an air-fuel ratio suitable for combustion can be supplied to the combustion section. It is.

しかし、原料ガスは爆発限界を有するものがあり、このような原料ガスを排出する際は爆発限界の下限未満に希釈して排出する必要がある。ところが、排出する原料ガスを希釈するために大容量の送風機を設けることは現実的ではない。   However, some raw material gases have an explosion limit, and when discharging such a raw material gas, it is necessary to dilute and discharge it below the lower limit of the explosion limit. However, it is not realistic to provide a large-capacity blower for diluting the discharged source gas.

本発明は上述の課題に鑑み、原料ガスが封入された改質装置内の圧力を下げるための原料ガスの排出を、爆発を起こすことなく行って燃料電池システムを安全に起動する燃料電池システムの起動方法、並びに改質装置内の圧力を下げるための原料ガスの排出を、爆発を起こすことなく行って安全に起動し得る改質装置、及びそのような改質装置を備える燃料電池システムを提供することを目的とする。   In view of the above-described problems, the present invention provides a fuel cell system for safely starting a fuel cell system by discharging a source gas for lowering the pressure in a reformer in which the source gas is sealed without causing an explosion. Provided are a start-up method, a reformer that can be safely started by discharging a raw material gas for lowering the pressure in the reformer without causing an explosion, and a fuel cell system including such a reformer The purpose is to do.

上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明に係る燃料電池システムの起動方法は、例えば図1及び図2に示すように、原料ガスmを改質して水素に富む改質ガスgを生成する改質装置2と、酸素を含有する酸化剤ガスk1と改質ガスgとを導入して発電する燃料電池スタック3とを有する燃料電池システム1を起動する方法であって;改質装置2に封入された原料ガスmを、改質装置2の封入部分の外に排出する工程(S4)と;改質装置2の封入部分の外に排出された原料ガスmに空気k2、k3を混合する工程(S5)と;空気k2、k3と混合した原料ガスmを燃料電池システム1の外に排出する工程(S6)とを備え;燃料電池システム1の外に排出される、空気k2、k3と混合した原料ガスmの濃度が爆発限界の下限未満となるように構成されている。   In order to achieve the above object, a fuel cell system start-up method according to the invention described in claim 1 is a reformed gas rich in hydrogen by reforming a raw material gas m as shown in FIGS. 1 and 2, for example. a method of starting a fuel cell system 1 having a reformer 2 that generates g, and a fuel cell stack 3 that generates power by introducing an oxidant gas k1 containing oxygen and the reformed gas g; A step (S4) of discharging the raw material gas m enclosed in the quality device 2 to the outside of the enclosed portion of the reformer 2, and air k2 to the raw material gas m discharged outside the enclosed portion of the reformer 2; a step (S5) of mixing k3; and a step (S6) of discharging the raw material gas m mixed with the air k2, k3 to the outside of the fuel cell system 1; air discharged to the outside of the fuel cell system 1 The concentration of the raw material gas m mixed with k2 and k3 is not lower than the explosion limit. And it is configured such that.

このように構成すると、燃料電池システムの外に排出される、空気と混合した原料ガスの濃度が爆発限界の下限未満となるので、原料ガスが封入された改質装置内の圧力を下げるための原料ガスの排出を、爆発を起こすことなく安全に行うことができる。なお、改質装置に原料ガスを封入するのは、例えば、改質装置の運転が停止しているときに、原料ガスを改質ガスに改質するための反応に供される触媒や、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するために供される触媒の酸化を防ぐためであるから、少なくともこれらの触媒が設置されている部分に原料ガスが封入されていればよい。この意味において、本明細書における、原料ガスが封入される「改質装置」とは、典型的には、これらの触媒が設けられた部分及び原料ガス封入時にこの部分と連通するガスの流路をいう。   With this configuration, since the concentration of the raw material gas mixed with air discharged outside the fuel cell system is less than the lower limit of the explosion limit, the pressure in the reformer in which the raw material gas is sealed is reduced. Source gas can be discharged safely without causing an explosion. Note that the raw material gas is sealed in the reformer, for example, when the reformer is stopped, the catalyst used for the reaction for reforming the raw material gas into the reformed gas, the reforming device, or the like. This is to prevent oxidation of the catalyst provided for reducing the carbon monoxide concentration in the gas, so that the raw material gas only needs to be sealed in at least a portion where these catalysts are installed. In this sense, the “reformer” in which the raw material gas is enclosed in the present specification typically means a portion provided with these catalysts and a gas flow path communicating with this portion when the raw material gas is sealed. Say.

また、請求項に記載の発明に係る燃料電池システムの起動方法は、例えば図1及び図2に示すように、原料ガスmが封入された改質装置2内の圧力を検知する工程(S7)を備え;前記検知した圧力に基づいて改質装置2の封入部分の外に排出する原料ガスmの流量を制御する。 Further, method of starting a fuel cell system according to the first aspect of the present invention, for example, as shown in FIGS. 1 and 2, the step of sensing the pressure of the raw material gas m is sealed reforming apparatus 2 ( S7) is provided; the flow rate of the raw material gas m discharged outside the sealed portion of the reformer 2 is controlled based on the detected pressure.

このように構成すると、検知した圧力に基づいて改質装置の外に排出する原料ガスの流量を制御するので、燃料電池システムの外に排出される原料ガスの量を算出することが可能となり、確実に燃料電池システムの外に排出される原料ガスの濃度を爆発限界の下限未満にすることができる。   With this configuration, the flow rate of the raw material gas discharged outside the reformer is controlled based on the detected pressure, so that the amount of the raw material gas discharged outside the fuel cell system can be calculated. The concentration of the raw material gas discharged out of the fuel cell system can be surely made lower than the lower limit of the explosion limit.

また、請求項に記載の発明に係る燃料電池システムの起動方法は、例えば図1及び図2に示すように、請求項1に記載の燃料電池システム1の起動方法において、原料ガスmを改質装置2の封入部分の外に排出する工程(S4)が、原料ガスmを間欠的に排出し、原料ガスmを排出する間隔を制御することにより、空気k2、k3と混合した原料ガスmの濃度が爆発限界の下限未満となるように構成されている。 Further, method of starting a fuel cell system according to the invention of claim 2, for example, as shown in FIGS. 1 and 2, in the method of starting the fuel cell system 1 according to claim 1, reforming a raw material gas m The step (S4) of discharging out of the sealed portion of the quality device 2 discharges the raw material gas m intermittently and controls the interval at which the raw material gas m is discharged, whereby the raw material gas m mixed with the air k2, k3 is controlled. The concentration of is less than the lower limit of the explosion limit.

このように構成すると、原料ガスを間欠的に排出し、該原料ガスを排出する間隔を制御するので、単位時間あたりの排出量を制御しているのと同様となる。したがって、例えば、調節弁等の開度等の微妙な調整をすることなく単位時間あたりの流量を調節することができる。また、改質装置内の圧力の低下に伴って原料ガスを排出する間隔を短くすることが可能となり、改質装置内の圧力を所定の圧力に低下させるために要する時間を短くすることができる。   If comprised in this way, since source gas is discharged | emitted intermittently and the space | interval which discharge | releases this source gas is controlled, it becomes the same as controlling the discharge | emission amount per unit time. Therefore, for example, the flow rate per unit time can be adjusted without fine adjustment of the opening degree of the control valve or the like. Further, it is possible to shorten the interval for discharging the raw material gas as the pressure in the reformer decreases, and it is possible to shorten the time required to reduce the pressure in the reformer to a predetermined pressure. .

また、請求項に記載の発明に係る燃料電池システムの起動方法は、例えば図1及び図2に示すように、請求項1に記載の燃料電池システム1の起動方法において、原料ガスmを改質装置2の封入部分の外に排出する工程(S4)が、原料ガスmを間欠的に排出し、原料ガスmを排出している時間を制御することにより、空気k2、k3と混合した原料ガスmの濃度が爆発限界の下限未満となるように構成されている。 Further, method of starting a fuel cell system according to the invention of claim 3, for example, as shown in FIGS. 1 and 2, in the method of starting the fuel cell system 1 according to claim 1, reforming a raw material gas m The raw material mixed with the air k2 and k3 by controlling the time during which the step (S4) of discharging outside the sealed portion of the quality device 2 discharges the raw material gas m intermittently and discharges the raw material gas m. The concentration of the gas m is configured to be less than the lower limit of the explosion limit.

このように構成すると、原料ガスを間欠的に排出し、原料ガスを排出している時間を制御するので、単位時間あたりの排出量を制御しているのと同様となる。したがって、例えば、調節弁等の開度等の微妙な調整をすることなく単位時間あたりの流量を調節することができる。また、改質装置内の圧力の低下に伴って原料ガスを排出している時間を長くすることが可能となり、改質装置内の圧力を所定の圧力に低下させるために要する時間を短くすることができる。   If comprised in this way, since source gas is discharged | emitted intermittently and the time which has discharged | emitted source gas is controlled, it becomes the same as controlling the discharge | emission amount per unit time. Therefore, for example, the flow rate per unit time can be adjusted without fine adjustment of the opening degree of the control valve or the like. In addition, it is possible to lengthen the time during which the source gas is discharged as the pressure in the reformer decreases, and shorten the time required to reduce the pressure in the reformer to a predetermined pressure. Can do.

上記目的を達成するために、請求項に記載の発明に係る改質装置は、例えば図1に示すように、原料ガスmを改質して水素に富む改質ガスgを生成する改質装置2であって;内部に原料ガスmを封入するガス遮断手段53sと;内部に封入された原料ガスmをガス遮断手段53sを介して外部に排出する排出流路53とを備える。ここで「内部」とは、典型的には、上述の封入部分に相当し、改質装置内の、酸化防止措置を講ずべき触媒が設けられた部分及び原料ガス封入時にこの部分と連通するガスの流路をいう。 In order to achieve the above object, a reformer according to a fourth aspect of the present invention is a reformer that reforms a raw material gas m to produce a reformed gas g rich in hydrogen as shown in FIG. The apparatus 2 includes: a gas blocking unit 53s for enclosing the source gas m therein; and a discharge passage 53 for discharging the source gas m enclosed therein to the outside through the gas blocking unit 53s. Here, “inside” typically corresponds to the above-described enclosure portion, a portion in the reformer in which a catalyst to be subjected to oxidation prevention is provided, and a gas communicating with this portion when the raw material gas is enclosed. The flow path.

このように構成すると、内部に封入された原料ガスを外部に排出する排出流路を備えるので、改質装置に封入された原料ガスを改質装置内が所定の圧力に低下するように改質装置の外へ排出することができる。   If comprised in this way, since the discharge flow path which discharges | emits the raw material gas enclosed inside is provided outside, it reforms the raw material gas enclosed in the reformer so that the inside of a reformer may fall to predetermined pressure It can be discharged out of the device.

また、請求項に記載の発明に係る改質装置は、例えば図1に示すように、排出流路53に空気k2、k3を導入する空気導入路58A、54と;原料ガスmが封入された改質装置2内の圧力を検知する圧力検知器42と;排出流路53を流れる原料ガスmが空気k2、k3と混合され、排出流路53から排出される原料ガスmの濃度が爆発限界の下限未満となるように、圧力検知器42で検知した圧力に基づいて、ガス遮断手段53sを開放する制御装置4とを備える。 The reformer according to the invention of claim 4, for example, as shown in FIG. 1, discharge to the overhead stream passage 53 and the air introduction passage 58A, 54 for introducing air k2, k3; raw material gas m encapsulation A pressure detector 42 for detecting the pressure in the reformer 2, and the concentration of the raw material gas m flowing through the discharge passage 53 is mixed with the air k2 and k3. A control device 4 that opens the gas blocking means 53s based on the pressure detected by the pressure detector 42 is provided so as to be less than the lower limit of the explosion limit.

このように構成すると、排出流路から排出される原料ガスの濃度が爆発限界の下限未満となるようにガス遮断手段を開放する制御装置を備えるので、原料ガスが封入された改質装置内の圧力を下げるための原料ガスの排出を、爆発を起こすことなく安全に行うことができる。   If comprised in this way, since the control apparatus which opens | releases a gas interruption | blocking means is provided so that the density | concentration of the raw material gas discharged | emitted from a discharge flow path may be less than the lower limit of an explosion limit, in the reformer in which the raw material gas was enclosed The discharge of the raw material gas for lowering the pressure can be performed safely without causing an explosion.

また、請求項に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図1に示すように、請求項に記載の改質装置2と;改質装置2で生成された改質ガスgと酸素を含有する酸化剤ガスk1とを導入して発電する燃料電池スタック3とを備える。 Further, the fuel cell system according to the invention described in claim 5 includes, for example, as shown in FIG. 1, the reformer 2 according to claim 4 ; the reformed gas g and oxygen generated by the reformer 2. A fuel cell stack 3 that generates electricity by introducing an oxidant gas k1 containing the.

このように構成すると、改質装置内が所定の圧力に低下するように内部に封入された原料ガスを外部へ排出することができる改質装置を備えた燃料電池システムを供給することができる。   If comprised in this way, the fuel cell system provided with the reformer which can discharge | emit the raw material gas enclosed inside so that the inside of a reformer may fall to a predetermined | prescribed pressure can be supplied.

本発明によれば、改質装置に封入された原料ガスを改質装置内が所定の圧力に低下するように改質装置の外へ排出することができる。また、燃料電池システムの外に排出される、空気と混合した原料ガスの濃度を爆発限界の下限未満とする場合は、原料ガスが封入された改質装置内の圧力を下げるための原料ガスの排出を、爆発を起こすことなく安全に行うことができる。   According to the present invention, the raw material gas sealed in the reformer can be discharged out of the reformer so that the inside of the reformer is reduced to a predetermined pressure. When the concentration of the raw material gas mixed with air discharged outside the fuel cell system is less than the lower limit of the explosion limit, the raw material gas for lowering the pressure in the reformer in which the raw material gas is sealed is used. The discharge can be performed safely without causing an explosion.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置あるいは部材には同一又は類似の符号を付し、重複した説明は省略する。なお、図1中、破線は制御信号を表す。
図1は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを説明する模式的ブロック図である。燃料電池システム1は、改質装置2と、燃料電池スタック3とを含んで構成されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same or similar code | symbol is attached | subjected to the mutually same or equivalent apparatus or member, and the overlapping description is abbreviate | omitted. In FIG. 1, a broken line represents a control signal.
FIG. 1 is a schematic block diagram illustrating a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system 1 includes a reformer 2 and a fuel cell stack 3.

まず、改質装置2及びそのまわりの流路の構成について説明する。改質装置2は、炭化水素系の原料ガスmとプロセス水wとを導入し、原料ガスmを改質して水素に富む改質ガスgを生成する装置である。水素に富む改質ガスgとは、水素を40体積%以上、典型的には70〜80体積%程度含んだ、燃料電池スタック3に供給するガスである。改質ガスg中の水素濃度は80体積%以上でもよく、すなわち燃料電池スタック3に供給したときに酸化剤ガスk1との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。機器としての改質装置2は、改質部21と、変成部22と、選択酸化部23と、水蒸気発生部24と、燃焼部25とを有している。ここで、改質装置2を構成するこれらの各部について説明する。   First, the structure of the reformer 2 and the flow path around it will be described. The reformer 2 is an apparatus that introduces a hydrocarbon-based source gas m and process water w and reforms the source gas m to generate a reformed gas g rich in hydrogen. The reformed gas g rich in hydrogen is a gas supplied to the fuel cell stack 3 containing hydrogen in an amount of 40% by volume or more, typically about 70 to 80% by volume. The hydrogen concentration in the reformed gas g may be 80% by volume or higher, that is, any concentration that allows power generation by an electrochemical reaction with the oxidant gas k1 when supplied to the fuel cell stack 3. The reformer 2 as an apparatus includes a reforming unit 21, a shift conversion unit 22, a selective oxidation unit 23, a steam generation unit 24, and a combustion unit 25. Here, each of these parts constituting the reformer 2 will be described.

改質部21は、原料ガスmと改質用蒸気vとを導入し、水蒸気改質反応により、原料ガスmを混合改質ガスn1に改質するように構成されている。混合改質ガスn1は、水素と、一酸化炭素と、二酸化炭素を含んでいる。混合改質ガスn1中には、典型的には、水素が40体積%以上で70体積%程度含まれており、一酸化炭素が8〜15体積%程度含まれている。改質部21には改質触媒が充填されており、水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。改質触媒には、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。改質部21で生成された混合改質ガスn1が変成部22に送られるように、改質部21と変成部22とは接続されている。なお、以下の説明において「接続され」とは、流路等を介して接続される場合も含む。他方、改質部21には、原料ガスmを導入する原料ガス供給管51が接続されている。   The reforming unit 21 is configured to introduce the raw material gas m and the reforming steam v and reform the raw material gas m into the mixed reformed gas n1 by a steam reforming reaction. The mixed reformed gas n1 contains hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide. The mixed reformed gas n1 typically contains about 40 to 70% by volume of hydrogen and about 8 to 15% by volume of carbon monoxide. The reforming unit 21 is filled with a reforming catalyst, and is configured to promote a steam reforming reaction. Typically, a nickel-based reforming catalyst or a ruthenium-based reforming catalyst is used as the reforming catalyst. The reformer 21 and the shifter 22 are connected so that the mixed reformed gas n1 generated in the reformer 21 is sent to the shifter 22. In the following description, “connected” includes the case of being connected via a flow path or the like. On the other hand, a raw material gas supply pipe 51 for introducing the raw material gas m is connected to the reforming unit 21.

変成部22は、改質部21から混合改質ガスn1を導入し、混合改質ガスn1に含まれる一酸化炭素を、同じく混合改質ガスn1に含まれる水分と変成反応させて、二酸化炭素と水素とを生成するように構成されている。変成ガスn2中には、典型的には、水素が40体積%以上で70〜80体積%程度含まれており、一酸化炭素が1000〜10000体積ppm程度含まれている。変成部22には、変成触媒が充填されており、変成反応を促進させるように構成されている。変成触媒には、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。変成部22で変成ガスn2が選択酸化部23に送られるように、変成部22と選択酸化部23とは接続されている。   The shift converter 22 introduces the mixed reformed gas n1 from the reforming section 21, causes the carbon monoxide contained in the mixed reformed gas n1 to undergo a shift reaction with the water contained in the mixed reformed gas n1, and produces carbon dioxide. And hydrogen. The metamorphic gas n2 typically contains about 40-80% by volume of hydrogen and about 70-80% by volume of hydrogen, and about 1000-10,000 volume ppm of carbon monoxide. The shift unit 22 is filled with a shift catalyst and is configured to promote the shift reaction. As the shift catalyst, typically, an iron-chromium shift catalyst, a copper-zinc shift catalyst, a platinum shift catalyst, or the like is used. The shift unit 22 and the selective oxidation unit 23 are connected so that the shift gas n2 is sent to the selective oxidation unit 23 in the shift unit 22.

選択酸化部23は、変成部22から変成ガスn2を導入し、系外から選択酸化空気k4を導入して、変成ガスn2中に残存した一酸化炭素と選択酸化空気k4との選択酸化反応により、変成ガスn2からさらに一酸化炭素濃度を低減させ、水素に富む改質ガスgを生成するように構成されている。改質ガスgは、前述のように、水素を40%体積以上、典型的には70〜80体積%程度含むガスである。改質ガスg中の一酸化炭素濃度は、およそ10体積ppm以下程度であり、1体積ppm程度とするのがより好ましい。選択酸化部23には、選択酸化触媒が充填されている。選択酸化触媒には、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。選択酸化部23には、選択酸化空気k4を導入するための選択酸化空気供給管56と、改質ガスgを燃料電池スタック3に送るための改質ガス供給ライン61とが接続されている。なお、変成部22及び選択酸化部23を併せて「一酸化炭素低減部」という。   The selective oxidation unit 23 introduces the conversion gas n2 from the conversion unit 22, introduces the selective oxidation air k4 from outside the system, and performs the selective oxidation reaction between the carbon monoxide remaining in the conversion gas n2 and the selective oxidation air k4. The carbon monoxide concentration is further reduced from the modified gas n2, and the reformed gas g rich in hydrogen is generated. As described above, the reformed gas g is a gas containing hydrogen by 40% by volume or more, typically about 70-80% by volume. The carbon monoxide concentration in the reformed gas g is about 10 ppm by volume or less, and more preferably about 1 ppm by volume. The selective oxidation unit 23 is filled with a selective oxidation catalyst. Typically, a platinum-based selective oxidation catalyst, a ruthenium-based selective oxidation catalyst, a platinum-ruthenium-based selective oxidation catalyst, or the like is used as the selective oxidation catalyst. The selective oxidation unit 23 is connected to a selective oxidation air supply pipe 56 for introducing the selective oxidation air k4 and a reformed gas supply line 61 for sending the reformed gas g to the fuel cell stack 3. The metamorphic unit 22 and the selective oxidation unit 23 are collectively referred to as a “carbon monoxide reduction unit”.

水蒸気発生部24は、プロセス水wを導入し、これを熱によって蒸発させて水蒸気を生成するように構成されている。プロセス水wを蒸発させるための熱には、変成部22における変成反応の際に発生する熱や、選択酸化部23における選択酸化反応の際に発生する熱を用いるのが好ましいが、別途バーナーや電気ヒータ等の加熱手段を設けてこれらから発生する熱を用いてもよい。水蒸気発生部24には、燃料電池システム1外からプロセス水wを導入するためのプロセス水供給管55が接続されている。また、水蒸気発生部24には、水蒸気発生部24で生成された改質用蒸気vを改質部21に送るための改質用蒸気供給ライン24aが接続されている。改質部21側の改質用蒸気供給ライン24aは、改質部21直近の原料ガス供給管51に接続されていると、原料ガスmと改質用蒸気vとが混合された状態で改質部21に導入されて好適である。しかしながら、改質用蒸気供給ライン24aが改質部21に直接接続されていてもよい。   The steam generation unit 24 is configured to introduce process water w and evaporate it with heat to generate steam. As heat for evaporating the process water w, it is preferable to use heat generated during the shift reaction in the shift unit 22 or heat generated during the selective oxidation reaction in the selective oxidation unit 23. A heating means such as an electric heater may be provided to use heat generated therefrom. A process water supply pipe 55 for introducing the process water w from outside the fuel cell system 1 is connected to the water vapor generating unit 24. In addition, a reforming steam supply line 24 a for sending the reforming steam v generated by the steam generating section 24 to the reforming section 21 is connected to the steam generating section 24. When the reforming steam supply line 24a on the reforming section 21 side is connected to the source gas supply pipe 51 in the immediate vicinity of the reforming section 21, the reforming steam supply line 24a is modified in a state where the source gas m and the reforming steam v are mixed. It is preferably introduced into the mass part 21. However, the reforming steam supply line 24 a may be directly connected to the reforming unit 21.

燃焼部25は、燃料としての原料ガスmの一部と燃焼空気k3とを導入し、原料ガスmを燃焼させて、改質部21に供給する改質熱を生成するように構成されている。改質部21における改質反応は吸熱反応であるため、改質部21は改質熱を必要とする。燃焼部25は、原料ガスmを燃焼するためのバーナーを有している。燃焼部25は、燃料電池スタック3から排出されるアノードオフガスpを導入して燃焼させることができるようにも構成されている。アノードオフガスpは、燃料電池スタック3における電気化学的反応に使用されなかった水素を含んでいる。燃焼部25は、典型的には、燃料電池発電システム1の起動時には原料ガスmを導入し、これを燃焼させて改質熱を発生させ、燃料電池スタック3が運転されて燃料電池スタック3からアノードオフガスpが排出されるようになるとアノードオフガスpを導入し、これを燃焼させて改質熱を発生させるように構成されている。燃焼部25で燃焼した後に発生する燃焼排ガスは、燃焼排ガス排出管54を介して燃焼部25から排出される。燃焼部25には、原料ガスmを導入するための燃料供給管52、アノードオフガスpを導入するためのアノードオフガスライン62、及び燃焼空気k3を導入するための燃焼空気供給管57が接続されている。また、燃焼部25には、燃焼排ガスを排出するための燃焼排ガス排出管54が接続されている。   The combustion unit 25 is configured to introduce part of the raw material gas m as fuel and the combustion air k <b> 3, burn the raw material gas m, and generate reformed heat to be supplied to the reforming unit 21. . Since the reforming reaction in the reforming unit 21 is an endothermic reaction, the reforming unit 21 requires reforming heat. The combustion unit 25 has a burner for burning the raw material gas m. The combustion unit 25 is also configured to be able to introduce and burn the anode off gas p discharged from the fuel cell stack 3. The anode off gas p contains hydrogen that has not been used for the electrochemical reaction in the fuel cell stack 3. Typically, the combustion unit 25 introduces the raw material gas m when the fuel cell power generation system 1 is started up, burns this to generate reforming heat, and the fuel cell stack 3 is operated to remove the fuel cell stack 3 from the fuel cell stack 3. When the anode off gas p is discharged, the anode off gas p is introduced and combusted to generate reforming heat. The combustion exhaust gas generated after combustion in the combustion unit 25 is discharged from the combustion unit 25 through the combustion exhaust gas discharge pipe 54. A fuel supply pipe 52 for introducing the raw material gas m, an anode offgas line 62 for introducing the anode offgas p, and a combustion air supply pipe 57 for introducing the combustion air k3 are connected to the combustion section 25. Yes. In addition, a combustion exhaust gas discharge pipe 54 for discharging combustion exhaust gas is connected to the combustion unit 25.

改質部21に導入される原料ガスmとしては、典型的には、都市ガス、LPG、消化ガス等の気体の炭化水素系燃料が用いられる。しかしながら、メタノール、GTL(Gas to Liquid)や灯油等の液体の炭化水素系燃料を用いてもよい。原料ガスmとして液体の炭化水素系燃料を用いる場合は、改質部21に導入する前に気化させることが好ましい。したがって「原料ガス」には、もとは液体であった原料も含まれる。改質部21に導入する原料ガスmと燃焼部25に導入する燃料とは同種のものでもよいし異なる種類のものでもよい。   As the raw material gas m introduced into the reforming unit 21, a gaseous hydrocarbon fuel such as city gas, LPG, digestion gas, etc. is typically used. However, liquid hydrocarbon fuels such as methanol, GTL (Gas to Liquid) and kerosene may be used. When a liquid hydrocarbon fuel is used as the raw material gas m, it is preferable to vaporize it before introducing it into the reforming section 21. Therefore, the “raw gas” includes a raw material that was originally liquid. The source gas m introduced into the reforming unit 21 and the fuel introduced into the combustion unit 25 may be the same type or different types.

原料ガス供給管51は、原料ガスmを改質部21に導く流路である。原料ガス供給管51には、上流側に原料ガスブロワ51bが設けられており、下流側に流量計の機能と流量制御弁の機能を兼ね備えたマスフローコントローラ51cが設けられている。マスフローコントローラ51cと制御装置4との間には信号ケーブルが敷設されている。マスフローコントローラ51cは、その内部を通過する原料ガスmの流量を信号i1として制御装置4に送信することができ、制御装置4から信号i2を受信して弁開度を調整することができるように構成されている。   The source gas supply pipe 51 is a flow path that guides the source gas m to the reforming unit 21. In the raw material gas supply pipe 51, a raw material gas blower 51b is provided on the upstream side, and a mass flow controller 51c having a function of a flow meter and a function of a flow control valve is provided on the downstream side. A signal cable is laid between the mass flow controller 51 c and the control device 4. The mass flow controller 51c can transmit the flow rate of the raw material gas m passing through the mass flow controller 51c as the signal i1 to the control device 4, and can receive the signal i2 from the control device 4 and adjust the valve opening degree. It is configured.

燃料供給管52は、原料ガスブロワ51bとマスフローコントローラ51cとの間の原料ガス供給管51から分岐している。燃料供給管52は燃焼部25に接続されており、これにより燃焼部25へ燃料としての原料ガスmを供給することができるように構成されている。燃料供給管52にはマスフローコントローラ52cが設けられており、マスフローコントローラ52cと制御装置4との間には信号ケーブルが敷設されている。マスフローコントローラ52cは、その内部を通過する原料ガスmの流量を信号i3として制御装置4に送信することができ、制御装置4から信号i4を受信して弁開度を調整することができるように構成されている。   The fuel supply pipe 52 branches off from the source gas supply pipe 51 between the source gas blower 51b and the mass flow controller 51c. The fuel supply pipe 52 is connected to the combustion unit 25, and is thereby configured to supply the raw material gas m as fuel to the combustion unit 25. A mass flow controller 52 c is provided in the fuel supply pipe 52, and a signal cable is laid between the mass flow controller 52 c and the control device 4. The mass flow controller 52c can transmit the flow rate of the raw material gas m passing through the inside thereof to the control device 4 as a signal i3, and can receive the signal i4 from the control device 4 and adjust the valve opening degree. It is configured.

排出流路としての封入ガス排出管53は、マスフローコントローラ51cの下流側の原料ガス供給管51から分岐している。封入ガス排出管53は、改質装置2について、その停止時に触媒の酸化を防止するために封入したガスを排出する流路である。封入ガス排出管53には、燃焼排ガス排出管54が接続されている。封入ガス排出管53には、その流路を閉塞することができる、ガス遮断手段としての封入電磁弁53sが設けられている。封入電磁弁53sと制御装置4との間には信号ケーブルが敷設されている。封入電磁弁53sは、制御装置4からの開閉信号i5を受信して、弁を開閉することができるように構成されている。   The sealed gas discharge pipe 53 as a discharge flow path branches from the source gas supply pipe 51 on the downstream side of the mass flow controller 51c. The sealed gas discharge pipe 53 is a flow path for discharging the gas sealed to prevent oxidation of the catalyst when the reformer 2 is stopped. A combustion exhaust gas discharge pipe 54 is connected to the sealed gas discharge pipe 53. The sealed gas discharge pipe 53 is provided with a sealed electromagnetic valve 53s as a gas blocking means capable of closing the flow path. A signal cable is laid between the sealed electromagnetic valve 53 s and the control device 4. The enclosing electromagnetic valve 53s is configured to receive an open / close signal i5 from the control device 4 and to open / close the valve.

燃焼排ガス排出管54は、改質熱を発生させるために燃料を燃焼した後に発生する燃焼排ガスを燃料電池システム1の外に排出する流路である。また、燃焼排ガス排出管54は、燃焼空気ブロワ57bによって送られる空気を、燃焼が行われていない燃焼部25を介して燃料電池システム1の外に排出することもできる。すなわち、燃焼排ガス排出管54は空気導入路を兼ねている。燃焼排ガス排出管54は、封入ガス排出管53に接続されている。また、封入ガス排出管53に合流する手前の燃焼排ガス排出管54には、希釈空気供給管58Aが接続されている。なお、燃焼排ガス排出管54を流れる燃焼排ガスと燃料供給管52を流れる燃料mとの間で熱交換させるように、燃焼排ガス排出管54及び燃料供給管52に熱交換器41を設けてもよい。   The combustion exhaust gas discharge pipe 54 is a flow path for discharging the combustion exhaust gas generated after the fuel is burned to generate reforming heat to the outside of the fuel cell system 1. The combustion exhaust gas discharge pipe 54 can also discharge the air sent by the combustion air blower 57b to the outside of the fuel cell system 1 through the combustion unit 25 where combustion is not performed. That is, the combustion exhaust gas discharge pipe 54 also serves as an air introduction path. The combustion exhaust gas discharge pipe 54 is connected to the sealed gas discharge pipe 53. A dilution air supply pipe 58 </ b> A is connected to the combustion exhaust gas discharge pipe 54 before joining the sealed gas discharge pipe 53. In addition, the heat exchanger 41 may be provided in the combustion exhaust gas discharge pipe 54 and the fuel supply pipe 52 so as to exchange heat between the combustion exhaust gas flowing in the combustion exhaust gas discharge pipe 54 and the fuel m flowing in the fuel supply pipe 52. .

希釈空気供給管58Aは、空気供給管58から三方弁58cを介して分岐されている。希釈空気供給管58Aは、封入ガス排出管53から排出される原料ガスmを、爆発限界未満の濃度に希釈するための空気を燃焼排ガス排出管54に導く空気導入路である。希釈空気供給管58Aの他に、酸化剤ガスライン64が空気供給管58から三方弁58cを介して分岐されている。すなわち、空気供給管58は、三方弁58cを介して希釈空気供給管58Aと酸化剤ガスライン64とに分岐している。三方弁58cと制御装置4との間には信号ケーブルが敷設されている。三方弁58cは、制御装置4から信号i6を受信して、空気供給管58を流れる空気を希釈空気供給管58Aか酸化剤ガスライン64のいずれか一方に流すように、弁を切り替えることができるように構成されている。   The dilution air supply pipe 58A is branched from the air supply pipe 58 via a three-way valve 58c. The dilution air supply pipe 58A is an air introduction path that guides air for diluting the raw material gas m discharged from the sealed gas discharge pipe 53 to a concentration below the explosion limit to the combustion exhaust gas discharge pipe. In addition to the dilution air supply pipe 58A, an oxidant gas line 64 is branched from the air supply pipe 58 via a three-way valve 58c. That is, the air supply pipe 58 branches into the dilution air supply pipe 58A and the oxidant gas line 64 via the three-way valve 58c. A signal cable is laid between the three-way valve 58 c and the control device 4. The three-way valve 58c receives the signal i6 from the control device 4, and can switch the valve so that the air flowing through the air supply pipe 58 flows into either the dilution air supply pipe 58A or the oxidant gas line 64. It is configured as follows.

プロセス水供給管55は、水蒸気発生部24にプロセス水wを導く流路である。プロセス水供給管55には、上流側にプロセス水wを圧送するプロセス水ポンプ55pが設けられており、下流側に水蒸気発生部24へのプロセス水wの供給を遮断するプロセス水電磁弁55sが設けられている。プロセス水電磁弁55sと制御装置4との間には信号ケーブルが敷設されている。プロセス水電磁弁55sは、制御装置4からの開閉信号i7を受信して、弁を開閉することができるように構成されている。   The process water supply pipe 55 is a flow path that guides the process water w to the water vapor generating unit 24. The process water supply pipe 55 is provided with a process water pump 55p that pumps the process water w on the upstream side, and a process water electromagnetic valve 55s that shuts off the supply of the process water w to the water vapor generating unit 24 on the downstream side. Is provided. A signal cable is laid between the process water electromagnetic valve 55 s and the control device 4. The process water electromagnetic valve 55s is configured to receive an open / close signal i7 from the control device 4 and to open / close the valve.

選択酸化空気供給管56は、選択酸化部23に選択酸化空気k4を導く流路である。選択酸化空気供給管56には、上流側に選択酸化空気ブロワ56bが設けられており、下流側にマスフローコントローラ56cが設けられている。マスフローコントローラ56cと制御装置4との間には信号ケーブルが敷設されている。マスフローコントローラ56cは、その内部を通過する選択酸化空気k4の流量を信号i8として制御装置4に送信することができ、制御装置4から信号i9を受信して弁開度を調整することができるように構成されている。   The selective oxidation air supply pipe 56 is a flow path that guides the selective oxidation air k <b> 4 to the selective oxidation unit 23. The selective oxidation air supply pipe 56 is provided with a selective oxidation air blower 56b on the upstream side and a mass flow controller 56c on the downstream side. A signal cable is laid between the mass flow controller 56 c and the control device 4. The mass flow controller 56c can transmit the flow rate of the selectively oxidized air k4 passing through the inside to the control device 4 as the signal i8, and can receive the signal i9 from the control device 4 and adjust the valve opening degree. It is configured.

燃焼空気供給管57は、燃焼部25に、燃料mを燃焼させるための燃焼空気k3を導く流路である。燃焼空気供給管57には、上流側に流量検知器57eが設けられており、下流側に燃焼空気ブロワ57bが設けられている。流量検知器57eと制御装置4との間には信号ケーブルが敷設されている。流量検知器57eは、燃焼空気供給管57を流れる燃焼空気k3の流量を信号i10として制御装置4に送信することができるように構成されている。燃焼空気ブロワ57bは燃焼部25での燃焼に必要な空気量を送ることができるように構成されており、燃料電池スタック3が1kw級の固体高分子型燃料電池の場合は、30L/min程度の送風量を有するのが一般的である。燃焼空気ブロワ57bは、制御装置4からの信号i11に基づいて回転数を変えることにより燃焼部25へ圧送する空気量を調整することができるように構成されている。なお、典型的には、燃焼空気ブロワ57bの回転数制御は、制御装置4から動力盤(不図示)に回転数指示の信号が送られ、動力盤から燃焼空気ブロワ57bに送られる電力を調整することにより行われるが、本実施の形態では便宜上、制御装置4から燃焼空気ブロワ57bに信号i11が送信されるように表すこととする。   The combustion air supply pipe 57 is a flow path that guides the combustion air k <b> 3 for burning the fuel m to the combustion unit 25. The combustion air supply pipe 57 is provided with a flow rate detector 57e on the upstream side and a combustion air blower 57b on the downstream side. A signal cable is laid between the flow rate detector 57e and the control device 4. The flow rate detector 57e is configured to be able to transmit the flow rate of the combustion air k3 flowing through the combustion air supply pipe 57 to the control device 4 as a signal i10. The combustion air blower 57b is configured to be able to send the amount of air necessary for combustion in the combustion section 25. When the fuel cell stack 3 is a 1 kW class solid polymer fuel cell, about 30 L / min. It is common to have a blast volume of. The combustion air blower 57b is configured to be able to adjust the amount of air pumped to the combustion unit 25 by changing the rotation speed based on the signal i11 from the control device 4. Typically, the rotational speed control of the combustion air blower 57b is performed by sending a rotational speed instruction signal from the control device 4 to a power board (not shown) and adjusting the power sent from the power board to the combustion air blower 57b. However, in this embodiment, for convenience, the signal i11 is transmitted from the control device 4 to the combustion air blower 57b.

空気供給管58は、燃料電池システム1外から導入した空気を流し、希釈空気供給管58A又は酸化剤ガスライン64に通気する。空気供給管58には、上流側に流量検知器58eが設けられており、下流側に酸化剤ガスブロワ58bが設けられている。流量検知器58eと制御装置4との間には信号ケーブルが敷設されている。流量検知器58eは、空気供給管58を流れる空気kの流量を信号i12として制御装置4に送信することができるように構成されている。酸化剤ガスブロワ58bは、制御装置4からの信号i13に基づいて回転数を変えることにより空気供給管58を流れる空気量を調整することができるように構成されている。なお、典型的には、酸化剤ガスブロワ58bの回転数制御は、制御装置4から動力盤(不図示)に回転数指示の信号が送られ、動力盤から酸化剤ガスブロワ58bに送られる電力を調整することにより行われるが、本実施の形態では便宜上、制御装置4から酸化剤ガスブロワ58bに信号i13が送信されるように表すこととする。   The air supply pipe 58 allows air introduced from outside the fuel cell system 1 to flow through the dilution air supply pipe 58 </ b> A or the oxidant gas line 64. The air supply pipe 58 is provided with a flow rate detector 58e on the upstream side and an oxidant gas blower 58b on the downstream side. A signal cable is laid between the flow rate detector 58e and the control device 4. The flow rate detector 58e is configured to be able to transmit the flow rate of the air k flowing through the air supply pipe 58 to the control device 4 as a signal i12. The oxidant gas blower 58b is configured to be able to adjust the amount of air flowing through the air supply pipe 58 by changing the rotational speed based on the signal i13 from the control device 4. Typically, the rotational speed control of the oxidant gas blower 58b is performed by adjusting the electric power sent from the power panel to the oxidant gas blower 58b by sending a rotational speed instruction signal from the control device 4 to the power panel (not shown). In this embodiment, for convenience, the signal i13 is transmitted from the control device 4 to the oxidant gas blower 58b.

次に燃料電池スタック3及び制御装置4について説明する。
燃料電池スタック3は、改質ガスgと酸化剤ガスk1とを導入し、改質ガスg中の水素と酸化剤ガスk1中の酸素との電気化学的反応により発電して水及び熱を発生するように構成されている。燃料電池スタック3は、典型的には、固体高分子型燃料電池である。燃料電池スタック3は、改質ガスgを導入する燃料極31と、酸化剤ガスk1を導入する空気極32と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部33とを含んで構成されている。
Next, the fuel cell stack 3 and the control device 4 will be described.
The fuel cell stack 3 introduces the reformed gas g and the oxidant gas k1, and generates water and heat by generating an electric power by an electrochemical reaction between hydrogen in the reformed gas g and oxygen in the oxidant gas k1. Is configured to do. The fuel cell stack 3 is typically a polymer electrolyte fuel cell. The fuel cell stack 3 includes a fuel electrode 31 for introducing the reformed gas g, an air electrode 32 for introducing the oxidant gas k1, and a cooling unit 33 for removing heat generated by the electrochemical reaction. Yes.

燃料極31は、改質装置2の選択酸化部23と改質ガス供給ライン61を介して接続されており、燃料極31に改質ガスgを導入することができるように構成されている。改質ガス供給ライン61には、その流路を閉塞することができる改質ガス電磁弁61sが設けられている。改質ガス電磁弁61sと制御装置4との間には信号ケーブルが敷設されている。改質ガス電磁弁61sは、制御装置4からの開閉信号i15を受信して、弁を開閉することができるように構成されている。改質ガス電磁弁61sより上流側の改質ガス供給ライン61には、圧力検知器42が設けられている。圧力検知器42と制御装置4との間には信号ケーブルが敷設されており、圧力検知器42で検知した圧力を信号i14として制御装置4に送信することができるように構成されている。また、燃料極31は、燃焼部25とアノードオフガスライン62を介して接続されており、電気化学的反応に使用されなかった改質ガスgを含むアノードオフガスpを燃料極31から排出することができるように構成されている。アノードオフガスライン62には、その流路を閉塞することができるアノードオフガス電磁弁62sが設けられている。アノードオフガス電磁弁62sと制御装置4との間には信号ケーブルが敷設されている。アノードオフガス電磁弁62sは、制御装置4からの開閉信号i16を受信して、弁を開閉することができるように構成されている。また、改質ガス電磁弁61sより上流側の改質ガス供給ライン61とアノードオフガス電磁弁62sより下流側のアノードオフガスライン62とは、バイパスライン63を介して接続されている。バイパスライン63には、その流路を閉塞することができるバイパス電磁弁63sが設けられている。バイパス電磁弁63sと制御装置4との間には信号ケーブルが敷設されている。バイパス電磁弁63sは、制御装置4からの開閉信号i17を受信して、弁を開閉することができるように構成されている。   The fuel electrode 31 is connected to the selective oxidation unit 23 of the reformer 2 via the reformed gas supply line 61, and is configured so that the reformed gas g can be introduced into the fuel electrode 31. The reformed gas supply line 61 is provided with a reformed gas solenoid valve 61s that can close the flow path. A signal cable is laid between the reformed gas solenoid valve 61s and the control device 4. The reformed gas electromagnetic valve 61s is configured to receive an open / close signal i15 from the control device 4 and to open / close the valve. A pressure detector 42 is provided in the reformed gas supply line 61 on the upstream side of the reformed gas electromagnetic valve 61s. A signal cable is laid between the pressure detector 42 and the control device 4 so that the pressure detected by the pressure detector 42 can be transmitted to the control device 4 as a signal i14. Further, the fuel electrode 31 is connected to the combustion unit 25 via the anode offgas line 62, and the anode offgas p containing the reformed gas g that has not been used for the electrochemical reaction can be discharged from the fuel electrode 31. It is configured to be able to. The anode off gas line 62 is provided with an anode off gas electromagnetic valve 62s that can close the flow path. A signal cable is laid between the anode off-gas electromagnetic valve 62 s and the control device 4. The anode off-gas electromagnetic valve 62s is configured to receive an open / close signal i16 from the control device 4 and to open / close the valve. Further, the reformed gas supply line 61 on the upstream side of the reformed gas electromagnetic valve 61 s and the anode offgas line 62 on the downstream side of the anode offgas electromagnetic valve 62 s are connected via a bypass line 63. The bypass line 63 is provided with a bypass electromagnetic valve 63s that can close the flow path. A signal cable is laid between the bypass electromagnetic valve 63 s and the control device 4. The bypass electromagnetic valve 63s is configured to receive an open / close signal i17 from the control device 4 and to open / close the valve.

空気極32には、三方弁58cで分岐された、酸化剤ガスk1を導入するための酸化剤ガスライン64が接続されている。また、空気極32には、電気化学的反応に使用されなかった酸化剤ガスk1を含むカソードオフガスqを排出するためのカソードオフガスライン65が接続されている。
冷却部33には、冷却水rを流す冷却水ライン66が接続されており、冷却水rが循環する循環流路が形成されている。
燃料電池スタック3で発電した直流電力は、パワーコンディショナー43に送電されて交流電力に変換された後、電力需要に向けて送電される。
Connected to the air electrode 32 is an oxidant gas line 64 for introducing the oxidant gas k1 branched by the three-way valve 58c. The cathode 32 is connected to a cathode offgas line 65 for discharging a cathode offgas q containing an oxidant gas k1 that has not been used for the electrochemical reaction.
A cooling water line 66 through which the cooling water r flows is connected to the cooling unit 33, and a circulation channel through which the cooling water r circulates is formed.
The DC power generated by the fuel cell stack 3 is transmitted to the power conditioner 43 and converted into AC power, and then transmitted toward the power demand.

制御装置4は、改質装置2及び燃料電池スタック3を含む燃料電池システム1の発停や運転状態を制御することができるように構成されている。具体的には、流量信号i1、i3、i8、i10、i12や圧力信号i14を受信して燃料電池システム1の運転状態を把握し、意図する運転状態にするために各弁及びブロワ等を制御するための信号i2、i4〜i7、i9、i11、i13、i15〜i17を各弁及びブロワ等に送信することができるように構成されている。特に、封入電磁弁53sの制御については後に詳しく説明する。   The control device 4 is configured to be able to control the start / stop and operating state of the fuel cell system 1 including the reformer 2 and the fuel cell stack 3. Specifically, the flow rate signals i1, i3, i8, i10, i12 and the pressure signal i14 are received to understand the operating state of the fuel cell system 1, and control each valve and blower to achieve the intended operating state. Signals i2, i4 to i7, i9, i11, i13, i15 to i17 can be transmitted to each valve and blower. In particular, the control of the enclosed electromagnetic valve 53s will be described in detail later.

続いて図2を参照して、本発明の実施の形態に係る改質装置2を含む燃料電池システム1の起動方法について説明する。なお、装置の符号については適宜図1を参照することとする。燃料電池システム1が停止しているときは、改質ガスgがパージされ、改質装置2内に原料ガスmが封入されている(S1)。原料ガスmを封入することにより、改質触媒、変成触媒、選択酸化触媒の酸化を防いでいる。封入圧力は、典型的には、120〜200kPa・absである。改質装置2の運転中は改質部21の温度が約600℃になるが、運転を停止すると次第に温度が低下して内部の水蒸気が凝縮し、改質装置2内の圧力が低下してくる。改質装置2の内部圧力が外部よりも低くなると空気が混入するおそれが生じるため、改質装置2の停止中は原料ガスmを封入することにより内部圧力が大気圧以上に保たれる。また、窒素等の不活性ガスではなく原料ガスmを封入することで、不活性ガスボンベや別途の配管等が不要になると共に封入ガスの管理も容易になる。   Next, with reference to FIG. 2, a method for starting the fuel cell system 1 including the reformer 2 according to the embodiment of the present invention will be described. Note that FIG. 1 is referred to as appropriate for the reference numerals of the apparatus. When the fuel cell system 1 is stopped, the reformed gas g is purged, and the raw material gas m is sealed in the reformer 2 (S1). By enclosing the raw material gas m, oxidation of the reforming catalyst, the shift catalyst, and the selective oxidation catalyst is prevented. The sealing pressure is typically 120 to 200 kPa · abs. During the operation of the reformer 2, the temperature of the reforming unit 21 is about 600 ° C., but when the operation is stopped, the temperature gradually decreases and the water vapor inside condenses, and the pressure in the reformer 2 decreases. come. If the internal pressure of the reformer 2 becomes lower than the outside, air may be mixed in. Therefore, the internal pressure is maintained at atmospheric pressure or higher by sealing the raw material gas m while the reformer 2 is stopped. In addition, by enclosing the raw material gas m instead of an inert gas such as nitrogen, an inert gas cylinder, separate piping, and the like are not required, and the management of the enclosed gas is facilitated.

改質装置2への原料ガスmの封入は、マスフローコントローラ51c、56c、封入電磁弁53s、プロセス水電磁弁55s、改質ガス電磁弁61s、バイパス電磁弁63sを閉にすることにより行う。すなわち、改質装置2の停止中は、マスフローコントローラ51c、56c、封入電磁弁53s、プロセス水電磁弁55s、改質ガス電磁弁61s、バイパス電磁弁63sが閉の状態になっている。なお、本実施の形態において、原料ガスmが封入される「改質装置」は、改質部21、変成部22、選択酸化部23、及びこれらと連通するマスフローコントローラ51cまでの原料ガス供給管51、封入電磁弁53sまでの封入ガス排出管53、プロセス水電磁弁55sまでのプロセス水供給管55、マスフローコントローラ56cまでの選択酸化空気供給管56、改質ガス電磁弁61sまでの改質ガスライン61及びバイパス電磁弁63sまでのバイパス管63である。すなわち、運転停止時に原料ガスmを封入したときに、その封入圧力が及ぶ範囲までが改質装置の概念に含まれる。   The material gas m is sealed in the reformer 2 by closing the mass flow controllers 51c and 56c, the sealed solenoid valve 53s, the process water solenoid valve 55s, the reformed gas solenoid valve 61s, and the bypass solenoid valve 63s. That is, while the reforming apparatus 2 is stopped, the mass flow controllers 51c and 56c, the enclosed electromagnetic valve 53s, the process water electromagnetic valve 55s, the reformed gas electromagnetic valve 61s, and the bypass electromagnetic valve 63s are closed. In the present embodiment, the “reforming apparatus” in which the raw material gas m is sealed includes the reforming unit 21, the transformation unit 22, the selective oxidation unit 23, and the raw material gas supply pipe to the mass flow controller 51c communicating with them. 51, sealed gas discharge pipe 53 to sealed electromagnetic valve 53s, process water supply pipe 55 to process water solenoid valve 55s, selective oxidized air supply pipe 56 to mass flow controller 56c, reformed gas to reformed gas solenoid valve 61s The bypass pipe 63 extends to the line 61 and the bypass solenoid valve 63s. In other words, the concept of the reformer includes the range up to the enclosed pressure when the raw material gas m is enclosed when the operation is stopped.

燃料電池システム1が停止している状態で、制御装置4は外部からの燃料電池システム1の起動命令の有無を判断する(S2)。起動命令がなければ改質装置2に原料ガスmを封入する工程を維持する(S1)。起動命令があると、制御装置4は、燃焼空気ブロワ57bに信号i11を、酸化剤ガスブロワ58bに信号i13をそれぞれ送信して各ブロワを起動させると共に、空気が希釈空気供給管58A側に流れるように三方弁58cに信号i6を送信して弁を動作させる(S3)。なお、以降の説明では、制御装置4との間に信号ケーブルが敷設されている機器や弁が動作するときは、特に記載がなくても制御装置4からの信号を受けて動作することとする。燃焼空気ブロワ57bが起動すると、燃焼空気供給管57を流れる空気は燃焼部25を通って燃焼排ガス排出管54を流れる。このとき、燃焼部25への燃料ガスmの導入は行われず、燃焼部25内でのバーナーの着火も行われないため、燃焼排ガスが発生しない。つまり、燃焼部25から排出されるのは、燃焼部25に残留している燃焼排ガスがわずかに含まれる場合があるが、ほぼ空気である。他方、三方弁58cが空気供給管58と希釈空気供給管58Aとを連通する状態で、酸化剤ガスブロワ58bが起動すると、空気供給管58及び希釈空気供給管58Aを空気が流れ、燃焼排ガス排出管54に合流する。   In a state where the fuel cell system 1 is stopped, the control device 4 determines whether or not there is an activation command for the fuel cell system 1 from the outside (S2). If there is no start command, the process of enclosing the raw material gas m in the reformer 2 is maintained (S1). When the activation command is issued, the control device 4 transmits a signal i11 to the combustion air blower 57b and a signal i13 to the oxidant gas blower 58b to activate each blower, and causes the air to flow toward the dilution air supply pipe 58A. The signal i6 is transmitted to the three-way valve 58c to operate the valve (S3). In the following description, when a device or valve in which a signal cable is laid between the control device 4 and the valve operates, it operates in response to a signal from the control device 4 even if not specifically described. . When the combustion air blower 57b is activated, the air flowing through the combustion air supply pipe 57 flows through the combustion unit 25 and the combustion exhaust gas discharge pipe 54. At this time, the fuel gas m is not introduced into the combustion section 25 and the burner is not ignited in the combustion section 25, so that no combustion exhaust gas is generated. That is, the exhaust from the combustion section 25 is almost air, although the combustion exhaust gas remaining in the combustion section 25 may be slightly contained. On the other hand, when the oxidant gas blower 58b is activated with the three-way valve 58c communicating with the air supply pipe 58 and the dilution air supply pipe 58A, air flows through the air supply pipe 58 and the dilution air supply pipe 58A, and the combustion exhaust gas discharge pipe Join 54.

燃焼排ガス排出管54内を空気が流れている状態で、封入電磁弁53sを開にして改質装置2に封入されている原料ガスmを改質装置2の外に排出する(S4)。改質装置2の外に排出された原料ガスmは封入ガス排出管53を流れ、燃焼排ガス排出管54を流れる空気と混合する(S5)。このとき、改質装置2に封入されていた原料ガスmの封入圧は、原料ガスmが空気と合流する封入電磁弁53sの二次側の封入ガス排出管53内の静圧より高いので、原料ガスmは改質装置2の外に排出される。封入ガス排出管53内で空気と混合した原料ガスmは、燃料電池システム1の外に排出される(S6)。   With the air flowing in the combustion exhaust gas discharge pipe 54, the sealed electromagnetic valve 53s is opened to discharge the raw material gas m enclosed in the reformer 2 to the outside of the reformer 2 (S4). The raw material gas m discharged out of the reformer 2 flows through the sealed gas discharge pipe 53 and is mixed with the air flowing through the combustion exhaust gas discharge pipe 54 (S5). At this time, the sealing pressure of the raw material gas m sealed in the reformer 2 is higher than the static pressure in the sealed gas discharge pipe 53 on the secondary side of the sealed electromagnetic valve 53s where the raw material gas m merges with air. The raw material gas m is discharged out of the reformer 2. The raw material gas m mixed with air in the sealed gas discharge pipe 53 is discharged out of the fuel cell system 1 (S6).

ここで、原料ガスmを改質装置2から排出する手段、言い換えれば封入電磁弁53sの制御についてより詳細に説明する。
封入電磁弁53sを開けて改質装置2に封入されている原料ガスmを改質装置2の外に排出するのは、封入圧が高いため、そのまま燃焼用の燃料として燃焼部25へ送るのに適さないからである。典型的には原料ガスmと燃焼用の燃料は同じものであるから(段落0028参照)、改質装置2に封入されている原料ガスmをバイパス電磁弁63sを開にすることにより燃焼部25へ導いて燃焼用の燃料として使用するのが合理的なのであるが、本実施の形態における封入圧で原料ガスmを燃焼部25へ送ると適切な燃焼条件よりも燃料が多くなりすぎて着火に失敗するという問題が生じる。また、一旦適切な燃焼条件で着火を行った後に封入圧で原料ガスmを燃焼部25に送った場合であっても燃料が多くなりすぎて失火してしまうという問題が生じる。このような現象は、不完全燃焼による一酸化炭素の排出を誘発することとなるため回避する必要がある。したがって、燃料電池システム1の起動当初は、改質装置2に封入されている原料ガスmを燃焼部25に導入したときに適切な空燃比となるような封入圧(以下この圧力を「所定の圧力」という。)となるまで、改質装置2内の原料ガスmを燃料電池システム1の外に排出することが現実的である。
Here, the means for discharging the raw material gas m from the reformer 2, in other words, the control of the enclosed electromagnetic valve 53s will be described in more detail.
The reason why the material gas m enclosed in the reformer 2 is discharged to the outside of the reformer 2 by opening the sealed electromagnetic valve 53s is because the enclosed pressure is high, and is sent as it is to the combustion unit 25 as fuel for combustion. It is because it is not suitable for. Since the raw material gas m and the combustion fuel are typically the same (see paragraph 0028), the raw material gas m sealed in the reformer 2 is opened by opening the bypass solenoid valve 63s. However, if the raw material gas m is sent to the combustion section 25 with the enclosed pressure in the present embodiment, the amount of fuel will be excessive and the ignition will be ignited. The problem of failure occurs. Moreover, even if the material gas m is sent to the combustion section 25 at an enclosed pressure after ignition is performed once under appropriate combustion conditions, there is a problem that the fuel becomes excessive and misfires occur. Such a phenomenon must be avoided because it induces carbon monoxide emissions due to incomplete combustion. Therefore, at the beginning of the start of the fuel cell system 1, an enclosed pressure (hereinafter referred to as “predetermined pressure”) that provides an appropriate air-fuel ratio when the raw material gas m enclosed in the reformer 2 is introduced into the combustion unit 25. It is realistic to discharge the raw material gas m in the reformer 2 to the outside of the fuel cell system 1 until it becomes “pressure”.

しかしながら、原料ガスmは一般的に爆発限界を有する。以降、本実施の形態では、原料ガスmがメタンであるとして説明することとする。原料ガスmがメタンの場合、その爆発限界は5.3〜14体積%である。それゆえ、改質装置2に封入されている原料ガスmを燃料電池システム1の外に排出するに際し、原料ガスmの濃度が少なくとも爆発限界未満の濃度となるようにすることが好ましく、原料ガスmの濃度が2体積%程度となるように空気で希釈することがより好ましい。   However, the raw material gas m generally has an explosion limit. Hereinafter, in the present embodiment, description will be made assuming that the source gas m is methane. When the raw material gas m is methane, the explosion limit is 5.3 to 14% by volume. Therefore, when the raw material gas m sealed in the reformer 2 is discharged out of the fuel cell system 1, it is preferable that the concentration of the raw material gas m is at least less than the explosion limit. It is more preferable to dilute with air so that the concentration of m is about 2% by volume.

封入電磁弁53sを開くことによりここを通過する原料ガスmの流量Q(L/min)は、用いる封入電磁弁53sに固有の係数をα、弁の有効断面積をS(mm)、一次側の圧力をP(kPa・abs)、二次側の圧力をP(kPa・abs)とすると、以下に示す(1)式により表される。
Q=α×S×1.35×{P(P−P)}1/2 ・・・(1)
なお、(1)式中の数値「1.35」は、弁を流れる気体をメタンとしたことに伴う補正係数である。(1)式から明らかなように、封入電磁弁53sをt秒間開放すると最大tQ/60(L)の原料ガスmが流れることとなる。
The flow rate Q (L / min) of the raw material gas m passing therethrough by opening the enclosing electromagnetic valve 53s is α, the coefficient inherent to the enclosing electromagnetic valve 53s used, S (mm 2 ), the primary sectional area of the valve. When the pressure on the side is P 1 (kPa · abs) and the pressure on the secondary side is P 2 (kPa · abs), it is expressed by the following equation (1).
Q = α × S × 1.35 × {P 2 (P 1 −P 2 )} 1/2 (1)
The numerical value “1.35” in the equation (1) is a correction coefficient associated with the fact that the gas flowing through the valve is methane. As apparent from the equation (1), when the sealed electromagnetic valve 53s is opened for t seconds, the maximum source gas m of tQ / 60 (L) flows.

このとき、封入電磁弁53sについて、有効断面積(上記(1)式におけるSの値)が小さい弁、すなわち封入電磁弁53sを通過する原料ガスmの流量が燃焼排ガス排出管54を流れる空気と混合したときに、原料ガスmの濃度が爆発限界未満となる程度の有効断面積をもつ封入電磁弁53sを採用することができる。しかしながら、有効断面積が小さい封入電磁弁53sを用いると改質装置2内の圧力減少に伴って封入電磁弁53sの一次側と二次側との差圧が減少することにより排出する原料ガスmの流量が減少して、改質装置2内の圧力を所定の圧力に低下させるのに長時間を要することとなる。そこで、差圧が減少しても極端に通過流量が減少することのない有効断面積を有する封入電磁弁53sを採用しつつ、封入電磁弁53sの開閉を制御することにより燃料電池システム1から排出される原料ガスmの濃度を爆発限界未満となるようにするとよい。   At this time, the enclosed electromagnetic valve 53s has a small effective cross-sectional area (the value of S in the above equation (1)), that is, the flow rate of the raw material gas m passing through the enclosed electromagnetic valve 53s and the air flowing through the combustion exhaust gas discharge pipe 54 An encapsulated electromagnetic valve 53s having an effective cross-sectional area such that the concentration of the raw material gas m becomes less than the explosion limit when mixed can be employed. However, when the enclosed electromagnetic valve 53s having a small effective cross-sectional area is used, the raw material gas m discharged due to a decrease in the differential pressure between the primary side and the secondary side of the enclosed electromagnetic valve 53s as the pressure in the reformer 2 decreases. Therefore, it takes a long time to reduce the pressure in the reformer 2 to a predetermined pressure. Therefore, the sealed electromagnetic valve 53s having an effective cross-sectional area that does not extremely decrease the flow rate even when the differential pressure is reduced is adopted, and the fuel cell system 1 is discharged by controlling the opening and closing of the sealed electromagnetic valve 53s. The concentration of the raw material gas m is preferably set to be less than the explosion limit.

差圧が減少しても極端に通過流量が減少することのない有効断面積を有する封入電磁弁53sを用いて弁の開閉を制御する場合、封入電磁弁53sを開放する時間は、燃焼排ガス排出管54を流れる空気の流量に対して原料ガスm(メタンガス)の濃度が少なくとも爆発限界未満となり、より好ましくは2体積%程度となるような流量を排出できる時間である。このような開放時間で行う封入電磁弁53sの開閉動作を、原料ガスmが燃料電池システム1の外に排出されたときに、その濃度を少なくとも爆発限界未満、より好ましくは2体積%程度に維持することができるような所定の間隔で(換言すると間欠的に)行うとよい。あるいはこのような封入電磁弁53sの開閉動作を基準として、圧力検知器42で検知した圧力から把握される封入電磁弁53s前後の差圧から算出した原料ガスmの排出流量を考慮し、封入電磁弁53sを開放する間隔又は封入電磁弁53sの開放時間を調整して、改質装置2内の圧力がより早く所定の圧力まで低下するようにしてもよい。いうまでもなく、封入電磁弁53sの開放間隔又は開放時間を調整しても、燃料電池システム1から排出される原料ガスmの濃度は少なくとも爆発限界未満に保たれる。このとき封入電磁弁53sの開放間隔又は開放時間tは、原料ガスmが燃料電池システム1の外に排出されたときに爆発限界未満の濃度となるように原料ガスmと空気とが封入ガス排出管53内で十分に混合されるという観点から、封入電磁弁53sの有効断面積及び封入ガス排出管53の容量を考慮して決定するとよい。すなわち、封入ガス排出管53の容量に対して封入電磁弁53sの開放間隔が短すぎ、又は開放時間tが長すぎることによって、原料ガスmが封入ガス排出管53内で爆発限界未満の濃度に希釈されずに燃料電池システム1の外に排出されるという不都合を回避することができるように、封入電磁弁53sの開放間隔又は開放時間tを決定するとよい。なお、封入電磁弁53sの開放間隔と開放時間tとの制御を同時に行ってもよい。   In the case of controlling the opening / closing of the valve using the enclosed electromagnetic valve 53s having an effective cross-sectional area that does not extremely decrease the flow rate even if the differential pressure decreases, the time for opening the enclosed electromagnetic valve 53s is the exhaust gas emission time. It is a time during which the flow rate can be discharged so that the concentration of the raw material gas m (methane gas) is at least less than the explosion limit and more preferably about 2% by volume with respect to the flow rate of the air flowing through the pipe 54. The opening / closing operation of the enclosing electromagnetic valve 53s performed in such an opening time is maintained at a concentration of at least less than the explosion limit, more preferably about 2% by volume when the source gas m is discharged out of the fuel cell system 1. It may be performed at predetermined intervals (in other words, intermittently) that can be performed. Alternatively, based on the opening / closing operation of the enclosed electromagnetic valve 53s, the discharge flow rate of the raw material gas m calculated from the differential pressure before and after the enclosed electromagnetic valve 53s grasped from the pressure detected by the pressure detector 42 is taken into account. The interval in which the valve 53s is opened or the opening time of the enclosed electromagnetic valve 53s may be adjusted so that the pressure in the reformer 2 decreases to a predetermined pressure more quickly. Needless to say, even if the opening interval or opening time of the enclosed electromagnetic valve 53s is adjusted, the concentration of the raw material gas m discharged from the fuel cell system 1 is kept at least below the explosion limit. At this time, the opening interval or opening time t of the encapsulated electromagnetic valve 53s is such that the source gas m and air are discharged so that the concentration becomes less than the explosion limit when the source gas m is discharged out of the fuel cell system 1. From the viewpoint of being sufficiently mixed in the pipe 53, the effective cross-sectional area of the sealed electromagnetic valve 53s and the capacity of the sealed gas discharge pipe 53 may be determined. That is, when the opening interval of the enclosed electromagnetic valve 53s is too short or the opening time t is too long with respect to the capacity of the enclosed gas discharge pipe 53, the source gas m has a concentration below the explosion limit in the enclosed gas discharge pipe 53. The opening interval or opening time t of the enclosed electromagnetic valve 53s may be determined so as to avoid the inconvenience of being discharged out of the fuel cell system 1 without being diluted. Note that the control of the opening interval and the opening time t of the enclosed electromagnetic valve 53s may be performed simultaneously.

このような封入電磁弁53sの開閉動作を、改質装置2内の圧力が所定の圧力になるまで続ける。制御装置4は、圧力検知器42からの信号i14を受信して、改質装置2内の圧力が所定の圧力以下か否かを判断する(S7)。所定の圧力以下でなければ封入電磁弁53sを開閉する工程(S4)に戻る。所定の圧力以下であれば封入電磁弁53sを閉じたままバイパス電磁弁63sを開にする(S8)。バイパス電磁弁63sを開にすると改質装置2内に封入されていた原料ガスmが燃焼部25に導入される。ここで燃焼部25のバーナーを点火して原料ガスmを燃料として燃焼させ、改質部21での改質反応に必要な改質熱を発生させる。この段階では燃焼排ガス排出管54に希釈用の空気を導入する必要がないので酸化剤ガスブロワ58bを停止する(S9)。   The opening / closing operation of the enclosing electromagnetic valve 53s is continued until the pressure in the reformer 2 reaches a predetermined pressure. The control device 4 receives the signal i14 from the pressure detector 42, and determines whether or not the pressure in the reforming device 2 is equal to or lower than a predetermined pressure (S7). If the pressure is not lower than the predetermined pressure, the process returns to the step (S4) of opening and closing the enclosed electromagnetic valve 53s. If the pressure is equal to or lower than the predetermined pressure, the bypass solenoid valve 63s is opened while the sealed solenoid valve 53s is closed (S8). When the bypass electromagnetic valve 63 s is opened, the raw material gas m enclosed in the reformer 2 is introduced into the combustion unit 25. Here, the burner of the combustion section 25 is ignited to burn the raw material gas m as fuel, and the reforming heat necessary for the reforming reaction in the reforming section 21 is generated. At this stage, since it is not necessary to introduce dilution air into the combustion exhaust gas discharge pipe 54, the oxidant gas blower 58b is stopped (S9).

燃焼部25での燃焼が開始したら原料ガスブロワ51bを起動すると共にマスフローコントローラ52cの弁を開にして、燃焼部25に燃料としての原料ガスmを導入する(S10)。続いてマスフローコントローラ51cの弁を開にして、改質部21に原料ガスmを導入する(S11)。また、プロセス水ポンプ55pを起動すると共にプロセス水電磁弁55sを開にして、水蒸気発生部24にプロセス水wを導入する(S12)。水蒸気発生部24では、プロセス水wが受熱して水蒸気vとなる。水蒸気vは改質部21に導入され、原料ガスmが改質されるのに用いられる。   When combustion in the combustion section 25 is started, the raw material gas blower 51b is started and the valve of the mass flow controller 52c is opened to introduce the raw material gas m as fuel into the combustion section 25 (S10). Subsequently, the valve of the mass flow controller 51c is opened, and the raw material gas m is introduced into the reforming unit 21 (S11). In addition, the process water pump 55p is started and the process water electromagnetic valve 55s is opened to introduce the process water w into the water vapor generating unit 24 (S12). In the steam generation part 24, the process water w receives heat and becomes steam v. The steam v is introduced into the reforming unit 21 and used to reform the raw material gas m.

原料ガスmは改質部21で改質されて混合改質ガスn1となり、変成部22、選択酸化部23へと送られ、徐々に一酸化炭素濃度が低減される。その過程で選択酸化空気ブロワ56bが起動すると共にマスフローコントローラ56cの弁を開にして、選択酸化部23に選択酸化空気が導入される(S13)。選択酸化部23で一酸化炭素濃度が低減された改質ガスgは、その組成が燃料電池スタック3での発電に適したものに安定するまでは燃料極31に送られず、バイパスライン63を通って燃焼部25に送られ、燃焼用の燃料として利用される。すなわち、改質ガスgの組成が安定したか否かの判断が行われ(S14)、安定していなければ次の工程に進まない。   The raw material gas m is reformed in the reforming unit 21 to become a mixed reformed gas n1, and is sent to the shift unit 22 and the selective oxidation unit 23, and the carbon monoxide concentration is gradually reduced. In the process, the selective oxidation air blower 56b is activated and the valve of the mass flow controller 56c is opened to introduce the selective oxidation air into the selective oxidation unit 23 (S13). The reformed gas g whose carbon monoxide concentration has been reduced in the selective oxidation unit 23 is not sent to the fuel electrode 31 until the composition is stabilized to be suitable for power generation in the fuel cell stack 3, and the bypass line 63 It is sent to the combustion section 25 and used as a fuel for combustion. That is, it is determined whether or not the composition of the reformed gas g is stable (S14). If it is not stable, the process does not proceed to the next step.

改質ガスgの組成が安定したら酸化剤ガスブロワ58bが起動すると共に三方弁58cが酸化剤ガスライン64側に開になるように作動し、空気極32に酸化剤ガスk1が導入される(S15)。また、改質ガス電磁弁61s及びアノードオフガス電磁弁62sを開とし、バイパス電磁弁63sを閉とする(S16)。これにより燃料極31に改質ガスgが導入される。改質ガスg及び酸化剤ガスk1が導入された燃料電池スタック3は発電を開始する(S17)。燃料電池スタック3は発電に伴って熱を発生するので、冷却部33に冷却水rを流すために不図示の冷却水ポンプが起動される。また、燃料極31からはアノードオフガスpが排出されて燃焼部25に導かれ、燃焼用の燃料として用いられる。他方、空気極32からはカソードオフガスqが排出されて燃料電池システム1の外に排出される。このようにして燃料電池システム1は定常運転に入り、停止の指令があるまで運転が続けられる。燃料電池システム1を停止する指令を受けたときは、改質装置2内を原料ガスmで封入して停止する。   When the composition of the reformed gas g becomes stable, the oxidant gas blower 58b is activated and the three-way valve 58c is operated to open toward the oxidant gas line 64, so that the oxidant gas k1 is introduced into the air electrode 32 (S15). ). Further, the reformed gas solenoid valve 61s and the anode off-gas solenoid valve 62s are opened, and the bypass solenoid valve 63s is closed (S16). As a result, the reformed gas g is introduced into the fuel electrode 31. The fuel cell stack 3 into which the reformed gas g and the oxidant gas k1 have been introduced starts power generation (S17). Since the fuel cell stack 3 generates heat along with power generation, a cooling water pump (not shown) is activated to flow the cooling water r to the cooling unit 33. Further, the anode off-gas p is discharged from the fuel electrode 31 and guided to the combustion unit 25 and used as a fuel for combustion. On the other hand, the cathode off gas q is discharged from the air electrode 32 and discharged outside the fuel cell system 1. In this way, the fuel cell system 1 enters a steady operation and continues to operate until a stop command is issued. When a command to stop the fuel cell system 1 is received, the reformer 2 is sealed with the raw material gas m and stopped.

以上の説明では、改質装置2は変成部22を有することとして説明したが(段落0023、0025)、選択酸化部23だけで改質ガスg中の一酸化炭素濃度を所定の濃度まで低減することができるときは、変成部22を設けなくてもよい。変成部22を設けなければ、改質装置2をコンパクトにできる。   In the above description, the reformer 2 has been described as having the shift unit 22 (paragraphs 0023 and 0025), but the carbon monoxide concentration in the reformed gas g is reduced to a predetermined concentration only by the selective oxidation unit 23. If possible, the metamorphic portion 22 may not be provided. If the transformation unit 22 is not provided, the reformer 2 can be made compact.

以上の説明では、燃料電池スタック3は固体高分子型燃料電池として説明したが(段落0039)、りん酸型燃料電池等の固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。   In the above description, the fuel cell stack 3 has been described as a polymer electrolyte fuel cell (paragraph 0039), but may be a fuel cell other than a polymer electrolyte fuel cell such as a phosphoric acid fuel cell.

以上の説明では、圧力検知器42が改質ガス供給ライン61に設けられるとして説明したが(段落0040)、原料ガスmを封入した改質装置2内の圧力を検知することができれば改質ガス供給ライン61以外の場所に設けてもよい。   In the above description, the pressure detector 42 is described as being provided in the reformed gas supply line 61 (paragraph 0040). However, if the pressure in the reformer 2 in which the raw material gas m is enclosed can be detected, the reformed gas can be detected. You may provide in places other than the supply line 61. FIG.

以上の説明では、希釈空気を空気導入路に導くためにブロワ57b、58bを備えるとして説明したが(段落0045)、例えば工場などで圧縮空気ラインのような空気源がある場合にはその空気を導入すればよい。   In the above description, the blowers 57b and 58b are provided to guide the diluted air to the air introduction path (paragraph 0045). However, when there is an air source such as a compressed air line in a factory, for example, the air is used. Just introduce it.

以上の説明では、封入電磁弁53sの開閉動作を、圧力検知器42で検知した圧力から把握される封入電磁弁53s前後の差圧から算出した原料ガスmの排出流量を考慮して燃料電池システム1から排出される原料ガスmの濃度が爆発限界未満となるように制御することを例示したが(段落0051)、燃料電池システム1から排出される原料ガスmの濃度を濃度検知器で直に検知して、検知した濃度に基づいて封入電磁弁53sの開閉動作を制御してもよい。   In the above description, the fuel cell system considers the discharge flow rate of the raw material gas m calculated from the differential pressure before and after the enclosed electromagnetic valve 53s, which is grasped from the pressure detected by the pressure detector 42, for the opening / closing operation of the enclosed electromagnetic valve 53s. Although the control was performed so that the concentration of the raw material gas m discharged from the fuel cell 1 is less than the explosion limit (paragraph 0051), the concentration of the raw material gas m discharged from the fuel cell system 1 is directly measured by the concentration detector. It may be detected and the opening / closing operation of the enclosed electromagnetic valve 53s may be controlled based on the detected concentration.

以下に封入電磁弁53sの制御についての実施例を示す(図2におけるS4〜S7)。以下の実施例では、前述の(1)式(段落0049参照)におけるパラメータをα=0.2264、S=1.33、P=100、P−P=50とした。なお、原料ガスmとしてメタンを用いた。また、メタンと混合される空気量は30(L/min)である。 Examples of controlling the enclosed electromagnetic valve 53s are shown below (S4 to S7 in FIG. 2). In the following examples, the parameters in the above-described equation (1) (see paragraph 0049) were α = 0.2264, S = 1.33, P 2 = 100, and P 1 −P 2 = 50. Note that methane was used as the source gas m. The amount of air mixed with methane is 30 (L / min).

(実施例1)
本実施例では、封入電磁弁53sの開放間隔及び開放時間を改質装置2内の圧力変動にかかわらず一定とした。具体的には、5秒間隔で0.1秒間づつ封入電磁弁53sを開放することとした。封入電磁弁を0.1秒間開放したときに排出されるメタンガスの量は、(0.1/60)×0.2264×1.33×1.35×{100×50}1/2≒0.048(L)となり、他方5秒間で流れる空気量は30×(5/60)=2.5(L)となる。これより5秒間で排出されるメタンガスの濃度は、0.048/(0.048+2.5)≒0.019、すなわち約1.9体積%となる。この濃度はメタンの爆発限界の下限未満であり、好ましい濃度である2体積%にほぼ等しい。
図3(a)に、本実施例の封入電磁弁53sの開閉と改質装置2内の圧力変動(改質装置2内外の差圧D1)との関係を示すタイミングチャートを示す。図から明らかなように、本実施例ではおよそ20秒で改質装置2内の圧力が所定の圧力Pとなった。
Example 1
In the present embodiment, the opening interval and opening time of the enclosed electromagnetic valve 53s are made constant regardless of the pressure fluctuation in the reformer 2. Specifically, the enclosed electromagnetic valve 53s is opened every 0.1 second at intervals of 5 seconds. The amount of methane gas discharged when the sealed electromagnetic valve is opened for 0.1 second is (0.1 / 60) × 0.2264 × 1.33 × 1.35 × {100 × 50} 1/2 ≈0 0.048 (L), and the amount of air flowing in the other 5 seconds is 30 × (5/60) = 2.5 (L). Accordingly, the concentration of methane gas discharged in 5 seconds is 0.048 / (0.048 + 2.5) ≈0.019, that is, about 1.9% by volume. This concentration is below the lower limit of methane explosion limit and is approximately equal to the preferred concentration of 2% by volume.
FIG. 3A shows a timing chart showing the relationship between the opening / closing of the sealed electromagnetic valve 53s of this embodiment and the pressure fluctuation in the reformer 2 (the differential pressure D1 inside and outside the reformer 2). As is clear from the figure, in this example, the pressure in the reformer 2 reached the predetermined pressure P 0 in about 20 seconds.

(実施例2)
本実施例では、改質装置2内の圧力の減少に伴って封入電磁弁53sの開放間隔を短くするように制御した(開放時間は一定)。開放間隔の制御は、制御装置4が、圧力検知器42で検知された圧力に基づいて排出されるメタンの流量を差圧から算出し、希釈する空気の流量である30(L/min)を混合したときにメタンの濃度が約2体積%を維持することができる間隔で封入電磁弁53sに0.1秒間開とする信号i5を送信することにより行われる。差圧P−P=50のときに封入電磁弁53sを0.1秒間開とすると0.048Lのメタンが排出され、これに伴って改質装置2内の圧力が低下する。すなわち、差圧P−Pが減少する。本実施例では差圧P−P=30となったので、制御装置4は封入電磁弁53sの開放間隔を4秒に補正した。差圧P−P=30のときに排出されるメタンの量は、(0.1/60)×0.2264×1.33×1.35×{100×30}1/2≒0.037(L)であった。他方4秒間で流れる空気量は30×(4/60)=2(L)である。したがって、このときのメタンの濃度は、0.037/(0.037+2)≒0.018、すなわち約1.8体積%となる。2回目のメタンガスの排出により改質装置2内の圧力はさらに低下したので、制御装置4は、次の開放間隔を2秒とした。以降、差圧の減少に伴って封入電磁弁53sの開放間隔を短くしていった。
図3(b)に、本実施例の封入電磁弁53sの開閉と改質装置2内の圧力変動(改質装置2内外の差圧D2)との関係を示すタイミングチャートを示す。図から明らかなように、本実施例ではおよそ12秒で改質装置2内の圧力が所定の圧力Pとなった。
(Example 2)
In this embodiment, the opening interval of the enclosed electromagnetic valve 53s is controlled to be shortened as the pressure in the reformer 2 decreases (the opening time is constant). The control of the opening interval is performed by calculating the flow rate of methane discharged by the control device 4 based on the pressure detected by the pressure detector 42 from the differential pressure, and setting 30 (L / min) which is the flow rate of air to be diluted. This is performed by transmitting a signal i5 for opening for 0.1 second to the sealed electromagnetic valve 53s at an interval at which the concentration of methane can maintain about 2% by volume when mixed. When the sealed electromagnetic valve 53s is opened for 0.1 seconds when the differential pressure P 1 -P 2 = 50, 0.048 L of methane is discharged, and the pressure in the reformer 2 decreases accordingly. That is, the differential pressure P 1 -P 2 decreases. In this embodiment, since the differential pressure P 1 −P 2 = 30, the control device 4 corrected the opening interval of the enclosed electromagnetic valve 53s to 4 seconds. The amount of methane discharged when the differential pressure P 1 −P 2 = 30 is (0.1 / 60) × 0.2264 × 1.33 × 1.35 × {100 × 30} 1/2 ≈0 0.037 (L). On the other hand, the amount of air flowing in 4 seconds is 30 × (4/60) = 2 (L). Accordingly, the concentration of methane at this time is 0.037 / (0.037 + 2) ≈0.018, that is, about 1.8% by volume. Since the pressure in the reformer 2 further decreased due to the second discharge of methane gas, the controller 4 set the next opening interval to 2 seconds. Thereafter, as the differential pressure decreased, the opening interval of the enclosed electromagnetic valve 53s was shortened.
FIG. 3B is a timing chart showing the relationship between the opening / closing of the enclosed electromagnetic valve 53s of this embodiment and the pressure fluctuation in the reformer 2 (differential pressure D2 inside and outside the reformer 2). As is clear from the figure, in this example, the pressure in the reformer 2 reached the predetermined pressure P 0 in about 12 seconds.

(実施例3)
本実施例では、改質装置2内の圧力の減少に伴って封入電磁弁53sの開放時間を長くするように制御した(開放間隔は一定)。開放時間の制御は、制御装置4が、圧力検知器42で検知された圧力に基づいて排出されるメタンの流量を差圧から算出し、希釈する空気の流量である30(L/min)を混合したときにメタンの濃度が約2体積%を維持することができる流量を流す時間を開にするように封入電磁弁53sに信号i5を送信することにより行われる。差圧P−P=50のときに封入電磁弁53sを0.1秒間開とすると0.048(L)のメタンが排出され、これに伴って改質装置2内の圧力が低下し、差圧P−Pが減少する。本実施例では差圧P−P=30となった。開放間隔を5秒間と一定にした場合、排出されるメタンの量を、たとえ差圧が減少しても差圧P−P=50のときの0.048(L)を維持するとメタンの濃度を約1.9体積%に維持することができる。制御装置4は差圧P−P=30と減少したときの封入電磁弁53sの開放時間を1.3秒に補正した。2回目のメタンガスの排出により改質装置2内の圧力はさらに低下したので、制御装置4は、次の開放時間をさらに長くした。
図3(c)に、本実施例の封入電磁弁53sの開閉と改質装置2内の圧力変動(改質装置2内外の差圧D3)との関係を示すタイミングチャートを示す。図から明らかなように、本実施例ではおよそ10秒で改質装置2内の圧力が所定の圧力Pとなった。
(Example 3)
In this embodiment, the opening time of the enclosed electromagnetic valve 53s is controlled to be longer as the pressure in the reformer 2 decreases (the opening interval is constant). The control of the opening time is carried out by calculating the flow rate of methane discharged by the control device 4 based on the pressure detected by the pressure detector 42 from the differential pressure, and setting 30 (L / min) which is the flow rate of the air to be diluted. This is done by sending a signal i5 to the enclosing electromagnetic valve 53s so as to open a time for flowing a flow rate that can maintain a methane concentration of about 2% by volume when mixed. Is methane emissions differential pressure P 1 -P 2 = 50 inclusion solenoid valve 53s is opened for 0.1 second at 0.048 (L), the pressure of the reforming apparatus 2 is decreased with this , the differential pressure P 1 -P 2 is reduced. In this embodiment, the differential pressure P 1 −P 2 = 30. When the opening interval is fixed at 5 seconds, the amount of methane discharged is maintained at 0.048 (L) when the differential pressure P 1 -P 2 = 50 even if the differential pressure is reduced. The concentration can be maintained at about 1.9% by volume. The control device 4 to correct the opening time of the encapsulated solenoid valve 53s when the decreased pressure difference P 1 -P 2 = 30 to 1.3 seconds. Since the pressure in the reformer 2 further decreased due to the second discharge of methane gas, the controller 4 further extended the next opening time.
FIG. 3C is a timing chart showing the relationship between the opening / closing of the enclosed electromagnetic valve 53s of this embodiment and the pressure fluctuation in the reformer 2 (the differential pressure D3 inside and outside the reformer 2). As is apparent from the figure, in this example, the pressure in the reformer 2 reached the predetermined pressure P 0 in about 10 seconds.

(比較例)
比較例として、改質装置2内の圧力が所定の圧力になるまで封入電磁弁53sを開に維持する場合を示す。このとき、封入電磁弁を通過して排出されるメタンの流量Qは、Q=0.2264×1.33×1.35×{100×50}1/2≒28(L/min)となり、混合される空気量に対する比率は、28/(30+28)≒0.48、すなわち約48体積%となる。これは、排出されるメタンの好ましい濃度である2体積%はおろか、爆発限界の下限である5.3体積%に遠く及ばない。この濃度でメタンが燃料電池システム1の外に排出されると、やがて大気中の空気に希釈されて爆発する濃度になることとなり、この比較例は採用することができない。
(Comparative example)
As a comparative example, a case where the enclosed electromagnetic valve 53s is kept open until the pressure in the reformer 2 reaches a predetermined pressure is shown. At this time, the flow rate Q of methane discharged through the enclosed electromagnetic valve is Q = 0.2264 × 1.33 × 1.35 × {100 × 50} 1/2 ≈28 (L / min), The ratio to the amount of air mixed is 28 / (30 + 28) ≈0.48, that is, about 48% by volume. This is not far from 2% by volume, which is the preferred concentration of methane to be discharged, but far below 5.3% by volume, which is the lower limit of the explosion limit. If methane is discharged out of the fuel cell system 1 at this concentration, it will eventually be diluted to air in the atmosphere and explode, and this comparative example cannot be employed.

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを説明する模式的ブロック図である。1 is a schematic block diagram illustrating a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの起動方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the starting method of the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention. 封入された原料ガスを排出するガス遮断手段の開放のタイミングを説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining the opening timing of the gas interruption | blocking means which discharges | emits the enclosed raw material gas.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池システム
2 改質装置
3 燃料電池スタック
4 制御装置
53 封入ガス排出管(排出流路)
53s 封入電磁弁(ガス遮断手段)
54 燃焼排ガス排出管(空気導入路)
58A 希釈空気供給管(空気導入路)
g 改質ガス
m 原料ガス
k1 酸化剤ガス
k2 希釈空気
k3 燃焼空気(兼希釈用空気)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 2 Reformer 3 Fuel cell stack 4 Control device 53 Filled gas discharge pipe (discharge flow path)
53s sealed solenoid valve (gas shut-off means)
54 Combustion exhaust gas discharge pipe (air introduction path)
58A dilution air supply pipe (air introduction path)
g Reformed gas m Raw material gas k1 Oxidant gas k2 Diluted air k3 Combustion air (also dilution air)

Claims (5)

原料ガスを改質して水素に富む改質ガスを生成する改質装置と、酸素を含有する酸化剤ガスと前記改質ガスとを導入して発電する燃料電池スタックとを有する燃料電池システムを起動する方法であって;
前記改質装置に封入された前記原料ガスを、前記改質装置の前記封入部分の外に排出する工程と;
前記改質装置の前記封入部分の外に排出された前記原料ガスに空気を混合する工程と;
前記空気と混合した前記原料ガスを前記燃料電池システムの外に排出する工程とを備え;
前記燃料電池システムの外に排出される、前記空気と混合した前記原料ガスの濃度が爆発限界の下限未満となるように構成され;
前記原料ガスが封入された前記改質装置内の圧力を検知する工程を備え;
前記検知した圧力に基づいて前記改質装置の前記封入部分の外に排出する前記原料ガスの流量を制御する;
燃料電池システムの起動方法。
A fuel cell system comprising a reformer that reforms a raw material gas to produce a reformed gas rich in hydrogen, an oxidant gas containing oxygen, and a fuel cell stack that generates electricity by introducing the reformed gas How to start;
Discharging the source gas sealed in the reformer out of the sealed portion of the reformer;
Mixing air with the source gas discharged out of the enclosed portion of the reformer;
Discharging the source gas mixed with the air out of the fuel cell system;
A concentration of the raw material gas mixed with the air discharged out of the fuel cell system is less than a lower limit of explosion limit ;
Detecting a pressure in the reformer in which the source gas is sealed;
Controlling the flow rate of the source gas discharged out of the enclosed portion of the reformer based on the detected pressure;
How to start a fuel cell system.
前記原料ガスを前記改質装置の前記封入部分の外に排出する工程が、前記原料ガスを間欠的に排出し、前記原料ガスを排出する間隔を制御することにより、前記空気と混合した前記原料ガスの濃度が爆発限界の下限未満となるように構成された;
請求項1に記載の燃料電池システムの起動方法。
The step of discharging the raw material gas out of the enclosed portion of the reformer, the raw material gas is intermittently discharged, and the raw material mixed with the air is controlled by controlling an interval of discharging the raw material gas. Configured so that the gas concentration is below the lower limit of explosion;
The method for starting the fuel cell system according to claim 1 .
前記原料ガスを前記改質装置の前記封入部分の外に排出する工程が、前記原料ガスを間欠的に排出し、前記原料ガスを排出している時間を制御することにより、前記空気と混合した前記原料ガスの濃度が爆発限界の下限未満となるように構成された;
請求項1に記載の燃料電池システムの起動方法。
The step of discharging the source gas out of the enclosed portion of the reformer is mixed with the air by intermittently discharging the source gas and controlling the time during which the source gas is discharged. Configured so that the concentration of the source gas is less than the lower limit of the explosion limit;
The method for starting the fuel cell system according to claim 1 .
原料ガスを改質して水素に富む改質ガスを生成する改質装置であって;
内部に前記原料ガスを封入するガス遮断手段と;
前記内部に封入された前記原料ガスを前記ガス遮断手段を介して外部に排出する排出流路と;
前記排出流路に空気を導入する空気導入路と;
前記原料ガスが封入された前記改質装置内の圧力を検知する圧力検知器と;
前記排出流路を流れる前記原料ガスが前記空気導入路から導入された空気と混合され、前記排出流路から排出される前記原料ガスの濃度が爆発限界の下限未満となるように、前記圧力検知器で検知した圧力に基づいて、前記ガス遮断手段を開放する制御装置とを備える;
改質装置。
A reformer for reforming a source gas to produce a reformed gas rich in hydrogen;
A gas shut-off means for enclosing the source gas therein;
A discharge flow path for discharging the source gas sealed inside to the outside via the gas blocking means ;
An air introduction path for introducing air into the discharge flow path;
A pressure detector for detecting the pressure in the reformer in which the source gas is sealed;
The pressure detection is performed so that the source gas flowing through the discharge passage is mixed with air introduced from the air introduction passage, and the concentration of the source gas discharged from the discharge passage is less than a lower limit of explosion limit. A control device that opens the gas shut-off means based on the pressure detected by the vessel ;
Reformer.
請求項に記載の改質装置と;
前記改質装置で生成された改質ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとを導入して発電する燃料電池スタックとを備える;
燃料電池システム。
A reformer according to claim 4 ;
A fuel cell stack that generates electricity by introducing the reformed gas generated in the reformer and an oxidant gas containing oxygen;
Fuel cell system.
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