JP7574677B2

JP7574677B2 - Fuel Cell Systems

Info

Publication number: JP7574677B2
Application number: JP2021016424A
Authority: JP
Inventors: 大河村上; 幸一郎堀内
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2021-02-04
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2024-10-29
Anticipated expiration: 2041-02-04
Also published as: JP2022119360A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.

従来、この種の燃料電池システムとしては、原燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、水蒸気改質に用いる水蒸気を発生させる気化器と、燃料ガスと空気中の酸素との反応により発電するセルスタックと、改質器の原燃料ガスを供給するための現燃焼ガス供給手段と、燃料オフガスを燃焼させる燃焼器と、セルスタックからの燃料オフガスを燃焼器に送給するための燃料オフガス送給流路と、燃料オフガス送給流路を流れる燃料オフガスの一部を燃料ガス供給手段の上流側に導くためのリサイクル流路と、を備える固体酸化物形燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、燃料オフガス中の一酸化炭素と水蒸気とが反応して二酸化炭素と水素とに変換する際の反応熱による温度変化を検知するための発熱検知手段を燃料オフガス送給流路に備え、システムのコントローラは、発熱検知手段の検知温度に基づいて燃料ガス供給手段を制御して燃料利用率を補正する。 Conventionally, as this type of fuel cell system, a solid oxide fuel cell system has been proposed that includes a reformer that generates fuel gas by steam reforming raw fuel gas, a vaporizer that generates steam to be used for steam reforming, a cell stack that generates electricity by reacting fuel gas with oxygen in the air, a current combustion gas supply means for supplying raw fuel gas to the reformer, a combustor that combusts fuel off-gas, a fuel off-gas delivery passage for delivering fuel off-gas from the cell stack to the combustor, and a recycle passage for directing a portion of the fuel off-gas flowing through the fuel off-gas delivery passage to the upstream side of the fuel gas supply means (see, for example, Patent Document 1). In this fuel cell system, a heat generation detection means is provided in the fuel off-gas delivery passage for detecting a temperature change due to the heat of reaction when carbon monoxide and steam in the fuel off-gas react and convert them into carbon dioxide and hydrogen, and a system controller controls the fuel gas supply means based on the temperature detected by the heat generation detection means to correct the fuel utilization rate.

特開２０２０－１０７４０１号公報JP 2020-107401 A

このように、燃料オフガス送給流路を介して燃料オフガスの一部を燃料ガス供給手段に還流させることにより、システム全体の燃料利用率を高めて発電効率を向上させることができる。しかしながら、システムの運転を適正に行なう上で、常時、一定の燃料オフガスを還流させることが適切でない場合が生じる。例えば、システム起動時においては、燃料電池スタックや気化器、改質器を燃焼部の燃焼熱によって暖機するため、燃焼部には十分な燃料が供給されることが望ましい。しかしながら、システム起動時に燃料電池スタックを通過した燃料の一部が還流されると、燃焼部に供給される燃料が一時的に少なくなり、暖機が遅れてシステムの起動時間が長くなるおそれがある。 In this way, by returning a portion of the fuel off-gas to the fuel gas supply means via the fuel off-gas delivery passage, the fuel utilization rate of the entire system can be increased, improving power generation efficiency. However, in order to operate the system properly, there are cases in which it is not appropriate to always return a constant amount of fuel off-gas. For example, when the system is started up, it is desirable to supply sufficient fuel to the combustion section in order to warm up the fuel cell stack, vaporizer, and reformer using the combustion heat from the combustion section. However, if a portion of the fuel that has passed through the fuel cell stack is returned when the system is started up, the fuel supplied to the combustion section will temporarily decrease, which may delay warming and lengthen the system start-up time.

本発明の燃料電池システムは、発電効率を向上させつつ、システムの運転を適正に行なうこと可能な燃料電池システムを提供することを主目的とする。 The main objective of the fuel cell system of the present invention is to provide a fuel cell system that can operate properly while improving power generation efficiency.

本発明の燃料電池システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。 The fuel cell system of the present invention employs the following measures to achieve the above-mentioned main objective.

本発明の燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池スタックと、
原燃料ガスを水蒸気改質して前記燃料ガスを生成する改質部と、
前記原燃料ガスを前記改質器へ供給する原燃料ガス供給ラインと、
燃焼熱により前記改質部を加熱する燃焼部と、
前記燃料電池スタックを通過した未使用燃料を前記燃焼部へ供給する未使用燃料供給ラインと、
前記未使用燃料供給ラインから分岐し、前記未使用燃料の一部を前記原燃料ガス供給ラインへ還流させる還流ラインと、
前記還流ラインに設けられた電磁弁と、
前記電磁弁を制御する制御装置と、
を備えることを要旨とする。 The fuel cell system of the present invention comprises:
a fuel cell stack that generates electricity by reacting a fuel gas with an oxidant gas;
a reforming unit that generates the fuel gas by steam reforming a raw fuel gas;
a raw fuel gas supply line that supplies the raw fuel gas to the reformer;
A combustion section that heats the reforming section by combustion heat;
an unused fuel supply line that supplies unused fuel that has passed through the fuel cell stack to the combustion section;
a return line branching off from the unused fuel supply line for returning a portion of the unused fuel to the raw fuel gas supply line;
an electromagnetic valve provided in the reflux line;
A control device for controlling the solenoid valve;
The gist of the invention is to provide the following:

この本発明の燃料電池システムでは、燃料電池スタックを通過した未使用燃焼を燃焼部へ供給する未使用燃料供給ラインと、未使用燃料供給ラインから分岐して未使用燃料供給ラインを流れる未使用燃料の一部を原燃料ガス供給ラインへ還流させる還流ラインと、還流ラインに設けられた電磁弁と、電磁弁を制御する制御装置と、を備える。原燃料ガス供給ラインに還流させる未使用燃料を制御することで、発電効率を向上させつつシステムの運転を適正に行なうことが可能な燃料電池システムとすることができる。 The fuel cell system of the present invention includes an unused fuel supply line that supplies unused fuel that has passed through the fuel cell stack to the combustion section, a reflux line that branches off from the unused fuel supply line and refluxes a portion of the unused fuel that flows through the unused fuel supply line to the raw fuel gas supply line, a solenoid valve provided in the reflux line, and a control device that controls the solenoid valve. By controlling the unused fuel that is refluxed to the raw fuel gas supply line, a fuel cell system can be achieved that is capable of properly operating the system while improving power generation efficiency.

こうした本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池システムが起動中のときには、前記未使用燃料が還流しないように前記電磁弁を制御し、前記燃料電池システムが発電中のときには、前記未使用燃料が還流するように前記電磁弁を制御してもよい。こうすれば、システム起動時において、燃焼部に十分な未使用燃料を供給することができるため、改質部などの暖機を促進させてシステムの起動時間を短縮させることができる。 In the fuel cell system of the present invention, the control device may control the solenoid valve so that the unused fuel does not flow back when the fuel cell system is starting up, and control the solenoid valve so that the unused fuel flows back when the fuel cell system is generating electricity. In this way, sufficient unused fuel can be supplied to the combustion section when the system is starting up, facilitating the warm-up of the reforming section and the like, thereby shortening the start-up time of the system.

また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池システムが発電中のときには、前記燃料電池スタックの状態に応じて前記未使用燃料の還流量が変化するように前記電磁弁を制御してもよい。こうすれば、燃料電池スタックの状態を良好な状態に維持することができる。この場合、前記燃料電池スタックの温度に相関する温度を検出する温度センサを備え、前記制御装置は、前記燃料電池システムが発電中のときには、前記温度センサにより検出される温度が所定温度以上となると、前記未使用燃料の還流量が増量するように前記電磁弁を制御してもよい。こうすれば、燃料電池スタックの温度を適正温度に維持することができ、燃料電池スタックの劣化を抑制することができる。 In addition, in the fuel cell system of the present invention, the control device may control the solenoid valve so that the amount of return of the unused fuel changes depending on the state of the fuel cell stack when the fuel cell system is generating electricity. In this way, the state of the fuel cell stack can be maintained in a good state. In this case, a temperature sensor is provided that detects a temperature that correlates with the temperature of the fuel cell stack, and the control device may control the solenoid valve so that the amount of return of the unused fuel increases when the temperature detected by the temperature sensor becomes equal to or higher than a predetermined temperature when the fuel cell system is generating electricity. In this way, the temperature of the fuel cell stack can be maintained at an appropriate temperature, and deterioration of the fuel cell stack can be suppressed.

さらに、本発明の燃料電池システムにおいて、前記未使用燃料供給ラインに設置され、前記未使用燃料に含まれる水蒸気を凝縮させて、前記改質部の改質に用いられる水を生成する凝縮器を備え、前記凝縮器は、前記未使用燃料供給ラインにおける前記還流ラインへの分岐箇所よりも上流に設けられてもよい。こうすれば、燃焼部には、水分が除去された未使用燃料が供給されるため、燃焼部での燃焼性をより向上させることができる。また、凝縮器において未使用燃焼に含まれる水分の凝縮により生成された水は改質部での改質に用いられるため、外部からの水の補給が不要な水自立を実現することができる。 Furthermore, the fuel cell system of the present invention may include a condenser that is installed in the unused fuel supply line and condenses the water vapor contained in the unused fuel to generate water to be used for reforming in the reforming section, and the condenser may be provided upstream of the branch point to the reflux line in the unused fuel supply line. In this way, unused fuel from which moisture has been removed is supplied to the combustion section, so that the combustibility in the combustion section can be further improved. In addition, the water generated by condensing the moisture contained in the unused fuel in the condenser is used for reforming in the reforming section, so that water independence can be achieved without the need for water supply from outside.

第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment. 第１実施形態に係る燃料電池システムが備える還流装置を中心とした概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram mainly showing a reflux device provided in a fuel cell system according to a first embodiment. 第１実施形態に係る制御ルーチンを示すフローチャートである。4 is a flowchart showing a control routine according to the first embodiment. 他の実施形態に係る燃料電池システムが備える還流装置を中心とした概略構成図である。FIG. 13 is a schematic configuration diagram focusing on a reflux device provided in a fuel cell system according to another embodiment. 第２実施形態に係る燃料電池システムが備える還流装置を中心とした概略構成図である。FIG. 11 is a schematic configuration diagram mainly showing a reflux device of a fuel cell system according to a second embodiment. 第３実施形態に係る燃料電池システムが備える還流装置を中心とした概略構成図である。FIG. 11 is a schematic configuration diagram mainly showing a reflux device of a fuel cell system according to a third embodiment. 第３実施形態に係る制御ルーチンを示すフローチャートである。13 is a flowchart showing a control routine according to a third embodiment. 比例弁の開度Ｑと還流率との関係を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the opening degree Q of a proportional valve and the reflux rate. システム燃料利用率Ｕｆｓｙと還流率との関係を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the system fuel utilization rate Ufsy and the reflux rate.

本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。 The embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図であり、図２は、第１実施形態に係る燃料電池システムが備える還流装置を中心とした概略構成図である。第１実施形態の燃料電池システム１０は、図示するように、アノードガス（燃料ガス）中の水素とカソードガス（酸化剤ガス）中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタック２１を含む発電モジュール２０と、原燃料ガス供給管３１を介して発電モジュール２０にアノードガスの原料となる原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を供給する原燃料ガス供給装置３０と、発電モジュール２０に原燃料ガスからアノードガスへの改質（水蒸気改質）に必要な改質水を供給する改質水供給装置４０と、発電モジュール２０（燃料電池スタック２１）にカソードガスとしてのエアを供給するエア供給装置５０と、発電モジュール２０において発生した排熱を回収する排熱回収装置６０と、燃料電池スタック２１において電気化学反応（発電）に使用されなかった未使用燃料の一部を原燃料ガス供給管３１に還流させる還流装置８０と、システム全体をコントロールする制御装置９０と、を備える。 Figure 1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to the first embodiment, and Figure 2 is a schematic diagram focusing on the reflux device provided in the fuel cell system according to the first embodiment. As shown in the figure, the fuel cell system 10 of the first embodiment includes a power generation module 20 including a fuel cell stack 21 that generates power through an electrochemical reaction between hydrogen in an anode gas (fuel gas) and oxygen in a cathode gas (oxidant gas), a raw fuel gas supply device 30 that supplies raw fuel gas (e.g., natural gas or LP gas) that is the raw material for the anode gas to the power generation module 20 via a raw fuel gas supply pipe 31, a reforming water supply device 40 that supplies reforming water required for reforming (steam reforming) the raw fuel gas to the power generation module 20, an air supply device 50 that supplies air as a cathode gas to the power generation module 20 (fuel cell stack 21), an exhaust heat recovery device 60 that recovers exhaust heat generated in the power generation module 20, a reflux device 80 that refluxes a portion of the unused fuel that was not used in the electrochemical reaction (power generation) in the fuel cell stack 21 to the raw fuel gas supply pipe 31, and a control device 90 that controls the entire system.

発電モジュール２０は、燃料電池スタック２１や、気化器２２、改質器２３、燃焼器２４、２つの熱交換器２６，２７を含み、これらは、断熱性を有するモジュールケース２９に収容されている。 The power generation module 20 includes a fuel cell stack 21, a vaporizer 22, a reformer 23, a combustor 24, and two heat exchangers 26 and 27, all of which are housed in a thermally insulating module case 29.

燃料電池スタック２１は、酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とをそれぞれ有し、図２中、左右方向（水平方向）に配列された複数の固体酸化物形の単セルを備える。各単セルのアノード電極内には、図示しないアノードガス通路が形成されている。また、各単セルのカソード電極内には、図示しないカソードガス通路が形成されている。更に、燃料電池スタック２１の近傍には、温度センサ９６が設置されている。温度センサ９６は、燃料電池スタック２１の温度に相関する温度（スタック相関温度）Ｔ４を検出する。 The fuel cell stack 21 comprises a plurality of solid oxide type single cells arranged in the left-right direction (horizontal direction) in FIG. 2, each of which has an electrolyte such as zirconium oxide and an anode electrode and a cathode electrode that sandwich the electrolyte. An anode gas passage (not shown) is formed in the anode electrode of each single cell. A cathode gas passage (not shown) is also formed in the cathode electrode of each single cell. Furthermore, a temperature sensor 96 is installed near the fuel cell stack 21. The temperature sensor 96 detects a temperature (stack-correlated temperature) T4 that correlates with the temperature of the fuel cell stack 21.

発電モジュール２０の気化器２２および改質器２３は、モジュールケース２９内の燃料電池スタック２１の上方に間隔をおいて配設される。また、燃料電池スタック２１と気化器２２および改質器２３との間には、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２および改質器２３での反応に必要な熱を発生させる燃焼器２４が配設される。燃焼器２４には、着火ヒータ２５が設置されている。 The vaporizer 22 and reformer 23 of the power generation module 20 are disposed above the fuel cell stack 21 in the module case 29 at a distance. In addition, a combustor 24 is disposed between the fuel cell stack 21 and the vaporizer 22 and reformer 23 to generate heat required for the operation of the fuel cell stack 21 and the reactions in the vaporizer 22 and reformer 23. An ignition heater 25 is installed in the combustor 24.

気化器２２は、燃焼器２４からの熱により原燃料ガス供給装置３０からの原燃料ガスと改質水供給装置４０からの改質水とを加熱し、原燃料ガスを予熱すると共に改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化器２２により予熱された原燃料ガスは、水蒸気と混合され、その混合ガスは、当該気化器２２から改質器２３に流入する。また、改質器２３の入口付近には、当該改質器２３に流入する混合ガスの温度（気化器温度）Ｔ１を検出する温度センサ９５が設置されている。 The vaporizer 22 heats the raw fuel gas from the raw fuel gas supply device 30 and the reforming water from the reforming water supply device 40 using heat from the combustor 24, preheating the raw fuel gas and evaporating the reforming water to generate steam. The raw fuel gas preheated by the vaporizer 22 is mixed with steam, and the mixed gas flows from the vaporizer 22 into the reformer 23. In addition, a temperature sensor 95 is installed near the inlet of the reformer 23 to detect the temperature (vaporizer temperature) T1 of the mixed gas flowing into the reformer 23.

改質器２３は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒を有し、燃焼器２４からの熱の存在下で、改質触媒による気化器２２からの混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器２３は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器２３によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。改質器２３により生成されたアノードガスは、アノードガス配管７１を通って各単セルのアノードガス通路へ流入し、アノード電極に供給される。 The reformer 23 has a Ru-based or Ni-based reforming catalyst filled therein, and generates hydrogen gas and carbon monoxide by a reaction (steam reforming reaction) of the mixed gas from the vaporizer 22 with the reforming catalyst in the presence of heat from the combustor 24. Furthermore, the reformer 23 generates hydrogen gas and carbon dioxide by a reaction (carbon monoxide shift reaction) between the carbon monoxide generated in the steam reforming reaction and steam. As a result, the reformer 23 generates anode gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, steam, unreformed raw fuel gas, etc. The anode gas generated by the reformer 23 flows into the anode gas passage of each unit cell through the anode gas piping 71 and is supplied to the anode electrode.

また、カソードガスとしてのエアは、カソードガス配管７２を介して各単セルのカソードガス通路へ流入し、カソード電極に供給される。各単セルのカソード電極では、酸化物イオン（Ｏ^2-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。 Air serving as a cathode gas flows into the cathode gas passage of each unit cell through a cathode gas pipe 72 and is supplied to the cathode electrode. Oxide ions (O ²⁻ ) are generated in the cathode electrode of each unit cell, and the oxide ions pass through the electrolyte and react with hydrogen and carbon monoxide at the anode electrode to generate electric energy.

各単セルにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）は、アノードオフガス配管７３を通って熱交換器６２に供給され、熱交換器６２により冷却させられてアノードオフガスに含まれる水分が除去された後、アノードオフガス配管７４を通って燃焼器２４に供給される。アノードオフガス配管７３，７４には熱交換器２６が設置され、アノードオフガス配管７４を流れるアノードオフガス（熱交換器６２を通過した後のアノードオフガス）は、熱交換器２６において燃料電池スタック２１からアノードオフガス配管７３を流れる高温のアノードオフガス（熱交換器６２を通過する前のアノードオフガス）との熱交換により昇温させられる。また、各単セルにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったカソードガス（以下、「カソードオフガス」という）は、カソードオフガス配管７５を通って燃焼器２４に供給される。 The anode gas (hereinafter referred to as "anode off-gas") that was not used in the electrochemical reaction (power generation) in each unit cell is supplied to the heat exchanger 62 through the anode off-gas pipe 73, where it is cooled by the heat exchanger 62 to remove moisture contained in the anode off-gas, and then supplied to the combustor 24 through the anode off-gas pipe 74. The anode off-gas pipes 73 and 74 are provided with a heat exchanger 26, and the anode off-gas (anode off-gas after passing through the heat exchanger 62) flowing through the anode off-gas pipe 74 is heated in the heat exchanger 26 by heat exchange with the high-temperature anode off-gas (anode off-gas before passing through the heat exchanger 62) flowing through the anode off-gas pipe 73 from the fuel cell stack 21. The cathode gas (hereinafter referred to as "cathode off-gas") that was not used in the electrochemical reaction (power generation) in each unit cell is supplied to the combustor 24 through the cathode off-gas pipe 75.

燃焼器２４に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、燃焼器２４に流入した酸素を含むカソードオフガスと混合される。そして、着火ヒータ２５により点火させられて燃焼器２４で混合ガスが着火すると、当該混合ガスの燃焼により、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器２３での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、燃焼器２４では、未燃燃料を含む燃焼排ガスが生成され、当該燃焼排ガスは、燃焼排ガス配管７６を通り、熱交換器２７および燃焼触媒２８を経て外気へ排出される。燃焼触媒２８は、燃焼排ガス中の未燃燃料を再燃焼させるための酸化触媒である。 The anode off-gas that flows into the combustor 24 is a combustible gas containing fuel components such as hydrogen and carbon monoxide, and is mixed with the cathode off-gas that contains oxygen that flows into the combustor 24. When the mixed gas is ignited in the combustor 24 by the ignition heater 25, the heat required for the operation of the fuel cell stack 21, the preheating of the raw fuel gas in the vaporizer 22, the generation of steam, and the steam reforming reaction in the reformer 23 is generated by the combustion of the mixed gas. In addition, the combustor 24 generates a combustion exhaust gas containing unburned fuel, and the combustion exhaust gas passes through the combustion exhaust gas piping 76, the heat exchanger 27, and the combustion catalyst 28, and is discharged to the outside air. The combustion catalyst 28 is an oxidation catalyst for reburning the unburned fuel in the combustion exhaust gas.

原燃料ガス供給装置３０は、原燃料ガスを供給する原燃料供給源１と気化器２２とを接続する原燃料ガス供給管３１と、当該原燃料ガス供給管３１に設置された開閉弁（２連弁）３２，３３、オリフィス３４、ゼロガバナ（均圧弁）３５、ガスポンプ３６および脱硫器３８とを有する。原燃料ガスは、ガスポンプ３６を作動させることで、原燃料供給源１から脱硫器３８を介して気化器２２へと圧送（供給）される。脱硫器３８は、例えば常温脱硫式の脱硫器として構成される。また、原燃料ガス供給管３１のオリフィス３４とゼロガバナ３５との間には、原燃料ガス供給管３１を流れる原燃料ガスの単位時間当りの流量（ガス流量Ｑｇ）を検出する流量センサ３９が設置されている。 The raw fuel gas supply device 30 has a raw fuel gas supply pipe 31 that connects the raw fuel supply source 1 that supplies the raw fuel gas to the vaporizer 22, and on-off valves (two valves) 32, 33, an orifice 34, a zero governor (pressure equalizing valve) 35, a gas pump 36, and a desulfurizer 38 installed in the raw fuel gas supply pipe 31. By operating the gas pump 36, the raw fuel gas is pumped (supplied) from the raw fuel supply source 1 to the vaporizer 22 via the desulfurizer 38. The desulfurizer 38 is configured as, for example, a room temperature desulfurization type desulfurizer. In addition, a flow rate sensor 39 that detects the flow rate per unit time of the raw fuel gas flowing through the raw fuel gas supply pipe 31 (gas flow rate Qg) is installed between the orifice 34 and the zero governor 35 of the raw fuel gas supply pipe 31.

改質水供給装置４０は、改質水を貯留する改質水タンク４２と、改質水タンク４２と気化器２２とを接続する改質水供給管４１と、改質水供給管４１に設置された改質水ポンプ４３と、を有する。改質水タンク４２内の改質水は、改質水ポンプ４３を作動させることで、当該改質水ポンプ４３により気化器２２へと圧送（供給）される。 The reforming water supply device 40 has a reforming water tank 42 that stores reforming water, a reforming water supply pipe 41 that connects the reforming water tank 42 and the vaporizer 22, and a reforming water pump 43 installed in the reforming water supply pipe 41. By operating the reforming water pump 43, the reforming water in the reforming water tank 42 is pumped (supplied) by the reforming water pump 43 to the vaporizer 22.

エア供給装置５０は、モジュールケース２９内に設置されたカソードガス配管７２に接続されるエア供給管５１と、エア供給管５１の入口に設けられたエアフィルタ５２と、エア供給管５１に設置されたエアポンプ５３と、を有する。エアポンプ５３を作動させることで、カソードガスとしてのエアは、エアフィルタ５２を介してエア供給管５１に吸引され、カソードガス配管７２を通って燃料電池スタック２１（カソード電極）へと圧送（供給）される。カソードガス配管７２を流れるエアは、熱交換器２７において燃焼排ガス配管７６を流れる高温の燃焼排ガスと熱交換されて昇温させられる。 The air supply device 50 has an air supply pipe 51 connected to a cathode gas pipe 72 installed in the module case 29, an air filter 52 provided at the inlet of the air supply pipe 51, and an air pump 53 installed in the air supply pipe 51. By operating the air pump 53, air as cathode gas is sucked into the air supply pipe 51 through the air filter 52 and is pressurized (supplied) through the cathode gas pipe 72 to the fuel cell stack 21 (cathode electrode). The air flowing through the cathode gas pipe 72 is heated by heat exchange with the high-temperature combustion exhaust gas flowing through the combustion exhaust gas pipe 76 in the heat exchanger 27.

排熱回収装置６０は、湯水を貯留する貯湯タンク６１と、燃料電池スタック２１からアノードオフガス配管７３を流れるアノードオフガスと湯水とを熱交換する熱交換器６２と、貯湯タンク６１と熱交換器６２とに接続された循環配管６３と、循環配管６３に組み込まれた循環ポンプ６４と、を有する。貯湯タンク６１内に貯留されている湯水は、循環ポンプ６４を作動させることで、熱交換器６２へと導入され、熱交換器６２でアノードオフガスとの熱交換によって昇温させられた後、貯湯タンク６１へと返送される。 The exhaust heat recovery device 60 has a hot water storage tank 61 that stores hot water, a heat exchanger 62 that exchanges heat between the hot water and the anode off-gas flowing from the fuel cell stack 21 through the anode off-gas piping 73, a circulation piping 63 connected to the hot water storage tank 61 and the heat exchanger 62, and a circulation pump 64 incorporated in the circulation piping 63. The hot water stored in the hot water storage tank 61 is introduced into the heat exchanger 62 by operating the circulation pump 64, and is heated by heat exchange with the anode off-gas in the heat exchanger 62, and then returned to the hot water storage tank 61.

また、熱交換器６２のアノードオフガスの通路出口には、凝縮水配管４４とアノードオフガス配管７４とが接続されており、アノードオフガス中の水蒸気が貯湯タンク６１からの湯水との熱交換により凝縮することにより得られた凝縮水は、凝縮水配管４４を通って改質水タンク４２内に導入される。また、上述したように、熱交換器６２において水分が除去されたアノードオフガスは、アノードオフガス配管７４を通って燃焼器２４に供給される。 The anode off-gas passage outlet of the heat exchanger 62 is connected to the condensed water pipe 44 and the anode off-gas pipe 74, and the condensed water obtained by condensing the water vapor in the anode off-gas through heat exchange with the hot water from the hot water storage tank 61 is introduced into the reforming water tank 42 through the condensed water pipe 44. As described above, the anode off-gas from which moisture has been removed in the heat exchanger 62 is supplied to the combustor 24 through the anode off-gas pipe 74.

還流装置８０は、図２に示すように、アノードオフガス配管７４から分岐すると共に原燃料ガス供給管３１におけるゼロガバナ３５とガスポンプ３６との間に接続される還流配管８１と、還流配管８１に設置される第１開閉弁８５（第１オンオフ電磁弁）および第２開閉弁８６（第２オンオフ電磁弁）と、を有する。還流配管８１は、アノードオフガス配管７４に一端が接続された上流管部８１ａと、上流管部８１ａの他端と原燃料ガス供給管３１とに対して互いに並列接続された２つの下流管部８２ａ，８２ｂと、を含む。第１開閉弁８５は、常閉式の開閉弁であり、上流管部８１ａに設置されている。また、第２開閉弁８６は、常閉式の開閉弁であり、一方の下流管部８２ｂに設置されている。各下流管部８２ａ，８２ｂには、オリフィス８３ａ，８３ｂが形成されている。第１開閉弁８５および第２開閉弁８６が共に閉弁された状態において、アノードオフガス配管７４から原燃料ガス供給管３１へのアノードオフガスの還流ラインが遮断され、第１開閉弁８５のみを開弁することにより、１つの下流管部８２ａを介してアノードオフガス配管７４と原燃料ガス供給管３１とが連通することで還流ラインが開放され、第１開閉弁８５および第２開閉弁８６を共に開弁することにより、２つの下流管部８２ａ，８２ｂを介してアノードオフガス配管７４と原燃料ガス供給管３１とが連通することで還流ラインが開放される。すなわち、第１開閉弁８５および第２開閉弁８６を共に開弁した場合、第１開閉弁８５のみを開弁した場合に比して、アノードオフガスの還流量を増大させることができる。 2, the reflux device 80 has a reflux pipe 81 that branches off from the anode off-gas pipe 74 and is connected between the zero governor 35 and the gas pump 36 in the raw fuel gas supply pipe 31, and a first on-off valve 85 (first on-off solenoid valve) and a second on-off valve 86 (second on-off solenoid valve) that are installed in the reflux pipe 81. The reflux pipe 81 includes an upstream pipe section 81a whose one end is connected to the anode off-gas pipe 74, and two downstream pipe sections 82a, 82b that are connected in parallel to the other end of the upstream pipe section 81a and the raw fuel gas supply pipe 31. The first on-off valve 85 is a normally closed on-off valve and is installed in the upstream pipe section 81a. The second on-off valve 86 is a normally closed on-off valve and is installed in one of the downstream pipe sections 82b. Orifices 83a, 83b are formed in each of the downstream pipe sections 82a, 82b. When both the first and second on-off valves 85 and 86 are closed, the anode off-gas reflux line from the anode off-gas pipe 74 to the raw fuel gas supply pipe 31 is cut off, and by opening only the first on-off valve 85, the anode off-gas pipe 74 and the raw fuel gas supply pipe 31 communicate with each other through one downstream pipe section 82a, thereby opening the reflux line, and by opening both the first on-off valve 85 and the second on-off valve 86, the anode off-gas pipe 74 and the raw fuel gas supply pipe 31 communicate with each other through two downstream pipe sections 82a and 82b, thereby opening the reflux line. In other words, when both the first on-off valve 85 and the second on-off valve 86 are opened, the amount of reflux of the anode off-gas can be increased compared to when only the first on-off valve 85 is opened.

燃料電池スタック２１の出力端子には、図示しないが、パワーコンディショナの入力端子が接続され、当該パワーコンディショナの出力端子には、リレーを介して電力系統から負荷への電力ラインに接続される。パワーコンディショナは、燃料電池スタック２１から出力された直流電圧を所定電圧（例えば、ＤＣ２５０Ｖ～３００Ｖ）に変換するＤＣ／ＤＣコンバータや、変換された直流電圧を電力系統と連系可能な交流電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）に変換するインバータを有する。 The output terminal of the fuel cell stack 21 is connected to the input terminal of a power conditioner (not shown), and the output terminal of the power conditioner is connected to a power line from the power system to a load via a relay. The power conditioner has a DC/DC converter that converts the DC voltage output from the fuel cell stack 21 to a predetermined voltage (e.g., DC 250V to 300V), and an inverter that converts the converted DC voltage to an AC voltage (e.g., AC 200V) that can be connected to the power system.

制御装置９０は、ＣＰＵ９１を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ９１の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ９２と、データを一時的に記憶するＲＡＭ９３と、図示しない入出力ポートと、を備える。制御装置９０には、流量センサ３９や、温度センサ９５，９６などからの各種検出信号が入力ポートを介して入力されている。また、制御装置９０からは、開閉弁３２，３３のソレノイドや、ガスポンプ３６のポンプモータ、改質水ポンプ４３のポンプモータ、エアポンプ５３のポンプモータ、循環ポンプ６４のポンプモータ、着火ヒータ２５、第１開閉弁８５および第２開閉弁８６のソレノイドなどへの各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。また、制御装置９０には、無線式または有線式の通信回線を介して図示しないリモコンが接続される。制御装置９０は、燃料電池システム１０のユーザにより操作された当該リモコンからの信号に基づいて各種制御を実行する。 The control device 90 is configured as a microprocessor centered on a CPU 91, and includes, in addition to the CPU 91, a ROM 92 for storing processing programs, a RAM 93 for temporarily storing data, and an input/output port (not shown). Various detection signals from the flow rate sensor 39 and temperature sensors 95, 96, etc. are input to the control device 90 via the input port. In addition, the control device 90 outputs various control signals to the solenoids of the on-off valves 32, 33, the pump motor of the gas pump 36, the pump motor of the reforming water pump 43, the pump motor of the air pump 53, the pump motor of the circulation pump 64, the ignition heater 25, and the solenoids of the first on-off valve 85 and the second on-off valve 86 via the output port. In addition, a remote control (not shown) is connected to the control device 90 via a wireless or wired communication line. The control device 90 executes various controls based on signals from the remote control operated by the user of the fuel cell system 10.

次に、こうして構成された本実施形態の燃料電池システム１０の動作について説明する。制御装置９０のＣＰＵ９１は、システムの起動が要求されると、各種の準備処理を実行した後、燃焼器２４に原燃料ガスとエアとを供給して燃焼器２４においてその混合ガスに着火して発電モジュール２０を暖機する。そして、温度センサ９６により検出されるスタック相関温度Ｔ４が予め定められた発電許可温度以上に至ると、システムの起動が完了し、原燃料ガスとエアの増量を開始して発電を開始する。 Next, the operation of the fuel cell system 10 of this embodiment configured as described above will be described. When a request is made to start up the system, the CPU 91 of the control device 90 executes various preparatory processes, then supplies raw fuel gas and air to the combustor 24, ignites the mixed gas in the combustor 24, and warms up the power generation module 20. Then, when the stack correlation temperature T4 detected by the temperature sensor 96 reaches or exceeds a predetermined power generation permission temperature, system startup is completed, and the amount of raw fuel gas and air begins to be increased to start power generation.

発電を開始すると、要求される発電出力に応じた目標電流Ｉｔａｇが燃料電池スタック２１から出力されるよう原燃料ガス、改質水およびエア（空気）の供給量を制御して発電を行なう。原燃料ガスの供給量の制御は、目標電流Ｉｔａｇと燃料電池スタック２１からのアノードオフガスに対する原燃料ガス供給管３１に還流されるアノードオフガスの比率である還流率Ｒとに基づいてシステム全体の燃料利用率（システム燃料利用率Ｕｆｓｙ）が設定された比率となるように目標ガス流量Ｑｇｔａｇを設定し、流量センサ３９により検出されるガス流量Ｑｇが設定した目標ガス流量Ｑｇｔａｇに一致するようガスポンプ３６を制御することにより行なわれる。改質水の供給量の制御は、改質器２３におけるスチームカーボン比ＳＣ（原燃料ガス中の炭化水素に含まれる炭素と水蒸気改質のために添加される水蒸気とのモル比）が予め定められた目標比ＳＣｔａｇに一致するように目標ガス流量Ｑｇｔａｇに基づいて目標改質水流量Ｑｗｔａｇを設定し、設定した目標改質水流量Ｑｗｔａｇの改質水が供給されるよう改質水ポンプ４３を制御することにより行なわれる。エアの供給量の制御は、温度センサ９６により検出されるスタック相関温度Ｔ４が予め定められた目標温度Ｔ４ｔａｇに一致するようにフィードバック制御により目標エア流量Ｑａｔａｇを設定し、設定した目標エア流量Ｑａｔａｇのエアが供給されるようエアポンプ５３を制御することにより行なわれる。 When power generation begins, the supply of raw fuel gas, reforming water, and air is controlled so that a target current Itag corresponding to the required power output is output from the fuel cell stack 21. The supply of raw fuel gas is controlled by setting a target gas flow rate Qgtag so that the fuel utilization rate of the entire system (system fuel utilization rate Ufsy) is a set ratio based on the target current Itag and the reflux rate R, which is the ratio of the anode offgas refluxed to the raw fuel gas supply pipe 31 to the anode offgas from the fuel cell stack 21, and controlling the gas pump 36 so that the gas flow rate Qg detected by the flow rate sensor 39 matches the set target gas flow rate Qgtag. The amount of reforming water supplied is controlled by setting a target reforming water flow rate Qwtag based on the target gas flow rate Qgtag so that the steam-carbon ratio SC (the molar ratio between carbon contained in the hydrocarbons in the raw fuel gas and the steam added for steam reforming) in the reformer 23 matches a predetermined target ratio SCtag, and controlling the reforming water pump 43 so that reforming water at the set target reforming water flow rate Qwtag is supplied. The amount of air supplied is controlled by setting a target air flow rate Qtag by feedback control so that the stack correlation temperature T4 detected by the temperature sensor 96 matches a predetermined target temperature T4tag, and controlling the air pump 53 so that air at the set target air flow rate Qtag is supplied.

発電中にシステムの停止が要求されると、温度センサ９６により検出されるスタック相関温度Ｔ４が予め定められた停止許可温度以下になるまで、高温雰囲気下で燃料電池スタック２１（電極）が酸化劣化しない程度の流量（一定流量）を目標ガス流量Ｑｇｔａｇに設定してガスポンプ３６を制御すると共に燃料電池スタック２１を冷却するのに必要な流量（一定流量）を目標エア流量Ｑａｔａｇに設定してエアポンプ５３を制御する。そして、スタック相関温度Ｔ４が停止許可温度以下になると、ガスポンプ３６やエアポンプ５３を停止して、システムを停止させる。 When a request to stop the system during power generation is made, the gas pump 36 is controlled by setting the target gas flow rate Qgtag to a flow rate (constant flow rate) at which the fuel cell stack 21 (electrodes) will not be oxidized and deteriorated in a high-temperature atmosphere until the stack correlation temperature T4 detected by the temperature sensor 96 falls below a predetermined stop permission temperature, and the air pump 53 is controlled by setting the target air flow rate Qtag to a flow rate (constant flow rate) required to cool the fuel cell stack 21. Then, when the stack correlation temperature T4 falls below the stop permission temperature, the gas pump 36 and air pump 53 are stopped to shut down the system.

次に、還流装置８０の動作について説明する。図３は、制御装置９０のＣＰＵ９１により実行される制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、システムの起動が指示されたときに実行される。 Next, the operation of the reflux device 80 will be described. FIG. 3 is a flow chart showing an example of a control routine executed by the CPU 91 of the control device 90. This routine is executed when an instruction to start the system is issued.

制御ルーチンが実行されると、制御装置９０のＣＰＵ９１は、まず、上述したシステム起動を開始する（ステップＳ１００）。続いて、ＣＰＵ９１は、システム起動が完了したか否かを判定し（ステップＳ１１０）、システム起動が完了したと判定すると、発電を開始する（ステップＳ１２０）。上述したように、第１開閉弁８５および第２開閉弁８６は、常閉式の開閉弁であり、システム起動が完了するまでは、閉状態とされる。すなわち、燃料電池スタック２１からの未使用燃料は、原燃料ガス供給管３１へ還流されることなく、燃焼器２４に供給される。これにより、システム起動時において、燃焼器２４に十分な未使用燃料を供給することができ、燃焼器２４での未使用燃料の燃焼により燃料電池スタック２１や気化器２２、改質器２３の暖機を促進して、システムの起動時間を短縮することができる。 When the control routine is executed, the CPU 91 of the control device 90 first starts the above-mentioned system startup (step S100). Next, the CPU 91 determines whether the system startup is completed (step S110), and when it is determined that the system startup is completed, starts power generation (step S120). As described above, the first on-off valve 85 and the second on-off valve 86 are normally closed on-off valves, and are kept in a closed state until the system startup is completed. That is, unused fuel from the fuel cell stack 21 is supplied to the combustor 24 without being returned to the raw fuel gas supply pipe 31. As a result, sufficient unused fuel can be supplied to the combustor 24 at the time of system startup, and the combustion of unused fuel in the combustor 24 promotes warming up of the fuel cell stack 21, the vaporizer 22, and the reformer 23, thereby shortening the system startup time.

発電を開始すると、第１開閉弁８５を開弁する（ステップＳ１３０）。下流管部８２ａにより還流ラインが開放され、燃料電池スタック２１からの未使用燃料（アノードオフガス）の一部が原燃料ガス供給管３１に還流されることとなる。これにより、未使用燃料は再度、アノードガスとして燃料電池スタック２１の発電に用いられるため、システム燃料利用率Ｕｆｓｙを高めることができ、発電効率を向上させることができる。 When power generation starts, the first opening/closing valve 85 is opened (step S130). The downstream pipe section 82a opens the reflux line, and a portion of the unused fuel (anode off-gas) from the fuel cell stack 21 is refluxed to the raw fuel gas supply pipe 31. This allows the unused fuel to be used again as anode gas for power generation in the fuel cell stack 21, thereby increasing the system fuel utilization rate Ufsy and improving power generation efficiency.

第１開閉弁８５を開弁して未使用燃料の還流を開始すると、温度センサ９６からのスタック相関温度Ｔ４を入力し（ステップＳ１４０）、入力したスタック相関温度Ｔ４が上限温度Ｔｍａｘ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１５０）。ここで、上限温度Ｔｍａｘは、燃料電池スタック２１の適正温度範囲における上限付近の温度に定められている。スタック相関温度Ｔ４が上限温度Ｔｍａｘ以上でないと判定すると、ステップＳ１４０に戻る。一方、スタック相関温度Ｔ４が上限温度Ｔｍａｘ以上であると判定すると、第２開閉弁８６を開弁すると共に（ステップＳ１６０）、システム燃料利用率Ｕｆｓｙを所定比率ΔＵだけ増加させる（ステップＳ１７０）。上述したように、第２開閉弁８６を開弁すると、２つの下流管部８２ａ，８２ｂを介してアノードオフガス配管７４と原燃料ガス供給管３１とが連通し、還流ラインが開放されるため、アノードオフガスの原燃料ガス供給管３１への還流率Ｒを増大させることができる。そして、システム燃料利用率Ｕｆｓｙが増加するようにガスポンプ３６が制御されることで、燃料電池スタック２１から燃焼器２４へ供給される未使用燃料の量を少なくすることができる。これにより、燃焼器２４での燃焼熱を低減させて、燃料電池スタック２１の昇温を抑制することができる。 When the first opening/closing valve 85 is opened to start the return of unused fuel, the stack correlation temperature T4 from the temperature sensor 96 is input (step S140), and it is determined whether the input stack correlation temperature T4 is equal to or higher than the upper limit temperature Tmax (step S150). Here, the upper limit temperature Tmax is set to a temperature near the upper limit of the appropriate temperature range of the fuel cell stack 21. If it is determined that the stack correlation temperature T4 is not equal to or higher than the upper limit temperature Tmax, the process returns to step S140. On the other hand, if it is determined that the stack correlation temperature T4 is equal to or higher than the upper limit temperature Tmax, the second opening/closing valve 86 is opened (step S160), and the system fuel utilization rate Ufsy is increased by a predetermined ratio ΔU (step S170). As described above, when the second on-off valve 86 is opened, the anode off-gas pipe 74 and the raw fuel gas supply pipe 31 communicate with each other via the two downstream pipe sections 82a, 82b, and the reflux line is opened, so that the reflux rate R of the anode off-gas to the raw fuel gas supply pipe 31 can be increased. Then, by controlling the gas pump 36 so that the system fuel utilization rate Ufsy increases, the amount of unused fuel supplied from the fuel cell stack 21 to the combustor 24 can be reduced. This reduces the combustion heat in the combustor 24, and suppresses the temperature rise of the fuel cell stack 21.

第２開閉弁８６を開弁すると共にシステム燃料利用率Ｕｆｓｙを増加させると、燃料電池スタック２１の温度状態が安定するのを待って（ステップＳ１８０）、温度センサ９６からスタック相関温度Ｔ４を入力し（ステップＳ１９０）、入力したスタック相関温度Ｔ４が上限温度Ｔｍａｘ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２００）。スタック相関温度Ｔ４が上限温度Ｔｍａｘ以上でないと判定すると、燃料電池スタック２１の昇温は抑制されたと判断し、ステップＳ１９０に戻ってシステムの運転を継続する。一方、スタック相関温度Ｔ４が上限温度Ｔｍａｘ以上であると判定すると、システム燃料利用率Ｕｆｓｙが予め定められた上限値Ｕｍａｘに達したか否かを判定する（ステップＳ２１０）。システム燃料利用率Ｕｆｓｙが上限値Ｕｍａｘに達していないと判定すると、ステップＳ１７０に戻って、システム燃料利用率Ｕｆｓｙを更に所定比率ΔＵだけ増加させる。一方、システム燃料利用率Ｕｆｓｙが上限値Ｕｍａｘに達したと判定すると、燃料電池スタック２１の昇温が抑制できないと判断し、第１開閉弁８５および第２開閉弁８６を閉弁すると共に（ステップＳ２２０）、上述したシステム停止を行なって（ステップＳ２３０）、本ルーチンを終了する。 When the second opening/closing valve 86 is opened and the system fuel utilization rate Ufsy is increased, the temperature state of the fuel cell stack 21 is waited for to stabilize (step S180), the stack correlation temperature T4 is input from the temperature sensor 96 (step S190), and it is determined whether the input stack correlation temperature T4 is equal to or higher than the upper limit temperature Tmax (step S200). If it is determined that the stack correlation temperature T4 is not equal to or higher than the upper limit temperature Tmax, it is determined that the temperature rise of the fuel cell stack 21 has been suppressed, and the process returns to step S190 to continue the operation of the system. On the other hand, if it is determined that the stack correlation temperature T4 is equal to or higher than the upper limit temperature Tmax, it is determined whether the system fuel utilization rate Ufsy has reached a predetermined upper limit value Umax (step S210). If it is determined that the system fuel utilization rate Ufsy has not reached the upper limit value Umax, the process returns to step S170 and the system fuel utilization rate Ufsy is further increased by a predetermined ratio ΔU. On the other hand, if it is determined that the system fuel utilization rate Ufsy has reached the upper limit value Umax, it is determined that the temperature rise of the fuel cell stack 21 cannot be suppressed, and the first opening/closing valve 85 and the second opening/closing valve 86 are closed (step S220), the system is stopped as described above (step S230), and this routine is terminated.

以上説明した第１実施形態の燃料電池システム１０では、燃料電池スタック２１を通過した未使用燃料を燃焼器２４へ供給するアノードオフガス配管７３，７４と、アノードオフガス配管７４から分岐してアノードオフガス配管７４を流れる未使用燃料の一部を原燃料ガス供給管３１へ還流させる還流配管８１と、還流配管８１に設置された第１開閉弁８５および第２開閉弁８６と、を備える。燃料電池システム１０の状態に応じて原燃料ガス供給管３１に還流させる未使用燃料を制御することで、発電効率を向上させつつシステムの運転を適正に行なうことが可能な燃料電池システムとすることができる。 The fuel cell system 10 of the first embodiment described above includes anode off-gas pipes 73, 74 that supply unused fuel that has passed through the fuel cell stack 21 to the combustor 24, a return pipe 81 that branches off from the anode off-gas pipe 74 and returns a portion of the unused fuel that flows through the anode off-gas pipe 74 to the raw fuel gas supply pipe 31, and a first opening/closing valve 85 and a second opening/closing valve 86 installed in the return pipe 81. By controlling the unused fuel that is returned to the raw fuel gas supply pipe 31 according to the state of the fuel cell system 10, it is possible to provide a fuel cell system that can properly operate the system while improving power generation efficiency.

また、第１実施形態の燃料電池システム１０では、システム起動中のときには、未使用燃料が原燃料ガス供給管３１に還流しないように第１開閉弁８５を閉弁し、発電中のときには、未使用燃料が原燃料ガス供給管３１に還流するように第１開閉弁８５を開弁する。これにより、システム起動時において、燃焼器２４に十分な未使用燃料を供給することができるため、燃料電池スタック２１や気化器２２、改質器２３の暖機を促進させてシステムの起動時間を短縮させることができる。 In addition, in the fuel cell system 10 of the first embodiment, when the system is starting up, the first opening/closing valve 85 is closed so that unused fuel does not flow back to the raw fuel gas supply pipe 31, and when power is being generated, the first opening/closing valve 85 is opened so that unused fuel flows back to the raw fuel gas supply pipe 31. This allows sufficient unused fuel to be supplied to the combustor 24 when the system is starting up, thereby accelerating the warm-up of the fuel cell stack 21, vaporizer 22, and reformer 23 and shortening the start-up time of the system.

さらに、第１実施形態の燃料電池システム１０では、燃料電池スタック２１の状態に応じて未使用燃料（アノードオフガス）の還流量が変化するように第１開閉弁８５および第２開閉弁８６を制御する。これにより、燃料電池スタック２１の状態を良好な状態に維持することができる。さらに、温度センサ９６からのスタック相関温度Ｔ４が上限温度Ｔｍａｘとなると、未使用燃料の還流量を増量させる。これにより、燃料電池スタック２１の温度を適正温度に維持することができ、燃料電池スタック２１の劣化を抑制することができる。また、還流配管８１は、アノードオフガス配管７４に一端が接続された上流管部８１ａと、上流管部８１ａの他端と原燃料ガス供給管３１とに並列に接続された２つの下流管部８２ａ，８２ｂと、を備え、第１開閉弁８５が上流管部８１ａに設置され、第２開閉弁８６が一方の下流管部８２ｂに設置される。これにより、簡易な構成により、未使用燃料の還流率を変化させることができる。 Furthermore, in the fuel cell system 10 of the first embodiment, the first opening/closing valve 85 and the second opening/closing valve 86 are controlled so that the return amount of unused fuel (anode off-gas) changes according to the state of the fuel cell stack 21. This allows the state of the fuel cell stack 21 to be maintained in a good state. Furthermore, when the stack correlation temperature T4 from the temperature sensor 96 reaches the upper limit temperature Tmax, the return amount of unused fuel is increased. This allows the temperature of the fuel cell stack 21 to be maintained at an appropriate temperature, and deterioration of the fuel cell stack 21 can be suppressed. In addition, the return pipe 81 includes an upstream pipe section 81a having one end connected to the anode off-gas pipe 74, and two downstream pipe sections 82a and 82b connected in parallel to the other end of the upstream pipe section 81a and the raw fuel gas supply pipe 31, and the first opening/closing valve 85 is installed in the upstream pipe section 81a, and the second opening/closing valve 86 is installed in one of the downstream pipe sections 82b. This allows the return rate of unused fuel to be changed with a simple configuration.

また、第１実施形態の燃料電池システム１０では、未使用燃料に含まれる水蒸気を凝縮させて改質器２３の改質に用いられる水を生成する熱交換器６２を備え、熱交換器６２を、アノードオフガス配管７４の還流配管８１への分岐箇所よりも上流に設置する。これにより、燃焼器２４には、水分が除去された未使用燃料が供給されるため、燃焼器２４での燃焼性をより向上させることができる。また、熱交換器６２において未使用燃料に含まれる水分の凝縮により生成された水は改質器２３での改質に用いられるため、外部からの水の補給が不要な水自立を実現することができる。 The fuel cell system 10 of the first embodiment also includes a heat exchanger 62 that condenses water vapor contained in unused fuel to generate water to be used for reforming in the reformer 23, and the heat exchanger 62 is installed upstream of the branch point of the anode off-gas piping 74 to the return piping 81. As a result, unused fuel from which moisture has been removed is supplied to the combustor 24, and the combustibility in the combustor 24 can be further improved. Furthermore, the water generated by condensation of moisture contained in unused fuel in the heat exchanger 62 is used for reforming in the reformer 23, thereby achieving water independence without the need for water supply from an external source.

上述した第１実施形態では、還流配管８１として、上流管部８１ａと原燃料ガス供給管３１とに並列接続された２つの下流管部８２ａ，８２ｂと、一方の下流管部８２ｂに設置された第２開閉弁８６と、を備え、第２開閉弁８６を開閉することで、アノードオフガスの還流率を２段階に変更するものとした。しかし、図４の他の実施形態に係る燃料電池システムが備える還流装置８０Ｂに示すように、下流管部として互いに並列に接続された３本の下流管部８２ａ，８２ｂ，８２ｃと、下流管部８２ｂに設置された第２開閉弁８６と、下流管部８２ｃに設置された第３開閉弁８７と、を備え、第２開閉弁８６および第３開閉弁８７の開閉の組み合わせにより、アノードオフガスの還流率を３段階に変更してもよい。この場合、制御ルーチンにおいて、第２開閉弁８６を開弁しても、スタック相関温度Ｔ４が上限温度Ｔｍａｘ未満にならなかった場合には、第３開閉弁８７も開弁するようにすればよい。また、下流管部として互いに並列に接続された４本以上の下流管部を備え、アノードオフガスの還流率を４段階以上に変更してもよい。 In the first embodiment described above, the reflux piping 81 includes two downstream pipe sections 82a and 82b connected in parallel to the upstream pipe section 81a and the raw fuel gas supply pipe 31, and a second on-off valve 86 installed in one of the downstream pipe sections 82b, and the reflux rate of the anode off-gas is changed in two stages by opening and closing the second on-off valve 86. However, as shown in the reflux device 80B provided in the fuel cell system according to another embodiment of FIG. 4, the downstream pipe section may include three downstream pipe sections 82a, 82b, and 82c connected in parallel to each other, a second on-off valve 86 installed in the downstream pipe section 82b, and a third on-off valve 87 installed in the downstream pipe section 82c, and the reflux rate of the anode off-gas may be changed in three stages by a combination of opening and closing the second on-off valve 86 and the third on-off valve 87. In this case, in the control routine, if the stack correlation temperature T4 does not become less than the upper limit temperature Tmax even when the second opening/closing valve 86 is opened, the third opening/closing valve 87 may also be opened. In addition, the downstream pipe section may be provided with four or more downstream pipe sections connected in parallel to each other, and the reflux rate of the anode off-gas may be changed in four or more stages.

第２実施形態の燃料電池システムが備える還流装置１８０は、図５に示すように、上流管部８１ａに接続された入力ポートと複数の下流管部８２ａ，８２ｂ，８２ｃに接続された複数の出力ポートと、を有し、入力ポートと出力ポートとの連通を遮断したり、入力ポートと連通させる出力ポートを切り替えたりする切替バルブ１８５（ソレノイドバルブ）を備える。この第２実施形態においては、第１実施形態と同様に、切替バルブ１８５を制御することで、未使用燃料を原燃料ガス供給管３１に還流させないようにしたり、未使用燃料の原燃料ガス供給管３１への還流率を変更したりすることができる。 The reflux device 180 provided in the fuel cell system of the second embodiment has an input port connected to the upstream pipe section 81a and multiple output ports connected to multiple downstream pipe sections 82a, 82b, and 82c, as shown in FIG. 5, and is provided with a switching valve 185 (solenoid valve) that blocks communication between the input port and the output port, or switches the output port that is connected to the input port. In this second embodiment, as in the first embodiment, by controlling the switching valve 185, it is possible to prevent unused fuel from being refluxed to the raw fuel gas supply pipe 31, or to change the reflux rate of unused fuel to the raw fuel gas supply pipe 31.

第３実施形態の燃料電池システムが備える還流装置２８０は、図６に示すように、アノードオフガス配管７４と原燃料ガス供給管３１とに接続された分岐のない１つの流路からなる還流管２８１と、還流管２８１に設置された比例弁２８５（比例電磁弁）およびオリフィス２８３とを備え、比例弁２８５の開度Ｑを調整することによりアノードオフガスの還流率を変更する。図７は、第３実施形態に係る制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図７の制御ルーチンの各処理のうち図３のルーチンと同一の処理については同一のステップ番号を付し、その説明は重複するから省略する。 The reflux device 280 of the fuel cell system of the third embodiment includes a reflux pipe 281 consisting of a single flow path without branches connected to the anode off-gas piping 74 and the raw fuel gas supply pipe 31, and a proportional valve 285 (proportional solenoid valve) and an orifice 283 installed in the reflux pipe 281, as shown in FIG. 6. The anode off-gas reflux rate is changed by adjusting the opening Q of the proportional valve 285. FIG. 7 is a flowchart showing a control routine according to the third embodiment. Note that the same step numbers are used for the processes in the control routine of FIG. 7 that are the same as those in the routine of FIG. 3, and their explanations will be omitted to avoid duplication.

第３実施形態に係る制御ルーチンでは、システム起動が完了し、発電を開始すると、比例弁２８５を予め定められた初期開度Ｑｉｎｉで開弁する（ステップＳ１３０Ｂ）。そして、発電中に、スタック相関温度Ｔ４が上限温度Ｔｍａｘ以上となると（ステップＳ１４０，Ｓ１５０）、比例弁２８５の開度Ｑを所定比率ΔＱだけ増加させると共に（ステップＳ１６０Ｂ）、システム燃料利用率Ｕｆｓｙを所定比率ΔＵだけ増加させる（ステップＳ１７０）。また、スタック相関温度Ｔ４が上限温度Ｔｍａｘ以上となると（ステップＳ１８０～Ｓ２００）、比例弁２８５の開度Ｑが１００％に達し且つシステム燃料利用率Ｕｆｓｙが上限値Ｕｍａｘに達したか否かを判定する（ステップＳ２１０Ｂ）。比例弁２８５の開度Ｑが１００％に達していないと判定したり、システム燃料利用率Ｕｆｓｙが上限値Ｕｍａｘに達していないと判定すると、ステップＳ１６０Ｂに戻って、比例弁２８５の開度Ｑの増加やシステム燃料利用率Ｕｆｓｙの増加を繰り返す。図８は、比例弁の開度Ｑと還流率との関係を示す説明図であり、図９は、システム燃料利用率Ｕｆｓｙと還流率との関係を示す説明図である。図示するように、比例弁２８５の開度Ｑは、スタック相関温度Ｔ４が上限温度Ｔｍａｘ以上となると、上限温度Ｔｍａｘ未満となるまで、所定比率ΔＱずつ段階的に増加するように設定される。また、システム燃料利用率Ｕｆｓｙも、同様に、スタック相関温度Ｔ４が上限温度Ｔｍａｘ以上となると、上限温度Ｔｍａｘ未満となるまで、上限値Ｕｍａｘを限度に、所定比率ΔＵずつ段階的に増加するように設定される。これにより、発電効率を高めつつ、燃料電池スタック２１の昇温を抑制することができる。一方、比例弁２８５の開度Ｑが１００％に達し且つシステム燃料利用率Ｕｆｓｙが上限値Ｕｍａｘに達したと判定すると、燃料電池スタック２１の昇温を抑制することができないと判断し、比例弁２８５を閉弁すると共に（ステップＳ２２０Ｂ）、システム停止を行なって（ステップＳ２３０）、本ルーチンを終了する。 In the control routine according to the third embodiment, when the system startup is completed and power generation is started, the proportional valve 285 is opened at a predetermined initial opening Qini (step S130B). Then, during power generation, when the stack correlation temperature T4 becomes equal to or higher than the upper limit temperature Tmax (steps S140, S150), the opening Q of the proportional valve 285 is increased by a predetermined ratio ΔQ (step S160B), and the system fuel utilization rate Ufsy is increased by a predetermined ratio ΔU (step S170). Also, when the stack correlation temperature T4 becomes equal to or higher than the upper limit temperature Tmax (steps S180 to S200), it is determined whether the opening Q of the proportional valve 285 has reached 100% and the system fuel utilization rate Ufsy has reached the upper limit value Umax (step S210B). When it is determined that the opening degree Q of the proportional valve 285 has not reached 100% or that the system fuel utilization rate Ufsy has not reached the upper limit value Umax, the process returns to step S160B, and the opening degree Q of the proportional valve 285 and the system fuel utilization rate Ufsy are repeatedly increased. FIG. 8 is an explanatory diagram showing the relationship between the opening degree Q of the proportional valve and the reflux rate, and FIG. 9 is an explanatory diagram showing the relationship between the system fuel utilization rate Ufsy and the reflux rate. As shown in the figures, the opening degree Q of the proportional valve 285 is set to increase stepwise by a predetermined ratio ΔQ until the stack correlation temperature T4 becomes less than the upper limit temperature Tmax when the stack correlation temperature T4 becomes equal to or greater than the upper limit temperature Tmax. Similarly, the system fuel utilization rate Ufsy is set to increase stepwise by a predetermined ratio ΔU up to the upper limit value Umax when the stack correlation temperature T4 becomes equal to or greater than the upper limit temperature Tmax until the stack correlation temperature T4 becomes less than the upper limit temperature Tmax. This makes it possible to suppress the temperature rise of the fuel cell stack 21 while increasing the power generation efficiency. On the other hand, if it is determined that the opening degree Q of the proportional valve 285 has reached 100% and the system fuel utilization rate Ufsy has reached the upper limit value Umax, it is determined that the temperature rise of the fuel cell stack 21 cannot be suppressed, and the proportional valve 285 is closed (step S220B), the system is stopped (step S230), and this routine is terminated.

上述した実施形態では、温度センサ９６からのスタック相関温度Ｔ４に基づいてアノードオフガスの還流率を変更したが、気化器温度Ｔや、燃料電池スタック２１の出力電圧（）スタック電圧）などに基づいてアノードオフガスの還流率を変更してもよい。 In the above-described embodiment, the anode off-gas reflux rate was changed based on the stack correlation temperature T4 from the temperature sensor 96, but the anode off-gas reflux rate may also be changed based on the vaporizer temperature T, the output voltage (stack voltage) of the fuel cell stack 21, etc.

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態では、燃料電池スタック２１が「燃料電池スタック」に相当し、改質器２３が「改質部」に相当し、原燃料ガス供給管３１が「原燃料ガス供給ライン」に相当し、燃焼器２４が「燃焼部」に相当し、アノードオフガス配管７３，７４が「未使用燃料供給ライン」に相当し、還流配管８１が「還流ライン」に相当し、第１開閉弁８５および第２開閉弁８６が「電磁弁」に相当し、制御装置９０が「制御装置」に相当する。また、切替バルブ１８５や比例弁２８５も「電磁弁」に相当する。また、温度センサ９６が「温度センサ」に相当する。また、熱交換器６２が「凝縮器」に相当する。 The correspondence between the main elements of the embodiment and the main elements of the invention described in the section on means for solving the problem will be described below. In the embodiment, the fuel cell stack 21 corresponds to the "fuel cell stack", the reformer 23 corresponds to the "reforming section", the raw fuel gas supply pipe 31 corresponds to the "raw fuel gas supply line", the combustor 24 corresponds to the "combustion section", the anode off-gas pipes 73 and 74 correspond to the "unused fuel supply line", the reflux pipe 81 corresponds to the "reflux line", the first opening/closing valve 85 and the second opening/closing valve 86 correspond to the "solenoid valve", and the control device 90 corresponds to the "control device". The switching valve 185 and the proportional valve 285 also correspond to the "solenoid valve". The temperature sensor 96 corresponds to the "temperature sensor". The heat exchanger 62 corresponds to the "condenser".

なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。 The correspondence between the main elements of the embodiment and the main elements of the invention described in the Means for Solving the Problem column does not limit the elements of the invention described in the Means for Solving the Problem column, since the embodiment is an example for specifically explaining the form for implementing the invention described in the Means for Solving the Problem column. In other words, the interpretation of the invention described in the Means for Solving the Problem column should be based on the description in that column, and the embodiment is merely a specific example of the invention described in the Means for Solving the Problem column.

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 The above describes the form for carrying out the present invention using an embodiment, but the present invention is not limited to such an embodiment, and it goes without saying that the present invention can be carried out in various forms without departing from the spirit of the present invention.

本発明は、燃料電池システムの製造産業などに利用可能である。 The present invention can be used in the fuel cell system manufacturing industry, etc.

１原燃料供給源、１０燃料電池システム、２０発電モジュール、２１燃料電池スタック、２２気化器、２３改質器、２４燃焼器、２５着火ヒータ、２６，２７熱交換器、２８燃焼触媒、２９モジュールケース、３０原燃料ガス供給装置、３１原燃料ガス供給管、３２，３３開閉弁、３４オリフィス、３５ゼロガバナ、３６ガスポンプ、３８脱硫器、３９流量センサ、４０改質水供給装置、４１改質水供給管、４２改質水タンク、４３改質水ポンプ、４４凝縮水配管、５０エア供給装置、５１エア供給管、５２エアフィルタ、５３エアポンプ、６０排熱回収装置、６１貯湯タンク、６２熱交換器、６３循環配管、６４循環ポンプ、７１アノードガス配管、７２カソードガス配管、７３，７４アノードオフガス配管、７５カソードオフガス配管、７６燃焼排ガス配管、８０，８０Ｂ，１８０，２８０還流装置、８１還流配管、８１ａ上流管部、８２ａ～８２ｃ下流管部、８３ａ～８３ｃオリフィス、８５第１開閉弁、８６第２開閉弁、８７第３開閉弁、９０制御装置、９１ＣＰＵ、９２ＲＯＭ、９３ＲＡＭ、９５，９６温度センサ、１８５切替バルブ、２８１還流管、２８３オリフィス、２８５比例弁。 1 raw fuel supply source, 10 fuel cell system, 20 power generation module, 21 fuel cell stack, 22 vaporizer, 23 reformer, 24 combustor, 25 ignition heater, 26, 27 heat exchanger, 28 combustion catalyst, 29 module case, 30 raw fuel gas supply device, 31 raw fuel gas supply pipe, 32, 33 on-off valve, 34 orifice, 35 zero governor, 36 gas pump, 38 desulfurizer, 39 flow sensor, 40 reforming water supply device, 41 reforming water supply pipe, 42 reforming water tank, 43 reforming water pump, 44 condensation water pipe, 50 air supply device, 51 air supply pipe, 52 air filter, 53 air pump, 60 exhaust heat recovery device, 61 hot water tank, 62 heat exchanger, 63 circulation pipe, 64 circulation pump, 71 Anode gas pipe, 72 cathode gas pipe, 73, 74 anode off gas pipe, 75 cathode off gas pipe, 76 combustion exhaust gas pipe, 80, 80B, 180, 280 reflux device, 81 reflux pipe, 81a upstream pipe section, 82a to 82c downstream pipe section, 83a to 83c orifice, 85 first opening and closing valve, 86 second opening and closing valve, 87 third opening and closing valve, 90 control device, 91 CPU, 92 ROM, 93 RAM, 95, 96 temperature sensor, 185 switching valve, 281 reflux pipe, 283 orifice, 285 proportional valve.

Claims

a fuel cell stack that generates electricity by reacting a fuel gas with an oxidant gas;
a reforming unit that generates the fuel gas by steam reforming a raw fuel gas;
a raw fuel gas supply line that supplies the raw fuel gas to the reforming unit ;
a pump provided in the raw fuel gas supply line for pumping the raw fuel gas;
a governor provided on the raw fuel gas supply line upstream of the pump;
A combustion section that heats the reforming section by combustion heat;
an unused fuel supply line that supplies unused fuel that has passed through the fuel cell stack to the combustion section;
a return line that branches off from the unused fuel supply line and is connected to the raw fuel gas supply line between the pump and the governor , and returns a portion of the unused fuel to the raw fuel gas supply line;
an electromagnetic valve provided in the reflux line;
A control device for controlling the solenoid valve;
Equipped with
The control device controls the solenoid valve so that, when the fuel cell system is operating, the unused fuel is supplied to the combustion section and does not flow back to the raw fuel gas supply line, and, when the fuel cell system is generating power, controls the solenoid valve so that the unused fuel is supplied to the combustion section and flows back to the raw fuel gas supply line.
Fuel cell system.

2. The fuel cell system according to claim 1 ,
the control device controls the solenoid valve so that the amount of return of the unused fuel changes according to the state of the fuel cell stack when the fuel cell system is generating power.
Fuel cell system.

3. The fuel cell system according to claim 2 ,
a temperature sensor for detecting a temperature correlated with a temperature of the fuel cell stack;
the control device controls the solenoid valve so as to increase the amount of the unused fuel returned when the temperature detected by the temperature sensor becomes equal to or higher than a predetermined temperature while the fuel cell system is generating electricity.
Fuel cell system.

4. The fuel cell system according to claim 3,
when the temperature detected by the temperature sensor becomes equal to or higher than a predetermined temperature while the fuel cell system is generating electricity, the control device controls the solenoid valve so as to increase the amount of return of the unused fuel, and controls the pump so as to increase the fuel utilization rate of the entire system.
Fuel cell system.

5. The fuel cell system according to claim 1,
a condenser that is installed in the unused fuel supply line and condenses water vapor contained in the unused fuel to generate water to be used for reforming in the reforming section;
The condenser is disposed upstream of a branch point of the unused fuel supply line to the reflux line.
Fuel cell system.